JP5490178B2 - タービン翼列エンドウォール - Google Patents

Description

本発明は、タービン翼列エンドウォールに関するものである。

流体の運動エネルギーを回転運動に変えて動力を得る動力発生装置としてのタービンにおけるタービン翼列エンドウォール上では、一のタービン翼の腹側から隣接するタービン翼の背側に向かって、いわゆる「クロスフロー（二次流れ）」が発生する。
タービン性能の向上を図るには、このクロスフローを低減させるとともに、このクロスフローに伴って発生する二次流れ損失を低減させる必要がある。

そこで、このようなクロスフローに伴う二次流れ損失を低減させて、タービン性能の向上を図るものとして、タービン翼列エンドウォール上に、非軸対称に形成された凹凸を有するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第６２８３７１３号明細書

上記特許文献に開示されているタービン翼列エンドウォールには、一のタービン翼の腹側後縁側に凹部が形成され、隣接するタービン翼の背側後縁側に凸部が形成されている。
しかしながら、背側後縁側に形成された凸部では、そこで静圧が低下し、翼出口の流出角度が増大してしまい、凹凸を有する対象翼列の下流に位置する翼列における性能を悪化させ、複数の翼列を有するタービン全体の性能を却って低下させてしまう恐れがある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができて、タービン性能の向上を図ることができるタービン翼列エンドウォールを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明に係るタービン翼列エンドウォールは、環状に配列された複数のタービン静翼またはタービン動翼の、チップ側またはハブ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、０％Ｃａｘを軸方向におけるタービン静翼またはタービン動翼の前縁位置、１００％Ｃａｘを軸方向におけるタービン静翼またはタービン動翼の後縁位置とし、０％ピッチをタービン静翼またはタービン動翼の腹面における位置、１００％ピッチを前記タービン静翼またはタービン動翼の腹面と対向するタービン静翼またはタービン動翼の背面における位置とした場合に、一のタービン静翼またはタービン動翼と、このタービン静翼またはタービン動翼に隣接配置された他のタービン静翼またはタービン動翼との間に、５〜２５％Ｃａｘの位置において７０〜９０％ピッチの位置に底点を有し、この底点から下流側に向かって緩やかに傾斜し、前記底点から隣接配置されたタービン静翼またはタービン動翼の腹面にわたって緩やかに傾斜するとともに、前記底点から上流側に向かってやや急に傾斜する、全体的になだらかに陥没した凹部を備えている。

本発明に係るタービン翼列エンドウォールによれば、凹部近傍の静圧を増加させることができ、作動流体の軸方向への流れを増加させることができるので、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができて、タービン性能の向上を図ることができる。

上記タービン翼列エンドウォールのスロート近傍に、全体的になだらかに***する凸部が設けられているとさらに好適である。

このようなタービン翼列エンドウォールによれば、スロート近傍を通過する作動流体の流速が増加し、その静圧が低下するとともに、タービン静翼またはタービン動翼の背面において翼高さ方向に発生する圧力勾配が緩和されることとなるので、タービン静翼またはタービン動翼の背面に発生する巻き上がりを抑制することができて、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができる。

本発明に係るタービンによれば、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができるタービン翼列エンドウォールを具備しているので、タービン全体の性能の向上を図ることができる。

本発明によれば、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができて、タービン性能の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の第１参考実施形態に係るタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 本発明の第２参考実施形態に係るタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 本発明の第１実施形態に係るタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 本発明の第２実施形態に係るタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 本発明の他の実施形態に係るタービン翼列エンドウォールの要部平面図である。 図５に示すタービン静翼の背面における等圧線を示す図である。

以下、本発明に係るタービン翼列エンドウォールの第１参考実施形態について、図１を参照しながら説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るタービン翼列エンドウォール（以下、「第３段静翼チップエンドウォール」という。）１０は、一のタービン第３段静翼（以下、「第３段静翼」という。）Ｂ１と、この第３段静翼Ｂ１に隣接配置された第３段静翼Ｂ１との間に、第１の凸部１１をそれぞれ有するものである。
なお、図１中の第３段静翼チップエンドウォール１０上に描いた実線は、第１の凸部１１の等高線、後述する第２の凸部１２の等高線、および後述する第３の凸部１３の等高線を示している。

第１の凸部１１は、５〜２５％Ｃａｘ（本実施形態では略１４％Ｃａｘ）の位置において０〜２０％ピッチ（本実施形態では略７％ピッチ）の位置に頂点（ピーク）Ｐ１を有し、この頂点Ｐ１から下流側および隣接配置された第３段静翼Ｂ１の背面に向かって緩やかに傾斜するとともに、この頂点Ｐ１から上流側に向かってやや急に傾斜する（頂点Ｐ１から下流側および隣接配置された第３段静翼Ｂ１の背面に向かう傾斜角よりも大きな（急な）傾斜角で傾斜する）、全体的になだらかに（滑らかに）***した部分である。
ここで、０％Ｃａｘとは、軸方向における第３段静翼Ｂ１の前縁位置のことを指し、１００％Ｃａｘとは、軸方向における第３段静翼Ｂ１の後縁位置のことを指している。また、−（マイナス）は第３段静翼Ｂ１の前縁位置から軸方向に沿って上流側に遡った位置のことを指し、＋（プラス）は第３段静翼Ｂ１の前縁位置から軸方向に沿って下流側に下った位置のことを指している。さらに、０％ピッチとは、第３段静翼Ｂ１の腹面における位置のことを指し、１００％ピッチとは、第３段静翼Ｂ１の背面における位置のことを指している。
そして、この第１の凸部１１の頂点Ｐ１の高さ（凸量）は、第３段静翼Ｂ１の軸コード長（第３段静翼Ｂ１の軸方向長さ）の５％〜２０％（本実施形態では約１３％）とされている。

なお、図１に示すように、本実施形態に係る第３段静翼チップエンドウォール１０は、第１の凸部１１の他に、略０％Ｃａｘの位置において略１００％ピッチの位置から第１の凸部１１の裾野に向かって緩やかに傾斜する第２の凸部１２と、略９０％Ｃａｘの位置において略１００％ピッチの位置から第１の凸部１１の裾野に向かって緩やかに傾斜する第３の凸部１３とを有している。

本実施形態に係る第３段静翼チップエンドウォール１０によれば、第１の凸部１１近傍の静圧を低下させることができ、作動流体の軸方向への流れを増加させることができるので、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができて、タービン性能の向上を図ることができる。

本発明に係るタービン翼列エンドウォールの第２参考実施形態について、図２を参照しながら説明する。
図２に示すように、本実施形態に係るタービン翼列エンドウォール（以下、「第３段静翼ハブエンドウォール」という。）２０は、一のタービン第３段静翼（以下、「第３段静翼」という。）Ｂ１と、この第３段静翼Ｂ１に隣接配置された第３段静翼Ｂ１との間に、第４の凸部２１をそれぞれ有するものである。なお、図２中の第３段静翼ハブエンドウォール２０上に描いた実線は、第４の凸部２１の等高線、および後述する第５の凸部２２の等高線を示している。

第４の凸部２１は、５〜２５％Ｃａｘ（本実施形態では略１４％Ｃａｘ）の位置において０〜２０％ピッチ（本実施形態では略３％ピッチ）の位置に頂点（ピーク）Ｐ２を有し、この頂点Ｐ２から下流側および隣接配置された第３段静翼Ｂ１の背面に向かって緩やかに傾斜するとともに、この頂点Ｐ２から上流側に向かってやや急に傾斜する（頂点Ｐ２から下流側および隣接配置された第３段静翼Ｂ１の背面に向かう傾斜角よりも大きな（急な）傾斜角で傾斜する）、全体的になだらかに（滑らかに）***した部分である。
そして、この第４の凸部２１の頂点Ｐ２の高さ（凸量）は、第３段静翼Ｂ１の軸コード長（第３段静翼Ｂ１の軸方向長さ）の５％〜２０％（本実施形態では約１２．５％）とされている。

なお、図２に示すように、本実施形態に係る第３段静翼ハブエンドウォール２０は、隣接配置された第３段静翼Ｂ１の略−１０％Ｃａｘから略８５％Ｃａｘの間に位置する背面から、第４の凸部２１の裾野に向かって緩やかに傾斜する第５の凸部２２を有している。

本実施形態に係る第３段静翼ハブエンドウォール２０によれば、第４の凸部２１近傍の静圧を低下させることができ、作動流体の軸方向への流れを増加させることができるので、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができて、タービン性能の向上を図ることができる。

本発明に係るタービン翼列エンドウォールの第１実施形態について、図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、本実施形態に係るタービン翼列エンドウォール（以下、「第４段静翼チップエンドウォール」という。）３０は、一のタービン第４段静翼（以下、「第４段静翼」という。）Ｂ２と、この第４段静翼Ｂ２に隣接配置された第４段静翼Ｂ２との間に、第１の凹部３１をそれぞれ有するものである。なお、図３中の第４段静翼チップエンドウォール３０上に描いた実線は、第１の凹部３１の等深線、および後述する第６の凸部３２の等深線を示している。

第１の凹部３１は、５〜２５％Ｃａｘ（本実施形態では略１７％Ｃａｘ）の位置において７０〜９０％ピッチ（本実施形態では略８３％ピッチ）の位置に底点（窪みのピーク）Ｐ３を有し、この底点Ｐ３から下流側および隣接配置された第４段静翼Ｂ２の腹面に向かって緩やかに傾斜するとともに、この底点Ｐ３から上流側に向かってやや急に傾斜する（底点Ｐ３から下流側および隣接配置された第４段静翼Ｂ２の腹面に向かう傾斜角よりも大きな（急な）傾斜角で傾斜する）、全体的になだらかに（滑らかに）陥没した部分である。
そして、この第１の凹部３１の底点Ｐ３の深さ（凹量）は、第４段静翼Ｂ２の軸コード長（第４段静翼Ｂ２の軸方向長さ）の５％〜１５％（本実施形態では約６％）とされている。

なお、図３に示すように、本実施形態に係る第４段静翼チップエンドウォール３０は、略９０％Ｃａｘの位置において略９０％ピッチの位置に頂点（ピーク）Ｐ４を有するとともに、底点Ｐ３および隣接配置された第４段静翼Ｂ２の腹面に向かって緩やかに傾斜する第６の凸部３２を有している。

本実施形態に係る第４段静翼チップエンドウォール３０によれば、第１の凹部３１近傍の静圧を増加させることができ、作動流体の軸方向への流れを増加させることができるので、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができて、タービン性能の向上を図ることができる。

本発明に係るタービン翼列エンドウォールの第２実施形態について、図４を参照しながら説明する。
図４に示すように、本実施形態に係るタービン翼列エンドウォール（以下、「第４段静翼ハブエンドウォール」という。）４０は、一のタービン第４段静翼（以下、「第４段静翼」という。）Ｂ２と、この第４段静翼Ｂ２に隣接配置された第４段静翼Ｂ２との間に、第２の凹部４１をそれぞれ有するものである。なお、図４中の第４段静翼ハブエンドウォール４０上に描いた実線は、第２の凹部４１の等深線を示している。

第２の凹部４１は、５〜２５％Ｃａｘ（本実施形態では略１８％Ｃａｘ）の位置において７０〜９０％ピッチ（本実施形態では略８１％ピッチ）の位置に底点（窪みのピーク）Ｐ５を有し、この底点Ｐ５から下流側および隣接配置された第４段静翼Ｂ２の腹面に向かって緩やかに傾斜するとともに、この底点Ｐ５から上流側に向かってやや急に傾斜する（底点Ｐ５から下流側および隣接配置された第４段静翼Ｂ２の腹面に向かう傾斜角よりも大きな（急な）傾斜角で傾斜する）、全体的になだらかに（滑らかに）陥没した部分である。
そして、この第２の凹部４１の底点Ｐ５の深さ（凹量）は、第４段静翼Ｂ２の軸コード長（第４段静翼Ｂ２の軸方向長さ）の５％〜１５％（本実施形態では約９．４％）とされている。

本実施形態に係る第４段静翼ハブエンドウォール４０によれば、第２の凹部４１近傍の静圧を増加させることができ、作動流体の軸方向への流れを増加させることができるので、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができて、タービン性能の向上を図ることができる。

また、上述した実施形態に係るタービン翼列エンドウォール１０，２０，３０，４０を具備したタービンによれば、クロスフローを低減させることができるとともに、クロスフローに伴う二次流れ損失を低減させることができるタービン翼列エンドウォール１０，２０，３０，４０を具備しているので、タービン全体の性能の向上を図ることができる。

なお、上述した実施形態において、スロート近傍のタービン翼列エンドウォール１０，２０，３０，４０上に、図５に示すような第７の凸部５１が設けられている（形成されている）とさらに好適である。
このような第７の凸部５１をスロート近傍のタービン翼列エンドウォール１０，２０，３０，４０上に設けることにより、スロート近傍を通過する作動流体の流速が増加し、その静圧が低下するとともに、第３段静翼Ｂ１，第４段静翼Ｂ２の背面において翼高さ方向（図６において上下方向）に発生する圧力勾配が、図６中の翼面内に実線で示す等圧線のごとく緩和されることとなるので、第３段静翼Ｂ１，第４段静翼Ｂ２の背面に発生する巻き上がりを抑制することができて、この巻き上がりに伴う二次流れ損失を低減させることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で適宜必要に応じて変形実施、変更実施、および組合せ実施可能である。

また、上述した実施形態においては、タービン翼列エンドウォールとして第３段静翼チップエンドウォール、第３段静翼ハブエンドウォール、第４段静翼チップエンドウォール、および第４段静翼ハブエンドウォールを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、タービン動翼のハブエンドウォールや、タービン動翼のチップエンドウォール、あるいはその他の段の静翼チップエンドウォール、もしくはその他の段の静翼チップエンドウォールにも適用することができる。

さらに、本発明に係るタービン翼列エンドウォールは、ガスタービンおよび蒸気タービンの双方に適用することができる。

１０ 第３段静翼チップエンドウォール（タービン翼列エンドウォール）
１１ 第１の凸部（凸部）
２０ 第３段静翼ハブエンドウォール（タービン翼列エンドウォール）
２１ 第４の凸部（凸部）
３０ 第４段静翼チップエンドウォール（タービン翼列エンドウォール）
３１ 第１の凹部（凹部）
４０ 第４段静翼ハブエンドウォール（タービン翼列エンドウォール）
４１ 第２の凹部（凸部）
５１ 第７の凸部（第２の凸部または凸部）
Ｂ１ 第３段静翼（タービン静翼）
Ｂ２ 第４段静翼（タービン静翼）
Ｐ１ 頂点
Ｐ２ 頂点
Ｐ３ 底点
Ｐ４ 頂点
Ｐ５ 底点

Claims (3)

1. 環状に配列された複数のタービン静翼またはタービン動翼の、チップ側またはハブ側に位置するタービン翼列エンドウォールであって、
   ０％Ｃａｘを軸方向におけるタービン静翼またはタービン動翼の前縁位置、１００％Ｃａｘを軸方向におけるタービン静翼またはタービン動翼の後縁位置とし、０％ピッチをタービン静翼またはタービン動翼の腹面における位置、１００％ピッチを前記タービン静翼またはタービン動翼の腹面と対向するタービン静翼またはタービン動翼の背面における位置とした場合に、
   一のタービン静翼またはタービン動翼と、このタービン静翼またはタービン動翼に隣接配置された他のタービン静翼またはタービン動翼との間に、５〜２５％Ｃａｘの位置において７０〜９０％ピッチの位置に底点を有し、この底点から下流側に向かって緩やかに傾斜し、前記底点から隣接配置されたタービン静翼またはタービン動翼の腹面にわたって緩やかに傾斜するとともに、前記底点から上流側に向かってやや急に傾斜する、全体的になだらかに陥没した凹部を備えていることを特徴とするタービン翼列エンドウォール。
2. スロート近傍に、全体的になだらかに***する凸部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービン翼列エンドウォール。
3. 請求項１または２に記載のタービン翼列エンドウォールを備えてなることを特徴とするタービン。

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