JPH01211605A - タービンノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は蒸気タービン、ガスタービン等の軸流回転機械
において出力段落を構成するタービンノズルに係り、特
にタービンノズルの環状流路周壁面に生じる境界層の発
達を抑制することによって二次流れの発生を防止し、ざ
らに二次流れが撹乱して発生する二次渦による圧力損失
を低減し、タービン性能を向上し得るタービンノズルに
関する。

（従来の技術） 蒸気タービンまたはガスタービンを使用して発電を行う
発電プラントにおいては、エネルギ利用効率を高め、プ
ラントの運転経済性を改善することが常に要請されてい
る。熱効率の改善を図る対策は、出力機器である蒸気タ
ービンやガスタービンのサイクルの改善と、出力機器の
内部効率の改善とに大別される。

本発明は出力機器の内部効率の向上を図る対策としてな
されたものであり、具体的には、各タービン段落におけ
る圧力損失を低減してタービン性能の向上を図るもので
ある。

従来の一般的なタービン段落の構成を第８図に示で。第
８図に示すＪ：うに複数枚のノズル翼１が、外輪２と内
輪３との間に形成される環状流路４に列状に固設され静
止部が形成される。また上記ノズル翼１に対向して下流
側に複数枚の動翼５が配設される。！Ｉ！ＩＪ貿５は、
回転軸６と一体または嵌め込みによって形成されたａ−
タディスク７の外周の周方向に所定間隔で列状に植設さ
れ回転部を形成ηる。外輪２は機器ケーシング８の内周
面に固着される。

このように静止部と回転部とによって形成されたターど
ン段落を佃ｊ方向に複数個配設することにより多段の軸
流タービンが構成される。

上記の軸流タービンに供給された蒸気または燃焼ガス等
の作動流体は、内輪３の外表面すなわち内壁９と、外輪
２の内周面すなわち外壁１０とで形成される環状流路４
を軸方向に流れ、ノズル翼１を通過することにＪ：つて
、周方向に十分な旋回力がイ」与された後に、対向づる
動翼５に吹き付りられる。作動流体の旋回力は動翼５を
介して回転軸６の回転力に変換される。

作動流体は動翼５から流出し、べらに次のタービン段落
に流入して同様な動作が繰り返され、作動流体が保有し
ていた温度１１ツノエネルギが回転軸６の機械的エネル
ギに変換される。回転り−ＩＩ６に伝達された機械的エ
ネルギは、図示し４ｆい発電機において電気エネルギに
変換される。

ここで発電効率の改善を図るためにに【、タービン性能
の向上を図ることが重要な課題となっている。

タービン性能の向上を図るには各タービン段落の圧力損
失を低減する必要がある１、タービン段落におｌ−する
内部損失には、翼形損失、羽根チップ漏洩損失、流出損
失などがあるが、特にアスペクＩへ比（買高さ／翼弦長
）が小さくノズル翼高さが低いタービン段落においては
二次流れによる二次根尖の比率が支配的であり、その翼
形損失を低減することがタービン性能を向上する上で大
きな技術上の課題となっている１、 次に前記の段落構成においでノズル翼１にｄ３りる二次
流れの発生機構を第９図を参照して説明Ｊる。、第９図
は従来のタービンノズルをノズル出口側から観察した斜
視図である。

各ノズル翼１は、軸流タービンの回転中心を通る基ｉ１
ｉ＋Ｅに対して傾斜しておらず、外輪２および内輪３の
内周面に対して垂直に配設されている。

高圧蒸気などの作動流体は、隣接するノズル翼１．１間
の翼間流路を流れるどきに、流路中で円弧状に曲げられ
て流れる。このときノズル翼１の背面Ｂから腹面Ｆ方向
に遠心力を生じ、この遠心力と静圧とが平衡しているた
め、腹面Ｆにおりる静圧が高くなり、一方背面Ｂにおい
ては作動流体の流速が大きいため静圧が低い。そのため
、流路内では腹面Ｆ側から背面Ｂ側に圧力勾配を生じる
。

この圧力勾配は外輪２と内輪３０周壁面上に形成される
流速のおそい層、すなわち境界層においても同様である
。

（発明が解決しようとする課題） ところが、境界層付近においては流速が小さく、作用づ
−る遠心力も小さいため、腹面Ｆ側から背面Ｂへの圧力
勾配に抗しきれずに作動流体の主流の流れ方向Ｇに対し
て横方向、すなわち腹面［：側から背面Ｂ側に向かう流
れ、すなわち二次流れ１１ａ、Ｉｌｂが生じる。

そして上記二次流れ１１ａ、１１ｂはノズル翼１の背面
Ｂ側に衝突して巻き上がり、ノズル翼１の内輪側および
外輪側の両種合端におい−Ｃ，イれぞれ二次渦１２ａ、
１２ｂを発生ずる。かくして作動流体が保有するエネル
ギは、二次渦１２ａ。

１２ｂを形成するためにその一部が散逸する。

このようにノズル流路内で発生する一次渦１２ａ、１２
ｂは作動流体の不均一な流れを生じ、ノズル性能を著し
く低下させるうえに、下流側の動翼に流入する作動流体
の性能を低下させている。

ここで二次流れを発生ざゼる因子としては、ノズル翼間
の圧力分布が大ぎな影響力を持つ１．一般に二次流れ損
失はノズル翼間で発生づ−る圧力差に比例する。また、
ノズル翼間で最大圧力差を発生する部位が翼後縁側に接
近するほど、二次渦が成長する区間が短くなるため、二
次流れ損失は小さくなると考えられる。

従来の蒸気タービンやガスタービンにおいて翼高さが低
いタービンノズルを使用する場合は、翼形損失を十分配
慮した設計が採用されているため、翼高さ方向に翼断面
形状を変化させない構造となっている、。

ところが、内壁および外壁近傍において翼形損失を防止
する翼断面形状にすると、ノズル翼間の圧力差が増大し
、二次流れを誘起し易い。そのため二次流れ損失が増大
し、タービン段落全体の仕事の効率を（Ｌｔ下さける原
因どなっている。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、タービンノズル内に発生する二次流れを可及的に
抑制し、その二次流れに伴って増大する二次流れ圧力損
失を減少せしめ、タービン性能を向上し得るタービンノ
ズルを提供することを目的とする。

〔発明の効果〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明に係るタービンノズル
は、内輪と外輪との間に形成された環状流路の周方向に
複数のノズル翼を列状に配設し、各ノズル翼を内輪側の
接合端および外輪側の接合端において固定して構成した
タービンノズルにおいて、各ノズル翼は、面接合端部の
前縁を環中央部の前縁より後縁側に後退さけて薄く形成
するとともに、面接合端部から環中央部に至る範囲にお
いて翼断面形状が滑らかに連続して拡大変化するように
形成したことを特徴とづる。

（作用） 上記構成のタービンノズルによれば、各ノズル翼の面接
合端部の翼断面形状が、翼間最大圧力差を小さくするよ
うに前縁部が、環中央部ど比較して、復縁側に後退させ
て薄く形成される一方、後縁部の翼断面形状は従来と同
様に形成されている。また接合端部から環中央部まで滑
かに翼断面形状が変化するように形成されている。

ノス゛ル翼間に流入した作ｉＦＩノ流体は、ノズル翼に
よって流れの向きを転向しながら流れ速■を増加する。

このとき外壁および内壁近傍においては、従来の翼断面
形状より翼前縁が後退し、ノズル腹面の曲率半径を中央
部よりも大きく設定し、またノズル腹面において滑らか
に増速可能な翼断面形状を呈しているため、ノズル腹面
とノズル背面とのノズル翼間圧力差が生成しにくくなる
。

そのため、ノズル翼間圧力差に比例して発生する二次流
れ損失が減少し、また最大圧力差が発生する位置がより
後縁側に後退する。従ってより一層二次流れの成長が抑
制され、タービン性能を大幅に向上させることができる
。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面第１図〜第４図
を参照して説明する。第１図は本発明に係るタービンノ
ズルの一実施例を示す斜視図である。なお第８図、第９
図に示す従来例と同一要素には同一符号を付している。

本実施例に係るタービンノズルは、第１図に示すように
、内輪３と外輪２との間に形成された環状流路４の周方
向に複数のノズル翼１ａを列状に配設し、各ノズル翼１
ａを内輪側の接合端および外輪側の接合端において固定
して構成される。各ノズル翼１ａは、面接合端部の前縁
Ｚ２を環中央部の前縁Ｚ１より後縁に側に後退させて薄
く形成するとともに、面接合端部から環中央部に至る範
囲において翼断面形状が滑らかに連続して拡大変化する
ように形成して構成する。なお第１図の破線部は従来の
ノズル翼１の形状を示す。

第２図は本実施例のノズル１１ａおよび従来のノズル翼
１の各接合端部にお（）る翼断面形状を比較して示した
断面図である。Ｖなわち、斜線を例した部分が本実施例
のノズル１１ａを示し、破線部が従来のノズル翼１の翼
断面形状を示す。づなわち本実施例のノズルｌｌａの前
縁７２から後縁Ｋまでの長さ、すなわちノズルコードＬ
ａは、従来のノズル翼１のノズルコートＬより短く設定
される。従って前縁部の腹面Ｆの曲率半径は従来のノズ
ル翼１より大ぎく設定される。

またノズル翼１ａの後縁にの近傍にお（プる翼断面形状
は、腹面Ｆおよび背面Ｂともに従来例と同一形状である
。一方ノズルｍ１ａの１）ａ縁Ｚ２は従来例より後縁に
側に後退しｌζ位置に設定され、かつ肉厚が薄く形成さ
れている。そのためノズル翼１ａの前縁Ｚ２から流入し
た作動流体は曲率半径が大ぎな腹面Ｆに沿って滑らかに
増速される。−方ノズル翼１ａの前縁近傍における背面
Ｂの形状は、はぼ従来のノズル翼１とほぼ同一形状に形
成される。

さらにＭ３図に本実施例のタービンノズルの側断面図を
示す。本実施例のノズル翼１ａは、内壁９および外壁１
０の近傍では破線で示す従来のノズル翼１の前縁Ｚ　と
比較して、前縁Ｚ２が後縁に側に後退して形成されてい
る。ノズル翼１ａの前縁形状は、接合端部から翼高さ中
央方向にテーパ状に形成され、前縁部は翼高さ方向に直
線Ｓと曲線Ｒとから成る滑らかに連続して変化する形状
に加工されている。

再接合端部近傍におけるノズルＩＥ（１ａの形状は、翼
高さの中間位置に対して上下対称に形成され、翼高き方
向のテーパの傾きも同一である。第３図におけるＩ−Ｉ
、　Ｉ［−ＩＩ、　ｌ−１１１，ｒＶ−ＩＶ矢視で示ず
断面図を重ねて表わしたものを第４図に示す。

すなわち各ノズル翼１ａの接合端からノズル翼中央部に
至る範囲において、翼断面形状は滑らかに連続して拡大
変化するように形成される。そのためノズル翼高さ位置
が中央部に接近するほどノズルコードＬ、ＬＬ＋−は長
くなり、同時ａａ１１ａ２゛ に翼前縁の腹面「のｍ厚みが増大するとともに、前縁の
腹面の曲率半径が小さくなる。

次に本実施例に係るタービンノズルの作用を第５図およ
び第６図を参照して説明する。

本実施例に係るタービンノズルによれば、接合端部にお
けるノズル契前縁を従来のノズル翼の前縁よりも後縁側
に後退させて、腹面側の翼厚みを減少させ腹面の曲率半
径を大きくしたことにより、タービンノズル内に流入し
た作動流体を滑らかに増速づ−るＣとができる。

このときのノズル翼内の圧力分布は第５図に示すように
なる。第５図の横軸は、ノズルコードを示し、１１１ｍ
は圧力を示す。実線で承り”圧力分布は従来形状のノズ
ル翼の圧力分布を示し、本実施例のノズル翼を使用した
揚台の圧力分布は破線で示す。

ノズル翼の後縁部Ｋにおいては、腹面Ｆおよび背面Ｂの
両側で、従来のノズル翼と同一の圧力分布を呈している
。

一方前縁部においては、本実施例のノズル翼に流入した
作動流体が前縁Ｚ２から後縁にの方向に大きな曲率半径
を有する腹面に沿って転向することが可能であり、作動
流体は翼前縁において減速されることなく、ノズル翼間
に流入し、ざらに滑らかな上昇率で流体速度を増し、後
縁にの方向に流れる。すなわち前縁部においては、腹面
側Ｆの圧力は、破線で示すように前縁Ｚ２から後縁Ｋに
向って上昇することなく、−次的に下降するような分布
特性をもつ。

さらにノズル翼の背面Ｂ側の圧力分布は、同様に破線で
示すように前縁Ｚ２より、急峻な勾配で下降し、前縁Ｚ
２よりわずかに後縁方向に至った部位で従来のノズル翼
にお【プる圧力分布と同等となり、以後後縁Ｋに至るま
で同様の圧力分布を呈する。

このため腹面側と背面側との最大圧力差を測定すると、
第５図において、従来のノズルＷ１ではΔＰｍａｘであ
り、−力木実施例のノズル翼１ａではΔＰＩＩｌａｘと
なり、従来と比較してその値は減少するとともに、最大
圧力差が発生する位置も従来より後縁に側に後退するこ
とがわかる。

この最大圧力差の低減により、二次流れの発生量が減少
し、さらに最大圧力差の発生部位の後退により二次渦が
成長する区間が短縮されるため、二次渦の影響が低減さ
れる。

また、本実施例に係るタービンノズルにおける作動流体
の流れ状況を第６図に示す。

一般に所定の曲率で曲成されたノズル翼１ａ１７ｉ１は
釣り合いの方程式から次式で与えられる。

ここでρは作動流体の密度、ｒは作動流体の流線の曲率
半径、■は作動流体の速度である。

第９図に示すように従来のノズル翼１においては、内壁
９および外壁１０の近傍においては、境界層が発達して
いるため、環中央部と比較して流体の速度Ｖおよび流線
の曲率半径ｒが小さいため、ノズル翼間における二次流
れ１１ａ、１１ｂの発生を促進し、二次渦１２ａ、１２
ｂを発生せしめる。

一方、本実施例におけるノズル翼１ａの内壁９および外
壁１０の近傍においては、前縁が復縁方向に後退して、
薄く形成されているため、腹面側の曲率半径が大きい。

そのため作動流体の流線の曲率半径ｒ−ｂ大きくなり、
その部分の圧力勾配二次流れ１３ａ、１３ｂが背面Ｂ方
向に転向される割合も少ない。転向した流れは、二次渦
１４ａ。

１４ｂを形成するが、その規模は、第９図に示す従来例
において発生していた一二次渦１２ａ、１２ｂと比較し
て小さくなる。従って二次渦により発生していた作動流
体の圧力損失も従来例と較べ低下し、タービンノズルの
仕事効率を向上ざゼることができる。

さらに本実施例のノズル翼形状の改善に伴う二次流れ圧
力損失の低減効果を第７図を参照して説明する。翼間最
大圧力差ΔＰに対する二次流れ圧力損失ζ３との関係は
一般に第７図に示す通りである。

一般に前述の翼間圧力勾配と作動流体の流線の曲率半径
との関係式からも理解されるように、翼間最大圧力差Δ
Ｐの増加に伴って、二次流れ圧力損失ζ５は急激に上昇
する。

しかして、本実施例のノズル翼１ａの翼間最大圧力差Δ
Ｐｍａｘは従来のノズル翼１の翼間最大圧力差ΔＰ　　
より低減され、二次流れ圧力損失ａｘ ζ３を大幅に減少させることが可能となる。従ってター
ビンノズル内の二次渦の発生が抑止され、タービン段落
効率を大幅に改善することができる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係るタービンノズルによれば
、内輪および外輪に接合したノズル翼の接合端部におけ
る前縁の位置を環中央部の前縁より後縁側に後退させて
薄く形成することにより腹面の曲率半径を大きくし作動
流体を緩やかに転向させることが可能となり、翼間で発
生する最大圧力差を低減し二次流れによる圧力損失を減
少させることができる。

またノズル翼間において最大圧力差が発生する部位が従
来例と比べて後縁側に後退するため、二次渦の成長が小
さく、二次流れによる圧力損失も比例して低減される。

その結果、タービンノズル全体における圧力損失が低減
され、タービン段落効率を大幅に向上させることが可能
となり、高効率の軸流回転機械を提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るタービンノズルの一実施例を示す
斜視図、第２図は本発明のノズル翼の接合端部における
翼断面形状を従来例と比較して示す断面図、第３図は本
発明のタービンノズルの側断面図、第４図はノズル翼の
各翼高さ位置における翼断面形状を重ねて表わした断面
図、第５図はノズル翼の圧力分布を従来例と比較して示
すグラフ、第６図はタービンノズルを流れる作動流体の
状態を示寸斜視図、第７図は翼間最大圧力差と二次流れ
損失との関係を示すグラフ、第８図は従来のタービン段
落の構成を示す断面図、第９図は二次流れの発生機構を
説明する斜視図である。 １．１ａ・・・ノズル翼、２・・・外輪、３・・・内輪
、４・・・環状流路、５・・・動翼、６・・・回転軸、
７・・・ロータディスク、８・・・機器ケーシング、９
・・・内壁、１０・・・外壁、１１．１１ａ、１１ｂ・
、二次流れ、１２、１２　ａ、　１．２　ｂ・Ｚ次渦、
１３．１３ａ、１３　ｂ　・・・二次流れ、１４．１４
ａ、１４’ｏ−Ｚ次渦、Ｇ・・・作動流体主流方向、Ｅ
・・・タービンの回転中心を通る基準線、Ｆ・・・ノズ
ル翼の腹面、Ｂ・・・ノズル翼の背面、Ｚｌ、Ｚ２・・
・前縁、Ｋ・・・後縁、Ｌ。 Ｌ、ＬＬ　　・・・ノズルコード、Ｓ・・・直線、Ｒａ
　　　　　ａｌ“　　　ａ２ ・・・曲線。 声♂−Ｊ　　　ｋτＪ 習　　翼　　　　　　　　　　　　　翼ヲ５ 月１ｊ　　　　　　　角力　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　）受縁　
　縁　　　　　　　　　　　　　縁ＺＩ　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　Ｋ１４凶 と！　　ｒ−枯オ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内輪と外輪との間に形成された環状流路の周方向に複数
   のノズル翼を列状に配設し、各ノズル翼を内輪側の接合
   端および外輪側の接合端において固定して構成したター
   ビンノズルにおいて、各ノズル翼は、両接合端部の前縁
   を翼中央部の前縁より後縁側に後退させて薄く形成する
   とともに、両接合端部から翼中央部に至る範囲において
   翼断面形状が滑らかに連続して拡大変化するように形成
   したことを特徴とするタービンノズル。