(57)【要約】【課題】簡単な構造で、段落効率を低下させずに、ある特定の静翼通過周波数で動翼に作用する励振力を低減し、静翼通過周波数と動翼固有振動数が一致した場合でも共振応答を小さくできる軸流ターボ機械の静翼構造を提供する。【解決手段】ロータ５と、該ロータの外周側に設けられたダイアフラム外輪１と、該ダイアフラム外輪１の内周側に固定された静翼３と、静翼３の作動流体流れ方向下流側でロータ５に固定された動翼４とを備える軸流ターボ機械であって、ダイアフラム外輪１は、作動流体の一部を、静翼３をバイパスしてダイアフラム外輪１の内周側壁面８の静翼後縁部下流から作動流体の静翼流出方向に向かって主流中に吹き出させる流路を備えることを特徴とする軸流ターボ機械。【選択図】図３
2014047692.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、該ロータの外周側に設けられた円環状構造体と、該円環状構造体の内周側に固定された静翼と、該静翼の作動流体流れ方向下流側でロータに固定された動翼とを備える軸流ターボ機械であって、
前記円環状構造体は、作動流体の一部を、前記静翼をバイパスして円環状構造体の内周側壁面の静翼後縁部下流から作動流体の静翼流出方向に向かって作動流体主流中に吹き出させる流路を備えることを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項２】
請求項１に記載の軸流ターボ機械であって、
前記流路は、前記静翼上流側に設けられ、作動流体主流の一部を吸込む吸込部と、
前記静翼の下流側に設けられ、吸込部で吸込んだ作動流体を作動流体主流に吹き出す
吹出部と、
前記吸込部で導入した作動流体を前記静翼をバイパスして前記吹出部に導くバイパス流路とを有し、
前記吸込部は、前記円環状構造体の上流側壁面に開口する吸込孔を有することを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項３】
請求項１に記載の軸流ターボ機械であって、
前記流路は、前記静翼上流側に設けられ、作動流体主流の一部を吸込む吸込部と、
前記静翼の下流側に設けられ、吸込部で吸込んだ作動流体を作動流体主流に吹き出す
吹出部と、
前記吸込部で導入した作動流体を前記静翼をバイパスして前記吹出部に導くバイパス流路とを有し、
前記吸込部は、前記円環状構造体の内周壁面の静翼前縁部上流側に開口する複数の吸込孔を有することを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の軸流ターボ機械であって、
前記吹出部は、前記円環状構造体と別体として設けられていることを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項５】
請求項１に記載の軸流ターボ機械であって、
前記流路は、前記円環状構造体の上流側壁面に設けられ、作動流体主流の一部を吸込む吸込孔と、
前記円環状構造体の内周壁面の前記静翼後縁部下流に設けられ、吸込部で吸込んだ作動流体を作動流体主流に吹き出す吹出孔と、
前記吸込孔で導入した作動流体を前記静翼をバイパスして前記吹出孔に導くバイパス流路とを有し、
前記吸込孔、前記吹出孔、およびバイパス流路は、前記円環状構造体を貫通させた貫通孔で構成されていることを特徴とする軸流ターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸流ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流ターボ機械は、静翼と、静翼の下流側に配置された動翼からなる段落で構成された構造となっている。
【０００３】
静翼の上流側から流入した作動流体は、静翼間を通過して、所定の流出角で動翼上流側へと流れる。その際に、静翼後縁より下流の領域では、静翼の翼面で発達した境界層の影響により、作動流体の速度が遅い領域いわゆる静翼後流が形成される。
【０００４】
静翼後流の数は後流を形成する静翼本数と一致するため、動翼がタービン軸周りを一周する間に、動翼の上流側にある静翼本数分だけ静翼後流を通過することになる。このとき動翼は、回転周波数と静翼本数との積で表される静翼通過周波数の流体励振力によって励振される。
【０００５】
静翼通過周波数と動翼固有振動数が一致した場合、共振により動翼に過大な変動応力が発生し、動翼が疲労破壊する可能性がある。従来では、かかる動翼の疲労破壊を防止するため、定格回転速度における静翼通過周波数と動翼固有振動数を離調させる設計を行う場合がある。
【０００６】
離調設計では、静翼本数の調整により静翼通過周波数を変更して、動翼固有振動数と一致しないようにするため、設計時に選択できる静翼本数が限定されるといった問題がある。
【０００７】
また、静翼通過周波数と動翼固有振動数が一致した場合でも、動翼が疲労破壊しないように、充分な耐振強度を有した動翼を採用するため、翼幅の増大による材料費の増大や性能向上の妨げになるといった問題がある。
【０００８】
以上のように、軸流ターボ機械の段落設計において、静翼通過周波数で動翼に作用する励振力が、材料費の増大や性能向上の妨げになるため、励振力の要因となる静翼後流すなわち速度欠損を低減することが望まれている。
【０００９】
本技術分野の従来技術として、特開２００７−２７８１８７号公報（特許文献１）がある。この公報には、翼の上流側から下流側に流れる流体の一部が流体流路を介して速度欠損領域に噴出される。このため、後流を弱めることができ騒音及び振動を低減させることが可能となると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−２７８１８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
一般的な蒸気タービンは、静翼と、静翼の下流側に配置された動翼からなる段落が、軸流方向に複数並んだ構造となっており、動翼に流入する流れは、静翼を通過した流れとなるため、静翼を通過する際に生じる速度欠損を含んだ流れが動翼に流入する。
【００１２】
そのため、速度欠損が大きい場合、動翼に流入する流れの速度変動が大きくなり、動翼に作用する励振力が増大する一因となるため、速度欠損を低減する必要がある。
【００１３】
前記特許文献１では、速度欠損領域に流体を噴出するための流体流路が翼の正圧面から負圧面あるいは後縁に導通され形成されていることを特徴とすると記載されている。
【００１４】
しかしながら、速度欠損領域へ噴出する流れを翼の正圧面から吸い込む構造では、翼面上に吸い込み孔を設置しなければならず、吸い込み孔周りの流れ場が乱れて、吸い込み孔が無い構造に比べて効率が低下する可能性がある。
【００１５】
また、一般的な蒸気タービンの高中圧段では、作動流体の圧力が高く、高強度の翼が採用されている。そのため、前記特許文献１に示してあるように、翼面に複数の孔を設置する構造では、クラックなどの問題が生じる可能性があり強度上好ましくないため、より高強度の翼を採用する必要があり、材料費の増大や性能向上の妨げになるといった可能性がある。
【００１６】
そこで本発明は、翼面に吸い込み孔を設置しない簡単な構造で、静翼後流の速度欠損を回復させ、ある特定の静翼通過周波数で動翼に作用する静翼後流に起因する励振力を低減し、静翼通過周波数と動翼固有振動数が一致した場合でも共振応答を小さくできる軸流ターボ機械の静翼構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明は、ロータと、該ロータの外周側に設けられた円環状構造体と、該円環状構造体の内周側に固定された静翼と、該静翼の作動流体流れ方向下流側でロータに固定された動翼とを備える軸流ターボ機械において、円環状構造体は、作動流体の一部を、静翼をバイパスして円環状構造体の内周側壁面の静翼後縁部下流から作動流体の静翼流出方向に向かって作動流体主流中に吹き出させる流路を備える。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、簡単な構造で、静翼下流側に形成される静翼後流の速度欠損を回復できるため、静翼通過周波数で動翼に作用する速度欠損に起因する励振力を低減し、静翼通過周波数と動翼固有振動数が一致した場合でも共振応答を小さくできる軸流ターボ機械の静翼構造を提供することができる。
【００１９】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】蒸気タービンの段落構造の例である。
【図２】蒸気タービンの静翼列を径方向から見た展開図の例である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る段落構造を示す図である。
【図４】図３に示した吹き出し部の構造を説明する図である。
【図５】本発明の作用について説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係る段落構造を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係る段落構造を示す図である。
【図８】図７に示した吸い込み部の構造を説明する図である。
【図９】図８に示した吸い込み部を応用した一例を示す図である。
【図１０】図８に示した吸い込み部を応用した他の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は、軸流ターボ機械の一例として蒸気タービンに本発明を適用した例であるが、本発明は、蒸気タービンに限らず、ガスタービンや圧縮機の段落構造にも適用可能である。
【実施例１】
【００２２】
本発明の第１の実施例について説明する。まず初めに、本発明が適用される蒸気タービンの一例について説明する。
【００２３】
図１は、軸流ターボ機械の一例である蒸気タービンの段落構造の例である。図１において、１はダイアフラム外輪、２はダイアフラム内輪、３は静翼、４は動翼、５はロータ、６はシュラウドカバー、７はロータ５の中心軸、２０で示した矢印は作動流体である蒸気の主流方向を各々示す。なお、方向の定義として、図面左から右に向かって軸方向、下から上に向かって径方向、紙面手前から奥に向かって周方向となっている。
【００２４】
一般的な蒸気タービンは、円環状に組み立てられた円環状構造体であるダイアフラム外輪１とダイアフラム内輪２との間に、周方向に複数枚の静翼３を固定して環状流路を形成する静翼列と、静翼列の主流の流れ方向下流側に、回転体であるロータ５のディスク部に周方向に複数枚の動翼４を固定して形成される動翼列とを一列ずつ組み合わせた段落が、軸流方向に複数並んだ構造となっている。なお、動翼４の外周側は、一般的にシュラウドカバー６が設けられ、隣接する翼同士がシュラウドカバー６により連結されている。また、ダイアフラム外輪１は外周側をケーシング（図示せず）に固定されている。蒸気タービンのなかにはダイアフラム外輪１を有しない場合もあるが、その場合においても円環状構造体としてのケーシング等によって静翼３が支持される。
【００２５】
静翼３は、静翼３の流れ方向上流側より流入する蒸気主流を整流し、圧力を速度に変換する役割を果たしており、静翼３を通過した主流のエネルギは、動翼４によって回転エネルギに変換され、ロータ５を回転させる。ロータ５は図示しない発電機に連結されており、発電機を回転させることによって発電する。
【００２６】
図２は、蒸気タービンの静翼列を径方向から見た展開図の例である。図２では、軸方向上流側より流入した主流が、前記静翼列より所定の角度で流出するように、静翼３は全周３６０°に渡って周方向に均一に配置されている。つまり、各静翼３の下流側に形成される速度の遅い領域である静翼後流２１も、全周に渡って静翼列の配置間隔で動翼４に流入する。
【００２７】
ここで、静翼後流２１の速度欠損が小さい場合には速度変動が小さくなるため、動翼に流入する主流の速度変動も小さくなる。つまり、主流の速度変動に起因する動翼に作用する励振力も小さくなる。この速度変動の周波数は、静翼後流２１を通過する周波数つまり静翼通過周波数であるため、速度欠損を小さくすることで静翼通過周波数の励振力を低減できるといえる。
【００２８】
そこで、静翼通過周波数での励振力を低減できる、本実施例に係る蒸気タービンの段落構造について以下に説明する。
【００２９】
図３は、本実施例の段落構造を示す例である。図３に示すように、本実施例はダイアフラム外輪１に、内周側壁面８の静翼後縁部下流から、作動流体である蒸気の一部を蒸気主流の静翼流出方向に向かって蒸気主流中に吹き出させる流路を備える。この流路は、ダイアフラム外輪１の作動流体流れ方向上流側を向いた上流側壁面９に設けた吸い込み孔１１と、ダイアフラム外輪１の内周側壁面８の静翼後縁部下流に設置した吹き出し孔１３と、吸い込み孔１１より取り込んだ主流の一部である吸い込み流れ２２を、静翼３をバイパスして吹き出し流れ２３として吹き出し孔へ導くバイパス流路１０とからなる。
【００３０】
ここで、ダイアフラム外輪１に吸い込み孔１１を設置して流れを吸い込む構造の方が、静翼３の翼面上から流れを吸い込む構造に比べて、静翼３周りの流れ場を乱さないため、効率が低下しないといった利点がある。
【００３１】
吹き出し孔１３より吹き出す流れ２３は、速度欠損を効率良く回復させるため、前記静翼列より下流側へ流出する主流、または前記静翼列に起因する下流側の速度欠損領域の方向と同方向に吹き出す方が望ましい。しかしながら、必ずしも同方向とせずとも、静翼３の流出角±５°以内の角度で吹き出せば良い。
【００３２】
また、図３に示すように吹き出し孔１３の設置位置は、ダイアフラム外輪１の内周側の流路に接した内周側壁面８で、且つ静翼３の後縁より下流側に設置することが望ましい。これは、静翼３の後縁より上流側に設置すると、速度欠損領域でない主流に流れを吹き出すことになり、主流が乱れて効率低下の要因となる可能性があるためである。
【００３３】
さらに、吹き出し孔１３の設置位置は、静翼３の後縁に近い位置であることが望ましい。これは、静翼３の後縁より下流側に向かうにつれ、速度欠損領域の幅が広がるため、速度欠損領域の幅が小さい静翼３の後縁に近い領域で流れを吹き出した方が、効率よく速度欠損を回復できるためである。
【００３４】
バイパス流路１０は、製造上できるだけ直線であることが望ましいため、吸い込み孔１１より吹き出し部１２までをダイアフラム外輪１内で貫通させ、吹き出し部１２はダイアフラム外輪１とは別構造としている。
【００３５】
図４に示すように吹き出し部１２は、ダイアフラム外輪１とは別体で構成され、ダイアフラム外輪１の内周側壁面８の各静翼後縁部の下流に取り付けられる。吹き出し部１２は、バイパス流路１０に接続するバイパス接続孔１６と、バイパス接続孔１６よりも半径方向内周側に位置し、主流に面する壁面に設けられた吹き出し孔１３と、バイパス接続孔１６と吹き出し孔１３とを結び、バイパス接続孔１６を通過した蒸気を下方の吹き出し孔１３に向かってに噴出させる流路を内部に有する。なお、図４に示すように、別構造である吹き出し部１２とバイパス流路１０の接続を容易にするため、吹き出し部１２のバイパス流路接続部１６は、バイパス流路１０よりも大きい取り込み口となることが望ましい。
【００３６】
吸い込み孔１１、バイパス流路１０、および吹き出し部１２内の流路は、吹き出し部１２をダイアフラム外輪１に取り付けた際、半径方向からみて吸い込み孔１１からバイパス流路１０、吹き出し孔１３まで、静翼流出角に沿って傾斜した直線状流路を構成するように形成する。またバイパス流路１０はタービン軸に平行に沿って形成し、吹き出し部12内の流路で下方に傾斜させる。
【００３７】
このように吹き出し部１２を別構造とすることで、バイパス流路１０から吹き出し孔１３への流路の接続を容易にしている。
【００３８】
以上のように、本実施例では、吹き出し部１２をダイアフラム外輪１とは別構造としているが、バイパス流路１０と吹き出し孔１３を容易に貫通できる場合には、吹き出し部１２をダイアフラム外輪１と別構造にする必要はなく、一体構造で製造しても良い。
【００３９】
図５は、本実施例の作用について説明した図である。本実施例の静翼構造では、ダイアフラム外輪１に固定した静翼３の下流側に設置した吹き出し孔１３より流れが吹き出す構造であるため、図５に示すように、静翼３の下流側に形成される静翼後流２１の先端側で、静翼後流２１と吹き出し流れ２３が混合するため、静翼後流２１の速度欠損が回復する。
【００４０】
つまり、本実施例では、静翼３の下流側に設置される動翼４へ流入する静翼後流２１において、静翼後流２１の速度欠損が小さくなるため速度変動が抑制され、速度変動に起因する励振力も小さくなる。
【００４１】
よって、本実施例により、静翼通過周波数で動翼４に作用する速度変動に起因する励振力が小さくなり、共振応答も低減できるといった効果がある。
【００４２】
また、動翼は根元で固定されているため、翼に作用する力のモーメントは、根元側と先端側に同じ大きさの励振力が作用した場合は、先端側の方が大きくなり振動応力に大きく影響する。本実施例のダイアフラム外輪１の内周側壁面８から吹き出す構造では、主に翼先端部の速度欠損を低減でき、翼先端側における速度欠損の低減効果が得られれば、振動低減効果は充分に期待できる。
【００４３】
また従来技術のように、翼内部から吹き出す構造では、翼構造が複雑になるだけでなく、翼内部に空洞が多くなるので翼強度が低下する可能性があり、結局、頑丈な翼を採用しなければならず、励振力も大きくなるおそれがある。一方、本実施例によれば、翼内部を通す構造ではないので、従来の翼を使用することができ、簡単な構造で容易に製造することができる。
【実施例２】
【００４４】
次に本発明の第２の実施例について説明する。図６は、吸い込み孔１１と吹き出し孔１３をバイパス流路１０で貫通させた構造の例を示す図である。ここで、先に第１の実施例で説明した構成と同等の構成については同一の符号を付して説明を省略し、先に説明した実施例と異なる箇所について説明をする。
【００４５】
図６では、静翼下流側の静翼ダイアフラム外輪１に設置した吹き出し孔１３より吹き出し流れ２３を主流部へ吹き出す構造となっているため、先に説明した実施例と同様の効果が得られる。
【００４６】
しかし、実施例１と異なる点は、バイパス流路１０を吸い込み孔１１から吹き出し孔１３に向かって、半径方向外周側から内周側に向かって貫通させた構造となっている点である。
【００４７】
実施例１では、バイパス流路１０と吹き出し部１２を別構造とすることで、バイパス流路から主流部への接続を容易に製造できる構造としたが、本実施例では、吸い込み孔１１から吹き出し孔１３までバイパス流路１０を貫通させているため、前記吹き出し部１２を別構造にする必要はなく、実施例１に比較して、さらに容易に製造できるといった利点がある。
【実施例３】
【００４８】
次に本発明の第３の実施例について説明する。図７は、吸い込み部１４を多孔板１５とした構造の例を示す図である。ここで、先に実施例で説明した構成と同等の構成については同一の符号を付して説明を省略し、先に説明した実施例と異なる箇所について説明をする。
【００４９】
図７では、静翼下流側のダイアフラム外輪１に設置した吹き出し孔１３より流れを主流部へ吹き出す構造となっているため、先に説明した実施例と同様の効果が得られる。
【００５０】
しかし、先の実施例と異なる点は、吸い込み流れ２２を取り込む位置が、ダイアフラム外輪１の上流側を向いた面ではなく、ダイアフラム外輪１の内周側の静翼３より上流の流路に接した面に設置した構造となっている点である。
【００５１】
ここで、吸い込み孔１１と吹き出し孔１３をバイパス流路１０で容易に接続できるようにするため、本実施例ではバイパス流路１０と吸込み部１４および吹き出し部１２を別構造としている。吹き出し部１２は実施例１と同様の構造を採用すれば良いが、実施例１で前述したが、バイパス流路１０と吹き出し孔１３を容易に貫通できる場合には、吹き出し部１２を静翼ダイアフラムと別構造にする必要はなく、一体構造で製造しても良い。なお、図７に図示した例では、吹き出し構造１２をダイアフラム外輪１と一体構造とした例を示している。
【００５２】
吸い込み部１４の構造は、図８に示したように実施例１のダイアフラム外輪１の上流側を向いた面に吸い込み孔１１を設置した構造と違い、ダイアフラム外輪１の内周側壁面８に凹部を形成して吸い込み部１４を設けている。吸い込み部１４に主流に接するように多孔板１５を設置し、吸い込み部１４に主流の一部が取り込まれる空洞部が形成される構造となっている。吸い込み部１４の設置位置は、静翼３の前縁部の上流側近傍付近にする。
【００５３】
多孔板１５には複数の吸い込み孔１１を設置し、吸い込み孔１１より吸い込み部１４内に流れを取り込み、バイパス流路接続部１７より、バイパス流路１０を介して、吹き出し孔１３に導き、流れを静翼３をバイパスして主流に吹き出す構造となる。
【００５４】
本実施例では、先の実施例に比較して、吸い込み部１４に多孔板１５を用いて、吸込み孔１１の位置をダイアフラム外輪１の上流側から主流部側にすることで、静翼３上流側のダイアフラム外輪１の壁面で発達した境界層を吸い込むことができ、静翼３へと流入する圧力損失が低減されるため、効率が向上するといった利点がある。
【００５５】
図９は、図８に示した吸い込み部１４を応用した一例を示す図である。図９では、吹き出し孔１３の設置位置が、静翼下流側のダイアフラム外輪１の内周側の流路に接した面に設置した先の実施例とは異なり、静翼３の後縁に設置した構造となっている。
【００５６】
図１０は、吸い込み部１４の設置位置をダイアフラム内輪２とした静翼構造の例を示す図である。先の実施例とは異なり、吸い込み部１４の設置位置をダイアフラム内輪２としているため、静翼３上流側のダイアフラム内輪２の壁面で発達した境界層を吸い込むことができ、静翼３の根元側の圧力損失を低減できるといった利点がある。
【００５７】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、実施例１の図３では、吸い込み孔１１がダイアフラム外輪１の上流側を向いた面に設置されているが、必ずしもダイアフラム外輪１に設置する必要はなく、ダイアフラム内輪２の上流側を向いた面に設置しても構わない。要は静翼３の下流側に形成される静翼後流２１に流れを吹き出す構造であれば効果がある。
【００５８】
また、本発明の実施例では、ダイアフラム構造の蒸気タービンを例として説明したが、本発明はダイアフラム構造の蒸気タービンに限定されるものではなく、例えば組み立て式静翼の構造でも同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５９】
１  ダイアフラム外輪
２  ダイアフラム内輪
３  静翼
４  動翼
５  ロータ
６  シュラウドカバー
７  ロータ中心軸
８  内周側壁面
１０  バイパス流路
１１  吸い込み孔
１２  吹き出し部
１３  吹き出し孔
１４  吸い込み部
１５  多孔板
１６  バイパス接続部
２１  静翼後流
２２  吸い込み流れ
２３  吹き出し流れ
【図１】
2014047692.tif 000003
【図２】
2014047692.tif 000004
【図３】
2014047692.tif 000005
【図４】
2014047692.tif 000006
【図５】
2014047692.tif 000007
【図６】
2014047692.tif 000008
【図７】
2014047692.tif 000009
【図８】
2014047692.tif 000010
【図９】
2014047692.tif 000011
【図１０】
2014047692.tif 000012