(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼軸線（２）に沿って翼根元部位（３）と、翼先端部位（４）と、これらの両部位間にある翼中央部位（１０）と、翼軸線（２）に対して垂直な横断面翼形（５、５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ）とを有する流体機械用の翼（１）において、
翼先端部位（４）では、翼中央部位（１０）に向かって翼軸線（２）の方向に軸方向に互いに間隔を隔てられた横断面翼形（５ａ、５ｂ）が、断面方向（６）において互いにずらされ、
翼根元部位（３）では、翼中央部位（１０）に向かって互いに軸方向に間隔を隔てられた横断面翼形（１５ａ、１５ｂ）が、同じ断面方向（６）において互いにずらされ、
翼根元部位（３）および／又は翼先端部位（４）では、互いに軸方向に間隔を隔てられた横断面翼形（５、５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ）が、差角（Δβ）だけねじられており、
さらに、前記翼中央部位（１０）において円筒状に形成されていることを特徴とする流体機械用の翼。
【請求項２】
翼根元部位（３）および／又は翼先端部位（４）において、
軸方向に互いに間隔を隔てられた横断面翼形（５、５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ）が、翼中央部位（１０）に向かって同じ向きにねじられていることを特徴とする請求項１記載の翼。
【請求項３】
円周方向に翼輪の形に配置するための翼（１）において、断面方向（６）が局所的に円周方向（６ａ）と一致していることを特徴とする請求項１又は２記載の翼。
【請求項４】
横断面翼形（５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ）が、それぞれその図心（７）に対してねじられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の翼。
【請求項５】
横断面翼形（５ａ、５ｂ、１５ａ、１５ｂ）が、翼軸線（２）に沿って全体的に同じ形をしていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の翼。
【請求項６】
蒸気タービンの静翼（９）あるいは動翼（８）として形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の翼。
【請求項７】
高温蒸気の入口範囲（１２）、出口範囲（１３）および流れ的にこれらの間に配置されたタービン翼範囲（１４）を備えている、タービン軸線（１７）に沿って延びる蒸気タービン（１１）、特に高圧あるいは中圧蒸気タービンにおいて、タービン翼範囲（１４）に、翼軸線（２）にわたって傾斜とねじれとを有し、翼軸線（２）に沿って延びるねじれ傾斜翼（１）が配置され、このねじれ傾斜翼（１）は、その傾斜およびねじれがそれぞれ、翼根元部位（３）から翼中央部位（１０）に向かって増大し、翼中央部位（１０）から翼先端部位（４）に向かって減少しており、さらに、前記翼中央部位（１０）において円筒状に形成されていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項８】
傾斜およびねじれが増大および減少しているねじれ傾斜翼（１）が、高温蒸気の入口範囲（１２）に設けられていることを特徴とする請求項７記載の蒸気タービン。
【請求項９】
ねじれ翼（１９）が高温蒸気の出口範囲（１３）に設けられていることを特徴とする請求項８記載の蒸気タービン。
【請求項１０】
タービン軸線（１７）の方向において、ねじれ傾斜翼（１）とねじれ翼（１９）との間に、純粋に円筒状の翼（１６）が配置されていることを特徴とする請求項９記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、翼軸線に沿って翼根元部位と、翼先端部位と、これらの両部位間にある翼中央部位と、翼軸線に対して垂直な横断面翼形とを有し、翼軸線に沿って延びる流体機械用の翼に関する。本発明は更に、蒸気タービン、特に高圧あるいは中圧蒸気タービンに関する。
【０００２】
流体機械、特に蒸気タービンの効率は、発生する流れ損失によって低下する。その効率の向上について、従ってそのような流れ損失の減少についても、例えば、文献「Ｐｏｗｅｒ−Ｇｅｎ  ヨーロッパ９５」、オランダ、アムステルダム、ＲＡＩ、１９９５年５月１６〜１８日、第２巻、第４号、第２２９頁以降に掲載のＲ．Ｂ．スカーリン著の論文“改良形蒸気タービンの運転効率向上技術”において言及されている。ここには、空隙損失、翼形による損失並びにタービン翼の先端部位における損失（終端壁損失）のような種々の流れ損失を考慮に入れた三次元タービン翼の開発が記載されている。タービン翼の先端部位における損失を減少するために、タービン翼を円周方向において傾けすることが提案されている。タービン翼を翼の先端部位ならびにハブの部位において傾けることにより湾曲翼が生じ、そのような曲げは、機械特性のために静翼にしか利用できない。更に上述の論文には、翼のねじれが翼の傾斜にも影響を及ぼすので、翼の終端部位を三次元設計する際、翼傾斜、翼ねじれ並びに翼形を自由に定められると記載されている。
【０００３】
文献「ＶＤＩ  ベリヒテ」、第１１８５号、１９９５年、第２７７〜２９０頁に掲載のＭ．ヤンセン、Ｗ．ウルム共著の論文“蒸気タービンの効率を向上する最新の翼設計”は同様に、蒸気タービン、特に高圧あるいは中圧蒸気タービンの効率向上について言及している。種々の蒸気タービンにおける様々な流れ損失の影響が説明されている。タービン翼を特殊な形状とすることによって、流れ損失を減少することができる。この場合、三次元的に形成されたタービン翼は、タービン翼の根元部位並びに先端部位において、傾斜を有している。この論文において、三次元的に形成されたこのタービン翼の流れ損失について、純粋に円筒状の翼と対比して説明されている。その円筒状翼は、翼の正圧および負圧側が翼軸線に対して平行に延び、従ってねじれも傾斜も有していない。三次元的に形成されたタービン翼に対する別の例として、いわゆるタービンねじれ翼が記載されている。このタービン翼はその高さにわたって、ねじれが増大し、翼形が変化している。
【０００４】
ドイツ特許出願公開第３１４８９９５号明細書に、多数の静翼が円周方向に互いに間隔を隔てて配置されている蒸気タービンあるいはガスタービンのような軸流タービンが記載されている。そこで利用される静翼は、その高さにわたってねじられ、入口角が変化している。この入口角の変化は、翼根元（基部）から測定して或る高さから、翼尖端部位において連続的に線形に増大している。ねじれも同様に、静翼の高さにわたって連続的に増大している。静翼の横断面翼形は、翼根元から翼尖端に向かって連続的に変化し、その静翼は常に先細りになっている。静翼を形状づける際、静翼の高さにわたって、出口角、静翼の大きさおよび形状を更に変化することも考慮されている。
【０００５】
ドイツ特許出願公告第１１６８５９９号明細書に、壁面によって引き起こされる流れの影響を補償するために、その壁面部位において横断面が変化するような動翼および／又は静翼を備えた軸流圧縮機が記載されている。この軸流圧縮機において、気体流経路に沿って、動翼および静翼の前に、前置静翼が配置されている。この前置静翼は、壁面部位以外では湾曲横断面形状を有する。湾曲横断面形状をした翼中央部分は、平らで連続的に湾曲している面における各壁面部位において、壁面部位における湾曲していない横断面翼形に移行している。従って、前置静翼の高さにわたって、羽根の横断面翼形が連続的に変化している。入口角は前置静翼の全高にわたって一定している。
【０００６】
ドイツ特許出願公告第２８４１６１６号明細書に、静翼付き軸流タービン用の静翼輪が記載されている。その静翼は内輪と外輪との間に配置され、羽根の翼厚は翼ピッチに比例して変化している。この場合、静翼の高さに関して、翼の正圧側の形状は変化されず、翼の負圧側における突出部が高さに関して静翼の厚さを同時に増大した状態で徐々に増大していることによって、翼形の変化が行われている。この場合の翼形の変化は、静翼の厚さが増大し、その翼弦が同じままであるように実行されている。そのような静翼輪は、蒸気タービン、ガスタービン並びに圧縮機に利用できる。
【０００７】
ドイツ特許出願公開第４２２８８７９号明細書に、少なくとも１つの湾曲静翼輪を備えた軸流タービンが記載されている。その翼の湾曲によって、静翼の入口縁並びに出口縁は同じ軸平面内に位置しない。この場合、翼の曲がりは翼弦に対して垂直に延び、これは、翼形の円周方向並びに軸方向における変位によって達成される。静翼はタービン車室（シリンダ）からタービンハブに向けて先細くテーパが付けられ、従ってその横断面はそれに応じて変化している。ただしこの場合、翼形は本質的に翼高にわたって一定している。曲がりおよびテーパのほかに、静翼に続く動翼の通路高さにわたる周速の変化を考慮に入れて、羽根長にわたる羽根のねじりも行われている。従って、翼弦に対して垂直に翼形の重心を変位（曲がりないし曲げ）することによって、羽根の適合が行われ、即ち、翼弦長の変化と組み合わせて、軸方向および円周方向の変位が同時に行われている。
【０００８】
蒸気タービンにおける傾斜したタービン翼については、文献「ＶＤＩ  ベリヒテ」、第１１８５号、１９９５年、第１５７〜１７９頁に掲載のＧ．サイン、Ｐ．Ｊ．ウォーカー、Ｂ．Ｒ．ハルラー共著の論文“短高段を最適化するための三次元段ビスコース  タイム  マーチング法の開発”が言及している。
【０００９】
本発明の課題は、流体機械用の流れ損失が小さい翼を提供することにある。更に本発明の課題は、流れ損失が小さい蒸気タービンを提供することにある。
【００１０】
流体機械用翼に向けられた課題は、本発明に基づいて、翼軸線に沿って翼根元部位と、翼先端部位と、これらの両部位間にある翼中央部位と、翼軸線に対して垂直な横断面翼形とを有する流体機械用の翼（１）において、翼先端部位では、翼中央部位に向かって翼軸線の方向に、軸方向に互いに間隔を隔てられた横断面翼形が、断面方向において互いにずらされ、翼根元部位では、翼中央部位に向かって互いに軸方向に間隔を隔てられた横断面翼形が、同じ断面方向において互いにずらされ、翼根元部位および／又は翼先端部位では、互いに軸方向に間隔を隔てられた横断面翼形が、差角だけねじられており、さらに、前記翼中央部位において円筒状に形成されていることによって解決される。
【００１１】
タービン軸に翼を取り付ける際、各翼は、タービン軸に関して半径方向に同じように翼軸線の方向に延ばされる。翼先端部位および翼根元部位における軸方向に互いに間隔を隔てられた横断面翼形を変位し、追加的に、翼根元部位および／又は翼先端部位においてねじることによって、タービン軸のハブ並びにタービン車室の内周に付属している先端領域（翼先端部位、翼根元部位）における流れ損失の減少が達成される。翼中央部位に向かっての同じ向きの変位は、タービン翼を翼軸線に対して垂直に出腹状に傾斜（湾曲）させる。軸方向に互いに間隔を隔てられた横断面翼形が、追加的にねじられていることによって、効率の一層の向上が達成され、即ち流れ損失の減少が達成される。
【００１２】
特に、翼根元部位および翼先端部位における、軸方向に互いに間隔を隔てられている横断面翼形は、翼中央部位に向かって同じ向きにねじられている。これによって、翼先端部位から翼根元部位までの翼の全高にわたって、ねじりは戻されている。
【００１３】
翼は、特に外周方向を有する翼輪内に配置すべく設計され、断面方向は局所的に外周方向と一致している。これによって、翼の先端領域において円周方向における曲がりは、翼の終端部位において同時にねじりを加えて行われ（入口角、出口角が適合され）、これによって、流れ損失の減少が達成され、従って流体機械の効率向上が達成される。特に蒸気タービンの場合、これによって一方では、同じ熱エネルギ供給において機械的出力エネルギが増大され、他方では、熱エネルギ供給が減少され、従って、出力エネルギが同じである場合に、純粋に円筒状の翼ないし純粋に傾斜されているかあるいは純粋に湾曲された翼に比べて、有害物の放出による環境汚染が減少される。
【００１４】
横断面翼形は、特にねじる際に、例えば非均質な質量分布のために偏っている場合、その図心に対してあるいは翼軸線に対してねじられる。その際に生ずるねじれの角度を、以下においてねじれ角と呼び、そのねじりの実行をねじれ角変更と呼ぶ。
【００１５】
翼軸線に対して垂直な横断面における横断面翼形は、翼軸線に沿って、特に全体的に同じ形をしている。従って、横断面翼形は翼の全長にわたって変化していない。この場合、特に、横断面翼形の横断面積も一定している。この場合翼は、特に、横断面翼形の重心の円周方向における変位（円周方向における曲がり）と、翼根元部位および翼先端部位（ハブ範囲および車室範囲）における（翼形変化なしの）横断面翼形のずらしとが、組み合わされている。
【００１６】
翼軸線に対して垂直な方向における翼の距離範囲（翼幅）に対する翼軸線の方向における翼の距離範囲（翼長、翼高）に応じて、および翼を流体機械において採用する際の流れ条件に応じて、翼は中央部位が、特に、円筒状に形成される。従って、翼の側面（翼の正圧および負圧側）は翼軸線に対して平行に延びている。
【００１７】
翼は、特に蒸気タービン、なかでも高圧あるいは中圧蒸気タービンにおける静翼あるいは動翼として作られる。この場合、翼は、高圧蒸気タービン用翼の場合のように、小さな長さ対幅比を有するようにするのが望ましい。
【００１８】
蒸気タービンに向けられた課題は、高温蒸気の入口範囲、出口範囲および流れ的にこれらの間に配置されたタービン翼範囲を備え、タービン軸線に沿って延びる蒸気タービンにおいて、タービン翼範囲に、翼軸線に沿って傾斜とねじれとを有する翼軸線沿いに延びるねじれ傾斜翼が配置され、このねじれ傾斜翼は、その傾斜およびねじれがそれぞれ、翼根元部位から翼中央部位に向かって増大し、翼中央部位から翼先端部位に向かって減少しており、さらに、前記翼中央部位において円筒状に形成されていることによって解決される。
【００１９】
このように傾斜およびねじれが減少および増大している翼を含む蒸気タービンを形成することによって、タービン軸線に沿って延びるタービン軸の範囲およびタービン軸を包囲するタービン車室の範囲における流れ損失は減少される。
【００２０】
傾斜およびねじれが減少および増大している翼は、特に、高温蒸気の入口範囲に配置される。従ってこの翼は、特に、第１段および／又はそれに続く段に配置される。このことは、動翼あるいは静翼から成る翼輪を含む段に対して当てはまる。高圧あるいは中圧蒸気タービンの第１段において、ハブ範囲および車室範囲におけるいわゆる二次損失（端部における損失）の分量が特に多く（例えば全損失の３０％に及ぶ）、この損失は上述した翼の形状づけによって減少されるので、効率が顕著に向上する。
【００２１】
高温蒸気の出口範囲に、特に、ねじれ翼が配置される。即ち、翼長にわたってねじれが増大し、翼形および／又は横断面積が変化している翼が配置される。軸方向において、ねじれ翼を含む段と、傾斜が減少および増大しかつねじれ角が変化している翼との間に、純粋に円筒状の翼、即ち翼軸線に対して平行に延びる側面を持つ翼が設けられる。種々の幾何学形状の翼をこのように配置することによって、流れ損失が小さく、高い効率の蒸気タービンが得られる。
【００２２】
以下図に示した実施例を参照して流体機械用および蒸気タービン用の翼について詳細に説明する。
【００２３】
図は概略的に表し、尺度通りに表していない。各図において同一部分には同一符号が付されている。
【００２４】
図１には、流体機械、ここでは高圧蒸気タービン１１が、そのタービン軸線１７に沿った縦断面図で示されている。蒸気タービン１１はタービン軸線１７に沿って延びるタービン軸２０を有している。このタービン軸２０はタービン車室１８によって包囲されている。蒸気タービン１１はタービン軸線１７に沿って活動流体、即ち高温蒸気の入口範囲１２および出口範囲１３を有している。軸方向において入口範囲１２と出口範囲１３との間にタービン翼範囲１４が設けられている。このタービン翼範囲１４において、軸方向に静翼９および動翼８が交互に続いている。この静翼９および動翼８は、それぞれ翼輪（羽根輪）２１の形にまとめられている。各動翼８および各静翼９は、それぞれ翼軸線２（図３参照）に沿って、翼根元部位３、翼中央部位１０、翼先端部位４および翼軸線２の軸方向においてこれらの部位の間に配置された翼中央部位１０を有している。翼根元部位３で動翼８はタービン軸２０に、静翼９はタービン車室１８にそれぞれ隣接している。翼先端部位４についてはこれと全く逆になっている。高温蒸気の入口範囲１２に最も近接する動翼８および／又は静翼９はそれぞれ、翼根元部位３および翼先端部位４において、傾けられ且つねじられた翼１として形成されている。高温蒸気の出口範囲１３に最近接する位置の動翼８および／又は静翼９は、それぞれ翼軸線２に沿って徐々にねじれが増大し横断面翼形が変化しているねじれ翼１９として形成されている。タービン翼範囲１４において、軸方向においてねじれ傾斜翼１とねじれ翼１９との間に、翼の正圧および負圧側がそれぞれ翼軸線２に対して平行に延びている純粋に円筒状の翼１６が配置されている。
【００２５】
図２には、ねじれ傾斜翼１が円周方向６ａに互いに並べて配置されている翼輪２１の一部が示されている。理解し易くするために、翼輪２１は円周方向６ａに沿って展開して示され、２つのねじれ傾斜翼１しか示されていない。円周方向６ａはタービン軸線１７に対して垂直な断面におけるタービン軸２０の円周に相当している。蒸気タービン１１内を流れる蒸気の主たる流れの方向２２は、翼輪２１の円周方向６ａに対して垂直に向いている。
【００２６】
図３には、翼軸線２に沿って延びているねじれ傾斜翼１の羽根部２３が立体的に示されている。この羽根部２３は翼根元部位３、翼先端部位４および両者間の翼中央部位１０を有している。理解し易くするために、翼根元部位３に続いて位置しタービン翼１をタービン軸２０あるいはタービン車室１８に固定するために使用する取付け部位は示されていない。更にまた、場合によって翼先端部位４に続いている囲い輪も示されていない。タービン翼１は、その翼先端部位４および翼根元部位３において、特に翼輪２１の円周方向６ａに相当する断面方向６において傾けられ、軸方向において差角Δβ（図４および図５参照）だけねじられている。翼根元部位３における、翼中央部位１０に向かって増大するねじれおよび増大する円周方向の曲がりは、翼先端部位４におけるねじれおよび円周方向の曲がりと一致している。これは、翼根元部位３から出発して、翼軸線２に沿って横断面翼形５がねじられ、翼中央部位１０の方向に変位され、翼中央部位１０から翼先端部位４の方向にねじりおよび変位が戻されることを意味する。翼中央部位１０はその全長にわたり、変位度およびねじれ度が一定している。翼先端部位４におけるねじり戻しおよび変位戻しの大きさは、特に、翼根元部位３における変位およびねじれと全く同じ大きさである。
【００２７】
ここで、円周方向の曲がりは、特に、翼輪２１の円周方向６ａに相当する断面方向６における横断面翼形５、５ａの変位を意味している。翼１のねじりは、食違い角の変化によって行われ、即ち、図４および図５における角度βを、特に、ねじれ傾斜翼１の重心線と一致する翼軸線２を中心として横断面翼形５を回転して変化することによって行われる。これは、横断面にわたって質量が均質に分布しているねじれ傾斜翼１の場合、横断面翼形５、５ａの図心７（質量重心７）を中心としたねじりに相当する。横断面翼形５、５ａ、５ｂは羽根部２３の全高にわたってすべての横断面において同じ形をしている。即ち特に、横断面形状および横断面積は一定している。図５に示されている横断面翼形５ｂは、図４に示されている横断面翼形５ａに対して、差角Δβだけねじられ、変位値ΔＵだけ変位されている。これは、ねじれ角βの値の、ねじれ角β′（図５参照）への変化に相当する。
【００２８】
蒸気タービン、特に高圧蒸気タービンにおいて、端部における損失、即ちタービン軸およびタービン車室の近くにおける流体機械損失は、総損失の約３０％までにも達する。従って、蒸気タービンの翼をねじり且つ円周方向に曲げることによって、その端部における損失は減少され、そして効率が向上する。ねじりおよび円周方向の曲がりの度合いは、それぞれ蒸気タービンにおける流体機械条件に合わされ、そのねじりおよび円周方向の曲がりを翼中央部位全域にわたって同様に延ばすこともできる。同様に、翼中央部位を純粋に円筒状にすること、即ち翼の正圧および負圧側を翼軸線に対して平行に方向付けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  高圧蒸気タービンの縦断面図。
【図２】  翼輪の部分展開図。
【図３】  ねじれ傾斜翼の羽根部の立体図。
【図４】  図３の線ＩＶに沿ったねじれ傾斜翼の羽根部の断面図。
【図５】  図３の線Ｖに沿ったねじれ傾斜翼の羽根部の断面図。
【符号の説明】
１    ねじれ傾斜翼（タービン翼）
２    翼軸線
３    翼根元部位
４    翼先端部位
５    横断面翼形
６    断面方向
７    図心
８    動翼
９    静翼
１０    翼中央部位
１１    蒸気タービン
１２    高温蒸気の入口範囲
１３    高温蒸気の出口範囲
１４    タービン翼範囲
１６    円筒状翼
１７    翼軸線
１９    ねじれ翼
【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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