(57)【要約】【課題】  ラビリンスパッキンと回転軸との間隙より蒸気が漏洩し、静翼出口にて通路部の蒸気と混合する際に発生する干渉損失を低減することができる高性能の軸流タービンを提供することである。【解決手段】  動翼５の入口部におけるディスク部１１の内壁部内径を静翼内輪２の出口内径より小さく形成するとともに、子午面より観察されるディスク部１１の内壁部内径φｘを下流側に向けて連続的に大きく形成し、ラビリンスフィン８からの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換するためのディスク部フィン１０を動翼の入口部に設ける。また、必要に応じて、静翼３の出口部からの蒸気を動翼５の入口部に導くとともにラビリンスフィン８からの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換するための静翼内輪フィン９を静翼２の出口部に設ける。【選択図】  図１
2005214051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静翼外輪と静翼内輪との間に固設された静翼と、回転軸のディスク部に固設され翼頂部にシュラウドが形成された動翼と、前記静翼外輪と前記シュラウドとの間に設けられ蒸気の漏洩を防止するフィンと、前記静翼内輪と前記回転軸との間に設けられ蒸気の漏洩を防止するラビリンスフィンとにより形成される軸流タービン段落おいて、前記動翼の入口部における前記ディスク部の内壁部入口内径を前記静翼内輪の出口内径より小さく形成するとともに子午面より観察される前記ディスク部の内壁部入口内径を下流側に向けて連続的に大きく形成し、前記静翼の出口部からの蒸気を前記動翼の入口部に導くとともに前記ラビリンスフィンからの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換するための静翼内輪フィンを前記静翼の出口部に設け、前記ラビリンスフィンからの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換するためのディスク部フィンを前記動翼の入口部に設けたことを特徴とする軸流タービン段落。
【請求項２】
前記動翼の入口部には、前記ディスク部の内壁部と連続して繋がるフィレットを設けたことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン段落。
【請求項３】
静翼外輪と静翼内輪との間に固設された静翼と、回転軸のディスク部に固設され翼頂部にシュラウドが形成された動翼と、前記静翼外輪と前記シュラウドとの間に設けられ蒸気の漏洩を防止するフィンと、前記静翼内輪と前記回転軸との間に設けられ蒸気の漏洩を防止するラビリンスフィンとにより形成される軸流タービン段落おいて、前記動翼の入口部における前記ディスク部の内壁部入口内径を前記静翼内輪の出口内径より小さく形成するとともに子午面より観察される前記ディスク部の内壁部入口内径を下流側に向けて連続的に大きく形成し、前記ラビリンスフィンからの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換するためのディスク部フィンを前記動翼の入口部に設けたことを特徴とする軸流タービン段落。
【請求項４】
前記動翼の入口部には、前記ディスク部の内壁部と連続して繋がるフィレットを設けたことを特徴とする請求項３記載の軸流タービン段落。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一の軸流タービン段落を備えたことを特徴とする軸流タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静翼及び動翼から構成された軸流タービン段落及び軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、軸流タービンは静翼及び動翼からタービン段落が構成され、そのタービン段落内の流体は主として回転軸に平行して流れる。例えば、軸流タービンである蒸気タービンは、図７に示すように構成されている。静翼外輪１と静翼内輪２との間に複数枚の静翼３が固設され、回転軸４に複数枚の動翼５が固設されている。そして、動翼５の翼頂部にはシュラウド６が設置され、静翼３と動翼５とによりタービン段落が形成されている。
【０００３】
静翼外輪１には、シュラウド６と静翼外輪１との間隙から漏洩する蒸気を防ぐためにフィン７が植設されている。また、静翼内輪２には静翼内輪２と回転軸４との間隙を通る漏洩蒸気を減少させるためにラビリンスフィン８が植設されている。
【０００４】
このようなタービン段落を回転軸４の軸方向に単段落または複数段落に組み合わせることにより蒸気タービンは構成されている。蒸気タービン通路部における蒸気は静翼３内にて膨張し増速され、増速された蒸気は動翼５にて転向し、動翼５に回転力を与える。
【０００５】
この場合、タービン通路部にて損失が発生する。通路部に発生する損失は大きく分けて、翼型損失、二次損失、漏洩損失とがある。すなわち、静翼３及び動翼５の翼形状に起因する翼型損失と、静翼３及び動翼５の内外端壁部分に発生する二次損失と、さらに、フィン７とシュラウド６との間隙より蒸気が漏洩するために発生するチップ漏洩損失と、静翼内輪２に植設されたラビリンスフィン８と回転軸４との間隙より蒸気が漏洩するために発生するラビリンス漏洩損失とがある。
【０００６】
静翼３及び動翼５の内外端壁部分に発生する二次損失の低減を目的としたものとしては３次元設計翼がある（例えば、特許文献１、２参照）。これらは、通路部内外壁に発生する二次流れ渦を抑制するために内外端壁面へ翼を傾斜させて構成し、二次流れ渦の駆動力である翼面の圧力差（マッハ数差）を低減することにより二次流れ渦の発達を押さえ、二次流れ損失を低減し性能を向上させるものである。また、チップ漏洩損失やラビリンス漏洩損失等の漏洩損失の低減を目的とした種々のシール構造も提案されている。
【特許文献１】特開平６−２１２９０２号公報
【特許文献２】特公昭４−７８８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ラビンリンス漏洩蒸気が静翼３より流出する蒸気と混合し、静翼３の蒸気流出角度が設計角度とずれて、動翼５への流入角度が変化し動翼５での損失が増加し、さらに、静翼３より流出する蒸気と直角に混合するために漏洩蒸気の半径速度成分が失われミキシング損失が発生する。
【０００８】
すなわち、漏洩損失のひとつであるラビリンス漏洩損失は、図８に示すようにラビリンスフィン８と回転軸４との間隙より蒸気が漏洩し、動翼５に対して有効な仕事(回転力)を与えないために発生する。ラビリンス漏洩損失は通路部にて有効な仕事を行う蒸気流量Ｇと漏洩蒸気流量ＧＬとの比ＧＬ／Ｇにて表せる。このラビリンスフィン８を通過する漏洩蒸気は静翼内輪２と回転軸４との間隙を通り動翼５に流入し下流側へと流出して行く。
【０００９】
この漏洩蒸気は動翼５に流入する際に静翼３より流出する蒸気と混合する。静翼３より流出する蒸気は所定の流速と流出角度になるよう静翼３にてコントロールされているが、ラビリンスフィン８より流出する漏洩蒸気（図中 矢印Ａ）は半径方向速度成分を持って静翼３より流出する蒸気（図中 矢印Ｂ）と直角に混合するために漏洩蒸気の半径速度成分が失われミキシング損失が発生する。さらに、漏洩蒸気が静翼３より流出する蒸気と混合することにより蒸気流出角度が設計角度とずれるために、動翼５への流入角度が変化し動翼５での損失が増加する。
【００１０】
試験タービンにて計測した漏洩蒸気流量と段落性能との関係を図９に示す。縦軸に段落効率を示し、横軸に漏洩蒸気流量ＧＬと通路部流量Ｇとの比（ＧＬ／Ｇ）を示す。図中に示す斜線部は前述にて定義した漏洩損失（ＧＬ／Ｇ）分を示す。漏洩蒸気によるミキシング損失および動翼５での損失増加分（以下、干渉損失と呼ぶ）は斜線部と段落効率を示す実線で囲まれた部分である。
【００１１】
図１０に干渉損失と漏洩蒸気流量ＧＬと通路部流量Ｇとの比（ＧＬ／Ｇ）の関係を示す。干渉損失は漏洩蒸気の増加に従い大きくなる。これは、漏洩蒸気の増加により静翼３より流出する蒸気とのミキシング損失が増加することと、その影響による流速や流出角度の変化度合いが大きくなるために動翼５での損失が増加するためである。
【００１２】
近年、発電プラントに用いられる軸流タービンは、環境問題や省エネルギの観点より信頼性の確保および高効率化が重要な課題となっており、この干渉損失を低減することが要請されるようになっている。
【００１３】
本発明の目的は、ラビリンスパッキンと回転軸との間隙より蒸気が漏洩し、静翼出口にて通路部の蒸気と混合する際に発生する干渉損失を低減することができる高性能の軸流タービン段落及び軸流タービンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の軸流タービン段落は、動翼の入口部におけるディスク部の内壁部入口内径を静翼内輪の出口内径より小さく形成するとともに、子午面より観察される前記ディスク部の内壁部入口内径を下流側に向けて連続的に大きく形成し、ラビリンスフィンからの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換するためのディスク部フィンを動翼の入口部に設ける。また、必要に応じて、静翼の出口部からの蒸気を動翼の入口部に導くとともにラビリンスフィンからの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換するための静翼内輪フィンを静翼の出口部に設け、動翼の入口部には、ディスク部の内壁部と連続して繋がるフィレットを設ける。これにより、ラビリンスパッキンと回転軸との間隙より蒸気が漏洩し、静翼出口部にて通路部の蒸気と混合する際に発生する干渉損失を低減する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ラビリンスフィンからの漏洩蒸気は、ディスク部フィンや静翼内輪フィンにより漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分が軸流速度成分へ変換されて動翼へ流入し、動翼にて最小圧力となる動翼出口部へ動翼の内壁部に沿って流れる。そのために静翼出口部より流出した蒸気と混合する際に発生する半径方向速度成分の喪失によるミキシング損失が低減され、静翼出口部にて通路部の蒸気と混合する際に発生する干渉損失を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は本発明の第１の実施の形態に係わる軸流タービン段落を子午面より見た側断面図である。静翼外輪１と静翼内輪２とにより複数枚の静翼３が固設され、回転軸４に複数枚の動翼５がディスク部１２を介して固設されている。図１では１枚の静翼３及び１枚の動翼５を示している。そして、動翼５の翼頂部にはシュラウド６が設置され、静翼３と動翼５とによりタービン段落が形成されている。また、静翼外輪１には、シュラウド６と静翼外輪１との間隙から漏洩する蒸気を防ぐためにフィン７が植設されており、静翼内輪２には静翼内輪２と回転軸４との間隙を通る漏洩蒸気を減少させるためにラビリンスフィン８が植設されている。
【００１７】
ディスク部１２の入口内径φ１は静翼内輪２の出口内径φ２より小さく構成されている。また、ディスク部１２の内壁部１３の径φｘは動翼５の入口部より下流側へ向けて連続的に大きくなるように構成されている。すなわち、子午面より観察されるディスク部１２の内壁部１３の径φｘを下流側（図１の右側）に向けて連続的に大きく形成している。
【００１８】
さらに、静翼２の出口部には動翼５の入口部に向かって軸方向に静翼内輪フィン９が設けられ、動翼５の入口部よりは静翼３の出口部に向かってディスク部フィン１０が設けられている。すなわち、静翼内輪フィン９は、静翼３の出口部の静翼内輪２に設けられ、静翼３の出口部からの蒸気を動翼５の入口部に導くとともに、ラビリンスフィン８からの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換する。また、ディスク部フィン１０は動翼５の入口部のディスク部１２に設けられ、ラビリンスフィン８からの漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分を軸流速度成分へ変換する。
【００１９】
ラビリンスフィン８より漏洩する蒸気は、静翼内輪フィン９及びディスク部フィン１０により形成された流路に沿って、図１中の矢印Ａに示すように下流側へ流出する。一方、静翼３より流出する通路部からの蒸気は矢印Ｂに示すように動翼５へ流入する。蒸気はより低い圧力場に向かって流出するため、漏洩蒸気は動翼５にて最小圧力となる動翼５の出口部へディスク部１２の内壁部１３に沿って流入し、静翼３の出口部より流出した蒸気も動翼５の出口部へ向かって流出する。
【００２０】
この際に、漏洩蒸気は静翼３より流出した蒸気と動翼５の通路部内で混合し流出するが、漏洩蒸気がディスク部１２の内壁部１３に沿って流れるので、漏洩蒸気が持つ半径速度成分は軸流速度成分へ変換される。そのため、静翼３より流出した蒸気と混合する際に発生する半径方向速度成分の喪失によるミキシング損失は低減されるので、干渉損失も低減される。
【００２１】
図２は、本発明の第１の実施の形態による干渉損失と、漏洩蒸気流量ＧＬと通路部流量Ｇとの比（ＧＬ／Ｇ）との関係を示すグラフである。図２中の実線は従来例による損失を示し、破線が本発明の第１の実施の形態による損失を示す。図中、実線及び破線で示す範囲は軸流タービン段落において発生する漏洩蒸気の範囲を記載しており、一般的にその範囲は０．００５より０．０４程度となる。図２に示すように、本発明の第１の実施の形態によれば、ＧＬ／Ｇが０．００５より０．０４の範囲内において干渉損失は低減されており、軸流タービン段落の性能が向上していることが分かる。
【００２２】
第１の実施の形態によれば、ラビリンスフィン８からの漏洩蒸気は、静翼内輪フィン９及びディスク部フィン１０によりディスク部１２の内壁部に沿って流れるように動翼５の入口部に導かれるので、静翼３の出口部より流出した蒸気と混合する際には半径方向速度成分が喪失している。従って、ミキシング損失が低減され、静翼３の出口部にて通路部の蒸気と混合する際に発生する干渉損失を低減できる。
【００２３】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係わる軸流タービン段落を子午面より見た側断面図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、動翼５の入口部に、ディスク部１２の内壁部１３と連続して繋がるフィレット１１を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２４】
図３において、ディスク部１２の入口内径φ１は静翼内輪２の出口内径φ２より小さく構成され、ディスク部１２の内壁部内径φｘは動翼５の入口部より下流側へ向けて連続的に大きくなるように構成されている。さらに、静翼内輪２の出口部には動翼５の入口部に向かって軸方向に静翼内輪フィン９が設けられ、動翼５の入口部のディスク部１２には静翼３の出口部に向かってディスク部フィン１０が設けられている。
【００２５】
さらに動翼５の入口部のディスク部１２の内壁部１３には、内壁部１３より動翼面にフィレット１１が形成されている。図４に動翼５の入口部よりみたフィレット１１部分の拡大図を示す。フィレット１１は動翼５とディスク部１２の内壁部１３とを滑らかな連続した曲率で形成されている。
【００２６】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、動翼５の入口部にフィレット１１を設けたので、動翼５内の通路部面積が減少し、第１の実施の形態よりも動翼５の通路部内圧力が低下し漏洩蒸気をより導きやすくなる。
【００２７】
図５は、本発明の第３の実施の形態に係わる軸流タービン段落を子午面より見た側断面図である。この第３の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、静翼内輪フィン９を省略したものである。
【００２８】
図５において、ディスク部１２の入口内径φ１は静翼内輪２の出口内径φ２より小さく構成され、ディスク部１２の内壁部内径φｘは動翼５の入口部より下流側へ向けて連続的に大きくなるように構成されている。さらに、動翼５の入口部のディスク部１２には静翼３の出口部に向かってディスク部フィン１０が設けられている。そして、静翼内輪２の出口部の静翼内輪フィン９は省略されている。
【００２９】
第３の実施の形態によれば、ラビリンスフィン８からの漏洩蒸気は、動翼５の入口部のディスク部１１に設けられたディスク部フィン１０により漏洩蒸気が持つ回転軸の半径速度成分が喪失されて動翼５へ流入し、ディスク部１１の内壁部１３の傾斜面に沿って流れるので、漏洩蒸気が少ない場合には、特に静翼内輪フィン９を設けなくても、静翼３の出口部にて通路部の蒸気と混合する際に発生する干渉損失を低減できる。
【００３０】
図６は、本発明の第４の実施の形態に係わる軸流タービン段落を子午面より見た側断面図である。この第４の実施の形態は、図５に示した第３の実施の形態に対し、動翼５の入口部に、ディスク部１２の内壁部１３と連続して繋がるフィレット１１を設けたものである。
【００３１】
図６において、ディスク部１２の入口内径φ１は静翼内輪２の出口内径φ２より小さく構成され、ディスク部１２の内壁部内径φｘは動翼５の入口部より下流側へ向けて連続的に大きくなるように構成されている。動翼５の入口部のディスク部１２には静翼３の出口部に向かってディスク部フィン１０が設けられている。そして、静翼内輪２の出口部の静翼内輪フィン９は省略されている。
【００３２】
さらに、動翼５の入口部のディスク部１２の内壁部１３には、内壁部１３より動翼面にフィレット１１が形成されている。フィレット１１は動翼５とディスク部１２の内壁部１３とを滑らかな連続した曲率で形成されている。
【００３３】
第４の実施の形態によれば、第３の実施の形態の効果に加え、動翼５の入口部にフィレット１１を設けたので、動翼５内の通路部面積が減少し、第３の実施の形態よりも動翼５の通路部内圧力が低下し漏洩蒸気をより導きやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる軸流タービン段落を子午面より見た側断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による干渉損失と、漏洩蒸気流量ＧＬと通路部流量Ｇとの比（ＧＬ／Ｇ）との関係を示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係わる軸流タービン段落を子午面より見た側断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る軸流タービン段落におけるフィレット部分の拡大図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係わる軸流タービン段落を子午面より見た側断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係わる軸流タービン段落を子午面より見た側断面図。
【図７】従来の軸流タービン段落を子午面より見た側断面図。
【図８】従来の軸流タービン段落の損失形態を説明するための子午面より見た側断面図。
【図９】漏洩蒸気流量と段落効率との関係を示す説明図。
【図１０】漏洩蒸気流量と干渉損失との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３５】
１…静翼外輪、２…静翼内輪、３…静翼、４…回転軸、５…動翼、６…シュラウド、７…フィン、８…ラビリンスフィン、９…静翼内輪フィン、１０…ディスク部フィン、１１…フィレット、１２…ディスク部、１３…内壁部
【図１】
2005214051.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005214051.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005214051.tif 000011
【図１０】
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