(57)【要約】【課題】簡単な構造で、段落効率を低下させずに、ある特定の静翼後流周波数で動翼に作用する励振力を低減し、静翼後流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翼列構造を提供する。【解決手段】周方向に複数設けられた静翼３からなる静翼列と、該静翼の作動流体流れ方向の下流側に周方向に複数設けられた動翼４からなる動翼列とを有する段落を備えた軸流ターボ機械において、動翼前縁線１５における静翼後流ピッチ１４が不均一となるように、静翼列を構成する静翼３を、静翼後縁の軸方向位置が周方向で異なるように配置した。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に複数設けられた静翼からなる静翼列と、該静翼の作動流体流れ方向の下流側に周方向に複数設けられた動翼からなる動翼列とを有する段落を備えた軸流ターボ機械であって、
前記静翼列を構成する複数の静翼は、互いに静翼後縁位置を軸方向に所定の間隔だけずらして配置されていることを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項２】
請求項１記載の軸流ターボ機械であって、
前記静翼列は、隣り合う静翼の静翼後縁間隔および静翼スロート長さが全周で一定となるように、前記静翼を静翼後縁の軸方向位置によって異なる設置角で設置し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、軸流ターボ機械の静翼の翼列構造に関する。
【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、静翼間内を通過して、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、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後流周波数の流体励振力によって励振される。
【０００５】
静翼後流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、動翼が疲労破壊してしまう可能性がある。従来では、かかる動翼の疲労破壊を防止するために、定格回転速度における後流周波数と動翼固有振動数を離調させる設計が行われている。
【０００６】
離調設計では、静翼本数の調整により静翼後流周波数を変更して、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られるといった問題がある。
【０００７】
また、静翼後流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しているため、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、静翼後流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っているため、励振力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、特開平８−６１００２号公報（特許文献１）がある。
特許文献１では、ダイアフラムの円周方向に配設される静翼を３種類設けて、各静翼を異なるピッチにして、配列し、ダイアフラムに取り付けることにより、静翼後縁の蒸気流れの遅い部分によって生じる静翼後流が上記ピッチの違いによる振動数の混在したものとなり、一定周波数の静翼後流励振力が発生しないようにして、動翼の固有振動数と共振するのを防止したと記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−６１００２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では、段落効率が低下しないように、静翼の上流側より流入した作動流体が所定の角度で流出するように、同じ翼高さ断面では、全周で一定の静翼流出角になるように設計されるため、各静翼間でのスロート・ピッチ比も一定にしなければならない。
【００１２】
そのため、周方向に複数の異なるピッチで静翼を設置した場合、各静翼は異なった形状または設置角にして各静翼間でのスロート・ピッチ比を一定にする必要があり、静翼構造が複雑となる可能性がある。
【００１３】
すなわち、特許文献１では、異なるピッチを有する３種類の静翼を採用しているため、静翼構造が複雑となり製作コストが増大する可能性がある。
【００１４】
さらに、周方向に異なる静翼を異なるピッチで配置した場合には、静翼下流側で作動流体の流量が周方向で不均一になるためアンバランス流れとなり、段落効率の低下や静翼後流周波数とは別の周波数で振動問題が生じるといった課題があると考えられる。
【００１５】
そこで本発明は、簡単な構造で、段落効率を低下させずに、ある特定の静翼後流周波数で動翼に作用する励振力を低減し、静翼後流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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明は、周方向に複数設けられた静翼からなる静翼列と、該静翼の作動流体流れ方向の下流側に周方向に複数設けられた動翼からなる動翼列とを有する段落を備えた軸流ターボ機械において、静翼列を構成する複数の静翼は、互いに静翼後縁位置を軸方向に所定の間隔だけずらして配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、全静翼の翼形状が一定となる簡単な構造で、段落効率を低下させずに、ある特定の静翼後流周波数で動翼に作用する励振力を低減し、静翼後流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。
【００１８】
上記した以外の課題、構成及び効果には、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】
【００１９】
【図１】蒸気タービンの段落構造の例である。
【図２】一般的な静翼の翼列構造をタービン径方向から見た展開図の例である。
【図３】本発明に係る静翼の静翼列構造の例（実施例１）をタービン径方向から見た展開図である。
【図４】本発明の作用について説明する図である。
【図５】本発明の効果について説明する図である。
【図６】本発明に係る蒸気タービンの静翼列構造の例（実施例２）を半径方向から見た展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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にも適用可能である。
【実施例１】
【００２１】
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。
【００２２】
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で示した矢印は作動流体である蒸気の流れ方向、１６はロータ５の中心軸を各々示す。なお、方向の定義として、図面左から右に向かってタービン軸方向、下から上に向かってタービン径方向、手前から奥に向かって周方向となっている。
【００２３】
一般的な蒸気タービンは、円環状に組み立てられたダイアフラム外輪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、静翼列の作動流体の流れ方向下流側に、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。ダイアフラム外輪１は外周側でケーシング（図示せず）に固定されている。
また、動翼４の外周側は、一般的にシュラウドカバー６で連結され、固定されている。
【００２４】
静翼３は、静翼３の流れ方向上流側より流入する作動流体を整流し加速する役割を果たしている。静翼３によって加速された作動流体のエネルギが、動翼４によって回転エネルギに変換され、回転体であるロータ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、ロータ５の回転によって発電する。
【００２５】
図２は、一般的な静翼３の翼列構造をタービン径方向から見た展開図の例である。図２において、１０は静翼ピッチ、１１は静翼スロート、１２は静翼後縁線、１３は静翼後流、１４は静翼後流ピッチ、１５は動翼前縁線、１７は翼の設置角を各々示す。ここでいう静翼後縁線１２とは、各静翼３の後縁位置を結んだ線であり、動翼前縁線１５は、各動翼４の前縁位置を結んだ線である。また翼の設置角１７は、静翼３の前縁と後縁とを結んだ線とタービンの回転方向（周方向）との間の角度である。
【００２６】
図２では、全周３６０°に渡って所定数の静翼３を配置することで静翼列が構成されている。この静翼列では、軸方向上流側より流入した作動流体が、全周３６０°に渡って静翼列より所定の角度で流出するように、静翼ピッチ１０および静翼スロート１１は全周で一定となっている。また、各静翼３で静翼後縁の軸方向位置が一定であるため、静翼後縁線１２は周方向に直線な形状となっている。
【００２７】
つまり、各静翼３の下流側に形成される静翼後流１３も全周に渡って一定の角度で流出するため、動翼前縁線１５に到達した際の静翼後流ピッチ１４は全周で一定間隔となる。
【００２８】
一定間隔である静翼後流１３を動翼４が通過する周波数と、動翼４の固有振動数が一致して、動翼４に作用する励振力が大きい場合には、共振応答が増大し動翼４が疲労破壊する可能性があるため、静翼後流１３の周波数で作用する励振力を低減したいといった課題がある。
【００２９】
そこで、静翼後流周波数での励振力を低減できる、本実施例に係る静翼の翼列構造について説明する。
【００３０】
図３は、本実施例の静翼の翼列構造をタービン径方向から見た展開図の例である。
【００３１】
図３に示すように、本実施例は全周３６０°で同じ形状の静翼３を用いており、設置角をＡ、ＡＢ、Ｂ、ＢＡと４種類に変更したものを周方向に周期的に配列して、各静翼後縁の軸方向位置が、周方向で異なる翼列構造となっている。なお、アンバランス流れの影響を最小限に抑えるため、静翼ピッチ１０は全周で等間隔としている。
【００３２】
ここで、静翼後縁の軸方向位置を周方向で異ならせることと、各静翼３から前記作動流体７が所定の角度で流出できるようにすることを両立させて、段落効率への影響を最小限に抑えた構造とするには、各静翼スロート１１を所定の長さに保つ必要がある。そのためには、設置角が異なる静翼３を少なくても４種類用いる必要がある。
【００３３】
図３に示すように、設置角Ａの静翼３では、図上から図下の静翼３に移るにつれ、翼列内の軸方向最下流側に配置された静翼から翼列内の軸方向最上流側に配置された静翼に向かって、静翼後縁の軸方向位置が漸次上流側へ移動している。このとき、隣り合う静翼後縁の軸方向移動量を一定、つまり静翼後縁線１２の傾きが一定になるようにすれば、同じ設置角Ａの静翼３を用いるだけで、各静翼３の静翼スロート１１を一定の長さに保つことができる。よって、各静翼３の静翼後縁を軸方向に移動させつつ、各静翼３から作動流体が所定の角度で流出できるようにすることを両立することが可能となる。
【００３４】
続いて、上流側へ移動した静翼後縁の軸方向位置を、全周３６０°で元の軸方向位置に戻すには、設置角Ａの静翼３とは逆に、図上から図下の静翼３に移るにつれ、翼列内の軸方向最上流側に配置された静翼から翼列内の軸方向最下流側に配置された静翼に向かって、静翼後縁の軸方向位置が漸次下流側へ移動するような構造にする必要がある。この際に、各静翼３から作動流体が所定の角度で流出できるようにするには、設置角Ａとは異なる設置角Ｂの静翼３を用いる必要がある。また、設置角Ａと設置角Ｂが切り替わる静翼３で、設置角ＡＢ、ＢＡの静翼３を用いるため、合計４種類の設置角が異なる静翼３が必要となる。設置角ＡＢは、設置角Ａの静翼から設置角Ｂの静翼への切り替えを滑らかに行うために設定される角度であり、設置角ＡとＢのバランスで決まる角度である。また同様に設置角ＢＡも設置角Ｂの静翼から設置角Ａの静翼への切り替えを滑らかに行うために設定される角度であり、設置角ＡとＢのバランスで決まる角度である。
【００３５】
ここで、本実施例では、全周３６０°で設置角が異なる静翼３が、Ａ→ＡＢ→Ｂ→ＢＡ→Ａと１周期で配列されているが、例えばＡ→ＡＢ→Ｂ→ＢＡ→Ａ→ＡＢ→Ｂ→ＢＡ→Ａであるように複数周期で配列されても構わない。また、設置角が異なる静翼３を４種類用いたが、必ずしも４種類である必要はない。
【００３６】
図４は、本実施例の作用について説明した図である。
【００３７】
本実施例の静翼構造では、各静翼３において静翼後縁の軸方向位置が、周方向で異なる構造となっているため、図４に示すように、静翼後縁の軸方向位置が全周で一定となる静翼構造に比べて、動翼前縁線１５での静翼後流１３が周方向にズレてることがわかる。
【００３８】
つまり、本実施例では、動翼４へ流入する静翼後流１３において、静翼後流ピッチ１４が静翼後縁の軸方向位置が全周で一定となる静翼構造とは異なるため、静翼後流ピッチ１４から算出される静翼後流周波数も複数存在することになる。
【００３９】
次に、本実施例の効果について説明する。図５は、周波数に対する静翼後流１３の速度振幅について、従来の静翼構造と本実施例の静翼構造を比較したものを示している。なお、本実施例については、静翼後縁の軸方向移動量を小、中、大の三段階に変化させた場合の結果について比較している。
【００４０】
図５で示すように、静翼後縁の軸方向位置を移動させない従来の静翼構造では、静翼後流周波数のみで速度振幅が大きくなっている。これに対して、軸方向位置を移動させる本実施例の振幅は、移動量を大きくする程、静翼後流周波数での速度振幅が減少して、他の周波数成分でも速度振幅が生じている。
【００４１】
ここで、静翼後流周波数での静翼後流１３の速度振幅が減少すれば、動翼４に作用する励振力も減少するため、本実施例の静翼構造を用いることで、静翼後流周波数と動翼固有振動数と一致した場合でも、共振応答を小さくできるといった効果がある。
【００４２】
また、本実施例によれば、スロート・ピッチ比は一定であり、静翼下流側で作動流体の流量が周方向で均一化を図ることができ、アンバランス流れを抑制して段落効率の低下を抑制できるとともに、同一形状の静翼を用いることができるので製作コストも低くできる。
【００４３】
よって、翼列に用いられる静翼の翼形状が同一となる簡単な構造で、段落効率の低下も抑制しつつ、ある特定の静翼後流周波数で動翼に作用する励振力を低減し、静翼後流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。
【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、隣り合う静翼後縁の軸方向移動量を一定としない本実施例の静翼構造を示した図である。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、静翼後縁の軸方向位置が、周方向で異なる静翼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。しかし、実施例１と異なる点は、隣り合う静翼後縁の軸方向移動量を一定としていないため、静翼後縁線１２の傾きが一定ではない形状となる点である。
【００４６】
ここで、段落効率の低下を最小限に抑えるには、実施例１と同様に、各静翼３で静翼スロート１１の長さを調整して、作動流体７が所定の角度で流出できるようにする必要がある。
【００４７】
本実施例では、静翼ピッチ１０が一定で、且つ静翼後縁の軸方向移動量が一定でないため、実施例１のように、同じ設置角の静翼３を隣り合うように配列しただけでは、静翼スロート１１の長さを一定に保つことができない。
【００４８】
静翼スロート１１の長さを一定に保つには、各静翼３の形状を異ならせるか、各静翼３の設置角を変更する必要があるが、各静翼３の形状を変更すると、静翼３の下流側でアンバランス流れが生じる可能性があるため、本実施例では、各静翼３の設置角を変更した静翼構造となっている。
【００４９】
しかし、隣り合う静翼後縁の軸方向移動量が大きすぎると、静翼３の設置角を大幅に変更する必要があるだけでなく、静翼スロート１１が翼の上流側に移動するため、性能が低下する恐れがあり望ましくない。
【００５０】
よって、静翼後縁の軸方向移動量としては、前記静翼後流ピッチ１４の間隔が不均一になるように、一般的な軸流ターボ機械の静翼製造公差よりも大きくして、且つ静翼スロート１１が静翼３の上流側に移動し過ぎないような範囲内で収まることが望ましい。
【００５１】
本実施例の利点としては、静翼後縁の軸方向移動量が一定でないため、実施例１に比べて、より多くの異なる前記静翼後流ピッチ１４が形成されるため、静翼後流周波数も多くの周波数にバラつかせることができる。
【００５２】
つまり、実施例１よりも、静翼後流周波数での静翼後流１３の速度振幅が減少するため、動翼４に作用する静翼後流周波数での励振力をより減少させることが可能となる。
【００５３】
また、周方向に複数の異なるピッチで静翼を設置している公知例と比較して、本実施例では、各静翼３の形状が同形状であるため、静翼３の前記作動流体７の下流側でのアンバランス流れを抑制することができるため、性能低下を最小限に抑えることができるだけでなく、製造しやすいといった利点がある。
【００５４】
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、全ての静翼３において、静翼後縁の軸方向位置が異なる構造となっているが、必ずしも全ての静翼で異なる必要はなく、周方向のある領域では静翼後縁の軸方向位置を同じにして、違う領域では実施例１の図３のように静翼後縁の軸方向位置を異ならせるといった、複合構造でも構わない。要は静翼後縁の軸方向位置が異なる静翼３が少しでも含まれれば効果がある。
【００５５】
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】
【００５６】
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
１０  静翼ピッチ
１１  静翼スロート
１２  静翼後縁線
１３  静翼後流
１４  静翼後流ピッチ
１５  動翼前縁線
１６  ロータの中心軸
【図１】
2013177816.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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