(57)【要約】【課題】静翼の回転軸側端部と回転軸との間にある隙間を通過する漏れ込み流れによる流体エネルギーの損失を抑制した軸流タービンを提供することを目的とする。【解決手段】動翼１が固定されるディスク部２の上流側外周端部に、上流方向に突出した突起部８を設ける。好ましい一形態として、突起部８は、突起部の形状は剣先状であり、また、ディスク壁面に対して上流側に傾斜した傾斜面を形成している。さらに、動翼１が固定されるディスク部２の上流側外周端部の、動翼間部で動翼の腹部寄りに切欠部８ａ等を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動翼と静翼とを有する軸流タービンにおいて、動翼が固定されるディスク部の上流側外周端部に、上流方向に突出した突起部を沿設したことを特徴とする、軸流タービン。
【請求項２】
前記突起部のタービン軸芯側面が、ディスク壁面に対して上流側に傾斜した傾斜面を形成してなることを特徴とする、請求項１に記載の軸流タービン。
【請求項３】
前記傾斜面の傾斜角度が、ディスク壁面に対して１５〜８０度であることを特徴とする、請求項２に記載の軸流タービン。
【請求項４】
前記突起部が、剣先状突起部であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の軸流タービン。
【請求項５】
前記剣先状突起部の剣先角度が１５〜８０度であることを特徴とする、請求項４に記載の軸流タービン。
【請求項６】
動翼が固定されるディスク部の上流側外周端部の、動翼間部で動翼の腹面寄りに切欠部を備えたことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の軸流タービン。
【請求項７】
反動タービンである、請求項１から６のいずれか一項に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、軸流タービンに関し、詳しくは、上流段静翼からの漏れ流れを抑制するための構造を備えた軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流タービンは、蒸気やガスなどの作動流体が軸方向から入り軸方向に出るものであり、代表的な流体機械として使用されている。図９に軸流タービンの一例について、回転軸方向断面（子午線断面）側から見た模式図を示す。図９に示すように、一般に軸流タービンは、回転軸（ローター３００）にディスク部２００を介して取り付けられた動翼１００と、ケーシング４００などの静止系に静翼取付部５００を介して取り付けられた静翼６００とが軸方向に対して交互に並んで配置されている。軸流タービンでは作動流体Ｆが上流方向から下流方向へと主流Ａを形成して流れるが、回転系と静止系とが交互に存在する部分を通過する作動流体Ｆの流れは極めて複雑であり、詳しい現象については解明されていない点もある。そのため、軸流タービンの空力的性能を改善する余地は未だ残されており、軸流タービンの翼列を通過する作動流体Ｆの流体エネルギー損失を低減するなどして、軸流タービンの性能をさらに向上することが求められている。
【０００３】
図１０に、１段落の静翼６００と動翼１００を示す。静翼６００は静翼取付部５００に固定されている一方で、動翼１００はローター３００の回転と共に回転するため、静翼６００の回転軸側端部とローター３００との間にはわずかであるが隙間が設けられる。この隙間を通過して漏れ込み流れＮが発生する。漏れ込み流れＮは、動翼１００をローター３００に固定するディスク部２００の壁面にあたり外周方向へと流れ、さらにディスク部２００上部表面へと流れ、作動流体Ｆの主流Ａに流れ込む。この漏れ込み流れＮは作動流体Ｆ主流Ａの流体エネルギー損失を招く。そのため、漏れ込み流れＮを抑制する手段がいくつか考案されている。
【０００４】
漏れ込み流れの抑制手段としては、例えば、静翼シュラウドの前側つばをその前側にある動翼のローター側流路に面の延長上より半径の大きい方へ突出させ、主流の動圧を利用して、シュラウド付き静翼シール部の下流側圧力を高め、静翼のシール部におけるリーク量を減らし、静翼部での漏れ損失を低減する技術が開示されている（特許文献１）。また、動翼の根本部において作動流体漏洩孔を設けて漏れ込み流れが主流に入り込まないようにして、流体エネルギーの損失を抑制する、衝動タービンに適した技術が開示されている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３４３８０８号公報
【特許文献２】特開平６−３２３１０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは最新の流動解析技術を駆使し、改めて、漏れ込み流れの状況を解析した。従来のタービンにおける漏れ込み流れの解析結果を図１１、図１２および図１３に示す。漏れ込み流れＮは、流速が低く慣性力が小さいため、動翼列内部の腹背面間の圧力差によって、動翼背面１００ｂ側へと運ばれやすい（図１１、図１２）。図１１に示すように、動翼背面１００ｂ側へ流れた漏れ込み流れは、流れ方向に対し縦に広がる縦渦（二次流れ渦Ｎｓ）を形成する。この二次流れ渦Ｎｓの形成過程および形成された二次流れ渦Ｎｓによって動翼１００壁面付近に強い摩擦が生じ、主流の流体エネルギーが損失となって失われる。図１３に、漏れ込み流れおよび二次流れ渦の流れの様子とエントロピー分布を模式的に示す。図１３に示すように、二次流れ渦Ｎｓが縦方向に広がり、エントロピー分布Ｅ3およびＥ4も外周方向に向かって大きく広がっていることがわかる。二次流れ渦Ｎｓは、渦のねじれが強く発達するほど、あるいは渦が動翼１００根本側から外周方向に広がるほど、漏れ込み流れＮｓによる動翼内部の流体エネルギー損失は大きくなり、タービンの出力低下につながる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、漏れ込み流れを抑制した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】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明では、漏れ込み流れが動翼背面に集まり、縦長に強い二次流れ渦を形成してしまうことを抑制する手段を設けた。すなわち、本発明は下記、軸流タービンを提供する。
【０００９】
第１の発明は、動翼と静翼とを有する軸流タービンにおいて、動翼が固定されるディスク部の上流側外周端部に、上流方向に突出した突起部を沿設したことを特徴とする、軸流タービンである。ディスク部の上流側外周端部に上流方向に突出した突起部を備えることにより、漏れ込み流れが動翼の背面側に集中してしまうことを抑制することができる。必ずしも明確ではないが、動翼の背面と腹面とでは圧力差があり、背面側のほうが圧力が低くなるところ、突起部が防波堤的な役割を果たし、漏れ込み流れに対する動翼背面腹面の圧力差の影響を抑制し、主流への漏れ込みをディスクの周方向に均一化し、漏れ込み流れが動翼背面側へと集中することを抑制できるものと推測される。
【００１０】
第２の発明は、前記突起部のタービン軸芯側（すなわち、回転軸側）面が、ディスク壁面に対して上流側に傾斜した傾斜面を形成してなることを特徴とする。ディスク面に垂直な突起が設けられる場合、漏れ込み流れは一度突起に衝突して急激に減速し、流れの運動エネルギーが部分的に損なわれるため好ましくない。突起部の軸芯側面がディスク壁面に対して上流側に傾斜していることにより、動翼背面へ漏れ込み流れを集中させずに、漏れ込み流れの流れをいたずらに乱すことなく、より円滑にディスク表表面へと流れ込むようにすることができる。
【００１１】
第３の発明は、軸芯側に形成されるディスク壁面に対する傾斜面の傾斜角度は、ディスク壁面に対して１５〜８０度であることを特徴とする。傾斜面角度は、より好ましくは、５０〜８０度である。傾斜角度を、このような角度とすることにより、第２の発明の効果をより向上させることができる。傾斜角度が１５度以下の場合は、突起の漏れ込み流れに対する防波堤的な役割が果たされず、効果を得ることができない。漏れ込み流れを周方向に一様化する防波堤的役割を十分に得るためには、傾斜角度は５０度以上とすることが望ましい。一方傾斜角度が８０度以上の場合は、漏れ込み流れが突起に衝突し、流れの運動エネルギーが部分的に損なわれるので好ましくない。
【００１２】
第４の発明は、前記突起部が、剣先状突起部であることを特徴とする。突起部を剣先状とすることにより、短い半径方向距離にて、動翼腹面背面の圧力差の影響が漏れ込み流れへと伝わりにくくなり、突起を乗り越える漏れ込み流れの高さを周方向に均一に揃えることができるため、動翼背面へ漏れ込み流れを集中させずに、漏れ込み流れの流れをいたずらに乱すことなく、より円滑にディスク表表面へと流れ込むようにすることができる。
【００１３】
第５の発明は、前記剣先状突起部の剣先角度が１５〜８０度であることを特徴とする。剣先角度は、より好ましくは５０〜８０度である。このような角度とすることにより、第４の発明の効果をより向上させることができる。
【００１４】
第６の発明は、動翼が固定されるディスク部の上流側外周端部の、動翼間部で動翼の腹面寄りに切欠部を備えたことを特徴とする。切欠部により、漏れ込み流れを動翼腹面側に誘導することができ、漏れ込み流れの動翼背面側への集中を緩和することができる。
【００１５】
第７の発明は、上記の軸流タービンが、反動タービンであることを特徴とする。上記のような、漏れ込み流れの均一化を促す手段は、反動タービンにおいて特に効果的である。タービンの分類方法は種々あるが、軸流タービンには、衝動タービンと反動タービンとが含まれる。衝動タービンは、作動流体がタービンのノズルを通る際に、圧力を降下して速度を増し、その噴出の衝動力により動翼を回転させるものである。反動タービンは、作動流体が静翼と動翼を通る際に、それぞれ圧力を降下して速度を増し、動翼から噴出する作動流体の反動力によって動翼を回転させるもので、衝動タービンと異なり、動翼の入り口の圧力が出口の圧力よりも高い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、軸流タービンにおいて漏れ流れを抑制し、作動流体の損失を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００１８】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態を図１から図６に沿って説明する。図１は、１段落の動翼１および静翼６を、回転軸方向断面（子午線断面）方向から示す模式図である。静翼６は一方の端部が静翼取付部５に固定され、さらにタービンの外筒たるケーシング４に固定されている。静翼の他方の端部にはラビリンスフィン７ａが設けられている。動翼１は、一方の端部がディスク部２に固定され、さらにローター３に固定されている。動翼１とケーシング４との間には、ケーシング４にラビリンスフィン７ｂが設けられている。ローター３の回転と共に動翼１は周方向に回転する。動翼１の他方の端部に作動流体は静翼６および動翼１を通過し、主流Ａを形成する。静翼６の一方の端部とローター３との間には隙間が形成されている。隙間にそって漏れ込み流れＭが発生する。漏れ込み流れＭはディスク部２の上流側壁面に当たって外周方向へと流れの方向を変え、ディスクの上端部を越えて主流Ａに混じっていく。
【００１９】
第１実施形態においては、ディスク部２の上流側外周端部に沿って、上流方向に突出した突起部が設けられている。突起部８を拡大した図を図２に示す。第１実施形態では、突起部は剣先形状を有している。剣先状の突起部８の上流側先端部と静翼取付部５との間には距離ｌの隙間が設けられる。この隙間ｌは、タービンの運転状況などによる温度などの変化に伴い若干変動するため、突起部を設けない場合と同様にタービンの運転に生じない程度に十分に設けられる。
【００２０】
図３は、突起部８をさらに拡大し、角度を示した図である。第１実施形態においては、剣先角度αは３０度である。また、ディスク部壁面２ａに対し上流側に傾斜してなる傾斜面８ａの傾斜角度βは６０度である。
【００２１】
図４に第１実施形態における漏れ込み流れＭの状況を示す。ローター側から吹き上げてくる漏れ込み流れＭは、突起部８の傾斜面８ａに当たる。突起部８に当たった漏れ込み流れＭは、突起部８を巻き込むようにしてディスク部２の上部表面部２ｂへと流れ、さらには該上部表面部２ｂを這うように、主流Ａの流れ方向、すなわち下流側へと流れる。なお、本第１実施形態においては剣先形状を有する突起部８が設けられているが、突起部の形状は上記のように漏れ流れ込みＭが上部表面部２ｂ上を這うような流れを形成させるような形状であればよく、本発明が剣先形状に限定されるものではない。
【００２２】
動翼背面側の様子が明確になるよう、動翼の設置向きが異なる第１実施形態の変形例において、流体学的解析によるエントロピー分布の解析結果を模式的に示す図を図５に示す。図５にハッチングして示されるエントロピー分布Ｅ1およびＥ2は、本実施形態によるエントロピー分布の様子を示す。Ｅ1およびＥ2部分が漏れ込み流れＭのエントロピーが大きい部分である。図１３の従来例の場合と比較すれば明らかなように、図１３ではディスク部表面に表れるエントロピーの分布Ｅ3が動翼背面１００ｂ側に大きく表れているのに対し、第１実施形態変形例の場合には均一化されている。また、図１３の従来例におけるＥ4と、図５の第１実施形態変形例におけるＥ2部分を比較すれば明らかなように、第１実施形態変形例のほうが、外周方向への流れの乱れが少ないことが示されている。さらに、図１３に示す二次流れ渦Ｎｓと比べ、図５に示す二次流れ渦Ｍｓはねじれが少なく弱いものであることが示されている。図５および図１３の比較からも明らかなように、本発明の第１実施形態により、漏れ込み流れが抑制され、主流の流体エネルギーの損失を抑制できる。概算であるが、第１実施形態によりタービンの段落効率をおよそ０．５％程度改善可能である。例えば、５０万ｋＷ〜１００万ｋＷ級の発電用反動タービンの効率が９０〜９５％であることを考慮すれば、０．５％の改善効果は極めて大きいといえる。
【００２３】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態およびその変形例について図６、７および８に沿って説明する。図６は上記第１実施形態にかかるものであり、動翼１およびディスク部２を翌頂側から見た（Ｉ）と子午線断面方向から見た（ＩＩ）の複合図である。図７に第２実施形態を、さらに図８に第２実施形態の変形例を示す。図７および８ともに、翼頂側から見た（Ｉ）および子午線断面方向から見た（ＩＩ）の複合図である。なお、上記第１実施形態と同じものについては第１実施形態の場合と同じ符号を付し、その説明は省略する。
【００２４】
図６に示すように、第１実施形態では、突起部８に切欠部は設けられていない。これに対し、第２実施形態は、ディスク部２の上流側外周端部に設けられた突起部に、動翼の腹面側に漏れ込み流れが流れやすいように、切欠部を設ける(図７参照)。切欠部自体の形状には特に限定はないが、動翼の腹面に漏れ込み流れが流れやすいようにするため、切欠部を２つの動翼間の一方の動翼腹面に若干寄った位置に切欠部９ａを設けることが好適である。
【００２５】
図７に示すように、第２実施形態においては、ディスク端部に沿って設けた突起部８の動翼１１と動翼１２の間に切欠部９ａが設けられている。切欠部９ａは直角三角形状に切り込まれており、切欠部９ａ直角部を形成する長辺が動翼１１寄り、短辺が動翼１２寄りになるように設けられている。すなわち、切欠部９ａは、切欠部９ａ全体が、動翼１１の腹面寄りであると共に動翼の腹面に近い側をより広く切り欠き、動翼腹面１１ａへの流れを誘導するようになっている。概算ではあるが、さらに０．１％程度、タービン段落効率を改善可能である
【００２６】
図８には、第２実施形態の変形例を示す。図８に示す例では、図７に示す例と切欠部の形状が異なる。図８の切欠部９ｂも直角三角形状であるが、直頂に向き合う斜辺が動翼１１の腹面１１ａとも向かい合うように形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】１段の動翼および静翼を、回転軸方向断面（子午線断面）方向から示す模式図である。
【図２】突起部を示す図である。
【図３】突起部および角度を示す図である。
【図４】第１実施形態による漏れ流れ込みの流れを模式的に示す斜視図である。
【図５】第１実施形態による漏れ込み流れ、およびそのエントロピー分布を模式的に示す図である。
【図６】第１実施形態を翼頂部および子午線断面方向から示す図である。
【図７】第２実施形態を示す図である。
【図８】第２実施形態の変形例を示す図である。
【図９】軸流タービンを子午線断面方向から示す模式図である。
【図１０】従来の、１段の動翼および静翼を、回転軸方向断面（子午線断面）方向から示す模式図である。
【図１１】従来の漏れ込み流れの状況を動翼腹側から模式的に示す斜視図である。
【図１２】従来の漏れ込み流れの状況を動翼背面側から模式的に示す斜視図である。
【図１３】従来の漏れ込み流れおよびそのエントロピー分布を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１、１１、１２  動翼
１ａ  動翼腹面
１ｂ  動翼背面
２  ディスク
２ａ  壁面
２ｂ  上部表面部
３  ローター（回転胴）
４  ケーシング
５  静翼取付部
６  静翼
７  ラビリンスフィン
８  突起部
８ａ  傾斜面
９ａ、９ｂ  切欠部
１００  動翼
１００ａ  動翼腹面
１００ｂ  動翼背面
２００  ディスク
３００  ローター（回転胴）
４００  ケーシング
５００  静翼取付部
６００  静翼
７００  ラビリンスフィン
Ａ  作動流体の主流
ｄ  主流の向き
Ｍ  漏れ込み流れ
Ｍｓ  二次流れ渦
Ｎ  漏れ込み流れ
Ｎｓ  二次流れ渦
ｌ  静翼取付部下流部とディスク上流部と距離
α  剣先角度
β  傾斜面角度
Ｅ1、Ｅ2、Ｅ3、Ｅ4  エントロピー分布
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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