(57)【要約】【課題】回転摩擦損失を低減することができるとともに、流れの広がり角の変動に対してロバスト性を有し、性能向上と開発コストの低減を図ることのできる動翼及び軸流タービンを提供する。【解決手段】軸流タービンのタービン回転軸に、当該タービン回転軸の周方向に沿って複数配設される動翼であって、根元から先端に亘り延在する翼部と、前記翼部の先端に配設され、前記タービン回転軸に沿った軸方向における断面形状が、前記翼部との境界部を１つの頂点とした略三角形状のカバーとを具備している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流タービンのタービン回転軸に、当該タービン回転軸の周方向に沿って複数配設される動翼であって、
根元から先端に亘り延在する翼部と、
前記翼部の先端に配設され、前記タービン回転軸に沿った軸方向における断面形状が、前記翼部との境界部を１つの頂点とした略三角形状のカバーと
を具備したことを特徴とする動翼。
【請求項２】
請求項１記載の動翼であって、
前記カバーの、前記翼部との境界部と対抗する面以外の少なくとも１つの面が凹面状に形成されていることを特徴とする動翼。
【請求項３】
請求項１又は２記載の動翼であって、
前記カバーの、前記翼部との境界部と対抗する面が傾斜面とされていることを特徴とする動翼。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか１項記載の動翼であって、
前記カバーが、前記翼部の周方向に沿って前記翼部の外周全域を覆うように形成されていることを特徴とする動翼。
【請求項５】
タービン回転軸に、当該タービン回転軸の周方向に沿って配設された複数の動翼を具備した軸流タービンであって、
前記動翼は、
根元から先端に亘り延在する翼部と、
前記翼部の先端に配設され、前記タービン回転軸に沿った軸方向における断面形状が、前記翼部との境界部を１つの頂点とした略三角形状のカバーと
を具備し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】
本発明の実施形態は、動翼及び軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から蒸気等が軸方向に流れる軸流タービンが、発電などに利用されている。図９は、一般的な軸流タービンを構成する静翼翼列及びは動翼翼列を模式的に示す図であり、図１０は、図９に示される従来技術におけるカバー１０の構成を模式的に示す図である。なお、図１０において、図１０（ａ）は、図９における矢印Ｄ方向から見たカバー１０の上面構成を示しており、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるＥ−Ｅ断面構成、図１０（ｃ）は、図１０（ａ）におけるＦ−Ｆ断面構成、図１０（ｄ）は、図１０（ａ）におけるＧ−Ｇ断面構成を示している。
【０００３】
図９に示すように、ダイアフラム内輪６とダイアフラム外輪７との間に、静翼４が周方向に沿って複数枚（図９には１枚のみ示す。）配設されている。また、タービン回転軸（タービンロータ）に設けられた動翼植込み用のロータディスク８に、動翼５が周方向に複数枚（図９には１枚のみ示す。）配設されている。軸流タービンは、このような静翼翼列及び動翼翼列で構成される段落が複数連なって構成されている。
【０００４】
各段落では、蒸気３の入口側の圧力をＰ１とすると、静翼４を通過することで圧力がＰ２に減少し、膨張して体積を増すと同時に蒸気流出方向をタービン回転方向に転向することで周方向の速度エネルギーに変換される。周方向の速度エネルギーは、動翼５で反回転方向に転向させられることによる反力と、同時に圧力をＰ３に低減することで更に膨張し流出速度を増すことによる反力によって回転トルクに変換される。
【０００５】
この時、静止側と回転側に、ある程度の隙間を設けることは構造上必須であるが、そのために図９に示すように蒸気３の流れの一部はダイアフラム外輪７と回転する動翼５との間の隙間９を通過する。隙間９を通過する蒸気３は、動翼５で仕事をすることも無く損失となる。この漏れ蒸気量を低減するため、動翼５の先端は、周方向に沿ってカバー（シュラウド）１０で覆うと共に、周方向に連続なシールフィン１１を設置した構成とすることが望ましい。
【０００６】
蒸気体積が大きくなる低圧タービン、特にその最終段落では、動翼５の出口において蒸気が有する排気速度Ｖを次段落で活用することができず、Ｖ２／２に比例した運動エネルギーが全て損失（以下、排気損失と言う。）となる。したがって、排気損失を低減し低圧タービンを高性能化するためには、動翼５の出口に形成される環状流路の面積を大きし、同一蒸気量に対する排気速度Ｖを減少させることが有効である。
【０００７】
環状流路の面積を拡大するためには、動翼５の外周径を大きくする必要があり、動翼５の先端の周速度Ｕ（図１０参照。）は上昇する。近年の長翼では、動翼５の先端の周速度Ｕは音速を超えるため、翼根元に巨大な遠心力１２が掛かる。この遠心力１２を低減するためには、動翼５の翼型の軽量化が必要とされる。それにも増して、回転周速度が最速となる動翼５の先端部のカバー１０は最も遠心力への影響が大きいため、体積低減による軽量化が望まれる。
【０００８】
動翼５の外周の隙間９からの蒸気の漏洩低減のためには、動翼５の先端部のカバー１０の形状は、全周に亘り連続なシールフィン１１を設置可能な形状とすることが望まれる。また、カバー１０は、高速回転時には遠心力により動翼５が図１０（ａ）に示す矢印１５の方向に捻じれることによって、隣接する動翼５のカバー１０と端面にて接触し、発生する摩擦力により、運転時における動翼群の振動を抑える重要な役割を担っている。
【０００９】
流体設計の面では、カバー１０の遠心力が問題になるような流路外径の大きい低圧タービンにおいては、体積膨張に合わせた流路の広がり角度θも大きくなる。特に低圧最終段落では、次段落が無く、ディフューザ１３に蒸気が導かれ、流れが減速される為に、剥離が起きやすくなる。したがって、性能劣化を防ぐためには、動翼５の先端部の流路形状が重要となる。        
【００１０】
従来においては、遠心力低減の為の軽量化と、全周に渡るシールフィン１１の設置とを両立させるため、図１０（ａ）に示すように、動翼５（翼部）の先端（外周）の前後縁端部のみを覆う部分的なカバー１０を採用する設計となっている。また、図１０（ｂ）、（ｄ）に示すように、カバー１０は、タービン回転軸に沿った断面の形状が略矩形状になっており、カバー１０下部の動翼５（翼部）との境界部（接続部）には、動翼５（翼部）の面との境界部での局所応力低減の為に、すみ肉１６の設置が必須となる。
【００１１】
上記のように、動翼５の先端（外周）の前後縁端部のみを覆う部分的なカバー１０を用いた場合、カバー１０は、例えば、Ｆ−Ｆ断面においては、側方（軸方向）に突出する部分が無く、Ｅ−Ｅ断面及びＧ−Ｇ断面においては、側方（軸方向）に突出する部分があるため、その幅Ｗが周方向に沿って変化し、図１０（ａ）に示すように、動翼５の周方向に沿って凹凸が有る構造となる。このため、高速回転時の回転摩擦損失が増大するという課題があった。また、カバー１０が部分的であることにより、十分に動翼５の先端部の外周側への蒸気の広がり流れ１４（図９参照。）をガイドできないという課題があった。
【００１２】
このため、動翼の先端のカバー（シュラウド）の下流端に、シュラウドテールと呼ばれるガイドを設置して、外周流れをガイドする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、特に動翼先端の周速が音速を超える巨大な遠心力場では、カバーの重量が増すような施策をとれないことが多く、このようなシュラウドテールを設けることも難しい。
【００１３】
さらに、動翼の全周に亘ってカバーを設けることが強度上可能であったとしても、蒸気の流れの傾斜角に合うように、カバーを傾斜させる設計を志向すると、上流側の広がり角や下流の次段ノズル又はディフューザへ導かれる流れ角の変更に伴い、一度決定したカバーの傾斜角が逆に流れを阻害するため、カバーの再設計が必要となる場合がある。さらにまた、蒸気タービンの低圧最終段落に代表されるような長翼においては、流体性能以外にも、カバー部の重量も考慮した振動特性や材料強度の制約の中で極限の設計が求められる。そして、カバー角度の変更は、重量バランスや振動特性の変化を伴うため、カバー角度の変更の都度、構造的な再評価を行わなければならないという課題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１２−８２８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記従来の事情に対処してなされたもので、回転摩擦損失を低減することができるとともに、流れの広がり角の変動に対してロバスト性を有し、性能向上と開発コストの低減を図ることのできる動翼及び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】
【００１６】
実施形態の動翼は、軸流タービンのタービン回転軸に、当該タービン回転軸の周方向に沿って複数配設される動翼であって、根元から先端に亘り延在する翼部と、前記翼部の先端に配設され、前記タービン回転軸に沿った軸方向における断面形状が、前記翼部との境界部を１つの頂点とした略三角形状のカバーとを具備している。
【００１７】
実施形態の軸流タービンは、タービン回転軸に、当該タービン回転軸の周方向に沿って配設された複数の動翼を具備した軸流タービンであって、前記動翼は、根元から先端に亘り延在する翼部と、前記翼部の先端に配設され、前記タービン回転軸に沿った軸方向における断面形状が、前記翼部との境界部を１つの頂点とした略三角形状のカバーとを具備している。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態の軸流タービンの鉛直方向の子午断面構成を模式的に示す図。
【図２】図１の軸流タービンのカバーの概略構成を示す図であり、（ａ）は上面構成、（ｂ）はＡ−Ａ断面構成、（ｃ）はＢ−Ｂ断面構成、（ｄ）はＣ−Ｃ断面構成を示す。
【図３】カバーの構成を説明するための図。
【図４】カバーの構成を説明するための図。
【図５】（ａ）は広がり角度と段落効率の関係を示すグラフ、（ｂ）、（ｃ）は広がり角度を説明するための図。
【図６】広がり角度と段落効率向上量の内訳の関係を示すグラフ。
【図７】カバーの他の構成例の概略構成を示す図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、夫々図２のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面に相当する部分の構成を示す。
【図８】カバーの他の構成例の概略構成を示す図であり、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、夫々図２のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面に相当する部分の構成を示す。
【図９】軸流タービンを構成する静翼翼列及びは動翼翼列を模式的に示す図。
【図１０】従来技術におけるカバーの概略構成を示す図であり、（ａ）は上面構成、（ｂ）はＥ−Ｅ断面構成、（ｃ）はＦ−Ｆ断面構成、（ｄ）はＧ−Ｇ断面構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施形態の動翼及び軸流タービンの詳細を、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、実施の形態の軸流タービン１００の鉛直方向の子午断面を示す図である。なお、ここでは、低圧蒸気タービンを例示して説明する。
【００２１】
図１に示すように、軸流タービン１００は、ケーシング２０を備え、このケーシング２０内には、タービンロータ（タービン回転軸）２１が貫設されている。タービンロータ２１には、ロータディスク２１ａが形成され、このロータディスク２１ａに、複数の動翼２２が周方向に植設され、動翼２２に挟まれた翼間流路を形成している。複数の動翼２２を周方向に備えた動翼翼列は、タービンロータ２１の軸方向に複数段構成されている。なお、タービンロータ２１は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。
【００２２】
ケーシング２０の内周には、ダイアフラム外輪２３が設置され、このダイアフラム外輪２３の内側には、ダイアフラム内輪２４が設置されている。また、ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間には、周方向に複数の静翼２５が配置され、静翼翼列を構成している。この静翼翼列は、タービンロータ２１の軸方向に動翼翼列と交互に複数段備えられている。そして、静翼翼列と、その直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。
【００２３】
ダイアフラム外輪２３とダイアフラム内輪２４との間には、主蒸気が流れる環状の蒸気通路２９が形成されている。タービンロータ２１とケーシング２０との間には、蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドシール部２６が設けられている。また、タービンロータ２１とダイアフラム内輪２４との間には、この間を蒸気が下流側へ通過するのを防止するために、シール部２７が設けられている。
【００２４】
また、軸流タービン１００には、クロスオーバ管２８からの蒸気を軸流タービン１００の内部に導入するための蒸気入口管（図示せず。）がケーシング２０を貫通して設けられている。最終段のタービン段落の下流側には、タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気通路（図示せず。）が設けられている。この排気通路は、ディフューザを有し、復水器（図示せず。）に連通されている。
【００２５】
動翼２２は、翼根元から翼先端に亘って延在する翼部２００と、翼部２００の先端に形成されたカバー２０１とを具備する。また、翼根元よりも半径方向内側には、動翼２２をロータディスク２１ａに取り付けるための翼植込部（図示せず。）が形成されている。動翼２２の翼植込部は、ロータディスク２１ａに形成された植込溝に嵌め込まれピン等によって固定されている。
【００２６】
次に、図２、図３を参照して動翼２２、特に動翼２２のカバー２０１の構成について説明する。図２において、図２（ａ）は、隣接する２つの動翼のカバー２０１が当接された状態を示す上面図である。また、図２において、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）は、夫々図２（ａ）に示すカバー２０１のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面の形状を示している。
【００２７】
ここで、近年の長翼化に伴い、動翼２２の先端の周速度Ｕは超音速となり、相対流入マッハ数Ｍ１及び流出マッハ数Ｍ２も１を超える設計が一般的になってきた。遷音速（入口亜音速、出口超音速）または超音速（出入口超音速）翼型においては一般的に板状の翼となり、最も流路幅が狭いスロートＳに対して、流入端から若干スロート位置に向かって流路を絞って下流で拡大する、コンバージェント−ダイバージェント翼型が使用される。
【００２８】
図２（ａ）に示すように、カバー２０１は、翼部２００の先端の周方向に沿ってその全体を覆うように配設されている。カバー２０１は、翼部２００の先端の周方向に沿って略同一幅（Ｗ）で形成されており、翼部２００の前縁側の端部には、翼部２００の形状に沿って周方向に突出する突出部２０１ａが形成されている。一方、後縁側の端部には、突出部２０１ａと嵌合可能な形状の切欠き部２０１ｂが形成された形状となっている。そして、隣接するカバー２０１の突出部２０１ａと切欠き部２０１ｂとが嵌合し端面同士が当接する構造となっている。したがって、カバー２０１は、動翼２２の周方向に沿って、凹凸が無い形状となっている。また、カバー２０１の上には、全周に亘り周方向に沿ってシールフィン２０２が形成されている。
【００２９】
図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）に示すように、軸流タービン１００の軸方向におけるカバー２０１の断面は、翼部２００の先端との境界部２０１ｃを１つの頂点とした略三角形状となっている。すなわち、軸流タービン１００の軸方向におけるカバー２０１の断面は、翼部２００の先端との境界部２０１ｃから、当該境界部２０１ｃと対向する外側面２０１ｄに向けて徐々に広がる形状となっている。なお、翼部２００とカバー２０１とは、例えば、１つの材料から削り出しによって製造することができる。
【００３０】
図２（ｂ）に示すように、動翼２２の後縁側の端部（Ａ−Ａ断面位置）では、腹側の側面２０１ｅが傾斜面、背側の側面２０１ｆが略垂直な面となっている。また、図２（ｄ）に示すように、動翼２２の先縁側の端部（Ｃ−Ｃ断面位置）では、背側の側面２０１ｆが傾斜面、腹側の側面２０１ｅが略垂直な面となっている。そして、これらの中間部（Ｂ−Ｂ断面位置）では、腹側の側面２０１ｅと、背側の側面２０１ｆとが略同一の角度で広がる傾斜面となっている。
【００３１】
なお、例えば、Ａ−Ａ断面位置とＢ−Ｂ断面位置との中間部では、図３中に点線で示すように、腹側の側面２０１ｅ側の広がりが徐々に少なくなり、背側の側面２０１ｆ側の広がりが徐々に大きくなるように変化する。同様にＣ−Ｃ断面とＢ−Ｂ断面との中間部では、図４中に点線で示すように、背側の側面２０１ｆ側の広がりが徐々に少なくなり、腹側の側面２０１ｅ側の広がりが徐々に大きくなるように変化する。
【００３２】
上記構成の軸流タービン１００では、軸流タービン１００の軸方向におけるカバー２０１の断面形状が、翼部２００の先端との境界部２０１ｃを１つの頂点とした略三角形状となっている。これによって、この断面形状が略矩形状である図１０に示した従来のカバー１０に比べ、例えば、厚みＨ及び幅Ｗが同一であったとしても、その断面積が約半分になり、その体積を大幅に削減することができる。
【００３３】
また、カバー２０１の断面形状を略三角形状とすることにより、断面形状が略矩形状の従来のカバーにおいて、カバーの下側と翼面との接続部に局所応力低減の為に設けていたすみ肉（図１０に示すすみ肉１６）と同様な機能も果たし、別途すみ肉を設ける必要が無いため、すみ肉分の体積も低減しながら応力集中の発生も抑制することができる。これによって、カバー２０１をさらに軽量化することができ、動翼２２の翼部２００の先端を全周に渡り凹凸のない形状のカバー２０１で覆うことが可能となる。したがって、カバー２０１による回転摩擦損失を低減することができる。
【００３４】
上述したように、略三角形状の断面形状を持ち、翼部２００の先端の全周を覆う本実施形態のカバー２０１を有する動翼２２の性能について解析した結果を、縦軸を段落効率、横軸を広がり角度とした図５（ａ）のグラフに実線で示す。なお、図１０に示した従来の動翼についての解析結果を図中破線で示してある。また、カバー重量の増加を気にせず、理想的に動翼の全周を覆いながら、流体の拡大角度に沿って傾斜したカバー（以下、傾斜全周カバーと言う。）についての解析結果を図中一点鎖線で示してある。なお、図５（ｂ）に広がり角度が０°の場合、図５（ｃ）に広がり角度が大きい場合の構成を模式的に示す。
【００３５】
図５（ａ）に示すように、仮想的に拡大流路の広がり角度を０°から順次広げていくと、基本的には角度の拡大に応じて、ある角度以上になると段落効率が低下するが、本実施形態では、従来例に対して、段落効率が向上し、傾斜全周カバーと同様な性能が得られることが分かった。ここで、本実施形態では、従来例に対し、広がり角度０°であっても段落効率が向上していることから、主に回転速度と流体密度に依存するカバー部の回転摩擦損失が低減していると理解される。
【００３６】
縦軸を段落効率向上量内訳、横軸を広がり角度とした図６のグラフに実線で示すように、本実施形態では、広がり角度によらず、カバー部の回転摩擦損失の低減分、つまりカバー周方向に形成された凹凸による回転摩擦損失改善分の段落効率向上量が得られる。これと共に、本実施形態では、広がり角度の増加に伴い、流れの広がりを傾斜のない水平なカバーが阻害することによる損失を改善することができ、その損失改善分の段落効率向上量が得られる。
【００３７】
上記のように、本実施形態によれば、広がり角度によらず改善するカバーの回転摩擦損失の低減分に加えて、流路拡大角の増大に合わせて、従来の水平なカバーに対する優位性が増し、広がり角度に応じて設計した傾斜全周カバーと同等の性能を得ることができる。
【００３８】
従来の動翼では、水平なカバーが、特に出口側で拡大していく流れを押さえつけてしまう為、大きな拡大角度に対して十分対応できないと考えられる。一方、本実施形態では、カバーに蒸気流路に面した下面の角部がない為、カバー直下を通過する拡大流れを阻害することがないため、幅広い広がり角度において良好な性能を発揮することができる。また、流れの広がり角に合わせた理想的な傾斜全周カバーでは、流れに面した角部がある為に、ある特定の流れ角では適切なガイドとして働き、良好な性能を発揮する一方、入射角度のずれに対するロバスト性が乏しい。
【００３９】
この幅広い、広がり角度で得られる本実施形態における優位性を利用すると、広がり角度の変更に応じて、動翼先端カバーの傾斜角を都度最適設計することなく、回転摩擦損失の低減効果を得られる。この広がり角度のロバスト性は、上述したとおり、カバー２０１の略三角形状の断面形状によって得られることから、カバー２０１は必ずしも全周に亘って凹凸のない形状とする必要はない。
【００４０】
ここで、カバー２０１の略三角形状の断面形状については、図２に示した、腹側の側面２０１ｅ及び背側の側面２０１ｆが直線状のものに限らず、例えば、図７に示す動翼２２ａのように、腹側の側面２０１ｅ及び背側の側面２０１ｆが滑らかな凹状の曲線状のものとしてもよい。さらに、境界部２０１ｃと対向する外側面２０１ｄについては、水平面に限らず、図８に示す動翼２２ｂのように、傾斜面としてもよい。この場合、流体が膨張する拡大流路であれば上流側より下流側が高く、逆に圧縮される縮小流路であれば上流側より下流側が低い傾斜とすることが好ましい。
【００４１】
すなわち、本明細書における「略三角形状の断面形状」とは、図７に示すように、腹側の側面２０１ｅ及び背側の側面２０１ｆが滑らかな凹状の曲線状のもの、図８に示すように、外側面２０１ｄを傾斜面としたもの、又はこれらを組み合わせた形状のものも含んでいる。なお、図７，８の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図２におけるＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面に相当する部分の構成を示している。
【００４２】
なお、軸流タービン１００において、上記した構成のカバー２０１を有する動翼２２は、全ての段落に配設しても良いが、特にカバー２０１による遠心力が問題となるような先端周速が超音速になるような部分にのみ配設しても良い。例えば、低圧蒸気タービンの最終段落にのみ、上記構成のカバー２０１を有する動翼２２を配設しても良い。また、カバー２０１上のシールフィン２０２の設置場所は適宜変更することができ、また更なる軽量化を図るためシールフィン２０２については、省略することもできる。
【００４３】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１００……軸流タービン、２０……ケーシング、２１……タービンロータ、２１ａ……ロータディスク、２２，２２ａ，２２ｂ……動翼、２３……ダイアフラム外輪、２４……ダイアフラム内輪、２５……静翼、２６……グランドシール部、２７……シール部、２８……クロスオーバ管、２９……蒸気通路、２００……翼部、２０１……カバー、２０２……シールフィン。
【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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