JPH03189303A - 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） 本発明は軸流タービンの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二次流れを抑制
し、さらに二次流れが撹乱して発生する二次流による圧
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） 近年、発電プラントの運転経済性を改善し、発電効率の
改善を図るためにタービン性能の向上を図ること要重な
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内部損
失を低減する必要がある。タービン段落における内部損
失には、翼形損失、二次流れ損失、漏洩損失等があるが
、特にアスペクト比（翼高す／翼コード）が小さく翼高
すが低いタービン段落においては二次流れによる損失の
割合が大きく、その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課題となっている。

一般的な細流タービンのノズル構成を第５図に示す。複
数枚のノズル１が、ダイヤフラム外輪２とダイヤフラム
内軸３との間に形成される環状流路４に固設される。ま
た第６図に示すように上記ノズル１に対向して下流側に
複数枚の羽根５が配設される。羽根５は、ロータディス
ク６の外周の周方向に所定間隔で列状に植設される６羽
根５の外周端には動翼端を固定するため、および作動流
体の漏洩を低減するためのシュラウド７が取り付けられ
ている。

次に上記の段落構成においてノズル１における二次流れ
の発生機構を第５図を参照して説明する。

第５図は第６図に示す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１は、ロータディスク６の回転中心を通る基準
線Ｅに対して傾斜しておらず、ダイヤフラム内軸３の外
周面に対して垂直に配設された例で示している。

高圧蒸気などの作動流体は、隣接するノズル１゜１間の
翼間流路を流れるときに、流路中で円弧状に曲げられて
流れる。このため、翼間流路中の作動流体に働く遠心力
によって腹面Ｆの圧力は背面Ｂの圧力よりも高いという
圧力勾配を生じる。

方、ダイヤフラム外輪２およびダイヤフラム内軸３の壁
面近傍では、作動流体の粘性の影響により流速が遅い境
界層が成長している。境界層理論の考え方に従えば、境
界層の中に主流の静圧が浸透するため、境界層の中の圧
力勾配は主流の圧力勾配と同等になる。境界層中の圧力
勾配と作動流体に働く遠心力とがつり合うためには、流
速が小さい分だけ流線の曲率が小さくなる必要がある。

このため、腹面Ｆから背面Ｂへ向がう流れ、すなわち二
次流れ８が生じる。

この二次流れ８は、ノズル１の背面Ｂ側に衝突して巻き
上がり、ノズル１の内輪側および外輪側の面接合端にお
いて、それぞれ二次溝９ａ、　９ｂを発生する。これに
より、作動流体が保有するエネルギは、二次溝９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二次溝９ａ。

９ｂ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、下流側の羽根５に流入する作動
流体のエネルギ損失を招き、各タービン段落の性能を低
下させている。

上記のノズル流路内で発生する二次溝９ａ、　９ｂに起
因する二次流れ損失を低減するために種々のタービンノ
ズル構造が研究されている。

例えばノズルが回転中心を通る基準線に対して傾斜させ
て取付けた形状を採用したタービンノズルが特開昭６１
−１０８８０４号公報に開示されている。

第７図は上記の傾斜ノズルＩａを採用したタービンノズ
ルを示す斜視図、第８図は第７図をノズル出口側から観
察した図である。このタービンノズルの構成自体は、第
５図および第６図に示した一般的な軸流タービンのノズ
ル構成と同一である。

但し、傾斜ノズルｌａはロータディスクの回転中心を通
る基準線Ｅに対して傾けて取り付けられている。このた
め、ノズルｌａ、　ｌａで形成される翼間流路は傾斜し
た曲管となり、翼間流路における速度ベクトルＧはダイ
ヤフラム内軸３の方向となる。

これにより、ダイヤフラム内軸３の壁面近傍に発生した
境界層は、その成長が抑制され、二次流れも小さくなる
。その結果、二次溝９ａの規模は、第５図に示したノズ
ルの場合よりも小さくなり、ノズルルート部における二
次流れ損失が大幅に減少する。

（発明が解決しようとする課題） 上記の通り、従来の傾斜したノズル１ａを採用したター
ビンノズルにおいては、傾斜ノズル１ａのダイヤフラム
内軸３側の二次流れ損失が低減される効果を有する。

しかしながら、傾斜ノズル１ａのダイヤフラム外輪２側
では、逆に二次流れ損失が増大する問題点がある。すな
わち、傾斜ノズル１ａにて翼間流路を形成した場合、翼
間流路は傾斜した曲管となるため、翼間流路における速
度ベクトルＧはダイヤフラム内軸３の方向となるのは前
述した通りである。

この場合、ダイヤプラム外輪２側の壁面近傍に発生する
境界層は、速度ベクトルＧによる流体力を受けないため
発達し易く、境界層がダイヤフラム外輪２の壁面近傍か
ら離れて作動流体の主流内に流れ出る、いわゆる剥離現
象が発生する。その結果、傾斜ノズル１ａの背面Ｂとダ
イヤフラム外輪２とで構成されるコーナ一部に大きな二
次渦９ｂが発生することになる。

このため、従来形状の傾斜ノズルでは、大きな二次渦９
ｂを形成するために、作動流体の保有するエネルギの一
部が散逸しノズル性能を著しく低下させるとともに、ノ
ズルの下流側に位置する羽根に流入する作動流体を大き
く乱すため作動流体の保有するエネルギを有効に羽根に
伝達できず、タービン段落の性能を低下させる問題点が
あった。

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、タービンノズルのダイヤフラム外輪側に生じる境
界層の発達を抑制し、二次流れに起因する二次渦の発生
によるエネルギ損失の低減を可能とし、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
。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明は、ノズルダイヤフラ
ム内軸とノズルダイヤフラム外輪との間に環状流路を形
成し、この環状流路に複数のノズルを周方向の所定の間
隔をおいて列状に配設したタービンノズルにおいて、各
ノズルのノズルダイヤフラム内輪側から任意の高さまで
はタービンロータの回転中心を通る基準ラジアル線に対
してノズル腹面方向に傾斜させ、前記任意の高さからノ
ズルダイヤフラム外輪までは基準ラジアル線に対してノ
ズル腹面方向に湾曲させて形成したことを特徴とするも
のである。

（作　用） 上記構成のタービンノズルによれば、ノズルダイヤフラ
ム外輪近傍の翼間流路における速度ベクトルはダイヤフ
ラム外輪の方向となるため、ダイヤフラム外輪の壁面近
傍に発生した境界層はその成長が抑制され二次流れに起
因する二次渦の発生によるエネルギ損失を大幅に低減す
ることができる。さらにノズル下流側に位置する羽根に
流入する作動流体の乱れは従来のノズルの場合よりも低
減するため、作動流体の保有するエネルギを効率良く羽
根に伝達できるようになる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について、第１図、第２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
構造を示す斜視図である。第２図は第１図のタービンノ
ズルをノズル出口側より観察した図であり、第５図に示
す従来例と同一要素には同一符号を付す。

本実施例に係るタービンノズルは、ダイヤフラム外輪２
とダイヤフラム内輪３との間に形成される環状流路４に
複数のノズル１を周方向に所定間隔をおいて列状に配設
して構成する。各ノズル１のチップ側およびルート側の
接合端はそれぞれダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内
輪３とに接合されている。

各ノズル１は第２図に示すように、ノズルダイヤフラム
内輪側から任意の高さまではタービンロータの回転中心
を通る基準ラジアル線に対してノズル腹面方向に傾斜し
、前記任意の高さからノズルダイヤフラム外輪までは基
準ラジアル線に対してノズル腹面方向に湾曲して固定さ
れている。

本実施例に係るタービンノズルにおいて、ダイヤフラム
内輪３近傍の翼間流路における速度ベクトルＧはダイヤ
フラム内輪３の方向となる。これにより、ダイヤフラム
内輪３の壁面近傍に発生した境界層はその成長が抑制さ
れ二次流れも小さくなる。この結果、二次渦９ａの規模
は小さくなり二次流れ損失も低減する。

一方、ダイヤフラム外輪２の壁面近傍では、ノズルが腹
面方向に凸形状で湾曲しているため、翼間流路における
速度ベクトルＧはダイヤフラム外輪２の方向となる。こ
のため、ダイヤフラム外輪２の壁面近傍に発生した境界
層の発達を従来の傾斜ノズルの場合よりも抑制すること
ができ、二次渦９ｂの規模が小さくなり二次流れ損失も
低減する。

さらに第３図を参照して、タービンノズルの性能の目安
となる全圧損失の低減効果を説明する。

第３図は第１図に示すタービンノズルの出口部における
全圧損失の分布を従来例と比較して示すグラフである。

従来例としてはノズルが回転中心を通る基準線に対して
傾斜していない第５図に示す一般ノズルと、傾斜してい
る第７図に示す傾斜ノズルについて示している。本実施
例と従来例とを比較すると、ノズルの中間部領域におけ
る全圧損失分布はほぼ同等であるが、ノズルのルート側
およびチップ側における全圧損失分布には大きな差異が
見られる。まずルート側では、従来例（一般ノズル）に
比較して傾斜ノズルの全圧損失は大きく低減している１
反面、チップ側では従来例の傾斜ノズルは従来例の一般
ノズルよりも全圧損失は増加している。しかしながら本
実施例のノズルではチップ部付近においても従来例の一
般ノズルよりも全圧損失は低減している。これらは、い
ずれも壁面近傍に発生する二次渦の規模による影響であ
る。

次に第２図で示される基準ラジアル線とノズル後縁線と
のなす角度θの適用範囲について第４図を参照して説明
する。第４図において横軸は上記のＯ１縦軸は本発明の
ノズルを使用した場合の段落効率η本発明と第５図に示
す従来形のノズルを使用した場合の段落効率η従来との
比を示す。第４図より、η従来より段落効率が優るθの
範囲は３°≦θ≦１４″である。このように傾き角θに
効率が良い範囲が存在するのは、θく３°では従来形ノ
ズルのフローパターンと同等であること、θ＞１４”で
は本発明形状においてもダイヤフラム外輪近傍の損失が
増大することや流量分布に大きな偏りが生じるためと考
えられる。

〔発明の効果〕

以上説明のように、本発明に係るタービンノズルによれ
ば、ノズルダイヤフラム外輪近傍の翼間流路における速
度ベクトルはダイヤフラム外輪の方向となるため、ダイ
ヤフラム外輪の壁面近傍に発生した境界層はその成長が
抑制され二次流れに起因する二次渦の発生によるエネル
ギ損失を大幅に低減することができる。さらにノズル下
流側に位置する羽根に流入する作動流体の乱れは従来の
ノズルの場合よりも低減するため、作動流体の保有する
エネルギを効率良く羽根に伝達できるようになる。

すなわち、本発明によれば、ノズルの二次流れ損失が低
減され、また羽根に有効にエネルギが伝達されるため、
タービンの効率を大幅に向上させることができる。

【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
要部斜視図、第２図は第１図のタービンノズルをノズル
出口側よりｗｌ察した図、第３図は本実施例のタービン
ノズルの全圧損失分布を従来例と比較して示すグラフ、
第４図は傾き角と段落効率比との関係を示すグラフ、第
５図は従来の傾斜していないノズルの斜視図、第６図は
一般的なタービン段落の説明図、第７図は従来の傾斜し
ているノズルの斜視図、第８図は第７図のタービンノズ
ルをノズル出口側より観察した図である。 １・・ノズル、　　　　　　１ａ・・・傾斜ノズル、２
・・・ダイヤフラム外輪、３・・・ダイヤフラム内輪、
４・・・環状流路、　　　　５・・・羽根、６・・・ロ
ータディスク、　　７・・・シュラウド、８・・・二次
流れ、　　　　９ａ、　９ｂ・・・二次渦、Ｂ・・・背
面。 Ｆ・・・腹面、 Ｅ・・・基準線。 Ｇ・・・速度ベクトル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ノズルダイヤフラム内輪とノズルダイヤフラム外
   輪との間に環状流路を形成し、この環状流路に複数のノ
   ズルを周方向に所定の間隔をおいて列状に、かつ、ター
   ビンロータと同軸に配設されたタービンノズルにおいて
   、前記各ノズルのノズルダイヤフラム内輪側から任意の
   高さまではタービンロータの回転中心を通る基準ラジア
   ル線に対してノズル腹面方向に傾斜させ、前記任意の高
   さからノズルダイヤフラム外輪までは前記基準ラジアル
   線に対してノズル腹面方向凸になるように湾曲したこと
   を特徴とするタービンノズル。
2. （２）ノズルダイヤフラム内輪側から任意の高さまで、
   基準ラジアル線に対してノズル腹面方向に傾斜させる角
   度を３度ないし１４度の範囲としたことを特徴とする請
   求項１のタービンノズル。