JPS6014161B2

JPS6014161B2 - タ−ビン動翼構造

Info

Publication number: JPS6014161B2
Application number: JP15558477A
Authority: JP
Inventors: 紀雄安ケ平; 武佐藤; 邦良坪内
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-12-26
Filing date: 1977-12-26
Publication date: 1985-04-11
Also published as: JPS5489106A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は軸流流体機械の回転勤翼構造に係り、特に、蒸
気タービン、ガスタービン、軸流圧縮機などの回転勤翼
の継手部構造に関するものである。

−般に、蒸気タービン、ガスタービン、軸流圧縮機など
の紬流流体機械の性能を左右するものは、上記流体機械
の段落性能であるといっても過言ではない。

ところで、上記流体機械の段落性能は、通常、段落を構
成する静止翼および回転勤翼の翼形損失、側壁二次流れ
損失、漏洩損失などによって主に支配されるといわれて
いる。

しかし、実際の流体機械では、軸封構造とロータディス
クのバランスホール形状（ディスクの強度上の制約を受
ける）のミスマッチングなどによって、軸からの漏洩流
の一部が再び段落内、即ち回転敷翼根元入口部に欠出さ
れるという現象が発生する。この段落内への再吹出し現
象は、動翼根元混合損失と呼ばれ、鰯翼入口流れの適正
化を著しく阻害するばかりでなく、勤翼翼列内部に必然
的に発生する側壁二次流れ損失を増長させるなど、段落
性山館と、著しい悪影響をもたらす。しかし、この再吹
出し現象の排除に関しては、確立された技術も提案もな
い現状であり、上記の段落内諸損失の低減と併せて定着
した技術としなければならない。先ず、第１図、第２図
、第３図を用いて従釆の藤流流体機械の流れ現象を詳細
に説明する。

第１図は蒸気タービンあるいはガスタービンの段落構成
を示す断面図である。上記タービンの段落は、静止翼１
，３、回転勤翼２，４と該静止翼１，３を支持固定する
ダイヤフラム５，９と該回転勤翼２，４を支持固定する
ロータデイスク６，１０とロータシャフト８によって主
に構成され、さらに、ロータシヤフト８とダイヤフラム
５，９間には流体漏洩を防止する鞠封装置であるラビリ
ンスパッキング７，１１を具備し、ダイヤフラム５とロ
ータディスク６間の蒸気室２２およびダイヤフラム９と
ロータディスク１０間の蒸気室３６の空間内にはディス
クフイン１４，１７、フラムフイン１６，１８、ルート
フィン１５，１９が具備されている。また、ロータデイ
スク６，１０にはディスク前面壁２０，２６側とディス
ク後面壁２４，２７側との圧力差による推力を緩和し、
ディスク７の強度を確保するためにバランスホール１２
，１３が具備されている。上記の如き段落構成の場合、
段落の主流２８の一部はシャフト漏洩流２９となって、
ラビリンスパツキング７を通過し、該シャフト漏洩流２
９の一部はバランスホ−ル１２を通過する流れ３０とな
って、後段のシャフト漏洩流３２となる。他方、シャフ
ト漏洩流２９の残り分は段落戻り流３１となって段落内
部に再び吹出される。その結果、勤翼２内の流れは入口
前縁から半径方向流れによって乱され、かつ段落主流２
８と戻り流３１との混合によって勤翼根元混合損失を発
生させる。（第３図参照）この混合流による乱れ流がさ
らに鰯翼翼列内部に流入すると、側壁付近に発生する二
次流れを益々増長させ、段落内の損失を一層増加させて
段落性能を劣下させることは必定である。この現象を実
験的に解明、確認した結果が第２図である。即ち、段落
主流Ｇの１％が第２図のＧｓに相当する如く勤翼根元へ
の戻り流となって吹出された場合、段落効率が１．３％
も低下することが確認され、この結果から、吹出し流Ｇ
ｓが２〜３％にもなると段落効率の膨大な低下は逃れな
い事実である。一方、段落主流の一部を静止翼、回転勤
翼の隙間から吸込んだ場合には、第２図から明らかなよ
うに段落効率は著しく向上することを実験的に確認した
。本発明の目的は、蒸気タービン、ガスタービン、軸流
圧縮機などの静止翼、回転勤翼の隙間から効果的に段落
主流の一部を吸込み、鰯翼根元混合流に伴なう損失を減
少せしめて高い段落性能を有する高効率の軸流流体機械
を提供することにある。本発明の特徴とするところは、
タービンなど鞠流流体機械の静止翼、回転勤翼の隙間か
ら段落主流への吹出し現象は段落効率を著しく低下させ
、逆に吸込み現象は効率向上に結びつけることを実験的
に確認し、上記吹出し流を防止し、さらに、吸込み現象
を効果的に発揮させる手段として、鞍形ダプテール翼継
手を有するダブテール上部壁内に流体通路を設け、静止
翼出口の主流の一部を該流体通路に導き、さらに動翼翼
列内部の底壁面に吹出す構造を設けた勅流機械の勤翼構
造を提案するものである。

以下、本発明の詳細について実施例を示した図面を用い
て説明する。

第４図は鞍形ダプテール翼継手を有する勤翼に本発明を
適用した実施例である。鞍形継手溝３９に鉄め込まれた
ダプテール鞍形部３７の上部にダブテール翼付娘部３６
が一体に形成され、さらに該ダブテール翼付根部３６の
上面４２ａ，４２ｂ，４２ｃには同じく一体形成された
勤翼２がそれぞれ複数個配設されている。翼付板部前面
４０ａには動翼背面側の端面に半円形状断面を有する吸
込み孔４５ａが設けられ、また翼付根部上面４２ａの勤
翼背面側には吹出し孔４６ａが設けられて、上記の吸込
み孔４５ａと吹出し孔４６ａは動翼背面側に翼付根部側
面４１ａに沿って頭斜して穿孔された流体通路４４ａに
よって連結されている。他方、翼付根部前面４０ａの鰯
翼腹面側の端面には、背面側端面と同機に、半円形状断
面を有する吸込み孔４５ｂが設けられ、かつ、翼付根部
上面４２ａの勤翼腹面側には、吹出し孔４６ｂが設けら
れて、上記の吸込み孔４５ｂと吹出し孔４６ｂは動翼腹
面側の翼付楓部側面４１ｂに沿って煩斜して穿孔された
流体通路４４ｂによって連結されている。上記の流体通
路４４ａ，４４ｂの煩斜角ｙは、吹出し孔４６からの流
れの方向を考慮すれば可能な限り水平鮫に対して小さい
ことが好ましいので１０〜１５度以下にすべきである。
また、流体通路４４の流路断面積は段落流量の２〜３％
の流量通過を許容出釆る面積に決定し、複数個の翼付根
部流体通路群４４に均一配分すればよい。また、翼付根
部前面４０ａには、翼付線部４２ａとの背側結合点から
腹面側の端面に設けられた吸込み孔４５ｂの上端まで延
在するルート部フィン４３ａ，４３ｂ，４３ｃ・・・・
・・…がそれぞれ設けられている。該ルートフィン４３
ａ，４３ｂ，４３ｃ・…・・・・・はロータ回転方向Ｒ
側を高くして煩斜角８を有している為に、ロータの回転
とともにルートフィン４３ａ，４３ｂ，４３ｃ間に介在
する流体は内径万向に流れようとし（ポンプ作用の逆作
用が働らく）、勤翼２の翼列内部に流入する流体の一部
を流体通路４４に導くことが可能となる（蒸気矢印４７
参照）。したがって、動翼入口流れの吸込み効果を発揮
することができ、第２図に示した段落効率の向上も十分
可能な訳である。一方、ダイヤフラム５とロータディス
ク間の流体は、当然ながら回転による遠心力作用によっ
て矢印４８の如く半径外側方向に上昇して流れ、吸込み
孔４４に流入し、流体通路４４を通過して、翼付狼部上
面４２上の吹出し孔４６から翼列内部に吹出される。第
８図は単独翼のダブテール部に本発明を適用した実用例
で、勤翼２の背面側から矢視した図である。また第９図
は逆に腹面側から失視した図であり、これらの図から吸
込み孔４５、流体通路４４、吹出し孔４６の構造が明確
に表わされている。第５図は第８図、第９図に示した単
独翼が組み立て過程にある状態を示すもので、完全に組
み立て後は流体通路４４の断面は円形になる。しかし、
本発明は流体通路４４の断面形状を必ずしも円形に限る
ものではなく、矩形状あるいはその他の任意形状を適用
してもその効果を著しく低下させることはない。第６図
は勤翼２の吸込み流４７，４８の流れ換様をダイヤフラ
ム５とロータディスク６の空間断面図で示したものであ
る。

ロータ軸８とダイヤフラム５間に介在するラビリンスパ
ッキング７から漏れた流れ２９は、ダイヤフラム後面壁
２１とロータデイスク前面壁２０で形成される蒸気室２
２に導かれる。該蒸気流２９の蒸気室２２における半径
方向の圧力分布Ｐごは第１１図に点線で示すようにな
る。ここで実線の圧力分布Ｐは従釆構造の場合を示す。
半径方向の圧力分布はｓｏｌｉｃｒねｔｉｏｎの理論か
ら次式によって求められる。△ＰニＡ〔ｅＸｐ（Ｋの）
２（ｒ２一ｒｌ）２−・〕滋ＲＴ但し、 △Ｐ；ロータ軸外半径ｒ８から吸込み孔の位ｒ２までの
圧力上昇Ｋ；Ｃｏｒｅｒｏｏｔｉｏｎ係数の；角速度（器Ｎ）Ｎ；ロータ回転数Ｒ：ガス定数Ｔ；流体温度第１１図から明らかなように、吸込み孔の位置での圧力
Ｐ２′は吸込み孔をもたない従来構造の場合の圧力Ｐ２
よりも小さくなり、相対的に半径方向の圧力レベルは従
来構造よりも４・さくなる。

したがって、鰯翼入口の圧力もＰ，′の如く減少して、
鰯翼入口における段落主流の一部を吸込む吹込み圧力差
Ｄ，は（Ｐ，′−Ｐ２′）になる。上記の現象は、ダブ
テール上部壁の位置（半径ｒ２）に吸込み孔４５を設け
ることにより、段落主流の一部を吸込む場合、遠心力に
よる圧力上昇に打ち勝って吸引する力が小さくてすむこ
とを示しており、吸込み効果によって段落効率を向上さ
せることが容易に可能となる。即ち、従来構造でバラン
スホールから段落主流の一部を吸込場合の必要吸引力△
ＰｏＲは△Ｐ。Ｒ＞Ｐ３〔ｅＸｐ（Ｋ■）２（ち−ｒ８
ア〕雄公Ｔに対し、本発明の場合の必要吸引力△ＰＮＥ
は△ＰＮＥ＞Ｐ３〔ｅＸｐ（Ｋの）２（ｒ３−ｒ２）２
〕２ｇＲＴとなり、現状のタービンでは△ＰｏＲ／△Ｐ
Ｎ８字１／５程度になり、定量的に考えても本発明によ
る吸引効果が著しく大きいことがわかる。

次に、翼付根部上面４２に穿ける吹出し孔４６の位置に
ついて説明する。

勤翼２の腹面および背面に沿った圧力分布は一般に第１
１図の右部に示した通りである。背面側で最も圧力（Ｐ
で）の低い位置は翼前縁から翼後緑に沿った長さの７０
％程度の位置である。したがってこの位置に吹出し孔４
６を設ければ、第１１図に示すように、吹出し圧力差Ｄ
２は（Ｐ２′−Ｐで）となり段落主流からの吸込流４８
および軸からの漏洩流２９を動翼２の翼列内に吹出すこ
とは十分可能である。また、この吹出し孔４６からの吹
出し流４９は動翼２の翼列内部に発生する二次流れ５２
（第１０図参照）のために、勤翼２出口の相対流出角Ｑ
の偏向を修正することができ、また、後続する静翼の入
口流ねの正常化にも寄与する。すなわち、第１０図左部
に示した勤翼２の相対流出角分布（翼長方向に関する）
から明らかなように、二次流れの中心位置（Ｈｓ）より
下方では、主流５１の流れが△Ｑだけ負側に曲げられ、
（ＨＰ−Ｈｓ）間では逆に△Ｑだけ正側に曲げられるが
、この流れの偏向をある程度矯正することができる訳で
ある。本発明の応用例としては、第１２図、第１３図に
示したように、段落主流からの吸込みをより積極的に行
なうために、ダイヤフラム５の垂直壁５６に適当な吸込
溝５５を設けて、対向するロータディスク６の回転とと
もに、ポンプ作用の逆作用を働かせることにより、段落
主流の一部４８を吸込んで、流体通路４４に導く方法も
考えられる。

本応用例は、ダイヤフラム５の溝加工が多少難しくなる
が、本発明の効果をより一層高めることができる。以上
、本発明の詳細について、実施例を用いて説明してきた
が、本発明によって得られる効果は次のようになる。

蒸気タービン、ガスタービン、軸流圧縮機の段落内、特
に回転動翼入口部の乱れた流れを吸込み効果により除去
し、段落効率を１〜２％向上させることが可能で、上記
流体機械の性能向上に著しく貢献できる。

本発明の付加的な効果としては、吸込み流れを勤翼翼列
内部に吹出すことにより、２次流れ損失の発生を緩和し
、段落効率を０．３〜０．５％改善することができる。

また、本発明を事業用蒸気タービンに適用した場合、プ
ラント熱効率の０．８〜１．２％向上を期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のタービン段落構造を示す横断面図、第２
図は段落主流からの吸込、吹出効果に対する効率の変化
を示す図、第３図は鞍形ダブテール継手部の従来構造を
示す斜視図、第４図は本発明を適用した一実施例である
鞍形ダブテール継手の組立状態を示す斜視図、第６図は
第４図の部分拡大図、第６図は本発明を適用したタービ
ン段落構造を示す断面図、第７図は第６図のＡ−Ａ矢視
図、第８図及び第９図は本発明を適用した単独の鞍形ダ
ブテール構造を示すもので、第８図は翼の背側から見た
斜視図、第９図は翼の背側から見た斜視図、第１０図は
本発明を用いた場合の２次流れ阻止状況を説明する図、
第１１図はダイヤフラムーディスク空間の圧力分布を説
明する図、第１２図は本発明の他の実施例を示す断面図
、第１３図は第１２図のＢ−Ｂ断面図である。１，３…・・・静翼、２，４・・・・・・動翼、５，９
・・・・・・ダイヤフラム、６，１０……ロータデイス
ク、１２…・”バランスホール、３６…・・・翼取付部
、３７……ダブテール、４３……ルート部フィン、４４
…・・・流体通路、４５・…・・吸込み孔、４６・・・
・・・吹出し孔。拳′図２図第３図４図５図髪る図努７図第８図弟？図拳／０図弟／′ 図弟 ′２図弟 ′３図

Claims

【特許請求の範囲】１円周上に複数個配設された回転動翼と該回転動翼を
支持固定するダブテール形翼継手部と該翼継手部を固定
するデイスク部とを備えたタービン動翼構造において、
上記動翼根元から該デイスク部と連結されるダブテール
形翼継手部であるダブテール鞍形部に至るダブテール翼
付根部には、蒸気上流側に面したその前壁面に開口した
吸込み孔と、該回転動翼が備えられているダブテール翼
付根部上壁面に開口した吹出し孔とを連通する流体流路
を設けたことを特徴とするタービン動翼構造。２特許請求の範囲第１項記載のタービン動翼構造にお
いて、隣接するダブテール翼付根部の接触面である動翼
腹側端壁面と動翼背側端壁面とに前記吸込み孔、吹出し
孔並びに流体流路をそれぞれ分割して形成したことを特
徴とするタービン動翼構造。３特許請求の範囲第１項又は第２項記載のタービン動
翼構造において、前記ダブテール翼付根部の前壁面には
、該ダブテール翼付根部上壁面近傍から該蒸気流路の吸
込み孔に至るフインを設けたことを特徴とするタービン
動翼構造。４特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項記載の
タービン動翼構造において、前記フインを傾斜配置する
と共に、前記流体流路も傾斜配置することを特徴とする
タービン動翼構造。５特許請求の範囲第１項又は第２項又は第３項又は第
４項記載のタービン動翼において、該吸込み孔が開口さ
れている前記ダブテール翼付根部前壁面と近接配置され
ている複数の静翼を固定したダイヤフラムの垂直壁上に
、段落主流に面した該垂直壁上端部から前記吸込み孔に
近接した部分に至る吸込み溝を形成し、段落主流の一部
を吸込み該流体流路に導くようにしたとを特徴とするタ
ービン動翼構造。６特許請求の範囲第５項において、前記吸込み溝を円
周方向に複数個設けたことを特徴とするタービン動翼構
造。