JP2001221006A - 蒸気タービンノズルおよびその蒸気タービンノズルを用いた蒸気タービン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズルウェークによる損失を十分低下させて
動翼の侵食量を低減することができる蒸気タービンノズ
ルおよび蒸気タービンを提供する。 【解決手段】 ノズル外輪１とノズル内輪２との間に、
ルート部１１とチップ部１２とを有する複数のノズル翼
３が配置されている。ノズル翼３の後縁３ａは軸方向お
よび円周方向に湾曲している。ノズル翼３のノズルスロ
ット幅ＳとノズルピッチＴとの比をＳ／Ｔとした場合、
Ｓ／Ｔはルート部１１からチップ部１２への高さ方向に
おいて６０％〜８０％の位置に少なくとも１つの極小値
を有している。またルート部１１のＳ／ＴをＳ／Ｔ ｒ
ｏｏｔ、チップ部１２のＳ／ＴをＳ／Ｔ ｔｉｐ、Ｓ／
Ｔの最小値をＳ／Ｔ ｍｉｎとした場合、Ｓ／Ｔ ｒｏ
ｏｔ＞Ｓ／Ｔ ｔｉｐ＞Ｓ／Ｔ ｍｉｎとなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の流れ方向に
順次拡大する環状流路を構成するノズル外輪及びノズル
内輪間に複数のノズル翼を周方向に配列した蒸気タービ
ンノズルおよびそのような蒸気タービンノズルを有する
蒸気タービンに関する。

【０００２】

【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
図ることが重要な課題となっている。その中で、特にタ
ービン低圧部の段落は段落当たりの出力が大きく、この
低圧部の段落での性能向上はタービン全体の性能向上の
為に大きな役割を果たす。

【０００３】また低圧部の段落のなかでも特に湿り域の
段落では、蒸気通路部で発生し成長した比較的小さな水
滴が羽根（動翼）の回転の遠心力によってノズル翼（静
翼）のチップ部付近に吹き飛ばされ、大部分がノズル翼
表面を伝わりノズル後縁から粗大水滴となって吹きちぎ
られる。この吹きちぎられた粗大水滴は、高速回転の羽
根に衝突して羽根を侵食し、タービンの信頼性を低下さ
せる。このため蒸気タービンの低圧段落に関しては、性
能向上および信頼性向上への効果的な対策が強く求めら
れるようになってきた。

【０００４】図１６は、蒸気タービンの低圧部の一段落
を示す断面図であり、ノズル外輪１およびノズル内輪２
によって構成された環状の流路内に、多数のノズル翼３
が周方向に配置されている。このうちノズル翼３のチッ
プ部がノズル外輪１の内面すなわちノズル外周壁１ａに
固定され、ノズル翼３のルート部がノズル内輪２の外面
すなわちノズル内周壁２ａに固定され一つのタービンノ
ズルが構成されている。

【０００５】一方、このタービンノズルの下流側には回
転軸４に固定され放射方向に立設された多数の動翼５が
配置され、ノズル翼３からなるタービンノズルと動翼５
によって一段落が構成される。また、この段落が軸方向
Ｘａに一段落または複数段落組み合わせることによりタ
ービンが構成されている。

【０００６】ところで、蒸気タービンの低圧部では流体
の急激な比容積の増加に対応して滑らかな膨脹を実現す
るため、少なくともノズル外周壁１ａが軸方向下流に向
かうに従って拡大され、これにより拡大流路が形成され
ている。

【０００７】図１７は図１６のＡ−Ａ線に沿う断面図で
あり、ノズル翼３は、ルート部の後縁端の半径Ｒｒの位
置からチップ部の後縁端の半径Ｒｔの位置に至るまで、
その後縁３ａがラジアル線Ｘｒに沿うように直線状に形
成されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
たタービン段落において、タービンの信頼性向上、性能
向上を図るためには、ノズル外周壁１ａおよびノズル内
周壁２ａでの流れの剥離の防止、ノズルウェークによる
損失の低減、動翼の侵食低減などの問題を解決する必要
があるが、従来の蒸気タービンノズルでは、上述の問題
点を全て解決しておらず、性能や信頼性の低下を招いて
いた。以下にその理由を説明する。

【０００９】まず第１に、ノズル外周壁１ａおよびノズ
ル内周壁２ａでの流れの剥離について説明する。図１８
は、図１６および図１７に示す蒸気タービンの低圧部の
蒸気流の流動状態を説明する図である。本図に示すよう
に、ノズル外周壁１ａが下流に向かうに従って円錐状に
拡大しているため、作動流体の実際の流れは半径方向に
偏ったものとなる。しかも、上記ノズル翼３の下流側に
は動翼５が配設されており、この回転している動翼５の
流路内に流入した作動流体の流れはチップ部側に偏向さ
れる。この影響は動翼５の流路内にとどまらず、その上
流にあるノズル翼３まで及ぶ。一方、ノズル翼後縁３ａ
は図１７に示すようにラジアル線Ｘｒに沿っているた
め、チップ部側へ偏向した流れをルート側へ戻す作用は
無い。従って、従来の軸流タービンの場合、流路内にお
ける作動流体の流動状況は、図１８に示す流線Ｓのよう
になり、作動流体の流れがチップ部側に偏向し、ルート
部へ向う流れは殆ど無くなり、流れの剥離が発生し易く
なり、タービン性能を低下させる原因となる。

【００１０】また、ノズル出口のチップ部においては、
ノズル翼の後縁３ａがラジアル線Ｘｒに沿っているた
め、流れが拡大するノズル外周壁１ａに沿うことができ
ず、流れの剥離が発生し易くなり、軸流タービンの性能
を低下させる原因となる。

【００１１】第２にノズルウェークによる損失について
説明する。このような損失にはノズルウェークによる動
翼の翼型損失およびノズルウェークの混合損失が含まれ
るので、以下各々について説明する。

【００１２】図１９は、軸流タービン運転中の静翼より
下流の流れを示す図である。図１９に示すように、ター
ビン運転中、ノズル翼後縁３ａには主流の速度Ｃ２より
小さい速度Ｃ２′をもつウェークと呼ばれる速度領域が
発生する。動翼５は、図中Ｄｒで示される方向に回転す
るので、ノズル翼３の下流にある動翼５はこのウェーク
を横切るように回転することになる。動翼５への流入角
度は、通常、主流の速度Ｃ２に対して設計される。すな
わち、動翼５への設計流入角度β２は、ノズル３からの
流体の流出角度α２、主流の速度Ｃ２および動翼５の円
周方向回転速度Ｕを用いて幾何学的な関係から求められ
る。同様に、ノズルのウェークＷ内における作動流体の
流出速度Ｃ２′、ノズル３のウェーク内の流体の流出角
α２′と動翼５の円周方向回転速度Ｕより、ウェーク内
の流体の動翼５への流入角度β２′が決定されるが、こ
れは主流部分での動翼５への流入角度β２とは大幅に相
違する。すなわち、動翼５が静翼からのウェークを通過
する際の作動流体の設計翼流入角度との差Δβは幾何学
的な関係から Δβ＝β２′−β２ …（１） となる。

【００１３】この作動流体の設計流入角との差Δβは、
動翼における翼型損失に大きな影響を与える。設計され
た翼流入角度に対して、実際の作動流体の流入角度が相
違すると翼型損失が増大することは一般的に知られてい
る。すなわち動翼の翼型損失ξｂは、Δβ＝０のとき最
小値ξｂｍｉｎとなる。

【００１４】ところで、ウェークの作動流体は、図２０
に示すようにＬ１、Ｌ２、Ｌ３とノズル後縁３ａから下
流に離れるに従って、主流部分の作動流体と混合され
る。すなわちウェークＷの速度Ｃ２′はノズル後縁３ａ
から下流方向に離れるに従って主流の速度Ｃ２に近づい
てくる。このため、図２０に示すように作動流体の設定
動翼流入角度との差Δβは、ノズル後縁３ａから下流に
離れるに従って小さくなる。

【００１５】以上より、ノズルの後縁から、動翼の前縁
までの軸流方向距離Ｌと動翼損失の１ピッチ平均値ξの
関係は、図２１に示すようになる。すなわち、ノズル後
縁から動翼前縁までの軸流方向距離Ｌａｘが大きくなる
と、翼型損失の１ピッチ平均値ξｂはξｂｍｉｎに近づ
く。

【００１６】次にノズルからウェークの混合による混合
損失について説明する。上記のように、ノズルの後縁か
ら、動翼の前縁に至る間、ウェーク部の流体は主流部分
の作動流体と混合されるために、作動流体の粘性に基づ
く熱が発生し、流体のエネルギが失われ、混合損失が発
生する。図２２に示すように、混合損失の１ピッチ平均
値ξｍはノズル後縁から動翼前縁までの距離Ｌが大きく
なるに従って、ウェークの混合が促進され、混合損失の
１ピッチ平均値ξｍも大きくなる。

【００１７】以上説明した２つの損失から、タービンノ
ズル後縁から、タービン動翼前縁に至る軸方向距離が影
響するエネルギ損失を評価すると、図２３の如くなる。
図２３において、縦軸はノズル後縁から動翼前縁に至る
軸流距離が及ぼすエネルギ損失ξ（＝ξｂ＋ξｍ）を示
し、横軸はノズル後縁から、動翼前縁に至るまでの軸流
方向距離Ｌを示す。図２３により、ノズルの後縁から、
動翼の前縁に至るまでの軸流方向距離Ｌには、エネルギ
損失が最小となる距離範囲が存在することがわかる。こ
の距離範囲を以下、最適アキシャルクリアランスＬｏｐ
ｔと称する。

【００１８】図２４は、図１６および図１７に示す従来
の蒸気タービン低圧段落における反動度Ｒｘ（段落での
出力に対する動翼の出力の割合）を示す図である。図２
４に示すように、反動度Ｒｘは翼高さが増加するにした
がって増加し、チップ部で最大となり、その値は６０〜
７５％にも達する。上述したようにノズルウェークによ
る損失にはノズルウェークによる動翼の翼型損失が含ま
れるために、半径方向での動翼の出力が最大さなる位
置、すなわち反動度Ｒｘが最大となるチップ部でノズル
ウェークによる損失を低減することが重要となる。一般
に蒸気タービン段落では軸受スパンおよび軸系の固有振
動数の点からノズル後縁から動翼前縁に至るまでの軸方
向距離Ｌをむやみに増大することは不可能であり、チッ
プ部でのノズル後縁から動翼前縁に至るまでの軸方向距
離を調整するためにノズル翼後縁３ａを軸方向に傾斜さ
せる手法が用いられる。

【００１９】図２５はノズルチップ部におけるノズル翼
後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度をαｔとした
場合における、交差角度αｔとノズルチップ部における
ノズル後縁から動翼前縁に至るまでの軸方向距離Ｌとの
関係を示している。また図２６および図２７はそれぞれ
αｔ＝９０°、αｔ＝１６０°の場合における蒸気ター
ビン段落の形状を示している。

【００２０】図２５、図２６、図２７からもわかるよう
に、ノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度
をαｔが大きくなるほど、ノズル後縁から動翼前縁に至
るまでの軸方向距離Ｌは小さくなる。また、図２５に
は、前述したノズルウェークによる損失を最小にする最
適アキシャルクリアランスＬｏｐｔが示されている。図
２５からわかるように、最適アキシャルクリアランスＬ
ｏｐｔとなるノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの
交差角度αｔは外周壁の傾斜角度θによって変化し、例
えば外周壁の傾斜角度θ＝３０°の場合、１００°≦α
ｔ≦１２０°、また外周壁の傾斜角度θ＝５０°の場
合、１２０°≦αｔ≦１４０°となる。

【００２１】図２８は図２３および図２５からチップ部
におけるノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差
角度をαｔとノズルウェークによる損失ξの関係を示し
たものである。本図に示すように、ノズルウェークによ
る損失ξが小さいノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａ
との交差角度をαｔの範囲が存在することがわかる。

【００２２】例えば外周壁の傾斜角度θ＝３０°の場
合、１００°≦αｔ≦１２０°、また外周壁の傾斜角度
θ＝５０°の場合、１２０°≦αｔ≦１４０°となる。
図１６および図１７に示す従来の蒸気タービン低圧段落
では、ノズルチップ部におけるノズル翼後縁３ａとノズ
ル外周壁１ａとの交差角度αｔは、（１）式のθの範囲
で１４０°≦αｔ≦１６０°の範囲であり、図２８から
ノズルウェークによる損失については十分低減できてい
ないことがわかる。

【００２３】第３に動翼の侵食について説明する。図２
９は一般の事業用火力発電所における蒸気タービンの膨
張曲線を示している。図中、点Ｄは最終段前段落（以下
Ｌ−１と称する）のタービンノズル入口の蒸気状態を示
し、同様に点ＥはＬ−１のタービンノズル出口の蒸気状
態を示し、点ＦはＬ−１の動翼出口の蒸気状態を示し、
点Ｇは最終段段落（以下、Ｌ−０と称する）のタービン
ノズル出口の蒸気状態を示している。

【００２４】図２９からわかるように、Ｌ−１のノズル
内では蒸気は乾き蒸気から湿り蒸気となり、Ｌ−０の動
翼出口では湿り度が１０％近くに達する。しかしなが
ら、蒸気はその膨張により理論上の湿り域に達しても、
直ぐには凝縮を開始せずに湿り度が３〜５％程度になる
まで非平衡状態で膨張し、その後に始めて水滴が発生す
る。この場合、発生する水滴の直径は０．１〜１μｍ程
度であり、蒸気の膨張に伴って水滴は少しずつ成長す
る。その際、一部の水滴はノズルや動翼の表面に衝突し
て付着するが、粒径が小さいため、この段階では動翼の
侵食はほとんど生じない。

【００２５】ところが、Ｌ−１の動翼内では、遠心力、
コリオリカ、および蒸気力による外周方向への運動が支
配的となり、水滴はＬ−０のノズル外輪内面、およびノ
ズル翼面の外周部近傍に付着することになる。図３０に
は、破線ＫでＬ−０段落Ｊにおける蒸気流線を、実線Ｖ
で同水滴流線を示すが、この図からわかるように、Ｌ−
０（図中、Ｊで示す）のノズル外周壁１ａやノズル１の
外周部近傍に付着して水膜Ｍを形成する。水膜Ｍは発達
しながらＬ−０のノズル後縁３ａに達した後、蒸気力に
より吹きちぎられて蒸気中に混入し、さらに水滴状に噴
霧される。

【００２６】このとき生成される水滴径は、１００〜５
００μｍにも達し、自然発生した水滴と比べて遥かに巨
大なものとなる。そして、この巨大な水滴は蒸気力によ
って十分加速されないまま、Ｌ−０の動翼に衝突し、動
翼５の侵食を引き起こし、タービンの信頼性を低下させ
る原因となっている。

【００２７】図３１は図３０のＣ−Ｃ断面図である。ノ
ズルを流出する蒸気は環状の流路に沿って図３１中にＫ
で示す方向に流出するが、ノズル翼後縁３ａから吹きち
ぎられた巨大な水滴は蒸気に比べて密度が大きいため
に、慣性力によって蒸気のように環状の流路に沿って回
込むことができずに、ノズル後縁３ａで吹きちぎられた
方向に直線的に飛来する。その結果、巨大な水滴の軌跡
を子午面から見ると、図３０にＶで示す如く動翼前縁５
ａに衝突するまでに軸方向だけではなく軸方向と半径方
向に向う軌跡となる。その結果、図３１に示すように、
巨大な水滴は図中Ｖで示すように軸方向下流へ向うと共
に半径方向にも飛来する。図３２は動翼翼高さと動翼の
侵食量を示したものである。

【００２８】図３２からもわかるように、動翼の侵食は
羽根チップ部で最大となるが、羽根チップ部に到達する
巨大な水滴は図３０の記号Ｖに示すようにノズル翼高さ
の６０％から８０％部分から吹きちぎられたものとな
る。動翼の侵食には衝突する巨大な水滴の流量が大きく
関係する。図３３は図１６および図１７に示す従来の蒸
気タービンノズルのノズル出口における蒸気流量の分布
を示している。本図からもわかるように、ルート部から
チップ部に向うに従って蒸気流量は増加している。これ
は、従来のノズル出口での流れを自由渦理論による設計
を行っているためである。

【００２９】以下、このことについて説明する。図３４
はノズル翼の任意の高さにおける円周方向断面を平面に
展開した図でタービン静翼の蒸気通路形状を示してい
る。Ｓはスロートであり、背側から隣りの腹側で形成さ
れる翼間蒸気通路において最も狭い部分の幅を表す。Ｔ
はピッチであり各翼の周方向間隔を表す。スロート・ピ
ッチ比（Ｓ／Ｔ）は蒸気タービンの大きさによらない空
力パラメータであり、蒸気タービンノズルの流出角と対
応する。すなわち、スロート・ピッチ比（Ｓ／Ｔ）を大
きくすると、周方向をゼロとして定義した蒸気タービン
ノズルの流出角α２は大きくなり、翼流出速度を一定と
すれば、軸流速度成分が大きくなり、この断面を通過す
る流量は増加する。逆に、スロート・ピッチ比（Ｓ／
Ｔ）を小さくすると、タービンノズルの流出角は小さく
なり、この断面を通過する流量は減少する。

【００３０】図３５は従来タービンノズルのスロート・
ピッチ比（Ｓ／Ｔ）分布を示している。ノズルの入口全
圧はほぼ一定であるが、ノズル出口静圧の分布はルート
部からチップ部にかけて増加する分布を持つ。これに対
して、半径方向の流量分布を一定とすることを前提とし
た自由渦理論を採用した従来のノズル設計法では、図３
５に示すように翼ルート部からチップ部にかけて単調に
増加するＳ／Ｔ分布が採用されている。このため、ノズ
ル出口の流量の分布は図３３に示す如く、ルートからチ
ップにかけて単調に増加する分布となる。このため、図
３６に示すようにノズル出口における水滴量の分布は、
ルート部からチップ部へ向うに従い増加する。従って、
上述のように動翼の先端に衝突する巨大な水滴の発生源
であるノズル翼高さ６０％から８０％位置の蒸気流量は
最大値に近く、動翼の侵食を十分に低減できていないと
いう問題が生じている。

【００３１】以上説明したように、蒸気タービン低圧段
落の性能および信頼性を向上させるためには、急拡大す
る外周壁部において流れの剥離による損失を低減するこ
と、ノズルウェークによる損失を低減すること、水滴に
よる動翼の侵食を低減することが必要であるが、従来の
蒸気タービン段落ではいずれも不充分であるという問題
が生じている。

【００３２】これらの問題のうち急拡大する外周部にお
いて流れの剥離による損失を低減するために図３７に示
すように、ノズル翼３の後縁３ａをその全高さにわたっ
てラジアル線に対して円周方向に曲線状に湾曲させるこ
とも提案されている（特開平４−１２４４０６号公報参
照）。図３８は図３７に示された軸流タービンの流路内
における作動流体の流動分布を示す図である。図３８を
図１８と比較すると、ノズル翼３のルート部には従来の
ノズル翼に比べて流れが存在するが、ノズル翼３のチッ
プ部に流れが大きく偏っており、流路中央部では流れが
殆ど無く、良好な流れではない。

【００３３】図３９は、ノズル翼３の後縁３ａが曲線状
に湾曲している場合の、ノズル翼３の後縁３ａのラジア
ル線Ｘｒからの傾斜角度βを説明する模式図である。図
３９において、ノズル翼３の後縁３ａのルート部におけ
る傾斜角度をβｒ、チップ部における傾斜角度をβｔと
し、ルート部およびチップ部における湾曲している後縁
３ａを接線をそれぞれＬｒ、Ｌｔとし、さらにその接線
Ｌｒ、Ｌｔの交点をＰとし、交点Ｐの半径をＲｃとする
と、図３９からも判るように、この半径ＲがＲｒ≦Ｒ≦
Ｒｃの範囲ではノズル翼３の後縁３ａの傾斜角度βはβ
≧０であり、この範囲の半径位置ではノズル翼３の後縁
３ａの傾斜はルート方向を向いている。

【００３４】一方、半径ＲがＲｃ＜Ｒ≦Ｒｔの範囲では
ノズル出口の流れはチップ方向を向いている。従って、
Ｒｃ＜Ｒ≦Ｒｔの範囲ではノズル出口の流れはチップ方
向のベクトルをもつこととなる。

【００３５】このようなことから、ノズル出口の流れは
ノズル翼３の後縁３ａのルート部における傾斜の接線Ｌ
ｒとチップ部における接線Ｌｔとの交点Ｐの半径Ｒｃよ
りチップ側ではチップ方向のベクトルをもち、半径Ｒｃ
よりルート側ではルート方向のベクトルをもっている。

【００３６】図４０は、前記交点Ｐの位置の半径Ｒｃの
関数（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）とノズル内周壁１
ａおよびノズル外周壁２ａにおける損失の関係を示して
いる。（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）が０、すなわち
Ｒｃがルートに近づくに従いノズル内周壁２ａでの剥離
が大きくなるために損失が増加し、また（Ｒｃ−Ｒｒ）
／（Ｒｔ−Ｒｒ）が１．０、すなわちチップに近づくに
従いノズル外周壁１ａでの剥離が大きくなるために損失
が増加する。図３７に示す従来のタービンノズルでは前
記交点Ｐの位置の半径Ｒｃが ０．４＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．６ …（２） であるため、図４０からも判るように剥離による損失が
大きく、図３８に示すようにノズル翼３のチップ部に流
れが大きく偏っており、ルート部および流路中央部では
流れが殆ど無く、良好な流れではない。

【００３７】図４１は図３７に示す従来の発明のタービ
ンノズルの子午面断面図を示している。本図からも判る
ように、ノズル外周壁１ａの傾斜角度θ＝４０°のと
き、ノズルチップ部におけるノズル翼後縁３ａとノズル
外周壁１ａとの交差角度αｔａは、約１５０°であり、
図２８に当てはめるとノズルウェークによる損失最小の
範囲から外れており、ノズルウェークによる損失を低減
できていない。

【００３８】図４２は図３７および図４１に示す従来の
発明のタービンノズルにおけるノズル出口の流量分布を
示している。図３７および図４１に示す従来の発明のタ
ービンノズルにおいては、スロート・ピッチ比（Ｓ／
Ｔ）については言及していないため、図３５に示すよう
に従来設計のスロート・ピッチ比（Ｓ／Ｔ）分布と考え
られる。そのため、ノズル出口の流量の分布は図４２に
示すように、ルートからチップにかけて単調に増加する
分布となる。このため、ノズル出口における水滴量の分
布は図３６と同様であり、動翼の先端に衝突する巨大な
水滴の発生源であるノズル翼高さ６０％から８０％位置
の蒸気流量は最大値に近く、動翼の侵食を十分に低減で
きていない。

【００３９】以上説明したように、従来の発明のタービ
ンノズルでは、ノズルウェークによる損失を低減するこ
と、急拡大する外周壁部において流れの剥離による損失
を低減すること、および水滴による動翼の侵食を低減す
ることが達成されていない。

【００４０】本発明は、このような点を考慮してなされ
たものであり、蒸気タービン低圧部において、急拡大す
る外周壁部において流れの剥離による損失を低減するこ
とができ、ノズルウェークによる損失を低減するととも
に、水滴による動翼の侵食を低減し、これによって蒸気
タービン低圧部の性能および信頼性を向上させることが
できる蒸気タービンノズルおよびこの蒸気タービンノズ
ルを用いた蒸気タービンを提供することを目的とする。

【００４１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、流体の流れ
方向に拡大する環状流路を形成するノズル外輪およびノ
ズル内輪と、ノズル外輪とノズル内輪との間に円周方向
に配置されるとともにルート部とチップ部を有する複数
のノズル翼とを備え、各ノズル翼の後縁および前縁が、
各々軸方向および円周方向に湾曲し、ノズル翼のノズル
スロート幅ＳとノズルピッチＴとの比をＳ／Ｔとした場
合、Ｓ／Ｔはルート部からチップ部への高さ方向におい
て６０％〜８０％の位置に少なくとも１つの極小値を有
し、ルート部のＳ／ＴをＳ／Ｔ ｒｏｏｔ、チップ部の
Ｓ／ＴをＳ／Ｔ ｔｉｐ、Ｓ／Ｔの最小値をＳ／Ｔ ｍ
ｉｎとした場合、Ｓ／Ｔ ｒｏｏｔ＞Ｓ／Ｔ ｔｉｐ＞
Ｓ／Ｔｍｉｎとすることを特徴とする蒸気タービンノズ
ルである。

【００４２】本発明は、上記記載の蒸気タービンノズル
を有し、この蒸気タービンノスルは最終タービン段落お
よびその上流のタービン段落の少なくとも１つ以上に適
用されることを特徴とする蒸気タービンである。

【００４３】

【発明の実施の形態】第１の実施の形態 以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明
する。

【００４４】図１乃至図９は本発明の第１の実施の形態
を示す図であり、このうち図１は蒸気タービンノズルを
示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１
に示すノズル翼の後縁のラジアル線に対する傾斜形状を
示す図、図４はノズル翼のスロート幅Ｓとノズルピッチ
Ｔとの比（Ｓ／Ｔ）を示す図である。

【００４５】図１に示すように、蒸気タービンノズル１
０は流体の流れ方向に拡大する環状流路１０ａを形成す
るノズル外輪１およびノズル内輪２と、ノズル外輪１と
ノズル内輪２との間の環状流路１０内に円周方向に配置
されるとともにルート部１１とチップ部１２とを有する
複数のノズル翼３とを備えている。

【００４６】また各ノズル翼３は後縁３ａと前縁３ｂと
を有し、後縁３ａと前縁３ｂは各々軸方向および円周方
向に湾曲している。

【００４７】またノズル翼３のチップ部１２は、ノズル
外輪１の内面すなわちノズル外周壁１ａに固定され、ノ
ズル翼３のルート部１１は、ノズル内輪２の外面すなわ
ちノズル内周壁２ａに固定されている。

【００４８】またタービンノズル１０の下流側には、回
転軸４に固定され放射方向に立設された多数の動翼５が
配置され、タービンノズル１０と動翼５とによって一段
落が構成される。この段落が軸方向Ｘａに一段落または
複数段落配置されてタービンが構成される。

【００４９】本発明によるタービンノズル１０は、少な
くともタービンの最終段落に配置されている。また最終
段落近傍のタービンノズル１０は、流体の急速な比容積
の増加に対応して滑らかな膨張を実現する必要があるた
め、ノズル外周壁１ａが軸方向Ｘａの下流側に向って拡
大している。このため環状流路１０ａも軸方向Ｘａの下
流側に向って拡大する。

【００５０】また図３に示すように、軸方向から観察さ
れるノズル翼３の後縁３ａは、半径方向に沿う直線に対
しノズル翼中央部で側方に突出した湾曲形状を有し、こ
の後縁３ａの湾曲形状のルート部１１における接線とチ
ップ部１２における接線の交点の半径をＲｃとし、後縁
３ａのルート部１１の半径をＲｒ、後縁３ａのチップ部
１２のの半径をＲｔとした場合、 ０．７＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．９ を満足する。

【００５１】また、図１に示すように、半径方向Ｘｒと
軸方向Ｘａで構成される２次元平面（Ｘｒ−Ｘａ平面）
に投影したノズル翼３の後縁３ａは軸方向に湾曲してお
り、ノズル外周壁１ａの傾斜角度θと後縁線３ａとの交
差角度αｔは θ＋７０°≦αｔ≦θ＋９０° を満足するように設定される。

【００５２】さらに、図４に示すように、ノズル翼３の
ノズルスロート幅ＳとノズルピッチＴとの比をＳ／Ｔと
した場合（図３４参照）、Ｓ／Ｔはルート部１１からピ
ッチ部１２へのノズル翼３の高さ方向において６０％〜
８０％の位置に少なくとも１つの極小値Ｓ／Ｔ ｍｉｎ
を有している。

【００５３】またＳ／Ｔは次の式を満足する。

【００５４】 Ｓ／Ｔ ｒｏｏｔ＞Ｓ／Ｔ ｔｉｐ＞Ｓ／Ｔ ｍｉｎ Ｓ／Ｔ ｒｏｏｔ……ルート部のＳ／Ｔ Ｓ／Ｔ ｔｉｐ ……チップ部のＳ／Ｔ Ｓ／Ｔ ｍｉｎ ……Ｓ／Ｔの極小値 Ｓ／Ｔの分布を、図４に示すように設定したのは、次の
理由による。すなわち最も動翼５の侵食が大きい動翼チ
ップ部に衝突する水滴は、ノズル翼３の高さ方向におい
て６０％〜８０％の部分から発生する（図３０乃至図３
３）。

【００５５】本発明によれば、ノズル翼３の高さ方向に
おいて６０％〜８０％の位置にＳ／Ｔ ｍｉｎがくるの
で、図５に示すようにノズル翼３の後縁３ａにおける６
０％から８０％高さ位置における水滴量が減少し、動翼
チップ部の侵食量を低下することが可能となる。

【００５６】また、図１に示すように、半径方向Ｘｒと
軸方向Ｘａで構成される２次元平面（子午面）（Ｘｒ−
Ｘａ平面）に投影したノズル翼３の後縁３ａが軸方向に
向って、ルート部１１およびチップ部１２では直線状に
傾斜し、ルート部１１およびチップ部１２の中間部で
は、ルート部１１近傍およびチップ部１２近傍の直線と
連結する曲線に沿った湾曲形状となっており、ノズル外
周壁１ａの傾斜角度θと後縁線３ａとの交差角度αｔは θ＋７０°≦αｔ≦θ＋９０° を満足するように設定される。

【００５７】図６は、ノズル外周壁１ａの傾斜角度θ
と、後縁線３ａとの交差角度αｔと、ノズルウェークに
よる損失ζの関係を示している。θとαｔの関係を上述
の如く設定することで、図６に示すように、３０°≦α
ｔ≦５０°の範囲でノズルウェークによる損失を最小に
することができる。

【００５８】すなわち、交差角度αｔを、３０°≦αｔ
≦５０°と定めることにより、ノズルウェークによる損
失を最小とする最適アキシャルクリアランスＬｏｐｔを
得ることができ、このためノズルウェークによる損失の
軽減を図ることができる（図２５乃至図２８）。

【００５９】また図２及び図３に示すように、ノズル翼
３の後縁３ａは円周方向に、そのルート部１１側ではラ
ジアル線Ｘｒに対して直線状に傾斜しており、チップ部
１２側が曲線状に湾曲されている。

【００６０】次に図７により、（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ
−Ｒｒ）と剥離による損失ζの関係を示す。上述のよう
に、ノズル翼３におけるルート部１１の後縁３ａに接す
る接線Ｌｒと、チップ部１２の後縁３ａに接する接線Ｌ
ｔの交点の半径位置Ｒｃは、 ０．７＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．９ を満足するような位置に選定されているので、図７に示
すように剥離による損失を最小にすることができ、図８
に示すようにタービン段落の流動状態は、ノズル外周壁
１ａとノズル内周壁２ａにおいて剥離のない良好な流れ
場が実現可能となる。

【００６１】すなわち（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）
が上述の範囲からはずれると、剥離による損失が増大し
てしまうが（図３９および図４０）、本発明によれば剥
離による損失を確実に防止することができる。

【００６２】上述の作用を総合すると、本発明の蒸気タ
ービンノズル翼を適用した場合、タービン段落損失は図
９に示すように、内周壁２ａおよび外周壁１ａ近傍の流
れの剥離が低減され、かつ、ノズルウェークによる損失
が低減されて、従来の段落に比べて損失は大幅に低減さ
れ、タービン性能を向上することができる。また、図５
に示すようにノズル翼３の後縁３ａの外周壁１ａ近傍に
おける水滴量が減少するため、効率の低下を招くことな
く動翼の侵食量は低減され、タービンの信頼性が向上す
る。

【００６３】第２の実施の形態 図１０は、本発明の第２の実施の形態を示す図であり、
ノズル翼３の全長にわたって、その後縁３ａがラジアル
線Ｘｒに対して円周方向に湾曲した曲線状となってい
る。図１０において、その他の構成は図１乃至図９に示
す第１の実施の形態と略同一である。

【００６４】図１０において、ノズル翼３の後縁３ａを
周方向に向って湾曲させることにより、ノズル内周壁２
ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減
し、良好な流れ場を実現することができる。また第１の
実施の形態と同様、ノズルウェークによる損失を十分低
下させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性
を向上させることができる。

【００６５】第３の実施の形態 図１１は、本発明の第３の実施の形態を示す図であり、
ノズル翼３の後縁３ａがルート部１１およびチップ部１
２では円周方向に向って直線状に傾斜し、ルート部１１
及びチップ部１２の中間部ではルート部１１近傍および
チップ部１２近傍の直線状の傾斜に連続された曲線に沿
って形成されている。

【００６６】図１１において、その他の構成は図１乃至
図９に示す第１の実施の形態と略同一である。

【００６７】図１１において、上述のようにノズル翼３
の後縁３ａを円周方向に向って湾曲させることにより、
ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流
れの剥離を低減し、良好な流れ場を実現することができ
る。また第１の実施の形態と同様、ノズルウェークによ
る損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タービ
ン効率・信頼性を向上させることができる。

【００６８】第４の実施の形態 図１２は、本発明の第４の実施の形態を示す図であり、
ノズル翼３の後縁３ａが、チップ部１１では円周方向に
曲線状に傾斜され、ルート部１２では円周方向に直線状
に湾曲している。

【００６９】図１１において、その他の構成は図１乃至
図９に示す第１の実施の形態と略同一である。

【００７０】図１２において、上述のようにノズル３の
後縁３ａを円周方向に向って湾曲させることにより、ノ
ズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れ
の剥離を低減し、良好な流れ場を実現することができ
る。また第１の実施の形態と同様ノズルウェークによる
損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タービン
効率・信頼性を向上させることができる。

【００７１】第５の実施の形態 図１３は、本発明の第５の実施の形態を示す図であり、
子午面（Ｘｒ−Ｘａ平面）から観察したノズル翼３の後
縁３ａが、ルート部１１では軸方向に向って直線状に傾
斜し、チップ部１２では軸方向に曲線状に湾曲してい
る。

【００７２】図１３において、その他の構成は図１乃至
図９に示す第１の実施の形態と略同一である。

【００７３】図１３において、ノズル翼３の後縁３ａを
軸方向に向って湾曲させることにより、ノズル内周壁２
ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減
し、良好な流れ場を実現することができる。また第１の
実施の形態と同様ノズルウェークによる損失を十分低下
させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を
向上させることができる。

【００７４】第６の実施の形態 図１４は、本発明の第６の実施の形態を示す図であり、
子午面から観察したノズル翼３の後縁３ａが、軸方向に
向って曲線状に湾曲して形成されている。図１４におい
て、その他の構成は図１乃至図９に示す第１の実施の形
態と略同一である。

【００７５】図１４において、ノズル翼３の後縁３ａを
軸方向に湾曲させることにより、ノズル内周壁２ａ近傍
およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良
好な流れ場を実現することができる。また第１の実施の
形態と同様、ノズルウェークによる損失を十分低減さ
せ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向
上させることができる。

【００７６】第７の実施の形態 図１５は、本発明の第７の実施の形態を示す図であり、
子午面から観察したノズル翼３の後縁３ａが、チップ部
１１では軸方向に直線状に傾斜し、ルート部１２では軸
方向に曲線状に湾曲している。

【００７７】図１５において、その他の構成は図１乃至
図９に示す第１の実施の形態と略同一である。

【００７８】図１５において、ノズル翼３の後縁３ａを
軸方向に湾曲させることにより、ノズル内周壁２ａ近傍
およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良
好な流れ場を実現することができる。またノズルウェー
クによる損失が十分低い範囲で、動翼の侵食量を低減
し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。他の実施の形態 なお、上記各実施例において、図２、１０、１１、１２
に示すノズル翼３の後縁３ａの周方向湾曲形状のいずれ
かと、図３、１３、１４、１５に示すノズル翼３の後縁
３ａの軸方向湾曲形状のいずれを互いに組み合わせて
も、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍
の流れの剥離を低減し、良好な流れを実現することがで
き、ノズルウェークによる損失を十分低下させ、動翼の
侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させるこ
とができる。

【００７９】また上述したタービンノズル１０を最終タ
ービン段落およびその上流のタービン段落の少なくとも
１つ以上に適用することにより、ノズル内周壁２ａ近傍
およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良
好な流れを実現することができる。またノズルウェーク
による損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タ
ービン効率・信頼性を向上させることができる。

【００８０】

【発明の効果】本発明によれば、ノズルスロート幅とノ
ズルピッチとの比をＳ／Ｔとした場合、Ｓ／Ｔは翼高さ
６０％から８０％の位置に少なくとも１つの極小値（Ｓ
／Ｔ）ｍｉｎを有し、かつ Ｓ／Ｔ ｒｏｏｔ＞Ｓ／Ｔ ｔｉｐ＞Ｓ／Ｔ ｍｉｎ を満足するように定めるので、ノズルウェークによる損
失を十分低下させて動翼の侵食量を低減することができ
る。

【００８１】このため、ノズルウェークによる損失を低
減し、動翼の侵食量を低減し、ノズル内周壁およびノズ
ル外周壁における流れの剥離を抑えて、良好な流れ場を
実現することが可能となる。このためタービン性能およ
びタービンの信頼性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示すタービンノズル
の図。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図。

【図３】本発明のタービンノズルの円周方向の傾斜を説
明する図。

【図４】本発明のタービンノズルのスロート幅とノズル
ピッチの比を説明する図。

【図５】ノズル翼の出口の水滴量を説明する図。

【図６】ノズルウェークによる損失を説明する図。

【図７】ノズル内周壁とノズル外周壁の剥離による損失
を説明する図。

【図８】タービン段落の流動状況を説明する図。

【図９】タービン段落の損失を説明する図。

【図１０】本発明の第２の実施形態を示すタービンノズ
ルの円周方向の傾斜を説明する図。

【図１１】本発明の第３の実施形態を示すタービンノズ
ルの円周方向の傾斜を説明する図。

【図１２】本発明の第４の実施形態を示すタービンノズ
ルの円周方向の傾斜を説明する図。

【図１３】本発明の第５の実施形態を示すタービンノズ
ルの図。

【図１４】本発明の第６の実施形態を示すタービンノズ
ルの図。

【図１５】本発明の第７の実施形態を示すタービンノズ
ルの図。

【図１６】従来のタービンノズルを示す図。

【図１７】図１６のＡ−Ａ断面図。

【図１８】従来のタービン段落の流動状況を説明する
図。

【図１９】ノズルウェークを説明する図。

【図２０】ノズルウェーク混合を説明する図。

【図２１】ノズルウェークによる動翼損失を説明する
図。

【図２２】ノズルウェークの混合損失を説明する図。

【図２３】ノズルウェークによる損失を説明する図。

【図２４】反動度分布を説明する図。

【図２５】ノズル外周壁における後縁傾斜角と、ノズル
・羽根間距離の関係を示す相関図。

【図２６】従来のタービンノズルを示す図。

【図２７】従来のタービンノズルを示す図。

【図２８】ノズル外周壁における後縁傾斜角とノズルウ
ェークによる損失の関係を示す相関図。

【図２９】従来の蒸気タービンの膨張線を説明する図。

【図３０】従来の蒸気タービンの水滴流動状況を説明す
る図。

【図３１】図３０のＣ−Ｃ断面図。

【図３２】従来の蒸気タービンの動翼侵食量を説明する
図。

【図３３】従来の蒸気タービンノズル出口流量を説明す
る図。

【図３４】タービンノズルのスロート・ピッチの比を説
明する図。

【図３５】従来の蒸気タービンのスロート幅とピッチの
比を示す分布図。

【図３６】従来の蒸気タービンのノズル出口の水滴量の
分布図。

【図３７】従来の蒸気タービンノズルの説明図。

【図３８】従来の蒸気タービン段落の流動状況を説明す
る図。

【図３９】従来の蒸気タービンノズルの円周方向の傾斜
を説明する図。

【図４０】従来のノズル内周壁とノズル外周壁の剥離に
よる損失を説明する図。

【図４１】従来の蒸気タービン段落を説明する図。

【図４２】従来の蒸気タービンノズル出口蒸気流量を説
明する図。

【符号の説明】

１ ノズル外輪 １ａ ノズル外周壁 ２ ノズル内輪 ２ａ ノズル内周壁 ３ ノズル翼 ３ａ ノズル後縁 ４ 回転軸 ５ 動翼 ５ａ 動翼前縁 １０ タービンノズル １０ａ 環状流路 １１ ルート部 １２ チップ部

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流体の流れ方向に拡大する環状流路を形成
   するノズル外輪およびノズル内輪と、 ノズル外輪とノ
   ズル内輪との間に円周方向に配置されるとともにルート
   部とチップ部を有する複数のノズル翼とを備え、 各ノズル翼の後縁および前縁が、各々軸方向および円周
   方向に湾曲し、 ノズル翼のノズルスロート幅ＳとノズルピッチＴとの比
   をＳ／Ｔとした場合、Ｓ／Ｔはルート部からチップ部へ
   の高さ方向において６０％〜８０％の位置に少なくとも
   １つの極小値を有し、 ルート部のＳ／ＴをＳ／Ｔ ｒｏｏｔ、チップ部のＳ／
   ＴをＳ／Ｔ ｔｉｐ、Ｓ／Ｔの最小値をＳ／Ｔ ｍｉｎ
   とした場合、 Ｓ／Ｔ ｒｏｏｔ＞Ｓ／Ｔ ｔｉｐ＞Ｓ／Ｔｍｉｎとす
   ることを特徴とする蒸気タービンノズル。
2. 【請求項２】ノズル外周壁の傾斜角度をθ、ノズル外周
   壁におけるノズル後縁とノズル外周壁との交差角をαｔ
   としたとき、 θ＋７０°≦αｔ≦θ＋９０° となることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンノ
   ズル。
3. 【請求項３】軸方向から観察されるノズル翼の後縁は、
   半径方向に沿う直線に対しノズル翼中央部で側方に突出
   した湾曲形状を有し、この後縁の湾曲形状のルート部に
   おける接線とチップ部における接線との交点の半径をＲ
   ｃとし、ノズル翼の後縁のルート部半径をＲｒ、ノズル
   翼の後縁のチップ部半径をＲｔとした場合、 ０．７＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．９ となることを特徴とする請求項１または２のいずれか記
   載の蒸気タービンノズル。
4. 【請求項４】各ノズル翼の後縁は円周方向に、ルート部
   からチップ部まで曲線状に湾曲されていることを特徴と
   する、請求項１乃至３のいずれか記載の蒸気タービンノ
   ズル。
5. 【請求項５】ノズル翼の後縁は円周方向に、ルート部で
   は直線状に傾斜し、チップでは曲線状に湾曲することを
   特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の蒸気ター
   ビンノズル。
6. 【請求項６】ノズル翼の後縁は円周方向に、ルート部お
   よびチップ部では直線状に傾斜し、ルート部とチップ部
   との間の中間部ではルート部近傍およびチップ近傍の直
   線と連続する曲線に沿って湾曲して形成されていること
   を特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の蒸気タ
   ービンノズル。
7. 【請求項７】ノズル翼の後縁は円周方向に、チップ部で
   は直線状に傾斜し、ルート部では曲線状に湾曲すること
   を特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の蒸気タ
   ービンノズル。
8. 【請求項８】ノズル翼の後縁は軸方向に、ルート部では
   直線状に傾斜し、チップ部では曲線状に湾曲することを
   特徴とする、請求項１乃至７のいずれか記載の蒸気ター
   ビンノズル。
9. 【請求項９】ノズル翼の後縁は軸方向に、ルート部から
   チップ部まで曲線状に湾曲されていることを特徴とす
   る、請求項１乃至７のいずれか記載の蒸気タービンノズ
   ル。
10. 【請求項１０】ノズル翼の後縁は軸方向に、ルート部お
    よびチップ部では直線状に傾斜し、ルート部とチップ部
    との間の中間部ではルート部近傍およびチップ部近傍の
    直線と連続する曲線に沿って湾曲して形成されているこ
    とを特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の蒸気タ
    ービンノズル。
11. 【請求項１１】ノズル翼の後縁は軸方向に、チップ部で
    は直線状に傾斜し、ルート部では曲線状に湾曲すること
    を特徴とする請求項１乃至７のいずれか記載の蒸気ター
    ビンノズル。
12. 【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれかに記載の蒸
    気タービンノズルを有し、この蒸気タービンノスルは最
    終タービン段落およびその上流のタービン段落の少なく
    とも１つ以上に適用されることを特徴とする蒸気タービ
    ン。