JP7179651B2 - タービン静翼、及び蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、タービン静翼、及び蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、軸線回りに回転可能な回転軸と、当該回転軸の外周面上で軸線方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼段と、回転軸、及びタービン動翼段を外周側から覆うケーシングと、ケーシングの内周面上でタービン動翼段と交互に配列された複数のタービン静翼段と、を備えている。ケーシングの上流側には外部から蒸気を取り込む吸入口が形成され、下流側には排気口が形成されている。吸入口から取り込まれた高温高圧の蒸気は、タービン静翼段で流れの方向と速度を調整された後、タービン動翼段で回転軸の回転力に変換される。

タービン内を通過する蒸気は、上流側から下流側に向かうにつれてエネルギーを失い、温度（と圧力）が低下する。したがって、最も下流側のタービン静翼段では、蒸気の一部が液化して微細な水滴として気流中に存在している。その水滴の一部はタービン静翼の表面に付着する。この水滴は、翼面上ですぐに成長して液膜となる。液膜は、その周囲を常に高速の蒸気流にさらされているが、この液膜がさらに成長して厚みが増すと、その一部が蒸気流によってちぎれて粗大液滴の状態で飛散する。飛散した液滴は蒸気流により徐々に加速しながらの主流に乗って下流側に流れる。大きな液滴ほど自身に働く慣性力が大きいことから、主流蒸気に乗ってタービン動翼の間を通過することができずに、タービン動翼に衝突する。タービン動翼の周速は音速を超える場合があることから、飛散した液滴がタービン動翼に衝突した場合、その表面を侵食し、エロージョンを発生させることがある。また、液滴の衝突によってタービン動翼の回転が阻害され、制動損失が生じることもある。

このような液滴の付着と成長を防ぐために、これまでに種々の技術が提唱されている。例えば下記特許文献１に記載された装置では、タービン静翼の表面に液膜を吸い込むための抽出口が形成されているとともに、この抽出口に向かってタービン静翼の前縁側から広がる親水性の除去面が形成されている。除去面を伝って液膜が移動した後、抽出口によってこれを吸い取ることができるとされている。

特開２０１７－１０６４５１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された装置では、抽出口に向かって除去面が一様に形成されているに留まる。つまり、除去面内では親水性が一定である。また、処理面上の液膜に対する流動抵抗に関する記述が無く、流動抵抗の違いによる液膜制御に関しては考慮されていない。このため、当該除去面に到達した液滴には、必ずしもスリットに向かう力が働かない。その結果、液滴が除去面から外部にはみ出してしまう可能性がある。即ち、上記特許文献１に記載された装置には依然として改良の余地がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、液滴をより効率的に回収することが可能なタービン静翼、及びこれを備える蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るタービン静翼は、蒸気の流れ方向に交差する径方向に延びるとともに、該流れ方向の上流側を向く腹面を有し、前記腹面における下流側には、前記蒸気が液化して生じた液滴を捕捉するスリットが形成され、該スリットよりも上流側には、前記腹面に付着した液滴を、上流側から下流側に向かうに従って、前記スリットに向かうように径方向に導く微細凹凸領域が形成され、該微細凹凸領域では、前記径方向内側から外側に向かうに従って、前記液滴に対する流動抵抗が次第に大きくなっている。

上記構成によれば、微細凹凸領域では、径方向内側から外側に向かうに従って、液滴に対する流動抵抗が次第に大きくなっている。液滴に対する流動抵抗が大きくなるほど、液滴の流速は遅くなる。つまり、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。したがって、上記のように径方向内側から外側に向かって流動抵抗が大きくなっている場合、液滴は蒸気の流れと、上記流動抵抗の差に基づいて、当該スリットに向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面の中央部に位置していた液滴は、微細凹凸領域に案内されることで径方向に流れた後、スリットによって捕捉される。これにより、ちぎれた液滴がタービン静翼の下流側に飛散して、タービン動翼に衝突する可能性を低減することができる。

上記タービン静翼では、前記微細凹凸領域は、前記径方向に互いに隣接して設けられた親水性を有する複数の領域を有し、前記複数の領域間では前記液滴に対する流動抵抗が互いに異なるとともに、前記径方向外側の前記領域になるほど流動抵抗が大きくてもよい。

上記構成によれば、微細凹凸領域が、径方向に隣接して設けられた親水性を有する複数の領域を有している。したがって、液滴や液膜は、壁面の親水性に基づいてより薄く広がる。これにより、液滴や液膜が上記複数の領域間をまたぎやすくなる。したがって、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴や液膜には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。その結果、径方向における腹面の中央部に位置していた液滴や液膜は、微細凹凸領域に案内されることでスリット側に向かって流れる。これにより、液滴や液膜がちぎれて下流側に飛散する可能性をさらに低減することができる。

上記タービン静翼では、前記微細凹凸領域は、上流側から下流側に向かうに従って、前記流れ方向から前記径方向に向かうように次第に湾曲していてもよい。

上記構成によれば、微細凹凸領域が上流側から下流側に向かうに従って、流れ方向から径方向に向かうように次第に湾曲している。したがって、流れ方向から径方向に向かうように、液滴をより積極的に導くことができる。これにより、ちぎれた液滴が流れ方向の下流側に飛散してしまう可能性をさらに低減することができる。

上記タービン静翼では、前記微細凹凸領域は、前記径方向に交互に配列された親水性を有する領域、及び撥水性を有する領域を有してもよい。

上記構成によれば、親水性を有する領域と撥水性を有する領域との間では、液滴に対する流動抵抗に差が生じる。液滴に対する流動抵抗が大きくなるほど、液滴の流速は遅くなる。つまり、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。したがって、液滴はスリットに向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面の中央部に位置していた液滴は、微細凹凸領域に案内されることで径方向に流れた後、スリットによって捕捉される。これにより、ちぎれた液滴がタービン静翼の下流側に飛散して、タービン動翼に衝突する可能性を低減することができる。

上記タービン静翼では、前記微細凹凸領域は、前記径方向に配列された親水性を有する領域、及び撥水性を有する領域と、これら領域の間に形成された未加工面と、を有してもよい。

上記構成によれば、親水性を有する領域と未加工面の領域と撥水性を有する領域の間では、液滴や液膜に対する流動抵抗に、この順で差が生じ、一般的に親水側に傾くほど水と壁面との親和性が良い、つまり引っ張り合う力が強くなり、結果的に流動抵抗が大きくなる。液滴や液膜に対する流動抵抗が大きくなるほど、液滴の流速は遅くなる。つまり、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。したがって、液滴はスリットに向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面の中央部に位置していた液滴は、微細凹凸領域に案内されることで径方向に流れた後、スリットによって捕捉される。これにより、ちぎれた液滴がタービン静翼の下流側に飛散して、タービン動翼に衝突する可能性を低減することができる。

上記タービン静翼では、前記微細凹凸領域は、前記径方向に配列された親水性を有する領域、及び撥水性を有する領域と、これら領域の間に形成された未加工面と、を有し、前記親水性を有する領域、前記撥水性を有する領域、及び前記未加工面がこの順で周期的に配置されていてもよい。

上記構成によれば、撥水性からを親水性有する領域に向かって流動抵抗が大きくなる。液膜は基本的に周囲の気流の流れに沿って流れるが、壁面側の流動抵抗が異なるとる流動抵抗の大きい方に曲がる。つまり流動抵抗の大きい方向への速度成分が生じる。液膜は液体ゆえに大きな慣性力を持つため、上記構成で周期的に繰り返す加工面の最大流動抵抗箇所を乗り越え、次の低流動抵抗箇所に移動し、これを繰り返す。したがって、液滴はスリットに向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面の中央部に位置していた液滴は、微細凹凸領域に案内されることで径方向に流れた後、スリットによって捕捉される。これにより、ちぎれた液滴がタービン静翼の下流側に飛散して、タービン動翼に衝突する可能性を低減することができる。

上記タービン静翼では、前記スリットは、前記タービン静翼の下流側の端縁である後縁から前記流れ方向に間隔をあけて設けられ、前記間隔には、前記腹面よりも高い撥水性を有する超撥水性領域が形成されていてもよい。

上記構成によれば、スリットと後縁との間の間隔に、超撥水性領域が形成されている。これにより、例えば液滴の一部がスリットによって捕捉しきれずに下流側に流れ去った場合であっても、当該超撥水性領域によってはじかれる。したがって、液滴がスリットの下流側に滞留する可能性を低減することができる。その結果、滞留した液滴が集合してより大きな液膜を形成することを抑制することができる。

上記タービン静翼では、前記腹面における前記微細凹凸領域の前記径方向内側には、前記腹面に付着した液滴を、上流側から下流側に向かうに従って径方向に導く内側微細凹凸領域がさらに形成され、該内側微細凹凸領域では、径方向内側に向かうに従って、前記液滴に対する流動抵抗が次第に大きくなっていてもよい。

上記構成によれば、内側微細凹凸領域では、径方向内側に向かうに従って、液滴に対する流動抵抗が次第に大きくなっている。液滴に対する流動抵抗が大きくなるほど、液滴の流速は遅くなる。つまり、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。したがって、上記のように径方向に向かって流動抵抗が大きくなっている場合、液滴は径方向外側から内側に向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面の中央部に位置していた液滴は、内側微細凹凸領域に案内されることで径方向内側に流れる。タービン静翼の下流側に位置するタービン動翼の周速は径方向内側になるほど小さいことから、周速が相対的に高い径方向外側の部分に液滴が衝突した場合に比べて、エロージョンや制動損失を生じる可能性を低減することができる。

本発明の一態様に係る蒸気タービンは、軸線回りに回転可能な回転軸と、該回転軸の外周面に前記軸線方向に対する周方向に配列された複数のタービン動翼と、前記回転軸、及び前記タービン動翼を外周側から覆うケーシングと、該ケーシングの内周面に前記軸線に対する周方向に配列されるとともに、前記タービン動翼と前記軸線方向に隣接して設けられた上記いずれか一の態様に係る複数のタービン静翼と、を備える。

上記構成によれば、液滴をより効率的に回収することが可能なタービン静翼を備える蒸気タービンを提供することができる。

本発明によれば、液滴をより効率的に回収することが可能なタービン静翼、及びこれを備える蒸気タービンを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係るタービン静翼の構成を示す斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る微細凹凸領域の構成を示す拡大図である。 本発明の第一実施形態に係る微細凹凸領域での液滴の挙動を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係るタービン静翼の構成を示す側面図である。 本発明の第三実施形態に係るタービン静翼の構成を示す側面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。本実施形態に係る蒸気タービン１００は、軸線Ｏ方向に沿って延びる蒸気タービンロータ３と、蒸気タービンロータ３を外周側から覆う蒸気タービンケーシング２と、蒸気タービンロータ３の軸端１１を軸線Ｏ回りに回転可能に支持するジャーナル軸受４Ａ、及びスラスト軸受４Ｂと、を備えている。

蒸気タービンロータ３は、軸線Ｏに沿って延びる回転軸１と、回転軸１の外周面に設けられた複数の動翼３０を有している。動翼３０は、回転軸１の周方向に一定の間隔をもって複数配列されている。軸線Ｏ方向においても、一定の間隔を持って複数の動翼３０の列が配列されている。動翼３０は、動翼本体３１（タービン動翼）と、動翼シュラウド３４と、を有している。動翼本体３１は、蒸気タービンロータ３の外周面から径方向外側に向かって突出している。動翼本体３１は、径方向から見て翼型の断面を有する。動翼本体３１の先端部（径方向外側の端部）には、動翼シュラウド３４が設けられている。

蒸気タービンケーシング２は、蒸気タービンロータ３を外周側から覆う略筒状をなしている。蒸気タービンケーシング２の軸線Ｏ方向一方側には、蒸気Ｓを取り込む蒸気供給管１２が設けられている。蒸気タービンケーシング２の軸線Ｏ方向他方側には、蒸気Ｓを排出する蒸気排出管１３が設けられている。蒸気は、蒸気タービンケーシング２の内部で、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かって流れる。以降の説明では、蒸気の流れる方向を単に「流れ方向」と呼ぶ。さらに、蒸気排出管１３から見て蒸気供給管１２が位置する側を流れ方向の上流側と呼び、蒸気供給管１２から見て蒸気排出管１３が位置する側を流れ方向の下流側と呼ぶ。

蒸気タービンケーシング２の内周面には、複数の静翼２０の列が設けられている。静翼２０は、静翼本体２１（タービン静翼）と、静翼シュラウド２２と、静翼台座２４と、を有している。静翼本体２１は、静翼台座２４を介して蒸気タービンケーシング２の内周面に接続される羽根状の部材である。さらに、静翼本体２１の先端部（径方向内側の端部）には、静翼シュラウド２２が設けられている。動翼３０と同様に、静翼２０は内周面上で周方向及び軸線Ｏ方向に沿って複数配列される。動翼３０は、隣り合う複数の静翼２０の間の領域に入り込むようにして配置される。つまり、静翼２０、及び動翼３０は、蒸気の流れ方向に交差する方向（軸線Ｏに対する径方向）に延びている。

蒸気Ｓは、上流側の蒸気供給管１２を介して、上述のように構成された蒸気タービンケーシング２の内部に供給される。蒸気タービンケーシング２の内部を通過する中途で、蒸気Ｓは静翼２０と動翼３０を交互に通過する。静翼２０は蒸気Ｓの流れを整流し、整流された流体としての蒸気Ｓの塊が動翼３０を押すことによって蒸気タービンロータ３に回転力を与える。蒸気タービンロータ３の回転力は、軸端１１から取り出されて外部の機器（発電機等）の駆動に用いられる。蒸気タービンロータ３の回転に伴って、蒸気Ｓは下流側の蒸気排出管１３を通じて後続の装置（復水器等）に向かって排出される。

ジャーナル軸受４Ａは、軸線Ｏに対する径方向への荷重を支持する。ジャーナル軸受４Ａは、蒸気タービンロータ３の両端に１つずつ設けられている。スラスト軸受４Ｂは、軸線Ｏ方向への荷重を支持する。スラスト軸受４Ｂは、蒸気タービンロータ３の上流側の端部にのみ設けられている。

次いで、図２を参照して、静翼本体２１の構成について説明する。静翼本体２１は、流れ方向に交差する方向である径方向（軸線Ｏに対する径方向）に延びている。径方向から見た静翼本体２１の断面は翼型をなしている。より詳細には、流れ方向の上流側の端縁である前縁２１Ｆは曲面状をなしている。下流側の端縁である後縁２１Ｒは径方向から見て周方向の寸法が次第に小さくなることでテーパ形状をなしている。前縁２１Ｆから後縁２１Ｒにかけて、静翼本体２１は、軸線Ｏに対する周方向一方側から他方側に向かって緩やかに湾曲している。

静翼本体２１における周方向一方側の面は、流れ方向における下流側を向く背面２１Ｑとされている。背面２１Ｑは、周方向一方側に向かって凸となる曲面状をなしている。一方で、静翼本体２１における周方向他方側の面は、流れ方向における上流側を向く腹面２１Ｐとされている。腹面２１Ｐは、周方向一方側に向かって凹となる曲面状をなしている。蒸気が流れている状態では、腹面２１Ｐにおける圧力が、背面２１Ｑにおける圧力よりも高くなる。

静翼本体２１の径方向内側を向く端面は内周側端面２１Ａとされ、径方向外側を向く端面は外周側端面２１Ｂとされている。内周側端面２１Ａは上述の軸線Ｏに沿って広がっている。一方で、外周側端面２１Ｂは、軸線Ｏに対して傾斜している。詳細には、軸線Ｏを含む断面視で、外周側端面２１Ｂは、軸線Ｏに沿って上流側から下流側に向かうに従って、径方向外側に向かって延びている。

腹面２１Ｐ上で、外周側端面２１Ｂ側に偏った部分（即ち、内周側端面２１Ａよりも外周側端面２１Ｂに近い部分）には、スリット５、外側微細凹凸領域６１（微細凹凸領域６）、及び内側微細凹凸領域６２が形成されている。スリット５は、腹面２１Ｐ上で径方向成分を含む方向に延びる長方形の孔である。より詳細には、スリット５は、後縁２１Ｒに沿って延びている。スリット５は、腹面２１Ｐに沿って前縁２１Ｆ側から後縁２１Ｒ側にかけて流れてくる蒸気のうちの液化した成分（液滴）を捕捉するために形成されている。スリット５は、静翼本体２１の内部に形成された流路（不図示）に接続されており、捕捉した液滴はこの流路を通じて静翼本体２１の外部に送られる。

外側微細凹凸領域６１は、腹面２１Ｐに付着した液滴をスリット５に向かうように径方向に導くために設けられている。外側微細凹凸領域６１は、腹面２１Ｐにおける径方向外側に設けられている。具体的には、外側微細凹凸領域６１は、外周側端面２１Ｂに近接した位置に設けられている。外側微細凹凸領域６１は、腹面２１Ｐに付着した液滴を、流れ方向から次第に径方向外側を向くように導く。

外側微細凹凸領域６１は、径方向に複数（４つ）の領域（外側領域７）に区画されている。径方向における最も内側の外側領域７は、第一外側領域７１とされている。第一外側領域７１の径方向外側には、第二外側境界線Ｌ１２を介して第二外側領域７２が隣接している。第二外側領域７２の径方向外側には、第三外側境界線Ｌ１３を介して第三外側領域７３が隣接している。第三外側領域７３の径方向外側には、第四外側境界線Ｌ１４を介して第四外側領域７４が隣接している。第一外側領域７１の径方向内側の端縁は第一外側境界線Ｌ１１とされている。第一外側境界線Ｌ１１よりも径方向内側には中央領域Ａｃが形成されている。

第一外側領域７１、第二外側領域７２、第三外側領域７３、及び第四外側領域７４の下流側の端縁はスリット５に隣接している。径方向におけるスリット５の寸法は、外側微細凹凸領域６１よりも小さい。したがって、第一外側領域７１、第二外側領域７２、第三外側領域７３、及び第四外側領域７４は、いずれも流れ方向の上流側から下流側に向かうに従って次第に径方向外側を向くように湾曲することでスリット５につながっている。第二外側領域７２は、第一外側領域７１よりも大きく湾曲している。第三外側領域７３は、第二外側領域７２よりも大きく湾曲している。第四外側領域７４は、第三外側領域７３よりも大きく湾曲している。即ち、径方向内側の外側領域７になるほど湾曲が大きい。

内側微細凹凸領域６２は、腹面２１Ｐの中央部（中央領域Ａｃ）を挟んで外側微細凹凸領域６１の径方向内側に設けられている。内側微細凹凸領域６２は、腹面２１Ｐに付着した液滴を、流れ方向から次第に径方向内側を向くように導く。内側微細凹凸領域６２は、径方向に複数（４つ）の領域（内側領域８）に区画されている。径方向における最も外側の内側領域８は、第一内側領域８１とされている。第一内側領域８１の径方向外側には、第二内側境界線Ｌ２２を介して第二内側領域８２が隣接している。第二内側領域８２の径方向内側には、第三内側境界線Ｌ２３を介して第三内側領域８３が隣接している。第三内側領域８３の径方向内側には、第四内側境界線Ｌ２４を介して第四内側領域８４が隣接している。第一内側領域８１の径方向内側の端縁は第一内側境界線Ｌ２１とされている。第一内側境界線Ｌ２１よりも径方向外側には上述の中央領域Ａｃが形成されている。

第一内側領域８１、第二内側領域８２、第三内側領域８３、及び第四内側領域８４の下流側の端縁は、後縁２１Ｒに対して流れ方向に間隔Ｖを空けて隣接している。第一内側領域８１、第二内側領域８２、第三内側領域８３、及び第四内側領域８４は、いずれも流れ方向の上流側から下流側に向かうに従って次第に径方向内側を向くように湾曲している。第二内側領域８２は、第一内側領域８１よりも大きく湾曲している。第三内側領域８３は、第二内側領域８２よりも大きく湾曲している。第四内側領域８４は、第三内側領域８３よりも大きく湾曲している。即ち、径方向外側の内側領域８になるほど湾曲が大きい。

上記の外側微細凹凸領域６１、及び内側微細凹凸領域６２は、いずれも親水性を有している。なお、ここで言う「親水性を有する」状態とは、液滴が付着面に対してなす接触角が９０°より小さい状態を指し、特に接触角が５°未満となる状態を超親水性と呼ぶ。また、各外側領域７同士の間、及び各内側領域８同士の間では、液滴に対する流動抵抗の大きさが互いに異なっている。より具体的には、第一外側領域７１から第四外側領域７４に向かうに従って、液滴に対する流動抵抗の大きさが次第に大きくなっている。同様に、第一内側領域８１から第四内側領域８４に向かうに従って、液滴に対する流動抵抗の大きさが次第に大きくなっている。ここで材質が同じ場合、壁面の液膜に対する流動抵抗は、面上の凹凸の形状、サイズ、配置で決まり、基本的に液面に触れる面積が大きいほど、また、流れの方向を直接遮るように配置されているほど大きくなる。（さらに、微細構造の配置が同じなら、一般的に微細構造が密に配置されている方が親水性も高く、液体との接触面積も増えるので流動抵抗も大きくなる。）このような流動抵抗の差異は、図３又は図４に示す構成によって実現されている。なお、図３と図４では、第一外側領域７１と第二外側領域７２とを代表的に図示している。しかしながら、第二外側領域７２と第三外側領域７３との関係、及び第三外側領域７３と第四外側領域７４との関係も図３、又は図４の例と同様である。また、内側微細凹凸領域６２も同様の構成を有している。

図３では、外側微細凹凸領域６１のうち、代表的に第一外側領域７１と第二外側領域７２との境界線（第二外側境界線Ｌ１２）付近を拡大して示している。同図に示すように、第一外側領域７１と第二外側領域７２には、それぞれ腹面２１Ｐから周方向に突出する複数の凸部Ｔが互いに等間隔をあけて（等ピッチで）配列されている。各凸部Ｔは周方向から見て円形の断面を有している。第二外側領域７２に形成された凸部Ｔ（第二凸部Ｔ２）のピッチは、第一外側領域７１に形成された凸部Ｔ（第一凸部Ｔ１）のピッチよりも大きい。また、第二凸部Ｔ２の径は、第一凸部の径よりも大きい。したがって、第一外側領域７１では、凸部Ｔ（第一凸部Ｔ１）が相対的に「密」に配置されていることから、液滴に対する流動抵抗が、第二外側領域７２よりも大きくなる。

ここで、図４に示すように、外側微細凹凸領域６１に１つの液滴Ｗｄが第二外側境界線Ｌ１２をまたいで付着している場合を考える。この場合、液滴Ｗｄにおける第二外側領域７２側の部分では、第一外側領域７１側の部分に比べて流動抵抗が相対的に大きい。これにより、第一外側領域７１側の部分の移動速度Ｖ１に比べて、第二外側領域７２側の部分の移動速度Ｖ２は小さくなる。その結果、図４中の二点鎖線、及び矢印Ｒで示すように、液滴Ｗｄは当初の位置から、第二外側領域７２側に向かって回転しながら移動する。このような液滴の移動は、蒸気の流体力等の外力によらず、２つの領域間における流動抵抗の差異のみに起因して生じるものである。

このような流動抵抗の差異に基づく駆動力によって、外側微細凹凸領域６１に付着した液滴は、流れ方向の上流側から下流側に向かって流れるにつれて、次第に径方向外側に向かって導かれる。その後、下流側の端縁を経て、液滴はスリット５に流れ込む。同様に、内側微細凹凸領域６２に付着した液滴は、流れ方向の上流側から下流側に向かって流れるにつれて、次第に径方向内側に向かって導かれる。その後、間隔Ｖを経て静翼本体２１の下流側に流れ去る。

以上、説明したように、上記構成によれば、外側微細凹凸領域６１では、スリット５に向かうに従って、液滴に対する流動抵抗が次第に大きくなっている。液滴に対する流動抵抗が大きくなるほど、液滴の流速は遅くなる。つまり、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。したがって、上記のようにスリット５に向かって流動抵抗が大きくなっている場合、液滴は当該スリット５に向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面２１Ｐの中央部に位置していた液滴は、外側微細凹凸領域６１に案内されることで径方向に流れた後、スリット５によって捕捉される。これにより、ちぎれた液滴が静翼本体２１の下流側に飛散する可能性を低減することができる。

さらに、上記構成によれば、外側微細凹凸領域６１が、径方向に隣接して設けられた親水性を有する複数の外側領域７を有している。したがって、液滴は、親水性に基づいてより薄く広がる。これにより、液滴が上記複数の外側領域７間をまたぎやすくなる。したがって、流動抵抗の異なる２つの外側領域７にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。その結果、径方向における腹面２１Ｐの中央部（中央領域Ａｃ）に位置していた液滴は、外側微細凹凸領域６１に案内されることでスリット５側に向かって流れる。これにより、液滴がちぎれて下流側に飛散する可能性をさらに低減することができる。

加えて、上記構成によれば、外側微細凹凸領域６１が上流側から下流側に向かうに従って、流れ方向から径方向に向かうように次第に湾曲している。したがって、流れ方向から径方向に向かうように、液滴をより積極的に導くことができる。これにより、ちぎれた液滴が流れ方向の下流側に飛散してしまう可能性をさらに低減することができる。

さらに加えて、上記構成によれば、内側微細凹凸領域６２では、径方向内側に向かうに従って、液滴に対する流動抵抗が次第に大きくなっている。液滴に対する流動抵抗が大きくなるほど、液滴の流速は遅くなる。つまり、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。したがって、上記のように径方向に向かって流動抵抗が大きくなっている場合、液滴は径方向外側から内側に向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面２１Ｐの中央部（中央領域Ａｃ）に位置していた液滴は、内側微細凹凸領域６２に案内されることで径方向内側に流れる。動翼３０の周速は径方向内側になるほど小さいことから、周速が相対的に高い径方向外側の部分に液滴が衝突した場合に比べて、エロージョンや制動損失を生じる可能性を低減することができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、外側微細凹凸領域６１、及び内側微細凹凸領域６２が、それぞれ４つずつの流動抵抗が異なる領域（外側領域７、内側領域８）に区画されている例について説明した。しかしながら、これら外側微細凹凸領域６１、及び内側微細凹凸領域６２は、流動抵抗の差異に基づいて３つ以下に分割されていてもよいし、５つ以上に分割されていてもよい。

また、複数の分割された領域を一つのまとまりとして、それらが周期的に繰り返すような配置であってもよい。この構成によれば、親水性を有する領域と未加工面の領域と撥水性を有する領域の間では、液滴や液膜に対する流動抵抗に、この順で差が生じ、一般的に親水側に傾くほど水と壁面との親和性が良い、つまり引っ張り合う力が強くなり、結果的に流動抵抗が大きくなる。液滴や液膜に対する流動抵抗が大きくなるほど、液滴の流速は遅くなる。つまり、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。したがって、液滴はスリットに向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面の中央部に位置していた液滴は、微細凹凸領域に案内されることで径方向に流れた後、スリットによって捕捉される。これにより、ちぎれた液滴がタービン静翼の下流側に飛散して、タービン動翼に衝突する可能性を低減することができる。

さらに、各領域同士の間に未加工面が形成されていてもよい。ここで言う「未加工面」とは、上述の微細凹凸が形成されていない状態の面を指す。この構成によれば、撥水性からを親水性有する領域に向かって流動抵抗が大きくなる。液膜は基本的に周囲の気流の流れに沿って流れるが、壁面側の流動抵抗が異なるとる流動抵抗の大きい方に曲がる。つまり流動抵抗の大きい方向への速度成分が生じる。液膜は液体ゆえに大きな慣性力を持つため、上記構成で周期的に繰り返す加工面の最大流動抵抗箇所を乗り越え、次の低流動抵抗箇所に移動し、これを繰り返す。したがって、液滴はスリットに向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面の中央部に位置していた液滴は、微細凹凸領域に案内されることで径方向に流れた後、スリットによって捕捉される。これにより、ちぎれた液滴がタービン静翼の下流側に飛散して、タービン動翼に衝突する可能性を低減することができる。

さらに、上記第一実施形態では、外側微細凹凸領域６１のみがスリット５に隣接している例について説明した。しかしながら、外側微細凹凸領域６１に加えて、内側微細凹凸領域６２もスリット５に隣接している構成を採ることが可能である。より具体的には、スリット５を腹面２１Ｐにおける中央領域Ａｃの下流側に配置し、当該スリット５に向かって外側微細凹凸領域６１、及び内側微細凹凸領域６２がそれぞれ湾曲して広がっている攻勢を採ることが可能である。スリット５に近い領域（外側領域７、内側領域８）になるほど、液滴に対する流動抵抗が大きくなるように構成することで、外側微細凹凸領域６１に加えて、内側微細凹凸領域６２からもスリット５に液滴を導くことができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図５を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態では、外側微細凹凸領域６１´、及び内側微細凹凸領域６２´の構成が第一実施形態とは異なっている。

外側微細凹凸領域６１´では、第一外側領域７１、及び第三外側領域７３が第一実施形態と同様に親水性を有している。一方で、第二外側領域７２´、及び第四外側領域７４´は撥水性を有する撥水性領域９とされている。内側微細凹凸領域６２´では、第一内側領域８１、及び第三内側領域８３が第一実施形態と同様に親水性を有している。一方で、第二内側領域８２´、及び第四内側領域８４´は撥水性を有する撥水性領域９とされている。なお、ここで言う「撥水性を有する」とは、当該撥水性領域９に付着した液滴のなす接触角が、９０°以上である状態を示し、特に１５０°以上の場合は超撥水状態と呼ぶ。つまり、外側微細凹凸領域６１´、及び内側微細凹凸領域６２´では、親水性を有する領域と撥水性を有する領域とが径方向に交互に配列されている。

上記構成によれば、親水性を有する領域と撥水性を有する領域との間では、液滴に対する流動抵抗に差が生じる。液滴に対する流動抵抗が大きくなるほど、液滴の流速は遅くなる。つまり、流動抵抗の異なる２つの領域にまたがっている液滴には、流動抵抗の小さい領域から大きい領域に向かう速度成分が生じる。したがって、液滴はスリット５、又は上述の間隔Ｖに向かって導かれるように流れる。その結果、径方向における腹面２１Ｐの中央部（中央領域Ａｃ）に位置していた液滴は、外側微細凹凸領域６１´、及び内側微細凹凸領域６２´に案内されることで径方向に流れる。これにより、ちぎれた液滴が静翼本体２１の下流側に飛散する可能性を低減することができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態の変形例として説明した構成を本実施形態に適用することも可能である。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について、図６を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図６に示すように、本実施形態では、スリット５と後縁２１Ｒとの間の間隔Ｖに、腹面２１Ｐよりも高い撥水性（超撥水性）を有する超撥水性領域１０が形成されている。なお、ここで言う「超撥水性を有する」とは、当該超撥水性領域１０に付着した液滴のなす接触角が、１５０°以上である状態を示す。超撥水性領域１０は、スリット５の下流側の端縁に隣接して、下流側（後縁２１Ｒ側）に広がっている。

上記構成によれば、スリット５と後縁２１Ｒとの間の間隔Ｖに、超撥水性領域１０が形成されている。これにより、例えば液滴の一部がスリット５によって捕捉しきれずに下流側に流れ去った場合であっても、当該超撥水性領域１０によってはじかれる。したがって、液滴がスリット５の下流側（間隔Ｖ）に滞留する可能性を低減することができる。その結果、滞留した液滴が集合してより大きな液膜を形成することを抑制することができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上述の各実施形態に共通する事項として、微細凹凸領域６の凸部Ｔの配置・構成を以下のように変更することが可能である。微細凹凸領域６では径方向内側から外側に向かうに従って、凸部Ｔのピッチ（間隔）を同一としつつ、凸部Ｔ自体の大きさを変えることで流動抵抗を変えてもよい。また、一方の領域で凸部Ｔを格子状に配置するとともに、他方の領域で凸部Ｔを千鳥状に配置することで流動抵抗を変えてもよい。さらに、一方の領域で所定の方向に延びる線状の溝を形成し、他方の領域で当該所定の方向に直交する方向に延びる線状の溝を形成することで流動抵抗を変えてもよい。加えて、一方の領域と他方の領域とで、凸部Ｔの密度を変えることで流動抵抗の違いを持たせてもよい。

１００ 蒸気タービン
１ 回転軸
２ 蒸気タービンケーシング
３ 蒸気タービンロータ
４Ａ ジャーナル軸受
４Ｂ スラスト軸受
５ スリット
６ 微細凹凸領域
７ 外側領域
８ 内側領域
９ 撥水性領域
１０ 超撥水性領域
１１ 軸端
１２ 蒸気供給管
１３ 蒸気排出管
２０ 静翼
２１ 静翼本体
２１Ａ 内周側端面
２１Ｂ 外周側端面
２１Ｆ 前縁
２１Ｐ 腹面
２１Ｑ 背面
２１Ｒ 後縁
２２ 静翼シュラウド
３０ 動翼
３１ 動翼本体
３４ 動翼シュラウド
６１ 外側微細凹凸領域
６２ 内側微細凹凸領域
７１ 第一外側領域
７２，７２´ 第二外側領域
７３ 第三外側領域
７４，７４´ 第四外側領域
８１ 第一内側領域
８２，８２´ 第二内側領域
８３ 第三内側領域
８４，８４´ 第四内側領域
Ｌ１１ 第一外側境界線
Ｌ１２ 第二外側境界線
Ｌ１３ 第三外側境界線
Ｌ１４ 第四外側境界線
Ｌ２１ 第一内側境界線
Ｌ２２ 第二内側境界線
Ｌ２３ 第三内側境界線
Ｌ２４ 第四内側境界線
Ｏ 軸線
Ｓ 蒸気
Ｔ 凸部
Ｔ１ 第一凸部
Ｔ２ 第二凸部
Ｗｄ 液滴

Claims (9)

1. 蒸気の流れ方向に交差する径方向に延びるとともに、該流れ方向の上流側を向く腹面を有し、
   前記腹面における下流側には、前記蒸気が液化して生じた液滴を捕捉するスリットが形成され、
   該スリットよりも上流側には、前記腹面に付着した液滴を、上流側から下流側に向かうに従って、前記スリットに向かうように径方向に導く微細凹凸領域が形成され、
   該微細凹凸領域では、前記径方向内側から外側に向かうに従って、前記液滴に対する流動抵抗が次第に大きくなっているタービン静翼。
2. 前記微細凹凸領域は、前記径方向に互いに隣接して設けられた親水性を有する複数の領域を有し、前記複数の領域間では前記液滴に対する流動抵抗が互いに異なるとともに、前記径方向外側の前記領域になるほど流動抵抗が大きい請求項１に記載のタービン静翼。
3. 前記微細凹凸領域は、上流側から下流側に向かうに従って、前記流れ方向から前記径方向に向かうように次第に湾曲している請求項１又は２に記載のタービン静翼。
4. 前記微細凹凸領域は、前記径方向に交互に配列された親水性を有する領域、及び撥水性を有する領域を有する請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン静翼。
5. 前記スリットは、前記タービン静翼の下流側の端縁である後縁から前記流れ方向に間隔をあけて設けられ、前記間隔には、前記腹面よりも高い撥水性を有する超撥水性領域が形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン静翼。
6. 前記腹面における前記微細凹凸領域の前記径方向内側には、前記腹面に付着した液滴を、上流側から下流側に向かうに従って前記径方向に導く内側微細凹凸領域がさらに形成され、
   該内側微細凹凸領域では、前記径方向内側に向かうに従って、前記液滴に対する流動抵抗が次第に大きくなっている請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン静翼。
7. 前記微細凹凸領域は、前記径方向に配列された親水性を有する領域、及び撥水性を有する領域と、これら領域の間に形成された未加工面と、を有する請求項１から６のいずれか一項に記載のタービン静翼。
8. 前記微細凹凸領域は、前記径方向に配列された親水性を有する領域、及び撥水性を有する領域と、これら領域の間に形成された未加工面と、を有し、前記親水性を有する領域、前記撥水性を有する領域、及び前記未加工面がこの順で周期的に配置されている請求項１から７のいずれか一項に記載のタービン静翼。
9. 軸線回りに回転可能な回転軸と、
   該回転軸の外周面に前記軸線方向に対する周方向に配列された複数のタービン動翼と、
   前記回転軸、及び前記タービン動翼を外周側から覆うケーシングと、
   該ケーシングの内周面に前記軸線に対する周方向に配列されるとともに、前記タービン動翼と前記軸線方向に隣接して設けられた複数の請求項１から８のいずれか一項に記載のタービン静翼と、
   を備える蒸気タービン。

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