(57)【要約】【課題】構造補強のために周方向に所定の方向に列設された補強部材間を蒸気が流れる際の圧力損失を低減させて蒸気を第１段ノズルへ導く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。【解決手段】ノズルボックス１０は、蒸気入口管２２０から導入され、周方向に広がる蒸気流路２０に流入した蒸気をブリッジ３０間を通して第１段ノズル２１３ａへ導くように構成されている。第１段ノズル２１３ａの上流側に、周方向に一定の向きで列設された複数のブリッジ３０のうち、少なくとも１つのブリッジ３０の前縁３２から後縁３４方向に亘る一方の側面３３ａの一部に、蒸気の流れを乱す流れ乱化機構５０を備える。【選択図】図３
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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、周方向に一定の向きで列設された補強部材間を通して第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、
前記第１段ノズルの上流側に列設された複数の前記補強部材が、前縁および後縁を有する翼型形状で構成され、複数の前記補強部材のうち、少なくとも１つの前記補強部材の前縁から後縁方向に亘る一方の側面の一部に、蒸気の流れを乱す流れ乱化機構を備え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】
複数の前記補強部材のうち、前記蒸気入口管から導入された蒸気の、前記補強部材の前縁における流入角が±５度の範囲内となる補強部材を有する場合、当該補強部材以外の前記補強部材に前記流れ乱化機構が備えられ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】
前記流れ乱化機構が備えられる側面が、前記補強部材の前縁から後縁に至る中心線で区分される、前記蒸気入口管からの蒸気を導入する導入部に対向する側の側面とは異なる側の側面であることを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項４】
前記流れ乱化機構が、前記流れ乱化機構を備えるべき側面の表面粗さを、前記流れ乱化機構を備えない補強部材の側面の表面粗さよりも大きくすることで構成されてい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】
周方向に亘って列設された前記補強部材において、前記蒸気入口管から導入された蒸気の前記補強部材の前縁における流入角の変化を周方向に亘って示したときに流入角が正または負のピーク値を示す前記補強部材に向かって、前記流れ乱化機構を構成する部分の側面の表面粗さが徐々に大きくな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】
前記流れ乱化機構が、１つまたは複数の突起で構成されてい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７】
周方向に亘って列設された前記補強部材において、前記蒸気入口管から導入された蒸気の前記補強部材の前縁における流入角の変化を周方向に亘って示したときに流入角が正または負のピーク値を示す前記補強部材に向かって、前記突起の高さが徐々に高くなることを特徴とする請求項６記載の蒸気タービン用ノズルボックス。
【請求項８】
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、周方向に一定の向きで列設された補強部材間を通して第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。その対策の一つとして、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１参照。）。また、翼列にできるだけ均一に蒸気を導くため、翼列入口部にハニカム材や多孔板を備える蒸気タービン（例えば、特許文献２参照。）や、翼列を周方向に傾けて流れの均一化が図られた蒸気タービン（例えば、特許文献３参照。）などが開示されている。
【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７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８は、図７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７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８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の構造を補強するために設けられたブリッジ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９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がブリッジ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。なお、図９は、ブリッジ３０４および第１段ノズル３０３の周方向断面（円周方向断面）を平面上に展開した周方向断面展開模式図として表しており、図９の上下方向が周方向（円周方向）であり、左右方向がタービンロータ軸方向となっている。
【０００９】
図９に示すように、すべてのブリッジ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、ブリッジ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９に示したαは、ブリッジ３０４間への蒸気３０１の流入角である。この流入角αは、ブリッジ３０４間の蒸気流入部において、ブリッジ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の延長線に平行な直線と、蒸気３０１の流線とがなす角度である。
【００１０】
図９に示すように、この流入角αが大きいほど、ブリッジ３０４の間に流入した蒸気３０１の流れの一部に渦３０６が発生しやすく、圧力損失が生じやすい。また、このようにブリッジ３０４の間に流入した蒸気３０１は、乱れた状態でブリッジ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。
【００１１】
ここで、図１０は、ブリッジ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７には、この周方向角度に対応する位置を示している。図１０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１０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、ブリッジ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、ブリッジ３０４の間をブリッジ３０４の中心線３０５に平行に流れ、第１段ノズル３０３へ導かれる。
【００１２】
図１０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。
【００１３】
図１１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１２は、図１１に示されたノズルボックス３００の形状における、ブリッジ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、ブリッジ３０４の形状等は、図８に示したものと同じである。また、図１０に示された流入角αと同様に、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。
【００１４】
図１２に示すように、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している。さらに、大きな流入角αを有する位置では、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００３−１９３２８０９号公報
【特許文献２】米国特許第６１９６７９３号明細書
【特許文献３】米国特許第７２０７７７３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上記のように、従来のノズルボックス３００においては、ブリッジ３０４の間に、大きな流入角αを有して蒸気３０１が流入する領域が存在していた。これによって、圧力損失が生じ、蒸気タービンの効率が減少するといった問題があった。
【００１７】
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、一定の方向に向けて、周方向に所定の間隔で列設された補強部材間を蒸気が流れる際の圧力損失を低減させて蒸気を第１段ノズルへ導く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】
【００１８】
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、周方向に一定の向きで列設された補強部材間を通して第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、前記第１段ノズルの上流側に列設された複数の前記補強部材が、前縁および後縁を有する翼型形状で構成され、複数の前記補強部材のうち、少なくとも１つの前記補強部材の前縁から後縁方向に亘る一方の側面の一部に、蒸気の流れを乱す流れ乱化機構を備え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。
【００１９】
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、周方向に一定の向きで列設された補強部材間を通して第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】
【００２０】
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、一定の方向に向けて、周方向に所定の間隔で列設された補強部材間を蒸気が流れる際の圧力損失を低減させて蒸気を第１段ノズルへ導くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る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】本発明に係る第１の実施の形態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３】本発明に係る第１の実施の形態のノズルボックス内におけるブリッジおよび第１段ノズルの設置構成を模式的に示した図である。
【図４】流れ乱化機構を備えるブリッジの斜視図である。
【図５】他の構成の流れ乱化機構を備えるブリッジの斜視図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態のノズルボックスに備えられた、流れ乱化機構を有するブリッジの斜視図である。
【図７】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８】図７のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図９】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ブリッジ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１０】ブリッジ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１１】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１２】図１１に示されたノズルボックスの形状における、ブリッジ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。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１は、本発明に係るノズルボックス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。
【００２４】
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内に動翼２１４が植設されたタービンロータ２１２が貫設されている。このタービンロータ２１２は、図示しないロータ軸受によって回転可能に支持されている。
【００２５】
また、内部ケーシング２１０の内側面には、タービンロータ２１２の軸方向に動翼２１４と交互になるようにノズル２１３が配設されている。タービンロータ２１２と各ケーシングとの間には、作動流体である蒸気の外部への漏洩を防止するために、グランドラビリンス部２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄが設けられている。
【００２６】
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へ導くブリッジ３０を備えている。
【００２７】
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、ブリッジ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、第１段ノズル２１３ａから第１段動翼２１４ａに向けて噴出された蒸気の一部は、例えば、タービンロータ２１２と、ノズルボックス１０側の内部ケーシング２１０との間のグランドラビリンス部２１５ａをタービンロータ２１２の軸方向に沿って外側に向かって流れ、内部ケーシング２１０と外部ケーシング２１１との間に流出する。そして、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、グランドラビリンス部２１５ｂ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。
【００２８】
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。
【００２９】
次に、本発明に係るノズルボックス１０について説明する。
【００３０】
（第１の実施の形態のノズルボックス）
図２は、本発明に係る第１の実施の形態のノズルボックス１０のタービンロータ２１２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。なお、中心にはタービンロータ２１２が貫設されているが、ここではタービンロータ２１２の図示を省略して示している。図３は、本発明に係る第１の実施の形態のノズルボックス１０内におけるブリッジ３０および第１段ノズル２１３ａの設置構成を模式的に示した図である。なお、図３は、ブリッジ３０および第１段ノズル２１３ａの周方向断面（円周方向断面）を平面上に展開した周方向断面展開模式図として表しており、図３の上下方向が周方向（円周方向）であり、左右方向がタービンロータ軸方向となっている。
【００３１】
ここでは、図２に示すように、上下２つの空間に分離され、それぞれの空間に２つの蒸気入口管によって蒸気が導入されるノズルボックス１０の構成を例示して説明する。なお、ノズルボックス１０は、この構成に限られるものではなく、例えば、前述した、図１１に示すような、２つの蒸気入口管によって蒸気を導入する構成のノズルボックスであってもよい。
【００３２】
図２に示すように、ノズルボックス１０は、上下２つの空間に分離され、それぞれの空間に、例えば、ボイラ（図示しない）からの蒸気Ｓが２つの蒸気入口管２２０によって導入される。
【００３３】
図３に示すように、ノズルボックス１０の蒸気流路２０に対応して、複数のブリッジ３０および複数の第１段ノズル２１３ａが円周方向に所定の間隔をおいて列設されている。また、ブリッジ３０は、補強部材として機能し、ノズルボックス１０の構造を補強するために、複数のブリッジ３０が、第１段ノズル２１３ａの上流側、すなわち第１段ノズル２１３ａよりも蒸気流路２０側に、第１段ノズル２１３ａと所定の間隔をおいて、一定の方向に向けて列設されている。このブリッジ３０は、図３に示すように、例えば、前縁３２および後縁３４を有する翼型形状で構成されている。また、ブリッジ３０の前縁３２側の断面形状は、例えば、図３に示すように、半円や楕円となるように構成されている。なお、ここでは、すべてのブリッジ３０は、ブリッジ３０の周方向断面における、前縁３２から後縁３４に至る中心線３１（以下、ブリッジ３０の中心線３１という）が直線となるように構成され、このブリッジ３０の中心線３１がタービンロータ軸方向と平行になるように配置されている。
【００３４】
蒸気入口管２２０から導入されて蒸気流路２０内に広がった蒸気Ｓは、図２に示すように、蒸気流路２０の周方向角度によって、ブリッジ３０間に形成される通路に対して流入する角度が異なる。すなわち、ブリッジ３０の中心線３１の延長線に平行な直線と、このブリッジ間を流れる各蒸気の流線方向に平行な直線とのなす角が、各ブリッジ３０間で異なる。なお、ここでは、ブリッジ３０の中心線３１の延長線と、ブリッジ３０の前縁３２における蒸気の流線とがなす角を流入角βと定義する。
【００３５】
図３には、４つの蒸気入口管２２０のうちの１つの蒸気入口管２２０からの蒸気Ｓをブリッジ３０間に導く流路の流路中心線が、ブリッジ３０ｃとブリッジ３０ｄとの間の中心を通る部位の周方向断面展開模式図が例示されている。また、図３では、各ブリッジ３０ａ〜３０ｆにおける流入角をそれぞれβａ〜βｆと示している。
【００３６】
これらの流入角βａ〜βｆは、図３に示すように、各ブリッジ３０ａ〜３０ｆによって異なる。なお、ここでは、ブリッジ３０の中心線３１に対して右回り（時計回り）に形成される流入角βａ〜βｃを正の角度とし、ブリッジ３０の中心線３１に対して左回り（反時計回り）に形成される流入角βｄ〜βｆを負の角度とする。
【００３７】
例えば、上記した流路中心線に近い、ブリッジ３０ｃの流入角βｃやブリッジ３０ｄの流入角βｄの絶対値は小さく、これらのブリッジ３０ｃ、３０ｄから周方向に離れるに伴って、流入角βの絶対値は増加する。そして、図１０に示したように、流入角βは、所定の周方向角度において正または負のピーク値を示す。
【００３８】
本発明に係る第１の実施の形態のノズルボックス１０におけるブリッジ３０ａ〜３０ｆにおいて、流入角βａ〜βｆが±５度の範囲内、すなわち−５度以上５度以下の範囲となるブリッジ３０以外のブリッジ３０には、図３に示すように、流れ乱化機構５０が備えられている。ここでは、ブリッジ３０ｃの流入角βｃとブリッジ３０ｄの流入角βｄが±５度の範囲内となるものとして説明する。したがって、図３に示した範囲では、流れ乱化機構５０は、流入角βが±５度の範囲を超えるブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆに設けられる。
【００３９】
ここで、図４は、流れ乱化機構５０を備えるブリッジ３０ｅの斜視図である。この流れ乱化機構５０は、流れ乱化機構５０に沿って流れる蒸気の流れを乱す機能を発現するものである。
【００４０】
この流れ乱化機構５０は、ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの前縁３２から後縁３４方向に亘る一方の側面３３ａの一部に設けられる。この流れ乱化機構５０が設けられる側面３３ａは、図３に示すように、ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの中心線３１で区分される、蒸気入口管２２０からの蒸気を導入する導入部に対向する側の側面３３ｂとは異なる側の側面である。換言すると、各ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆにおいて、上記した、蒸気入口管２２０からの蒸気Ｓをブリッジ３０間に導く流路の流路中心線から遠い側の側面である。
【００４１】
ここで、流れ乱化機構５０が設けられる後縁３４方向の範囲は、例えば、ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの形状などに対応して設定される。流れ乱化機構５０は、例えば、ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの前縁３２側の側面３３ａの、流れの剥離などを生じやすい領域に対応して設けられることが好ましい。また、図４に示すように、流れ乱化機構５０は、ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの高さ方向に亘って設けられている。すなわち、流れ乱化機構５０は、ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの根本部から先端部に亘って設けられている。
【００４２】
また、流入角βが±５度の範囲を超えるブリッジ３０に流れ乱化機構５０を備えることが好ましいのは、流入角βが±５度の範囲内である場合には、ブリッジ３０の前縁３２側において流れの剥離が発生し難いからである。一方、流入角βが±５度の範囲を超える場合には、ブリッジ３０の前縁３２側において流れの剥離が発生しやすく、ブリッジ３０の間に流入した蒸気Ｓの流れの一部に渦が発生して、圧力損失を増加するからである。
【００４３】
流れ乱化機構５０は、例えば、流れ乱化機構５０を構成すべき部分の側面３３ａの表面粗さを、流れ乱化機構５０を備えないブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの表面の表面粗さよりも大きくすることで構成される。また、流入角βの増加に伴って、表面粗さを徐々に大きくするように構成することが好ましい。具体的には、ブリッジ３０ａ、ブリッジ３０ｂにおいては、ブリッジ３０ｂの流れ乱化機構５０の表面粗さよりも、ブリッジ３０ａの流れ乱化機構５０の表面粗さの方が大きく構成される。また、ブリッジ３０ｅ、ブリッジ３０ｆにおいては、ブリッジ３０ｅの流れ乱化機構５０の表面粗さよりも、ブリッジ３０ｆの流れ乱化機構５０の表面粗さの方が大きく構成される。また、ブリッジ３０ｂ、ブリッジ３０ａの順に流入角βは増加し、一方、ブリッジ３０ｅ、ブリッジ３０ｆの順に流入角βは減少し（流入角βの絶対値は増加）し、図１０に示したように、所定の周方向角度において正または負のピーク値を示す。これらの各ピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、流れ乱化機構５０の表面粗さを徐々に大きくしていくことが好ましい。すなわち、各ピーク値を示す位置のブリッジ３０に備えられた流れ乱化機構５０の表面粗さが最も大きくなるように、換言すれば、各ピーク値を示す位置のブリッジ３０に備えられた流れ乱化機構５０の表面粗さの大きさがピーク値を示すように構成することが好ましい。
【００４４】
ここで、ブリッジ３０ｂから正のピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、また、ブリッジ３０ｅから負のピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、例えば、表面粗さが最大高さ（Ｒｚ）で、１Ｓから２０Ｓまでの範囲で徐々に大きくなるように構成することができる。なお、１Ｓとは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から最も高い山頂までの高さと、最も低い谷底までの深さを加算した長さが、１μｍであることを意味する。また、２０Ｓとは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から最も高い山頂までの高さと、最も低い谷底までの深さを加算した長さが、２０μｍであることを意味する。
【００４５】
なお、流れ乱化機構５０を備えない部分のブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの側面や、ブリッジ３０ａ、３０ｂの側面は、例えば、最大高さ（Ｒｚ）で１Ｓ程度の滑らかな面を構成するように加工されている。
【００４６】
ここでは、ブリッジ３０ｂから正のピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、また、ブリッジ３０ｅから負のピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、流れ乱化機構５０の表面粗さを徐々に大きくする一例を示したが、例えば、１つのブリッジ３０の流れ乱化機構５０において、表面粗さを変化させてもよい。
【００４７】
例えば、流れ乱化機構５０において、ブリッジ３０ａの前縁３２から後縁３４側に向かって、表面粗さを徐々に小さくするように構成してもよい。このように構成することで、特に流れの剥離が生じやすい前縁３２側の側面３３ａに沿う流れを積極的に乱し、前縁３２側よりは流れの剥離が生じ難い後縁３４側の側面３３ａにおける蒸気Ｓとの表面摩擦を低減することができる。
【００４８】
次に、図３に示したブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ間を流れる蒸気Ｓの作用について説明する。
【００４９】
蒸気入口管２２０から導出され、蒸気流路２０に広がった蒸気Ｓは、所定の流入角βで、各ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ間に流入する。この際、例えば、流れ乱化機構５０を備えないブリッジ３０ｃとブリッジ３０ｄとの間などに流入した蒸気Ｓは、ブリッジ３０ｃやブリッジ３０ｄの側面における表面摩擦が小さい状態でブリッジ３０ｃとブリッジ３０ｄとの間を流れ、第１段ノズル２１３ａへ流入する。この場合、ブリッジ３０の表面における蒸気Ｓとの表面摩擦が小さいため、圧力損失を小さくすることができる。
【００５０】
一方、ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの流れ乱化機構５０に沿って流れる蒸気は、流れ乱化機構５０近傍の境界層における流れが乱される。そのため、流れが剥離し難くなり、渦の形成が抑制される。これによって、圧力損失を低減することができる。そして、渦の形成が抑制された蒸気は、第１段ノズル２１３ａへ流入する。
【００５１】
なお、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を通過した蒸気Ｓは、第１段動翼２１４ａへ導かれる。
【００５２】
上記したように、第１の実施の形態のノズルボックス１０によれば、流れの剥離が発生しやすい、ブリッジ３０の前縁３２から後縁３４方向に亘る側面３３ａの一部に、流れ乱化機構５０を備えることで、ブリッジ３０の前縁３２側における流れの剥離や渦の発生を抑制することができる。これによって、蒸気を第１段ノズル２１３ａへ円滑に導くことができ、ブリッジ３０間における圧力損失を抑制し、蒸気タービンの効率の向上を図ることができる。
【００５３】
なお、流れ乱化機構５０は、上記した、ブリッジ３０の前縁３２から後縁３４方向に亘る一方の側面３３ａの一部の表面粗さを大きくすることで構成されることに限られるものではない。図５は、他の構成の流れ乱化機構５０を備えるブリッジ３０ｅの斜視図である。なお、ここでは、ブリッジ３０ｅを例示して説明するが、流れ乱化機構５０を備える他のブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｆにおいても同様の構成を備える。
【００５４】
図５に示すように、流れの剥離が発生しやすい、ブリッジ３０ｅの前縁３２から後縁３４方向に亘る側面３３ａの一部に設けられた流れ乱化機構５０は、複数の突起６０で構成されてもよい。複数の突起６０は、それぞれ所定の間隔をあけて側面３３ａから突起するように設けられている。なお、突起６０は、少なくとも１つ備えられていればよい。
【００５５】
ここで、突起６０は、特に限定されるものではないが、例えば、円錐、三角錐、四角錐などの錐体、円柱、三角柱、四角柱などの柱体などで構成される。また、流れ乱化機構５０は、別体として形成された突起６０を側面３３ａに接合することで構成されてもよいが、側面３３ａからの離脱を防止するため、側面３３ａに機械加工などを施すことによって側面３３ａと一体的に構成されることが好ましい。
【００５６】
また、上記した、ブリッジ３０の前縁３２から後縁３４方向に亘る側面３３ａの一部の表面粗さを大きくすることで構成される流れ乱化機構５０の場合と同様に、流入角βの増加に伴って、突起６０の高さを徐々に高くするように構成することが好ましい。具体的には、ブリッジ３０ａ、ブリッジ３０ｂにおいては、ブリッジ３０ｂの流れ乱化機構５０の突起６０の高さよりも、ブリッジ３０ａの流れ乱化機構５０の突起６０の高さの方が高く構成される。また、ブリッジ３０ｅ、ブリッジ３０ｆにおいては、ブリッジ３０ｅの流れ乱化機構５０の突起６０の高さよりも、ブリッジ３０ｆの流れ乱化機構５０の突起６０の高さの方が高く構成される。また、ブリッジ３０ｂ、ブリッジ３０ａの順に流入角βは増加し、一方、ブリッジ３０ｅ、ブリッジ３０ｆの順に流入角βは減少し（流入角βの絶対値は増加）し、図１０に示したように、所定の周方向角度において正または負のピーク値を示す。これらの各ピーク値を示す位置まで、流れ乱化機構５０の突起６０の高さを徐々に高くしていくことが好ましい。すなわち、各ピーク値を示す位置のブリッジ３０に備えられた流れ乱化機構５０の突起６０の高さが最も高くなるように、換言すれば、ピーク値を示す位置のブリッジ３０に備えられた流れ乱化機構５０の突起６０の高さがピーク値を示すように構成することが好ましい。
【００５７】
ここで、ブリッジ３０ｂから正のピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、また、ブリッジ３０ｅから負のピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、突起６０の高さが、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍまでの範囲で徐々に高くなるように構成することができる。
【００５８】
ここでは、ブリッジ３０ｂから正のピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、また、ブリッジ３０ｅから負のピーク値を示す位置のブリッジ３０まで、突起６０の高さを徐々に高くする一例を示したが、例えば、１つのブリッジ３０の流れ乱化機構５０において、突起６０の高さを変化させてもよい。
【００５９】
例えば、流れ乱化機構５０において、ブリッジ３０ａの前縁３２から後縁３４側に向かって、突起６０の高さを徐々に低くするように構成してもよい。このように構成することで、特に流れの剥離が生じやすい前縁３２側の側面３３ａに沿う流れを積極的に乱し、前縁３２側よりは流れの剥離が生じ難い後縁３４側の側面３３ａにおける蒸気Ｓとの表面摩擦を低減することができる。
【００６０】
このように、流れ乱化機構５０を突起６０で構成することで、上記した、ブリッジ３０の前縁３２から後縁３４方向に亘る側面３３ａの一部の表面粗さを大きくすることで構成される流れ乱化機構５０を備える場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００６１】
すなわち、流れの剥離が発生しやすい、ブリッジ３０の前縁３２から後縁３４方向に亘る側面３３ａの一部に、流れ乱化機構５０を備えることで、ブリッジ３０の前縁３２側における流れの剥離や渦の発生を抑制することができる。これによって、蒸気を第１段ノズル２１３ａへ円滑に導くことができ、ブリッジ３０間における圧力損失を抑制し、蒸気タービンの効率の向上を図ることができる。また、突起６０の高さを上記した範囲で構成することができるため、流れ乱化機構５０上に形成される境界層の領域を超えて、流れを乱すことができる。
【００６２】
（第２の実施の形態のノズルボックス）
本発明に係る第２の実施の形態のノズルボックス１０は、ブリッジ３０の流れ乱化機構５０の構成が異なる以外は、上記した第１の実施の形態のノズルボックス１０と同じ構成である。そのため、ここでは、第２の実施の形態のノズルボックス１０における、ブリッジ３０の流れ乱化機構５０について主に説明する。
【００６３】
なお、本発明に係る第２の実施の形態のノズルボックス１０においても、第１の実施の形態のノズルボックス１０と同様に、図３を参照して説明し、ここでもブリッジ３０ｃの流入角βｃとブリッジ３０ｄの流入角βｄが±５度の範囲内となるものとして説明する。したがって、図３に示した範囲では、流れ乱化機構５０は、流入角βが±５度の範囲を超えるブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆに設けられる。
【００６４】
図６は、本発明に係る第２の実施の形態のノズルボックス１０に備えられた、流れ乱化機構５０を有するブリッジ３０ｅの斜視図である。なお、ここでは、ブリッジ３０ｅを例示して説明するが、流れ乱化機構５０を備える他のブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｆにおいても同様の構成を備える。
【００６５】
第２の実施の形態のノズルボックス１０のブリッジ３０ｅに備えられた流れ乱化機構５０は、周囲の気体の一部をプラズマ化することにより所定の方向に気流を発生させる気流発生装置７０で構成される。
【００６６】
気流発生装置７０は、固体からなる誘電体７１と、誘電体７１の一方の表面７１ａに設けられた第１の電極７２と、誘電体７１の他方の表面７１ｂ近傍に、第１の電極７２に対設された第２の電極７３とを備えている。また、第１の電極７２と第２の電極７３とは、直接接触することなく誘電体７１を介在させて配設されている。なお、第１の電極７２と第２の電極７３は、例えばケーブルを介してそれぞれの電極間に電圧を印加する放電用電源（図示しない）と接続されている。
【００６７】
ここでは、複数の上記構成を有する気流発生装置が一体的に構成された気流発生装置モジュールを、ブリッジ３０ｅの前縁３２から後縁３４方向に亘る一方の側面３３ａの一部に形成された凹部に嵌め込んで接合した構成を例示している。なお、気流発生装置モジュールにおいて、上記構成を有する気流発生装置が少なくとも１つ備えられていればよい。
【００６８】
気流発生装置７０は、高温環境下で使用されるため、誘電体７１は、例えば、窒化アルミ、アルミナ、ジルコニア、ハフニア、チタニア、シリカなどを主成分としたセラミックス材料で構成されることが好ましい。
【００６９】
第１の電極７２および第２の電極７３は、例えば、薄板状などの形状を有し、気流発生装置７０が使用される環境に応じて、公知の導電性の材料から適宜に選択される。また、第１の電極７２および第２の電極７３を構成する材料として、例えば、ステンレス、インコネル（商品名）、ハステロイ（商品名）、チタン、白金、タングステン、モリブデン、ニッケル、銅、金、銀、クロム等の金属、これらの金属元素を主成分とする合金、導電性セラミックス等の無機良導電体などが挙げられる。これらの導電性の材料から、気流発生装置７０を使用する環境下に応じて適宜に選択して使用することができる。
【００７０】
特に、インコネル、ハステロイ、チタン等の耐熱または耐腐食性金属を導電体に用いた場合には、高温多湿、酸化性等の高腐食雰囲気においても長期間使用することができる電極を実現することができる。
【００７１】
なお、図６に示された一例では、第１の電極７２の一方の表面が誘電体７１の一方の表面７１ａと同一平面となるように構成されているが、第１の電極７２が誘電体７１に埋設されるように構成されてもよい。また、第２の電極７３は、例えば、ブリッジ３０ｅが金属で構成される場合には、ブリッジ３０ｅとの接触を防止するため、誘電体７１に埋設されるように構成されることが好ましい。
【００７２】
次に、気流発生装置７０の作用について説明する。
【００７３】
放電用電源（図示しない）から、第１の電極７２と第２の電極７３との間に電圧が印加され、一定の閾値以上の電位差となると、第１の電極７２と第２の電極７３との間に放電が生じる。この放電に伴って放電プラズマが生成される。ここで、第１の電極７２と第２の電極７３との間に誘電体７１を介在させているので、高温下においてもアーク放電にはいたらず、安定に維持することが可能な誘電体バリア放電が生じる。また、誘電体バリア放電は、誘電体７１の一方の表面７１ａに沿って形成される沿面放電となる。この誘電体バリア放電によって、所定の方向に気流７４が発生する。
【００７４】
ここで、気流発生装置７０の第１の電極７２と第２の電極７３の設置位置や、第１の電極７２と第２の電極７３との間に印加する電圧などを変更することで、ブリッジ３０ｅの側面３３ａ上に発生させる気流７４は、ブリッジ３０ｅの前縁３２側から後縁３４側に向かう方向、または、ブリッジ３０ｅの後縁３４側から前縁３２側に向かう方向に発生させることができる。したがって、ブリッジ３０ｅの側面３３ａに沿って流れる蒸気Ｓの流れの制御方法に応じて、ブリッジ３０ｅの側面３３ａ上に発生させる気流７４の向きを適宜に変更することができる。
【００７５】
なお、ここでは、誘電体７１、第１の電極７２、第２の電極７３を備える複数の気流発生装置が一体的に構成された気流発生装置モジュールを、ブリッジ３０ｅの前縁３２から後縁３４方向に亘る側面３３ａの一部に形成された凹部に嵌め込んで接合する構成を例示したが、この構成に限られるものではない。例えば、ブリッジ３０ｅを、上記したセラミックス材料からなる誘電体で構成してもよい。この場合には、例えば、ブリッジ３０ｅの前縁３２から後縁３４方向に亘る側面３３ａの一部に第１の電極７２が設けられる。また、第２の電極７３は、例えば、ブリッジ３０ｅ内における第１の電極７２に対向する位置に埋設される。
【００７６】
次に、第２の実施の形態のノズルボックス１０のブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ間を流れる蒸気Ｓの作用について、図３および図６を参照して説明する。
【００７７】
蒸気入口管２２０から導出され、蒸気流路２０に広がった蒸気Ｓは、所定の流入角βで、各ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、３０ｅ、３０ｆ間に流入する。この際、例えば、流れ乱化機構５０を備えないブリッジ３０ｃとブリッジ３０ｄとの間などに流入した蒸気Ｓは、ブリッジ３０ｃやブリッジ３０ｄの側面における表面摩擦が小さい状態でブリッジ３０ｃとブリッジ３０ｄとの間を流れ、第１段ノズル２１３ａへ流入する。この場合、ブリッジ３０の表面における蒸気Ｓとの表面摩擦が小さいため、圧力損失を小さくすることができる。
【００７８】
一方、ブリッジ３０ｅの前縁３２側から後縁３４側に向かって流れる気流７４が発生するように、気流発生装置７０を構成した場合には、気流発生装置７０に電圧を印加することで発生した気流７４によって、ブリッジ３０ａ、３０ｂ、３０ｅ、３０ｆの側面３３ａ付近における蒸気Ｓの減速が抑制される。そのため、流れが剥離し難くなり、渦の形成が抑制される。これによって、圧力損失を低減することができる。また、ブリッジ３０ｅの後縁３４側から前縁３２側に向かって流れる気流７４が発生するように、気流発生装置７０を構成した場合には、気流発生装置７０に電圧を印加することで発生した気流７４によって、境界層における流れが乱される。そのため、流れが剥離し難くなり、渦の形成が抑制される。これによって、圧力損失を低減することができる。そして、渦の形成が抑制された蒸気は、第１段ノズル２１３ａへ流入する。
【００７９】
なお、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を通過した蒸気Ｓは、第１段動翼２１４ａへ導かれる。
【００８０】
上記したように、第２の実施の形態のノズルボックス１０によれば、流れの剥離が発生しやすい、ブリッジ３０の前縁３２から後縁３４方向に亘る側面３３ａの一部に、流れ乱化機構５０を備えることで、ブリッジ３０の前縁３２側における流れの剥離や渦の発生を抑制することができる。これによって、蒸気を第１段ノズル２１３ａへ円滑に導くことができ、ブリッジ３０間における圧力損失を抑制し、蒸気タービンの効率の向上を図ることができる。
【００８１】
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】
【００８２】
１０…ノズルボックス、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｅ，３０ｆ…ブリッジ、２０…蒸気流路、３１…中心線、３２…前縁、３３ａ，３３ｂ…側面、３４…後縁、５０…流れ乱化機構、６０…突起、７０…気流発生装置、７１…誘電体、７１ａ、７１ｂ…表面、７２…第１の電極、７３…第２の電極、７４…気流、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、２１５ａ，２１５ｂ…グランドラビリンス部、２２０…蒸気入口管。
【図１】
2010265826.tif 000003
【図２】
2010265826.tif 000004
【図３】
2010265826.tif 000005
【図４】
2010265826.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2010265826.tif 000009
【図８】
2010265826.tif 000010
【図９】
2010265826.tif 000011
【図１０】
2010265826.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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