(57)【要約】【課題】主流の前縁での衝突により発生する二次流れ渦をより一層低く抑えることにより翼効率の向上を図ったタービンノズルを提供する。【解決手段】本発明に係るタービンノズルは、外周壁２１と内周壁２２とで環状の流路２３を形成し、流路２３内にノズル翼２０を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、ノズル翼２０の背側の後縁２７側における内周壁２２に隆起部３１を形成した。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の背側の後縁側における前記内周壁に隆起部を形成したことを特徴とするタービンノズル。
【請求項２】
外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の腹側の前縁側における前記内周側に隆起部を形成したことを特徴とするタービンノズル。
【請求項３】
外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼のうち、一方のノズル翼の腹側の前縁から他方の隣接するノズル翼の背側の後縁側に向って延びる前記内周壁に隆起部を形成したことを特徴とするタービンノズル。
【請求項４】
外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の背側の後縁側における前記内周壁に隆起部を形成するとともに、前記ノズル翼の腹側の前縁側における前記内周壁に隆起部を形成したことを特徴とするタービンノズル。
【請求項５】
隆起部は、お椀状隆起部、錐状隆起部、柱状隆起部、および錐状・柱状組合せ隆起部のうち、いずれかを選択して形成したことを特徴とする請求項１〜４記載のタービンノズル。
【請求項６】
外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の背側の後縁側における前記内周壁に凹陥部を形成したことを特徴とするタービンノズル。
【請求項７】
外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の腹側の前縁側における前記内周側に凹陥部を形成したことを特徴とするタービンノズル。
【請求項８】
外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼のうち、一方のノズル翼の腹側の前縁から他方の隣接するノズル翼の背側の後縁側に向って延びる前記内周壁に凹陥部を形成したことを特徴とするタービンノズル。
【請求項９】
外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の背側の後縁側における前記内周壁に凹陥部を形成するとともに、前記ノズル翼の腹側の前縁側における前記内周壁に凹陥部を形成することを特徴とするタービンノズル。
【請求項１０】
凹陥部は、お椀状凹陥部、錐状凹陥部、柱状凹陥部、および錐状・柱状組合せ凹陥部のうち、いずれかを選択して形成したことを特徴とする請求項６〜９記載のタービンノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンノズルに係り、特にノズル翼の流路内に発生する二次流れ渦に伴う二次流れ損失を効果的に抑制し、翼効率の向上を図ったタービンノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電プラントにおいては、経済的な運転を行なうために発電効率の改善、特にタービン性能の向上を図ることが重要な課題になっている。
【０００３】
タービン性能の向上を図るには、タービン翼、特にタービンノズルに発生する諸損失を低減する必要がある。タービンノズルに発生する諸損失には、ノズル翼の流路内を通過する作動流体（以下主流と記す）がノズル翼の湾曲状曲面に沿って流れる際に発生する翼型損失、流路の境界層が遠心力により吹き上げられる吹上げ損失、主流が翼間流路を通過する際、主流に交差して翼から隣接翼に向って流れる二次流れに伴う二次流れ損失などがある。特に、翼高さが比較的低く、アスペクト比が小さいタービンノズルにおいては、二次流れ損失が翼効率を改善する上で隘路になっており、その二次流れ損失を低減することがでタービン性能を飛躍的に向上させる要因になっている。
【０００４】
二次流れ損失は、図９に示すように、境界層１を持った主流２がノズル翼３の前縁４に衝突したときにできる二次流れ渦５（カウンターボルテックス）により発生する。この二次流れ渦５は、ノズル翼３の背側６と腹側７に向って分れる。背側６に向う二次流れ渦５は、反時計方向に回転しながらノズル翼３の湾曲状曲面に沿って流れ、後縁１０に至る間にそのエネルギを失って弱められる。
【０００５】
ところが、腹側７に向う二次流れ渦５は、時計方向に回転しながら流路９を通過する間に腹側７からの押圧力により次第に隣接するノズル翼３の背側６に移動して行く。二次流れ渦５は、隣接するノズル翼３の背側６に移動する間に流路９の境界層を巻き上げ流路渦８（パッセージボルテックス）となって大きく成長する。この流路渦８は、ノズル翼３の腹側７の押圧力の影響を受けて発生するものであるが、この押圧力はノズル翼３の腹側７と背側６とでは腹側７の方が圧力（静圧）が高いことが要因になっている。
【０００６】
このように、従来のタービンノズルでは、二次流れ渦５の発生と成長により、主流２がノズル翼３を通過する間にエネルギの一部を失い、またその流線に変動が生じ、タービン性能を飛躍的に向上させることができない要因になっていた。
【０００７】
最近、ノズル翼３の流路９内に発生する二次流れ渦５に伴う二次流れ損失を低減するタービンノズルが数多く提案されている。
【０００８】
例えば、図１０に示すように、両端を外周壁１１と内周壁１２とで固設されたノズル翼３の後縁１０を、腹側７の方向に湾曲状曲面に形成し、外周壁１１および内周壁１２で発生する二次流れ渦５を、湾曲状曲面の押圧力により抑制した、いわゆるリーンノズルや、図１１に示すように、ノズル翼３に腹側７の吸込口１３と背側６の吹出口１４とを結ぶ連通路１５を設け、腹側７を通過する主流２を吸い込んで圧力（静圧）を下げ、吸い込んだ主流２を背側６から吹き出すことにより背側６を通過する主流２の圧力を高めて腹側７および背側６を互いに圧力バランスさせ、二次流れ渦５の低減を図ったものがある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図１０で示す従来のリーンノズルでは、ノズル翼３の前縁４で発生した二次流れ渦５を、腹側７の湾曲状曲面から外周壁１１および内周壁１２に向う押圧力により抑制できる優れた利点を備えているため、翼効率が従来に較べ高くなっている。
【００１０】
しかし、発電プラントの高出力化に伴って主流２の流量が増加してくると、限られた翼高さのリーンノズルでは、より一層曲率を増して湾曲状曲面に形成することが難しく、それに伴って湾曲状曲面からの押圧力を増加させることに限界がある。このため、ノズル翼３の前縁４で発生した二次流れ渦５のうち、一部抑制できなかった二次流れ渦５は、二次流れとともに、ノズル翼３の腹側７から隣接するノズル翼３の背側６に移動し、この間、流路９の境界層を巻き上げて流路渦８ができ、この流路渦８のために設計とおりの翼効率にできない問題点を抱えていた。
【００１１】
一方、図１１で示す従来のタービンノズルでは、ノズル翼３の腹側７に吸込口１３を、その背側６に吹出口１４をそれぞれ設け、ノズル翼３の横断面が湾曲状曲面になっているために必然的に発生する腹側７と背側６との圧力アンバランスを解決する点で期待されているが、何分にも吸込口１３で主流２を吸い込むと、腹側７の主流２の流線が乱れ、また吹出口１４から吸い込んだ主流２を吹き出すと背側６の主流２の流線が乱れ、このため翼効率の向上が期待できない。
【００１２】
最近の発電プラントでは、図１０の一点鎖線で示すスロート１６（ノズル翼と隣接するノズル翼との最小流路幅）からノズル３の前縁４側にかけて主流２に交差する二次流れ渦５の存在のために翼効率が向上できない点に着目してノズル翼３の翼形状に改善を加える研究が進められている。と同時に、ノズル翼３の外周壁１１、内周壁１２に発達する境界層を極力少なくし、ノズル翼３の湾曲状曲面から外周壁１１、内周壁１２に向って与えられる押圧力を充分に活用し、前縁４で発生する二次流れ渦５を外周壁１１、内周壁１２に向って押圧させることにより従来よりもより一層二次流れ渦５を抑制する検討が進められている。いずれも現在、模索中である。
【００１３】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、主流の前縁での衝突により発生する二次流れ渦をより一層低く抑えることにより翼効率の向上を図ったタービンノズルを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の背側の後縁側における前記内周壁に隆起部を形成したものである。
【００１５】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の腹側の前縁側における前記内周側に隆起部を形成したものである。
【００１６】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼のうち、一方のノズル翼の腹側の前縁から他方の隣接するノズル翼の背側の後縁側に向って延びる前記内周壁に隆起部を形成したものである。
【００１７】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の背側の後縁側における前記内周壁に隆起部を形成するとともに、前記ノズル翼の腹側の前縁側における前記内周壁に隆起部を形成したものである。
【００１８】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、隆起部は、お椀状隆起部、錐状隆起部、柱状隆起部、および錐状・柱状組合せ隆起部のうち、いずれかを選択して形成したものである。
【００１９】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の背側の後縁側における前記内周壁に凹陥部を形成したものである。
【００２０】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の腹側の前縁側における前記内周側に凹陥部を形成したものである。
【００２１】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼のうち、一方のノズル翼の腹側の前縁から他方の隣接するノズル翼の背側の後縁側に向って延びる前記内周壁に凹陥部を形成したものである。
【００２２】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、外周壁と内周壁とで環状の流路を形成し、流路内にノズル翼を周方向に沿って列状に配置したタービンノズルにおいて、前記ノズル翼の背側の後縁側における前記内周壁に凹陥部を形成するとともに、前記ノズル翼の腹側の前縁側における前記内周壁に凹陥部を形成するものである。
【００２３】
また、本発明に係るタービンノズルは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、凹陥部は、お椀状凹陥部、錐状凹陥部、柱状凹陥部、および錐状・柱状組合せ凹陥部のうち、いずれかを選択して形成したものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るタービンノズル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。
【００２５】
図１は、本発明に係るタービンノズルの第１実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁側から見た概略斜視図である。
【００２６】
本実施形態に係るタービンノズルは、外周壁２１と内周壁２２との間に形成される環状の流路２３に複数枚のノズル翼２０をタービン軸（図示せず）の周方向に沿って列状に配置する構成になっている。
【００２７】
ノズル翼２０は、前縁２４からスロート２５までを腹側２６に向って凸状に膨出する湾曲状曲線２９に形成する一方、スロート２５から後縁２７までを背側２８に向って凸状に膨出する湾曲状曲面３０に形成し、スロート２５を境に互いに軸対称になっている。なお、ここでスロート２５とは、一方のノズル翼２０と隣接する他方のノズル翼２０との最小流路幅をいうが、説明の便宜上、他方のノズル翼２０の後縁２７から一方のノズル翼２０の背側２８に垂直線として画した部分をいう。
【００２８】
また、ノズル翼２０は、背側２８の後縁２７側における流路２３を形成する内周壁２２に隆起部３１を形成している。この隆起部３１は、図２の（ａ）〜（ｄ）に示すように、お椀状隆起部３１ａ、錐状隆起部３１ｂ、柱状隆起部３１ｃおよび錐状と柱状とを組み合せた錐状・柱状組合せ隆起部３１ｄのうち、いずれかが選択されている。
【００２９】
このように、内周壁２２に隆起部３１を形成すると、外周壁２１と内周壁２２とで形成される流路２３は、隆起部３１の部分だけ流路面積が少なくなり、これに伴って主流３２の速度を増加させる。主流３２の速度が増加すると、内周壁２２に形成される隆起部３１を流れる主流３２の圧力（静圧）は低下する。主流３２の圧力が低下すると、一方のノズル翼２０の腹側２６から他方の隣接するノズル翼２０の腹側２８に向って流れていた二次流３３は、圧力の低くなった隆起部３１に引き寄せられるので、隣接するノズル翼２０の背側２８に衝突して主流３２の流れに乱れを与えることがない。
【００３０】
このように、本実施形態は、背側２８の後縁２７側における内周壁２２に隆起部３１を形成し、隆起部３１を流れる主流３２の圧力が低下し、圧力の低下させた部分に二次流３３を引き寄せるので、主流３２の流れに与えられる乱れを抑制し、全圧損失を少なくさせて翼効率を向上させることができる。
【００３１】
なお、本実施形態は、背側２８の後縁２７側における内周壁２２に隆起部３１を形成したが、この例に限らず、例えば、図３に示すように、腹側２６の前縁２４側における内周壁２２に隆起部３１を形成してもよく（第２実施形態）、また、例えば、図４に示すように一方のノズル翼２０の腹側２６の前縁２４側から他方の隣接するノズル翼２０の背側２８の後縁２７側に向って延びる内周壁２２に隆起部３１を設けてもよく（第３実施形態）さらに、図１で示した隆起部３１と図３で示した隆起部３１とを組み合せてもよい（第４実施形態）。図３および図４のそれぞれに示したノズル翼２０は、主流３２の圧力が低くなった部分に二次流３３が引き寄せられて主流３２に衝突することがなくなるので、主流３２に乱れを与えることがなくなり、全圧損失を少なくし、翼効率を向上させることができる。
【００３２】
図５は、本発明に係るタービンノズルの第４実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁側から見た概略斜視図である。
【００３３】
本実施形態に係るタービンノズルは、背側２８の後縁２７側における流路２３を形成する内周壁２２に凹陥部３４を形成したものである。この凹陥部３４は、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、お椀状凹陥部３４ａ、錐状凹陥部３４ｂ、柱状凹陥部３４ｃおよび錐状と柱状とを組み合せた錐状・柱状組合せ隆起部３４ｄのうち、いずれかが選択されている。
【００３４】
このように、内周壁２２に凹陥部３４を形成すると、外周壁２１と内周壁２２とで形成される流路２３は、凹陥部３４の部分だけ流路面積が多くなり、これに伴って主流３２の速度を低下させる。主流の速度が低下すると、内周壁２２に形成される凹陥部３４を流れる主流３２の圧力（静圧）は増加する。主流３２の圧力が増加すると、一方のノズル翼２０の腹側２６から他方の隣接するノズル翼２０の背側２８に向って流れていた二次流３３は、圧力の高くなった主流３２が一種のバリアとしての押圧力となり、流路２３の中央に向って押し戻されるので、隣接するノズル翼２０の背側２８に衝突して主流３２の流れに乱れを与えることがない。
【００３５】
このように、本実施形態は、背側２８の後縁２７側における内周壁２２に凹陥部３４を形成し、凹陥部３４を流れる主流３２の圧力が増加し、圧力の増加させた部分の押圧力により二次流３３を中央に押し戻すので、主流３２の流れに与えられる乱れを抑制し、全圧損失を少なくさせて翼効率を向上させることができる。
【００３６】
なお、本実施形態は、背側２８の後縁２７側における内周壁２２に凹陥部３４を形成したが、この例に限らず、例えば図７に示すように、腹側２６の前縁２４側における内周壁２２に凹陥部３４を形成してもよく（第５実施形態）、また、例えば、図８に示すように、一方のノズル翼２０の腹側２６の前縁２４側から他方の隣接するノズル翼２０の背側２８の後縁２７側に向って延びる内周壁に凹陥部３４を設けてもよく（第６実施形態）、さらに、図５で示した凹陥部３４と図７で示した凹陥部３４とを組み合せてもよい（第７実施形態）。
【００３７】
図７および図８のそれぞれに示したノズル翼２０は、主流３２の圧力が高くなった部分の押圧力により、二次流３３が中央に押し戻されるので、主流３２に乱れを与えることがなく、全圧損失を少なくし、翼効率を向上させることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係るタービンノズルは、外周壁と内周壁との間に形成される環状の流路の内周壁に、主流の圧力を低くし、一方のノズル翼の腹側から他方の隣接するノズル翼の背側に向って流れる二次流を引き寄せる手段および流路の内周壁に主流の圧力を高くし、二次流れを中央に押し戻す手段のうち、いずれかを設けたので、二次流の翼壁の衝突による主流の流れに与えられる乱れを抑制し、全圧損失を少なくさせて翼効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るタービンノズルの第１実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁側から見た概略斜視図。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係るタービンノズルに適用する隆起部の具体例を示す概念図。
【図３】本発明に係るタービンノズルの第２実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁側から見た概略斜視図。
【図４】本発明に係るタービンノズルの第３実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁側から見た概略斜視図。
【図５】本発明に係るタービンノズルの第４実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁側から見た概略斜視図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係るタービンノズルに適用する凹陥部の具体例を示す概念図。
【図７】本発明に係るタービンノズルの第５実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁側から見た概略斜視図。
【図８】本発明に係るタービンノズルの第６実施形態を示すもので、ノズル翼の後縁側から見た概略斜視図。
【図９】ノズル翼で発生する二次流れ渦の挙動を説明する概念図。
【図１０】従来のタービンノズルの第１実施形態を示す概略斜視図。
【図１１】従来のタービンノズルの第２実施形態を示す概念図。
【符号の説明】
１　境界層
２　主流
３　ノズル翼
４　前縁
５　二次流れ渦
６　背側
７　腹側
８　流路渦
９　流路
１０　後縁
１１　外周壁
１２　内周壁
１３　吸込口
１４　吹出口
１５　連通路
１６　スロート
２０　ノズル翼
２１　外周壁
２２　内周壁
２３　流路
２４　前縁
２５　スロート
２６　腹側
２７　後縁
２８　背側
２９，３０　湾曲状曲線
３１　隆起部
３１ａ　お椀状隆起部
３１ｂ　錐状隆起部
３１ｃ　柱状隆起部
３１ｄ　錐状・柱状組合せ隆起部
３２　主流
３３　二次流
３４　凹陥部
３４ａ　お椀状凹陥部
３４ｂ　錐状凹陥部
３４ｃ　柱状凹陥部
３４ｄ　錐状・柱状組合せ凹陥部
【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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