JPS6133968B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、多段軸流タービンのごとき多段軸流
機械の段落内部構造に関する。

第１図ないし第６図について、従来の多段軸流
タービンの段落内部構造の作動流体の流れおよび
損失等を説明する。

第１図は、多段軸流タービンの段落を示し、ロ
ータＲの軸方向に、上流側の段落である前段Ａ
と、これの後続段Ｂとを備えている。その前段Ａ
は、静翼１と動翼３とを有し、静翼１は外側のダ
イヤフラム２ａと内側のダイヤフラム２ｂ間に、
円周方向に複数枚固定されて静翼列を構成してお
り、動翼３は静翼１の下流側に配置され、ロータ
デイスク４の円周方向に複数枚固定されて動翼列
を構成している。また、動翼３の先端はシユラウ
ド５を介して複数枚連結されている。一方、後続
段Ｂは静翼１′と動翼３′とを有し、静翼１′は外
側のダイヤフラム２a′と内側のダイヤフラム２
b′間の円周方向に複数枚固定されて静翼列を構成
しており、動翼３′は静翼１′の下流側においてロ
ータデイスク４′の円周方向に複数枚固定されて
動翼列を構成し、前記動翼３′の先端はシユラウ
ド５′を介して複数枚連結されている。なお、第
１図中の符号６は車室を示す。

そして、この多段軸流タービンでは作動流体９
は前段Ａの静翼１を通過してその熱エネルギーが
連動エネルギーに変換され、動翼３を回転させて
仕事をしたのち、後続段Ｂに入り、静翼１′を通
過して動翼３′に流れ、前段Ａと同様に動翼３′を
回転させて仕事をする。

ところで、前述のごとき軸流タービンでは種々
の損失が発生する。

第２図は、特に静翼列において発生する損失を
示し、第２図ｂは静翼の損失の翼長方向分布を示
す。静翼の損失は、翼面と流体の摩擦損失等に起
因する翼形損失Ｅ_Pと、外側の側壁であるダイヤ
フラム２ａの内側近傍と内側の側壁であるダイヤ
フラム２ｂの外側近傍とに発生する側壁則失Ｅ_W
とに大別される。殊に側壁損失Ｅ_Wは、翼長の短
い段落では５〜10％のエネルギー損失となり、軸
流タービン効率低下の大きな要因となつている。
また、側壁損失Ｅ_Wは側壁摩擦損失と２次流れ損
失とからなつているが、いずれも側壁近傍に発達
する境界層に起因するため、第２図ａ，ｃに示さ
れるように、静翼１の入口における境界層厚さの
δ_１が大きい程、側壁損失Ｅ_Wも増加する。な
お、第２図ａ中の符号１３は静翼の入口境界層を
示し、第２図ｂ，ｃ中の符号１４，１４ａ，１４
ｂは静翼損失、側壁損失、翼形損失をそれぞれ示
す。

第３図は、前記２次流れ損失の発生機構を説明
している。静翼１の側壁である外側のダイヤフラ
ム２ａと内側のダイヤフラム２ｂの近傍の流体
は、境界層１３の存在によつて非常に流速の遅い
流れとなつている。このため、前記境界層１３内
では流体の遠心力と、静翼１の背側１ａと腹側１
ｂ間の圧力差とのバランスがくずれ、圧力の高い
腹側１ｂから背側１ａに向つて２次流れ１０が発
生する。この２次流れ１０は、背側１ａのコーナ
部において渦１０ａを発生して損失となる。この
ように２次流れ１０は、低エネルギー状態の境界
層１３内にに発生するものであり、前記側壁の境
界層１３が厚い程、２次流れ１０によつて失なわ
れる運動エネルギーが大きくなり、静翼の側壁損
失を増大させる結果となる。

この静翼の側壁損失は、静翼１の外側の側壁で
著しく、内側の側壁近傍の損失より数倍多いこと
が実験により判明している。その原因は流体の流
れの３次元効果の他に、静翼１の入口における境
界層厚さδ_１が内側の側壁よりも外側の側壁にお
いてより一層厚いことに起因している。そして、
静翼１の外側の側壁の境界層が著しく発達する主
原因は、前段Ａの動翼３における流れの非一様性
にある。なお、第３図中の符号９′は主流を示
す。

第４図は、動翼列間の主流９′の流れと、動翼
先端側部材であるシユラウド５とその外側部材で
あるダイヤフラム２ａ間の間隙からの先端漏洩流
１１の流れを示す。その第４図ａに示されるよう
に、主流９′は動翼列の翼間を通過して流れ去
る。一方、先端漏洩流１１はシユラウド５と先端
漏洩流１１を最小限に押える目的で設置されてい
るラジアルフイン７間の間隙から漏洩して流れ
る。この動翼３の先端漏洩流１１は、シユラウド
５との摩擦力によつて動翼３の回転方向Ｓの成分
を有する流れとなつて動翼３の下流側へ流出す
る。このため、動翼３の下流における流速分布９
a′は第４図ｂに示されるように、先端で旋回流９
a″を有する捩れた流れとなる。

第５図は、前述の流れの機構を回転座標系の上
と、相対速度場で説明している。その第５図ａ，
ｂに示されるように、動翼列の翼間を通過する主
流９′は動翼３において転向して流出するのに対
し、シユラウド５とラジアルフイン７間の間隙か
ら漏洩する先端漏洩流１１はほぼロータの軸方向
に流出するため、両者の流出方向には大きな差が
生ずる。このため、動翼出口における流出角αは
第５図ｄに符号１５で示されるように捩れたもの
となる。

つぎに、第６図は前段Ａの動翼列の翼間から流
出した流れが、後続段Ｂの静翼１′の側壁近傍で
どのような挙動をとるかを説明している。その第
６図ａに示されるように、前段Ａの動翼列の翼間
から流出した流れ９a′は、後続段Ｂの静翼１′の
側壁近傍を通過し、境界層１３を発達させて静翼
１′の入口に至る。ところで、前述したように前
段Ａの動翼３′の先端部は先端漏洩流１１によつ
て捩れた流れとなつているが、第６図ｂに示され
るように、漏洩流絶対速度１１ａは周速１２の成
分と相対速度１１ｂの成分とが合成された旋回度
γの方向に向う。このため、後続段Ｂの静翼１′
の外側の側壁であるダイヤフラム２a′近傍の流れ
１６は、第６図ｂに一点鎖線で示されるように、
大きく迂回して静翼１′の入口まで到達すること
になる。その結果、外側の側壁であるダイヤフラ
ム２a′近傍の流れの助走距離ｌは、ダイヤフラム
２a′の入口から静翼１′の入口まで距離laよりも
大幅に長くなる。そして、静翼１′における入口
の境界層厚さδ_１は、助走距離ｌに比例する。す
なわち、 δ_１∝ｌ したがつて、第６図ｃに示されるように、漏洩
流による旋回角γが大きい程、助走距離ｌが長く
なり、静翼入口における境界層厚さδ_１が増大
し、前述のごとく後続段Ｂの静翼１′の側壁損失
Ｅ_Wが増大する。

要するに、従来の多段軸流タービンは前段Ａの
動翼先端側部材とその外側の部材間の間隙から漏
洩する先端漏洩流に起因する流れの旋回により後
続段Ｂの静翼１′における外側の側壁近傍に発生
する側壁損失Ｅ_Wが著しく増大する欠点がある。

本発明の目的は、段落の前段の動翼先端側部材
とその外側の部材との間隙から漏洩する先端漏洩
流の旋回によつて、後続段の静翼の外側の側壁近
傍に発生する側壁損失を著しく低減できる多段軸
流機械の段落内部構造を提供することにある。

本発明の特徴は、段落の前段の動翼と後続段と
の間であつてかつ前記動翼の先端側位置に、動翼
先端側部材とその外側の部材との間隙から漏洩す
る先端漏洩流を主流の流出方向に転向させる整流
板を、円周方向に複数枚取り付けたところに存
し、この構成により後続段の静翼における外側の
側壁損失を著しく低減しうる多段軸流機械の段落
内部構造を得たものである。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第７図ないし第１１図は、本発明の一実施例を
示し、多段軸流タービン本発明を適用した場合を
示す。この実施例では、第７図、第８図ａ，ｂお
よび第９図に示されるように、多段タービンの前
段Ａの動翼３と後続段Ｂの静翼１′との間であつ
てかつ前記動翼３の先端側位置に、整流板８が円
周方向に等間隔を存して複数枚配列されている。
各整流板８は、比較的薄い板材で形成され、また
第８図に示されるように、動翼先端位置から動翼
根元方向に延びる整流板内側端縁８ａまでの高さ
Ｈは、動翼先端の翼弦長をＢ_Wとするとき、 Ｈ＝０〜0.7B_W に形成されている。さらに、整形板８は動翼の回
転軸であるロータと平行に配置され、かつ前段Ａ
の外側のダイヤフラム２ａを後続段Ｂ方向に延長
させて形成された静止外壁２ｃに固定されていて
第９図に明示されるように、動翼３の先端側部材
であるシユラウド５とその外側の部材であるラジ
アルフイン７との間隙から漏洩する先端漏洩流１
１を主流９′の流出方向に転向させうるように取
り付けられている。

つぎに、第１０図および第１１図に基づいて、
整流板８の内側端縁８ａと動翼先端間の距離を前
述のごとく、 Ｈ＝０〜0.7B_W とすべき理由につき説明する。

前記整流板８は前段Ａの動翼３の直後に配置さ
れているが、回転体である動翼３と固定板である
整流板８との接触、干渉を避けるため、整流板８
は特に第１１図に示されるように、シユラウド５
の後端縁５ａと整流板８の前端縁８ｂとの間に数
mmの間隔をおいて配置される。その結果、先端漏
洩流１１と主流９′は整流板８の前端縁８ｂに到
達するまで混合される。したがつて、整流板８の
前端縁８ｂにおける流れは、第１０図ｂに示され
る従来例と同様の流れ状態となつており、旋回成
分を有する流れの領域は動翼先端位置よりもさら
に動翼根元方向にＨだけ入つた位置までの領域と
なる。それ故、整流板８の内側端縁８ａは、動翼
先端から動翼根元方向にＨだけ入つた位置に設定
することにより、整流機能をより良く発揮させる
ことができる。なお、前記高さＨを0.7B_Wよりも
大きくすると第１１図ｂに示されるように、整流
板８自体の流体摩擦損失Ｅ_Fを増加させることに
なり、効果的でない。実験の結果によれば、さら
に好ましくは、 Ｈ＝0.3〜0.7B_W に設定される。

つぎに第６図、第９図、第１０図および第１１
図に関連して作用を説明する。

前述構成の段落内部構造では、動翼先端のシユ
ラウド５とラジアルフイン７との間隙から漏洩す
る先端漏洩流１１は、第９図および第１０図ａに
示されるように、動翼の回転方向Ｓに流出したの
ち、整流板８により流れの方向を主流９′の流出
方向に転向される。これにより、整流板８を通過
したのちの流れの状態は、符号９ａで示されるよ
うに旋回成分を有しない流れとなる。したがつ
て、第１０図ｂに示されるように、従来の多段軸
流タービンでは段落間の流れが翼先端部において
動翼の回転方向に旋回成分を有する流れ１５′と
なるのに対し、本発明では整流板８の整流作用に
より第１０図ｃに示されるように、旋回成分がな
い一様な流れ１５となる。

その結果、従来の多段軸流タービンでは第６図
ｂに示されるように、後続段Ｂの静翼１′の外側
の側壁であるダイヤフラム２a′において、ロータ
の軸方向に対して旋回角γの角度で流動する流れ
１６を、本発明によればロータの軸方向に流れる
主流９′と同一の方向の流れとすることが可能で
あり、これにより本発明では静翼１′の外側の側
壁における助走距離ｌを最小限に短縮でき、この
外側の側壁近傍での静翼入口における境界層厚さ
δ_１を極めて薄くすることができ、したがつて第
６図ｃに示されるように、静翼１′における側壁
損失を大幅に低減することができる。

なお、この第７図ないし第１１図に示される実
施例において、他の部分の構成、作用は第１図に
示される従来のものと同様である。

第１２図は、本発明の他の実施例を示し、整流
板の形状を異にしている。

すなわち、この実施例に示される整流板８は、
第１２図ａに示されるように、動翼先端位置から
動翼根元方向に延びる部分における先端漏洩流の
上流側半部が、動翼先端の後端縁３ａからの距離
ｍを漸増する傾斜面８ｃに形成され、かつ第１２
図ｂ，ｄに示されるように、傾斜面８ｃを有する
部分が動翼の回転方向Ｓと反対方向に湾曲されて
いる。

しかして、第１２図ｂ，ｃに示されるように整
流板８におけるロータの軸方向の中心線が整流板
８の前端縁８ｂにおいて円周方向となす角を整流
板入口角β_nとするとき、この整流板入口角β_nを
第１２図ｂに破線で示される前段Ａの動翼出口に
おける流れの流出角β_sに一致されており、整流
板８による流れの転向を、より一層少ない損失で
効果的に達成しうるようになつている。その結
果、この第１２図に示される実施例では、先端漏
洩流１１と整流板８との衝突による損失を防ぐこ
とができ、タービン効率をより一層向上できる。

さらに、第１３図は本発明の別の実施例を示す
もので、この実施例のものは整流板８が後続段Ｂ
の静翼１′の外側の側壁であるダイヤフラム２
a′を前段Ａの動翼３側に延長させた静止外壁２
c′に取り付けられている外は、第１２図に示され
る実施例と同様である。

以上は第７図ないし第１３図に示される各実施
例とも、多段軸流タービンに本発明を適用した場
合について詳述したが、これに限らず、本発明は
多段軸流機械一般に適用できること勿論である。

本発明は、以上説明した構成、作用のものであ
つて、本発明によれば多段軸流機械の後続段の静
翼における側壁損失を著しく低減でき、したがつ
て軸流機械の効率を大幅に向上しうる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の多段軸流タービンの子午断面
図、第２図ａ，ｂおよびｃは同軸流タービンの静
翼構造、静翼における損失、および側壁損失と静
翼入口における境界層厚さとの関係を示す説明
図、第３図は同軸流タービンの静翼の翼列におけ
る２次流れ損失の発生機構の説明図、第４図ａお
よびｂは同軸流タービンを動翼出口側からみた斜
視図、および動翼出口から流出する主流の説明
図、第５図ａ，ｂ，ｃおよびｄは同軸流タービン
動翼を流れる流れ、主流の流出角、漏洩流の状
態、および動翼からの流れの流出角の説明図、第
６図ａ，ｂ，ｃは同軸流タービンの段落間の流れ
を正面からみた状態、第６図ａ中のｂ―ｂ線
からみた状態、および静翼の外側の側壁の流れの
旋回角と側壁損失との関係を示す説明図である。 続いて第７図は本発明を多段軸流タービンに適
用した一実施例を示す子午断面図、第８図ａおよ
びｂは本発明を構成する整流板の周りの拡大正面
図、および第８図ａ中のｂ―ｂからみた図、
第９図ａおよびｂは同整流板の整流作用を動翼出
口側からみた状態、および主流の流れの説明図、
第１０図ａ，ｂおよびｃは動翼出口側の流れの旋
回角、従来の多段軸流タービンの旋回角、および
本発明を構成する整流板の作用による旋回角の説
明図、第１１図ａおよびｂは整流板と前段の動翼
との関係、および整流板の高さ寸法と静翼損失と
の関係の説明図、第１２図ａ，ｂ，ｃおよびｄは
本発明の他の実施例の正面からみた状態、第１２
図ａ中XIIｂ―XIIｂ線からみた状態、整流板入口角
と動翼出口の流れの流出角との関係、および整流
板を斜面からみた状態を示す図、第１３図は本発
明の別の実施例を示す拡大正面図である。 Ａ…多段軸流機械の段落の前段、Ｂ…同後続
段、Ｒ…ロータ、１…前段の静翼、１′…後続段
の静翼、２ａ，２ｂ…前段の外側、内側のダイヤ
フラム、２a′，２b′…後続段の外側、内側のダイ
ヤフラム、３…前段の動翼、３′…後続段の動
翼、５…前段のシユラウド、５′…後続段のシユ
ラウド、７…ラジアルフイン、８…整流板、８ａ
…整流板の内端縁、８ｂ…同前端縁、８ｃ…同傾
斜面、Ｈ…整流板における動翼先端位置から動翼
根元方向に延びる部分の高さ、Ｂ_W…動翼先端の
翼弦長、９…作動流体、９′…主流、１１…動翼
の先端漏洩流、ｍ…動翼先端の後端縁から整流板
の前端縁までの距離。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円周方向に複数枚配設された静翼列と動翼列
   とを有する段落を、ロータの軸方向に複数組設け
   た多段軸流機械において、前段の動翼と後続段の
   静翼との間であつてかつ前記動翼の先端側近傍位
   置に、動翼先端部とその外周側の部材との間隙か
   ら漏洩する先端漏洩流を主流の流出方向に転向さ
   せる整流板を、円周方向に複数枚取り付けたこと
   を特徴とする多段軸流機械の段落内部構造。 ２ 前記整流板の動翼端位置から動翼根元方向に
   延びる部分の高さＨを、 Ｈ＝０〜0.7B_W （ただしＢ_Wは動翼先端の翼弦長） としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の多段軸流機械の段落内部構造。 ３ 前記整流板の動翼先端位置から動翼根元方向
   に延びる部分における動翼の先端漏洩流の上流側
   半部を、動翼先端の後端縁からの距離を漸増する
   傾斜面としかつ動翼回転方向の反対方向に湾曲さ
   せた形状に形成したことを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の多段軸流機械の段落内部構造。