(57)【要約】      （修正有）【課題】二次流れ損失を低減できる軸流タービンを提供すること。【解決手段】軸流タービンは、ロータ１３を囲むタービンケーシング１２と、タービンケーシング１２側に設けられたタービンノズル３１と、ロータ１３側に設けられたタービン動翼３２とを備えている。タービンノズル３１は、内径側に配置されたダイアフラム内輪１６、外径側に配置されたダイアフラム外輪１７、およびこれらダイアフラム内輪１６、ダイアフラム外輪１７間に挟持され、円周方向に配設された複数のノズル翼１を有している。タービン動翼３２は、タービンノズル３１の下流側に隣接配置されるとともに、ロータ１３の円周方向に植設された複数の動翼５を有している。タービンノズル３１のノズル翼根元１ａ側に形成されたノズル内周壁面３は、タービン動翼３２の動翼根元５ａ側に形成された動翼内周壁面６よりもロータ１３の中心軸Ｃに近い位置に設けられている。【選択図】図１
2007154816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸を含むロータと、
ロータを囲むタービンケーシングに設けられ、内径側に配置されたダイアフラム内輪、外径側に配置されたダイアフラム外輪、およびダイアフラム内輪、ダイアフラム外輪間に挟持され、円周方向に配設された複数のノズル翼を有するタービンノズルと、
当該タービンノズルの下流側に隣接配置されるとともに、ロータの円周方向に植設された複数の動翼を有するタービン動翼とを備え、
タービンノズルのノズル翼根元側に形成されたノズル内周壁面が、タービン動翼の動翼根元側に形成された動翼内周壁面よりもロータの中心軸に近い位置に設けられていることを特徴とする軸流タービン。
【請求項２】
ノズル翼の根元における円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、
ノズル翼の高さＨと、
ロータの中心軸から動翼内周壁面までの距離から、ロータの中心軸からノズル内周壁面までの距離を引いた値δｒは、
0.04×Ｌｒ×Ｈ1/6≦δｒ≦0.15×Ｌｒ×Ｈ1/6      …式（１）
の関係を満たすことを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
【請求項３】
ノズル翼の根元における円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、
ノズル翼の高さＨと、
ロータの中心軸から動翼内周壁面までの距離から、ロータの中心軸からノズル内周壁面までの距離を引いた値δｒと、
ノズル翼の下流端側から、動翼根元の上流端部までの水平距離ＡＸｒは、
3.33×Ｌｒ×Ｈ1/6×ＡＸｒ≦δｒ≦12.5×Ｌｒ×Ｈ1/6×ＡＸｒ  …式（２）
の関係を満たすことを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
【請求項４】
ノズル内周壁面は、下流に向かって傾斜角θｒで傾斜し、
当該傾斜角θｒと、
ノズル翼の根元における円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、
ノズル翼の高さＨと、
ロータの中心軸から動翼内周壁面までの距離から、ロータの中心軸からノズル内周壁面の下流端部までの距離を引いた値δｒと、
ノズル翼の下流端側から、動翼根元の上流端部までの水平距離ＡＸｒは、
ＡＸｒ×(3.33×Ｌｒ×Ｈ1/6−tanθｒ)≦δｒ≦ＡＸｒ×(12.5×Ｌｒ×Ｈ1/6−tanθｒ)  …式（３）
の関係を満たすことを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
【請求項５】
ノズル翼の下流端側の根元端部は、ロータの中心軸と下流端側の根元端部とを通る基準線に対して傾斜角γｒで湾曲し、
当該傾斜角γｒと、
ノズル翼の根元における円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、
ノズル翼の高さＨと、
ロータの中心軸から動翼内周壁面までの距離から、ロータの中心軸からノズル内周壁面までの距離を引いた値δｒと、
ノズル翼の下流端側から、動翼根元の上流端部までの水平距離ＡＸｒは、
ＡＸｒ×(3.33×Ｌｒ×Ｈ1/6−tan(0.2×γｒ))≦δｒ
≦ＡＸｒ×(12.5×Ｌｒ×Ｈ1/6−tan(0.2×γｒ))  …式（４）
の関係を満たすことを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
【請求項６】
ノズル内周壁面は、下流に向かって傾斜角θｒで傾斜し、
ノズル翼の下流端側の根元端部は、ロータの中心軸と下流端側の根元端部とを通る基準線に対して傾斜角γｒで湾曲し、
前記傾斜角θｒと、
前記傾斜角γｒと、
ノズル内周壁面における下流側への傾斜角θｒと、
ノズル翼の根元における円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、
ノズル翼の高さＨと、
ロータの中心軸から動翼内周壁面までの距離から、ロータの中心軸からノズル内周壁面の下流端部までの距離を引いた値δｒと、
ノズル翼の下流端側から、動翼根元の上流端部までの水平距離ＡＸｒは、
ＡＸｒ×(3.33×Ｌｒ×Ｈ1/6−tan(0.2×γｒ) −tanθｒ)≦δｒ
≦ＡＸｒ×(12.5×Ｌｒ×Ｈ1/6−tan(0.2×γｒ) −tanθｒ)  …式（５）
の関係とを満たすことを特徴とする請求項４記載の軸流タービン。
【請求項７】
中心軸を含むロータと、
ロータを囲むタービンケーシングに設けられ、内径側に配置されたダイアフラム内輪、外径側に配置されたダイアフラム外輪、およびこれらダイアフラム内輪、ダイアフラム外輪間に挟持され、円周方向に列状に配設された複数のノズル翼を有するタービンノズルと、
当該タービンノズルの下流側に隣接配置されるとともに、ロータの円周方向に植設された複数の動翼を有するタービン動翼とを備え、
タービンノズルのノズル翼先端側に形成されたノズル外周壁面が、タービン動翼の動翼先端側に形成された動翼外周壁面よりもロータの中心軸から遠い位置に設けられていることを特徴とする軸流タービン。
【請求項８】
ノズル翼の先端における円周方向の断面形状のコード長Ｌｔと、
ノズル翼高さＨと、
ロータの中心軸からノズル外周壁面までの距離から、ロータの中心軸から動翼外周壁面までの距離を引いた値δtは、
0.05×Ｌｔ×Ｈ1/6  ≦δt≦  0.22×Ｌｔ×Ｈ1/6  …式（６）
の関係を満たしていることを特徴とする請求項７記載の軸流タービン。
【請求項９】
ノズル翼の先端における円周方向の断面形状のコード長Ｌｔと、
ノズル翼高さＨと、
ロータの中心軸からノズル外周壁面までの距離から、ロータの中心軸から動翼外周壁面までの距離を引いた値δtと、
ノズル翼の下流端側から、動翼先端の上流端部までの水平距離AXtは、
4.17×Ｌｔ×Ｈ1/6×AXt≦δt≦18.33×Ｌｔ×Ｈ1/6×AXt  …式（７）
の関係を満たしていることを特徴とする請求項７記載の軸流タービン。
【請求項１０】
ノズル外周壁面は、下流に向かって傾斜角θtで傾斜し、
当該傾斜角θtと、
ノズル翼の先端における円周方向の断面形状のコード長Ｌｔと、
ノズル翼高さＨと、
ロータの中心軸からノズル外周壁面の下流端部までの距離から、ロータの中心軸から動翼外周壁面までの距離を引いた値δtと、
ノズル翼の下流端側から、動翼先端の上流端部までの水平距離AXtは、
AXt×(4.17×Ｌｔ×Ｈ1/6−tanθt)≦δt≦AXt×(18.33×Ｌｔ×Ｈ1/6−tanθt)  …式（８）
の関係を満たしていることを特徴とする請求項７記載の軸流タービン。
【請求項１１】
ノズル翼の下流端側の先端部は、ロータの中心軸と下流端側の先端部とを通る基準線に対して傾斜角γtで湾曲し、
当該傾斜角γtと、
ノズル翼の先端における円周方向の断面形状のコード長Ｌｔと、
ノズル翼高さＨと、
ロータの中心軸からノズル外周壁面までの距離から、ロータの中心軸から動翼外周壁面までの距離を引いた値δtと、
ノズル翼の下流端側から、動翼先端の上流端部までの水平距離AXtは、
AXt×(4.17×Ｌｔ×Ｈ1/6−tan(0.3×γt))≦δt
≦AXt×(18.33×Ｌｔ×Ｈ1/6−tan(0.3×γt))  …式（９）
の関係を満たしていることを特徴とする請求項７記載の軸流タービン。
【請求項１２】
ノズル外周壁面は、下流に向かって傾斜角θtで傾斜し、
ノズル翼の下流端側の先端部は、ロータの中心軸と下流端側の先端部とを通る基準線に対して傾斜角γtで湾曲し、
前記傾斜角θtと、
前記傾斜角γtと、
ノズル外周壁面における下流側への傾斜角θtと、
ノズル翼の先端における円周方向の断面形状のコード長Ｌｔと、
ノズル翼高さＨと、
ロータの中心軸からノズル外周壁面の下流端部までの距離から、ロータの中心軸から動翼外周壁面までの距離を引いた値δtと、
ノズル翼の下流端側から、動翼先端の上流端部までの水平距離AXtは、
AXt×(4.17×Ｌｔ×Ｈ1/6−tan(0.3×γt)−tanθt)≦δt
≦AXt×(18.33×Ｌｔ×Ｈ1/6−tan(0.3×γt)−tanθt)  …式（１０）
の関係を満たしていることを特徴とする請求項１０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、エネルギー損失を低減し、タービン効率を向上させることができる軸流タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電プラント運転の経済性を改善し、発電効率の改善を図るために、タービン効率の向上を図ることが重要な課題となっている。この課題を解決するには、軸流タービンにおける損失を改善する必要がある。
【０００３】
軸流タービンの損失には様々なものがあるが、これらの損失はノズル翼の形状そのものに起因するプロファイル損失と、ノズル翼列間を流れる流体力に起因する二次流れ損失と、作動流体ＳＴがノズル翼列から外部へ漏洩することによる外部漏洩損失とに分けることができる。特に、ノズル翼のアスペクト比（翼高さ／翼コード長）が小さく、ノズル翼高さが低いタービンにおいては、二次流れ損失の割合が大きく、この損失を低減することがタービン効率を向上する上で大きな課題となっている。
【０００４】
図１１に示すように、従来の軸流タービンは、ロータ１３と、ロータ１３を囲むタービンケーシング１２に設けられ、内径側に配置されたダイアフラム内輪１６、外径側に配置されたダイアフラム外輪１７、これらダイアフラム内輪１６およびダイアフラム外輪１７間に挟持され、円周方向に列状に配設された複数のノズル翼１とを有するタービンノズル３１と、当該タービンノズル３１の下流側に隣接して配置されるとともに、ロータ１３に設けたロータディスク２１外周の動翼植込部１９に列状に植設された複数の動翼５を有するタービン動翼３２とを備えている。
【０００５】
またダイアフラム内輪１６にはロータ１３に向かって、作動流体ＳＴの漏洩を減らすためにラビリンスパッキン１８を円周方向に取付けている。また、動翼５の先端側には、動翼５の先端部を保持及び作動流体ＳＴの漏洩を防止するシュラウド２０が装着してある。また、ロータディスク２１には次の理由によりバランスホール２２が設けられている。
【０００６】
ロータディスク２１には軸流タービンの下流に向かって生じる作動流体ＳＴの圧力差により、スラスト力が生じる。しかしながら、ロータディスク２１に設けたバランスホール２２を介して作動流体ＳＴは排出され、逃げることができる。このため、ロータディスク２１に作用する差圧が小さくなり、スラスト力が低減される構造となっている。
【０００７】
次に図１２を用いて、ノズル翼１をモデルとして二次流れの発生機構について説明する。ここで図１２は、ノズル翼１を下流側から見た斜視図である。
【０００８】
図１２に示すように、蒸気などの作動流体ＳＴは、隣接するノズル翼１間の流路を流れるときに、流路中で円弧状に曲げられて流れる。このため、ノズル翼１間に流れる作動流体ＳＴに働く遠心力によってノズル翼１の腹面Ｆの圧力は背面Ｂの圧力よりも高い圧力勾配を生じる。
【０００９】
一方、ダイアフラム外輪１７内周部と接合するノズル外周壁面２と、ダイアフラム内輪１６外周部と接合するノズル内周壁面３の近傍では、作動流体ＳＴの粘性によって流速が遅い境界層が成長する。この場合、境界層の中に作動流体ＳＴの主流による静圧が浸透するため、境界層の中の圧力勾配は、作動流体ＳＴの主流の圧力勾配と同等になる。このため、境界層中の圧力勾配と作動流体ＳＴに働く遠心力が釣り合うためには、境界層における流速が小さくなっている分だけ作動流体ＳＴの曲率を小さくする必要がある。
【００１０】
このため図１２に示すように、ノズル翼１の腹面Ｆから、隣接するノズル翼１の背面Ｂへ向かう流れ、すなわち二次流れ９が生じる。この二次流れ９は、ノズル翼１の背面Ｂ側に衝突して巻き上がり、ノズル翼１の根本側と先端側において、二次渦１０ａ，１０ｂを発生する。
【００１１】
このように流路内で発生する二次渦１０ａ，１０ｂは、作動流体ＳＴの不均一な流れを生じ、タービンノズル３１の性能を著しく低下させる。なお、タービン動翼３２についても同様な機構で二次流れが発生し、タービン動翼３２の性能を低下させている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述のように、従来の軸流タービンでは、ノズル外周壁面２とノズル内周壁面３近傍で、二次流れが発生し、流路内で作動流体ＳＴの不均一な流れが生じてしまう。このため、作動流体ＳＴが保有するエネルギーを有効に活用することができず、タービン効率を低下させる課題があった。
【００１３】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、二次流れに起因するエネルギー損失を低減し、タービン効率を向上させることのできる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】
【００１４】
本発明は、中心軸を含むロータと、ロータを囲むタービンケーシングに設けられ、内径側に配置されたダイアフラム内輪、外径側に配置されたダイアフラム外輪、およびこれらダイアフラム内輪、ダイアフラム外輪間に挟持され、円周方向に配設された複数のノズル翼とを有するタービンノズルと、当該タービンノズルの下流側に隣接配置されるとともに、ロータの円周方向に植設された複数の動翼を有するタービン動翼を備え、タービンノズルのノズル翼根元側に形成されたノズル内周壁面が、タービン動翼の動翼根元側に形成された動翼内周壁面よりもロータの中心軸に近い位置に設けられていることを特徴とする軸流タービンである。
【００１５】
本発明は、中心軸を含むロータと、ロータを囲むタービンケーシングに設けられ、内径側に配置されたダイアフラム内輪、外径側に配置されたダイアフラム外輪、およびこれらダイアフラム内輪、ダイアフラム外輪間に挟持され、円周方向に列状に配設された複数のノズル翼とを有するタービンノズルと、当該タービンノズルの下流側に隣接配置されるとともに、ロータの円周方向に植設された複数の動翼を有するタービン動翼を備え、タービンノズルのノズル翼先端側に形成されたノズル外周壁面が、タービン動翼の動翼先端側に形成された動翼外周壁面よりもロータの中心軸から遠い位置に設けられていることを特徴とする軸流タービンである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、二次流れに起因するエネルギー損失を低減し、タービン効率を向上させることのできる軸流タービン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】
【００１７】
第１の実施の形態
以下、本発明に係る軸流タービンの第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、図１乃至図４は本発明の第１の実施の形態を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態の軸流タービンは、中心軸Ｃを含むロータ１３と、ロータ１３を囲むタービンケーシング１２と、タービンケーシング１２に固定されたタービンノズル３１と、ロータ１３に設けられ、当該タービンノズル３１の下流側に隣接配置されてタービン段落を形成するタービン動翼３２とを備えている。
【００１９】
前述のタービンノズル３１は、内径側に配置されたダイアフラム内輪１６と、外径側に配置されるとともに、タービンケーシング１２に固定されたダイアフラム外輪１７と、ダイアフラム内輪１６とダイアフラム外輪１７とに挟持され、円周方向に配設された複数のノズル翼１とを有している。
【００２０】
また、前述のタービン動翼３２は、ロータディスク２１の外周部に設けられた動翼植込部１９と、この動翼植込部１９に列状に植設された複数の動翼５とを有している。
【００２１】
そして、動翼５の外周にはシュラウド２０が設けられ、ロータディスク１３には二次流れ９を逃がすためのバランスホール２２が設けられている。また、ダイアフラム内輪１６には、作動流体ＳＴの漏洩を減らすためのラビリンスパッキン１８がロータ１３に向かって円周方向に設けられている。
【００２２】
また図１に示すように、タービンノズル３１のノズル翼根元１ａ側に形成されたノズル内周壁面３は、タービン動翼３２の動翼根元５ａ側に形成された動翼内周壁面６よりもロータ１３の中心軸Ｃに近い位置に設けられている。すなわち、ノズル内周壁面３を包絡する円の径よりも、動翼内周壁面６を包絡する円の径の方が大きくしてある。
【００２３】
次に各構成部分の形状について更に詳述する。
【００２４】
図１、図２及び図４において、ノズル翼１の根元１ａにおける円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、ノズル翼１の高さＨと、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼内周壁面６までの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３までの距離を引いた値δｒは、
０.０４×Ｌｒ×Ｈ１/６≦δｒ≦０.１５×Ｌｒ×Ｈ１/６  …式（１）
の関係を満たす。
【００２５】
また、ノズル翼１の根元１ａにおける円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、ノズル翼１の高さＨと、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼内周壁面６までの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３までの距離を引いた値δｒと、ノズル翼１の下流端側１ｄから、動翼根元５ａの上流端部５ｃまでの水平距離ＡＸｒは、
３.３３×Ｌｒ×Ｈ１/６×ＡＸｒ≦δｒ≦１２.５×Ｌｒ×Ｈ１/６×ＡＸｒ  …式（２）
の関係を満たしている。
【００２６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について述べる。
【００２７】
タービンノズル３１のノズル内周壁面３近傍においては、流速の遅い境界層が形成され、この境界層によって二次流れ９が発達して形成される。
【００２８】
ここで本発明のタービンノズル３１のノズル内周壁面３は、タービン動翼３２の動翼内周壁面６よりもロータ１３の中心軸Ｃに近い位置に設けられている。
【００２９】
このため、ノズル内周壁面３近傍で形成された二次流れ９はロータ１３面に衝突するので、二次流れ９をロータディスク２１に設けられたバランスホール２２から排出して逃がすことで、二次流れ９がタービン動翼３２に流入することを防ぐことができる。
【００３０】
このため、タービン動翼３２には均一な流れのみを流入させることができ、軸流タービンのタービン効率が低下することを防ぐことができる。
【００３１】
一方、タービンノズル３１のノズル内周壁面３で形成される流速の遅い境界層の厚みは、種々の実験から、流体が通過する物体の長さに比例することが知られており、流れの相似性を表すレイノルズ数Ｒｅに反比例する。
【００３２】
レイノルズ数Ｒｅは、タービンノズル３１下流部における流体速度Ｖと、ノズル翼根元１ａにおけるコード長Ｌｒと、動粘性係数νとを用いると、Ｒｅ＝Ｖ×Ｌｒ／νとして得ることができる。
【００３３】
また、レイノルズ数Ｒｅは、作動流体ＳＴの圧力が大きいタービンノズル３１の上流側で大きくなり、タービンノズル３１の下流に行くにしたがって小さくなる。
【００３４】
また図３に示すように、ノズル翼１の高さＨが大きくなると、ノズル翼１を通過して流れる作動流体ＳＴの体積流量が大きくなるため、ノズル数Ｒｅは大きくなる。他方、ノズル翼１の高さＨが小さくなると、ノズル翼１を通過して流れる作動流体ＳＴの体積流量が小さくなるため、ノズル数Ｒｅは小さくなる。
【００３５】
図４は、タービン効率を縦軸に示し、δｒ／Ｌｒ×Ｈ１/６の値を横軸に示したものである。
【００３６】
図４に示すように、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼内周壁面６までの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３までの距離を引いた値δｒが大きくなりすぎると、二次流れ９以外の主流の流体までもが、ロータ１３面に衝突するため、タービン効率が低下する（図８参照）。
【００３７】
一方、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼内周壁面６までの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３までの距離を引いた値δｒが小さくなりすぎると、タービンノズル３１で発生した二次流れ９に起因する不均一な流れがタービン動翼３２に流入するため、タービン効率が低下する（図９参照）。
【００３８】
このように、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼内周壁面６までの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３までの距離を引いた値δｒとタービン効率には、最適な範囲が存在しており、実用上は流体条件をふまえて、
０.０４×Ｌｒ×Ｈ１/６≦δｒ≦０.１５×Ｌｒ×Ｈ１/６  …式（１）
にすることで、タービン効率を向上させることができる。
【００３９】
式（１）において、δｒが一定の幅を有している理由について以下説明する。
【００４０】
境界層とレイノルズ数Ｒｅは、深く関係しており、一般的に、レイノルズ数Ｒｅが低下すると、境界層の厚さが厚くなり、壁面近傍の二次流れが大きくなる。このため、図１０に示すようにノズル損失の生じるノズル翼１の高さ方向の範囲も広がる。
【００４１】
一般的に、タービンノズル３１上流側では、作動流体の圧力、温度が大きくなっており、レイノルズ数Ｒｅが高くなる。これに対して、タービンノズル３１下流側になるに従って、圧力、温度がともに低下し、レイノルズ数Ｒｅが低くなる。このため、タービンノズル３１上流側と下流側とでは、作動流体の動粘性係数νが変化し、レイノルズ数Ｒｅも変化する。
【００４２】
このように同じコード長Ｌｒ、同じ高さＨのノズル翼１であっても、レイノルズ数Ｒｅが変化するため、境界層の厚さが変化し、二次流れの大きさも変化する。このため、式（１）に示したように、δｒは一定の幅を有している。
【００４３】
またノズル翼１の下流端側１ｄからタービン動翼３２までの距離が離れると、タービンノズル３１内部で発生した二次流れ９が成長し、拡散する。このため、ノズル翼１の高さＨに対する二次流れ９の割合も増加するので、δｒもノズル翼１の下流端側１ｄから、動翼根元５ａの上流端部５ｃまでの水平距離ＡＸｒによる影響を受ける。
【００４４】
このため、ノズル翼１の根元１ａにおける円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、ノズル翼１の高さＨと、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼内周壁面６までの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３までの距離を引いた値δｒと、ノズル翼１の下流端側１ｄから、動翼根元５ａの上流端部５ｃまでの水平距離ＡＸｒを、
３.３３×Ｌｒ×Ｈ１/６×ＡＸｒ≦δｒ≦１２.５０×Ｌｒ×Ｈ１/６×ＡＸｒ  …式（２）
の関係を満たすように調整することで、タービン効率を向上させることができる。
【００４５】
第２の実施の形態
次に図５により本発明の第２の実施の形態について説明する。図５に示す第２の実施の形態は、ノズル内周壁面３を包絡する円の径が下流に向かって連続的に大きくなるように、一定の傾斜角θｒで傾斜したものであり、他の構成は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００４６】
図５に示す本発明の第２の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４７】
図５において、タービンノズル３１を通過する作動流体ＳＴは、根元部の内周壁面に沿って流れる。このため、動翼ノズル３２に達する二次流れを抑制することができ、傾斜角度θｒよっても、作動流体ＳＴのタービン動翼３２に到達する位置を変化させることができる。
【００４８】
このため、ノズル内周壁面３の下流側への傾斜角θｒと、ノズル翼１の根元１ａにおける円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、ノズル翼１の高さＨと、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼内周壁面６までの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３の下流端部３ｃまでの距離を引いた値δｒと、ノズル翼１の下流端側１ｄから、動翼根元５ａの上流端部５ｃまでの水平距離ＡＸｒが、
ＡＸｒ×(３.３３×Ｌｒ×Ｈ１/６−tanθｒ)≦δｒ≦ＡＸｒ×(１２.５×Ｌｒ×Ｈ１/６−tanθｒ)  …式（３）
を満たすように設計することで、タービン効率の低下を防ぐことができる。
【００４９】
第３の実施の形態
次に図６により本発明の第３の実施の形態について説明する。図６に示す第３の実施の形態は、ノズル翼１の下流端側１ｄの根元部１ｃが、ロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対して傾斜角γｒで湾曲したものであり、他の構成は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００５０】
図６に示す本発明の第３の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５１】
図６に示すように、本実施の形態のノズル翼１の下流端側１ｄの根元端部１ｃは、ロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対して湾曲しているため、湾曲したノズル翼１の中央部１ｔからノズル翼根元１ａ側の内周壁面に向かって押圧力が与えられる。このため、境界層の発達を抑制することができ、境界層の発達に伴う二次流れ９が成長することを抑制することができる。
【００５２】
また、タービンノズル３１を流れる作動流体ＳＴには、ノズル翼根元１ａ側の内周壁面方向に向かって押圧力が与えられているため、ロータ１３の中心軸Ｃ方向に向かって作動流体ＳＴの角度が変化する。
【００５３】
このため、ノズル翼１の下流端側１ｄの根元端部１ｃにおけるロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対する傾斜角γｒと、ノズル内周壁面３の下流側への傾斜角θｒと、ノズル翼１の根元１ａにおける円周方向の断面形状のコード長Ｌｒと、ノズル翼１の高さＨと、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼内周壁面６までの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３までの距離を引いた値δｒと、ノズル翼１の下流端側１ｄから、動翼根元５ａの上流端部５ｃまでの水平距離ＡＸｒを、
ＡＸｒ×(３.３３×Ｌｒ×Ｈ１/６−tan(０.２×γｒ))≦δｒ
≦ＡＸｒ×(１２.５×Ｌｒ×Ｈ１/６−tan(０.２×γｒ)  …式（４）
の関係を満たすように調整することで、タービン効率を向上させることができる。
【００５４】
第４の実施の形態
次に図５及び図６により本発明の第４の実施の形態について説明する。図５及び図６に示す第４の実施の形態は、ノズル内周壁面３を包絡する円の径が下流に向かって連続的に大きくなるように、一定の傾斜角θｒで傾斜し、かつノズル翼１の下流端側１ｄの根元端部１ｃが、ロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対して傾斜角γｒで湾曲したものであり、他の構成は図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００５５】
図５及び図６に示す本発明の第４の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５６】
本実施の形態においては、図５に示すように、ノズル内周壁面３を包絡する円の径が下流に向かって連続的に大きくなるように、一定の傾斜角θｒで傾斜しているため、動翼ノズル３２に達する二次流れを抑制することができる。また図６に示すように、ノズル翼１の下流端側１ｄの根元端部１ｃが、ロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対して傾斜角γｒで湾曲しているため、動翼ノズル３２に達する二次流れを抑制することができる。
【００５７】
このように、ノズル内周壁面３の傾斜角θｒと、ノズル翼１の傾斜角γｒの２重の効果によって、動翼ノズル３２に達する二次流れが抑制されているため、本実施の形態においてロータ１３の中心軸Ｃからノズル内周壁面３の下流端部３ｃまでの距離を引いた値δｒを、第２の実施の形態において示した式（３）と、第３の実施の形態において示した式（４）とを反映させた、
ＡＸｒ×(3.33×Ｌｒ×Ｈ1/6−tan(0.2×γｒ) −tanθｒ)≦
δｒ≦ＡＸｒ×(12.5×Ｌｒ×Ｈ1/6−tan(0.2×γｒ) −tanθｒ)  …式（５）
の関係を満たすように調整することで、タービン効率を向上させることができる。
【００５８】
第５の実施の形態
次に図６及び図７により本発明の第５の実施の形態について説明する。図６及び図７により本発明の第５の実施の形態において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５９】
図６及び図７に示すように、ノズル外周壁面２は下流へ傾斜角θtで傾斜し、ノズル翼１の下流端側１ｄの先端部１ｅは、ロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対して傾斜角γｔで湾曲し、タービンノズル３１のノズル翼先端１ｂ側に形成されたノズル外周壁面２の下流端部２ｅは、タービン動翼３２の動翼先端５ｂ側に形成された動翼外周壁面７よりもロータ１３の中心軸Ｃから遠い位置に設けられている。
【００６０】
このため、ノズル外周壁面２近傍で形成された二次流れ９はシュラウド２０の側面に衝突するので、二次流れ９をダイアフラム外輪１７とシュラウド２０との間隙から排出し逃がすことで、二次流れ９がタービン動翼３２に流入することを防ぐことができる
【００６１】
このため、タービン動翼３２には均一な流れのみを流入させることができ、軸流タービンのタービン効率が低下することを防ぐことができる。
【００６２】
また図７に示すように、ノズル翼１の先端１ｂにおける円周方向の断面形状のコード長Ｌｔと、ノズル翼１の高さＨと、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル外周壁面２の下流端部２ｅまでの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼外周壁面７までの距離を引いた値δtを、
０.０５×Ｌｔ×Ｈ１/６≦δt≦０.２２×Ｌｔ×Ｈ１/６  …式（６）
の関係を満たすように調整することによって、第１の実施の形態で示した式（１）と同様、タービン効率を向上させることができる。
【００６３】
式（６）において、タービン効率を向上させることができるδtの範囲が、式（１）と比べ広くなっているが、その理由について説明する。
【００６４】
タービンノズル３１を通過した流れは、旋回流れとなり、この旋回流れに働く遠心力と釣り合うためのタービンノズル３１下流側における静圧は、旋回の中心に向かって小さくなる。ここで、流体の密度ρ、静圧ｐ、旋回中心の半径ｒ、流れの旋回の分速度Cuは、１/ρ×ｄｐ/ｄｒ=Cu２/ｒ（式（１１））の関係になっている。
【００６５】
ノズル翼先端１ｂでは、ノズル翼根元１ａに比べ旋回中心の半径が大きいため、１/ρ×ｄｐ/ｄｒ=Cu２/ｒ（式（１１））より、ノズル翼先端１ｂにおける静圧もノズル翼根元１ａに比べて大きくなる。このため、ノズル翼先端１ｂにおける作業流体の流出する流出速度は、ノズル翼根元１ａに比べ小さくなる。
【００６６】
このように流出速度が小さくなると、ノズル外周壁面２近傍の粘性による影響を受けやすくなり、境界層が厚くなって、ノズル翼１の高さＨに対する二次流れ９の範囲の割合が増加する。
【００６７】
このため、ノズル翼先端１ｂにおける、タービン効率が低下することを防止することのできるδtの範囲は、ノズル翼根元１ａに比べ大きくなる。
【００６８】
また図７において、ノズル翼１の下流端側１ｄからタービン動翼３２までの距離が離れると、タービンノズル３１内部で発生した二次流れ９が成長し、拡散する。このため、ノズル翼１の高さＨに対する二次流れ９の割合も増加するので、δｔもノズル翼１の下流端側１ｄから、動翼根元５ａの上流端部５ｃまでの水平距離ＡＸｔによる影響を受ける。
【００６９】
このため、ノズル翼１の先端１ｂにおける円周方向の断面形状のコード長Ｌｔと、ノズル翼１の高さＨと、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル外周壁面２の下流端部２ｅまでの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼外周壁面７までの距離を引いた値δtと、ノズル翼１の下流端側１ｄから、動翼先端５ｂの上流端部５ｅまでの水平距離AXtは、
４.１７×Ｌｔ×Ｈ１/６×AXt≦δt≦１８.３３×Ｌｔ×Ｈ１/６×AXt  …式（７）
の関係を満たすようにすることによって、タービン効率を向上させることができる。
【００７０】
また図７において、ノズル翼先端１ｂを通過する作動流体ＳＴは、タービンノズル３１のノズル外周壁面２に沿って流れる。このため、動翼ノズル３２に達する二次流れを抑制することができ、ノズル外周壁面２における下流側への傾斜角θtと、ノズル翼先端１ｂの先端部１ｅから動翼先端５ｂの上流端部５ｅまでの水平距離AXtとによって、タービン動翼３２に作動流体ＳＴが到達する位置が変化させることができる。
【００７１】
また図６に示すように、本実施の形態のノズル翼１の下流端側１ｄの先端部１ｅは、ロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対して湾曲しているため、湾曲したノズル翼１の中央部１ｔからノズル翼先端１ｂ側の外周壁面に向かって押圧力が与えられる。このため、境界層の発達を抑制することができ、境界層の発達に伴う二次流れ９が成長することを抑制することができる。
【００７２】
また、タービンノズル３１を流れる作動流体ＳＴには、ノズル翼先端１ｂ側の外周壁面方向に向かって押圧力が与えられているため、ロータ１３の中心軸Ｃ方向に向かって作動流体ＳＴの角度が変化する。
【００７３】
これらのことを考慮して、ロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対するノズル翼１の下流端側１ｄの先端部１ｅの傾斜角γtと、ノズル外周壁面２における下流側への傾斜角θtと、ノズル翼１の先端における円周方向の断面形状のコード長Ｌｔと、ノズル翼高さＨと、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル外周壁面２の下流端部２ｅまでの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼外周壁面５ｂまでの距離を引いた値δtと、ノズル翼１の下流端側１ｄから、動翼先端の上流端部５ｅまでの水平距離AXtは、
AXt×(4.17×Ｌｔ×Ｈ1/6−tan(0.3×γt)−tanθt)≦
δt≦AXt×(18.33×Ｌｔ×Ｈ1/6−tan(0.3×γt)−tanθt)  …式（１０）
の関係を満たすように調整することで、タービン効率の低下を防ぐことができる。なお、図７に示すように、軸流タービンの下流に向かって、軸流タービンのロータ１３の中心軸Ｃから離れる方向に外周壁面が傾斜する角度を正の角度と定義する。
【００７４】
なお、ノズル翼１の下流端側１ｄの先端部１ｅが、ロータ１３の中心軸Ｃと下流端側１ｄの両端１ｃ，１ｅとを通る基準線Ｅに対して傾斜していない場合には、ノズル翼１の傾斜角γtの効果を考慮しなくてよい。このため、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル外周壁面２の下流端部２ｅまでの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼外周壁面５ｂまでの距離を引いた値δtを、式（１０）からノズル翼１の傾斜角γtによる効果の部分を取り除いた
AXt×(４.１７×Ｌｔ×Ｈ１/６−tanθt)≦δt≦AXt×(１８.３３×Ｌｔ×Ｈ１/６−tanθt)  …式（８）
の関係を満たすように調整することで、タービン効率の低下を防ぐことができる。
【００７５】
一方、ノズル外周壁面２が下流側への傾斜していない場合には、ノズル外周壁面２の傾斜角θｔの効果を考慮しなくてよい。このため、ロータ１３の中心軸Ｃからノズル外周壁面２の下流端部２ｅまでの距離から、ロータ１３の中心軸Ｃから動翼外周壁面５ｂまでの距離を引いた値δtを、式（１０）からノズル外周壁面２の傾斜角θｔによる効果の部分を取り除いた
AXt×(４.１７×Ｌｔ×Ｈ１/６−tan(０.３×γt))≦
δt≦AXt×(１８.３３×Ｌｔ×Ｈ１/６−tan(０.３×γt)  …式（９）
の関係を満たすように調整することで、タービン効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明による軸流タービンの第１の実施の形態を示す側方断面図。
【図２】第１の実施の形態におけるノズル翼の形状とレイノルズ数との関係を説明するための概略図。
【図３】ノズル翼の高さとノズル翼下流端側のレイノルズ数との関係を示す説明図。
【図４】ロータの中心軸から動翼内周壁面までの距離から、ロータの中心軸からノズル内周壁面までの距離を引いた値δｒと、タービン効率との関係を示す説明図。
【図５】本発明による軸流タービンの第２の実施の形態を示す側方断面図。
【図６】本発明による軸流タービンの第２の実施の形態におけるタービンノズルを示す斜視図。
【図７】本発明による軸流タービンの第３の実施の形態を示す側方断面図。
【図８】本発明による軸流タービンの第１の実施の形態におけるδｒが大きい場合のノズル翼の高さとノズル損失との関係を示す図。
【図９】本発明による軸流タービンの第１の実施の形態におけるδｒが小さい場合のノズル翼の高さとノズル損失との関係を示す図。
【図１０】本発明による軸流タービンの第１の実施の形態におけるＲｅ数の大きさに対するノズル翼の高さとノズル損失との関係を示す図。
【図１１】従来の軸流タービンを示す側方断面図。
【図１２】従来の軸流タービンの二次流れを説明するための斜視図。
【符号の説明】
【００７７】
１    ノズル翼
２    ノズル外周壁面
３    ノズル内周壁面
５    動翼
６    動翼内周壁面
７    動翼外周壁面
１２  タービンケーシング
１３  ロータ
１６  ダイアフラム内輪
１７  ダイアフラム外輪
１９  動翼植込部
２０  シュラウド
２１  ロータ
２２  バランスホール
３１  タービンノズル
３２  タービン動翼
【図１】
2007154816.tif 000003
【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】
2007154816.tif 000009
【図８】
2007154816.tif 000010
【図９】
2007154816.tif 000011
【図１０】
2007154816.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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