(57)【要約】【課題】隣接する翼から流れてくるパッセージ渦の翼高さ方向への拡がりを抑制し、低損失領域にして翼を高効率で運転させる軸流タービンを提供する。【解決手段】本発明に係る軸流タービンは、タービン翼の翼体２０の背側２１中間位置から後縁２５に向って拡開状に形成した窪み２４を備えた。【選択図】  図１
2006329133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン軸の周方向に沿って配置したタービン静翼とタービン動翼とからなるタービン翼でタービン段落を構成し、このタービン段落を前記タービン軸の軸方向に向って複数段に形成した軸流タービンにおいて、前記タービン翼の背側中間位置から後縁に向って拡開状に形成した窪みを備えたことを特徴とする軸流タービン。
【請求項２】
拡開状に形成した窪みは、タービン翼としてのタービン静翼およびタービン動翼のうち、少なくともいずれか一方に備えたことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項３】
拡開状に形成した窪みは、タービン翼の翼根元部側および翼頂部側のうち、少なくともいずれか一方に備えたことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項４】
拡開状に形成した窪みは、その開始位置を、前縁を基準ゼロとし、後縁までの翼コード長を１とする翼面無次元長さで０．２〜０．８の範囲内に設定したことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項５】
拡開状に形成した窪みは、その開始位置を、一方の翼体と隣接する他方の翼体とのスロートをＳＴとし、翼体の翼コード長をＬとするとき、ＳＴ±０．２×Ｌの位置に設定したことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項６】
拡開状に形成した窪みは、その最大拡開幅を翼コード長以下に設定したことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項７】
拡開状に形成した窪みは、窪み開始位置から後縁に向って拡開させた後、翼コード長以下を最大拡開幅として一定値を維持させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項８】
拡開状に形成した窪みは、その深さを、窪み開始位置から徐々に深くし、深さ極大値になった後、後縁に向って徐々に浅く形成したことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項９】
窪みの深さの極大値は、翼最大厚みの５０％以下に設定したことを特徴とする請求項８記載の軸流タービン。
【請求項１０】
窪み深さの極大値は、翼根元部側および翼頂部側のうち、少なくともいずれか一方の翼端側であることを特徴とする請求項８記載の軸流タービン。
【請求項１１】
タービン軸の周方向に沿って配置したタービン静翼とタービン動翼とからなるタービン翼でタービン段落を構成し、このタービン段落を前記タービン軸の軸方向に向って複数段に形成した軸流タービンにおいて、前記タービン翼は、翼体の翼根元部から任意の翼高さまで前記タービン軸を通るラジアル線に対し、腹側方向に直線を傾斜させ、任意の翼高さから翼体の翼頂部まで前記ラジアル線に対し、腹側に向って凸なる湾曲を形成するとともに、背側の翼根元部側および翼頂部側のうち、少なくともいずれか一方に後縁に向って拡開状の窪みを備えたことを特徴とする軸流タービン。
【請求項１２】
タービン軸の周方向に沿って配置したタービン静翼とタービン動翼とからなるタービン翼でタービン段落を構成し、このタービン段落を前記タービン軸の軸方向に向って複数段に形成した軸流タービンにおいて、前記タービン翼は、翼体の前縁にフィレットを設けるとともに、背側の翼根元部側および翼頂部側のうち、少なくともいずか一方に後縁に向って拡開状の窪みを備えたことを特徴とする軸流タービン。
【請求項１３】
翼体の前縁に設けたフィレットは、上流に向って突き出た隆起状に形成したことを特徴とする請求項１２記載の軸流タービン。
【請求項１４】
翼体の前縁に設けたフィレットは、翼根元部側および翼頂部側のうち、いずれか一方に備えたことを特徴とする請求項１２記載の軸流タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸流タービンに係り、特にタービン段落を構成するタービン静翼およびタービン動翼の翼型に対して改良を加えた軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流タービンは、タービン静翼（タービンノズル）とタービン動翼を組み合せたタービン段落とタービン軸（タービンロータ）の軸方向に沿って複数にして配置し、タービン軸の軸方向に向って配置したタービン段落に作動流体を流して膨張仕事をさせる動力機械である。
【０００３】
この動力機械である軸流タービンは、発電プラントに適用されることが多い。
【０００４】
発電プラントに適用される最近の軸流タービンは、環境問題や省エネルギの観点から信頼性の強化および高タービン効率の強化が課題になっている。
【０００５】
また、軸流タービンは、製造時に発生する材料資源の低減化、製造時のエネルギの省力化等の環境負荷の低減化も課題になっている。
【０００６】
このような社会の要請の中、従来の軸流タービン、例えば蒸気タービンは、図７に示すように、ダイアフラム外輪１とダイアフラム内輪２とに支持されたタービン静翼（タービンノズル）３とタービン軸４に植設するタービン動翼５およびタービン動翼頂部のシュラウド６とを組み合せてタービン段落９をタービン軸４の軸方向に向って複数構成するとともに、シュラウド６とダイアフラム外輪１との隙間から作動流体漏れを防ぐフィン７を備えている。
【０００７】
また、軸流タイプの蒸気タービンは、ダイアフラム内輪２とタービン軸４との間隙を通る漏洩流体を抑制するために、ダイアフラム内輪２にラビリンスフィン８を設けている。
【０００８】
このような構成要素を備える軸流タイプの蒸気タービンは、作動流体をタービン静翼３内で膨張させ、増速させ、増速させた作動流体をタービン動翼５で転向させ、その際に発生する動力（回転力）で発電機を駆動している。
【０００９】
発電機の駆動中、蒸気タービンに発生する損失には、大別してタービン静翼３とタービン動翼５の翼形状に起因する翼型損失、タービン静翼３とタービン動翼５の内外端壁部分に発生する二次流れ損失、フィン７とシュラウド６の間隙より作動流体が漏洩するチップ漏洩損失、ダイアフラム内輪２に設けたラビリンスフィン８とタービン軸４との間隙より作動流体が漏洩するラビリンス漏洩損失がある。
【００１０】
これらの損失の中で、二次流れ損失は、翼型損失と同程度の大きなウエイトを占めている。
【００１１】
この二次流れ損失を低減させる技術には、これまで多くの発明が開示されている。
【００１２】
例えば、タービン静翼３とタービン動翼５の二次流れ損失を低減させた特許文献１では、図８に示すように、周方向の翼根元ピッチをｔとし、翼周方向の翼突き出し量をδｃとするとき、翼枚数、翼高の高低に拘らずδｃ／ｔ＝一定となるようにしている。そして、δｃ／ｔを一定とすることにより、翼出口の流体流出角のスパンＨ方向（翼高さ方向）分布を一定にし、損失の低減化を図っている。
【００１３】
また、特許文献２では、タービン動翼５の根元部から翼腹側に向う方向に傾斜させるとともに、翼高さ方向の中間位置における翼素断面中心線を翼腹側方向に湾曲させ、湾曲させた壁面からの押圧力で翼端部の傾斜領域にある境界層流れの発達と二次流れ領域の拡大を抑制し、作動流体の翼高さ方向の撹乱を抑えた低損失型翼列を提案している。
【００１４】
また、特許文献３では、タービン静翼３の後縁線を翼高さの翼中央部から両端部の内外壁に向って漸次下流側へ湾曲を形成し、タービン静翼３の翼間に形成されるスロート面を翼高さ中央から両端部の内外壁に向って形成し、作動流体を両壁面に押し付け、二次流れ損失の低減化を図ったものが提案されている。
【００１５】
このように特許文献１〜３に開示された三次元設計翼は、二次流れ損失の低減、翼型損失の低減に有効であり、一般的な設計手法として定着している。
【特許文献１】特開平１０−１３１７０７号公報
【特許文献２】特開平６−２１２９０２号公報
【特許文献３】特開平９−１５１７０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、上述の損失の中で、大きなウエイトを占める二次流れ損失のメカニズムを、今少し、詳しく説明する。
【００１７】
図９は、運転中、翼列内で発生する二次流れを示す模式図である。
【００１８】
翼１０の上流側壁面の境界層の流れは、前縁の近傍で縦渦になり、翼１０の背側と腹側との二手に分れて成長が続けられる。
【００１９】
二手に分れた縦渦のうち、背側に沿って流れる渦は、カウンター渦１１になり、また、腹側に沿って流れる渦は、剥離渦になる。
【００２０】
剥離渦は、隣接する翼１０の背側に到達した後、背側の翼高さ方向に向って成長し、パッセージ渦１２になる。パッセージ渦１２は、上述のカウンター渦１１の頂部側に重なり、さらに成長が続けられる。
【００２１】
これらの二次流れ渦の実体を検討するため、翼列試験を行い、翼列の後部における圧力損失の計測を行った。図１０は、翼列の後部における圧力損失の翼ピッチ方向損失分布線図である。
【００２２】
この分布図から、翼列損失の要因となる翼端部に発生する二次流れ領域１３には、翼端に生成されるカウンター渦１１と、このカウンター渦１１の頂部側に重なるように生成されるパッセージ渦１２と、翼の後縁で生成されるウェーク１４とがあらわれていることがわかった。
【００２３】
ここで、二次流れ損失は、カウンター渦１１とパッセージ渦１２とが主要因であり、翼型損失は、後縁からのウェーク１４の速度欠陥が主要因であることもわかった。
【００２４】
また、この分布線から、翼高さ（スパン）方向の７〜１８％の広い範囲に亘ってパッセージ渦１２の領域が二次流れ損失の主要因になっていることもわかった。
【００２５】
なお、翼根元部から翼高さ方向に向って５％以内の領域に境界層をカウンター渦１１とによる速度欠陥が認められていたが、その領域は限られた僅かなものであり、また速度欠陥が翼列にとって取り除くことができないことを考えると、速度欠陥の除去に注力しても大して益にならないと考えられる。
【００２６】
したがって、二次流れ損失の低減策としては、上述のパッセージ渦１２の翼根元部から翼高さ方向、あるいは翼頂部から翼高さ降下方向に向って拡がりを、より一層抑制してウェークによる低損失低減に相当する翼型損失領域を広くすることの方が有効であると考えられる。
【００２７】
本発明は、このような考えの下、背側に沿って後縁に向い、しかも翼高さ（スパン）方向に生成される、圧力損失を大きいパッセージ渦の拡がりを抑制させ、低損失領域に相当する翼型損失領域を広げ、結果として翼列損失のより一層の低減化を図る軸流タービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項１に記載したように、タービン軸の周方向に沿って配置したタービン静翼とタービン動翼とからなるタービン翼でタービン段落を構成し、このタービン段落を前記タービン軸の軸方向に向って複数段に形成した軸流タービンにおいて、前記タービン翼の背側中間位置から後縁に向って拡開状に形成した窪みを備えたものである。
【００２９】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項２に記載したように、拡開状に形成した窪みは、タービン翼としてのタービン静翼およびタービン動翼のうち、少なくともいずれか一方に備えたものである。
【００３０】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項３に記載したように、拡開状に形成した窪みは、タービン翼の翼根元部側および翼頂部側のうち、少なくともいずれか一方に備えたものである。
【００３１】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項４に記載したように、拡開状に形成した窪みは、その開始位置を、前縁を基準ゼロとし、後縁までの翼コード長を１とする翼面無次元長さで０．２〜０．８の範囲内に設定したものである。
【００３２】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項５に記載したように、拡開状に形成した窪みは、その開始位置を、一方の翼体と隣接する他方の翼体とのスロートをＳＴとし、翼体の翼コード長をＬとするとき、ＳＴ±０．２×Ｌの位置に設定したものである。
【００３３】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項６に記載したように、拡開状に形成した窪みは、その最大拡開幅を翼コード長以下に設定したものである。
【００３４】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項７に記載したように、拡開状に形成した窪みは、窪み開始位置から後縁に向って拡開させた後、翼コード長以下を最大拡開幅として一定値を維持させる構成にしたものである。
【００３５】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項８に記載したように、拡開状に形成した窪みは、その深さを、窪み開始位置から徐々に深くし、深さ極大値になった後、後縁に向って徐々に浅く形成したものである。
【００３６】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項９に記載したように、窪みの深さの極大値は、翼最大厚みの５０％以下に設定したものである。
【００３７】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項１０に記載したように、窪み深さの極大値は、翼根元部側および翼頂部側のうち、少なくともいずれか一方の翼端側であることを特徴とするものである。
【００３８】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項１１に記載したように、タービン軸の周方向に沿って配置したタービン静翼とタービン動翼とからなるタービン翼でタービン段落を構成し、このタービン段落を前記タービン軸の軸方向に向って複数段に形成した軸流タービンにおいて、前記タービン翼は、翼体の翼根元部から任意の翼高さまで前記タービン軸を通るラジアル線に対し、腹側方向に直線を傾斜させ、任意の翼高さから翼体の翼頂部まで前記ラジアル線に対し、腹側に向って凸なる湾曲を形成するとともに、背側の翼根元部側および翼頂部側のうち、少なくともいずれか一方に後縁に向って拡開状の窪みを備えたものである。
【００３９】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項１２に記載したように、タービン軸の周方向に沿って配置したタービン静翼とタービン動翼とからなるタービン翼でタービン段落を構成し、このタービン段落を前記タービン軸の軸方向に向って複数段に形成した軸流タービンにおいて、前記タービン翼は、翼体の前縁にフィレットを設けるとともに、背側の翼根元部側および翼頂部側のうち、少なくともいずか一方に後縁に向って拡開状の窪みを備えたものである。
【００４０】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項１３に記載したように、翼体の前縁に設けたフィレットは、上流に向って突き出た隆起状に形成したものである。
【００４１】
また、本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するため、請求項１４に記載したように、翼体の前縁に設けたフィレットは、翼根元部側および翼頂部側のうち、いずれか一方に備えたものである。
【発明の効果】
【００４２】
本発明に係る軸流タービンは、翼体の背側中間位置から後縁に向って拡開状に形成した窪みを備え、隣接する翼体の前縁から流れてくるパッセージ渦を収容させ、パッセージ渦の翼高さ方向への拡がりを抑制したので、二次流れ領域をより一層狭くして、翼体を高効率で運転させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明に係る軸流タービンの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００４４】
図１は、本発明に係る軸流タービンに組み込んだタービン静翼およびタービン動翼のうち、少なくともいずれか一方のタービン翼の第１実施形態を示す模式図である。
【００４５】
本実施形態に係るタービン翼は、タービン軸（図示せず）の周方向に沿って配置した翼体２０の背側２１における翼根元部２２および翼頂部２３のうち、いずれか少なくとも一方に、窪み２４を設けたものである。
【００４６】
この窪み２４は、一方の翼体２０と隣接する他方の翼体２０とのスロートＳＴの近傍を開始位置Ｐとし、翼高さ（スパン）方向に向って拡開させるとともに、後縁２５に向って延設される。
【００４７】
この場合、窪み２４の具体的開始位置Ｐは、前縁２６を基準ゼロとし、後縁２５までのコード長Ｌを１とする翼面無次元長で、０．２〜０．８の範囲内か、あるいはスロートＳＴ±０．２×コード長Ｌのいずれかが選択される。
【００４８】
主流の流れが亜音速の場合、前縁２６からスロートＳＴまでは増速流れとなり、翼根元部２４側および翼頂部２３側の境界層の発達防止を考慮したものである。
【００４９】
また、開始位置Ｐから翼高さ（スパン）方向に向って拡開させるとともに、後縁２５に向って延設される窪み２４は、図２に示すように、最大拡開幅Ｗをコード長Ｌ以下に設定される。
【００５０】
窪み２４の最大拡開幅Ｗをコード長Ｌ以下にしていても、実験の結果、二次流れ領域の拡大を確実に防止できることに基づく。
【００５１】
また、窪み２４は、窪み開始位置Ｐから後縁２５に向って拡開させた後、翼コード長Ｌ以下を最大拡開幅Ｗとして一定値に維持される。
【００５２】
また、窪み２４は、図２に示すように、開始位置Ｐから中間位置に向って徐々に深くし、窪み深さ極大値Ｍの位置から後縁２５に向って徐々に浅く形成される。
【００５３】
これは、パッセージ渦１２の翼高さ方向の速度ベクトルを軸方向の速度ベクトルに滑らかに転向させるとともに、窪み２４を出る際、主流の流れと平行になるよう維持させるためである。
【００５４】
また、窪み深さ極大値Ｍの位置は、翼根元部２２側および翼頂部２３側の翼端に近づけることが好ましい。窪み深さ極大値Ｍの位置を翼端側に近づけると、翼端側に高い押圧力（速度ベクトル）が得られ、パッセージ渦１２の翼高さ（スパン）方向に向う拡がりを抑制できることに基づく。
【００５５】
そして、窪み深さ極大値Ｍは、翼の耐力を考慮して翼最大厚みの５０％以内に設定される。
【００５６】
このように、本実施形態は、翼の背側の翼根元部および翼頂部のうち、少なくともいずれか一方に窪み２４を形成したので、隣接する翼から流れてくるパッセージ渦１２を窪み２４に収容させ翼高さ中央部への拡がりを抑制することができ、より一層低損失にして翼を高効率で運転させることができる。
【００５７】
図３は、本発明に係る軸流タービンに組み込んだタービン静翼およびタービン動翼のうち、少なくともいずれか一方のタービン翼の第２実施形態を示す模式図である。
【００５８】
本実施形態に係るタービン翼は、翼体２０の翼根元部２２から任意の翼高さまではタービンロータ（図示せず）の回転中心を通るラジアル線Ｅに対し、腹側２７の方向に直線ＳＬを傾斜させ、任意の翼高さから翼体２０の翼頂部２３までラジアル線Ｅに対し、腹側２７に向って凸になる湾曲ＣＶを形成するとともに、背側２１の翼根元部２２側および翼頂部２３側のうち、少なくともいずれか一方に、後縁２５に向って拡開状の窪み２４を設けたものである。
【００５９】
このように、本実施形態は、翼根元部２２からの任意の高さまでラジアル線Ｅに対し、腹側２７の方向に直線ＳＬを傾斜させ、任意の高さから翼頂部２３までラジアル線Ｅに対し、腹側２７に向って凸になる湾曲ＣＶを形成する翼体２０の背側２１のうち、翼根元部２２側および翼頂部２３側の少なくともいずれか一方に、窪み２４を設けたので、隣接する翼から流れてくるパッセージ渦１２を窪み２４に収容させて翼高さ中央部に向う拡がりを抑制して低損失領域をより多く形成することができる。
【００６０】
図４は、本発明に係る軸流タービンに組み込んだタービン静翼およびタービン動翼のうち、少なくともいずれか一方のタービン翼の第３実施形態を示す模式図である。
【００６１】
本実施形態に係るタービン翼は、翼体２０の翼根元部２２側および翼頂部２３側のうち、少なくともいずれか一方の前縁２６の端部の周方向を覆い、かつ上流側に向って隆起状に突き出したフィレット２８を備えるとともに、翼体２０の背側２１における翼根元部２２側および翼頂部２３側のうち、少なくともいずれか一方の背側２１の中間位置から後縁２５に向って拡開状の窪み２４を形成したものである。
【００６２】
前縁２６の端部に、上流側に向って隆起状に突き出したフィレット２８を備えると、フィレット２８は、その周辺および下流側に負の圧力勾配が発生する。
【００６３】
このため、主流（作動流体）はフィレット２８を通過するとき、翼端部に向って圧力差による押圧力が発生する。この押圧力は、二次流れが翼高さ中央部に向う拡がりを抑制している。
【００６４】
図５および図６は、ともに圧力損失線図である。なお、図中、図５は、縦軸に圧力損失を採り、横軸に任意の翼高さＸｉの全翼高さＬｓｐａｎに対する無次元翼高さを採った従来の圧力損失線図である。また、図６は、縦軸に圧力損失を採り、横軸に任意の翼高さＸｉの全翼高さＬｓｐａｎに対する無次元翼高さを採った本発明によって得た圧力損失線図である。
【００６５】
図５および図６のそれぞれに示す二次流れ領域分岐線を較べたとき、本発明によって得た二次流れ領域分岐線幅の方が狭くなっていることがわかった。
【００６６】
つまり、図５および図６のそれぞれに示す二次流れ分岐線幅の広狭は、フィレット２８および窪み２４の有無によって生ずると考えられる。
【００６７】
このように、本実施形態は、翼体２０の翼根元部２２側および翼頂部２３側のうち、少なくともいずれか一方の前縁２６に上流側に向って隆起状のフィレット２８を備え、翼根元部２２側または翼頂部２３側の周辺を負圧領域にし、流れる主流の翼根元部２２側または翼頂部２３側への押圧力をより強く発生させる一方、背側２１の中間位置から後縁２５に向って拡開状の窪み２４を形成し、隣接する翼から流れてくるパッセージ渦１２がフィレット２８を通過するとき、主流（作動流体）の押圧力で拡がりを抑制させる一方、それでもパッセージ渦１２の拡がりの抑制が充分でないとき、窪み２４に収容させて拡がりを抑制させる、いわゆる２重のパッセージ渦１２の拡がりを抑制手段を備えたので、パッセージ渦１２の拡がりを確実に抑制することができ、二次流れ損失領域をより一層狭くさせ、翼を高効率で運転させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る軸流タービンに組み込んだタービン翼の第１実施形態を示す模式図。
【図２】図１に示したタービン翼の背側の一部を抜き出した部分拡大図。
【図３】本発明に係る軸流タービンに組み込んだタービン翼の第２実施形態を示す模式図。
【図４】本発明に係る軸流タービンに組み込んだタービン翼の第３実施形態を示す模式図。
【図５】二次流れ領域分岐線を示す従来のタービン翼の圧力損失線図。
【図６】二次流れ領域分岐線を示す本発明のタービン翼の圧力損失線図。
【図７】従来の軸流タービンの一部を示す模式図。
【図８】従来のタービン翼の一部を示す模式図。
【図９】従来の翼列間を流れる作動流体の挙動を示す模式図。
【図１０】従来の翼列間に生成されるカウンター渦、パッセージ渦、ウェークのそれぞれの分布を示す翼ピッチ方向損失分布線図。
【符号の説明】
【００６９】
１  ダイアフラム外輪
２  ダイアフラム内輪
３  タービン静翼
４  タービン軸
５  タービン動翼
６  シュラウド
７  フィン
８  ラビリンスフィン
９  タービン段落
１０  翼
１１  カウンター渦
１２  パッセージ渦
１３  二次流れ領域
１４  ウェーク
２０  翼体
２１  背側
２２  翼根元部
２３  翼
２４  窪み
２５  後縁
２６  前縁
２７  腹側
２８  フィレット
【図１】
2006329133.tif 000003
【図２】
2006329133.tif 000004
【図３】
2006329133.tif 000005
【図４】
2006329133.tif 000006
【図５】
2006329133.tif 000007
【図６】
2006329133.tif 000008
【図７】
2006329133.tif 000009
【図８】
2006329133.tif 000010
【図９】
2006329133.tif 000011
【図１０】
2006329133.tif 000012