JP3883245B2 - 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、特に環状列に配置する一方の翼と他方の隣りの翼との間に形成する流路に発生する二次流れに伴う二次流れ渦を抑制し、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】
軸流タービン、例えば蒸気タービン、ガスタービンでは、従来以上の熱効率向上の開発が進められており、熱効率を向上させる因子の一つに翼効率の向上がある。
【０００３】
しかし、翼効率の向上を阻害させる一つに、二次流れの発生に伴う二次流れ渦がある。
【０００４】
二次流れとは、作動流体（蒸気、燃焼ガス等であるが、以下主流と記す）が翼列間で形成する流路を通過する際、翼高中間部で翼形状に沿って流れるものの、翼チップ部（翼頂部）および翼ルート部（翼根本部）で翼高中間部を流れる主流に交差する方向に流れることをいう。この主流の交差流れは、一方の翼の腹側の圧力が他方の隣りの翼の背側の圧力よりも高くなっていることにより生じる。
【０００５】
主流が二次流れとなる場合、渦を伴うが、この渦は、図１７に示すように発生し、やがて成長する。すなわち、入口境界層１ａ，１ｂを伴った主流２ａ，２ｂは、翼３ａ，３ｂ，３ｃで形成する流路４ａ，４ｂに流入するとき、前縁５ａ，５ｂに衝突して渦６ａ，６ｂを発生する。
【０００６】
渦６ａ，６ｂは、腹側馬蹄型渦７ａ，７ｂと背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃとのそれぞれに分かれる。背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃのそれぞれは、負圧になっている翼３ａ，３ｂ，３ｃの背側９ａ，９ｂ，９ｃに沿って流れる間に流路４ａ，４ｂの境界層を巻き込んで次第に成長しながら後縁１０ａ，１０ｂ，１０ｃに流れる。
【０００７】
一方、腹側馬蹄型渦７ａ，７ｂは、正圧になっている翼３ａ，３ｂ，３ｃの腹側１１ａ，１１ｂ，１１ｃと負圧になっている隣りの翼３ｂ，３ｃの背側９ｂ，９ｃとの圧力差により二次流れ１２ａ，１２ｂとともに、隣りの翼３ｂ，３ｃの背側９ｂ，９ｃに向って流れるとき、流路４ａ，４ｂの境界層を巻き込んで大きく成長し、流路渦１３ａ，１３ｂとなってやがて背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃに合流する。
【０００８】
このように、主流２ａ，２ｂの翼３ａ，３ｂの前縁５ａ，５ｂでの衝突により発生する渦６ａ，６ｂは、腹側馬蹄型渦７ａ，７ｂと背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃとのそれぞれに分かれ、腹側馬蹄型渦７ａ，７ｂが大きく成長して流路渦１３ａ，１３ｂとなり、また背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃが背側９ａ，９ｂ，９ｃに沿って流れる間に大きく成長することを総称して二次流れ渦と称している。
【０００９】
この二次流れ渦は、流路４ａ，４ｂの壁面近くを通過する主流２ａ，２ｂの流線を乱し、翼３ａ，３ｂ，３ｃの翼効率を低下させる大きな原因になっている。このため、二次流れ渦を如何にして抑制するかは、翼効率を従来よりも飛躍的に向上させる課題になっていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
二次流れ渦を抑制する手段には、従来から数多く提案されている。例えば、特開昭５２−５４８０８号公報は、流路に隆起部または突起部を設け、一方の翼の腹側から他方の隣りの翼背側に向って流れる二次流れを抑制することにより主流の乱れを防止しているが、モデル試験で確認してみると、隆起部または突起部から新たな渦が発生しており、主流の乱れを効果的に防止するに至っていない。
【００１１】
また、特開昭５６−８８９０１号公報は、一方の翼と他方の隣りの翼との間で形成される流路に段差を設け、一方の翼の腹側から他方の隣りの翼の背側に流れる二次流れを抑制しようと試みているが、モデル試験で確認してみると、二次流れを充分に抑制するに至っていない。このため、一方の翼と他方の隣りの翼との圧力差に基づいて発生する流路渦は、依然として抑制できていない。
【００１２】
また、特開昭５８−１３３４０３号公報は、他方の隣りの翼の背側に沿って隆起部を備え、かつその隆起部のピーク高さをスロート（一方の翼の後縁から他方の隣りの翼の背側に向う投影線で、流路の最小通路面積）よりも下後側に位置させて流路渦の抑制を試みているが、モデル試験で確認していみると、流路渦を抑制するに至っていない。
【００１３】
【外１】
【００１４】
この技術は、図１８に示すように、主流Ｆの流れに沿って多数の段落１４を備えており、一つの段落１４を静翼（ノズル）１５と動翼１６とで構成する軸流タービンに関するものである。
【００１５】
静翼１５は、ダイヤフラム内輪１７とダイヤフラム外輪１８とで支持されてタービン軸１９に対し、周方向に環状列に配置されており、また動翼１６は、環状列に配置された静翼１５に対応させたタービン軸１９に植設する構成になっている。
【００１６】
また、動翼１６は、そのチップ部に、シュラウド２０とシールフィン２１とを備え、運転中に発生する振動をシュラウド２０で抑制するとともに、主流の通り抜けをシールフィン２１で防止する構成になっている。
【００１７】
このような構成を備える軸流タービンにおいて、図１８で示した学術文献では、静翼１５のチップ部にダイヤフラム外輪１８を静翼１５の後縁２２に向って絞り壁面２３を形成し、絞り壁面２３により以下の流力特性を阻害する要因を排除し、翼効率の向上を図ったものである。
【００１８】
（１）絞り壁面２３は、静翼１５のチップ部を流れる主流Ｆに増速流を与えるので、その壁面における境界層の発達と渦の生成を抑制する。
（２）絞り壁面２３は、主流Ｆの速度成分をダイヤフラム内輪１７に向わせるので、背側に沿って流れてくる背側馬蹄型渦および他方の隣りの静翼の腹側から流れてくる流路渦に押圧力を与えて二次流れ渦を抑制する。
（３）一般に、主流Ｆは、静翼１５の後縁２２から流出する際、動翼１６の遠心力を受けるためにダイヤフラム内輪１７側の圧力に較べ、ダイヤフラム外輪１８側の圧力が高くなっている。しかし、この学術文献では、絞り壁面２３により主流Ｆの速度成分をダイヤフラム内輪１７側に向わせる方向に生成し、ダイヤフラム内輪１７側の圧力を高めるようにしているので、主流Ｆが静翼１５の後縁２２を流出する際、その流線を圧力バランスさせている。このため、主流Ｆは、動翼１６のシュラウド２０やシールフィン２１に向う流れが少なくなり、その漏洩２失が低減でき、翼効率を向上させることができる。
【００１９】
このような優れた点は、モデル試験装置でも確認することができた。
【００２０】
しかし、同時に行った流れの可視化による主流Ｆの流れを観察したところ、静翼１５の背側の絞り壁面２３に、破線で示す主流Ｆの逆流渦Ｒｎが発生していることが確認された。また、動翼１６のチップ部の腹側２４にも、静翼１５の背側の逆流渦Ｒｎの影響を受け、図示の実線で示すように、主流Ｆの逆流渦Ｒｂが発生していた。
【００２１】
この逆流渦Ｒｎの発生原因を子細に考察すると、一方の静翼１５ａと他方の隣りの静翼１５ｂとは、ともに同一寸法で作製していても、図１９に示すように、一方の静翼１５ａの後縁２２を、Ｘ軸と平行に、かつＺ軸に向う主流Ｆと準直交する方向に向って他方の隣りの静翼１５ｂの背側２５に投影してみると、そのスロートＳに対し、他方の隣りの静翼１５ｂの背側２５の方がＹ軸に向って高さＨ0 だけ高くなっている。この高さの相違は、主流Ｆの上流側に向って高さＨ1 と異にしながら絞り壁面２３の開始点Ｔまで続き、一方の静翼１５ａのチップ部と他方の隣りの静翼１５ｂのチップ部との間に二点鎖線で囲む略三角形状の空間領域を形成する。空間領域のうち、一方の静翼１５ａの後縁２２から他方の隣りの静翼１５ｂの背側２５に向って投影するスロートＳの前後の位置は、図２０に示すように、一番大きな空間領域Ａになっている。このため、スロートＳの前後を通過する主流Ｆは、その流速および圧力（静圧）が他方の隣りの静翼１５ｂの後縁２２を流出するときに較べて低下しており、空間領域Ａでの境界層の剥離がし易い状態になっている。
【００２２】
このような状態において、二次流れＦｓが一方の静翼１５ａの腹側２４から他方の隣りの静翼１５ｂの背側２５に圧力差に基づいて流れるとき、空間領域Ａの境界層を巻き込み、その際、逆流渦Ｒｎを発生させると考えられる。
【００２３】
逆流渦Ｒｎの発生は、それ自身により主流Ｆの流線を乱すことに止まらず、いわゆるコロの作用もするので、二次流れＦｓの成長を増長させ、翼効率を低下させる。また、逆流渦Ｒｎの一部を伴った主流Ｆは、一方の静翼１５ａと他方の隣りの静翼１５ｂとで形成する流路を流出してからも、その速度成分がダイヤフラム内輪１７側に向う成分として依然として残っているので、図１８に示すように、動翼１６のチップ部にも、そのまま流れて逆流渦Ｒｂを生じさせる。このため、動翼１６の翼効率を低下させていた。
【００２４】
このように、学術文献に発表した図１８で示す従来の軸流タービンでは、静翼１５のチップ部に絞り壁面２３を形成し、静翼１５の後縁２２から流出する主流Ｆの速度成分をダイヤフラム内輪１７側に向わせ、その速度成分に基づく押圧力により二次流れＦｓの成長を抑制できても、図１８、図２０に示すように、一方の静翼１５ａと他方の静翼１５ｂとの翼高さの相違に基づく逆流渦Ｒｎ，Ｒｂを発生させるため、結果として翼効率の飛躍的向上にはつながらなかった。これら逆流渦Ｒｎ，Ｒｂの大小は、単に絞り壁面２３の長さだけに止まらず、翼の設計に当り、翼の軸コード、翼高さなどの形状にも影響を与えるものであり、理論上、翼の形状を主流Ｆの流線に沿う三次元設計にしても、予測もしなかった逆流渦Ｒｎ，Ｒｂの発生のために、翼効率の飛躍的向上を図ることができず、翼を適正形状に設計する際、困難を来していた。
【００２５】
本発明は、このような背景に基づいてなされたもので、子午面から観察して翼に絞り流路壁を形成するものを採用する場合、絞り流路壁で発生する逆流渦や境界層剥離を抑制することにより翼効率の飛躍的向上を図った軸流タービンを提供することを目的とする。
【００２６】
【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、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、静翼と動翼を組み合せた段落をタービン軸の軸方向に沿って配置する一方、上記静翼を上記タービン軸の周方向に沿って環状列に配置し、上記動翼を、環状列に配置した上記静翼に対応させて配置した軸流タービンにおいて、上記静翼のチップ部に、タービン軸に向って凸状に湾曲する腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線を形成し、タービン軸の中心を通る半径に対し、上記背側外壁絞り流線の翼高を、上記腹側外壁絞り流線の翼高よりも低くするとともに、一方の静翼の背側外壁絞り流線の翼高を、他方の隣りの静翼の腹側外壁絞り流線の翼高にするように形成し、かつ子午面から観察した上記静翼を、上記タービン軸の周方向に沿って平面展開し、上記他方の隣りの静翼の後縁を点Ｐｅとし、その点Ｐｅから上記一方の静翼の背側に内接円を画き、そのスロートの交点Ｓｅとし、その交点Ｓｅから他方の隣りの静翼の腹側に真直ぐに延びた直線の交点Ｐｉとし、その交点Ｐｉから上記一方の静翼の背側に内接円を画き、その接点Ｓｉとし、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉのそれぞれを、腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線の点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれに対応させ、各点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれがタービン軸の中心を通る半径Ｒ pit ，Ｒ set ，Ｒ pit ，Ｒ sit とするとき、腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線の翼高絞り比を、
【数６】
１．０≦Ｒｓｉｔ／Ｒｓｅｔ＜Ｒｐｉｔ／Ｒｐｅｔ≦１．４
かつ、０．８≦Ｒｓｅｔ／Ｒｐｅｔ＜Ｒｐｉｔ＜Ｒｐｅｔ
の範囲に設定したものである。
【００２８】
本発明に係る軸流タービンは、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、一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路を、整流域と増速転向域とに区分けし、静翼の前縁から後縁までの軸コードをＣｘとし、上記増速転向域の上記後縁からの長さをＣｂとし、上記整流域の長さをＣａとするとき、上記整流域の長さＣａおよび上記増速転向域の長さＣｂのそれぞれは、
【数７】
Ｃｂ＝Ｃｘ／２
Ｃａ≧Ｃｘ／２
に設定したものである。
【００２９】
本発明に係る軸流タービンは、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、一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路を、整流域と増速転向域に区分けする一方、上記整流域を静翼を支持するダイヤフラム外輪側に向って凸状の湾曲に形成したものである。
【００３０】
本発明に係る軸流タービンは、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、前記静翼の後縁から見ると、腹側外壁絞り流線と背側外壁絞り流線とを互いに結ぶチップ部がジグザグ状に形成されてなるものである。
【００３１】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路は、前記一方の静翼の背側表面と前記他方の隣りの静翼の腹側表面を長片とし、ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪を短片とする長方形状に形成したものである。
【００３２】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、静翼と動翼を組み合せた段落をタービン軸の軸方向に沿って配置する一方、上記静翼を上記タービン軸の周方向に沿って環状列に配置し、上記動翼を、環状列に配置した上記静翼に対応させて配置した軸流タービンにおいて、上記静翼のチップ部に、タービン軸に沿って凸状に湾曲する腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線を形成し、タービン軸の中心を通る半径に対し、上記背側外壁絞り流線の翼高を、上記腹側外壁絞り流線の翼高よりも低くするとともに、一方の静翼の背側外壁絞り流線の翼高が、他方の隣りの静翼の腹側絞り流線の翼高に一致するよう形成する一方、上記静翼のルート部に、ダイヤフラム外輪に向って凸状に湾曲する腹側内壁絞り流線および背側内壁絞り流線のそれぞれを形成し、かつ子午面から観察した静翼を、タービン軸の周方向に沿って平面展開し、前記他方の隣りの後縁を点Ｐｅとし、その点Ｐｅから前記一方の静翼の背側に内接円を画き、そのスロートの交点Ｓｅとし、その交点Ｓｅから前記他方の隣りの静翼の腹側に真直ぐ延びた直線の交点Ｐｉとし、その交点Ｐｉから前記一方の静翼の背側に内接円を画き、その接点Ｓｉとし、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉのそれぞれを、前記腹側外壁絞り流線および前記背側外壁絞り流線の点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれに対応させる一方、前記腹側内壁絞り流線および前記背側内壁絞り流線の点Ｐ er ，Ｓ er ，Ｐ ir ，Ｓ ir のそれぞれに対応させ、各点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it ，Ｐ er ，Ｓ er ，Ｐ ir ，Ｓ ir のそれぞれがタービン軸の中心を通る半径Ｒ pit ，Ｒ set ，Ｒ pit ，Ｒ sit ，Ｒ per ，Ｒ ser ，Ｒ pir ，Ｒ sir とするとき、前記腹側外壁絞り流線、前記腹側内壁絞り流線、前記背側外壁絞り流線、前記背側内壁絞り流線の翼高絞り比を、
【数８】
１．０≦（Ｒｓｉｔ−Ｒｓｉｒ）／（Ｒｓｅｔ−Ｒｓｅｒ）＜
（Ｒｐｉｔ−Ｒｐｉｒ）／（Ｒｐｅｔ−Ｒｓｅｒ）≦１．４
かつ、０．８≦（Ｒｓｅｔ−Ｒｓｅｒ）／（Ｒｐｅｔ−Ｒｐｅｒ）＜
（Ｒｐｉｔ−Ｒｐｉｒ）／（Ｒｐｅｔ−Ｒｓｅｒ）
の範囲に設定したものである。
【００３４】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、静翼の前縁から後縁までの軸コードをＣｘとし、前縁の腹側外壁絞り流線の翼高から後縁の腹側外壁絞り流線の翼高を引いた値をΔＬｔとし、前縁の腹側内壁絞り流線の翼高から後縁の腹側内壁絞り流線の翼高を引いた値をΔＬｒとするとき、静翼チップ部の絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部の絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれは、
【数９】
０≦ΔＬｔ／Ｃｘ≦０．５
０≦ΔＬｒ／Ｃｘ≦０．５
ΔＬｔ／Ｃｘ≧ΔＬｒ／Ｃｘ
に設定したものである。
【００３５】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、請求項１ないし７のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、上記腹側外壁絞り流線の後縁における接線および上記背側外壁絞り流線の後縁における接線が、ともに動翼の翼高の範囲に収まるものである。
【００３６】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、シュラウドから植込部までの動翼の翼高をＨｂとし、静翼の腹側外壁絞り流線の後縁における接線を上記動翼の前縁に交差させる点が上記シュラウドからの高さΔＨｐとし、上記静翼の背側外壁絞り流線の後縁における接線を上記動翼の前縁に交差させる点が上記シュラウドからの高さΔＨｓとするとき、主流の上記シュラウドへの通り抜け防止比ΔＨｐ／ＨｂおよびΔＨｓ／Ｈｂのそれぞれは、
【数１０】
０．０≦Ｈｓ／Ｈｂ≦ΔＨｐ／Ｈｂ≦０．１
の範囲に設定したものである。
【００３７】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、請求項１ないし９のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、上記動翼ルート部の動翼背側内壁線をタービン軸に平行に形成したものである。
【００３８】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、請求項１ないし１０のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、前記静翼をガスタービンの初段落に組み込んだものである。
【００３９】
【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を図面を参照して説明する。
【００４０】
図１は、本発明に係る軸流タービンの第１実施形態を、子午面から観察した概略図である。なお、図１は、本発明に係る軸流タービンを、蒸気タービンに適用する一例示である。軸流タービン２６は、主流Ｆの流れに沿って多数の段落２７を備えており、一つの段落２７に静翼（ノズル）２８と動翼２９とを組み合せた構成になっている。
【００４１】
静翼２８は、ダイヤフラム内輪３０とダイヤフラム外輪３１とで支持され、タービン軸３２に対し、周方向に環状列に配置されており、また動翼２９は、環状列に配置された静翼２８に対応させてタービン軸３２に植設されている。
【００４２】
また、動翼２９は、そのチップ部（翼頂部）にシュラウド３３とシールフィン３４とをそれぞれ備え、運転中に発生する振動をシュラウド３３で抑制するとともに、主流Ｆの通り抜けをシールフィン３４で防止するようになっている。
【００４３】
一方、ダイヤフラム内輪３０とダイヤフラム外輪３１とで支持される静翼２８は、その腹側３５がダイヤフラム外輪３１に接触する部分を腹側外壁絞り流線３６とし、またその背側３７がダイヤフラム外輪３１に接触する部分を背側外壁絞り流線３８とするとき、腹側外壁絞り流線３６を、図示の実線で示すように、静翼２８の中間部分から後縁３９までをタービン軸３２の中心Ｏに向って凸状の湾曲に形成するようになっている。
【００４４】
また、腹側外壁絞り流線３６と背側外壁絞り流線３８とは、腹側外壁絞り流線３６の任意に選んだ位置からタービン軸３２の中心Ｏまでの半径Ｒｓとし、また背側外壁絞り流線３８の任意に選んだ位置からタービン軸３２の中心Ｏまでの半径Ｒｂとした場合、その翼高相対関係を、常にＲｓ＞Ｒｂを維持しつつ湾曲に形成し、後縁３９でその半径Ｒｓ，Ｒｂを互いに一致させるようになっている。また、主流Ｆの流れに対して交差する方向から観察したときの静翼２８同士は、図２に示すように、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側外壁絞り流線３６ｂと、一方の静翼２８ａの二点鎖線で示す背側外壁絞り流線３８ａとを比較した場合、一方の静翼２８ａの背側外壁絞り流線３８ａの方が高さＨだけ高くなっていた従来の翼高相対関係に対し、本実施形態の翼高相対関係は、一方の静翼２８ａの背側外壁絞り流線３８の翼高を実線で示す背側外壁絞り流線３８ａ1 の翼高まで高さＨだけ下げ、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側内壁絞り流線３６ｂの翼高にほぼ一致させたものである。つまり、図１９で示した従来の静翼１５では、腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線ともに、タービン軸の中心を通る半径に対して同一翼高であったが、本実施形態では、一方の静翼２８ａの背側外壁絞り流線３８ａ1 の翼高のみを従来よりも下げて他方の隣りの静翼２８ｂの腹側内壁絞り流線３６ｂの翼高にほぼ一致させたものである。なお、他方の隣りの静翼２８ｂも、上述と同様に、二点鎖線で示す背側内壁絞り流線３８ｂの翼高を、実線で示す背側内壁絞り流線３８ｂ1 の翼高まで高さＨだけ下げている。
【００４５】
また、本実施形態は、主流Ｆの流れに交差する方向から観察したとき、一方の静翼２８ａの背側外壁絞り流線３８ａ1 の翼高のみを高さＨだけ下げるとともに、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側内壁絞り流線３６ｂの翼高とほぼ一致させたものであるが、静翼２８ａ，２８ｂの後縁３９ａ，３９ｂから観察すると、図３に示すように、腹側外壁絞り流線３６ａ，３６ｂと背側外壁絞り流線３８ａ1 ，３８ｂ1 とを互いに結ぶチップ部４０が傾斜状になる。これに伴って静翼２８ａ，２８ｂを支持するダイヤフラム外輪３１は、その形状がジグザグ状に形成される。
【００４６】
一方、腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８のそれぞれの具体的な翼高絞り比の寸法を、図４を参照して説明する。
【００４７】
図４は、子午面から観察したときの静翼２８を、タービン軸の周方向で平面展開したときの相関関係を示している。
【００４８】
静翼２８は、主流Ｆに対し、整流域ＣＡと増速転向域ＣＢとに区分けされており、後縁３９を基準とする軸コードをＣｘとするとき、増速転向域ＣＢの長さＣｂをＣｂ＝Ｃｘ／２に、また整流域ＣＡの長さＣａをＣａ≧Ｃｘ／２にそれぞれ設定される。整流域ＣＡの長さＣａをＣａ≧Ｃｘ／２としたのは、例えば蒸気タービンの場合、蒸気の衝撃力に対し前縁４１の剛性力を増すために延長する場合があるからである。
【００４９】
また、他方の隣りの静翼２８ｂの後縁３９ｂを点Ｐｅとし、一方の静翼２８ａの背側３７ａとの間に内接円を画き、そのスロートＳ1 （主流が流路を通過する最小通路部）との交点Ｓｅとし、交点Ｓｅから他方の隣りの静翼２８ｂの腹側３５ｂに向って真直ぐに延びる直線Ｓ2 の交点Ｐｉとし、交点Ｐｉから静翼２８ａの背側３７ａへの内接円を画き、その接点Ｓｉとするとき、各点Ｐｅ，Ｐｉ，Ｓｉは、子午面から観察した静翼２８ａの腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の点Ｐet，Ｓet，Ｐit，Ｓitのそれぞれに対応する。
【００５０】
この場合、Ｐet，Ｓet ，Ｐit，Ｓitのそれぞれのタービン軸の中心を通る半 径Ｒpet ，Ｒset ，Ｒpit ，Ｒsit とするとき、静翼２８の腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の翼高絞り比は、
【数１１】
の範囲に設定される。
【００５１】
次に作用を説明する。
【００５２】
一方の静翼２８ａと他方の隣りの静翼２８ｂとで形成する流路ＦＰに流入した主流Ｆは、整流域ＣＡを通過する際、圧力を回復させてその流れを一様化する。さらに、増速転向域ＣＢに沿って流れる主流Ｆは、周方向（タービン軸周方向）の速度成分を伴うためダイヤフラム外輪３１の側の圧力を高めようとするが、腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の押圧力により翼中央に圧力バランスさせる。さらにまた、腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の押圧力は、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側３５ｂから一方の静翼２８ａの背側３７ａに向って流れる二次流れに伴う二次流れ渦を抑制する。
【００５３】
また、流路ＦＰは、一方の静翼２８ａの背側側外壁絞り流線３８の翼高を、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側外壁絞り流線３６の翼高にほぼ一致させ、図５で示すように、長方形に形成したので、図２０で示した従来の空間領域Ａがなくなり、このため二次流れＦｓの境界層の巻き込みに伴う逆流渦Ｒｎの発生を防止する。
【００５４】
したがって、本実施形態では、主流Ｆの二次流れ渦の抑制と逆流渦Ｒｎの発生を防止したので、翼効率を従来よりも飛躍的に向上させることができる。
【００５５】
また、本実施形態では、増速転向域ＣＢでの逆流渦Ｒｎの発生を防止し、その逆流渦Ｒｎを伴う主流Ｆの動翼２９に与える影響をなくしたので、動翼２９の翼効率も向上させることができる。
【００５６】
図６は、図４で示した点Ｐitから点Ｐetにおける腹側外壁絞り流線３６の翼高絞り比Ｒpit ／Ｒpet の翼効率と、従来の翼高絞り比１．０の場合の翼効率を比較したグラフである。
【００５７】
図６からも理解できるように、翼高絞り比Ｒpit ／Ｒpet が１．０を超えると、主流Ｆが増速するために翼壁面損失が少なくなり、翼効率を向上させるが、翼高絞り比が１．４を超えると翼効率を悪くさせる。これは、主流Ｆが後縁３９から流出する際、腹側外壁絞り流線３６により生成された翼中央に向う速度成分が未だ残っており、この速度成分の影響を受けて翼効率を低下させると考えられる。
【００５８】
図７は、図４で示した点Ｐitから点Ｐetにおける腹側外壁絞り流線３６の翼高絞り比Ｒpit ／Ｒpet＝１．２にした場合の点Ｓetから点Ｐetにおける背側外壁 絞り流線３８の翼高絞り比Ｒset ／Ｒpet の翼効率と、従来の翼効率とを比較したグラフである。
【００５９】
翼高絞り比Ｒset ／Ｒpetが０．８〜１．２の範囲内で従来の翼効率よりも著 しく向上するのは、図２０で示した空間領域Ａがなくなり、二次流れＦｓの境界層の巻き込みに伴う逆流渦Ｒｎの発生を防止したことによると考えられる。なお、翼高絞り比Ｒpit ／Ｒset を、１．０≦Ｒpit ／Ｒset ≦１．４の範囲に設定しておけば、翼効率は、上述と同様な好結果を得ることができる。
【００６０】
図８は、本発明に係る軸流タービンの第２実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一部分には、同一符号を付す。また、図８も、図４と同様に、子午面から観察した静翼２８を、タービン軸の周方向で平面展開したときの相関関係を示している。
【００６１】
本実施形態は、静翼２８のチップ部（翼頂部）およびルート部（翼根本部）の両方に、腹側外壁絞り流線３６ａ、腹側内壁絞り流線３６ｂおよび背側外壁絞り流線３８ａ、背側内壁絞り流線３８ｂをそれぞれ形成するとともに、背側外壁絞り流線３８ａの翼高を、腹側外壁絞り流線３６ａの翼高よりも下げ、また背側内壁絞り流線３８ｂを腹側内壁絞り流線３６ｂよりも翼高を高くしたものである。
【００６２】
子午面で観察した静翼２８を、タービン軸の周方向に沿って平面展開した場合、他方の隣りの静翼２８ｂの後縁３９ｂを点Ｐｅとし、一方の静翼２８ａの背側３７ａとの間に内接縁を画き、そのスロートＳ1 との交点Ｓｅとし、交点Ｓｅから他方の隣りの静翼２８ｂの腹側３５ｂに向って真直ぐ延びる直線Ｓ2 の交点Ｐｉとし、交点Ｐｉから一方の静翼２８ａの背側３７ａへの内接円を画き、その接点Ｓｉとするとき、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉは、ダイヤフラム外輪３１の側の腹側外壁絞り流線３６ａ上の点Ｐet，点Ｐitに、また背側外壁絞り流線３８ａ上の点Ｓet，点Ｓitに対応する。
【００６３】
また、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉは、ダイヤフラム内輪３０の側の腹側内壁絞り流線３６ｂ上の点Ｐer，点Ｐirに、さらに背側内壁絞り流線３８ｂ上の点Ｓer，点Ｓirにそれぞれ対応する。
【００６４】
この場合、各点Ｐet，Ｐit，Ｓet，Ｓit，Ｐer，Ｐir，Ｓer，Ｓirのそれぞれのタービン軸の中心を通る半径Ｒpet ，Ｒpit ，Ｒset ，Ｒsit ，Ｒper ，Ｒpir ，Ｒser ，Ｒsir とするとき、各点における静翼２８の腹側外壁絞り流線３６ａおよび背側外壁絞り流線３６ｂと、背側外壁絞り流線３８ａおよび背側内壁絞り流線３８ｂとの翼高絞り比は、
【数１２】
の範囲に設定される。
【００６５】
また、静翼２８の軸コードをＣｘとし、前縁４１の外周壁半径から後縁３９の外周壁半径を引いた値ΔＬｔ，前縁４１の内周壁半径から後縁３９の内周壁半径を引いた値ΔＬｒとするとき、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼チップ部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれは、
【数１３】
の範囲に設定される。
【００６６】
また、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘと静翼チップ部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘとは、
【数１４】
ΔＬｔ／Ｃｘ≧ΔＬｒ／Ｃｘ
の関係式を満たすように設定される。
【００６７】
次に作用を説明する。
【００６８】
静翼２８の腹側３５ｂを流れる主流Ｆは、腹側外壁絞り流線３６ａの入口点から点Ｐitおよび腹側内壁絞り流線３６ｂの入口点から点Ｐerの間で増速転向され、その際その速度ベクトルを翼高中央に向わせる。
【００６９】
また、静翼２８の背側３７ａを流れる主流Ｆも、上述と同様に背側外壁絞り流線３８ａの点Ｓitから点Ｓetおよび背側内壁絞り流線３８ｂの点ＳirからＳerの間で増速転向され、その速度ベクトルを翼高中央に向わせる。
【００７０】
このように、腹側３５ｂおよび背側３７ａのそれぞれを流れる主流Ｆは、その速度ベクトルを翼高中央に向わせて流れている間に、圧力差に基づいて腹側３５ｂから背側３７ａに向って流れる二次流れに伴う二次流れ渦を押圧して抑制する。さらに、主流Ｆは、腹側外壁絞り流線３６ａおよび腹側内壁絞り流線３６ｂのそれぞれの点Ｐit，点Ｐet，点Ｐir，点Ｐerで囲われる領域、および背側外壁絞り流線３８ａおよび背側内壁絞り流線３８ｂのそれぞれの点Ｓet，点Ｐet，点Ｓer，点Ｐerで囲われる領域で、今迄、翼高中央に向わせていた速度ベクトルをほぼゼロにさせてタービン軸に平行な速度ベクトルに修正して動翼２９に案内される。
【００７１】
したがって、本実施形態では、腹側３５ｂおよび背側３７ａのそれぞれの腹側外壁絞り流線３６ａ、腹側内壁絞り流線３６ｂ、背側外壁絞り流線３８ａ、背側内壁絞り流線３８ｂの両側から主流Ｆに押圧力を与えているので、二次流れに伴う二次流れ渦をより一層抑制することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、静翼チップ部４０ａの絞り比を、静翼ルート部４０ｂのそれと同等もしくは大きくし、静翼チップ部４０ａの側を流れる主流Ｆの速度ベクトルを翼高中央に向わせるように強化しているので、翼高中央に主流Ｆがより多く集められ、翼効率を向上させることができる。
【００７３】
また、本実施形態では、主流Ｆを後縁３９から流出させる際、その速度ベクトルをタービン軸に平行にさせているので、主流Ｆの動翼２９への流入に際し、動翼２９の翼効率を向上させることができる。
【００７４】
図９は、図８で示した点Ｐit，点Ｐir，点Ｐet，点Ｐerにおける腹側外壁絞り流線３６ａおよび腹側内壁絞り流線３６ｂの翼高絞り比（Ｒpit −Ｒpir ）／（Ｒpet −Ｒper ）の翼効率と、従来の翼高絞り比１．０の場合の翼効率とを比較したグラフである。
【００７５】
図９からも理解できるように、主流Ｆは、腹側外壁絞り流線３６ａおよび腹側内壁絞り流線３６ｂの両側から押圧力を受け、その速度ベクトルを翼高中央に向わせるようにしているので、翼効率を著しく向上させている。
【００７６】
図１０は、図８で示した点Ｓet，点Ｓer，点Ｐet，点Ｐerにおける背側外壁絞り流線３８ａおよび背側内壁絞り流線３８ｂの翼高絞り比（Ｒset −Ｒser ）／（Ｒpet −Ｒper ）の翼効率と、従来の翼効率とを比較したグラフである。
【００７７】
本実施形態に係る翼効率を、従来に較べて著しく向上させることができたのは、図２０で示した空間領域Ａがなくなり、これに伴って二次流れＦｓの境界層の巻き込みによる逆流渦Ｒｎの発生を防止させたためによるものと考えられる。
【００７８】
図１１は、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれの翼効率と従来の翼効率とを比較したグラフである。
【００７９】
主流Ｆは、腹側外壁絞り流線３６ａ，３６ｂおよび背側外壁絞り流線３８ａ，３８ｂに沿って流れるとき、増速流となり、また各絞り流線３６ａ，３６ｂ，３８ａ，３８ｂから受ける押圧力により二次流れに伴う二次流れ渦を抑制するので、翼効率を向上させる。
【００８０】
しかし、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれが０．１を超えると、後縁３９の下流側に縮流の影響が残り、主流Ｆが動翼２９に案内されるときには、動翼２９に境界層剥離を発生させ、これに伴って逆流渦を発生させるため動翼２９の翼効率を低下させる。このため、本実施形態では、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘを０〜０．５の範囲内に設定したものである。
【００８１】
また、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘと静翼ルート部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘとの関係を、ΔＬｔ／Ｃｘ＞ΔＬｒ／Ｃｘとしたのは、腹側外壁絞り流線３６ａ、腹側内壁絞り流線３６ｂから主流Ｆに与える押圧を、背側外壁絞り流線３８ａおよび背側内壁絞り流線３８ｂから主流Ｆに与える押圧力よりも相対的に高くして後縁３９から流出する主流Ｆの旋回流れを少なくし、静翼チップ部４０ａ側の圧力上昇を低く抑え、主流Ｆの動翼チップ部への通り抜けを防止するためである。
【００８２】
図１２は、本発明に係る軸流タービンの第３実施形態を示す概略図である。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。
【００８３】
本実施形態は、整流域ＣＡにおける腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８を、ともにダイヤフラム外輪３１に向って凸状の湾曲に形成したものである。
【００８４】
本実施形態は、整流域ＣＡをタービン軸の半径方向に向って拡大させて主流Ｆの圧力を回復させるようにしているので、静翼２８の入口を最初から拡大することが困難な、例えば蒸気タービン高中圧部の中間段落に適用すると有効である。
【００８５】
図１３は、本発明に係る軸流タービンの第４実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一部分には、同一符号を付す。
【００８６】
本実施形態は、静翼２８の後縁３９から流出する主流Ｆの動翼２９のチップ部への通り抜けを防止させたものである。
【００８７】
静翼２８における腹側外壁絞り流線３６の点Ｐetから延長した接線Ｐと動翼２９の前縁４２との交点Ｐ1 とし、その交点Ｐ1 から動翼２９のシュラウド４３までの高さをΔＨｐとし、また、静翼２８における背側外壁絞り流線３８の点Ｐetから延長した接線ｑと動翼２９の前縁４２との交点ｑ1 とし、その交点ｑ1 から動翼２９のシュラウド４３までの高さをΔＨｓとし、動翼２９のシュラウド４３からのその植込み部４４までの翼高Ｈｂとするとき、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂのそれぞれは、
【数１５】
の範囲に設定される。
【００８８】
一般に、腹側外壁絞り流線３６に沿って流れる主流Ｆｐと背側外壁絞り流線３８に沿って流れる主流Ｆｓとは、その流れの方向を異にする。腹側外壁絞り流線３６に沿って流れる主流Ｆｐは、後縁３９から流出するとき、動翼２９の植込み部４４に向うのに対し、背側外壁絞り流線３８に沿って流れる主流Ｆｓは、後縁３９から流出するとき、動翼２９のシュラウド４３に向うため、主流Ｆの動翼２９に対する通り抜けを発生させる。
【００８９】
しかし、本実施形態では、腹側外壁絞り流線３６の翼高絞り比を、背側外壁絞り流線３８の翼高絞り比より大きする一方、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂのそれぞれを０．０〜０．１の範囲に設定しているので、主流Ｆの動翼に対する通り抜けを確実に防止することができ、動翼２９の翼効率を向上させることができる。
【００９０】
ちなみに、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂを０．０〜０．１の範囲内に変化させた場合の動翼２９の翼効率に与える影響を、図１４を参照して説明する。
【００９１】
図１４は、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂを０．０５に固定し、背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂを０．０〜０．０５に変化させた場合、および背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂを０．０５に固定し、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂを０．０〜０．０５に変化させた場合の翼効率を示している。
【００９２】
図１４からも理解できるように、本実施形態に係る腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂを０．０〜０．１の範囲内に変化させた場合、動翼２９の翼効率を著しく向上させている。なお、本実施形態では、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂのいずれか一方を０．０５に固定し、他方を変化させた動翼２９の翼効率であるが、０．０２〜０．０８の範囲内で一方を固定し、他方を変化させても動翼２９の翼効率を向上させることが実験で確認されている。
【００９３】
このように、動翼２９の翼効率が著しく向上するのは、ΔＨｓ／Ｈｂ≦ΔＨｐ／Ｈｂ、つまり腹側外壁絞り流線３６の翼高絞り比の方が背側外壁絞り流線３８のそれより大きくしているために、動翼２９の植込み部４４に向う主流Ｆの押圧力が相対的に高くなっていることによるものと考えられる。
【００９４】
図１５は、本発明に係る軸流タービンの第５実施形態を示す概略図である。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す。
【００９５】
本実施形態は、静翼２８の整流域ＣＡにおける腹側外壁絞り流線３６ａ、腹側内壁絞り流線３６ｂおよび背側外壁絞り流線３８ａ、背側内壁絞り流線３８ｂを、ともにダイヤフラム外輪３１に向って凸状の湾曲に形成する一方、動翼ルート部４９ａの背側４５を、破線で示すように、タービン軸に平行に形成する動翼背側内壁線４６とするとき、この動翼背側内壁線４６に対し、動翼腹側内壁線４７を前縁５０から後縁５１に亘ってタービン軸に向って凸状の湾曲に形成するとともに、動翼２９の腹側４８および背側４５の動翼チップ部４９も前縁５０から後縁５１に亘ってタービン軸に向って凸状の湾曲に形成したものである。なお、符号ＢＳは、動翼２９の後縁５１のスロートである。
【００９６】
次に作用を説明する。
【００９７】
静翼２８の後縁３９から流出する主流Ｆが、動翼チップ部４９の背側４５および腹側４８のそれぞれに流千Ｆpts ，Ｆbtp として流れるとき、タービン軸に向って凸状に形成された湾曲面に沿って流れるので、動翼２９の入口部における主流Ｆの圧力損失は低く抑えることができる。
【００９８】
一方、動翼背側内壁線４６に流千Ｆbrs として流れる主流Ｆと、動翼腹側内壁線４７に流線Ｆbrp として流れる主流Ｆのそれぞれは、背側４５の後縁５１および腹側４８の後縁５１を流出するとき交差する。
【００９９】
従来、動翼２９も、圧力差に起因してその腹側４８から他方の隣りの動翼の背側に向って二次流れが生じており、二次流れに伴って二次流れ渦が他方の隣りの動翼の背側に流れるため翼効率を低下させていた。
【０１００】
本実施形態は、流線Ｆbrp としての主流Ｆを、動翼２９の翼高方向に向わせているので、この主流Ｆの押圧力により二次流れ渦を抑制することができる。
【０１０１】
したがって、本実施形態では、流線Ｆbrp としての主流Ｆの押圧力により二次流れ渦を抑制しているので、動翼２９の翼効率を従来よりもより一層向上させることができる。
【０１０２】
図１６は、本発明に係る軸流タービンの第６実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には、同一符号を付す。
【０１０３】
本実施形態は、第１実施形態に係る静翼２８をガスタービンプラント５２に適用したものである。
【０１０４】
ガスタービンプラント５２は、複数個、例えば８〜３２個の燃焼器（図示せず）を備え、燃焼器の個数に対応させたトランジションピース５３を介して一つのガスタービン５４に接続する構成になっている。
【０１０５】
また、トランジションピース５３は、その入口を燃焼器の出口形状に合せた円筒状の燃焼ガス通路に形成する一方、その出口をガスタービン５４の入口形状に合せた円環状の燃焼ガス通路に形成し、燃焼器で生成した燃焼ガスＦｇを静翼２８に案内して膨張仕事をさせるようになっている。
【０１０６】
一般に、複数個のトランジションピース５３から一つのガスタービン５４に燃焼ガスＦｇを供給する場合、ガスタービン５４の入口は、燃焼ガスＦｇの合流による合流損失が出る。この合流損失は、燃焼ガスＦｇの速度の２乗に比例する。
【０１０７】
本実施形態は、ガスタービン５４の初段落の腹側外壁絞り流線３６と背側外壁絞り流線３８とを備えた静翼２８を適用し、腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の押圧力を利用して合流損失に伴って発生する逆流渦を低く抑えるようにしたものである。
【０１０８】
したがって、本実施形態では、静翼２８の前縁４１側の比較的翼高の高い空間を利用して燃焼ガスＦｇの圧力損失を回復させ、また静翼２８の後縁３９側の腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の押圧力を利用して逆流渦を抑えたので、トランジションピース５３からガスタービン５４に供給される燃焼ガスＦｇの圧力損失を低く抑えることができ、ひいてはガスタービン５４の燃焼効率を向上させることができる。
【０１０９】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る軸流タービンは、静翼のチップ部およびルート部の少なくとも一方に腹側外壁絞り流線、背側外壁絞り流線および腹側内壁絞り流線、背側内壁絞り流線のいずれかを形成するとともに、タービン軸の中心を通る半径に対し、背側外壁絞り流線の翼高を腹側外壁絞り流線の翼高よりも低くし、さらに、主流の流れ方向から観察したとき、背側外壁絞り流線の翼高を他方の隣りの静翼の腹側外壁絞り流線の翼高とほぼ同一に形成する一方、タービン軸の中心を通る半径に対し、背側内壁絞り流線の翼高を腹側内壁絞り流線の翼高よりも高く形成したので、各絞り流線の押圧力により二次流れに伴う二次流れ渦を抑制することができ、さらに一方の静翼の背側外壁絞り流線と他方の隣りの静翼の腹側外壁絞り流線との間に逆流渦を発生させることもない。
【０１１０】
したがって、本実施形態では、二次流渦を抑制するとともに、逆流渦の発生を防止しているので、静翼の翼効率を従来よりも飛躍的に向上させることができる。
【０１１１】
また、本実施形態では、静翼の整流域をダイヤフラム外輪側に広く膨出させているので、主流の圧力を回復させて主流の流れの安定化を図ることができる。
【０１１２】
また、本実施形態では、静翼の腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線に沿って流れる主流が動翼のチップ側に通り抜けないように動翼の翼高を設定しているので、動翼の翼効率を向上させることができる。
【０１１３】
また、本実施形態では、動翼のルート部の動翼腹側内壁線をタービン軸側に広く膨出させ、動翼腹側内壁線から流出する主流の押圧力を利用して二次流れ渦を抑制しているので、動翼の翼効率を従来よりも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る側外壁絞り流線の第１実施形態を示す概略図。
【図２】本発明に係る軸流タービンにおいて、主流の流れに交差した方向から観察した静翼の概略斜視図。
【図３】本発明に係る軸流タービンにおいて、後縁から観察した静翼の概略図。
【図４】本発明に係る軸流タービンにおいて、子午面から観察した静翼を、タービン軸の周方向に沿って平面展開をしたときの相関関係を示す図。
【図５】本発明に係る軸流タービンにおいて、静翼の翼列間を流れる二次流れの挙動を説明する図。
【図６】本発明に係る軸流タービンにおいて、静翼の腹側外壁絞り流線における翼高絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図７】本発明に係る軸流タービンにおいて、静翼の背側外壁絞り流線における翼高絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図８】本発明に係る軸流タービンの第２実施形態を示すもので、子午面から観察した静翼を、タービン軸の周方向に沿って平面展開をしたときの相関関係を示す図。
【図９】本発明に係る軸流タービンの第２実施形態において、静翼の腹側外壁絞り流線および腹側内壁絞り流線における翼高絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図１０】本発明に係る軸流タービンの第２実施形態において、静翼の背側外壁絞り流線および背側内壁絞り流線における翼高絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図１１】本発明に係る軸流タービンの第２実施形態において、静翼チップ部の絞り比および静翼ルート部の絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図１２】本発明に係る軸流タービンの第３実施形態を示す概略図。
【図１３】本発明に係る軸流タービンの第４実施形態を示す概略図。
【図１４】本発明に係る軸流タービンの第４実施形態において、主流の動翼チップ部の通り抜け防止比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図１５】本発明に係る軸流タービンの第５実施形態を示す概略図。
【図１６】本発明に係る軸流タービンの第６実施形態を示す概略図。
【図１７】従来の二次流れおよび二次流れ渦の発生・挙動を説明する図。
【図１８】従来の側外壁絞り流線を示す概略図。
【図１９】従来の軸流タービンにおいて、主流の流れに交差した方向から観察した静翼の概略斜視図。
【図２０】従来の軸流タービンにおいて、二次流れの挙動を説明する図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 入口境界層
２ａ，２ｂ 主流
３ａ，３ｂ，３ｃ 翼
４ａ，４ｂ 流路
５ａ，５ｂ 前縁
６ａ，６ｂ 渦
７ａ，７ｂ 腹側馬蹄型渦
８ａ，８ｂ，８ｃ 背側馬蹄型渦
９ａ，９ｂ，９ｃ 背側
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 後縁
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 腹側
１２ａ，１２ｂ 二次流れ
１３ａ，１３ｂ 流路渦
１４ 段落
１５ 静翼（ノズル）
１６ 動翼
１７ ダイヤフラム内輪
１８ ダイヤフラム外輪
１９ タービン軸
２０ シュラウド
２１ シールフィン
２２ 後縁
２３ 絞り壁面
２４ 腹側
２５ 背側
２６ 軸流タービン
２７ 段落
２８ 静翼（ノズル）
２９ 動翼
３０ ダイヤフラム内輪
３１ ダイヤフラム外輪
３２ タービン軸
３３ シュラウド
３４ シールフィン
３５ 腹側
３６ 腹側外壁絞り流線
３６ａ 腹側外壁絞り流線
３６ｂ 腹側内壁絞り流線
３７ 背側
３８ 背側外壁絞り流線
３８ａ 背側外壁絞り流線
３８ｂ 背側内壁絞り流線
３９ 後縁
４０ チップ部
４０ａ 静翼チップ部
４０ｂ 静翼ルート部
４１ 前縁
４２ 前縁
４３ シュラウド
４４ 植込み部
４５ 背側
４６ 動翼背側内壁線
４７ 動翼腹側内壁線
４８ 腹側
４９ 動翼チップ部
４９ａ 動翼ルート部
５０ 前縁
５１ 後縁
５２ ガスタービンプラント
５３ トランジションピース
５４ ガスタービン
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸流タービンに係り、特に環状列に配置する一方の翼と他方の隣りの翼との間に形成する流路に発生する二次流れに伴う二次流れ渦を抑制し、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】
軸流タービン、例えば蒸気タービン、ガスタービンでは、従来以上の熱効率向上の開発が進められており、熱効率を向上させる因子の一つに翼効率の向上がある。
【０００３】
しかし、翼効率の向上を阻害させる一つに、二次流れの発生に伴う二次流れ渦がある。
【０００４】
二次流れとは、作動流体（蒸気、燃焼ガス等であるが、以下主流と記す）が翼列間で形成する流路を通過する際、翼高中間部で翼形状に沿って流れるものの、翼チップ部（翼頂部）および翼ルート部（翼根本部）で翼高中間部を流れる主流に交差する方向に流れることをいう。この主流の交差流れは、一方の翼の腹側の圧力が他方の隣りの翼の背側の圧力よりも高くなっていることにより生じる。
【０００５】
主流が二次流れとなる場合、渦を伴うが、この渦は、図１７に示すように発生し、やがて成長する。すなわち、入口境界層１ａ，１ｂを伴った主流２ａ，２ｂは、翼３ａ，３ｂ，３ｃで形成する流路４ａ，４ｂに流入するとき、前縁５ａ，５ｂに衝突して渦６ａ，６ｂを発生する。
【０００６】
渦６ａ，６ｂは、腹側馬蹄型渦７ａ，７ｂと背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃとのそれぞれに分かれる。背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃのそれぞれは、負圧になっている翼３ａ，３ｂ，３ｃの背側９ａ，９ｂ，９ｃに沿って流れる間に流路４ａ，４ｂの境界層を巻き込んで次第に成長しながら後縁１０ａ，１０ｂ，１０ｃに流れる。
【０００７】
一方、腹側馬蹄型渦７ａ，７ｂは、正圧になっている翼３ａ，３ｂ，３ｃの腹側１１ａ，１１ｂ，１１ｃと負圧になっている隣りの翼３ｂ，３ｃの背側９ｂ，９ｃとの圧力差により二次流れ１２ａ，１２ｂとともに、隣りの翼３ｂ，３ｃの背側９ｂ，９ｃに向って流れるとき、流路４ａ，４ｂの境界層を巻き込んで大きく成長し、流路渦１３ａ，１３ｂとなってやがて背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃに合流する。
【０００８】
このように、主流２ａ，２ｂの翼３ａ，３ｂの前縁５ａ，５ｂでの衝突により発生する渦６ａ，６ｂは、腹側馬蹄型渦７ａ，７ｂと背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃとのそれぞれに分かれ、腹側馬蹄型渦７ａ，７ｂが大きく成長して流路渦１３ａ，１３ｂとなり、また背側馬蹄型渦８ａ，８ｂ，８ｃが背側９ａ，９ｂ，９ｃに沿って流れる間に大きく成長することを総称して二次流れ渦と称している。
【０００９】
この二次流れ渦は、流路４ａ，４ｂの壁面近くを通過する主流２ａ，２ｂの流線を乱し、翼３ａ，３ｂ，３ｃの翼効率を低下させる大きな原因になっている。このため、二次流れ渦を如何にして抑制するかは、翼効率を従来よりも飛躍的に向上させる課題になっていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
二次流れ渦を抑制する手段には、従来から数多く提案されている。例えば、特開昭５２−５４８０８号公報は、流路に隆起部または突起部を設け、一方の翼の腹側から他方の隣りの翼背側に向って流れる二次流れを抑制することにより主流の乱れを防止しているが、モデル試験で確認してみると、隆起部または突起部から新たな渦が発生しており、主流の乱れを効果的に防止するに至っていない。
【００１１】
また、特開昭５６−８８９０１号公報は、一方の翼と他方の隣りの翼との間で形成される流路に段差を設け、一方の翼の腹側から他方の隣りの翼の背側に流れる二次流れを抑制しようと試みているが、モデル試験で確認してみると、二次流れを充分に抑制するに至っていない。このため、一方の翼と他方の隣りの翼との圧力差に基づいて発生する流路渦は、依然として抑制できていない。
【００１２】
また、特開昭５８−１３３４０３号公報は、他方の隣りの翼の背側に沿って隆起部を備え、かつその隆起部のピーク高さをスロート（一方の翼の後縁から他方の隣りの翼の背側に向う投影線で、流路の最小通路面積）よりも下後側に位置させて流路渦の抑制を試みているが、モデル試験で確認していみると、流路渦を抑制するに至っていない。
【００１３】
【外１】
この技術は、図１８に示すように、主流Ｆの流れに沿って多数の段落１４を備えており、一つの段落１４を静翼（ノズル）１５と動翼１６とで構成する軸流タービンに関するものである。
【００１５】
静翼１５は、ダイヤフラム内輪１７とダイヤフラム外輪１８とで支持されてタービン軸１９に対し、周方向に環状列に配置されており、また動翼１６は、環状列に配置された静翼１５に対応させたタービン軸１９に植設する構成になっている。
【００１６】
また、動翼１６は、そのチップ部に、シュラウド２０とシールフィン２１とを備え、運転中に発生する振動をシュラウド２０で抑制するとともに、主流の通り抜けをシールフィン２１で防止する構成になっている。
【００１７】
このような構成を備える軸流タービンにおいて、図１８で示した学術文献では、静翼１５のチップ部にダイヤフラム外輪１８を静翼１５の後縁２２に向って絞り壁面２３を形成し、絞り壁面２３により以下の流力特性を阻害する要因を排除し、翼効率の向上を図ったものである。
【００１８】
（１）絞り壁面２３は、静翼１５のチップ部を流れる主流Ｆに増速流を与えるので、その壁面における境界層の発達と渦の生成を抑制する。
（２）絞り壁面２３は、主流Ｆの速度成分をダイヤフラム内輪１７に向わせるので、背側に沿って流れてくる背側馬蹄型渦および他方の隣りの静翼の腹側から流れてくる流路渦に押圧力を与えて二次流れ渦を抑制する。
（３）一般に、主流Ｆは、静翼１５の後縁２２から流出する際、動翼１６の遠心力を受けるためにダイヤフラム内輪１７側の圧力に較べ、ダイヤフラム外輪１８側の圧力が高くなっている。しかし、この学術文献では、絞り壁面２３により主流Ｆの速度成分をダイヤフラム内輪１７側に向わせる方向に生成し、ダイヤフラム内輪１７側の圧力を高めるようにしているので、主流Ｆが静翼１５の後縁２２を流出する際、その流線を圧力バランスさせている。このため、主流Ｆは、動翼１６のシュラウド２０やシールフィン２１に向う流れが少なくなり、その漏洩２失が低減でき、翼効率を向上させることができる。
【００１９】
このような優れた点は、モデル試験装置でも確認することができた。
【００２０】
しかし、同時に行った流れの可視化による主流Ｆの流れを観察したところ、静翼１５の背側の絞り壁面２３に、破線で示す主流Ｆの逆流渦Ｒｎが発生していることが確認された。また、動翼１６のチップ部の腹側２４にも、静翼１５の背側の逆流渦Ｒｎの影響を受け、図示の実線で示すように、主流Ｆの逆流渦Ｒｂが発生していた。
【００２１】
この逆流渦Ｒｎの発生原因を子細に考察すると、一方の静翼１５ａと他方の隣りの静翼１５ｂとは、ともに同一寸法で作製していても、図１９に示すように、一方の静翼１５ａの後縁２２を、Ｘ軸と平行に、かつＺ軸に向う主流Ｆと準直交する方向に向って他方の隣りの静翼１５ｂの背側２５に投影してみると、そのスロートＳに対し、他方の隣りの静翼１５ｂの背側２５の方がＹ軸に向って高さＨ0 だけ高くなっている。この高さの相違は、主流Ｆの上流側に向って高さＨ1 と異にしながら絞り壁面２３の開始点Ｔまで続き、一方の静翼１５ａのチップ部と他方の隣りの静翼１５ｂのチップ部との間に二点鎖線で囲む略三角形状の空間領域を形成する。空間領域のうち、一方の静翼１５ａの後縁２２から他方の隣りの静翼１５ｂの背側２５に向って投影するスロートＳの前後の位置は、図２０に示すように、一番大きな空間領域Ａになっている。このため、スロートＳの前後を通過する主流Ｆは、その流速および圧力（静圧）が他方の隣りの静翼１５ｂの後縁２２を流出するときに較べて低下しており、空間領域Ａでの境界層の剥離がし易い状態になっている。
【００２２】
このような状態において、二次流れＦｓが一方の静翼１５ａの腹側２４から他方の隣りの静翼１５ｂの背側２５に圧力差に基づいて流れるとき、空間領域Ａの境界層を巻き込み、その際、逆流渦Ｒｎを発生させると考えられる。
【００２３】
逆流渦Ｒｎの発生は、それ自身により主流Ｆの流線を乱すことに止まらず、いわゆるコロの作用もするので、二次流れＦｓの成長を増長させ、翼効率を低下させる。また、逆流渦Ｒｎの一部を伴った主流Ｆは、一方の静翼１５ａと他方の隣りの静翼１５ｂとで形成する流路を流出してからも、その速度成分がダイヤフラム内輪１７側に向う成分として依然として残っているので、図１８に示すように、動翼１６のチップ部にも、そのまま流れて逆流渦Ｒｂを生じさせる。このため、動翼１６の翼効率を低下させていた。
【００２４】
このように、学術文献に発表した図１８で示す従来の軸流タービンでは、静翼１５のチップ部に絞り壁面２３を形成し、静翼１５の後縁２２から流出する主流Ｆの速度成分をダイヤフラム内輪１７側に向わせ、その速度成分に基づく押圧力により二次流れＦｓの成長を抑制できても、図１８、図２０に示すように、一方の静翼１５ａと他方の静翼１５ｂとの翼高さの相違に基づく逆流渦Ｒｎ，Ｒｂを発生させるため、結果として翼効率の飛躍的向上にはつながらなかった。これら逆流渦Ｒｎ，Ｒｂの大小は、単に絞り壁面２３の長さだけに止まらず、翼の設計に当り、翼の軸コード、翼高さなどの形状にも影響を与えるものであり、理論上、翼の形状を主流Ｆの流線に沿う三次元設計にしても、予測もしなかった逆流渦Ｒｎ，Ｒｂの発生のために、翼効率の飛躍的向上を図ることができず、翼を適正形状に設計する際、困難を来していた。
【００２５】
本発明は、このような背景に基づいてなされたもので、子午面から観察して翼に絞り流路壁を形成するものを採用する場合、絞り流路壁で発生する逆流渦や境界層剥離を抑制することにより翼効率の飛躍的向上を図った軸流タービンを提供することを目的とする。
【００２６】
【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、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、静翼と動翼を組み合せた段落をタービン軸の軸方向に沿って配置する一方、上記静翼を上記タービン軸の周方向に沿って環状列に配置し、上記動翼を、環状列に配置した上記静翼に対応させて配置した軸流タービンにおいて、上記静翼のチップ部に、タービン軸に向って凸状に湾曲する腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線を形成し、タービン軸の中心を通る半径に対し、上記背側外壁絞り流線の翼高を、上記腹側外壁絞り流線の翼高よりも低くするとともに、一方の静翼の背側外壁絞り流線の翼高を、他方の隣りの静翼の腹側外壁絞り流線の翼高にするように形成し、かつ子午面から観察した上記静翼を、上記タービン軸の周方向に沿って平面展開し、上記他方の隣りの静翼の後縁を点Ｐｅとし、その点Ｐｅから上記一方の静翼の背側に内接円を画き、そのスロートの交点Ｓｅとし、その交点Ｓｅから他方の隣りの静翼の腹側に真直ぐに延びた直線の交点Ｐｉとし、その交点Ｐｉから上記一方の静翼の背側に内接円を画き、その接点Ｓｉとし、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉのそれぞれを、腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線の点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれに対応させ、各点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれがタービン軸の中心を通る半径Ｒ pit ，Ｒ set ，Ｒ pit ，Ｒ sit とするとき、腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線の翼高絞り比を、
【数６】
１．０≦Ｒｓｉｔ／Ｒｓｅｔ＜Ｒｐｉｔ／Ｒｐｅｔ≦１．４
かつ、０．８≦Ｒｓｅｔ／Ｒｐｅｔ＜Ｒｐｉｔ＜Ｒｐｅｔ
の範囲に設定したものである。
【００２８】
本発明に係る軸流タービンは、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、一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路を、整流域と増速転向域とに区分けし、静翼の前縁から後縁までの軸コードをＣｘとし、上記増速転向域の上記後縁からの長さをＣｂとし、上記整流域の長さをＣａとするとき、上記整流域の長さＣａおよび上記増速転向域の長さＣｂのそれぞれは、
【数７】
Ｃｂ＝Ｃｘ／２
Ｃａ≧Ｃｘ／２
に設定したものである。
【００２９】
本発明に係る軸流タービンは、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、一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路を、整流域と増速転向域に区分けする一方、上記整流域を静翼を支持するダイヤフラム外輪側に向って凸状の湾曲に形成したものである。
【００３０】
本発明に係る軸流タービンは、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、前記静翼の後縁から見ると、腹側外壁絞り流線と背側外壁絞り流線とを互いに結ぶチップ部がジグザグ状に形成されてなるものである。
【００３１】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路は、前記一方の静翼の背側表面と前記他方の隣りの静翼の腹側表面を長片とし、ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪を短片とする長方形状に形成したものである。
【００３２】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、静翼と動翼を組み合せた段落をタービン軸の軸方向に沿って配置する一方、上記静翼を上記タービン軸の周方向に沿って環状列に配置し、上記動翼を、環状列に配置した上記静翼に対応させて配置した軸流タービンにおいて、上記静翼のチップ部に、タービン軸に沿って凸状に湾曲する腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線を形成し、タービン軸の中心を通る半径に対し、上記背側外壁絞り流線の翼高を、上記腹側外壁絞り流線の翼高よりも低くするとともに、一方の静翼の背側外壁絞り流線の翼高が、他方の隣りの静翼の腹側絞り流線の翼高に一致するよう形成する一方、上記静翼のルート部に、ダイヤフラム外輪に向って凸状に湾曲する腹側内壁絞り流線および背側内壁絞り流線のそれぞれを形成し、かつ子午面から観察した静翼を、タービン軸の周方向に沿って平面展開し、前記他方の隣りの後縁を点Ｐｅとし、その点Ｐｅから前記一方の静翼の背側に内接円を画き、そのスロートの交点Ｓｅとし、その交点Ｓｅから前記他方の隣りの静翼の腹側に真直ぐ延びた直線の交点Ｐｉとし、その交点Ｐｉから前記一方の静翼の背側に内接円を画き、その接点Ｓｉとし、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉのそれぞれを、前記腹側外壁絞り流線および前記背側外壁絞り流線の点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれに対応させる一方、前記腹側内壁絞り流線および前記背側内壁絞り流線の点Ｐ er ，Ｓ er ，Ｐ ir ，Ｓ ir のそれぞれに対応させ、各点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it ，Ｐ er ，Ｓ er ，Ｐ ir ，Ｓ ir のそれぞれがタービン軸の中心を通る半径Ｒ pit ，Ｒ set ，Ｒ pit ，Ｒ sit ，Ｒ per ，Ｒ ser ，Ｒ pir ，Ｒ sir とするとき、前記腹側外壁絞り流線、前記腹側内壁絞り流線、前記背側外壁絞り流線、前記背側内壁絞り流線の翼高絞り比を、
【数８】
１．０≦（Ｒｓｉｔ−Ｒｓｉｒ）／（Ｒｓｅｔ−Ｒｓｅｒ）＜
（Ｒｐｉｔ−Ｒｐｉｒ）／（Ｒｐｅｔ−Ｒｓｅｒ）≦１．４
かつ、０．８≦（Ｒｓｅｔ−Ｒｓｅｒ）／（Ｒｐｅｔ−Ｒｐｅｒ）＜
（Ｒｐｉｔ−Ｒｐｉｒ）／（Ｒｐｅｔ−Ｒｓｅｒ）
の範囲に設定したものである。
【００３４】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、静翼の前縁から後縁までの軸コードをＣｘとし、前縁の腹側外壁絞り流線の翼高から後縁の腹側外壁絞り流線の翼高を引いた値をΔＬｔとし、前縁の腹側内壁絞り流線の翼高から後縁の腹側内壁絞り流線の翼高を引いた値をΔＬｒとするとき、静翼チップ部の絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部の絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれは、
【数９】
０≦ΔＬｔ／Ｃｘ≦０．５
０≦ΔＬｒ／Ｃｘ≦０．５
ΔＬｔ／Ｃｘ≧ΔＬｒ／Ｃｘ
に設定したものである。
【００３５】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、請求項１ないし７のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、上記腹側外壁絞り流線の後縁における接線および上記背側外壁絞り流線の後縁における接線が、ともに動翼の翼高の範囲に収まるものである。
【００３６】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、シュラウドから植込部までの動翼の翼高をＨｂとし、静翼の腹側外壁絞り流線の後縁における接線を上記動翼の前縁に交差させる点が上記シュラウドからの高さΔＨｐとし、上記静翼の背側外壁絞り流線の後縁における接線を上記動翼の前縁に交差させる点が上記シュラウドからの高さΔＨｓとするとき、主流の上記シュラウドへの通り抜け防止比ΔＨｐ／ＨｂおよびΔＨｓ／Ｈｂのそれぞれは、
【数１０】
０．０≦Ｈｓ／Ｈｂ≦ΔＨｐ／Ｈｂ≦０．１
の範囲に設定したものである。
【００３７】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、請求項１ないし９のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、上記動翼ルート部の動翼背側内壁線をタービン軸に平行に形成したものである。
【００３８】
本発明に係る軸流タービンは、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、請求項１ないし１０のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、前記静翼をガスタービンの初段落に組み込んだものである。
【００３９】
【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を図面を参照して説明する。
【００４０】
図１は、本発明に係る軸流タービンの第１実施形態を、子午面から観察した概略図である。なお、図１は、本発明に係る軸流タービンを、蒸気タービンに適用する一例示である。軸流タービン２６は、主流Ｆの流れに沿って多数の段落２７を備えており、一つの段落２７に静翼（ノズル）２８と動翼２９とを組み合せた構成になっている。
【００４１】
静翼２８は、ダイヤフラム内輪３０とダイヤフラム外輪３１とで支持され、タービン軸３２に対し、周方向に環状列に配置されており、また動翼２９は、環状列に配置された静翼２８に対応させてタービン軸３２に植設されている。
【００４２】
また、動翼２９は、そのチップ部（翼頂部）にシュラウド３３とシールフィン３４とをそれぞれ備え、運転中に発生する振動をシュラウド３３で抑制するとともに、主流Ｆの通り抜けをシールフィン３４で防止するようになっている。
【００４３】
一方、ダイヤフラム内輪３０とダイヤフラム外輪３１とで支持される静翼２８は、その腹側３５がダイヤフラム外輪３１に接触する部分を腹側外壁絞り流線３６とし、またその背側３７がダイヤフラム外輪３１に接触する部分を背側外壁絞り流線３８とするとき、腹側外壁絞り流線３６を、図示の実線で示すように、静翼２８の中間部分から後縁３９までをタービン軸３２の中心Ｏに向って凸状の湾曲に形成するようになっている。
【００４４】
また、腹側外壁絞り流線３６と背側外壁絞り流線３８とは、腹側外壁絞り流線３６の任意に選んだ位置からタービン軸３２の中心Ｏまでの半径Ｒｓとし、また背側外壁絞り流線３８の任意に選んだ位置からタービン軸３２の中心Ｏまでの半径Ｒｂとした場合、その翼高相対関係を、常にＲｓ＞Ｒｂを維持しつつ湾曲に形成し、後縁３９でその半径Ｒｓ，Ｒｂを互いに一致させるようになっている。また、主流Ｆの流れに対して交差する方向から観察したときの静翼２８同士は、図２に示すように、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側外壁絞り流線３６ｂと、一方の静翼２８ａの二点鎖線で示す背側外壁絞り流線３８ａとを比較した場合、一方の静翼２８ａの背側外壁絞り流線３８ａの方が高さＨだけ高くなっていた従来の翼高相対関係に対し、本実施形態の翼高相対関係は、一方の静翼２８ａの背側外壁絞り流線３８の翼高を実線で示す背側外壁絞り流線３８ａ1 の翼高まで高さＨだけ下げ、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側内壁絞り流線３６ｂの翼高にほぼ一致させたものである。つまり、図１９で示した従来の静翼１５では、腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線ともに、タービン軸の中心を通る半径に対して同一翼高であったが、本実施形態では、一方の静翼２８ａの背側外壁絞り流線３８ａ1 の翼高のみを従来よりも下げて他方の隣りの静翼２８ｂの腹側内壁絞り流線３６ｂの翼高にほぼ一致させたものである。なお、他方の隣りの静翼２８ｂも、上述と同様に、二点鎖線で示す背側内壁絞り流線３８ｂの翼高を、実線で示す背側内壁絞り流線３８ｂ1 の翼高まで高さＨだけ下げている。
【００４５】
また、本実施形態は、主流Ｆの流れに交差する方向から観察したとき、一方の静翼２８ａの背側外壁絞り流線３８ａ1 の翼高のみを高さＨだけ下げるとともに、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側内壁絞り流線３６ｂの翼高とほぼ一致させたものであるが、静翼２８ａ，２８ｂの後縁３９ａ，３９ｂから観察すると、図３に示すように、腹側外壁絞り流線３６ａ，３６ｂと背側外壁絞り流線３８ａ1 ，３８ｂ1 とを互いに結ぶチップ部４０が傾斜状になる。これに伴って静翼２８ａ，２８ｂを支持するダイヤフラム外輪３１は、その形状がジグザグ状に形成される。
【００４６】
一方、腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８のそれぞれの具体的な翼高絞り比の寸法を、図４を参照して説明する。
【００４７】
図４は、子午面から観察したときの静翼２８を、タービン軸の周方向で平面展開したときの相関関係を示している。
【００４８】
静翼２８は、主流Ｆに対し、整流域ＣＡと増速転向域ＣＢとに区分けされており、後縁３９を基準とする軸コードをＣｘとするとき、増速転向域ＣＢの長さＣｂをＣｂ＝Ｃｘ／２に、また整流域ＣＡの長さＣａをＣａ≧Ｃｘ／２にそれぞれ設定される。整流域ＣＡの長さＣａをＣａ≧Ｃｘ／２としたのは、例えば蒸気タービンの場合、蒸気の衝撃力に対し前縁４１の剛性力を増すために延長する場合があるからである。
【００４９】
また、他方の隣りの静翼２８ｂの後縁３９ｂを点Ｐｅとし、一方の静翼２８ａの背側３７ａとの間に内接円を画き、そのスロートＳ1 （主流が流路を通過する最小通路部）との交点Ｓｅとし、交点Ｓｅから他方の隣りの静翼２８ｂの腹側３５ｂに向って真直ぐに延びる直線Ｓ2 の交点Ｐｉとし、交点Ｐｉから静翼２８ａの背側３７ａへの内接円を画き、その接点Ｓｉとするとき、各点Ｐｅ，Ｐｉ，Ｓｉは、子午面から観察した静翼２８ａの腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の点Ｐet，Ｓet，Ｐit，Ｓitのそれぞれに対応する。
【００５０】
この場合、Ｐet，Ｓet ，Ｐit，Ｓitのそれぞれのタービン軸の中心を通る半 径Ｒpet ，Ｒset ，Ｒpit ，Ｒsit とするとき、静翼２８の腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の翼高絞り比は、
【数１１】
【００５１】
次に作用を説明する。
【００５２】
一方の静翼２８ａと他方の隣りの静翼２８ｂとで形成する流路ＦＰに流入した主流Ｆは、整流域ＣＡを通過する際、圧力を回復させてその流れを一様化する。さらに、増速転向域ＣＢに沿って流れる主流Ｆは、周方向（タービン軸周方向）の速度成分を伴うためダイヤフラム外輪３１の側の圧力を高めようとするが、腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の押圧力により翼中央に圧力バランスさせる。さらにまた、腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の押圧力は、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側３５ｂから一方の静翼２８ａの背側３７ａに向って流れる二次流れに伴う二次流れ渦を抑制する。
【００５３】
また、流路ＦＰは、一方の静翼２８ａの背側側外壁絞り流線３８の翼高を、他方の隣りの静翼２８ｂの腹側外壁絞り流線３６の翼高にほぼ一致させ、図５で示すように、長方形に形成したので、図２０で示した従来の空間領域Ａがなくなり、このため二次流れＦｓの境界層の巻き込みに伴う逆流渦Ｒｎの発生を防止する。
【００５４】
したがって、本実施形態では、主流Ｆの二次流れ渦の抑制と逆流渦Ｒｎの発生を防止したので、翼効率を従来よりも飛躍的に向上させることができる。
【００５５】
また、本実施形態では、増速転向域ＣＢでの逆流渦Ｒｎの発生を防止し、その逆流渦Ｒｎを伴う主流Ｆの動翼２９に与える影響をなくしたので、動翼２９の翼効率も向上させることができる。
【００５６】
図６は、図４で示した点Ｐitから点Ｐetにおける腹側外壁絞り流線３６の翼高絞り比Ｒpit ／Ｒpet の翼効率と、従来の翼高絞り比１．０の場合の翼効率を比較したグラフである。
【００５７】
図６からも理解できるように、翼高絞り比Ｒpit ／Ｒpet が１．０を超えると、主流Ｆが増速するために翼壁面損失が少なくなり、翼効率を向上させるが、翼高絞り比が１．４を超えると翼効率を悪くさせる。これは、主流Ｆが後縁３９から流出する際、腹側外壁絞り流線３６により生成された翼中央に向う速度成分が未だ残っており、この速度成分の影響を受けて翼効率を低下させると考えられる。
【００５８】
図７は、図４で示した点Ｐitから点Ｐetにおける腹側外壁絞り流線３６の翼高絞り比Ｒpit ／Ｒpet＝１．２にした場合の点Ｓetから点Ｐetにおける背側外壁 絞り流線３８の翼高絞り比Ｒset ／Ｒpet の翼効率と、従来の翼効率とを比較したグラフである。
【００５９】
翼高絞り比Ｒset ／Ｒpetが０．８〜１．２の範囲内で従来の翼効率よりも著 しく向上するのは、図２０で示した空間領域Ａがなくなり、二次流れＦｓの境界層の巻き込みに伴う逆流渦Ｒｎの発生を防止したことによると考えられる。なお、翼高絞り比Ｒpit ／Ｒset を、１．０≦Ｒpit ／Ｒset ≦１．４の範囲に設定しておけば、翼効率は、上述と同様な好結果を得ることができる。
【００６０】
図８は、本発明に係る軸流タービンの第２実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一部分には、同一符号を付す。また、図８も、図４と同様に、子午面から観察した静翼２８を、タービン軸の周方向で平面展開したときの相関関係を示している。
【００６１】
本実施形態は、静翼２８のチップ部（翼頂部）およびルート部（翼根本部）の両方に、腹側外壁絞り流線３６ａ、腹側内壁絞り流線３６ｂおよび背側外壁絞り流線３８ａ、背側内壁絞り流線３８ｂをそれぞれ形成するとともに、背側外壁絞り流線３８ａの翼高を、腹側外壁絞り流線３６ａの翼高よりも下げ、また背側内壁絞り流線３８ｂを腹側内壁絞り流線３６ｂよりも翼高を高くしたものである。
【００６２】
子午面で観察した静翼２８を、タービン軸の周方向に沿って平面展開した場合、他方の隣りの静翼２８ｂの後縁３９ｂを点Ｐｅとし、一方の静翼２８ａの背側３７ａとの間に内接縁を画き、そのスロートＳ1 との交点Ｓｅとし、交点Ｓｅから他方の隣りの静翼２８ｂの腹側３５ｂに向って真直ぐ延びる直線Ｓ2 の交点Ｐｉとし、交点Ｐｉから一方の静翼２８ａの背側３７ａへの内接円を画き、その接点Ｓｉとするとき、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉは、ダイヤフラム外輪３１の側の腹側外壁絞り流線３６ａ上の点Ｐet，点Ｐitに、また背側外壁絞り流線３８ａ上の点Ｓet，点Ｓitに対応する。
【００６３】
また、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉは、ダイヤフラム内輪３０の側の腹側内壁絞り流線３６ｂ上の点Ｐer，点Ｐirに、さらに背側内壁絞り流線３８ｂ上の点Ｓer，点Ｓirにそれぞれ対応する。
【００６４】
この場合、各点Ｐet，Ｐit，Ｓet，Ｓit，Ｐer，Ｐir，Ｓer，Ｓirのそれぞれのタービン軸の中心を通る半径Ｒpet ，Ｒpit ，Ｒset ，Ｒsit ，Ｒper ，Ｒpir ，Ｒser ，Ｒsir とするとき、各点における静翼２８の腹側外壁絞り流線３６ａおよび背側外壁絞り流線３６ｂと、背側外壁絞り流線３８ａおよび背側内壁絞り流線３８ｂとの翼高絞り比は、
【数１２】
【００６５】
また、静翼２８の軸コードをＣｘとし、前縁４１の外周壁半径から後縁３９の外周壁半径を引いた値ΔＬｔ，前縁４１の内周壁半径から後縁３９の内周壁半径を引いた値ΔＬｒとするとき、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼チップ部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれは、
【数１３】
【００６６】
また、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘと静翼チップ部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘとは、
【数１４】
ΔＬｔ／Ｃｘ≧ΔＬｒ／Ｃｘ
の関係式を満たすように設定される。
【００６７】
次に作用を説明する。
【００６８】
静翼２８の腹側３５ｂを流れる主流Ｆは、腹側外壁絞り流線３６ａの入口点から点Ｐitおよび腹側内壁絞り流線３６ｂの入口点から点Ｐerの間で増速転向され、その際その速度ベクトルを翼高中央に向わせる。
【００６９】
また、静翼２８の背側３７ａを流れる主流Ｆも、上述と同様に背側外壁絞り流線３８ａの点Ｓitから点Ｓetおよび背側内壁絞り流線３８ｂの点ＳirからＳerの間で増速転向され、その速度ベクトルを翼高中央に向わせる。
【００７０】
このように、腹側３５ｂおよび背側３７ａのそれぞれを流れる主流Ｆは、その速度ベクトルを翼高中央に向わせて流れている間に、圧力差に基づいて腹側３５ｂから背側３７ａに向って流れる二次流れに伴う二次流れ渦を押圧して抑制する。さらに、主流Ｆは、腹側外壁絞り流線３６ａおよび腹側内壁絞り流線３６ｂのそれぞれの点Ｐit，点Ｐet，点Ｐir，点Ｐerで囲われる領域、および背側外壁絞り流線３８ａおよび背側内壁絞り流線３８ｂのそれぞれの点Ｓet，点Ｐet，点Ｓer，点Ｐerで囲われる領域で、今迄、翼高中央に向わせていた速度ベクトルをほぼゼロにさせてタービン軸に平行な速度ベクトルに修正して動翼２９に案内される。
【００７１】
したがって、本実施形態では、腹側３５ｂおよび背側３７ａのそれぞれの腹側外壁絞り流線３６ａ、腹側内壁絞り流線３６ｂ、背側外壁絞り流線３８ａ、背側内壁絞り流線３８ｂの両側から主流Ｆに押圧力を与えているので、二次流れに伴う二次流れ渦をより一層抑制することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、静翼チップ部４０ａの絞り比を、静翼ルート部４０ｂのそれと同等もしくは大きくし、静翼チップ部４０ａの側を流れる主流Ｆの速度ベクトルを翼高中央に向わせるように強化しているので、翼高中央に主流Ｆがより多く集められ、翼効率を向上させることができる。
【００７３】
また、本実施形態では、主流Ｆを後縁３９から流出させる際、その速度ベクトルをタービン軸に平行にさせているので、主流Ｆの動翼２９への流入に際し、動翼２９の翼効率を向上させることができる。
【００７４】
図９は、図８で示した点Ｐit，点Ｐir，点Ｐet，点Ｐerにおける腹側外壁絞り流線３６ａおよび腹側内壁絞り流線３６ｂの翼高絞り比（Ｒpit −Ｒpir ）／（Ｒpet −Ｒper ）の翼効率と、従来の翼高絞り比１．０の場合の翼効率とを比較したグラフである。
【００７５】
図９からも理解できるように、主流Ｆは、腹側外壁絞り流線３６ａおよび腹側内壁絞り流線３６ｂの両側から押圧力を受け、その速度ベクトルを翼高中央に向わせるようにしているので、翼効率を著しく向上させている。
【００７６】
図１０は、図８で示した点Ｓet，点Ｓer，点Ｐet，点Ｐerにおける背側外壁絞り流線３８ａおよび背側内壁絞り流線３８ｂの翼高絞り比（Ｒset −Ｒser ）／（Ｒpet −Ｒper ）の翼効率と、従来の翼効率とを比較したグラフである。
【００７７】
本実施形態に係る翼効率を、従来に較べて著しく向上させることができたのは、図２０で示した空間領域Ａがなくなり、これに伴って二次流れＦｓの境界層の巻き込みによる逆流渦Ｒｎの発生を防止させたためによるものと考えられる。
【００７８】
図１１は、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれの翼効率と従来の翼効率とを比較したグラフである。
【００７９】
主流Ｆは、腹側外壁絞り流線３６ａ，３６ｂおよび背側外壁絞り流線３８ａ，３８ｂに沿って流れるとき、増速流となり、また各絞り流線３６ａ，３６ｂ，３８ａ，３８ｂから受ける押圧力により二次流れに伴う二次流れ渦を抑制するので、翼効率を向上させる。
【００８０】
しかし、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれが０．１を超えると、後縁３９の下流側に縮流の影響が残り、主流Ｆが動翼２９に案内されるときには、動翼２９に境界層剥離を発生させ、これに伴って逆流渦を発生させるため動翼２９の翼効率を低下させる。このため、本実施形態では、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘを０〜０．５の範囲内に設定したものである。
【００８１】
また、静翼チップ部４０ａの絞り比ΔＬｔ／Ｃｘと静翼ルート部４０ｂの絞り比ΔＬｒ／Ｃｘとの関係を、ΔＬｔ／Ｃｘ＞ΔＬｒ／Ｃｘとしたのは、腹側外壁絞り流線３６ａ、腹側内壁絞り流線３６ｂから主流Ｆに与える押圧を、背側外壁絞り流線３８ａおよび背側内壁絞り流線３８ｂから主流Ｆに与える押圧力よりも相対的に高くして後縁３９から流出する主流Ｆの旋回流れを少なくし、静翼チップ部４０ａ側の圧力上昇を低く抑え、主流Ｆの動翼チップ部への通り抜けを防止するためである。
【００８２】
図１２は、本発明に係る軸流タービンの第３実施形態を示す概略図である。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。
【００８３】
本実施形態は、整流域ＣＡにおける腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８を、ともにダイヤフラム外輪３１に向って凸状の湾曲に形成したものである。
【００８４】
本実施形態は、整流域ＣＡをタービン軸の半径方向に向って拡大させて主流Ｆの圧力を回復させるようにしているので、静翼２８の入口を最初から拡大することが困難な、例えば蒸気タービン高中圧部の中間段落に適用すると有効である。
【００８５】
図１３は、本発明に係る軸流タービンの第４実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部品と同一部分には、同一符号を付す。
【００８６】
本実施形態は、静翼２８の後縁３９から流出する主流Ｆの動翼２９のチップ部への通り抜けを防止させたものである。
【００８７】
静翼２８における腹側外壁絞り流線３６の点Ｐetから延長した接線Ｐと動翼２９の前縁４２との交点Ｐ1 とし、その交点Ｐ1 から動翼２９のシュラウド４３までの高さをΔＨｐとし、また、静翼２８における背側外壁絞り流線３８の点Ｐetから延長した接線ｑと動翼２９の前縁４２との交点ｑ1 とし、その交点ｑ1 から動翼２９のシュラウド４３までの高さをΔＨｓとし、動翼２９のシュラウド４３からのその植込み部４４までの翼高Ｈｂとするとき、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂのそれぞれは、
【数１５】
【００８８】
一般に、腹側外壁絞り流線３６に沿って流れる主流Ｆｐと背側外壁絞り流線３８に沿って流れる主流Ｆｓとは、その流れの方向を異にする。腹側外壁絞り流線３６に沿って流れる主流Ｆｐは、後縁３９から流出するとき、動翼２９の植込み部４４に向うのに対し、背側外壁絞り流線３８に沿って流れる主流Ｆｓは、後縁３９から流出するとき、動翼２９のシュラウド４３に向うため、主流Ｆの動翼２９に対する通り抜けを発生させる。
【００８９】
しかし、本実施形態では、腹側外壁絞り流線３６の翼高絞り比を、背側外壁絞り流線３８の翼高絞り比より大きする一方、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂのそれぞれを０．０〜０．１の範囲に設定しているので、主流Ｆの動翼に対する通り抜けを確実に防止することができ、動翼２９の翼効率を向上させることができる。
【００９０】
ちなみに、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂを０．０〜０．１の範囲内に変化させた場合の動翼２９の翼効率に与える影響を、図１４を参照して説明する。
【００９１】
図１４は、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂを０．０５に固定し、背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂを０．０〜０．０５に変化させた場合、および背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂを０．０５に固定し、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂを０．０〜０．０５に変化させた場合の翼効率を示している。
【００９２】
図１４からも理解できるように、本実施形態に係る腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂを０．０〜０．１の範囲内に変化させた場合、動翼２９の翼効率を著しく向上させている。なお、本実施形態では、腹側外壁絞り流線３６における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｐ／Ｈｂおよび背側外壁絞り流線３８における主流Ｆの動翼チップ部通り抜け防止比ΔＨｓ／Ｈｂのいずれか一方を０．０５に固定し、他方を変化させた動翼２９の翼効率であるが、０．０２〜０．０８の範囲内で一方を固定し、他方を変化させても動翼２９の翼効率を向上させることが実験で確認されている。
【００９３】
このように、動翼２９の翼効率が著しく向上するのは、ΔＨｓ／Ｈｂ≦ΔＨｐ／Ｈｂ、つまり腹側外壁絞り流線３６の翼高絞り比の方が背側外壁絞り流線３８のそれより大きくしているために、動翼２９の植込み部４４に向う主流Ｆの押圧力が相対的に高くなっていることによるものと考えられる。
【００９４】
図１５は、本発明に係る軸流タービンの第５実施形態を示す概略図である。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す。
【００９５】
本実施形態は、静翼２８の整流域ＣＡにおける腹側外壁絞り流線３６ａ、腹側内壁絞り流線３６ｂおよび背側外壁絞り流線３８ａ、背側内壁絞り流線３８ｂを、ともにダイヤフラム外輪３１に向って凸状の湾曲に形成する一方、動翼ルート部４９ａの背側４５を、破線で示すように、タービン軸に平行に形成する動翼背側内壁線４６とするとき、この動翼背側内壁線４６に対し、動翼腹側内壁線４７を前縁５０から後縁５１に亘ってタービン軸に向って凸状の湾曲に形成するとともに、動翼２９の腹側４８および背側４５の動翼チップ部４９も前縁５０から後縁５１に亘ってタービン軸に向って凸状の湾曲に形成したものである。なお、符号ＢＳは、動翼２９の後縁５１のスロートである。
【００９６】
次に作用を説明する。
【００９７】
静翼２８の後縁３９から流出する主流Ｆが、動翼チップ部４９の背側４５および腹側４８のそれぞれに流千Ｆpts ，Ｆbtp として流れるとき、タービン軸に向って凸状に形成された湾曲面に沿って流れるので、動翼２９の入口部における主流Ｆの圧力損失は低く抑えることができる。
【００９８】
一方、動翼背側内壁線４６に流千Ｆbrs として流れる主流Ｆと、動翼腹側内壁線４７に流線Ｆbrp として流れる主流Ｆのそれぞれは、背側４５の後縁５１および腹側４８の後縁５１を流出するとき交差する。
【００９９】
従来、動翼２９も、圧力差に起因してその腹側４８から他方の隣りの動翼の背側に向って二次流れが生じており、二次流れに伴って二次流れ渦が他方の隣りの動翼の背側に流れるため翼効率を低下させていた。
【０１００】
本実施形態は、流線Ｆbrp としての主流Ｆを、動翼２９の翼高方向に向わせているので、この主流Ｆの押圧力により二次流れ渦を抑制することができる。
【０１０１】
したがって、本実施形態では、流線Ｆbrp としての主流Ｆの押圧力により二次流れ渦を抑制しているので、動翼２９の翼効率を従来よりもより一層向上させることができる。
【０１０２】
図１６は、本発明に係る軸流タービンの第６実施形態を示す概略図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には、同一符号を付す。
【０１０３】
本実施形態は、第１実施形態に係る静翼２８をガスタービンプラント５２に適用したものである。
【０１０４】
ガスタービンプラント５２は、複数個、例えば８〜３２個の燃焼器（図示せず）を備え、燃焼器の個数に対応させたトランジションピース５３を介して一つのガスタービン５４に接続する構成になっている。
【０１０５】
また、トランジションピース５３は、その入口を燃焼器の出口形状に合せた円筒状の燃焼ガス通路に形成する一方、その出口をガスタービン５４の入口形状に合せた円環状の燃焼ガス通路に形成し、燃焼器で生成した燃焼ガスＦｇを静翼２８に案内して膨張仕事をさせるようになっている。
【０１０６】
一般に、複数個のトランジションピース５３から一つのガスタービン５４に燃焼ガスＦｇを供給する場合、ガスタービン５４の入口は、燃焼ガスＦｇの合流による合流損失が出る。この合流損失は、燃焼ガスＦｇの速度の２乗に比例する。
【０１０７】
本実施形態は、ガスタービン５４の初段落の腹側外壁絞り流線３６と背側外壁絞り流線３８とを備えた静翼２８を適用し、腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の押圧力を利用して合流損失に伴って発生する逆流渦を低く抑えるようにしたものである。
【０１０８】
したがって、本実施形態では、静翼２８の前縁４１側の比較的翼高の高い空間を利用して燃焼ガスＦｇの圧力損失を回復させ、また静翼２８の後縁３９側の腹側外壁絞り流線３６および背側外壁絞り流線３８の押圧力を利用して逆流渦を抑えたので、トランジションピース５３からガスタービン５４に供給される燃焼ガスＦｇの圧力損失を低く抑えることができ、ひいてはガスタービン５４の燃焼効率を向上させることができる。
【０１０９】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る軸流タービンは、静翼のチップ部およびルート部の少なくとも一方に腹側外壁絞り流線、背側外壁絞り流線および腹側内壁絞り流線、背側内壁絞り流線のいずれかを形成するとともに、タービン軸の中心を通る半径に対し、背側外壁絞り流線の翼高を腹側外壁絞り流線の翼高よりも低くし、さらに、主流の流れ方向から観察したとき、背側外壁絞り流線の翼高を他方の隣りの静翼の腹側外壁絞り流線の翼高とほぼ同一に形成する一方、タービン軸の中心を通る半径に対し、背側内壁絞り流線の翼高を腹側内壁絞り流線の翼高よりも高く形成したので、各絞り流線の押圧力により二次流れに伴う二次流れ渦を抑制することができ、さらに一方の静翼の背側外壁絞り流線と他方の隣りの静翼の腹側外壁絞り流線との間に逆流渦を発生させることもない。
【０１１０】
したがって、本実施形態では、二次流渦を抑制するとともに、逆流渦の発生を防止しているので、静翼の翼効率を従来よりも飛躍的に向上させることができる。
【０１１１】
また、本実施形態では、静翼の整流域をダイヤフラム外輪側に広く膨出させているので、主流の圧力を回復させて主流の流れの安定化を図ることができる。
【０１１２】
また、本実施形態では、静翼の腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線に沿って流れる主流が動翼のチップ側に通り抜けないように動翼の翼高を設定しているので、動翼の翼効率を向上させることができる。
【０１１３】
また、本実施形態では、動翼のルート部の動翼腹側内壁線をタービン軸側に広く膨出させ、動翼腹側内壁線から流出する主流の押圧力を利用して二次流れ渦を抑制しているので、動翼の翼効率を従来よりも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る側外壁絞り流線の第１実施形態を示す概略図。
【図２】本発明に係る軸流タービンにおいて、主流の流れに交差した方向から観察した静翼の概略斜視図。
【図３】本発明に係る軸流タービンにおいて、後縁から観察した静翼の概略図。
【図４】本発明に係る軸流タービンにおいて、子午面から観察した静翼を、タービン軸の周方向に沿って平面展開をしたときの相関関係を示す図。
【図５】本発明に係る軸流タービンにおいて、静翼の翼列間を流れる二次流れの挙動を説明する図。
【図６】本発明に係る軸流タービンにおいて、静翼の腹側外壁絞り流線における翼高絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図７】本発明に係る軸流タービンにおいて、静翼の背側外壁絞り流線における翼高絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図８】本発明に係る軸流タービンの第２実施形態を示すもので、子午面から観察した静翼を、タービン軸の周方向に沿って平面展開をしたときの相関関係を示す図。
【図９】本発明に係る軸流タービンの第２実施形態において、静翼の腹側外壁絞り流線および腹側内壁絞り流線における翼高絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図１０】本発明に係る軸流タービンの第２実施形態において、静翼の背側外壁絞り流線および背側内壁絞り流線における翼高絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図１１】本発明に係る軸流タービンの第２実施形態において、静翼チップ部の絞り比および静翼ルート部の絞り比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図１２】本発明に係る軸流タービンの第３実施形態を示す概略図。
【図１３】本発明に係る軸流タービンの第４実施形態を示す概略図。
【図１４】本発明に係る軸流タービンの第４実施形態において、主流の動翼チップ部の通り抜け防止比と翼効率との関係を示すグラフ。
【図１５】本発明に係る軸流タービンの第５実施形態を示す概略図。
【図１６】本発明に係る軸流タービンの第６実施形態を示す概略図。
【図１７】従来の二次流れおよび二次流れ渦の発生・挙動を説明する図。
【図１８】従来の側外壁絞り流線を示す概略図。
【図１９】従来の軸流タービンにおいて、主流の流れに交差した方向から観察した静翼の概略斜視図。
【図２０】従来の軸流タービンにおいて、二次流れの挙動を説明する図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ 入口境界層
２ａ，２ｂ 主流
３ａ，３ｂ，３ｃ 翼
４ａ，４ｂ 流路
５ａ，５ｂ 前縁
６ａ，６ｂ 渦
７ａ，７ｂ 腹側馬蹄型渦
８ａ，８ｂ，８ｃ 背側馬蹄型渦
９ａ，９ｂ，９ｃ 背側
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 後縁
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 腹側
１２ａ，１２ｂ 二次流れ
１３ａ，１３ｂ 流路渦
１４ 段落
１５ 静翼（ノズル）
１６ 動翼
１７ ダイヤフラム内輪
１８ ダイヤフラム外輪
１９ タービン軸
２０ シュラウド
２１ シールフィン
２２ 後縁
２３ 絞り壁面
２４ 腹側
２５ 背側
２６ 軸流タービン
２７ 段落
２８ 静翼（ノズル）
２９ 動翼
３０ ダイヤフラム内輪
３１ ダイヤフラム外輪
３２ タービン軸
３３ シュラウド
３４ シールフィン
３５ 腹側
３６ 腹側外壁絞り流線
３６ａ 腹側外壁絞り流線
３６ｂ 腹側内壁絞り流線
３７ 背側
３８ 背側外壁絞り流線
３８ａ 背側外壁絞り流線
３８ｂ 背側内壁絞り流線
３９ 後縁
４０ チップ部
４０ａ 静翼チップ部
４０ｂ 静翼ルート部
４１ 前縁
４２ 前縁
４３ シュラウド
４４ 植込み部
４５ 背側
４６ 動翼背側内壁線
４７ 動翼腹側内壁線
４８ 腹側
４９ 動翼チップ部
４９ａ 動翼ルート部
５０ 前縁
５１ 後縁
５２ ガスタービンプラント
５３ トランジションピース
５４ ガスタービン
Claims (11)
- 静翼と動翼を組み合せた段落をタービン軸の軸方向に沿って配置する一方、上記静翼を上記タービン軸の周方向に沿って環状列に配置し、上記動翼を、環状列に配置した上記静翼に対応させて配置した軸流タービンにおいて、上記静翼のチップ部に、タービン軸に向って凸状に湾曲する腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線を形成し、タービン軸の中心を通る半径に対し、上記背側外壁絞り流線の翼高を、上記腹側外壁絞り流線の翼高よりも低くするとともに、一方の静翼の背側外壁絞り流線の翼高を、他方の隣りの静翼の腹側外壁絞り流線の翼高に一致するように形成し、かつ子午面から観察した上記静翼を、上記タービン軸の周方向に沿って平面展開し、上記他方の隣りの静翼の後縁を点Ｐｅとし、その点Ｐｅから上記一方の静翼の背側に内接円を画き、そのスロートの交点Ｓｅとし、その交点Ｓｅから他方の隣りの静翼の腹側に真直ぐに延びた直線の交点Ｐｉとし、その交点Ｐｉから上記一方の静翼の背側に内接円を画き、その接点Ｓｉとし、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉのそれぞれを、腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線の点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれに対応させ、各点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれがタービン軸の中心を通る半径Ｒ pit ，Ｒ set ，Ｒ pit ，Ｒ sit とするとき、腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線の翼高絞り比を、
- 一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路を、整流域と増速転向域とに区分けし、静翼の前縁から後縁までの軸コードをＣｘとし、上記増速転向域の上記後縁からの長さをＣｂとし、上記整流域の長さをＣａとするとき、上記整流域の長さＣａおよび上記増速転向域の長さＣｂのそれぞれは、
- 一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路を、整流域と増速転向域に区分けする一方、上記整流域を静翼を支持するダイヤフラム外輪側に向って凸状の湾曲に形成したことを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
- 静翼を支持するダイヤフラム外輪は、前記静翼の後縁から見ると、腹側外壁絞り流線と背側外壁絞り流線とを互いに結ぶチップ部がジグザグ状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
- 一方の静翼と他方の隣りの静翼とで形成する流路は、前記一方の静翼の背側表面と前記他方の隣りの静翼の腹側表面を長片とし、ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪を短片とする前記一方の静翼の背側表面と前記他方の静翼の腹側表面を長片とし、ダイヤフラム内輪とダイヤフラム外輪を短片とする長方形状に形成したことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
- 静翼と動翼を組み合せた段落をタービン軸の軸方向に沿って配置する一方、上記静翼を上記タービン軸の周方向に沿って環状列に配置し、上記動翼を、環状列に配置した上記静翼に対応させて配置した軸流タービンにおいて、上記静翼のチップ部に、タービン軸に沿って凸状に湾曲する腹側外壁絞り流線および背側外壁絞り流線を形成し、タービン軸の中心を通る半径に対し、上記背側外壁絞り流線の翼高を、上記腹側外壁絞り流線の翼高よりも低くするとともに、一方の静翼の背側外壁絞り流線の翼高が、他方の隣りの静翼の腹側絞り流線の翼高に一致するよう形成する一方、上記静翼のルート部に、ダイヤフラム外輪に向って凸状に湾曲する腹側内壁絞り流線および背側内壁絞り流線のそれぞれを形成し、かつ子午面から観察した静翼を、タービン軸の周方向に沿って平面展開し、前記他方の隣りの後縁を点Ｐｅとし、その点Ｐｅから前記一方の静翼の背側に内接円を画き、そのスロートの交点Ｓｅとし、その交点Ｓｅから前記他方の隣りの静翼の腹側に 真直ぐ延びた直線の交点Ｐｉとし、その交点Ｐｉから前記一方の静翼の背側に内接円を画き、その接点Ｓｉとし、各点Ｐｅ，Ｓｅ，Ｐｉ，Ｓｉのそれぞれを、前記腹側外壁絞り流線および前記背側外壁絞り流線の点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it のそれぞれに対応させる一方、前記腹側内壁絞り流線および前記背側内壁絞り流線の点Ｐ er ，Ｓ er ，Ｐ ir ，Ｓ ir のそれぞれに対応させ、各点Ｐ et ，Ｓ et ，Ｐ it ，Ｓ it ，Ｐ er ，Ｓ er ，Ｐ ir ，Ｓ ir のそれぞれがタービン軸の中心を通る半径Ｒ pit ，Ｒ set ，Ｒ pit ，Ｒ sit ，Ｒ per ，Ｒ ser ，Ｒ pir ，Ｒ sir とするとき、前記腹側外壁絞り流線、前記腹側内壁絞り流線、前記背側外壁絞り流線、前記背側内壁絞り流線の翼高絞り比を、
- 静翼の前縁から後縁までの軸コードをＣｘとし、前縁の腹側外壁絞り流線の翼高から後縁の腹側外壁絞り流線の翼高を引いた値をΔＬｔとし、前縁の腹側内壁絞り流線の翼高から後縁の腹側内壁絞り流線の翼高を引いた値をΔＬｒとするとき、静翼チップ部の絞り比ΔＬｔ／Ｃｘおよび静翼ルート部の絞り比ΔＬｒ／Ｃｘのそれぞれは、
- 請求項１ないし７のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、上記腹側外壁絞り流線の後縁における接線および上記背側外壁絞り流線の後縁における接線が、ともに動翼の翼高の範囲に収まることを特徴とする軸流タービン。
- シュラウドから植込部までの動翼の翼高をＨｂとし、静翼の腹側外壁絞り流線の後縁における接線を上記動翼の前縁に交差させる点が上記シュラウドからの高さΔＨｐとし、上記静翼の背側外壁絞り流線の後縁における接線を上記動翼の前縁に交差させる点が上記シュラウドからの高さΔＨｓとするとき、主流の上記シュラウドへの通り抜け防止比ΔＨｐ／ＨｂおよびΔＨｓ／Ｈｂのそれぞれは、
- 請求項１ないし９のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、上記動翼ルート部の動翼背側内壁線をタービン軸に平行に形成したことを特徴とする軸流タービン。
- 請求項１ないし１０のいずれか１項記載の軸流タービンにおいて、前記静翼をガスタービンの初段落に組み込んだことを特徴とする軸流タービン。
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