(57)【要約】【課題】蒸気流路における圧力損失を低減し、タービン効率の向上を図ることができる軸流タービンの作動流体導入部構造体およびこの作動流体導入部構造体を備えた軸流タービンを提供することを目的とする。【解決手段】蒸気導入部構造体１０は、導入管２０と、導入管２０に接続され、流路中心線５０がタービンロータ２１２の軸方向に変更されるように形成された曲がり管３０と、曲がり管３０に接続され、蒸気をタービンロータ２１２の周方向に広げながら第１段ノズル２１３ａに導く環状管４０とを備える。蒸気導入部構造体１０は、導入管２０の入口から環状管４０の出口に向かって、流路中心線５０と交わる第１の方向の蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１を徐々に増加させ、かつ流路中心線５０と交わり、第１の方向に垂直な第２の方向の蒸気流路幅Ｓａ−２〜Ｓｎ−２を徐々に減少させるように構成される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流タービンの第１段ノズルに作動流体を導く作動流体流路を構成する作動流体導入部構造体であって、
作動流体が導入される導入管と、
前記導入管に接続され、流路中心線が前記軸流タービンのタービンロータの軸方向に変更されるように形成された曲がり管と、
前記曲がり管に接続され、かつ前記タービンロータの外周側から前記タービンロータを覆い、作動流体を前記タービンロータの周方向に広げながら前記第１段ノズルに導く環状通路を形成する環状管と
を備え、
前記導入管、前記曲がり管および前記環状管で構成される作動流体流路が、前記導入管の入口から前記環状管の出口に向かって、流路中心線と交わる第１の方向の流路幅を徐々に増加させ、かつ前記流路中心線と交わり、前記第１の方向に垂直な第２の方向の流路幅を徐々に減少させるように構成されていることを特徴とする軸流タービンの作動流体導入部構造体。
【請求項２】
前記第１の方向の流路幅および前記第２の方向の流路幅は、前記作動流体流路の流路中心線と垂直に交わる同一の流路断面上に存在し、かつ前記第１の方向の流路幅と前記第２の方向の流路幅が異なる場合に、前記第１の方向の流路幅は、前記流路断面上の長手方向の流路幅であることを特徴とする請求項１記載の軸流タービンの作動流体導入部構造体。
【請求項３】
前記流路断面の面積が、前記導入管の入口から前記環状管の出口に向かって単調に変化することを特徴とする請求項２記載の軸流タービンの作動流体導入部構造体。
【請求項４】
前記単調な変化が、単調に減少することであることを特徴とする請求項３記載の軸流タービンの作動流体導入部構造体。
【請求項５】
前記導入管および前記曲がり管からなる１対の配管が、前記環状管に対して少なくとも１つ配設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の軸流タービンの作動流体導入部構造体。
【請求項６】
導入された作動流体を作動流体流路を介して第１段ノズルに導く軸流タービンであって、
前記作動流体流路が、請求項１乃至５のいずれか１項記載の軸流タービンの作動流体導入部構造体で構成されていることを特徴とする軸流タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン等の軸流タービンの作動流体導入部である入口管やノズルボックスにおいて構成される作動流体導入部構造体、およびこの作動流体導入部構造体を備えた軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所などで用いられる蒸気タービンのような軸流回転機械は、作動流体が通過する流路が静止しているノズルと、回転する動翼とを複数段組み合わせて構成された翼列を備えている。蒸気タービンの場合、作動流体である蒸気の条件から、一般に、高圧部、中圧部、低圧部に分類されている。それぞれの翼列部において、作動流体による仕事の効率を向上させるため、翼列間の流路は、作動流体が円滑に流れるような形状に設計される必要がある。
【０００３】
従来、エネルギ資源の有効利用やＣＯ２排出量の削減のため、発電機器においては、機器の効率を向上させることが重要な課題となっている。蒸気タービンの効率を向上させるためには、例えば、与えられたエネルギを有効に機械仕事に変換することが挙げられる。その対策の１つとして、様々な内部損失を低減することが挙げられる。
【０００４】
蒸気タービンにおける内部損失には、翼の形状に起因するプロファイル損失、二次流れに起因する二次損失、翼列外への作動流体の漏洩に起因する漏洩損失、最終翼群に特有のドレンに起因する湿り損失などの蒸気タービン翼列内の損失がある。さらに、蒸気弁、蒸気をある翼列まで導く通路部、ある翼列を出て次の翼列までの通路部における損失、低圧最終段における排気損失などがある。
【０００５】
例えば、翼列と翼列をつなぐ通路部の圧力損失を低減するため、翼列に均一に作動流体を導く技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この技術によれば、軸流タービンの翼列に均一に作動流体を導くため、作動流体を通過させる通路部の幅を下流に向かって単調増加させている。
【０００６】
ここで、従来の軸流タービンにおける蒸気導入部構造体３００の構成について説明する。図９は、従来の蒸気導入部構造体３００の一部を示す斜視図である。図１０は、従来の蒸気導入部構造体３００のタービンロータに垂直な断面を第１段ノズル３０３側から見たときの図である。図１１は、従来の蒸気導入部構造体３００の流路中心線断面を示す図である。なお、蒸気導入部構造体３００の中心にはタービンロータが貫設されているが、ここではタービンロータの図示を省略している。
【０００７】
例えば、図９に示すように、蒸気導入部構造体３００は、導入管３０２に導入された蒸気が第１段ノズル３０３に導入されるまでの蒸気流路を構成する構造体である。
【０００８】
図１０に示すように、蒸気導入部構造体３００は、上下２つの空間に分離され、それぞれの空間にボイラ（図示しない）からの蒸気３０１が２つの導入管３０２によって導入される。
【０００９】
図１０に示すように、円管からなる導入管３０２に導入された蒸気３０１は、環状通路３０４を通り第１段ノズル３０３に導かれる。第１段ノズル３０３の下流で通路部は全周連結され、第１段ノズル３０３を通過した蒸気３０１は、第１段動翼（図示しない）へ導かれる。
【００１０】
ここで、図１０に示した、Ｓａ−１〜Ｓｎ−１は、蒸気導入部構造体３００によって形成される蒸気流路の所定の位置における流路中心線３０５と交わる第１の方向の蒸気流路幅である。図１１に示した、Ｓａ−２〜Ｓｎ−２は、流路中心線３０５と交わり、第１の方向に垂直な第２の方向の蒸気流路幅である。第１の方向の蒸気流路幅および第２の方向の蒸気流路幅は、蒸気流路の流路中心線３０５と垂直に交わる同一の流路断面上に存在する。さらに、第１の方向の蒸気流路幅と第２の方向の蒸気流路幅が異なる場合、第１の方向の蒸気流路幅は、この流路断面上の長手方向の蒸気流路幅である。すなわち、第１の方向の蒸気流路幅は、この流路断面上において流路幅が最大となる部分である。
【００１１】
なお、図９に示すように、例えば、蒸気導入部構造体３００の入口部では、蒸気流路の断面形状が円形であるため、第１の方向の蒸気流路幅と第２の方向の蒸気流路幅とが同じになる。ここでは、蒸気流路の断面形状が円形となる断面よりも下流の、第１の方向の蒸気流路幅と第２の方向の蒸気流路幅とが異なる蒸気流路の長手方向の蒸気流路幅に対応する方向の蒸気流路幅をＳａ−１と設定している。また、蒸気導入部構造体３００の出口、すなわち第１段ノズル３０３の入口における流路中心線３０５と交わる第１の方向の蒸気流路幅をＳｎ−１、流路中心線３０５と交わり、この第１の方向に垂直な第２の方向の蒸気流路幅をＳｎ−２で示している。
【００１２】
従来の蒸気導入部構造体３００では、図１０に示すように、導入管３０２における蒸気流路幅Ｓａ−１および蒸気流路幅Ｓｂ−１は同じであるが、導入管３０２と環状通路３０４の接合部付近の蒸気流路幅Ｓｃ−１から広くなり始める。環状通路３０４における蒸気流路幅Ｓｄ−１、Ｓｅ−１は、さらに急激に広くなっている。また、図１１に示すように、導入管３０２における蒸気流路幅Ｓａ−２〜蒸気流路幅Ｓｃ−２は同じであるが、蒸気流路幅Ｓｄ−２から徐々に狭くなっている。そして、第１段ノズル３０３の入口における蒸気流路幅Ｓｎ−２は、第１段ノズル３０３の高さと等しくなっている。
【００１３】
図１２は、図１０および図１１に示した各蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１、Ｓａ−２〜Ｓｎ−２を含み、蒸気流路の流路中心線３０５と垂直に交わる各流路断面Ｓａ〜Ｓｎの面積を、蒸気流路幅Ｓａ−１および蒸気流路幅Ｓａ−２含み、蒸気流路の流路中心線３０５と垂直に交わる、導入管３０２の入口における流路断面Ｓａの面積で除した面積比を示す図である。なお、図１２には、流路断面Ｓａ〜Ｓｎ以外の他の流路断面における面積比も示している。
【００１４】
図１２に示すように、面積比は、流路断面Ｓｃよりも若干上流側の流路断面までは、上記した導入管３０２の流路断面であるため１であり、一定値となっている。この流路断面Ｓｃよりも若干上流側の流路断面よりも下流側の流路断面では、急激に面積比が増加している。面積比は、流路断面Ｓｄにおいてピークを示し、流路断面Ｓｄよりも下流側の流路断面では、急激に面積比が減少している。      
【００１５】
図１３は、図１２に示した各流路断面における全圧損失率を示す図である。ここで、全圧損失率は、蒸気導入部構造体３００によって形成される蒸気流路の入口の流路断面Ｓａにおける全圧をＰａとし、ある流路断面における全圧をＰｏとした場合、次の式（１）で示される。
全圧損失率（％）＝（Ｐａ−Ｐｏ）／Ｐａ×１００  …式（１）
【００１６】
なお、この全圧損失率は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）を用いて、定常状態における３次元熱流体解析によって得られたものである。
【００１７】
図１３に示すように、全圧損失率は、流路断面Ｓｃよりも若干上流側の流路断面から急激に増加している。これは、図１２に示したように、流路断面Ｓｃよりも若干上流側の流路断面から蒸気流路幅が急激に拡大し、面積比が急激に増加することで生じる圧力損失である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】特開２００８−３８７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上記したように、従来の軸流タービンにおける蒸気導入部構造体３００では、蒸気流路幅が急激に拡大し、面積比が急激に増加するため、大きな圧力損失が生じるといった問題を有していた。これによって、軸流タービンのタービン効率が低下するため、高いタービン効率を得ることは困難であった。
【００２０】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、蒸気流路における圧力損失を低減し、タービン効率の向上を図ることができる軸流タービンの作動流体導入部構造体およびこの作動流体導入部構造体を備えた軸流タービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、軸流タービンの第１段ノズルに作動流体を導く作動流体流路を構成する作動流体導入部構造体であって、作動流体が導入される導入管と、前記導入管に接続され、流路中心線が前記軸流タービンのタービンロータの軸方向に変更されるように形成された曲がり管と、前記曲がり管に接続され、かつ前記タービンロータの外周側から前記タービンロータを覆い、作動流体を前記タービンロータの周方向に広げながら前記第１段ノズルに導く環状通路を形成する環状管とを備え、前記導入管、前記曲がり管および前記環状管で構成される作動流体流路が、前記導入管の入口から前記環状管の出口に向かって、流路中心線と交わる第１の方向の流路幅を徐々に増加させ、かつ前記流路中心線と交わり、前記第１の方向に垂直な第２の方向の流路幅を徐々に減少させるように構成されていることを特徴とする軸流タービンの作動流体導入部構造体が提供される。
【００２２】
また、本発明の一態様によれば、導入された作動流体を作動流体流路を介して第１段ノズルに導く軸流タービンであって、前記作動流体流路が、上記した軸流タービンの作動流体導入部構造体で構成されていることを特徴とする軸流タービンが提供される。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の軸流タービンの蒸気導入部構造体およびこの蒸気導入部構造体を備えた軸流タービンによれば、蒸気流路における圧力損失を低減し、タービン効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る蒸気導入部構造体を備えた蒸気タービンの上半ケーシング部における断面を示した図である。
【図２】本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体の一部を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体のタービンロータに垂直な断面を第１段ノズル側から見たときの図である。
【図４】本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体のタービンロータに垂直な断面を第１段ノズル側から見たときの一部を拡大して示した図である。
【図５】本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体の流路中心線断面を示す図である。
【図６】第１の方向の蒸気流路幅と第２の方向の蒸気流路幅が異なる、蒸気流路幅Ｓｂ−１および蒸気流路幅Ｓｂ−２を含む流路断面を示す図である。
【図７】図２〜図５に示した各蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１、Ｓａ−２〜Ｓｎ−２を含み、蒸気流路の流路中心線と垂直に交わる各流路断面Ｓａ〜Ｓｎの面積を、蒸気流路幅Ｓａ−１および蒸気流路幅Ｓａ−２含み、蒸気流路の流路中心線と垂直に交わる、導入管の入口における流路断面Ｓａの面積で除した面積比を示す図である。
【図８】図７に示した各流路断面における全圧損失率を示す図である。
【図９】従来の蒸気導入部構造体の一部を示す斜視図である。
【図１０】従来の蒸気導入部構造体のタービンロータに垂直な断面を第１段ノズル側から見たときの図である。
【図１１】従来の蒸気導入部構造体の流路中心線断面を示す図である。
【図１２】図１０および図１１に示した各蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１、Ｓａ−２〜Ｓｎ−２を含み、蒸気流路の流路中心線と垂直に交わる各流路断面Ｓａ〜Ｓｎの面積を、蒸気流路幅Ｓａ−１および蒸気流路幅Ｓａ−２含み、蒸気流路の流路中心線と垂直に交わる、導入管の入口における流路断面Ｓａの面積で除した面積比を示す図である。
【図１３】図１２に示した各流路断面における全圧損失率を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は、本発明に係る蒸気導入部構造体１０を備えた蒸気タービン２００の上半ケーシング部における断面を示した図である。
【００２７】
図１に示すように、軸流タービンとして機能する蒸気タービン２００は、例えば、内部ケーシング２１０とその外側に設けられた外部ケーシング２１１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。また、内部ケーシング２１０内にタービンロータ２１２が貫設されている。また、内部ケーシング２１０の内側面には、ノズル２１３が配設され、タービンロータ２１２には、動翼２１４が植設されている。
【００２８】
さらに、蒸気タービン２００は、蒸気タービン２００内に導入された作動流体である蒸気を、第１段ノズル２１３ａに導く蒸気流路を構成する蒸気導入部構造体１０を備えている。蒸気導入部構造体１０は、外部ケーシング２１１および内部ケーシング２１０を貫通して設けられた蒸気入口管２２０の端部に設けられた導入管２０と、この導入管２０に接続され、流路中心線５０が蒸気タービン２００のタービンロータ２１２の中心軸に沿う方向に変更されるように形成された曲がり管３０と、この曲がり管３０に接続され、かつタービンロータ２１２の外周側からタービンロータ２１２を覆い、蒸気をタービンロータ２１２の周方向に広げながら第１段ノズル２１３ａに導く環状通路を形成する環状管４０とを備えている。また、曲がり管３０または曲がり管３０の一部と、環状管４０とで構成される部分は、いわゆるノズルボックスである。なお、蒸気導入部構造体１０を構成する各管路については後に詳細に説明する。
【００２９】
蒸気導入部構造体１０によって構成される蒸気流路に流入した蒸気は、導入管２０、曲がり管３０および環状管４０を通り、第１段ノズル２１３ａへ導かれる。第１段ノズル２１３ａの下流で通路部は全周連結され、第１段ノズル２１３ａへ導かれた蒸気３０１は、第１段動翼２１４ａに向けて噴出される。噴出された蒸気は、各段落のノズル２１３と動翼２１４との間の蒸気通路を通り、タービンロータ２１２を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気の大部分は、排気され、例えば、低温再熱管（図示しない）を通りボイラ（図示しない）に流入する。また、膨張仕事をした蒸気の一部は、例えば、冷却用蒸気として内部ケーシング２１０と外部ケーシング２１１との間に導かれ、グランド部または膨張仕事をした蒸気の大部分が排気される排気経路から排気される。
【００３０】
なお、蒸気タービン２００の構成は、上記した構成に限定されるものではなく、蒸気を導入し、その蒸気を各段落のノズルと動翼との間の蒸気通路に通し、タービンロータを回転させる構成を備える蒸気タービンであればよい。
【００３１】
次に、本発明に係る蒸気導入部構造体１０について説明する。
【００３２】
図２は、本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体１０の一部を示す斜視図である。図３は、本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体１０のタービンロータに垂直な断面を第１段ノズル２１３ａ側から見たときの図である。図４は、本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体１０のタービンロータに垂直な断面を第１段ノズル２１３ａ側から見たときの一部を拡大して示した図である。図５は、本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体１０の流路中心線断面を示す図である。なお、蒸気導入部構造体１０の中心にはタービンロータ２１２が貫設されているが、図２〜図５では、タービンロータの図示を省略している。
【００３３】
図２に示すように、蒸気導入部構造体１０は、導入管２０に導入された蒸気が第１段ノズル２１３ａに導入されるまでの蒸気流路を構成する構造体である。図３に示すように、蒸気導入部構造体１０は、例えば、上下２つの空間に分離されている。そして、それぞれの空間を構成する環状管４０に、ボイラ（図示しない）からの蒸気６０を導入する、導入管２０および曲がり管３０からなる１対の配管を２つ備えている。
【００３４】
また、蒸気導入部構造体１０は、蒸気入口管２２０の端部に設けられ、蒸気が導入される導入管２０と、この導入管２０に接続され、流路中心線５０が蒸気タービン２００のタービンロータ２１２の中心軸に沿う方向に変更されるように形成された曲がり管３０と、この曲がり管３０に接続され、かつタービンロータ２１２の外周側からタービンロータ２１２を覆い、蒸気をタービンロータ２１２の周方向に広げながら第１段ノズル２１３ａに導く環状通路を形成する環状管４０とを備えている。
【００３５】
なお、導入管２０は、蒸気入口管２２０の端部に接続して設けられてもよいし、蒸気入口管２２０の端部の構造を導入管２０としての構造としてもよい。このように導入管２０が構成されることから、導入管２０は、蒸気入口管２２０の延長方向、換言すれば、タービンロータ２１２の中心軸を通る水平面に垂直な方向に蒸気流路を形成している。
【００３６】
また、曲がり管３０は、上記した、タービンロータ２１２の中心軸を通る水平面に垂直な導入管２０からの流路中心線５０の方向を、少しでもタービンロータ２１２の軸方向に変更するものであればよい。すなわち、曲がり管３０の出口において、流路中心線５０の方向が、タービンロータ２１２の軸方向に変更されていればよい。ここで、タービンロータ２１２の軸方向に変更されるとは、曲がり管３０の出口における流路中心線５０の方向が、タービンロータ２１２の中心軸を通る水平面に対して水平で、かつタービンロータ２１２の軸方向に変更されることに限られない。例えば、曲がり管３０の出口における流路中心線５０の方向が、タービンロータ２１２の中心軸を通る水平面に対して所定の角度を有し、かつタービンロータ２１２の軸方向に変更されてもよい。
【００３７】
図２〜図５に示すように、導入管２０、曲がり管３０および環状管４０で構成される作動流体流路は、導入管２０の入口から環状管の出口（第１段ノズル２１３ａの入口）に向かって、流路中心線５０と交わる第１の方向の蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１を徐々に増加させ、かつ流路中心線５０と交わり、この第１の方向に垂直な第２の方向の蒸気流路幅Ｓａ−２〜Ｓｎ−２を徐々に減少させるように構成されている。なお、環状管４０の出口、すなわち第１段ノズル２１３ａの入口における流路中心線５０と交わる第１の方向の蒸気流路幅をＳｎ−１、流路中心線５０と交わり、この第１の方向に垂直な第２の方向の蒸気流路幅をＳｎ−２で示している。また、環状管４０の出口における蒸気流路幅Ｓｎ−２は、第１段ノズル２１３ａの高さと等しくなっている。
【００３８】
また、第１の方向の蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１および第２の方向の蒸気流路幅Ｓａ−２〜Ｓｎ−２は、蒸気流路の流路中心線５０と垂直に交わる同一の流路断面上に存在し、かつ第１の方向の蒸気流路幅と第２の方向の蒸気流路幅が異なる場合に、第１の方向の蒸気流路幅は、この流路断面上の長手方向の蒸気流路幅である。すなわち、第１の方向の蒸気流路幅は、この流路断面上において流路幅が最大となる部分である。
【００３９】
ここで、図６は、第１の方向の蒸気流路幅と第２の方向の蒸気流路幅が異なる、蒸気流路幅Ｓｂ−１および蒸気流路幅Ｓｂ−２を含む流路断面を示す図である。図６に示すように、流路断面上における流路中心線５０と交わる長手方向の蒸気流路幅を、第１の方向の蒸気流路幅Ｓｂ−１と定めている。
【００４０】
なお、例えば、導入管２０の入口では、蒸気流路の断面形状が円形であるため、第１の方向の蒸気流路幅と第２の方向の蒸気流路幅とが同じになる。ここでは、蒸気流路の断面形状が円形となる断面よりも下流の、第１の方向の蒸気流路幅と第２の方向の蒸気流路幅が異なる蒸気流路の長手方向の蒸気流路幅に対応する方向の蒸気流路幅をＳａ−１と設定している。
【００４１】
また、図２に示すように、第１の方向の蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１および第２の方向の蒸気流路幅Ｓａ−２〜Ｓｎ−２をそれぞれ含む流路断面Ｓａ〜Ｓｎの面積は、導入管２０の入口から環状管４０の出口に向かって単調に変化する。例えば、第１の方向の蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１および第２の方向の蒸気流路幅Ｓａ−２〜Ｓｎ−２をそれぞれ含む流路断面Ｓａ〜Ｓｎの面積は、導入管２０の入口から環状管４０の出口に向かって単調に減少しても増加してもよい。
【００４２】
なお、第１段ノズル２１３ａ近傍の位置における第１の方向の蒸気流路幅については、上下左右対称に構成されている蒸気導入部構造体１０の中心断面線、すなわち、図３における０°−１８０°を結ぶ中心線および９０°−２７０°を結ぶ中心線により区切られた１／４の範囲における流路幅を表すものとしている。
【００４３】
図７は、図２〜図５に示した各蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１、Ｓａ−２〜Ｓｎ−２を含み、蒸気流路の流路中心線５０と垂直に交わる各流路断面Ｓａ〜Ｓｎの面積を、蒸気流路幅Ｓａ−１および蒸気流路幅Ｓａ−２含み、蒸気流路の流路中心線５０と垂直に交わる、導入管２０の入口における流路断面Ｓａの面積で除した面積比を示す図の一例である。なお、図７には、流路断面Ｓａ〜Ｓｎにおける面積比以外の他の流路断面における面積比も示している。また、図７には、比較のため、図１２に示した従来の蒸気導入部構造体３００における面積比も示している。また、流路断面Ｓａ〜Ｓｎの蒸気流路における位置、すなわち、蒸気導入部構造体の入口から各流路断面Ｓａ〜Ｓｎまでの、流路中心線に沿う長さは、一実施の形態の蒸気導入部構造体１０と、従来の蒸気導入部構造体３００とでそれぞれ対応している。
【００４４】
図７の本発明の例では面積比は、導入管２０の入口から環状管４０の出口に向かって単調に減少している。また、一実施の形態の蒸気導入部構造体１０における面積比の変化は、従来の蒸気導入部構造体３００における面積比の変化と比較して、単調な変化であることがわかる。流路断面Ｓａおよび流路断面Ｓｎは、蒸気タービンの設計条件によって決まるものであり、流路断面Ｓｎの面積と流路断面Ｓａの面積の比（流路断面Ｓｎの面積／流路断面Ｓａの面積）が１より大きいか小さいかは、蒸気タービンの機種によって変わる場合があるが、図７に示すように面積比の変化が単調な変化が望ましい。それは、急激な面積変化がある場合、それが拡大でも縮小でも流れに大きな変化が生じ、渦の発生、局所的な高速域の発生により大きな損失が発生するからである。
【００４５】
図８は、図７に示した各流路断面における全圧損失率を示す図である。なお、図８には、比較のため、図１３に示した従来の蒸気導入部構造体３００における全圧損失率も示している。
【００４６】
ここで、全圧損失率は、蒸気導入部構造体１０によって形成される蒸気流路の入口、すなわち、導入管２０の入口の流路断面Ｓａにおける全圧をＰａとし、ある流路断面における全圧をＰｏとした場合、前述した式（１）で示される。なお、この全圧損失率は、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）を用いて、定常状態における３次元熱流体解析によって得られたものである。
【００４７】
図８に示すように、一実施の形態の蒸気導入部構造体１０における全圧損失率は、流路断面Ｓｃおよび流路断面Ｓｎ付近で増加しているが、従来の蒸気導入部構造体３００における全圧損失率の１／３を下回っている。
【００４８】
上記したように、本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体１０では、導入管２０の入口から環状管の出口に向かって、流路中心線５０と交わる第１の方向の蒸気流路幅Ｓａ−１〜Ｓｎ−１を徐々に増加させ、かつ流路中心線５０と交わり、この第１の方向に垂直な第２の方向の蒸気流路幅Ｓａ−２〜Ｓｎ−２を徐々に減少させるように構成されているので、導入管２０の入口から環状管の出口に向かう流路断面の変化が単調となる。そのため、導入管２０の入口から環状管の出口に向かう流路断面において、大きな断面積の変化を生じることがなく、全圧損失率の急激な増加を防止することができる。これによって、本発明に係る一実施の形態の蒸気導入部構造体１０を備える蒸気タービン２００では、蒸気を第１段ノズル２１３ａに導く蒸気流路における全圧損失が低減され、タービン効率を向上させることができる。
【００４９】
なお、上記した一実施の形態の蒸気導入部構造体１０では、図３に示すように、上下２つに分離された環状管４０に、導入管２０および曲がり管３０からなる１対の配管を２つ備えた一例を示したが、この構成に限られるものではない。例えば、上下２つに分離された環状管４０に、導入管２０および曲がり管３０からなる１対の配管を１つまたは３つ以上備えてもよい。このように蒸気導入部構造体１０を構成する場合であっても、上記した一実施の形態の蒸気導入部構造体１０の場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００５０】
以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、一実施の形態の蒸気導入部構造体１０は、蒸気タービンの高圧部、中圧部、低圧部の各入口部構造に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０…蒸気導入部構造体、２０…導入管、３０…曲がり管、４０…環状管、５０…流路中心線、６０…蒸気、２００…蒸気タービン、２１０…内部ケーシング、２１１…外部ケーシング、２１２…タービンロータ、２１３…ノズル、２１３ａ…第１段ノズル、２１４…動翼、２１４ａ…第１段動翼、２２０…蒸気入口管、Ｓａ−１、Ｓｂ−１、Ｓｃ−１、Ｓｄ−１、Ｓｎ−１、Ｓａ−２、Ｓｂ−２、Ｓｃ−２、Ｓｄ−２、Ｓｎ−２…蒸気流路幅、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｄ、Ｓｎ…流路断面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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