JPH1037703A - タービンノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】腹側に向って凸状の湾曲線に形成したノズル翼
の中間部に主流がより多く集まるようにノズル翼を改善
するとともに、主流がノズル翼を通過中に発生する水滴
を確実に積極的に捕獲するタービンノズルを提供する。 【解決手段】ダイヤフラム外輪１８とダイヤフラム内輪
１９との間に形成される環状流路２０にノズル翼２１を
周方向に列状に配列し、各ノズル翼２１の両端をダイヤ
フラム外輪１８およびダイヤフラム内輪１９にそれぞれ
接続し、かつ上記ノズル翼の翼高方向を腹側２２に向っ
て凸状の湾曲面ＣＳに形成し、上記ノズル翼２１のチッ
プ部２３側およびルート部２４側の少なくとも一方に、
傾斜状の流壁２５を形成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タービンノズルに
係り、特にノズル翼の流路内に発生する二次流渦に伴う
二次流れ損失を効果的に抑制し、翼効率の向上を図り、
さらに信頼性も向上させたタービンノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、タービンは、高温・高圧の作動
流体（以下主流と記す）を、ノズル翼と動翼とを組み合
せたタービン段落で膨張仕事をさせ、主流のもつ熱エネ
ルギを回転エネルギに変換するものであり、その一例に
は図５に示す構成のものがある。

【０００３】タービン段落１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内に
タービン軸５の周方向に沿って列状に配列するノズル翼
６と、ノズル翼６の下流側に対向配列する動翼７を備
え、主流８がノズル翼６の翼列を通過するときに速度エ
ネルギに変換され、その速度エネルギを動翼７の翼列に
与えて回転させ、回転エネルギ（トルク）を発生させる
ようになっている。また、動翼７は、チップ（翼頂部）
９に翼列に沿って帯状のシュラウド１０を備え、主流８
の翼列外への漏洩防止を図っている。

【０００４】このように、従来のタービンは、ノズル翼
６と動翼７を組み合せてタービン段落１を構成し、その
タービン段落１をタービン軸５に沿って複数段に配列す
る、いわゆる軸流タイプになっている。

【０００５】軸流タイプのタービンは、大出力に適して
おり、主流８のもつ熱エネルギを全て回転エネルギに変
換させるよう設計されているが、実際には主流８がター
ビン段落１、特にノズル翼６を通過して速度エネルギを
得るとき、種々の損失が発生しており、これらの損失の
ためにノズル翼効率が低下し、主流８のもつ熱エネルギ
が全て回転エネルギに変換できない原因になっている。

【０００６】タービン段落１を低下させる損失には、翼
型損失、環状流路４内の境界層が回転部と静止部とで形
成される隙間から主流８が漏れる漏洩損失、主流８が環
状流路４を通過する際、主流８に交差してノズル翼６か
ら隣接のノズル翼６に向って流れる二次流れに伴う二次
流れ損失などがある。特に、翼高さが比較的低く、アス
ペクト比が小さいタービンノズルにおいては、二次流れ
損失がノズル翼効率を改善する上で隘路になっており、
その二次流れ損失を低減することがノズル翼効率を飛躍
的に向上させる要因になっている。

【０００７】図６は、二次流れ損失の原因となる二次流
れ渦の発生機構を示す図である。

【０００８】任意の速度分布１１を持つ主流８の大部分
は、ノズル翼６に妨げられるこなとく、その翼形状に沿
う方向に流れるが、その一部はノズル翼６の前縁１２に
衝突し、ノズル翼６の背側１４と腹側１５に分かれて渦
１３となって流れていく。

【０００９】ところが、主流８が環状流路４を通過する
際、腹側１５と隣接するノズル翼６の背側１４との間
に、腹側１５が高く、背側１４が低い圧力勾配が生じる
ため、腹側１５から隣接する背側１４に向う二次流れが
発生する。このため、ノズル翼６の前縁１２で衝突して
発生した渦１３のうち、特に腹側１５に向う渦１３は、
その旋回方向が二次流れの方向と一致するため、環状流
路４で大きく成長・発達し、二次流れ渦１３ａになる。
この二次流れ渦１３ａが、タービン段落１の性能を低下
させる一因になっている。なお、背側１４に向う渦１３
は、後縁１６に至るときには、二次流れ渦１３ａに吸収
される。

【００１０】このように、従来のタービンノズルでは、
二次流れ渦１３ａの発生とその成長により、主流８がノ
ズル翼６を通過する間にその流線に変動が生じ、またそ
のエネルギの一部を失い、ノズル翼効率を飛躍的に向上
させることができない要因になっていた。

【００１１】最近、ノズル翼６の環状路４内に発生する
二次流れ渦１３ａに伴う二次流れ損失を低減するタービ
ンノズルの提案が数多く提案されている。

【００１２】例えば、図７に示すタービンノズルは、両
端をダイヤフラム外輪２とダイヤフラム内輪３とで固設
したノズル翼６の後縁１６を、腹側１５の方向に向って
隆起状の曲面に形成し、ダイヤフラム外輪２およびダイ
ヤフラム内輪３の壁面周辺で発生する二次流れ渦１３ａ
を、その曲面の押圧力を利用して排除したもの（特開平
１−１０６９０号公報）や、また、図８に示すように、
ノズル翼６の背側１４のダイヤフラム外輪２およびダイ
ヤフラム内輪３における接続端に曲面流路１７を形成
し、この曲面流路１７の押圧力を利用して二次流れ渦１
３ａの低減を図ったもの（特開昭５６−１１８５０２号
公報）がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図８で示す従来のター
ビンノズルでは、ノズル翼６の背側１４のダイヤフラム
内輪３における接続端に曲面流路１７を形成しているた
め、主流８の乱れは比較的少なく、その流線も比較的一
様化されているものの、曲面流路１７がノズル翼６の背
側１４のルート部（翼根元部）のみに止まっているため
にノズル翼６の腹側１５から隣接するノズル翼６の背側
１４に向う圧力（静圧）の影響は依然として高く、設計
どおりに二次流れに伴う二次流れ渦１３ａを抑制するこ
とは期待できない。

【００１４】また、図７で示す従来のタービンノズルで
は、ノズル翼６の前縁１２で発生した二次流れ渦１３ａ
を、腹側１５の隆起曲面からダイヤフラム外輪２および
ダイヤフラム内輪３に向う押圧力により抑制できる優れ
た利点を備えている反面、図９に示すように、ノズル翼
６の中間部を通過する主流８が相対的に低くなってお
り、圧力損失が低く、ノズル性能の高い中間部の流量が
少なくなり、好ましくない。

【００１５】また、従来、特にタービン低圧部では、主
流８の比容積の増加に対処して滑かな主流８の膨張を実
現するために、図１０に示すように、ダイヤフラム外輪
２にフレア角度をもたせてノズル翼６のチップ部を拡開
する環状流路４に形成している。

【００１６】拡開する環状流路４内において、主流８が
ノズル翼６での膨張中に湿り域に入り、多くの水滴が発
生し、後流側の動翼７を浸食させる問題があった。特
に、遠心力により水滴がチップ部に集中するため、動翼
のチップ部に浸食が多く発生する。

【００１７】動翼７の浸食問題を抑制するには、主流８
に含まれる水滴をより一層少なくしなければならない
が、従来のタービンノズルでは、図９に示すように、ノ
ズル翼６のルート部およびチップ部で比較的主流８が多
く流れるので、動翼７に発生する浸食が増え、破損また
は破壊のおそれが出る。

【００１８】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたもので、ノズル翼の中間部にも主流が多く流れるよ
うに改善し、圧力損失が低く、ノズル性能の高いノズル
翼の中間部の流量を増大させてノズル翼効率を向上させ
るとともに、主流に含まれる水滴をノズル翼の通過中に
積極的に捕獲することにより動翼の浸食を抑制する品質
的に優れたタービンノズルを提供することを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述の目的を
達成するために、請求項１に記載したように、ダイヤフ
ラム外輪とダイヤフラム内輪との間に形成される環状流
路にノズル翼を周方向に列状に配列し、各ノズル翼の両
端をダイヤフラム外輪およびダイヤフラム内輪にそれぞ
れ接続し、かつ上記ノズル翼の翼高方向を腹側に向って
凸状の湾曲面に形成し、上記ノズル翼のチップ部側およ
びルート部側の少なくとも一方に、傾斜状の流壁を形成
したものである。

【００２０】また、本発明は、上述の目的を達成するた
めに、請求項２に記載したように、傾斜状の流壁の傾斜
線は、ノズル翼の腹側および背側のいずれか一方から隣
り合うノズル翼の背側および腹側のいずれか一方に向う
ように形成したものである。

【００２１】さらに、本発明は、上述の目的を達成する
ために、請求項３に記載したように、傾斜状の流壁に吸
込口を設けたものである。

【００２２】さらにまた、本発明は、上述の目的を達成
するために、請求項４に記載したように、吸込口は、ノ
ズル翼の出口側およびノズル翼の背側のいずれか一方に
設けたものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るタービンノズ
ルの一実施の形態を添付図を参照して説明する。

【００２４】図１は、本発明に係るタービンノズルを略
示的に示す一部切欠概略斜視図である。

【００２５】本実施形態に係るタービンノズルは、ノズ
ルダイヤフラム外輪１８と、ノズルダイヤフラム内輪１
９との間に形成される環状流路２０に複数のノズル翼２
１を周方向に距離を置いて等間隔に列状に配設して構成
する。各ノズル翼２１のチップ部側（翼頂部）およびル
ート部側（翼根元部）の両端は、それぞれノズルダイヤ
フラム外輪１８とノズルダイヤフラム内輪１９とに接続
する。

【００２６】各ノズル翼２１は、ノズルダイヤフラム外
輪１８およびノズルダイヤフラム内輪１９のそれぞれの
接続端から腹側２２に向って凸状の湾曲線ＣＳに形成さ
れている。また、各ノズル翼２１のチップ部２３側およ
びルート部２４側の少なくとも一方に、ノズルダイヤフ
ラム外輪１８およびノズルダイヤフラム内輪１９のそれ
ぞれに沿って流壁２５が形成されている。

【００２７】各流壁２５は、チップ部２３側において、
各ノズル翼２１のうち、一方のノズル翼２１の腹側２２
から他方のノズル翼２１の背側２６に向って下り勾配の
直線状または曲線状の傾斜線ＳＬを備えて形成されてお
り、またルート部２４側において、各ノズル翼２１のう
ち、他方のノズル翼２１の背側２６から一方のノズル翼
２１の腹側２２に向って下り勾配の直線状または曲線状
の傾斜線ＳＬを備えてそれぞれ形成されている。

【００２８】本実施形態に係るタービンノズルにおい
て、ノズルダイヤフラム外輪１８側に流入した主流２７
は、流壁２５に沿って流れる間に、傾斜線ＳＬの法線方
向のベクトルによりその壁面の境界層を押圧し、これに
より二次流れ渦を効果的に抑制する。また、流壁２５付
近の主流２７は、上記ベクトルによりノズル翼２１の中
間部に流量が集中する。

【００２９】一方、ノズルダイヤフラム内輪１９側の壁
面境界層も同様に押圧され、二次流れ渦が抑制され、同
時に主流２７の流れがノズル翼２１の中間部に集められ
るため、二次流れ渦１３ａによる圧力損失は低減し、ノ
ズル翼２１の中間部を通過する主流２７の流量は増加す
る。

【００３０】このように、本実施形態に係るタービンノ
ズルは、ノズル翼２１を腹側２２に向う凸状の湾曲線Ｃ
Ｓに形成するとともに、ノズルダイヤフラム外輪１８お
よびノズルダイヤフラム内輪１９の少なくとも一方に設
けた流壁２５に傾斜線ＳＬを形成したので、図３に示す
ように、その圧力損失特性Ｂ1 を図７で示す従来のター
ビンノズルの圧力損失特性Ａ1 とほぼ同等に維持するこ
とができ、また、図４に示すように、ノズル翼２１の中
間部におけるその流量特性Ｂ2 を、図７で示す従来のタ
ービンノズルの流量特性Ａ2 よりも大幅に集めることが
できる。

【００３１】したがって、本実施形態に係るタービンノ
ズルでは、圧力損失の低いノズル翼２１の中間部に主流
２７がより多く集められるので、翼２１の翼効率を従来
よりも一層向上させることができる。

【００３２】図２は、本発明に係るタービンノズルにお
ける第１実施例を示す一部切欠概略斜視図である。な
お、第１実施形態の構成部品と同一部分には同一符号を
付し、その重複説明を省略する。

【００３３】本実施例に係るタービンノズルは、ノズル
ダイヤフラム外輪１８およびノズルダイヤフラム内輪１
９に沿って形成される傾斜状の流壁２５に吸込口２９を
穿設し、主流２７に含まれる水滴を、後流側の動翼に流
れる前に除去したものである。

【００３４】従来、タービン、特にタービン低圧段落で
は、主流２７が湿り域になっているために、主流２７中
に水滴が多く含まれている。この水滴が高速で回転して
いる動翼に衝突して翼面を浸食させる現象がある。

【００３５】本実施例に係るタービンノズルは、各ノズ
ル翼２１の間に形成される環状流路２０を通過中に発生
する主流２７の水滴を積極的に捕獲するために、流壁２
５に吸込口２９を穿設したものである。各吸込口２９
は、ノズル翼２１の腹側２２に向う凸状の湾曲線ＣＳの
押圧力だけでは二次流れ渦を充分に抑制できない場合、
水滴が比較的多く集まるノズル翼２１の背側２６に沿っ
て穿設するか、または、凸状の湾曲線ＣＳの押圧力で二
次流れ渦を充分に抑制できる場合、水滴が必然的に集ま
る環状流路２０の出口側に穿設することが望ましい。

【００３６】このように、本実施例に係るタービンノズ
ルでは、流壁２５に穿設した吸込口２９をノズル翼２１
の背側２６および環状流路２０の出口側のいずれか一方
に設けているので、主流２７から分離した水滴を確実に
捕獲することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上、説明したとおり、本発明に係るタ
ービンノズルは、ノズル翼の翼高方向を、腹側に向う凸
状の湾曲線に形成するとともに、各ノズル翼のチップ部
側およびルート部側の少なくとも一方に、ノズルダイヤ
フラム外輪およびノズルダイヤフラム内輪に沿う傾斜状
の流壁を形成したので、二次流れ渦を抑制して圧力損失
を低減することができ、またノズル翼の中間部に主流を
より多く集めることができる。

【００３８】したがって、本発明に係るタービンノズル
では、主流を圧力損失の低いノズル翼の中間部に集めた
ので、従来よりもより一層ノズル翼の翼効率を向上させ
ることができる。

【００３９】また、本発明に係るタービンノズルでは、
傾斜状の流壁に吸込口を穿設し、吸込口をノズル翼の背
側および環状流路の出口側のいずれか一方に穿設したの
で、主流が膨張仕事中に発生する水滴を確実に捕獲で
き、未然に動翼の浸食を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るタービンノズルの一実施形態を、
後縁から観察した一部切欠概略斜視図。

【図２】本発明に係るタービンノズルの第１実施例を、
後縁から観察した一部切欠概略斜視図。

【図３】本発明に係るタービンノズルと従来のタービン
ノズルとの圧力損失を比較したグラフ。

【図４】本発明に係るタービンノズルと従来のタービン
ノズルとの単位面積当りの流量配分を比較したグラフ。

【図５】従来のタービン段落を示す概略側断面図。

【図６】二次流れ渦の発生、成長の過程を示す模式図。

【図７】従来のタービンノズルを後縁から観察した概略
斜視図。

【図８】従来の別のタービンノズルを後縁から観察した
概略斜視図。

【図９】図７で示すタービンノズルの単位面積当りの流
量配分を示すグラフ。

【図１０】従来のタービン段落のうち、タービン低圧部
の最終段落を示す概略側断面図。

【符号の説明】

１ タービン段落 ２ ダイヤフラム外輪 ３ ダイヤフラム内輪 ４ 環状流路 ５ タービン軸 ６ ノズル翼 ７ 動翼 ８ 主流 ９ チップ １０ シュラウド １１ 境界層 １２ 前縁 １３ 渦 １３ａ 二次流れ渦 １４ 背側 １５ 腹側 １６ 後縁 １７ 曲面流路 １８ ノズルダイヤフラム外輪 １９ ノズルダイヤフラム内輪 ２０ 環状流路 ２１ ノズル翼 ２２ 腹側 ２３ チップ部 ２４ ルート部 ２５ 流壁 ２６ 背側 ２７ 主流 ２８ 前縁 ２９ 吸込口 ＣＳ 湾曲線 ＳＬ 傾斜線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ダイヤフラム外輪とダイヤフラム内輪と
   の間に形成される環状流路にノズル翼を周方向に列状に
   配列し、各ノズル翼の両端をダイヤフラム外輪およびダ
   イヤフラム内輪にそれぞれ接続し、かつ上記ノズル翼の
   翼高方向を腹側に向って凸状の湾曲面に形成し、上記ノ
   ズル翼のチップ部側およびルート部側の少なくとも一方
   に、傾斜状の流壁を形成したことを特徴とするタービン
   ノズル。
2. 【請求項２】 傾斜状の流壁の傾斜線は、ノズル翼の腹
   側および背側のいずれか一方から隣り合うノズル翼の背
   側および腹側のいずれか一方に向うように形成したこと
   を特徴とする請求項１に記載のタービンノズル。
3. 【請求項３】 傾斜状の流壁に吸込口を設けたことを特
   徴とする請求項１または２に記載のタービンノズル。
4. 【請求項４】 吸込口は、ノズル翼の出口側およびノズ
   ル翼の背側のいずれか一方に設けたことを特徴とする請
   求項３に記載のタービンノズル。