(57)【要約】【課題】      蒸気タービン内へ供給される蒸気の圧力条件等の変動に対して、広い条件領域で高いタービン効率を維持することである。【解決手段】  圧力応動開閉ノズル機構であって、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力変動に応じて、一連のノズル群の全て、または一部のノズルは、ノズルの上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差が予め定められた幾つかの異なる圧力差の中の一つに対して自己応動する圧力応動開閉ノズル機構を有し、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力変動に応じて、開または閉のノズル本数の増減が自動調整されることを特徴とする圧力応動開閉ノズル機構。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンに供給される蒸気の圧力変動に応じて、自己応動する一連のノズル群であって、全てのまたは一部のノズルは、ノズルの上流側の圧力と下流側の圧力の圧力差が予め定められた幾つかの異なる圧力差の中の一つに対して自己応動する圧力応動開閉ノズル機構を有し、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力変動に応じて、開または閉のノズル本数の増減が自動調整されることを特徴とする圧力応動開閉ノズル機構。
【請求項２】
請求項１の圧力応動開閉ノズル機構であって、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力変動に応じて、予め定められた幾つかの異なる圧力差の中の一つに対して自己応動する可撓性を有するバネを用いることを特徴とする圧力応動開閉ノズル機構。
【請求項３】
請求項１または２の圧力応動開閉ノズル機構を有する蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は蒸気タービンのノズルであって、更に詳しくは作動流体である蒸気の圧力等の変動に応じ、ノズルの本数を自動調整する圧力応動開閉ノズル機構、及びこの圧力応動開閉ノズル機構を有する蒸気タービンに関す。
【背景技術】
【０００２】    地球環境の温暖化が問題提起される中、ＣＯ２の削減が国際的に求められている。しかし一方では、各種のプラントや工場、またゴミ焼却所や内燃機関からの排熱等、高温熱エネルギーが利用されることなく、大量に大気に廃棄されている。この様な捨てられる熱エネルギーを利用効率の高い電気エネルギーに変換できるのが外燃機関である、蒸気タービンである。しかし、この様な捨てられる熱エネルギーを利用するには、安定した熱源の確保や、最適な蒸気条件を維持することが困難である。【０００３】    蒸気タービン内を流れる蒸気はノズルを通過することで速度のエネルギーを得る。つまりノズルの上流側（ノズル入口）の圧力と、ノズルの下流側（ノズル出口）の圧力差を利用し、蒸気がノズル内を通過するときに、減圧‐体積膨張‐加速し、高速の蒸気が動翼に衝突し、回転エネルギーを得る。しかし、工場や内燃機関等からの廃棄される高温熱エネルギーを利用する中小容量の蒸気タービンの場合、安定した熱源を得る事は難しくなる場合があり、その為にノズルの入口と出口の圧力差が予め設定された圧力差よりも小さくなったり、流量が少なくなったりすると、充分に減圧‐体積膨張せず、ノズルを通過する蒸気の速度が著しく失われ、極端に蒸気タービン効率が悪くなる（図５）。それを解決するために図４の示す如く、蒸気タービンへ供給される蒸気の圧力が低くなると、可変式ノズルを用い、一律に個々のノズル通路を狭め、ノズル通路の総断面積を小さく調整できるようにして、蒸気の速度を確保するようにするもの（特許文献１及び２）、また発電ユニットを複数持ち、発電ユニット数を調整することで対応するものもある（特許文献３）。
【先行技術文献】
【０００４】
【特許文献１】  特願２０１１−２５４３９２号（現時点未公開）
【特許文献２】  特開２０１０‐２２９８４４号広報
【特許文献３】  特開２００７−３１５２８１号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】    しかしながら、個々のノズル通路を一律に狭め、全てのノズル通路の断面積を小さく調整する従来の技術では蒸気と狭められたノズル通路の壁面との摩擦損失が増大する。また、蒸気圧や流量の変化に対応するために複数の発電ユニットを設ければ、装置費用が増大し、実用的でない。【０００６】    従って本発明の課題は上記の問題を解決し、蒸気タービン内へ供給される蒸気の圧力条件等の変動に対して、広い条件領域で高いタービン効率を維持することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】    請求項１で示す本発明は圧力応動開閉ノズル機構であって、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力変動に応じて、一連のノズル群の全て、または一部のノズルは、ノズルの上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差が予め定められた幾つかの異なる圧力差の中の一つに対して自己応動する圧力応動開閉ノズル機構を有し、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力変動に応じて、開または閉のノズル本数の増減が自動調整されることを特徴とする圧力応動開閉ノズル機構。【０００８】        請求項２の発明は請求項１の圧力応動開閉ノズル機構であって、蒸気タービンに供給される蒸気の圧力変動に応じて、予め定められた幾つかの異なる圧力差の中の一つに対して自己応動する可撓性を有するバネを用いることを特徴とする圧力応動開閉ノズル機構。【０００９】    また、請求項３の発明は蒸気タービンであって、請求項１または２の圧力応動開閉ノズル機構を有する蒸気タービン。
【発明の効果】
【００１０】    蒸気タービンに供給される蒸気圧が設定されている蒸気圧よりも下がる場合、開のノズル本数が少なるだけなので、其々の開のノズルの蒸気通路断面積、および蒸気流量と速度は凡そ維持されるために蒸気がノズルを通過する際の新たな摩擦損失は生じない。更に蒸気の圧力変動に応じて、自己応動するバネを用いることで圧力応動開閉ノズル機構を単純化し、制作コストを低減できる。【００１１】    以上のように蒸気タービン内へ供給される蒸気の圧力条件等の変動に対して、広い圧力条件領域で高いタービン効率を維持することができ、更に安価で提供できるため、安定した熱源の確保が難しい廃棄される熱エネルギー利用分野に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】蒸気の流れる方向が回転軸近傍から外周へ向けて流れる、（外向き）半径流型蒸気タービンを例にした各種状態のノズルで、（Ａ）は圧力応動開閉ノズル機構を備えていない概念図。（Ｂ）、（Ｃ）は板バネを用いる圧力応動開閉ノズル機構を備えている２例の概念図。
【図２】（Ａ）は設定通りの蒸気圧の蒸気がタービン内に供給されている場合の圧力応動開閉ノズル機構の概念図。すべてのノズルが開かれている。（Ｂ）は設定されている蒸気圧よりも低い圧力の蒸気がタービン内に供給され、一部のノズルが閉じた場合の概念図。
【図３】蒸気の流れる方向が蒸気タービンの外周から回転軸近傍方向の（内向き）半径流型蒸気タービンで本発明の圧力応動開閉ノズル機構を説明する概念図で、ノズルリング２内の図示されていないノズルを通過する蒸気流５を矢印で示す。（Ａ）は設定通りの蒸気圧の蒸気がタービン内へ供給されている。（Ｂ）、（Ｃ）は供給されている蒸気圧が低減している。
【図４】本発明のノズル機構と比べるための、一般的な可変ノズル機構を説明する概念図。
【図５】蒸気タービン内へ供給される蒸気の圧力の変化に対応機構がない蒸気タービンの一般的なノズル機構の概念図。
【図６】軸流型蒸気タービンのノズルに圧力応動開閉ノズル機構を構築した１例の概念図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】    先ず図１と図２を使って、請求項１と２の発明の１例を説明する。図１は半径流型蒸気タービンのノズルの概念図で、詳しくは作動流体の蒸気が回転軸のある中心部から外周へ向けて流れる（外向き）半径流型蒸気タービンのノズルの概念図であって図１（Ａ）は本発明のノズル機構を備えていない。図１（Ｂ）、（Ｃ）は板バネをノズル通路に取り付けた本発明のノズル機構の２例を示す。ノズルリング２に蒸気通路のノズル１を設け、このノズル１を塞ぐように板バネ３を取り付け、前記の板バネ３はノズル１の上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差が予め定められた幾つかの異なる圧力差の中の一つに対して自己応動する可撓性を有し、この板バネ３を用いて圧力応動開閉ノズル機構を構築する。
【００１４】    図２が示すのはａ、ｂ、ｃおよび  ｄの蒸気通路であるノズル１で、其々のノズル１には、ノズル１の上流側の圧力と下流側の圧力との圧力差が予め定められた幾つかの異なる圧力差の中の一つに対して自己応動する圧力応動開閉ノズル機構が設けられている。例えば実施の１例として図２（Ａ）（Ｂ）の蒸気タービン（図示されていない）の設定供給蒸気圧力が５気圧（０．５ＭＰａ）で、ノズル１の下流の圧力（背圧）が大気圧（０．１ＭＰａ）で、本来の設定蒸気圧力落差が４気圧（４ＭＰａ）である場合、ノズル１ａおよびノズル１ｃには予め２気圧（０．２ＭＰａ）以上の圧力落差になれば自己応動し、開になる板バネ３を取り付ける。次にノズル１ｂおよびノズル１ｄには３気圧（０．３ＭＰａ）以上の圧力落差になれば自己応動し、開になる板バネ３を其々のノズル１に取り付ける。
【００１５】    図２で、図示されていない蒸気タービン内へ５気圧（０．５ＭＰａ）の作動流体である蒸気を供給すれば、ノズル１の上流側と下流側の蒸気圧力落差が４気圧（４ＭＰａ）なので、図２（Ａ）の如く、全てのノズル１は開かれる。次に図２（Ｂ）では３気圧（０．３ＭＰａ）の蒸気をタービン内へ供給する。蒸気圧力落差が２気圧（０．２ＭＰａ）になるので、蒸気圧力落差が２気圧（０．２ＭＰａ）で自己応動するノズル１ａおよびノズル１ｃは開かれ、蒸気圧力落差が３気圧（０．３ＭＰａ）以上で開の設定がなされているノズル１ｂおよびノズル１ｄは閉じられ、開または閉のノズル本数の増減が自動調整される。なお、図１（Ａ）で示す、本発明のノズル機構を有しないノズルを加えて、本圧力応動開閉ノズル機構を構成することもできる。
【００１６】    図３は蒸気の流れる方向が、蒸気タービン外周から中心方向へ流れる（内向き）半径流型蒸気タービン（図示されていない）を用い、本発明と既知の技術である一律可変ノズル式（図４）と調整機構を持たないタービンノズル機構（図５）との違いを示す。なお図３、図４および図５ではノズルリング２に図示されていないノズルが設けられており、矢印はこのノズルを通過する蒸気流５を示し、また矢印の幅は蒸気流量を、長さは蒸気噴出速度を其々概念的に示している。
【００１７】    図３（Ａ）の如く、例えばノズルを６本備え、その中の２本のノズルには凡そ設定蒸気圧力近づくと自己応動する可撓性を有する板バネを取り付けて圧力応動開閉ノズル機構を構築し、同じように他のノズル２本ずつにも設定蒸気圧の凡そ２／３と、１／３の圧力に圧力応動開閉ノズル機構を構築する。そこで図示されていない蒸気タービン内へ設定通りの蒸気圧の蒸気を供給すれば、６本の全てのノズルは開かれる。この時の各ノズルを通過する蒸気流５は設定通りの蒸気流量と速度であり、高い効率を示す。（Ｂ）は供給される蒸気圧および蒸気流量が凡そ２／３ほどに低下すると、開のノズルの本数は４本になる。また（Ｃ）では供給される蒸気圧および蒸気流量が凡そ１／３になり、開のノズルの本数は２本になる。しかし、各開のノズルの蒸気流５はほぼ同じ流量と速度を保ち、蒸気タービンの出力は凡そ２／３、１／３になるが、タービン効率は設定通りの効率を保つことができる。
【００１８】    図４も６本のノズルを持つが、一律可変式ノズル機構で、（Ａ）設定通りの蒸気圧を蒸気タービン内へ供給すると、６本のノズル全ては開かれて図３（Ａ）と同じ蒸気流５を示す。しかし、図４（Ｂ）および（Ｃ）では６本すべてのノズルは一律に狭くなり、各ノズルの蒸気流量（幅）は減少するが、蒸気速度（長さ）は凡そ保たれる。しかしノズルの喉が狭くなればなるほど蒸気とノズル通路の壁面との摩擦が大きくなり、摩擦損失が増大し、タービン効率は低下する。
【００１９】    図５は図３と図４と同じ蒸気タービンであるが、供給される蒸気圧の変動に対する調整ノズル機構を備えていない。図５（Ａ）は設定通りの蒸気圧の蒸気を図示されていない蒸気タービン内へ供給する。６本すべてのノズルの蒸気流５は、調整ノズル機構を備えている蒸気タービンと同じで、高いタービン効率を有する。しかし、供給する蒸気圧が低下すると、図５（Ｂ）、（Ｃ）では蒸気流５の矢印が示すように蒸気流量（幅）と蒸気噴出速度（長さ）が悪化し、タービン効率は極端に低下する。
【００２０】    図６は軸流型蒸気タービンのノズルに、本発明の圧力応動開閉ノズル機構を構築した１例の概念図で、１本のノズルに２枚の板バネを用いて末広ノズルを形成している。
【００２１】    一部の実施例を上記のように示したが、これ以外にも本発明のノズル本数の増減が自動調整されることを特徴とする圧力応動開閉ノズル機構を備える蒸気タービンも実施できる。
【記号の説明】
【００２２】１        ノズル
２        ノズルリング
３        板バネ
４        固定翼
５        蒸気流（矢印）
【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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