JP2015151911A

JP2015151911A - 軸流タービン

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Publication number: JP2015151911A
Application number: JP2014025655A
Authority: JP
Inventors: 典生中村; Norio Nakamura
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-08-24
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: JP6223219B2

Abstract

【課題】部分流入段を備えた軸流タービンにおいて、静翼列と動翼列の翼列間における作動流体の周方向の流れに起因する作動流体のエネルギー損失を低減する。
【解決手段】軸流タービン１が、周方向θに並んだ複数の静翼６１により複数のノズルが形成された流入部６０、及び閉止部６４とを有する静翼列６と、周方向θに並んだ複数の動翼７１を有する動翼列７とを備える。閉止部６４が、最も動翼回転方向正側に位置する静翼６１の腹側と対向するガイド面６９、動翼列７と流れ方向に対向する閉止面６５、ガイド面６９と閉止面６５に跨る領域に設けられた凹部６６を有する。凹部６６が、閉止面６５から作動流体を剥離させる始端側壁６８と、凹部６６内に発生する渦を閉止面６５から動翼列７側へ張り出させるように動翼回転方向正側へ向かって閉止面６５に近づくように傾斜する終端側壁６７とを有する。
【選択図】図８

Description

本発明は、部分流入段の静翼列と動翼列とを備えた軸流タービンに関する。

ノズル締切調速を行う軸流タービンの初段或いは初段から中段にかけては、動翼列の一部に対して作動流体が噴射される部分流入段となっている。図１１では、従来の軸流タービンの部分流入段の静翼列６と動翼列７とが部分的に示されている。図１１に示されるように、従来の軸流タービンの部分流入段の全周は、動翼列７へ作動流体が流入される流入領域と、作動流体が流入されない非流入領域とに分けられている。静翼列６の流入領域には、周方向θに並んだ複数の静翼６１（ノズル翼）が設けられており、静翼６１間にノズル６２が形成されている。一方、静翼列６の非流入領域は、静翼６１が配置されない閉止部６４となっている。このような部分流入段では、ノズル６２を通じて作動流体が動翼列７へ向けて噴出され、動翼７１が作動流体から力を受けることによりタービンの車軸が回転し、作動流体のエネルギーが車軸の回転動力へ変換される。

上記のような軸流タービンの部分流入段では、ノズル出口近傍において作動流体のエネルギー損失が生じることが知られている。より詳細には、図１１に示されるように、動翼回転方向において動翼の向かう側を正側としその逆を負側としたときに、流入領域において最も動翼回転方向正側のノズル出口６３から噴出した作動流体の流れの一部分が、閉止部６４の壁面６５に付着して周方向θへ向き、動翼列７の回転に連れ回る。このように静翼列６と動翼列７の翼列間に流入した作動流体の流れは、動翼７１に対して有効な仕事をしないので、その流れが持つエネルギーが損失する。そこで、作動流体のエネルギー損失を低減するために、特許文献１に係る蒸気タービン段落構造では、図１２に示されるように、動翼７１に対向する上流側の閉止面６５、及び、動翼７１に対向する下流側の閉止面（図示せず）の少なくとも一方に、翼長方向に延びる複数の溝５０が設けられている。

特開昭６３−１６１０３号公報

図１２に記載された蒸気タービン段落構造では、閉止面６５に設けられた溝５０において、動翼回転方向負側の内面が、動翼回転方向正側へ向けて閉止面６５から離れるように、閉止面６５に対して傾斜している。また、溝５０の動翼回転方向正側の内面は、閉止面６５とほぼ直交している。このような形状の溝５０が設けられた閉止面６５に沿って作動流体が流れると、各溝５０の底部と２つ目以降の溝５０の頂部とにおいて、静翼列と動翼列の翼列間における周方向の流れに渦流（矢印５１，５２）が発生する。そして、この渦流５１，５２が翼列間の有効断面積を見かけの断面積よりも縮小させることにより、翼列間へ流れ込む流体流量を減少させようとしている。

ところが、渦流５１，５２の作用によって閉止面６５から離れる方向へ移動した流れ（矢印５４）は、溝５０の終端で再び閉止面６５に付着して周方向へ流れる。このため、流れ５４のエネルギーは動翼７１に有効に作用しない。また、閉止面６５の溝５０で生じた渦流５１，５２は、作動流体の流れの抵抗となって、作動流体のエネルギーを損失させる。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたものであり、部分流入段の静翼列と動翼列とを備えた軸流タービンにおいて、静翼列と動翼列の翼列間における作動流体の周方向の流れに起因する作動流体のエネルギー損失を低減することを目的とする。

本発明の一態様に係る軸流タービンは、
複数の静翼が周方向に並べて配置された流入部と、前記静翼が配置されない閉止部とを有し、前記流入部より作動流体が部分流入する静翼列と、
前記静翼列の前記作動流体の流れ方向の下流側に配置され、前記周方向に所定の動翼ピッチで並べられた複数の動翼を有する動翼列とを、備え、
前記閉止部が、最も動翼回転方向正側に位置する静翼の腹側と対向するガイド面と、前記動翼列と前記流れ方向に対向する閉止面と、前記ガイド面と前記閉止面に跨る領域において前記閉止面よりも前記流れ方向上流側へくぼんだ凹部とを有し、
前記凹部の前記動翼回転方向負側の内面が、前記ガイド面又は前記閉止面から前記作動流体を剥離させる始端側壁により形成され、
前記凹部の前記動翼回転方向正側の内面が、当該凹部内に発生する渦を前記閉止面よりも前記流れ方向下流側へ張り出させるように、前記動翼回転方向正側へ向かって前記閉止面に近づくように前記閉止面に対して傾斜する終端側壁により形成されているものである。

上記構成の軸流タービンでは、作動流体が静翼列と動翼列の翼列間に流入すると、凹部の始端側壁の作用により、凹部の開口部の動翼回転方向負側端において閉止面又はガイド面から流れが剥離する。そして、剥離した流れによって凹部内に渦流が発生する。この渦流の一部分は、凹部の終端側壁により誘導されて、翼列間へ張り出す。このようにして翼列間へ張り出した渦流によって、翼列間の周方向の流れに動翼７１間へ向かう軸方向の流れが誘起される。また、翼列間へ張り出した渦流は、回転する動翼の作用を受けて凹部から翼列間へ放出される。このように翼列間へ放出された渦流によって、翼列間の周方向の流れに動翼間へ向かう軸方向の流れが誘起される。以上のようにして、翼列間の流れが閉止面又はガイド面から剥離されるとともに、閉止面又はガイド面から剥離した流れの閉止面への再付着が防止される。閉止面又はガイド面から剥離した流れは、動翼間へ誘導されて動翼の回転に利用される。よって、翼列間を周方向へ流れて動翼へ有効に作用しない作動流体を減らすことができるので、作動流体のエネルギー損失を低減することができる。

本発明によれば、静翼列と動翼列の翼列間における作動流体の周方向の流れに起因する作動流体のエネルギー損失を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る軸流タービンの概略構成を説明する図である。径方向から見た軸流タービンの部分流入段の静翼列と動翼列の一部分の展開図である。径方向から見た閉止部の拡大図である。径方向から見た凹部形状のバリエーションを説明する図であり、（Ａ）は四角形の凹部を示す図、（Ｂ）は鋭角三角形の凹部を示す図、（Ｃ）は涙形の凹部を示す図、（Ｄ）はリップ付涙形の凹部を示す図、（Ｅ）は変形直角三角形の凹部を示す図である。軸方向から見た凹部の開口部の形状のバリエーションを説明する図であり、（Ａ）は径方向の大きさがノズル出口と略同じ凹部の開口部を示す図、（Ｂ）は径方向の大きさがノズル出口よりも大きい凹部の開口部を示す図、（Ｃ）は動翼回転方向正側へ向けて拡大する凹部の開口部を示す図、（Ｄ）は周囲が曲線で形成された凹部の開口部を示す図である。凹部の開口部始端の位置を説明する図である。凹部の開口部始端の位置の変形例を説明する図である。凹部近傍の作動流体の流れを説明する図である。動力に作用する流体力の回転方向成分の解析結果を示す図表である。動翼に作用する流体力の軸方向成分の解析結果を示す図表である。従来の軸流タービンの部分流入段の静翼列と動翼列とを部分的に示した図である。従来の軸流タービンの閉止面に設けた溝形状と流れ状況を示した図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。先ず、本発明に係る軸流タービンの一実施形態である蒸気タービンの概略構成から説明する。図１は本発明の一実施形態に係る軸流タービンの概略構成を説明する図である。

図１に示されるように、蒸気タービン１は、中空のケーシング２と、ケーシング２の内部に設けられた車軸３と、車軸３を回転自在に支持する軸受４１及び軸受台４２と、車軸３の周囲に固定された動翼列７と、ケーシング２の内壁面に固定された静翼列６とを備えている。静翼列６と動翼列７は車軸３の軸方向Ｚに隣り合うように配置されており、隣り合う静翼列６と動翼列７とによりタービン段落８が構成されている。タービン段落８は、ケーシング２内において作動流体である蒸気の流れ方向上流側の高圧部２１と、作動流体流れ方向下流側の低圧部２２との間の作動流体流路に設けられている。軸流タービンが多段落型タービンである場合には、複数個のタービン段落８が軸方向Ｚに繰り返されて設けられる。

上記構成の蒸気タービン１において、高圧高温の作動流体が高圧部２１から低圧部２２に向かって膨張する時に作動流体の持つ熱と圧力のエネルギーが作動流体の速度へと変換され、さらに静翼列６と動翼列７から構成されるタービン段落８により車軸３の回転運動に変換される。車軸３の回転運動は、車軸３から発電機などの被駆動機５へ伝達される。

続いて、上記構成の蒸気タービン１のタービン段落８について詳細に説明する。図２は径方向ｒから見た軸流タービンの部分流入段の静翼列６と動翼列７の一部分の展開図である。図２に示されるタービン段落８は、作動流体の部分流入が行われる部分流入段であって、その全周が少なくとも１つの流入領域８１と非流入領域８２とに分かれている。

静翼列６は、流入領域８１に対応する流入部６０（開口部）と、非流入領域８２に対応する閉止部６４とを有している。流入部６０には、複数の静翼（ノズル翼）６１が周方向θに並べて配置されている。各静翼６１はケーシング２の内壁面に直接的又は間接的に固定されている。閉止部６４には、静翼６１が配置されていない。各静翼６１間と、静翼６１と閉止部６４の間とには、各々ノズル６２が形成されている。ノズル６２のノズル出口６３は動翼列７に向けて開口しており、ノズル出口６３から動翼列７へ向けて作動流体が噴出する。なお、複数の静翼６１は、例えば、図示しないノズルブロックに一体的に形成され、閉止部６４は、ノズルブロックを保持する図示しないフランジに形成されていてよい。

動翼列７は、車軸３の周囲に植設された複数の動翼７１から構成されている。周方向θに隣り合う動翼７１は、所定の動翼ピッチRtだけ周方向θへ離間している。なお、動翼ピッチRtは、動翼７１の軸方向Ｚの中央において、動翼７１の径方向ｒの中央を通る円（ピッチ円）の、動翼７１の背側（又は腹側）同士の間の大きさをいう（図２、参照）。動翼７１は、ノズル出口６３から動翼列７へ向けて噴き出した作動流体から作用する力により、動翼回転方向へ正向きに回転する。なお、動翼回転方向において、動翼７１が向かう側を「正側」といい、正側と反対側を「負側」ということとする。

静翼列６の閉止部６４には、動翼列７と軸方向Ｚ（作動流体の流れ方向）に対向する閉止面６５が設けられている。また、静翼列６の閉止部６４には、最も動翼回転方向負側の静翼６１の腹側と対向するガイド面６９が設けられている。そして、閉止部６４の、ガイド面６９と閉止面６５に跨る領域に、径方向ｒ（即ち、翼長方向）に延びる凹部６６が設けられている。凹部６６は、後述するように、タービン段落８の翼列間における周方向θの流れを減らすように、翼列間へ流入した流れに対して作用する。

ここで、凹部６６について詳細に説明する。図３は径方向ｒから見た閉止部６４の拡大図である。図２及び図３に示されるように、閉止部６４に設けられた凹部６６は、動翼回転方向負側の内面が始端側壁６８により形成され、動翼回転方向正側の内面が終端側壁６７により形成されている。但し、凹部６６が、始端側壁６８及び終端側壁６７で形成される面以外の内面を有していてもよい。始端側壁６８は、ガイド面６９又は閉止面６５から作動流体を剥離させるように、流体に作用する。終端側壁６７は、凹部６６内に発生する渦を閉止面６５よりも動翼列７側へ張り出させるように、流体に作用する。

終端側壁６７は、径方向ｒから見たときに、動翼回転方向正側へ向かって閉止面６５に近づくように、閉止面６５に対して傾斜した斜面となっている。具体的には、径方向ｒから見たときに、終端側壁６７を含む平面と閉止面６５を含む平面とが、γ₁°の角度を成している。γ₁は、0より大きく90より小さい値であり、より望ましくは、6以上50以下の値である。γ₁が上記範囲にあれば、凹部６６に生じた渦流が凹部６６から翼列間へ放出される。

始端側壁６８は、径方向ｒから見たときに、動翼回転方向正側へ向かって閉止面６５に近づくように閉止面６５に対して傾斜した面、動翼回転方向正側へ向かって閉止面６５から離れるように閉止面６５に対して傾斜した面、又は、閉止面６５と略直交する面となっている。具体的には、径方向ｒから見たときに、始端側壁６８を含む平面と閉止面６５を含む平面とが、γ₂°の角度を成している。但し、曲面状のガイド面６９に開口部始端Ｐ₁が設けられている場合は、径方向ｒから見たときに、開口部始端Ｐ₁のガイド面６９の接線を含む平面と始端側壁６８を含む平面とが、γ₂°の角度を成している。始端側壁６８は平面であっても曲面であってもよい。γ₂は、60以上の値であり、より望ましくは、70以上の値である。γ₂の上限値は特に定まらないが、γ₂が過剰であるとガイド面６９又は閉止面６５と始端側壁６８との間の強度が不足するので、このような強度不足が生じない程度にγ₂が定められる。γ₂が上記範囲にあれば、ガイド面６９又は閉止面６５に付着していた流れが、凹部６６の開口部始端Ｐ₁において剥離する。なお、この明細書では、凹部６６の開口部の動翼回転方向負側の端を「開口部始端Ｐ₁」といい、凹部６６の開口部の動翼回転方向正側の端を「開口部終端Ｐ₂」ということとする。

凹部６６の開口部始端Ｐ₁から開口部終端Ｐ₂までの開口部の長さＬ（即ち、凹部６６の開口部の周方向θの大きさ）は、動翼ピッチRtの0.5倍以上3倍以下であることが望ましく、動翼ピッチRtの0.67倍以上2倍以下であることがより望ましい。凹部６６の開口部の長さＬが上記範囲であれば、凹部６６内で渦流の形成及び渦の放出がより確実に行われる。

また、凹部６６の深さＤ（即ち、凹部６６の軸方向Ｚの大きさ）は、静翼列６と動翼列７の翼列間距離Nrの0.25倍以上であることが望ましく、翼列間距離Nrの0.5倍以上であることがより望ましい。凹部６６の深さＤの上限は特に定まらないが、静翼列６の閉止部６４の軸方向Ｚの大きさよりも小さい。凹部６６の開口部の長さＬの値にもよるが、凹部６６の深さＤが上記範囲であれば、凹部６６内で渦流の形成及び渦の放出がより確実に行われる。

凹部６６は、終端側壁６７と始端側壁６８とを有していれば、その内部形状は特に限定されない。以下では、凹部６６の内部形状のバリエーションを説明する。

図４は径方向ｒから見た凹部形状のバリエーションを説明する図である。例えば、図４（Ａ）に示されるように、径方向ｒから見た凹部形状は、始端側壁６８と、終端側壁６７と、これらを繋ぐ壁とにより形成された内面を有する、四角形であってもよい。或いは、図４（Ｂ）に示されるように、径方向ｒから見た凹部形状は、始端側壁６８と終端側壁６７とにより形成された内面を有する、鋭角三角形であってもよい。或いは、図４（Ｃ）に示されるように、径方向ｒから見た凹部形状は、曲面状の始端側壁６８と終端側壁６７とにより形成された内面を有する、涙形であってもよい。或いは、図４（Ｄ）に示されるように、径方向ｒから見た凹部形状は、開口部始端Ｐ₁と開口部の動翼回転方向正側の端とにリップが形成された、リップ付涙形であってもよい。或いは、図４（Ｅ）に示されるように、径方向ｒから見た凹部形状は、始端側壁６８と終端側壁６７とにより形成された内面を有するほぼ直角三角形であって、開口部終端Ｐ₂に閉止面６５と直交する微小な壁６７ａが設けられたものであってもよい。又は、径方向ｒから見た凹部形状は、上記いずれかの凹部形状に類似する形状であってもよい。

また、凹部６６の開口部も、外形及び位置について、様々な態様を採ることができる。以下では、凹部６６の開口部の形状のバリエーションを説明する。

図５は軸方向Ｚから見た凹部の開口部の形状のバリエーションを説明する図である。例えば、図５（Ａ）に示されるように、軸方向Ｚから見たときに、凹部６６の開口部始端Ｐ₁及び開口部終端Ｐ₂の径方向ｒの大きさとノズル出口６３の径方向ｒの大きさとが略同じであってよい。或いは、図５（Ｂ）に示されるように、軸方向Ｚから見たときに、凹部６６の開口部始端Ｐ₁及び開口部終端Ｐ₂の径方向ｒの大きさが、ノズル出口６３の径方向ｒの大きさよりも大きくてもよい。或いは、図５（Ｃ）に示されるように、軸方向Ｚから見たときに、凹部６６の開口部始端Ｐ₁の径方向ｒの大きさが、開口部終端Ｐ₂の径方向ｒの大きさよりも大きくてもよい。即ち、凹部６６の開口部は、動翼回転方向正側へ向けて拡大したものであってよい。或いは、図５（Ｄ）に示されるように、軸方向Ｚから見たときに、凹部６６の開口部が曲線で形成されていてよい。即ち、凹部６６の開口部は、直線及び曲線の少なくとも一方で形成することができる。

凹部６６の開口部始端Ｐ₁の位置は、閉止面６５又はガイド面６９に付着する流れを閉止面６５又はガイド面６９から剥離させる位置と対応する。一方、凹部６６の開口部終端Ｐ₂の位置は、凹部６６で生じた渦が凹部６６から翼列間へ放出される位置と対応する。したがって、凹部６６の開口部始端Ｐ₁の位置及び開口部終端Ｐ₂の位置の選択は、いずれも凹部６６の機能を調整する上で重要である。

図６は凹部６６の開口部始端Ｐ₁の位置を説明する図である。図６に示されるように、凹部６６の開口部始端Ｐ₁が、閉止面６５の動翼回転方向負側端から、動翼ピッチRtの２倍分だけ動翼回転方向正側へ離れた位置までの範囲（図６においてΔＰで示された範囲）に、位置することが望ましい。凹部６６の開口部始端Ｐ₁の位置が上記範囲ΔＰにあれば、閉止面６５に付着する前に流れを閉止面６５から剥離させる、或いは、閉止面６５に付着した流れを直ちに閉止面６５から剥離させることができる。つまり、効果的に作動流体の流れを閉止面６５から剥離させることができる。

但し、凹部６６の開口部始端Ｐ₁の位置を、閉止面６５の動翼回転方向負側端よりも更に動翼回転方向負側にすることもできる。即ち、凹部６６の開口部始端Ｐ₁を、ガイド面６９上に位置させることもできる。この場合、図７に示されるように、最も動翼回転方向負側に配置された静翼６１とガイド面６９との間に形成されたノズル６２の流路面積が最小となるところに、凹部６６の開口部始端Ｐ₁を位置させることができる。このように、ノズル６２の流路面積の最小値が他のノズル６２の流路面積の最小値と同じであれば、即ち、凹部６６によってノズル６２の流路面積の最小値が影響を受けなければ、凹部６６の開口部始端Ｐ₁の位置がガイド面６９上にあってもよい。

ここで、閉止部６４に設けられた凹部６６の作動流体の流れに対する作用を、図８を参照しながら説明する。図８は、凹部６６近傍の作動流体の流れを説明する図である。

ノズル６２を通過してノズル出口６３から噴出した作動流体の流れの一部（矢印９１）は、動翼７１間を軸方向Ｚへ流れずに、閉止面６５に付着して（又は、付着しようとして）翼列間へ進入する。

閉止部６４のガイド面６９及び閉止面６５に沿って作動流体が流れると、凹部６６の開口部始端Ｐ₁において閉止面６５（又はガイド面６９）から流れが剥離する。なお、図１２に示された従来の閉止面６５に設けられた溝５０は、溝５０の動翼回転方向負側端において流れの剥離が生じない。

そして、閉止面６５から剥離した流れ（矢印９３）によって、凹部６６内に渦流（矢印９２）が発生する。この渦流９２の一部分（矢印９２ａ）は、凹部６６の終端側壁６７の傾斜によって、静翼列６と動翼列７の翼列間へ張り出す。翼列間へ張り出した渦流９２ａによって、翼列間の周方向θの流れに動翼７１間へ向かう軸方向Ｚの流れ（矢印９４）が誘起される。このようにして動翼７１間へ流入した流れ（矢印９７）は、動翼７１に作用して動翼７１を回転させる。

凹部６６から張り出した渦流９２ａは、凹部６６近傍を動翼７１が通過する際に、回転する動翼７１の作用を受けて、縮小したり拡大したりする。凹部６６内の渦流は、上記のような縮小と拡大を繰り返す際に、渦流の一部が終端側壁６７に沿って凹部６６から翼列間へ放出される。凹部６６からの渦流の放出は周期的に生じる。凹部６６から翼列間へ放出された渦流（矢印９５）によって、翼列間の周方向θの流れに動翼７１間へ向かう軸方向Ｚの流れ（矢印９６）が誘起される。このようにして動翼７１間へ流入した流れ（矢印９８）は、動翼７１に作用して動翼７１を回転させる。

以上の通り、翼列間における作動流体の周方向θの流れは、方向を転換して、動翼７１間への軸方向Ｚの流れとなり、動翼７１に作用して回転トルクを発生させる。このように、翼列間を周方向θへ流れるために損失となっていた作動流体のエネルギーが有効に利用されるので、エネルギー損失を低減し、タービンの効率を改善することができる。

ここで、静翼列６の閉止部６４のガイド面６９及び閉止面６５に跨る領域において設けられた凹部６６によるエネルギー損失低減効果を、凹部６６の形状の観点から検証した結果について説明する。

〔検証結果１〕
静翼列６の閉止部６４の閉止面６５に径方向ｒから見て三角形の凹部６６が設けられた実施例１に係る蒸気タービン、静翼列６の閉止部６４の閉止面６５に径方向ｒから見て四角形の凹部６６が閉止面６５に設けられた実施例２に係る蒸気タービン、静翼列６の閉止部６４の閉止面６５に径方向ｒから見て半楕円形の凹部６６が閉止面６５に設けられた参考例１に係る蒸気タービン、静翼列６の閉止部６４の閉止面６５に凹部６６が設けられなかった比較例１に係る蒸気タービン、の各ケースを想定して流体シミュレーション解析を実施した。流体シミュレーション解析では、蒸気タービンの断熱効率値を求めた。なお、各凹部６６の開口部の長さＬは動翼ピッチRtの１倍とし、凹部６６の深さＤは翼列間距離Nrの１倍とした。

表１に、流体シミュレーション解析により得られた蒸気タービンの断熱効率値を用いて算出された、比較例１に係る蒸気タービンに対する断熱効率改善量が示されている。表１によれば、実施例１、実施例２及び参考例１では、比較例１から断熱効率が改善された。そして、実施例１では、比較例１よりも断熱効率が0.8％向上した。また、実施例１では、実施例２及び参考例１と比較して、高い断熱効率が得られた。つまり、実施例１に係る蒸気タービンは、実施例２、参考例１又は比較例１に係る蒸気タービンと比較して、エネルギー損失が低い。

以上の検証結果１から、静翼列６の閉止部６４の閉止面６５に径方向ｒから見て三角形又は四角形の凹部６６が設けられた場合は、閉止面６５に凹部６６が設けられない場合と比較して、エネルギー損失が低減されることが分かった。また、凹部６６の径方向ｒから見た形状が三角形である場合は、四角形である場合と比較してエネルギー損失低減効果が高いことが分かった。この検証結果１に基づけば、凹部６６の径方向ｒから見た形状は三角形が好適である。

〔検証結果２〕
蒸気タービンの効率改善効果は、静翼列６の閉止部６４の閉止面６５に設けられた凹部６６の内部形状のみならず、凹部６６の寸法によっても変化する。そこで、凹部６６の開口部の長さＬと凹部６６の深さＤが蒸気タービンの効率改善効果へ与える影響を検討するため、深さＤと開口部の長さＬとが互いに相違する三角形の凹部６６を閉止面６５に設けた実施例１，３〜８を想定して、流体シミュレーション解析を実施した。流体シミュレーション解析では、実施例１，３〜８に係る蒸気タービンの凹部６６の開口部の長さＬと凹部６６の深さＤとを次に示す表２に示された通りに設定し、蒸気タービンの断熱効率を求めた。

表２に、流体シミュレーション解析により得られた蒸気タービンの断熱効率値を用いて算出された、比較例１に係る蒸気タービンに対する断熱効率改善量が示されている。表２によれば、凹部６６の内部形状が三角形であり、凹部６６の開口部の長さＬが動翼ピッチRtの0.5倍以上1.5倍以下であり、且つ、凹部６６の深さＤが翼列間距離Nrの0.5倍以上1.5倍以下であるときに、比較例１から断熱効率が改善された。凹部６６の開口部の長さＬが動翼ピッチRtの0.67倍以下の場合は、それよりも大きい場合と比較して、蒸気タービンの効率改善量が低下した。このことから、凹部６６の開口部の長さＬは動翼ピッチRtの0.67倍より大きいことが望ましい。また、凹部６６の深さＤは、渦が凹部６６に形成されるだけの一定程度以上の大きさがあれば十分である。

続いて、静翼列６の閉止部６４のガイド面６９及び閉止面６５に跨る領域において設けられた凹部６６による、動翼７１に作用する流体力ピーク値の低減効果を検証した検証結果３について説明する。

〔検証結果３〕
図９と図１０はいずれも、動翼７１が流入領域８１と非流入領域８２との境界近傍を通過する際に経験する流体力の解析結果を示す図表である。図９の図表において、縦軸は動翼７１に作用する流体力の回転方向成分（即ち、回転トルク）を、横軸は動翼７１の移動時間（即ち、動翼７１の回転位置）を、それぞれ表している。また、図１０の図表において、縦軸は動翼７１に作用する流体力の軸方向成分を、横軸は動翼７１の移動時間を、それぞれ表している。なお、実施例１に係る蒸気タービンには、静翼列６の閉止部６４の閉止面６５に径方向ｒから見て三角形の凹部６６が設けられている。この凹部６６の開口部の長さＬは動翼ピッチRtの１倍であり、凹部６６の深さＤは翼列間距離Nrの１倍である。また、比較例１に係る蒸気タービンには、静翼列６の閉止部６４の閉止面６５に凹部６６が設けられていない。

図９の図表において、動翼７１が流入領域８１と非流入領域８２の境界近傍を通過したあとで、動翼７１に作用する流体力の回転方向成分のピークが発生している。流体力の回転方向成分のピーク値（絶対値）は、比較例１と比較して実施例１が小さく、実施例１のピーク値は比較例１のピーク値のおよそ８０％程度となっている。このように、実施例１では、動翼７１が流入領域８１と非流入領域８２の境界近傍を通過する際に、動翼７１に作用する流体力の回転方向成分が比較例１と比較して減少している。

また、図１０の図表において、動翼７１が流入領域８１と非流入領域８２の境界近傍を通過を通過したあとで、動翼７１に作用する流体力の軸方向成分のピークが発生している。流体力の軸方向成分のピーク値（絶対値）は、比較例１と比較して実施例１の方が小さ、実施例１のピーク値は比較例１のピーク値のおよそ８０％程度となっている。このように、実施例１では、動翼７１が流入領域８１と非流入領域８２の境界近傍を通過する際に、動翼７１に作用する流体力の軸方向成分が比較例１と比較して減少している。なお、動翼７１に作用する流体力の軸方向成分のピークは、流れ方向（軸方向Ｚ）上流向きの力であり、動翼７１は流れ方向上流側へ引っ張られる。

図９及び図１０の図表に表れる流体力のピークは、流入領域８１から非流入領域８２へと動翼７１が移動する際に、動翼７１周辺の作動流体の流れが急激に減少するために発生する。実施例１と比較例１とを流体力のピーク値（絶対値）について比較すると、軸方向成分及び回転方向成分の両方において、実施例１の方が小さい。これは、実施例１では、静翼列６の閉止部６４に設けられた凹部６６の作用によって、翼列間の流れが動翼７１間へ誘導されることから、動翼７１の周囲の流れの変化が緩和されるためである。

一般に、軸流タービンの動翼には、運転中に遠心力による静的応力の他、作動流体による静的及び動的動力が作用する。特に、一般的な部分流入段の動翼は、流入領域と非流入領域を交互に通過するごとに衝撃的な流体力を受ける。そこで、従来は、動翼の材料を改良することによって、翼の耐力を強化する対処がなされていた。これに対し、本実施形態に係る軸流タービン１では、流入領域８１と非流入領域８２との境界を動翼７１が通過する際に動翼７１が受ける流体力のピークを従来と比較して低減することができるので、動翼７１の設計強度を下げることが可能となる。また、動翼７１が受ける流体力に対する動翼７１の強度裕度を確保することが容易となる。したがって、従来は動翼の材料及び構造等の改良によって動翼７１の強度裕度を確保していたが、本発明では、それら動翼に関する改良とは別の観点から動翼７１の強度裕度を確保することができる。

また、図９の図表において、流体力の回転方向成分の値は、ピークを通過したあとは、比較例１と比較して実施例１が大きく且つなだらかに減少している。これは、静翼列６の閉止部６４に設けられた凹部６６によって動翼７１間へ導かれた作動流体が、動翼７１に回転トルクを発生させるためである。つまり、比較例１においては翼列間を周方向に流れていた作動流体の一部が、実施例１においては動翼７１に作用して回転トルクを発生させる。よって、本実施形態に係る軸流タービン１によれば、作動流体のエネルギー損失を低減し、タービン効率を改善することができる。

以上に説明した本発明の実施形態では、本発明に係る軸流タービンの構造を蒸気タービンに適用させたが、本発明に係る軸流タービンの構造は、蒸気タービンに限定されず、ガスタービンや、バイナリタービンなどにも適用させることができる。

また、上記実施形態では、衝動段である静翼と動翼とから構成されたタービン段落に本発明に係る軸流タービンの構造を適用させているが、本発明に係る軸流タービンの構造は衝動段と反動段とを問わず適用させることができる。

１蒸気タービン（軸流タービンの一例）
２ケーシング
３車軸
６静翼列
７動翼列
７１動翼
８タービン段落
８１流入領域
８２非流入領域
６１静翼
６２ノズル
６３ノズル出口
６４閉止部
６５閉止面
６６凹部
６７終端側壁
６８始端側壁
６９ガイド面

Claims

複数の静翼が周方向に並べて配置された流入部と、前記静翼が配置されない閉止部とを有し、前記流入部より作動流体が部分流入する静翼列と、
前記静翼列の前記作動流体の流れ方向の下流側に配置され、前記周方向に所定の動翼ピッチで並べられた複数の動翼を有する動翼列とを、備え、
前記閉止部が、最も動翼回転方向正側に位置する静翼の腹側と対向するガイド面と、前記動翼列と前記流れ方向に対向する閉止面と、前記ガイド面と前記閉止面に跨る領域において前記閉止面よりも前記流れ方向上流側へくぼんだ凹部とを有し、
前記凹部の前記動翼回転方向負側の内面が、前記ガイド面又は前記閉止面から前記作動流体を剥離させる始端側壁により形成され、
前記凹部の前記動翼回転方向正側の内面が、当該凹部内に発生する渦を前記閉止面よりも前記流れ方向下流側へ張り出させるように、前記動翼回転方向正側へ向かって前記閉止面に近づくように前記閉止面に対して傾斜する終端側壁により形成されている、軸流タービン。
前記凹部の開口部の前記動翼回転方向負側の端が、前記閉止面の前記動翼回転方向負側の端から前記動翼回転方向正側へ前記動翼ピッチの2倍までの範囲に位置する、請求項１に記載の軸流タービン。
前記凹部の開口部の前記動翼回転方向負側の端が、前記閉止面の前記動翼回転方向負側の端よりも前記動翼回転方向負側に位置する、請求項１に記載の軸流タービン。
前記凹部の開口部の前記周方向の大きさが、前記動翼ピッチの0.5倍以上3倍以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸流タービン。
前記凹部を径方向から見たときに、前記終端側壁を含む平面と前記閉止面を含む平面とが、６°以上50°以下の角度を成す、請求項１〜４のいずれか一項に記載の軸流タービン。
前記凹部の深さが、前記静翼列と前記動翼列の翼列間距離の0.25倍以上である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の軸流タービン。