JPH0372801B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、蒸気のような仕事流体によつて駆動
される複圧タービンに関する。

このような複圧タービンは特開昭50−127004号
公報に記載されているように、少なくとも１つの
半径方向衝動タービン段を有する高圧セクシヨ
ン、少なくとも１つの軸流タービン段を有する低
圧セクシヨン、該半径方向衝動段を駆動するため
該高圧セクシヨン内へ１つの圧力の仕事流体を導
入するための装置、及び該軸流段を駆動するため
該低圧セクシヨン内へより低い圧力の仕事流体を
導入するための装置を有する。

半径方向衝動タービンはここ数十年来よく開発
されてきた。その最近の形のタービンは、ホイー
ル回転方向に対し横方向に指向され且つホイール
の周縁に開口するバケツトを持つたロータを備え
ている。弾性の仕事流体が、例えばロータを取囲
むノズルリングを通してバケツトに供給される。

本発明によれば、半径方向衝動段が、ロータの
周縁に間隔をもつて設けられ且つこの周縁に開口
するバケツトを有するそのロータ、及びこのロー
タを回わすためバケツト内へより高い方の圧力の
仕事流体を導入するためのノズルの環状配列を含
むノズルリングを備え、このノズルリングはま
た、隣合うノズルを分け且つそれらノズルの輪郭
を部分的に画成する羽根を備え、これら羽根はロ
ータの軸心の方へ向かつた表面を有し、この表面
は、ノズル送出口に在るエツジから、隣の羽根の
エツジの半径方向外方向に位置する部分まで、連
続的に曲がつている。

各羽根のノズル送出口におけるエツジは3°未満
の楔挾角を有する。従来技術の設計での楔挾角は
11°またはそれ以上が典型的である。しかし本発
明者は、その角度を最大で3°まで小さくすること
により効率の著しく高められることを見出した。
それはまた伴流と相対的流れ撹乱とを少なくす
る。楔角の減少は更にまた、タービンノズルから
ロータへ分配される仕事流体によりロータに加え
られる応力を小さくする。

以下、添付図面と関連して本発明に従つて構成
される２つの実施例を説明する。

第１図から第４図までに示されるタービン６
は、全体的に円形の横断面を有し且つボルトで一
緒に組立てられる複数個のケーシング要素から成
る長形の外ケーシング７を備える。

ケーシング７の内部は高圧セクシヨン８と低圧
セクシヨン９とに分けられる（第２図及び第３図
参照）。

高圧セクシヨン８は２つの衝動タービン段１０
と１１を有する。低圧セクシヨン９は６つの通常
の軸流タービン段１２，１３，１４，１５，１
６，１７を有する。

高圧タービン段と低圧タービン段とはそれぞれ
にロータを含む。これらロータは当該段と同じ参
照番号に文字Ｒを添えて表示される。

８個のロータ１０Ｒ……１７Ｒはカービツクス
プラインによつて一緒に結合される（組立てられ
たカービツクスプラインが第２図と第３図におい
て参照番号１８により概略的に示される）。こう
して作られる組立体の諸要素は単一の引張ボルト
１９によつて一緒に保持され、そしてその組立体
はケーシング７内に適当な軸受により回転自在に
支持される。組立体の上流側（または前側）端部
は駆動継手を受けるスプラインが設けられ（これ
らスプラインは図示されず）、高圧セクシヨンの
上流側で動力取出しが行われるようにする。

第２図に示されるように、タービン６の高圧セ
クシヨン８内の第１及び第２段ロータ１０Ｒ及び
１１Ｒは蒸気使用に耐える17−４PHステンレス鋼
またはこれに相当する材料から鋳造される。

第１段ロータ１０Ｒは環状ノズルリング２０で
取囲まれる。このリングのノズル２１は第４図に
示されるような収束する形状になつている。これ
らノズルは、ノズルを形成するリング２０のフラ
イス加工において残される金属で作られる羽根２
１Ａの間に画成される。それら羽根は、3°未満の
楔角を示す鋭いエツジ２１Ｃと曲面２１Ｂを備え
る。この曲面はロータの軸心の方へ半径方向内方
向に向かい、そしてエツジ２１Ｃから、次の羽根
のエツジ２１Ｃに重なる位置のところまで延在す
る。面２１Ｂの曲率はロータの外周の曲率と同様
（即ちプラスまたはマイナス10％）である。各ノ
ズルは、ノズルリングの外周に開口する送入口２
２と、その内周に開口する送出口２３とを備え、
そしてその放出端部における流体の流れに対する
直角方向の横断面が四角形にされている。ノズル
２１の送出口は、第２図に示されるように、第１
段ロータ１０Ｒの周縁フランジ２６にあるバケツ
ト２５への入口２４に対し、半径方向に整合して
いる。

それらバケツトは等角度間隔で設けられ、そし
て典型的には半径方向に対し18°の角度で傾斜し
たカツターを使つたフライス加工によつて形成さ
れる。

バケツト２５の流体流れに対し直角な断面は実
質的に直角のコーナー２７を有し（第４図参照）、
そしてそれらバケツトは、ロータの上流側に近い
入口２４、ロータの下流側に近い出口２８、及び
これら入口と出口の間の半円形衝動面２９を備え
る。

バケツトの入口側と出口側とに遷移曲面を備え
るようにそれらバケツトをフライス加工すること
によつて、最大の効率を得ることができる。その
ような遷移曲面は、仕事流体がバケツト中で流れ
方向を変えるとき流体がロータに衝突することに
よる損失を小さくする。

各バケツトの後縁面３０のプロフイルを、第４
図に示すように鋭いエツジに終る滑らかな曲面に
なるよう製作することにより、高い効率を得るこ
とができる。その適当な曲面は鋳造によつて容易
に製作できる。あるいはまたそのような曲面は、
次のブラケツトの隣接面と共に約3°の挾角を成す
鋭い楔形を作る平面を形成するようにフライス加
工することによつても製作できよう。これはロー
タから余分な金属を除去し、そしてまたノズルリ
ングから放出される仕事流体の相対噴出速度にも
よく適合する。則ち、平面のフライス加工により
作られる鋭い前縁部と共に、不規則な流れを少な
くし、効率を良くするのに寄与する。

バケツト２５がフライス加工される前に、１つ
の溝がロータにフライス加工される。この溝はロ
ータ周囲に連続的に延在し、ロータの周縁に開口
し、そしてバケツトの前縁部にスロツトを作る。
この溝は主として、バケツトを形成するのに使用
されるカツターのシヤンクを妨害しないために設
けられるが、それはまたロータから余分な金属を
無くし、そしてロータとバケツトとの応力を小さ
くする。

ノズル２１の送出口２３はロータ１０Ｒの周囲
で殆んど連続的な円を成す。これは隣合うバケツ
ト間の鋭い縁部と共にバケツトに対し仕事流体の
実質的に完全な円弧形の噴射を作り、そして確実
にバケツトを滑らかに充満する。これはタービン
の効率に著しく寄与する。

ノズルリング２０は環状高圧送入マニホルド３
３の下流側端部の半径方向フランジ３２に回転防
止ピン３１によつて結合される。マニホルド３３
は高圧セクシヨン第１段ロータ１０Ｒの上流側で
ケーシング要素３４と３５との間にボルトで固定
される。

ノズルリング２０はフランジ３２に対して把持
され、そしてノズル２１の下流側壁がケーシング
要素３５のプレート状内部覆い３６によつて形成
される。ケーシング要素３５はマニホルド３３と
外ケーシング要素３７との間にボルトで固定され
る。

高圧送入マニホルド３３の内部と連通した送入
口３８から仕事流体がタービン６の第１段１０へ
供給される。この仕事流体はマニホルド３３から
ノズルリング２０の外周とマニホルド３３の内壁
との間の環状送入口３９を通つて軸方向に流れ
る。流体は次いで、第２図の矢印４０で示される
ように、ノズルリング２０のノズル２１内へと半
径方向内方向へ流れる。

仕事流体はノズル２１から放出されてロータ１
０Ｒのバケツト２５内へ入り、このバケツト内を
流通しながらロータを駆動する。続いて流体は矢
印４１で示されるように半径方向外方向へ流れ
る。仕事流体の入つていく流れのベクトルと出て
いく流れのベクトルは平行である。

ロータ１０Ｒを完全に取囲む覆い３６によつて
バケツト２５の入口２４と出口２８との間を完全
に覆うことにより、効率はまた増進される。この
完全な覆いは動力減失乱流を少なくする。また各
バケツトの出口側に自由面を維持することにより
効率は増進される。さらにバケツト出口から流出
していく仕事流体が覆い３６に衝突しないので、
その流出モーメントが維持される。これは特に多
段タービンにおいて重要な利点になる。

ロータ１０Ｒのバケツトから出て外方向へ流れ
ていく仕事流体は、ケーシング要素３７と環状デ
イスク状流れ指導板４３との共同によつて、最初
に軸方向に、そしてそれから半径方向内方向へ
（矢印４２参照）曲げられる。指導板４３は、ケ
ーシング要素３７上の半径方向内方向延在環状フ
ランジ４４上流側に固定ねじ４５によつて取付け
られる。

流れ指導板４３と、タービンロータ１０Ｒ……
１７Ｒの組立体との間の漏洩は共同するシール４
６と４７によつて防がれる。これらシールは、流
れ指導板の内周と、高圧セクシヨン第１及び第２
段ロータ１０Ｒ，１１Ｒとによつて支持される。

第１段１０から放出された仕事流体は、第２段
ロータ１１Ｒを取巻くノズルリング４９内に形成
されたノズル４８の中へ流入する。ここでもノズ
ル送出口は、バケツト２５と類似のバケツト５１
の入口５０と整合している。

ノズルリング４９は流れ指導板４３の凹部５２
内に着座し、そしてその流れ指導板と締結具４５
とによつてフランジ４４の上流側に固定される。
このフランジの上流側面はノズルの後側または下
流側壁となる。

ノズル４８は、詳細には図示されないが、好適
に第４図に示されたものと同様な収束形状を備え
る。

第２段ロータ１１Ｒは先の説明と同様に完全に
覆われる。この場合覆いは、ケーシング要素３７
の円形の半径方向フランジ４４によつて形成され
る。

第２段タービンロータ１１Ｒのバケツト５１を
通過した後、仕事流体はそのバケツトの出口５３
から半径方向外方向へ放出され、高及び低圧ター
ビンセクシヨン８と９との間に備えられる環状プ
リナム５４へ入る。ここで、タービンの高圧セク
シヨン８から放出された仕事流体は、送入口５５
と、プリナム５４を取囲む環状低圧送入マニホル
ド５６とを通してタービン内へ導入される仕事流
体と組合わされる。

マニホルド５６とプリナム５４との間の連通
は、内方へ向かう円形開口５７によつて行われ
る。ケーシング要素３７の一体部分である軸方向
に延びる円形ボス５８と５９、及びマニホルド５
６と送入口５５とによつて、ノズルが形成され
る。

混合された仕事流体は第２図と第３図の矢印６
０で示されるように軸方向に流れて、タービン６
の低圧セクシヨン９へ入る。タービン６のこのセ
クシヨン９は通常の軸流構造のものであり、第３
図に最もよく示されている。

低圧セクシヨンの各タービン段は、デイスク６
１に環状配列の羽根６２を取付けて成る既述ロー
タを１つ含む。各ロータの上流側に普通の環状配
列固定ノズル６３が備えられる。各段のノズル
は、ケーシング要素３７に固定の環状ノズル支持
６４に取付けられている。

各段のノズルを通過する漏洩は、円形ダイアフ
ラム６５、このダイアフラムの内周に設けられる
シール６６、及び隣合うロータのデイスクに支持
される共同するシール６７によつて防止される。

環状排出プリナム５４から混合仕事流体を第１
軸流タービン段１２内へ案内するため、この第１
軸流段のダイアフラム６５に軸方向に延在する円
形フランジ６８が固定される。

また第３図に示されるように、各低圧軸流段は
好適に、当該段のノズル支持の一部を成し且つそ
のロータを取囲む環状の摩滅できる摺合リング６
９を備える。この摺合リングは、羽根先端間隙を
使用される仕事流体に対する最小のものとし、羽
根先端を通る仕事流体漏洩を少なくする。

低圧セクシヨンを通る仕事流体の流れは通常の
ものであり、流体は第６段ロータ１７Ｒから環状
排出マニホルド（図示せず）へ放出されていく。
仕事流体はこのマニホルドとタービンケーシング
から排出ダクト７０（第１図参照）を通つて排出
される。

1800軸馬力（136872ｍKg／Ｓ）〔高圧衝動セク
シヨンにおいて600軸馬力（45624ｍKg／Ｓ）〕の
出力を作るように設計された、ここに説明してき
たような特性の１つのタービンが第２図と第３図
に示される。

典型的に、このタービンは、14Kg／cm²
（200psia）で382℃（720〓）の高圧蒸気を1.47
Kg／Ｓ（3.23lbs／Ｓ）の率で、また2.8Kg／cm²
（40psia）で421℃（790〓）の低圧蒸気を0.35
Kg／Ｓ（0.76lbs／Ｓ）の率で供給される。

タービンの低圧軸流セクシヨンの最終段から排
出される蒸気の設計圧力は0.046Kg／cm²
（0.65psia）である。

タービン６の高圧セクシヨン８内の２つの衝動
段１０と１１のロータは直径がそれぞれ0.30と
0.35ｍ（11.75と13.875インチ）、そしてタービン
の低圧軸流セクシヨン内の羽根６２の中央弦長
は、第１段１２の0.015ｍ（0.6インチ）から第６
段１７の0.13ｍ（5.16インチ）までの範囲であ
る。羽根を装架するデイスクの直径は全て0.34ｍ
（13.5インチ）である。

本発明はまた、半径方向衝動段と軸流段とを組
合せ有する強制流動（once−through）タービン
にも適用できる。この型式のタービンも、１つの
半径方向衝動段から次のものへ仕事流体を移送す
るより効果的な構成を備え、そして２つ以上の半
径方向衝動段を採用できるものである。この型式
のタービンは第５図に７１で指示されている。

多くの点でタービン７１は既述のタービンと類
似している。従つて、説明の複雑を避けるため、
タービン７１は主として既述タービンと異なる特
徴について説明する。

タービン７１は長形の外ケーシング７２を備
え、これの中に３つの半径方向衝動段７３，７
４，７５及び７つの軸流段７６……（この内１つ
だけ図示）が収納されている。

各軸流段（タービン６において先に記述した特
徴のものとすることができる）と各衝動タービン
段は、当該段と同じ参照番号に文字Ｒを付して表
示される。

10個のロータ７３Ｒ，７４Ｒ，７５Ｒ，７６Ｒ
……はカービツクフイツテイング７７で一緒に結
合され、そしてこの組立てられた状態に引張ボル
ト７８により保持さる。適当な軸受（図示せず）
がその組合体をケーシング７２内に回転自在に支
持する。

半径方向衝動段のロータ７３Ｒ，７４Ｒ，７５
Ｒはタービン６におけるそれと同様のものであ
り、そしてそれらロータは、これを完全に覆いで
取囲むことによつて得られる前記のような利点を
備えるために、覆い７９，８０，８１で取囲まれ
る。

第１段ロータ７３Ｒは第４図に示されるような
型式のノズルをもつた環状ノズルリング８２で取
囲まれる。

仕事流体は、送入マニホルド８３と接続する送
入口８４からタービン７１の第１段７３へ供給さ
れる。仕事流体はマニホルド８３から環状送入口
８５を通つてノズルリングのノズル内へ入る。

仕事流体はそれらノズルからロータ７３Ｒのバ
ケツトに流入し、これを流通しながらロータを駆
動する。

ロータ７３Ｒのバケツトから放出されて外方向
へ流れていく仕事流体は、タービンケーシング７
２と流れ指導板８６との間の共同によつて、最初
軸方向に、それから半径方向内方向へ曲げられ
る。流れ指導板８６は、第２図に示されたタービ
ン６において用いられる流れ指導板と同様なもの
である。これは、仕事流体が第１段ロータ７３Ｒ
のバケツトから出て第２段衝動段７４のノズルリ
ング８７の方へ指導されていくときに、その流体
の流れが拡散するのを防止する。これは流体の移
動が行われるときのエネルギー損失を少なくする
ために重要なことである。

第２と第３半径方向衝動段７４と７５の操作及
びこれらの間の仕事流体の移動は前の実施態様と
本質的に同様に行われる。

第３半径方向衝動段７５のロータから仕事流体
は再び覆い８１の面に対して流れ、そして軸流段
７６の第１段の方へ曲げられていく。

軸流段を通る仕事流体の流れは通常のものであ
り、仕事流体は最終段ロータから排出マニホルド
（図示せず）へと放出される。このマニホルド及
びタービンケーシングから仕事流体は、第１図に
示されたものと同様な排出ダクトを通して排出さ
れる。

当該技術者には自明のごとく、半径方向衝動タ
ービンセクシヨンで使用できる半径方向衝動段の
数は３段に限定されるものではなく、そしてその
段数が増せばそれだけ効率が高くなる。しかし、
それ以上の段数はマスが大きくなり過ぎるという
単純な理由から、殆んどの場合、３段が実際上の
限度であると認められている。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１タービンの部分側面図、第２図は
第１タービンの高圧セクシヨンの部分軸方向断面
図、第３図は第１タービンの低圧セクシヨンの同
様な断面図、第４図は第１タービンの高圧セクシ
ヨンの半径方向衝動段のロータとノズルリングと
の部分半径方向断面図、第５図は第２タービンの
軸流セクシヨンの部分断面側面図である。 ６……タービン、７……ケーシング、８……高
圧セクシヨン、９……低圧セクシヨン、１０，１
１……衝動タービン段、１０Ｒ，１１Ｒ……同ロ
ータ、１２，１３，１４，１５，１６，１７……
軸流タービン段、１２Ｒ…１７Ｒ……同ロータ、
１９……引張ボルト、２０，４９……ノズルリン
グ、２１，４８……ノズル、２３……ノズル送出
口、２４，５０……バケツト入口、２５，５１…
…バケツト、２８，５３……バケツト出口、３３
……高圧送入マニホルド、３４，３５，３７……
ケーシング要素、３６，４４……ロータ取囲み覆
い、３８……高圧送入口、４３……流れ指導板、
５４……プリナム、５５……低圧送入口、５６…
…低圧送入マニホルド、６１……低圧軸流ロータ
デイスク、６２……軸流ロータ羽根、６３……固
定ノズル、６４……ノズル支持、６５……ダイア
フラム、６９……摺合リング、７１……強制流動
型タービン、７２……ケーシング、７３，７４，
７５……半径方向衝動段、７３Ｒ，７４Ｒ，７５
Ｒ……同ロータ、７６……軸流段、７６Ｒ……同
ロータ、７８……引張ボルト、７９，８０，８１
……ロータ取囲み覆い、８２，８７……ノズルリ
ング、８３……送入マニホルド、８４……送入
口、８６……指導板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの半径方向衝動タービン段を
   有する高圧セクシヨンと、少なくとも１つの軸流
   タービン段を有する低圧セクシヨンと、該高圧タ
   ービンセクシヨン内へ１つの圧力の外部源から仕
   事流体を導入するための装置と、該高圧セクシヨ
   ンを通らず第２の低圧の、該外部源からの仕事流
   体を該低圧タービンセクシヨンへ導入するための
   装置とを備え；前記半径方向衝動タービン段は全
   周送入形であり、該半径方向衝動タービン段は、
   ロータと、該ロータの周縁を取囲み且つこの周縁
   に開口するバケツトと、前記ロータを前記タービ
   ン段の軸心に一致した軸線のまわりで回転できる
   ように装架する装置と、仕事流体を前記バケツト
   に導入する装置とを有し、該仕事流体をバケツト
   に導入する装置は、前記バケツトへ仕事流体を放
   出する環状配列の収れんした仕事流体分配ノズル
   を有し、この仕事流体をバケツトに導入する装置
   は、交互して該ノズルの輪郭を決定する羽根を有
   し、該羽根は、各ノズルからの出口に対応する第
   １位置から隣接するノズルの後縁に対応する第２
   位置まで連続的に湾曲してタービン段の軸心に対
   面した表面を有し、これらの羽根の楔挾角は前記
   ノズルの出口に対応する羽根のエツジで最大3°ま
   でであり、前記タービン段は前記ロータの下流側
   の放出プリナムとを有し；前記ロータに形成され
   たバケツトは、該仕事流体が単一のバケツトを通
   つた後該仕事流体を該放出プリナム内へ放出する
   ごとき形状にされている複圧タービン。 ２ 特許請求の範囲第１項の複圧タービンにおい
   て、前記半径方向衝動タービン段のノズル表面は
   湾曲しており且つ該半径方向衝動タービンの周縁
   の半径にほぼ等しい半径を有する複圧タービン。