JP2005220797A

JP2005220797A - タービン

Info

Publication number: JP2005220797A
Application number: JP2004028739A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Sakamoto; 康朗坂元
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-05
Filing date: 2004-02-05
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】簡単な構成で、クロッキングした翼列の更に下流段の翼列までのタービンの効率を向上させ、ひいては全体の効率を向上させたタービンを提供する。
【解決手段】第１段静翼１ａのウェークＷａが、第１段動翼１ｂを通過した後、第２段静翼２ａの翼間に流入する構成となっている。これにより、第２段静翼２ａ出口での流れ場が均一化され、第２段動翼２ｂでの効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンに関するものであり、更に詳しくは、タービン翼のクロッキングによる効率向上技術に関するものである。

従来より、このようなタービン翼のクロッキングに関しては、上流段の静翼のウェークが下流段の静翼の前縁付近に流入する構成とすることで、若しくは上流段の動翼のウェークが下流段の動翼の前縁付近に流入する構成とすることで、効率が向上することが知られている。

図１７は、このような従来のタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図はタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは上流段の静翼である第１段静翼、１ｂは上流段の動翼である第１段動翼、２ａは下流段の静翼である第２段静翼である。同図に示すように、第１段静翼１ａのウェークＷａが第２段静翼２ａの前縁付近に流入する構成となっている。

このような従来例の具体的な構成として、ガスタービンのエアフォイルのクロッキング構成が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。これは、第１ステージベーンからのウェークフローが、回転ブレードを通過した後に第２ステージベーンの前縁上若しくはその周囲に流れるような位置関係とし、ガスタービンの効率を向上させた構成となっている。
特表平９−５１２３２０号公報

しかしながら、ウェークが発生する翼列からそのウェークが流入する翼列までの効率は、確かに上記従来の構成とすることによって向上するが、更に下流段の翼列を含んだ効率としては、必ずしもそうではない場合がある。本発明は、このような問題点に鑑み、簡単な構成で、クロッキングした翼列の更に下流段の翼列までの効率を向上させ、ひいては全体の効率を向上させたタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、上流段静翼のウェークが、上流段動翼を通過した後、下流段静翼の翼間に流入するように、前記各翼を配設して成ることを特徴とする。

また、下流段静翼のタービン軸方向から見た形状を、上流段静翼のウェークのタービン軸方向から見た形状に沿う形状として成ることを特徴とする。

或いは、上流段静翼のウェークのタービン軸方向から見た形状が、下流段静翼のタービン軸方向から見た形状に沿う形状となるように、前記上流段静翼を所定の形状として成ることを特徴とする。

そして、前記所定の形状は、前記上流段静翼のタービン周方向スタッキングによる形状であることを特徴とする。

或いは、前記所定の形状は、前記上流段静翼のタービン軸方向スタッキングによる形状であることを特徴とする。

或いは、前記所定の形状は、前記上流段静翼のゲージングによる形状であることを特徴とする。

加えて、上流段動翼のウェークが、下流段静翼を通過した後、下流段動翼の翼間に流入するように、前記各翼を配設して成ることを特徴とする。

また、上流段動翼のウェークのタービン軸方向から見た形状が、下流段動翼のタービン軸方向から見た形状に沿う形状となるように、前記上流段動翼を所定の形状として成ることを特徴とする。

そして、前記所定の形状は、前記上流段動翼のゲージングによる形状であることを特徴とする。

本発明によれば、簡単な構成で、クロッキングした翼列の更に下流段の翼列までの効率を向上させ、ひいては全体の効率を向上させたタービンを提供することができる。

具体的には、上流段静翼のウェークが、上流段動翼を通過した後、下流段静翼の翼間に流入するように、前記各翼を配設して成る構成とすることにより、下流段静翼出口での流れ場が均一化され、下流段動翼での効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。

また、上流段動翼のウェークが、下流段静翼を通過した後、下流段動翼の翼間に流入するように、前記各翼を配設して成る構成とすることにより、下流段動翼出口での流れ場が均一化され、第３段静翼での効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。本発明では、タービン翼のクロッキングに関して、上流段の静翼のウェークが下流段の静翼の翼間に流入する構成としている。これにより、下流静翼出口での流れ場が均一化され、下流動翼での効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。若しくは、上流段の動翼のウェークが下流段の動翼の翼間に流入する構成としている。これにより、下流動翼出口での流れ場が均一化され、更なる下流静翼での効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。

図１は、本発明の実施例１に係るガスタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図はガスタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは上流段の静翼である第１段静翼、１ｂは上流段の動翼である第１段動翼、２ａは下流段の静翼である第２段静翼、２ｂは下流段の動翼である第２段動翼である。本実施例では、同図に示すように、第１段静翼１ａのウェークＷａが、第１段動翼１ｂを通過した後、第２段静翼２ａの翼間に流入する構成となっている。これにより、第２段静翼２ａ出口での流れ場が均一化され、第２段動翼２ｂでの効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。

図２は、本発明の実施例２に係るガスタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図はガスタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは上流段の静翼である第１段静翼、１ｂは上流段の動翼である第１段動翼、２ａは下流段の静翼である第２段静翼、２ｂは下流段の動翼である第２段動翼、３ａは更に下流の段に位置する静翼である第３段静翼、３ｂは更に下流の段に位置する動翼である第３段動翼である。本実施例では、同図に示すように、第１段動翼１ｂのウェークＷｂが、第２段静翼２ａを通過した後、第２段動翼２ｂの翼間に流入する構成となっている。これにより、第２段動翼２ｂ出口での流れ場が均一化され、第３段静翼３ａでの効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。なお、本実施例は、上記実施例１と併用可能である。

図３は、本発明の実施例３に係るガスタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図は上記図１と同様にして、ガスタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは上流段の静翼である第１段静翼、１ｂは上流段の動翼である第１段動翼、２ａは下流段の静翼である第２段静翼、２ｂは下流段の動翼である第２段動翼である。また図４は、図３のＣＣ断面図であり、図中の４はハブ、５はケーシングである。

図４に示すように、上記第１段静翼１ａからのウェークＷａは、タービン軸方向から見た第２段静翼列での断面が、静翼背側（負圧側）に膨らむように弓なりに反った形状をしている。そこで、本実施例では、上記実施例１の構成に加えて、同図に示すように、第２段静翼２ａのタービン周方向スタッキングを変更し、当初は破線で示すように直立していたものを、実線で示すようにウェークＷａの弓なりに反った形状に沿う形状として、ウェークＷａが第２段静翼２ａ間を確実に通過するようにしている。これにより、第２段静翼２ａ出口での流れ場の均一化が促進され、第２段動翼２ｂでの効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。

図５は、本発明の実施例４に係るガスタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図は上記図１と同様にして、ガスタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは上流段の静翼である第１段静翼、１ｂは上流段の動翼である第１段動翼、２ａは下流段の静翼である第２段静翼、２ｂは下流段の動翼である第２段動翼である。また図６は図５のＡＡ断面図、図７は図５のＣＣ断面図であり、各図中の４はハブ、５はケーシングである。

本実施例では、上記実施例１の構成に加えて、図６に示すように、第１段静翼１ａのタービン周方向スタッキングを変更し、タービン軸方向から見た形状が、当初は破線で示すように直立していたものを、実線で示すように上記実施例３で述べたウェークＷａの反りとは逆方向に弓なりに反った形状として、結果的に図７に示すように、ウェークＷａを略直立させるようにし、直立する第２段静翼２ａ間をウェークＷａが確実に通過するようにしている。これにより、第２段静翼２ａ出口での流れ場の均一化が促進され、第２段動翼２ｂでの効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。

図８は、本発明の実施例５に係るガスタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図は上記図１と同様にして、ガスタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは上流段の静翼である第１段静翼、１ｂは上流段の動翼である第１段動翼、２ａは下流段の静翼である第２段静翼、２ｂは下流段の動翼である第２段動翼である。また図９はタービン縦断面図、図１０は図８のＣＣ断面図であり、各図中の４はハブ、５はケーシングである。

本実施例では、上記実施例１の構成に加えて、図９に示すように、第１段静翼１ａのタービン軸方向スタッキングを変更し、当初は破線で示すように直立していたものを、実線で示すように下流側に膨らむように反った形状として、結果的に図１０に示すように、ウェークＷａを略直立させるようにし、直立する第２段静翼２ａ間をウェークＷａが確実に通過するようにしている。これにより、第２段静翼２ａ出口での流れ場の均一化が促進され、第２段動翼２ｂでの効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。

図１１は、本発明の実施例６に係るガスタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図は上記図１と同様にして、ガスタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは上流段の静翼である第１段静翼、１ｂは上流段の動翼である第１段動翼、２ａは下流段の静翼である第２段静翼、２ｂは下流段の動翼である第２段動翼である。また図１２は図１１のＣＣ断面図であり、図中の４はハブ、５はケーシングである。

本実施例では、上記実施例１の構成に加えて、図１１に示すように、第１段静翼１ａのゲージングを変更し、破線で示す状態から実線で示す状態まで捻りを加え、結果的に図１２に示すように、ウェークＷａを略直立させるようにし、直立する第２段静翼２ａ間をウェークＷａが確実に通過するようにしている。これにより、第２段静翼２ａ出口での流れ場の均一化が促進され、第２段動翼２ｂでの効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。なお、捻りの状態は流体解析等により決定する。

図１３は、本発明の実施例７に係るガスタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図は上記図２と同様にして、ガスタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは上流段の静翼である第１段静翼、１ｂは上流段の動翼である第１段動翼、２ａは下流段の静翼である第２段静翼、２ｂは下流段の動翼である第２段動翼、３ａは更に下流の段に位置する静翼である第３段静翼、３ｂは更に下流の段に位置する動翼である第３段動翼である。また、図１４は図１３のＤＤ断面図であり、図中の４はハブ、５はケーシングである。

本実施例では、上記実施例２の構成に加えて、図１３に示すように、第１段動翼１ｂのゲージングを変更し、破線で示す状態から実線で示す状態まで捻りを加え、結果的に図１４に示すように、ウェークＷｂを略直立させるようにし、直立する第２段動翼２ｂ間をウェークＷｂが確実に通過するようにしている。これにより、第２段動翼２ｂ出口での流れ場の均一化が促進され、第３段静翼３ａでの効率が向上し、ひいては全体の効率が向上する。なお、捻りの状態は流体解析等により決定する。また本実施例は、上記実施例３〜６のいずれかと併用可能である。

その他、上記各実施例において、各翼の横断面形状が高さ方向位置で変化した構成とすることも可能である。

ところで図１５は、第２段静翼周方向位置に対する、第２段静翼前縁前方エントロピー及び、第２段動翼までを含むタービン効率の関係を示すグラフである。同図では横軸に第２段静翼周方向位置を取っている。ここでは従来よりの或る基準位置からの第２段静翼周方向位置を、隣り合う静翼同士の配置を１ピッチとして示している。また、縦軸に第２段静翼前縁前方エントロピー及びタービン効率を取っている。第２段静翼前縁前方エントロピーは実線ａで示され、タービン効率は実線ｂで示される。

同図より分かるように、第２段静翼前縁前方エントロピーが低くなるほど、タービン効率が高くなる傾向にあり、逆に第２段静翼前縁前方エントロピーが高くなるほど、タービン効率が低くなる傾向にある。一方、第２段静翼前縁にウェークが当たるとエントロピーが高くなることが知られているので、同図の領域Ｗで示すように、基準から概ね０．８〜０．９ピッチの位置にウェークが存在し、また同図の領域Ｍで示すように、基準から概ね０．３〜０．４ピッチの位置にタービン駆動ガスの主流が存在することが分かる。

ここで、図１６は第２段静翼が基準位置にある場合のタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図である。同図は上記図１と同様にして、ガスタービン外側（ケーシング側）からハブ面を見た様子を示しており、左側が上流側、右側が下流側であって、１ａは第１段静翼、１ｂは第１段動翼、２ａは第２段静翼、２ｂは第２段動翼である。同図では基準位置の第２段静翼２ａを実線で示している。

同図に示すように、第２段静翼２ａが基準位置にある場合、第１段静翼１ａのウェークＷａは、第２段静翼２ａの概ね０．８〜０．９ピッチの位置に流入する構成となっている。この場合、図１５より分かるように、タービン効率は０或いは１ピッチにおける値となり、あまり高くならない。そこで、図１６に示すように、第２段静翼２ａがタービン駆動ガスの主流付近となるように、第２段静翼２ａを破線で示す位置に、矢印の如く例えば０．３〜０．４ピッチ程度移動させる。これにより、ウェークＷａが第２段静翼２ａの翼間に確実に流入し、タービン効率を向上させることができる。

実施例１におけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。実施例２におけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。実施例３におけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。図３のＣＣ断面図。実施例４におけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。図５のＡＡ断面図。図５のＣＣ断面図。実施例５におけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。実施例５におけるタービン縦断面図。図８のＣＣ断面図。実施例６におけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。図１１のＣＣ断面図。実施例７におけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。図１３のＤＤ断面図。第２段静翼周方向位置に対するエントロピー及びタービン効率の関係を示すグラフ。第２段静翼が基準位置にある場合のタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。従来のタービンにおけるタービン翼の相対位置関係を模式的に示す図。

符号の説明

１ａ第１段静翼
１ｂ第１段動翼
２ａ第２段静翼
２ｂ第２段動翼
３ａ第３段静翼
３ｂ第３段動翼
４ハブ
５ケーシング
Ｗａウェーク
Ｗｂウェーク

Claims

上流段静翼のウェークが、上流段動翼を通過した後、下流段静翼の翼間に流入するように、前記各翼を配設して成ることを特徴とするタービン。
下流段静翼のタービン軸方向から見た形状を、上流段静翼のウェークのタービン軸方向から見た形状に沿う形状として成ることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
上流段静翼のウェークのタービン軸方向から見た形状が、下流段静翼のタービン軸方向から見た形状に沿う形状となるように、前記上流段静翼を所定の形状として成ることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
前記所定の形状は、前記上流段静翼のタービン周方向スタッキングによる形状であることを特徴とする請求項３に記載のタービン。
前記所定の形状は、前記上流段静翼のタービン軸方向スタッキングによる形状であることを特徴とする請求項３に記載のタービン。
前記所定の形状は、前記上流段静翼のゲージングによる形状であることを特徴とする請求項３に記載のタービン。
上流段動翼のウェークが、下流段静翼を通過した後、下流段動翼の翼間に流入するように、前記各翼を配設して成ることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
上流段動翼のウェークのタービン軸方向から見た形状が、下流段動翼のタービン軸方向から見た形状に沿う形状となるように、前記上流段動翼を所定の形状として成ることを特徴とする請求項７に記載のタービン。
前記所定の形状は、前記上流段動翼のゲージングによる形状であることを特徴とする請求項８に記載のタービン。