【手続補正書】
【提出日】平成16年6月2日(2004.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  軸流タービン
【特許請求の範囲】
【請求項１】  タービンロータの軸方向に沿ってタービンノズルとタービン動翼とを組み合せたタービン段落を複数段に配置した軸流タービンにおいて、上記タービン前段落のタービン動翼の出口側と上記タービン次段落のタービンノズルの入口側との間の流路を拡開流路に形成したことを特徴とする軸流タービン。
【請求項２】  拡開流路は、タービン前段落のタービン動翼の出口側の断面積をＳ０とし、タービン次段落のタービンノズルの入口側の断面積をＳとするとき、その断面積比Ｓ／Ｓ０を、
【数１】
Ｓ／Ｓ０＝１．０１〜１．９９
の範囲に設定したことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項３】  タービンロータの軸方向に沿ってタービンノズルとタービン動翼とを組み合せたタービン段落を複数段に配置した軸流タービンにおいて、上記タービン前段落のタービン動翼の出口側と上記タービン次段落のタービンノズルの入口側との間の流路を拡開流路に形成するとともに、拡開流路に蒸気の流れを整流させる手段を設けたことを特徴とする軸流タービン。
【請求項４】  蒸気の流れを整流させる手段は、流路を蒸気の流れ方向に区画する仕切板およびメッシュの細い網のいずれかであることを特徴とする請求項３記載の軸流タービン。
【請求項５】  タービンロータの軸方向に沿ってタービンノズルとタービン動翼とを組み合せたタービン段落を複数段に配置した軸流タービンにおいて、上記タービン前段落のタービン動翼の出口側と上記タービン次段落のタービンノズルの入口側との間の流路を拡開流路に形成するとともに、拡開流路の出口側に境界層の発達を抑制する手段を設けたことを特徴とする軸流タービン。
【請求項６】  境界層の発達を抑制する手段は、吹出しスリットおよび吸込み通路のうち、少なくとも一つ以上であることを特徴とする請求項５記載の軸流タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気通路部に改良を加えた軸流タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、火力発電プラントに適用される蒸気タービンは、タービンノズル（タービン静翼）とタービン動翼とを組み合せてタービン段落を構成し、このタービン段落をタービン軸の軸方向に沿って複数段に配置する軸流形式が多い。
【０００３】
また、軸流形式の蒸気タービンには、蒸気の大部分をタービンノズル（タービン静翼）で膨張させる衝動タイプとタービンノズルとタービン動翼とでほぼ等分に蒸気を膨張させる反動タイプとがあるが、我が国の火力発電プラントでは衝動タイプがより多く利用されている。
【０００４】
この衝動タイプの軸流タービンは、例えば図７に示すように、一つのタービンケーシング１内にタービン高圧部２とタービン中圧部３とを一体にするとともに、タービン高圧部２とタービン中圧部３とを互いに結ぶタービンロータ４を収容する構成になっている。
【０００５】
また、タービン高圧部２とタービン中圧部３とは、ともに、タービンロータ４の軸方向に沿って高圧用タービンノズル２ａと高圧用タービン動翼２ｂとを組み合せた高圧用タービン段落２ｃと、中圧用タービンノズル３ａと中圧用タービン動翼３ｂとを組み合せた中圧用タービン段落３ｃとを複数段にして配置し、これら高中圧用タービン段落２ｃ，３ｃのうち、高中圧用タービンノズル２ａ，３ａのそれぞれで図示の破線で示すように、蒸気の持つエネルギを速度エネルギに変える膨張（高速比）をさせ、その速度エネルギを高中圧用タービン動翼２ｂ，３ｂのそれぞれに与えて回転させ、回転の際、タービンロータ４に発生する回転トルクで被駆動機（図示せず）を駆動する構成になっている。なお、図中、実線で示す圧力分布は、蒸気が各段落で膨張する際の圧力降下を示している。
【０００６】
また、タービン高圧部２とタービン中圧部３とを一体とする衝動タイプの軸流タービンは、タービン中圧部３の段落あたりの蒸気膨張比を高くするために、タービン中圧部３のタービンロータ４の口径をタービン高圧部２のそれに較べて大きくするとともに、タービンケーシング１に拡開角（フレア角）を持たせて流路５の開口面積を広くし、軸スパンの短縮を図っている。
【０００７】
このような構成を備えた軸流タービンにおいて、例えば高中圧用タービンノズル２ａ，３ａでは、図８に示すように、翼列間でコーナー渦ＣＶの発生に伴う二次流れ損失を低く抑えるために、翼形（プロファイル）を翼高方向に向って直線状に形成した翼形形状（二次元翼）から翼高方向に向って傾斜状の直線と湾曲線とを組み合せた、いわゆるコンパウンドリーンの翼形形状（三次元翼）にしたり、翼ルート部（翼根元部）の壁面に発達する境界層を少なくするために、翼ルート部の下流側に向って拡開させる、いわゆるリアクションタイプにしたり、翼チップ部（翼先端部）の壁面に発達する境界層を少なくするために、翼チップ部の下流側に向って拡開させる、いわゆるスラントタイプにしたり、さらに翼チップ部の後縁側を絞り翼形形状にする、いわゆるメリディアンタイプにする等の種々の改良を加えて効率的かつ経済的な運転を行っていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
最近の火力発電プラントでは、タービン段落により一層高い効率的かつ経済的運転を行わせる軸流タービンの実現が求められている。
【０００９】
しかし、従来の軸流タービンでは、上述のタービンノズルの例からもわかるように、より多くの翼形の改良がなされており、また蒸気の流出角を一義的に設定できるスロート・ピッチ比Ｓ／Ｔ（タービンノズルの最狭通路Ｓと隣のタービンノズルのピッチＴとの比）の開発もより多く尽されており、タービンノズルの翼形に改良を加えて流力性能の向上を図ること自体、限界になりつつある。
【００１０】
例えば、蒸気の全圧損失は、図９に示すように、タービンノズル６を例に採った場合、タービンノズルの入口側の全圧損失をλｉ、タービンノズル６を通過する蒸気の全圧損失をλｃ、タービンノズル６の出口側の全圧損失をλ０とすると、図１０に示すように、タービンノズル６を通過する間に発生する全圧損失λｃが大部分を占めている。
【００１１】
この全圧損失λｃは、タービンノズル６の翼形形状と対応付けて子細に観察してみると、図１１に示すように、蒸気がタービンノズル６の前縁７およびその周辺の腹側８に衝突するために領域Ａが急激に高くなるとともに、スロートＳで蒸気が膨張（加速）するために領域Ｂも急激に高くなっている。
【００１２】
このような全圧損失λｃの分布は、上述のようにタービンノズル６の翼形形状に改良を加えてもその傾向がほぼ同じになっている。
【００１３】
したがって、タービン段落により一層高い効率的かつ経済的運転をさせる軸流タービンを実現させるには、翼形の改良に力点を置く開発志向からその周辺の技術分野にも視点を拡げることが必要となってきている。
【００１４】
本発明は、このような背景技術に照してなされたもので、蒸気がタービン段落に流入する前に圧力（静圧）を回復させ、かつその流線を一様化させて以後に発生する二次流れ損失や境界層の発達を低く抑え、以てタービン段落により一層高い効率的かつ経済的運転のできる軸流タービンを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る軸流タービンは、上記目的を達成するために、請求項１に記載したように、タービンロータの軸方向に沿ってタービンノズルとタービン動翼とを組み合せたタービン段落を複数段に配置した軸流タービンにおいて、上記タービン前段落のタービン動翼の出口側と上記タービン次段落のタービンノズルの入口側との間の流路を拡開流路に形成したものである。
【００１６】
請求項２に記載したように、拡開流路は、タービン前段落のタービン動翼の出口側の断面積をＳ０とし、タービン次段落のタービンノズルの入口側の断面積をＳとするとき、その断面積比Ｓ／Ｓ０を、
【数２】
Ｓ／Ｓ０＝１．０１〜１．９９
の範囲に設定したものである。
【００１７】
請求項３に記載したように、タービンロータの軸方向に沿ってタービンノズルとタービン動翼とを組み合せたタービン段落を複数段に配置した軸流タービンにおいて、上記タービン前段落のタービン動翼の出口側と上記タービン次段落のタービンノズルの入口側との間の流路を拡開流路に形成するとともに、拡開流路に蒸気の流れを整流させる手段を設けたものである。
【００１８】
請求項４に記載したように、蒸気の流れを整流させる手段は、流路を蒸気の流れ方向に区画する仕切板およびメッシュの細い網のいずれかであることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項５に記載したように、タービンロータの軸方向に沿ってタービンノズルとタービン動翼とを組み合せたタービン段落を複数段に配置した軸流タービンにおいて、上記タービン前段落のタービン動翼の出口側と上記タービン次段落のタービンノズルの入口側との間の流路を拡開流路に形成するとともに、拡開流路の出口側に境界層の発達を抑制する手段を設けたものである。
【００２０】
請求項６に記載したように、境界層の発達を抑制する手段は、吹出しスリットおよび吸込み通路のうち、少なくとも一つ以上であることを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る軸流タービンの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２２】
図１は、本発明に係る軸流タービンの第１実施形態を説明するために用いた模式図である。
【００２３】
本実施形態に係る軸流タービンは、タービン前段落のタービン動翼ＭＢの出口側とタービン次段落のタービンノズルＳＢの入口側との間の流路ＦＰを蒸気ＳＴの流れの下流側に向って拡開流路ＯＦＰに形成したものである。
【００２４】
この拡開流路ＯＦＰは、その断面積比がタービン前段落のタービン動翼ＭＢの断面積Ａｉとするとき、タービン次段落のタービンノズルＳＢの断面積Ａ０を（１．１０〜１．９９）Ａ０に設定したものである。
【００２５】
このような構成の軸流タービンにおいて、拡開流路ＯＦＰを流れる蒸気ＳＴの静圧Ｐｓと流速Ｖとの関係は、粘性や渦の影響を考慮しなければベルヌーイの定理からＰｓ∝１／Ｖ２で与えられる。
【００２６】
また、拡開流路ＯＦＰの面積Ａと蒸気ＳＴの流速Ｖとの関係は、連続の式からＡＶ＝ｃｏｎｓｔ．になっている。
【００２７】
したがって、タービン前段落のタービン動翼ＭＢの出口側開口断面Ｃ−Ｃにおける断面積をＡｉとし、そのときの流速Ｖｉとし、さらにタービン次段落のタービンノズルＳＢの入口側開口断面Ｄ−Ｄにおける断面積Ａ０とし、そのときの流速をＶ０とすると、Ｖｉ／Ｖ０＝Ａ０／Ａｉの関係式が成立し、拡開流路ＯＦＰを流れる蒸気ＳＴは、減速に伴って静圧が回復される。
【００２８】
また、全圧損失λｃと流速Ｖとの関係は、一般に、λ∝Ｖ２で与えられる。
【００２９】
また、本実施形態では、拡開流路ＯＦＰを流れる蒸気の全圧損失λｃが上式の流速Ｖの二乗に比例しているから、面積比の二乗に逆比例してほぼ（Ａｉ／Ａ０）２λｃまで低く抑えることができる。この全圧損失の減少（Ａｉ／Ａ０）２λｃは、図１１で示した曲率の大きなタービンノズル６の前縁７の周辺に蒸気ＳＴが衝突して急激な損失上昇を抑える場合に有効である。
【００３０】
また、本実施形態は、Ｐｓ∝１／Ｖ２の関係から、タービン次段落に流入する前に蒸気ＳＴの静圧を回復させているから、蒸気ＳＴがタービン次段落に流入する際、損失を少なくさせて余裕をもって膨張を行うことができる。
【００３１】
また、タービン前段落のタービン動翼ＭＢの断面積Ａ０に対し、タービン次段落のタービンノズルＳＢの断面積Ａｉを、Ａｉ＝（１．０１〜１．９９）Ａ０にして全圧損失をモデルタービンで調査したところ、タービンノズル入口から出口までの全圧損失分布が図２に示す線図を得た。この線図は、図１０で示した従来のものに較べて低くなっていることが認められた。
【００３２】
図３は、本発明に係る軸流タービンの第２実施形態を説明するために用いた模式図である。なお、第１実施形態に対応する部分には同一符号を付している。
【００３３】
本実施形態に係る軸流タービンは、タービン前段落のタービン動翼ＭＢの出口側とタービン次段落のタービンノズルＳＢの入口側との間の流路ＦＰを蒸気ＳＴの流れの下流側に向って拡開流路ＯＦＰに形成するとともに、拡開流路ＯＦＰに蒸気ＳＴの流れを整流する整流手段、具体的には仕切板９を設け、仕切板９により蒸気ＳＴの流れを一様化させたものである。なお、蒸気ＳＴの流れを整流させる手段はメッシュの細い網でもよい。
【００３４】
このように、本実施形態では、タービン前段落のタービン動翼ＭＢの出口側とタービン次段落のタービンノズルＳＢの入口側との間の流路ＦＰを拡開流路ＯＦＰに形成することと相俟って拡開流路ＯＦＰに仕切板９等の整流手段を設け、タービン次段落に流入する前に蒸気ＳＴの静圧を大きく回復させるとともに、蒸気ＳＴの流れの一様化を図ったので、蒸気ＳＴがタービン次段落に流入する際、損失を少なくさせて余裕をもって膨張を行うことができる。
【００３５】
ちなみに、タービンノズルの入口、出口間の蒸気ＳＴの全圧損失を調べたところ、図４に示すように、全圧損失分布線図が得られた。この全圧損失分布線図は、第１実施形態で示した全圧損失分布線図よりも低くなっている好結果を得ていることがわかった。
【００３６】
また、従来を基準として、第１実施形態におけるタービン段落効率比と第２実施形態におけるタービン段落効率比とは、図５に示すように、好結果を得ていることがわかった。特に、第１実施形態におけるタービン段落効率比と第２実施形態におけるタービン段落効率比とは、拡開流路ＯＦＰの拡大度合の割合が６０％を超えると、第２実施形態におけるタービン段落効率比が上廻ることもわかった。
【００３７】
図６は、本発明に係る軸流タービンの第３実施形態を説明するために用いた模式図である。なお、第１実施形態に対応する部分には同一符号を付している。
【００３８】
本実施形態に係る軸流タービンは、タービン前段落のタービン動翼ＭＢの出口側とタービン次段落のタービンノズルＳＢの入口側との間の流路ＦＰを蒸気ＳＴの流れの下流側に向って拡開流路ＯＦＰに形成するとともに、拡開流路ＯＦＰの壁面に生成する境界層ＢＬの発達を低く抑える境界層発達抑制手段、例えば吹出しスリット１０と、制御弁１１を介装させた吸込み通路１２とを備えたものである。
【００３９】
このように、本実施形態は、拡開流路ＯＦＰの出口側に境界層発達抑制手段、例えば吹出しスリット１０と制御弁１１を介装させた吸込み通路１２とを設け、境界層ＢＬの発達が比較的低くいとき、吹出しスリット１０を利用し、また境界層ＢＬの発達が高いとき吹出しスリット１０と吸込み通路１２とを併用して境界層ＢＬを排除し、排除した境界層ＢＬを例えば給水加熱器に熱源として供給するので、熱の有効活用と相俟って、例えば部分負荷運転時、境界層ＢＬの発達に伴う蒸気ＳＴの流れに乱れを与えることがなく、充分に静圧回復させてタービン段落により一層高い効率的かつ経済的運転を行わせることができる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る軸流タービンは、蒸気がタービン段落に流入する前に静圧を回復させる手段と、境界層を低く抑える手段とを備え、蒸気の流れを一様化して全圧損失を低くさせたので、タービン段落により一層高い効率的かつ経済的運転を行わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る軸流タービンの第１実施形態を説明するために用いた模式図。
【図２】
本発明に係る軸流タービンの第１実施形態で得られた全圧損失の分布線図。
【図３】
本発明に係る軸流タービンの第２実施形態を説明するために用いた模式図。
【図４】
本発明に係る軸流タービンの第２実施形態で得られた全圧損失の分布線図。
【図５】
従来のタービン段落効率を基準として本発明の第１実施形態におけるタービン段落効率比と第２実施形態におけるタービン段落効率比とを対比させた線図。
【図６】
本発明に係る軸流タービンの第３実施形態を説明するために用いた模式図。
【図７】
従来の軸流タービンの断面を示すとともに、各タービン段落での圧力および速度の変動を表示した図。
【図８】
従来のタービンノズルに発生するコーナー渦を説明するために用いた模式図。
【図９】
蒸気がタービンノズルの入口前、タービンノズルの通過中、タービンノズルの出口のそれぞれで発生する全圧損失を説明するために用いた模式図。
【図１０】
従来のタービンノズルの全圧損失を示す全圧損失分布線図。
【図１１】
従来の他のタービンノズルのどの部分で全圧損失が急激に高くなるかを説明するために用いた全圧損失とタービンノズル位置との対応線図。
【符号の説明】
１  タービンケーシング
２  タービン高圧部
２ａ  高圧用タービンノズル
２ｂ  高圧用タービン動翼
２ｃ  高圧用タービン段落
３  タービン中圧部
３ａ  中圧用タービンノズル
３ｂ  中圧用タービン動翼
３ｃ  中圧用タービン段落
４  タービンロータ
５  流路
６  タービンノズル
７  前縁
８  腹側
９  仕切板
１０  吹出しスリット
１１  制御弁
１２  吸込み通路
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2001041001.tif 000001