(57)【要約】【課題】タービン動翼の根元側近傍におけるプロファイル損失を低減することのできるタービン動翼及び軸流タービンを提供する。【解決手段】環状の作動流体流路内に周方向に沿って複数配列されたタービンノズルの下流側に配置され、回転軸の周方向に沿って複数固設されて、前記タービンノズルと段落を構成するタービン動翼であって、根元部近傍の領域における形状を、動翼幾何流入角が根元部に向かうほど大きくなる形状とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の作動流体流路内に周方向に沿って複数配列されたタービンノズルの下流側に配置され、回転軸の周方向に沿って複数固設されて、前記タービンノズルと段落を構成するタービン動翼であって、
根元部近傍の領域における形状を、動翼幾何流入角が根元部に向かうほど大きくなる形状としたことを特徴とするタービン動翼。
【請求項２】
請求項１記載のタービン動翼であって、
前記根元部近傍の領域は、動翼高さ１に対する比率にて０．３以下の領域であることを特徴とするタービン動翼。
【請求項３】
請求項１又は２記載のタービン動翼であって、
前記根元部近傍の領域は、前記根元部から高さ３０ｍｍ以下の領域であることを特徴とするタービン動翼。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービン動翼であって、
前記根元部近傍の領域では、動翼周方向ピッチＰと動翼断面最大長さＣの比率Ｐ／Ｃが、根元部近傍の領域における動翼幾何流入角が根元部に向かうほど小さくなる形状の場合と比べて小さいことを特徴とするタービン動翼。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のタービン動翼であって、
動翼周方向ピッチＰと隣接する翼間の最小流路幅Ｓの比率Ｓ／Ｐの翼高さ方向の分布を翼高さ中央部で最大となるように構成したことを特徴とするタービン動翼。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のタービン動翼を用いて構成されたタービン段落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、タービン動翼及び軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境負荷低減の取り組みなどから火力発電所に用いられる軸流タービンにおいても熱効率の向上が求められ、エネルギー資源の有効利用や二酸化炭素（ＣＯ２）排出量の削減が重要な課題となっている。軸流タービンの熱効率の向上は、与えられたエネルギーを有効に機械仕事に変換することで達成することが可能であり、そのためには軸流タービンの様々な内部損失を低減することが課題である。
【０００３】
一般に、軸流タービンである蒸気タービンは、図９に示すように構成されている。図９に示す蒸気タービン１１では、図示しない外側ケーシングの中には、ノズル外輪３とノズル内輪４とによって環状の作動流体流路１０が構成されている。ノズル外輪３とノズル内輪４の間には、周方向に沿って複数（図９には１つのみ示す。）のタービンノズル１が固設されている。また、タービンノズル１の下流側に位置するように回転軸５に、周方向に沿って複数枚（図９には１枚のみ示す。）のタービン動翼２が図示しない動翼植込み部を介して固設されている。そしてタービン動翼２の翼頂部にはシュラウド７が設置され、タービンノズル１とタービン動翼２とによりタービン段落が形成されている。
【０００４】
シュラウド７には、シュラウド７とノズル外輪３との間隙から漏洩する蒸気を減少させるためにチップフィン８が植設されている。また、ノズル内輪４には、ノズル内輪４と回転軸５との間隙を通る漏洩蒸気を減少させるためにノズルシールフィン６が植設されている。
【０００５】
このようなタービン段落を、回転軸５の軸方向に単段落または複数段落に組み合わせることにより蒸気タービン１１は構成されている。蒸気は図９中示す実線矢印Ａの方向に流れ、作動流体流路１０における蒸気は、タービンノズル１内にて膨張し増速され、増速された蒸気はタービン動翼２にて転向し、回転軸５に回転力を与える。
【０００６】
上記構成の蒸気タービン１１では、軸流タービン通路部にて損失が発生する。軸流タービン通路部における各種損失の低減は、発電プラントの熱効率向上に対して大きな影響を与えるため、常に追求されているテーマである。軸流タービン通路部の損失としては、二次流れ損失や漏洩損失、蒸気の湿り損失などタービン翼列に発生する段落損失、蒸気弁やクロスオーバー管に代表される翼列以外の損失、タービン排気室によるタービン排気損失、回転摩擦損失や軸受損失がある。
【０００７】
タービン翼列に発生する段落損失は大きく分類すると、翼型形状そのものに起因するプロファイル損失、内外周壁面に起因する二次流れ損失、動翼先端やノズル内輪において蒸気が漏れる漏洩損失などに分けられる。このようなタービン翼列に発生する段落損失は、タービン損失内訳で６０〜７０％を占める大きな損失である。このため、従来からタービン翼列に発生する段落損失を低減するための各種の技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−０３０２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ノズル内輪４に設けられたノズルシールフィン６を通過する漏洩蒸気は、ノズル内輪４と回転軸５との間隙を通りタービン動翼２に流入し下流側へと流出して行く。この漏洩蒸気は、タービン動翼２に流入する際にタービンノズル１より流出する蒸気と混合する。タービンノズル１より流出する蒸気は、所定の流速と流出角度になるようタービンノズル１にてコントロールされているが、図９に示すようにノズルシールフィン６より流出する漏洩蒸気（図９中の実線矢印Ｂ）は、半径方向速度成分を持ってタービンノズル１より流出する蒸気（図９中の実線矢印Ａ）と混合するために混合損失が発生する。
【００１０】
ここで、図１１は、図９のＣ−Ｃ断面におけるタービン動翼２の根元側近傍の構成を示している。この図１１に示すように、タービン動翼２の根元側近傍では、漏洩蒸気がタービンノズル１より流出する蒸気と混合することにより、タービン動翼２の根元側近傍の動翼入口相対流入角β２が、漏洩蒸気を考慮しない場合の設計角度（図１１に示す動翼幾何流入角β２Ｇ）とずれる。このような動翼入口相対流入角β２と動翼幾何流入角β２Ｇのずれにより、タービン動翼２での損失が増加する。
【００１１】
したがって、漏洩蒸気の量が多いと、タービンノズル１より流出する蒸気との混合による損失が増加するとともに、その影響で流速や流出角度の変化度合いが大きくなり、タービン動翼２の根元側近傍でのプロファイル損失が増加する。また、プロファイル損失が大きいと、壁面境界層を含む二次流れ損失にも影響を及ぼし、二次流れ損失領域が拡大するため、通路部内にて大きな渦流をつくり流体の持つエネルギーを逃してしまう。
【００１２】
以上のよう、ノズルシールフィンより流出する漏洩蒸気により、漏洩損失が発生するとともに、タービンノズル出口から流出する蒸気との混合による損失が原因となるプロファイル損失が発生する。このため、タービン動翼の根元側近傍におけるプロファイル損失を低減することが求められる。
【００１３】
本発明の目的は、タービン動翼の根元側近傍におけるプロファイル損失を低減することのできるタービン動翼及び軸流タービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実施形態のタービン動翼は、環状の作動流体流路内に周方向に沿って複数配列されたタービンノズルの下流側に配置され、回転軸の周方向に沿って複数固設されて、前記タービンノズルと段落を構成するタービン動翼であって、根元部近傍の領域における形状を、動翼幾何流入角が根元部に向かうほど大きくなる形状としたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係わる軸流タービンの段落の断面構成を示す図。
【図２】第１実施形態に係わるタービン動翼の動翼幾何流入角と翼高さ比との関係を示すグラフ。
【図３】タービンノズルと第１実施形態に係るタービン動翼の根元側近傍の速度三角形を示す図。
【図４】第１実施形態に係わるタービン動翼の高さ方向の動翼エネルギー損失分布変化を従来のタービン動翼と比較して示すグラフ。
【図５】タービン動翼の動翼周方向ピッチＰと動翼断面最大長さＣの説明図。
【図６】第１実施形態に係わるタービン動翼の高さ方向のＰ／Ｃの分布を従来のタービン動翼と比較して示すグラフ。
【図７】タービン動翼の動翼周方向ピッチＰと隣接する翼間の最小流路幅Ｓの説明図。
【図８】第２実施形態に係わるタービン動翼の高さ方向のＳ／Ｐの分布を従来のタービン動翼と比較して示すグラフ。
【図９】軸流タービンの段落の断面構成を示す図。
【図１０】タービンノズルとタービン動翼の根元側近傍の速度三角形を示す図。
【図１１】タービンノズルと従来のタービン動翼の根元側近傍の速度三角形を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施形態のタービン動翼及び軸流タービンを、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る軸流タービンとしての蒸気タービン１００のタービン段落の要部を子午面より見た断面構成を示している。
【００１８】
蒸気タービン１００は、図示しない円筒状の外部ケーシングを具備しており、この外部ケーシング内には、ノズル外輪１０３とノズル内輪１０４との間に、周方向に沿って複数（図１には１つのみ示す。）のタービンノズル１０１が固設されている。また、ノズル外輪１０３の内側には、作動流体（本実施形態では蒸気）が流通する環状の作動流体流路１１０が形成されている。
【００１９】
作動流体流路１１０の中心部には回転軸１０５が配設されている。この回転軸１０５に、周方向に沿って複数（図１には１つのみ示す。）のタービン動翼１０２が図示しない動翼植込み部を介して固設されており、タービン動翼１０２の翼頂部にはシュラウド１０７が設置されている。そして、タービンノズル１０１と、タービンノズル１０１の下流側に配設されたタービン動翼１０２とによりタービン段落が形成されている。
【００２０】
シュラウド１０７には、シュラウド１０７とノズル外輪１０３との間隙から漏洩する蒸気を減少させるためにチップフィン１０８が植設されている。また、ノズル内輪１０４には、ノズル内輪１０４と回転軸１０５との間隙を通る漏洩蒸気を減少させるためにノズルシールフィン１０６が植設されている。
【００２１】
図２のグラフは、縦軸に動翼幾何流入角β２Ｇ、横軸に翼高さ比をとり、実線にて第１実施形態に係るタービン動翼１０２の先端部（チップ）から根元部（ルート）までの半径方向の動翼幾何流入角β２Ｇの翼高さ方向の分布を示している。また、翼高さ比０．０から０．３までに示す破線は、この領域における従来のタービン動翼における動翼幾何流入角β２Ｇを示している。
【００２２】
図２に示されるように、従来のタービン動翼の動翼幾何流入角β２Ｇは、翼高さが高くなるにつれて、徐々に大きくなるように設定されている。一方、本実施形態のタービン動翼１０２では、翼高さ比０．３より高い領域では、従来の動翼と同様に、翼高さが高くなるにつれて、徐々に大きくなるように設定されているが、翼高さ比０．３以下の領域（根元部近傍の領域）では、動翼幾何流入角β２Ｇが、翼高さ比０．０（根元部）までの間、増加するように設定されている。これは以下に示す理由による。
【００２３】
図１０は、図９に示した従来の蒸気タービン１１のＣ−Ｃ断面（タービン動翼根元部における断面）における、タービンノズル１とタービン動翼２とのタービン段落の翼列間を流れる絶対速度、相対速度、周速度のタービン速度三角形を示している。タービンノズル１の出口より流出する流体は、タービンノズル１の翼素断面の幾何形状に沿って所定の角度α２、速度Ｃ２（動翼入口絶対速度）にて流出する。タービン動翼２は回転周速度ｕで周方向へ移動しているため、作動流体はタービン動翼２に対して角度β２（動翼入口相対流入角）で流入する。
【００２４】
タービン動翼２を通過した流体は、タービン動翼２の翼素断面の幾何形状に沿って所定の角度β３（動翼出口相対角）、速度Ｗ３（動翼出口相対速度）にて流出し、回転速度により角度δ３（動翼出口絶対角）、速度Ｃ３（絶対速度）で図示しない次のタービン段落のタービンノズルへ流入する。従来におけるタービン動翼２の翼素断面の動翼幾何流入角β２Ｇは、以上のように流れ場の動翼入口相対流入角β２に合わせるようにして、損失を少なくするように設計されている。
【００２５】
タービンの主流から外れた流体がノズル内輪４のノズルシールフィン６と回転軸５の間隙を経由して流れるノズルリークの流体の速度三角形についても図１０に示してある。ノズルリークの流体は、タービンノズル１によって転向されないため、速度Ｃ２Ｌ（絶対速度）で流入し、速度Ｗ２Ｌ（相対速度）で流出する。そして、ノズル内輪４の出口から漏洩蒸気として流出し、タービンノズル１出口から流出する流体と再合流し、タービン動翼２の根元側近傍に流入する。
【００２６】
この時のタービンの速度三角形の関係を示したものが、図１１である。図１１に示すように、ノズルリークを考慮した場合、設計時に想定されている動翼入口相対流入角β２と比較して、動翼入口相対流入角β２が大きくなっている。図１１に示すタービン動翼２の翼素断面形状は、従来のタービン動翼２のものであり、図中に示す動翼幾何流入角β２Ｇが小さくなっており、リーク流れによる動翼入口相対流入角β２の変化を考慮して設計されていない。
【００２７】
以上のように、タービン動翼２の根元側近傍において、動翼入口相対流入角β２と動翼幾何流入角β２Ｇの不一致は、タービン動翼２にて発生する損失を増大させてしまう。ここで考えられる損失は、タービン動翼２のプロファイル損失と二次流れ損失に大きく分けられる。プロファイル損失はタービン動翼２の翼素断面そのものに起因するものであり、動翼入口相対流入角β２と動翼幾何流入角β２Ｇが合致していないとタービン動翼２のプロファイル損失も大きくなってくる。また、タービン動翼２のプロファイル損失が大きいとタービン動翼２の壁面境界層が厚くなり、二次流れ損失領域にも影響を及ぼす。
【００２８】
このようにタービン動翼２の根元側近傍において、動翼入口相対流入角β２と動翼幾何流入角β２Ｇの不一致は翼素性能を大きく低下させて、損失が増大し、タービン全体の効率を低下させる。このため、図２のグラフに示すように、本実施形態では、翼高さ比が０．０から０．３までの範囲において、破線で示されている従来の動翼幾何流入角β２Ｇと比較して大きくなるように急激に動翼幾何流入角β２Ｇを増加させている。
【００２９】
図３は、図１に示した本実施形態の蒸気タービン１００のＤ−Ｄ断面部（根元側近傍の断面部）における、タービンノズル１０１とタービン動翼１０２とのタービン段落の構成及び速度三角形を示している。図３に示すように、本実施形態においては、タービン動翼１０２の根元側近傍における動翼幾何流入角β２Ｇが、タービンノズル１０１出口から流出する漏洩流体を考慮した動翼入口相対流入角β２と一致するように設定されている。すなわち、タービン動翼１０２の根元側近傍の上流側の形状が、タービン動翼１０２の回転方向に向けて大きく変形させた形状となっている。
【００３０】
以上のように、本実施形態では、タービン動翼１０２の根元側近傍の翼素断面形状を改良し、ノズルシールフィン１０６より流出する漏洩蒸気の流入角を考慮した形状にすることで、タービン動翼１０２のプロファイル損失を抑制する。これによって、タービン動翼１０２の壁面境界層が厚くなることを抑制し、タービン動翼１０２での二次流れ損失を低減することができる。
【００３１】
図４のグラフは、縦軸を動翼エネルギー損失、横軸を翼高さ比として、本実施形態の蒸気タービン１００のタービン動翼１０２における動翼エネルギー損失の翼高さ方向分布の解析結果を示したものである。図４中に示す実線は、本実施形態のタービン動翼１０２の動翼エネルギー損失を示し、破線は従来のタービン動翼の動翼エネルギー損失を示している。
【００３２】
翼高さ比が０．０から０．３までの範囲において、本実施形態のタービン動翼１０２の動翼エネルギー損失が、従来のタービン動翼と比較して小さくなっており、タービン段落の性能が向上している。したがって、翼高さ比０．３以下での動翼形状変更の効果が確認できる。但し、翼高さ比０．０から０．３の範囲を超えて、翼高さ比が０．３より大きな部分までタービン動翼１０２の動翼幾何流入角β２Ｇを大きくすると、漏洩蒸気による動翼入口相対流入角β２の変化する範囲を超えるため、逆に動翼エネルギー損失を増大させてしまう。
【００３３】
なお翼高さ比のみで規定すると、高翼長となると動翼幾何流入角β２Ｇを大きくする翼高さ方向の範囲も増大する。漏洩蒸気量の流量によっても変化するが、漏洩蒸気の影響で、動翼入口相対流入角β２が大きくなる範囲は、解析により動翼根元部から高さ概ね３０ｍｍ前後と推定される。したがって、タービン動翼１０２の動翼幾何流入角β２Ｇを大きくする翼高さの範囲は、翼長が高くなっても高さ３０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００３４】
図５は、軸流タービンのタービン動翼１０２において、タービン動翼１０２の周方向のピッチＰとタービン動翼１０２の翼素断面における最大長さコードＣを示す図である。図６のグラフは、縦軸を周方向のピッチＰと最大長さコードＣの比率Ｐ／Ｃとし、横軸を翼高さ比として、比率Ｐ／Ｃの翼高さ方向の分布を示したものである。図６中の実線は、本実施形態のタービン動翼１０２場合を示し、破線が従来のタービン動翼２の場合を示している。
【００３５】
図６に示すように、本実施形態のタービン動翼１０２と従来のタービン動翼２のＰ／Ｃのグラフを比較すると、翼高さ比が０から０．３までの範囲においては、本実施形態のタービン動翼１０２のＰ／Ｃが急激に小さくなっていることがわかる。これは、図３に示すように、本実施形態のタービン動翼１０２では、根元側にて動翼幾何流入角β２Ｇを大きくすることで、最大長さコードＣが従来のタービン動翼２より大きくなるからである。
【００３６】
次に、第２実施形態について説明する。図７は、タービン動翼１０２において、タービン動翼１０２の周方向のピッチＰと、タービン動翼１０２の翼間の最小流路幅（最少距離）Ｓの関係を示す図である。図８のグラフは、縦軸を周方向のピッチＰと翼間の最小流路幅Ｓの比率Ｓ／Ｐとし、横軸を翼高さ比として、比率Ｓ／Ｐの翼高さ方向の分布を示したものである。
【００３７】
図８中の破線は、従来のタービン動翼２における比率Ｓ／Ｐの翼高さ方向の分布を示している。また、図８中の実線は、第２実施形態における比率Ｓ／Ｐの翼高さ方向の分布を示している。図８に示されるように、第２実施形態では、比率Ｓ／Ｐを、翼高さ方向の中央部において最大となるように、グラフの形状が上に凸な形状となるように構成している。このような構成とすることにより、翼高さ方向の中央部における蒸気の流量を増加させることができ、端部における蒸気の流量を減少させることができる。これによって、二次流れ損失の影響が少なく性能の良い中央高さでの流量を増加させることができ、根元側の性能が悪い領域の流量を減らすことができるため、より性能向上に寄与できる。
【００３８】
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】
【００３９】
１００……蒸気タービン、１０１……タービンノズル、１０２……タービン動翼、１０３……ノズル外輪、１０４……ノズル内輪、１０５……回転軸、１０６……ノズルシールフィン、１０７……シュラウド、１０８……チップフィン、１１０……作動流体流路。
【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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