JP3943738B2 - 軸流タービンノズルおよび軸流タービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内外周壁の長さを最適にすることによりタービンの段落損失を低減し効率の向上を図った軸流タービンノズルおよび軸流タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般の火力発電所などに用いられる大型の軸流蒸気タービン、ガスタービンでは、通常複数のタービン段落を有し、高温高圧の作動流体を上流段落から下流段落へと順次通過させて膨張させ、熱及び圧力エネルギーを速度のエネルギーを媒体として回転エネルギーに変換することにより出力を発生させる。各段落は多数のノズルを周方向に配設し内外周壁を設けて環状通路を形成したノズル翼列と、その下流に配置された回転軸の周囲に多数の動翼を植設し環状通路を形成した動翼列の各１組からなる。
【０００３】
作動流体をノズル及び動翼を通過させ出力を発生する際には、流体の持つ熱及び圧力エネルギーを完全に速度のエネルギーに変換させることがエネルギーの有効利用の観点から望ましいが、流体自体の持つ粘性や回転部と静止部の間隙などの要因によって種々の損失が発生する。翼列内での流れの転向に基づき発生する主流と異なる方向の渦流、いわゆる二次流れによる損失もそのうちの１つで、主として内外周壁近くで生じ、特に翼高さの低い段落では損失のうちのかなりの割合を占めるため、これを低減するためのさまざまな方法が提案されている。
【０００４】
ノズル翼後縁をタービンの周方向に傾斜または湾曲させた構造のノズルもそのうちの１つで、直線状のノズルを周方向に傾斜させたものをリーンノズル、ノズルを周方向に湾曲させたものをコンパウンドリーンノズルまたはバウノズルなどと呼び、図１６および図１７に示すような構成となっている。図１６はその例を示した図で、ノズルを軸方向下流から見たものである。図１６(a)に示した、内周壁20Rと外周壁20Tの間に配設されたノズル10の腹面側が内周壁20Rと鋭角θRをなすように傾斜させたリーンノズル(a)では、後縁12を流出する流れを内周壁20R側に移動させる作用を持つため、内周壁20R付近の流れを加速整流するとともに壁面境界層を薄くし、この近傍の二次流れ損失を低減しようとするものである。また図１６(b)は、ノズル10の腹面側が外周壁20Tと鋭角θTをなすように傾斜させたリーンノズルを示し、後縁12を流出する流れを外周壁20T側に移動させるため、外周壁20T付近の二次流れを低減する効果がある。さらに図１６(c)は、ノズル10を腹面側に凸になるように周方向に湾曲させ、内周壁20Rと外周壁20Tとそれぞれ鋭角をなすコンパウンドリーンノズルを示し、ノズル翼後縁12を流出する流れを、内周壁20R側と外周壁20T側の両方において壁側に移動させ押し付ける作用を持つため、内周壁20Rと外周壁20Tの両壁面の近傍の二次流れ損失を低減する効果を持つ。
【０００５】
また、これらとは別にタービン軸を含む面（以下、子午面と称する）においてノズルを軸方向に傾斜させたものをスキューノズルと呼んでおり、これらの例を図１７に示す。図１７(a)は、内周壁20Rと外周壁20T間に配設されたノズル10のノズル翼後縁12が内周壁20Rと鋭角αRをなすように傾斜させたスキューノズルを示し、後縁12を流出する流れを内周壁20R側に移動させ内周壁20R付近の流れを加速整流する作用を持つため、内周壁20R近傍の二次流れ損失を低減する効果を持つ。また、図１７(b)は、ノズル翼後縁12が外周壁20Tと鋭角αTをなすように傾斜させたスキューノズルを示し、後縁12を流出する流れを外周壁20T側に移動させ、外周壁20T付近の流れを加速整流する作用を持つため、外周壁20T近傍での二次流れ損失を低減する効果を持つ。
【０００６】
以上説明したような、リーンノズル、コンパウンドリーンノズル、スキューノズルは試験タービンによる実験などにより段落効率を向上させる効果が認められており、実際の軸流蒸気タービン、ガスタービンに適用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のリーンノズル、コンパウンドリーンノズルまたはスキューノズルをタービン段落に使用する際に、以下のような問題点があった。この事情を図１７および図１８を用いて説明する。図１８(a)は、図１６(a)に示すリーンノズルをタービンに組み込んだときの断面図である。この形状のノズルはノズルダイアフラム内輪21Rおよび外輪21Tの流体の通路部1に相対する面、すなわち内周壁20Rおよび外周壁20Tにより形成される環状通路の内部に、複数のノズル10を周方向に列状に配設したものである。ノズル10の下流にタービンロータ40の周囲に列状に植設された動翼41が配置されている。そして、ノズル10は、内周壁20R側において、ノズル翼後縁12を流出する流体に壁面に向かう流れ2Rを付与し、流れを内周壁20R寄りに移動させることで整流し損失低減効果を得るものである。このためノズル翼前縁11から後縁12までの軸方向位置において環状流路を構成する内、外周壁面20R、20Tが連続して存在する必要があるのは一般のノズルと同様であるが、さらにリーンノズルでは、壁面に向かう流れ2Rが生じて流体が壁面に移動する領域において流れを受け止め流路内に保持する内周壁20Rの役目が重要であり、ノズル翼後縁内周端12Rよりある程度下流まで壁面が連続して延設されていることがリーンノズルの機能を発揮させる上で必要である。ところが通常使用されているリーンノズルでは図１８(a)のように後縁12R下流から内周壁下流端22Rまでの軸方向距離が短い場合が多い。この場合、流れは内周壁下流端22Rにおいてもまだ壁面に向かう半径方向速度成分を有しているため、内周壁下流端22Rの直下流にて通路外方に向かう流れ5Rが発生し有効に出力を発生すべき流体が一旦タービン段落外の空間に流出し、動翼41上流で再び通路内に流入する等の運動を行なう結果、壁面付近の流れに乱れを生じ、本来のリーンノズルの効果が得られない事態が引き起こされる。他方の外周壁20T側では流れは2Tのように壁側への移動がないため、後縁下流の外周壁は内周壁ほど長く延設される必要はない。また必要以上に長い場合は、外周壁20Tのごく近傍を流れる低速流体によって壁面上に生じる境界層が厚さを増し、摩擦損失を増加させるため、これも空力的損失を大きくする原因となる。また、内周壁20Rも必要以上に長いと同様な摩擦損失の増加を招く。
【０００８】
この事情は図１６(b)に示したようなノズル翼腹側面が外周面と鋭角をなすリーンノズルの外周壁20T上においても同様であり、図１８(b)に示すように外周の後縁12T下流において外周壁20Tが短かすぎる場合は流体を壁面に移動する流れ2Tの作用により外周壁下流端22T下流にて通路部外方へ移動する流れ5Tが生じ、段落損失の原因となる。
【０００９】
さらに、図１６(c)に示した、ノズル10を腹側に凸になるように周方向に湾曲させたコンパウンドリーンノズルでは、図１８(c)に示すように、内周壁20Rと外周壁20Tの双方において壁面に移動する流れ2R、2Tが発生するために、後縁の下流の壁面の長さが不適当な場合、流れ5R、5Tによる、タービン段落の損失が多くなり、効率を下げる原因となる。
【００１０】
また図１７(a)に示したような、ノズル翼後縁12と内周壁が鋭角をなすスキューノズルでも内周壁22Rの長さが不適切な場合には、同様にして壁面に移動する流れ2Rが内周壁下流端22Rの直下流においても半径方向速度成分を有することにより段落損失が生じたり、外周壁22Tが長すぎる場合には外周壁付近で境界層が発達し効率を下げる原因になる。
【００１１】
同様な理由により、図１７(b)のようなノズル後縁と外周壁が鋭角をなすスキューノズルに関しても、内外周壁の長さを適切な長さにする必要がある。
【００１２】
本発明は、以上示した従来の軸流タービンノズルの欠点を除去し、タービン段落効率を向上しうる軸流タービンノズルおよび軸流タービンを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、請求項１に記載の発明においては、環状のノズルダイアフラム内輪と外輪をそれぞれ内周壁、外周壁として形成される環状通路内に複数のノズルを周方向に配設し、このノズルの軸方向下流側から見てノズル翼後縁と内周壁もしくは外周壁となす角の少なくとも一方が前記ノズルの腹側にて鋭角となるようにノズルをタービンの周方向に傾斜させたものにおいて、この鋭角となる側におけるノズル翼後縁端から壁面下流端までの軸方向距離を最適な長さに形成したことを特徴とした。この構成の軸流タービンノズルでは、ノズル翼腹側面と壁面とが鋭角をなす側で生じる、タービンの中心軸方向若しくは外周方向の速度成分を持つ流れを壁面により保持し、タービン段落の効率を向上させうる軸流タービンノズルを提供することができる。
【００１４】
請求項２に記載に発明においては、環状のノズルダイアフラム内輪と外輪をそれぞれ内周壁、外周壁として形成される環状通路内に複数のノズルを周方向に配設し、子午面上においてノズル翼後縁と前記内周壁または外周壁の少なくとも一方が作動流体流出側にて鋭角をなすようにノズル翼をタービンの軸方向に傾斜させたものにおいて、この鋭角となる側におけるノズル翼後縁端から壁面下流端までの軸方向距離を最適にするように壁面の長さを決定したことを特徴とした。この構成により、子午面においてノズル翼をタービンの軸方向に傾斜または湾曲させたものにおいても、ノズル後縁を流出する流体が持つ、タービンの中心軸方向若しくは外周方向の成分をもつ流れを壁面により保持し、タービン段落の効率を向上することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る軸流タービンノズルの第１の実施の形態を図１から図５に基づき説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る軸流タービンの断面図である。本実施形態に係る軸流タービンノズルも、従来の軸流タービンノズルと同様に、環状のノズルダイアフラム内輪21Rおよび外輪21Tの流体の通路部１に相対する面、すなわち内周壁20Rおよび外周壁20Tにより形成される環状通路の内部に、複数のノズル10を周方向に列状に配設したものである。ノズル10の下流にタービンロータ40の周囲に列状に植設された動翼41が配置され、この動翼41はノズル10の翼列と共にタービン段落を形成し、ノズルから高速で流出する流体のエネルギーを受けて回転し出力を発生する。図２は図１記載のノズル10を下流側から見た図である。つまり、ノズル10は二次流れ損失を低減する目的でノズル翼後縁12が周方向に傾斜を有し、ノズル翼後縁内周端12Rにおいて内周壁20Rの接線23Rとのなす角が鋭角θRとなるように構成されている。図３はノズル10の翼列を内周壁20R上で周方向に展開した図である。
【００１６】
また、内周壁20Rにおけるノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRを、外周におけるノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの軸方向距離LTよりも大きく形成ている。
【００１７】
そして、ここでは、図２のノズル10の内周におけるノズル翼後縁12と、ノズル翼後縁内周端12Rにおける内周壁20Rの接線23Rがなす角を軸方向から見た角をθR（°）、内周壁におけるノズル10の翼列のスロート長さをSR、内周のノズル翼後縁端12Rから壁面下流端22Rまでの軸方向距離をLRとしたとき、
【００１８】
【数３】
を満たすものとした。
【００１９】
以下にその根拠および作用を説明する。本形態のノズルは上記のようにノズル翼後縁12が内周壁20R側において内周壁20Rとのなす角が鋭角θRになるよう周方向に傾斜をもって構成されているため、流体が周方向に大きな速度成分を持って流出するノズル翼後縁端12付近においては、内周壁20R側の流体には半径方向内向きの速度成分を持った流れ2Rが発生し、通路部中央寄りから内周壁20R側に流れが移動する。先に示したように図１８(a)の従来のノズルでは、ノズル翼後縁内周端12Rの下流に延設される内周壁20Rの長さが短かく、流れが通路外に押し出されて再び合流する等の過程で損失が発生する。しかし、本形態のノズルにおいては、ノズル翼後縁内周端12Rの下流に十分な長さの内周壁20Rが延設されているため通路部中央寄りから内周壁20Rへ向かう流れ2Rを内周壁20Rが保持し、流体が通路外へ流出することを防止することができる。さらに、他方の、外周壁20T側においては、ノズル翼後縁12が外周壁20Tと鋭角をなす方向に傾斜していないため、通路部中央寄りから外周壁20Tに向かう流れは発生せず、従って流れが外周壁20T側に移動することはないため、外周壁20Tにおいてノズル翼後縁外周端12Tの下流に壁面を長く延設しておく必要はない。外周壁20TのLTが長いと壁面境界層の増大をもたらし損失を増加させるので、外周壁20Tは内周壁20RのLRよりも短いことが望ましい。
【００２０】
図４は、ノズル10の内周において、ノズル翼後縁12とノズル翼後縁内周端12Rにおける内周壁20Rの接線23Rがなす角θRと、ノズル翼後縁内周端12R下流から内周壁下流端22Rに至る壁面の軸方向長さLRを変化させた場合の段落損失ζの変化の関係を三次元の粘性流れ計算手法により解析したもので、横軸は該LRとノズル10の翼列のスロートの長さSRの比LR/SRの値、縦軸は段落損失量ζ、パラメータは角度θRである。同図から、各θにおいて損失が最小となるLR/SRが存在することがわかる。これはLR/SRが小さいと上述した理由により壁面下流端で損失が発生し、一方で不必要に壁面が長いと壁面上の境界層が厚くなり損失を増加させるためである。またノズル内周端における後縁と内周壁の角度θRが小さいほど半径方向内向き、すなわち通路部中央寄りから内周壁側に向かう流れ2Rが強くなり、ノズル後縁を流出後も内周壁20R側に向かう速度成分を持ち続けるため、損失を少なくするには内周壁20Rを軸方向により長く延設することが必要になる。図４から、θRが変化したときに損失を最小またはそれに準じたレベルとするLR/SRの範囲を読み取って図示したものが図５である。この範囲を式で表すと、
【００２１】
【数４】
となる。
【００２２】
本形態の装置においては、流れが壁側に移動する内周壁20Rについてその後縁下流の長さが上式を満たし、なおかつ外周壁20Tの長さは内周壁20Rの長さより短くなるように構成することにより、通路部中央寄りから内周壁20R側へ向かう流れ2Rに起因する損失を低減し、さらに、外周壁側での境界層の発達による損失も低減することができるため、段落効率を向上する軸流タービンノズルおよび軸流タービンを提供することができる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施の形態について図６から図８を用いて説明する。上記図１から図３と同等部については同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。図６は本実施形態を適用した軸流タービンの断面図である。図７は、図６記載のノズル10を下流側から見た図であり、図８はノズル10の翼列を外周壁20T面上で周方向に展開した図である。
【００２４】
本発明の第２の実施の形態においては、ノズル10は、二次流れ損失を低減する目的で後縁12が周方向に傾斜を有し、外周の後縁端12Tにおいて外周壁20Tの接線23Tとのなす角が鋭角θTとなるように構成されているものである。
【００２５】
また、ノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの軸方向距離LTを、ノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRよりも大きくしている。
【００２６】
そして、ここでは、図７のノズル10の外周におけるノズル翼後縁12と、ノズル翼後縁外周端12Tにおける外周壁20Tの接線23Tがなす角を軸方向から見た角をθT（°）、外周壁上におけるノズル10の翼列のスロート長さをST、ノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの軸方向距離をLTとしたとき、
【００２７】
【数５】
を満たすものとした。
【００２８】
以下に第２の実施の形態の作用を説明する。本実施の形態のノズルにおいては、後縁12が外周壁20T側において外周壁20Tとのなす角が鋭角θTになるように周方向に傾斜させてあるので、外周壁20T側で半径方向外向きの流れ2Tが発生し、外周壁側へと流れを移動させる作用が生じる。このとき、本実施形態のノズルにおいては、ノズル翼後縁外周端12Tの下流に十分な長さの外周壁20Tが延設されているため、通路部中央寄りから外周壁20Tに向かう流れ2Tを外周壁20Tが保持し、流体が通路外へ流出することを防止することができる。また、他方の、内周壁20Rにおいては流れが内周壁20R側に移動することはないため、ノズル翼後縁内周端12Rの下流の壁面を長く延設しておく必要はない。むしろ、長すぎる場合、壁面境界層の増大をもたらし損失を増大させるので、内周壁20Rは外周壁20Tよりも短いことが好ましい。
【００２９】
さらに、先に示した図４および図５は、ノズルの内周壁20Rに適用した場合として説明したが、その理論は内外周壁を問わず、本実施形態のように外周壁20Tについても適用できる。したがって、LT/STを上式の範囲にすることで、段落損失ζを低減できる。このように、本実施形態の構成によれば、通路部中央寄りから外周壁20T側に向かう流れ2Tに起因する損失を低減し、さらに、内周壁20R側の境界層の発達による損失も低減することで、タービン段落の効率を向上することが可能となる。
【００３０】
次に、本発明の第３の実施の形態を図９および図１０を用いて説明する。図９は軸流タービンの断面図であり、図１０は図９記載のノズルを下流側から見た図である。なお、図1から図８と同等部の構成については同一の符合を付し、詳細な説明は省略する。図１０に示したように、本実施の形態においては、ノズル10を腹側に凸になるように周方向に湾曲させ、ノズル10のノズル翼後縁内周端12Rおよびノズル翼後縁外周端12Tの両方においてノズル翼後縁12の接線13R、13Tと内周壁および外周壁20R、20Tの接線23R、23Tとなす角θR、θTをそれぞれ鋭角にしている。この場合において、両壁面でのノズル翼後縁内周端および外周端12R、12Tから内周壁および外周壁下流端22R、22Tまでの軸方向距離LR、LTが、図４より求まる式の関係を満たすように構成したものである。すなわち、内周壁20R側においては、ノズル翼後縁12の接線13Rと内周壁20Rの接線23Rがなす角を軸方向から見た角度をθR、ノズル10の翼列の内周壁20R上におけるスロート長さをSR、ノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離をLRとしたとき、
【００３１】
【数６】
となるように構成している。他方、外周壁20T側においても同様に、ノズル翼後縁12の接線13Tと外周壁20Tの接線23Tがなす角を軸方向から見た角度をθT、ノズル10の翼列の外周壁20T上におけるスロート長さをST、ノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの軸方向距離をLTとしたとき、
【００３２】
【数７】
となるように構成する。
【００３３】
以下に本実施の形態における作用を説明する。湾曲したノズル10の形状により、流体はノズル翼後縁12付近において、内周壁20R側で半径方向内向き、外周壁20T側で外向き、すなわちそれぞれ通路部中央寄りから壁面へ向かう流れ2R,2Tが発生する。この流れにより、主流に両壁面に向かって流れを移動させる作用が生じる。このとき内周壁20R側および外周壁20T側のそれぞれにおいて、ノズル翼後縁内周端および外周端12R,12Tの下流に延設される壁面の長さLR,LTが短いと、流れが流路外に押し出されて下流で再び合流する過程で損失が発生する。また長すぎる場合には壁面境界層の増大を招き損失を増加させるので、それぞれ適正な範囲とすべきことは、本発明の第１、第２の実施の形態と同様である。本実施の形態によれば、内周壁20R側および外周壁20T側の両方において後縁下流の壁面長さLR,LTを適正な範囲に構成しているため、損失を低減しタービン段落の効率を向上できる。
【００３４】
次に、本発明の第４の実施の形態として、子午面においてノズルが軸方向に傾斜しておりノズル後縁と内周壁が子午面内で鋭角をなすスキューノズルの場合について図１１を用いて説明する。なお、図１から図１０までと同等部については同一符合を付し、詳細な説明を省略する。図１１において、ノズル10を、ノズル翼後縁外周端12Tの軸方向位置がノズル翼後縁内周端12Rよりタービン軸下流に位置するよう軸方向に傾斜させ、後縁線12と内周壁20Rがなす角αRが鋭角となるように構成している。本実施の形態の特徴は、子午面におけるノズル翼後縁12と内周壁20Rのなす角αRに応じて、内周壁20R上のノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRを、段落損失が最小レベルとなる範囲に構成したことである。すなわちノズル翼後縁12と内周壁20Rがなす子午面上の角度をαR（°）、ノズル10の翼列の内周壁20R上におけるスロート長さをSR、内周壁20Rでのノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rの軸方向距離をLRとしたとき、LR/SRの値を、
【００３５】
【数８】
の範囲にすることを特徴とする。
【００３６】
以下にその作用を説明する。本実施の形態のように、ノズル内周端のノズル翼後縁12が内周壁20Rとなす子午面内の角度αRが鋭角となるよう軸方向に傾斜を持って構成されているスキューノズルの場合、内周壁20R側で半径方向内向き、すなわち通路部中央寄りから内周壁20Rへ向かう流れ2Rが発生し、内周壁20Rへと流れを押し付ける作用が生ずる。このとき、ノズル翼後縁内周端12Rから内周壁20Rの内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRが短いと、内周壁20R近傍の流れが通路外に押し出されて再び合流するなどの過程で空力的損失が発生する。逆に、内周壁20Rが必要以上に長いと、壁面境界層の増大をもたらし損失を増加させる。従って、ノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRには、ノズル内周壁20Rにおいてノズル翼後縁12が内周壁20Rとなす子午面内角度αRに応じて最適範囲がある。
【００３７】
この関係を求めるため、内周壁20Rにおいてノズル翼後縁内周端12Rにおけるノズル翼後縁12と内周壁20Rがなす子午面内の角度αRとノズル翼後縁12下流の内周壁20Rの軸方向長さLRを変化させた場合の段落損失ζを解析し、この結果を図１３に示す。同図で、横軸軸方向長さLRと、ノズル10の翼列のスロート長さSRの比LR/SR、縦軸は段落損失ζ、パラメータは角度αRである。同図より、各αRにおいて損失が最小となるLR/SRが得られる。これから、αRが変化したときに損失を最小またはそれに準じるレベルとするLR/SRの範囲を図示したものが図１４である。これを式で表すと、
【００３８】
【数９】
となる。
【００３９】
内周壁20Rにおいて軸方向長さLRをこの範囲に構成した本実施の形態のノズルによれば、内周壁20R側においてノズル翼後縁12下流の内周壁20Rの長さLRを最適範囲に構成しているため、従来、内周壁20Rの長さが最適でなかったことにより発生していた損失を低減でき、よってタービン段落の効率を向上できる。
【００４０】
次に第５の実施の形態について、図１２を用いて説明する。なお、図１から図１１までと同等部については同一符合を付し、詳細な説明を省略する。本実施の形態は、図１２に示したようにノズル翼後縁12と外周壁20Tがなす子午面内の角度αTが鋭角になるように構成したスキューノズルに適用したものである。ノズル翼後縁12と外周壁面20Tがなす子午面上の角度をαT、ノズル10の翼列の外周壁20T上におけるスロート長さをST、ノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの外周壁20Tの軸方向距離をLTとしたとき、軸方向距離LTとスロート長さSTとの比LT/STを、
【００４１】
【数１０】
の範囲に構成したものである。
【００４２】
以下にその作用を説明する。本実施の形態はノズル翼後縁外周端12Tにおいてノズル翼後縁12が外周壁20Tとなす子午面内の角度αTが鋭角となるよう軸方向に傾斜を持って構成されているスキューノズルに適用したものである。この場合、流体が大きな速度をもって流出するノズル翼後縁12付近においては、後縁の傾斜により、外周壁20T側で半径方向外向きの流れ2Tが発生し、外周壁20Tへと流れを押し付ける作用が生ずる。このときノズル後縁のノズル翼後縁外周端12Tの下流に外周壁下流端22Tまで延設される外周壁20Tの軸方向距離LTが短いと、外周壁20T近傍の流れが通路外に押し出されて再び合流するなどの過程で空力的損失が発生する。逆に、外周壁20Tが必要以上に長いと、壁面境界層の増大をもたらし損失を増加させる。従って、ノズル翼後縁外周端12Tの下流から外周壁下流端22Tまでの軸方向距離LTには、ノズル内周において後縁が内周壁となす子午面内角度αTに応じて最適範囲がある。図１３および図１４として示した、ノズル翼端における後縁と壁面がなす子後面内の角度αRと、後縁下流の壁面の軸方向長さを変化させた場合の段落損失ζを解析した結果は、内周壁について適用したものであったが、外周壁においても同様に適用できるものである。したがって、本実施の形態においてもLT/STを上式の範囲にすることで、段落損失ζを低減できる。
【００４３】
従って、本実施の形態のように構成したノズルによれば、外周壁20T側において後縁下流の壁面長さLTを最適範囲に構成しているため、従来、外周壁面長さが最適でなかったことにより発生していた損失を低減でき、よってタービン段落の効率を向上できる。
【００４４】
第６の実施の形態について、図１５を用いて説明する。なお、図１から図１４までと同等部については同一の符合を付し詳細な説明を省略する。本実施の形態は、ノズル10が軸方向に湾曲したスキューノズルに適用したものである。つまり、ノズル翼後縁内周端12Rおよび外周端12Tの両方においてノズル翼後縁12の接線13R、13Tが内、外周壁20R、20Tとなす子午面内の角度αR、αTをそれぞれ鋭角に構成したスキューノズルに適用している。そして、ノズル翼後縁内周端および外周端12R、12Tから内周および外周壁下流端22R、22Tまでの軸方向の距離LR、LTと、内周および外周壁20R、20Tにおけるノズル10の翼列のスロート長さSR、STとの比LR/SR、LT/STが、内周側および外周側の両方において、これらの添字R、Tを省略して、
【００４５】
【数１１】
となるように構成する。
【００４６】
この実施の形態においては、内周側および外周側のそれぞれにおいてノズル翼後縁付近で壁面に流れを押し付ける作用が生じるが、上記の第４、第５の実施の形態と同様にノズル翼後縁12の下流に延設される壁面の長さにそれぞれ最適な範囲が存在する。本実施の形態では、ノズル翼後縁12の下流に延設される内外周壁20R、20Tの長さをこの範囲にすることで、従来発生していた損失を低減でき、よってタービン段落の効率を向上できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の軸流タービンノズルにおいては、二次流れによる損失を防止するためにタービンノズルが壁面と周方向若しくは子午面内の形状で鋭角をなすように形成したものにおいて、壁面長を最適にすることにより、タービンノズル後縁を流出する際に、タービンの中心軸方向若しくは外周方向の速度成分を持った速度の大きな流れを流路内に保持することで、タービンの段落損失を低減し、よってタービンの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図２】軸流タービンノズルを、軸方向下流側から見た側面図。
【図３】軸流タービンノズルを、内周壁に沿って平面展開した概略図。
【図４】タービンの段落損失の変化を解析した結果を示す特性図。
【図５】ノズル翼後縁下流の壁の最適範囲を示した特性図。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図７】軸流タービンノズルを、軸方向下流側から見た側面図。
【図８】軸流タービンノズルを、外周壁に沿って平面展開した概略図。
【図９】本発明の第３の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１０】軸流タービンノズルを、軸方向下流側から見た側面図。
【図１１】本発明の第４の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１２】本発明の第５の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１３】タービンの段落損失の変化を解析した結果を示す特性図。
【図１４】ノズル翼後縁下流の壁の最適範囲を示した特性図。
【図１５】本発明の第６の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１６】従来の軸流タービンノズルを軸方向下流から見た図。
【図１７】従来の軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１８】従来の軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【符号の説明】
1…通路部
2…流れの方向
2R…内周壁側に移動する流れ
2T…外周壁側に移動する流れ
10…ノズル翼
11…ノズル翼前縁
12…ノズル翼後縁
12R…ノズル翼後縁内周端
12T…ノズル翼後縁外周端
20R…内周壁
20T…外周壁
21R…ノズルダイアフラム内輪
21T…ノズルダイアフラム外輪
22R…内周壁下流端
22T…外周壁下流端
23R…内周壁の接線
23T…外周壁の接線
40…タービンロータ
41…動翼
LR…内周壁におけるノズル翼後縁下流の壁面長
LT…外周壁におけるノズル翼後縁下流の壁面長
SR…内周壁におけるノズル翼列のスロート長さ
ST…外周壁におけるノズル翼列のスロート長さ
αR…ノズル翼後縁と内周壁のなす角
αT…ノズル翼後縁と外周壁のなす角
θR…ノズル翼後縁と内周壁のなす角
θT…ノズル翼後縁と外周壁のなす角
ζ…段落損失
【発明の属する技術分野】
本発明は、内外周壁の長さを最適にすることによりタービンの段落損失を低減し効率の向上を図った軸流タービンノズルおよび軸流タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般の火力発電所などに用いられる大型の軸流蒸気タービン、ガスタービンでは、通常複数のタービン段落を有し、高温高圧の作動流体を上流段落から下流段落へと順次通過させて膨張させ、熱及び圧力エネルギーを速度のエネルギーを媒体として回転エネルギーに変換することにより出力を発生させる。各段落は多数のノズルを周方向に配設し内外周壁を設けて環状通路を形成したノズル翼列と、その下流に配置された回転軸の周囲に多数の動翼を植設し環状通路を形成した動翼列の各１組からなる。
【０００３】
作動流体をノズル及び動翼を通過させ出力を発生する際には、流体の持つ熱及び圧力エネルギーを完全に速度のエネルギーに変換させることがエネルギーの有効利用の観点から望ましいが、流体自体の持つ粘性や回転部と静止部の間隙などの要因によって種々の損失が発生する。翼列内での流れの転向に基づき発生する主流と異なる方向の渦流、いわゆる二次流れによる損失もそのうちの１つで、主として内外周壁近くで生じ、特に翼高さの低い段落では損失のうちのかなりの割合を占めるため、これを低減するためのさまざまな方法が提案されている。
【０００４】
ノズル翼後縁をタービンの周方向に傾斜または湾曲させた構造のノズルもそのうちの１つで、直線状のノズルを周方向に傾斜させたものをリーンノズル、ノズルを周方向に湾曲させたものをコンパウンドリーンノズルまたはバウノズルなどと呼び、図１６および図１７に示すような構成となっている。図１６はその例を示した図で、ノズルを軸方向下流から見たものである。図１６(a)に示した、内周壁20Rと外周壁20Tの間に配設されたノズル10の腹面側が内周壁20Rと鋭角θRをなすように傾斜させたリーンノズル(a)では、後縁12を流出する流れを内周壁20R側に移動させる作用を持つため、内周壁20R付近の流れを加速整流するとともに壁面境界層を薄くし、この近傍の二次流れ損失を低減しようとするものである。また図１６(b)は、ノズル10の腹面側が外周壁20Tと鋭角θTをなすように傾斜させたリーンノズルを示し、後縁12を流出する流れを外周壁20T側に移動させるため、外周壁20T付近の二次流れを低減する効果がある。さらに図１６(c)は、ノズル10を腹面側に凸になるように周方向に湾曲させ、内周壁20Rと外周壁20Tとそれぞれ鋭角をなすコンパウンドリーンノズルを示し、ノズル翼後縁12を流出する流れを、内周壁20R側と外周壁20T側の両方において壁側に移動させ押し付ける作用を持つため、内周壁20Rと外周壁20Tの両壁面の近傍の二次流れ損失を低減する効果を持つ。
【０００５】
また、これらとは別にタービン軸を含む面（以下、子午面と称する）においてノズルを軸方向に傾斜させたものをスキューノズルと呼んでおり、これらの例を図１７に示す。図１７(a)は、内周壁20Rと外周壁20T間に配設されたノズル10のノズル翼後縁12が内周壁20Rと鋭角αRをなすように傾斜させたスキューノズルを示し、後縁12を流出する流れを内周壁20R側に移動させ内周壁20R付近の流れを加速整流する作用を持つため、内周壁20R近傍の二次流れ損失を低減する効果を持つ。また、図１７(b)は、ノズル翼後縁12が外周壁20Tと鋭角αTをなすように傾斜させたスキューノズルを示し、後縁12を流出する流れを外周壁20T側に移動させ、外周壁20T付近の流れを加速整流する作用を持つため、外周壁20T近傍での二次流れ損失を低減する効果を持つ。
【０００６】
以上説明したような、リーンノズル、コンパウンドリーンノズル、スキューノズルは試験タービンによる実験などにより段落効率を向上させる効果が認められており、実際の軸流蒸気タービン、ガスタービンに適用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のリーンノズル、コンパウンドリーンノズルまたはスキューノズルをタービン段落に使用する際に、以下のような問題点があった。この事情を図１７および図１８を用いて説明する。図１８(a)は、図１６(a)に示すリーンノズルをタービンに組み込んだときの断面図である。この形状のノズルはノズルダイアフラム内輪21Rおよび外輪21Tの流体の通路部1に相対する面、すなわち内周壁20Rおよび外周壁20Tにより形成される環状通路の内部に、複数のノズル10を周方向に列状に配設したものである。ノズル10の下流にタービンロータ40の周囲に列状に植設された動翼41が配置されている。そして、ノズル10は、内周壁20R側において、ノズル翼後縁12を流出する流体に壁面に向かう流れ2Rを付与し、流れを内周壁20R寄りに移動させることで整流し損失低減効果を得るものである。このためノズル翼前縁11から後縁12までの軸方向位置において環状流路を構成する内、外周壁面20R、20Tが連続して存在する必要があるのは一般のノズルと同様であるが、さらにリーンノズルでは、壁面に向かう流れ2Rが生じて流体が壁面に移動する領域において流れを受け止め流路内に保持する内周壁20Rの役目が重要であり、ノズル翼後縁内周端12Rよりある程度下流まで壁面が連続して延設されていることがリーンノズルの機能を発揮させる上で必要である。ところが通常使用されているリーンノズルでは図１８(a)のように後縁12R下流から内周壁下流端22Rまでの軸方向距離が短い場合が多い。この場合、流れは内周壁下流端22Rにおいてもまだ壁面に向かう半径方向速度成分を有しているため、内周壁下流端22Rの直下流にて通路外方に向かう流れ5Rが発生し有効に出力を発生すべき流体が一旦タービン段落外の空間に流出し、動翼41上流で再び通路内に流入する等の運動を行なう結果、壁面付近の流れに乱れを生じ、本来のリーンノズルの効果が得られない事態が引き起こされる。他方の外周壁20T側では流れは2Tのように壁側への移動がないため、後縁下流の外周壁は内周壁ほど長く延設される必要はない。また必要以上に長い場合は、外周壁20Tのごく近傍を流れる低速流体によって壁面上に生じる境界層が厚さを増し、摩擦損失を増加させるため、これも空力的損失を大きくする原因となる。また、内周壁20Rも必要以上に長いと同様な摩擦損失の増加を招く。
【０００８】
この事情は図１６(b)に示したようなノズル翼腹側面が外周面と鋭角をなすリーンノズルの外周壁20T上においても同様であり、図１８(b)に示すように外周の後縁12T下流において外周壁20Tが短かすぎる場合は流体を壁面に移動する流れ2Tの作用により外周壁下流端22T下流にて通路部外方へ移動する流れ5Tが生じ、段落損失の原因となる。
【０００９】
さらに、図１６(c)に示した、ノズル10を腹側に凸になるように周方向に湾曲させたコンパウンドリーンノズルでは、図１８(c)に示すように、内周壁20Rと外周壁20Tの双方において壁面に移動する流れ2R、2Tが発生するために、後縁の下流の壁面の長さが不適当な場合、流れ5R、5Tによる、タービン段落の損失が多くなり、効率を下げる原因となる。
【００１０】
また図１７(a)に示したような、ノズル翼後縁12と内周壁が鋭角をなすスキューノズルでも内周壁22Rの長さが不適切な場合には、同様にして壁面に移動する流れ2Rが内周壁下流端22Rの直下流においても半径方向速度成分を有することにより段落損失が生じたり、外周壁22Tが長すぎる場合には外周壁付近で境界層が発達し効率を下げる原因になる。
【００１１】
同様な理由により、図１７(b)のようなノズル後縁と外周壁が鋭角をなすスキューノズルに関しても、内外周壁の長さを適切な長さにする必要がある。
【００１２】
本発明は、以上示した従来の軸流タービンノズルの欠点を除去し、タービン段落効率を向上しうる軸流タービンノズルおよび軸流タービンを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、請求項１に記載の発明においては、環状のノズルダイアフラム内輪と外輪をそれぞれ内周壁、外周壁として形成される環状通路内に複数のノズルを周方向に配設し、このノズルの軸方向下流側から見てノズル翼後縁と内周壁もしくは外周壁となす角の少なくとも一方が前記ノズルの腹側にて鋭角となるようにノズルをタービンの周方向に傾斜させたものにおいて、この鋭角となる側におけるノズル翼後縁端から壁面下流端までの軸方向距離を最適な長さに形成したことを特徴とした。この構成の軸流タービンノズルでは、ノズル翼腹側面と壁面とが鋭角をなす側で生じる、タービンの中心軸方向若しくは外周方向の速度成分を持つ流れを壁面により保持し、タービン段落の効率を向上させうる軸流タービンノズルを提供することができる。
【００１４】
請求項２に記載に発明においては、環状のノズルダイアフラム内輪と外輪をそれぞれ内周壁、外周壁として形成される環状通路内に複数のノズルを周方向に配設し、子午面上においてノズル翼後縁と前記内周壁または外周壁の少なくとも一方が作動流体流出側にて鋭角をなすようにノズル翼をタービンの軸方向に傾斜させたものにおいて、この鋭角となる側におけるノズル翼後縁端から壁面下流端までの軸方向距離を最適にするように壁面の長さを決定したことを特徴とした。この構成により、子午面においてノズル翼をタービンの軸方向に傾斜または湾曲させたものにおいても、ノズル後縁を流出する流体が持つ、タービンの中心軸方向若しくは外周方向の成分をもつ流れを壁面により保持し、タービン段落の効率を向上することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明に係る軸流タービンノズルの第１の実施の形態を図１から図５に基づき説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る軸流タービンの断面図である。本実施形態に係る軸流タービンノズルも、従来の軸流タービンノズルと同様に、環状のノズルダイアフラム内輪21Rおよび外輪21Tの流体の通路部１に相対する面、すなわち内周壁20Rおよび外周壁20Tにより形成される環状通路の内部に、複数のノズル10を周方向に列状に配設したものである。ノズル10の下流にタービンロータ40の周囲に列状に植設された動翼41が配置され、この動翼41はノズル10の翼列と共にタービン段落を形成し、ノズルから高速で流出する流体のエネルギーを受けて回転し出力を発生する。図２は図１記載のノズル10を下流側から見た図である。つまり、ノズル10は二次流れ損失を低減する目的でノズル翼後縁12が周方向に傾斜を有し、ノズル翼後縁内周端12Rにおいて内周壁20Rの接線23Rとのなす角が鋭角θRとなるように構成されている。図３はノズル10の翼列を内周壁20R上で周方向に展開した図である。
【００１６】
また、内周壁20Rにおけるノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRを、外周におけるノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの軸方向距離LTよりも大きく形成ている。
【００１７】
そして、ここでは、図２のノズル10の内周におけるノズル翼後縁12と、ノズル翼後縁内周端12Rにおける内周壁20Rの接線23Rがなす角を軸方向から見た角をθR（°）、内周壁におけるノズル10の翼列のスロート長さをSR、内周のノズル翼後縁端12Rから壁面下流端22Rまでの軸方向距離をLRとしたとき、
【００１８】
【数３】
【００１９】
以下にその根拠および作用を説明する。本形態のノズルは上記のようにノズル翼後縁12が内周壁20R側において内周壁20Rとのなす角が鋭角θRになるよう周方向に傾斜をもって構成されているため、流体が周方向に大きな速度成分を持って流出するノズル翼後縁端12付近においては、内周壁20R側の流体には半径方向内向きの速度成分を持った流れ2Rが発生し、通路部中央寄りから内周壁20R側に流れが移動する。先に示したように図１８(a)の従来のノズルでは、ノズル翼後縁内周端12Rの下流に延設される内周壁20Rの長さが短かく、流れが通路外に押し出されて再び合流する等の過程で損失が発生する。しかし、本形態のノズルにおいては、ノズル翼後縁内周端12Rの下流に十分な長さの内周壁20Rが延設されているため通路部中央寄りから内周壁20Rへ向かう流れ2Rを内周壁20Rが保持し、流体が通路外へ流出することを防止することができる。さらに、他方の、外周壁20T側においては、ノズル翼後縁12が外周壁20Tと鋭角をなす方向に傾斜していないため、通路部中央寄りから外周壁20Tに向かう流れは発生せず、従って流れが外周壁20T側に移動することはないため、外周壁20Tにおいてノズル翼後縁外周端12Tの下流に壁面を長く延設しておく必要はない。外周壁20TのLTが長いと壁面境界層の増大をもたらし損失を増加させるので、外周壁20Tは内周壁20RのLRよりも短いことが望ましい。
【００２０】
図４は、ノズル10の内周において、ノズル翼後縁12とノズル翼後縁内周端12Rにおける内周壁20Rの接線23Rがなす角θRと、ノズル翼後縁内周端12R下流から内周壁下流端22Rに至る壁面の軸方向長さLRを変化させた場合の段落損失ζの変化の関係を三次元の粘性流れ計算手法により解析したもので、横軸は該LRとノズル10の翼列のスロートの長さSRの比LR/SRの値、縦軸は段落損失量ζ、パラメータは角度θRである。同図から、各θにおいて損失が最小となるLR/SRが存在することがわかる。これはLR/SRが小さいと上述した理由により壁面下流端で損失が発生し、一方で不必要に壁面が長いと壁面上の境界層が厚くなり損失を増加させるためである。またノズル内周端における後縁と内周壁の角度θRが小さいほど半径方向内向き、すなわち通路部中央寄りから内周壁側に向かう流れ2Rが強くなり、ノズル後縁を流出後も内周壁20R側に向かう速度成分を持ち続けるため、損失を少なくするには内周壁20Rを軸方向により長く延設することが必要になる。図４から、θRが変化したときに損失を最小またはそれに準じたレベルとするLR/SRの範囲を読み取って図示したものが図５である。この範囲を式で表すと、
【００２１】
【数４】
【００２２】
本形態の装置においては、流れが壁側に移動する内周壁20Rについてその後縁下流の長さが上式を満たし、なおかつ外周壁20Tの長さは内周壁20Rの長さより短くなるように構成することにより、通路部中央寄りから内周壁20R側へ向かう流れ2Rに起因する損失を低減し、さらに、外周壁側での境界層の発達による損失も低減することができるため、段落効率を向上する軸流タービンノズルおよび軸流タービンを提供することができる。
【００２３】
次に、本発明の第２の実施の形態について図６から図８を用いて説明する。上記図１から図３と同等部については同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。図６は本実施形態を適用した軸流タービンの断面図である。図７は、図６記載のノズル10を下流側から見た図であり、図８はノズル10の翼列を外周壁20T面上で周方向に展開した図である。
【００２４】
本発明の第２の実施の形態においては、ノズル10は、二次流れ損失を低減する目的で後縁12が周方向に傾斜を有し、外周の後縁端12Tにおいて外周壁20Tの接線23Tとのなす角が鋭角θTとなるように構成されているものである。
【００２５】
また、ノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの軸方向距離LTを、ノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRよりも大きくしている。
【００２６】
そして、ここでは、図７のノズル10の外周におけるノズル翼後縁12と、ノズル翼後縁外周端12Tにおける外周壁20Tの接線23Tがなす角を軸方向から見た角をθT（°）、外周壁上におけるノズル10の翼列のスロート長さをST、ノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの軸方向距離をLTとしたとき、
【００２７】
【数５】
【００２８】
以下に第２の実施の形態の作用を説明する。本実施の形態のノズルにおいては、後縁12が外周壁20T側において外周壁20Tとのなす角が鋭角θTになるように周方向に傾斜させてあるので、外周壁20T側で半径方向外向きの流れ2Tが発生し、外周壁側へと流れを移動させる作用が生じる。このとき、本実施形態のノズルにおいては、ノズル翼後縁外周端12Tの下流に十分な長さの外周壁20Tが延設されているため、通路部中央寄りから外周壁20Tに向かう流れ2Tを外周壁20Tが保持し、流体が通路外へ流出することを防止することができる。また、他方の、内周壁20Rにおいては流れが内周壁20R側に移動することはないため、ノズル翼後縁内周端12Rの下流の壁面を長く延設しておく必要はない。むしろ、長すぎる場合、壁面境界層の増大をもたらし損失を増大させるので、内周壁20Rは外周壁20Tよりも短いことが好ましい。
【００２９】
さらに、先に示した図４および図５は、ノズルの内周壁20Rに適用した場合として説明したが、その理論は内外周壁を問わず、本実施形態のように外周壁20Tについても適用できる。したがって、LT/STを上式の範囲にすることで、段落損失ζを低減できる。このように、本実施形態の構成によれば、通路部中央寄りから外周壁20T側に向かう流れ2Tに起因する損失を低減し、さらに、内周壁20R側の境界層の発達による損失も低減することで、タービン段落の効率を向上することが可能となる。
【００３０】
次に、本発明の第３の実施の形態を図９および図１０を用いて説明する。図９は軸流タービンの断面図であり、図１０は図９記載のノズルを下流側から見た図である。なお、図1から図８と同等部の構成については同一の符合を付し、詳細な説明は省略する。図１０に示したように、本実施の形態においては、ノズル10を腹側に凸になるように周方向に湾曲させ、ノズル10のノズル翼後縁内周端12Rおよびノズル翼後縁外周端12Tの両方においてノズル翼後縁12の接線13R、13Tと内周壁および外周壁20R、20Tの接線23R、23Tとなす角θR、θTをそれぞれ鋭角にしている。この場合において、両壁面でのノズル翼後縁内周端および外周端12R、12Tから内周壁および外周壁下流端22R、22Tまでの軸方向距離LR、LTが、図４より求まる式の関係を満たすように構成したものである。すなわち、内周壁20R側においては、ノズル翼後縁12の接線13Rと内周壁20Rの接線23Rがなす角を軸方向から見た角度をθR、ノズル10の翼列の内周壁20R上におけるスロート長さをSR、ノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離をLRとしたとき、
【００３１】
【数６】
【００３２】
【数７】
【００３３】
以下に本実施の形態における作用を説明する。湾曲したノズル10の形状により、流体はノズル翼後縁12付近において、内周壁20R側で半径方向内向き、外周壁20T側で外向き、すなわちそれぞれ通路部中央寄りから壁面へ向かう流れ2R,2Tが発生する。この流れにより、主流に両壁面に向かって流れを移動させる作用が生じる。このとき内周壁20R側および外周壁20T側のそれぞれにおいて、ノズル翼後縁内周端および外周端12R,12Tの下流に延設される壁面の長さLR,LTが短いと、流れが流路外に押し出されて下流で再び合流する過程で損失が発生する。また長すぎる場合には壁面境界層の増大を招き損失を増加させるので、それぞれ適正な範囲とすべきことは、本発明の第１、第２の実施の形態と同様である。本実施の形態によれば、内周壁20R側および外周壁20T側の両方において後縁下流の壁面長さLR,LTを適正な範囲に構成しているため、損失を低減しタービン段落の効率を向上できる。
【００３４】
次に、本発明の第４の実施の形態として、子午面においてノズルが軸方向に傾斜しておりノズル後縁と内周壁が子午面内で鋭角をなすスキューノズルの場合について図１１を用いて説明する。なお、図１から図１０までと同等部については同一符合を付し、詳細な説明を省略する。図１１において、ノズル10を、ノズル翼後縁外周端12Tの軸方向位置がノズル翼後縁内周端12Rよりタービン軸下流に位置するよう軸方向に傾斜させ、後縁線12と内周壁20Rがなす角αRが鋭角となるように構成している。本実施の形態の特徴は、子午面におけるノズル翼後縁12と内周壁20Rのなす角αRに応じて、内周壁20R上のノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRを、段落損失が最小レベルとなる範囲に構成したことである。すなわちノズル翼後縁12と内周壁20Rがなす子午面上の角度をαR（°）、ノズル10の翼列の内周壁20R上におけるスロート長さをSR、内周壁20Rでのノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rの軸方向距離をLRとしたとき、LR/SRの値を、
【００３５】
【数８】
【００３６】
以下にその作用を説明する。本実施の形態のように、ノズル内周端のノズル翼後縁12が内周壁20Rとなす子午面内の角度αRが鋭角となるよう軸方向に傾斜を持って構成されているスキューノズルの場合、内周壁20R側で半径方向内向き、すなわち通路部中央寄りから内周壁20Rへ向かう流れ2Rが発生し、内周壁20Rへと流れを押し付ける作用が生ずる。このとき、ノズル翼後縁内周端12Rから内周壁20Rの内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRが短いと、内周壁20R近傍の流れが通路外に押し出されて再び合流するなどの過程で空力的損失が発生する。逆に、内周壁20Rが必要以上に長いと、壁面境界層の増大をもたらし損失を増加させる。従って、ノズル翼後縁内周端12Rから内周壁下流端22Rまでの軸方向距離LRには、ノズル内周壁20Rにおいてノズル翼後縁12が内周壁20Rとなす子午面内角度αRに応じて最適範囲がある。
【００３７】
この関係を求めるため、内周壁20Rにおいてノズル翼後縁内周端12Rにおけるノズル翼後縁12と内周壁20Rがなす子午面内の角度αRとノズル翼後縁12下流の内周壁20Rの軸方向長さLRを変化させた場合の段落損失ζを解析し、この結果を図１３に示す。同図で、横軸軸方向長さLRと、ノズル10の翼列のスロート長さSRの比LR/SR、縦軸は段落損失ζ、パラメータは角度αRである。同図より、各αRにおいて損失が最小となるLR/SRが得られる。これから、αRが変化したときに損失を最小またはそれに準じるレベルとするLR/SRの範囲を図示したものが図１４である。これを式で表すと、
【００３８】
【数９】
【００３９】
内周壁20Rにおいて軸方向長さLRをこの範囲に構成した本実施の形態のノズルによれば、内周壁20R側においてノズル翼後縁12下流の内周壁20Rの長さLRを最適範囲に構成しているため、従来、内周壁20Rの長さが最適でなかったことにより発生していた損失を低減でき、よってタービン段落の効率を向上できる。
【００４０】
次に第５の実施の形態について、図１２を用いて説明する。なお、図１から図１１までと同等部については同一符合を付し、詳細な説明を省略する。本実施の形態は、図１２に示したようにノズル翼後縁12と外周壁20Tがなす子午面内の角度αTが鋭角になるように構成したスキューノズルに適用したものである。ノズル翼後縁12と外周壁面20Tがなす子午面上の角度をαT、ノズル10の翼列の外周壁20T上におけるスロート長さをST、ノズル翼後縁外周端12Tから外周壁下流端22Tまでの外周壁20Tの軸方向距離をLTとしたとき、軸方向距離LTとスロート長さSTとの比LT/STを、
【００４１】
【数１０】
【００４２】
以下にその作用を説明する。本実施の形態はノズル翼後縁外周端12Tにおいてノズル翼後縁12が外周壁20Tとなす子午面内の角度αTが鋭角となるよう軸方向に傾斜を持って構成されているスキューノズルに適用したものである。この場合、流体が大きな速度をもって流出するノズル翼後縁12付近においては、後縁の傾斜により、外周壁20T側で半径方向外向きの流れ2Tが発生し、外周壁20Tへと流れを押し付ける作用が生ずる。このときノズル後縁のノズル翼後縁外周端12Tの下流に外周壁下流端22Tまで延設される外周壁20Tの軸方向距離LTが短いと、外周壁20T近傍の流れが通路外に押し出されて再び合流するなどの過程で空力的損失が発生する。逆に、外周壁20Tが必要以上に長いと、壁面境界層の増大をもたらし損失を増加させる。従って、ノズル翼後縁外周端12Tの下流から外周壁下流端22Tまでの軸方向距離LTには、ノズル内周において後縁が内周壁となす子午面内角度αTに応じて最適範囲がある。図１３および図１４として示した、ノズル翼端における後縁と壁面がなす子後面内の角度αRと、後縁下流の壁面の軸方向長さを変化させた場合の段落損失ζを解析した結果は、内周壁について適用したものであったが、外周壁においても同様に適用できるものである。したがって、本実施の形態においてもLT/STを上式の範囲にすることで、段落損失ζを低減できる。
【００４３】
従って、本実施の形態のように構成したノズルによれば、外周壁20T側において後縁下流の壁面長さLTを最適範囲に構成しているため、従来、外周壁面長さが最適でなかったことにより発生していた損失を低減でき、よってタービン段落の効率を向上できる。
【００４４】
第６の実施の形態について、図１５を用いて説明する。なお、図１から図１４までと同等部については同一の符合を付し詳細な説明を省略する。本実施の形態は、ノズル10が軸方向に湾曲したスキューノズルに適用したものである。つまり、ノズル翼後縁内周端12Rおよび外周端12Tの両方においてノズル翼後縁12の接線13R、13Tが内、外周壁20R、20Tとなす子午面内の角度αR、αTをそれぞれ鋭角に構成したスキューノズルに適用している。そして、ノズル翼後縁内周端および外周端12R、12Tから内周および外周壁下流端22R、22Tまでの軸方向の距離LR、LTと、内周および外周壁20R、20Tにおけるノズル10の翼列のスロート長さSR、STとの比LR/SR、LT/STが、内周側および外周側の両方において、これらの添字R、Tを省略して、
【００４５】
【数１１】
【００４６】
この実施の形態においては、内周側および外周側のそれぞれにおいてノズル翼後縁付近で壁面に流れを押し付ける作用が生じるが、上記の第４、第５の実施の形態と同様にノズル翼後縁12の下流に延設される壁面の長さにそれぞれ最適な範囲が存在する。本実施の形態では、ノズル翼後縁12の下流に延設される内外周壁20R、20Tの長さをこの範囲にすることで、従来発生していた損失を低減でき、よってタービン段落の効率を向上できる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の軸流タービンノズルにおいては、二次流れによる損失を防止するためにタービンノズルが壁面と周方向若しくは子午面内の形状で鋭角をなすように形成したものにおいて、壁面長を最適にすることにより、タービンノズル後縁を流出する際に、タービンの中心軸方向若しくは外周方向の速度成分を持った速度の大きな流れを流路内に保持することで、タービンの段落損失を低減し、よってタービンの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図２】軸流タービンノズルを、軸方向下流側から見た側面図。
【図３】軸流タービンノズルを、内周壁に沿って平面展開した概略図。
【図４】タービンの段落損失の変化を解析した結果を示す特性図。
【図５】ノズル翼後縁下流の壁の最適範囲を示した特性図。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図７】軸流タービンノズルを、軸方向下流側から見た側面図。
【図８】軸流タービンノズルを、外周壁に沿って平面展開した概略図。
【図９】本発明の第３の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１０】軸流タービンノズルを、軸方向下流側から見た側面図。
【図１１】本発明の第４の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１２】本発明の第５の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１３】タービンの段落損失の変化を解析した結果を示す特性図。
【図１４】ノズル翼後縁下流の壁の最適範囲を示した特性図。
【図１５】本発明の第６の実施形態を示す、軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１６】従来の軸流タービンノズルを軸方向下流から見た図。
【図１７】従来の軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【図１８】従来の軸流タービンノズルを含むタービン段落の断面図。
【符号の説明】
1…通路部
2…流れの方向
2R…内周壁側に移動する流れ
2T…外周壁側に移動する流れ
10…ノズル翼
11…ノズル翼前縁
12…ノズル翼後縁
12R…ノズル翼後縁内周端
12T…ノズル翼後縁外周端
20R…内周壁
20T…外周壁
21R…ノズルダイアフラム内輪
21T…ノズルダイアフラム外輪
22R…内周壁下流端
22T…外周壁下流端
23R…内周壁の接線
23T…外周壁の接線
40…タービンロータ
41…動翼
LR…内周壁におけるノズル翼後縁下流の壁面長
LT…外周壁におけるノズル翼後縁下流の壁面長
SR…内周壁におけるノズル翼列のスロート長さ
ST…外周壁におけるノズル翼列のスロート長さ
αR…ノズル翼後縁と内周壁のなす角
αT…ノズル翼後縁と外周壁のなす角
θR…ノズル翼後縁と内周壁のなす角
θT…ノズル翼後縁と外周壁のなす角
ζ…段落損失
Claims (3)
- 環状のノズルダイアフラム内輪と外輪をそれぞれ内周壁、外周壁として形成される環状通路内に複数のノズルを周方向に配設し、このノズルの軸方向下流側から見てノズル翼後縁と前記内周壁もしくは外周壁とが前記ノズルの腹側にてなす角の少なくとも一方が鋭角となるように前記ノズルを環状通路内の周方向に傾斜させたものにおいて、前記鋭角となる側の壁における前記ノズル翼後縁端から壁面下流端までの軸方向距離をL、前記ノズル翼後縁と前記壁とがなす角をθ、前記ノズルの翼列のスロート長さをSとしたとき、
- 環状のノズルダイアフラム内輪と外輪をそれぞれ内周壁、外周壁として形成される環状通路内に複数のノズルを周方向に配設し、子午面上においてノズル翼後縁と前記内周壁または外周壁とが作動流体流出側にてなす角の少なくとも一方が鋭角をなすように前記ノズルを環状通路内の軸方向に傾斜させたものにおいて、前記鋭角となる側の壁における、前記ノズル後縁端から壁面下流端までの軸方向距離をL、ノズル翼後縁と前記壁面がなす角をα、ノズル翼列のスロート長さをSとしたとき、
- 請求項１または２に記載の軸流タービンノズルを備えた軸流タービン。
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