(57)【要約】【課題】ノズル、動翼根元側の反動度の低下を抑制し、それに伴うタービン効率の低下を抑制しながらタービンの翼長増加を実現できる蒸気タービンのノズル、蒸気タービンの最終段落構造を提供することとする。【解決手段】タービンロータ８と、該タービンロータ８に固定された動翼１と、該動翼１の外周側先端部に設けられたシュラウド３と、前記タービンロータ８を内包し、蒸気流路の外周側流路壁を形成する外周側静止壁４とを有する蒸気タービンにおいて、ノズル２は翼長位置の少なくとも２０％以上の位置でノズル出口角を最小とし、この最小部より翼根元にかけて出口角を単調に増加するように形成する。【選択図】  図２
2011074804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンのノズルにおいて、
前記ノズルをその高さ方向に、動翼の回転方向と逆方向に傾けて形成するとともに、前記ノズルの出口角を翼高さの少なくとも２０％以上の位置で最小とし、該最小部より翼根元にかけて前記出口角を単調増加するように形成したことを特徴とする蒸気タービンのノズル。
【請求項２】
請求項１に記載の蒸気タービンのノズルにおいて、
前記ノズルの根元側の半径を流路下流に向かって減少するように構成したことを特徴とする蒸気タービンのノズル。
【請求項３】
請求項１に記載の蒸気タービンのノズルにおいて、
ノズル出口角の最小部より翼長が大きい位置での出口角分布が、ノズル出口半径とノズル出口流速の周方向成分の積が高さ方向で一定となるように形成することを特徴とする蒸気タービンノズル。
【請求項４】
請求項１に記載の蒸気タービンのノズルにおいて、
ノズル出口角の最小部より翼長が大きい位置での出口角分布が、単位流路面積あたりの流量が等しくなるように形成されていることを特徴とする蒸気タービンのノズル。
【請求項５】
一方が外周側静止壁、他方が内周側静止壁に支持され、ロータの周方向に複数配置されたノズルと、該ノズルの後流側であって、ロータの周方向に複数配置された動翼によって構成される低圧タービンの最終段落構造において、
前記ノズルをその高さ方向に、動翼の回転方向と逆方向に傾けて形成するとともに、前記ノズルの出口角を翼高さの少なくとも２０％以上の位置で最小とし、該最小部より翼根元にかけて前記出口角を単調増加するように形成したことを特徴とする蒸気タービンの最終段落構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンのノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンは、動翼とノズルで構成される段落をタービンロータの軸方向に複数段有しており、その下流の排気室が設置されている。このような蒸気タービンにおいて、蒸気は、絞り流路となっているノズルで加速し運動エネルギーを増し、動翼では運動エネルギーを回転エネルギーに変換することにより動力を発生させている。蒸気は徐々に圧力を下げながら下流段に導出されるが、最終段近くの低圧段では体積の膨張が大きく、流路が径方向に顕著に拡大している。
【０００３】
また、低圧段のノズルは、流れを根元側に向けるために、ノズル全体が高さ方向に、動翼の回転方向と逆方向に傾いている。さらに、ノズル根元の流路内周壁は壁径が小さくなる方向に絞られており、流れを動翼根元方向にむける効果を有している。
【０００４】
このような蒸気タービン低圧段において、タービン翼長を増加させると、流路面積が大きくなり、蒸気の運動エネルギーが減少するため、発電に利用されずに排気される運動エネルギーが減少し、タービン効率が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平１−６１４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
蒸気タービン低圧段において、タービンの翼長増加により、タービン流路の外周側の広がり角（以下、フレア角）が大きくなる。フレア角が大きくなるとノズル出口で径方向の速度成分が増加し、動翼の遠心仕事により径方向成分は増幅され、回転軸を含む平面に射影した二次元流路の根元側等流量線の間隔が広くなる。その結果、ノズルに対して、動翼における当該領域の実質的な流路面積が増加するため、段落での圧力低下量に対する、動翼での圧力低下量の比として概ね表される反動度が低下する。反動度には効率を最大にする最適値が存在し、タービン翼は効率が最大になる反動度で設計されているため、反動度が低下すると、効率低下が問題となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、ノズル，動翼根元側の反動度の低下を抑制し、それに伴うタービン効率の低下を抑制しながらタービンの翼長増加を実現できる蒸気タービンの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】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の蒸気タービンのノズルは、その高さ方向に、動翼の回転方向と逆方向に傾けて形成するとともに、前記ノズルの出口角を翼高さの少なくとも２０％以上の位置で最小とし、該最小部より翼根元にかけて前記出口角を単調増加するように形成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ノズル，動翼根元側の反動度の低下を抑制し、それに伴うタービン効率の低下を抑制しながらタービンの翼長増加を実現できる蒸気タービンのノズルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る蒸気タービンの最終段落の要部の断面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る蒸気タービンの最終段落ノズルの出口角分布である。
【図３】ノズル断面におけるノズル出口角の説明図である。
【図４】出口角が最小となる翼長位置と反動度の関係である。
【図５】本発明の第一の実施形態に係る蒸気タービンの静効率分布である。
【図６】本発明の第二の実施形態に係る蒸気タービンの最終段落の要部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態について、適宜、図を参照して詳細に説明する。なお、各図面を通し、同等の構成要素には同一の符号を付してある。
【００１２】
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、側面から見た低圧タービンの最終段落の要部の構造を示す図である。ノズル２と動翼１とが対をなしてタービン最終段落を構成している。ノズル２の外周端は外周側静止壁４により支持されており、内周端は内周側静止壁６によって支持されている。ノズル２は周方向に複数枚設けられている。
【００１３】
一方、動翼１はタービンロータ８に周方向に複数枚固定されており、動翼１の外周側先端には、ロータ周方向に複数設置された動翼間を連結するシュラウド３が設けられている。このシュラウド３は複数の動翼をまとめて、一つの部材で固定するタイプや各翼に翼間ピッチのカバーが配設され、回転による翼の捩れで周方向に密着するタイプがある。本実施例で用いるシュラウド３はこの何れのタイプでも良い。
【００１４】
図１の矢印２０は、外周側静止壁の内周面２２と内周側静止壁の外周面２１との間に形成される蒸気流路における、蒸気の流れ方向を示す。以下、蒸気の流れ方向下流側を単に下流側といい、蒸気の流れ方向上流側を単に上流側という。
【００１５】
動翼１を出た蒸気は外周側静止壁４とベアリングコーン９にガイドされ、流れ方向を軸方向から径方向に転向しつつ減速し、減速分のエネルギーは圧力に変換されて圧力を回復し、その後排気室に導かれる。排気室に導かれた蒸気は、その後、排気室に連通する復水器（図示せず）へと導入される。
【００１６】
シュラウド３と対向する外周側静止壁４にはシールフィン５が設けられており、外周側静止壁４とシュラウド３と間の間隙を狭め、動翼１を迂回する蒸気流の漏れを抑制している。
【００１７】
ロータ８と対向する内周側静止壁６にはシールフィン７が設けられており、内周側静止壁６とロータ８との間隙を狭め、ノズル２を迂回する蒸気流の漏れを抑制している。
【００１８】
最終段落を構成する外周側静止壁４の内周面２２がタービン中心軸３０となす角度をチップ側フレア角とよぶ。
【００１９】
次にノズル２の構造について説明する。ノズル２は、全体が高さ方向に向かって、動翼の回転方向と逆方向に傾いている。さらに、ノズル根元の流路内周壁は壁径が小さくなる方向に絞られている。
【００２０】
ノズルの出口角を図２に示す。点線は従来設計によるノズル出口角分布である。フリーボルテクス理論に基づき、ノズル出口半径とノズル出口流速の周方向成分の積が高さ方向で一定となるように出口角を決めている。一方、実線は本発明のノズル出口角分布を示す。出口角最小位置は、翼の根元から先端方向に見た翼長位置の少なくとも２０％以上に位置することを特徴とする。出口角最小位置より翼長位置が小さい位置では、根元に向かって出口角が単調に増加している。出口角最小位置より翼長位置が大きい位置では、従来設計よりも出口角が小さいフリーボルテクス分布となっており、根元側の出口角分布が滑らかに漸近している。
【００２１】
本実施例の作用効果について説明する。はじめに、ノズル根元の出口角を大きくすることにより、反動度が上昇する原理について述べる。図３にノズルの一断面を示す。ノズル出口からノズル背側への距離、すなわち最小流路幅をｓ、ノズル後縁間の流路幅をｔとすると周方向基準の出口角αは、α＝sin−１（ｓ／ｔ）となる。ｔは翼枚数と半径位置によって決まる。よって、出口角の増加はノズル出口の最小流路幅ｓを大きくすることに等しい。よって、動翼形状が不変であれば、ノズル内の流動抵抗が小さくなり、ノズル前後での圧力差が小さくなるため、反動度が上昇する。
【００２２】
次に、翼長方向の出口角分布について述べる。高圧タービンではノズル根元の二次流れに支配される領域でノズル出口角を大きくすることで動翼への流入角度を改善し、効率向上を図るという公知の技術がある（特開昭５６−１４３３０３号公報）。しかしながら、翼長の長い低圧タービンの根元反動度上昇には、根元付近でのノズル出口角増加では効果が少ない。図４に出口角最小の翼長位置と反動度の関係を調べた解析結果を示す。出口角最小の翼長位置が２０％以下では反動度上昇の効果はほとんどみられない。反動度の上昇が明確になるのは翼長位置２０％以上の場合である。フレア角大により低下した反動度が設計値となるように、出口角最小位置を翼長位置２０％以上の位置に配置する。
【００２３】
図５に翼長増加時のノズル出口角修正の有無による静効率の比較を示す。ノズル出口角修正後の形状では、反動度が上昇した根元側で静効率が改善される。
【００２４】
なお、従来設計として、単位断面積あたりの流量が一定となるようにノズル出口角を決める場合にも、フリーボルテクス設計と同様にノズル出口角は高さ方向に単調増加となり、根元側のノズル出口角を増加させれば、本発明と同等の効果が得られる。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図６は、側面から見た低圧タービンの最終段落の要部の構造を示す図である。なお、第１の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。本実施例が第１の実施例と相違する点は、ノズル根元の内周側静止壁の外周面２１がタービン軸３０と平行な点である。このようなケースにおいても、実施例１と同等の効果が得られる。
【符号の説明】
【００２６】
１  動翼
２  ノズル
３  シュラウド
４  外周側静止壁
５，７  シールフィン
６  内周側静止壁
８  ロータ
９  ベアリングコーン
２０  蒸気の流れ方向
２１  内周側静止壁の外周面
２２  外周側静止壁の内周面
３０  タービン中心軸
【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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