JPH04262002A - 蒸気タービンの静翼構造 - 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】

【０００１】

【発明の背景】

【発明の分野】本発明は一般に、蒸気タービン羽根もし
くは翼に関し、特に、改良された性能上の特性を有する
静翼に関するものである。

【０００２】

【関連技術の説明】蒸気タービンの動翼及び静翼は複数
の列もしくは段に配列されている。所定の列の動翼は互
いに同じであり、タービンのロータに設けられている取
付溝内に取り付けられている。他方、静翼は、ロータを
取り囲む円筒もしくはケーシングに取り付けられている
。

【０００３】タービンの動翼は、一般に、同じ基本的構
成要素を共有している。各動翼は、ロータの取付溝内に
受け入れることができる根元部、該根元部の上端部のと
ころでロータ外面上に横たわる台部、及び該台部から上
向きに延びる翼状部を有している。

【０００４】また、静翼も翼状部を有しているが、静翼
の翼状部はロータに向かい下向きに延びている。同翼状
部は、前縁、後縁、凹状表面及び凸状表面を有している
。翼状部の形状即ち翼形は、特定列の静翼については共
通であるが、特定のタービン内で１つ置きの列毎の翼形
とは異にしている。一般に、異なった構造の２基のター
ビンが同じ形状の翼状部を共有することはない。このよ
うな翼形の構造上の差異から、翼の空力特性、応力パタ
ーン、運転温度及び固有周波数に顕著な変化が生ずる。 一方、このような変化で、境界条件（タービン入口温度
、圧力比及び回転速度）内でのタービン使用寿命が決定
される。尚、上記境界条件は一般に翼形の開発に先立っ
て決定されるものである。

【０００５】新しい商業発電用蒸気タービンのためのタ
ービンの開発には、完成するのに幾年も要する。新しい
蒸気タービン用の動翼を設計する際には、翼形設計者に
、翼が動作すべき流れ場、即ち位置と時間の関数として
表される流体の速度と密度の場が与えられる。この流れ
場が、就中、（翼列の隣接する翼間を通る蒸気に対する
）入口角、ゲージング及び各翼に加わる力等のパラメー
タを決定する。ここで“ゲージング”とは、ピッチに対
するスロートの比であり、“スロート”とは、１つの翼
の後縁と隣接する翼の吸込み面間の直線距離であり、“
ピッチ”とは、隣接する翼の後縁間の接線方向における
間隔である。

【０００６】これ等の流れ場のパラメータは、特定列の
翼長を含む多くの因子に依存している。翼長は、蒸気タ
ービンの設計段階の初期に確立され、本質的に蒸気ター
ビンの総合出力及び当該特定段の出力の関数である。

【０００７】図１を参照すると、典型的な翼の幾つかの
特徴を例証するために翼列の２つの隣接翼が断面で示し
てある。これ等の２つの翼は参照数字１０及び１２で示
されている。翼１０、１２は、凸状の吸込み側表面１４
及び１６、凹状の圧力側表面１８及び２０、前縁２２及
び２４並びに後縁２６及び２８を有している。

【０００８】スロートは、図１において、文字“Ｏ”で
示してあり、翼１０の後縁と翼１２の吸込み側表面との
間における最短直線距離を表す。ピッチは、文字“Ｓ”
で示してあり、２つの隣接する翼の後縁間の直線距離も
しくは間隔を表す。

【０００９】翼幅は距離Ｗｍで示してあり、翼の入口流
れ角はα１で示してあり、そして出口流れ角はα２で示
してある。

【００１０】文字“β”は、前縁先端の流れ角を表し、
そして文字“ｓ”は食違い角を表す。

【００１１】特定のタービンの流れ場で作動する際には
、隣接する翼列の相互作用を考察することが重要である
。先行の翼列は、後続の翼列を通過することができない
質量流量を基部近傍に潜在的に発生することにより後続
の翼列に影響を与える。従って、翼長の上下に適切な流
れ分布を有するように翼を設計することが肝要である。

【００１２】翼の凹状表面及び凸状表面に沿う圧力分布
は、翼効率を低減する二次流を生じ得る。このような二
次流による損失は、翼の吸込み側表面と圧力側表面との
間における蒸気流速の差から生ずるものである。

【００１３】流れ場のパラメータにより規定される翼形
に関係なく、翼の設計者は、最適な翼形を製造するため
の費用をも考慮しなければならない。流れ場のパラメー
タが、経済的に製造することができない翼形を指定する
場合もあり、また逆に最適な翼形が経済的な観点から実
際的でない場合も有り得る。従って、最適な翼形には、
製造性をも考慮すべきである。

【００１４】

【発明の概要】本発明の目的は、改良された性能及び製
造性を有する翼構造を提供することにある。

【００１５】本発明の他の目的は、二次流損失を減少す
るように吸込み側表面速度及び圧力側表面速度を制御す
ることにより改良された翼構造を提供することにある。

【００１６】本発明の更に他の目的は、翼の圧力側表面
及び吸込み側表面に沿う蒸気速度分布を最適化すること
にある。

【００１７】本発明の上述の目的及び他の目的は、ロー
タと、複数の同じ静翼を列状に装着するための内筒とを
有する蒸気タービンの静翼構造であって、前縁、後縁並
びに該前縁及び後縁間に延在する圧力側凹状表面及び吸
込み側凸状表面を有すると共に、前記ロータの長手方向
軸線に対する前記前縁及び後縁間の翼弦の角度として定
義される食違い角を有する翼状部と、該翼状部の基端部
を前記内筒に接続するための外側リングと、該翼状部の
末端部に接続された内側リングと、該内側リングに支持
され前記ロータに封止係合するシール装置とを含み、前
記食違い角は翼状部の末端部における約４２°から基端
部における約５２°の範囲にある、蒸気タービンの静翼
を提供することにより達成される。

【００１８】本発明の静翼の上述した特徴及び利点並び
に他の特徴及び利点は以下の詳細な説明及び図面を参照
することにより一層明らかになるであろう。

【００１９】

【好適な実施例の詳細な説明】

図２を参照するに、低圧化石燃料蒸気タービン３０は、
幾つかの動翼３４の列もしくは段を支持するロータ３２
を備えている。内筒もしくは内側ケーシング３６は、最
終段の静翼３８を含め複数の静翼列を支持している。各
翼列は列指定を有する。 図３に示すように、静翼３８は列７Ｃにあり、他方、最
終動翼列は７Ｒで示されている。また、直ぐ上流側の動
翼列は６Ｒで示されている。

【００２０】図３に示してあるように、翼３８は、翼状
部４０と、翼を内筒３６に接続するための外側リング４
２と、翼状部４０の“内径”末端部に接続された内側リ
ング４４とを備えている。翼状部４０の“外径”其端部
はセグメント組立体製造過程で外側リング４２に溶接さ
れる。セグメント組立体製造プロセスは製造費用を節減
する上で有用である。同様に、内側リング４４は翼状部
４０を個別に鍛造した後に内径末端部に溶接される。

【００２１】内側リング４４にはシール装置４６が接続
され、このシール装置４６は、ロータ３２に封止係合す
る小径シール５０を支持している２つの半環形の保持板
４８から構成されている。

【００２２】内側リング４４及びシール装置４６は、高
サイクル疲労及び損傷の危険性を最小限度にするために
、多数のタービン運転速度間における組立体全体の基本
モードに同調するように構成した。特に、内側リング４
４の質量を減少し、全体的に、翼の剛性を高めている。

【００２３】静翼３８の翼状部４０は図４〜７に示して
ある。図４には６つの基本線Ａ−Ａ〜Ｆ−Ｆが示してあ
り、また、図６には線Ａ−Ａに沿った平面と、各線Ｂ−
Ｂ〜Ｆ−Ｆに沿った断面とが示してある。図から明らか
なように、Ｆ−Ｆ断面は、５７．８３ｉｎ（１４６８．
８８ｍｍ）のタービン直径即ち２８．９１５ｉｎ（７３
４．４４ｍｍ）の半径の箇所を表す。従って、断面Ｆ−
Ｆはロータの回転軸線から　２８．９１５ｉｎ（７３４
．４４ｍｍ）の距離にある。図４に示した各断面は先端
から或る長さを有するものとした。例えばＥ−Ｅ断面は
先端から４．０８６ｉｎ（１０３．７８ｍｍ）である。 翼の全長は２６．３９４ｉｎ（６７０．４１ｍｍ）であ
り、これは１１０．６１８ｉｎ（２８０９．６９ｍｍ）
の外径に対応する。

【００２４】次の表には、翼状部の幾何学的及び熱動力
学的性質が示されている。

【００２５】

【表１】

【００２６】図８は、Ｉ　ＭＩＮ　対半径のグラフを示
し、図９は、Ｉ　ＭＡＸ　対半径のグラフを示す。これ
等の２つの図は、最適な応力分布及び振動数制御を達成
するための最適な半径方向剛性分布を示している。

【００２７】図１０は、α角対半径のグラフを示し、他
方、図１１は、食違い角対半径のグラフを示す。これ等
の２つの曲線は非線形で平滑であって、翼半径の関数と
して同様の値を有している。翼形は、応力分布を最適化
する共に製造性もしくは製造費用をも考慮している。従
って、鍛造コストを最小にするために、翼状部の反り及
び食違い角は約５２°の鍛造角を許容するものである。 一般に、鍛造角は平均食違い角の±５°内に保つのが好
ましい。また、この翼形は、抜け勾配が負になるのを回
避するのに効果的であり、これにより翼状部の製造性も
しくは製造コスト低減が計られる。

【００２８】全体的剛性及び翼全体に対する半径方向の
剛性分布は、最低位モード（一次即ち基本モード）に同
調するように最適化され、３６００　ｒｐｍのタービン
速度に対する運転速度の倍振動数間のほぼ中間にある約
９２．４　Ｈｚの振動数になった。この同調は、翼の質
量及び剛性を制御することにより達成される。また、翼
の幅を基端部で増大し、より大きな全体的剛性を達成す
ることができる。

【００２９】また、上述の表に示した翼形によれば、断
面部を横切る圧力分布を最適化し二次流損失を減少する
ことができる。これは、翼状部の吸込み側及び圧力側表
面を最適化することにより達成される。

【００３０】当業者にとっては、本発明の多くの変形及
び応用が容易であろう。本発明の精神及び範囲に含まれ
るこのような変形及び応用は本願特許請求の範囲に包含
されるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】典型的な翼の特徴を図解する２つの隣接翼の断
面図。

【図２】本発明による翼列を備える蒸気タービンの一部
の垂直断面図。

【図３】本発明による翼を備える図２の蒸気タービンの
一部を示す拡大図。

【図４】翼状部の凸状表面側から見た本発明によるター
ビン翼の翼状部の側面図。

【図５】蒸気の流れ方向から見た図４の翼状部の側面図
。

【図６】図４の翼状部を線Ａ−Ａ〜Ｆ−Ｆに沿って示す
図。

【図７】図４の翼状部の斜視図。

【図８】図４に示した翼状部のＩ　ＭＩＮ　対半径を示
すグラフ。

【図９】図４における翼状部のＩ　ＭＡＸ　対半径の関
係を示すグラフ。

【図１０】図４に示した翼状部に対するα角対半径の関
係を示すグラフ。

【図１１】図４に示した翼状部に対する食違い角対半径
の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

３０　　　　蒸気タービン ３２　　　　ロータ ３６　　　　内筒 ３８　　　　静翼 ４０　　　　翼状部 ４２　　　　外側リング ４４　　　　内側リング ４６　　　　シール装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ロータと、複数の同じ静翼を列状に装
   着するための内筒とを有する蒸気タービンの静翼構造で
   あって、前縁と、後縁と、該前縁及び後縁間に延在する
   圧力側凹状表面及び吸込み側凸状表面とを有すると共に
   、前記ロータの長手方向軸線に対する前記前縁及び後縁
   間の翼弦の角度として定義される食違い角を有する翼状
   部と、該翼状部の基端部を前記内筒に接続するための外
   側リングと、該翼状部の末端部に接続された内側リング
   と、該内側リングに支持され前記ロータに封止係合する
   シール装置と、を含み、前記食違い角は前記翼状部の末
   端部における約４２°から基端部における約５２°の範
   囲にある蒸気タービンの静翼構造。