JPH0478803B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は軸流タービンのタービンノズルに係
り、特にタービンノズルの環状流路周壁面に生じ
る境界層の発達を抑制することによつて二次流れ
の発生を防止し、さらに二次流れが撹拌して発生
する二次渦による損失を低減し、タービン性能を
向上し得るタービンノズルに関する。

（従来の技術） 近年、発電プラントの運転経済性を改善し、発
電効率の改善を図るためにタービン性能の向上を
図ることが重要な課題となつている。

タービン性能の向上を図るには各タービン段落
の損失を低減する必要がある。タービン段落にお
ける内部損失には、翼形損失、漏洩損失、流出損
失などがあるが、特にアスペクト比が小さくノズ
ル翼高さが低いタービン段落においては二次流れ
による二次損失の比率が支配的であり、その二次
損失を低減することがタービン性能を向上する上
で大きな課題となつている。

一般的な軸流タービンのノズル構成を第７図に
示す。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に固設される。また第４図に示すように上
記ノズル翼１に対向して下流側に複数枚の動翼５
が配設される。動翼５は、ロータデイスク６の外
周の周方向に所定間隔で列状に植設される。動翼
５の外周端には動翼端を固定するため、および作
動流体の漏洩を防止するためのシユラウド７が固
着される。

次に上記の段落構成においてノズル翼１におけ
る二次流れの発明機構を第７図を参照して説明す
る。第７図は第４図に示すタービンノズルをノズ
ル出口側から観察した傾斜図である。

各ノズル翼１は、ロータデイスク６の回転中心
を通る基準線Ｅに対して傾斜しておらず、ダイヤ
フラム内輪３の外周面に対して垂直に配設された
例で示している。

高圧蒸気などの作動流体は、隣接するノズル翼
１，１間の翼間流路を流れるときに、流路中で円
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
力と静圧と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い。そのため、流路
内では腹面Ｆ側から背面Ｂ側に圧力勾配を生じ
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おそ
い層、すなわち境界層においても同様である。

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側から
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側へ向かう流れ、すなわち二次流れ８が生
じる。

そして上記二次流れ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の内輪側およ
び外輪側の両接合端において、それぞれ二次渦９
ａ，９ｂを発生する。かくして作動流体が保有す
るエネルギは、二次渦９を形成するためにその一
部が散逸する。

このようにノズル流路内で発生する二次渦９
ａ，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うえに、下流側の動翼
５に流入する作動流体のエネルギ損失を招き、各
タービン段落の性能を低下させている。

上記のノズル流路内で発生する二次渦９ａ，９
ｂに起因する二次損失を低減するために種々のタ
ービンノズル構造が研究されている。

例えば環状流路の周壁面に発達する境界層の暑
さを低減するタービンノズルの構成が特開昭53−
90502号公報に開示されている。第８図ａはその
従来例を示すタービンノズルを示す断面図であ
り、ノズル翼１の上流側の境界層生成領域に境界
層制御棒１０を配置した例を示す。この境界層制
御棒１０によつて、周壁面上に発達する境界層の
厚さを薄くして二次流れによる損失を低減するこ
とを企画したものである。

また第９図は特開昭52−54809号公報に開示さ
れたタービンノズルの従来例を示す断面図であ
り、ノズル翼１の腹面Ｆ側の接合端に吸込孔１１
を設ける一方、背面Ｂ側の接合端に吹出孔１２を
設けて、吸込孔１１から吹出孔１２に抜ける連通
孔１３を形成している。

環状流路の周壁面近傍を流れる作動流体を連通
孔１３を経由して逃がすようにして、隣接したノ
ズル翼１，１間において、腹面Ｆ側から背面Ｂ側
に流れる二次流れを極力低減するようにしたもの
である。

さらに第１０図は、実開昭52−148802号公報に
開示されたタービンノズルであり、ダイヤフラム
外輪２またはダイヤフラム内輪３の周壁面上で隣
接されるノズル翼１，１間に邪魔板１４を配設し
た従来例である。

発生が予想される作動流体の壁面境界層の厚さ
を越える高さを有する邪魔板１４によつて、二次
流れ８を抑止するものである。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら第８図ａに示す従来のタービンノ
ズルにおいては、環状流路の周壁近傍に境界層制
御棒１０を配設したことにより、周壁面上に発達
する二次流れはある程度抑止することが可能とな
る。しかし、第８図ｂに示すように、タービン作
動流体の速度分布Ｇが乱れ、境界層制御棒１０の
２次側において、作動流体主流に大きな速度欠損
をもたらし、タービン性能を抜本的に改善する手
段にはなり得ていない。

また第９図に示すようにノズル翼１基部に連通
孔１３を設けた従来のタービンノズルでは、隣設
されたノズル翼１，１間の流路において、一方の
ノズル翼１の腹面Ｆ側から、他方のノズル翼１の
背面Ｂ側に生じる二次流れは大幅に低減すること
ができる。しかし腹面Ｆ側から吸込んだ流れを背
面Ｂに吹出すため、作動流体主流の流線を大きく
撹乱するおそれがあり、損失が逆に増大する場合
がある。

また、この従来例によると、連通孔１３の構造
が複雑であり、その加工精度を高く設定する必要
があるため、加工製作費が高騰する問題点があ
る。

さらに第１０図に示すようにノズル翼１，１間
に邪魔板１４を配設した従来のタービンノズルに
おいては、環状流路４の周壁面上に邪魔板１４が
設けられているため、周壁面近傍においてノズル
翼間を横断する流れはある程度低減されるもの
の、ノズル翼１の腹面Ｆ側から邪魔板１４に至る
二次流れ８または、邪魔板１４から隣設されるノ
ズル翼１の背面Ｂ側に至る二次流れ８は、解消さ
れず残存するため、二次損失の大幅の低減には直
結しない問題点があつた。

本発明は上記の問題点を解決するためになされ
たものであり、簡素な構造を有し、タービンノズ
ルの環状流路周壁面上に生じる境界層の発達を抑
止し、二次流れに起因する二次渦の発生による損
失の低減を可能とし、タービン性能を向上し得る
タービンノズルを提供することを目的とする。

〔発生の構成〕

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、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
状流路の周方向に複数のノズル翼を列状に配設
し、各ノズル翼をダイヤフラム内輪側の接合端お
よびダイヤフラム外輪側の接合端において固定し
て構成したタービンノズルにおいて、ノズル翼の
両接合端部における後縁線を直線状に形成し、か
つ上記後縁線がタービンの回転中心を通る基準線
に対してノズル翼の腹面方向に傾斜するように接
合端を接合するとともに、ノズル翼の中間部にお
ける後縁線は腹面方向に彎曲するように形成して
なり、ノズル翼の高さをｈとし、ノズル翼の両接
合端部における直線状にして傾斜させた上記後縁
線のタービンの回転中心を通る基準線に対する傾
斜角をθ_r，θ_tとし、また上記ノズル翼の両接合端
部における直線状にして傾斜させた上記後縁線の
高さをl_r，l_tとするとき、 2.5゜≦θ_rおよびθ_t≦25゜ 0.05≦l_r／ｈおよびl_t／ｈ≦0.35 の関係式を満たすように構成することを特徴とす
る。

（作用） 上記構成のタービンノズルによれば、ノズル翼
の両接合端部における後縁線を直線状に形成し、
かつ上記後縁線がタービンの回転中心を通る基準
線に対して、ノズル翼の腹面方向に傾斜している
ため、ダイヤフラム内輪の周壁面近傍に流入した
作動流体はダイヤフラム内輪側の周壁面に押圧さ
れる一方、ダイヤフラム外輪の周壁面近傍に流入
した作動流体はダイヤフラム外輪側の周壁面に押
圧される。そのため両周壁面における境界層の発
達が効果的に抑制され、さらに二次流れによつて
各ノズル翼の背面側に発生する二次渦の成長が抑
止される。

また各ノズル翼の中間部における後縁線は腹面
方向に彎曲するように形成しているため、両接合
端部から翼長方向の中間部に平行に分布する作動
流体の流線は、滑らかに変化し、大きな撹拌が生
じることがない。そのため作動流体が動翼に流入
した場合においても、動翼間における損失が少な
い。

上記のように本発明によれば各ノズル翼の両接
合端部における二次損失が低減され、また動翼間
における損失も少ないため、タービン効率を大幅
に向上させることができる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について、添付図面第１
図〜第６図を参照して説明する。第１図は本発明
に係るタービンノズルの構造を示す傾斜図であ
り、ノズル出口側より観察した例を示す。また第
２図は、ノズル翼１の形状を示すものでノズル出
口側より見た図であり、第７図に示す従来例と同
一要素には同一符号を付してその説明は省略す
る。

本実施例に係るタービンノズルは、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に複数のノズル翼１ａを周方向に
所定間隔をおいて列状に配設して構成する。各ノ
ズル翼１ａのチツプ側およびルート側の接合端は
それぞれダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪
３とに接合されている。

各ノズル翼１ａは第２図に示すように、その両
接合端部における後縁線α₁，α₂が直線状に形成さ
れ、かつ上記後縁線α₁，α₂がタービンの回転中心
を通る基準線Ｅに対して、それぞれ角度θ_r，θ_tだ
けノズル翼１ａの腹面方向に傾斜するように接合
端が接合されている。またノズル翼１ａの中間部
における後縁線α₃は傾斜部の両後縁線α₁，α₂に滑
らかに接続し、腹面方向に彎曲するように形成さ
れる。

またノズル翼１ａの傾斜した接合端部の高さ
l_r，l_tはノズル翼１ａの全高ｈに対して0.05〜
0.35hの範囲に設定される。

また接合端部の傾斜角度θ_r，θ_tは基準線Ｅに対
して2.5〜25度に設定される。

本実施例に係るタービンノズルにおいて、ダイ
ヤフラム外輪２側の傾斜部に流入した作動流体
は、傾斜したノズル翼１ａの腹面Ｆに沿つて流
れ、ダイヤフラム外輪２の周壁面に押圧される。
そのため周壁面における境界層の発達が抑止さ
れ、二次渦の発生が防止される。

一方、ダイヤフラム内輪３側の傾斜部に流入し
た作動流体は同様にダイヤフラム内輪３の周壁面
に押圧されるため、周壁面における境界層の発達
が抑止され該部における二次渦による損失が低減
される。

またノズル翼１ａの中間部においては、その後
縁線α₃が腹面方向に滑らかな彎曲形状を呈するよ
うに形成されているため、作動流体主流の流線が
大きく撹拌されることがなく、作動流体の動翼５
間における混合損失も抑制される。

その結果、ノズル翼１ａ全体における損失が低
減され、タービン効率を大幅に向上させることが
できる。

さらに第３図を参照して、損失の低減効果を説
明する。第３図は第１図に示すタービンノズルの
出口部における全圧損失の分布を従来例と比較し
て示すグラフである。第７図に示す従来のタービ
ンノズルの全圧損失と比較すると、本実施例によ
ればノズル翼１ａの中間部領域における圧力損失
分布はほぼ近似している。一方、ノズル翼１ａの
ルート側およびチツプ側の両接合端部における圧
力損失は従来例と比較して著しく低減されてい
る。

また第４図を参照して本実施例のタービンノズ
ルを流れる作動流体の流線変化を説明する。第４
図は子午平面から観察したタービン段落の流線図
である。破線で示す従来例のタービンノズルにお
ける流線はほぼ平行に形成され、半径方向への偏
位は観察されない。

一方実線で示す本実施例のタービンノズルにお
ける流線Ｋはダイヤフラム外輪２およびダイヤフ
ラム内輪３近傍においてやや半径方向に偏位して
いる。この偏位はノズル翼１ａの両接合端部を傾
斜して構成したことによつて、作動流体がそれぞ
れ周壁面に押圧されるためである。この押圧力に
よつて周壁面における境界層の発達が抑止され、
二次渦の生成が防止される。

また、ノズル翼１ａの中間部を通過する作動流
体の流線Ｋは、ノズル翼１ａ中間部の後縁線が滑
らかに彎曲形成されているため、大きな撹乱が発
生せず、従来例とほぼ近似している。従つて、動
翼５間に流路においても作動流体の混合による損
失が少ない。

次に、ノズル翼１ａの傾斜部分の高さl_r，l_tお
よび傾斜角度θ_r，θ_tを変化させた場合に、タービ
ン段落効率ηに及ぼす影響について説明する。第
５図は、ノズル翼１ａの傾斜部の傾斜角度θ_r，θ_t
と、タービン段落効率ηとの関係を示すグラフで
あり、縦軸には、第７図に示す従来例のタービン
ノズルを使用した場合のタービン段落効率η₀に対
する本実施例によるタービン段落効率η₁の比
（η₁／η₀）を表示する。第５図から傾斜角度θ_r，θ_t
が 2.5〜25度の範囲においてタービン段落効率比が
1.0を越え、従来例より優れた効果を発揮するこ
とが判明する。このように、傾斜角度θ_r，θ_tに従
来技術よりも段落効率が優位になる最適範囲が存
在するのは、傾斜角度θ_r，θ_tが大きくなりすぎる
とノズル出口周壁面における損失が低減する反
面、その周壁面近傍の作動流体の流量が増加し、
本来性能の良い翼中央部付近の流量が減少し、全
体の段落効率としては、むしろ低下することがそ
の一因といえる。

また第６図はノズル翼１ａの傾斜部の高さl_r，
l_tとタービン段階効率η₁との関係を従来例と比較
して示すグラフであり、横軸にはノズル翼１ａの
全高ｈに対する傾斜部高さl_r，l_tの比（l_r／ｈ，
l_t／ｈ）で表わした無次元値を表示する一方、縦
軸には従来例によるタービン段落効率η₀に対する
本実施例によるタービン段落効率η₁との比（η₁／η₀
） を表示する。

第６図から、傾斜部の高さl_r，l_tをノズル翼１
ａの全高ｈに対して0.05〜0.35hの範囲に設定す
ると、従来例と比較してタービン段落効率η₁が改
善されることが実証される。このように、傾斜部
の高さl_r，l_tに従来技術よりも段落効率が優位に
なる最適範囲が存在するのは、傾斜部の高さl_r，
l_tが大きくなりすぎると、翼中央部付近の彎曲部
の曲率が小さくなるため、ノズル翼形状の急激な
変化による諸損失が増加するといえる。

なお、第２図に示すようにノズル翼１ａの傾斜
部の高さl_r，l_tおよび傾斜角度θ_r，θ_tは必ずしも両
接合端部において、同一値である必要はなく、
2.5゜≦θ_r，θ≦25゜および0.05≦l_r／ｈ，l_t／ｈ≦0.
35の 範囲にあれば作動流体の流量分布特性等を勘案し
て、相互に異なる値を設定してもよい。

また第２図においては、各ノズル翼１ａの後縁
線α₁，α₂が基準線Ｅとダイヤフラム内外輪２，３
との交点を起点として接合されているが、内輪側
と外輪側とで異なる基準線との交点を起点として
もよい。

以上説明の通り本実施例のタービンノズルによ
れば、両接合端部におけるノズル翼１ａの後縁線
α₁，α₂を直線状に形成し、かつ上記後縁線α₁，α₂
が基準線に対してノズル翼１ａの腹面Ｆ方向に傾
斜しているため、環状流路４の周壁面近傍に流入
した作動流体は、傾斜した腹面Ｆに沿つて案内さ
れ周壁面方向に押圧される。そのため両周壁面に
おける境界層の発達が効果的に抑止され、さらに
二次流れによつて各ノズル翼１ａの背面側に発生
する二次渦９ａ，９ｂの成長が抑止されるため、
作動流体のタービンノズルにおける損失が低下す
る。

特に、ノズル翼１ａの傾斜部の傾斜角度θ_r，θ_t
が2.5〜25度の範囲に設定され、また傾斜部の高
さl_r，l_tが翼１ａの全高ｈに対して0.05〜0.35hの
範囲に設定された場合にタービン段落効率の改善
度が顕著となる。

また各ノズル翼１ａの中間部における後縁線α₃
を腹面方向に滑らかに彎曲形成しているため、作
動流体の流線は大きな撹乱作用を受けない。その
ため、作動流体が動翼５内に流入した場合におい
ても、損失が少ない。すなわちタービン段落全体
における損失が低減されるため、タービン効率を
大幅に改善することができる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係るタービンノズル
によれば各ノズル翼の両接合端部がノズル翼の腹
面方向に傾斜して構成されているため、周壁面近
傍に流入した作動流体は、それぞれダイヤフラム
内外輪側の周壁面方向に押圧される。そのため周
壁面における境界層の発達が阻止され、二次流れ
および二次渦の発生が効果的に抑止される。

またノズル翼の中間部における後縁線が腹面方
向に彎曲するように形成されているため、作動流
体の流線は撹乱されることが少なく、動翼間流路
における作動流体の損失も少ない。すなわちター
ビン段階全体における損失を大幅に低減すること
ができるため、タービン効率を大幅に向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るタービンノズルの一実施
例を示す傾斜図、第２図は本発明に係るタービン
ノズルのノズル出口側より観察したノズル翼の形
状を示す図、第３図は本実施例のタービンノズル
の全圧損失分布を従来例と比較して示すグラフ、
第４図は本実施例のタービンノズルにおける作動
流体の流線を従来例と比較して示す断面図、第５
図はノズル翼の傾斜角度とタービン段落効率比と
の関係を示すグラフ、第６図はノズル翼の傾斜部
の高さとタービン段落効率比との関係を示すグラ
フ、第７図は従来のタービンノズルの構造を示す
斜視図、第８図ａは境界層制御棒を配設した従来
のタービンノズルを示す断面図、第８図ｂは第８
図ａに示すタービンノズルにおける作動流体の速
度分布を示す断面図、第９図はノズル翼接合部に
連通孔を設けた従来のタービンノズルを示す平断
面図、第１０図はノズル翼間に邪魔板を設けた従
来のタービンノズルを示す平断面図である。 １，１ａ……ノズル翼、２……ダイヤフラム外
輪、３……ダイヤフラム内輪、４……環状流路、
５……動翼、６……ロータデイスク、７……シユ
ラウド、８……二次流れ、９，９ａ，９ｂ……二
次渦、１０……境界層制御棒、１１……吸込孔、
１２……吹出孔、１３……連通孔、１４……邪魔
板、Ｂ……背面、Ｆ……腹面、Ｇ……作動流体の
速度分布、Ｅ……タービンの回転中心を通る基準
線、Ｋ……流線、α₁，α₂，α₃……後縁線、ｈ……
ノズル翼全高、θ_r，θ_t……傾斜角度、l_r，l_t……傾
斜部高さ、η，η₀，η₁……タービン段落効率。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 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の周方向に複数のノズル翼
   を列状に配設し、各ノズル翼をダイヤフラム内輪
   側の接合端およびダイヤフラム輪側の接合端にお
   いて固定して構成したタービンノズルにおいて、
   ノズル翼の両接合端部における後縁線を直線状に
   形成し、かつ上記後縁線がタービンの回転中心を
   通る基準線に対してノズル翼の腹面方向に傾斜す
   るように接合端を接合するとともに、ノズル翼の
   中間部における後縁線は腹面方向に彎曲するよう
   に形成してなり、ノズル翼の高さをｈとし、ノズ
   ル翼の両接合端部における直線状にして傾斜させ
   た上記後縁線のタービンの回転中心を通る基準線
   に対する傾斜角度をθ_r，θ_tとし、また上記ノズル
   翼の両接合端部における直線状にして傾斜させた
   上記後縁線の高さをl_r，l_tとするとき、 2.5゜≦θ_rおよびθ_t≦25゜ 0.05≦l_r／ｈおよびl_t／ｈ≦0.35 の関係式を満たすように構成することを特徴とす
   るタービンノズル。