JP2020037904A - 軸流タービン - Google Patents

Abstract

【課題】動翼のプロファイル損失を低減し、タービン性能の向上を図る。【解決手段】実施形態の軸流タービンでは、各段落で、ノズル翼１３の軸方向下流側で動翼１７の軸方向上流側であってノズル翼１３および動翼１７よりも径方向外側でノズル外周壁１１の径方向内側に環状のキャビティ２５が形成される。動翼１７の臨界翼高さ比から１までの範囲で、幾何流入角度が、ノズル翼１３の出口位置での流出角度、軸流速度および動翼回転速度から求まる動翼流入角度に比べて所定のずれ角度だけ大きく、ずれ角度は動翼１７の径方向外側に向かって次第に大きくなっていて、下流側の臨界翼高さ比が上流側の臨界翼高さ比よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、多段の軸流タービンに関する。

近年、発電プラントの運転経済性を改善し発電効率の改善を図るために、タービン性能の向上を図ることが重要な課題となっている。タービンの内部における損失は翼のプロファイル損失、２次損失、あるいは最終段の排気損失など様々であるが、特にノズル翼後縁から動翼前縁間の外周壁付近に構成されているキャビティから主流への流入流れに起因する損失を低減することができれば、作動流体（タービン駆動流体。たとえば蒸気）のもつ熱エネルギをあますことなく回転エネルギに変換することに寄与し、効率向上にとって効果は大きい。

図４は軸流タービンの一つの段落の上半縦断面図である。ノズル外周壁１１およびノズル内輪１２によってはさまれた環状の流路内に、多数のノズル翼１３が周方向に配列され、そのノズル翼１３のチップ部（径方向外側先端部）がノズル外周壁１１の内面に固定され、ノズル翼１３のルート部（径方向内側端部）がノズル内輪１２の外面に固定され一つのタービンノズルが構成されている。

一方、このタービンノズルの軸方向下流側には回転軸１６に固定され放射方向に立設された多数の動翼１７が配置される。また、動翼１７は、動翼植え込み部１９を備え、動翼植え込み部１９を例えば、フォーク状、または鞍型状に形成し、回転軸１６に植設する構成になっている。動翼１７の頂部（径方向先端部）には、シュラウド１８が取り付けられている。シュラウド１８は周方向に延びて、周方向に互いに隣接する動翼１７同士がシュラウド１８によって連結されている。

ノズル外周壁１１のシュラウド１８に対向する位置には、複数の外側フィン２０が、軸方向に互いに間隔をあけて取り付けられている。外側フィン２０は周方向に延び、シュラウド１８の外周に向かって突出している。外側フィン２０の先端には、シュラウド１８の外周との間に、間隙（チップクリアランス部）２１が設けられる。外側フィン２０によって、間隙２１を通過する流れが抑制される。

ノズル内輪１２の内面で回転軸１６に対向する位置には、複数の内側フィン２２が、軸方向に互いに間隔をあけて取り付けられている。内側フィン２２は周方向に延び、回転軸１６の外周に向かって突出している。内側フィン２２の先端には、回転軸１６の外周との間に、間隙が設けられる。内側フィン２２によって、ノズル内輪１２の内面と回転軸１６の外面との間の間隙を通過する流れが抑制される。

このような構成を備えたタービン段落において、ノズル翼１３は、圧力・温度の高い上流側から圧力・温度の低い下流側に向かう流れに膨張仕事をさせ、熱エネルギを速度エネルギに変えている。

また、動翼１７は作動流体を転向させて次段落に案内する際、実質的な仕事（回転トルクの発生）をする部分である。

ノズル翼１３からなるタービンノズルと動翼１７とによって一段落が構成されている。多段軸流タービンでは、この段落が軸方向に複数段落配列されている。上述のように構成されるタービン段落には、ノズル翼１３の出口すなわちノズル翼後縁１３ａと、動翼１７の入口すなわち動翼前縁１７ａとにはさまれた軸方向位置で、ノズル翼１３および動翼１７の径方向外側でノズル外周壁１１の径方向内側には、空間部（キャビティ）２５が形成されている。

タービン段落は、高圧側から低圧側に向かう流体に膨張仕事をさせているので、低圧側に向かうに従い圧力が低くなり、その比容積が増加する。そのため、流体の急激な比容積の増加に対応して滑らかな膨脹を実現するため、下流側に向かってノズル翼１３および動翼１７のそれぞれの翼長を高くして流路を大きく確保する。さらに、タービンノズル外周壁１１に、０＜δ１を満足するスラント角（傾斜角）δ１を設け、動翼部外周壁に０＜δ２を満足するスラント角δ２を設けて、軸方向下流側に向かって流路が徐々に拡大するように構成されている。

また、ノズル翼１３を流出した作動流体の大部分は、動翼１７の有効部に流入する一方、一部の作動流体はキャビティ２５および間隙２１を通り、下流側へと流出してゆく。キャビティ２５内には渦が発生する場合もあり、キャビティ２５内に入った作動流体の一部は、動翼１７を流れる主流に合流する。

図５は、軸流タービンのノズル出口の作動流体速度、角度、動翼回転速度の関係を示す説明図である。ノズル翼１３を絶対速度Ｃ２、流出角度α２で流出した作動流体は、動翼１７側からみると、相対流入速度Ｗ２、相対流入角度β２で動翼に流入する。図５に示すように、作動流体の動翼１７への相対流入角度β２は、回転速度Ｕ、ノズル流出角度α２、および作動流体の軸方向速度Ｃｘにより一意に定まる。

図６は軸流タービンの動翼幾何流入角度の説明図である。また、図７は、軸流タービンの相対流入角度と動翼損失との関係を示すグラフである。

図７に示すように、図６に示す動翼の幾何流入角度β２ＧＥＯと、作動流体の相対流入角度β２とを一致させると、動翼１７のプロファイル損失を低減することが可能となる。そのため、従来は、β２ＧＥＯ＝β２となるように動翼１７の形状が決定されてきた。これは、作動流体が幾何流入角度とミスマッチ角度をもって流入した場合、動翼１７の腹側、あるいは背側に剥離を生じ、動翼１７の損失が低減するいわゆるインシデンス損失と呼ばれるプロファイル損失の一種が生じるためである。

特開２００５−３０２６６号公報 特開２００６−１３８２５９号公報 実公昭５６−９０４１号公報

図８は、軸流タービンのノズル翼のウェークの説明図である。ノズル翼１３は、流れを転向させる役割を有している。図８で、ノズル翼１３の上流側から作動流体が矢印Ｃ１の方向で流入する。ノズル翼１３の下流側の一点鎖線Ａの位置における作動流体の速度ベクトルをＣ２およびＣ２’で示している。ノズル翼１３のウェークＷに当たる位置の流速Ｃ２’は、他の位置の流速Ｃ２よりも小さい。また、ノズル翼１３の片側は圧力が高く正圧面１３ｐｓとなっていて、もう一方の側は圧力が低く負圧面１３ｓｓとなっている。

上述のように構成されたタービン段落内の作動流体は、ノズル翼１３の上流より流入し、動翼１７の下流へと流出してゆく。ここで、ノズル翼１３を流出した作動流体は動翼１７およびチップクリアランス部２１のいずれかを通り下流側へと流出する。チップクリアランス部２１を通る流れはタービンの出力に寄与しないので、少なく抑えられている。

また、タービンの性能向上を図るためには、ノズル翼１３のノズル翼後縁１３ａから動翼１７の動翼前縁１７ａまでの間の外周壁付近に構成されているキャビティ２５内の低エネルギの流れが、動翼１７の有効部へ流入して、主流の絶対全圧を低下させることを抑制するのが望ましい。従来の軸流タービンでは、この課題への対策が不十分で、性能の低下を招いていた。以下にその理由を説明する。

図８で、ノズル翼１３の翼面上での流体の速度はゼロであり、また、翼面のきわめて近傍では、境界層とよばれる速度の遅い領域が形成される。そのため、図８に示すように、タービン運転中、ノズル翼後縁１３ａの後方には主流の速度Ｃ２より小さい速度Ｃ２’をもつウェークＷが発生する。ノズル翼１３の面の圧力に対応し、ウェークの正圧面１３ｐｓは主流に比べて高い圧力、負圧面１３ｓｓは低い圧力を有している。図８の速度を表す矢印で、正圧域を「ｐｓ」で表し、負圧域を「ｓｓ」で表している。

図９は、軸流タービンのノズル翼後縁の径方向先端部のウェーク付近の流れの混合を示す説明図である。この図は、図４に示す形状のノズル外周壁１１、シュラウド１８、キャビティ２５などを有するタービン段落を対象にした流れの数値解析の結果を示すものであり、キャビティ２５を含む軸方向位置における流れの様子を示したものである。図９は、図８の一点鎖線Ａの位置から軸方向上流側に向かって見た状況を示し、図９の上方が径方向外側を示している。また、図９の曲線Ｂは、キャビティ２５の径方向内側の境界部における圧力の分布を、上方を正、下方を負として表わしている。

圧力の分布は、ウェーク正圧面側の静圧Ｐｗｐｓがもっとも高く、ついで、キャビティ２５内部の静圧Ｐｃａｖが高い一方で、ノズル翼１３の負圧面１３ｓｓ側後流の静圧Ｐｗｓｓが最も低くなっている。このため、ノズル翼１３の出口の流れには、ノズル翼１３の出口の正圧面１３ｐｓ側では、主流側からキャビティ２５へ流入する流れＦＰＳが生じ、ノズル翼１３の出口の負圧面１３ｓｓ側では圧力の高いキャビティ２５から主流へと流入する流れＦＳＳが生じる。

ノズル翼後縁１３ａから動翼前縁１７ａにかけての流路形状は、チップ（径方向先端）付近にてステップ状に変化し、また、ノズル外周壁１１とシュラウド１８の間には外側フィン２０が配置されて軸方向の流れが抑制されている。このため、キャビティ２５内部の流れは、主流部に比べて流量が少なく、流速の低い流れ場となっている。

図１０は、従来の軸流タービンの相対流入角度の差異を示す説明図である。キャビティ２５内部は低エネルギ流体となっていて、その近傍の流れでは、絶対速度が、主流部における基準絶対速度Ｃ２よりも小さいＣ２ＣＡＶとなっている。このため、キャビティ２５に近い動翼１７の先端近くでは、動翼１７への相対流入角度β２ＣＡＶは、作動流体の主流部のノズル出口位置での絶対速度Ｃ２、ノズル流出角度α２、および作動流体の軸方向速度Ｃｘにより一意に定まる基準流入角度β２ｓに比べて大きくなる。

従来の動翼１７では、β２ＧＥＯは基準流入角度β２ｓに合わせて設計されており、キャビティ流れを考慮して設計されていなかった。すなわち、従来のタービン段落では、キャビティ流れの近傍で、動翼の形状が適切に設定されておらず、動翼のプロファイル損失を増大しタービン段落の性能を低下させてしまうという課題があった。

ところで、作動流体の流れの拡がりに伴う損失を防止するため、ノズルシュラウドあるいは、ノズル出口壁面を回転方向と平行に動翼に向かって延長してフィンを形成することも提案されている。そのような提案では、キャビティ流が主流に流入することを完全に防止できないにも関わらず、動翼そのものに対して改良がなされておらず、キャビティ流の影響を受けて動翼先端側でプロファイル損失が増加する問題がある。

また、主流と漏れ流れの干渉に起因する損失を低減し、タービン効率を向上させる目的で、ノズルハブシュラウド側面下流側を軸方向に延長して、動翼上流側オーバーハング部と重なるように設定することも提案されている。また、動翼チップシュラウド側面下流側を軸方向に延長し、ノズル上流側オーバーハング部と重なるよう設定することも提案されている。しかしその提案でも、キャビティ流が主流へ流入することを完全に防止できないにも関わらず、ノズル、動翼の形状は改良されていないため、損失が増加する問題がある。

また、動翼のプロファイル損失を低減する目的で、動翼の翼高さ比０．９から１．０の領域で１０〜２０度だけ動翼の流入角度を大きくすることも提案されている。しかし、その提案は、壁面付近の２次損失および境界層に起因する流入角度ミスマッチに対応するもので、キャビティ流が考慮されていない。このため、流入角度の変更が、翼高さ比０．９〜１．０の領域に限定され、動翼全域にわたって損失を低減することができない課題がある。加えて、動翼流入角度の変更を１０〜２０度以下に限定しているため、動翼幾何流入角度と、流体角度のミスマッチ角度を解消できず、損失を低減することができない。

本発明の実施形態に係る軸流タービンは、動翼のプロファイル損失を低減し、タービン性能の向上を図ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施形態に係る軸流タービンは、回転軸と、環状の間隙を介して前記回転軸の外周を囲んで配置された第１のノズル内輪と、前記第１のノズル内輪を囲んで配置された環状のノズル外周壁と、前記第１のノズル内輪および前記ノズル外周壁に支持されて径方向に延び、周方向に互いに間隔をあけて配列された複数個の第１のノズル翼と、前記回転軸に取り付けられて前記複数個の第１のノズル翼の軸方向下流側に配置されて径方向に延び、周方向に互いに間隔をあけて配列された複数個の第１の動翼と、環状の間隙を介して前記回転軸の外周を囲んで、前記第１の動翼の軸方向下流側に配置された第２のノズル内輪と、前記第２のノズル内輪および前記ノズル外周壁に支持されて径方向に延び、周方向に互いに間隔をあけて配列された複数個の第２のノズル翼と、前記回転軸に取り付けられて前記複数個の第２のノズル翼の軸方向下流側に配置されて、前記第１の動翼よりも長く径方向に延び、周方向に互いに間隔をあけて配列された複数個の第２の動翼と、を備えた軸流タービンであって、前記第１のノズル翼の軸方向下流側で前記第１の動翼の軸方向上流側であって前記第１のノズル翼および前記第１の動翼よりも径方向外側で前記ノズル外周壁の径方向内側に環状の第１のキャビティが形成され、前記第２のノズル翼の軸方向下流側で前記第２の動翼の軸方向上流側であって前記第２のノズル翼および前記第２の動翼よりも径方向外側で前記ノズル外周壁の径方向内側に環状の第２のキャビティが形成され、前記第１および第２の動翼のそれぞれ、第１および第２の臨界翼高さ比から１までの範囲で、幾何流入角度が、前記第１および第２のノズル翼の出口位置での流出角度、軸流速度および動翼回転速度から求まる第１および第２の動翼流入角度に比べて所定の第１および第２のずれ角度だけ大きく、前記第１および第２のずれ角度は、それぞれ、前記第１および第２の動翼の径方向外側に向かって次第に大きくなっていて、前記第２の臨界翼高さ比が前記第１の臨界翼高さ比よりも大きいこと、を特徴とする。

本発明の実施形態によれば、動翼のプロファイル損失が低減し、軸流タービンの性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る軸流タービンの互いに隣接する２段落の上半縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る軸流タービンの一つの段落における翼高さ比と動翼幾何流入角度との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る軸流タービンの軸方向位置と臨界翼高さ比との関係を示すグラフである。 軸流タービンの一つの段落の上半縦断面図である。 軸流タービンのノズル出口の作動流体速度、角度、動翼回転速度の関係を示す説明図である。 軸流タービンの動翼幾何流入角度の説明図である。 軸流タービンの相対流入角度と動翼損失との関係を示すグラフである。 軸流タービンのノズル翼のウェークの説明図である。 軸流タービンのノズル翼後縁の径方向先端部のウェーク付近の流れの混合を示す説明図である。 従来の軸流タービンの相対流入角度の差異を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る軸流タービンについて説明する。ここで、上述の背景技術における各部分と同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る軸流タービンの互いに隣接する２段落の上半縦断面図である。

この実施形態に係る軸流タービンは複数の段落を有する多段軸流タービンである。図１では、第ｎ段落１００と、その下流側に隣接する第（ｎ＋１）段落２００を示している。ただし、ｎは正の整数である。各段落１００、２００のノズル外周壁１１、ノズル内輪１２、ノズル翼１３、回転軸１６、動翼１７、シュラウド１８、外側フィン２０、内側フィン２２、キャビティ２５などの構成は、図４等を参照して説明した従来の技術とほぼ同様である。

これらの段落１００、２００は、図示しないケーシング内に収容されている。

ノズル翼１３および動翼１７の径方向の翼長は、下流側ほど長くなる。すなわち、翼長は、第ｎ段落１００のノズル翼１３、第ｎ段落１００の動翼１７、第（ｎ＋１）段落２００のノズル翼１３、第（ｎ＋１）段落２００の動翼１７の順に長くなっている。

図２は、本発明の一実施形態に係る軸流タービンの一つの段落における翼高さ比と動翼幾何流入角度との関係を示すグラフである。この実施形態では、各段落で、動翼幾何流入角度β２ＧＥＯは、キャビティ２５を流れる作動流体の流れを考慮して決められている。

図１０に示して説明したように、キャビティ２５内部は低エネルギ流体となっていて、その近傍では、絶対速度Ｃ２ＣＡＶが、基準となる絶対速度Ｃ２よりも小さい。そのため、キャビティ２５に近い動翼１７の先端近くでは、動翼１７への相対流入角度β２ＣＡＶは、作動流体のノズル出口位置での基準となる絶対速度Ｃ２、ノズル流出角度α２、および作動流体の軸方向速度Ｃｘにより一意に定まる基準角度β２ｓに比べて、ずれ角度Δβ２だけ大きくなる。すなわち、β２ＣＡＶ＝β２ｓ＋Δβ２で表される。ただし、Δβ２は正の値である。そこで、この実施形態では、動翼１７の動翼幾何流入角度β２ＧＥＯが、径方向（翼長方向）の各位置で動翼１７への相対流入角度β２ＣＡＶに一致するように構成されている。

図２に示すように、ずれ角度Δβ２は、翼高さ比Ｒすなわち（動翼の径方向高さ）／（動翼の長さ）が臨界翼高さ比Ｒｃの位置ではゼロであり、その位置から動翼の先端（外周側）に向かって次第に大きくなり、翼先端位置（Ｒ＝１．０の位置）で最大となる。

図２に示す例では、臨界翼高さ比Ｒｃは約０．６であり、翼先端位置でのずれ角度Δβ２の最大値は約４０度である。

図３は、本発明の一実施形態に係る軸流タービンの軸方向位置と臨界翼高さ比との関係を示すグラフである。

前述のように、ノズル翼１３および動翼１７の径方向の翼長は、下流側ほど長くなっている。しかし、間隙２１やキャビティ２５の大きさは翼長が変わってもさほど大幅には変わらない。そのため、間隙２１の大きさやキャビティ２５の影響範囲は、翼長が長くなる軸方向下流側ほど相対的に小さくなる。したがって、図３に示すように、軸方向位置が下流側になるほど、臨界翼高さ比Ｒｃは大きくなって次第に１．０に近づくように設定する。

以上説明したことからわかるように、本発明の実施形態によれば、動翼のプロファイル損失を低減し、タービン性能の向上を図ることができる。

図１に示す例では、ノズル外周壁１１は、段落１００と段落２００で一体となっているが、ノズル外周壁１１は、段落１００と段落２００で別個に設けてもよい。さらに、各段落内で、ノズル外周壁１１の内側でノズル翼１３の径方向先端部を支持する外輪をノズル外周壁１１と別体として設けてもよい。

また、図１に示す例では、外側フィン２０をノズル外周壁１１の内面に取り付け、内側フィン２２をノズル内輪１２の内面に取り付けるものであるが、外側フィン２０をシュラウド１８の外面に取り付けることも可能であり、内側フィン２２を回転軸１６の外面に取り付けることも可能である。

また、上記説明では軸方向を水平としたが、軸方向が水平である必要はなく、たとえば鉛直方向であってもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…ノズル外周壁、 １２…ノズル内輪、 １３…ノズル翼、 １３ａ…ノズル翼後縁、 １６…回転軸、 １７…動翼、 １７ａ…動翼前縁、 １８…シュラウド、 １９…動翼植え込み部、 ２０…外側フィン、 ２１…間隙（チップクリアランス部）、 ２２…内側フィン、 ２５…キャビティ、 １００，２００…段落

Claims (3)

1. 回転軸と、
   環状の間隙を介して前記回転軸の外周を囲んで配置された第１のノズル内輪と、
   前記第１のノズル内輪を囲んで配置された環状のノズル外周壁と、
   前記第１のノズル内輪および前記ノズル外周壁に支持されて径方向に延び、周方向に互いに間隔をあけて配列された複数個の第１のノズル翼と、
   前記回転軸に取り付けられて前記複数個の第１のノズル翼の軸方向下流側に配置されて径方向に延び、周方向に互いに間隔をあけて配列された複数個の第１の動翼と、
   環状の間隙を介して前記回転軸の外周を囲んで、前記第１の動翼の軸方向下流側に配置された第２のノズル内輪と、
   前記第２のノズル内輪および前記ノズル外周壁に支持されて径方向に延び、周方向に互いに間隔をあけて配列された複数個の第２のノズル翼と、
   前記回転軸に取り付けられて前記複数個の第２のノズル翼の軸方向下流側に配置されて、前記第１の動翼よりも長く径方向に延び、周方向に互いに間隔をあけて配列された複数個の第２の動翼と、
   を備えた軸流タービンであって、
   前記第１のノズル翼の軸方向下流側で前記第１の動翼の軸方向上流側であって前記第１のノズル翼および前記第１の動翼よりも径方向外側で前記ノズル外周壁の径方向内側に環状の第１のキャビティが形成され、
   前記第２のノズル翼の軸方向下流側で前記第２の動翼の軸方向上流側であって前記第２のノズル翼および前記第２の動翼よりも径方向外側で前記ノズル外周壁の径方向内側に環状の第２のキャビティが形成され、
   前記第１および第２の動翼のそれぞれ、第１および第２の臨界翼高さ比から１までの範囲で、幾何流入角度が、前記第１および第２のノズル翼の出口位置での流出角度、軸流速度および動翼回転速度から求まる第１および第２の動翼流入角度に比べて所定の第１および第２のずれ角度だけ大きく、
   前記第１および第２のずれ角度は、それぞれ、前記第１および第２の動翼の径方向外側に向かって次第に大きくなっていて、
   前記第２の臨界翼高さ比が前記第１の臨界翼高さ比よりも大きいこと、
   を特徴とする軸流タービン。
2. 前記第１の臨界翼高さ比および前記所定の第１のずれ角度は、前記第１のキャビティを通って前記第１の動翼に流れる流れを考慮して決められるものであり、
   前記第２の臨界翼高さ比および前記所定の第２のずれ角度は、前記第２のキャビティを通って前記第２の動翼に流れる流れを考慮して決められるものであること、
   を特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
3. 前記第１の動翼の径方向先端部に取り付けられて、前記複数個の第１の動翼同士を周方向に連結して、その外面が前記ノズル外周壁の内面と径方向に対向する第１のシュラウドと、
   前記第２の動翼の径方向先端部に取り付けられて、前記複数個の第２の動翼同士を周方向に連結して、その外面が前記ノズル外周壁の内面と径方向に対向する第２のシュラウドと、
   前記ノズル外周壁の内面と前記第１のシュラウドの外面との対向部の少なくとも一方に取り付けられて前記ノズル外周壁の内面と前記第１のシュラウドの外面との間の軸方向の流れを抑制するための複数個の第１の外側フィンと、
   前記ノズル外周壁の内面と前記第２のシュラウドの外面との対向部の少なくとも一方に取り付けられて前記ノズル外周壁の内面と前記第２のシュラウドの外面との間の軸方向の流れを抑制するための複数個の第２の外側フィンと、
   をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の軸流タービン。

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