(57)【要約】【課題】部分送入段落の下流における、蒸気流量の周方向の不均一性を緩和し、ノズルやタービン動翼に生じる損失を低減し、タービン性能を向上させることができる軸流タービンのノズル翼列および軸流タービンを提供することを目的とする。【解決手段】蒸気タービン１０のノズル翼列は、周方向に作動流体の送入部３１と非送入部３０とを有して作動流体を部分送入する部分送入段ノズル翼列２０ａと、部分送入段ノズル翼列２０ａの下流側に配置された下流段落のノズル翼列を備える。下流段落のノズル翼列を構成するノズルの入口における半径方向の高さであるノズル入口高さＨ１は、送入部３１の下流側に位置するノズル１６ｂ２よりも非送入部３０の下流側に位置するノズル１６ｂ１の方が高い。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有して作動流体を部分送入する部分送入段ノズル翼列と、前記部分送入段ノズル翼列の下流側に配置された少なくとも１つの下流段ノズル翼列を備える軸流タービンのノズル翼列において、
前記下流段落ノズル翼列を構成するノズルの入口における半径方向のノズル入口高さが、前記送入部の下流側に位置するノズルよりも前記非送入部の下流側に位置するノズルにて高いことを特徴とする軸流タービンのノズル翼列。
【請求項２】
前記ノズル入口高さが高く構成されたノズルにおいて、当該ノズルの出口における半径方向のノズル出口高さが、当該ノズルの前記ノズル入口高さよりも低いことを特徴とする請求項１記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項３】
前記ノズル入口高さが高く構成された広口部が前記下流段落ノズル翼列の全周方向に占める割合が、前記非送入部が前記部分送入段ノズル翼列の全周方向に占める割合以下であることを特徴とする請求項１または２記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項４】
前記ノズル入口高さが高く構成された広口部が前記下流段落ノズル翼列の全周方向に占める割合が、下流に位置する前記下流段落ノズル翼列ほど小さくなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項５】
前記ノズル入口高さが高く構成された広口部において、前記広口部の周方向の中央における前記ノズル入口高さが最も高く、前記広口部の周方向の中央から離れるに伴って前記ノズル入口高さが低くなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項６】
前記ノズル入口高さが高く構成された広口部を構成するノズルの前縁形状は、前記広口部以外を構成するノズルの前縁形状よりも鈍頭であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項７】
前記ノズルの前縁においてキャンバーラインに接する接線がタービンロータの中心軸に平行な直線に対して前記タービンロータの回転方向と反対となる方向に傾く角度が、前記ノズル入口高さが高く構成された広口部を構成するノズルにて、前記広口部以外を構成するノズルよりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項８】
周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有して作動流体を部分送入する部分送入段ノズル翼列と、前記部分送入段ノズル翼列の下流側に配置された少なくとも１つの下流段ノズル翼列を備える軸流タービンのノズル翼列において、
前記下流段落ノズル翼列における隣接するノズル間の周方向のノズルピッチが、前記送入部の下流側に位置するノズルよりも前記非送入部の下流側に位置するノズルにて広いことを特徴とする軸流タービンのノズル翼列。
【請求項９】
前記ノズルピッチが広く構成された広ピッチ部が前記下流段落ノズル翼列の全周方向に占める割合が、前記非送入部が前記部分送入段ノズル翼列の全周方向に占める割合以下であることを特徴とする請求項８記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項１０】
前記ノズルピッチが広く構成された広ピッチ部が前記下流段落ノズル翼列の全周方向に占める割合が、下流に位置する前記下流段落ノズル翼列ほど小さくなることを特徴とする請求項８または９記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項１１】
前記ノズルピッチが広く構成された広ピッチ部において、前記広ピッチ部の周方向の中央における前記ノズルピッチが最も広く、前記広ピッチ部の周方向の中央から離れるに伴って前記ノズルピッチが狭くなることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項１２】
前記ノズルピッチが広く構成された広ピッチ部を構成するノズルの前縁形状は、前記広ピッチ部以外を構成するノズルの前縁形状よりも鈍頭であることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項１３】
前記ノズルの前縁においてキャンバーラインに接する接線がタービンロータの中心軸に平行な直線に対して前記タービンロータの回転方向と反対となる方向に傾く角度が、前記ノズルピッチが広く構成された広ピッチ部を構成するノズルにて、前記広ピッチ部以外を構成するノズルよりも大きく形成されていることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか１項記載の軸流タービンのノズル翼列。
【請求項１４】
周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有して作動流体を部分送入する部分送入段ノズル翼列と、前記部分送入段ノズル翼列の下流側に配置された少なくとも１つの下流段ノズル翼列と有するノズル翼列を備える軸流タービンにおいて、
前記ノズル翼列が、請求項１乃至１３のいずれか１項記載の軸流タービンのノズル翼列であ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、蒸気タービンなどの軸流タービンに設置されるノズル翼列およびこのノズル翼列を備えた軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンの高効率化は、発電プラントの運転経済性を改善するとともに、環境負荷を低減することから、近年重要な課題となっている。
【０００３】
タービン効率の向上には、タービンの段落における損失を低減する必要がある。タービンの段落における損失には、ノズルやタービン動翼に流入する蒸気が最適な流入角から外れることで生じるインシデンス損失や、蒸気流路の壁面近傍に発生する二次損失などがある。特に、調速段のような部分送入段落の下流では、蒸気が流れる送入部と蒸気が流れない非送入部が周方向に存在するため、蒸気流量が周方向に不均一となる。このような不均一を生じる場合、非送入部の下流では、ノズルやタービン動翼に流入する蒸気が最適な流入角から外れ、インシデンス損失を生じて、タービン効率を大きく低下させる。
【０００４】
ここで、部分送入段落の下流においてインシデンス損失が発生する機構について、図１７〜図２０を参照して説明する。
【０００５】
図１７は、従来の軸流タービンである蒸気タービンの、タービンロータ３０４の中心線を含む断面（子午断面）を示す図である。図１８は、タービンロータ３０４の中心軸方向に入口側から見たときの、部分送入段落３１０の部分送入段ノズル翼列における送入部３２０および非送入部３２１を模式的に示した図である。図１９は、部分送入段落３１０およびその下流段落における蒸気の流れを模式的に示した図である。図２０は、従来の蒸気タービンにおける部分送入段落３１０通過後の蒸気流量の周方向分布を示す図である。なお、図１９は、部分送入段落３１０およびその下流段落の周方向断面を平面上に展開した周方向断面展開模式図である。
【０００６】
図１７において、蒸気入口管３００を経て、ノズルボックス３０１内に流入した蒸気は、部分送入段落３１０を構成する、ノズル３０２ａ（第１段ノズル）およびタービン動翼３０３ａ（第１段タービン動翼）へ流入し、膨張仕事を行う。この部分送入段落３１０を通過した蒸気は、部分送入段落３１０の下流の第２段落３１１を構成するノズル３０２ｂおよびタービン動翼３０３ｂへ流入し、膨張仕事を行い、タービンロータ３０４を回転させる。
【０００７】
部分送入段落３１０の部分送入段ノズル翼列において、図１８に示すように、周方向に、蒸気が送入される送入部３２０と、蒸気が送入されない非送入部３２１とが構成される。ここでは、部分送入段ノズル翼列の１／４程度を非送入部３２１とし、送入部３２０と非送入部３２１とが２つに区分された一例を示しているが、ノズルボックス３０１に蒸気を供給する蒸気入口管３００の数や、蒸気の流入が遮断される蒸気入口管３００によっても、送入部３２０および非送入部３２１の周方向の位置は変化する。例えば、部分送入段ノズル翼列が周方向に３つ以上の区画に区切られ、それぞれの区画が送入部３２０あるいは非送入部３２１に区分されることもある。
【０００８】
また、図１９に示すように、部分送入段落３１０において、送入部３２０の下流側に比べて非送入部３２１の下流側では、タービン動翼３０３ａを通過する蒸気流量が少ないため、タービン動翼３０３ａの出口の相対流出速度が低下し、第２段落３１１のノズル３０２ｂへ流入する流入角度が変化する。そのため、第２段落３１１のノズル３０２ｂにおいて、インシデンス損失が生じる。
【０００９】
また、部分送入段落３１０のタービン動翼３０３ａを通過した蒸気は、周方向に拡散しながら第２段落３１１に向かうが、図２０に示すように、非送入部３２１の下流において、蒸気流量が少なくなる。そのため、第２段落３１１において、非送入部３２１の下流側に位置するノズル３０２ｂから流出した蒸気は、送入部３２０の下流側に位置するノズル３０２ｂから流出した蒸気と比べて、タービン動翼３０３ｂに流入する相対的な流入角度が変化する。また、この流入角度の変化により、非送入部３２１の下流側に位置するタービン動翼３０３ｂにおいてインシデンス損失を生じ、タービン効率を低下させている。
【００１０】
このような部分送入段落の下流の段落で生じる損失を低減するために、部分送入段落の下流の段落において、非送入部の下流にあるノズルの上流側に案内羽根を設けて、ノズルで発生するインシデンス損失を低減させる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、部分送入段落とこの下流の段落におけるノズルの間のキャビティにおいて、送入部の下流の蒸気の一部をキャビティ内に流入させて渦を発生し、この渦により非送入部の下流のキャビティにおいて流体を噴出させることで、流量の周方向の不均一性を低減する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。また、この従来の技術において、送入部の下流におけるノズルの入口側の内周壁に、半径方向の外側に膨出する部分を設ける構成も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３６８６２３３号公報
【特許文献２】特開２００３−２５４００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記した従来の、非送入部の下流にあるノズルの上流側に案内羽根を設ける技術では、流量の周方向の不均一性は緩和されず、部分送入段落の下流の段落におけるインシデンス損失を低減することができない。また、案内羽根を通過する際、案内羽根が抵抗となって損失を生じるため、改善効果は小さい。
【００１３】
また、上記した従来の、部分送入段落とこの下流の段落におけるノズルの間のキャビティにおいて、送入部の下流の蒸気の一部をキャビティ内に流入させて渦を発生させる技術では、送入部の下流側の流体の有する運動エネルギの多くが、キャビティ内を通過することで失われ、大きな損失を生じる。また、この従来の技術において、送入部の下流におけるノズルの入口側の内周壁に膨出部分を設ける場合、ノズルの入口側が狭くなり、ノズルの入口側の負荷が増加して二次損失が増加し、段落効率が低下する。
【００１４】
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、部分送入段落の下流における、蒸気流量の周方向の不均一性を緩和し、ノズルやタービン動翼に生じる損失を低減し、タービン性能を向上させることができる軸流タービンのノズル翼列および軸流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】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有して作動流体を部分送入する部分送入段ノズル翼列と、前記部分送入段ノズル翼列の下流側に配置された少なくとも１つの下流段ノズル翼列を備える軸流タービンのノズル翼列において、前記下流段落ノズル翼列を構成するノズルの入口における半径方向のノズル入口高さが、前記送入部の下流側に位置するノズルよりも前記非送入部の下流側に位置するノズルにて高いことを特徴とする軸流タービンのノズル翼列が提供される。
【００１６】
また、本発明の一態様によれば、周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有して作動流体を部分送入する部分送入段ノズル翼列と、前記部分送入段ノズル翼列の下流側に配置された少なくとも１つの下流段ノズル翼列を備える軸流タービンのノズル翼列において、前記下流段落ノズル翼列における隣接するノズル間の周方向のノズルピッチが、前記送入部の下流側に位置するノズルよりも前記非送入部の下流側に位置するノズルにて広いことを特徴とする軸流タービンのノズル翼列が提供される。
【００１７】
さらに、本発明の一態様によれば、周方向に作動流体の送入部と非送入部とを有して作動流体を部分送入する部分送入段ノズル翼列と、前記部分送入段ノズル翼列の下流側に配置された少なくとも１つの下流段ノズル翼列と有するノズル翼列を備える軸流タービンにおいて、前記ノズル翼列が、上記したいずれかの軸流タービンのノズル翼列であることを特徴とする軸流タービンが提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の軸流タービンのノズル翼列および軸流タービンによれば、部分送入段落の下流における、蒸気流量の周方向の不均一性を緩和し、ノズルやタービン動翼に生じる損失を低減し、タービン性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態のノズル翼列を備えた蒸気タービンの、タービンロータの中心線を含む断面（子午断面）を示す図である。
【図２】タービンロータの中心軸方向に入口側から見たときの、部分送入段落（第１段落）の部分送入段ノズル翼列における非送入部および送入部を模式的に示した図である。
【図３】タービンロータの中心軸方向に入口側から見たときの、部分送入段落の直下流段落（第２段落）のノズル翼列を模式的に示した図である。
【図４】広口部を構成するノズルにおいて、広口部の周方向のノズル入口高さの一例を示す図である。
【図５】部分送入段落の直下流段落（第２段落）を構成する、従来のノズル形状を備えるノズル翼列および本発明に係る広口部を備えるノズル翼列の下流における蒸気流量の周方向の分布を示す図である。
【図６】タービンロータの軸方向における、広口部を構成するノズルの断面を示す図である。
【図７】タービンロータの軸方向における、広口部を構成するノズルの断面を示す図である。
【図８】タービンロータの軸方向における、広口部を構成するノズルの断面を示す図である。
【図９】広口部を構成するノズルにおいて、ノズル出口高さをノズル入口高さよりも低く構成した場合（本発明）、および従来のノズル翼列のように、ノズル出口高さをノズル入口高さと等しく構成した場合（従来）における、ノズルの翼根元部から翼先端部に亘るエネルギ損失を示す図である。
【図１０】従来のノズル翼列の下流における周方向の蒸気流量分布を示す図である。
【図１１Ａ】タービンロータの中心軸方向に入口側から見たときの、第２段落のノズル翼列における広口部が形成される領域を模式的に示した図である。
【図１１Ｂ】タービンロータの中心軸方向に入口側から見たときの、第３段落のノズル翼列における広口部が形成される領域を模式的に示した図である。
【図１２】広口部を構成するノズルおよび広口部以外を構成するノズルの周方向断面を示す図である。
【図１３】前縁部の曲率を大きく形成したノズル（鈍頭ノズル）、および前縁部の曲率をこの鈍頭ノズルよりも小さく形成したノズル（従来ノズル）における蒸気の流入角度とエネルギ損失との関係を示す図である。
【図１４】広口部を構成するノズルおよび広口部以外を構成するノズルの周方向断面を平面上に展開した周方向断面展開模式図である。
【図１５】本発明に係る第２の実施の形態の、部分送入段落（第１段落）の下流段落のノズル翼列を構成するノズルの周方向断面を平面上に展開した周方向断面展開模式図である。
【図１６】広ピッチ部の周方向のピッチの一例を示す図である。
【図１７】従来の蒸気タービンの、タービンロータの中心線を含む断面（子午断面）を示す図である。
【図１８】タービンロータの中心軸方向に入口側から見たときの、部分送入段落の部分送入段ノズル翼列における送入部および非送入部を模式的に示した図である。
【図１９】部分送入段落およびその下流段落における蒸気の流れを模式的に示した図である。
【図２０】従来の蒸気タービンにおける部分送入段落通過後の蒸気流量の周方向分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態のノズル翼列を備えた蒸気タービン１０の、タービンロータ１４の中心線を含む断面（子午断面）を示す図である。図２は、タービンロータ１４の中心軸方向に入口側から見たときの、部分送入段落２０（第１段落）の部分送入段ノズル翼列２０ａにおける非送入部３０および送入部３１を模式的に示した図である。
【００２２】
図１に示すように、軸流タービンである蒸気タービン１０は、例えば、内部ケーシング１１とその外側に設けられた外部ケーシング１２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１１内に、タービン動翼１３ａ〜１３ｇが植設されたタービンロータ１４が貫設されている。また、内部ケーシング１１の内側面には、ダイヤフラム外輪１５が設置され、そのダイヤフラム外輪１５よって、後述する部分送入段落２０の下流段落の下流段落ノズル翼列を構成するノズル１６ｂ〜１６ｇの外周が支持されている。また、ノズル１６ｂ〜１６ｇの内周は、ダイヤフラム内輪１７よって支持されている。
【００２３】
さらに、蒸気タービン１０には、蒸気入口管１８が、外部ケーシング１２および内部ケーシング１１を貫通して設けられ、さらに蒸気入口管１８の端部が、ノズルボックス１９に連通して接続されている。このノズルボックス１９の出口において、部分送入段落２０を構成する部分送入段ノズル翼列のノズル１６ａ（第１段ノズル）を支持している。また、このノズル１６ａの直下流側には、部分送入段落２０を構成するタービン動翼１３ａが配置されている。
【００２４】
このような構成を備える蒸気タービン１０において、蒸気入口管１８を経て、ノズルボックス１９内に流入した蒸気は、部分送入段落２０を構成する、ノズル１６ａおよびタービン動翼１３ａへ流入し、膨張仕事を行い、タービンロータ１４を回転させる。ここで、蒸気が部分送入段ノズル翼列２０ａに流入する際、図２に示すように、蒸気が送入される送入部３１と、ほとんど蒸気が送入されない非送入部３０とが構成される。
【００２５】
部分送入段落２０を通過した蒸気は、部分送入段落２０の下流の第２段落を構成するノズル１６ｂおよびタービン動翼１３ｂへ流入し、さらに下流側の段落へ流入し、膨張仕事を行い、タービンロータ１４を回転させる。また、膨張仕事をした蒸気は、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。
【００２６】
なお、ここでは、部分送入段ノズル翼列２０ａの１／４程度を非送入部３０とし、非送入部３０と送入部３１とが２つに区分された一例を示しているが、ノズルボックス１９に蒸気を供給する蒸気入口管１８の数や、蒸気の流入が遮断される蒸気入口管１８によっても、非送入部３０および送入部３１の周方向の位置は変化する。例えば、非送入部３０と送入部３１とが３つ以上に区分されることもある。
【００２７】
次に、部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の構成について説明する。なお、以下において、部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列として、主に、部分送入段落２０の直下流段落（第２段落）のノズル翼列を例示して説明するが、第２段落よりも下流の段落におけるノズル翼列においても同様の構成を備える。
【００２８】
図３は、タービンロータ１４の中心軸方向に入口側から見たときの、部分送入段落２０の直下流段落（第２段落）のノズル翼列を模式的に示した図である。
【００２９】
図３において、タービンロータ１４の中心軸Ｏからノズル１６ｂの入口の内周面４０（ノズル１６ｂの入口のダイヤフラム内輪１７の外周面）までの距離を距離Ｒ１、タービンロータ１４の中心軸Ｏからノズル１６ｂの入口の外周面４１（ノズル１６ｂの入口のダイヤフラム外輪１５の内周面）までの距離を距離Ｒ２としている。また、距離Ｒ２から距離Ｒ１を減じたものを、ノズル１６ｂの入口における半径方向の高さであるノズル入口高さＨ１としている。なお、ノズル１６ｂのうち、後述する広口部５０を構成するノズルをノズル１６ｂ１と示し、広口部５０を構成しないノズルをノズル１６ｂ２と示す。
【００３０】
図３に示すように、部分送入段落２０の非送入部３０の下流側に位置するノズル１６ｂ１のノズル入口高さＨ１は、部分送入段落２０の送入部３１の下流側に位置するノズル１６ｂ２のノズル入口高さＨ１よりも高く構成されている。ここで、このノズル入口高さＨ１が高く構成された領域を広口部５０と称する。
【００３１】
この広口部５０は、その上流段落の非送入部３０の位置に対応した位置に形成される。また、作動流体は、タービンロータ１４を中心として周方向に旋回しながら下流方向へ流れる。そのため、広口部５０の位置は、下流の段落に行くに伴って、蒸気の流れに対応して周方向に移動していく。
【００３２】
このように、非送入部３０の下流側に位置するノズルのノズル入口高さＨ１を増加して、蒸気の流入を促進することで、広口部５０に流入する蒸気流量が増加する。そのため、非送入部３０の下流側における蒸気流量が増加し、蒸気流量の周方向の不均一性を緩和することができる。
【００３３】
図４は、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１において、広口部５０の周方向のノズル入口高さＨ１の一例を示す図である。
【００３４】
図４に示すように、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１において、広口部５０の周方向の中央におけるノズル入口高さＨ１が最も高く、広口部５０の周方向の中央から離れるに伴ってノズル入口高さＨ１が徐々に低くなるように構成することが好ましい。このように構成することで、広口部５０の中でも最も蒸気が流入し難い位置である、広口部５０の周方向の中央に、蒸気が流入しやすくなる。
【００３５】
図５は、部分送入段落２０の直下流段落（第２段落）を構成する、従来のノズル形状を備えるノズル翼列および本発明に係る広口部５０を備えるノズル翼列の下流における蒸気流量の周方向の分布を示す図である。
【００３６】
図５に示すように、本発明に係る広口部５０を備えるノズル翼列では、非送入部３０の下流であっても、送入部３１の下流とほぼ同程度の蒸気流量の分布を示している。そのため、上記したように、本発明に係る広口部５０を備えるノズル翼列の下流において、蒸気流量の周方向の不均一性を緩和できることがわかる。
【００３７】
ここで、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１について説明する。
【００３８】
図６〜図８は、タービンロータの軸方向における、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１の断面を示す図である。
【００３９】
図６は、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１における、タービンロータ１４の中心軸Ｏからノズル１６ｂ１の入口の内周面４０（ノズル１６ｂ１の入口のダイヤフラム内輪１７の外周面）までの距離Ｒ１は、広口部５０を構成しないノズル１６ｂ２における距離Ｒ１と等しく構成されている。一方、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１における、タービンロータ１４の中心軸Ｏからノズル１６ｂ１の入口の外周面４１（ノズル１６ｂ１の入口のダイヤフラム外輪１５の内周面）までの距離Ｒ２は、広口部５０を構成しないノズル１６ｂ２における距離Ｒ２よりも長く構成されている。
【００４０】
図７では、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１における距離Ｒ１は、広口部５０を構成しないノズル１６ｂ２における距離Ｒ１よりも短く構成されている。一方、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１における距離Ｒ２は、広口部５０を構成しないノズル１６ｂ２における距離Ｒ２と等しく構成されている。
【００４１】
図８では、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１における距離Ｒ１は、広口部５０を構成しないノズル１６ｂ２における距離Ｒ１よりも短く構成されている。一方、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１における距離Ｒ２は、広口部５０を構成しないノズル１６ｂ２における距離Ｒ２よりも長く構成されている。
【００４２】
これらのように広口部５０におけるノズル１６ｂ１を構成することで、広口部５０を構成しないノズル１６ｂ２よりもノズル入口高さＨ１を高く構成することができる。
【００４３】
なお、図６〜図８において、タービンロータ１４の中心軸Ｏからノズル１６ｂ１の出口の内周面４０（ノズル１６ｂ１の出口のダイヤフラム内輪１７の外周面）までの距離を距離Ｒ３、タービンロータ１４の中心軸Ｏからノズル１６ｂ１の出口の外周面４１（ノズル１６ｂ１の出口のダイヤフラム外輪１５の内周面）までの距離を距離Ｒ４としている。また、距離Ｒ４から距離Ｒ３を減じたものを、ノズル１６ｂ１の出口における半径方向の高さであるノズル出口高さＨ２としている。
【００４４】
図６〜図８に示した、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１では、ノズル出口高さＨ２は、ノズル入口高さＨ１よりも低く構成されることが好ましい。部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列では、部分送入段落２０に近いほどノズルの翼長が短くなり、二次損失が増加する。そのため、二次損失を低減する観点からは、ノズル出口高さＨ２をノズル入口高さＨ１よりも低く構成することが好ましい。
【００４５】
ここで、ノズル出口高さＨ２をノズル入口高さＨ１よりも低く構成することが好ましい理由をさらに詳しく説明する。
【００４６】
図９は、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１において、ノズル出口高さＨ２をノズル入口高さＨ１よりも低く構成した場合（本発明）、および従来のノズル翼列のように、ノズル出口高さＨ２をノズル入口高さＨ１と等しく構成した場合（従来）における、ノズルの翼根元部から翼先端部に亘るエネルギ損失を示す図である。なお、図９の横軸において、ノズルの翼根元部の位置が０％に相当し、ノズルの翼先端部の位置が１００％に相当する。
【００４７】
図９に示すように、ノズル出口高さＨ２をノズル入口高さＨ１よりも低く構成することでエネルギ損失が抑制されることがわかる。
【００４８】
次に、広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合について説明する。
【００４９】
広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合は、非送入部３０が部分送入段落２０の部分送入段ノズル翼列２０ａの全周方向に占める割合以下に構成されることが好ましい。
【００５０】
ここで、広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合とは、広口部５０の周方向の長さが、ノズル翼列の全周における長さに占める割合をいう。そのため、この広口部５０が全周方向に占める割合は、広口部５０が形成される、ノズル翼列の周方向の範囲を変更することで変化させることができる。
【００５１】
ここで、広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合を、上記したように構成することが好ましい理由を説明する。
【００５２】
図１０は、従来のノズル翼列の下流における周方向の蒸気流量分布を示す図である。ここでは、部分送入段落の部分送入段ノズル翼列の下流における周方向の蒸気流量分布、および部分送入段落の直下流に位置する第２段落のノズル翼列の下流における周方向の蒸気流量分布を示している。また、図１０の横軸において、非送入部の周方向の中心を０度としている。
【００５３】
図１０に示すように、部分送入段落の非送入部となるノズルの下流には、蒸気はほとんど流れない。一方、部分送入段落を通過した後は、蒸気が周方向に拡散するため、第２段落のノズル翼列の下流では、非送入部の下流において蒸気流量は少ないものの、蒸気流量の周方向分布が均一化する。また、蒸気流量の少ない領域の幅は、非送入部の中心側に狭まっている。
【００５４】
そのため、広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合が、非送入部３０が部分送入段落２０の部分送入段ノズル翼列２０ａの全周方向に占める割合以下にとなるように構成されても、蒸気流量の周方向分布の均一化を図ることができる。また、広口部５０が形成される領域の割合を減少することで、広口部５０の周方向の中心のような、送入流量の少ない領域に効果的に蒸気を送入することができる。
【００５５】
次に、広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合の、下流方向への変化について説明する。
【００５６】
広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合は、下流に位置する下流段落のノズル翼列ほど小さくなることが好ましい。
【００５７】
ここで、広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合とは、例えば、広口部５０の周方向の長さが、ノズル翼列の全周における長さに占める割合、広口部５０の面積が、ノズル翼列の全周に亘る面積に占める割合などをいう。そのため、この広口部５０が全周方向に占める割合は、例えば、広口部５０が形成される、ノズル翼列の周方向の範囲や、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１のノズル入口高さＨ１を変更することで変化させることができる。
【００５８】
ここで、広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合を、下流方向に、上記したように構成することが好ましい理由を説明する。
【００５９】
図１１Ａは、タービンロータ１４の中心軸方向に入口側から見たときの、第２段落のノズル翼列における広口部５０が形成される領域を模式的に示した図である。図１１Ｂは、タービンロータ１４の中心軸方向に入口側から見たときの、第３段落のノズル翼列における広口部５０が形成される領域を模式的に示した図である。
【００６０】
なお、第２段落の直上流側に位置する部分送入段落２０（第１段落）の部分送入段ノズル翼列２０ａにおける非送入部３０および送入部３１の構成は、図２に示した構成と同様である。また、非送入部３０は下流段落に行くとともに周方向に移動するため、広口部５０は、その非送入部３０の移動に対応した周方向の領域に形成される。
【００６１】
部分送入段落２０の下流段落における蒸気流量の周方向分布は、下流の段落ほど均一となる。ここで、ノズル入口高さＨ１が周方向全体に亘って、広口部５０を構成しないノズル１６ｂ２のノズル入口高さＨ１と同じであると仮定した場合の、ノズル入口における環状面積を面積Ａ１とし、広口部５０を設けた実際のノズル入口の環状面積を面積Ａ２とする。そして、面積Ａ２を面積Ａ１で除した値（面積Ａ２／面積Ａ１）を入口拡大率αとする。
【００６２】
上記したように、蒸気流量の周方向分布は、下流の段落ほど均一となるため、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、部分送入段落２０に近い段落ほど入口拡大率αが１よりも大きくなるように構成し、下流の段落ほど入口拡大率αが１に近づくように構成することで、各段落における周方向の蒸気流量の分布の均一化を図ることができる。すなわち、広口部５０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合を、下流に位置する下流段落のノズル翼列ほど小さくすることで、各段落における周方向の蒸気流量の分布の均一化を図ることができる。
【００６３】
次に、広口部５０を構成するノズルの形状について説明する。
【００６４】
図１２は、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１および広口部５０以外を構成するノズル１６ｂ２の周方向断面を示す図である。
【００６５】
図１２に示すように、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１は、広口部５０以外を構成するノズル１６ｂ２に比べて、前縁部の曲率が大きく形成されることが好ましい。換言すると、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１は、広口部５０以外を構成するノズル１６ｂ２よりも、鈍頭形状であることが好ましい。
【００６６】
ここで、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１の前縁部の曲率を大きく形成することが好ましい理由を説明する。
【００６７】
図１３は、前縁部の曲率を大きく形成したノズル（鈍頭ノズル）、および前縁部の曲率をこの鈍頭ノズルよりも小さく形成したノズル（従来ノズル）における蒸気の流入角度とエネルギ損失との関係を示す図である。なお、この蒸気の流入角度とエネルギ損失との関係は、数値流体解析によって得られた結果である。
【００６８】
図１３に示すように、従来ノズルの場合、エネルギ損失が最小となる流入角度から流入角度がずれると、エネルギ損失は急激に増加する。一方、鈍頭ノズルの場合、エネルギ損失が最小となる流入角度から流入角度がずれても、エネルギ損失の増加は小さく、エネルギ損失の急激な増加はない。そのため、エネルギ損失が最小となる最適な流入角度からずれた状態で蒸気が流入する、広口部５０（非送入部３０）におけるノズル１６ｂ１を鈍頭ノズルとすることが好ましい。このように、広口部５０におけるノズル１６ｂ１を鈍頭ノズルとすることで、エネルギ損失を低減することができる。
【００６９】
なお、広口部５０のノズル１６ｂ１におけるエネルギ損失の低減方法は、この方法に限られるものではない。図１４は、広口部５０のノズル１６ｂ１におけるエネルギ損失の他の低減方法を説明するための図であり、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１および広口部５０以外を構成するノズル１６ｂ２の周方向断面を平面上に展開した周方向断面展開模式図である。
【００７０】
図１４に示すように、ノズルの前縁においてキャンバーラインＬに接する接線Ｍの、タービンロータの中心軸に平行な直線Ｎに対する、タービンロータの回転方向と反対となる方向の傾き角度θが、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１の方が広口部５０以外を構成するノズル１６ｂ２よりも大きくなるように、広口部５０のノズル１６ｂ１を構成することが好ましい。
【００７１】
また、傾き角度θは、各ノズルに流入する蒸気の流入角度に応じて設定されることが好ましい。ここでは、広口部５０以外を構成するノズル１６ｂ２には、タービンロータの中心軸にほぼ平行に蒸気が流入することを想定しているため、傾き角度θは０となるようにノズル１６ｂ２を構成している。また、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１において、各ノズル１６ｂ１が配置された周方向位置に応じて、すなわち、各ノズル１６ｂ１に流入する蒸気の流入角度に応じて、傾き角度θを設定することが好ましい。
【００７２】
このように、広口部５０を構成するノズル１６ｂ１の前縁側を、タービンロータの回転方向と反対となる方向に、流入する蒸気の流入角度に応じて傾けて構成することで、広口部５０のノズルにおけるエネルギ損失を低減することができる。
【００７３】
（第２の実施の形態）
図１５は、本発明に係る第２の実施の形態の、部分送入段落２０（第１段落）の下流段落のノズル翼列を構成するノズルの周方向断面を平面上に展開した周方向断面展開模式図である。なお、第１の実施の形態のノズル翼列と同一の構成部分には、同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
【００７４】
なお、第２の実施の形態の部分送入段落２０（第１段落）の下流段落のノズル翼列では、第１の実施の形態における広口部５０を備える代わりに、非送入部３０の下流側に位置するノズルのノズル間のピッチを広げた広ピッチ部６０を備えている。
【００７５】
図１５に示すように、部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列において、部分送入段落２０の非送入部３０の下流側に位置するノズル１６ｂ１におけるノズル間のピッチＰ１を、部分送入段落２０の送入部３１の下流側に位置するノズル１６ｂ２におけるノズル間のピッチＰ２よりも大きく構成している。このノズル間のピッチがピッチＰ１で構成れた部分を広ピッチ部６０と称する。なお、ここでは、隣接するノズルの前縁間の周方向長さをピッチとしている。
【００７６】
また、広ピッチ部６０は、その上流段落の非送入部３０の位置に対応した位置に形成されるため、下流の段落に行くに伴って、蒸気の流れに対応して広ピッチ部６０の位置は、周方向に移動していく。
【００７７】
また、図１６は、広ピッチ部６０の周方向のピッチＰ１の一例を示す図である。図１６に示すように、広ピッチ部６０において、広ピッチ部６０の周方向の中央におけるピッチＰ１が最も広く、広ピッチ部６０の周方向の中央から離れるに伴ってピッチＰ１が徐々に狭くなるように構成することが好ましい。この構成にすることで、広ピッチ部６０の中でも最も蒸気が流入し難い位置である、広ピッチ部６０の周方向の中央に、蒸気が流入しやすくなる。
【００７８】
このように、非送入部３０の下流側に位置するノズル間のピッチを広くして、蒸気の流入を促進することで、広ピッチ部６０に流入する蒸気流量が増加する。そのため、非送入部３０の下流側における蒸気流量が増加し、蒸気流量の周方向の不均一性を緩和することができる。
【００７９】
また、広ピッチ部６０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合は、非送入部３０が部分送入段落２０の部分送入段ノズル翼列２０ａ全周方向に占める割合以下に構成されることが好ましい。
【００８０】
ここで、広ピッチ部６０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合とは、広ピッチ部６０の周方向の長さが、ノズル翼列の全周における長さに占める割合をいう。そのため、この広ピッチ部６０が全周方向に占める割合は、広ピッチ部６０が形成される、ノズル翼列の周方向の範囲を変更することで変化させることができる。
【００８１】
ここで、広ピッチ部６０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合を、上記したように構成することが好ましい理由は、第１の実施の形態において図１０を示して説明した理由と同じである。このような構成にすることで、広ピッチ部６０の周方向の中心のような、送入流量の少ない領域に効果的に蒸気を送入し、蒸気流量の周方向の不均一性を緩和することができる。
【００８２】
また、広ピッチ部６０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合は、下流に位置する下流段落のノズル翼列ほど小さくなることが好ましい。
【００８３】
ここで、広ピッチ部６０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合とは、広ピッチ部６０の周方向の長さが、ノズル翼列の全周における長さに占める割合などをいう。そのため、この広ピッチ部６０が全周方向に占める割合は、広ピッチ部６０が形成される、ノズル翼列の周方向の範囲を変更することで変化させることができる。
【００８４】
ここで、広ピッチ部６０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合を、下流方向に、上記したように構成することが好ましい理由は、第１の実施の形態において図１１Ａおよび図１１Ｂを示して説明した理由と同じである。すなわち、蒸気流量の周方向分布は、下流の段落ほど均一となるため、広ピッチ部６０が部分送入段落２０の下流段落のノズル翼列の全周方向に占める割合を、下流に位置する下流段落のノズル翼列ほど小さくすることで、各段落における周方向の蒸気流量の分布の均一化を図ることができる。
【００８５】
また、広ピッチ部６０を構成するノズル１６ｂ１は、図１２に示すように、広ピッチ部６０以外を構成するノズル１６ｂ２に比べて、前縁部の曲率が大きく形成されることが好ましい。換言すると、広ピッチ部６０を構成するノズル１６ｂ１は、広ピッチ部６０以外を構成するノズル１６ｂ２よりも、鈍頭形状であることが好ましい。
【００８６】
ここで、広ピッチ部６０を構成するノズル１６ｂ１の前縁部の曲率を大きく形成することが好ましい理由は、第１の実施の形態において図１３を示して説明した理由と同じである。このように、広ピッチ部６０におけるノズルを鈍頭ノズルとすることで、エネルギ損失を低減することができる。
【００８７】
また、図１４を参照して説明すると、ノズルの前縁においてキャンバーラインＬに接する接線Ｍの、タービンロータの中心軸に平行な直線Ｎに対する、タービンロータの回転方向と反対となる方向の傾き角度θが、広ピッチ部６０を構成するノズル１６ｂ１の方が広ピッチ部６０以外を構成するノズル１６ｂ２よりも大きくなるように、広ピッチ部６０のノズル１６ｂ１を構成することが好ましい。また、広ピッチ部６０を構成するノズル１６ｂ１において、各ノズル１６ｂ１が配置された周方向位置に応じて、すなわち、各ノズル１６ｂ１に流入する蒸気の流入角度に応じて、傾き角度θを設定することが好ましい。
【００８８】
このように、広ピッチ部６０を構成するノズル１６ｂ１の前縁側を、タービンロータの回転方向と反対となる方向に、流入する蒸気の流入角度に応じて傾けて構成することで、広ピッチ部６０のノズルにおけるエネルギ損失を低減することができる。
【００８９】
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】
【００９０】
１０…蒸気タービン、１１…内部ケーシング、１２…外部ケーシング、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ…タービン動翼、１４…タービンロータ、１５…ダイヤフラム外輪、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ，１６ｇ，１６ｂ１，１６ｂ２…ノズル、１７…ダイヤフラム内輪、１８…蒸気入口管、１９…ノズルボックス、２０…部分送入段落、２０ａ…部分送入段ノズル翼列、３０…非送入部、３１…送入部、４０…内周面、４１…外周面、５０…広口部、６０…広ピッチ部、Ｌ…キャンバーライン、Ｍ…接線、Ｎ…直線、Ｏ…中心軸、Ｐ１，Ｐ２…ピッチ、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…距離、α…入口拡大率、θ…角度。
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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