JP6276165B2 - タービンディフューザ及び軸流タービン - Google Patents

Description

本開示は、タービンディフューザ及び軸流タービンに関する。

軸流タービンのうち運転領域内における作動流体の流速変化が大きい軸流タービンでは、作動環境に応じて作動条件が大きく変動する。例えば水中機器の動力源として用いられる軸流タービンにあっては、水深等の作動環境に応じて圧力比等の作動条件が大きく変動する。

特許文献１には、軸流タービンのノズル及び動翼が半径方向に分割され、半径方向内側と外側にそれぞれ独立した作動流体流路が形成された軸流タービンが記載されている。この軸流タービンによれば、各作動流体流路の面積比に応じた流量制御が可能となる。

特開昭６０‐６９２１３号公報

特許文献１に記載の軸流タービンは、各作動流体流路の面積比に応じた流量制御が可能であるものの、水中機器のように作動条件が大きく変動する機器の動力として使用した場合、上述のように、水深等の作動環境に応じて圧力比等の作動条件が大きく変動するため、タービン効率が低下しやすい。

本発明は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、作動条件の大きな変動に対応可能なタービンディフューザ、及び該タービンディフューザを備える軸流タービンを提供することである。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る軸流タービンのタービンディフューザは、軸流タービンのタービンディフューザであって、前記軸流タービンのタービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第１排出流路部と、前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部とは異なる領域に設けられ、前記タービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第２排出流路部と、を備え、前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とは、前記軸流タービンの軸方向に沿った断面における流路形状が互いに異なる。

上記（１）に記載のタービンディフューザによれば、軸方向に沿った断面における第１排出流路部と第２排出流路部の流路形状をそれぞれ異なる流速に適した形状とすれば、流速の変化に応じて第１排出流路部と第２排出流路部のうち該流速に適した排出流路部を使用することにより、流速の変化にともなうタービンディフューザの排気損失の増大を抑制することができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のタービンディフューザにおいて、前記第１排出流路部及び前記第２排出流路部は、それぞれ、前記タービン動翼群の下流側に設けられるとともに、前記軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記軸流タービンの径方向の流路幅が単調増加するよう形成され、前記径方向における前記第１排出流路部の流路幅のうち、前記第１排出流路部の入口位置での流路幅をＤ１、前記第１排出流路部の出口位置での流路幅をＤ２とし、前記径方向における前記第２排出流路部の流路幅のうち、前記第２排出流路部の入口位置での流路幅をＤ３、前記第２排出流路部の出口位置での流路幅をＤ４とすると、前記流路幅Ｄ１と前記流路幅Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２は、前記流路幅Ｄ３と前記流路幅Ｄ４の比Ｄ３／Ｄ４の比と異なる。

上記（２）に記載のタービンディフューザによれば、第１排出流路部及び第２排出流路部は、それぞれ、軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅が単調増加するよう形成されているため、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速となる流体が第１排出流路部又は第２排出流路部に流入すると、タービンディフューザの静圧回復性能が良好に発揮される。

また、流速が比較的大きい流体（例えば、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速の流体のうち該流速が基準速度以上の流体）を比Ｄ１／Ｄ２と比Ｄ３／Ｄ４のうち大きい方に対応する排出流路部に流入させ、流速が比較的小さい流体（例えば、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速の流体のうち該流速が上記基準速度未満の流体）を比Ｄ１／Ｄ２と比Ｄ３／Ｄ４のうち小さい方に対応する排出流路部に流入させれば、流速の変化に伴うタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。なお、本明細書では、「超音速」とはマッハ数が１．３以上であることを意味し、「遷音速」とはマッハ数が０．８以上１．３未満であることを意味し、「亜音速」とは、マッハ数が０．３以上０．８未満であることを意味するものとする。また、「単調減少」とは、広義の単調減少を意味し、「前記軸流タービンの軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記タービンの径方向の流路幅が単調減少する」とは、軸流タービンの軸方向に沿って下流側に向かうにつれてタービンの径方向の流路幅が減少する場合のみならず、該流路幅が一定の区間を部分的に有する場合も含む意味で用いている。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載のタービンディフューザにおいて、前記軸流タービンの軸方向に沿った断面において、前記第１排出流路部における前記径方向内側の流路壁の接線のうち、前記軸方向における第１位置での下流側への接線をＬ１とし、前記第２排出流路部における前記径方向内側の流路壁の接線のうち、前記軸方向における前記第１位置での下流側への接線をＬ２とすると、前記軸方向に対する前記接線Ｌ１のなす角度θ１は、前記軸方向に対する前記接線Ｌ２のなす角度θ２と異なる（ただし、前記軸方向に対して前記径方向外側への角度を正の値とし、前記軸方向に対して前記径方向内側への角度を負の値とする）。

上記（３）に記載のタービンディフューザによれば、第１排出流路部及び第２排出流路部は、それぞれ、軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅が単調増加するよう形成されているため、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速となる流体が第１排出流路部又は第２排出流路部に流入すると、タービンディフューザの静圧回復性能が良好に発揮される。

また、タービンディフューザの排出流路を通過する流体は、タービン動翼の出口位置での流速の軸線周りの旋回成分が大きくなるにつれて、径方向内側の流路壁から流体が剥離しやすくなる。このため、上記（３）に記載のタービンディフューザによれば、タービン動翼の出口位置での流速の軸線周りの旋回成分が比較的大きい流体（例えば、該出口位置での流速が亜音速又は遷音速の流体のうち、該旋回成分が所定速度以上の流体）を、角度θ１と角度θ２のうち大きい方に対応する排出流路部に流入させ、上記旋回成分が比較的小さい流体（例えば、該出口位置での流速が亜音速又は遷音速の流体のうち、該旋回成分が所定速度未満の流体）を、比Ｄ１／Ｄ２と比Ｄ３／Ｄ４のうち小さい方に対応する排出流路部に流入させれば、径方向内側の流路壁からの流体の剥離を抑制し、流速の変化に伴うタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載のタービンディフューザにおいて、前記第１排出流路部は、前記タービン動翼群の下流側に設けられ、前記軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記軸流タービンの径方向の流路幅が単調減少するよう形成された単調減少部と、前記単調減少部の下流側に設けられ、前記軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記径方向の流路幅が単調増加するよう形成された単調増加部と、を含み、前記第２排出流路部は、前記タービン動翼群の下流側に設けられ、前記軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記径方向の流路幅が単調増加するよう形成されている

上記（４）に記載のタービンディフューザによれば、タービン動翼群におけるタービン動翼の出口位置での流速が超音速となる流体が第１排出流路部に流入すると、第１排出流路部に流入した該流体は単調減少部を経てから単調増加部を流れる。この際、流速が低下しにくい単調減少部で衝撃波の発生が抑制され、衝撃波の発生位置をタービン動翼群から離すことができる。したがって、タービンディフューザの排気損失の増大を抑制することができる。

また、上記（４）に記載のタービンディフューザによれば、第２排出流路部は軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅が単調増加するよう形成されているため、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速となる流体が第２排出流路部に流入すると、タービンディフューザ６の静圧回復性能が効果的に発揮される。したがって、タービンディフューザの排気損失の増大を抑制することができる。

このように、上記（４）に記載のタービンディフューザによれば、水中機器の動力源として軸流タービンを使用する場合のように、タービン動翼の出口位置における流体の流速が亜音速から超音速まで幅広く変化する場合であっても、該出口位置での流速が超音速となる流体が第１排出流路部を流入させ、該出口位置での流速が亜音速となる流体を第２排出流路部に流入させれば、流速の変化に伴うタービンディフューザの排気損失の増大を抑制することができる。なお、本明細書において「単調増加」とは、広義の単調増加を意味し、「前記軸流タービンの軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記タービンの径方向の流路幅が単調増加する」とは、軸流タービンの軸方向に沿って下流側に向かうにつれてタービンの径方向の流路幅が増加する場合のみならず、該流路幅が一定の区間を部分的に有する場合も含む意味で用いている。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載のタービンディフューザにおいて、前記単調減少部及び前記体調増加部は、前記タービン動翼群のタービン動翼における出口位置の翼高さよりも前記タービンの径方向の流路幅が狭いスロート部を形成する。

上記（５）に記載のタービンディフューザによれば、上述の衝撃波の発生を抑制する効果を高めてタービンディフューザの排気損失の増大を抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れか１項に記載のタービンディフューザにおいて、前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部及び前記第２排出流路部のそれぞれと異なる領域に設けられた少なくとも一つの非流路部を更に備える。

上記（６）に記載のタービンディフューザによれば、第１排出流路部から第２排出流路部への流体の周方向の移動、及び第２排出流路部から第１排出流路部への流体の周方向の移動を抑制し、タービンディフューザにおける排気損失の増大を抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）に記載のタービンディフューザにおいて、前記少なくとも一つの非流路部は、第１非流路部及び第２非流路部を含み、前記軸流タービンの周方向において、前記第１排出流路部、前記第１非流路部、前記第２排出流路部及び前記第２非流路部が順に設けられている。

上記（７）に記載のタービンディフューザによれば、第１排出流路部と第２排出流路部とが周方向において不連続となるため、第１排出流路部から第２排出流路部への流体の周方向の移動、及び第２排出流路部から第１排出流路部への流体の周方向の移動を防止し、タービンディフューザにおける排気損失の増大を抑制することができる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る軸流タービンは、上記（１）乃至（７）の何れか１項に記載のタービンディフューザと、前記タービン動翼群と、前記タービン動翼群の上流側に設けられたノズル翼群と、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された切替装置と、を備える。なお、本明細書において「流体の流入先を第１排出流路部と第２排出流路部とで切り替える」とは、「第１排出流路部のみに流体が流入する状態と第２排出流路部のみに流体が流入する状態とを切り替える」との意味に限らず、「第１排出流路部の流量が第２排出流路部の流量より多い状態と第１排出流路部の流量が第２排出流路部の流量より少ない状態とを切り替える」との意味も含む。

上記（８）に記載の軸流タービンによれば、切替装置を用いて流体の流入先を第１排出流路部と第２排出流路部とで切り替えることにより、流速の変化に応じて第１排出流路部と第２排出流路部のうち該流速に適した排出流路部を使用することができる。

例えば、上記（８）に記載の軸流タービンが上記（２）に記載のタービンディフューザを備える場合には、流速が比較的大きい流体（例えば、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速となる流体のうち該流速が基準速度以上の流体）を第１排出流路部に流入させ、流速が比較的小さい流体（例えば、該出口位置での流速が亜音速又は遷音速となる流体のうち該流速が基準速度未満の流体）を第２排出流路部に流入させることにより、流速の変化にともなうタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

また、上記（８）に記載の軸流タービンが上記（３）に記載のタービンディフューザを備える場合には、タービン動翼の出口位置での流速の軸線周りの旋回成分が比較的大きい流体（例えば、該出口位置での流速が亜音速又は遷音速の流体のうち、該旋回成分が所定速度以上の流体）を、角度θ１と角度θ２のうち大きい方に対応する排出流路部に流入させ、上記旋回成分が比較的小さい流体（例えば、該出口位置での流速が亜音速又は遷音速の流体のうち、該旋回成分が所定速度未満の流体）を、比Ｄ１／Ｄ２と比Ｄ３／Ｄ４のうち小さい方に対応する排出流路部に流入させることにより、径方向内側の流路壁からの流体の剥離を抑制し、流速の変化にともなうタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

また、上記（８）に記載の軸流タービンが上記（４）に記載のタービンディフューザを備える場合には、超音速の流速を第１排出流路部に流入させ、亜音速又は遷音速の流体を第２排出流路部に流入させることにより、亜音速域（又は遷音速域）から超音速域にかけての流速の変化にともなうタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る軸流タービンは、上記（２）に記載のタービンディフューザと、前記タービン動翼群と、前記タービン動翼群の上流側に設けられたノズル翼群と、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された切替装置と、を備える軸流タービンであって、前記比Ｄ１／Ｄ２は、前記比Ｄ３／Ｄ４より大きく、前記切替装置は、前記タービン動翼の出口位置での流速が第１流速（ただし、該第１流速は亜音速又は遷音速である。）以上となる前記流体を前記第１排出流路部に流入させ、前記タービン動翼の出口位置での流速が前記第１流速未満となる前記流体を前記第２排出流路部に流入させるように、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成される。

上記（９）に記載の軸流タービンによれば、また、第１排出流路部における比Ｄ１／Ｄ２が第２排出流路部における比Ｄ３／Ｄ４よりも大きいため、タービン動翼の出口位置での流速が第１流速（ただし、該第１流速は亜音速又は遷音速である。）以上となる流体を第１排出流路部に流入させ、タービン動翼の出口位置での流速が第１流速未満の流体を第２排出流路部に流入させることにより、亜音速域から遷音速域での流速の変化に伴うタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る軸流タービンは、請求項３に記載のタービンディフューザと、前記タービン動翼群と、前記タービン動翼群の上流側に設けられたノズル翼群と、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された切替装置と、を備える軸流タービンであって、前記角度θ１は前記角度θ２より大きく、前記切替装置は、前記タービン動翼の出口位置での流速の前記軸線周りの旋回成分が第２流速以上となる前記流体（ただし、前記出口位置での該流体の流速は亜音速又は遷音速である。）を前記第１排出流路部に流入させ、前記旋回成分が前記第２流速未満となる前記流体を前記第２排出流路部に流入させるように、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成される。

タービンディフューザの排出流路を通過する流体は、タービン動翼の出口位置での流速の軸線周りの旋回成分が大きくなるにつれて、径方向内側の流路壁から剥離しやすくなる。このため、上記（１０）に記載のように、第１排出流路部における角度θ１を第２排出流路部における角度θ２よりも大きくすれば、タービン動翼の出口位置での流速の旋回成分が第２流速以上となる流体（ただし、前記出口位置での該流体の流速は亜音速又は遷音速である。）を第１排出流路部に流入させ、タービン動翼の出口位置での流速が第２流速未満となる流体を第２排出流路部に流入させることにより、径方向内側の流路壁からの流体の剥離を抑制し、亜音速域から遷音速域での流速の変化に伴うタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る軸流タービンは、請求項４又は５に記載のタービンディフューザと、前記タービン動翼群と、前記タービン動翼群の上流側に設けられたノズル翼群と、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された切替装置と、を備える軸流タービンであって、前記切替装置は、前記タービン動翼の出口位置での流速が超音速となる前記流体を前記第１排出流路部に流入させ、前記タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速となる前記流体を前記第２排出流路部に流入させるように、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成される。

上記（１１）に記載の軸流タービンによれば、タービン動翼の出口位置での流速が超音速となる流体は第１排出流路部に流入する。第１排出流路部に流入した該流体は単調減少部を経てから単調増加部を流れるため、流速が低下しにくい単調減少部での衝撃波の発生が抑制され、衝撃波の発生位置をタービン動翼群から離すことができる。これにより、タービンディフューザの排気損失の増大を抑制し、高いタービン効率を実現することができる。
また、上記（１１）に記載の軸流タービンによれば、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速となる流体は第２排出流路部に流入する。第２排出流路部は、軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅が単調増加するよう形成されているため、タービンディフューザの静圧回復性能が効果的に発揮され、軸流タービンの高いタービン効率を実現することができる。
したがって、水中機器の動力源として軸流タービンを使用する場合のように、タービン動翼の出口位置における流体の流速が亜音速から超音速まで幅広く変化する場合であっても、高いタービン効率を実現することが可能となる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（８）乃至（１１）の何れか１項に記載の軸流タービンにおいて、前記切替装置は、前記流体を前記ノズル翼群に供給可能な第１供給流路部と、前記流体を前記ノズル翼群に供給可能な第２供給流路部であって、前記第１供給流路部の流路出口とタービン周方向位置が異なる流路出口を有する第２供給流路部と、前記第１供給流路部を介して前記ノズル翼群に前記流体を供給するか前記第２供給流路部を介して前記ノズル翼群に前記流体を供給するかを切り替えるための少なくとも一つのバルブと、を含み、前記少なくとも一つのバルブの切り替え動作によって前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成される。

上記（１２）に記載の軸流タービンによれば、少なくとも一つのバルブの切り替え動作によって、流速に応じた最適な第１排出流路部又は第２排出流路部を使用することができる。これにより、タービン動翼の出口位置における流体の流速が幅広く変化する場合であっても、簡易な構成で高いタービン効率を実現することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（８）乃至（１１）に記載の軸流タービンにおいて、前記切替装置は、前記タービンの回転軸線周りに前記タービンディフューザを回転させることにより、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成される。

上記（１３）に記載の軸流タービンによれば、上記（１２）に記載の軸流タービンと比較して、第２供給流路部が不要となる。また、タービンディフューザを回転させて流速に応じた最適な第１排出流路部又は第２排出流路部を使用することにより、タービン動翼の出口位置における流体の流速が幅広く変化する場合であっても、高いタービン効率を実現することができる。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（９）又は（１０）に記載の軸流タービンにおいて、前記ノズル翼群は、遷音速用の第１ノズル翼群及び亜音速用の第２ノズル翼群を含み、
前記第１ノズル翼群は、前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部と重なる領域に設けられ、前記第２ノズル翼群は、前記軸流タービンの周方向において前記第２排出流路部と重なる領域に設けられる。

上記（１４）に記載の軸流タービンによれば、タービン動翼の出口位置での流速が遷音速となる流体が遷音速用の第１ノズル翼群及び上記第１排出流路部を通過し、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速となる流体が亜音速用の第２ノズル翼群及び上記第２排出流路部を通過することが可能となる。これにより、タービン動翼の出口位置における流体の流速が亜音速から遷音速まで変化する場合であっても高いタービン効率を実現することができる。

（１５）幾つかの実施形態では、上記（１１）に記載の軸流タービンにおいて、前記ノズル翼群は、超音速用の第１ノズル翼群及び亜音速用又は遷音速用の第２ノズル翼群を含み、前記第１ノズル翼群は、前記タービンの周方向において前記第１排出流路部と重なる領域に設けられ、前記第２ノズル翼群は、前記軸流タービンの周方向において前記第２排出流路部と重なる領域に設けられる。

上記（１５）に記載の軸流タービンによれば、タービン動翼の出口位置での流速が超音速となる流体が超音速用の第１ノズル翼群及び上記第１排出流路部を通過し、タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速となる流体が亜音速用又は遷音速用の第２ノズル翼群及び亜音速用又は遷音速用の第２排出流路部を通過することが可能となる。これにより、タービン動翼の出口位置における流体の流速が亜音速（又は遷音速）から超音速まで幅広く変化する場合であっても高いタービン効率を実現することができる。

なお、上記（１５）における「前記第１ノズル翼群は、前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部と重なる領域に設けられ、前記第２ノズル翼群は、前記タービンの周方向において前記第２排出流路部と重なる領域に設けられる」との表現は、換言すれば、「前記第１ノズル翼群は、軸流タービンの軸方向から視認したときに前記第１排出流路部と重なり、前記第２ノズル翼群は、軸流タービンの軸方向から視認したときに前記第２排出流路部と重なる」ことを意味する。同様に、本明細書では、任意のＡ及びＢについて、「Ａは軸流タービンの周方向においてＢと重なる領域に設けられる」との表現は、換言すれば、「Ａは軸流タービンの軸方向から視認したときにＢと重なる」ことを意味するものとする。

（１６）幾つかの実施形態では、上記（１１）に記載の軸流タービンにおいて、前記単調減少部及び前記体調増加部は、前記タービン動翼群のタービン動翼における出口位置の翼高さよりも前記タービンの径方向の流路幅が狭いスロート部を形成し、前記タービンディフューザに流入する前記流体のマッハ数が超音速領域内で小さいほど、前記スロート部における前記タービンの径方向の流路幅を小さくするよう構成された流路幅調節機構を更に備える。

上記（１６）に記載の軸流タービンによれば、タービンディフューザに流入する流体のマッハ数が超音速領域内で変化しても、タービンディフューザの排気損失の増大を抑制することができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、作動条件の大きな変動に対応可能な軸流タービンのタービンディフューザ、及び該タービンディフューザを備える軸流タービンが提供される。

一実施形態に係る軸流タービンの軸方向に沿った断面の模式図である。 他の実施形態に係る軸流タービンの軸方向に沿った断面の模式図である。 一実施形態に係るタービンディフューザを軸方向から視た模式図であり、図１に示したタービンディフューザの構成例を示す図である。 他の実施形態に係るタービンディフューザを軸方向から視た模式図であり、図１に示したタービンディフューザの他の構成例を示す図である。 一実施形態に係るノズル翼群を軸方向から視た模式図であり、図１に示したノズル翼群の構成例を示す図である。 他の実施形態に係るノズル翼群を軸方向から視た模式図であり、図１に示したノズル翼群の他の構成例を示す図である。 タービンディフューザが第１位相にある場合の第１供給流路部の出口開口、第１排出流路部及び第２排出流路部の周方向における位置関係を示す図である。 タービンディフューザが第２位相にある場合の第１供給流路部の出口開口、第１排出流路部及び第２排出流路部の周方向における位置関係を示す図である。 図２に示したタービンディフューザが第１位相にあるときの、第１供給流路部の出口開口とタービンノズルのノズル翼群の周方向における位置関係を示す図である。 図２に示したタービンディフューザが第２位相にあるときの、第１供給流路部の出口開口とタービンノズルのノズル翼群の周方向における位置関係を示す図である。 流路幅調節機構の動作を説明するための図である。 一実施形態に係る軸流タービンの軸方向に沿った断面の模式図である。 一実施形態に係る軸流タービンの軸方向に沿った断面の模式図である。 図１３に示した軸流タービンの軸方向に沿った断面について、第１排出流路部における径方向内側の流路壁の傾きと第２排出流路部における径方向内側の流路壁の傾きを説明するための模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、一実施形態に係る軸流タービン１００（１００ａ）の断面構成の模式図である。図２は、他の実施形態に係る軸流タービン１００（１００ｂ）の断面構成の模式図である。図１に示す軸流タービン１００（１００ａ）と図２に示す軸流タービン１００（１００ｂ）とは、後述する切替装置１０の具体的構成が異なる点を除き、基本的に同様の構成を備えている。

幾つかの実施形態では、例えば図１及び図２に示すように、軸流タービン１００（１００ａ，１００ｂ）は、タービン動翼群２を有するタービンロータ３と、タービン動翼群２の上流側に設けられたノズル翼群４を有するタービンノズル５と、タービンディフューザ６と、切替装置１０とを備えている。

タービンディフューザ６は、タービン動翼群２の間を通過した流体を排出するための第１排出流路部１２と、軸流タービン１００の周方向において第１排出流路部１２とは異なる領域に設けられ、タービン動翼群２の間を通過した流体を排出するための第２排出流路部１４とを含む。なお、以下で単に「周方向」、「軸方向」、「径方向」と記載する場合は、それぞれ軸流タービン１００の周方向、軸流タービン１００の軸方向、軸流タービン１００の径方向を意味するものとする。

第１排出流路部１２は、タービン動翼群２の下流側に設けられ、軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅Ｄが単調減少するよう形成された単調減少部１６と、単調減少部１６の下流側に設けられ、軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅Ｄが単調増加するよう形成された単調増加部１８と、を含む。すなわち、第１排出流路部１２は、先細‐末広型の排出流路部である。単調減少部１６及び単調増加部１８は、タービン動翼群２のタービン動翼２０における出口位置Ｐｏの翼高さＨよりも径方向の流路幅Ｄが狭いスロート部２２を形成する。

第２排出流路部１４は、タービン動翼群２の下流側に設けられ、軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅Ｄが単調増加するよう形成されている。すなわち、第２排出流路部１４は、末広型の排出流路部である。

切替装置１０は、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体を第１排出流路部１２に流入させ、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体を第２排出流路部１４に流入させるように、流体の流入先を第１排出流路部１２と第２排出流路部１４とで切り替えるよう構成される。

本発明者の鋭意検討の結果、水中機器の動力源として軸流タービンを使用すると、水深等の作動環境に応じて圧力比等の作動条件が大きく変動し、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏにおける流体の流速が亜音速から超音速まで幅広く変化する場合があり、タービン効率が低下しやすいことが明らかとなった。

この点、図１及び図２に示す軸流タービン１００（１００ａ，１００ｂ）によれば、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体は第１排出流路部１２に流入する。第１排出流路部１２に流入した該流体は単調減少部１６を経てから単調増加部１８を流れるため、流速が低下しにくい単調減少部１６で衝撃波の発生が抑制され、衝撃波の発生位置をタービン動翼群２から離すことができる。これにより、タービンディフューザ６の排気損失の増大を抑制し、高いタービン効率を実現することができる。

また、図１及び図２に示す軸流タービン１００（１００ａ，１００ｂ）によれば、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体は第２排出流路部１４に流入する。第２排出流路部１４は、軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅Ｄが単調増加するよう形成されているため、タービンディフューザ６の静圧回復性能が効果的に発揮され、軸流タービン１００（１００ａ，１００ｂ）の高いタービン効率を実現することができる。

このように、軸流タービン１００（１００ａ，１００ｂ）は、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体を第１排出流路部１２に流入させ、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体を第２排出流路部１４に流入させるよう構成されている。したがって、水中機器の動力源として軸流タービン１００を使用する場合のように、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏにおける流体の流速が亜音速から超音速まで幅広く変化する場合であっても、高いタービン効率を実現することが可能となる。また、上述のようにスロート部２２の径方向の流路幅Ｄをタービン動翼２０における出口位置Ｐｏの翼高さＨよりも狭くすることにより、この効果を高めることができる。

一実施形態では、例えば図１に示すように、切替装置１０は、第１供給流路部２４と、第２供給流路部２６と、第１バルブ２８（流量制御弁）と、第２バルブ３０（流量制御弁）と、第１バルブ２８及び第２バルブ３０の開閉を制御する制御部３２とを備えている。第１供給流路部２４は、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体をノズル翼群４に供給可能な供給流路である。第２供給流路部２６は、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体をノズル翼群４に供給可能な供給流路であり、第１供給流路部２４の出口開口３４と周方向位置が異なる出口開口３６を有する。制御部３２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、およびＩ／Ｏインターフェイスなどからなるマイクロコンピュータとして構成されている。

第１バルブ２８は、第１供給流路部２４に設けられており、第１バルブ２８が開くと、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体が第１供給流路部２４からノズル翼群４及び第１排出流路部１２に供給される。第２バルブ３０は、第２供給流路部２６に設けられており、第２バルブ３０が開くと、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体が第２供給流路部２６からノズル翼群４及び第２排出流路部１４に供給される。したがって、切替装置１０は、第１供給流路部２４を介してノズル翼群４及び第１排出流路部１２に流体を供給する場合は、制御部３２によって第１バルブ２８を開放状態にするとともに第２バルブ３０を閉鎖状態にする。また、切替装置１０は、第２供給流路部２６を介してノズル翼群４及び第２排出流路部１４に流体を供給する場合は、制御部３２によって第２バルブ３０を開放状態にするとともに第１バルブ２８を閉鎖状態にする。

このように、図１に示す実施形態では、切替装置１０は、第１バルブ２８及び第２バルブ３０の開閉動作によって流体の流入先を第１排出流路部１２と第２排出流路部１４とで切り替えるよう構成されている。このため、簡易な構成で流速に応じて最適な第１排出流路部１２又は第２排出流路部１４を使用することができ、高いタービン効率を実現することができる。

図３は、一実施形態に係るタービンディフューザ６を軸方向から視た模式図であり、図１に示したタービンディフューザ６の構成例を示している。図４は、他の実施形態に係るタービンディフューザ６を軸方向から視た模式図であり、図１に示したタービンディフューザ６の他の構成例を示している。

幾つかの実施形態では、例えば図３及び図４に示すように、第１排出流路部１２は、第１供給流路部２４の出口開口３４と周方向において重なる領域に設けられ、第２排出流路部１４は、第２供給流路部２６の出口開口３６と周方向において重なる領域に設けられている。図３及び図４に示す実施形態では、タービンディフューザ６は、第１排出流路部１２及び第２排出流路部１４のそれぞれと周方向において異なる領域に設けられた少なくとも一つの非流路部（仕切り部）２５を備える。これにより、第１排出流路部１２から第２排出流路部１４への流体の周方向の移動、及び第２排出流路部１４から第１排出流路部１２への流体の周方向の移動を抑制し、タービンディフューザ６における排気損失の増大を抑制することができる。

一実施形態では、例えば図４に示すように、上記少なくとも一つの非流路部２５は、第１非流路部２５ａ及び第２非流路部２５ｂを含み、第１排出流路部１２、第１非流路部２５ａ、第２排出流路部１４及び第２非流路部２５ｂが周方向に順に設けられている。

これにより第１排出流路部１２と第２排出流路部１４とが周方向において不連続となるため、第１排出流路部１２から第２排出流路部１４への流体の周方向の移動、及び第２排出流路部１４から第１排出流路部１２への流体の周方向の移動を防止し、タービンディフューザ６における排気損失の増大を抑制することができる。

図５は、一実施形態に係るノズル翼群４を軸方向から視た模式図であり、図１に示したノズル翼群４の構成例を示している。図６は、他の実施形態に係るノズル翼群４を軸方向から視た模式図であり、図１に示したノズル翼群４の他の構成例を示している。

一実施形態では、例えば図５に示すように、ノズル翼群４は、超音速用と亜音速用（又は遷音速用）の何れか一方のノズル翼３８のみから構成されてもよい。これにより、ノズル翼群４の構成を簡素化することができる。なお、図５に示す実施形態では、ノズル翼群４はノズル室４０に設けられており、周方向においてノズル室４０に隣接する領域は非送入部（仕切り部）４２となっている。また、ノズル翼群４を構成する複数のノズル翼３８の一部が第１供給流路部２４の出口開口３４と周方向において重なる領域に設けられ、複数のノズル翼３８の他の一部が、第２供給流路部２６の出口開口３６と周方向において重なる領域に設けられている。

一実施形態では、例えば図６に示すように、ノズル翼群４は、超音速用（先細‐末広型）のノズル翼４４からなる第１ノズル翼群４６と、第１ノズル翼群４６と周方向において異なる領域に設けられた亜音速用（先細型）又は遷音速用（先細型）のノズル翼４８からなる第２ノズル翼群５０とを含む。なお、図６に示す実施形態では、第１ノズル翼群４６はノズル室５２に設けられており、第２ノズル翼群５０はノズル室５４に設けられている。ノズル室５２とノズル室５４との間は、非送入部（仕切り部）５６，５８によって隔てられている。すなわち、ノズル室５２、非送入部５６、ノズル室５４及び非送入部５８は、周方向に順に設けられている。そして、第１ノズル翼群４６は、第１供給流路部２４の出口開口３４と周方向において重なる領域に設けられ、第２ノズル翼群５０は、第２供給流路部２６の出口開口３６と周方向において重なる領域に設けられている。

また、図６に示す第１ノズル翼群４６は、周方向において図３又は図４に示す第１排出流路部１２と重なる領域に設けられ、第２ノズル翼群５０は、周方向において図３又は図４に示す第２排出流路部１４と重なる領域に設けられている。これにより、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体が第１ノズル翼群４６及び第１排出流路部１２を通過し、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体が第２ノズル翼群５０及び第２排出流路部１４を通過することが可能となる。これにより、高いタービン効率を実現することができる。

次に、図２に戻り、他の実施形態における切替装置１０の構成について説明する。図２に示す実施形態では、切替装置１０は、第１供給流路部２４と、第１供給流路部２４に設けられた第１バルブ２８（流量制御弁）と、回転機構６０と、制御部６２を備えている。第１供給流路部２４は、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体と、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体とをノズル翼群４に選択的に供給可能な供給流路である。回転機構６０は、タービンディフューザ６をタービンノズル５と一体で軸流タービン１００（１００ｂ）の回転軸周りに回転させるよう構成されている。制御部６２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、およびＩ／Ｏインターフェイスなどからなるマイクロコンピュータとして構成されており、第１バルブ２８の開閉動作と、回転機構６０によるタービンディフューザ６の上記回転とを制御する。

ここで、図７及び図８を用いて、図２に示した切替装置１０の切替動作についてさらに説明する。図７は、タービンディフューザ６が第１位相にある場合の第１供給流路部２４の出口開口３４、第１排出流路部１２及び第２排出流路部１４の周方向における位置関係を示す図である。図８は、タービンディフューザ６が第２位相にある場合の第１供給流路部２４の出口開口３４、第１排出流路部１２及び第２排出流路部１４との周方向における位置関係を示す図である。

図７に示すように、タービンディフューザ６の第１位相は、タービンディフューザ６の第１排出流路部１２が周方向において第１供給流路部２４の出口開口３４に重なる位相である。図８に示すように、タービンディフューザ６の第２位相は、タービンディフューザ６の第２排出流路部１４が周方向において第１供給流路部２４の出口開口３４に重なる位相である。

制御部６２は、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体を第１供給流路部２４から供給する場合、タービンディフューザ６の位相が図７に示す第１位相となるように回転機構６０によってタービンディフューザ６を回転させる。これにより、該流体を第１排出流路部１２に流入させることができる。

制御部６２は、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体を第１供給流路部２４から供給する場合、タービンディフューザ６の位相が図８に示す第２位相となるように回転機構６０によってタービンディフューザ６を回転させる。これにより、該流体を第２排出流路部１４に流入させることができる。

このように、図２、図７及び図８を用いて説明した実施形態では、切替装置１０は、軸流タービン１００の回転軸線周りにタービンディフューザ６を回転させることにより、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体を第１排出流路部１２に流入させ、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体を第２排出流路部１４に流入させるよう構成されている。

これにより、図１に示した実施形態と比較して、第２供給流路部２６が不要となる。また、図１に示した実施形態と同様に、流速に応じた最適な第１排出流路部１２又は第２排出流路部１４を使用することにより、高いタービン効率を実現することができる。

なお、図２に示した実施形態においても、タービンディフューザ６における第１排出流路部１２と第２排出流路部１４との間に、図４に示すように非流路部２５ａ，２５ｂを設けても良い。

次に、図９及び図１０を用いて、図２に示したタービンディフューザ６が上記第１位相又は上記第２位相にあるときの、第１供給流路部２４の出口開口３４とタービンノズル５のノズル翼群４との周方向における位置関係を説明する。図９は、図２に示したタービンディフューザ６が第１位相にあるときの、第１供給流路部２４の出口開口３４とタービンノズル５のノズル翼群４との周方向における位置関係を示す図である。図１０は、図２に示したタービンディフューザ６が第２位相にあるときの、第１供給流路部２４の出口開口３４とタービンノズル５のノズル翼群４との周方向における位置関係を示す図である。

図９に示すように、タービンディフューザ６が第１位相にあるときには、第１供給流路部２４の出口開口３４は、周方向において超音速用の第１ノズル翼群４６と重なる。図１０に示すように、タービンディフューザ６が第２位相にあるときには、第１供給流路部２４の出口開口３４は、周方向においてタービンノズル５の第２ノズル翼群５０と重なる。

これにより、図１に示した第２供給流路部２６を設けることなく、流速に応じた最適なノズル翼群４６又はノズル翼群５０を使用することが可能となり、タービン効率を向上することができる。
なお、図９及び図１０では、ノズル翼群４が第１ノズル翼群４６と第２ノズル翼群５０とを有する場合を例に説明したが、図２に示した実施形態において、ノズル翼群４は、超音速用と亜音速用（又は遷音速用）の何れか一方のノズル翼３８のみから構成されてもよい。

一実施形態では、例えば図１１に示すように、軸流タービン１００（１００ａ，１００ｂ）は、タービンディフューザ６に流入する流体のマッハ数が超音速領域内で小さいほど、スロート部２２における径方向の流路幅Ｄを小さくするよう構成された流路幅調節機構６４を更に備える。図１１に示す実施形態では、流路幅調節機構６４がタービンディフューザ６の一部６ａをスライド移動させることにより、スロート部２２における径方向の流路幅Ｄを調節するよう構成されている。これにより、タービンディフューザ６に流入する流体のマッハ数が超音速領域内で変化しても、タービンディフューザ６の排気損失の増大を抑制することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、図１に示した実施形態では、切替装置１０は、第１バルブ２８及び第２バルブ３０の切り替え動作によって流体の流入先を第１排出流路部１２と第２排出流路部１４とで切り替えるよう構成されているが、バルブの数はこれに限らない。例えば図１２に示すように、切替装置１０は、一つの三方弁６６を用いて流体の流入先を第１排出流路部１２と第２排出流路部１４とで切り替えてもよい。このように、図１及び図１２に示す切替装置１０は、第１供給流路部２４を介してノズル翼群４に流体を供給するか第２供給流路部２６を介してノズル翼群４に流体を供給するかを切り替え可能な少なくとも一つのバルブ（２８及び３０、又は６６）を有し、該少なくとも一つのバルブの切り替え動作によって流体の流入先を第１排出流路部１２と第２排出流路部１４とで切り替えるよう構成される。

また、主に図１及び図２を用いて説明した幾つかの実施形態では、切替装置１０は、制御部３２又は制御部６２によって流体の流入先を第１排出流路部１２と第２排出流路部１４とで切り替えるよう構成されていたが、この切り替えを手動で行うよう構成されていてもよい。図１２に示した実施形態においても、切替装置１０は、この切り替えを制御部３２によって行ってもよいし手動で行ってもよい。

また、主に図１、図２及び図１２を用いて説明した軸流タービン１００（１００ａ〜１００ｃ）では、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が超音速となる流体を先細‐末広型の第１排出流路部１２に流入させ、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が亜音速又は遷音速となる流体を末広型の第２排出流路部に流入させることにより、亜音速域（又は遷音速域）から超音速域にかけての流速の変化に伴うタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制できることを説明した。

ただし、第１排出流路部１２及び第２排出流路部１４の軸方向に沿った断面形状の組み合わせはこれに限らない。

例えば、図１３に示す軸流タービン１００（１００ｄ）のように、第１排出流路部１２及び第２排出流路部１４をそれぞれ末広型に（軸方向に沿って下流側に向かうにつれて径方向の流路幅が単調増加するように）形成してもよい。なお、図１３に示す軸流タービン１００（１００ｃ）の構成のうち特記しない部分は図１に示した軸流タービン１００と同様である。

図１３に示す軸流タービン１００（１００ｄ）では、径方向における第１排出流路部１２の流路幅のうち、第１排出流路部１２の入口位置での流路幅をＤ１、第１排出流路部の出口位置での流路幅をＤ２とし、径方向における第２排出流路部１４の流路幅のうち、第２排出流路部１４の入口位置での流路幅をＤ３、第２排出流路部１４の出口位置での流路幅をＤ４とすると、流路幅Ｄ１と流路幅Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２は、流路幅Ｄ３と流路幅Ｄ４の比Ｄ３／Ｄ４の比より大きくなっている。

このため、切替装置１０を用いて、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が第１流速（ただし、該第１流速は亜音速又は遷音速である。）以上となる流体を第１排出流路部１２に流入させ、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速が第１流速未満となる流体を第２排出流路部に流入させることにより、遷音速域から亜音速域にかけての流速の変化に伴うタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

また、軸流タービン１００（１００ｄ）は、軸方向に沿った断面において、図１４に示すように、第１排出流路部１２における径方向内側の流路壁８（壁面）の接線のうち、軸方向における第１位置Ｐ１での下流側への接線をＬ１とし、第２排出流路部１４における径方向内側の流路壁９（壁面）の接線のうち、軸方向における第１位置Ｐ１での下流側への接線をＬ２とすると、軸方向に対する接線Ｌ１のなす角度θ１は、軸方向に対する接線Ｌ２のなす角度θ２より大きくなっている（ただし、軸方向に対して径方向外側への角度を正の値とし、軸方向に対して径方向内側への角度を負の値とする。）。換言すれば、第１排出流路部１２における径方向内側の流路壁８と軸流タービンの軸線Ｌ０との距離をｒ１、第２排出流路部１４における径方向内側の流路壁９と軸流タービンの軸線Ｌ０との距離をｒ２とすると、軸流タービン１００（１００ｃ）の軸方向における少なくとも一部の範囲において、距離ｒ１と距離ｒ２との差分ｒ１−ｒ２が軸方向下流側に向かうにつれて大きくなっている。例えば、軸流タービン１００（１００ｃ）の軸方向における少なくとも一部の範囲において、軸方向下流側に向かうにつれて距離ｒ１が大きくなるように流路壁８を形成し、軸方向下流側に向かうにつれて距離ｒ２が小さくなるように流路壁９を形成しても良い。

タービンディフューザ６の排出流路１２，１４を通過する流体は、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速の軸線Ｌ０周りの旋回成分が大きくなるにつれて、径方向内側の流路壁８，９から剥離しやすくなる。そこで、上記軸流タービン１００（１００ｄ）では角度θ１を角度θ２より大きくしている。このため、切替装置１０を用いて、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速の旋回成分が第２流速以上となる流体（ただし、該出口位置Ｐｏでの流体の流速は亜音速又は遷音速である。）を第１排出流路部１２に流入させ、タービン動翼２０の出口位置Ｐｏでの流速の旋回成分が第２流速未満となる流体を第２排出流路部１４に流入させることにより、径方向内側の流路壁８，９からの流体の剥離を抑制し、亜音速域から遷音速域にかけての流速の変化に伴うタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

なお、軸流タービン１００（１００ｄ）のノズル翼群４は、図６に示すように、遷音速用の第１ノズル翼群６８及び亜音速用の第２ノズル翼群７０を含んでいてもよい。この場合、第１ノズル翼群６８は、周方向において第１排出流路部１２と重なる領域に設けられ、第２ノズル翼群７０は、周方向において第２排出流路部１４と重なる領域に設けられてもよい。これにより、亜音速域から遷音速域にかけての流速の変化に伴うタービン効率の低下を効果的に抑制することができる。ただし、軸流タービン１００（１００ｄ）のノズル翼群４は、図５に示すように、遷音速用と亜音速用の何れか一方のノズル翼７２のみを有していてもよい。

以上のように、主に図１、図２、図１２及び図１３を用いて説明した幾つかの実施形態では、第１排出流路部１２と第２排出流路部１４とは、軸流タービン１００（１００ａ〜１００ｄ）の軸方向に沿った断面における流路形状が互いに異なっている。このため、各実施形態に示したように、軸方向に沿った断面における第１排出流路部１２と第２排出流路部１４の流路形状をそれぞれ異なる流速に適した形状とすれば、流速の変化に応じて第１排出流路部１２と第２排出流路部１４のうち該流速に適した排出流路部を使用することにより、流速の変化にともなうタービンディフューザの排気損失の増大を効果的に抑制することができる。

なお、流速の変化が大きい軸流タービンの例として水中機器の軸流タービンを例示したが、各実施形態で説明した軸流タービン１００（１００ａ〜１００ｄ）は、水中機器に限らず、流速の変化が大きい蒸気タービン全般に好適に適用することができる。

２ タービン動翼群
３ タービンロータ
４ ノズル翼群
５ タービンノズル
６ タービンディフューザ
８ 流路壁
９ 流路壁
１０ 切替装置
１２ 第１排出流路部
１４ 第２排出流路部
１６ 単調減少部
１８ 単調増加部
２０ タービン動翼
２２ スロート部
２４ 第１供給流路部
２５ 非流路部
２５ａ 第１非流路部
２５ｂ 第２非流路部
２６ 第２供給流路部
２８ 第１バルブ
３０ 第２バルブ
３２ 制御部
３４，３６ 出口開口
３８ 超音速用と亜音速用の何れか一方のノズル翼
４０ ノズル室
４２ 非送入部
４４ 超音速用のノズル翼
４６ 第１ノズル翼群
４８ 亜音速用のノズル翼
５０ 第２ノズル翼群
５２，５４ ノズル室
５６，５８ 非送入部
６０ 回転機構
６２ 制御部
６４ 流路幅調節機構
６６ 三方弁
６８ 第１ノズル翼群
７０ 第２ノズル翼群
７２ 遷音速用と亜音速用の何れか一方のノズル翼
１００ 軸流タービン

Claims (12)

1. 軸流タービンのタービンディフューザであって、
   前記軸流タービンのタービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第１排出流路部と、
   前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部とは異なる領域に設けられ、前記タービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第２排出流路部と、
   を備え、
   前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とは、前記軸流タービンの軸方向に沿った断面における流路形状が互いに異なっており、
   前記第１排出流路部は、
   前記タービン動翼群の下流側に設けられ、前記軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記軸流タービンの径方向の流路幅が単調減少するよう形成された単調減少部と、
   前記単調減少部の下流側に設けられ、前記軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記径方向の流路幅が単調増加するよう形成された単調増加部と、
   を含み、
   前記第２排出流路部は、前記タービン動翼群の下流側に設けられ、前記軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記径方向の流路幅が単調増加するよう形成されているタービンディフューザ。
2. 前記単調減少部及び前記体調増加部は、前記タービン動翼群のタービン動翼における出口位置の翼高さよりも前記径方向の流路幅が狭いスロート部を形成する請求項１に記載のタービンディフューザ。
3. 軸流タービンのタービンディフューザであって、
   前記軸流タービンのタービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第１排出流路部と、
   前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部とは異なる領域に設けられ、前記タービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第２排出流路部と、
   を備え、
   前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とは、前記軸流タービンの軸方向に沿った断面における流路形状が互いに異なっており、
   前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部及び前記第２排出流路部のそれぞれと異なる領域に設けられた少なくとも一つの非流路部を更に備え、
   前記少なくとも一つの非流路部は、第１非流路部及び第２非流路部を含み、
   前記周方向において、前記第１排出流路部、前記第１非流路部、前記第２排出流路部及び前記第２非流路部が順に設けられることで、前記第１排出流路部と前記第２排出流路部との間の流体の周方向の移動が防止されるように構成されるタービンディフューザ。
4. 軸流タービンのタービンディフューザであって、
   前記軸流タービンのタービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第１排出流路部と、
   前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部とは異なる領域に設けられ、前記タービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第２排出流路部と、
   を備え、
   前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とは、前記軸流タービンの軸方向に沿った断面における流路形状が互いに異なるタービンディフューザと、
   前記タービン動翼群と、
   前記タービン動翼群の上流側に設けられたノズル翼群と、
   前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された切替装置と、を備える軸流タービン。
5. 軸流タービンのタービンディフューザであって、
   前記軸流タービンのタービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第１排出流路部と、
   前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部とは異なる領域に設けられ、前記タービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第２排出流路部と、
   を備え、
   前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とは、前記軸流タービンの軸方向に沿った断面における流路形状が互いに異なっており、
   前記第１排出流路部及び前記第２排出流路部は、それぞれ、前記タービン動翼群の下流側に設けられるとともに、前記軸方向に沿って下流側に向かうにつれて前記軸流タービンの径方向の流路幅が単調増加するよう形成され、
   前記径方向における前記第１排出流路部の流路幅のうち、前記第１排出流路部の入口位置での流路幅をＤ１、前記第１排出流路部の出口位置での流路幅をＤ２とし、
   前記径方向における前記第２排出流路部の流路幅のうち、前記第２排出流路部の入口位置での流路幅をＤ３、前記第２排出流路部の出口位置での流路幅をＤ４とすると、
   前記流路幅Ｄ１と前記流路幅Ｄ２の比Ｄ１／Ｄ２は、前記流路幅Ｄ３と前記流路幅Ｄ４の比Ｄ３／Ｄ４の比と異なるタービンディフューザと、
   前記タービン動翼群と、
   前記タービン動翼群の上流側に設けられたノズル翼群と、
   前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された切替装置と、を備える軸流タービンであって、
   前記比Ｄ１／Ｄ２は、前記比Ｄ３／Ｄ４より大きく、
   前記切替装置は、前記タービン動翼の出口位置での流速が第１流速（ただし、該第１流速は亜音速又は遷音速である。）以上となる前記流体を前記第１排出流路部に流入させ、前記タービン動翼の出口位置での流速が前記第１流速未満となる前記流体を前記第２排出流路部に流入させるように、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された軸流タービン。
6. 軸流タービンのタービンディフューザであって、
   前記軸流タービンのタービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第１排出流路部と、
   前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部とは異なる領域に設けられ、前記タービン動翼群の間を通過した流体を排出するための第２排出流路部と、
   を備え、
   前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とは、前記軸流タービンの軸方向に沿った断面における流路形状が互いに異なっており、
   前記軸流タービンの軸方向に沿った断面において、
   前記第１排出流路部における前記径方向内側の流路壁の接線のうち、前記軸方向における第１位置での下流側への接線をＬ１とし、
   前記第２排出流路部における前記径方向内側の流路壁の接線のうち、前記軸方向における前記第１位置での下流側への接線をＬ２とすると、
   前記軸方向に対する前記接線Ｌ１のなす角度θ１は、前記軸方向に対する前記接線Ｌ２のなす角度θ２と異なる（ただし、前記軸方向に対して前記径方向外側への角度を正の値とし、前記軸方向に対して前記径方向内側への角度を負の値とする）、タービンディフューザと、
   前記タービン動翼群と、
   前記タービン動翼群の上流側に設けられたノズル翼群と、
   前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された切替装置と、を備える軸流タービンであって、
   前記角度θ１は前記角度θ２より大きく、
   前記切替装置は、前記タービン動翼の出口位置での流速の前記軸線周りの旋回成分が第２流速以上となる前記流体（ただし、前記出口位置での該流体の流速は亜音速又は遷音速である。）を前記第１排出流路部に流入させ、前記旋回成分が前記第２流速未満となる前記流体を前記第２排出流路部に流入させるように、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された軸流タービン。
7. 請求項１又は２に記載のタービンディフューザと、
   前記タービン動翼群と、
   前記タービン動翼群の上流側に設けられたノズル翼群と、
   前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された切替装置と、を備える軸流タービンであって、
   前記切替装置は、前記タービン動翼の出口位置での流速が超音速となる前記流体を前記第１排出流路部に流入させ、前記タービン動翼の出口位置での流速が亜音速又は遷音速となる前記流体を前記第２排出流路部に流入させるように、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成された軸流タービン。
8. 前記切替装置は、
   前記流体を前記ノズル翼群に供給可能な第１供給流路部と、
   前記流体を前記ノズル翼群に供給可能な第２供給流路部であって、前記第１供給流路部の流路出口とタービン周方向位置が異なる流路出口を有する第２供給流路部と、
   前記第１供給流路部を介して前記ノズル翼群に前記流体を供給するか前記第２供給流路部を介して前記ノズル翼群に前記流体を供給するかを切り替えるための少なくとも一つのバルブと、
   を含み、前記少なくとも一つのバルブの切り替え動作によって前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成される請求項４乃至７の何れか１項に記載の軸流タービン。
9. 前記切替装置は、前記タービンの回転軸線周りに前記タービンディフューザを回転させることにより、前記流体の流入先を前記第１排出流路部と前記第２排出流路部とで切り替えるよう構成される請求項４乃至７の何れか１項に記載の軸流タービン。
10. 前記ノズル翼群は、遷音速用の第１ノズル翼群及び亜音速用の第２ノズル翼群を含み、
    前記第１ノズル翼群は、前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部と重なる領域に設けられ、
    前記第２ノズル翼群は、前記軸流タービンの周方向において前記第２排出流路部と重なる領域に設けられる請求項５又は６に記載の軸流タービン。
11. 前記ノズル翼群は、超音速用の第１ノズル翼群及び遷音速用又は亜音速用の第２ノズル翼群を含み、
    前記第１ノズル翼群は、前記軸流タービンの周方向において前記第１排出流路部と重なる領域に設けられ、
    前記第２ノズル翼群は、前記軸流タービンの周方向において前記第２排出流路部と重なる領域に設けられる請求項７に記載の軸流タービン。
12. 前記単調減少部及び前記体調増加部は、前記タービン動翼群のタービン動翼における出口位置の翼高さよりも前記タービンの径方向の流路幅が狭いスロート部を形成し、
    前記タービンディフューザに流入する前記流体のマッハ数が超音速領域内で小さいほど、前記スロート部における前記軸流タービンの径方向の流路幅を小さくするよう構成された流路幅調節機構を更に備える請求項７に記載の軸流タービン。
    

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