JP2009007981A - 蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】新規な形状を有する中間固定支持材を採用したことにより、主流の大規模剥離流れを解消して流体損失を低減せしめ、高強度の動翼翼列を有する蒸気タービンを提供する。
【解決手段】タービン用長動翼翼列の中間固定支持部材の断面形状を流線形にする。
【選択図】図１

Description

本発明は蒸気タービン動翼の中間固定支持構造に関し、特に、蒸気タービン低圧段に用いられる長動翼翼列の中間固定支持構造及び蒸気タービンに関する。

一般に蒸気タービンは、タービンロータの外周部に翼列をなすように植設された回転自由な動翼と、タービンケーシングに固定されたノズルと呼ばれる静翼とがタービンロータの軸方向に交互に配置されている。そして、１対の動翼と静翼とで段落が形成され、この段落を数段並べることによりタービンが構成される。さらに、この各段落の翼間を流体が流れることによって、タービンロータに回転力が与えられる。

このように、蒸気タービンの動翼は、蒸気エネルギーを機械的な回転力に変換してタービンロータに伝え動力を得るもので、蒸気が高温高圧の状態から徐々に膨張しながら、動翼とノズルの組合せからなる段落を多数通過し、その都度これらの動翼に回転力を与えていく。

これらの動翼は高速回転で使用されるため、特に、蒸気タービン低圧段に用いられる翼長の長い動翼は大きな遠心力と回転振動力を受ける。したがって、この長翼長の動翼翼列は、タービン全体の効率、タービンで得られる出力およびプラント全体の大きさにかかわる重要なコンポーネントとなっているために、その強度設計は蒸気タービン設計の上で重要なものとなっている。

上述した大きな遠心力と回転振動力に対処し、動翼翼列の強度を補強するために、従来から複数の動翼をタイワイヤやラグなどの中間固定支持部材により連結し、これにより動翼翼列の強度補強を行っていた（特許文献１及び２）。
特開平６−２４８９０２号公報 特開平６−０１０６１３号公報

上記動翼翼列の強度を補強する中間固定支持部材は、従来、図８及び図９に示すように、ラグ３（図８（ｃ））、ラグスリーブ（図８（ｄ））又はタイワイヤ４（図９（ｂ））が用いられ、その断面形状は図８（ｂ）、図９（ｃ）に示すように略円形又は楕円形の形状であった。このため、これらの中間固定支持部材はこの部分を通過する主流蒸気流れに対して大きな抵抗になり、特に中間固定支持部材の後縁で、図２（ａ）に示すように主流の大規模剥離流れを誘発して流体損失が増大するという問題があった。

本発明は、これらの課題を解決するためになされたもので、新規な形状を有する中間固定支持部材を採用したことにより、主流の大規模剥離流れを解消して流体損失を低減せしめ、高強度の動翼翼列を有する蒸気タービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明はタービン用長動翼翼列の中間固定支持部材の断面形状を流線形にしたことを特徴とする。
また、本発明はタービン用長動翼翼列の中間固定支持部材は翼面に突出したラグとこれを繋ぐスリーブとから構成されるラグスリーブであって、前記ラグ又はスリーブの断面形状を流線形にしたことを特徴とする。

また、本発明はタービン用長動翼翼列の中間固定支持部材はその断面形状が流線形であって、上流側の主流流入角度変化が大きい蒸気タービンに適用される場合、前記中間固定支持部材の上流側の形状を鈍頭型としたことを特徴とする。

また、本発明はタービン用長動翼翼列の中間固定支持部材はその断面形状が流線形であって、上流側の主流流入角度変化が小さい蒸気タービンに適用される場合、前記中間固定支持部材の上流側の形状を鋭角型としたことを特徴とする。

動翼同士を連結する中間固定支持部材の外形形状を流線形にすることにより、中間固定支持部材を通過する主流蒸気はラグ面から剥離しない流れとなり、後流に大規模な剥離渦などが発生しない。その結果、流れの速度欠損領域が小さくなり流体損失を小さくすることができるため、動翼は異常振動等を発生することなく、高強度の動翼翼列構造を有する蒸気タービンを得ることができる。

以下、本発明に係る蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造の実施形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
まず、図１を用いて本発明に係る第１の実施形態を説明する。
本第１の実施形態において、蒸気タービンの低圧段等に用いられる長翼長の動翼１は翼植え込み部２を介してタービン回転軸（図示せず）に取り付けられる。この動翼１のほぼ中間部に、回転遠心力や振動力に耐えるために中間固定支持部材として断面形状が流線形ラグ６が設けられている。そして、この流線形ラグ６は、隣接する同形状の流線形ラグ６と溶接等によって相互に連結される、その結果、複数の動翼が相互に連結された群翼構造として動翼翼列が形成される。

次に、上記のような形状を有する流線形ラグ６の流れ特性を従来例と比較して説明する。
図２（ａ）は中間固定支持部材として略円形状のラグ３を用いた従来構成による流れの模式図で、図２（ｃ）はラグ３通過後の流体特性分布を示す模式図である。ここでは中間固定支持部材の断面形状が略円形状をしているため主流流れは外周面で大規模剥離流れが発生しラグ３後端からは空力損失が大きい１対の剥離渦領域１１が広範囲に生成される。

一方、図２（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る流線形ラグ６を用いた場合の流れの模式図で、図２（ｄ）は流線形ラグ６通過後の流体特性分布を示す模式図である。ここでは中間固定支持部材の断面形状が流線形状をしていることから、主流流れは流線形ラグ６外周面で大規模な剥離流れが発生しないため流線形ラグ６後端からは空力損失が小さい１対のウエーク（後流）１３が狭い範囲に生成されるだけであり、翼間には低損失領域１２が広く存在するようになる。

図３は、ラグの有無も含めて、上記従来のラグ及び本件発明に係るラグの空力損失を比較したものである。図３の横軸は翼高さを翼コード長で無次元化したアスペクト比を、縦軸はラグ無し翼列損失で無次元化した翼列損失比を示す。なお、ラグ無しの場合、翼列損失比はアスペクト比に関係なく常に１である。アスペクト比が小さい領域ではラグ部で発生する空力損失（損失大）が空間に占める割合が大きいため翼列損失は大きいが、アスペクト比が大きくなるに従い空間の総合翼列損失は漸減する傾向を示すものの、依然として、ラグによる空力損失は大きい。タービン用長動翼ではアスペクト比４以上で中間固定支持部材を長翼の補強部材として用いるが、従来のラグを本第１の実施形態に係る流線形のラグに変更することにより大幅に空力損失を低減することができる。

次に、図４は、図１（ｃ）に示すように流線形ラグ６の最大厚さをＴmax、全長をＬとしたとき、Ｌ／Ｔmaxに対する翼列損失比較特性を示したものである。流体損失は許容値が８０％以下なので、図４によればＬ／Ｔmaxは約１．２３以上であればよい。また、上限は、ラグの強度の観点から３．５以下が望ましい。

次に、図５を用いて流線形ラグ６の取付け角について説明する。流線形ラグ６の取付け角度については、流線形ラグ６の流出方向（翼弦方向）がタービン通路軸方向とケーシング８の傾斜角の範囲であれば任意に設定することができる。図５に示すように、実機の主流流れが翼高さ方向に傾いて流れる方向と略平行に流線形ラグ６を傾けることにより、主流流れのラグ面からの剥離を防止すると共にウエーク（後流）幅を小さくできるので、このウエーク内の速度欠損領域を狭くし翼列の空力損失をさらに低減できる。

このように構成された本第１の実施形態によれば、動翼同士を連結する流線形ラグ６の形状が流線形であるため、流線形ラグ６を通過する主流蒸気はラグ面から剥離しない流れとなり、流線形ラグ６の後流に大規模な剥離渦などが発生しない。そのため、流れの速度欠損領域が小さくなり流体損失を小さくすることができるため、動翼は異常振動等を発生することなく、高強度の動翼翼列構造を有する蒸気タービンを得ることができる。

なお、上記実施形態では、中間固定支持部材として流線形ラグ６を用いた例を説明したが、流線形のラグの代わりに流線形のタイワイヤを用いても同様な作用効果を奏することはもちろんである。

（第２の実施形態）
次に、本発明に係る第２の実施形態を、図６を用いて説明する。
本第２の実施形態では、タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造は、上記第１の実施形態のように流線形ラグ６同士を直接連結するのではなく、流線形のスリーブ７からなる中間部材を介して隣り合うラグ３を連結するものである。この翼面に突出したラグ３とこれを繋ぐスリーブ７から構成されるラグスリーブ構造において、スリーブの断面形状を流線形にしたことにより流体損失を大幅に改善されるが、さらに、ラグ３自体も第１の実施形態と同様に流線形にすれば、さらに、流体損失が改善される。

このように構成された本第２の実施形態においては、上記第１の実施形態と同様な作用効果が得られる。また、ラグスリーブ構造を採用したことにより、中間固定支持部材の取付け作業がより簡単になるとともに、流体損失発生に大きく影響する部位に着目して流線形形状を採用することにより、空力性能を損なわずにコスト低減を図ることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明に係る第３の実施形態を、図７を用いて説明する。なお、第１及び第２の実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本第３の実施形態は、動翼の入流する上流側の主流流入角度変化が大きい場合と主流流入角度変化が小さい場合とで、中間固定支持部材の流線形状を変化させたものである。

蒸気タービンの動翼に流入する上流側の主流流入角度の変化は、プラント出力変化によるところが大きく、定格（１００％負荷）条件で常に運転される蒸気タービンの場合、主流流入角度は安定しているので上流側の主流流入角度変化は小さいが、負荷調整が多いプラントに設置される蒸気タービンの場合では、上流側の主流流入角度の変化は大きい。

このため、出力変化の小さいプラントに設置される蒸気タービンの場合、中間固定支持部材として図７（ａ）に示した鋭角型の流線形ラグ６ａを採用することにより主流の剥離を減少させ、流体損失を改善させることができる。

これに対して、出力変化の大きいプラントに設置される蒸気タービンの場合、運転領域によっては中間固定支持部材の取り付け角度に対して主流流れの角度が大きくなる場合があり、この場合固定支持部材の流線形状を鋭角にするとかえって流体損失が大きくなる。このため、負荷調整が多いプラントに設置される蒸気タービンの場合、図７（ｂ）に示した鈍頭型の流線形ラグ６ｂを採用することによって総合的に主流の剥離を減少させて、流体損失を小さくすることができる。

ここで、鈍頭型の流線形ラグとは、主流の流入側の断面形状が略半円形をなしており、流出側がこの半円に滑らかに接続する流線形をなすラグを指す。なお、ラグの主流流入側の断面形状は、図７（ｂ）で示した円形のほかに楕円でも構わない。円形の場合は直径が最大厚さＴmaxとなり、楕円の場合は長径あるいは短径が最大厚さＴmaxとなる。

このように構成された本第３の実施の形態において、主流流れ方向が安定している場合は鋭角型流線形の中間固定支持部材を用いることにより主流の剥離が防止され流体損失を小さく保つことができる。また、主流流れ方向が大きく変化するような場合は鈍頭型流線形の中間固定支持部材を用いることにより、流れの剥離領域を減少させることができ、流体損失を小さく保つことができる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る長動翼全体図、図１（ｂ）はラグ構成図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線におけるラグの断面図。 図２（ａ）は従来のラグを用いた流れ模式図、図２（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係るラグを用いた流れ模式図、図２（ｃ）は従来のラグを用いたＣ−Ｃ断面の流体特性図、図２（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係るラグを用いたＣ−Ｃ断面の流体特性図。 圧損特性比較図。 ラグ長さ変化時の圧損特性比較。 本発明の第１の実施形態に係るラグの取付け概念図。 本発明の第２の実施形態に係るラグスリーブ構造図。 図７（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る鋭角型流線形ラグの断面図、図７（ｂ）は同鈍頭型流線形ラグの断面図。 図８（ａ）はラグを用いた従来の長動翼構成図、図８（ｂ）はＡ−Ａ断面における従来のラグ断面図、図８（ｃ）は従来のラグ構造図、図８（ｄ）は従来のラグスリーブ構造図。 図９（ａ）はタイワイヤを用いた従来の長動翼構成図、図９（ｂ）は従来のタイワイヤ構造図、図９（ｃ）はＡ−Ａ断面における従来のタイワイヤの断面図。

符号の説明

１…蒸気タービン用長動翼、２…翼植え込み部、３…ラグ、４…タイワイヤ、５…スリーブ、６…流線形ラグ、６ａ…鋭角型流線形ラグ、６ｂ…鈍頭型流線形ラグ、７…流線形スリーブ、８…ケーシング、９…回転軸、１０…翼後縁、１１…剥離渦領域、１２…低損失領域、１３…ウエーク（後流）。

Claims (9)

1. タービン用長動翼翼列の中間固定支持部材の断面形状を流線形にしたことを特徴とする蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造。
2. 前記中間固定支持部材はタイワイヤであることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造。
3. 前記中間固定支持部材はラグであることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造。
4. タービン用長動翼翼列の中間固定支持部材は翼面に突出したラグとこれを繋ぐスリーブとから構成されるラグスリーブであって、前記スリーブの断面形状を流線形にしたことを特徴とする蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造。
5. タービン用長動翼翼列の中間固定支持部材は翼面に突出したラグとこれを繋ぐスリーブとから構成されるラグスリーブであって、前記ラグ及びスリーブの断面形状を流線形にしたことを特徴とする蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造。
6. タービン用長動翼翼列の中間固定支持部材はその断面形状が流線形であって、上流側の主流流入角度変化が大きい蒸気タービンに適用される場合、前記中間固定支持部材の上流側の形状を鈍頭型としたことを特徴とする蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造。
7. タービン用長動翼翼列の中間固定支持部材はその断面形状が流線形であって、上流側の主流流入角度変化が小さい蒸気タービンに適用される場合、前記中間固定支持部材の上流側の形状を鋭角型としたことを特徴とする蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造。
8. 前記中間固定支持部材の軸方向長さをＬ、最大厚さをＴmaxとしたとき、Ｌ／Ｔmax≧１．２３であることは特徴とする請求項１乃至７いずれか１項に記載の蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の蒸気タービン用長動翼翼列の中間固定支持構造を備えた蒸気タービン。

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