JPH0367001A - 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） 本発明はターボ機械等に用いられる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、二次渦流による圧力損失
を低減させた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内部損
失を低減させる必要がある。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（Ｒ高さ／翼コード）が小さく翼
高さが低いタービン段落においては、二次流れによるエ
ネルギ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。

−殻内な軸流タービンのノズル構成を第７図および第８
図に示す。ノズルダイヤフラム内輪１とノズルダイヤフ
ラム外輪２との間に環状流路３が形成され、この環状流
路３に複数枚のノズル４が所定の間隔をおいて固設され
る。タービン羽根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。

タービン羽根５の外周端には羽根先端部を固定するため
、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。

次に軸流タービンのタービン段落構成においてノズル４
における二次流れの発生機構を説明する。

第７図は第８図に示すタービンノズルをノズル流出口側
から観察した斜視図である。

各ノズルｌは、タービンロータの回転中心を通る基準ラ
ジアル線Ｅに沿って設けられ、ノズルダイヤフラム内輪
１の外周壁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４゜４間に
形威されるノズル翼間流路３ａを流れるときにこの翼間
流路３ａ中で円弧状に曲げられて流れる。このため、ノ
ズル翼間流路３ａ中の作動流体に働く遠心力によってノ
ズル腹面Ｆの圧力はノズル背面Ｂの圧力よりも高いとい
う圧力勾配を生じる。一方、ノズルダイヤフラム内輪１
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よれば
、境界層の中の圧力勾配は主流の圧力勾配と同等になる
ため、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、ノズル腹面Ｆからノズ
ル背面Ｂへ向かう流れ、すなわち二次流れ８が生じる。

この二次流れ８は、ノズル４の背面Ｂ側に衝突して巻き
上り、二次渦（二次渦流）９を発生する。

これにより、作動流体が保有するエネルギは、二次渦９
を形成するためにその一部が散逸する。

このようにノズル性能を著しく低下させるうえに、下流
側のタービン羽根（動翼）に流入する作動流体のエネル
ギ損失を招き、タービン段落の性能を低下させている。

（発明が解決しようとする課題） 従来のタービンノズルにおいては、ノズルダイヤフラム
内輪（の外周壁面近傍に大きな二次渦９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、ター
ビンノズルの性能を著しく低下させるとともに、タービ
ンノズルの下流側に位置するタービン羽根（動翼）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
ネルギを有効にタービン羽根に伝達できず、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、タービンノズルの壁面近傍に発生する二次渦によ
るエネルギ損失の低減を可能とし、タービン性能を向上
させた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） 本発明に係るタービンノズルは、従来技術が有する課題
を解決するために、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威し、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、前記各ノズルをター
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３度ないし１４度の範囲で傾斜させてノ
ズルダイヤフラム内輪とノズルダイヤフラム外輪とに固
定したものである。

また、本発明のタービンノズルは、上述した課題を解決
するために、各ノズル間に形成されるノズル翼間流路は
、流入口側から流出口側に向って流路高さが漸次絞り込
まれるように、ノズルダイヤフラム外輪の内周壁面を傾
斜または湾曲させたものである。

さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る
タービンノズルは、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
配設したタービンノズルにおいて、前記各ノズル間に形
成されるノズル翼間流路は、流入口側から流出口側に向
って流路高さが漸次絞り込まれるように、ノズルダイヤ
フラム外輪の内周壁面をタービンロータの軸方向に対し
３度ないし１４度の範囲で傾斜または湾曲させたもので
ある。

（作用） このタービンノズルは、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の環状流路に、周方向に間隔
をおいて配設されるノズルを、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、
３度ないし１４度の範囲で傾斜させて固定したから、ノ
ズル間に形成されるノズル翼間流路は傾斜した曲管とな
り、ノズル翼間流路における速度ベクトルはノズルダイ
ヤフラム内輪の方向となる。これによりノズルダイヤフ
ラム内輪の内周壁面近傍に発生する二次渦は、その成長
が抑制されるため、ノズルルート部における二次流れ圧
力損失は大幅に減少する。

さらにノズル下流側に位置するタービン羽根に流入する
作動流体の乱れは従来のタービン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タ
ービン羽根に伝達できるようになる。

また、ノズルを基準ラジアル線に対してノズル腹面方向
に所定角度傾斜させるとともに、各ノズル間に形成され
るノズル翼間流路を流入口側から流出口側にかけて絞り
込むようにノズルダイヤフラム外輪の内周壁面を傾斜ま
たは湾曲させた場には、ノズルルート部における二次流
れの発生をより積極的に防止でき、二次流れに起因して
生じる二次渦による圧力損失を効果的に防止できる。

さらに、ノズルを基準ラジアル線方向に配設した場合で
も、各ノズル間に形成されるノズル翼間流路を流入口側
から流出口側に向って絞り込むように、ノズルダイヤフ
ラム外輪の内周壁面をタービンロータの軸方向に対し３
度ないし１４度の範囲で傾斜または湾曲させても、ノズ
ルルート部に発生する二次流れによる二次渦の発生を抑
制することができ、二次渦による圧力損失の軽減を図る
ことができる。

本発明によれば、ノズルの二次流れ損失が低減され、ま
たタービン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。

（実施例） 本発明に係るタービンノズルの一実施例について添付図
面を参照して説明する。

第１図および第２図は、ターボ機械等に用いられる軸流
タービンのノズル構成を示す。軸流タービンのノズルダ
イヤフラム１０は静翼として構成される。このノズルダ
イヤフラム１０は、ノズルダイヤフラム内輪１１とノズ
ルダイヤフラム外輪１２との間に環状流路１３が形成さ
れ、この環状流路１３に複数枚のノズル１４が周方向に
所定の間隔をおいて列状に固設される。各ノズル１４の
ルート部およびチップ部はノズルダイヤフラム内輪１１
およびノズルダイヤフラム内輪１２にそれぞれ接合され
、固定される。各ノズル１４の翼断面は従来のノズルと
同様に形成され、流線形の外表面を有する。

各ノズル１４に対向する下流側には、複数枚のタービン
羽根１５が配設される。タービン羽根１５は軸流タービ
ンの動翼を構成し、タービンロータを構成するロータデ
ィスク１６の外周に周方向に所定の間隔をおいて植設さ
れる。タービン羽根１５の外周端には羽根先端部を固定
するシュラウド１７が取り付けられ、このシュラウド１
７で作動流体の漏洩を低減させている。

また、各ノズル１４はロータディスク１６の回幅中心を
通る基準ラジアル線Ｅに対してノズル腹面Ｆの方向に傾
斜して固定される。各ノズル１４の基準ラジアル線Ｅに
対する傾き角、例えばノズル後縁１４ａの傾き角θは、
第３図に示すように、３°≦θ≦１４°の範囲に設定さ
れる。

環状流路１３に配設される各ノズル１４を傾斜させるこ
とにより、各ノズル１４．１４間に形成されるノズル翼
間流路１３ａは傾斜した曲管（曲り流路）となるため、
ノズル翼間流路１３ａにおける速度ベクトルＧはノズル
ダイヤフラム内輪１工側に指向される。これにより、ノ
ズルダイヤフラム内輪１１の内周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、二次流れに起因して生じる二次渦（二次渦流）
の規模は小さくなり二次流れによるエネルギ損失も低減
する。

さらに、第４図を参照してタービンノズルの性能の目安
となる圧力損失の低減効果を説明する。

第４図は第１図に示すタービンノズルの流出口部におけ
る全圧力損失の分布曲線Ａを従来例と比較して示すグラ
フである。破線Ｂで示す従来例はノズルが回転中心を通
る基準ラジアル線Ｅに対して傾斜していない第７図に示
すタービンノズルの場合を示している。本実施例と従来
例とを比較すると、ノズル１４のルート部付近の圧力損
失は本実施例の場合が従来例よりも大きく低減している
のがわかる。

これは、本実施例で示すタービンノズルの場合、ノズル
ルート部近傍の二次流れ損失が大きく低減しているため
である。ノズルチップ部付近の圧力損失は本実施例の方
が従来例よりも大きくなっている。しかし、その増加量
はノズルルート部付近の低減量と比較すると微少である
。

第４図において、従来タービンノズルの圧力損失がノズ
ルチップ部付近よりもノズルルート部付近の方で大きい
のは、次の理由による。すなわち、従来のタービンノズ
ルをノズル流出口側より観察した第９図において、ルー
ト部付近の後縁よりほぼ直角に流出する流れＨｒは曲率
を持つノズルルート内壁面によって離れ易い状態となり
、二次渦の発達を助長する。これに対してノズルチップ
部付近ではノズルダイヤフラム外輪の壁面形状がノズル
後縁より流出する流れＨｔに伴う二次渦の発達を抑制す
る方向に働くので、圧力損失はノズルルート部付近より
小さくなる。

第５図は、本発明におけるノズル１４の傾き角、例えば
ノズル後縁線１４ａの傾き角θの範囲を規定したもので
ある。第５図において横軸は回転中心を通る基準ラジア
ル線Ｅとノズルダイヤフラム内輪１１側のノズル後縁線
とのなす角度（傾き角）θ、縦軸は本発明のタービンノ
ズルを使用した場合の段落効率ηと従来形のタービンノ
ズルを使用した場合の段落効率η　との比を示す。第５
図よす、従来の段落効率η　より段落効率ηが優れる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〈３°では従来形
タービンノズルのフローパターンとほぼ同等であること
、θ〉１４°ではノズルチップ部付近の圧力損失の増大
量がノズルルート部付近の圧力損失低下量よりも大きく
なることによる。

第６図は本発明に係るタービンノズルの他の実施例を示
す。

この実施例では、ノズルダイヤフラム外輪Ａのノズル１
４が基準ラジアル線Ｅに対してノズル腹面方向に傾斜し
ている特徴の他に、ノズル１４の高さが、作動流体の流
入口側から流出口側に向って小さくなるように、ノズル
ダイヤフラム外輪１２の内周壁面１２ａを傾斜させたも
のである。このノズルダイヤフラム外輪１２の内周壁面
１２ａの傾斜により、各ノズル１４間に形成される翼間
流路１３ａはノズルダイヤフラム外輪１２側が絞り込ま
れ、第４図に示したノズルチップ部付近の圧力損失を低
減させることができる。これは、作動流体の翼間流路１
３ａを半径方向に絞り込むことにより、ノズルチップ部
付近の境界層の成長を抑制して二次流れを抑え、二次渦
による圧力損失を低減できるためである。なお、第６図
に示す実施例ではノズルダイヤフラム外輪１２の内周壁
面］、　２　ａが直線的に変化する場合について示した
が、必ずしも直線である必要はなく、滑らかな曲線状に
湾曲させても同様の効果を得ることができる。

なお、この場合の傾き角θの範囲もタービンロータの軸
方向に対し３°≦θ≦１４°の範囲であることが好まし
い。

なお、第６図においては、ノズル１４を基準ラジアル線
Ｅに対してノズル腹面方向に傾斜させるとともに、ノズ
ルダイヤフラム外輪１２の内周壁面を傾斜または湾曲さ
せた例を示したが、ノズルダイヤフラム外輪１２の内周
壁面１２ａを傾斜または湾曲させるだけでもよい。この
場合には、ノズルダイヤフラム内輪１１とノズルダイヤ
フラム外輪１２との間の環状流路１３ａに配列される各
ノズル１４は従来のノズルと同様、基準ラジアル線Ｅに
沿って設置すればよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係るタービンノズルにお
いては、回転中心を通る基準ラジアル線Ｅに対してノズ
ル腹面方向に３度ないし１４度の範囲で傾斜させて各ノ
ズルを取り付けているため、ノズル間に形成される翼間
流路は傾斜した曲管となり、翼間流路における速度ベク
トルはノズルダイヤフラム内輪の方向となる。これによ
り、ノズルダイヤフラム内輪の壁面近傍に発生する二次
渦は、その成長が抑制されるため、ノズルルート部付近
における二次流れによる圧力損失は大幅に減少する。

また、ノズルを基準ラジアル線に対してノズル腹面方向
に所定角度傾斜させるとともに、各ノズル間に形成され
るノズル翼間流路を流入口側から流出口側にかけて絞り
込むようにノズルダイヤフラム外輪の内周壁面を傾斜ま
たは湾曲させた場には、ノズルルート部における二次流
れの発生をより積極的に防止でき、二次流れに起因して
生じる二次渦による圧力損失を効果的に防止できる。

さらに、ノズルを基準ラジアル線方向に配設した場合で
も、各ノズル間に形成されるノズル翼間流路を流入口側
から流出口側に向って絞り込むように、ノズルダイヤフ
ラム外輪の内周壁面をタビンロータの軸方向に対し３度
ないし１４度の範囲で傾斜または湾曲させても、ノズル
ルート部に発生する二次流れによる二次渦の発生を抑制
することができ、二次渦による圧力損失の低減を図るこ
とができる。

いずれの場合にも、二次流れの発生を抑制し、二次流れ
に起因する二次渦の成長が抑えられるから、ノズル下流
側に位置するタービン羽根に流入する作動流体の乱れは
従来のタービン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タービン羽根に伝達
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、またタービン羽根に有効に
エネルギが伝達されるため、細流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
斜視図、第２図は上記タービンノズルを備えたタービン
段落の説明図、第３図は第１図のタービンノズルをノズ
ル流出口側より観察した概略図、第４図は本発明に係る
タービンノズルの圧力損失分布を従来のタービンノズル
の圧力損失分布と比較して示すグラフ、第５図はノズル
の傾き角とタービン段落効率比との関係を示すグラフ、
第６図は本発明に係るタービンノズルの他の実施例を示
す図、第７図は従来のタービンノズルを示す図、第８図
は従来のタービンノズルを備えたタービン段落を示す図
、第９図は従来のタービンノズルをノズル流出口側から
観察した概略図である。 １０、ＩＯＡ・・・ノズルダイヤフラム、１１・・・ノ
ズルダイヤフラム内輪、１２・・・ノズルダイヤフラム
外輪、１３・・・環状流路、１３ａ・・・ノズル翼間流
路、１３・・・ノズル、１４ａ・・・ノズル後縁、１５
・・・タービン羽根、１６・・・タービンロータ、Ｅ・
・・基準ラジアル線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、前記各ノズルを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
   ３度ないし１４度の範囲で傾斜させてノズルダイヤフラ
   ム内輪とノズルダイヤフラム外輪とに固定したことを特
   徴とするタービンノズル。 ２、各ノズル間に形成されるノズル翼間流路は、流入口
   側から流出口側に向って流路高さが漸次絞り込まれるよ
   うに、ノズルダイヤフラム外輪の内周壁面を傾斜または
   湾曲させた請求項１記載のタービンノズル。 ３、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配設したタービ
   ンノズルにおいて、前記各ノズル間に形成されるノズル
   翼間流路は、流入口側から流出口側に向って流路高さが
   漸次絞り込まれるように、ノズルダイヤフラム外輪の内
   周壁面をタービンロータの軸方向に対し３度ないし１４
   度の範囲で傾斜または湾曲させたことを特徴とするター
   ビンノズル。