(57)【要約】      （修正有）【課題】部分送入構造を有し、部分送入構造を起因とするエネルギ損失を抑制して効率を向上させることができる軸流タービンを提供する。【解決手段】実施の形態による軸流タービンは、ケーシングに支持されたノズル構造体２０と、ノズル構造体２０の下流側に設けられ、ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された動翼構造体４０と、を有している。ノズル構造体２０は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズル２５と、環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部３０と、を備えている。閉止部３０は、この他の領域を閉止し、この他の領域への作動流体の流入を防止する。閉止部３０に、この閉止部３０の上流側面３１から下流側面３２に貫通する貫通開口部５０が設けられている。【選択図】図５
2016017446.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに支持されたノズル構造体と、前記ノズル構造体の下流側に設けられ、前記ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された動翼構造体と、を有する軸流タービンにおいて、
前記ノズル構造体は、
ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズルと、
前記環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部であって、当該他の領域を閉止し、当該他の領域への作動流体の流入を防止する閉止部と、を備え、
前記閉止部に、当該閉止部の上流側面から下流側面に貫通する貫通開口部が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】
前記動翼構造体は、周方向に配列された複数の動翼を備え、
前記貫通開口部は、前記閉止部において回転方向側とは反対側に配置され、
前記ノズルのスロートをＳ、前記ノズルのピッチをＴ、前記閉止部の前記下流側面と前記動翼の上流端との軸方向距離をＢ、最も前記動翼構造体の回転方向側に配置された前記ノズルの下流端と前記貫通開口部との周方向距離をＡとしたとき、Ａは、
【数１】
2016017446.tif 000006
を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービン。
【請求項３】
複数の前記ノズル構造体と、複数の前記動翼構造体が、前記タービンロータの軸線方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流タービン。
【請求項４】
前記動翼構造体の下流側に配置された前記ノズル構造体の前記貫通開口部は、当該貫通開口部に上流側で隣り合う前記ノズル構造体の前記閉止部と周方向に重なる位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の軸流タービン。
【請求項５】
前記ノズルのピッチをＴ、前記貫通開口部と、当該貫通開口部に上流側で隣り合う前記ノズル構造体の前記閉止部の前記下流側面における前記動翼構造体の回転方向側の端部との周方向距離をＣとしたとき、Ｃは、Ｔ≧Ｃ≧０を満たしていることを特徴とする請求項４に記載の軸流タービン。
【請求項６】
ケーシングに支持された複数のノズル構造体と、前記ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された複数の動翼構造体と、を有し、前記ノズル構造体と前記動翼構造体が、前記タービンロータの軸線方向に交互に配置された軸流タービンにおいて、
前記ノズル構造体は、
ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズルと、
前記環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部であって、当該他の領域を閉止し、当該他の領域への作動流体の流入を防止する閉止部と、を備え、
前記動翼構造体の下流側に配置された前記ノズル構造体の前記閉止部に、当該閉止部の上流側面から下流側面に貫通する貫通開口部が設けられ、
前記貫通開口部は、当該貫通開口部に上流側で隣り合う前記ノズル構造体の前記閉止部と周方向に重なる位置に配置されていることを特徴とする軸流タービン。
【請求項７】
前記ノズルのピッチをＴ、前記貫通開口部と、当該貫通開口部に上流側で隣り合う前記ノズル構造体の前記閉止部の前記下流側面における前記動翼構造体の回転方向側の端部との周方向距離をＣとしたとき、Ｃは、Ｔ≧Ｃ≧０を満たしていることを特徴とする請求項６に記載の軸流タービン。
【請求項８】
ケーシングに支持されたノズル構造体と、前記ノズル構造体の下流側に設けられ、前記ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された動翼構造体と、を有する軸流タービンにおいて、
前記ノズル構造体は、
ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズルと、
前記環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部であって、当該他の領域を閉止し、当該他の領域への作動流体の流入を防止する閉止部と、を備え、
前記動翼構造体は、周方向に配列された複数の動翼を備え、
前記閉止部の下流側面は、前記動翼構造体の回転方向に向って前記動翼の上流端に近づくように形成されていることを特徴とする軸流タービン。
【請求項９】
前記閉止部の前記下流側面は、前記動翼構造体の回転方向に向って前記動翼の上流端に徐々に近づくように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の軸流タービン。
【請求項１０】
前記閉止部の前記下流側面に、当該下流側面と前記動翼の上流端との間の作動流体を前記動翼の側に誘導する誘導部が設けられていることを特徴とする請求項８または９に記載の軸流タービン。
【請求項１１】
前記誘導部は、前記閉止部の前記下流側面から前記動翼の側に突出するように形成されていることを特徴とする請求項１０に記載の軸流タービン。
【請求項１２】
ケーシングに支持されたノズル構造体と、前記ノズル構造体の下流側に設けられ、前記ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された動翼構造体と、を有する軸流タービンにおいて、
前記ノズル構造体は、
ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズルと、
前記環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部であって、当該他の領域を閉止し、当該他の領域への作動流体の流入を防止する閉止部と、を備え、
前記動翼構造体は、周方向に配列された複数の動翼を備え、
前記閉止部の下流側面に、当該下流側面と前記動翼の上流端との間の作動流体を前記動翼の側に誘導する誘導部が設けられていることを特徴とする軸流タービン。
【請求項１３】
前記誘導部は、前記閉止部の前記下流側面から前記動翼の側に突出するように形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の軸流タービン。
【請求項１４】
窒素を除去することにより空気から酸素を抽出する酸素製造装置と、
燃料と、前記酸素製造装置により抽出された酸素とを燃焼させて、燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼器により生成された燃焼ガスが、作動流体として供給されて回転駆動する請求項１乃至１３のいずれかに記載の前記軸流タービンと、
前記軸流タービンの回転駆動によって発電を行う発電機と、
前記軸流タービンから排出された排出ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器により冷却された排出ガスの水分を分離して除去し、排出ガスを再生する湿分分離器と、
前記湿分分離器により再生された再生ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機により圧縮された再生ガスと、前記軸流タービンから前記冷却器に向う排出ガスとの間で熱交換を行う再生熱交換器と、を備え、
前記再生熱交換器により熱交換された再生ガスは、前記燃焼器に供給されることを特徴とする発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、軸流タービンおよびこれを備えた発電プラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、軸流タービンを備えた発電プラントにおいては、発電効率を改善するとともに、ＣＯ２、ＳＯｘ、ＮＯｘ等のガスの発生量を抑制し、地球温暖化の抑制を図ることが望まれている。
【０００３】
蒸気タービンやガスタービン等の軸流タービンを用いる火力発電プラントでは、発電効率を改善するための有効な手法として、軸流タービンに供給される作動流体の温度、すなわちタービン入口温度を上昇させることが行われている。
【０００４】
一方、軸流タービンに流入する作動流体の体積流量が小さい場合、ノズル（静翼）間のスロート面積（最小流路面積）を小さくすることが求められる。このことにより、設計上、必然的にノズルの翼高さが小さくなる。この場合、ノズル間においては、二次流れが支配的になり、二次損失が増加して、軸流タービンの性能が低下するおそれが生じる。このため、作動流体の体積流量が小さい場合に、タービン性能の低下を抑制しつつ、二次流れの抑制を図ることが困難な場合がある。
【０００５】
ところで、蒸気タービンにおいては、作動流体の体積流量が小さい場合に二次流れの抑制を図るために、いわゆる部分送入構造が適用されている。通常、蒸気タービンのダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部の全周にわたって複数のノズルが配列されており、作動流体は、この環状開口部を全周にわたって流入されるようになっている。一方、部分送入とは、この環状開口部の周方向における一部の領域に作動流体を流入させ、他の領域を閉止するという構造である。すなわち、図１０に示すように、環状開口部の周方向における一部の領域に少なくとも一つのノズル１００が設けられ、当該環状開口部の他の領域に閉止部１０１が設けられ、この閉止部１０１にはノズル１００が設けられることなく、閉止部１０１は作動流体が流入することがないように閉止される。この場合、環状開口部のうち閉止部１０１の領域の割合を変えることにより、ノズル１００の翼高さを高くするように調整することができる。このため、作動流体の体積流量が小さい場合であっても、二次流れの抑制を図り、軸流タービンの性能低下を抑制することができる。このような部分送入構造は、通常、蒸気タービンの調速段落に好適に用いられるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−７８７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、作動流体の体積流量が少ない軸流タービンでは、部分送入構造を適用することが多い。しかしながら、部分送入構造には、部分送入構造を起因とする付加的な損失が発生し、効率が低下し得る。効率低下の要因としては、主に２つが考えられる。
【０００８】
すなわち、環状開口部に設けられた閉止部１０１には作動流体が流入しない。このことにより、ノズル１００から流出された主流Ｆ１の流路に位置付けられていない動翼１０２の間の空間には、作動流体が流入し難くなり、このような動翼１０２の間には極めて速度の小さい作動流体が充満して滞留することになる。このため、この滞留している作動流体を回転させるために動翼１０２の回転エネルギが消費され、損失が発生するという問題がある。
【０００９】
また、図１０に示すように、閉止部１０１の下流側面１０１ａと動翼１０２の上流端１０２ａとの間には、動翼１０２の回転に引きずられるようにして動翼１０２の回転方向に沿う作動流体の回転方向流れＦ２が形成され、形成された回転方向流れＦ２は、閉止部１０１の下流側面１０１ａにおける回転方向側の端部１０１ｂに達する。しかしながら、当該端部１０１ｂに達した回転方向流れＦ２の速度は非常に小さい。このことにより、ノズル１００で加速された作動流体の主流Ｆ１のエネルギが、当該端部１０１ｂに達した速度の小さい回転方向流れＦ２を動翼１０２の側に向けて加速させるために消費され、損失が発生するという問題がある。
【００１０】
このようにして、部分送入構造を適用することによって新たな損失が発生し、効率向上の妨げとなっていた。
【００１１】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、部分送入構造を有する軸流タービンであって、部分送入構造を起因とするエネルギ損失を抑制して効率を向上させることができる軸流タービンおよびこれを備えた発電プラント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】
【００１２】
実施の形態による軸流タービンは、ケーシングに支持されたノズル構造体と、ノズル構造体の下流側に設けられ、ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された動翼構造体と、を有している。ノズル構造体は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズルと、環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部と、を備えている。閉止部は、この他の領域を閉止し、この他の領域への作動流体の流入を防止する。閉止部に、この閉止部の上流側面から下流側面に貫通する貫通開口部が設けられている。
【００１３】
また、実施の形態による軸流タービンは、ケーシングに支持された複数のノズル構造体と、ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された複数の動翼構造体と、を有している。ノズル構造体と動翼構造体は、タービンロータの軸線方向に交互に配置されている。ノズル構造体は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズルと、環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部と、を備えている。閉止部は、この他の領域を閉止し、この他の領域への作動流体の流入を防止する。動翼構造体の下流側に配置されたノズル構造体の閉止部に、閉止部の上流側面から下流側面に貫通する貫通開口部が設けられている。貫通開口部は、この貫通開口部に上流側で隣り合うノズル構造体の閉止部と周方向に重なる位置に配置されている。
【００１４】
また、実施の形態による軸流タービンは、ケーシングに支持されたノズル構造体と、ノズル構造体の下流側に設けられ、ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された動翼構造体と、を有している。ノズル構造体は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズルと、環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部と、を備えている。閉止部は、この他の領域を閉止し、この他の領域への作動流体の流入を防止する。動翼構造体は、周方向に配列された複数の動翼を備えている。閉止部の下流側面は、動翼構造体の回転方向に向って動翼の上流端に近づくように形成されている。
【００１５】
さらに、実施の形態による軸流タービンは、ケーシングに支持されたノズル構造体と、ノズル構造体の下流側に設けられ、ケーシングに対して回転自在なタービンロータに支持された動翼構造体と、を有している。ノズル構造体は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に形成された環状開口部のうち周方向における一部の領域に設けられたノズルと、環状開口部のうち周方向における他の領域に設けられた閉止部と、を備えている。閉止部は、この他の領域を閉止し、この他の領域への作動流体の流入を防止する。動翼構造体は、周方向に配列された複数の動翼を備えている。閉止部の下流側面に、この下流側面と動翼の上流端との間の作動流体を動翼の側に誘導する誘導部が設けられている。
【００１６】
また、実施の形態による発電プラントは、窒素を除去することにより空気から酸素を抽出する酸素製造装置と、燃料と、酸素製造装置により抽出された酸素とを燃焼させて、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器により生成された燃焼ガスが、作動流体として供給されて回転駆動する上述した軸流タービンと、を備えている。軸流タービンの回転駆動によって発電機が発電を行う。軸流タービンから排出された排出ガスが冷却器によって冷却される。冷却器により冷却された排出ガスの水分が湿分分離器によって分離されて除去され、排出ガスが再生される。湿分分離器により再生された再生ガスが圧縮機によって圧縮される。再生熱交換器において、圧縮機により圧縮された再生ガスと、軸流タービンから冷却器に向う排出ガスとの間で熱交換が行われる。再生熱交換器により熱交換された再生ガスは、燃焼器に供給される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態における発電プラントの全体構成を示す図である。
【図２】図２は、図１の発電プラントで使用される軸流タービンの一例を示す全体図である。
【図３】図３は、図２の軸流タービンの部分断面図である。
【図４】図４は、図３のノズル構造体を、タービンロータの軸線方向から見た図である。
【図５】図５は、図３のＸ−Ｘ線に相当するタービン段落の断面を示す図である。
【図６】図６は、本発明の第２の実施の形態において、図５と同様なタービン段落の断面を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第３の実施の形態において、図５と同様なタービン段落の断面を示す図である。
【図８】図８は、図７の変形例を示す図である。
【図９】図９は、本発明の第４の実施の形態において、図５と同様なタービン段落の断面を示す図である。
【図１０】図１０は、一般的な部分挿入構造を有する軸流タービンにおいて、図５と同様なタービン段落の断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１乃至図５を用いて、本発明の第１の実施の形態における軸流タービンおよびこれを備えた発電プラントについて説明する。
【００１９】
まず、図１を用いて、発電プラント１について説明する。
【００２０】
図１に示すように、発電プラント１は、窒素を除去することにより空気から酸素を抽出する酸素製造装置２と、燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼器３により生成された燃焼ガスが作動流体として供給されて回転駆動するタービンロータ１２（図２参照）を有する軸流タービン１０と、を備えている。
【００２１】
このうち、燃焼器３には、酸素製造装置２により抽出された酸素が供給されるようになっており、燃焼器３は、この酸素と、燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成するようになっている。燃焼器３において使用される燃料としては、例えば、メタンガス等の窒素を含まない天然ガスを挙げることができる。燃料の燃焼には、窒素を除去した空気、すなわち酸素が使用されることから、燃焼器３において生成される燃焼ガスは、ＣＯ２ガスと水蒸気とを含んでいる。すなわち、燃焼ガスの成分は、ＣＯ２（二酸化炭素）と水になる。このため、燃焼ガスに、ＳＯｘ（硫黄酸化物）やＮＯｘ（窒素酸化物）等のガスが含まれることを抑制できる。
【００２２】
燃焼器３においては、高温の燃焼ガスが生成されるようになっており、例えば、６００℃以上の燃焼ガスが生成されることが好適である。このことにより、発電効率の改善とＣＯ２等のガスの発生量の抑制を図ることができる。なお、燃焼器３には、後述する再生熱交換器５から、当該再生熱交換器５において加熱された再生ガス（具体的には、ＣＯ２ガス、すなわち、ＣＯ２を成分とするガス）が供給され、この供給された再生ガスとともに燃料の燃焼が行われるようになっている。
【００２３】
燃焼器３により生成された燃焼ガスは、作動流体として軸流タービン１０に供給され、後述する動翼４１（図３参照）に対して仕事を行い、タービンロータ１２を回転駆動する。軸流タービン１０のタービンロータ１２には、発電機４が連結されており、タービンロータ１２が回転駆動することによって発電機４が発電を行う。
【００２４】
軸流タービン１０において仕事を行った燃焼ガスは、排出ガスとして軸流タービン１０から排出される。なお、排出ガスは、ＣＯ２ガスと水蒸気とを含んでいる。すなわち、排出ガスの成分も、ＣＯ２と水になる。排出ガスは、軸流タービン１０の下流側に設けられた再生熱交換器５に供給される。また、再生熱交換器５には、後述するＣＯ２ポンプ（圧縮機）８から、比較的低温の再生ガスが供給されるようになっている。このことにより、再生熱交換器５において、再生ガスと排出ガスとが熱交換を行い、比較的高温の排出ガスは冷却される。
【００２５】
再生熱交換器５の下流側には、冷却器６が設けられている。この冷却器６には、再生熱交換器５から冷却された排出ガスが供給され、冷却器６は、この排出ガスを更に冷却する。
【００２６】
冷却器６の下流側には、湿分分離器７が設けられている。この湿分分離器７には、冷却器６により冷却された排出ガスが供給され、湿分分離器７は、この排出ガスの水分を分離して除去する。このことにより、ＣＯ２と水とを成分とする排出ガスから水分が除去され、排出ガスが再生される。すなわち、排出ガスは、ＣＯ２を成分とするガスとして再生ガスに再生される。
【００２７】
湿分分離器７の下流側には、ＣＯ２ポンプ８が設けられている。このＣＯ２ポンプ８には、湿分分離器７により再生された再生ガスが供給され、ＣＯ２ポンプ８は、この再生ガスを圧縮して、再生ガスの圧力が高められる。
【００２８】
圧縮された再生ガスは、上述した再生熱交換器５に供給される。再生熱交換器５においては、上述したように、ＣＯ２ポンプ８により圧縮された再生ガスと、軸流タービン１０から冷却器６に向う排出ガスとの間で熱交換が行われる。このことにより、比較的低温の再生ガスは、加熱される。なお、ＣＯ２ポンプ８により圧縮された再生ガスの一部は、再生熱交換器５に供給されることなく回収される。回収された再生ガスは、貯蔵されたり、他の用途（例えば、石油掘削量増大のための用途）で利用されたりする。
【００２９】
再生熱交換器５により加熱された再生ガスは、燃焼器３に供給される。
【００３０】
このように、図１に示す発電プラント１においては、燃焼によって生成されたＣＯ２と水を成分とする６００℃以上の燃焼ガスを用いて発電が行われ、ＣＯ２の大部分は循環されて再利用される。このことにより、作動流体の体積流量を増大させることができるとともに、有害ガスであるＮＯｘやＳＯｘが生成されることを防止できる。また、排出ガスからＣＯ２を分離して回収するための設備を不要とすることができる。さらに、回収されるＣＯ２の純度を高めることができ、発電以外の種々の用途に利用することが可能となる。
【００３１】
次に、図２を用いて、本実施の形態における軸流タービン１０について説明する。ここでは、軸流タービン１０として、燃焼ガスの圧力が比較的高い高圧タービンの例を示す。
【００３２】
図２に示すように、軸流タービン１０は、ケーシング１１と、ケーシング１１に対して回転自在に設けられたタービンロータ１２と、を備えている。このうち、ケーシング１１は、内部ケーシング１１ａと、内部ケーシング１１ａの外側に設けられた外部ケーシング１１ｂと、を有しており、二重構造のケーシングとなっている。
【００３３】
外部ケーシング１１ｂには、ガス供給管１３が連結されており、燃焼器３において生成された燃焼ガスが、作動流体として、軸流タービン１０に供給されるようになっている。軸流タービン１０に供給された作動流体は、ケーシング１１内に設けられたインレットスリーブ１４ａおよびノズルボックス１４ｂによって、後述する複数のタービン段落１５のうちの最も上流側のタービン段落１５に案内されるようになっている。タービンロータ１２には、上述した発電機４が連結されている。
【００３４】
ケーシング１１（より詳細には、内部ケーシング１１ａ）には、複数のノズル構造体２０が支持されている。タービンロータ１２には、複数の動翼構造体４０が支持されている。これらのノズル構造体２０と動翼構造体４０は、タービンロータ１２の軸線方向に交互に配置されている。そして、一のノズル構造体２０と、当該一のノズル構造体２０の下流側に隣り合って配置された一の動翼構造体４０とにより、一のタービン段落１５が構成されている。軸流タービン１０は、このようなタービン段落１５が、タービンロータ１２の軸方向に複数設けられている。このようにして、ガス供給管１３を介して供給された作動流体が複数のタービン段落１５を通過して、動翼４１に対して仕事を行い、タービンロータ１２が回転駆動されるようになっている。
【００３５】
最終段落の動翼４１を通過した作動流体は、排気流路１６を通って軸流タービン１０の外部へと排出されるようになっている。
【００３６】
次に、図３および図４を用いて、ノズル構造体２０について説明する。
【００３７】
図３に示すように、ノズル構造体２０は、ケーシング１１に支持されたダイアフラム外輪２１と、ダイアフラム外輪２１より内周側に設けられたダイアフラム内輪２２と、を有している。ダイアフラム外輪２１とダイアフラム内輪２２との間に、図３および図４に示すように、周方向に延びる環状開口部２３が形成されている。ダイアフラム外輪２１は、ケーシング１１に嵌合して固定されている。
【００３８】
ダイアフラム内輪２２の内周面には、ラビリンスパッキン２４が設けられている。このラビリンスパッキン２４は、ダイアフラム内輪２２とタービンロータ１２との間で、作動流体が下流側に流れて漏洩することを防止するためのものである。
【００３９】
図４に示すように、上述した環状開口部２３のうち周方向における一部の領域には、複数のノズル（静翼）２５が設けられている。複数のノズル２５は、当該領域において、周方向に列状に配置されている。このノズル２５が配置された領域は、ノズル開口部２６を形成しており、当該ノズル開口部２６に作動流体が送入されて流入するようになっている。
【００４０】
環状開口部２３のうち周方向における他の領域には、閉止部３０が設けられている。閉止部３０は、当該他の領域を閉止し、当該領域への作動流体が流入することを防止するためのものである。このような構造は、部分送入構造と呼ばれているものである。なお、部分送入構造は、各ノズル構造体２０に適用することが好適である。この場合、動翼構造体４０を介して互いに隣り合うノズル構造体２０の閉止部３０は、互いに周方向にずれて配置されていることが好適である。また、図５に示すように、閉止部３０の動翼４１の回転方向側の端面（図５の右側の端面）は、ノズル２５の負圧面と同様の形状を有しており、隣り合うノズル２５からノズルピッチＴだけ離れて形成されている。閉止部３０の回転方向側とは反対側の端面（図５の左側の端面）は、ノズル２５の圧力面と同様の形状を有しており、隣り合うノズル２５からノズルピッチＴだけ離れて形成されている。
【００４１】
このようにして、環状開口部２３のうちの一部に作動流体が送入される部分送入構造が構成されている。なお、閉止部３０は、環状開口部２３に取り付けられた板状の部材によって構成することができる。
【００４２】
次に、図３を用いて、動翼構造体４０について説明する。
【００４３】
図３に示すように、動翼構造体４０は、複数の動翼４１を有している。すなわち、タービンロータ１２には、外周側に突出するロータディスク１２ａが設けられ、このロータディスク１２ａに、動翼４１が植設されて固定されている。複数の動翼４１は、周方向に配列されている。このような動翼４１が作動流体から仕事を受けることにより、回転エネルギを得て、タービンロータ１２が回転するようになっている。
【００４４】
動翼４１の外周側先端部には、スナッバ４２が設けられている。スナッバ４２は、タービンロータ１２の振動を抑制するためのものである。スナッバ４２の外周面には、シールフィン４３が配置されている。このシールフィン４３は、ダイアフラム外輪２１（より具体的には、ダイアフラム外輪２１の動翼４１側に延びる部分）とスナッバ４２との間で、作動流体が下流側に流れて漏洩することを防止するためのものである。なお、シールフィン４３は、ダイアフラム外輪２１に設けられることが好適である。
【００４５】
次に、図５を用いて、閉止部３０に設けられる貫通開口部５０について説明する。
【００４６】
図５に示すように、閉止部３０に、当該閉止部３０の上流側面３１から下流側面３２に貫通する貫通開口部５０が設けられている。この貫通開口部５０によって、ノズル２５を通る主流Ｆ１ではなく、下流側の動翼４１の側に作動流体を供給する貫通開口流れＦ３が形成され、閉止部３０の上流側の作動流体が動翼４１の側に供給される。また、図５においては、貫通開口部５０は、タービンロータ１２の軸方向に沿って延びるように形成されており、軸方向に沿った貫通開口流れＦ３を形成するようになっている。
【００４７】
貫通開口部５０の周方向位置は、特に限られるものではないが、以下のように配置されることが好適である。すなわち、ノズル２５で加速されて流出された作動流体の主流Ｆ１が妨げられることを防止するために、ノズル２５からの周方向距離をある程度確保することが好ましい。一方、閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の空間に、動翼４１の回転方向に沿う回転方向流れＦ２が形成されることを貫通開口流れＦ３によって効果的に抑制するためには、ノズル２５からの周方向距離はあまり大きくない方が好ましい。
【００４８】
このような目的を達成するために、貫通開口部５０は、以下のように配置されることが好適である。すなわち、図５に示すように、貫通開口部５０は、閉止部３０において動翼４１の回転方向側とは反対側に配置されていることが好適である。また、隣り合うノズル２５間のスロート（ノズル２５間の最小距離）をＳ、ノズル２５のピッチ（周方向距離）をＴ、閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの軸方向距離をＢ、最も回転方向側（図５では最も左側）に配置されたノズル２５の下流端２５ａと貫通開口部５０（の中心）との周方向距離をＡとしたとき、Ａが、
【数１】
2016017446.tif 000003
を満たしていることが好適である。
【００４９】
ところで、ノズル２５から流出される主流Ｆ１の流出角度α（動翼４１の回転方向に対する主流Ｆ１の傾斜角度）は、上述したスロートＳとピッチＴとを用いて、
【数２】
2016017446.tif 000004
で一般的に表される。この関係を用いることにより、［数１］の関係を求めることができる。すなわち、この流出角度αで主流Ｆ１が軸方向に距離Ｂだけ進んだ場合、周方向に進む距離は、
【数３】
2016017446.tif 000005
となる。
【００５０】
また、主流Ｆ１は、最も回転方向側のノズル２５の下流端２５ａと、閉止部３０の下流側面３２における回転方向側とは反対側の端部３２ａとの間からも流出される。当該端部３２ａは、上述したように、最も回転方向側のノズル２５の下流端２５ａからピッチＴずれた位置に形成されている。このことにより、当該端部３２ａの近傍から流出される主流Ｆ１が、貫通開口流れＦ３によって妨げられることを防止するために、［数３］にノズル２５のピッチＴを加えた値が、周方向距離Ａの好適な下限値となり得る。
【００５１】
一方、上述した回転方向流れＦ２が形成されることを効果的に抑制するためには、上述のようにして得られる下限値に、ノズル２５のピッチＴを更に加えた値が、周方向距離Ａの好適な上限値となり得る。
【００５２】
このようにして、上述した［数１］を得ることができる。
【００５３】
ところで、図５には、貫通開口部５０が下流側に向って先細状に形成され、貫通開口部５０の流路断面積が上流側から下流側に向って徐々に小さくなるように（例えば円錐台状に）形成されている例を示している。この場合、貫通開口流れＦ３を加速させて貫通開口流れＦ３の速度を高めることができる。なお、上述した貫通開口部５０は、一のノズル構造体２０の閉止部３０に複数設けてもよい。更には、各ノズル構造２０の閉止部３０にそれぞれ設けられていてもよい。
【００５４】
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。
【００５５】
図１に示す燃焼器３からガス供給管１３（図２参照）を介して軸流タービン１０に作動流体としての燃焼ガスが供給されると、供給された作動流体は、インレットスリーブ１４ａおよびノズルボックス１４ｂを通って、最も上流側のタービン段落１５に供給される。供給された作動流体は、当該タービン段落１５の動翼４１（図３および図５参照）に対して仕事を行い、その後、下流側の各タービン段落１５の動翼４１に対しても仕事を行う。このようにして、タービンロータ１２が回転駆動される。
【００５６】
この間、６００℃以上の作動流体は、各タービン段落１５のノズル構造体２０のノズル開口部２６（図４参照）に送入され、ノズル２５の間を通過して、ノズル２５から流出される。
【００５７】
ノズル２５から流出された主流Ｆ１における作動流体の多くは、動翼４１の間の空間に流入するが、一部は、閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の空間に流入して、回転方向に沿う回転方向流れＦ２を形成しようとする。
【００５８】
しかしながら、本実施の形態においては、閉止部３０に設けられた貫通開口部５０から動翼４１の側に作動流体が流出されて貫通開口流れＦ３が形成される。このことにより、上述した回転方向流れＦ２を、動翼４１の側に誘導して動翼４１の間の空間に流入させることができ、回転方向流れＦ２が動翼４１の回転方向に沿って流れ続けることを効果的に抑制できる。また、この回転方向流れＦ２の動力を回収することも可能となる。さらに、貫通開口流れＦ３が形成されることにより、主流Ｆ１の流路に位置付けられていない動翼４１の間の空間に滞留している作動流体を下流側に誘導して流すこともできる。
【００５９】
このように本実施の形態によれば、閉止部３０に設けられた貫通開口部５０から作動流体が流出する貫通開口流れＦ３を形成することができる。このことにより、動翼４１の間に滞留していた作動流体を下流側に流すことができ、滞留していた作動流体を回転させるために動翼４１の回転エネルギが消費されることを防止できる。また、閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の空間に、動翼４１の回転方向に沿う回転方向流れＦ２が形成されることを効果的に抑制することができ、ノズル２５で加速されて流出された主流Ｆ１のエネルギが、この回転方向流れＦ２を動翼４１の側に誘導するために消費されることを防止できる。このため、部分挿入構造を起因とするエネルギ損失を抑制して、効率を向上させることができる。
【００６０】
（第２の実施の形態）
次に、図６を用いて、本発明の第２の実施の形態における軸流タービンおよびこれを備えた発電プラントについて説明する。
【００６１】
図６に示す第２の実施の形態においては、貫通開口部が、動翼構造体の下流側に配置されたノズル構造体の閉止部に設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図５に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図１乃至図５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。
【００６２】
図６に示すように、本実施の形態においては、動翼構造体４０の下流側に配置されたノズル構造体２０の閉止部３０に、閉止部３０の上流側面３１から下流側面３２に貫通する貫通開口部６０が設けられている。この貫通開口部６０によって、上流側の動翼４１の間に滞留している作動流体を引き抜き、ノズル２５を通る主流Ｆ１ではなく、下流側の動翼４１の側に作動流体を供給する貫通開口流れＦ３が形成される。このように上流側の動翼４１の間に滞留している作動流体を引き抜くことにより、上流側の閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の空間に形成される回転方向に沿う回転方向流れＦ２を当該動翼４１の間に誘導し、回転方向流れＦ２が主流Ｆ１に接触することを防止できる。
【００６３】
このような貫通開口部６０は、第１タービン段落１５の閉止部３０ではなく、第１タービン段落１５よりも下流側のタービン段落１５の閉止部３０に設けられている。なお、第１タービン段落１５よりも下流側のタービン段落１５であれば、貫通開口部６０は、複数のタービン段落１５の閉止部３０に設けられていてもよい。また、貫通開口部６０は、一のタービン段落１５の閉止部３０に複数設けられていてもよい。
【００６４】
このような貫通開口部６０の周方向位置は、特に限られるものではないが、以下のように配置されることが好適である。すなわち、ノズル２５で加速されて流出された作動流体の主流Ｆ１が、貫通開口部６０によって引き抜かれることにより妨げられることを防止するために、閉止部３０の下流側面３２における回転方向側の端部３２ｂから回転方向側とは反対側に位置付けられることが好ましい。一方、主流Ｆ１に接触し得る回転方向流れＦ２が形成されることを防止するためには、ノズル２５からの周方向距離はあまり大きくない方が好適である。
【００６５】
このような目的を達成するために、貫通開口部６０は、以下のように配置されることが好適である。すなわち、図６に示すように、貫通開口部６０は、当該貫通開口部６０に上流側で隣り合うノズル構造体２０の閉止部３０と周方向に重なる位置に配置されることが好適である。さらに、貫通開口部６０は、閉止部３０において動翼４１の回転方向側に配置され、ノズル２５のピッチをＴ、上流側の閉止部３０の下流側面３２における回転方向側の端部３２ｂと、貫通開口部６０（の中心）との周方向距離をＣとしたとき、Ｃが、Ｔ≧Ｃ≧０を満たしていることが好適である。
【００６６】
なお、貫通開口部６０は、上述した構成以外の点では、図５に示す貫通開口部５０と同様の構成とすることができる。
【００６７】
このように本実施の形態によれば、下流側の閉止部３０に設けられた貫通開口部６０から作動流体が流出する貫通開口流れＦ３を形成することができ、その上流側の動翼４１の間に滞留していた作動流体を引き抜くことができる。このことにより、上流側の閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の空間に形成される回転方向に沿う回転方向流れＦ２を、動翼４１の側に誘導することができる。このため、回転方向流れＦ２が、ノズル２５で加速されて流出された主流Ｆ１に接触することを防止でき、主流Ｆ１のエネルギが、回転方向流れＦ２を動翼４１の側に誘導するために消費されることを防止できる。また、動翼４１の間に滞留していた作動流体を下流側に流すことができ、滞留していた作動流体を回転させるために動翼４１の回転エネルギが消費されることを防止できる。この結果、部分挿入構造を起因とするエネルギ損失を抑制して効率を向上させることができる。
【００６８】
なお、上述した本実施の形態の図６においては、上流側の閉止部３０に、図５に示すような貫通開口部５０が設けられていないが、これに限られることはなく、この上流側の閉止部３０に貫通開口部５０を設けてもよい。この場合、第１の実施の形態において述べた貫通開口部５０の作用効果をも奏することができ、エネルギ損失をより一層抑制することができる。
【００６９】
（第３の実施の形態）
次に、図７を用いて、本発明の第３の実施の形態における軸流タービンおよびこれを備えた発電プラントについて説明する。
【００７０】
図７に示す第３の実施の形態においては、閉止部の下流側面が、動翼構造体の回転方向に向って動翼構造体に近づくように形成されている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図５に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図１乃至図５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。
【００７１】
図７に示すように、本実施の形態においては、閉止部３０の下流側面３２が、動翼４１の回転方向に向って動翼４１の上流端４１ａに近づくように形成されている。より具体的には、閉止部３０の下流側面３２が、回転方向に向って動翼４１の上流端４１ａに徐々に近づくように傾斜している。言い換えると、下流側面３２は、動翼４１の回転方向に向って下流側に変位するように、螺旋の一部をなすように形成されている。
【００７２】
このことにより、下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の距離を回転方向に向って小さくしていくことができ、下流側面３２と上流端４１ａとの間の空間の容積を低減することができる。このため、閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の空間に形成される回転方向に沿う回転方向流れＦ２を縮流させることができ、回転方向流れＦ２の形成を効果的に抑制することができる。
【００７３】
なお、閉止部３０の下流側面３２は、動翼４１の回転方向に対して傾斜角度βで傾斜している。この傾斜角度βは、ノズル２５から流出される主流Ｆ１の上述した流出角度αと略等しくすることが好適である。この場合、主流Ｆ１の方向に沿って下流側面３２を傾斜させることができ、主流Ｆ１が妨げられることを防止し、動翼４１の間の空間に主流Ｆ１を効率良く誘導することができる。
【００７４】
このように本実施の形態によれば、閉止部３０の下流側面３２が、動翼４１の回転方向に向って動翼４１に近づくように形成されている。このことにより、ノズル２５から流出した主流Ｆ１を動翼４１の間に効果的に誘導することができる。このため、閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の空間に回転方向に沿う回転方向流れＦ２が形成されることを効果的に抑制することができ、ノズル２５で加速されて流出された主流Ｆ１のエネルギが、この回転方向流れＦ２を動翼４１の側に誘導するために消費されることを防止できる。また、動翼４１の間に滞留していた作動流体を下流側に流すことができ、滞留していた作動流体を回転させるために動翼４１の回転エネルギが消費されることを防止できる。この結果、部分挿入構造を起因とするエネルギ損失を抑制して効率を向上させることができる。
【００７５】
なお、上述した本実施の形態においては、例えば、図８に示すように、閉止部３０の下流側面３２に、下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の作動流体を動翼４１の側に誘導する誘導部７０が設けられていてもよい。この誘導部７０は、閉止部３０において動翼４１の回転方向側とは反対側に配置されている。また、誘導部７０は、図８に示すように、閉止部３０の下流側面３２から動翼４１の側（下流側）に突出するように形成されていることが好適である。図８に示す形態では、閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の作動流体を、動翼４１の側により一層確実に誘導することができる。このような誘導部７０は、図８では２つ設けられている例を示しているが、これに限られることはなく、少なくとも１つ以上設けられていればよい。
【００７６】
（第４の実施の形態）
次に、図９を用いて、本発明の第４の実施の形態における軸流タービンおよびこれを備えた発電プラントについて説明する。
【００７７】
図９に示す第４の実施の形態においては、閉止部の下流側面に、下流側面と動翼の上流端との間の作動流体を動翼の側に誘導する誘導部が設けられ、当該下流側面が傾斜していない点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図５に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図９において、図１乃至図５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。
【００７８】
図９に示すように、閉止部３０の下流側面３２に、下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の作動流体を動翼４１の側に誘導する誘導部７０が設けられている。この誘導部７０は、閉止部３０において動翼４１の回転方向側とは反対側に配置されている。また、誘導部７０は、図９に示すように、閉止部３０の下流側面３２から動翼１４の側（下流側）に突出するように形成されていることが好適である。
【００７９】
なお、図９に示す形態においては、閉止部３０の下流側面３２は、傾斜しておらず、動翼４１の回転方向に沿うように、上流側面３１に略平行に形成されている。
【００８０】
このように本実施の形態によれば、閉止部３０の下流側面３２に設けられた誘導部７０によって、下流側面３２と動翼４１の上端部４１ａとの間の作動流体を動翼４１の側に誘導して、動翼４１の間の空間に流入させることができる。このことにより、上流側の閉止部３０の下流側面３２と動翼４１の上流端４１ａとの間の空間に回転方向に沿う回転方向流れＦ２が形成されることを効果的に抑制することができ、ノズル２５で加速されて流出された主流Ｆ１のエネルギが、この回転方向流れＦ２を動翼４１の側に誘導するために消費されることを防止できる。また、動翼４１の間に滞留していた作動流体を下流側に流すことができ、滞留していた作動流体を回転させるために動翼４１の回転エネルギが消費されることを防止できる。この結果、部分挿入構造を起因とするエネルギ損失を抑制して効率を向上させることができる。
【００８１】
以上述べた実施の形態によれば、部分送入構造を有する軸流タービンにおいても、部分送入構造を起因とするエネルギ損失を抑制して効率を向上させることができる。
【００８２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
【００８３】
なお、上述した各実施の形態においては、軸流タービン１０に供給される作動流体としての燃焼ガスを生成する燃焼器３が、酸素製造装置２から供給される酸素と、燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成する例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、燃焼器３は、空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを生成するようにしてもよい。また、上述した実施の形態における軸流タービン１０は、図１に示すような発電プラント１に限らず、任意の構成の発電プラントに適用することができる。
【符号の説明】
【００８４】
１      発電プラント
２      酸素製造装置
３      燃焼器
４      発電機
５      再生熱交換器
６      冷却器
７      湿分分離器
８      ＣＯ２ポンプ
１０    軸流タービン
１１    ケーシング
１２    タービンロータ
２０    ノズル構造体
２１    ダイアフラム外輪
２２    ダイアフラム内輪
２３    環状開口部
２５    ノズル
２５ａ  下流端
３０    閉止部
３１    上流側面
３２    下流側面
３２ａ  回転方向側とは反対側の端部
３２ｂ  回転方向側の端部
４０    動翼構造体
４１    動翼
４１ａ  上流端
５０    貫通開口部
６０    貫通開口部
７０    誘導部
【図１】
2016017446.tif 000007
【図２】
2016017446.tif 000008
【図３】
2016017446.tif 000009
【図４】
2016017446.tif 000010
【図５】
2016017446.tif 000011
【図６】
2016017446.tif 000012
【図７】
2016017446.tif 000013
【図８】
2016017446.tif 000014
【図９】
2016017446.tif 000015
【図１０】
2016017446.tif 000016