(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
案内翼の列（ＬＥ）と回転翼の列（ＬＡ）から成り、共通のハウジング（３０）に取り付けてある、ほぼ軸方向に並んでいる段を備え、前記ハウジングに少なくとも一つの流入部分（３１）と少なくとも一つの流出部分（３２）があり、更に段の反動度が 0.15 より大きいタービンにおいて、ハウジング（３０）の流入部分（３１）と流出部分（３２）の間にあるタービンの一部、つまりほぼ軸方向に並んだ翼の列（ＬＥ，ＬＡ）に対して、特性数ＲＳＨが１以上になるように軸方向の翼弦の長さ（ｓax）とその高さ（ｈ）を選び、ここでＲＳＨが、
【外１】
0004475703.tif 000017
で定義され、この計算規則では
Ｐ     [Ｗ]     タービンの出力
【外２】
0004475703.tif 000018
ｚ     [−]     段数
【外３】
0004475703.tif 000019
Ｎ    [1/s]    回転数
ｈi    [ｍ]     翼の流出流側で測定された翼の列ｉの翼の高さ
ＤM,i  [ｍ]     翼の列ｉの翼の流出流側でのハブの外径とハウジングの内
径の平均値
ｓax,i [ｍ]     最大の翼弦の長さのところで測定された翼の列ｉの翼の軸
方向の翼弦の長さ
であることを特徴とするタービン。
【請求項２】
周方向（Ｕ）に対する各翼の流出角度（βLE，βLA）は８°より大きいことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
タービンはドラム型の構造に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項４】
各翼の列のハブの部分での最大の流れ偏向（γLE，γLA）は 150°より小さいことを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、案内翼の列と回転翼の列から成り、共通のハウジングに取り付けてある、ほぼ軸方向に並んでいる複数の段（ステージ）を備え、前記ハウジングに少なくとも一つの流入部分と少なくとも一つの流出部分があり、更に段の反動度が 0.15 より大きいタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービンの軸方向に並んだ段を設計する場合、現在大体二つの試みが行われている。つまり、一方で段の仕事量の転換が高い時、翼弦の長さおよびハブ断面の直径を大きく選び、同時に翼の高さを小さくする。しかし、この設計は、漏れ損失や壁摩擦素質を低減するため、翼の高さを大きく選ぶべきで、同時にハブの直径を小さく選び、更に翼弦の長さに対する翼の高さの比が小さい場合、二次的な流れ損失が劇的に上昇するという流体力学的な認識に矛盾している。
【０００３】
このように翼を大きいハブ直径に配置すると、タービンは翼の高さが低い時に翼の先端のところの隙間損失を制限するため、大抵室構造式に形成されている。もっとも、これにより車輪摩擦損失が著しく上昇する。更に、室の構造様式は非常にコストがかかる。他方、パルスタービンの場合には大きなハブ直径を殆ど避けることができない。何故なら、それ以外では、流れが剥離し、許容できない損失を発生させるようにハブの近くの偏向が上昇するからである。
【０００４】
それ故、他の試みとして、仕事量の転換を比較的低く維持し、長い翼の長さを小さな直径に置くことが選択されている。その場合、翼は流れの偏向が小さい場合、翼弦の長さが小さくなる。ハブの直径が相当小さいので、コスト的に遙に望ましいドラム構造様式を使用することができる。もっとも、作業媒質の流入状態や流出状態が指定されている機械にとって段数が多くなる。機械の構造長を大きくし、これが一方でロータの動特性に悪影響を与え、他方で、個々の翼格子の損失が小さいという利点も必要となる段数が多いため少なくとも一部帳消しとなる。更に、段数の多い構造様式はコストを高くする。
【０００５】
説明した理由により、例えば実際に形成された蒸気ターボの組では大抵両方の実施態様が組み合わされている。反動が弱く、最大圧力で仕事量の転換が大きい一つまたはそれ以上の段を使用すること、および動作媒質が膨張する他の経過で反動が強い小さな負荷を受ける繰り返しの段を使用することが普及している。この構造様式により第一段の高圧が急激に低減し、ロータへ軸方向の推力を伝えることはない。その場合、一定の膨張に対して長さの短いロータが必要である。この場合、特に空気力学的な負荷のため、翼弦の長さを大きく選び、大きな仕事量の転換を得るために必要な流れの偏向を極端に悪くさせることはない。同様に、ハブ部分で偏向を制限するため翼を大きな直径にする。エンタルピーを更に低下させることは反動の強い段で行われる。
【０００６】
従って、現在実際に作製されている通常の機械では、両方の構造様式の利点、特に難点も組み合わされている。これ等の利点を制限することなく使用するように、設計の態様の構成を組み合わせた翼配列は現在までの技術では知られていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここに、この発明は救済策を提示するものである。この発明の課題は、冒頭の述べた種類の熱機関で大きな段のエンタルピー転換を小さな損失と組み合わせ、タービンの段数を減らし、それに伴い全長と経費を低減することのできる、段に固有なエンタルピーの高転換度を有する翼配列を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、この発明により、案内翼の列ＬＥと回転翼の列ＬＡから成り、共通のハウジング３０に取り付けてある、ほぼ軸方向に並んでいる段を備え、前記ハウジングに少なくとも一つの流入部分３１と少なくとも一つの流出部分３２があり、更に段の反応度が 0.15 より大きいタービンにあって、ハウジング３０の流入部分３１と流出部分３２の間にあるタービンの一部、つまりほぼ軸方向に並んだ翼の列ＬＥ，ＬＡに対して、特性数ＲＳＨが１以上になるように軸方向の翼弦の長さｓaxとその高さｈを選び、ここでＲＳＨが、
【０００９】
【外４】
0004475703.tif 000002
で定義され、この計算規則では
Ｐ     [Ｗ]     タービンの出力
【００１０】
【外５】
0004475703.tif 000003
ｚ     [−]     段数
【００１１】
【外６】
0004475703.tif 000004
Ｎ     [1/s]    回転数
ｈi    [ｍ]     翼の流出流側で測定された翼の列ｉの翼の高さ
ＤM,i  [ｍ]     翼の列ｉの翼の流出流側でのハブの外径とハウジングの内径の平均値
ｓax,i [ｍ]     最大の翼弦の長さのところで測定された翼の列ｉの翼の軸方向の翼弦の長さ
であることによって解決されている。
【００１２】
この発明による他の有利な構成は特許請求の範囲の従属請求項に記載されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の核心は、ほぼ軸方向に並んだタービンの場合、物質流が予め定まっていて、動作媒質の流入と流出の状態が予め定まっているなら、できる限り少ない個数の段を必要とし、損失を少なくしてエンタルピーの転換が生じるように翼配列を設計する点にある。このため、流れの偏向が大きく、同時に翼弦の長さを小さく維持する。更に、高さの高い翼を選び、大きな直径に載せる。当業者に容易に分かることは、課題を満たす程度を評価する場合、これ等の大きさは互いに非常に複雑な関係になるので、幾何学的な特性値を簡単に与えることはこの発明による翼配列を特徴付けるためには不適当である点にある。それ故、この発明の内容の構成は以下で説明すべき最初にＲＳＨと称する無次元の特性値を使用する。
【００１４】
【実施例】
以下、図面に示す好適実施例に基づき所謂ＨＲＳＨ（Hohe Relative Schaufelbelastungs-Hoehe；翼の相対負荷のレベルが高い）タービンの有意義性をより詳しく説明する。
【００１５】
図１は４つの段を持つタービンを示し、その回転翼ＬＡがシャフト２０に、またその案内翼ＬＥがハウジング内に固定されている。複数の段は圧力がそれぞれｐ0 とｐ1 となっている流入部分３１と流出部分３２の間に配置されている。翼の列には、ハウジング３０の流入部分３１から流出部分３２に向けて番号付けされている。ｚを段数とすれば、 2ｚの翼の列がある。つまり、図示の例では、４つの段に８つの翼の列がある。更に、この発明で重要な幾何学量が分かる。これ等は翼の高さｈ，中央断面の直径ＤM および翼の軸方向の軸弦の長さｓaxである。
【００１６】
ここに示す単一流のタービンは限定的な意味であると解すべきでなく、特に大きな蒸気ターボの組の一部であることが大切である。同様に、固有なあるいは共通の流入部分と流出部分を有する多数のタービンも一つのハウジングに収容できる。
【００１７】
もちろん、上に説明したように、この発明によるタービン翼配列を評価する場合、翼通路への流れの偏向が重要である。しかし、これは、当業者に容易に分かるように、先ず物質流に固有で回転数に特有なエンタルピー転換に関しても、あるいは所定の機械の場合、段に固有で物質流に固有な出力により完全に等価に表せる。
【００１８】
異なったタービンの翼あるいは段を比較するため、異なった出力と物質流の分類の機械中、および異なった圧力レベルでのそのような翼を特徴付けることのできる特性数値が必要となる。更に、上に説明した最適化の問題で、翼の負荷や損失のパラメータを有効に関連付ける必要がある。
【００１９】
ほぼ軸方向に並んだ段あるいはタービンは、この発明に関して実質上以下の量で記述される。即ち、
出力Ｐ，
回転数Ｎ，
段数ｚ，
圧力ｐ，
【００２０】
【外７】
0004475703.tif 000005
翼の高さｈ，
軸方向の翼弦の長さｓax，
ハウジングの内径とハブの外形の平均値として定まる平均断面直径ＤM ，
である。これ等の有次元量を先ず適当な方法で無次元化する。
【００２１】
ここで、先ず比出力を翼の負荷パラメータとして扱う。ターボ機械の出力は物質流と回転数の二乗に比例する。無次元化された段に固有な出力に対して、関係式
【００２２】
【外８】
0004475703.tif 000006
が得られる。ここで、Ｌは一つまたはそれ以上のタービンの段、あるいはタービンの特徴的な長さ寸法である。ここで、段の動特性は平均断面直径を特徴的な長さの寸法として選ぶ。そうすると、無次元の比出力は、
【００２３】
【外９】
0004475703.tif 000007
となる。
【００２４】
他の特徴的な量としては平均圧力レベルを挙げることができる。これを今度は同じように無次元の負荷パラメータにする。この場合、物理的な考察は、特に翼の列もしくは段に関する圧力勾配がこれに関連して著しい影響量を表すことを示している。従って、圧力に対して、
【００２５】
【外１０】
0004475703.tif 000008
となる。
【００２６】
図示する寸法は圧力を無次元化するのにどの量が更に必要であるかを示す。これ等は特性的な質量、時間尺度および長さの尺度である。従って、ここでは質量と時間に関する量を無次元化するため物質流と回転数を使用する。更に、物理的な考察は、負荷パラメータを形成する目標でもって圧力が翼に加わるレバーを長さの寸法として選ぶことを示している。結局、無次元の圧力勾配は、
【００２７】
【外１１】
0004475703.tif 000009
となる。
【００２８】
この発明が重要な基礎とする構成は、軸方向の翼弦の長さに対する翼の高さの比により大部分定まる二次流れ損失を最小にすることにある。それ故、幾何学的な特性量、
【００２９】
【外１２】
0004475703.tif 000010
も考慮する必要があり、これは二次損失に対する特性量としても理解できる。
【００３０】
上に説明したように、段の負荷の上昇およびこれに関連する段数の減少はそれ事態の目的ではない。これに反して、ロータの長さを短くしてロータの振動を簡単に調整できる。その場合、振動特性はｚ・ｓaxとロータの面慣性モーメンで実質上与えられ、それ以外与えられた幾何学形状の場合には実質上ＤM2 で特徴付けられるロータの質量と曲げ長さの比に著しく依存する。従って、ロータの回転特性を記述する無次元量が定義される。即ち、
【００３１】
【外１３】
0004475703.tif 000011
Ｓ' はロータの剛性を何らかの方法で表す。
【００３２】
格子負荷が大きく損失の少ない、同時にロータ振動特性が望ましく生じるこの発明によるタービン翼を特徴付けるため、無次元の負荷量、損失量および振動量から、
【００３３】
【外１４】
0004475703.tif 000012
の形の量ＲＳＨ ("Relative Schaufelbelastungs-Hoehe" ; 相対翼負荷のレベル）が形成さえれる。ＫはＲＳＨを適当な量の程度に合わせるべき定数である。
【００３４】
羃指数Ａ，Ｂ，ＣとＤは、パラメータＲＳＨが段のエンタルピー転換が大きく、二次流損失が少ないこの発明による翼配列を翼弦の長さに対する翼の高さの大きな比により、最良に特徴付けできるように選択される。従って、
【００３５】
【外１５】
0004475703.tif 000013
を選ぶ。
【００３６】
羃指数の上記の選択は、同時に翼弦の長さに対する翼の高さの比が大きい場合に大きな周囲の作業に大きな重みを付けるために行われ、これはこの発明の核心を表す。次元を含む基礎量では、ＲＳＨが、
【００３７】
【外１６】
0004475703.tif 000014
として生じる。
【００３８】
当然圧力や幾何学データも強く変わるタービンを特徴付けるため、この発明によれば、
【００３９】
【外１７】
0004475703.tif 000015
【００４０】
【外１８】
0004475703.tif 000016
データは全ての翼の並びに対して積算されている。平均直径と翼の高さは翼の流出側でそれぞれ測定されているが、軸方向の翼弦の長さには最大のプロフィール長さの値をその都度使用する。選択された一定の係数を用いて、ＲＳＨはＳＩ基礎単位を使用して１の大きさの程度になる。
【００４１】
特性数ＲＳＨを用いて機械の翼配列を評価することをほぼ軸方向に並んだタービンの各々に付いて行うと効果的である。その場合、タービンは共通のハウジング内の流入部分と流出部分の間で交互に案内列と回転列として配置されている全ての翼として定義される。例えば、三重圧力設備の中間圧力タービのような、蒸気ターボの組の部分タービンも簡単に問題になる。
【００４２】
図２は最近作製されている通常のタービンが典型的となっているＲＳＨの範囲を示す。最近のガスタービンが典型的に動作するＲＳＨの範囲はＧＴで表してあり、0.1 より小さい。作製されている蒸気タービンはＤＴで表してある約 0.1〜0.7 の範囲内にある。この発明による高負荷のＨＲＳＨの翼配列を用いたタービンの作製は１より大きいＲＳＨとなる。
【００４３】
この発明の核心は、タービンの流入や流出の熱力学的なデータが予め与えられ、出力、物質流および回転数が予め与えられている場合、タービンのＲＳＨが１より大きくなるように翼の幾何学形状を設計することにある。これは、今までに作製されたタービンとは異なり、長くてほっそりとし同時に偏向の大きい翼を使用することによる。
【００４４】
この発明の重要な利点は、物質流に固有な出力が等しく、所定の圧力レベルであるなら段数と構造長が通常の構造様式より著しく小さい点にある。比較的小さなハブ直径で、反動度が小さい場合でもこの発明による大きな翼の高さにより、この発明による翼配列を使用し、大きな段のエンタルピー転換へ移行する場合でも損失が少なく低コストのドラム構造様式を維持できる。更に、軸方向の翼弦の長さに対する翼の高さの比が大きいことによりエンタルピー転換を伴う通常の翼配列で著しく上昇する二次流の損失を限界内に維持できる。
【００４５】
この発明によるＨＲＳＨの翼配列を使用する場合、翼の機械的や空気力学的な負荷が今まで実現されていない程度で許容限界にされるので、誤りのある設計が有害な結果とならないでいる指定された許容範囲が非常に狭く制限されることも指摘しておく。ＲＳＨの計算規則から明らかなように、偏向の大きい非常にほっそりとした翼を短い軸方向の流れ通路で実現する必要がある。この発明による翼配列は、成功裏に使用したいなら、設計時、特に機械的な翼負荷および空気力学的な流れ負荷を計算する時、現在最高で近い将来まで考えられないような規格を要求する。
【００４６】
図３はハブ部分の案内翼と回転翼の平面図を示す。この発明による翼を設計する場合、大きな流れ偏向γに努めても、周方向Ｕに対する流れ角度βを８°以上に有利に維持される。これは、案内翼βLEの流れ角度にも回転翼βLAの流れ角度にも当てはまる。これは、一方で格子流の回転を制限するのに有利であり、他方で流れ通路を過度に阻止しないためにも有利である。更に、翼配列ではハブ部分の領域で強い損失を発生する流れの剥離を防止するため、ハブ部分の案内翼と回転翼の最大偏向γLEとγLAをそれぞれ 150°以下に制限すると有利である。
【００４７】
【発明の効果】
以上、説明したように、冒頭の述べた種類の熱機関で大きな段のエンタルピー転換を小さな損失と組み合わせ、段に特有なエンタルピーの高転換度を持つ翼配列を提示でき、これにより、タービンの段数を減らし、全長および経費を節減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この図面は軸方向に並んだ４つの段を持つタービを例示的に示し、負荷パラメータＲＳＨを形成するのに重要な幾何学量を説明する。
【図２】  この図面は典型的なＲＳＨの範囲に基づく異なった機種を特徴付ける。
【図３】  この図面は案内翼と回転翼の偏向角度と流れ角度を例示的に説明する。
【符号の説明】
２０            タービンのシャフト
３０            タービンのハウジング
３１            流入部分
３２            流出部分
ｈ            翼の高さ
ｉ            翼の列の指数
ｐ0           タービンの流入圧力
ｐ1           タービンの流出圧力
ｓax          翼の軸方向の最大の翼弦の長さ
ｚ            段数
ＤM           翼の列の平均直径
Ｕ            周方向
βLE          周囲に対する案内翼の流れ角度
βLA          周囲に対する回転翼の流れ角度
γLE          周囲に対する案内翼の流れ偏向角度
γLA          周囲に対する回転翼の流れ偏向角度
【図１】
0004475703.tif 000020
【図２】
0004475703.tif 000021
【図３】
0004475703.tif 000022