(57)【要約】【課題】ノズル翼入口及びノズル翼出口間の作動流体の圧力比が大きく変動する軸流タービンにおいて、変動する圧力比の全域で高いノズル効率を可能にする。【解決手段】タービンロータ１４を囲むように、ノズル室１６ａ〜１６ｄが設けられ、作動流体供給管２２ａ〜２２ｄから夫々ノズル室１６ａ〜１６ｄに作動流体ｗが供給される。作動流体供給管２２ａ〜２２ｄには夫々流量制御弁２６ａ〜２６ｄが設けられている。流量制御弁２６ａ〜２６ｄの開閉動作は、制御装置２８によって行われる。ノズル室毎に作動流体ｗのノズル入口圧とノズル出口圧との異なる圧力比に夫々対応してノズル効率の低下を防止可能な異なる形状のノズル翼からなるノズル翼群が設けられている。【選択図】図３
2014206085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル翼群がタービンロータの周囲に列状に配置されてなるタービンノズルと、
前記タービンロータの一部を構成し、前記タービンノズルに隣接して配置されたタービン動翼群と、
作動流体を前記タービンノズルを介して前記タービン動翼群に供給する作動流体供給路とを備えた軸流タービンにおいて、
前記タービンノズルは、前記タービンロータの周囲に形成された環状の空間を前記タービンロータの周方向に複数に仕切って形成された複数のノズル室と、前記複数のノズル室に設けられ、前記ノズル室毎に異なる形状を有し、前記作動流体のノズル入口圧とノズル出口圧との異なる圧力比又は前記作動流体の異なる流量に夫々対応してノズル効率の低下を防止可能なノズル翼群とで構成され、
前記ノズル室に供給される前記作動流体の流量を制御する流量制御機構と、
前記軸流タービンの運転条件によって前記流量制御機構を制御する制御装置と、を備えていることを特徴とする軸流タービン。
【請求項２】
前記複数のノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するすべてのノズル翼は、超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成されていると共に、各ノズル室毎に前記先細―末広型ノズル翼のスロート面積と出口隙間面積との面積比が異なることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
【請求項３】
前記複数のノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するすべてのノズル翼は、前記作動流体が前記タービン動翼に流入するときの出口流出角のばらつきが±１０度以内になるように設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の軸流タービン。
【請求項４】
前記複数のノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するすべてのノズル翼は、亜音速対応用の先細ノズル翼で構成されると共に、ノズル室毎に前記先細ノズル翼の出口背面曲率が異なることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
【請求項５】
前記複数のノズル室のうち、一つのノズル室に設けられたノズル翼が超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成され、
他のノズル室に設けられたノズル翼が亜音速対応用の先細型ノズル翼で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
【請求項６】
前記複数のノズル室のうち、一つのノズル室に設けられたノズル翼が超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成され、
他の一つのノズル室に設けられたノズル翼が遷音速対応用の先細型ノズル翼で構成され、
残りのノズル室に設けられたノズル翼が亜音速対応用の先細型ノズル翼で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
【請求項７】
前記遷音速対応用の先細型ノズル翼は、後縁領域の背面が平坦面となっていることを特徴とする請求項６に記載の軸流タービン。
【請求項８】
前記軸流タービンが船舶に搭載され、
前記船舶の推進軸を駆動する前記船舶の主機エンジンから排出される第１の排ガスが、前記作動流体として前記複数のノズル室の一部に供給されると共に、
前記船舶に搭載された発電機を駆動する前記船舶の補機エンジンから排出される第１の排ガスよりも流量が少ない第２の排ガスが、前記作動流体として他の前記ノズル室に供給され、
前記第１の排ガス用の複数のノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するノズル翼のスロート面積は、前記第２の排ガス用の前記ノズル室に設けられた前記ノズル翼群を構成するノズル翼のスロート面積よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運転条件によってノズル翼の入口と出口における作動流体の圧力比が大きく変動する軸流タービンに好適であり、前記圧力比が変動してもノズル効率を高く維持できるタービンノズルを備えた軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
軸流タービンにおいて、作動流体は、作動流体供給管からタービンノズルが設けられた環状の導入路を経て、初段のタービン動翼に導入される。水中機器の動力として用いられる軸流タービンや、発電所に設けられたＤＳＳ（日間起動停止）軸流タービンにおいては、タービンノズルを構成するノズル翼の入口（前縁）圧力Ｐ１と出口（後縁）圧力Ｐ２との圧力比（Ｐ１／Ｐ２）が大きく変動する。前記圧力比が大きくなり、作動流体の流速が超音速領域に達する運転条件では、超音速領域でエネルギ損失（圧力損失）が少ない先細―末広型ノズル翼が一般的に用いられる。
【０００３】
図７（Ａ）は、先細―末広型ノズル翼を模式的に示す図である。図に示すように、先細―末広型ノズル翼１は、広い断面積を有する入口１ａと、断面積が最小となる喉部１ｂと、広い断面積を有する出口１ｃとを有している。入口１ａから流入した音速以下の作動流体ｗは、ノズル断面積が狭まるに従い速度が増し、減圧する。そして、ある条件下で、喉部１ｂで音速（マッハＭ＝１）に達する。その後、断面積が広がるに従い、作動流体ｗは減圧（膨張）して超音速（Ｍ＞１）となる。
【０００４】
図７（Ｂ）は、先細型ノズル翼を模式的に示す図である。図に示すように、先細型ノズル翼３は、最も広い断面積を有する入口３ａと、最も狭い断面積を有する出口３ｂとを有している。作動流体ｗの流速は出口３ｂで最も速くなるが、超音速にはならない。従って、先細型ノズル翼は亜音速対応用又は遷音速対応用として用いられる。
【０００５】
しかし、圧力比（Ｐ１／Ｐ２）が１〜３０まで幅広く変動するとき、超音速対応用のノズル翼のみを用いたタービンノズルでは、部分負荷運転時に作動流体の流速が亜音速以下に低下したとき、ノズル効率が大きく低下する。
図８は、タービンノズルを構成する先細―末広型ノズル翼５の形状及び配置の例を示す。図８において、点ｔは、ノズル翼間で最も隙間面積が狭くなるノズル翼間喉部を示す。先細―末広型ノズル翼において、喉部ｔの隙間面積（スロート面積）ａとノズル翼出口の隙間面積ｂの比（ｂ／ａ）をＡＲ値と言う。
【０００６】
図９は、タービンノズルにおける作動流体の圧力比（Ｐ１／Ｐ２）の一例を示している。図中、臨界点は喉部ｔに相当する。ノズル翼間を流れる作動流体は、加速しつつ膨張（減圧）し、前記圧力比は増加する。ノズル翼出口で圧力比がＰｏとなるとき、ノズル効率が最良となる。運転中圧力比の変動幅が大きい軸流タービンでは、超音速域（領域ニ）に合わせてノズル翼の形状を設計している。しかし、このノズル翼の形状では、ノズル翼出口で圧力比が領域ロ（亜音速域）又は領域ハ（遷音速域）の値となった場合、衝撃波が発生し、ノズル効率が低下する。
【０００７】
特許文献１には、タービンノズルが設けられた環状の導入路を半径方向に２分割し、作動流体の流量が少ない部分負荷運転時に、一方の導入路のみに作動流体を導入し、作動流体の圧力及び流速を確保する構成が開示されている。この構成は、環状の導入路を周方向に分割し、一部の導入路のみに作動流体を導入した場合、これら導入路の境界で急激な流れの変化が起こり、タービン動翼に過大な衝撃力が加わって、タービン動翼が破損するのを防止するために採用されている。
【０００８】
特許文献２には、前記環状の導入路を周方向に分割して複数のノズル室を形成した軸流タービンが開示されている。この軸流タービンは、作動流体の圧力が低下する一部のノズル室の開口面積を絞ることで、作動流体の圧力及び流速を確保し、ノズル効率（調速段効率）の低下を防止するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６０−６９２１３号公報
【特許文献２】実用新案第２６０１２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のように、運転中圧力比が幅広く変動する軸流タービンでは、圧力比の全域で高いノズル効率を維持することが困難である。特許文献１及び特許文献２に開示された構成は、かかる問題を解決するものではない。
【００１１】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、ノズル翼入口及びノズル翼出口間の作動流体の圧力比が大きく変動する軸流タービンにおいて、変動する圧力比の全域で高いノズル効率を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の軸流タービンは、ノズル翼群がタービンロータの周囲に列状に配置されてなるタービンノズルと、タービンロータの一部を構成し、タービンノズルに隣接して配置されたタービン動翼群と、作動流体をタービンノズルを介してタービン動翼群に供給する作動流体供給路とを備えている軸流タービンである。
【００１３】
そして、前記目的を達成するため、前記タービンノズルは、タービンロータの周囲に形成された環状の空間をタービンロータの周方向に複数に仕切って形成された複数のノズル室と、複数のノズル室に設けられ、ノズル室毎に異なる形状を有し、作動流体のノズル入口圧とノズル出口圧との異なる圧力比又は前記作動流体の異なる流量に夫々対応してノズル効率の低下を防止可能なノズル翼群とで構成されている。そして、各ノズル室に供給される作動流体の流量を制御する流量制御機構と、軸流タービンの運転条件によって流量制御機構を制御する制御装置とを備えている。
【００１４】
かかる構成によって、前記制御装置によって、運転中の作動流体の圧力比又は流量の変動に対応して、流量制御機構を制御し、ノズル効率が最良となるノズル翼を有するノズル室に作動流体を導入する。これによって、圧力比が変動しても、常に高いノズル効率を得ることができる。なお、流量制御機構は、例えば、タービンノズルに作動流体を供給する作動流体供給路に設けられた流量制御弁又は流量制御ダンパでもよく、あるいは作動流体が流入する各ノズル室の入口を開閉する開閉機構を設けるようにしてもよい。
【００１５】
図１は、ノズル翼出口の作動流体の流速（マッハ数）に対する作動流体のエネルギ損失係数比（ノズル翼で発生する最小のエネルギ損失を１．０としたときのエネルギ損失係数の比）を示す。図中、曲線Ａは大曲率の先細型ノズル翼の場合であり、曲線Ｂは小曲率の先細型ノズル翼の場合であり、曲線Ｃはフラットバックノズル翼（ＦＢノズル翼）の場合であり、曲線Ｄは先細―末広型ノズル翼の場合である。
大曲率の先細型ノズル翼とは、図５（Ａ）に示すノズル翼３０ａのように、ノズル翼出口近くの背面ｆの曲率が大きい形状の先細型ノズル翼を言う。ＦＢノズル翼とは、図５（Ｂ）に示すノズル翼３０ｂのように、ノズル翼背面出口中央から出口まで直線断面を有する、即ち、曲率半径が無限大の先細型ノズル翼を言う。
【００１６】
図１に示すように、マッハ数が０．６以下では大曲率の先細型ノズル翼のエネルギ損失が最も少なく、マッハ数が０．６〜１．０では、小曲率の先細型ノズル翼のエネルギ損失が最も少ない。また、マッハ数が１．０〜１．４では先細型ノズル翼のエネルギ損失が最も少なく、マッハ数が１．４以上では先細―末広型ノズル翼のエネルギ損失が最も少ない。
【００１７】
本発明の一態様として、複数のノズル室に設けられたすべてのノズル翼は、超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成することができる。そして、この先細―末広型ノズル翼は、ノズル室毎にスロート面積と出口隙間面積との面積比（ＡＲ値）が異なり、各ノズル室に設けられたノズル翼のＡＲ値は、複数の異なる前記圧力比に夫々対応してノズル効率を低減可能な値に設定することができる。
【００１８】
前記態様は、作動流体がノズル翼間で超音速となる場合に適用される態様である。先細―末広型ノズル翼は、前記圧力比によって最良なノズル効率となるＡＲ値が異なる。本態様によれば、運転中の圧力比に対して、ノズル効率が最良となるノズル翼を有するノズル室に作動流体を導入することで、圧力比が変動しても、常に高いノズル効率を得ることができる。
【００１９】
また、本発明の別な態様として、各ノズル室に設けられたすべてのノズル翼は、作動流体がタービン動翼に流入するときの出口流出角のばらつきが±１０度以内になるように設定されている。
これによって、作動流体がタービン動翼に流入するときの作動流体の圧力損失を抑制でき、ノズル効率の低下を防止できる。
【００２０】
本発明の別な態様として、前記複数のノズル室に設けられたすべてのノズル翼を、亜音速対応用の先細ノズル翼で構成すると共に、ノズル室毎に先細型ノズル翼の出口背面曲率が異なるものとすることができる。この態様は、作動流体がノズル翼間で遷音速を含む亜音速となる場合に適用される。
このように、ノズル室毎に先細型ノズル翼の出口背面曲率を変えることで、ノズル室毎に、ノズル翼の形状を複数の異なる圧力比に夫々対応してノズル効率の低下を防止可能な形状にすることができる。そして、ノズル翼間の作動流体の流速に応じて、作動流体のエネルギ損失が最低となるノズル翼を有するノズル室に作動流体を導入することで、圧力比が変動しても、常に作動流体のエネルギ損失を抑制し、ノズル効率を高く維持できる。
【００２１】
本発明のさらに別な態様として、複数のノズル室のうち、一つのノズル室に設けられたノズル翼を超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成し、他のノズル室に設けられたノズル翼を亜音速対応用の先細型ノズル翼で構成することができる。
【００２２】
かかる構成のタービンノズルは、発電所に設けられたＤＳＳ軸流タービンに好適である。ＤＳＳ軸流タービンでは、７５〜１００％の間で負荷が変動するとき、一部のノズル室の作動流体の流量を絞り、小流量としている。そのため、小流量のノズル室では、作動流体がノズル翼間で高圧力比となり超音速となっている。かかる小流量のノズル室に亜音速対応用の先細型ノズル翼を設けると、衝撃波が発生し、圧力損失が大きくなる。そこで、該ノズル室のノズル翼を超音波対応用の先細―末広型ノズル翼とすることで、該ノズル室のノズル効率を向上できる。
【００２３】
本発明のさらに別な態様では、複数のノズル室のうち、一つのノズル室に設けられたノズル翼を超音速対応用の先細―末広型ノズル翼で構成し、他の一つのノズル室に設けられたノズル翼を遷音速対応用の先細型ノズル翼で構成すると共に、残りのノズル室に設けられたノズル翼を亜音速対応用の先細型ノズル翼で構成することができる。
【００２４】
ＤＳＳ軸流タービンで負荷が５０％付近に低下すると、作動流体はさらに小流量となる。そのため、亜音速対応用の先細型ノズル翼を設けたノズル室の一部でも高圧力比及び小流量となるので、衝撃波が発生しやすくなり、ノズル効率が低下する。従って、小流量となるノズル室に設けられた亜音速対応用の先細型ノズル翼を遷音速対応用の先細型ノズル翼に代えることで、衝撃波の発生を抑制し、ノズル効率を高めることができる。
【００２５】
なお、遷音速対応用の先細型ノズル翼は、作動流体の出口領域の背面を平坦面とすることで、容易に製造できる。そのため、遷音速対応用の先細型ノズルの製造費を低コスト化できる。
【００２６】
本発明のさらに別な態様は、船舶に搭載された軸流タービンに好適なものである。この態様は、船舶の推進軸を駆動する船舶の主機エンジンから排出される第１の排ガスを、作動流体として複数のノズル室の一部に供給し、船舶に搭載された発電機を駆動する船舶の補機エンジンから排出される第２の排ガスを、作動流体として他のノズル室に供給する。この態様においては、先細―末広型ノズルや先細型ノズルの如き形状の違いでなく、ノズル翼のスロート面積の違いによって区別するものである。
【００２７】
即ち、第１の排ガス用の複数のノズル室に設けられたノズル翼のスロート面積を、第２の排ガス用のノズル室に設けられたノズル翼のスロート面積よりも大きくする。第１の排ガスのように大流量の排ガスの場合には、スロート面積の大きいノズル翼を設けたノズル室に導入することで、ノズル効率を向上できる。一方、補機エンジンから排出される排ガスは流量が小さいので、スロート面積をより小さくしたノズル翼を設けたノズル室に導入することで、ノズル効率を高く維持できる。この場合、ノズル翼の形状が先細―末広型ノズル翼か又は先細型ノズル翼かを問わない。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、作動流体の圧力比又は流量の変動が大きい軸流タービンであっても、常に高いノズル効率で稼動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】各種形状のノズル翼のエネルギ損失係数比を示す線図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る軸流タービンの縦断面図である。
【図３】図１中の矢印Ｅ方向から視た模式図である。
【図４】（Ａ）はＡＲ値が大の先細―末広型ノズル翼の横断面図であり、（Ｂ）はＡＲ値が小さい先細―末広型ノズル翼の横断面図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は出口背面曲率が異なる先細型ノズル翼の横断面図である。
【図６】本発明の第５実施形態に係る軸流タービンの模式図である。
【図７】（Ａ）は先細―末広型ノズルの模式図であり、（Ｂ）は先細―末広型ノズルの模式図である。
【図８】先細―末広型ノズル翼の横断面図である。
【図９】ノズル翼間における作動流体の圧力比を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
【００３１】
（実施形態１）
本発明の第１実施形態を図２〜図４に基づいて説明する。図２及び図３において、本実施形態に係る軸流タービン１０Ａは、例えば、水中機器に動力用として搭載されるものである。内部ケーシング１２の内側中央にタービンロータ１４が設けられている。内部ケーシング１２とタービンロータ１４との間に、タービンロータ１４を囲むように、４個のノズル室１６ａ〜１６ｄが設けられている。ノズル室１６ａ〜１６ｄは内部ケーシング１２に固定され、ノズル室１６ａ〜１６ｄの内部には、夫々多数のノズル翼からなるノズル翼群が設けられている。ノズル室１６ａ〜１６ｄに隣接かつ対面して、タービンロータ１４の一部を構成する多数のタービン動翼群２０が放射状に取り付けられている。
【００３２】
ノズル室１６ａ〜１６ｄには、夫々作動流体供給管２２ａ〜２２ｄが接続されている。作動流体供給管２２ａ〜２２ｄには夫々流量制御弁２６ａ〜２６ｄが設けられている。
図３は、矢印Ａ方向から視たノズル室１６ａ〜１６ｄの模式図である。図３には、ノズル室１６ａ〜１６ｄに夫々接続される作動流体供給管２２ａ〜２２ｄの出口開口２４ａ〜２４ｄが模式的に図示されている。流量制御弁２６ａ〜２６ｄの開閉動作は、制御装置２８によって制御される。
【００３３】
タービン動翼群２０は、タービンロータ１４の周方向に配置されているが、各ノズル室１６ａ〜１６ｄに設けられたノズル翼も、タービン動翼群２０と同様に、タービンロータ１４の周方向に配置されている。ノズル室１６ａ〜１６ｄはタービン動翼群２０に面して開放されている。各ノズル室には、夫々形状が異なるノズル翼が設けられている。即ち、作動流体の流速がマッハ数１．４以上となる場合に適用するもので、各ノズル室に設けられたノズル翼は、すべて超音波対応用の先細―末広型ノズル翼である。しかし、各ノズル室毎に、夫々ＡＲ値（ノズル翼の出口隙間面積ｂ／喉部ｔのスロート面積ａ）が異なった形状を有している。
【００３４】
図４は本実施形態で用いられる先細―末広型ノズル翼を示す。図中（Ａ）は、ＡＲ値が大きい先細―末広型ノズル翼１８ａを示し、図４（Ｂ）は、ＡＲ値が小さい先細―末広型ノズル翼１８ｂを示している。
【００３５】
流量制御弁２４ａ〜２４ｄの開閉動作は、制御装置２８によって、圧力比（Ｐ１／Ｐ２）に応じて制御される。作動流体ｗは、いずれかの作動流体供給管２２ａ〜２２ｄからいずれかのノズル室１６ａ〜１６ｄに流入し、さらにノズル室からタービン動翼群２０に流れる。運転時の圧力比（Ｐ１／Ｐ２）に応じて最良のノズル効率を発揮するＡＲ値は異なる。そのため、制御装置２８は、前記圧力比に応じて最良のノズル効率が得られるノズル翼１８を備えたノズル室の流量制御弁を開放する。これによって、運転中に圧力比が変動しても、最良のノズル効率を得ることができる。
【００３６】
また、ノズル室１６ａ〜１６ｄのすべてのノズル翼１８の出口流出角ｃのばらつきが、±１０度以内になるように設定されているので作動流体ｗがタービン動翼群２０に流入したとき、作動流体ｗがタービン動翼群２０に流入するときの作動流体ｗの圧力損失を最小限に抑えることができる。
なお、本実施形態において、流量制御弁２６ａ〜２６ｄの代わりに、流量制御ダンパを設けてもよく、あるいは作動流体ｗが流入する各ノズル室の入口を開閉する開閉機構を設け、この開閉機構を制御装置２８で制御することで、作動流体ｗをノズル室１６ａ〜１６ｄのどれかに選択的に流入させるようにしてもよい。
【００３７】
（実施形態２）
次に、本発明の第２実施形態を図５により説明する。本実施形態の軸流タービンの構成は、ノズル室１６ａ〜１６ｄに設けられるノズル翼の形状以外は、前記第１実施形態と同一の構成を有している。本実施形態は、第１実施形態と異なりマッハ数が１．４以下の場合に適用されるものである。図５に、本実施形態で用いられるノズル翼の形状を示している。
【００３８】
図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すノズル翼３０ａ及び３０ｂは、亜音速対応の先細型ノズル翼である。先細型ノズル翼３０ａとノズル翼３０ｂとは、作動流体ｗのマッハ数に応じてノズル翼出口背面ｆの曲率を違えている。
先細型ノズル翼３０ａは大曲率の先細型ノズル翼であり、ノズル翼出口近くの背面ｆが正の曲率を有し、先細型ノズル翼３０ｂは、フラットバックノズル（ＦＢノズル)であり、ノズル翼背面出口中央部から出口まで直線断面を有している、即ち曲率が無限大である。
４個のノズル室１６ａ〜１６ｄに、夫々出口背面曲率の異なる形状の先細型ノズル翼が設けられている。
【００３９】
本実施形態のように作動流体の流速が亜音速の場合は、第１実施形態で用いた超音速対応用の先細-末広型ノズルでは効率が低下するため、先細型ノズルにすることで高いノズル効率が得られる。また、図５に示すように、ノズル出口背面の曲率を調整することにより、マッハ数が１．４以下の場合でもマッハ数に応じて、ノズル効率の良いノズル翼を使用可能となる。
【００４０】
本実施形態では、ノズル翼出口で発生する作動流体ｗのマッハ数に応じて、最もエネルギ損失が少ないノズル翼を有するノズル室に作動流体ｗを導入する。これによって、圧力比が変動しても、常にノズル効率を高く維持できる。また、すべてのノズル翼の出口流出角ｃのばらつきが、±１０度以内になるように設定されているのでタービン動翼群２０に流入する作動流体ｗの圧力損失を最小限に抑えることができる。
【００４１】
（実施形態３）
次に、本発明の第３実施形態を説明する。本実施形態は、電力負荷調整用のＤＳＳ軸流タービンに好適な実施形態である。本実施形態でも、ノズル室は、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、４個のノズル室１６ａ〜１６ｄに仕切られている。そして、第２実施形態のようにノズル室１６ａ〜１６ｄが全て亜音速対応の先細型ノズルでなく、ノズル室１６ａ〜１６ｃに設けられたノズル翼は、すべて亜音速対応用の先細ノズル翼とし、ノズル室１６ｄに設けられたノズル翼のみ超音波対応用の先細―末広型ノズル翼としている。また、すべてのノズル翼の出口流出角ｃは、タービン動翼２０におけるインシデンス損失他の諸損失の増加を抑えるように、ノズル形状によらず統一することが望ましい。
【００４２】
ＤＳＳ軸流タービンでは、運転中、流量制御弁２６ａ〜２６ｄをすべて開放し、ノズル室１６ａ〜１６ｄに作動流体ｗを導入して運転する。運転の大半は部分負荷運転（ノズル室１６ａ〜１６ｃで作動流体ｗを１００％流入、ノズル室１６ｄで作動流体ｗの流入量を調整）となる。そのため、７５〜１００％の負荷運転では、ノズル室１６ｄで運転中大部分小流量状態となり、作動流体ｗは超音速で作動している。
【００４３】
従って、ノズル室１６ｄには超音速対応用の先細―末広型ノズル翼を設けることで、ノズル効率を高く維持できる。ノズル室１６ｄでは、１００％負荷運転に近づくほど、高圧力比かつ小流量となるため、作動流体ｗの流速は超音速域となり、先細型ノズル翼では衝撃波が発生し、ノズル効率が低下する。そのため、ノズル室１６ｄでは、ノズル翼を超音波対応用の先細―末広型ノズル翼とすることで、ノズル効率を高く維持できる。
【００４４】
（実施形態４）
次に、本発明の第４実施形態を説明する。ＤＳＳ軸流タービンでは、５０％程度の負荷になると、ノズル室１６ｄ以外のノズル室（例えばノズル室１６ｃ）でも作動流体ｗの流量を絞って運転する。そのため、ノズル室１６ｃでは、作動流体ｗのマッハ数が大きくなり、ノズル室１６ｃに亜音速対応用の先細型ノズル翼を設けた場合、衝撃波による圧力損失が大きくなり、ノズル効率が低下する。そこで、本実施形態では、遷音速にも対応可能の先細型ノズル（図５（Ｂ）のノズル翼３０ｂ）を設ける。その他の構成は前記第３実施形態と同一である。
【００４５】
これによって、５０％負荷時においても、ノズル室１６ｃのノズル効率を向上できる。なお、７５〜１００％負荷時に、ノズル室１６ｃでは作動流体ｗの流量を絞らないので、低マッハ数となる。そのため、ノズル室１６ｃに超音波対応用の先細―末広型ノズル翼を設けると、７５〜１００％負荷時にノズル効率が大きく低下するので、遷音速対応用の先細型ノズル３０ｂとしたほうがノズル効率が低下しない。
【００４６】
また、本実施形態では、作動流体ｗの流入量が大きいノズル室１６ａ及び１６ｂをタービンロータ１４を挟んで真向いに配置し、かつ作動流体ｗの流入量が少ないノズル室１６ｃ及び１６ｄをタービンロータ１４を挟んで真向いに配置している。そのため、タービン動翼２０に当たる作動流体ｗの力のバランスをタービンロータ１４の周方向で均等にできるので、タービン動翼２０の振動発生等を防止できる。
【００４７】
（実施形態５）
次に、本発明を船舶に搭載される軸流タービンに適用した実施形態を図６により説明する。図６において、主機エンジン４０及び補機エンジン４２が搭載されている。主機エンジン４０で推進器４４を駆動し、補機エンジン４２で発電機４６を駆動し、船舶内の電力をまかなっている。本実施形態の軸流タービン１０Ｂは、４個のノズル室１６ａ〜１６ｄを有している。ノズル室１６ａ及び１６ｂは、タービンロータ１４の周方向に長く拡張され、容積を大きく形成され、高圧かつ大流量の作動流体が流入可能になっている。一方、ノズル室１６ｃ及び１６ｄは、ノズル室１６ａ及び１６ｂと比べて周方向に短く、容積が小さく形成され、低圧かつ小流量の作動流体が流入するように構成されている。
【００４８】
主機エンジン４０に設けられた排ガス路４８は、供給管２２ａ及び２２ｂに接続され、主機エンジン４０から排出される排ガスは、ノズル室１６ａ及び１６ｂに供給可能になっている。また、補機エンジン４２に設けられた排ガス路５０は、供給管２２ｃ及び２２ｄに接続され、補機エンジン４２から排出される排ガスは、ノズル室１６ｃ及び１６ｄに供給可能になっている。
【００４９】
本実施形態においては、前記第１〜第３実施形態のように、先細―末広型ノズル翼や先細型ノズル翼などの形状の違いでなく、ノズル翼のスロート面積の違いにて区別するものである。即ち、首機エンジン４０から排出される高圧かつ大流量の排ガスは、スロート面積の大きいノズル翼を設けたノズル室１６ａ及び１６ｂに導入し、補機エンジン４２から排出される低圧かつ小流量の排ガスは、スロート面積をより小さくしたノズル翼が設けられたノズル室１６ｃ及び１６ｄに導入する。
【００５０】
また、軸流タービン１０Ｂのタービンロータ１４には、発電機（図示省略）が接続され、タービンロータ１４の回転によって発電可能になっている。流量制御弁２４ａ〜２４ｄの開閉動作は、制御装置２８によって行われる。すべてのノズル翼の出口流出角ｃは、タービン動翼２０におけるインシデンス損失が最小となる角度に設定されている。
【００５１】
かかる構成において、主機エンジン４０及び補機エンジン４２の余剰排熱によって、軸流タービン１０Ｂを駆動し、発電が可能になる。こうして、主機エンジン４０及び補機エンジン４２で発生する余剰排熱を、１個の軸流タービン１０Ｂで動力回収用として有効利用できる。また、主機エンジン４０から排出される排ガスは圧力及び流量が大きいので、大流量の排ガスを流入可能なスロート面積が大きいノズル翼を備えたノズル室１６ａ及び１６ｂに供給することで、ノズル効率を向上できる。一方、補機エンジン４２から排出される排ガスは圧力及び流量が小さいので、前記ノズル翼よりスロート面積が小さいノズル翼を備えたノズル室１６ｃ及び１６ｄに供給することで、ノズル効率を高く維持できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明によれば、運転中圧力比が幅広く変動する軸流タービンにおいて、圧力比の全域で高いタービン効率を維持できる。
【符号の説明】
【００５３】
１、５                                先細―末広型ノズル翼
１ａ                                入口
１ｂ                                喉部
１ｃ                                出口
３                                    先細型ノズル翼
３ａ                                入口
３ｂ                                出口
１０Ａ、１０Ｂ                        軸流タービン
１２                                  内部ケーシング
１４                                  タービンロータ
１６ａ〜１６ｄ                        ノズル室
１８ａ、１８ｂ                        先細型ノズル翼
２０                                  タービン動翼群
２２ａ〜２２ｄ                        作動流体供給管
２４ａ〜２４ｄ                      出口開口
２６ａ〜２６ｄ                        流量制御弁
２８                                  制御装置
３０ａ、３０ｂ                        先細型ノズル翼
４０                                  主機エンジン
４２                                  補機エンジン
４４                                  推進器
４６                                  発電機
４８，５０                            排ガス路
ａ                                    スロート面積
ｂ                                    出口隙間面積
ｃ                                    出口流出角
ｔ                                    喉部
ｗ                                    作動流体
【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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