(57)【要約】【課題】第１段動翼に蒸気を導入する際の圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる蒸気タービン用ノズルボックスおよびこの蒸気タービン用ノズルボックスを備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。【解決手段】ノズルボックス１０は、蒸気入口管２２０から周方向に広がる蒸気流路２０に導入された蒸気を第１段ノズル２１３ａへ導く環状の蒸気流路で構成されている。また、ノズルボックス１０には、半径方向の蒸気流路高さが蒸気流の下流方向に徐々に減少する流路断面減少部４０が形成されている。補強リブ３０は、補強リブ３０の半径方向に亘る前縁端３１の少なくとも一部分のタービンロータ軸方向における位置が、他の部分のタービンロータ軸方向における位置と異なるように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気入口管から導入され、周方向に広がる蒸気流路に流入した蒸気を補強リブ間を通して第１段ノズルへ導くように構成された蒸気タービン用ノズルボックスであって、
前記補強リブが、前記蒸気流路の一部を構成する、半径方向の蒸気流路高さが蒸気流の下流方向に徐々に減少する流路断面減少部に少なくとも設けられ、前記補強リブの半径方向に亘る前縁端の少なくとも一部分のタービンロータ軸方向における位置が、他の部分のタービンロータ軸方向における位置と異なるように構成されていることを特徴とする蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項２】
前記補強リブの前縁端の一部分が、タービンロータ軸方向で、かつ蒸気流の上流方向に突出していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項３】
前記補強リブの前縁端が、当該前縁端の半径方向外側の端部から半径方向内側の端部に向かって、タービンロータ軸方向で、かつ蒸気流の上流方向に徐々に突出して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項４】
前記流路断面減少部の入口の半径方向の高さＨａと、前記流路断面減少部の出口の半径方向の高さＨｂとの比（Ｈｂ／Ｈａ）が０．１５以上０．６５以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項５】
前記第１段ノズルの半径方向の高さが、前記流路断面減少部の出口の半径方向の高さＨｂと同じであることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項６】
前記補強リブの前縁側の形状が鈍頭型に形成され、前記補強リブの最大厚さＴｍと、前記補強リブの後縁端の厚さＴｅとの比（Ｔｅ／Ｔｍ）が０．３８以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項７】
設置される前記補強リブの数が、前記第１段ノズルの数と同じであるか、または前記第１段ノズルの数よりも少ないことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項８】
少なくとも１つの前記補強リブの後縁が、前記第１段ノズルの前縁に対向する位置で、かつ前記補強リブの後縁端における中心線の延長線と、前記補強リブの後縁端を通るタービンロータ軸方向に平行な直線とのなす角が０〜１０度となるように、前記補強リブが配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項９】
蒸気入口管から導入され、周方向に広がる蒸気流路に流入した蒸気を補強リブ間を通して第１段ノズルへ導くように構成されたノズルボックスを備えた蒸気タービンであって、
前記ノズルボックスが、請求項１乃至８のいずれか１項記載の蒸気タービン用ノズルボックスであることを特徴とする蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンに設置される蒸気タービン用ノズルボックスおよびこの蒸気タービン用ノズルボックスを備えた蒸気タービンに関する。
【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】
翼列と翼列をつなぐ通路部の圧力損失を低減するため、翼列にできるだけ均一に蒸気を導く技術が開示されている。例えば、翼列にできるだけ均一に蒸気を導くため、蒸気の流れを制御するガイドを備える蒸気タービンが開示されている（例えば、特許文献１−３参照。）。
【０００６】
ここで、従来のノズルボックスの構成について説明する。図１３は、従来のノズルボックス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１４は、図１３のＡ−Ａ断面を示す図である。なお、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示している。
【０００７】
図１３に示すように、ノズルボックス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つの蒸気入口管３０２によって導入される。図１４に示すように、ノズルボックス３００に導入された蒸気３０１は、ノズルボックス３００の構造保持のために設けられた補強リブ３０４の間を通り、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。
【０００８】
図１５は、蒸気入口管３０２からノズルボックス３００の空間に導入された蒸気３０１が補強リブ３０４間に流入する際の蒸気３０１の流れを模式的に示した図である。図１５に示すように、すべての補強リブ３０４は同形状で構成され、一定の方向を向いて、周方向に等間隔に設置されている。また、補強リブ３０４は、中心線３０５が直線となる形状で構成され、この中心線３０５がタービンロータ軸に平行になるように設置されている。ここで、図１５に示したαは、補強リブ３０４間への蒸気３０１の流入角である。この流入角αは、補強リブ３０４間の蒸気流入部において、補強リブ３０４の最上流側の端部（以下、前縁３０４ａという）における中心線３０５の延長線に平行な方向と、蒸気３０１の流れ方向、すなわち流線方向とがなす角度である。
【０００９】
図１５に示すように、この流入角αが大きいほど、補強リブ３０４の間に流入した蒸気３０１の流れの一部に渦３０６や剥離が発生し易く、圧力損失が生じ易い。また、このように補強リブ３０４の間に流入した蒸気３０１は、乱れた状態で補強リブ３０４の下流側に設置されている第１段ノズル３０３へ流入する。
【００１０】
ここで、図１６は、補強リブ３０４の周方向の位置を示す周方向角度における流入角αを示した図である。なお、図１３には、この周方向角度に対応する位置を示している。図１６に示された流入角α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。図１６の縦軸に示された流入角αにおいて、例えば、流入角αが０度の場合には、蒸気３０１の流れ方向は、補強リブ３０４の前縁３０４ａにおける中心線３０５の延長方向と平行となる。この場合、蒸気３０１は、補強リブ３０４の間を補強リブ３０４の中心線３０５に平行に流れ、第１段ノズル３０３へ導かれる。
【００１１】
図１６に示すように、流入角αは、周方向角度において大きく変動している。さらに、大きな流入角αを有する場合には、上記したように渦３０６が発生し、圧力損失が生じ、蒸気タービンの効率が低下する。
【００１２】
図１７は、２つの蒸気入口管３０２によってノズルボックス３００に蒸気３０１を導入する構成を備える従来のノズルボックス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。図示しないが、このノズルボックス３００においても、流入角αは、周方向角度において大きく変動する。さらに、大きな流入角αを有する位置では、図１５に示したように渦３０６が発生し、圧力損失が生じ、蒸気タービンの効率が低下する。
【００１３】
また、図１８および図１９は、従来のノズルボックス３００のタービンロータ軸方向に沿う断面を示す図である。なお、図中の３１１はタービンロータである。
【００１４】
図１８に示されたノズルボックス３００では、半径方向の外側の蒸気流路壁の内壁面を蒸気流の下流方向に行くに伴ってノズルボックス３００の中央側に所定の角度で傾斜させた、下流方向に流路断面を減少させる流路断面減少部３１０を有している。このノズルボックス３００は、いわゆる片側絞りタイプである。一方、図１９に示されたノズルボックス３００では、半径方向の外側および内側の蒸気流路壁の内壁面を、蒸気流の下流方向に行くに伴ってノズルボックス３００の中央側に所定の角度で傾斜させた、下流方向に流路断面を減少させる流路断面減少部３１０を有している。このノズルボックス３００は、いわゆる両側絞りタイプである。なお、補強リブ３０４は、ノズルボックス３００の流路形状に応じた形状に形成され、例えば、流路断面減少部３１０においては、流路断面減少部３１０の流路形状に応じた形状に構成されている。また、補強リブ３０４の前縁は、半径方向に一直線となるように形成されている。
【００１５】
図１８および図１９に示された従来のノズルボックス３００において、上記したような流路断面減少部３１０の壁面に沿った領域では、ノズルボックス３００の中央側に所定の角度で傾斜し、流路断面が急激に変化する。そのため、補強リブ３０４内では、補強リブ３０４の後縁端近傍の蒸気３０１のように、主流の速度分布が半径方向に大きく偏向する。このように半径方向に速度分布が偏向した流れは、第１段ノズル３０３、さらには第１段動翼（図示しない）へ導かれる。また、図１８および図１９に示すように、流路断面減少部３１０における断面積が最小となるスロート部の下流には、主流の剥離流れによる大きな渦３２０が形成され、二次流れを形成する。そして、蒸気３０１は、形成された渦３２０を有する状態で第１段ノズル３０３に導かれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平８−２６０９０３号公報
【特許文献２】特開平８−４９５０１号公報
【特許文献３】特開２００３−１９３８０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記したように、従来のノズルボックス３００においては、速度分布が半径方向に偏向された状態で蒸気３０１が第１段ノズル３０３、第１段動翼に導かれるため、第１段動翼に導入される蒸気の速度分布が不均一となり、タービン効率が低下する原因となる。また、主流の剥離流れによる大きな渦３２０を有する二次流れが形成されることで、圧力損失が増加し、タービン効率が低下する原因となる。
【００１８】
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、第１段動翼に蒸気を導入する際の圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる蒸気タービン用ノズルボックスおよびこの蒸気タービン用ノズルボックスを備えた蒸気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】
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、蒸気入口管から導入され、周方向に広がる蒸気流路に流入した蒸気を補強リブ間を通して第１段ノズルへ導くように構成された蒸気タービン用ノズルボックスであって、前記補強リブが、前記蒸気流路の一部を構成する、半径方向の蒸気流路高さが蒸気流の下流方向に徐々に減少する流路断面減少部に少なくとも設けられ、前記補強リブの半径方向に亘る前縁端の少なくとも一部分のタービンロータ軸方向における位置が、他の部分のタービンロータ軸方向における位置と異なるように構成されていることを特徴とする蒸気タービン用ノズルボックスが提供される。
【００２０】
また、本発明の一態様によれば、蒸気入口管から導入され、周方向に広がる蒸気流路に流入した蒸気を補強リブ間を通して第１段ノズルへ導くように構成されたノズルボックスを備えた蒸気タービンであって、前記ノズルボックスが、上記した蒸気タービン用ノズルボックスであることを特徴とする蒸気タービンが提供される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の蒸気タービン用ノズルボックスおよびこの蒸気タービン用ノズルボックスを備えた蒸気タービンによれば、第１段動翼に蒸気を導入する際の圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る一実施の形態のノズルボックス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ノズルボックスにおけるタービンロータ軸方向に沿う断面を示す図である。
【図３】本発明に係る一実施の形態のノズルボックスにおいて、他の形状の補強リブを備えたときのタービンロータ軸方向の断面を示す図である。
【図４】本発明に係る一実施の形態のノズルボックスにおいて、他の形状の補強リブを備えたときのタービンロータ軸方向の断面を示す図である。
【図５】本発明に係る一実施の形態のノズルボックスにおいて、他の形状の流路断面減少部を備えたときのタービンロータ軸方向の断面を示す図である。
【図６】補強リブの高さ方向に垂直な補強リブの断面を示す図である。
【図７】補強リブの高さ方向に垂直な補強リブの断面を示す図である。
【図８】前縁後縁厚さ比と無次元化された空力損失との関係を示す図である。
【図９】本発明に係る一実施の形態のノズルボックス内における補強リブの配置構成を模式的に示した図である。
【図１０】本発明に係る一実施の形態のノズルボックス内における補強リブの配置構成を模式的に示した図である。
【図１１】翼列における圧力損失特性を示す図である。
【図１２】補強リブの周方向の位置を示す周方向角度における流入角αを示した図である。
【図１３】従来のノズルボックス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１４】図１３のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図１５】蒸気入口管からノズルボックスの空間に導入された蒸気が補強リブ間に流入する際の蒸気の流れを模式的に示した図である。
【図１６】補強リブの周方向の位置を示す周方向角度における流入角αを示した図である。
【図１７】２つの蒸気入口管によってノズルボックスに蒸気を導入する構成を備える従来のノズルボックス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１８】従来のノズルボックスのタービンロータ軸方向に沿う断面における蒸気の流れを示す図である。
【図１９】従来のノズルボックスのタービンロータ軸方向に沿う断面における蒸気の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
図１は、本発明に係る一実施の形態のノズルボックス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。
【００２５】
図１に示すように、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。さらに、蒸気タービン２００には、蒸気入口管２２０が、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、さらに蒸気入口管２２０の端部が、動翼２１４側に向けて蒸気を導出するノズルボックス１０に連通して接続されている。このノズルボックス１０は、蒸気入口管２２０から導入された蒸気が周方向に広がる蒸気流路２０を備えている。また、ノズルボックス１０は、蒸気流路２０に導入された蒸気を第１段ノズル２１３ａへ導く補強リブ３０を備えている。
【００２６】
蒸気入口管２２０を経て、ノズルボックス１０内に流入した蒸気は、蒸気流路２０内に広がり、蒸気流路２０の一部を構成する、半径方向の蒸気流路高さが蒸気流の下流方向に徐々に減少する流路断面減少部４０に、少なくとも設けられた補強リブ３０間を通り第１段ノズル２１３ａへ導かれ、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、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。
【００２７】
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、蒸気入口管２２０を経てノズルボックス１０内に蒸気が流入される構成を備える蒸気タービンであればよい。
【００２８】
次に、本発明に係るノズルボックス１０について説明する。
【００２９】
図２は、本発明に係る一実施の形態のノズルボックス１０におけるタービンロータ軸方向に沿う断面を示す図である。なお、図２の左右方向がタービンロータ軸方向である。
【００３０】
図２に示すように、ノズルボックス１０は、蒸気入口管２２０から周方向に広がる蒸気流路２０に導入された蒸気を第１段ノズル２１３ａへ導く環状の蒸気流路で構成されている。また、ノズルボックス１０には、半径方向の蒸気流路高さが蒸気流の下流方向に徐々に減少する流路断面減少部４０が形成されている。流路断面減少部４０は、半径方向の外側の蒸気流路壁の内壁面を、蒸気流の下流方向に行くに伴ってノズルボックス１０の中央側に所定の角度で傾斜させることで構成されている。また、流路断面減少部４０において、タービンロータ軸方向に水平な内壁面と傾斜する内壁面との間は曲率を有する面で構成されている。このノズルボックス１０の構成は、いわゆる片側絞りタイプである。
【００３１】
ここで、流路断面減少部４０の入口の半径方向の高さＨａと、流路断面減少部４０の出口の半径方向の高さＨｂとの比（Ｈｂ／Ｈａ）（以下、流路絞り比という）は、０．１５以上０．６５以下であることが好ましい。なお、第１段ノズル２１３ａの半径方向の高さは、流路断面減少部４０の出口の半径方向の高さＨｂと同じである。
【００３２】
流路絞り比を上記した範囲とすることが好ましいのは、流路絞り比が０．１５未満の場合には、実用上の構成として現実的ではなく、さらに、例えば、機械学会発行の「管路・ダクトの流体抵抗」５５頁の図４．７「急縮小の損失」によれば、収縮係数が０．６５以下になり、流路断面減少部４０の出口における流れの局所に剥離流れが形成されるからである。また、流路絞り比が０．６５を超える場合には、例えば、機械学会発行の「管路・ダクトの流体抵抗」５５頁の図４．７「急縮小の損失」によれば、損失係数が０．２以上となりエネルギ損失が増大するからである。このように、流路絞り比を上記した範囲とすることで、流路断面減少部４０の出口の下流側に形成される剥離流れによる渦の発生を防止してエネルギ損失を抑制することができる。さらに、流路断面減少部４０の出口、すなわち第１段ノズル２１３ａの入口、さらには第１段動翼２１４ａにおける蒸気の半径方向の速度分布を均一にすることができる。
【００３３】
補強リブ３０は、少なくともこの流路断面減少部４０に設けられている。すなわち、補強リブ３０の形状は、少なくとも、流路断面減少部４０の半径方向の高さに対応して形成されている。また、補強リブ３０は、補強リブ３０の半径方向に亘る前縁端３１の少なくとも一部分のタービンロータ軸方向における位置が、他の部分のタービンロータ軸方向における位置と異なるように構成されている。
【００３４】
例えば、図２に示すように、補強リブ３０の前縁端３１の一部分を、タービンロータ軸方向で、かつ蒸気流の上流方向に突出するように構成することができる。補強リブ３０間の突部３２が形成された領域には、上流側から蒸気が流入し難くなり、多くの蒸気は、突部３２間を回避するように補強リブ３０間を下流側に流れる。例えば、半径方向の速度分布において、速度が速い部分、すなわち体積流束（Mass Flux）が大きくなる領域に突部３２を設けることで、半径方向の速度分布の均一化を図ることができる。また、半径方向の速度分布の均一化により、流路断面減少部４０の出口の下流側に形成される剥離流れによる渦の発生を防止することができ、エネルギ損失を抑制することができる。なお、このように、突部３２が形成される半径方向の位置は、ノズルボックス１０に流入する蒸気の速度分布などに応じて適宜に設定可能である。
【００３５】
なお、補強リブ３０の前縁端３１の形状は、上記した形状に限られるものではない。図３および図４は、本発明に係る一実施の形態のノズルボックス１０において、他の形状の補強リブ３０を備えたときのタービンロータ軸方向の断面を示す図である。
【００３６】
図３に示すように、前縁端３１の半径方向外側の端部および半径方向内側の端部から、半径方向の中央に向かって徐々に突出し、所定の位置で突部端部３３が形成されるように、補強リブ３０の前縁端３１を構成してもよい。
【００３７】
さらに、図４に示すように、補強リブ３０の前縁端３１が、前縁端３１の半径方向外側の端部から半径方向内側の端部に向かって、タービンロータ軸方向で、かつ蒸気流の上流方向に徐々に突出して傾斜するように、補強リブ３０の前縁端３１を構成してもよい。
【００３８】
これらの他の形状の補強リブ３０においても、上記した補強リブ３０と同様の作用効果を得ることができる。なお、これらの他の形状の補強リブ３０においても、突部端部が形成される半径方向の位置は、ノズルボックス１０に流入する蒸気の速度分布などに応じて適宜に設定可能である。
【００３９】
また、上記したノズルボックス１０では、流路断面減少部４０が、半径方向の外側の蒸気流路壁の内壁面を、蒸気流の下流方向に行くに伴ってノズルボックス１０の中央側に所定の角度で傾斜させることで構成される、いわゆる片側絞りタイプの一例を示したが、この形状に限られるものではない。
【００４０】
図５は、本発明に係る一実施の形態のノズルボックス１０において、他の形状の流路断面減少部４０を備えたときのタービンロータ軸方向の断面を示す図である。図５に示すように、半径方向の外側および内側の蒸気流路壁の内壁面を、蒸気流の下流方向に行くに伴ってノズルボックス１０の中央側に所定の角度で傾斜させるように構成してもよい。また、流路断面減少部４０において、タービンロータ軸方向に水平な内壁面と傾斜する内壁面との間は曲率を有する面で構成されている。このノズルボックス１０の構成は、いわゆる両側絞りタイプである。この両側絞りタイプの構成を有する場合においても、上記した補強リブ３０を備えることで、上記した片側絞りタイプの場合と同様に、半径方向の速度分布の均一化を図ることができ、さらに、流路断面減少部４０の出口の下流側に形成される剥離流れによる渦の発生を防止することができ、エネルギ損失を抑制することができる。
【００４１】
また、図５に示されたノズルボックス１０においても、流路断面減少部４０の入口の半径方向の高さＨａと、流路断面減少部４０の出口の半径方向の高さＨｂとの比（Ｈｂ／Ｈａ）である、流路絞り比は、前述した理由と同様の理由から、０．１５以上０．６５以下にすることが好ましい。
【００４２】
また、図６および図７は、補強リブ３０の高さ方向に垂直な補強リブ３０の断面を示す図である。図６および図７に示すように、補強リブ３０の前縁側の形状は鈍頭型に形成されている。また、補強リブ３０の最大厚さＴｍと、補強リブ３０の後縁端の厚さＴｅとの比（Ｔｅ／Ｔｍ）（以下、前縁後縁厚さ比という）は、０．３８以下であることが好ましい。
【００４３】
ここで、補強リブ３０の最大厚さＴｍは、補強リブ３０の厚さが最大となる位置での厚さである。また、補強リブ３０の後縁端の厚さＴｅは、図６に示すように、後縁端が曲率、すなわち丸みを有する形状の場合には、後縁端の丸みに一致する円の直径である。一方、図７に示すように、後縁端が平面形状の場合には、補強リブ３０の後縁端の厚さＴｅは、後縁端における中心線３５に垂直な方向の後縁端の厚さである。なお、中心線３５は、補強リブ３０を長手方向に２等分する線である。
【００４４】
ここで、前縁後縁厚さ比を０．３８以下とすることが好ましい理由について図８を参照して説明する。図８は、前縁後縁厚さ比と無次元化された空力損失との関係を示す図である。無次元化された空力損失とは、翼列前後の全圧損失ΔＰｔ（＝翼列入口全圧−翼列出口全圧）を翼列出口平均速度Ｖｏｕｔを基にした動圧（０．５×密度×Ｖｏｕｔ２）で無次元化したものである。この図８に示された結果は、空力性能試験結果を示したものである。ここで、空力性能試験は、後縁厚さの異なる実機翼の二次元拡大翼列モデルを順次大型低速風洞に組み込み、実機規模の空力条件下の空気流れ場における翼列前後の圧力損失を測定することで行った。圧力損失は、多孔ピトー管をトラバース計測して得られた圧力に基づいて求めた。
【００４５】
一般に、空力損失の低減率は２０％以上で、優位な効果と考えられている。すなわち、図８では、無次元化された空力損失が０．８以下となる範囲に相当する。したがって、前縁後縁厚さ比は０．３８以下の範囲が好ましいこととなる。
【００４６】
次に、補強リブ３０の配置構成について説明する。
【００４７】
図９および図１０は、本発明に係る一実施の形態のノズルボックス１０内における補強リブ３０の配置構成を模式的に示した図である。
【００４８】
図９および図１０に示すように、配置される補強リブ３０の数は、第１段ノズル２１３ａの数と同じであるか、または第１段ノズル２１３ａの数よりも少なく設定される。また、補強リブ３０は、その後縁が、第１段ノズル２１３ａの前縁に対向するように配置されている。さらに、図９および図１０に示すように、補強リブ３０は、補強リブ３０の後縁端における中心線３５の延長線と、補強リブ３０の後縁端を通るタービンロータ軸方向に平行な直線Ｌとのなす角θが０〜１０度となるように配置されることが好ましい。
【００４９】
ここで、補強リブ３０の後縁端における中心線３５の延長線と、補強リブ３０の後縁端を通るタービンロータ軸方向に平行な直線Ｌとのなす角θが０〜１０度であることが好ましい理由を、図１１を参照して説明する。
【００５０】
図１１は、翼列における圧力損失特性を示す図である。図１１の横軸は、設計流入角に対するずれ角を示しており、設計流入角で流入した場合をずれ角０度としている。ここで、設計流入角とは、翼列の空力設計で設定された主流流れ方向を、回転軸方向または回転軸と直角方向となす角度を示すもので、翼周りの流れは安定で大きな剥離流れなどが発生しない低損失流れ場になっている。この設計流入角からのズレ角をインシデンスとも呼ぶ。また、図１１に示したように、正のずれ角の場合が、設計流入角よりも流入角が翼の背側にずれたとき（流入背打ち側）を示し、負のずれ角の場合が、設計流入角よりも流入角が翼の腹側にずれたとき（流入腹打ち側）を示している。なお、翼列における圧力損失特性試験は、前述の空力性能試験と同様に、実機翼の二次元拡大翼列モデルを順次大型低速風洞に組み込み、実機規模の空力条件下の空気流れ場を作り、流入角をパラメータとする翼列前後の圧力損失を測定することで行った。圧力損失は、多孔ピトー管をトラバース計測して得られた圧力に基づいて求めた。ここで述べている圧力損失とは翼列前後の全圧損失を意味している。
【００５１】
図１１に示すように、一般に、複数の翼で翼列を形成する場合、設計流入角で蒸気が流入したときの圧力損失は小さいが、主流の流入角が設計流入角から外れると圧力損失が変化する。具体的には、流入腹打ち側に主流が偏向すると圧力損失が急激に増加する。一方、流入腹打ち側に主流が偏向した場合、ずれ角が１０度程度までであれば、圧力損失の変化は非常に小さい。したがって、第１段ノズル２１３ａの翼列よりも上流側の補強リブ３０の取り付け角、すなわち補強リブ３０の後縁端における中心線３５の延長線と、補強リブ３０の後縁端を通るタービンロータ軸方向に平行な直線Ｌとのなす角θを、流入背打ち側への傾き角として０〜１０度の範囲で設定しても、流入角がずれることによる圧力損失への影響は小さいものとなる。また、例えば、流入角を設計流入角に設定した場合、流入腹打ち側に主流が偏向すると急激な圧力損失の増加を生じる。これに対して、中心線３５と直線Ｌとのなす角θを、流入背打ち側への傾き角として０〜１０度の範囲で設定した場合、流入腹打ち側に主流が偏向しても、圧力損失は、流入角が設計流入角に設定された場合の圧力損失を超えることはない。また、流入背打ち側に主流が偏向しても、流入背打ち側では圧力損失の増加は緩やかであるため、圧力損失の急激な増加を抑制することができる。
【００５２】
上記したように補強リブ３０を配置することで、補強リブ３０の後縁の後方に生成される後流ウェーク（速度欠陥部）流れが、第１段ノズル２１３ａの翼列間に供されることがないとともに、蒸気の主流が、第１段ノズル２１３ａにおいて前縁から背打ち側へ流入する。そのため、蒸気の主流が腹打ち側に流入する際に発生する前縁からの大規模な剥離流れの発生を抑制することができ、空力性能の低下を防止することができる。
【００５３】
ここで、図１２は、補強リブ３０の周方向の位置を示す周方向角度における流入角αを示した図である。なお、この流入角αは、補強リブ３０間の蒸気流入部において、補強リブ３０の前縁における中心線３５の延長線に平行な方向と、周方向断面における蒸気の流れ方向、すなわち周方向断面の流線方向とがなす角度である。また、図１２には、比較のため、前述した従来のノズルボックスを使用した場合における、補強リブの周方向の位置を示す周方向角度における流入角α（図１６参照）も示している。また、図１２に示された流入角α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。
【００５４】
図１２に示すように、従来の構成のノズルボックスにおける流入角αに比べて、本発明に係るノズルボックスにおける流入角αは、周方向角度に対して変動が小さいことがわかった。これによって、補強リブ３０の前縁における渦などの乱れの発生が抑制され、圧力損失を抑制できる。
【００５５】
上記したように、本発明に係る一実施の形態のノズルボックス１０およびこのノズルボックス１０を備えた蒸気タービン２００によれば、半径方向の速度分布の均一化を図ることができ、さらに、流路断面減少部４０の出口の下流側に形成される剥離流れによる渦の発生を防止することができる。これによって、エネルギ損失を抑制することができる。また、蒸気の主流が、第１段ノズル２１３ａにおいて前縁から背打ち側へ流入するため、蒸気の主流が腹打ち側に流入する際に発生する前縁からの大規模な剥離流れの発生を抑制することができ、空力性能の低下を防止することができる。すなわち、本発明に係る一実施の形態のノズルボックス１０およびこのノズルボックス１０を備えた蒸気タービン２００によれば、第１段動翼に蒸気を導入する際の圧力損失を低減し、タービン効率を向上させることができる。
【００５６】
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。
【符号の説明】
【００５７】
１０…ノズルボックス、２０…蒸気流路、３０…補強リブ、３１…前縁端、３２…突部、３３…突部端部、３５…中心線、４０…流路断面減少部、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。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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