JP3626899B2 - タービン翼間の端壁構造 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はタービン翼間の端壁構造に関し、翼端壁の境界層流の流体の流れを加速し流れを一様化するような形状として効率を向上させる構造としたものである。
【0002】
【従来の技術】
図5は従来の蒸気タービンやガスタービン、等の翼形状で、静翼を示し、(a)は翼の断面形状、(b)は(a)におけるA−A断面図である。両図において、50はタービン静翼であり、51は隣接する翼間のスロート、52は翼の端壁、53は翼の負圧面、54は翼の圧力面を、それぞれ示している。タービン静翼50の翼間内で流体は翼の形状に沿って流れる角度を変えながらスロート51まで加速される。この時、翼間には主流の流線60の曲率に応じて生ずる遠心力に釣り合うような圧力勾配が発生する。しかしながら端壁52上に発達する境界層内部の速度の遅い流体は、圧力面54から負圧面53へ向かう圧力勾配にバランスするだけの遠心力がないため主流60よりも流れの転向が大きくなり、いわゆる2次流れ61が発生する。この2次流れ61のため、翼列出口での翼高さ方向流れ角分布や軸流速度分布が非一様となり、静翼だけでなく下流の動翼の効率も低下する原因となっていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のタービン翼においては、翼間の端壁52には主流60と流れの転向が異なる2次流れ61が発生し、これが翼列出口での翼高さ方向の流れ角分布を乱し、速度分布を非一様にして効率を低下させてしまい、又、静翼出口での流れの乱れは、下流動翼の性能にも影響を与えており、流体のタービン翼間での流れの改善による効率の向上策が強く望まれていた。
【0004】
そこで本発明では、タービン翼端壁の形状に工夫を行い、2次流れの発生を抑えて流れの効率を向上させるような翼端壁面の形状を採用したタービン翼間の端壁構造を提供することを課題としてなされたものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述の課題を解決するために、次の(1)〜(2)の手段を提供する。
【0006】
(1)タービン静翼の翼間ハブ側端壁面は前縁、後縁両翼端間に頂部を有する突起形状を備え、同突起形状の頂部は曲面形状であり、かつ、その曲面の頂点の軌跡はタービン軸と直交する方向に直線を形成し、更に同直線の位置は隣接する静翼間で形成されるスロートの位置に設定され、前記突起形状の高さは翼高さの2.6%以下とすることを特徴とするタービン翼間の端壁構造。
【0007】
(2)先端にシュラウドを有し基部がハブ側のプラットフォームに固定されている動翼の翼間シュラウド内側端壁面は前縁、後縁両翼端間に頂部を有する突起形状を備え、同突起形状の頂部は曲面形状であり、かつその曲面の頂点の軌跡はタービン軸と直交する方向に直線を形成し、更に同直線の位置は隣接する動翼間で形成されるスロートの位置に設定されるとともに、前記シュラウドの突起形状に加えて、更に、前記プラットフォーム外側端壁面にも前記突起形状が形成され、前記突起形状の高さは翼高さの2.6%以下とすることを特徴とするタービン翼間の端壁構造。
【0008】
本発明の(1)においては、静翼翼間のハブ側端面の突起形状により流体の流れはこの突起形状に沿って速度を加速して流れ、これによりハブ側端壁境界層流体の速度も大きくなり、2次流れを抑制することができる。そして、突起形状の高さを翼の高さの2.6%以下とし、更に流れ方向の突起形状の頂点の位置をスロートに一致させて最適化を計っている。これにより静翼翼間のハブ側端壁面での2次流れの発生が抑えられ、静翼出口で、流れが一様化することにより効率が向上するものである。
【0009】
本発明の(2)では、突起形状を動翼先端のシュラウド内側壁面に設けたので、この突起形状により動翼シュラウド壁面の流れが加速され、シュラウド側端壁境界層流体の速度が大きくなり、シュラウド側壁面近傍に発生する2次流れを抑制することができる。
【0010】
そしてさらに、動翼先端のシュラウド内側端壁面に加えて、動翼のプラットフォーム内側端壁面にも突起形状が形成されており、シュラウド及びプラットフォーム両端壁面の流れは、この突起形状で加速され、シュラウド及びプラットフォーム両端壁面近傍に発生する2次流れを抑制することができる。又、突起形状の高さを翼の高さの2.6%以下とし、更に流れ方向の突起形状の頂点の位置をスロートに一致させ、最適化を計っている。これにより動翼先端のシュラウド及びプラットフォームの両端壁面には2次流れが抑制され、動翼出口での流れが一様化することにより効率が向上するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて具体的に説明する。図1は本発明の実施の第1形態に係るタービン翼間端壁構造を示し、(a)は全体の側面図、(b)は翼端壁の斜視図であり、図1ではタービンの静翼を示し、蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、等の回転体を有するタービンに適用される。両図において、10は静翼であり、静翼10はハブ側端壁11とケーシング12との間に固定されている。
【0012】
本実施の第1形態の静翼は、翼高さがS、翼の軸方向コード長がCであり、ハブ側端壁11のガス流れ方向Gには、後述するように両端からX1,X2の寸法となる位置に頂部14を有するとともに頂部の高さがHの突起壁13が形成されている。頂部14は翼端からそれぞれX1,X2の位置で、図1(b)にも示すように軸と直交方向に頂点の軌跡が直線状に形成され、ハブの底面から高さHを保って形成されている。
【0013】
図2は上記に説明した突起壁の形状を示す図で、(a)はハブ側端壁の平面図、(b)はその断面図である。(a)に示すように頂部14はタービンの軸方向Rと直交する方向Pに形成され、翼の両端からそれぞれX1,X2の位置に形成され、その頂部14はなめらかな曲面に形成されている。又、X1,X2の位置は頂点14の軌跡がスロート51の位置と一致する直線となるように決定し、高さHは翼高さSの約2.6%以下としている。
【0014】
上記構成の実施の第1形態のタービン翼間の端壁構造においては、高さHの突起壁13を翼間のハブ側端壁11表面に設け、壁面に沿う流体を局所的に突起壁13のなめらかな面に沿わせることにより加速させ、ハブ側端壁11の境界層流体Vの速度が大きくなり、従来の2次流れを抑制することができる。
【0015】
突起壁13の高さHについては、流れが剥離しない程度の高さとし、突起の流れ方向位置についてもスロート位置との兼ね合いを考慮して、スロート51の位置に頂部14がくるようにX1,X2を決定し、最適化を計っている。本実施の第1形態では、突起壁13の高さHは、前述のように翼高さの約2.6%を限度として設定している。
【0016】
図3は本発明に関連して検討された検討例に係るタービン翼間の端壁構造の側面図であり、動翼に適用した例である。図において20は動翼であり、先端にはチップシュラウド22が取付けられ基部はハブ側のプラットフォーム21へ固定されている。このシュラウド型動翼20は翼高さがS、翼の軸方向コード長がCであり、チップシュラウド22のガス流れ方向Gに寸法Y1,Y2となる位置に高さHの頂部24を有する突起壁23が形成されている。この突起壁23の寸法Y1,Y2、頂部23の位置は図2で説明した位置関係と同じであり、その頂部24はなめらかな曲面で形成された頂部であり、軸方向と直交する直線上に形成され、その位置はスロート51の位置に一致させている。又、高さHは翼高さSの2.6%を上限として設定している。
【0017】
上記の検討例においては、動翼20において、高さHの突起壁23をチップシュラウド22に形成し、壁面に沿う流体を局所的に突起壁23のなめらかな面に沿わせることにより加速させ、チップシュラウド22側の端壁境界層流体の速度が大きくなり、チップシュラウド22側端壁近傍に発生する2次流れを抑制することができる。
【0018】
高さHについては、流れが剥離しない程度の高さとし、突起の流れ方向位置についても、スロート位置との兼ね合いを考慮して両者を最適化する必要がある。そこで、本検討例では、突起の高さを前述のように翼高さSの2.6%を限度として、またその流れ方向の位置については、前述のように突起壁23の頂部24の軌跡がスロート部へ一致する直線形状に設定している。
【0019】
図4は本発明の実施の第2形態に係るタービン翼間の端壁構造の側面図であり、チップシュラウドを有する動翼のシュラウドとプラットフォームの両方に適用した例である。図において、30は動翼であり、先端にはチップシュラウド32が取付けられ基部はハブ側のプラットフォーム31へ固定されている。このシュラウド型動翼30は翼高さがS、翼の軸方向コード長がCであり、チップシュラウド32の端壁面のガス流れ方向Gに図3の例と同じく寸法Y1,Y2 となる位置に、更にプラットフォーム31側の端壁面の流れ方向にZ1,Z2となる位置に、それぞれ高さHの突起壁33,35を設けたものである。
【0020】
上記の突起壁33,35の寸法Y1,Y2及びZ1,Z2、頂部34,36の位置は図2で説明した位置関係と同じであり、その頂部36,34はなめらかな曲面で形成された頂部であり、その軌跡は軸方向に直交する直線上に形成され、その位置はスロート51の位置に一致させている。
【0021】
上記構成の実施の第2形態においては、高さHの突起壁をチップシュラウド32及びプラットフォーム31側の端壁に設け、壁面に沿う流体を局所的に突起壁のなめらかな面に沿わせることにより加速させ、両端壁境界層流体の速度が大きくなり、シュラウド32及びプラットフォーム31側端壁付近に発生する2次流れを抑制することができる。
【0022】
突起の高さHについては、流れが剥離しない程度の高さとし、突起の流れ方向位置についても、スロート位置との兼ね合いを考慮して両者を最適化する必要がある。本実施の第2形態では、突起の高さHを翼高さSの約2.6%を限度として突出させ、またその流れ方向位置については、前述のように突起の頂部34,36がスロート部に一致する形状としている。
【0023】
【発明の効果】
本発明のタービン翼間の端壁構造は、(1)タービン静翼の翼間ハブ側端壁面は前縁、後縁両翼端間に頂部を有する突起形状を備え、同突起形状の頂部は曲面形状であり、かつ、その曲面の頂点の軌跡はタービン軸と直交する方向に直線を形成し、更に同直線の位置は隣接する静翼間で形成されるスロートの位置に設定され、前記突起形状の高さは翼高さの2.6%以下とすることを特徴としている。
【0024】
上記の構成により、静翼翼間のハブ側端面の突起形状により流体の流れはこの突起形状に沿って速度を加速して流れ、これによりハブ側端壁境界層流体の速度も大きくなり、2次流れを抑制することができる。又、突起形状の高さを翼の高さの2.6%以下とし、更に流れ方向の突起形状の頂点の位置をスロートに一致させて最適化を計っている。これにより静翼翼間のハブ側端壁面には2次流れが発生することが抑えられ、静翼出口での流れが一様化することにより効率が向上するものである。
【0025】
本発明の(2)では、(1)の発明と同様の突起形状を動翼先端のシュラウド内側壁面に設けたので、この突起形状により動翼シュラウド壁面の流れは流れを加速され、シュラウド側端壁境界層流体の速度が大きくなり、シュラウド側壁面近傍に発生する2次流れを抑制することができる。
【0026】
そしてさらに、動翼先端のシュラウド内側端壁面に加えて、動翼のプラットフォーム外側端壁面にも突起形状が形成されており、シュラウド及びプラットフォーム両端壁面の流れは、この突起形状で加速され、シュラウド及びプラットフォーム両端壁面近傍に発生する2次流れを抑制することができる。又、突起形状の高さを翼の高さの2.6%以下とし、更に流れ方向の突起形状の頂点の位置をスロートに一致させ、最適化を計っている。これにより動翼先端のシュラウド及びプラットフォームの両端壁面では2次流れが抑制され、動翼出口での流れが一様化することにより効率が向上するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1形態に係るタービン翼間の端壁構造を示し、(a)は側面図、(b)は端壁部の斜視図である。
【図2】本発明の実施の第1形態、第2形態、及び本発明に関連して検討された検討例に係るタービン翼間の端壁構造の位置関係を示し、(a)は平面図、(b)は端壁の断面図である。
【図3】本発明に関連して検討された検討例に係るタービン翼間の端壁構造の側面図である。
【図4】本発明の実施の第2形態に係るタービン翼間の端壁構造の側面図である。
【図5】従来のタービン翼間の端壁構造を示し、(a)は翼の断面図、(b)は(a)におけるA−A断面図である。
【符号の説明】
10 静翼
11 ハブ側端壁
12 ケーシング
13,23,33,35 突起壁
14,24,34,36 頂部
20,30 動翼
21,31 プラットフォーム
22,32 チップシュラウド
51 スロート
Claims (2)
- タービン静翼の翼間ハブ側端壁面は前縁、後縁両翼端間に頂部を有する突起形状を備え、同突起形状の頂部は曲面形状であり、かつ、その曲面の頂点の軌跡はタービン軸と直交する方向に直線を形成し、更に同直線の位置は隣接する静翼間で形成されるスロートの位置に設定され、前記突起形状の高さは翼高さの2.6%以下とすることを特徴とするタービン翼間の端壁構造。
- 先端にシュラウドを有し基部がハブ側のプラットフォームに固定されている動翼の翼間シュラウド内側端壁面は前縁、後縁両翼端間に頂部を有する突起形状を備え、同突起形状の頂部は曲面形状であり、かつその曲面の頂点の軌跡はタービン軸と直交する方向に直線を形成し、更に同直線の位置は隣接する動翼間で形成されるスロートの位置に設定されるとともに、前記シュラウドの突起形状に加えて、更に、前記プラットフォーム外側端壁面にも前記突起形状が形成され、前記突起形状の高さは翼高さの2.6%以下とすることを特徴とするタービン翼間の端壁構造。
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