JP3771967B2 - 軸流タービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸流タービンに係り、特に拡開流路内に収容されるタービン段落のうち、ノズルの翼効率の向上を図った軸流タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電プラントにおける原動機、例えば蒸気タービンは、出力増加のため高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンのそれぞれに区分け配置し、蒸気発生器から供給される蒸気の熱エネルキを、各タービンで膨張仕事をさせて回転動力を得ているが、回転動力を得る際、各タービンの段落で如何にして膨張仕事を高めるかは発電効率の改善を図る上で重要な課題になっている。特に、低圧タービンは、高圧タービン、中圧タービンで膨張仕事後の比較的圧力・温度の低い蒸気を多量に扱い、不利な蒸気条件にも拘らず段落当りの出力が高圧タービン、中圧タービンに較べて高い。
【０００３】
このように、蒸気タービンの中で、低圧タービンの占める役割は高いだけに、低圧タービンの段落当りの出力向上は、タービン全体の出力向上につながる重要な意義を持っている。
【０００４】
従来、低圧タービンは、軸流タイプと称してタービン軸の軸方向に沿って流れる蒸気に膨張仕事をさせる段落を複数列にして備えており、その段落の一部は、図１１に示す構成が採用されている。
【０００５】
段落１は、ノズル２と動翼３とにより構成され、タービン軸４の軸方向Ｘａに沿って複数列に設けられている。
【０００６】
一つの段落を構成するノズル２と動翼３は、ともにタービン軸４に対し周方向に沿う環状に配列され、環状列間を通過する蒸気の熱エネルギを、ノズル２により膨張仕事をさせて速度エネルギに変え、その速度エネルギにより動翼３を回転させ、その回転力によりタービン軸４から回転動力を得るようになっている。
【０００７】
動翼３に速度エネルギを与えて回転させるノズル２は、両端をリング状のノズル内輪５、ノズル外輪６で固設し、そのノズル内周壁７からノズル外周壁８に向ってノズル幅（翼幅）を下流の動翼３側に向って漸次拡げ、後縁線９から噴出する蒸気の速度エネルギが、ノズルルート部（ノズル内周壁側）半径位置Ｒｒからノズルチップ部（ノズル外周壁側）半径位置Ｒｔに至るまで均一分布になるように図られている。
【０００８】
また、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８は、フレア角度を持たせた拡開流路に形成し、前段落の蒸気の膨張仕事の際、蒸気圧力、温度の低下に伴う蒸気比容積の増加に対処してノズル２の膨張仕事をより多く行なわせることができるようにしている。
【０００９】
一方、低圧タービンの段落当りの出力向上を図った他の実施例には、図１７や図２３に示すものがある。
【００１０】
図１７に示す例は、ノズル２の翼形状を図１１に示すそれと同一にする一方、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに向うノズルの後縁線９を、タービン軸４の中心点Ｏから放射状に延びるラジアル線Ｘｒ（半径方向線）に対し、交差させたものであり、また図２３に示す例は、ノズル２の後縁線９を、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに向って、一定の曲率を備えた円弧で結んだ湾状曲線に形成したものである。
【００１１】
前者のノズル２は、ノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺で蒸気の流れが低流量域にならないように配慮するため、前縁線１０および後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに対し、いわゆる前倒し（タービン軸４の反回転方向）または後倒し（タービン軸４の回転方向）にしたものである。
【００１２】
また、後者のノズル２は、ノズルルート部半径位置Ｒｒおよびノズルチップ部半径位置Ｒｔの周辺で蒸気の流れが低流量域にならないように配慮するため、後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに対し、円弧で結んだ湾状曲線にしたものである。
【００１３】
このように、従来の低圧タービンは、ノズル２自身が持つ利点を延ばしつつ、欠点を補完し、翼効率を向上させて段落辺りの出力の向上を図っていた。
【００１４】
しかし、最近の軸流タービンにおいては、燃料エネルギの消費を少なくして発電効率を従来以上に高めることが求められており、この一環として段落当りの出力向上、特にノズルの翼効率の向上が模索されている。ノズルの翼効率を従来以上に向上させるには、ノズルの後縁線から噴出する蒸気の流量分布がノズルルート部半径位置からノズルチップ部半径位置に至るまでの全域で均一になることが必要である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図１１および図１２で示す従来のノズル２では、前縁線１０、後縁線９ともに、タービン軸４の中心点から放射状に延びるラジアル線Ｘｒに対し、略平行位置の、いわゆるストレート翼（ノズル）であるため、中心点Ｏから延長したノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺が境界層剥離の発生し易い低流量域になっており、翼効率を高める上で隘路の一つになっていた。
【００１６】
ノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺が蒸気の低流量域となるのは、以下の原因によるものと考えられている。
【００１７】
一般に、ストレート翼形状のノズル２は、図１３に示すように、後縁線９から噴出する蒸気流出角αを、ノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺でその角度αｒと小さくし、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの周辺でその角度αｔと大きくしている。つまり、ノズル２の翼形状は、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ半径位置Ｒｔに亘って蒸気流出角を変えていた。
【００１８】
ノズルルート部半径位置Ｒｒよりもノズルチップ部半径位置Ｒｔの方が蒸気流出角αを大きく採ったのは、以下の理論に基づくものである。
【００１９】
通常、円筒が軸方向に沿って拡がりのない流路を形成する場合、蒸気の周速度成分Ｖｔは、円筒を半径Ｒとし、定数Ｃ1 とするとき、渦無し理論（フリーボルテックス）により次式で与えられる。
【００２０】
【数２】
Ｒ×Ｖｔ＝Ｃ1 ……（１）
式（１）から、円筒の半径Ｒが小さいほど蒸気の周方向成分Ｖｔは大きくなる。
【００２１】
ところが、ノズル２の後縁線９から噴出する蒸気の流量分布は、翼効率を高くする上で、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔの全域に亘って均一にすることが望ましい。具体的には、蒸気の軸流速度成分Ｖａ（半径方向の速度成分）は、一定であることが望ましい。この軸流速度成分Ｖａは、図１４の速度三角形で示すように、タービン軸４の周方向速度成分Ｖｔとし、ノズル２から噴出する蒸気の流出速度Ｖ、その流出角αとした場合、ベクトル線図から幾何学的に次式で示される。
【００２２】
【数３】
Ｖａ＝Ｖｔtanα ……（２）
上式（１），（２）から、円筒の半径Ｒと蒸気の流出角αとの関係式は次式が成立する。
【００２３】
【数４】
α＝ｔａｎ-1（Ｖａ／Ｃ1 ×Ｒ） ……（３）
（３）式において、（Ｖａ／Ｃ1 ）は、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに亘って一定であるから、蒸気の流出角αは円筒の半径Ｒの増加に比例して大きくなる。なお、図１４中、Ｘａ座標はタービン軸４の軸方向を、また座標Ｘｃはタービン軸４の周方向をそれぞれ示している。
【００２４】
このように、ストレート翼形状のノズル２は、図１３に示すように、蒸気の流出角αをノズルルート部半径位置値Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに向って増加させることにより蒸気の流出分布量の均一化を図っていた。
【００２５】
しかし、ストレート翼形状のノズル２では、上述のように、蒸気の流出角αをノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに向って増加させて蒸気の流出分布量の均一化を図っていても、実際には図１５に示すように、蒸気の流線Ｓがノズルチップ部半径位置Ｒｔ側のノズル外周壁８に比較的多く偏り、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側のノズル内周壁７周辺は低流量域になっていた。ノズル内周壁７周辺が低流量域になる原因は、蒸気の流線Ｓが動翼３を通過する際、遠心力によりノズル外輪６側に押し寄せられ、この押圧作用力が単に動翼３のみに止まらず、ノズル２を通過する流線Ｓにも影響を与えているものと考えられている。また、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側のノズル外周壁８は、上述前段落の膨張仕事により増加する蒸気の比容積に対処し、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔの全域に亘って等分の膨張仕事をさせるようにフレア角を持たせた拡開流路に形成してあるが、蒸気の比容積が大きいため重力の影響を受けて拡開流路に沿うことができず、蒸気の流線Ｓに若干の乱れが出、ノズル内周壁７側ほどではないにしても蒸気の流れが若干悪くなっていた。
【００２６】
ノズル２を通過する蒸気の流線Ｓに基づく流量分布を図１６に示すと、ノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側の蒸気流量が極端に低く、またノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側も蒸気流量が若干下がっている。なお、図１６中、座標Ｒはノズル２の半径距離（ラジアル線Ｘｒ方向距離）を、座標Ｑはノズル２を通過する蒸気流量をそれぞれ示している。
【００２７】
このように、ストレート翼形状のノズル２では、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔまでの全域に亘って通過する蒸気流量が均一でないため、低流量域から境界層剥離が発生し易くなり、翼効率を高くできない原因になっていた。
【００２８】
また、図１７および図１９に示すノズル２は、ノズル内周壁７からストレート状に形成した後縁線９のノズルルート部半径位置Ｒｒ、任意半径位置Ｒ0 、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの各位置における傾斜角βｒ，β0 ，βtlのそれぞれを、基準線（以下、ラジアル線Ｘｒと記す）に対し全てプラス角に採った、いわゆる後倒し翼（ノズル）であるが、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側の周辺が境界層剥離の発生し易い低流量域になっており、翼効率を高める上で欠点になっていた。なお、傾斜角βｒ，β0 ，βtlは、タービン軸４の回転方向をプラスに、その反回転方向をマイナスに採った。
【００２９】
ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル内周壁７側の周辺が蒸気の低流量域となるのは、以下の原因によるものと考えられている。
【００３０】
ノズル２の後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに交差させてプラス側（タービン軸４の回転方向側）に傾斜させた場合、後縁線９から噴出する蒸気の流出角αは、図１８に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺でその角度αｒと小さく、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの周辺でその角度αｔと大きくなっており、図１３で示す蒸気の流出角分布線図と同一になっている。蒸気の流出角分布線図が同一となるのは、ノズル２の後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに対し交差させても、翼素形状そのものは同一であり、翼素の慣性主軸（翼素の断面中心）は変化していないからである。
【００３１】
一方、ラジアル線Ｘｒに対するノズル２の後縁線９の傾斜角βは、図１９に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒ、任意半径位置Ｒ0 、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの各点位置毎に注目して見た場合、
【数５】
βｒ＞β0 ＞βtl＞０ ……（４）
の関係式になっている。この関係式は、幾何学的計算からも必然的に求めることができるものであって、上式の関係をプロットすると、図２０で示す後縁線９の傾斜角分布線図になる。
【００３２】
このように、ノズル２の後縁線９を、各半径位置Ｒｒ，Ｒ0 ，Ｒｔに対し、上式の関係を満す傾斜角βｒ，β0 ，βtlとした場合、図２１に示すように、段落１を通過する流線Ｓのうち、ノズル２のノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側の流線Ｓは均一化されているものの、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側の流線Ｓは存在しない、いわゆる低流量域になっている。また、この流線Ｓに基づく蒸気の流量分布をグラフ化した場合、図２２に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側は蒸気流量が高いのに較べ、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側は極端に少なくなっている。
【００３３】
この原因を子細に考慮すると、ノズル２の後縁線９は、図１９に示すように、各半径位置Ｒｒ，Ｒ0 ，Ｒｔにおけるラジアル線Ｘｒ，Ｘｒ，……に対しプラス側（タービン軸４の回転方向）に傾斜させているため、後縁線９から噴出する蒸気は、ノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側に向う押圧作用力（ベクトル）が発生しており、この押圧作用力が動翼３の遠心力に抗しているものと考えられる。
【００３４】
このように、ノズル２の後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに対しプラス側に傾斜させた、いわゆる後倒し翼では、ノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側の低流量域問題が解決されていても、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側の低流量域問題が残っており、翼効率を向上できない原因になっていた。
【００３５】
さらに、図２３および図２４に示す湾状曲線のノズル２の後縁線９は、ノズルルート部半径位置Ｒｒを基点に、一定の曲率の下、任意半径位置Ｒ0 に向って曲線Ｃ1 に、また任意半径位置Ｒ0 から一定の曲率の下、ノズルチップ部半径位置Ｒｔに向って曲線Ｃ2 にそれぞれ画し、ラジアル線Ｘｒ，Ｘｒに対し、傾斜角βｒをプラス（タービン軸４の回転方向）に、傾斜角βtlをマイナス（タービン軸４の反回転方向）の両方を持たせたものである。つまり、任意半径位置Ｒ0 におけるラジアル線Ｘｒに対する傾斜角β0 をゼロにした場合、ノズルルート部半径位置Ｒｒにおけるラジアル線Ｘｒに対する傾斜角はβｒ＞０にし、またノズルチップ部半径位置Ｒｔにおけるラジアル線Ｘｒに対する傾斜角はβtc＜０にしたものである。
【００３６】
これら傾斜角βｒ，βtcを備えた湾状曲線のノズル２と、図１９に示す傾斜角βｒ，βtlを備えた倒し翼とを比較してみると、図２５からも理解されるように、各半径位置Ｒｒ，Ｒ0 ，Ｒｔにおける傾斜角βｒ，Ｒtl，βtcの絶対値は、湾状曲線のノズルの方が小さくなっている。なお、図２５中、座標Ｒはタービン軸４の中心点Ｏから放射状に延びたラジアル線Ｘｒの半径方向・距離を、また座標βはラジアル線Ｘｒに対する傾斜角度値をそれぞれ示す。
【００３７】
湾状曲線のノズル２の傾斜角βｒ，βtcとも、倒し翼の傾斜角βｒ，βtlよりも絶対値が小さいのは、ノズル２の後縁線９から噴出する蒸気のノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側に向う押圧作用力が弱く、また蒸気のノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側に向う押圧作用力が相対的に高いと考えられる。
【００３８】
このような考察の下に、段落１を通過する蒸気の流線Ｓをプロットしてみると、図２６に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側で少なく、またノズルチップ部半径位置Ｒｔ側で密になっている。また、図２６の流線Ｓに基づいて、蒸気の流量分布をグラフ化してみると、図２７に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側で低流量Ｑになっており、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側で高流量Ｑになっている。高流量Ｑになっているのは、押圧作用力のほかに動翼３の遠心力による影響が加算されていると考えられる。
【００３９】
このように、後縁線９を湾状曲線に形成したノズル２であっても、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側とノズルチップ部半径位置Ｒｔ側とでは蒸気の流れが悪いことに伴って流量バランスに偏差がでており、翼効率を向上できない原因になっている。
【００４０】
本発明は、上述の事情を考慮してなされたもので、段落を通過する蒸気がノズルルート部半径位置からノズルチップ部半径位置の全域に亘って均一に流れる流量バランスの適正化を図って翼効率を向上させた軸流タービンを提供することを目的とする。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る軸流タービンは、上記目的を達成するため、請求項１に記載したように、軸方向に沿って軸流列に段落を備え、段落をノズルと動翼とにより構成し、上記ノズルの両端をノズル内輪およびノズル外輪で固設し、ノズル外輪を軸方向に延長させて拡開流路に形成した軸流タービンにおいて、上記ノズルの後縁線を、上記ノズル内輪からノズル高さ中間位置までをタービン軸の回転中心を通る基準線に対し直線状に傾斜させるとともに、この直線状の傾斜をタービン軸の回転方向側に位置させる一方、上記ノズル高さ中間位置から上記ノズル外輪までを、湾状曲線に形成し、この湾状曲線を上記タービン軸の反回転方向側に位置させるとともに、湾状曲線の曲率をＲとし、上記タービン軸の回転中心から上記ノズル内輪の内周壁までの距離をＲｒとし、上記タービン軸の回転中心から上記ノズル外輪の外周壁までの距離をＲｔとするとき、極率Ｒを、
【数６】
（Ｒｔ−Ｒｒ）／２＜Ｒ＜１０（Ｒｔ−Ｒｒ）
の範囲内に設定したものである。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る軸流タービンの一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００４７】
図１は、本発明に係る軸流タービンのうち、段落の一部を示した概略断面図である。
【００４８】
段落１１は、ノズル１２と動翼１３とにより構成され、タービン軸１４の軸方向Ｘａに沿って複数が軸流列に設けられている。
【００４９】
ノズル１２は、両端をリング状のノズル内輪１５およびノズル外輪１６で固設し、そのノズル外輪１６をケーシング（図示せず）に係合保持させている。また、ノズル２は、ノズル内輪１５のノズル内周壁１７からノズル外輪１６のノズル外周壁１８の外径方向（ノズル長手方向外側）に向ってノズル幅（翼幅）を次第に拡げ、後縁線１９から噴出する蒸気の速度エネルギが、ノズルルート部（ノズル内周壁側）半径位置Ｒｒからノズルチップ部（ノズル外周壁側）半径位置Ｒｔに至るまで半径方向に均一分布になるよう図られている。
【００５０】
また、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁１８は、軸方向Ｘａに沿って延長させる一方、フレア角度を持たせた拡開流路に形成し、前段落の蒸気の膨張仕事の際、蒸気圧力・温度の低下に伴う蒸気比容積の増加に対処してノズル１２の膨張仕事をより多く行なわせることができるようにしている。
【００５１】
一方、動翼１３はタービン軸１４に植設し、ノズル１２から噴出する蒸気の速度エネルギにより回転し、その回転力から発電機（図示せず）を駆動する回転動力（トルク）を得ている。
【００５２】
図２は、図１のＡ−Ａ線から見たノズル１２の概略斜視図である。
【００５３】
ノズル１２は、リング状のノズル内周壁１７およびノズル外周壁１８に沿って環状に配列し、蒸気通路２０を形成しており、前縁線２１から流入する蒸気の熱エネルギを蒸気通路２０で膨張する際、速度エネルギに変換し、その速度エネルギを後縁線１９から動翼１３に与えるようになっている。
【００５４】
ノズル１２の後縁線１９は、図３に示すように、タービン軸１４の回転中心Ｏを通る基準線（以下、ラジアル線と記す）Ｘｒ，Ｘｒ，……に対し、ノズル内周壁１７のノズルルート部半径位置Ｒｒから放射状に延び、かつタービン軸１４の回転方向（ノズル内周壁１７の周方向）に傾斜する直線ＳＬと、途中からノズル外周壁１８のノズルチップ部半径位置Ｒｔまでタービン軸１４の反回転方向に形成する湾状曲線ＣＬとに区分けされている。
【００５５】
ノズル１２の後縁線１９の形状を具体的に説明すると、図４に示すように、直線ＳＬは、タービン軸１４の回転中心Ｏを通るラジアル線Ｘｒに対し、傾斜角βｒを持って、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．（ピッチサークルオブダイヤの略称で、蒸気がノズル１２を通過する領域の中間位置を指称する）の半径位置ＲPCD まで放射状に延長されている。
【００５６】
一方、湾状曲線ＣＬは、曲率Ｒを持って、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ半径位置ＲPCD で直線ＳＬに接続し、タービン軸１４の回転中心Ｏを通る半径位置Ｒ0 でラジアル線Ｘｒに対し、傾斜角をゼロにし、ノズルチップ部半径位置Ｒｔまで延長されている。なお、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD における湾状曲線ＣＬの傾斜角は、タービン軸１４の回転中心Ｏを通るラジアル線Ｘｒに対し、βPCD であり、またノズルチップ部半径位置Ｒｔにおける湾状曲線ＣＬの傾斜角は、ラジアル線Ｘｒに対し、βｔである。
【００５７】
湾状曲線ＣＬの曲率Ｒは、ノズルルート部半径位置Ｒｒ、ノズルチップ部半径位置Ｒｔにおいて、次式の関係範囲を満すことにより設定される。
【００５８】
【数７】
【００５９】
この関係式の範囲は、湾状曲線ＣＬから噴出する蒸気の押圧作用力を、動翼１３の遠心力の影響を加味して若干セーブさせ、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側が高流量になることを回避するために、試行錯誤を繰り返して算出した実験結果である。
【００６０】
上述の関係式は、蒸気の押圧作用力により、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側が高流量になることを回避させる最も好ましい適用範囲である。
【００６１】
図５は、座標βにタービン軸１４の回転中心Ｏを通るラジアル線Ｘｒに対し、ノズル１２の後縁線１９のうち、直線ＳＬの傾斜角度値および湾状曲線ＣＬの傾斜角度値を、また座標Ｒにタービン軸１４の回転中心Ｏを通り放射状に延びる半径方向距離値をそれぞれ示したものである。また、図６は、図５に示す直線ＳＬおよび湾状曲線ＣＬの傾斜角度変化値に対応させた蒸気の流出角を示すものである。座標αは、図５の直線ＳＬおよび湾状曲線ＣＬの傾斜角変化値に対応する蒸気の流出角変化値を示す。
【００６２】
これら図５および図６において、直線ＳＬの傾斜角βは、ノズルルート部半径位置ＲｒからノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD に向って低下し、また蒸気流出角αはノズルルート部半径位置ＲｒからノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD に向って増加しており、これらのデータから後縁線１９の直線ＳＬで噴出する蒸気の押圧作用力は、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側からノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD 側に進むに連れ、その方向性を変えている。したがって、後縁線１９の直線ＳＬから噴出する蒸気の押圧作用力は、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側においても作用しているので、ノズルルート部半径位置Ｒｒに蒸気が流れ、その周辺での低流量域を回避することができる。
【００６３】
一方、湾状曲線ＣＬは、図５および図６に示すように、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD からノズルチップ部半径位置Ｒｔにかけて傾斜角βを急激に低下させる一方、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの傾斜角βｔの絶対値がノズルルート部半径位置Ｒｒの傾斜角βｒよりも小さくなっており、また傾斜角βの変化値に対応させた蒸気の流出角αの変化値もノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD からノズルチップ部半径位置Ｒｔの範囲内のノズル半径位置Ｒ0 におけるラジアル線Ｘｒに対する傾斜角ゼロ値でピーク値を採り、以後、ノズルチップ部半径位置Ｒｔで流出角αｔは下っている。
【００６４】
上述のデータから理解できるように、湾状曲線ＣＬから噴出する蒸気の押圧作用力は、ノズル半径位置Ｒ０で最大になっている。ノズル半径位置Ｒ ０ で押圧作用力を最大にしたのは、動翼１３の遠心力の影響によりノズルチップ部半径位置Ｒｔ側が高流量域になることを回避するためである。
【００６５】
図７は、図５および図６に示す直線ＳＬおよび湾状曲線ＣＬの傾斜角βの変化値、蒸気の流出角αの変化値に基づいて段落１１を通過する蒸気の流線Ｓをプロットしたものであり、また、図８は、図７の流線Ｓに基づいてノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔまでの蒸気流量Ｑの分布を作成したものである。
【００６６】
図７および図８から理解できるように、蒸気は、ノズル１２の後縁線１９を噴出するとき、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに対する全域で均一化されている。
【００６７】
このように、本発明に係る軸流タービンでは、ノズル１２の後縁線１９を傾斜状の直線と湾状曲線とに区分けし、ノズルルート部半径位置Ｒｒに押圧作用力を与えているので、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側の低流量域を回避することができる。また、ノズルチップ部半径位置Ｒｔに与えられる押圧作用力をセーブさせているので、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側の高流量域を回避することができる。
【００６８】
図９および図１０は、ともに本発明に係る軸流タービンの第１実施例を示す概略図である。なお、図２および図３の構成部品と同一構成部分には同一符号を付す。
【００６９】
本実施例は、図９に示すように、ノズル１２の後縁線１９を、直線ＳＬと湾状曲線ＣＬとに区分けした点で、図２および図３に示す実施形態と基本的に軌を一にしているが、湾状曲線ＣＬの形状を異ならしめている。
【００７０】
湾状曲線ＣＬは、図１０に示すように、タービン軸１４の回転中心Ｏを通るラジアル線Ｘｒに対し、傾斜角βｒを持たせ、ノズルルート部半径位置ＲｒからノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD に向って放射状に延びる直線ＳＬに接続されるが、その曲率は変形長円形の曲率が利用されている。変形長円形の曲率は、ノズル半径位置Ｒ0 でラジアル線Ｘｒに対し傾斜角をゼロにし、ノズルチップ部半径位置Ｒｔで高流量域を回避できる範囲に設定されている。
【００７１】
このように、本実施例は、ノズル１２の後縁線１９を、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側が低流量域になることを回避し、またノズルチップ部半径位置Ｒｔ側が高流量域になることを回避するための直線ＳＬと湾状曲線ＣＬとに区分けしているので、図２および図３に示す実施形態と同様に、ノズル１２の後縁線１９から噴出する蒸気の流量分布を均一化させることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る軸流タービンは、ノズルの後縁線を、ノズルルート部半径位置からノズルＰ．Ｃ．Ｄ半径位置に亘って傾斜状の直線に形成し、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置からノズルチップ部半径位置に亘って湾状曲線にしたので、ノズルルート部半径位置側、ノズルチップ部半径位置側ともに、蒸気を適正な流量として流すことができる。
【００７３】
また、本発明に係る軸流タービンは、湾状曲線の曲率を、（Ｒｔ−Ｒｒ）／２＜Ｒ＜１０（Ｒｔ−Ｒｒ）の範囲に設定してあるので、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置側からノズルチップ部半径位置側までを均一な蒸気流量として流すことができる。
【００７４】
また、本発明に係る軸流タービンは、湾状曲線から噴出する蒸気の押圧作用力のピーク値を、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置からノズルチップ部半径位置の範囲内に設定したので、動翼の遠心力の影響を受けても適正流量としてノズルチップ部半径位置側に蒸気を流すことができる。
【００７５】
したがって、本発明に係る軸流タービンでは、ノズルの後縁線から噴出する蒸気の流量分布を、ノズルルート部半径位置からノズルチップ部半径位置の全域に亘って均一化でき、翼効率の高いノズルを実現でき、軸流タービンの翼効率の向上により、発電効率を飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸流タービンの段落の一部を示す概略断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視方向から見たノズルの概略斜視図。
【図３】本発明に係る軸流タービンのノズルの後縁線側から見た概略断面図。
【図４】本発明に係るノズルの形状を示す模式図。
【図５】タービン軸の回転中心を通る基準線（ラジアル線）に対するノズルの後縁線の傾斜角を示す分布線図。
【図６】ノズルの後縁線から噴出する蒸気の流出角を示す分布線図。
【図７】段落を通過する蒸気の流線を示す図。
【図８】ノズルの後縁線から噴出する蒸気の流量を示す分布線図。
【図９】本発明に係る軸流タービンの第１実施例を示し、ノズルの後縁線側から見た概略断面図。
【図１０】本発明に係る第１実施例におけるノズルの形状を示す模式図。
【図１１】従来の軸流タービンの段落の一部を示す概略断面図。
【図１２】図１１のＢ−Ｂ矢視方向から見たノズルの概略断面図。
【図１３】図１２におけるタービン軸の回転中心を通る基準線（ラジアル線）に対するノズルの後縁線の傾斜角を示す分布線図。
【図１４】ノズルから噴出する蒸気の速度三角形を示す図。
【図１５】図１３および図１４に基づく段落を通過する蒸気の流線を示す図。
【図１６】図１５に基づく蒸気の流量を示す分布線図。
【図１７】従来の他の実施例を示す軸流タービンのノズルの後縁線側から見た概略断面図。
【図１８】図１７におけるノズルから噴出する蒸気の流出角を示す分布線図。
【図１９】図１７におけるノズルの形状を示す模式図。
【図２０】図１９におけるタービン軸の回転中心を通る基準線（ラジアル線）に対するノズルの後縁線の傾斜角を示す分布線図。
【図２１】図１８および図２０に基づく段落を通過する蒸気の流線を示す図。
【図２２】図２１に基づく蒸気の流量を示す分布線図。
【図２３】従来のさらに別の実施例を示す軸流タービンのノズルの後縁線側から見た概略断面図。
【図２４】図２３におけるノズルの形状を示す模式図。
【図２５】倒し翼の傾斜角と、湾状曲線を備えたノズルの傾斜角とを比較した傾斜角分布線図。
【図２６】図２５に基づく段落を通過する蒸気の流量を示す図。
【図２７】図２６に基づく蒸気の流量を示す分布線図。
【符号の説明】
１ 段落
２ ノズル
３ 動翼
４ タービン軸
５ ノズル内輪
６ ノズル外輪
７ ノズル内周壁
８ ノズル外周壁
９ 後縁線
１０ 前縁線
１１ 段落
１２ ノズル
１３ 動翼
１４ タービン軸
１５ ノズル内輪
１６ ノズル外輪
１７ ノズル内周壁
１８ ノズル外周壁
１９ 後縁線
２０ 蒸気通路
２１ 前縁線
ＳＬ 直線
ＣＬ 湾状曲線
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸流タービンに係り、特に拡開流路内に収容されるタービン段落のうち、ノズルの翼効率の向上を図った軸流タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電プラントにおける原動機、例えば蒸気タービンは、出力増加のため高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンのそれぞれに区分け配置し、蒸気発生器から供給される蒸気の熱エネルキを、各タービンで膨張仕事をさせて回転動力を得ているが、回転動力を得る際、各タービンの段落で如何にして膨張仕事を高めるかは発電効率の改善を図る上で重要な課題になっている。特に、低圧タービンは、高圧タービン、中圧タービンで膨張仕事後の比較的圧力・温度の低い蒸気を多量に扱い、不利な蒸気条件にも拘らず段落当りの出力が高圧タービン、中圧タービンに較べて高い。
【０００３】
このように、蒸気タービンの中で、低圧タービンの占める役割は高いだけに、低圧タービンの段落当りの出力向上は、タービン全体の出力向上につながる重要な意義を持っている。
【０００４】
従来、低圧タービンは、軸流タイプと称してタービン軸の軸方向に沿って流れる蒸気に膨張仕事をさせる段落を複数列にして備えており、その段落の一部は、図１１に示す構成が採用されている。
【０００５】
段落１は、ノズル２と動翼３とにより構成され、タービン軸４の軸方向Ｘａに沿って複数列に設けられている。
【０００６】
一つの段落を構成するノズル２と動翼３は、ともにタービン軸４に対し周方向に沿う環状に配列され、環状列間を通過する蒸気の熱エネルギを、ノズル２により膨張仕事をさせて速度エネルギに変え、その速度エネルギにより動翼３を回転させ、その回転力によりタービン軸４から回転動力を得るようになっている。
【０００７】
動翼３に速度エネルギを与えて回転させるノズル２は、両端をリング状のノズル内輪５、ノズル外輪６で固設し、そのノズル内周壁７からノズル外周壁８に向ってノズル幅（翼幅）を下流の動翼３側に向って漸次拡げ、後縁線９から噴出する蒸気の速度エネルギが、ノズルルート部（ノズル内周壁側）半径位置Ｒｒからノズルチップ部（ノズル外周壁側）半径位置Ｒｔに至るまで均一分布になるように図られている。
【０００８】
また、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８は、フレア角度を持たせた拡開流路に形成し、前段落の蒸気の膨張仕事の際、蒸気圧力、温度の低下に伴う蒸気比容積の増加に対処してノズル２の膨張仕事をより多く行なわせることができるようにしている。
【０００９】
一方、低圧タービンの段落当りの出力向上を図った他の実施例には、図１７や図２３に示すものがある。
【００１０】
図１７に示す例は、ノズル２の翼形状を図１１に示すそれと同一にする一方、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに向うノズルの後縁線９を、タービン軸４の中心点Ｏから放射状に延びるラジアル線Ｘｒ（半径方向線）に対し、交差させたものであり、また図２３に示す例は、ノズル２の後縁線９を、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに向って、一定の曲率を備えた円弧で結んだ湾状曲線に形成したものである。
【００１１】
前者のノズル２は、ノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺で蒸気の流れが低流量域にならないように配慮するため、前縁線１０および後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに対し、いわゆる前倒し（タービン軸４の反回転方向）または後倒し（タービン軸４の回転方向）にしたものである。
【００１２】
また、後者のノズル２は、ノズルルート部半径位置Ｒｒおよびノズルチップ部半径位置Ｒｔの周辺で蒸気の流れが低流量域にならないように配慮するため、後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに対し、円弧で結んだ湾状曲線にしたものである。
【００１３】
このように、従来の低圧タービンは、ノズル２自身が持つ利点を延ばしつつ、欠点を補完し、翼効率を向上させて段落辺りの出力の向上を図っていた。
【００１４】
しかし、最近の軸流タービンにおいては、燃料エネルギの消費を少なくして発電効率を従来以上に高めることが求められており、この一環として段落当りの出力向上、特にノズルの翼効率の向上が模索されている。ノズルの翼効率を従来以上に向上させるには、ノズルの後縁線から噴出する蒸気の流量分布がノズルルート部半径位置からノズルチップ部半径位置に至るまでの全域で均一になることが必要である。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
図１１および図１２で示す従来のノズル２では、前縁線１０、後縁線９ともに、タービン軸４の中心点から放射状に延びるラジアル線Ｘｒに対し、略平行位置の、いわゆるストレート翼（ノズル）であるため、中心点Ｏから延長したノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺が境界層剥離の発生し易い低流量域になっており、翼効率を高める上で隘路の一つになっていた。
【００１６】
ノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺が蒸気の低流量域となるのは、以下の原因によるものと考えられている。
【００１７】
一般に、ストレート翼形状のノズル２は、図１３に示すように、後縁線９から噴出する蒸気流出角αを、ノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺でその角度αｒと小さくし、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの周辺でその角度αｔと大きくしている。つまり、ノズル２の翼形状は、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ半径位置Ｒｔに亘って蒸気流出角を変えていた。
【００１８】
ノズルルート部半径位置Ｒｒよりもノズルチップ部半径位置Ｒｔの方が蒸気流出角αを大きく採ったのは、以下の理論に基づくものである。
【００１９】
通常、円筒が軸方向に沿って拡がりのない流路を形成する場合、蒸気の周速度成分Ｖｔは、円筒を半径Ｒとし、定数Ｃ1 とするとき、渦無し理論（フリーボルテックス）により次式で与えられる。
【００２０】
【数２】
Ｒ×Ｖｔ＝Ｃ1 ……（１）
式（１）から、円筒の半径Ｒが小さいほど蒸気の周方向成分Ｖｔは大きくなる。
【００２１】
ところが、ノズル２の後縁線９から噴出する蒸気の流量分布は、翼効率を高くする上で、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔの全域に亘って均一にすることが望ましい。具体的には、蒸気の軸流速度成分Ｖａ（半径方向の速度成分）は、一定であることが望ましい。この軸流速度成分Ｖａは、図１４の速度三角形で示すように、タービン軸４の周方向速度成分Ｖｔとし、ノズル２から噴出する蒸気の流出速度Ｖ、その流出角αとした場合、ベクトル線図から幾何学的に次式で示される。
【００２２】
【数３】
Ｖａ＝Ｖｔtanα ……（２）
上式（１），（２）から、円筒の半径Ｒと蒸気の流出角αとの関係式は次式が成立する。
【００２３】
【数４】
α＝ｔａｎ-1（Ｖａ／Ｃ1 ×Ｒ） ……（３）
（３）式において、（Ｖａ／Ｃ1 ）は、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに亘って一定であるから、蒸気の流出角αは円筒の半径Ｒの増加に比例して大きくなる。なお、図１４中、Ｘａ座標はタービン軸４の軸方向を、また座標Ｘｃはタービン軸４の周方向をそれぞれ示している。
【００２４】
このように、ストレート翼形状のノズル２は、図１３に示すように、蒸気の流出角αをノズルルート部半径位置値Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに向って増加させることにより蒸気の流出分布量の均一化を図っていた。
【００２５】
しかし、ストレート翼形状のノズル２では、上述のように、蒸気の流出角αをノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに向って増加させて蒸気の流出分布量の均一化を図っていても、実際には図１５に示すように、蒸気の流線Ｓがノズルチップ部半径位置Ｒｔ側のノズル外周壁８に比較的多く偏り、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側のノズル内周壁７周辺は低流量域になっていた。ノズル内周壁７周辺が低流量域になる原因は、蒸気の流線Ｓが動翼３を通過する際、遠心力によりノズル外輪６側に押し寄せられ、この押圧作用力が単に動翼３のみに止まらず、ノズル２を通過する流線Ｓにも影響を与えているものと考えられている。また、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側のノズル外周壁８は、上述前段落の膨張仕事により増加する蒸気の比容積に対処し、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔの全域に亘って等分の膨張仕事をさせるようにフレア角を持たせた拡開流路に形成してあるが、蒸気の比容積が大きいため重力の影響を受けて拡開流路に沿うことができず、蒸気の流線Ｓに若干の乱れが出、ノズル内周壁７側ほどではないにしても蒸気の流れが若干悪くなっていた。
【００２６】
ノズル２を通過する蒸気の流線Ｓに基づく流量分布を図１６に示すと、ノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側の蒸気流量が極端に低く、またノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側も蒸気流量が若干下がっている。なお、図１６中、座標Ｒはノズル２の半径距離（ラジアル線Ｘｒ方向距離）を、座標Ｑはノズル２を通過する蒸気流量をそれぞれ示している。
【００２７】
このように、ストレート翼形状のノズル２では、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔまでの全域に亘って通過する蒸気流量が均一でないため、低流量域から境界層剥離が発生し易くなり、翼効率を高くできない原因になっていた。
【００２８】
また、図１７および図１９に示すノズル２は、ノズル内周壁７からストレート状に形成した後縁線９のノズルルート部半径位置Ｒｒ、任意半径位置Ｒ0 、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの各位置における傾斜角βｒ，β0 ，βtlのそれぞれを、基準線（以下、ラジアル線Ｘｒと記す）に対し全てプラス角に採った、いわゆる後倒し翼（ノズル）であるが、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側の周辺が境界層剥離の発生し易い低流量域になっており、翼効率を高める上で欠点になっていた。なお、傾斜角βｒ，β0 ，βtlは、タービン軸４の回転方向をプラスに、その反回転方向をマイナスに採った。
【００２９】
ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル内周壁７側の周辺が蒸気の低流量域となるのは、以下の原因によるものと考えられている。
【００３０】
ノズル２の後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに交差させてプラス側（タービン軸４の回転方向側）に傾斜させた場合、後縁線９から噴出する蒸気の流出角αは、図１８に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒの周辺でその角度αｒと小さく、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの周辺でその角度αｔと大きくなっており、図１３で示す蒸気の流出角分布線図と同一になっている。蒸気の流出角分布線図が同一となるのは、ノズル２の後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに対し交差させても、翼素形状そのものは同一であり、翼素の慣性主軸（翼素の断面中心）は変化していないからである。
【００３１】
一方、ラジアル線Ｘｒに対するノズル２の後縁線９の傾斜角βは、図１９に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒ、任意半径位置Ｒ0 、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの各点位置毎に注目して見た場合、
【数５】
βｒ＞β0 ＞βtl＞０ ……（４）
の関係式になっている。この関係式は、幾何学的計算からも必然的に求めることができるものであって、上式の関係をプロットすると、図２０で示す後縁線９の傾斜角分布線図になる。
【００３２】
このように、ノズル２の後縁線９を、各半径位置Ｒｒ，Ｒ0 ，Ｒｔに対し、上式の関係を満す傾斜角βｒ，β0 ，βtlとした場合、図２１に示すように、段落１を通過する流線Ｓのうち、ノズル２のノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側の流線Ｓは均一化されているものの、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側の流線Ｓは存在しない、いわゆる低流量域になっている。また、この流線Ｓに基づく蒸気の流量分布をグラフ化した場合、図２２に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側は蒸気流量が高いのに較べ、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側は極端に少なくなっている。
【００３３】
この原因を子細に考慮すると、ノズル２の後縁線９は、図１９に示すように、各半径位置Ｒｒ，Ｒ0 ，Ｒｔにおけるラジアル線Ｘｒ，Ｘｒ，……に対しプラス側（タービン軸４の回転方向）に傾斜させているため、後縁線９から噴出する蒸気は、ノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側に向う押圧作用力（ベクトル）が発生しており、この押圧作用力が動翼３の遠心力に抗しているものと考えられる。
【００３４】
このように、ノズル２の後縁線９を、ラジアル線Ｘｒに対しプラス側に傾斜させた、いわゆる後倒し翼では、ノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側の低流量域問題が解決されていても、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側の低流量域問題が残っており、翼効率を向上できない原因になっていた。
【００３５】
さらに、図２３および図２４に示す湾状曲線のノズル２の後縁線９は、ノズルルート部半径位置Ｒｒを基点に、一定の曲率の下、任意半径位置Ｒ0 に向って曲線Ｃ1 に、また任意半径位置Ｒ0 から一定の曲率の下、ノズルチップ部半径位置Ｒｔに向って曲線Ｃ2 にそれぞれ画し、ラジアル線Ｘｒ，Ｘｒに対し、傾斜角βｒをプラス（タービン軸４の回転方向）に、傾斜角βtlをマイナス（タービン軸４の反回転方向）の両方を持たせたものである。つまり、任意半径位置Ｒ0 におけるラジアル線Ｘｒに対する傾斜角β0 をゼロにした場合、ノズルルート部半径位置Ｒｒにおけるラジアル線Ｘｒに対する傾斜角はβｒ＞０にし、またノズルチップ部半径位置Ｒｔにおけるラジアル線Ｘｒに対する傾斜角はβtc＜０にしたものである。
【００３６】
これら傾斜角βｒ，βtcを備えた湾状曲線のノズル２と、図１９に示す傾斜角βｒ，βtlを備えた倒し翼とを比較してみると、図２５からも理解されるように、各半径位置Ｒｒ，Ｒ0 ，Ｒｔにおける傾斜角βｒ，Ｒtl，βtcの絶対値は、湾状曲線のノズルの方が小さくなっている。なお、図２５中、座標Ｒはタービン軸４の中心点Ｏから放射状に延びたラジアル線Ｘｒの半径方向・距離を、また座標βはラジアル線Ｘｒに対する傾斜角度値をそれぞれ示す。
【００３７】
湾状曲線のノズル２の傾斜角βｒ，βtcとも、倒し翼の傾斜角βｒ，βtlよりも絶対値が小さいのは、ノズル２の後縁線９から噴出する蒸気のノズルルート部半径位置Ｒｒのノズル内周壁７側に向う押圧作用力が弱く、また蒸気のノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁８側に向う押圧作用力が相対的に高いと考えられる。
【００３８】
このような考察の下に、段落１を通過する蒸気の流線Ｓをプロットしてみると、図２６に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側で少なく、またノズルチップ部半径位置Ｒｔ側で密になっている。また、図２６の流線Ｓに基づいて、蒸気の流量分布をグラフ化してみると、図２７に示すように、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側で低流量Ｑになっており、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側で高流量Ｑになっている。高流量Ｑになっているのは、押圧作用力のほかに動翼３の遠心力による影響が加算されていると考えられる。
【００３９】
このように、後縁線９を湾状曲線に形成したノズル２であっても、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側とノズルチップ部半径位置Ｒｔ側とでは蒸気の流れが悪いことに伴って流量バランスに偏差がでており、翼効率を向上できない原因になっている。
【００４０】
本発明は、上述の事情を考慮してなされたもので、段落を通過する蒸気がノズルルート部半径位置からノズルチップ部半径位置の全域に亘って均一に流れる流量バランスの適正化を図って翼効率を向上させた軸流タービンを提供することを目的とする。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る軸流タービンは、上記目的を達成するため、請求項１に記載したように、軸方向に沿って軸流列に段落を備え、段落をノズルと動翼とにより構成し、上記ノズルの両端をノズル内輪およびノズル外輪で固設し、ノズル外輪を軸方向に延長させて拡開流路に形成した軸流タービンにおいて、上記ノズルの後縁線を、上記ノズル内輪からノズル高さ中間位置までをタービン軸の回転中心を通る基準線に対し直線状に傾斜させるとともに、この直線状の傾斜をタービン軸の回転方向側に位置させる一方、上記ノズル高さ中間位置から上記ノズル外輪までを、湾状曲線に形成し、この湾状曲線を上記タービン軸の反回転方向側に位置させるとともに、湾状曲線の曲率をＲとし、上記タービン軸の回転中心から上記ノズル内輪の内周壁までの距離をＲｒとし、上記タービン軸の回転中心から上記ノズル外輪の外周壁までの距離をＲｔとするとき、極率Ｒを、
【数６】
（Ｒｔ−Ｒｒ）／２＜Ｒ＜１０（Ｒｔ−Ｒｒ）
の範囲内に設定したものである。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る軸流タービンの一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００４７】
図１は、本発明に係る軸流タービンのうち、段落の一部を示した概略断面図である。
【００４８】
段落１１は、ノズル１２と動翼１３とにより構成され、タービン軸１４の軸方向Ｘａに沿って複数が軸流列に設けられている。
【００４９】
ノズル１２は、両端をリング状のノズル内輪１５およびノズル外輪１６で固設し、そのノズル外輪１６をケーシング（図示せず）に係合保持させている。また、ノズル２は、ノズル内輪１５のノズル内周壁１７からノズル外輪１６のノズル外周壁１８の外径方向（ノズル長手方向外側）に向ってノズル幅（翼幅）を次第に拡げ、後縁線１９から噴出する蒸気の速度エネルギが、ノズルルート部（ノズル内周壁側）半径位置Ｒｒからノズルチップ部（ノズル外周壁側）半径位置Ｒｔに至るまで半径方向に均一分布になるよう図られている。
【００５０】
また、ノズルチップ部半径位置Ｒｔのノズル外周壁１８は、軸方向Ｘａに沿って延長させる一方、フレア角度を持たせた拡開流路に形成し、前段落の蒸気の膨張仕事の際、蒸気圧力・温度の低下に伴う蒸気比容積の増加に対処してノズル１２の膨張仕事をより多く行なわせることができるようにしている。
【００５１】
一方、動翼１３はタービン軸１４に植設し、ノズル１２から噴出する蒸気の速度エネルギにより回転し、その回転力から発電機（図示せず）を駆動する回転動力（トルク）を得ている。
【００５２】
図２は、図１のＡ−Ａ線から見たノズル１２の概略斜視図である。
【００５３】
ノズル１２は、リング状のノズル内周壁１７およびノズル外周壁１８に沿って環状に配列し、蒸気通路２０を形成しており、前縁線２１から流入する蒸気の熱エネルギを蒸気通路２０で膨張する際、速度エネルギに変換し、その速度エネルギを後縁線１９から動翼１３に与えるようになっている。
【００５４】
ノズル１２の後縁線１９は、図３に示すように、タービン軸１４の回転中心Ｏを通る基準線（以下、ラジアル線と記す）Ｘｒ，Ｘｒ，……に対し、ノズル内周壁１７のノズルルート部半径位置Ｒｒから放射状に延び、かつタービン軸１４の回転方向（ノズル内周壁１７の周方向）に傾斜する直線ＳＬと、途中からノズル外周壁１８のノズルチップ部半径位置Ｒｔまでタービン軸１４の反回転方向に形成する湾状曲線ＣＬとに区分けされている。
【００５５】
ノズル１２の後縁線１９の形状を具体的に説明すると、図４に示すように、直線ＳＬは、タービン軸１４の回転中心Ｏを通るラジアル線Ｘｒに対し、傾斜角βｒを持って、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．（ピッチサークルオブダイヤの略称で、蒸気がノズル１２を通過する領域の中間位置を指称する）の半径位置ＲPCD まで放射状に延長されている。
【００５６】
一方、湾状曲線ＣＬは、曲率Ｒを持って、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ半径位置ＲPCD で直線ＳＬに接続し、タービン軸１４の回転中心Ｏを通る半径位置Ｒ0 でラジアル線Ｘｒに対し、傾斜角をゼロにし、ノズルチップ部半径位置Ｒｔまで延長されている。なお、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD における湾状曲線ＣＬの傾斜角は、タービン軸１４の回転中心Ｏを通るラジアル線Ｘｒに対し、βPCD であり、またノズルチップ部半径位置Ｒｔにおける湾状曲線ＣＬの傾斜角は、ラジアル線Ｘｒに対し、βｔである。
【００５７】
湾状曲線ＣＬの曲率Ｒは、ノズルルート部半径位置Ｒｒ、ノズルチップ部半径位置Ｒｔにおいて、次式の関係範囲を満すことにより設定される。
【００５８】
【数７】
この関係式の範囲は、湾状曲線ＣＬから噴出する蒸気の押圧作用力を、動翼１３の遠心力の影響を加味して若干セーブさせ、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側が高流量になることを回避するために、試行錯誤を繰り返して算出した実験結果である。
【００６０】
上述の関係式は、蒸気の押圧作用力により、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側が高流量になることを回避させる最も好ましい適用範囲である。
【００６１】
図５は、座標βにタービン軸１４の回転中心Ｏを通るラジアル線Ｘｒに対し、ノズル１２の後縁線１９のうち、直線ＳＬの傾斜角度値および湾状曲線ＣＬの傾斜角度値を、また座標Ｒにタービン軸１４の回転中心Ｏを通り放射状に延びる半径方向距離値をそれぞれ示したものである。また、図６は、図５に示す直線ＳＬおよび湾状曲線ＣＬの傾斜角度変化値に対応させた蒸気の流出角を示すものである。座標αは、図５の直線ＳＬおよび湾状曲線ＣＬの傾斜角変化値に対応する蒸気の流出角変化値を示す。
【００６２】
これら図５および図６において、直線ＳＬの傾斜角βは、ノズルルート部半径位置ＲｒからノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD に向って低下し、また蒸気流出角αはノズルルート部半径位置ＲｒからノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD に向って増加しており、これらのデータから後縁線１９の直線ＳＬで噴出する蒸気の押圧作用力は、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側からノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD 側に進むに連れ、その方向性を変えている。したがって、後縁線１９の直線ＳＬから噴出する蒸気の押圧作用力は、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側においても作用しているので、ノズルルート部半径位置Ｒｒに蒸気が流れ、その周辺での低流量域を回避することができる。
【００６３】
一方、湾状曲線ＣＬは、図５および図６に示すように、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD からノズルチップ部半径位置Ｒｔにかけて傾斜角βを急激に低下させる一方、ノズルチップ部半径位置Ｒｔの傾斜角βｔの絶対値がノズルルート部半径位置Ｒｒの傾斜角βｒよりも小さくなっており、また傾斜角βの変化値に対応させた蒸気の流出角αの変化値もノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD からノズルチップ部半径位置Ｒｔの範囲内のノズル半径位置Ｒ0 におけるラジアル線Ｘｒに対する傾斜角ゼロ値でピーク値を採り、以後、ノズルチップ部半径位置Ｒｔで流出角αｔは下っている。
【００６４】
上述のデータから理解できるように、湾状曲線ＣＬから噴出する蒸気の押圧作用力は、ノズル半径位置Ｒ０で最大になっている。ノズル半径位置Ｒ ０ で押圧作用力を最大にしたのは、動翼１３の遠心力の影響によりノズルチップ部半径位置Ｒｔ側が高流量域になることを回避するためである。
【００６５】
図７は、図５および図６に示す直線ＳＬおよび湾状曲線ＣＬの傾斜角βの変化値、蒸気の流出角αの変化値に基づいて段落１１を通過する蒸気の流線Ｓをプロットしたものであり、また、図８は、図７の流線Ｓに基づいてノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔまでの蒸気流量Ｑの分布を作成したものである。
【００６６】
図７および図８から理解できるように、蒸気は、ノズル１２の後縁線１９を噴出するとき、ノズルルート部半径位置Ｒｒからノズルチップ部半径位置Ｒｔに対する全域で均一化されている。
【００６７】
このように、本発明に係る軸流タービンでは、ノズル１２の後縁線１９を傾斜状の直線と湾状曲線とに区分けし、ノズルルート部半径位置Ｒｒに押圧作用力を与えているので、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側の低流量域を回避することができる。また、ノズルチップ部半径位置Ｒｔに与えられる押圧作用力をセーブさせているので、ノズルチップ部半径位置Ｒｔ側の高流量域を回避することができる。
【００６８】
図９および図１０は、ともに本発明に係る軸流タービンの第１実施例を示す概略図である。なお、図２および図３の構成部品と同一構成部分には同一符号を付す。
【００６９】
本実施例は、図９に示すように、ノズル１２の後縁線１９を、直線ＳＬと湾状曲線ＣＬとに区分けした点で、図２および図３に示す実施形態と基本的に軌を一にしているが、湾状曲線ＣＬの形状を異ならしめている。
【００７０】
湾状曲線ＣＬは、図１０に示すように、タービン軸１４の回転中心Ｏを通るラジアル線Ｘｒに対し、傾斜角βｒを持たせ、ノズルルート部半径位置ＲｒからノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置ＲPCD に向って放射状に延びる直線ＳＬに接続されるが、その曲率は変形長円形の曲率が利用されている。変形長円形の曲率は、ノズル半径位置Ｒ0 でラジアル線Ｘｒに対し傾斜角をゼロにし、ノズルチップ部半径位置Ｒｔで高流量域を回避できる範囲に設定されている。
【００７１】
このように、本実施例は、ノズル１２の後縁線１９を、ノズルルート部半径位置Ｒｒ側が低流量域になることを回避し、またノズルチップ部半径位置Ｒｔ側が高流量域になることを回避するための直線ＳＬと湾状曲線ＣＬとに区分けしているので、図２および図３に示す実施形態と同様に、ノズル１２の後縁線１９から噴出する蒸気の流量分布を均一化させることができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る軸流タービンは、ノズルの後縁線を、ノズルルート部半径位置からノズルＰ．Ｃ．Ｄ半径位置に亘って傾斜状の直線に形成し、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置からノズルチップ部半径位置に亘って湾状曲線にしたので、ノズルルート部半径位置側、ノズルチップ部半径位置側ともに、蒸気を適正な流量として流すことができる。
【００７３】
また、本発明に係る軸流タービンは、湾状曲線の曲率を、（Ｒｔ−Ｒｒ）／２＜Ｒ＜１０（Ｒｔ−Ｒｒ）の範囲に設定してあるので、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置側からノズルチップ部半径位置側までを均一な蒸気流量として流すことができる。
【００７４】
また、本発明に係る軸流タービンは、湾状曲線から噴出する蒸気の押圧作用力のピーク値を、ノズルＰ．Ｃ．Ｄ．半径位置からノズルチップ部半径位置の範囲内に設定したので、動翼の遠心力の影響を受けても適正流量としてノズルチップ部半径位置側に蒸気を流すことができる。
【００７５】
したがって、本発明に係る軸流タービンでは、ノズルの後縁線から噴出する蒸気の流量分布を、ノズルルート部半径位置からノズルチップ部半径位置の全域に亘って均一化でき、翼効率の高いノズルを実現でき、軸流タービンの翼効率の向上により、発電効率を飛躍的に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸流タービンの段落の一部を示す概略断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視方向から見たノズルの概略斜視図。
【図３】本発明に係る軸流タービンのノズルの後縁線側から見た概略断面図。
【図４】本発明に係るノズルの形状を示す模式図。
【図５】タービン軸の回転中心を通る基準線（ラジアル線）に対するノズルの後縁線の傾斜角を示す分布線図。
【図６】ノズルの後縁線から噴出する蒸気の流出角を示す分布線図。
【図７】段落を通過する蒸気の流線を示す図。
【図８】ノズルの後縁線から噴出する蒸気の流量を示す分布線図。
【図９】本発明に係る軸流タービンの第１実施例を示し、ノズルの後縁線側から見た概略断面図。
【図１０】本発明に係る第１実施例におけるノズルの形状を示す模式図。
【図１１】従来の軸流タービンの段落の一部を示す概略断面図。
【図１２】図１１のＢ−Ｂ矢視方向から見たノズルの概略断面図。
【図１３】図１２におけるタービン軸の回転中心を通る基準線（ラジアル線）に対するノズルの後縁線の傾斜角を示す分布線図。
【図１４】ノズルから噴出する蒸気の速度三角形を示す図。
【図１５】図１３および図１４に基づく段落を通過する蒸気の流線を示す図。
【図１６】図１５に基づく蒸気の流量を示す分布線図。
【図１７】従来の他の実施例を示す軸流タービンのノズルの後縁線側から見た概略断面図。
【図１８】図１７におけるノズルから噴出する蒸気の流出角を示す分布線図。
【図１９】図１７におけるノズルの形状を示す模式図。
【図２０】図１９におけるタービン軸の回転中心を通る基準線（ラジアル線）に対するノズルの後縁線の傾斜角を示す分布線図。
【図２１】図１８および図２０に基づく段落を通過する蒸気の流線を示す図。
【図２２】図２１に基づく蒸気の流量を示す分布線図。
【図２３】従来のさらに別の実施例を示す軸流タービンのノズルの後縁線側から見た概略断面図。
【図２４】図２３におけるノズルの形状を示す模式図。
【図２５】倒し翼の傾斜角と、湾状曲線を備えたノズルの傾斜角とを比較した傾斜角分布線図。
【図２６】図２５に基づく段落を通過する蒸気の流量を示す図。
【図２７】図２６に基づく蒸気の流量を示す分布線図。
【符号の説明】
１ 段落
２ ノズル
３ 動翼
４ タービン軸
５ ノズル内輪
６ ノズル外輪
７ ノズル内周壁
８ ノズル外周壁
９ 後縁線
１０ 前縁線
１１ 段落
１２ ノズル
１３ 動翼
１４ タービン軸
１５ ノズル内輪
１６ ノズル外輪
１７ ノズル内周壁
１８ ノズル外周壁
１９ 後縁線
２０ 蒸気通路
２１ 前縁線
ＳＬ 直線
ＣＬ 湾状曲線
Claims (1)
- 軸方向に沿って軸流列に段落を備え、段落をノズルと動翼とにより構成し、上記ノズルの両端をノズル内輪およびノズル外輪で固設し、ノズル外輪を軸方向に延長させて拡開流路に形成した軸流タービンにおいて、上記ノズルの後縁線を、上記ノズル内輪からノズル高さ中間位置までをタービン軸の回転中心を通る基準線に対し直線状に傾斜させるとともに、この直線状の傾斜をタービン軸の回転方向側に位置させる一方、上記ノズル高さ中間位置から上記ノズル外輪までを、湾状曲線に形成し、この湾状曲線を上記タービン軸の反回転方向側に位置させるとともに、湾状曲線の曲率をＲとし、上記タービン軸の回転中心から上記ノズル内輪の内周壁までの距離をＲｒとし、上記タービン軸の回転中心から上記ノズル外輪の外周壁までの距離をＲｔとするとき、極率Ｒを、
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- 1996-05-21 JP JP12585196A patent/JP3771967B2/ja not_active Expired - Lifetime
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