JP3910648B2

JP3910648B2 - タービンノズル、タービン動翼及びタービン段落

Info

Publication number: JP3910648B2
Application number: JP24804494A
Authority: JP
Inventors: 井健一今; 田實松
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-10-13
Filing date: 1994-10-13
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: JPH08109803A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、軸流タービンにおけるタービンノズル、タービン動翼、及びその組合わせからなるタービン段落に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、軸流タービンにおいては、性能向上を目的として内部効率の向上のための種々の技術が採用されているが、タービン内部損失のうち特に２次流れ損失はタービンの各段落に共通する損失であるため、その改善策が要望されている。
【０００３】
図１０は一般的な軸流タービンのノズル構成を示す図であって、複数枚のノズル翼１がダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪３との間に形成される環状流路４に周方向に配列されている。
【０００４】
また、このように形成されたタービンノズルの下流側には、図１１に示すように、上記各ノズル翼１に対向して複数枚の動翼５が配設されている。この動翼５はロータディスク６の外周に周方向に所定間隔で列状に植設されており、動翼５の外周端には、動翼を固定するため及び作動流体の漏洩を防止するためシュラウド７が装着してある。
【０００５】
次に、上記の段落構成において、タービンノズルをノズル出口側から観察した斜視図である図１０を参照して、ノズル翼１における２次流れの発生機構について説明する。すなわち、高圧蒸気などの作動流体は、隣接するノズル翼１の間で形成される翼間流路を流れるときに流路内で円弧状に曲げられて流れる。このときノズル翼１の背面Ｂから腹面Ｆ方向に遠心力を生じ、この遠心力と静圧が平衡しているため、腹面Ｆにおける静圧が高くなり、一方背面Ｂにおいては作動流体の流速が大きいため静圧が低くなる。そのため、流路内では腹面Ｆから背面Ｂに向って圧力勾配を生じる。この圧力勾配はダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪３の周壁面上に形成される流速の遅い層、すなわち境界層においても同じである。
【０００６】
ところが、境界層付近においては流速が小さく、作用する遠心力も小さいため、腹面Ｆから背面Ｂへの圧力勾配に抗しきれずに腹面Ｆ側から背面Ｂ側に向かう流れ、すなわち２次流れ８が生ずる。そして、この２次流れ８はノズル翼１の背面Ｂ側に衝突して巻き上がり、ノズル翼１の内輪側及び外輪側の両接合端において、それぞれ２次流れ渦９ａ、９ｂを発生する。このようにして作動流体が保有するエネルギは、２次流れ渦９ａ、９ｂを形成するためにその一部が散逸する。しかもノズル流路内で発生する上記２次流れ渦９ａ、９ｂは作動流体の不均一な流れを生じ、ノズル性能を著しく低下させる。
【０００７】
ところで、上記ノズル流路内で発生する２次流れ渦９ａ、９ｂに起因する２次流れ損失を低減するためには種々のタービンノズルが研究されている。
【０００８】
例えば、ノズル翼をタービンの回転中心を通るラジアル線（図１０のＥ）に対して湾曲させて取り付けた形状を採用したタービンノズルがある。図１２は、この湾曲ノズル１ｂを採用したタービンノズルを示す斜視図である。このような湾曲ノズル１ｂでは翼間流路における速度ベクトルを根元側ではダイヤフラム内輪３、先端側では逆にダイヤフラム外輪２の方向に向ける効果があり、ダイヤフラム内輪３及びダイヤフラム外輪２の両方で境界層の成長が抑制される。その結果図１３の点線Ｐ₂に示すように、実線Ｐ₁で示す従来の圧力損失に比して、ノズル根元部、および先端部での圧力損失が大幅に低減される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の湾曲ノズルでは、速度ベクトルの向きが根元側及び先端側でそれぞれダイヤフラム内輪、ダイヤフラム外輪の方向となるため、図１４の点線ｆ₂に示すように、流体の流量分布が根元部と先端部で流量大、中央部で流量小となる。しかして、壁面近傍では速度ベクトルが壁面方向に向いているため２次流れ損失は低減できるが、図１４の実線ｆ₁に示す従来のタービンノズルにおける流量分布に比較して、流路の翼高さ中央部における圧力損失が小さい領域（図１３のＰ₂参照）への流量が少なくなり、段落効率向上の貢献度は小さくなる。また、湾曲型ノズル翼の出口部における流量分布は、動翼の性能に大きく影響を及ぼす。すなわち、湾曲型ノズル出口の根元部と先端部から流出した流体は動翼を通過する際に円滑にエネルギ変換する必要があるが、根元部と先端部の流量が多いため、動翼内において損失が増大し、有効にエネルギ変換ができない。したがって、湾曲型ノズルに合った動翼のフローパターン（流出角）が不可欠である。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑み、簡単な構造を有し、タービンノズル、タービン動翼の２次流れ損失を低減させるとともに翼高さ方向の流体の流量分布をもコントロールすることで段落性能を向上させることができるタービンノズル、タービン動翼及びそれらを組合わせたタービン段落を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第一の発明は、ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との間に形成される環状流路に周方向に複数のノズル翼を列状に配設したタービンノズルにおいて、ノズル翼の後縁端とそのノズル翼に隣接するノズル翼の背面との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α（ =sin ^-1 (S/T) ）を、翼高さ方向中央部で最大値となるようにして高効率部への流量を増加させるとともに、前記幾何学的流出角αを翼根元部より若干翼高さ中央部に寄った領域、及び翼先端部より若干翼高さ中央部に寄った領域においてそれぞれ一つの極小値をもつように形成し、前記根元部及び前記先端部の流量を多くすることにより流体の速度ベクトルを内周壁面及び外周壁面側に向けて前記環状流路壁面部での２次流れ損失を低減したことを特徴とする。
【００１２】
第二の発明は、タービンロータの植込部に複数の動翼を列状に配設したタービン動翼において、動翼後縁端とその動翼に隣接する動翼の背面との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α（ =sin ^-1 (S/T) ）を、動翼高さ方向中央部で最大値となるようにして高効率部への流量を増加させるとともに、前記幾何学的流出角αを翼根元部より若干翼高さ中央部に寄った領域、及び翼先端部より若干翼高さ中央部に寄った領域においてそれぞれ一つの極小値をもつように形成し、前記根元部及び前記先端部の流量を多くすることにより流体の速度ベクトルを内周壁面及び外周壁面側に向けて前記環状流路壁面部での２次流れ損失を低減したことを特徴とする。
【００１３】
また、第三の発明は、上記タービンノズルとタービン動翼との組み合わせからなるタービン段落である。
【００１４】
【作用】
上述のように、ノズル翼或いはタービン動翼において、翼の後縁端とその翼に隣接する翼の背面との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α（ =sin ^-1 (S/T) ）を、翼高さ方向中央部で最大値となるようにしているため、高効率部への流量を増加させることができ、効率アップが図られ、また、幾何学的流出角αを翼根元部より若干翼高さ中央部に寄った領域、及び翼先端部より若干翼高さ中央部に寄った領域においてそれぞれ一つの極小値をもつように形成し、根元部及び先端部の流量を多くすることにより、流体の速度ベクトルを内周壁面及び外周壁面側に向けて環状流路壁面部での２次流れ損失を低減することができる。
【００１５】
【実施例】
まず、図１乃至図７を参照して本発明の参考例について説明する。
【００１６】
図１において、ノズルダイヤフラム外輪２とノズルダイヤフラム内輪３との間に形成される環状流路４に複数のノズル翼１を周方向に所定間隔をおいて列状に配設し、各ノズル翼１の先端部及び根元部の接合端をノズルダイヤフラム外輪２とノズルダイヤフラム内輪３に接合することによってタービンノズルが構成されている。
【００１７】
上記ノズル翼１は、図１に示すように、翼高さ方向の中央部で断面位置がラジアル線Ｅに対して周方向へ移動せしめられている。すなわち、ノズル翼１は縦断面においてその腹面が隣接するノズル翼の背面側に向って高さ方向中央部で突出するように湾曲されている。
【００１８】
このときの移動量は、根元部と先端部で各々発生する２次流れ損失の大きさから決められ、ラジアル線に対するノズル翼の翼面のなす角が根元部において１０°、先端部において５°が最適となる。この最適移動量より大きすぎると急激な流線の変化が生じ、効率的に好ましくない。したがって、断面の移動量の許容範囲は、図３の（ａ）に示すように、通路高さ方向（翼の高さ方向）に根元部から中央部に向い１０±５°、先端部から中央部に向い５±５°としてある。このノズルは上述のように断面位置を移動した湾曲型にすることでノズル出口における流出角度が図３の（ｂ）で示すように、従来の湾曲しないノズルよりも根元部及び先端部で流出偏向角度が大きく、中央部でその角度が小さくなる。
【００１９】
ところで、図２に示すように、ノズルの後端縁とそのノズルに隣接するノズルの背面との最短距離すなわちノズル流路の最小通路幅をスロート幅Ｓとし、環状部の円周長さをノズル数で割った環状ピッチＴとした場合、本発明においては段落性能が高くなるように、根元部、中央部、及び先端とでそれぞれＳ／Ｔが変化されている。
【００２０】
図３（ｃ）は段落効率が最高となるＳ／Ｔの分布を示す。このＳ／Ｔ変化の許容値範囲は中央部の最高のＳ／Ｔに対し、根元部と先端部で各々小さくし、下記の値となる。すなわち、根元部、中央部、先端部のＳ／Ｔを幾何学的な流出角で整理し、それぞれα_ｒ＝ｓｉｎ^-1（Ｓ／Ｔ）_ｒ、α_ｃ＝ｓｉｎ^-1（Ｓ／Ｔ）_ｃ、α_ｔ＝ｓｉｎ^-1（Ｓ／Ｔ）_ｔとすると、根元部α_ｒ＝α_ｃ−（２〜６°）、先端α_ｔ＝α_ｃ−（１〜４°）が許容限界となる。
【００２１】
しかして、このＳ／Ｔの分布によって、流路中央部で幾何学的流出角ｓｉｎ^-1（Ｓ／Ｔ）が大きくなるので、上記ノズルの湾曲にこのＳ／Ｔ分布を付加することによって、図３の（ｄ）に示すように流出角が根元部、先端部及び中央部の３カ所でピーク点が発生する。
【００２２】
図４は、上記タービンノズルの後方に配設されているタービン動翼５の斜視図であって、ノズル翼と同様にその断面重心線Ｊが高さ方向中央部において隣接する動翼側に突出するように湾曲された複数の動翼５がタービンロータデイスク６の植込み部に列状に配設されている。
【００２３】
ところで、図５、図６は、例えば高さＨ＝７５ｍｍ、高さＨ／根元部直径Ｄ＝０．１５のノズルのノズル出口における高さ方向の単位面積流量分布及び圧力損失の比較を示す図であって、従来の湾曲型ノズルにおいては、図５の点線ｆ₂で示すように流路中央部高さ位置で流量が少なく、図６の点線Ｐ₂に示すように当該部において圧力損失が少ない。すなわち、従来の湾曲型ノズルにおいてはノズル性能が良いにもかかわらず、流量が少ないため、有効にエネルギー変換ができない。
【００２４】
これに対し、この参考例においてはＳ／Ｔをコントロールすることによって、図５の実線ｆ₃で示すように中央高さ位置において流量を多くすることができ、有効にエネルギ変換を行なうことができる。
【００２５】
すなわち、図７に示すように、スロート幅の大きい中央高さ位置部の流量Ｇ₂は根元部流量Ｇ₁や先端部流量Ｇ₃と比較して大きなものとなる。また、ノズルの高さ方向（半径方向）の流体流出側に最突出点を有するようにノズル断面を移動することにより、ノズル根元部及び先端部において流体がそれぞれダイヤフラム内輪３の外周壁面およびダイヤフラム外輪２の内周壁面に押圧される。したがって当該部における流量は中央部に比べて少ないながらも図７のＧ₁、Ｇ₃に見られるように流線は上記外周壁面及び内周壁面側に向けられ、２次流れを抑制する効果が得られる。
【００２６】
この効果は、試験結果から、ノズル高さ４５ｍｍ以上、高さＨ／根元部直径Ｄが０．０５以上のもので大きくなり、それらの値以下ではノズル出口の高さ方向における圧力損失分布が急変し、段落性能が逆に悪化する傾向にある。
【００２７】
一方、タービン動翼においても、周方向の断面移動を上記ノズル翼と同一とし、根元部から中央部で１０±５°、先端部から中央部で５±５°としてある。またＳ／Ｔの変化は、上記ノズル翼と同一の傾向となるが、幾何学的な流出角αの変化量が変わり、それぞれ中央部の最大の流出角α_ｃに対し、根元部α_ｒ＝α_ｃ−（０〜３°）、先端部α_ｔ＝α_ｃ−（３〜６°）とすることで、動翼においてノズル翼と同様の効果を得ることができる。さらに、上記ノズル翼、及び動翼を組み合わせることによって段落内で一貫した向きの流線となる。
【００２８】
図８は本発明の実施例を示すノズル翼部の斜視図であり、このタービンノズルは、図９に示すように翼高さ中央部でＳ／Ｔの分布が最大点Ｍを有し、その中央部と根元部及び先端部との間にそれぞれ極小値Ｎ₁、Ｎ₂が存在するように、根元部と先端部でもＳ／Ｔが大きくなるようにしてある。すなわち、図８に示すように、翼高さ中央部における中央部スロート幅Ｓ₂が最大で、その上方及び下方に極小点スロート幅Ｓ₄、Ｓ₅が形成され、根元部及び先端部ではそれより大きなスロート幅Ｓ₁、Ｓ₃となるように形成されている。
【００２９】
このように翼高さ中央部にＳ／Ｔの最大点Ｍを有しているため、中央の効率の良い領域に多くの流量を流すことができ、かつ根元部及び先端部近傍部で極小値Ｎ_１、Ｎ_２形成部より多くの流量を流すことができ、流体の速度ベクトルを内周壁面及び外周壁面側に向けることとなり、壁面部での２次流れ損失を低減することができる。しかも、翼高さ中央部と根元部及び先端部との間においてそれぞれ一つの極小値をもつように形成されていることにより、内周壁面及び外周壁面での流量が最小となることがなく、翼根元部及び翼先端部に翼高さ方向の圧力分布が生じて逆に損失が大きくなることが防止される。
【００３０】
また、同様な形状を有するタービン動翼と組み合わせたタービン段落とすることにより、段落においてノズルでの効率向上分を損ねることなく動翼での効率を向上させ、タービン段落の性能を向上させることができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ノズル翼或いはタービン動翼において、翼の後縁端とその翼に隣接する翼の背面との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α（ =sin ^-1 (S/T) ）を、翼高さ方向中央部で最大値となるようにしているため、高効率部への流量を増加させることができ、効率アップが図られ、また、幾何学的流出角αを翼根元部より若干翼高さ中央部に寄った領域、及び翼先端部より若干翼高さ中央部に寄った領域においてそれぞれ一つの極小値をもつように形成し、根元部及び先端部の流量を多くすることにより、流体の速度ベクトルを内周壁面及び外周壁面側に向けて環状流路壁面部での２次流れ損失を低減することができる。さらに、上記形状を有するノズル翼と動翼とを組み合わせた段落とすることにより、段落出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例に係るタービンノズルの部分斜視図。
【図２】ノズル翼の断面図。
【図３】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ翼高さ方向における断面移動量、流出偏向角、ｓｉｎ^-1（Ｓ／Ｔ）、△α＋ｓｉｎ^-1（Ｓ／Ｔ）の変化説明図。
【図４】本発明の参考例に係る動翼の斜視図。
【図５】本発明の参考例に係るノズル翼及び従来のノズル翼の半径方向流量分布図。
【図６】本発明の参考例に係るノズル翼及び従来のノズル翼の半径方向圧力損失分布図。
【図７】本発明の参考例に係るタービン段落における流体流動状態説明図。
【図８】本発明の実施例を示す斜視図。
【図９】図８に示すタービンノズルにおけるＳ／Ｔ分布図。
【図１０】従来のタービンノズルの部分斜視図。
【図１１】従来のタービン段落の縦断面図。
【図１２】湾曲ノズルの斜視図。
【図１３】従来のタービンノズルにおける圧力損失分布図。
【図１４】従来のタービンノズルにおる流量分布図。
【符号の説明】
１ノズル翼
２ダイヤフラム外輪
３ダイヤフラム内輪
５動翼
６ロータディスク
７シュラウド

Claims

ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との間に形成される環状流路に周方向に複数のノズル翼を列状に配設したタービンノズルにおいて、
ノズル翼の後縁端とそのノズル翼に隣接するノズル翼の背面との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α（ =sin ^-1 (S/T) ）を、翼高さ方向中央部で最大値となるようにして高効率部への流量を増加させるとともに、
前記幾何学的流出角αを翼根元部より若干翼高さ中央部に寄った領域、及び翼先端部より若干翼高さ中央部に寄った領域においてそれぞれ一つの極小値をもつように形成し、前記根元部及び前記先端部の流量を多くすることにより流体の速度ベクトルを内周壁面及び外周壁面側に向けて前記環状流路壁面部での２次流れ損失を低減したことを特徴とする、タービンノズル。
タービンロータの植込部に複数の動翼を列状に配設したタービン動翼において、
動翼後縁端とその動翼に隣接する動翼の背面との最短距離Ｓと環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔから求められる幾何学的流出角α（ =sin ^-1 (S/T) ）を、動翼高さ方向中央部で最大値となるようにして高効率部への流量を増加させるとともに、
前記幾何学的流出角αを翼根元部より若干翼高さ中央部に寄った領域、及び翼先端部より若干翼高さ中央部に寄った領域においてそれぞれ一つの極小値をもつように形成し、前記根元部及び前記先端部の流量を多くすることにより流体の速度ベクトルを内周壁面及び外周壁面側に向けて前記環状流路壁面部での２次流れ損失を低減したことを特徴とする、タービン動翼。
請求項１記載のタービンノズルと請求項２記載のタービン動翼との組合わせからなるタービン段落。