JP2002256810A

JP2002256810A - 軸流タービン

Info

Publication number: JP2002256810A
Application number: JP2001060238A
Authority: JP
Inventors: Minoru Matsuda; 田實松; Sakae Kawasaki; 崎榮川; Masahito Sugiura; 浦将人杉; Junichi Tominaga; 永純一富
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2002-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構造を有し、段落流路内の2次流れ損
失、動翼入射角損失および漏洩損失を低減しタービンの
段落性能を向上させる軸流タービンを提供することを目
的とする。【解決手段】この軸流タービンは、ダイヤフラム内輪
３とダイヤフラム外輪２との間に、周方向に複数のノズ
ル翼４を列状に配設した軸流タービンにおいて、前記ノ
ズル翼を、その先端側が、前記タービンの回転中心から
放射状にのびるラジアル線に対して流体流出方向に５°
〜１５°傾斜するように配設し、高さ方向に同一翼断面
を有したノズル翼を、そのノズル翼先端側の無次元高さ
７０〜１００％の範囲で０°〜３°ねじり、翼列間のス
ロート幅をＳとし翼列間の周方向ピッチをＴとしたとき
の最小幾何流出角sin−1（S／T）を大きく形成してい
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、ノズルと動翼の翼
形改善により２次流れ損失、翼素損失および漏洩損失を
低減して性能を向上させた段落を有する軸流タービンに
関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、軸流タービンにおいては、性能
向上を目的として内部効率を向上させる種々の技術が採
用されている。タービン内部損失のうち、特に翼流路内
で発生する2次流れ損失と静止部と回転部との間隙から
漏洩する漏洩損失は、タービンの各段落に共通する損失
であり、その改善策が要望されている。

【０００３】一般的な軸流タービンのノズルおよび動翼
を含む段落部の構成を図１１に示す。この図において、
タービンケーシング1に取り付けられたダイアフラム外
輪2とダイアフラム内輪3とに放射状に複数枚のノズル翼
4が固定され、ノズル翼流路が形成されている。このノ
ズル翼流路の下流側には複数枚の動翼７が配置されてい
る。動翼７はロータ5と同心のホイール６の外周に周方
向に所定間隔で列状に配置されており、動翼７の外周に
は動翼内における作動流体の漏洩を防止するためにシュ
ラウド８が装着されている。また、シュラウド外周面に
は、シュラウド外周面をバイパスして漏洩する流量を減
らすためにチップフィン９が設置されている。ダイアフ
ラム内輪３の内径部には、ロータ５との間を通って漏洩
する流体を極力少なくするため、ラビリンスパッキン１
０が設置されている。これらのノズル翼4および動翼７
から形成される翼流路とシール機構とで段落が構成され
ている。

【０００４】タービン段落の設計法にはいくつかの手法
があるが、翼高さが短い段落の場合、ノズル翼４、動翼
７の翼断面が高さ方向に同一で形成された一次元設計法
があり、翼高さが高くなると３次元的にねじれた翼で形
成されたフリーボルテックス設計法がある。図１２は、
一次元設計法とフリーボルテックス設計法の翼型の流出
角の大小をみるために示した定義法で、幾何流出角sin
−1（S／T）で表すことがある。これは、ノズル翼４ま
たは動翼７の翼列内部で形成された通路部の最小長さ
（スロート幅Ｓ）とその周方向の翼枚数から決まる翼間
長さ（環状部でのピッチＴ）の比を用いたものである。

【０００５】次に、一次元設計法では、図１３（ａ）に
示すように、ノズル、動翼共に、根元部から先端部へ幾
何流出角sin−1（S／T）が直線的に増加するものが多
い。フリーボルテックス設計法においては、図１３
（ｂ）に示すように、ノズルの場合、根元部から先端部
へ幾何流出角sin−1（S／T）が直線的に増加し、動翼は
その逆の傾向で減少する。また、図１３（ｃ）に示すよ
うに、ノズルの根元部スロート幅を大にしsin−1（S／
T）を大きくし、先端部スロート幅を小にし幾何流出角s
in−1（S／T）を小さくしたコントロールドボルテック
ス設計法もある。

【０００６】上記のタービン段落においては、以下に述
べるような２次流れ損失、羽根入射角損失および漏洩損
失などが発生しタービン性能に悪影響を及ぼしている。

【０００７】次に、図１１に示す段落構成において、2
次流れ損失の発生機構について説明する。図１４は、タ
ービンノズルをノズル出口側から観察した斜視図であ
る。ノズル翼４において、高圧蒸気などの作動流体は、
隣接するノズル翼４の間で形成される翼間流路を流れる
ときに流路内で円弧状に曲げられて流れる。このときノ
ズル翼４の背面Bから腹面F方向に遠心力を生じ、この遠
心力と静圧が平衡しているため、腹面Fにおける静圧が
高くなり、一方背面Bにおいては作動流体の流速が大き
いため静圧が低くなる。そのため、流路内では腹面Fか
ら背面Bに向って圧力勾配が生じる。この圧力勾配はダ
イアフラム外輪2とダイアフラム内輪3の周壁面上に形成
される流速の遅い層、すなわち境界層においても同じで
ある。境界層付近においては流速が小さく、作用する遠
心力も小さいため、腹面Fから背面Bへの圧力勾配に抗し
きれずに腹面F側から背面B側に向かう流れ、すなわち2
次流れ１１が生ずる。そして、この2次流れ１１はノズ
ル翼４の背面B側に衝突して巻き上がり、ノズル翼４の
内輪側及び外輪側の両接合端において、それぞれ2次流
れ渦１２a、１２bを発生する。このようにして作動流体
が保有するエネルギは、2次流れ渦１２a、１２bを形成
するためにその一部が散逸する。しかもノズル流路内で
発生する上記2次流れ渦１２a、１２bは作動流体の不均
一な流れを生じ、ノズル性能を著しく低下させる。

【０００８】上記ノズル流路内で発生する2次流れ渦１
２a、１２bに起因する2次流れ損失を低減するために
は、種々の従来技術がある。

【０００９】例えば、夕−ビンの回転中心を通るラジア
ル線（図１４のE）に対して湾曲させて取り付けた形状
を採用したタービンノズルがある。図１５は、この湾曲
ノズル翼１３を採用したタービンノズルを示す斜視図で
ある。このような湾曲ノズル翼１３では翼間流路におけ
る速度ベクトルを根元側ではダイアフラム内輪3、先端
側では逆にダイアフラム外輪2の方向に向ける効果があ
り、ダイアフラム内輪3及びダイアフラム外輪2の両方で
境界層の成長が抑制される。その結果、図１６の点線P2
に示すように、実線Plで示す従来の圧力損失に比して、
ノズル根元部、および先端部での圧力損失が大幅に低減
される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の如き
湾曲ノズルでは、ノズルから下流の動翼を通過する際、
動翼の根元部と先端部において、流量が拘束され流れに
くい状態となり、余剰流量が動翼高さ中央部に向かって
流れ込み、流線が偏向されて動翼の内部で損失が増大し
やすいという問題点があった。

【００１１】また、図１１に示す段落構成において、動
翼入射角損失の発生機構について説明する。図１７は、
動翼に流入する流体の流入角を説明する図である。回転
中の動翼に流入する流れは、ノズルから流出する絶対流
出速度（図示のＣ）に対して動翼の周速度（図示のＵ）
を考慮した動翼相対流入速度（図示のＷ）で流入する。
通常、動翼へ流入する流れ角βｓは、動翼形状によって
決まる最適な流れ角βａとほぼ一致するように設計され
ている。

【００１２】図１８はタービン動翼の流入部における流
れを示す断面図である。図１１に示す動翼先端部では、
チップフィン９へ漏洩流体が引き込まれるため、ノズル
の絶対流出角αが大きくなる傾向があり、動翼に流入す
る流れ角βｓが大となる。動翼の最適流入角βａに対
し、異なった流れ角βｓで流体が流入すると、前縁部で
剥離を伴った渦流が発生し、動翼入射角損失と呼ばれる
損失が発生する。

【００１３】更に、図１１に示す段落構成において、漏
洩防止機構を説明する。静止体のダイアフラム内輪３と
回転体のロータ５との間には、これらの間を通って漏洩
する流体を極力少なくするためシール機能を備えたラビ
リンスパッキン１０が設置されている。このラビリンス
パッキン１０は、シール効果を向上させるため、ハイロ
ー構造のフィンを採用している。フィン先端は、ロータ
５に接触してもダメージが大きくならないように鋭角に
なっており、フィン先端とロータ５の半径方向間隙が極
小になる構造としている。この間隙部位からの漏洩流量
は、段落流量の１〜３％程度である。また、回転体のシ
ュラウド８の外周を通って漏洩する流体を極力少なくす
るため、ダイアフラム外輪２にチップフィン９を付加し
ている。

【００１４】この間隙部位からの漏洩流量は、段落流量
の１〜２％程度である。この漏洩損失を低減する方法と
して、従来から採用されているコントロールボルテック
ス設計法がある。これは、前述の図１３（ｃ）に示すよ
うに、従来設計法に対してノズル根元部のスロート幅を
大にし、ノズル先端部のスロートを小にすることで、図
１９に示すように従来よりノズル出口根元圧力Ｐ２Ｒを
上昇させ、ノズル出口先端圧力Ｐ２Ｔを低下させ、ラビ
リンスパッキン１０、およびチップフィン９の前後圧力
差を少なくし漏洩損失を低減させようとしたものであ
る。しかしながら、翼高さが低い段落の場合、コントロ
ールボルテックス設計法では翼流路の損失が大きい翼高
さ中央部で流量が多く流れるので、有効に出力が回収出
来ない欠点がある。

【００１５】本発明はこのような点に鑑み、簡単な構造
を有し、段落流路内の2次流れ損失、動翼入射角損失お
よび漏洩損失を低減しタービンの段落性能を向上させる
ことを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との間に、周
方向に複数のノズル翼を列状に配設した軸流タービンに
おいて、前記ノズル翼を、その先端側が、前記タービン
の回転中心から放射状にのびるラジアル線に対してこの
ラジアル線を流体が通過するときの流体流出方向に５°
〜１５°傾斜するように配設し、高さ方向に同一翼断面
を有したノズル翼を、そのノズル翼先端側の無次元高さ
７０〜１００％の範囲で０°〜３°ねじり、翼列間のス
ロート幅をＳとし翼列間の周方向ピッチをＴとしたとき
の最小幾何流出角sin−1（S／T）を大きく形成したこと
を特徴とする。

【００１７】これにより、内周壁面近傍の流体が壁面側
に流線が偏向し壁面側に押圧されることで境界層の発達
が抑制され渦流の発生を防ぎ翼列間の２次流れ損失が低
減される。また、流線の偏向でノズル出口の根元部圧力
が上昇することからラビリンスパッキンの前後圧力差を
少なくすることが可能である。さらに、先端側の幾何流
出角sin−1（S／T）を大きくすることで外周側の流体が
内壁側に片寄って流れないようにして外周壁面での渦流
の発生を防止することができる。このノズル形状のよっ
て流路内での渦損失や漏洩損失が低減されタービンの段
落性能を向上させることが可能である。

【００１８】請求項２に記載の発明は、ダイヤフラム内
輪とダイヤフラム外輪との間に、周方向に複数のノズル
翼を列状に配設した軸流タービンにおいて、前記ノズル
翼を、その先端側が、前記タービンの回転中心から放射
状にのびるラジアル線に対してこのラジアル線を流体が
通過するときの流体流出方向に５°〜１５°傾斜するよ
うに配設し、前記ノズル翼を、高さ方向の根元部から高
さ方向中央付近まで同一翼断面にて形成し、ノズル翼の
無次元高さ７０〜１００％の範囲でその翼断面を１．０
〜０．９倍の範囲で縮小し、翼列間のスロート幅をＳと
し翼列間の周方向ピッチをＴとしたときの幾何流出角si
n−1（S／T）が大きくなるように形成したことを特徴と
する。

【００１９】これにより、内周壁面近傍の流体が壁面側
に流線が偏向し壁面側に押圧されることで境界層の発達
が抑制され渦流の発生を防ぎ翼列間の２次流れ損失が低
減される。また、流線の偏向でノズル出口の根元部圧力
が上昇することからラビリンスパッキンの前後圧力差を
少なくすることが可能である。さらに、先端側の幾何流
出角sin−1（S／T）を大きくすることで外周側の流体が
内壁側に片寄って流れないようにして外周壁面での渦流
の発生を防止することができる。このノズル形状のよっ
て流路内での渦損失や漏洩損失が低減されタービンの段
落性能を向上させることが可能である。

【００２０】請求項３に記載の発明は、ダイヤフラム内
輪とダイヤフラム外輪との間に、周方向に複数のノズル
翼を列状に配設した軸流タービンにおいて、前記ノズル
翼を、その無次元高さ０〜３０％の根元側および７０〜
１００％の先端側において、その翼断面が１．０〜０．
９倍になるように縮小し、翼列間のスロート幅をＳとし
翼列間の周方向ピッチをＴとしたときの幾何流出角sin
−1（S／T）が大きくなるように形成し、縮小した断面
を下流方向に移動してノズル翼出口端が軸流方向の同一
位置に一致するように前記ノズルを形成したことを特徴
とする。

【００２１】これにより、内周壁面近傍および外周壁面
近傍の流体が壁面側に流線が偏向し壁面側に押圧される
ことで境界層の発達が抑制され渦流の発生を防ぎ翼列間
の２次流れ損失が低減される。このノズル形状のよって
流路内での渦損失や漏洩損失が低減されタービンの段落
性能を向上させることが可能である。

【００２２】請求項４に記載の発明は、ダイヤフラム内
輪とダイヤフラム外輪との間に、周方向に複数のノズル
翼を列状に配設した軸流タービンにおいて、前記ノズル
翼を、その無次元高さ０〜３０％の根元側および７０〜
１００％の先端側において、その翼断面が１．０〜０．
９倍になるように縮小し、翼列間のスロート幅をＳとし
翼列間の周方向ピッチをＴとしたときの幾何流出角sin
−1（S／T）が大きくなるように形成し、縮小した断面
を上流方向に移動しノズル前縁部を軸流方向の同一位置
に一致するように前記ノズルを形成したことを特徴とす
る。

【００２３】これにより、内周壁面近傍および外周壁面
近傍の流体が壁面側に流線が偏向し壁面側に押圧される
ことで境界層の発達が抑制され渦流の発生を防ぎ翼列間
の２次流れ損失が低減される。このノズル形状のよって
流路内での渦損失や漏洩損失が低減されタービンの段落
性能を向上させることが可能である。

【００２４】請求項５に記載の発明は、ロータの外周に
周方向に複数の動翼が配設された軸流タービンにおい
て、高さ方向に同一翼断面を有した動翼を、その先端側
の無次元高さ７０〜１００％の範囲で０°〜２°ねじ
り、翼列間のスロート幅をＳとし翼列間の周方向ピッチ
をＴとしたときの幾何流出角sin−1（S／T）が大きくな
るように形成したことを特徴とする。

【００２５】これにより、内周壁面近傍および外周壁面
近傍の流体が壁面側に流線が偏向し壁面側に押圧される
ことで境界層の発達が抑制され渦流の発生を防ぎ翼列間
の２次流れ損失が低減されタービンの段落性能を向上さ
せることが可能である。

【００２６】請求項６に記載の発明は、ロータの外周に
周方向に複数の動翼が配設された軸流タービンにおい
て、高さ方向の根元部から高さ中央付近まで同一翼断面
を有した動翼を、無次元高さ７０〜１００％の範囲の先
端側で翼断面を１．０〜０．９倍に縮小し、翼列間のス
ロート幅をＳとし翼列間の周方向ピッチをＴとしたとき
の幾何流出角sin−1（S／T）が大きくなるように形成し
たことを特徴とする。

【００２７】これにより、内周壁面近傍および外周壁面
近傍の流体が壁面側に流線が偏向し壁面側に押圧される
ことで境界層の発達が抑制され渦流の発生を防ぎ翼列間
の２次流れ損失が低減されタービンの段落性能を向上さ
せることが可能である。

【００２８】請求項７に記載の発明は、ロータの外周に
周方向に複数の動翼が配設された軸流タービンにおい
て、高さ方向の根元部から高さ中央付近まで同一翼断面
を有した動翼を、無次元高さ７５〜１００％の範囲の先
端側で翼断面の前縁部形状を変化させて、翼前縁形状に
よって決まる幾何流入角αが増加するように形成したこ
とを特徴とする。

【００２９】これにより、動翼先端側のチップフィンの
漏洩によって生ずる動翼入射角損失が低減される。この
動翼形状によって流路内での渦損失が低減されタービン
の段落性能を向上させることが可能である。

【００３０】請求項８に記載の発明は、請求項１ないし
４のいずれかに記載の軸流タービンにおいて採用された
ノズル翼と請求項５に記載の軸流タービンにおいて採用
された動翼とを有する段落を備えたことを特徴とする。

【００３１】これにより、ノズル出口の根元部圧力が上
昇し、先端部圧力が降下することからラビリンスパッキ
ンおよびチップフィンの前後圧力差を少なくすることが
できタービンの段落性能を向上させることが可能であ
る。

【００３２】請求項９に記載の発明は、請求項１なにし
４のいずれかに記載の軸流タービンにおいて採用された
ノズル翼と請求項６に記載の軸流タービンにおいて採用
された動翼とを有する段落を備えたことを特徴とする。

【００３３】これにより、ノズル出口の根元部圧力が上
昇し、先端部圧力が降下することからラビリンスパッキ
ンおよびチップフィンの前後圧力差を少なくすることが
できタービンの段落性能を向上させることが可能であ
る。

【００３４】請求項１０に記載の発明は、ダイヤフラム
内輪とダイヤフラム外輪との間に、周方向に複数のノズ
ル翼を列状に配設した軸流タービンにおいて、前記ノズ
ル翼を周方向から見たときに、前記ノズル翼は、ノズル
の無次元高さ０〜２５％の根元側では、その翼断面がそ
の根本からノズル中央に向かうにしたがい流体流出方向
に５°〜１５°シフトするように傾斜して形成するとと
もに、ノズルの無次元高さ７５〜１００％の先端側で
は、その翼断面がその先端からノズル中央に向かうにし
たがい流体流出方向に５°〜１５°シフトするように傾
斜して形成し、そのノズル出口端が高さ方向中央付近で
流体流出方向に凸形状となるように形成し、一方、前記
ノズル翼をタービン軸方向から見たときに、前記ノズル
翼は、ノズルの無次元高さ０〜２５％の根元側では、そ
の翼断面がその根本からノズル中央に向かうにしたがい
周方向下流側に５°〜１５°シフトするように傾斜して
形成するとともに、ノズルの無次元高さ７５〜１００％
の先端側では、その翼断面がその先端からノズル中央に
向かうにしたがい周方向下流側に５°〜１５°シフトす
るように傾斜して形成し、そのノズル出口端が高さ方向
中央付近で周方向下流側に凸形状となるように形成した
ことを特徴とする。また、請求項１１に記載の発明は、
請求項５ないし７のいずれかに記載の軸流タービンにお
いて採用された動翼と請求項１０に記載の軸流タービン
において採用されたノズル翼とを有する段落を備えたこ
とを特徴とする。

【００３５】これにより、内周壁面近傍および外周壁面
近傍の流体が壁面側に流線が偏向し壁面側に押圧される
ことで境界層の発達が抑制され渦流の発生を防ぎ翼列間
の２次流れ損失が低減される。この段落によって流路内
での渦損失や漏洩損失が低減されタービンの段落性能を
向上させることが可能である。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１ないし図１０を参照して説明する。

【００３７】第１の実施の形態に係る軸流タービンを説
明する。図１（ａ）は、第１の実施の形態に係るタービ
ンノズルの斜視図である。この図において、符号２はノ
ズルダイアフラム外輪を示し、符号３はノズルダイアフ
ラム内輪をしめす。そして、これらノズルダイアフラム
外輪２とノズルダイアフラム内輪３との間には、ノズル
翼２４が周方向に複数個列設されている。

【００３８】このノズル翼２４は、タービンの回転中心
から反射状にのびるラジアル線Ｘに対し、ノズル外周側
の翼断面が周方向に移動して、ラジアル線Ｘを流体が通
過するときの流体が流出する方向にθ＝５〜１５°で傾
斜するように形成されている。さらに、このノズル翼２
４は、図１（ｂ）に示すように、先端側の翼断面Ｄ２が
根本側の翼断面Ｒ２に対して角度δだ回転した位置にな
るようにねじられて形成されている。そして、このねじ
り角δは、大きくし過ぎると性能効果が無くなり、検証
結果からδ＝０〜３°の範囲でねじることが性能的に有
利である。このようにノズル翼２４をねじることによっ
て、根本側のスロート幅Ｓｒ２に対して先端側のスロー
ト幅Ｓｄ２が大きくなり、幾何流出角sin−1（S／T）
も、図１（ｃ）で示すように先端側が大きくなる。ノズ
ル翼２４にねじりを加える翼高さ方向の範囲は、図１
（ｃ）に示すように、ノズル先端側の剥離流れが生じな
い領域でｈ／Ｈ＝０．７〜１．０にする。

【００３９】このようなノズル翼２４を採用することに
よって、ノズル流路内での流れは、内周側に流線が偏向
し内周壁面に押し付けられ境界層の発達を抑制し、渦流
による２次損失を低減することができる。ノズル断面を
傾斜すると内周側に片寄って流れすぎる傾向があるが、
翼にねじれ（図示δ）をつけることで先端側の流量が減
るのを防止できる。本実施例により段落内の流れは、図
２に示すように、流線（図示ｆ１）が内壁側では内側
に、外壁側では剥離がなく壁面に平行に近い流れ（図示
ｆ２）となる。このノズルによって段落性能を向上させ
ることができる。

【００４０】次に、第２の実施の形態に係る軸流タービ
ンを説明する。図３（ａ）は、第２の実施の形態に係る
タービンノズルの斜視図である。この図において、ノズ
ルダイアフラム外輪２とノズルダイアフラム内輪３との
間には、ノズル翼３４が周方向に複数個列設されてい
る。

【００４１】このノズル翼３４は、タービンの回転中心
から放射状にのびるラジアル線Ｘに対し、ノズル外周側
の翼断面が周方向に移動して、このラジアル線Ｘを流体
が通過するときの流体が流出する方向にθ＝５〜１５°
で傾斜するように形成されている。さらに、図３（ｂ）
に示すように、根本側のスロート幅Ｓｒ３より先端側の
スロート幅Ｓｄ３が大きくなる方向に、先端側翼断面Ｄ
３を、根本側翼断面Ｒ３に対して縮小する。この縮小率
Ｙは、検証結果からＹ＝１．０〜０．９倍の範囲で縮小
することが性能的に有利である。図３（ｃ）に示すよう
に、翼断面を縮小する翼高さ方向の範囲は、ノズル先端
側の剥離流れが生じない領域でｈ／Ｈ＝０．７〜１．０
にする。

【００４２】ノズル翼３４をこのような形状にすること
によって、ノズル流路内での流れは、内周側に流線が偏
向し内周壁面に押し付けられて境界層の発達を抑制し、
渦流による２次損失を低減することができる。ノズル断
面を傾斜すると内周側に片寄って流れすぎる傾向がある
が、翼を縮小することでで先端側の流量が減るのを防止
できる。本実施例により段落内の流れは、前記同様、図
２に示すように流線が内壁側では内側に、外壁側では剥
離がなく壁面に平行に近い流れとなる。このノズルによ
って段落性能を向上させることができる。

【００４３】次に、第３の実施の形態に係る軸流タービ
ンを説明する。図４（ａ）は、第３の実施の形態に係る
タービンノズルの斜視図である。この図において、ノズ
ルダイアフラム外輪２とノズルダイアフラム内輪３との
間には、ノズル翼４４が周方向に複数個列設されてい
る。

【００４４】このノズル翼４４は、図４（ｂ）に示すよ
うに、根本側翼断面及び先端側翼断面におけるスロート
幅Ｓｒ４が中央部翼断面におけるスロート幅Ｓｃ４より
大きくなるように、根元側翼断面Ｒ４と先端側翼断面Ｒ
４を中央部翼断面Ｃ４より縮小している。この縮小率Ｙ
は、検証結果からＹ＝１．０〜０．９倍の範囲で縮小す
ることが性能的に有利である。図４（ｃ）に示すように
翼断面を縮小する翼高さ方向の範囲は、ノズル先端側の
剥離流れが生じない領域でｈ／Ｈ＝０〜０．３と０．７
〜１．０にする。更に、このノズル翼４４は、図４
（ｄ）に示すように、縮小した根本側翼断面及び先端側
翼断面を下流方向に移動して、ノズル出口端を軸流方向
位置で一致するように形成されている。

【００４５】このようにノズル翼４４を形成しているか
ら、ノズル流路内での流れは、内周側と外周側に流線が
偏向し壁面に押し付けられ境界層の発達を抑制し、渦流
による２次損失を低減することができる。本実施例によ
り段落内の流れは、前記同様、図２に示すように流線が
内壁側では内側に、外壁側では剥離がなく壁面に平行に
近い流れとなる。このノズルによって段落性能を向上さ
せることができる。

【００４６】次に、第４の実施の形態に係る軸流タービ
ンを説明する。図５（ａ）は、第４の実施の形態に係る
タービンノズルの斜視図である。この図において、ノズ
ルダイアフラム外輪２とノズルダイアフラム内輪３との
間には、ノズル翼５４が周方向に複数個列設されてい
る。

【００４７】このノズル翼５４は、図５（ｂ）に示すよ
うに、根本側翼断面及び先端側翼断面におけるスロート
幅Ｓｒ５が中央部翼断面におけるスロート幅Ｓｃ５より
大きくなるように、根元側翼断面Ｒ５と先端側翼断面Ｒ
５を中央部翼断面Ｃ５より縮小している。この縮小率Ｙ
は、検証結果からＹ＝１．０〜０．９倍の範囲で縮小す
ることが性能的に有利である。図５（ｃ）に示すように
翼断面を縮小する翼高さ方向の範囲は、ノズル先端側の
剥離流れが生じない領域でｈ／Ｈ＝０〜０．３と０．７
〜１．０にする。更に、このノズル翼５４は、図５
（ｄ）に示すように、縮小した根本側翼断面及び先端側
翼断面を上流方向に移動して、ノズル前縁を軸流方向位
置で一致するように形成されている。

【００４８】このようにノズル翼５４を形成しているか
ら、ノズル流路内での流れは、内周側と外周側に流線が
偏向し壁面に押し付けられ境界層の発達を抑制し、渦流
による２次損失を低減することができる。本実施例によ
り段落内の流れは、前記同様、図２に示すように流線が
内壁側では内側に、外壁側では剥離がなく壁面に平行に
近い流れとなる。このノズルによって段落性能を向上さ
せることができる。

【００４９】次に、第５の実施の形態に係る軸流タービ
ンを説明する。図６（ａ）は、第５の実施の形態に係る
動翼の斜視図である。この図において、ホイール６の外
周には、動翼６７が周方向に複数個列設されている。

【００５０】この動翼６７は、図６（ｂ）に示すよう
に、先端側翼断面におけるスロート幅Ｓｄ６が根本側翼
断面におけるスロート幅Ｓｒ６より大きくなるように、
根元側翼断面Ｒ６に対して先端側翼断面Ｄ６をねじって
いる。このねじり角δは、大きくし過ぎると性能効果が
無くなり、検証結果からδ＝０〜２°の範囲でねじるこ
とが性能的に有利である。図６（ｃ）に示すように動翼
のうちねじりを加える部分の翼高方向の範囲は、動翼先
端側の剥離流れが生じない領域でｈ／Ｈ＝０．７〜１．
０にする。このような動翼形状によって、先端側の流量
が減るのを防止できる。本実施例により段落内の流れ
は、図２に示すように、外壁側では剥離がなく壁面に平
行に近い流れとなる。この動翼によって段落性能を向上
させることができる。

【００５１】次に、第６の実施の形態に係る軸流タービ
ンを説明する。図７（ａ）は、第６の実施の形態に係る
動翼の斜視図である。この図において、ホイール６の外
周には、動翼７７が周方向に複数個列設されている。

【００５２】この動翼７７は、図６（ａ）に示すよう
に、高さ方向の根元部から高さ中央付近まで同一翼断面
を有し、先端側の翼断面が縮小されている。図７（ｂ）
に示すように、先端側翼断面におけるスロート幅Ｓｄ７
が根本側翼断面におけるスロート幅Ｓｒ７より大きくな
るように、根元側翼断面Ｒ７に対して先端側翼断面Ｄ７
を縮小している。この縮小率Ｙは、検証結果からＹ＝
１．０〜０．９倍の範囲で縮小することが性能的に有利
である。図７（ｃ）に示すように縮小する部分の翼高さ
方向の範囲は、動翼先端側の剥離流れが生じない領域で
ｈ／Ｈ＝０．７〜１．０にする。このような動翼形状に
よって、先端側の流量が減るのを防止できる。本実施例
により段落内の流れは、前記同様、図２に示すように、
外壁側では剥離がなく壁面に平行に近い流れとなる。こ
の動翼によって段落性能を向上させることができる。

【００５３】次に、第７の実施の形態に係る軸流タービ
ンを説明する。図８（ａ）は、第７の実施の形態に係る
動翼８７の翼断面図である。この図において、ホイール
６の外周には、動翼８７が周方向に複数個列設されてい
る。

【００５４】この動翼８７は、高さ方向の根元部から高
さ中央付近まで同一翼断面を有し、先端側の翼断面を、
図８（ｂ）に示すように前縁部形状を変化させ幾何流入
角βａからβａ’に増加する。この幾何流入角の増加量
α（＝βａ’―βａ）は、検証結果から０〜１５°の範
囲で増加することが性能的に有利である。図８（ｂ）に
示すように幾何流入角の変化範囲は、動翼先端側の剥離
流れが生じない領域でｈ／Ｈ＝０．７５〜１．０にす
る。このような動翼形状によって、動翼先端側のチップ
フィンの漏洩によって生ずる動翼流入角が増加しても翼
型の最適流入角とほぼ一致した流れとなり動翼入射角損
失を低減させることができる。

【００５５】次に、第８及び第９の実施の形態に係る軸
流タービンを説明する。図９（ａ）は、第８あるいは９
の実施形態に係わるタービン段落通路部の断面図であ
る。第１ないし第４の実施の形態のノズル翼２４，３
４，４４，５４と第５の実施の形態の動翼６７とを組み
合わせた段落、あるいは、第１ないし第４の実施の形態
のノズル翼２４，３４，４４，５４と第６の実施の形態
の動翼７７とを組み合わせた段落にすることで、図９
（ｂ）に示す高さ方向の圧力分布が、従来型に対し、根
元部でＰ２ＲからＰ２Ｒ’に上昇し、先端部でＰ２Ｔか
らＰ２Ｔ’に降下する。その結果、図９（ａ）のラビリ
ンスパッキン１０を漏洩する流量（図示ｆ３）およびチ
ップフィン９を漏洩する流量（図示ｆ４）の前後圧力差
が少なくなり、漏洩損失が減少して段落性能が向上する
ことができる。

【００５６】次に、第１０の実施の形態に係る軸流ター
ビンを説明する。図１０（ａ）は、第１０の実施形態に
係わるタービンノズルの段落通路の断面図である。

【００５７】この軸流タービンにおけるノズル翼９４
は、ノズル高さ比ｈ／Ｈ＝０〜０．２５の根元側におい
て、その翼断面がその根本からノズル中央部に向かうに
したがい流体流出方向にθ＝５°〜１５°でシフトする
ように傾斜して形成するとともに、ノズル高さ比ｈ／Ｈ
＝０．７５〜１．０の先端側において、その翼断面がそ
の先端からノズル中央部に向かうにしたがい流体流出方
向にθ＝５°〜１５°でシフトするように傾斜して形成
し、そのノズル出口端が高さ方向中央付近で流体流出方
向に凸形状となるように形成している。

【００５８】また、このノズル翼９４は、図１０（ｂ）
に示すように、ノズル高さ比ｈ／Ｈ＝０〜０．２５の根
元側において、その翼断面がその根本からノズル中央部
に向かうにしたがい周方向下流側にθ＝５°〜１５°で
シフトするように傾斜して形成するとともに、ノズル高
さ比ｈ／Ｈ＝０．７５〜１．０の先端側において、その
翼断面がその先端からノズル中央部に向かうにしたがい
周方向下流側にθ＝５°〜１５°でシフトするように傾
斜して形成し、そのノズル出口端が高さ方向中央付近で
周方向下流側に凸形状となるように形成している。

【００５９】そして、第５ないし第７の実施の形態の動
翼６７，７７，８７と組みあわせた段落にすることで、
内周壁面近傍および外周壁面近傍の流体が壁面側に流線
が偏向し壁面側に押圧される。これにより、境界層の発
達が抑制され渦流の発生を防ぎ翼列間の２次流れ損失が
低減され、、図２に示すように従来型の翼損失より損失
を減少することができる。この段落によって流路内での
渦による損失や漏洩損失が低減されタービンの段落性能
を向上させることできる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ノ
ズルを周方向あるいは軸直角方向に傾斜させ、根元部あ
るいは先端部で翼型をねじりまたは縮小して幾何流出角
を大きくする。動翼においても前記同様、根元部あるい
は先端部で翼型をねじりまたは縮小して幾何流出角を大
きくする。また、動翼先端部の翼型前縁形状を変え幾何
流入角を増加する。その結果、流線が内壁側では内側
に、外壁側では剥離がなく壁面に平行に近い流れとな
り、流路内での渦流の発生を防止できる。また、前述の
ノズルと動翼を組合せることでラビリンスパッキンおよ
びチップフィンの漏洩流量が低減でき段落性能が向上す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態を示すものであ
って、（ａ）は軸流タービンのノズル翼を示す斜視図、
（ｂ）はノズル翼の断面形状を示す図、（ｃ）は幾何流
出角の分布を示す図である。

【図２】第１の実施の形態の軸流タービンの段落通路部
の流れを示す図。

【図３】本発明に係る第２の実施の形態を示すものであ
って、（ａ）は軸流タービンのノズル翼を示す斜視図、
（ｂ）はノズル翼の断面形状を示す図、（ｃ）は幾何流
出角分布を示す図。

【図４】本発明に係る第３の実施の形態を示すものであ
って、（ａ）は軸流タービンのノズル翼を示す斜視図、
（ｂ）はノズル翼の断面形状を示す図、（ｃ）は幾何流
出角分布を示す図、（ｄ）は軸流タービンの段落通路部
を周方向から見た図。

【図５】本発明に係る第４の実施の形態を示すものであ
って、（ａ）は軸流タービンのノズル翼を示す斜視図、
（ｂ）はノズル翼の断面形状を示す図、（ｃ）は幾何流
出角分布を示す図、（ｄ）は軸流タービンの段落通路部
を周方向から見た図。

【図６】本発明に係る第５の実施形態を示すものであっ
て、（ａ）は軸流タービンの動翼を示す斜視図、（ｂ）
は動翼の断面形状を示す図、（ｃ）は幾何流出角分布を
示す図。

【図７】本発明に係る第６の実施形態を示すものであっ
て、（ａ）は軸流タービンの動翼を示す斜視図、（ｂ）
は動翼の断面形状を示す図、（ｃ）は幾何流出角分布を
示す図。

【図８】本発明に係る第７の実施の形態を示すものであ
って、（ａ）は動翼の断面形状を示す図、（ｂ）は幾何
流入角の変化を示す図。

【図９】本発明に係る第８，第９の実施の形態を示すも
のであって、（ａ）は軸流タービンの段落通路部の断面
図、（ｂ）は高さ比に対する圧力分布を示す図。と圧力
分布。

【図１０】本発明に係る第１０の実施の形態を示すもの
であって、（ａ）は軸流タービンの段落通路部の断面
図、（ｂ）は（ａ）中Ａ−Ａ線に沿う断面図。

【図１１】軸流タービンの従来例を示す段落通路部の断
面図。

【図１２】従来例のノズル翼、動翼の断面形状を示す
図。

【図１３】ノズル、動翼の幾何流出角sin−1（S／T）分
布を示す図であって、（ａ）は一次元設計法による場合
の図、（ｂ）はフリーボルテックス法による場合の図、
（ｃ）はコントロールボルテックス法による場合の図。

【図１４】ノズル流路内の２次流れ発生機構を説明する
斜視図。

【図１５】軸流タービンの従来例を示す湾曲ノズルの斜
視図。

【図１６】軸流タービンの従来例を示す湾曲ノズルの圧
力損失分布を示す図。

【図１７】軸流タービンの動翼の流入部の流れ角を説明
する図。

【図１８】軸流タービンの動翼入射角損失を説明する流
れ図。

【図１９】軸流タービンの従来例を示すノズル出口圧力
を説明する段落通路部の断面図。

【符号の説明】

２ノズルダイアフラム外輪３ノズルダイアフラム内輪５ロータ２４ノズル翼３４ノズル翼４４ノズル翼５４ノズル翼６７動翼７７動翼８７動翼９４ノズル翼

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者杉浦将人神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者富永純一神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内Ｆターム(参考） 3G002 BA03 BA05 BB01 GA07 GB05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との
間に、周方向に複数のノズル翼を列状に配設した軸流タ
ービンにおいて、前記ノズル翼を、その先端側が、前記タービンの回転中
心から放射状にのびるラジアル線に対してこのラジアル
線を流体が通過するときの流体流出方向に５°〜１５°
傾斜するように配設し、高さ方向に同一翼断面を有したノズル翼を、そのノズル
翼先端側の無次元高さ７０〜１００％の範囲で０°〜３
°ねじり、翼列間のスロート幅をＳとし翼列間の周方向
ピッチをＴとしたときの最小幾何流出角sin−1（S／T）
を大きく形成したことを特徴とする軸流タービン。
【請求項２】ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との
間に、周方向に複数のノズル翼を列状に配設した軸流タ
ービンにおいて、前記ノズル翼を、その先端側が、前記タービンの回転中
心から放射状にのびるラジアル線に対してこのラジアル
線を通過するときの流体流出方向に５°〜１５°傾斜す
るように配設し、前記ノズル翼を、高さ方向の根元部から高さ方向中央付
近まで同一翼断面にて形成し、ノズル翼の無次元高さ７
０〜１００％の範囲でその翼断面を１．０〜０．９倍の
範囲で縮小し、翼列間のスロート幅をＳとし翼列間の周
方向ピッチをＴとしたときの幾何流出角sin−1（S／T）
が大きくなるように形成したことを特徴とする軸流ター
ビン。
【請求項３】ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との
間に、周方向に複数のノズル翼を列状に配設した軸流タ
ービンにおいて、前記ノズル翼を、その無次元高さ０〜３０％の根元側お
よび７０〜１００％の先端側において、その翼断面が
１．０〜０．９倍になるように縮小し、翼列間のスロー
ト幅をＳとし翼列間の周方向ピッチをＴとしたときの幾
何流出角sin−1（S／T）が大きくなるように形成し、縮小した断面を下流方向に移動してノズル翼出口端が軸
流方向の同一位置に一致するように前記ノズルを形成し
たことを特徴とする軸流タービン。
【請求項４】ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪との
間に、周方向に複数のノズル翼を列状に配設した軸流タ
ービンにおいて、前記ノズル翼を、その無次元高さ０〜３０％の根元側お
よび７０〜１００％の先端側において、その翼断面が
１．０〜０．９倍になるように縮小し、翼列間のスロー
ト幅をＳとし翼列間の周方向ピッチをＴとしたときの幾
何流出角sin−1（S／T）が大きくなるように形成し、縮小した断面を上流方向に移動しノズル前縁部を軸流方
向の同一位置に一致するように前記ノズルを形成したこ
とを特徴とする軸流タービン。
【請求項５】ロータの外周に周方向に複数の動翼が配設
された軸流タービンにおいて、高さ方向に同一翼断面を有した動翼を、その先端側の無
次元高さ７０〜１００％の範囲で０°〜２°ねじり、翼
列間のスロート幅をＳとし翼列間の周方向ピッチをＴと
したときの幾何流出角sin−1（S／T）が大きくなるよう
に形成したことを特徴とする軸流タービン。
【請求項６】ロータの外周に周方向に複数の動翼が配設
された軸流タービンにおいて、高さ方向の根元部から高さ中央付近まで同一翼断面を有
した動翼を、無次元高さ７０〜１００％の範囲の先端側
で翼断面を１．０〜０．９倍に縮小し、翼列間のスロー
ト幅をＳとし翼列間の周方向ピッチをＴとしたときの幾
何流出角sin−1（S／T）が大きくなるように形成したこ
とを特徴とする軸流タービン。
【請求項７】ロータの外周に周方向に複数の動翼が配設
された軸流タービンにおいて、高さ方向の根元部から高さ中央付近まで同一翼断面を有
した動翼を、無次元高さ７５〜１００％の範囲の先端側
で翼断面の前縁部形状を変化させて、翼前縁形状によっ
て決まる幾何流入角αが増加するように形成したことを
特徴とする軸流タービン。
【請求項８】請求項１ないし４のいずれかに記載の軸流
タービンにおいて採用されたノズル翼と請求項５に記載
の軸流タービンにおいて採用された動翼とを有する段落
を備えたことを特徴とする軸流タービン。
【請求項９】請求項１なにし４のいずれかに記載の軸流
タービンにおいて採用されたノズル翼と請求項６に記載
の軸流タービンにおいて採用された動翼とを有する段落
を備えたことを特徴とする軸流タービン。
【請求項１０】ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪と
の間に、周方向に複数のノズル翼を列状に配設した軸流
タービンにおいて、前記ノズル翼を周方向から見たときに、前記ノズル翼
は、ノズルの無次元高さ０〜２５％の根元側では、その
翼断面がその根本からノズル中央に向かうにしたがい流
体流出方向に５°〜１５°シフトするように傾斜して形
成するとともに、ノズルの無次元高さ７５〜１００％の
先端側では、その翼断面がその先端からノズル中央に向
かうにしたがい流体流出方向に５°〜１５°シフトする
ように傾斜して形成し、そのノズル出口端が高さ方向中
央付近で流体流出方向に凸形状となるように形成し、前記ノズル翼をタービン軸方向から見たときに、前記ノ
ズル翼は、ノズルの無次元高さ０〜２５％の根元側で
は、その翼断面がその根本からノズル中央に向かうにし
たがい周方向下流側に５°〜１５°シフトするように傾
斜して形成するとともに、ノズルの無次元高さ７５〜１
００％の先端側では、その翼断面がその先端からノズル
中央に向かうにしたがい周方向下流側に５°〜１５°シ
フトするように傾斜して形成し、そのノズル出口端が高
さ方向中央付近で周方向下流側に凸形状となるように形
成したことを特徴とする軸流タービン。
【請求項１１】請求項５ないし７のいずれかに記載の軸
流タービンにおいて採用された動翼と請求項１０に記載
の軸流タービンにおいて採用されたノズル翼とを有する
段落を備えたことを特徴とする軸流タービン。