JP3005839B2 - 軸流タービン - Google Patents

軸流タービン

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JP3005839B2
JP3005839B2 JP4344290A JP34429092A JP3005839B2 JP 3005839 B2 JP3005839 B2 JP 3005839B2 JP 4344290 A JP4344290 A JP 4344290A JP 34429092 A JP34429092 A JP 34429092A JP 3005839 B2 JP3005839 B2 JP 3005839B2
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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、静翼の改良に係り、特
高圧部より低圧部へ配置される全段落の静翼の流動
損失を低減するのに好適な軸流タービンの静翼の構造
関する。
【0002】
【従来の技術】従来の軸流タービンは、図13,図1
4,図19に示すように、弾性流体の流路Rを形成する
内壁3aおよび外壁3と、内壁3aおよび外壁3にそれ
ぞれの端部を固定されかつタービン軸Xと直交する断面
では円周方向に湾曲して配置された複数の静翼とを備え
ている。蒸気タービンなどの軸流タービンは、上流側か
ら下流側に向けて圧力が低下し、この過程で圧力変化に
対する流体の容積変化割合が低圧になるほど顕著である
ため、流路を形成する静翼1と動翼2との翼長の増加割
合が低圧部に向かうほど大きくなり、流路形状が急激な
拡大流路となる。また、図15および図16は、一般的
な高圧部および低圧部の実機蒸気タービンの断面を示す
図である。低圧部ほど外壁面の広がり角(傾斜角)θtが
大きくなっている。なお、本明細書および図面では、外
壁傾斜角θtおよび内壁傾斜角θRについて、上流から
下流に向かって、壁面がタービン軸から離れるすなわち
壁面の径が大きくなる場合はプラスで表現し、壁面がタ
ービン軸に近づくすなわち壁面の径が小さくなる場合は
マイナスで表現することにする。
【0003】このようなタービン段落における蒸気流の
状態を決定する理論的な検討については多くの研究がな
されており、おおよそ次の(1)(2)関係式で表わされ
ている。なお、(1)(2)関係式に用いた記号は図1
図14図17〜図19に図示してある。
【0004】
【数1】
【0005】
【数2】
【0006】(1)式および(2)式は、半径方向(r方向)
の圧力Pの平衡関係を示しており、図13に示した子午
面におけるパラメータだけではなく、蒸気タービンの円
周方向のパラメータである周方向速度成分Vθおよび
翼の周方向傾斜角γにも影響されることが明らかであ
り、蒸気タービンの流路が三次元流れであることを示し
ている。
【0007】タービン段落内の流れを制御し、タービン
段落の性能を改善する従来技術は図17に示すよう
に、静翼1をタービン軸中心として半径方向に一致させ
て配置した放射状に直立しているのに対し、図18に示
すように静翼1の周方向傾斜角が根元部BでγR
端部Aでγtとなるように直線状に傾斜させて配置し
たものと、図19に示すように、静翼1の傾斜角を根元
部から先端部に向かって順次変化させ、先端部Aの傾斜
角−γtが根元部Bの傾斜角γRに対して逆方向になる
ように湾曲した形状の静翼を配置したものなどがあ
る。図19の例は、根元部では静翼の腹側に傾斜し、先
端部では静翼の背側に傾斜する形状である。これらは、
特開昭62−170707号公報特開平4−1244
06号公報特願平4−52670号などに記載されて
いる。
【0008】以上のように静翼の形状および配置につ
いては、種々の工夫がなされているが、図17〜図19
に示す各静翼の構成で、しかも、先端側の外壁面に傾斜
角を有する場合を例として、流路内の流動状況を流線F
示すと、図20〜図22のようになる。図20は、静
翼1が周方向に傾斜していないため、弾性流体の半径方
向の圧力勾配と遠心力との関係により、根元部付近の低
流量領域A1で流量が少なくなり先端部では流量が多
くなる傾向となる。図21は、静翼が周方向に直線的に
傾斜した例であるが、図20の状態とは逆の傾向を示
し、先端部付近で低流量領域A2発生する。これらの
静翼配置における欠点を排除するために創作されたの
が、図19湾曲した静翼形状である。この場合の流
動状況は図22に示すようになり、図20図21に
示す欠点を解消してほぼ良好な流動状況が得られる。
【0009】しかし、(1)式からも明らかなように、こ
のような流動状況は拡大流路を形成することにより、
タービン軸に対して傾斜する外壁3と内壁3aの傾斜角
に対する周方向傾斜角γRおよび−γtが適切であるこ
とが条件となるが、従来技術ではこの関係が明確にさ
れていない。
【0010】図15,図16に示すように、タービン流
路を形成する内外壁の傾斜角は、内壁(根元側)ではゼロ
で、外壁(先端側)では下流に向かってタービン軸から離
れるように形成されるものに限らない。実機タービンの
断面構造を示すと、図23図24に示す例のように、
外壁では傾斜角が下流側に向けて流路が拡大するように
形成されるが、内壁では、タービン軸より離れる傾斜角
の場合と、タービン軸に向かうような傾斜角の場合とが
ある。このようにタービン流路における内外壁の傾斜
角は、全体構造の関係から、非常に多くの種類がある。
【0011】その内外壁形状を示すと図25〜図33
のようになる。図25〜図27は外壁がタービン軸と
平行で傾斜角がなく、内壁の傾斜角が異なる例である。
図28〜図30は外壁が下流側に向かってタービン軸
より離れるように形成され、内壁の傾斜角が異なってい
る例である。図31〜図33は外壁が下流側に向けて
タービン軸に接近する方向に形成され、内壁の傾斜角が
異なる例である。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】従来の軸流タービンに
あっては、タービン流路形状が多岐にわたるため、単に
静翼を周方向に湾曲させて形成した状態ではタービン
全段落にわたって効果的ではなく、内外壁の傾斜角に応
じて静翼の周方向傾斜角を規定することが必要である。
これは流路内における半径方向の圧力分布状態を達成す
るため必要な条件である。
【0013】本発明の目的は、解析検討および実験的検
討をもとにタービン流路の内外壁の傾斜角と静翼の周方
向傾斜角との関係を規定し、タービン段落内の流動状況
最適化した軸流タービンを提供することある。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、弾性流体の流路をそれぞれの壁面で形成
する内壁および外壁と、前記内壁および外壁にそれぞれ
の端部を固定されかつタービン軸と直交する断面では円
周方向に湾曲して配置された複数の静翼とを備えた軸流
タービンにおいて、それぞれの前記静翼は、それぞれの
壁面と前記タービン軸とのなす傾斜角に対応し、外壁傾
斜角θtがプラス側からマイナス側に向かうにつれて、
外壁面と前記湾曲した出口端との交点における前記出口
端の周方向傾斜角γtoをマイナス側に大きくし、およ
び/または、内壁傾斜角θRがプラス側からマイナス側
に向かうにつれて、内壁面と前記湾曲した出口端との交
点における前記出口端の周方向傾斜角γRoをプラス側
に大きくしてある軸流タービンを提案する。
【0015】
【作用】本発明によれば、タービン段落内の流動状況を
決定する影響パラメータは(2)式で示され、静翼の周方
向傾斜角を除く他のパラメータは、タービン設計におけ
る熱流体強度および構造上の制約条件があるため、す
でに明らかになっている静翼の周方向傾斜角の効果をも
とに、内外壁の傾斜角に応じて更に形状を規定しなおし
た静翼を備えることができ、タービン段落内の内外壁で
発生する低流量領域が解消され流動損失が低減され
る。
【0016】
【実施例】図1を参照して、本発明による軸流タービン
の一実施例を説明する。図1は、タービン軸を中心とし
て円周上に配置されている静翼の一部分の斜視図であ
る。軸流タービンは、弾性流体の流路を形成する内壁3
および外壁3(内外壁)と、それぞれの壁面に端部を固
定されかつタービン軸Xと直交する断面では円周方向に
湾曲して配置された複数の静翼1とを備えている。それ
ぞれの静翼1は、それぞれの壁面とタービン軸Xとのな
す傾斜角に対応し、それぞれの壁面と湾曲した出口端4
との交点におけるそれぞれの静翼1の出口端4の周方向
傾斜角−γtoを変化させて形成されている。すなわ
図29に示す例のように、外壁3はタービン軸と平
行なA軸に対して+θtの傾斜角を有しており、内壁3
aはタービン軸と平行なB軸に対して−θRの傾斜角を
有している。また、静翼1は出口端4が外壁3と接合す
る交点Gにおいて、タービン軸Xと直角な半径方向線r
toに対して周方向傾斜角−γtoで傾斜しており、内
壁3a側では、出口端4との交点Fにおいて、タービン
軸に直角な半径方向線rRoに対して周方向傾斜角γR
oで傾斜している。このように静翼1は根元(内壁)
から先端(外壁)にわたって湾曲する形状となるが、この
湾曲形状を円滑に形成するためには、幾何学的に両端の
接線角が与えられた場合の円弧を作図する方法を使用
きる。例えば、「タービンの熱計算」ゲ・ア・フィリポ
フ著、永島訳(文一総合出版1974)に示されているよう
な方法を採用することが可能である。
【0017】図1に示す静翼において、外壁の傾斜角+
θt内壁の傾斜角−θRと、静翼の先端側の周方向傾
斜角−γto根元側のγRoとの関係を規定しター
ビン段落内で発生する流動損失を低減するため、試験タ
ービンによる結果および段落内の流れ解析に基づく検討
結果をまとめると、これら4種類の角度の最も効果的な
関係は図2に示すようになる。図2に示すように、外
壁の傾斜角θtと静翼の先端側の周方向傾斜角−γto
との関係は、θtがプラス側からマイナス側に向かうに
つれて静翼の先端側の周方向傾斜角−γtoは、マイ
ナス側に大きくする必要がある。また、内壁の傾斜角θ
Rと静翼の根元側の周方向傾斜角γRoとの関係は、内
壁の傾斜角θRがプラスからマイナスに向かうにつれ
静翼の根元側の周方向傾斜角γRoは、プラス側に
大きくする必要があることを示している。
【0018】次に、前記の静翼構造に関して、タービン
段落への影響を翼長方向の効率分布で示すと図3のよ
うになる。図3に示すように、曲線10は図17の静
翼構造における効率分布であり、曲線40と曲線50と
の組み合わせによる分布は、静翼形状が湾曲しては
るものの内外壁の傾斜角との関係を考慮していない図1
9に相当するものである。また、曲線20と曲線30と
の組み合わせによる分布は本実施例によるものであ
り、内外壁の傾斜角と静翼の周方向傾斜角との関係を最
適化した結果、内外壁のごく近傍の効率向上を含めて
高い効率が達成できる。図3の効率分布になる状況を流
線で示すと図4〜図12のようになり、図25〜図3
3に示した実機タービンの流路形状に対応する。図4〜
図12において、実線流線は本実施例によるもので
あり、鎖線で示す流線は従来技術によるものである。
さらに、領域aは従来技術において内外壁から流れが
剥離して渦流の発生する流域であり、本実施例では、内
外壁の傾斜角に対応した静翼の周方向傾斜角によって内
外壁側に押し付ける動翼からの作用力を調整できるた
め、タービン段落内の流れを正常化し、従来技術に認め
られる剥離流れによる渦流を消滅させることが可能とな
り、タービン段落の高効率化に大きな効果が発揮され
る。このような効果を翼長方向の効率分布を平均化した
段落効果で比較すると、本実施例による効率向上量は、
2〜4%に達することが確認されている。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、タービン流路内に配置
される湾曲した静翼の内外壁の傾斜角に対応し、それぞ
れの壁面と湾曲した出口端との交点における静翼の周方
向傾斜角の関係を規定したため、タービン段落内の流れ
が均一化され、種々の流路形状に対して流動損失を低減
させ、タービン効率を向上できる
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による軸流タービンの一実施例の要部
示す斜視図である。
【図2】本発明の内外壁の傾斜角と静翼の周方向傾斜角
との関係を示すグラフである。
【図3】本発明の効果を説明する翼長方向の効率分布を
示すグラフである。
【図4】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す図
である。
【図5】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す図
である。
【図6】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す図
である。
【図7】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す図
である。
【図8】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す図
である。
【図9】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す図
である。
【図10】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す
図である。
【図11】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す
図である。
【図12】本発明の効果を説明する流路内の流れを示す
図である。
【図13】タービン段落の縦断面図である。
【図14】拡大流路における流体の流線を示す斜視図で
ある。
【図15】実機タービンの翼列の例を示す断面図であ
る。
【図16】実機タービンの翼列の例を示す断面図であ
る。
【図17】従来の静翼形状を示す正面図である。
【図18】従来の静翼形状を示す正面図である。
【図19】従来の静翼形状を示す正面図である。
【図20】従来の静翼における流れの状況を示す縦断面
図である。
【図21】従来の静翼における流れの状況を示す縦断面
図である。
【図22】従来の静翼における流れの状況を示す縦断面
図である。
【図23】実機タービンの翼列の例を示す断面図であ
る。
【図24】実機タービンの翼列の例を示す断面図であ
る。
【図25】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【図26】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【図27】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【図28】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【図29】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【図30】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【図31】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【図32】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【図33】実機タービン段落の内外壁の傾斜角の例を示
す断面図である。
【符号の説明】
1 静翼 2 動翼 3 外壁 3a 内壁 4 出口端
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F01D 9/02 101

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 弾性流体の流路をそれぞれの壁面で形成
    する内壁および外壁と、前記内壁および外壁にそれぞれ
    の端部を固定されかつタービン軸と直交する断面では円
    周方向に湾曲して配置された複数の静翼とを備えた軸流
    タービンにおいて、 それぞれの前記静翼は、それぞれの壁面と前記タービン
    軸とのなす傾斜角に対応し、外壁傾斜角θtがプラス側
    からマイナス側に向かうにつれて、外壁面と前記湾曲し
    た出口端との交点における前記出口端の周方向傾斜角γ
    toをマイナス側に大きくし、および/または、内壁傾
    斜角θRがプラス側からマイナス側に向かうにつれて、
    内壁面と前記湾曲した出口端との交点における前記出口
    端の周方向傾斜角γRoをプラス側に大きくしてあるこ
    とを特徴とする軸流タービン。
JP4344290A 1992-12-24 1992-12-24 軸流タービン Expired - Lifetime JP3005839B2 (ja)

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