JPH10169405A - タービンノズル - Google Patents

タービンノズル

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JPH10169405A JP8325592A JP32559296A JPH10169405A JP H10169405 A JPH10169405 A JP H10169405A JP 8325592 A JP8325592 A JP 8325592A JP 32559296 A JP32559296 A JP 32559296A JP H10169405 A JPH10169405 A JP H10169405A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 翼長方向に沿いノズル動翼間距離を変化させ
ることで、軸方向距離を最適に保つこと。 【解決手段】 ノズル翼１１は周方向に湾曲させると共
に、翼長方向の各高さ位置における断面をロータ中心を
通るラジアル線Ｅに対して移動させ、軸方向の流体流出
側に湾曲させて構成される。ノズル出口流出角が翼長方
向に変化することにより最適軸方向距離が変化し、最適
な値とすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は蒸気タービンのノズ
ル動翼間に生じる翼間損失を減少させてタービン内部効
率を向上させるのに好適なタービンノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、蒸気タービンは性能向上に望まし
い様々な技術開発の成果を取り入れて高い効率を達成す
ることに成功している。性能向上に貢献した技術で注目
されるのは内部効率の向上を目的としたもので、これは
どのようなタービンサイクル、あるいは流体条件を採る
ものにも有効であり、適応範囲の広さから最も注目を集
めることになる。タービン内部で生じる損失のうち、２
次流れ損失は軸流タービンの多くの段落に共通して発生
する損失であり、これに対する解決策の適否により内部
効率が大きく左右されることになる。
【０００３】ところで、ノズル流路内で発生する２次流
れ渦に起因する２次流れ損失を低減するのに翼形、翼列
に対する深い考察が欠かせない。近年、３次元的な流れ
の正確な把握を可能にした計算機技術の進歩があり、翼
形、翼列についても３次元的な観点からより深い考察を
加えることが可能になっている。
【０００４】たとえば、蒸気タービンの回転中心を通る
ラジアル線に対して円周方向の流体の流出側へ湾曲させ
て構成されるノズル翼がある。図５は上記の湾曲させた
ノズルを採用する軸流タービンの段落の一部を示してい
る。ここで、ノズル翼はダイアフラム外輪２とダイアフ
ラム３との間に挟持されている。このノズル翼１におい
ては翼間流路における速度ベクトルを根元側ではダイア
フラム内輪３、先端側ではダイアフラム外輪２の方向に
向ける作用があり、ダイアフラム内輪３およびダイアフ
ラム外輪２の双方で境界層が発達するのを抑制すること
が可能である。
【０００５】一方、翼列性能についてはノズル翼１の後
縁端とこれに隣接する他のノズル翼１の背面との最短距
離Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔ（図６参照）を翼長方
向に変化させ、翼長方向の流量分布を制御し、性能向上
を図る方法が知られている。図７に示すように、ノズル
翼１の根元部および先端部のスロート幅Ｓ１、Ｓ３をノ
ズル翼１の中央部のスロート幅Ｓ２よりも大きくし、こ
の部分に流れる流量を多くする（以下、このノズル翼を
３次元設計形１と称する）ことで、壁面近傍の２次流れ
損失を低減させるもの、反対に、図８に示すように、翼
長中央部付近の壁面の影響を受けない性能のよい部分の
スロート幅Ｓ２を大きくし、この部分に多量の蒸気を流
すように構成するもの（以下、３次元設計形２と称す
る）が知られている。このようなＳ／Ｔ分布を翼長方向
に変化させて３次元的に蒸気の流れを制御することによ
り翼列性能を向上させることが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、蒸気タービ
ンの内部効率を左右する諸因子の一つにノズル動翼間に
生じる翼間損失がある。この翼間損失は一般に、次に述
べる非定常損失と混合損失との和で表わされる。すなわ
ち、非定常損失とは図９で示すようなノズル後流の円周
方向の速度分布により生じるウェークを動翼（図示せ
ず）が通過することにより生じる損失のことであり、ノ
ズル出口での速度成分の変化により流体の動翼への流入
角度が周期的に変動することにより生じる損失である。
ウェークの深さは流れ方向への距離の増加と共に小さく
なり、これに伴ない非定常損失も減少する。
【０００７】また、混合損失とは自由空間に噴出した流
体同士の干渉によってもたらされる損失のことで、これ
は非定常損失とは逆に流れの方向へ距離が増すと、損失
が増大することになる。したがって、図１０に示すよう
に非定常損失ζ１と混合損失ζ２との和である翼間損失
ζ３は損失が減少する前者と、損失が増加する後者とが
交わる点に損失が最小となる最適値を有することにな
る。
【０００８】図１１を参照して説明すると、この最適値
を示す流れ方向距離をＬｏｐｔ、ノズル絶対流出角度を
α2 としたとき、翼間において最適軸方向距離δａは下
式で示すことができる。 δａ＝Ｌｏｐｔ×sin α2 なお、図中符号４は動翼を示している。
【０００９】一方、従来の３次元設計翼では湾曲させた
ノズル翼１（図５参照）および図１２に示すような翼長
方向のＳ／Ｔ分布の変化によりノズル出口での絶対流出
角分布が図１３に示すように３次元的に変化する。この
とき、最適軸方向距離δａは翼長方向に変化するsin α
2 により図１４に示すように変化する。すなわち、ノズ
ル後縁端形状を周方向に湾曲させてもノズル動翼間距離
がこれまでと変わらないままではタービン内部効率を十
分に高めることができない。
【００１０】そこで、本発明の目的は翼長方向に沿いノ
ズル動翼間距離を変化させることで、軸方向距離を最適
に保つようにしたタービンノズルを提供することにあ
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は環状のダイアフラム外輪およびダイアフ
ラム内輪に挟持された複数枚のノズル翼を備えてなるタ
ービンノズルにおいて、各ノズル翼を翼中央部において
周方向に、かつ軸方向の流体流出側に湾曲させるように
構成したことを特徴とするものである。
【００１２】さらに、第２の発明は環状のダイアフラム
外輪およびダイアフラム内輪に挟持された複数枚のノズ
ル翼を備えてなるタービンノズルにおいて、各ノズル翼
を一のノズル翼の後縁端と、これに隣接する他のノズル
翼の背面との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの最
小値が翼中央部にあり、かつ翼中央部において軸方向の
流体流出側に湾曲させるように構成したことを特徴とす
るものである。
【００１３】また、第３の発明は環状のダイアフラム外
輪およびダイアフラム内輪に挟持された複数枚のノズル
翼を備えてなるタービンノズルにおいて、各ノズル翼を
一のノズル翼の後縁端と、これに隣接する他のノズル翼
の背面との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの最大
値が翼中央部にあり、かつ翼中央部において軸方向の流
体流入側に湾曲されるように構成したことを特徴とする
ものである。
【００１４】望ましくは、各ノズル翼はノズル翼の根元
部の後縁端と先端部の後縁端とを結ぶ線をノズル翼のラ
ジアル線に対して流体流出側に一定の角度で傾けるよう
に構成する。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１において、ノズル翼１１はダ
イアフラム外輪１２とダイアフラム内輪１３との間に挟
持されている。このノズル翼１１は環状列をなして多数
配置されるが、図示したものはそのうちの１枚である。
このノズル翼１１にすぐ隣接してロータディスク１４か
ら延びる動翼１５が設けられ、軸流タービンの段落を構
成している。動翼１５もノズル翼１１と同様に環状列を
なして配置され、図示のものはそのうちの１枚である。
動翼１５の先端には動翼同士を連結しているシュラウド
１６が設けられている。
【００１６】また、このノズル翼１１はそれの根元部の
後縁端と先端部の後縁端とを結ぶ線Ｆをノズル翼１１の
ラジアル線Ｅに対して流体流出側に角度θだけ傾けて配
置されている。本実施の形態においてはノズル翼１１を
傾ける角度θは０〜５°の範囲である。
【００１７】図２に改めてノズル１１を示している。こ
のノズル翼１１は回転中心を通るラジアル線に対して周
方向の流体流出側に湾曲させて構成される。また、翼長
方向の各高さ位置における断面をロータ中心を通るラジ
アル線Ｅに対して移動させ、軸方向の流体流出側に湾曲
させるように構成されている。
【００１８】この周方向に湾曲して構成されるノズル翼
１１においては先に述べたようにノズル出口流出角が従
来のノズル翼よりも根元側で大きく、中央部で小さく、
先端側で大きくなる。このノズル出口流出角が翼長方向
に変化することで、翼間の非定常損失と混合損失とから
定まる最適軸方向距離が翼長方向に変化することにな
る。すなわち、中央部では最適軸方向距離が小さくな
り、逆に根元部および先端部では大きくなる。本実施の
形態ではロータ中心を通るラジアル線Ｅに対して断面を
移動して軸方向の流入流出側に湾曲させるもので、翼長
方向に沿いノズル動翼間距離Ｌａを変化させる。これに
より軸方向距離を最適な値とすることができる。したが
って、翼間損失をより小さくすることが可能になり、内
部効率をさらに高めることができる。
【００１９】また、ラジアル線Ｅとノズル翼１１の根元
部の後縁端と先端部の後縁端とを結ぶ線Ｆとの間の角度
θを０〜５°の範囲に保つことで、たとえば、ノズル翼
１１の湾曲形状が他の構成部品との干渉等の理由から最
適値を保つことが困難であるときも、翼間における軸間
距離を最適値に近づけることができる。
【００２０】この角度θは翼長により変化するが、翼長
が最も長いもので５°が限界である。図４に角度θを変
化させたときの効率の推移を示す。比較的翼長の長い長
翼Ｈ１、中間の長さの中翼Ｈ２および中翼よりも短い短
翼Ｈ３のそれぞれに効率１．０を下まわる角度があり、
長翼Ｈ１ではこの角度が５°である。したがって、角度
θは０〜５°の範囲とするのが望ましい。
【００２１】さらに、本発明の他の実施の形態を説明す
る。本実施の形態は壁面近傍の２次流れ損失を低減する
ことを目的として用いられる翼長方向の流量分布を制御
するノズル（３次元設計形１）に適用される。また、各
ノズル翼はノズル翼の後縁端とこれに隣接するノズル翼
の背面に最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの最小値
が翼中央部にあり、図２のノズル翼１１と同様に翼長方
向の各高さ位置における断面をロータ中心を通るラジア
ル線Ｅに対して移動させ、翼中央部において軸方向の流
体流出側に湾曲させるように構成されている。
【００２２】このノズル翼においてはＳ／Ｔの最小値が
翼中央部にあることから、先に述べたようにノズル流出
角が翼中央部で小さく、根元部および先端部で大きくな
る。ノズル出口流出角が翼長方向に変化することで、中
央部では最適軸方向距離が小さくなり、逆に根元部およ
び先端部が大きくなるため、軸方向の流体流出側に湾曲
させることにより、翼長方向に沿いノズル動翼間距離を
変化させる。これにより軸方向距離を最適値に保つこと
ができる。したがって、翼間損失をより小さくすること
が可能で、内部効率を向上させることができる。
【００２３】さらに、他の実施の形態を図３を参照して
説明する。本実施の形態は翼長方向に流量分布を制御す
るノズル（３次元設計形２）に適用される。ノズル翼２
１はノズル翼の後縁端とこれに隣接するノズル翼の背面
との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの最大値が翼
中央部に位置するように定めたもので、上記実施の形態
のものと逆に、翼長方向の各高さ位置における断面をロ
ータ中心を通るラジアル線Ｅに対して移動させ、翼中央
部において軸方向の流体流入側に湾曲させるように構成
される。
【００２４】本実施の形態においてはＳ／Ｔの最大値が
翼中央部にあることから、先に述べたように、上記実施
の形態のものと逆に、ノズル流出角は翼中央部で大きく
なり、根元部および先端部で小さくなる。そして、この
ノズル出口流出角が翼長方向に変化することで、中央部
では最適軸方向距離が大きくなり、逆に根元部および先
端部では最適軸方向距離が小さくなるため、軸方向の流
体流入側に湾曲させることにより翼長方向に沿いノズル
動翼間距離が変化し、軸方向距離を最適値に保つことが
できる。したがって、翼間損失をより減少させることが
でき、内部効率を向上させることが可能になる。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように第１の発明によれ
ば、各ノズル翼を翼中央部において周方向に、かつ軸方
向の流体流出側に湾曲させるようにしたので、段落にお
ける最適軸方向距離を保つことができ、翼間損失を減少
させてタービン内部効率を向上させることが可能であ
る。
【００２６】さらに、第２の発明によれば、各ノズル翼
をノズル翼の後縁端と、これに隣接するノズル翼の背面
との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの最小値が翼
中央部にあり、かつ翼中央部において軸方向の流出側に
湾曲させるようにしたので、段落における最適軸方向距
離を保つことができ、翼間損失を減少させてタービン内
部効率を向上させることが可能である。
【００２７】また、第３の発明によれば、各ノズル翼を
ノズル翼の後縁端と、これに隣接するノズル翼の背面と
の最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの最大値が翼中
央部にあり、かつ翼中央部において軸方向の流出側に湾
曲させるようにしたので、段落における最適軸方向距離
を保つことができ、翼間損失を減少させてタービン内部
効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるタービンノズルを用いた蒸気ター
ビンの段落を示す模式図。
【図２】本発明によるタービンノズルを示す模式図。
【図３】本発明の他の実施の形態を示す模式図。
【図４】ノズル後縁端の傾斜角に対する効率の変化を示
すグラフ。
【図５】従来の周方向に湾曲させたノズルを示す斜視
図。
【図６】従来のノズル翼の横断面図。
【図７】従来の３次元設計によるノズルを示す斜視図。
【図８】従来の３次元設計による他のノズルを示す斜視
図。
【図９】ノズルウェークを説明するための図。
【図１０】ノズルの動翼間損失の分布を示すグラフ。
【図１１】軸方向距離を説明するための図。
【図１２】３次元設計形ノズルのＳ／Ｔの分布を示す
図。
【図１３】３次元設計形ノズルのノズル出口流出角の分
布を示す図。
【図１４】最適軸方向距離を説明するための図。
【符号の説明】
１１、２１ ノズル翼 １２ ダイアフラム、外輪 １３ ダイアフラム、内輪 １５ 動翼

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】環状のダイアフラム外輪およびダイアフラ
    ム内輪に挟持された複数枚のノズル翼を備えたタービン
    ノズルにおいて、前記各ノズル翼を翼中央部において周
    方向に、かつ軸方向の流体流出側に湾曲させるように構
    成したことを特徴とするタービンノズル。
  2. 【請求項２】環状のダイアフラム外輪およびダイアフラ
    ム内輪に挟持された複数枚のノズル翼を備えたタービン
    ノズルにおいて、前記各ノズル翼を一のノズル翼の後縁
    端と、これに隣接する他のノズル翼の背面との最短距離
    Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの最小値が翼中央部にあ
    り、かつ翼中央部において軸方向の流体流出側に湾曲さ
    せるように構成したことを特徴とするタービンノズル。
  3. 【請求項３】環状のダイアフラム外輪およびダイアフラ
    ム内輪に挟持された複数枚のノズル翼を備えたタービン
    ノズルにおいて、前記各ノズル翼を一のノズル翼の後縁
    端と、これに隣接する他のノズル翼の背面との最短距離
    Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの最大値が翼中央部にあ
    り、かつ翼中央部において軸方向の流体流入側に湾曲さ
    れるように構成したことを特徴とするタービンノズル。
  4. 【請求項４】前記各ノズル翼をノズル翼の根元部の後縁
    端と先端部の後縁端とを結ぶ線を該ノズル翼のラジアル
    線に対して流体流出側に一定の角度で傾けさせるように
    構成したことを特徴とする請求項１または２記載のター
    ビンノズル。
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