(57)【要約】【課題】  軸流タービンの全体性能（タービン効率）を向上させることができる軸流タービンの静翼、動翼ならびにこれらの静翼および動翼を備えた軸流タービンを提供すること。【解決手段】  各静翼３は後縁３ｃが周方向翼腹側面に突き出るよう湾曲して形成され、周方向翼根元ピッチｔｓに対する翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが増加するにつれて当該周方向翼根元ピッチｔｓに対する後縁３ｃの周方向突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが減少するよう各静翼３の形状が設定され、各動翼５は後縁５ｃが周方向翼腹側面に突き出るよう湾曲して形成され、周方向翼根元ピッチｔｒに対する翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが増加するにつれて当該周方向翼根元ピッチｔｒに対する後縁５ｃの周方向突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが減少するよう各動翼５の形状が設定されている。【選択図】  図３
2007056824.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状流路内に複数段設けられた、軸流タービンの静翼において、
各静翼は、後縁が周方向翼腹側に突き出るよう湾曲して形成され、
前記各静翼の周方向翼根元ピッチをｔｓ、前記各静翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量をδｃｓ、前記各静翼の翼高さをＨｓとしたとき、静翼の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼の翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが増加するにつれて当該静翼の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが減少するよう各静翼の形状が設定されていることを特徴とする軸流タービンの静翼。
【請求項２】
各静翼は、下記式を満たすようその形状が設定されていることを特徴とする請求項１記載の軸流タービンの静翼。
δｃｓ／ｔｓ＝Ｃｓ×（Ｈｓ／ｔｓ）−βｓ
（ただし、Ｃｓは０以上０．５以下の定数、βｓは０．３以上１．２以下の定数とする。）
【請求項３】
環状流路内に複数段設けられた、軸流タービンの動翼において、
各動翼は、後縁が周方向翼腹側に突き出るよう湾曲して形成され、
前記各動翼の周方向翼根元ピッチをｔｒ、前記各動翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量をδｃｒ、前記各動翼の翼高さをＨｒとしたとき、動翼の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼の翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが増加するにつれて当該動翼の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが減少するよう各動翼の形状が設定されていることを特徴とする軸流タービンの動翼。
【請求項４】
各動翼は、下記式を満たすようその形状が設定されていることを特徴とする請求項３記載の軸流タービンの動翼。
δｃｒ／ｔｒ＝Ｃｒ×（Ｈｒ／ｔｒ）−βｒ
（ただし、Ｃｒは０以上０．５以下の定数、βｒは０．３以上１．２以下の定数とする。）
【請求項５】
請求項１および２のいずれかに記載の軸流タービンの静翼と、請求項３および４のいずれかに記載の軸流タービンの動翼とを備えた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、静翼および動翼を備えた軸流タービンに関し、特に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、発電プラントに用いられる軸流タービンは、環境問題や省エネルギーの観点より、信頼性の確保および高効率化が重要な課題となっている。
【０００３】
一般的な軸流タービンを、図１に示す蒸気タービンを例にとり説明する。図１は、蒸気タービンの軸方向断面を概略的に示したものである。
【０００４】
回転軸（タービンロータ）４には、この軸と一体的に円盤状のロータディスク４ａが軸方向に予め決められた間隔をもって複数枚設けられている。また、これらのロータディスク４ａの周方向には通常数十枚の動翼５が決められた間隔で植設されている。また、動翼５の先端部には、振動防止などのためにシュラウド６が設けられている。
【０００５】
一方、各ロータディスク４ａおよび動翼５の間には、タービンケーシング９で支持された静翼外輪１および静翼内輪２に挟持された静翼３が配設されている。そして、これらの静翼３および動翼５を一対としてタービン段落を形成しており、蒸気タービン設備は、これらのタービン段落を回転軸４の軸方向に複数段設けることにより構成されている。
【０００６】
作動流体としての蒸気は、これらの段落（静翼３および動翼５）で形成された環状流路Ｐ内を流通（図中左から右へ）する。そして、静翼により流れの方向を変えられた蒸気が動翼内を流れることにより、その運動エネルギが動翼の回転エネルギに変換されつつ順次段落内を流通する。回転エネルギを得た回転軸４は、図示しない発電機を回し発電を行うとともにエネルギを失った蒸気は最終段落より排気される。
【０００７】
このように、作動流体は発電を行う際のエネルギ源であり、作動流体の有するエネルギを全て回転軸４の回転エネルギに変換させるのが理想である。しかしながら、回転する回転軸４および動翼５と静止している静翼３（およびタービンケーシング９）との間には物理的な隙間が必要であるが、ここを流通する作動流体は、動翼５を通過しないため、回転軸４の回転エネルギに寄与しないことになる。そのため、この間隙を通過する作動流体をできるだけ減少させることが必須であり、その低減を目的として、前記動翼の先端（シュラウド６）と静翼外輪１との間、静翼内輪２と回転軸４との間には、それぞれラビリンスフィン７、８を設け、ここを通過する作動流体の減少を図っている。
【０００８】
次に、軸流タービン５０の通路部において発生する損失について説明する。タービン通路部で発生する損失は、静翼５３や動翼５５の翼形状に起因する翼型損失と、静翼５３や動翼５５の翼内外端壁部（５３ａ、５３ｂ、５５ａ、５５ｂ近傍の壁部）に発生する二次損失と、ラビリンスフィン７とシュラウド６との間の間隙から蒸気が漏洩することにより発生するチップ漏洩損失と、ラビリンスフィン８と回転軸４との間の間隙から蒸気が漏洩することにより発生するラビリンス漏洩損失とに分類される。
【０００９】
従来より、とりわけ静翼５３や動翼５５の翼内外端壁部に発生する二次損失の低減を目的として、静翼５３や動翼５５を、その後縁５３ｃ、５５ｃが周方向に突き出るよう湾曲させて形成したり（例えば、特許文献１、２参照）、図８に示すように、周方向翼根元ピッチをｔ、後縁の周方向突き出し量をδｃとしたときに、翼枚数や翼高さＨの大小にかかわらず割合δｃ／ｔが一定となるよう静翼５３や動翼５５の設計を行ったりする方法等が知られている（例えば、特許文献３参照）。
静翼５３や動翼５５において割合δｃ／ｔを一定とすることにより、翼出口の流体流出角分布を翼枚数や翼高さＨの大小にかかわらず同等のものとすることができ、３次元設計翼の損失低減効果を十分に発揮させることができる。
【００１０】
【特許文献１】特開平３−１８９３０４号公報
【特許文献２】特開平６−８１６０３号公報
【特許文献３】特許第３３９７５９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
軸流タービン５０の通路部において発生する損失は、上述のように翼型損失、二次損失および漏洩損失に分類される。このうち漏洩損失は他の損失に比べて非常に小さいため無視してもよい。上記各損失の中でも翼形状に起因する翼型損失は翼列性能全般に影響を及ぼすため、翼型損失の小さな翼列群を用いることにより、軸流タービン全体の性能向上を行うことができる。
図９（ａ）（ｂ）に、翼列風洞試験により得られた静翼５３の翼型幾何形状と翼型損失との関係を示す。翼型損失を定める大きなパラメータとしては、隣り合う静翼５３間の周方向距離ピッチｔ、翼長さコードｌおよび流体流出角αが挙げられる。また、静翼５３の翼型幾何形状の無次元パラメータとして翼長さコードｌに対する周方向距離ピッチｔの割合ｔ／ｌ（以下、ピッチ／コード比ともいう。）が用いられる。また、図９（ｂ）に示すグラフのパラメータとして流体流出角αが用いられる。この流体流出角αは翼負荷と密接に関係し、図９（ｂ）に示すように流体流出角αが小さくなればなるほど翼負荷が大きくなる。ここで、図９（ｂ）に示すように静翼５３の翼列の特性は、翼負荷が大きくなればなるほど（流体流出角αが小さくなればなるほど）、翼型損失が大きくなる。そして、負荷の大きさが同じである場合、すなわち、流体流出角αの大きさが同じである場合には、翼型損失が極小値となる固有のピッチ／コード比（ｔ／ｌ）が存在し、実際のピッチ／コード比がこの固有のピッチ／コード比より大きい場合でも小さい場合でも翼型損失が増加することとなる。
【００１２】
一方、二次損失は静翼５３、動翼５５の翼内外端壁部（５３ａ、５３ｂ、５５ａ、５５ｂ近傍の壁部）に発生する損失である。二次損失を定める大きな幾何学パラメータとしては翼長さコードｌに対する翼高さＨの割合、すなわち翼高さ／翼長さコード比（Ｈ／ｌ、アスペクト比ともいう。）が挙げられる。図１０（ａ）（ｂ）に、アスペクト比と二次損失の大きさとの関係を表すグラフを示す。図１０（ｂ）のグラフにおける実線部分は、翼長さコードｌを一定として翼高さＨを変化させてアスペクト比を変えた場合の当該アスペクト比と二次損失との関係を表している。一方、図１０（ｂ）のグラフにおける破線部分は、翼高さＨを一定として翼長さコードｌを変化させてアスペクト比を変えた場合の当該アスペクト比と二次損失との関係を表している。なお、図１０（ａ）（ｂ）における翼高さＨおよび翼長さコードｌの単位はｉｎｃｈ（インチ）である。
図１０（ｂ）のグラフに示すように、翼高さＨを変化させた場合のほうが翼長さコードｌを変化させた場合よりも二次損失が大きく変化することがわかる。しかも、アスペクト比が小さい場合において、二次損失の増減が顕著となる。
【００１３】
一般的な軸流タービンにおいては、入口側において圧力を数百ｋｇ／ｃｍ２とし、排気側において真空に近い状態まで圧力を低下させることにより、排気側の蒸気比容積は入口側の蒸気比容積に対して数千倍の大きさとなる。このことは、入口側から排気側に向かって翼高さＨが大きくなるよう構成されることを示しており、一般的な軸流タービンにおいては、入口側の翼高さが数十ｍｍであるのに対し排気側の翼高さは８００〜１０００ｍｍ程度となっている。
【００１４】
静翼列における翼型損失と二次損失との関係について図１１のグラフを用いて説明する。図１１のグラフにおいて、横軸は翼高さ比（ｈ／Ｈ）、縦軸は損失係数を示す。また、破線部分は翼型損失を表し、斜線領域は二次損失を表し、実線部分は翼型損失と二次損失との和である翼列全損失を表している。
前述のように、静翼５３の幾何学的形状と各損失との相関関係により、静翼５３の周方向距離ピッチｔに対するスロートｓの割合ｓ／ｔが小さくなればなるほど翼型損失は増大しており、一方、図１０に示すようにアスペクト比（Ｈ／ｌ）が小さくなればなるほど二次損失は増大するようになっている。また、軸流タービンを構成する翼は入口側において翼高さが数十ｍｍであるのに対し排気側の翼高さは８００〜１０００ｍｍ程度と大きく変化し、アスペクト比も１程度から７〜８程度まで変化することにより、二次損失は入口側から排気側にかけて減少することとなる。
【００１５】
例えば前述の特許文献３に示す軸流タービンにおいて、静翼や動翼の３次元設計を行うことにより、翼半径方向の負荷を変化させて翼内外端壁部に発生する二次損失の低減を行っている。さらに、軸方向に複数段で構成されるタービン段落群の各々の翼半径方向負荷分布（流体流出角分布）を一定とするために、翼高さや翼ピッチの大小にかかわらず、周方向翼根元ピッチｔに対する翼の後縁の周方向突き出し量δｃの割合δｃ／ｔを一定としている。図１２、図１３に特許文献３に示す従来の３次元設計翼の翼高さ方向（Ｓｐａｎ）を横軸とした流体流出角αの分布を表すグラフを示す。図１２、図１３のグラフに示すように、周方向翼根元ピッチｔに対する翼の後縁の周方向突き出し量δｃの割合δｃ／ｔを一定とすることにより、翼高さＨの大きさによらず流体流出角αはほぼ同等の分布となる。
【００１６】
しかしながら、従来の軸流タービンにおいては、直列に設けられた複数の段落からなる軸流タービンの各段落の流体流出角分布（α）を一定に保つことによりタービン全体の性能の最適化を図ることは困難である。このことについて以下に詳しく説明する。
翼列の全損失は翼型損失と二次損失との和により表されるが、従来の３次元設計翼は二次損失低減のために翼中央部にて負荷を大きく（流体流出角αを小さく）翼内外端壁部において負荷を小さく（流体流出角αを大きく）している。これは、図９のグラフに示す翼型損失でみると翼中央部においては流体流出角αが小さくなるために翼型損失が大きくなり、翼内外端壁部においては流体流出角αが大きくなるために翼型損失が小さくなることを示している。
また、二次損失は翼内外端壁部における負荷が小さくなるために低減されるが、翼列全体の性能でみると翼中央部において増加した翼型損失と翼内外端壁部において低減した二次損失との比較により決定される。
【００１７】
軸流タービンにおいて翼列全体の性能を向上させるためには、翼中央部における翼型損失の増加量よりも二次損失の低減量を大きくする必要がある。前述のように、この二次損失は、アスペクト比が大きくなると反比例して小さくなり（図１０参照）、とりわけ、翼高さが大きくなるにしたがって二次損失が低減するようになっている。軸流タービンを構成するタービン段落のアスペクト比は入口側に対して排気側が７〜８倍にも大きくなるために、各段における二次損失および翼型損失の全損失に占める割合は大きく変化する。
【００１８】
図７に、軸流タービン翼列における比アスペクト比と各損失との関係を表すグラフを示す。図７のグラフにおいて、横軸は入口側翼列のアスペクト比を基準とした比アスペクト比を示し、縦軸に入口側翼列全損失を１とした場合の損失割合である比翼列損失を示す。図７のグラフ中において破線部分は二次損失比を示し、一点鎖線は翼型損失比を示す。図７に示すように、入口側翼列に対する排気側翼列の全損失の割合は、排気側において入口側の約３０％程度となる。翼型損失は比アスペクト比とはほとんど関係なく全ての翼列において一定の大きさで発生するが、二次損失は比アスペクト比が大きくなるに従って（とりわけ翼高さが大きくなるに従って）減少する。比アスペクト比が小さい場合（入口側に近いタービン段落）は二次損失量が翼型損失量を上回り、排気側に向かうにつれて二次損失量は大きく減少し、翼列全損失の大部分が翼型損失となる。
【００１９】
このように、従来の軸流タービンの３次元設計翼においては、翼中央部における負荷を増加させ、翼内外端壁部における負荷を減少させることにより二次損失を低減し、翼列全体の性能を向上させ、かつ周方向翼根元ピッチｔに対する翼の後縁の周方向突き出し量δｃの割合δｃ／ｔを一定とすることにより、どの段落でも翼半径方向負荷分布を同等のものとしている。しかしながら、図７のグラフに示すように、入口側よりも排気側に向かって二次損失が減少するために、翼半径方向負荷分布をどの段落でも同等のものとすると、アスペクト比の大きな段落においては翼中央部における翼型損失が増加するために翼列全損失が増加するという問題がある。
【００２０】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、軸流タービンの全体性能（タービン効率）を向上させることができる軸流タービンの静翼、動翼ならびにこれらの静翼および動翼を備えた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】
【００２１】
本発明は、環状流路内に複数段設けられた、軸流タービンの静翼において、各静翼は、後縁が周方向翼腹側に突き出るよう湾曲して形成され、前記各静翼の周方向翼根元ピッチをｔｓ、前記各静翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量をδｃｓ、前記各静翼の翼高さをＨｓとしたとき、静翼の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼の翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが増加するにつれて当該静翼の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが減少するよう各静翼の形状が設定されていることを特徴とする軸流タービンの静翼である。
このような軸流タービンの静翼によれば、静翼の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼の翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが増加するにつれて当該静翼の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが減少するよう各静翼の形状が設定されているので、各段落毎の静翼において最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービンの全体性能を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明は、環状流路内に複数段設けられた、軸流タービンの動翼において、各動翼は、後縁が周方向翼腹側に突き出るよう湾曲して形成され、前記各動翼の周方向翼根元ピッチをｔｒ、前記各動翼の後縁の周方向突き出し量をδｃｒ、前記各動翼の翼高さをＨｒとしたとき、動翼の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼の翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが増加するにつれて当該動翼の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが減少するよう各動翼の形状が設定されていることを特徴とする軸流タービンの動翼である。
このような軸流タービンの動翼によれば、動翼の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼の翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが増加するにつれて当該動翼の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが減少するよう各動翼の形状が設定されているので、各段落毎の動翼において最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービンの全体性能を向上させることができる。
【００２３】
本発明は、上記の軸流タービンの静翼と、上記の軸流タービンの動翼とを備えたことを特徴とする軸流タービンである。
このような軸流タービンによれば、上述のように形状が設定された静翼および動翼を備えているので、各段落毎の静翼および動翼において共に最適な負荷分布を形成することが可能となり当該軸流タービンの全体性能をより確実に向上させることができる。
【００２４】
本発明の軸流タービンの静翼においては、各静翼は、下記式を満たすようその形状が設定されていることが好ましい。
δｃｓ／ｔｓ＝Ｃｓ×（Ｈｓ／ｔｓ）−βｓ
（ただし、Ｃｓは０以上０．５以下の定数、βｓは０．３以上１．２以下の定数とする。）
また、本発明の軸流タービンの動翼においては、各動翼は、下記式を満たすようその形状が設定されていることが好ましい。
δｃｒ／ｔｒ＝Ｃｒ×（Ｈｒ／ｔｒ）−βｒ
（ただし、Ｃｒは０以上０．５以下の定数、βｒは０．３以上１．２以下の定数とする。）
このような軸流タービンの静翼または動翼によれば、各々、各段落毎に、より精度良く最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービンの全体性能をより向上させることができる。
【００２５】
本発明の軸流タービンにおいては、上記式を満たす軸流タービンの静翼と、上記式を満たす軸流タービンの動翼とを備えたことが好ましい。
このような軸流タービンによれば、上述のように形状が設定された静翼および動翼を備えているので、各段落毎の静翼および動翼において共により精度良く最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービンの全体性能をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の軸流タービンの静翼によれば、静翼の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼の翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが増加するにつれて当該静翼の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが減少するよう各静翼の形状が設定されているので、各段落毎の静翼において最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービンの全体性能を向上させることができる。
【００２７】
また、本発明の軸流タービンの動翼によれば、動翼の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼の翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが増加するにつれて当該動翼の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼の後縁の周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが減少するよう各動翼の形状が設定されているので、各段落毎の動翼において最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービンの全体性能を向上させることができる。
【００２８】
また、本発明の軸流タービンによれば、上述のように形状が設定された静翼および動翼を備えているので、各段落毎の静翼および動翼において共に最適な負荷分布を形成することが可能となり当該軸流タービンの全体性能をより確実に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図７は、本発明による軸流タービンの実施の形態を示す図である。このうち、図１は、軸流タービンの構成を示す断面図であり、図２は、本実施の形態の軸流タービンの静翼の構成を示す図１のＡ−Ａ矢視図であり、図３は、図２の軸流タービンの静翼における割合δｃｓ／ｔｓと割合Ｈｓ／ｔｓとの関係を示すグラフであり、図４は、図２の軸流タービンの静翼における割合δｃｓ／ｔｓと軸流タービンの運転効率の偏差△ηとの関係を示すグラフである。また、図５は、本実施の形態の軸流タービンの動翼の構成を示す図１のＢ−Ｂ矢視図であり、図６は、図５の軸流タービンの動翼における割合δｃｒ／ｔｒと割合Ｈｒ／ｔｒとの関係を示すグラフであり、図７は、軸流タービンの静翼における比アスペクト比と比翼列損失との関係を示すグラフである。
【００３０】
一般的な軸流タービンを、図１に示す蒸気タービンを例にとり説明する。図１は、蒸気タービンの軸方向断面を概略的に示したものである。
【００３１】
回転軸（タービンロータ）４には、この軸と一体的に円盤状のロータディスク４ａが軸方向に予め決められた間隔をもって複数枚設けられている。また、これらのロータディスク４ａの周方向には通常数十枚の動翼５が決められた間隔で植設されている。また、動翼５の先端部には、振動防止などのためにシュラウド６が設けられている。
【００３２】
一方、各ロータディスク４ａおよび動翼５の間には、タービンケーシング９で支持された静翼外輪１および静翼内輪２に挟持された静翼３が配設されている。そして、これらの静翼３および動翼５を一対としてタービン段落を形成しており、蒸気タービン設備は、これらのタービン段落を回転軸４の軸方向に複数段設けることにより構成されている。
【００３３】
作動流体としての蒸気は、これらの段落（静翼３および動翼５）で形成された環状流路Ｐ内を流通（図中左から右へ）する。そして、静翼により流れの方向を変えられた蒸気が動翼内を流れることにより、その運動エネルギが動翼の回転エネルギに変換されつつ順次段落内を流通する。回転エネルギを得た回転軸４は、図示しない発電機を回し発電を行うとともにエネルギを失った蒸気は最終段落より排気される。
【００３４】
このように、作動流体は発電を行う際のエネルギ源であり、作動流体の有するエネルギを全て回転軸４の回転エネルギに変換させるのが理想である。しかしながら、回転する回転軸４および動翼５と静止している静翼３（およびタービンケーシング９）との間には物理的な隙間が必要であるが、ここを流通する作動流体は、動翼５を通過しないため、回転軸４の回転エネルギに寄与しないことになる。そのため、この間隙を通過する作動流体をできるだけ減少させることが必須であり、その低減を目的として、前記動翼の先端（シュラウド６）と静翼外輪１との間、静翼内輪２と回転軸４との間には、それぞれラビリンスフィン７、８を設け、ここを通過する作動流体の減少を図っている。
【００３５】
次に、軸流タービン１０の静翼について図２乃至図４を用いて詳述する。
図２に示すように、各静翼３は、後縁３ｃが周方向の翼腹側面側に突き出るよう湾曲して形成されている。ここで、各静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量をδｃｓ、各静翼３の翼高さ（静翼外輪１と静翼内輪２との間の距離）をＨｓ、隣り合う２つの静翼３の周方向翼根元ピッチをｔｓとする。
【００３６】
各静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量をδｃｓと、この静翼３の翼高さＨｓと、静翼３の周方向翼根元ピッチｔｓとの関係について図３および図４を用いて説明する。
図３のグラフにおいて、横軸は静翼３の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓを示し、縦軸は静翼３の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼３の翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓを示している。また、図４のグラフにおいて、横軸は前述の割合δｃｓ／ｔｓを示し、縦軸は３次元設計が行われていない軸流タービンの運転効率に対する本実施の形態の軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηを示している。ここで、３次元設計が行われていない軸流タービンとは、各静翼３において後縁３ｃが周方向に突き出ていないような軸流タービンのことをいう。なお、図４のグラフにおいて、ラインＡ、Ｂ、ＣのうちラインＡにおいて割合Ｈｓ／ｔｓの値が最も大きく、ラインＣにおいて割合Ｈｓ／ｔｓの値が最も小さくなっている。
【００３７】
図４のグラフにおいて、３次元設計が行われていない場合の軸流タービンに対する本実施の形態の軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηを大きくすることにより、本実施の形態の軸流タービン１０の良好な運転効率が得られる。ここで、軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηを極大値とする場合には、図４のグラフにより、割合Ｈｓ／ｔｓの値を小さくするに従って割合δｃｓ／ｔｓの値が徐々に大きくなる。このように軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηを極大値とする場合の、割合Ｈｓ／ｔｓと割合δｃｓ／ｔｓとの関係を示したのが図２のグラフである。
【００３８】
すなわち、軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηを極大値とする場合には、図３に示すように、静翼３の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼３の翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが増加するにつれて当該静翼３の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが減少するようになる。
さらに、図２に示すように、割合Ｈｓ／ｔｓおよび割合δｃｓ／ｔｓは下記の関係式（１）を満たすようになる。
δｃｓ／ｔｓ＝Ｃｓ×（Ｈｓ／ｔｓ）−βｓ      ・・・式（１）
なお、式（１）において、Ｃｓは０以上０．５以下の定数、βｓは０．３以上１．２以下の定数である。
【００３９】
次に、軸流タービン１０の動翼について図５および図６を用いて詳述する。
図５に示すように、各動翼５は、後縁５ｃが周方向の翼腹側面側に突き出るよう湾曲して形成されている。ここで、各動翼５の後縁５ｃの周方向の翼腹側面へ突き出し量をδｃｒ、各動翼５の翼高さをＨｒ、隣り合う２つの動翼５の周方向翼根元ピッチをｔｒとする。
【００４０】
各動翼５の後縁５ｃの周方向の翼腹側面への突き出し量をδｃｒと、この動翼５の翼高さＨｒと、この動翼５の周方向翼根元ピッチｔｒとの関係について図６を用いて説明する。
図６のグラフにおいて、横軸は動翼５の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼５の後縁５ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒを示し、縦軸は動翼５の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼５の翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒを示している。
【００４１】
静翼の場合と同様に、３次元設計が行われていない軸流タービンに対する本実施の形態の軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηを極大値とした場合には、割合Ｈｒ／ｔｒの値を小さくするに従って割合δｃｒ／ｔｒの値が徐々に大きくなる。軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηを極大値とした場合の割合Ｈｒ／ｔｒと割合δｃｒ／ｔｒとの関係を示したのが図６のグラフである。
【００４２】
図６に示すように、動翼５の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼５の翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが増加するにつれて当該動翼５の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼５の後縁５ｃの周方向翼腹側面側への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが減少するようになる。
さらに、図６に示すように、割合Ｈｒ／ｔｒおよび割合δｃｒ／ｔｒは下記の関係式（２）を満たすようになる。
δｃｒ／ｔｒ＝Ｃｒ×（Ｈｒ／ｔｒ）−βｒ      ・・・式（２）
なお、式（２）において、Ｃｒは０以上０．５以下の定数、βｒは０．３以上１．２以下の定数である。
【００４３】
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説明する。
図１に示す軸流タービン１０において、環状流路Ｐに作動流体が右方向に流れると、この作動流体が静翼３および動翼５を通って回転軸４、ロータディスク４ａを回転させ、このことにより作動流体の持つエネルギーが回収されて動力が得られる。
【００４４】
この際に、各静翼３において、周方向翼根元ピッチｔｓに対する翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが減少すると、この周方向翼根元ピッチｔｓに対する当該静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが増加し、図４に示すように三次元設計が行われていない軸流タービンに対する本実施の形態の軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηも大きくなっている。
このことについて図７を用いて詳述する。図７は、軸流タービン１０の静翼における比アスペクト比と比翼列損失との関係を示すグラフである。ここで、比アスペクト比とは、各段落毎の静翼３のアスペクト比（翼高さＨｓ／翼長さコードｌｓ、図１０（ａ）参照）を入口側の静翼のアスペクト比で割った値のことをいう。
【００４５】
軸流タービン１０の静翼の翼列の全損失は翼型損失と二次損失との和によって決まる。図７に示すように、静翼３の翼高さＨｓが小さい場合には比アスペクト比も小さくなり二次損失の翼列損失全体に占める割合が大きくなる。このため、半径方向翼負荷分布を中央部で増加させることにより（すなわち、静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓを増加させることにより）、翼内外端壁部にて損失を減少させることができ、二次損失を低減させて翼列の全体性能を向上させることができる。
一方、静翼３の翼高さＨｓが大きい場合には比アスペクト比も大きくなり二次損失の翼列損失全体に占める割合が小さくなる。このため、静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓを増加させて翼内外端壁部にて損失を減少させても大幅な二次損失の低減を行うことができず、逆に翼中央部にて増加した負荷のために翼型損失が増加し、翼列の全体性能が低下してしまう。
このように、静翼３の翼高さＨｓによって、各段落で翼列の全体性能が最適となる静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓが変化することとなる。このため、図３のグラフに示すように、周方向翼根元ピッチｔｓに対する翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが増加するにつれて、周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが減少するよう各静翼３の形状を設定することにより、各段落毎の静翼３において最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービン１０の全体性能を向上させることができる。
【００４６】
同様に、各動翼５において、周方向翼根元ピッチｔｒに対する翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが減少すると、この周方向翼根元ピッチｔｒに対する当該動翼５の後縁５ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが増加し、三次元設計が行われていない軸流タービンに対する本実施の形態の軸流タービン１０の運転効率の偏差△ηも大きくなっている。
このことについて静翼群の場合と同様に詳述する。
【００４７】
軸流タービン１０の動翼の翼列の全損失は翼型損失と二次損失との和によって決まる。静翼の場合と同様に、動翼５の翼高さＨｒが小さい場合には比アスペクト比も小さくなり二次損失の翼列損失全体に占める割合が大きくなる。このため、半径方向翼負荷分布を中央部で増加させることにより（すなわち、動翼５の後縁５ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒを増加させることにより）、翼内外端壁部にて損失を減少させることができ、二次損失を低減させて翼列の全体性能を向上させることができる。
一方、動翼５の翼高さＨｒが大きい場合には比アスペクト比も大きくなり二次損失の翼列損失全体に占める割合が小さくなる。このため、動翼５の後縁５ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒを増加させて翼内外端壁部にて損失を減少させても大幅な二次損失の低減を行うことができず、逆に翼中央部にて増加した負荷のために翼型損失が増加し、翼列の全体性能が低下してしまう。
このように、動翼５の翼高さＨｒによって、各段落毎で翼列の全体性能が最適となる動翼５の後縁５ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒが変化することとなる。このため、図６のグラフに示すように、周方向翼根元ピッチｔｒに対する翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが増加するにつれて、周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼５の後縁５ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが減少するよう各動翼５の形状を設定することにより、各段落毎の動翼５において最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービン１０の全体性能を向上させることができる。
【００４８】
以上のように本実施の形態の軸流タービン１０によれば、静翼３の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼３の翼高さＨｓの割合Ｈｓ／ｔｓが増加するにつれて当該静翼３の周方向翼根元ピッチｔｓに対する静翼３の後縁３ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｓの割合δｃｓ／ｔｓが減少するよう各静翼３の形状が設定されているので、各段落毎の静翼３において最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービン１０の全体性能を向上させることができる。
【００４９】
また、各静翼３は、下記式（１）を満たすようその形状が設定されているので、各段落毎に、より精度良く最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービン１０の全体性能をより向上させることができる。
δｃｓ／ｔｓ＝Ｃｓ×（Ｈｓ／ｔｓ）−βｓ      ・・・式（１）
（なお、式（１）において、Ｃｓは０以上０．５以下の定数、βｓは０．３以上１．２以下の定数である。）
【００５０】
また、本実施の形態の軸流タービン１０によれば、動翼５の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼５の翼高さＨｒの割合Ｈｒ／ｔｒが増加するにつれて当該動翼５の周方向翼根元ピッチｔｒに対する動翼５の後縁５ｃの周方向翼腹側面への突き出し量δｃｒの割合δｃｒ／ｔｒが減少するよう各動翼５の形状が設定されているので、各段落毎の動翼５において最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービン１０の全体性能を向上させることができる。
【００５１】
また、各動翼５は、下記式（２）を満たすようその形状が設定されているので、各段落毎に、より精度良く最適な負荷分布を形成することが可能となり軸流タービン１０の全体性能をより向上させることができる。
δｃｒ／ｔｒ＝Ｃｒ×（Ｈｒ／ｔｒ）−βｒ      ・・・式（２）
（なお、式（２）において、Ｃｒは０以上０．５以下の定数、βｒは０．３以上１．２以下の定数である。）
【００５２】
また、本実施の形態の軸流タービン１０は、上述のように形状が設定された静翼および動翼を備えているので、各段落毎の静翼３および動翼５において共に最適な負荷分布を形成することが可能となり当該軸流タービン１０の全体性能をより確実に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】軸流タービンの構成を示す断面図である。
【図２】本実施の形態の軸流タービンの静翼の構成を示す図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】図２の軸流タービンの静翼における割合δｃｓ／ｔｓと割合Ｈｓ／ｔｓとの関係を示すグラフである。
【図４】図２の軸流タービンの静翼における割合δｃｓ／ｔｓと軸流タービンの運転効率の偏差△ηとの関係を示すグラフである。
【図５】本実施の形態の軸流タービンの動翼の構成を示す図１のＢ−Ｂ矢視図である。
【図６】図５の軸流タービンの動翼における割合δｃｒ／ｔｒと割合Ｈｒ／ｔｒとの関係を示すグラフである。
【図７】軸流タービンの静翼における比アスペクト比と比翼列損失との関係を示すグラフである。
【図８】従来の軸流タービンの静翼の構成を示す図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図９】（ａ）は、静翼の翼型幾何形状を示す横断面図であり、（ｂ）は、翼列風洞試験により得られた静翼の翼型幾何形状と翼型損失との関係を示すグラフである。
【図１０】（ａ）は、静翼の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、アスペクト比と二次損失の大きさとの関係を表すグラフである。
【図１１】静翼列における翼高さ比と各損失係数との関係を示すグラフである。
【図１２】割合δｃ／ｔを一定にし、翼高さＨを変化させた場合の流体流出角αの変化を示すグラフである。
【図１３】割合δｃ／ｔを一定にし、翼の大きさと翼ピッチを変化させた場合の流体流出角αの変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５４】
１    静翼外輪
２    静翼内輪
３    静翼
３ｃ  後縁
４    回転軸
４ａ  ロータディスク
５    動翼
５ｃ  後縁
６    シュラウド
７    ラビリンスフィン
８    ラビリンスフィン
９    タービンケーシング
１０  軸流タービン
５０  軸流タービン
５３  静翼
５３ｃ  後縁
５５  動翼
５５ｃ  後縁
Ｐ    環状流路
Ｑ    間隙
【図１】
2007056824.tif 000003
【図２】
2007056824.tif 000004
【図３】
2007056824.tif 000005
【図４】
2007056824.tif 000006
【図５】
2007056824.tif 000007
【図６】
2007056824.tif 000008
【図７】
2007056824.tif 000009
【図８】
2007056824.tif 000010
【図９】
2007056824.tif 000011
【図１０】
2007056824.tif 000012
【図１１】
2007056824.tif 000013
【図１２】
2007056824.tif 000014
【図１３】
2007056824.tif 000015