(57)【要約】【課題】  ノズル枚数削減による性能向上量を確保しつつ、多段落タービンの初段から最終段までの２次流れ損失および境界層発達を積極的に低減することができるタービンノズルを提供する。【解決手段】  湾曲ノズルの周方向突出量最大値δmaxを、ノズル環状ピッチＴに応じてδmax／Ｔ＝Ｃ1（定数）の関係を満たすように決定する。同時に、δmax の値を翼長Ｈに応じてδmax／Ｈ＝Ｃ2（定数）の関係を満たすように決定する。【選択図】  図１
2006207554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流タービンの内部環状流路にノズル翼を円周方向に複数枚配設し、前記ノズル翼が円周方向流体流出側に湾曲しているタービンノズルにおいて、
前記ノズル翼の後縁端位置の円周方向の湾曲の最大突出量をδmaxとし、翼高さ中央部の環状ピッチをＴとし、Ｃ１を定数としたときに、
δmax／Ｔ＝Ｃ１
の関係を保つようにＴの値に応じてδmaxの値を決定し、
かつ翼高さをＨとし、Ｃ２を定数としたときに、
δmax／Ｈ＝Ｃ２
の関係を保つようにＨの値に応じてδmaxの値を決定したことを特徴とするタービンノズル。
【請求項２】
前記ノズル翼の後縁端とそのノズル翼に隣接するノズル翼の背面との間の最短距離Ｓとノズル翼の環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの値が、翼高さ中央部で最大になるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のタービンノズル。
【請求項３】
前記ノズル翼の断面の翼弦長が翼先端位置で最大、翼根元位置で最小になるように形成されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１または２に記載のタービンノズル。
【請求項４】
前記ノズル翼の後縁端位置が翼根元部から翼先端部までの範囲で軸流方向に傾斜していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のタービンノズル。
【請求項５】
前記ノズル翼の後縁端位置が軸流方向に湾曲していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のタービンノズル。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のタービンノズル翼を使用した複数のタービン段落によって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、軸流タービンのタービンノズルに関し、より詳しくは、２次流れ損失および境界層の発達を積極的に低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は一般的な軸流タービンを構成するノズル断面形状を示す図であって、複数枚のノズル翼１が環状ピッチＴの間隔で周方向に配設されている。
【０００３】
このような軸流タービンの内部効率を低下させる要因について言及すると、その１番目として、ノズル翼断面の後縁端が有限の厚みＴＥを有していることが挙げられる。
一般に、タービンノズルの周方向に配置されて隣接する翼同士の最短距離（スロート）Ｓと翼断面の後縁端厚み（ＴＥ）との比、すなわちＴＥ／Ｓの値が小さいほどタービン翼の後縁端厚みに起因する損失は小さい。
後縁端厚みに起因する損失とＴＥ／Ｓの値との関係を図示すると、図４のようになる。  これにより、ノズル翼の後縁端厚みによる内部効率の低下を防ぐべく、図５に示したようにノズル翼１の枚数を削減することによってスロート長をＳをＳ’へと増大させ、ＴＥ／Ｓの値を小さくすることによって性能向上を図ることができる。
【０００４】
一方、タービン内部効率を低下させる２番目の要因として２次流れ損失がある。
この２次流れ損失は、図６に示したように、ノズル翼１の根元および先端側の壁面２，３の近くにおいて翼面の圧力が高い腹側から圧力の低い背側に向かって流体が流れようとする力４により発生する２次流れ渦５に起因している。
この２次流れ損失は、図７に示したように翼面の背腹の圧力差が大きく、翼の環状ピッチＴが長いほど大きくなる。
つまり、ノズル後縁端の厚みＴＥに起因する損失を低減する為に、ノズル翼１の枚数を削減すると、翼一枚あたりの負荷が増大（すなわち、翼面の背腹の圧力差が増大）すると同時に環状ピッチＴが増大する。
これは、前述したように２次流れ損失が増加する方向であるため、多数の実験、解析に基づいて決定したノズル翼の最適枚数を減少させることは困難であった。
【０００５】
そこで、２次流れ損失を低減するために、円周方向の流体流出側に湾曲させた形状のノズル翼（以下、湾曲ノズルと言う）が使用されている（例えば、下記の特許文献１を参照）。
図８は、この湾曲ノズルの後縁端形状の一例を流体流出側から見た状態を示している。  この湾曲ノズルの特徴を示すパラメータとして、周方向の最大突出量δmax がある。
このδmaxの値は、通常、ノズル翼の環状ピッチＴに関わらずに一定とされてきた。
【０００６】
ところが、粘性解析の結果によると、ノズル翼１の枚数削減による環状ピッチＴの増大にも関わらずδmaxの値を一定にすると、図９に翼高さ方向のノズルエネルギー損失分布を比較して示したように、翼の長手方向中央部における２次流れ損失は枚数削減による効果で減少するが、壁面近傍での２次流れ損失は増大する。
つまり環状ピッチＴの増大による２次流れ損失の増大を、湾曲ノズルによって抑制することはできない。
【０００７】
他方、タービンの内部効率を低下させる３番目の要因として、ノズル翼１の根元側および先端側の壁面２，３との摩擦による境界層発達が挙げられる。
これは壁面との摩擦に伴う減速によって発達する境界層に起因するもので、流体のレイノルズ数低下に応じて境界層の発達が助長され、２次流れ損失に境界層損失を含めた壁面付近の損失の絶対量を増大させる。
【０００８】
このとき、実際の軸流タービンは多数の段落から構成されるため、後段に行くにしたがって流体の温度圧力が低下して粘性が増大し、レイノルズ数もまた低下する。
図１０には、高圧蒸気タービン各段落の代表レイノルズ数と推定される境界層厚さが示されている。
この図１０から明らかなように、後段に行くにしたがって境界層が増大し、２次流れ渦の発達を助長してエネルギー損失の絶対量がさらに増加する。
【０００９】
また、多数の段落から構成される軸流タービンの翼高さは、流体の膨張に合わせて後段に行くにしたがって高くなる。
ところが、従来の湾曲ノズル後縁端の周方向突出量最大値δmaxは、翼長Ｈに関わらず一定であった。
【００１０】
図１１は、翼高さが異なる２つのケースについて、δmaxの値を同一とした場合のノズル出口の翼高さ方向速度分布の比較を示している。
マイナス側の速度は流体を翼根元側の壁面に押し付ける方向を示し、プラス側は翼先端側の壁面方向を示している。
粘性解析の結果によれば、湾曲ノズル出口で発生するノズル根元と先端側の壁面に流体を押しつけようとする流速は、翼長によらず一定になることが分かる。
【００１１】
これにより、境界層および２次流れ渦を壁面に押し付けることで抑制する効果も、翼長によらず一定と考えられる。
つまり軸流タービンの後段に行くに従い発達する境界層および、それにより助長される２次流れ損失は、δmaxが翼長によらず一定である湾曲ノズルによって抑制することができない。
もっとも、後段に行くにしたがって翼長が高くなる為、相対的にノズル根元および先端側の壁面の影響は小さくなり、境界層による損失および２次流れ損失を合わせた壁面付近の損失割合が図１２に示したように小さくなる。
これにより、タービン後段側においては壁面による損失を積極的に低減させる手段を採用してこなかったのである。
【００１２】
【特許文献１】特開平６−８１６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、タービン内部効率を低減させる主な要因として、タービンノズル断面の後縁端厚みに起因する損失、ノズルの根元側および先端側の壁面近傍に発生する２次流れ渦に起因する損失、これらの壁面との摩擦により発達する境界層に起因する損失の三つに着目することができる。
【００１４】
ノズル断面の後縁端損失を減少させるためにノズル翼の枚数を削減すると、２次流れ損失が増大するという問題がある。
また、２次流れ損失低減のための有効な手段である湾曲ノズルも、周方向突出量の最大値δmaxをノズル環状ピッチＴによらず一定とする設計では、２次流れ損失抑制できないという問題があり、ノズル翼の枚数を削減することができなかった。
【００１５】
また、多段落タービンにおいてはその後段に行くにしたがってレイノルズ数が低下するため、２次流れ損失を助長する境界層による損失も増加する。
このとき、従来のノズル翼１においては、湾曲ノズルの周方向突出量の最大値δmaxが翼長Ｈによらず一定であるため、ノズルの根元側および先端側の壁面に流体を押し付けることによって損失を抑制する効果も一定であり、後段の翼長の高い段落において境界層の発達を効果的に抑制し、それによって２次流れ損失を抑制することができなかった。
【００１６】
そこで本発明の目的は、上述した従来技術における問題点を解消し、ノズル枚数削減による性能向上量を確保しつつ、多段落タービンの初段から最終段までの２次流れ損失および境界層発達を積極的に低減することができるタービンノズルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決する本発明のタービンノズルは、２次流れ損失および境界層の発達抑制に効果のある湾曲ノズルの円周方向突出量最大値δmaxを、ノズル環状ピッチＴに応じて
δmax／Ｔ＝Ｃ1（定数）
の関係を保つように決定する。
これにより、ノズル翼の後縁端厚みに起因する損失を低下させるためにノズル翼の枚数を削減した時に増大する２次流れ損失を抑制することができる。
【００１８】
同時に、δmax の値を翼長Ｈに応じて、
δmax／Ｈ＝Ｃ2（定数）
の関係を保つように決定する。
これにより、レイノルズ数の低下に伴い多段落軸流タービンの後段に行くにしたがって増加するノズルの根元側および先端側の壁面での境界層の発達を抑制することができる。
【００１９】
なお、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端とそのノズル翼に隣接するノズル翼の背面との間の最短距離Ｓとノズル翼の環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの値が、翼高さ中央部で最大になるように形成することができる。
【００２０】
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼断面の翼弦長が翼先端位置で最大、翼根元位置で最小になるように形成することができる。
【００２１】
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端位置を翼根元部から翼先端部までの範囲で軸流方向に傾斜させることができる。
【００２２】
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端位置を軸流方向に湾曲させることができる。
【００２３】
さらに、上述した本発明のタービンノズルをそれぞれ用いることにより軸流タービンを構成することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ノズル枚数削減による性能向上量を確保しつつ、多段落タービンの初段から最終段までの２次流れ損失および境界層発達を積極的に低減できるタービンノズルを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図１および図２を参照し、本発明に係るタービンノズルの一実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
図１（ａ）には、ダイアフラム外輪１１とダイアフラム内輪１２との間の環状流路１３内に配置された、翼高さがＨ、翼高さ中央部における環状ピッチがＴ、翼断面後縁端位置の周方向流体流出側の突出量最大値がδmaxであるノズル翼１４が示されている。
【００２７】
図１（ｂ）に示した本実施形態のノズル翼１５は、図１（ａ）に示したノズル翼１４に対し、ノズル枚数を削減した結果、その環状ピッチＴがＴ１に広がっているが、翼長Ｈはそのままである。
このノズル翼１５におけるδmax1の値は、環状ピッチの広がりに応じて
δmax／Ｔ＝δmax1／Ｔ1
の関係を満足するように決定される。
【００２８】
図１（ｃ）に示した本実施形態のノズル翼１６は、図１（ｂ）に示したノズル翼１５に対し、翼長をＨからＨ1へと高くしたものである。
このノズル翼１５におけるδmax2の値は、翼長の拡大に応じて
δmax1／Ｈ＝δmax2／Ｈ1
の関係を満足するように決定される。
【００２９】
すなわち、本実施形態のタービンノズルにおいては、ノズル後縁端厚みＴＥに起因する損失を低減するべくノズル翼の枚数を削減したことによりノズル環状ピッチＴが拡大した段落や、他の翼長の段落においても、２次流れ損失および境界層発達を抑制できる湾曲ノズルの効果を得ることができる。
これにより、多段落で構成される軸流タービンの全段落にわたり、ノズル枚数削減による性能向上量を確保しつつ、環状ピッチＴの拡大により増大する２次流れ損失、翼長が高くなる後段においてレイノルズ数低下により増大する壁面境界層の発達およびそれによって助長される２次流れ損失を積極的に抑制することができる。
【００３０】
図２は、ノズル枚数削減による環状ピッチＴの拡大および翼長Ｈの変化に応じてδmaxを拡大した本実施形態のタービンノズルと、環状ピッチおよび翼長によらずδmaxが一定である従来のタービンノズルとにおける、エネルギー損失分布の比較を示している。
図２からも明らかなように、解析結果によれば、翼高さ中央部の損失は両方のタービンノズルにおいて良好であるが、壁面付近においては本実施形態のタービンノズルの方が性能的に上回っている。
【００３１】
以上、本発明に係るタービンノズルの一実施形態ついて説明したが、本発明は上述した実施形態によって限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、Ｓ／Ｔ分布を翼高さ方向に変化させたことを特徴とするノズル翼や、他の三次元形状を特徴とするノズルにおいても、同様の手法で湾曲ノズルの周方向突出最大値δmaxを決定することにより、２次流れ損失の低減および壁面境界層の発達抑制効果を期待することができる。
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端とそのノズル翼に隣接するノズル翼の背面との間の最短距離Ｓとノズル翼の環状ピッチＴの比Ｓ／Ｔの値が、翼高さ中央部で最大になるように形成することができる。
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼断面の翼弦長が翼先端位置で最大、翼根元位置で最小になるように形成することができる。
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端位置を翼根元部から翼先端部までの範囲で軸流方向に傾斜させることができる。
また、本発明のタービンノズルは、ノズル翼の後縁端位置を軸流方向に湾曲させることができる。
さらに、上述した本発明のタービンノズルをそれぞれ用いることにより軸流タービンを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のタービン翼におけるノズル湾曲形状を説明する図。
【図２】本発明による湾曲ノズルと従来ノズルのエネルギー損失分布を比較して示す図。
【図３】タービンノズルの構成を示す断面図。
【図４】ノズル翼後縁端厚み／スロート比（ＴＥ／Ｓ）と翼損失との関係を示した図。
【図５】ノズル枚数を削減した時のノズル断面の変化を示す断面図。
【図６】タービンノズル２次流れ渦発生の様子を示す図。
【図７】ノズル翼面背腹圧力差および環状ピッチと２次流れ損失の関係を示す図。
【図８】湾曲ノズル後縁線の形状を示す図。
【図９】ノズル枚数削減前後のエネルギー損失分布を比較する図。
【図１０】高圧タービン各段落の代表レイノルズ数と境界層厚さの関係を示す図。
【図１１】ノズル翼長変化前後のノズル出口翼高さ方向速度分布を比較する図。
【図１２】翼高さと壁面損失割合の関係を示す図。
【符号の説明】
【００３３】
１  ノズル翼
２  ノズル翼の根本側の壁面
３  ノズル翼の翼端側の壁面
４  流体が流れようとする力
５  ２次流れ渦
１１  ダイアフラム外輪
１２  ダイアフラム内輪
１３  環状流路
１４，１５，１６  ノズル翼
【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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