JP2008057416A

JP2008057416A - 軸流タービン

Info

Publication number: JP2008057416A
Application number: JP2006234853A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Senoo; 茂樹妹尾
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13
Also published as: CN101135247A; US20080056895A1; KR20080020478A

Abstract

【課題】本発明では、軸流タービン段落において、静翼と動翼の間から吹き出す流れが存在する場合に、その吹き出し流れが、静翼を流下してきた流れと干渉することで流れを乱し、結果段落出力を低下させることを防止することにより、タービン段落効率を向上することを目的とする。
【解決手段】静止部に固設された静翼１と、回転部に固設された動翼１０からなるタービン段落において、静翼１の内周側を連結する部材の動翼１０と対向する面に、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造４０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の圧力差を利用して回転力を得るターボ機械において、静止部に固設され流体の圧力を運動エネルギーに変える静翼と、回転部に設けられ流体の圧力または運動エネルギーを回転部の回転力に変える動翼とからなるタービン段落を有する蒸気タービン、ガスタービンなどの軸流タービンに係り、特に、バランスホールを有しないドラム型の軸流タービンに関する。

従来のタービン段落は図２に示すように、高圧部Ｐ０と低圧部ｐ１の間に設けられ、外周側ダイアフラム６と内周側ダイアフラム７に固設された静翼１と、回転するロータ１５に設けられた動翼１０とからなる。タービン段落が複数の段落から構成されるタービンの場合、静翼１の上流側に、動翼１１がある。

圧力差Ｐ０−ｐ１によって流れ２０が誘起され、流れ２０は静翼１により増速され、また周方向に偏向される。静翼１により周方向の速度成分を持った流れは動翼１０に運動エネルギーを与え、動翼１０が設けられているロータ１５を回転させる。

内周側ダイアフラム７とロータ１５の間には、間隙２が設けられ、ロータが高速でかつ安定に回転できる構造となっている。しかし、この隙間２には高圧側から低圧側に向かう流れが生じる。これをもれ流れと呼ぶ。このもれ流れは静翼１を通らないため、周方向に偏向されず動翼１０に対し、回転力として利用できるエネルギーを与えることができない。そのためこのもれ流れが大きいと、タービン段落により得られる回転力、すなわち出力は低下する。このもれ流れを低減するために間隙２にはシール３が設けられる。シール３は例えば、複数のフィン４と複数の突起５との組み合わせにより形成され、フィン４による縮流効果やフィンと突起により流路を複雑化して運動エネルギーを熱散逸させることによりもれ流れを低減する。しかし、ロータ１５の安定な回転を得るためには、フィンとロータの間の間隙を一定以上は小さくすることができず、間隙２のもれ流れを完全にゼロにすることはできない。

このもれ流れは、図３に示すように静翼と動翼の間に吹き出す。そこで、静翼間を流れ、運動エネルギーと旋回速度成分を与えられた流れ２１と干渉し、流れ２１を乱す。図４に静翼出口部の流れを下流側から見た図を示す。もれ流れ２０は静翼間を流れてきた流れ２１を吹き上げ、渦２３を形成する。もれ流れ２０が無ければ、静翼間流れは２２で示したように、周方向に旋回する流れとなり、ロータの回転力３０を生み出す。しかし、もれ流れ２０と静翼出口流れ２１との干渉により形成された渦２３は、図５に示すように動翼にからみつくような渦２４に発達し、動翼内で有効に回転力を取り出すことができなくなる。

すなわち、もれ流れ２０は、それ自身回転力を生み出さないだけでなく、本来回転力を生み出す流れ２１の生み出す回転力の一部を低下させる２重の効果により、段落出力を低下させる。

この問題に対する解決策として、従来、図６に示すように動翼１０とロータ１５の間のディスク部１６を貫通する穴（バランスホール）１７を周方向に複数設け、もれ流れ２０が静動翼間に吹き出すことを防ぐ方法が知られている。

尚、本発明の構造に類似するものとして、特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載のものはバランスホールを有するもので、バランスホールへ流入する蒸気が蒸気案内板によってロータ回転方向の速度成分が与えられ、バランスホールを通過する蒸気が仕事を受けることがないようにしてタービン仕事損失をなくすようにしているものである。

特開昭５９−１２２７０７号公報

しかし、ディスク部１６を貫通する穴（バランスホール）１７を周方向に複数設け、もれ流れ２０が静動翼間に吹き出すことを防ぐという方法は、ディスク部１６に穴１７を設けるスペースが無い場合には用いることができない。また、動翼前後の圧力差が大きい段落では、この穴１７を抜ける流れが大きくなり、静動翼間で流れを吸い込むことになり、動翼に流入する有効仕事を低減させることで段落出力を逆に低下させるおそれがある。

本発明では、軸流タービン段落において、静翼と動翼の間から吹き出す流れが存在する場合に（バランスホールを有しない場合に）、その吹き出し流れが、静翼を流下してきた流れと干渉することで流れを乱し、結果、段落出力を低下させることを防止することで、タービン段落効率を向上することを目的とする。

本発明は、静止部に固設された静翼と、回転部に固設された動翼からなるタービン段落において、前記静翼の内周側を連結する部材の動翼と対向する面に、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造を有することを特徴とする。

または、本発明は、静止部に固設された静翼と、回転部に固設された動翼からなるタービン段落において、前記静翼の内周側のダイアフラムの動翼と対向する面に、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造を有することを特徴とする。

または、静止部に固設された静翼と、回転部に固設された動翼からなるタービン段落において、前記静翼の内周側の静翼と一体に形成されたカバー部の動翼と対向する面に、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造を有することを特徴とする。

本発明は、静翼と動翼の間から吹き出す流れを、ロータの回転方向に曲げるようにしているので、静翼と動翼の間から吹き出す流れが、静翼を流下してきた流れと干渉することを抑制でき、その結果、段落出力を低下するのを防止でき、タービン段落効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明の軸流タービン段落の一実施例について図面を用いて説明する。

図１に本発明のタービン段落の断面図を示す。静翼の内周側ダイアフラム７の動翼１０と対向する面に、静翼１とロータ１５の間をもれた流れが、静翼と動翼の間に吹き上げる時に、流れをロータの回転方向に曲げる構造４０を設ける。本発明の静動翼間を吹き上げる流れを動翼の回転方向に曲げる構造４０を静翼下流側から見た図が図７である。構造４０は内周側に対し、外周側がロータの回転方向に傾斜しており、隣り合う構造４０の間に形成された流路をもれ流れ２０が吹き上げる時、流路に導かれて回転方向３０に流れを転向させる。静翼間を流下してくる流れ２４も同じく回転方向３０を向いており、もれ流れ２０と翼間流れ２４の速度差は、本発明の構造４０が無い場合に比べて小さくなる。

もれ流れ２０と翼間流れ２４との干渉による流れの損失や、損失を生み出す渦の発生は、もれ流れ２０と翼間流れ２４との相対速度差が大きいほど大きくなるために、本発明により、損失をもたらす渦の発生が抑制され、段落出力の低下を回避できる。

また、静動翼間を吹き上げる流れを動翼の回転方向に曲げる構造４０は、図８に示すように、内周側で半径方向を向き、外周側でロータの回転方向３０を向く流路を形成できる湾曲した形状とすることで、もれ流れ２０と翼間流れ２４との干渉による流れの損失をより小さく抑えることができる。

また、静動翼間を吹き上げる流れを動翼の回転方向に曲げる構造４０は、突起物による流路である必要は無く、静翼１の内周側ダイアフラム１５を削ることにより、即ち、回転方向に凹なる流路を形成する形状とすることにより静動翼間を吹き上げる流れを動翼の回転方向に曲げる構造４０としても良い。

次に、本発明の段落出力低減を抑制する効果をさらに大きくする実施例について図１および図９を用いて説明する。本発明の構造４０は、タービン段落の静止部に設置されているが、安定なロータの回転を行うために回転部１６との間に間隙４５を設ける必要がある。この間隙部は、構造４０により吹き上げる流れがロータの回転方向に曲げられない。しかし、ロータ１６の近傍の流体は、流体の粘性力のためロータ１６に連れ回られ、回転方向の速度成分を持つ。そのため、構造４０は回転部１６と接触している必要はなく、本発明の効果を得ることができる。しかし、静動翼間の回転軸方向にできるだけ多くの部分に、本発明の構造４０を設置することで、本発明の効果はより大きくなる。構造４０と回転部１６との間の間隙４５を決めるには、定常回転時だけではなく、起動停止の非定常運転時、すなわちタービン段落の温度が変化する時、回転部と静止部の熱容量の違いにより熱伸び量が異なるため、間隙４５は変化する．通常はその温度変化時にも静止部と回転部が接触しないように間隙４５を設定するために、定常回転時には間隙４５は不必要に大きくなる。そこで、本発明の構造４０、すなわち、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造に、動翼と対向する側にブラシ部を持つブラシシール４２を用いる。ブラシは接触時に変形することにより、回転部に対向する部分に短い時間の接触であれば、安定な回転が可能である。そのため、間隙４５の設計値には定常回転時に構造４０とロータ１６が軸振動などにより接触しないことだけを考慮すれば良いことになる。すなわち、構造４０に、ブラシ部を持つブラシシール４２を用いることで間隙４５を最小化でき、静動翼間のより多くの部分に、本発明の静動翼間を吹き上げる流れを動翼の回転方向に曲げる構造４０を適用することができ、本発明の効果を大きくできる。

次に、図１０に示すように、静翼１が翼根部６とカバー部９と一体に形成され、動翼１０も同じく翼根部１８とカバー部１９と一体に形成される翼と連結構造を持つタービン段落へ本発明を適用した実施例を図１１を用いて示す。図１０のタービン段落においても、静翼内周側カバー９とロータ１５との間の間隙をもれた流れは、静翼と動翼の間に吹き出し、図３で説明している静翼内周側にダイアフラムを持つタービン段落と同じ段落出力が低下する問題を持つ。このような段落には、図１１に示すように静翼カバー９の動翼と対向する面に、静動翼間を吹き上げる流れを動翼の回転方向に曲げる構造４３を設ける。構造４３によりもれ流れと翼間流れとの干渉による流れの損失をより小さく抑えることができる。

本発明のタービン構造を示す図。従来型のタービン構造を示す図。来型のタービン構造のもれ流れと静翼を流下してきた流れとの干渉を示す図。従来型のタービン構造のもれ流れと静翼を流下してきた流れとの干渉を静翼下流側から見た図。従来型のタービン構造のもれ流れと静翼を流下してきた流れとの干渉が動翼におよぼす様子を説明する図。動翼ディスク部に貫通孔を有する従来型のタービン構造を示す図。本発明のタービン段落を静翼下流側から見た図。本発明のタービン段落を静翼下流側から見た図。本発明のタービン構造（ブラシシール利用）を示す図。従来型のタービン構造（静翼カバータイプ）を示す図。本発明のタービン構造（静翼カバータイプ）を示す図。

符号の説明

１…静翼、１０…動翼、４０…構造。

Claims

静止部に固設された静翼と、回転部に固設された動翼からなるタービン段落において、前記静翼の内周側を連結する部材の動翼と対向する面に、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造を有するタービン段落を有する軸流タービン。
静止部に固設された静翼と、回転部に固設された動翼からなるタービン段落において、前記静翼の内周側のダイアフラムの動翼と対向する面に、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造を有するタービン段落を有する軸流タービン。
静止部に固設された静翼と、回転部に固設された動翼からなるタービン段落において、前記静翼の内周側の静翼と一体に形成されたカバー部の動翼と対向する面に、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造を有するタービン段落を有する軸流タービン。
請求項１〜３の何れかににおいて、前記静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造を、動翼と対向する側にブラシ部を持つブラシシールとしたことを特徴とする軸流タービン。
請求項１〜３の何れかににおいて、静動翼間にロータ側から吹き出す流れをロータの回転方向に曲げる構造が、回転方向に凹なる流路を形成する形状であることを特徴とする軸流タービン。