(57)【要約】【課題】簡単な構造で、動翼根元側と動翼先端側の静翼後流周波数を異ならせることで、ある特定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力を小さくできる静翼構造を提供する。【解決手段】ケーシング内に固設される静翼列３とロータに固定される動翼列４とを組み合わせた段落構造を備える軸流ターボ機械であって、動翼列４の作動流体流れ方向上流側に設置される静翼列３を構成する静翼が、半径方向の先端側と根元側で翼枚数が異なる構造であることを特徴とする軸流ターボ機械。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止部に周方向に複数枚固定された静翼と、該静翼の作動流体流れ方向下流側に対向して、ロータに周方向に複数枚固定された動翼とからなる段落を有する軸流ターボ機械であって、
前記段落は、前記静翼の枚数が半径方向先端側と根元側とで異なる静翼列構造を有す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において、
前記静翼列構造は、翼列を半径方向に二分する分割板と、該分割板の半径方向内周側に設置される第１の静翼と、前記分割板の半径方向外周側に設置される第２の静翼とを有し、前記第１の静翼と前記第２の静翼の枚数とが異なることを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項３】
請求項２記載の軸流ターボ機械において、
前記静翼列構造は、静翼列全周のうちの一部にのみ用いられていることを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項４】
請求項２または３記載の軸流ターボ機械において、
前記分割板は、翼列の半径方向中間部より翼の先端側に設けられていることを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項５】
請求項１記載の軸流ターボ機械において、
前記静翼列構造は、翼高さ位置中央部より外周側で、半径方向根元側から先端側に向って分岐する静翼で構成されていることを特徴とする軸流ターボ機械。
【請求項６】
請求項１記載の軸流ターボ機械において、
前記静翼列構造は、半径方向根元側から先端側に向って二枚の翼を一枚に統合してなる静翼で構成され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段落構造を有する。
【０００３】
静翼の上流側から流入した作動流体は、静翼内で整流され、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後流が形成される。
【０００４】
ここで、軸流ターボ機械の軸周りの静翼後流数は静翼枚数と一致するため、動翼がタービン軸周りを一周する間に静翼枚数分だけ静翼後流を通過する。このとき動翼は、回転周波数と静翼枚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】
そして、この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静翼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】
しかしながら、多段落構造を採用する軸流ターボ機械では、段落初段から最終段にかけ、翼長や翼弦長の異なる動翼が採用されるため、全ての段落で動翼固有振動数が異なる。
【０００７】
また、起動時などの特殊な運転条件下では回転数が異なるが、設計では定格回転数近傍でのみ共振回避をしているため，全ての運転条件下で静翼後流周波数と動翼固有振動数を離調させることは難しく、静翼後流周波数と動翼固有振動数が一致した場合の動翼に作用する共振応力を低減することも設計課題の一つとなっている。
【０００８】
本技術分野の従来技術として、特開平１１−２００８０８号公報（特許文献１）がある。この従来技術には、円形断面の外側ケーシングと内側ケーシングとの間を全周にわたって静翼を配列し、前記静翼の後流側に配列された動翼内へ流入する圧縮を行う空気流れを制御するようにした圧縮機静翼において、前記静翼の周方向の配列が不等ピッチでなされている圧縮機静翼が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−２００８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記従来技術には、円形断面の外側ケーシングと内側ケーシングとの間を全周にわたって静翼を配列し、前記静翼の後流側に配列された動翼内へ流入する圧縮を行う空気流れを制御するようにした圧縮機静翼において、前記静翼の周方向の配列が不等ピッチでなされている圧縮機静翼が記載されている。
【００１１】
しかしながら、一般的な蒸気タービンでは、作動流体の静翼流出角が周方向で一定になるよう設計されるため、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。そのため、静翼の周方向の配列が不等ピッチである場合、各静翼は異なった形状または設置角とする必要があり、静翼構造が複雑となる可能性がある。
【００１２】
また、特許文献１には、静翼の周方向の配列に設ける不等ピッチは、空気流路の上半部と下半部とでピッチをそれぞれ変えるようにしたものが製作上から好ましいと記載されている。
【００１３】
不等ピッチ領域を上半部と下半部の二領域にすることで製作上好ましくはなるが、静翼後流周波数が二つの周波数に偏ってしまうため、当該周波数における動翼に作用する励振力が大きい場合は、逆に離調しなければならない周波数を増加させる可能性がある。
【００１４】
以上のように、静翼のピッチを周方向で変化させる構造では、特定周波数で動翼に作用する励振力を低減できるが、励振力の低減に対応して静翼構造も複雑になるといった課題がある。
【００１５】
そこで本発明は、簡単な構造で、動翼根元側と動翼先端側の静翼後流周波数を異ならせることで、ある特定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力を小さくできる静翼構造を提供する。
【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、静止部に周方向に複数枚固定された静翼と、該静翼の作動流体流れ方向下流側に対向して、ロータに周方向に複数枚固定された動翼とからなる段落を有する軸流ターボ機械であって、その段落は、静翼の枚数が半径方向先端側と根元側とで異なる静翼列構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、簡単な構造で、動翼根元側と動翼先端側の静翼後流周波数を異ならせることができるため、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でき、静翼後流周波数と動翼固有振動数が一致した場合の共振応力を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る軸流ターボ機械の段落構造の例である。
【図２】一般的な蒸気タービンの静翼円環を軸方向から見た例である。
【図３】本発明を静翼に適用した実施例（実施例１）を軸方向から見た例である。
【図４】本発明を静翼に適用した実施例（実施例２）を軸方向から見た例である。
【図５】本発明を静翼に適用した実施例（実施例３）を軸方向から見た例である。
【図６】本発明を静翼に適用した実施例（実施例４）を軸方向から見た例である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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】
【００２０】
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。
【００２１】
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を示した概略図である。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は静翼列、４は動翼列、５はロータ、６はシュラウドカバー、２０で示した矢印は作動流体である蒸気の流れ方向を各々示す。
【００２２】
蒸気タービンは、ケーシングや、ダイアフラム外輪１、ダイアフラム内輪２といった静止部と、タービンロータとそれに付属する部品からなる回転部を有する。
【００２３】
静翼列３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を固定して形成される。動翼列４は、回転体であるロータ５のディスク部に周方向に複数枚の動翼を固定して形成される。動翼列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】
蒸気タービンの段落構造は、ダイアフラム外輪１とダイアフラム内輪２の間に環状流路を形成する静翼列３と、静翼列３の作動流体２０の流れ方向下流側に設置される動翼列４とを、一列ずつ組み合わせて一つの段落を形成している。
【００２５】
一般的な蒸気タービンは、静翼列３と動翼列４を組み合わせた段落が、タービン軸方向に複数設けられた多段落構造となっており、段落数は設計条件により決定される。
【００２６】
ここで静翼列３の役割としては、静翼列３の流れ方向上流側より流入する作動流体２０を整流し加速する役割を果たしており、静翼列３によって加速された作動流体２０のエネルギが、動翼列４によって回転エネルギに変換され、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。
【００２７】
図２は、一般的な蒸気タービンの静翼円環の例を軸方向から見た例である。ダイアフラム外輪１とダイアフラム内輪２が形成する円環の全周３６０°に渡って所定数の静翼７を配置することで前記静翼列３を構成している。
【００２８】
なお、静翼列３を構成する静翼７の枚数は、翼長が短く動翼固有振動数が静翼後流周波数に近い段落では、静翼後流周波数と動翼固有振動数が一致しないように静翼７の枚数が決定される。
【００２９】
蒸気タービンの静翼構造は、図２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に静翼７が固定された構造となっているため、ダイアフラム外輪１からダイアフラム内輪２に向けて一つの構造体となっている。
【００３０】
また、一般的には半径方向断面での各静翼間のピッチ角は一定のため、前記静翼列３の下流側を回転する前記動翼列４を励振する静翼後流周波数は、根元から先端まで一定となる。そのため、静翼後流周波数と動翼固有振動数が一致した場合は、動翼の根元から先端まで励振され、共振応力が大きくなるといった課題がある。
【００３１】
本実施例に係る蒸気タービンの静翼構造の説明に戻る。
【００３２】
図３は、本実施例の静翼構造を軸方向から見た図である。
【００３３】
図３に示すように、本実施例では、ダイアフラム外輪１とダイアフラム内輪２の間に環状流路を形成する静翼列３に、ダイアフラム内輪２（翼根元側）からダイアフラム外輪１（翼先端側）に向かって半径方向中間部よりダイアフラム外輪１に近い断面に、環状の分割板１０が設置された構造となっている。本実施例では、分割板１０によって、静翼列が半径方向に二つに区分けされている。
【００３４】
分割板１０の半径方向内周側で、ダイアフラム内輪２と分割板１０との間に環状流路を形成する静翼列を構成する第一静翼８を設けている。一方、分割板１０の半径方向外周側で、ダイアフラム外輪１と分割板１０の間には、環状流路を形成する静翼列を構成する第二静翼９を設けている。
【００３５】
分割板１０を設置することで、ダイアフラム内輪２と分割板１０の間に環状流路を形成する静翼列を構成する第一静翼８と、ダイアフラム外輪１と分割板１０の間に環状流路を形成する静翼列を構成する第二静翼９を別構造としている。
【００３６】
図３に示すように本実施例では、第一静翼８と第二静翼９を別構造とすることで、第一静翼８の翼枚数と、第二静翼９の翼枚数が異なった構造としている。これにより本実施例の静翼列構造は、静翼の枚数が半径方向先端側と根元側とで異なる静翼列構造となる。
【００３７】
本実施例によると、ダイアフラム内輪２と分割板１０の間に環状流路を形成する静翼列を構成する第一静翼８とダイアフラム外輪１と分割板１０の間に環状流路を形成する静翼列を構成する第二静翼９の翼枚数が異なり、前記第一静翼８および第二静翼９が構成する静翼列の下流側に設置される動翼を励振する静翼後流周波数が、第一静翼８の下流側に位置する動翼根元側と第二静翼９の下流側に位置する動翼先端側で異なる周波数になる。
【００３８】
よって、第一静翼８が設置されている根元側での静翼後流周波数と動翼固有振動数が一致した場合でも、第二静翼９が設置されている先端側での静翼後流周波数は異なるため、動翼の先端側での励振力を抑制することができ、共振応力を小さくできるといった効果がある。
【００３９】
また、第二静翼９が設置されている先端側での静翼後流周波数で共振した場合も同様の効果が得られる。
【００４０】
本実施例によれば、動翼根元側と動翼先端側の静翼後流周波数を異ならせることができるため、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でき、静翼後流周波数と動翼固有振動数が一致した場合の共振応力を小さくすることができる。
【００４１】
また、第一静翼８、第二静翼９は、それぞれ全周にわたって同じ形状の翼を用いることができるため、構造としても簡易である。全周にわたって同じ形状の翼を用いることができる点で、本実施例は特に、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蒸気タービンに好適である。
【実施例２】
【００４２】
次に本発明の第２の実施例について説明する。
【００４３】
図４は、実施例１で述べた分割板１０の設置位置を、前記静翼列３の全周のうち、一部に適用した例である。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。
【００４４】
図４では、ダイアフラム外輪１とダイアフラム内輪２の間に環状流路を形成する前記静翼列３の一部に分割板１０を設置することで、ダイアフラム内輪２に固定された第一静翼８と、ダイアフラム外輪１に固定された第二静翼９に分割している。
【００４５】
第一静翼８と第二静翼９を別構造とすることで、図４に示すように分割板１０を設置した領域では、第一静翼８の翼枚数と、第二静翼９の翼枚数が異なる構造となる。
【００４６】
なお、分割板１０を設置しない領域では、ダイアフラム内輪２からダイアフラム外輪１に向かって、静翼７は一体構造となる。
【００４７】
本実施例によると、ダイアフラム内輪２に固定された第一静翼８および静翼７を足し合わせた翼枚数とダイアフラム外輪１に固定された第二静翼９および静翼７を足し合わせた翼枚数が異なるため、先に説明した実施例１と同様に動翼を励振する静翼後流周波数が根元側と先端側で異なる周波数になる。
【００４８】
また、実施例１の効果に加えて、前記静翼列３を半径方向で分割する領域を限定しているため、実施例１に比べて分割板１０の設置面積が小さくなり、分割板１０による摩擦損失を低減できるといった利点がある。
【実施例３】
【００４９】
次に本発明の第３の実施例について説明する。
【００５０】
図５は、ダイアフラム内輪２に固定された静翼７を、半径方向のダイアフラム外輪１に近い断面で分岐した例である。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。
【００５１】
図５に示すように本実施例では、ダイアフラム内輪２に固定された静翼７が、翼高さ位置中央部より外周側のダイアフラム外輪２に近い半径方向断面で、半径方向根元側から先端側に向って分岐して、分岐翼１１を設けた構造となっている。
【００５２】
本実施例によると、静翼７を分岐して分岐翼１１を設けることで、ダイアフラム内輪２に固定される静翼７の翼枚数と、ダイアフラム外輪１に固定される静翼７および分岐翼１１を足し合わせた翼枚数を異ならせることができるため、先に説明した実施例と同様の効果が得られる。
【００５３】
また、先に説明した実施例に比べて、前記分割板１０を設置していないため、分割板１０による摩擦抵抗を完全に抑制できるといった利点がある。
【実施例４】
【００５４】
次に本発明の第４の実施例について説明する。
【００５５】
図６は、ダイアフラム内輪２に固定された二枚の静翼７を、半径方向断面で一枚の静翼７に統合した構造の例である。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。
【００５６】
図６では、ダイアフラム内輪２に固定された二枚の静翼７が、ダイアフラム内輪２（翼根元側）からダイアフラム外輪１（翼先端側）に向かって統合し一枚の静翼７となる構造である。
【００５７】
本実施例によると、静翼７を統合することでダイアフラム内輪２に固定される静翼７の翼枚数とダイアフラム外輪１に固定される静翼７の翼枚数を異ならせることができるため、先に説明した実施例と同様の効果が得られる。
【００５８】
また、実施例３に比べて、根元側で静翼７を二枚で支持する構造となるため、剛性の高い静翼構造となる。
【００５９】
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２の図４では、前記静翼列３を分割した領域が軸周りに対象構造となっているが、必ずしも対象構造である必要はない。
【００６０】
また、図４では、分割領域が二領域となっているが、必ずしも二領域に限定するものではない。
【符号の説明】
【００６１】
１  ダイアフラム外輪
２  ダイアフラム内輪
３  静翼列
４  動翼列
５  ロータ
６  シュラウドカバー
７  静翼
８  第一静翼
９  第二静翼
１０  分割板
１１  分岐翼
２０  作動流体
【図１】
2013047461.tif 000003
【図２】
2013047461.tif 000004
【図３】
2013047461.tif 000005
【図４】
2013047461.tif 000006
【図５】
2013047461.tif 000007
【図６】
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