JP7190370B2

JP7190370B2 - 軸流タービン

Info

Publication number: JP7190370B2
Application number: JP2019035923A
Authority: JP
Inventors: 茂樹妹尾; 和弘門間
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2022-12-15
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: US20200277869A1; CN111622812B; JP2020139463A; CN111622812A; KR102318116B1; US11629608B2; DE102019220025A1; KR20200105386A; DE102019220025B4

Description

本発明は、発電プラントの蒸気タービンやガスタービン等に用いられる軸流タービンに関する。

軸流タービンは、例えば、ケーシングの内周側に設けられた環状のダイヤフラム外輪と、ダイヤフラム外輪の内周側に設けられ、周方向に配列された複数の静翼と、複数の静翼の内周側に設けられたダイヤフラム内輪と、ロータと、ロータの外周側に設けられ、複数の静翼の下流側に位置すると共に周方向に配列された複数の動翼と、複数の動翼の外周側に設けられたシュラウドとを備える（例えば特許文献１参照）。

軸流タービンの主流路は、ダイヤフラム外輪の内周面とダイヤフラム内輪の外周面の間に形成された流路と、シュラウドの内周面とロータの外周面の間に形成された流路とで構成されている。主流路を流れる作動流体は、静翼によって増速、転向され、その後、動翼に対して回転力を付与するようになっている。

ダイヤフラム内輪とロータの間には、第１キャビティが形成されている。作動流体の一部は、主流路の静翼の上流側から第１キャビティに流入し、第１キャビティから主流路の静翼の下流側に流出する。この作動流体は、静翼によって増速、転向されていないので、損失が発生する。この損失を低減するため、第１キャビティには、ラビリンスシールが設けられている。

シュラウドとダイヤフラム外輪（又はケーシング）の間には、第２キャビティが形成されている。作動流体の一部は、主流路の動翼の上流側から第２キャビティに流入し、第２キャビティから主流路の動翼の下流側に流出する。この作動流体は、動翼に対して回転力を付与しないので、損失が発生する。この損失を低減するため、第２キャビティには、ラビリンスシールが設けられている。

特開２０１７－００８７５６号公報

ところで、一般的に、主流路の静翼又は動翼の出口側では、周方向の圧力分布が生じている。詳しく説明すると、隣り合う一の翼の負圧面（背側面）と他の翼の正圧面（腹側面）の間の距離が最も小さくなるスロートより下流側であって、周方向において一の翼の負圧面上のスロート位置から一の翼の後縁位置までの範囲では、静圧が比較的低くなる。そのため、この範囲では、キャビティから主流路に向かう吹き出し流れが生じる。一方、スロートより下流側であって、周方向において一の翼の負圧面上のスロート位置から他の翼の後縁位置までの範囲では、静圧が比較的高くなる。そのため、この範囲では、主流路からキャビティへ向かう漏れ込み流れが生じる。そして、周方向における流れの違いにより、干渉損失（詳細には、キャビティの出口側では合流損失、キャビティの入口側では分流損失）が大きくなる。また、前述した流れの違いの影響を受けて、下流側の翼の二次流れ損失が大きくなる。

本発明は、周方向の圧力差を低減して損失を低減することができる軸流タービンを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、周方向に配列された複数の翼と、前記複数の翼の内周側又は外周側を連結すると共に、主流路の壁面を構成する周面を有する部材とを備えた軸流タービンにおいて、前記部材の前記周面は、複数の窪み部を有し、前記複数の窪み部の各々は、隣り合う一の翼の負圧面と他の翼の正圧面の間の距離が最も小さくなるスロートより下流側であって、周方向において前記一の翼の負圧面上のスロート位置から前記一の翼の後縁位置までの範囲内に、軸方向において前記周面の後縁位置を含む範囲に形成され、前記複数の窪み部の各々は、前記スロートの下流側における作動流体の流れ方向に沿って形成され、前記作動流体の流れ方向に沿って徐々に深くなるように形成される。

本発明によれば、周方向の圧力差を低減して損失を低減することができる。

本発明の第１の実施形態における蒸気タービンの部分構造を模式的に表す軸方向断面図である。図１中断面II－IIによる周方向断面図であり、主流路内の流れを示す。本発明の第１の実施形態におけるダイヤフラム内輪の外周面の構造を表す展開図である。図３中矢印IV方向から見た図である。本発明の第１の実施形態及び比較例における静翼面静圧分布を表す図である。本発明の第２の実施形態におけるダイヤフラム内輪の外周面の構造を表す展開図である。図６中矢印VII方向から見た図である。

以下、本発明を蒸気タービンに適用した場合の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における蒸気タービンの部分構造を模式的に表す軸方向断面図である。図２は、図１中断面II－IIによる周方向断面図であり、主流路内の流れを示す。

本実施形態の蒸気タービンは、ケーシング１の内周側に設けられた環状のダイヤフラム外輪２と、このダイヤフラム外輪２の内周側に設けられた複数の静翼３と、これら静翼３の内周側に設けられた環状のダイヤフラム内輪４とを備えている。複数の静翼３は、ダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪４の間に、周方向に所定の間隔で配列されている。

また、蒸気タービンは、ロータ５と、このロータ５の外周側に設けられた複数の動翼６と、これら動翼６の外周側に設けられた環状のシュラウド７とを備えている。複数の動翼６は、ロータ５とシュラウド７の間に、周方向に所定の間隔で配列されている。

蒸気タービンの主流路８は、ダイヤフラム外輪２の内周面９とダイヤフラム内輪４の外周面１０の間に形成された流路や、シュラウド７の内周面１１とロータ５の外周面１２の間に形成された流路で構成されている。すなわち、ダイヤフラム外輪２は、複数の静翼３の外周側を連結すると共に、主流路８の壁面を構成する内周面９を有する。ダイヤフラム内輪４は、複数の静翼３の内周側を連結すると共に、主流路８の壁面を構成する外周面１０を有する。シュラウド７は、複数の動翼６の外周側を連結すると共に、主流路８の壁面を構成する内周面１１を有する。ロータ５は、複数の動翼６の内周側を連結すると共に、主流路８の壁面を構成する外周面１２を有する。

主流路８には、複数の静翼３（言い換えれば、１つの静翼列）が配置されるとともに、それらの下流側（図１中右側）に複数の動翼６（言い換えれば、１つの動翼列）が配置されており、これら静翼３と動翼６の組合せが１つの段落を構成している。なお、図１では、便宜上、１段目の動翼６と、２段目の静翼３及び動翼６しか示されていないが、一般的には、蒸気（作動流体）の内部エネルギーを効率よく回収するために、軸方向に３段以上設けられている。

主流路８内の蒸気は、図１中白抜き矢印で示すように流れている。そして、静翼３にて蒸気の内部エネルギー（言い換えれば、圧力エネルギー等）が運動エネルギー（言い換えれば、速度エネルギー）に変換され、動翼６にて蒸気の運動エネルギーがロータ５の回転エネルギーに変換される。また、ロータ５の端部には発電機（図示せず）が接続されており、この発電機によってロータ５の回転エネルギーが電気エネルギーに変換されるようになっている。

主流路８内の蒸気の流れ（主流）について、図２を用いて説明する。蒸気は、静翼３の前縁側（図２中上側）から絶対速度ベクトルＣ１（詳細には、周方向速度成分をほぼ持たない絶対的な流れ）で流入する。そして、静翼３の間を通過する際に増速、転向されて絶対速度ベクトルＣ２（詳細には、大きな周方向速度成分を持つ絶対的な流れ）となり、静翼３の後縁側（図２中下側）から流出する。静翼３から流出した蒸気の大部分は、動翼６に衝突してロータ５を速度Ｕで回転させる。このとき、蒸気は、動翼６を通過する際に減速、転向されて、相対速度ベクトルＷ２から相対速度ベクトルＷ３となる。したがって、動翼６から流出する蒸気は、絶対速度ベクトルＣ３（詳細には、周方向速度成分をほぼ持たない絶対的な流れ）となる。

上述の図１に戻り、ダイヤフラム内輪４とロータ５の間にはキャビティ１３Ａが形成されている。蒸気の一部は、主流路８の静翼３の上流側からキャビティ１３Ａに流入し、キャビティ１３Ａから主流路８の静翼３の下流側に流出する。この蒸気は、静翼３によって増速、転向されていないので、損失が発生する。この損失を低減するため、キャビティ１３Ａにはラビリンスシール１４Ａが設けられている。ラビリンスシール１４Ａは、例えば、ダイヤフラム内輪４側に設けられた複数のフィンと、ロータ５側に形成された複数の突起で構成されている。

シュラウド７とケーシング１の間にはキャビティ１３Ｂが形成されている。蒸気の一部は、主流路８の動翼６の上流側からキャビティ１３Ｂに流入し、キャビティ１３Ｂから主流路８の動翼６の下流側に流出する。この蒸気は、動翼６に対して回転力を付与しないので、損失が発生する。この損失を低減するため、キャビティ１３Ｂにはラビリンスシール１４Ｂが設けられている。ラビリンスシール１４Ｂは、例えば、ケーシング１側に設けられた複数のフィンと、シュラウド７側に形成された複数の突起で構成されている。

ところで、一般的に、主流路８の静翼３の出口側では、周方向の圧力分布が生じている。詳しく説明すると、隣り合う静翼３Ａの負圧面（背側面）１５と静翼３Ｂの正圧面（腹側面）１６の間の距離が最も小さくなるスロート１７より下流側であって、周方向において静翼３Ａの負圧面１５上のスロート位置Ｐ１から静翼３Ａの後縁位置Ｐ２までの範囲（後述の図３参照）では、静圧が比較的低くなる。そのため、この範囲では、キャビティ１３Ａから主流路８に向かう吹き出し流れが生じる。一方、スロート１７より下流側であって、周方向において静翼３Ａの負圧面１５上のスロート位置Ｐ１から静翼３Ｂの後縁位置Ｐ３までの範囲（後述の図３参照）では、静圧が比較的高くなる。そのため、この範囲では、主流路８からキャビティ１３Ａへ向かう漏れ込み流れが生じる。そして、周方向における流れの違いによって、干渉損失が大きくなる。また、前述した流れの違いの影響を受けて、下流側の動翼６の二次流れ損失が大きくなる。

そこで、本実施形態では、ダイヤフラム内輪４の外周面１０は、周方向における圧力差を低減するための構造を有している。その詳細を、図３及び図４を用いて説明する。図３は、本実施形態におけるダイヤフラム内輪の外周面の構造を表す展開図である。図４は、図３中矢印IV方向から見た図である。なお、図３中の点線は、窪み部の等高線を示している。

本実施形態のダイヤフラム内輪４の外周面１０は、ほぼ円筒面であり、この円筒面から半径方向の内側に窪んだ複数の窪み部１８を有している。

各窪み部１８は、隣り合う静翼３Ａの負圧面１５と静翼３Ｂの正圧面１６の間の距離が最も小さくなるスロート１７より下流側であって、周方向において静翼３Ａの負圧面１５上のスロート位置Ｐ１から静翼３Ａの後縁位置Ｐ２までの範囲に、軸方向において外周面１０の後縁位置を含み且つ静翼３Ａの後縁位置Ｐ２より下流側だけでなく上流側も含む範囲に形成されている。

また、各窪み部１８は、スロート１７の下流側における蒸気の流れ方向（言い換えれば、上述した絶対速度ベクトルＣ２の向き）に沿って形成されている。詳しく説明すると、周方向における窪み部１８の各断面は、例えば略三角形状をなし、各断面の底を結んだ直線が蒸気の流れ方向となっている。また、各窪み部１８は、蒸気の流れ方向に沿って徐々に深くなるように形成されている。これにより、蒸気の流れ方向に対する影響を抑えるようになっている。

本実施形態では、ダイヤフラム内輪４の外周面１０の窪み部１８により、その周方向の範囲における主流路８の幅が拡大する。これにより、その周方向の範囲における蒸気の流速が低下し、静圧が上昇する。したがって、周方向における圧力差を低減して、周方向における流れの違いを抑えることができる。その結果、干渉損失や、下流側の動翼６の二次流れ損失を低減することができる。

また、本実施形態では、窪み部１８は、軸方向において静翼３Ａの後縁位置Ｐ２より下流側だけでなく上流側も含む範囲に形成されている。すなわち、静翼３Ａの負圧面１５の近くまで形成されている。これにより、図５で示すように、窪み部１８を形成しない場合の比較例と比べ、静翼３Ａの負圧面１５における静圧が上昇する。したがって、静翼の正圧面と負圧面の差圧を低減して、静翼の二次流れ損失を低減することができる。

なお、第１の実施形態において、窪み部１８は、周方向において静翼３Ａの負圧面１５上のスロート位置Ｐ１から静翼３Ａの後縁位置Ｐ２までの範囲に形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、前述した範囲内に形成されていればよい。具体的に説明すると、窪み部１８は、スロート位置Ｐ１に対して例えば翼間のピッチ長Ｌの１０％程度だけ後縁位置Ｐ２側に移動した位置から、形成されてもよい。また、窪み部１８は、後縁位置Ｐ２に対して例えば翼間のピッチ長Ｌの１０％程度だけスロート位置Ｐ１側に移動した位置まで、形成されてもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

あるいは、窪み部１８は、周方向において静翼３Ａの負圧面１５上のスロート位置Ｐ１から静翼３Ａの後縁位置Ｐ２までの範囲より、若干はみ出して形成されてもよい。具体的に説明すると、窪み部１８は、スロート位置Ｐ１に対して例えば翼間のピッチ長Ｌの１０％程度だけ後縁位置Ｐ２とは反対側に移動した位置から、形成されてもよい。また、窪み部１８は、後縁位置Ｐ２に対して例えば翼間のピッチ長Ｌの１０％程度だけスロート位置Ｐ１とは反対側に移動した位置まで、形成されてもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、第１の実施形態において、窪み部１８は、軸方向において静翼３Ａの後縁位置Ｐ２より下流側だけでなく上流側も含む範囲に形成された場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、静翼の二次流れ損失の低減を図る効果が得られないものの、窪み部１８は、軸方向において静翼３Ａの後縁位置Ｐ２より下流側だけを含む範囲に形成されてもよい。

本発明の第２の実施形態を、図６及び図７を用いて説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

図６は、本実施形態におけるダイヤフラム内輪の外周面の構造を表す展開図である。図７は、図６中矢印VII方向から見た図である。なお、図６中の点線は、窪み部及び突起部の等高線を示している。

本実施形態のダイヤフラム内輪４の外周面１０は、第１の実施形態と同様、ほぼ円筒面であり、この円筒面から半径方向の内側に窪んだ複数の窪み部１８を有している。本実施形態のダイヤフラム内輪４の外周面１０は、更に、円筒面から半径方向の外側に突出した複数の突起部１９を有している。

各突起部１９は、隣り合う静翼３Ａの負圧面１５と静翼３Ｂの正圧面１６の間の距離が最も小さくなるスロート１７より下流側であって、周方向において静翼３Ａの負圧面１５上のスロート位置Ｐ１から静翼３Ｂの後縁位置Ｐ３までの範囲に、軸方向において外周面１０の後縁位置を含み且つ静翼３Ｂの後縁位置Ｐ３より下流側だけでなく上流側も含む範囲に形成されている。

また、各突起部１９は、軸方向に沿って形成されている。詳しく説明すると、周方向における突起部１９の各断面は、例えば略三角形状をなし、各断面の頂を結んだ直線が軸方向となっている。また、各突起部１９は、軸方向の下流側に向かって徐々に高くなるように形成されている。

本実施形態では、ダイヤフラム内輪４の外周面１０の突起部１９により、その周方向の範囲における主流路８の幅が縮小する。これにより、その周方向の範囲における蒸気の流速が上昇し、静圧が低下する。したがって、第１の実施形態と比べ、周方向における圧力差を更に低減して、周方向における流れの違いを更に抑えることができる。その結果、干渉損失や、下流側の動翼６の二次流れ損失を更に低減することができる。

なお、第２の実施形態において、突起部１９は、周方向において静翼３Ａの負圧面１５上のスロート位置Ｐ１から静翼３Ｂの後縁位置Ｐ３までの範囲に形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、前述した範囲内に形成されていればよい。具体的に説明すると、突起部１９は、スロート位置Ｐ１に対して例えば翼間のピッチ長Ｌの１０％程度だけ後縁位置Ｐ３側に移動した位置から、形成されてもよい。また、突起部１９は、後縁位置Ｐ３に対して例えば翼間のピッチ長Ｌの１０％程度だけスロート位置Ｐ１側に移動した位置まで、形成されてもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

あるいは、突起部１９は、周方向において静翼３Ａの負圧面１５上のスロート位置Ｐ１から静翼３Ｂの後縁位置Ｐ３までの範囲より、若干はみ出して形成されてもよい（但し、その分、窪み部１８を小さくする必要がある）。具体的に説明すると、突起部１９は、スロート位置Ｐ１に対して例えば翼間のピッチ長Ｌの１０％程度だけ後縁位置Ｐ３とは反対側に移動した位置から、形成されてもよい。また、突起部１９は、後縁位置Ｐ３に対して例えば翼間のピッチ長Ｌの１０％程度だけスロート位置Ｐ１とは反対側に移動した位置まで、形成されてもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、第２の実施形態において、突起部１９は、軸方向において静翼３Ｂの後縁位置Ｐ３より下流側だけでなく上流側も含む範囲に形成された場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、突起部１９は、軸方向において静翼３Ｂの後縁位置Ｐ３より下流側だけを含む範囲に形成されてもよい。

また、第１及び第２の実施形態においては、本発明の特徴をダイヤフラム内輪４の外周面１０に適用した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、ダイヤフラム外輪２の内周面９、シュラウド７の内周面１１、ロータ５の外周面１２のうちのいずれかに適用してもよい。

また。第１及び第２の実施形態においては、本発明を蒸気タービンに適用した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、ガスタービンに適用してもよい。

２ダイヤフラム外輪
３，３Ａ，３Ｂ静翼
４ダイヤフラム内輪
５ロータ
６動翼
７シュラウド
８主流路
９ダイヤフラム外輪の内周面
１０ダイヤフラム内輪の外周面
１１シュラウドの内周面
１２ロータの外周面
１５負圧面
１６正圧面
１７スロート
１８窪み部
１９突起部

Claims

周方向に配列された複数の翼と、
前記複数の翼の内周側又は外周側を連結すると共に、主流路の壁面を構成する周面を有する部材とを備えた軸流タービンにおいて、
前記部材の前記周面は、複数の窪み部を有し、
前記複数の窪み部の各々は、隣り合う一の翼の負圧面と他の翼の正圧面の間の距離が最も小さくなるスロートより下流側であって、周方向において前記一の翼の負圧面上のスロート位置から前記一の翼の後縁位置までの範囲内に、軸方向において前記周面の後縁位置を含む範囲に形成され、
前記複数の窪み部の各々は、前記スロートの下流側における作動流体の流れ方向に沿って形成され、前記作動流体の流れ方向に沿って徐々に深くなるように形成されたことを特徴とする軸流タービン。
請求項１に記載の軸流タービンにおいて、
前記複数の窪み部の各々は、前記作動流体の流れ方向に沿って前記周面の後縁位置まで徐々に深くなるように形成されたことを特徴とする軸流タービン。
請求項１に記載の軸流タービンにおいて、
前記複数の窪み部の各々は、軸方向において前記一の翼の後縁位置より下流側だけでなく上流側も含む範囲に形成されたことを特徴とする軸流タービン。
請求項１に記載の軸流タービンにおいて、
前記部材の前記周面は、複数の突起部を有し、
前記複数の突起部の各々は、前記スロートより下流側であって、周方向において前記一の翼の負圧面上のスロート位置から前記他の翼の後縁位置までの範囲内に、軸方向において前記部材の周面の後縁位置を含む範囲に形成されたことを特徴とする軸流タービン。
請求項１に記載の軸流タービンにおいて、
前記部材は、
複数の静翼の内周側を連結すると共に、前記主流路の壁面を構成する外周面を有するダイヤフラム内輪、
前記複数の静翼の外周側を連結すると共に、前記主流路の壁面を構成する内周面を有するダイヤフラム外輪、
複数の動翼の内周側を連結すると共に、前記主流路の壁面を構成する外周面を有するロータ、及び
前記複数の動翼の外周側を連結すると共に、前記主流路の壁面を構成する内周面を有するシュラウド、のうちのいずれかであることを特徴とする軸流タービン。