JP2022083817A

JP2022083817A - 蒸気タービン動翼

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Publication number: JP2022083817A
Application number: JP2020195363A
Authority: JP
Inventors: 泰洋笹尾; Yasuhiro Sasao; 創一朗田畑; Soichiro Tabata; 亮 ▲高▼田; Akira Takada; 冲非段; Chuhi Dan
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2022-06-06
Anticipated expiration: 2040-11-25
Also published as: CN114542193A; US20220162947A1; US11753940B2; JP7245215B2; KR20220072769A; DE102021130678A1

Abstract

【課題】動翼の空力性能への影響を抑えつつ、動翼翼面上を移動する水滴を翼面から離脱させてタービン効率を向上させる。【解決手段】隣接翼と連結するためのタイボスを翼長方向の中間位置に持つ蒸気タービン動翼であって、タービンの回転中心線との直交面で切断した断面で見て部分的に翼面が膨らんでおり、この膨らんだ部分的翼面である前縁側凸状翼面が翼長方向の中間位置で翼コード長方向に帯状に延びる翼型をしており、前記前縁側凸状翼面の始端が背側面に、前記前縁側凸状翼面の終端が腹側面にそれぞれ位置しており、前記前縁側凸状翼面が、前記始端から前記終端まで翼前縁を経由して連続し、上流側から見て翼長方向における配置が前記タイボスと重なっている蒸気タービン動翼を提供する。【選択図】図６

Description

本発明は、蒸気タービン動翼に関する。

蒸気タービンでは、高圧段から低圧段に流れる蒸気のエネルギーが機械仕事に変換される過程で蒸気が減温し、蒸気の一部が凝縮して微細水滴が発生する。そのため、蒸気タービンを駆動する蒸気には気相の他、液相つまり微細水滴が存在しており、低圧段ほど気相に同伴する微細水滴が増加する。低圧段においては微細水滴が静翼の翼面に付着し、これら微細水滴が気相に煽られて翼面を下流側に移動する過程で吸着し合って粗大化し、静翼後縁辺りに到達すると翼面から離脱して再び気相に同伴する。この静翼を離脱した水滴の一部は、下流側の動翼の翼面に付着する。動翼の翼面に付着した水滴は、動翼の回転に伴う遠心力を受けて動翼の翼面上を翼先端側に移動する過程で更に粗大化し、タービン効率を低下させたり飛散してエロージョンを発生させたりする。

それに対し、動翼の背側面及び腹側面にそれぞれ前縁付近から後縁付近まで延びるリブを設け、動翼翼面上を翼先端側に移動する水滴をリブによって翼後縁側に案内する構成が特許文献１に開示されている。

特開２０１６－１６６５６９号公報

特許文献１のように動翼の翼面にリブを設ける場合、リブが錘となって動翼の重量及び重量分布が変化する。近年は蒸気タービンの回転数が高速化していることから、特に翼長の長い動翼の設計は極めてシビアになってきており、動翼の重量の増加や重量分布の変化を許容する設計上の余裕が殆どないのが実情である。また、翼面から突出したリブは動翼の空力性能の低下要因にもなる。

本発明の目的は、動翼の空力性能への影響を抑えつつ、動翼翼面上を移動する水滴を翼面から離脱させてタービン効率を向上させることができる蒸気タービン動翼を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、隣接翼と連結するためのタイボスを翼長方向の中間位置に持つ蒸気タービン動翼であって、タービンの回転中心線との直交面で切断した断面で見て部分的に翼面が膨らんでおり、この膨らんだ部分的翼面である前縁側凸状翼面が翼長方向の中間位置で翼コード長方向に帯状に延びる翼型をしており、前記前縁側凸状翼面の始端が背側面に、前記前縁側凸状翼面の終端が腹側面にそれぞれ位置しており、前記前縁側凸状翼面が、前記始端から前記終端まで翼前縁を経由して連続し、上流側から見て翼長方向における配置が前記タイボスと重なっていることを特徴とする蒸気タービン動翼を提供する。

本発明によれば、動翼の空力性能への影響を抑えつつ、動翼翼面上を移動する水滴を翼面から離脱させてタービン効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼が使用される蒸気タービン設備の一例を模式に表した図本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼が使用される蒸気タービンの断面図であってタービンロータの回転中心線を通る平面で切断した断面図本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼の単体の外観構成を表す斜視図本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼が構成する翼列の一部を抜き出して表す斜視図図２中の最終段の動翼の翼型部の模式図図５中のVI－VI線による動翼の断面図図６中のVII－VII線による凸状翼面の断面図第１変形例に係る蒸気タービン動翼の凸状翼面の断面図第２変形例に係る蒸気タービン動翼の凸状翼面の断面図第３変形例に係る蒸気タービン動翼の凸状翼面の断面図

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

－蒸気タービン発電設備－
図１は本発明の一実施形態に係る蒸気タービン動翼が使用される蒸気タービン設備の一例を模式に表した図である。同図に示した蒸気タービン発電設備１００は、蒸気発生源１、高圧タービン３、中圧タービン６、低圧タービン９、復水器１１及び負荷機器１３を備えている。

蒸気発生源１はボイラであり、復水器１１から供給された水を加熱し、高温高圧の蒸気を発生させる。蒸気発生源１で発生した蒸気は、主蒸気管２を介して高圧タービン３に導かれ、高圧タービン３を駆動する。高圧タービン３を駆動して減温減圧した蒸気は、高圧タービン排気管４を介して蒸気発生源１に導かれ、再度加熱されて再熱蒸気となる。

蒸気発生源１で生成された再熱蒸気は、再熱蒸気管５を介して中圧タービン６に導かれ、中圧タービン６を駆動する。中圧タービン６を駆動して減温減圧した蒸気は、中圧タービン排気管７を介して低圧タービン９に導かれ、低圧タービン９を駆動する。低圧タービン９を駆動して更に減温減圧した蒸気は、ディフューザを介して復水器１１に導かれる。復水器１１は冷却水配管（不図示）を備えており、復水器１１に導かれた蒸気と冷却水配管内を流れる冷却水とを熱交換させて蒸気を凝縮する。復水器１１で凝縮された水は給水ポンプＰにより再び蒸気発生源１に送られる。

高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９のタービンロータ１２は同軸に連結されている。負荷機器１３は代表的には発電機であり、タービンロータ１２に連結されて、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９の回転出力により駆動される。

なお、負荷機器１３には、発電機に代えてポンプが採用される場合もある。また、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９を備えた構成を例示したが、例えば中圧タービン６を省略した構成としても良い。高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９で同一の負荷機器１３を駆動する構成を例示したが、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９でそれぞれ異なる負荷機器を駆動する構成であっても良い。高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９を２つのグループ（つまり２つのタービンと１つのタービン）に分け、グループ毎に各１つの負荷機器を駆動する構成としても良い。更に、蒸気発生源１としてボイラを備える構成を例示したが、ガスタービンの排熱を利用する廃熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を蒸気発生源１として採用する構成としても良い。つまりコンバインドサイクル発電設備にも後述する蒸気タービン動翼を用いることができる。地熱発電や原子力発電に用いる蒸気タービンにも後述する蒸気タービン動翼は適用できる。

－蒸気タービン－
図２はタービンロータ１２の回転中心線を通る平面で切断した低圧タービン９の断面図、つまり子午面による断面図である。同図に示したように、低圧タービン９は、上記タービンロータ１２と、これを覆う静止体１５とを備えている。静止体１５の出口にはディフューザが配置されている。なお、本願明細書では、タービンロータ１２の回転方向を「周方向」、タービンロータ１２の回転中心線Ｃの伸びる方向を「軸方向」、タービンロータ１２の半径方向を「径方向」と定義する。

タービンロータ１２は、ロータディスク１３ａ－１３ｄ及び動翼１４ａ－１４ｄを含んで構成されている。ロータディスク１３ａ－１３ｄは円盤状の部材であり、軸方向に重ねて配置されている。ロータディスク１３ａ－１３ｄはスペーサと交互に重ねて配置される場合もある。動翼１４ｄはロータディスク１３ｄの外周面に周方向に等間隔で複数設けられている。同様に動翼１４ａ－１４ｃはそれぞれロータディスク１３ａ－１３ｃの外周面に周方向に等間隔で複数設けられている。動翼１４ａ－１４ｄはロータディスク１３ａ－１３ｄの外周面から径方向外側に伸び、筒状の作動流体流路Ｆに臨んでいる。作動流体流路Ｆを流れる蒸気Ｓのエネルギーが動翼１４ａ－１４ｄにより機械仕事に変換され、回転中心線Ｃを中心にタービンロータ１２が一体に回転する。

静止体１５は、ケーシング１６及びダイヤフラム１７ａ－１７ｄを含んで構成されている。ケーシング１６は低圧タービン９の外周壁を形成する筒状の部材である。このケーシング１６の内周部にダイヤフラム１７ａ－１７ｄが取り付けられている。ダイヤフラム１７ａ－１７ｄは静翼の翼列を構成するセグメントであり、それぞれダイヤフラム外輪１８、ダイヤフラム内輪１９及び複数の静翼２０を含んで一体に形成されている。ダイヤフラム１７ａ－１７ｄがそれぞれ周方向に複数配置されて環状をなし、複数段（図２では４段）の静翼２０の翼列を構成する。

ダイヤフラム外輪１８はその内周面で作動流体流路Ｆの外周を画定する部材であり、ケーシング１６の内周面に支持されている。ダイヤフラム外輪１８は周方向に複数配置されてリングを形成する。本実施形態において、ダイヤフラム外輪１８の内周面は下流側（図２中の右方）に向かって径方向外側に傾斜している。ダイヤフラム内輪１９はその外周面で作動流体流路Ｆの内周を画定する部材であり、ダイヤフラム外輪１８に対して径方向内側に配置されている。ダイヤフラム内輪１９は周方向に複数配置されてリングを形成する。静翼２０は、各段落において周方向に複数並べて配置され、径方向に延びてダイヤフラム内輪１９及びダイヤフラム外輪１８を連結している。

なお、静翼２０とその下流側に隣接する動翼とで１つの段落を構成する。本実施形態では、ダイヤフラム１７ａの静翼２０と動翼１４ａとが第１段落（初段）を構成する。同様に、ダイヤフラム１７ｂの静翼２０と動翼１４ｂが第２段落、ダイヤフラム１７ｃの静翼２０と動翼１４ｃが第３段落、ダイヤフラム１７ｄの静翼２０と動翼１４ｄが第４段落（最終段）を構成する。

－蒸気タービン動翼－
図３は動翼単体の外観構成を表す斜視図、図４は複数の動翼が構成する翼列の一部を抜き出して表す斜視図である。これらの図に表した動翼はいわゆる長翼と呼ばれるもので、同様の構成の動翼が低圧タービン９の最終段若しくは最終の複数段で使用され得る。近年の長翼においては動翼先端周速マッハ数が１．０を超える場合が多い。図３及び図４に示した動翼は最終段の動翼１４ｄとして説明するが、他段落で使用する長翼も同様の構成である。

図３及び図４に示した動翼１４ｄは、プラットフォーム２５、翼型部（プロファイル部）２６、インテグラルカバー２７及びタイボス２８をそれぞれ備えている。

プラットフォーム２５は、翼型部２６の根元部（径方向内側の部分）２９を支持しており、図示していないが翼型部２６と反対側（つまり径方向の内側）に突出した植え込み部（不図示）を備えている。この植え込み部をロータディスク１３ｄ（図２）の外周面に形成された溝（不図示）に嵌め合わせることで、動翼１４ｄがロータディスク１３ｄに固定される。

翼型部２６は、蒸気のエネルギーを機械仕事に変換する部分であり、プラットフォーム２５の外周面から径方向外側に延びている。翼型部２６は、本実施形態では径方向外側から見て右回りに捩れているが、反対方向に捩れた構成とする場合もある。

インテグラルカバー２７は周方向に隣接する動翼１４ｄ同士の連結部の１つであり、翼型部２６の先端部（径方向外側の端部）３０に設けられている。インテグラルカバー２７の径方向内側を向いた面は作動流体流路Ｆの外周を画定している。動翼１４ｄが回転すると遠心力を受けて翼型部２６が捩れを戻す方向に捩れることから、周方向に隣接する動翼１４ｄのインテグラルカバー２７同士が翼型部２６の捩り戻りにより接触し、これにより隣接翼同士が連結する（図４）。

タイボス２８は周方向に隣接する動翼１４ｄ同士の連結部の１つであり、翼型部２６の根元部２９と先端部３０の間、本実施形態では翼型部２６の翼長方向（径方向）における中間部に設けられている。タイボス２８は、動翼１４ｄの背側面Ｓ１及び腹側面Ｓ２にそれぞれ翼面から突出して設けられている。インテグラルカバー２７と同じく、動翼１４ｄが回転すると周方向に隣接する動翼１４ｄの背腹のタイボス２８同士が翼型部２６の捩り戻りにより接触し、これにより隣接翼同士が連結する（図４）。図３及び図４ではタイボス２８が翼型部２６の翼長方向の中央部に設置された場合を例示したが、翼型部２６のねじり剛性等に応じてタイボス２８を翼長方向における位置は変更され得る。

－翼型－
図５は図２中の最終段の動翼の翼型部の模式図、図６は図５中のVI－VI線による動翼の断面図（翼型）、図７は図６中のVII－VII線による凸状翼面の断面図である。これらの図では代表して動翼１４ｄを示しているが、最終段以外にも長翼が用いられる場合、最終段の動翼１４ｄに限らず、最終の複数段の動翼（長翼）にも同様の構成が適用され得る。

動翼１４ａ－１４ｄは、プレス成型又は鋳造成型した素材（不図示）から機械加工により削り出して高精度に製作される。従って、素材の翼型部には全面に数ｍｍの削り代が確保される。本実施形態において、最終段の動翼１４ｄ若しくは最終の複数段の動翼（長翼）は、図７に示したようにタービンロータ１２の回転中心線Ｃとの直交面で切断した断面で見て部分的に翼面が膨らんだ（突出した）翼型をしている。以下、この膨らんだ部分的翼面を前縁側凸状翼面Ｓ３と称する。動翼１４ｄは前縁側凸状翼面Ｓ３を織り込んだ翼型、換言すれば翼長方向における位置との関係で翼面の曲率を部分的に変えて（或いは変曲させて）前縁側凸状翼面Ｓ３を形作った翼型をしている。

動翼１４ｄの翼型部は前縁側凸状翼面Ｓ３を含めて削り代の機械加工により素材から削り出される。つまり、背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２からの前縁側凸状翼面Ｓ３の突出量は、機械加工による素材の削り代以下、例えば２ｍｍ程度に制限してある。言い換えれば、前縁側凸状翼面Ｓ３は翼型のプロファイル調整の範囲でデザインされている。前縁側凸状翼面Ｓ３を除く背側面Ｓ１及び腹側面Ｓ２（以下、背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２と記載した場合には凸状翼面を除く翼面を意図する）は、動翼の強度と質量分布のバランスを考慮しつつ空力性能を重視して設計されている。それに対し、前縁側凸状翼面Ｓ３（後述する後縁側凸状翼面Ｓ４も同様）は、翼面上の水滴の水切り機能を確保しつつ、動翼の強度、質量分布、空力性能のバランスを考慮して設計されている。

図５に示したように、前縁側凸状翼面Ｓ３は、動翼のコード長方向に帯状に延びている。図６に示した通り、前縁側凸状翼面Ｓ３の始端Ｅ１は動翼の背側面Ｓ１に、終端Ｅ２は動翼の腹側面Ｓ２に位置している。本例では、前縁側凸状翼面Ｓ３の始端Ｅ１は、動翼の背側面Ｓ１におけるタイボス２８よりも前縁側に位置している。前縁側凸状翼面Ｓ３の終端Ｅ２は、動翼の腹側面Ｓ２においてタイボス２８の前部に接触又は接近している。前縁側凸状翼面Ｓ３は、これら始端Ｅ１から終端Ｅ２まで動翼の翼前縁Ｅ３を経由して連続している。

また、図５に示したように、前縁側凸状翼面Ｓ３は動翼における翼長方向（同図中の上下方向）の中間位置に位置している。同図に示したように、翼長方向にとった前縁側凸状翼面Ｓ３の幅Ｗ（図７）は同方向に取ったタイボス２８の幅よりも小さく、蒸気Ｓの流れ方向の上流側から見て、翼長方向の配置が少なくとも一部（好ましくは全部）タイボス２８と重なっている。前縁側凸状翼面Ｓ３はまた、図５に示したように始端Ｅ１から終端Ｅ２まで翼根元（言い換えればロータディスク１３ｄ（図２））からの距離が単調増加するように延びており、本実施形態では回転中心線Ｃに対して一様に傾斜している。従って、動翼の背側において前縁側凸状翼面Ｓ３は前縁に向かって径方向外側に傾斜しており（図５中の破線）、動翼の腹側において前縁側凸状翼面Ｓ３は後縁に向かって径方向外側に傾斜している（図５中の実線）。

なお、蒸気Ｓの流れ方向は概ね回転中心線Ｃに沿った方向であるが、動翼との相対で説明すると、厳密には翼面に沿って翼前縁から翼後縁に向かう方向であり、また翼後縁に向かって翼先願側に傾斜している。

また、図７に示したように前縁側凸状翼面Ｓ３は薄型であり、翼面（背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２）の法線方向に取った前縁側凸状翼面Ｓ３の厚みＤは前縁側凸状翼面Ｓ３の幅Ｗよりも更に小さい。厚みＤについては僅かで足り、前縁側凸状翼面Ｓ３の幅Ｗとのアスペクト比をＷ／Ｄと定義した場合、例えばＷ／Ｄ＞２、現実的には２＜Ｗ／Ｄ＜１００の範囲で前縁側凸状翼面Ｓ３の断面形状を設定することができる。一例としては、幅Ｗが４ｍｍ程度で、厚みＤが２ｍｍ程度とすることができる。

本実施形態において、前縁側凸状翼面Ｓ３は加工のし易さから断面が台形状に形成してある。前縁側凸状翼面Ｓ３の台形状断面の上辺部（同図で腹側面Ｓ２と平行な面）の両端部（同図における上下の端部）はシャープなエッジを形成している。前縁側凸状翼面Ｓ３の台形状断面の斜辺部（同図で前縁側凸状翼面Ｓ３の上辺部と腹側面Ｓ２とをつなぐ面）は曲率半径Ｒのフィレットを形成しており、前縁側凸状翼面Ｓ３の斜辺部は翼面（同図では腹側面Ｓ２）に滑らかに接続している。

また、本実施形態では動翼の腹側におけるタイボス２８より後縁側にも後縁側凸状翼面Ｓ４が設けられている。後縁側凸状翼面Ｓ４は前縁側凸状翼面Ｓ３と同様の断面形状及び断面積をしており、腹側面Ｓ２の後縁側領域で前縁側凸状翼面Ｓ３の延長上に位置し、前縁側凸状翼面Ｓ３との間にタイボス２８を挟んで延びている。後縁側凸状翼面Ｓ４は、蒸気Ｓの流れ方向の上流側から見ると、タイボス２８に少なくとも一部（好ましくは全部）が重なっており、少なくとも一部（好ましくは全部）がタイボス２８に隠れている。後縁側凸状翼面Ｓ４の始端（翼前縁側の端部）はタイボス２８に接触又は接近しており、後縁側凸状翼面Ｓ４の終端（翼後縁側の端部）は動翼の後縁から一定距離だけ離れている。

このように、本実施形態では、径方向から見て動翼の翼面に凸状翼面が形成されている範囲は、前縁側凸状翼面Ｓ３と後縁側凸状翼面Ｓ４の形成領域のみである。図６のように径方向から見て、背側面Ｓ１及び腹側面Ｓ２におけるタイボス２８の設置領域、腹側面Ｓ２における後縁付近、背側面Ｓ１におけるタイボス２８よりも後縁側の領域には、凸状翼面は存在していない。前縁側凸状翼面Ｓ３と後縁側凸状翼面Ｓ４は、径方向から見て、動翼の周囲におけるこれら３つの領域を避けて背側面Ｓ２及び腹側面Ｓ２に設けてある。

－蒸気タービン動翼の製造－
前述した通り、最終段の動翼１４ｄ若しくは最終の複数段の動翼は、プレス加工或いは鋳造により成形した素材から機械加工（例えばエンドミル加工）により削り出して成形する。同一の機械加工工程において、背側面Ｓ１、腹側面Ｓ２、前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４がまとめて形成される。次に、機械加工により削り出した動翼の少なくとも翼型部にショットピーニングを施し、動翼の表面の加工硬化を図り、圧縮残留応力の付与により、疲労強度、耐摩耗性、耐応力腐食割れ性を向上させる。

－水滴の挙動－
低圧タービン９の最終段を例に挙げて説明すると、最終段の静翼２０の翼面で成長し静翼２０から離脱した粗大水滴の一部は、動翼１４ｄの背側面Ｓ１における前縁付近に付着する。また、こうした粗大水滴とは別に、静翼に付着することなく気相に同伴して隣接する静翼間を通過した微細水滴の一部が、動翼１４ｄの背側面Ｓ１及び腹側面Ｓ２に慣性衝突して付着する。長翼である動翼１４ｄは図３に示した通り捻じれた形状をしていることから、翼長方向における根元寄りの部分において背側面Ｓ１に付着した水滴は、遠心力を受けて翼先端に向かって移動する際に前縁を経由して腹側面Ｓ２に回り込む。図３において背側面Ｓ１に付着した水滴の挙動を破線矢印で例示し、腹側面Ｓ２に回り込んだ後の水滴の挙動を実線矢印で例示した。

このように腹側に回り込んだ水滴を含め、腹側面Ｓ２に付着した水滴は蒸気Ｓの気相の吹き付けと表面張力により腹側面Ｓ２に張り付いているが、タービンロータ１２の回転に伴う慣性力は腹側面Ｓ２から水滴を離脱させる向きに作用する。そのため、腹側面Ｓ２に付着した水滴は、遠心力を受けて翼先端方向に移動する間、翼面に止めようとする力と引き剥がそうとする力とを受けて不安定な状態にある。

タイボス２８よりも根元側で翼面上を移動する水滴は、遠心力で翼先端側に移動する過程で、背側及び腹側において前縁側凸状翼面Ｓ３又は後縁側凸状翼面Ｓ４に加速して到達する。これらの水滴は前縁側凸状翼面Ｓ３又は後縁側凸状翼面Ｓ４に勢い良く乗り上げ、水切り効果によって翼先端に到達することなく翼面から離脱する（図７）。特に翼の腹側においては、上記の通り水滴は不安定な状態で翼面に付着していることから、前縁側凸状翼面Ｓ３又は後縁側凸状翼面Ｓ４に乗り上げた勢いで翼面から容易に剥離する。腹側では蒸気Ｓの気相が水滴を腹側面Ｓ２に押し付ける方向に作用するが、翼面から離脱した水滴は粗大であるため気相による押し付け効果の影響を受け難い。加えて、動翼は離脱した水滴から離れる方向に旋回するため、離脱した水滴が腹側面Ｓ２に再付着することはない。翼面から離脱した水滴は、気相により下流に押し流されて復水器１１（図１）に運ばれる。

一方、腹側において前縁側凸状翼面Ｓ３又は後縁側凸状翼面Ｓ４に到達したものの、図７のようにして前縁側凸状翼面Ｓ３から離脱しなかった一部の水滴は、これら凸状翼面に誘導されて翼後縁に向かって移動する。こうして翼後縁に向かって移動する水滴も、翼先端に到達することなく翼後縁付近で腹側面Ｓ２から離脱する。

また、背側において前縁側凸状翼面Ｓ３に到達したものの前縁側凸状翼面Ｓ３から離脱しなかった一部の水滴は、前縁側凸状翼面Ｓ３に沿って翼前縁Ｅ３に向かって移動して腹側に回り込み、翼後縁付近まで誘導されて腹側面Ｓ２から離脱する。

－効果－
（１）前述した通り、タイボス２８よりも翼根元側の領域では、背側面Ｓ１に付着した粗大水滴が上流側に逆流し翼前縁Ｅ３を経由して腹側面Ｓ２に回り込むような格好となる。この前縁付近の流れは遠心力により翼先端に向かう速度成分が支配的である。翼前縁Ｅ３の付近で腹側面Ｓ２に付着した水滴も同様である。こうした動翼翼面上で翼先端に向かう水滴の移動には、動翼の回転エネルギーが消費される。特に動翼の根元側から先端まで水滴を運ぶのに消費されるエネルギーは大きく、動翼仕事の損失の大きな要因である。加えて、水滴は翼面を移動する過程で粗大化しながら加速し、動翼先端まで到達した水滴は動翼先端速度を超え、超音速で蒸気の流れに復帰してダイヤフラム外輪１８やシール等に衝突し、エロージョンの要因となる。

本実施形態によれば、前縁付近で翼根元側の領域に付着した水滴を、翼先端に到達させることなく前縁側凸状翼面Ｓ３によって翼長方向の中間部で翼面から離脱させることができる。これによりタイボス２８よりも翼根元側から翼先端まで水滴を移送するのに無駄に消費される動翼の機械仕事を削減でき、蒸気タービンのエネルギー効率を向上させることができる。

このとき、前縁側凸状翼面Ｓ３は蒸気Ｓの流れ方向の上流側から見てタイボス２８と重なるように設けてある。隣接翼との連結用に設けられたタイボス２８は本来的に蒸気Ｓの流体エネルギーを機械仕事に変換する役割を果たさないため、これに重ねて前縁側凸状翼面Ｓ３を設けることで翼性能に与える影響を合理的に抑制できる。また前縁側凸状翼面Ｓ３の延びる範囲が動翼の全周ではなく一部分であるため、翼面に膨らみを設けることによる動翼の重量増加も抑えられる。加えて、動翼の断面は根元側が比較的厚く設定されているが、遠心力を考慮してタイボス２８の付近を境に翼先端側が薄くなっている。タイボス２８の付近の高強度で厚い部分に前縁側凸状翼面Ｓ３を設けることで、重量分布の変化も抑えることができる。このように動翼の重量や重量分布の変化を抑えることで、動翼の固有振動数の調整の困難化も避けられる。

以上のように、本実施形態によれば、動翼の空力性能への影響を抑えつつ、動翼翼面上を移動する水滴を翼面から離脱させてタービン効率を向上させることができる。

（２）前述した通り、翼根元側から動翼先端に移送される水滴は、粗大化した状態で翼先端から離脱し、周囲の構造物に高速で衝突してエロージョンを発生させ得る。エロージョンは対象物に対する水滴の衝突速度の３乗で進展することが知られている。

本実施形態によれば、タイボス２８よりも根元側に付着した水滴を、翼先端に到達する前に翼先端よりも周速が遅い凸状翼面で離脱させることができる。凸状翼面の翼長方向における設置位置にもよるが、動翼先端から離脱する水滴量は凸状翼面の存在により半減する可能性があり、エロージョンの進行の大幅な抑制も期待できる。

（３）上記の通り、動翼の前縁付近において背側面Ｓ１に付着した水滴は、翼後縁側に移動せずに翼前縁Ｅ３を経由して腹側面Ｓ２に回り込む傾向がある。本実施形態では翼前縁Ｅ３を経由して背側面Ｓ１から腹側面Ｓ２に延びる前縁側凸状翼面Ｓ３を設けることで、翼前縁Ｅ３付近で背側面Ｓ１に付着した水滴を適所で合理的に翼面から離脱させることができる。

（４）ここで、仮に動翼の背側において前縁側凸状翼面Ｓ３を翼後縁に向かって翼先端側に傾斜させた場合、翼前縁を経由して背側から腹側に回り込もうとする水滴の流れを堰き止めるような格好となる。この場合、翼前縁Ｅ３付近の背側面Ｓ１において前縁側凸状翼面Ｓ３に到達した後も翼面に残留する一部の水滴が、うまく下流側に誘導されない可能性がある。

それに対し、前縁側凸状翼面Ｓ３は背側の始端Ｅ１から腹側の終端Ｅ２まで翼根元からの距離が単調増加するように延びており、背側では翼前縁Ｅ３に向かって翼先端側に傾斜している。このような凸状翼面の傾斜と遠心力や気相のせん断力との協働により、翼前縁Ｅ３付近の背側面Ｓ１において前縁側凸状翼面Ｓ３に到達した後も翼面に残留する一部の水滴を、翼前縁Ｅ３を経由するルートで後縁に向かって無理なく円滑に誘導することができる。

（５）動翼の腹側面Ｓ２には蒸気Ｓの液相である微細液滴の一部が慣性衝突により付着し、これが腹側面Ｓ２を移動して粗大化し、仮にタイボス２８よりも後縁側を通って翼先端まで到達するとやはりエネルギー損失やエロージョンの観点で望ましくない。それに対し、本実施形態では腹側面Ｓ２における翼後縁側の領域、具体的にはタイボス２８を挟んで前縁側凸状翼面Ｓ３と反対側の領域にも後縁側凸状翼面Ｓ４が設けてある。これにより、タイボス２８の後縁側においても翼先端に到達させることなく水滴を適所で合理的に翼面から離脱させることができる。

（６）また、後縁側凸状翼面Ｓ４の終端が翼後縁から離れており、腹側面Ｓ２であっても後縁付近において凸状翼面は存在しない。翼後縁付近の水滴は、凸状翼面で誘導するまでもなく気相のせん断等の作用によって自ずと後縁まで到達して翼面から排除される。また、腹側面Ｓ２におけるタイボス２８より後縁側の領域にも凸状翼面は存在しない。前述した通り背側面Ｓ１には前縁付近で粗大水滴が付着し得るが、これら粗大水滴は翼前縁Ｅ３を経由して腹側面Ｓ２に回り込むので、背側面Ｓ１におけるタイボス２８よりも翼後縁側の領域に凸状翼面を形成する必要性は低い。このように水滴の動線を的確に把握し、凸状翼面の設置領域を適所のみに制限することで、凸状翼面の形成に伴う動翼の重量増加や重量分布の変化を合理的に抑えることができる。

（７）前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４は素材の削り代の範囲でプロファイル調整により形成される。そのため、プレス加工又は鋳造の金型を新たに用意する必要がなく、凸状翼面を持つ動翼は既存の金型を流用して製造でき、製造コストの面でもメリットが大きい。

（８）前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４は、翼長方向にとった幅Ｗがいずれも同方向に取ったタイボス２８の幅よりも小さい。この点で、蒸気Ｓの流れ方向に見てタイボス２８に重ねる上で有利であり、前述した通り動翼の空力性能に与える影響を合理的に抑制できる。加えて、前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４は翼面の法線方向に取った厚みＤが幅Ｗよりも更に小さく設定されており、これら凸状翼面の断面は小さく、そして薄い。上記の通り、素材の削り代の範囲で形成できる程度である。そのため、前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４には、背側面Ｓ１又は腹側面Ｓ２の法線方向から見えない部分（図７では曲率半径Ｒのフィレットのエッジ部分）が殆どない。これにより、前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４を含めて翼型の実質的に全面にショットピーニングを施工することができる。

（９）一般的に蒸気の気相の流れを制御する目的で動翼の翼面にフィンを設置する考え方が知られている。しかし、気相の流れを誘導する観点では翼面のプロファイルを変更する程度の高さ（例えば素材の削り代以下の高さ）のフィンでは機能せず、フィンは翼面から相応の高さだけ突出させなければならない。近年の動翼の設計は強度面で限界に達しており、高く突き出したフィンを翼面に取り付けることは、動翼の重量増加や重量分布の変化の大きさから困難であるのが実情である。

それに対し、本実施形態の凸状翼面は、翼面から離脱するための速度ベクトルの変化を水滴に与える程度の起伏で足り、設計条件の面でも適用が許容でき、近年の長翼を対象としても一定の実現性を確保することができる。

－変形例－
図８は第１変形例に係る蒸気タービン動翼の凸状翼面の断面図、図９は第２変形例に係る蒸気タービン動翼の凸状翼面の断面図、図１０は第３変形例に係る蒸気タービン動翼の凸状翼面の断面図である。図８－図１０はいずれも前述した実施形態の図７に対応する図である。これらの図に示した通り、前縁側凸状翼面Ｓ３、後縁側凸状翼面Ｓ４とも、断面形状は適宜設計変更可能である。図８に示したように、凸状翼面の断面形状は、例えば斜辺部分が直線のみで形成されてフィレットを持たない（つまり斜面部分が平面のみで形成された）台形状とすることができる。図９に示したように、凸状翼面の断面形状を三角形状にすることもできる。この場合、断面形状は二等辺三角形状にすることもできるが、同図に示したように頂角を翼先端側にオフセットさせた形状とすることもできる。図１０に示したように、凸状翼面の断面形状をエッジのない凸レンズ状或いは円弧形状にすることもできる。

また、凸状翼面に撥水コーティングを施すことで、凸状翼面から水滴が離脱し易くすることも考えられる。

また、図５では前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４を回転中心線Ｃに対して傾斜させ水滴を翼後縁に積極的に誘導する構成を例示したが、凸状翼面の本質的機能はこれらに到達した水滴を翼面から離脱させる水切り機能にある。従って、翼後縁に向かって積極的に水滴を誘導する機能は必ずしもなく、図５と同様に子午面上で見た場合、例えば前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４を回転中心線Ｃと平行に延ばしても良い。

また、図５では前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４を各一列のみ設けた構成を例示したが、動翼の強度設計の面で許容される限りにおいては、前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４の少なくとも一方を翼長方向に複数列設けても良い。前縁側凸状翼面Ｓ３及び後縁側凸状翼面Ｓ４を複数列設ける場合、列数に応じて凸状翼面の厚みＤを減じれば良い。この場合、いずれの列の凸状翼面も蒸気Ｓの流れ方向から見てタイボス２８と重なっていることが望ましい。

１４ａ－１４ｄ…蒸気タービン動翼、２８…タイボス、Ｃ…タービンの回転中心線、Ｄ…翼面の法線方向に取った前縁側凸状翼面の厚み、Ｅ１…前縁側凸状翼面の始端、Ｅ２…前縁側凸状翼面の終端、Ｅ３…翼前縁、Ｓ１…背側面、Ｓ２…腹側面、Ｓ３…前縁側凸状翼面、Ｓ４…後縁側凸状翼面、Ｗ…翼長方向にとった前縁側凸状翼面の幅

Claims

隣接翼と連結するためのタイボスを翼長方向の中間位置に持つ蒸気タービン動翼であって、
タービンの回転中心線との直交面で切断した断面で見て部分的に翼面が膨らんでおり、この膨らんだ部分的翼面である前縁側凸状翼面が翼長方向の中間位置で翼コード長方向に帯状に延びる翼型をしており、
前記前縁側凸状翼面の始端が背側面に、前記前縁側凸状翼面の終端が腹側面にそれぞれ位置しており、
前記前縁側凸状翼面が、前記始端から前記終端まで翼前縁を経由して連続し、上流側から見て翼長方向における配置が前記タイボスと重なっている
ことを特徴とする蒸気タービン動翼。
請求項１の蒸気タービン動翼において、
前記前縁側凸状翼面が、前記始端から前記終端まで翼根元からの距離が単調増加するように延びていることを特徴とする蒸気タービン動翼。
請求項１の蒸気タービン動翼において、
前記腹側面の後縁側領域で前記前縁側凸状翼面の延長上に位置し、前記前縁側凸状翼面との間に前記タイボスを挟んで延びる後縁側凸状翼面を備えていることを特徴とする蒸気タービン動翼。
請求項３の蒸気タービン動翼において、
前記後縁側凸状翼面の終端が翼後縁から離れていることを特徴とする蒸気タービン動翼。
請求項１の蒸気タービン動翼において、
翼長方向にとった前記前縁側凸状翼面の幅は同方向に取った前記タイボスの幅よりも小さく、
翼面の法線方向に取った前記前縁側凸状翼面の厚みは前記前縁側凸状翼面の幅よりも小さい
ことを特徴とする蒸気タービン動翼。