(57)【要約】      （修正有）【課題】動翼損失を抑制してタービン効率を向上させることができる蒸気タービンを提供する。【解決手段】蒸気タービンは、内部ケーシングと、内部ケーシング内に貫設されたタービンロータと、タービンロータに、複数の動翼を周方向に植設して構成された動翼翼列と、内部ケーシングの内側に設けられたダイアフラム外輪と、ダイアフラム外輪の内側に外周側が支持された複数の静翼を周方向に配置して構成された静翼翼列と、静翼翼列と、この静翼翼列の直下流の動翼翼列とで構成されるタービン段落のうちの最終段のタービン段落を通過した蒸気が流入する排気室とを備える。最終段のタービン段落を構成する静翼間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅は、周方向位置によって異なる。【選択図】図３
2017101565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシング内に貫設されたタービンロータと、
前記タービンロータに、複数の動翼を周方向に植設して構成された動翼翼列と、
前記ケーシングの内側に設けられたダイアフラム外輪と、
前記ダイアフラム外輪の内側に外周側が支持された複数の静翼を周方向に配置して構成された静翼翼列と、
前記静翼翼列と、当該静翼翼列の直下流の前記動翼翼列とで構成されるタービン段落のうちの最終段のタービン段落を通過した蒸気が流入する排気室と
を備え、
最終段の前記タービン段落を構成する前記静翼間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅が、周方向位置によって異なることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記静翼間における、同じ翼高さ位置での前記スロート幅の周方向の積算値が一定であることを特徴とする請求項１記載の蒸気タービン。
【請求項３】
最終段の前記タービン段落において、
蒸気の流速が予め設計された蒸気の流速よりも低い領域では、前記スロート幅は、周方向に均等に構成された均等スロート幅よりも狭く、
蒸気の流速が予め設計された蒸気の流速よりも高い領域では、前記スロート幅は、前記均等スロート幅よりも広いことを特徴とする請求項１または２記載の蒸気タービン。
【請求項４】
蒸気の流速が予め設計された蒸気の流速よりも低い領域における各前記スロート幅が等しく、
蒸気の流速が予め設計された蒸気の流速よりも高い領域における各前記スロート幅が等しいことを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン。
【請求項５】
蒸気の流速が予め設計された蒸気の流速よりも低い領域において、隣接する前記スロート幅が異なり、
蒸気の流速が予め設計された蒸気の流速よりも高い領域において、隣接する前記スロート幅が異なることを特徴とする請求項３記載の蒸気タービン。
【請求項６】
最終段の前記タービン段落において、
前記動翼の入口における蒸気の相対速度の流入角度が、前記動翼の入口角度と等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンは、火力プラント、ガスタービンと組み合わせたコンバインドサイクルプラント、原子力プラント、再生可能エネルギを利用した地熱発電プラント、太陽熱発電プラントに広く適用されている。蒸気タービンにおける性能を向上させることは、ＣＯ２排出の削減やエネルギ消費の削減に寄与する。
【０００３】
蒸気タービンの発電プラントの稼働は、４０年間程度に及ぶ。この稼働期間の間には、機器の保守や老朽化した部品の交換などが行われる。これによって、各機器や各部品の機能が維持される。一方、蒸気タービンの稼働期間中においても、タービン性能を向上させるための要素技術が検討されている。そして、新たに製作される蒸気タービンには、その検討された技術が反映される。
【０００４】
一方、稼働期間中の蒸気タービンにおいては、経済性の向上やＣＯ２排出量の削減を目的として、使用している機器や部品を、性能向上技術を適用した機器や部品に交換するリフレッシュ工事が実施されている。リフレッシュ工事には、大規模な工事から小規模な工事がある。
【０００５】
大規模な工事としては、例えば、石炭炊きや石油炊きのボイラのコンベンショナル機種から、天然ガス炊きのコンバインドサイクル機種に取り替える工事がある。中規模な工事としては、例えば、タービン全体を新たなものに取り替える工事がある。小規模な工事としては、例えば、タービン部品を取り替える工事がある。
【０００６】
一般的に、機種交換などの大規模な工事や、タービン全体の取り替えなどの中規模な工事は、投資額が大きいため、稼働期間が長期になったプラントに適用される。一方、タービン部品を取り換えなどの小規模な工事では、その時々の性能向上技術を取り入れることができる。この小規模な工事は、タービン稼働期間が中期間のプラントに適用される。
【０００７】
小規模な工事では、タービン性能を向上させるために、静翼、動翼、タービンロータを交換することがある。そのため、静翼や動翼の形状の最適化、静翼や動翼を包囲する壁面形状の最適化、タービン内における漏洩蒸気の低減などが検討されている。
【０００８】
従来の小規模な工事では、例えば、使用している静翼や動翼を、タービン性能を向上させるために最適化された静翼や動翼に取り替える際、内部ケーシングや外部ケーシングなどは取り替えられない。排気室の一部が内部ケーシングおよび外部ケーシングによって構成される場合、排気室の形状は、これまでの形状である。そのため、排気室の形状が、最適化された静翼や動翼を通過した蒸気の流れに適合しないことがある。
【０００９】
ここで、従来の蒸気タービンに備えられる静翼と動翼のエネルギ変換の構成について説明する。図１２は、従来の蒸気タービンに備えられる静翼と動翼のエネルギ変換の構成を説明するための、翼高さ方向に垂直な断面における速度三角形を示す図である。
【００１０】
図１２には、周方向に複数の静翼２００を備える静翼翼列と、この静翼翼列の直下流側に配置され、周方向に複数の動翼２１０を備える動翼翼列とからなるタービン段落の一部を示している。図１２に示す断面において、周方向に所定の間隔をあけて配置された静翼２００間において、最小幅となるスロート幅ＳＳを有する。また、図１２に示す断面において、周方向に所定の間隔をあけて配置された動翼２１０間において、最小幅となるスロート幅ＲＳを有する。
【００１１】
静翼２００間に前縁２０１側から流入した蒸気は、スロート幅ＳＳを通過することで加速される。そして、図１２に示すように、静翼２００の出口（静翼２００間の出口）では、蒸気の速度は、絶対速度Ｃｓ５となる。なお、静翼２００の出口は、隣接する静翼２００の後縁２０２間である。
【００１２】
静翼２００から噴出された蒸気は、動翼２１０間に流入する。ここで、動翼２１０は、回転周速度Ｕで回転しているから、蒸気は、相対速度Ｗｓ５で動翼２１０間に流入する。なお、図１２の速度三角形に示すように、相対速度Ｗｓ５のベクトルは、絶対速度Ｃｓ５のベクトルと回転周速度Ｕのベクトルとの差で求まる。
【００１３】
動翼２１０間に前縁２１１側から流入した蒸気は、スロート幅ＲＳを通過することで加速される。そして、動翼２１０の出口（動翼２１０間の出口）では、蒸気の速度は、相対速度Ｗｒ５となる。ここで、動翼２１０は、回転周速度Ｕで回転しているから、蒸気は、実際には、絶対速度Ｃｒ５で動翼２１０間から流出する。なお、図１２の速度三角形に示すように、絶対速度Ｃｒ５のベクトルは、相対速度Ｗｒ５のベクトルと回転周速度Ｕのベクトルとの和で求まる。
【００１４】
なお、動翼２１０の入口および出口における蒸気速度差および動翼２１０間における蒸気流れの方向転換によって、動翼２１０に回転力が与えられる。
【００１５】
上記したタービン段落を構成する静翼２００と動翼２１０においては、翼間での蒸気との摩擦損失や圧力損失が最小となるように設計されている。この設計は、前述した速度三角形に基づいて設計されている。例えば、動翼２１０の入口における相対速度Ｗｓ５の流入角度αが動翼２１０の入口角度βと等しくなるように設計されている。
【００１６】
ここで、図１２の断面に示された動翼２１０において、入口角度βは、動翼２１０の前縁Ｐでの腹側曲線の接線Ｌと、タービンロータ軸方向に垂直な直線Ｍとがなす角度である。
【００１７】
動翼２１０に関して、入口における相対速度Ｗｓ５の流入角度αと、入口角度βとを等しくする理由について、図１３を参照して説明する。
【００１８】
図１３は、動翼２１０の入口における相対速度Ｗｓ５の流入角度αと動翼損失の関係を示す図である。図１３に示すように、動翼２１０の入口における相対速度Ｗｓ５の流入角度αが動翼２１０の入口角度βと等しいときには、動翼損失は最も小さい。しかしながら、流入角度αが入口角度βよりも小さいときや大きいときには、動翼損失は増加する。このように、流入角度αが入口角度βと等しくないときには、動翼２１０間での動翼損失が増加してタービン効率が低下する。
【００１９】
なお、動翼損失には、衝突損失、摩擦損失、渦流れ損失が含まれる。衝突損失は、蒸気が動翼２１０の入口に衝突することで生じる。摩擦損失は、蒸気の持つ運動エネルギの一部が摩擦に打ち勝つために消費されることで生じる。渦流れ損失は、流動中の渦流れによって生じる。
【００２０】
上記した流入角度αと入口角度βとを等しくするためには、静翼２００間のスロート部におけるスロート幅を、設計流体条件に基づいて求めて、適切な幅にすることが必要となる。そして、この適切なスロート幅を翼高さ方向に亘って求めて、静翼２００間の通路を設計する。なお、このような設計手法は、動翼２１０においても同じである。
【００２１】
そして、このような静翼２００や動翼２１０を備える翼列においては、周方向において速度分布を有しないことを前提に設計される。すなわち、静翼翼列や動翼翼列を備えるタービン段落において、蒸気の速度が周方向に亘って均一であることを前提としている。そのため、従来の静翼翼列や動翼翼列は、同一形状の翼を周方向に均等に配置して構成されている。
【００２２】
図１４は、従来の高圧タービン２２０の排気室２３０の縦断面を示す図である。この図１４には、排気室から最終段のタービン段落を見たときの図が示されている。なお、図１４は、タービンロータ軸方向に垂直な断面である。
【００２３】
図１４に示すように、高圧タービン２２０は、外部ケーシング２２１と、その内側に内部ケーシング２２２を備える。内部ケーシング２２２の中央には、タービンロータ２２３が貫設されている。タービンロータ２２３には周方向に複数の動翼２２４が植設され、動翼翼列を構成している。なお、この動翼２２４、動翼翼列の構成は、図１２に示した構成である。
【００２４】
内部ケーシング２２２の内周には、ダイアフラム外輪２２５が備えられている。このダイアフラム外輪２２５には、周方向に複数の静翼（図示しない）が支持され、静翼翼列を構成している。なお、静翼（図示しない）、静翼翼列（図示しない）の構成は、図１２に示した構成である。
【００２５】
排気室２３０は、外部ケーシング２２１と内部ケーシング２２２との間に形成された環状の排気通路２３１、および下流側に設けられた２本の排気管２３２内の排気管路２３２ａを備える。排気管２３２は、例えば、図１４に示すように、下半部の外部ケーシング２２１に下方に向けて配置される。そのため、最終段のタービン段落を通過した蒸気は、排気管路２３２ａを通り下方に導かれる。
【００２６】
このような下半部の外部ケーシング２２１に排気管２３２を有する排気室２３０においては、最終段のタービン段落を通過した蒸気が排気通路２３１を流れる際、速度分布が生じる。すなわち、周方向位置によって蒸気の速度が異なる。例えば、周方向位置によって半径方向外側に流れる蒸気の速度が異なる。図１４に示す構成の場合、下半側の流速が、上半側の流速よりも高くなる。
【００２７】
高圧タービンや中圧タービンなどのタービン段落の流れ場は亜音速であるため、この速度分布は、上流側にも影響する。そのため、例えば、最終段のタービン段落の静翼や動翼の出口でも、このような速度分布が形成される。
【００２８】
前述したように、従来の静翼または動翼を備える翼列は、速度分布を有しないことを前提に設計されている。そのため、このように速度分布を有すると、想定している流体条件とは、異なる流体条件となる。
【００２９】
ここで、蒸気の流速が設計値より小さい場合および大きい場合の速度三角形を、前述した図１２を参照して説明する。
【００３０】
蒸気の流速が静翼２００の出口において設計値より小さい場合、絶対速度Ｃｓ５は、設計値より小さくなる。動翼２１０の回転周速度Ｕは一定であるため、絶対速度Ｃｓ５のベクトルと回転周速度Ｕのベクトルとの差で求まる相対速度Ｗｓ５のベクトルは、設計値より小さくなる。すなわち、相対速度Ｗｓ５は、設計値より小さくなる。これによって、動翼２１０の入口における相対速度Ｗｓ５の流入角度αは、動翼２１０の入口角度βよりも大きくなる。
【００３１】
一方、蒸気の流速が静翼２００の出口において設計値より大きい場合、絶対速度Ｃｓ５は、設計値より大きくなる。動翼２１０の回転周速度Ｕは一定であるため、絶対速度Ｃｓ５のベクトルと回転周速度Ｕのベクトルとの差で求まる相対速度Ｗｓ５のベクトルは、設計値より大きくなる。すなわち、相対速度Ｗｓ５は、設計値より大きくなる。これによって、動翼２１０の入口における相対速度Ｗｓ５の流入角度αは、動翼２１０の入口角度βよりも小さくなる。
【００３２】
上記したように、排気室２３０の速度分布の影響を受けて、例えば、最終段のタービン段落などにおいて、動翼２１０の入口における相対速度Ｗｓ５の流入角度αと動翼２１０の入口角度βとを等しくすることができない。そのため、図１３を参照して説明したとおり、動翼２１０間での動翼損失が増加してタービン効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３３】
【特許文献１】特開２０１４−１２５９２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３４】
上記したように、従来の蒸気タービンでは、静翼および動翼は、周方向に一定の間隔をあけて均一に配置されている。例えば、静翼間におけるスロート部の間隔は、いずれの静翼間においても等しく設定されている。
【００３５】
このような従来の蒸気タービンにおいて、排気室における速度分布の影響は、排気室よりも上流側のタービン段落に及ぶことがある。これによって、前述したように、動翼の入口における相対速度の流入角度と動翼の入口角度とを等しくすることができない。このような流入角度と入口角度との差異は、速度分布を有しないことを前提にタービン段落が設計されている従来の蒸気タービンにおいて、動翼損失を増加させる。
【００３６】
本発明が解決しようとする課題は、動翼損失を抑制してタービン効率を向上させることができる蒸気タービンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
実施形態の蒸気タービンは、ケーシングと、前記ケーシング内に貫設されたタービンロータと、前記タービンロータに、複数の動翼を周方向に植設して構成された動翼翼列と、前記ケーシングの内側に設けられたダイアフラム外輪と、前記ダイアフラム外輪の内側に外周側が支持された複数の静翼を周方向に配置して構成された静翼翼列と、前記静翼翼列と、当該静翼翼列の直下流の前記動翼翼列とで構成されるタービン段落のうちの最終段のタービン段落を通過した蒸気が流入する排気室とを備える。そして、最終段の前記タービン段落を構成する前記静翼間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅が、周方向位置によって異なる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】第１の実施の形態の蒸気タービンの子午断面を示す図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面を示す図である。
【図３】第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼間のスロート幅を周方向位置によって示した図である。
【図４】従来の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼および動翼の平面展開図である。
【図５】第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼および動翼の平面展開図である。
【図６】第１の実施の形態の蒸気タービンにおいて、異なる形状を有する動翼における入口角度を説明するための翼高さ方向に垂直な動翼の断面を示す図である。
【図７】従来の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼および動翼の平面展開図である。
【図８】第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼および動翼の平面展開図である。
【図９】第１の実施の形態の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼間のスロート幅の他の構成を周方向位置によって示した図である。
【図１０】第２の実施の形態の蒸気タービンにおいて図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。
【図１１】第２の実施の形態の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼間のスロート幅を周方向位置によって示した図である。
【図１２】従来の蒸気タービンに備えられる静翼と動翼のエネルギ変換の構成を説明するための、翼高さ方向に垂直な断面における速度三角形を示す図である。
【図１３】動翼の入口における相対速度の流入角度と動翼損失の関係を示す図である。
【図１４】従来の高圧タービンの排気室の縦断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００４０】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の子午断面を示す図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面を示す図である。図２には、周方向位置をθを用いて示している。なお、ここでは、蒸気タービン１０として、高圧タービンを例示して説明する。
【００４１】
図１に示すように、蒸気タービン１０は、例えば、内部ケーシング２０とその外側に設けられた外部ケーシング２１とから構成される二重構造のケーシングを備えている。内部ケーシング２０内には、タービンロータ２２が貫設されている。このタービンロータ２２は、ロータ軸受（図示しない）によって回転可能に支持されている。
【００４２】
タービンロータ２２には、複数の動翼２３が周方向に植設されている。複数の動翼２３を周方向に備えた動翼翼列は、タービンロータ軸方向に複数段構成されている。
【００４３】
内部ケーシング２０の内側には、ダイアフラム外輪２４が設置されている。このダイアフラム外輪２４の内側には、複数の静翼２６が周方向に配置され、静翼翼列を構成している。なお、静翼２６は、その外周側がダイアフラム外輪２４の内側に支持されている。静翼翼列は、タービンロータ軸方向に動翼翼列と交互に複数段備えられている。
【００４４】
そして、静翼翼列と、この静翼翼列の直下流側に位置する動翼翼列とで一つのタービン段落を構成している。なお、ダイアフラム外輪２４の内側には、主蒸気が流れる環状の蒸気通路２７が形成されている。
【００４５】
タービンロータ２２と静翼２６との間、およびタービンロータ２２と外部ケーシング２１との間には、蒸気の漏出を防止するために、シール部２８、２９が設けられている。
【００４６】
また、蒸気タービン１０には、例えば、主蒸気管３０から高温高圧の蒸気が導入される。蒸気タービン１０内に供給された蒸気は、第１段の静翼２６を通過して第１段の動翼２３へ導かれる。各タービン段落において、静翼２６で熱エネルギを速度エネルギに変換し、動翼２３にて回転エネルギに変換して動力を得ている。
【００４７】
最終段のタービン段落の下流側には、各タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気室４０が設けられている。排気室４０は、例えば、図２に示すように、外部ケーシング２１と内部ケーシング２０との間に形成された環状の排気通路４１、および下流側に設けられた２本の排気管４２内に排気管路４２ａを備える。
【００４８】
排気通路４１は、図１に示すように、例えば、最終段のタービン段落の下流側の外部ケーシング２１の内面と、ダイアフラム外輪２４および内部ケーシング２０の外面との間の半径方向外側に放射状に広がる環状の通路である。排気管４２は、例えば、図２に示すように、下半部の外部ケーシング２１に下方に向かって配置される。
【００４９】
最終段のタービン段落を通過した蒸気は、排気通路４１を流れることで、半径方向外側に放射状に広がる。例えば、上半側に広がった蒸気は、外部ケーシング２１の内面に沿って下半側に導かれる。そして、下半側に広がった蒸気とともに、排気管路４２ａを通り下方に導かれる。なお、排気管路４２ａを通過した蒸気は、例えば、再熱ボイラを通過して加熱され、中圧タービンに導かれる。
【００５０】
なお、上記した蒸気タービン１０では、静翼２６がダイアフラム外輪２４によって支持された一例を示したが、この構成に限られない。蒸気タービン１０が、ダイアフラム外輪２４の内側にダイアフラム内輪を備える構成であってもよい。この場合、静翼２６は、ダイアフラム外輪２４とダイアフラム内輪との間に支持される。
【００５１】
次に、最終段のタービン段落の静翼２６および動翼２３の構成について説明する。
【００５２】
図３は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終段のタービン段落の静翼２６間のスロート幅を周方向位置によって示した図である。なお、図３には、比較のため、従来の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼間のスロート幅も示している。
【００５３】
なお、図３に示されたスロート幅は、同じ翼高さ位置におけるものである。同じ翼高さ位置とは、例えば、静翼２６において、タービンロータの中心軸から半径方向距離が同じ位置を示す。
【００５４】
ここで、蒸気タービンにおいてタービン効率の向上を図るために、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅の周方向の積算値として、予め設定された設計値が存在する。
【００５５】
従来の蒸気タービンでは、この設計値を均等に周方向に区分するようにスロート幅を設定している。そのため、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅は、周方向に均等となる。そして、従来の蒸気タービンは、蒸気の流れが周方向に亘って均一であるという条件に基づいて、動翼の入口における相対速度の流入角度と、動翼の入口角度とが等しくなるように設計されている。
【００５６】
なお、上記した、周方向に亘って蒸気の流れが均一となる設計上の流れを、以下において設計蒸気流れと呼ぶ。また、従来の蒸気タービンのように、スロート幅を周方向に均等とした仕様を、以下において均等スロート幅と呼ぶ。
【００５７】
しかしながら、前述したように、排気通路における速度分布の影響を受け、例えば、最終段のタービン段落において、下半側の蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも高く、上半側の蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも低い。換言すれば、排気通路における速度分布の影響を受け、例えば、最終段のタービン段落において、下半側に流れる蒸気の流量が、設計蒸気流れを得るための設計流量よりも多く、上半側に流れる蒸気の流量が、設計蒸気流れを得るための設計流量よりも少ない。
【００５８】
そのため、設計蒸気流れの流速よりも高い領域または設計蒸気流れの流速よりも低い領域では、動翼の入口における相対速度の流入角度と、動翼の入口角度とが一致しない状態となる。なお、下半側の蒸気の流速が高く、上半側の蒸気の流速が低い速度分布は、排気管４２が下半部の外部ケーシング２１に配置された構成において生じる。
【００５９】
そこで、第１の実施の形態の蒸気タービン１０では、例えば、最終段のタービン段落を構成する静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を、周方向位置によって異ならせている。そして、同じ翼高さ位置でのスロート幅の周方向の積算値は、一定である。具体的には、同じ翼高さ位置でのスロート幅の周方向の積算値は、前述した予め設定された設計値である。
【００６０】
なお、同じ翼高さ位置でのスロート幅の周方向の積算値とは、同じ翼高さ位置でのスロート幅を周方向に１周分合算した値である。また、スロート幅とは、隣接する静翼２６間における最小距離である。
【００６１】
蒸気タービン１０では、図３に示すように、蒸気の流速が低い上半側において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を均等スロート幅よりも狭く設定する。そして、静翼の出口の絶対速度を増加させる。また、スロート幅および絶対速度のベクトル方向を調整して、動翼の入口における相対速度の流入角度と、動翼の入口角度とが等しくなるように設定している。また、上半側におけるスロート幅は、図３に示すように、例えば、一定である。すなわち、上半側における各スロート幅は、等しい。
【００６２】
一方、蒸気の流速が高い下半側において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を均等スロート幅よりも広く設定する。そして、静翼の出口の絶対速度を減少させる。また、絶対速度および絶対速度のベクトル方向を調整して、動翼の入口における相対速度の流入角度と、動翼の入口角度とが等しくなるように設定している。
【００６３】
また、下半側におけるスロート幅は、図３に示すように、例えば、一定である。すなわち、下半側における各スロート幅は、等しい。なお、図３において、上半側とは、周方向角度が９０°〜２７０°の範囲である（図２参照）。また、図３において、下半側とは、上半側以外の周方向角度の範囲である。
【００６４】
ここで、蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも低い領域における動翼２３の入口における蒸気の流れについて説明する。
【００６５】
図４は、従来の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼１００および動翼１１０の平面展開図である。図５は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終段のタービン段落の静翼２６および動翼２３の平面展開図である。図４および図５には、同じ翼高さ位置における、翼高さ方向に垂直な断面が示されている。また、図４および図５には、静翼の出口（動翼の入口）における蒸気流れの速度三角形を示している。なお、図４は、比較のために示している。
【００６６】
なお、設計蒸気流れにおいて、静翼の出口の絶対速度をＣｓ０、相対速度をＷｓ０とする。また、設計蒸気流れにおいて、動翼の入口における相対速度Ｗｓ０の流入角度をα０とする。また、この相対速度Ｗｓ０の流入角度α０と等しい角度に構成された動翼の入口角度をβ０とする。
【００６７】
ここで、図４および図５の断面に示された動翼１１０、２３において、入口角度β０は、動翼１１０、２３の前縁Ｐでの腹側曲線の接線Ｌと、タービンロータ軸方向に垂直な直線Ｍとがなす角度である。この入口角度β０の定義は、図４および図５の断面において、動翼１１０、２３の前縁Ｐが尖った形状（ナイフエッジ形状）のときに適用できる。
【００６８】
ここで、図６は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０において、異なる形状を有する動翼２３における入口角度β０を説明するための翼高さ方向に垂直な動翼２３の断面を示す図である。図６に示すように、この断面において、前縁Ｐが湾曲した曲線上にあるような動翼２３のときには、入口角度β０は次のように定義される。
【００６９】
動翼２３の腹側曲線が、前縁側において腹側方向に湾曲し始める点（変曲点）をＱとする。そして、入口角度β０は、点Ｑでの腹側曲線の接線Ｌと、タービンロータ軸方向に垂直な直線Ｍとがなす角度である。
【００７０】
蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも低い場合、図４に示すように、均等スロート幅ＳＳ１を備える従来の蒸気タービンでは、静翼１００の出口における絶対速度Ｃｓ１は、絶対速度Ｃｓ０よりも小さくなる。動翼１１０の回転周速度Ｕは一定であるため、絶対速度Ｃｓ１のベクトルと回転周速度Ｕのベクトルとの差で求まる、動翼１１０の入口における相対速度Ｗｓ１のベクトルは、相対速度Ｗｒ０より小さくなる。
【００７１】
さらに、相対速度Ｗｓ１のベクトルの方向が変化し、相対速度Ｗｓ１の流入角度α１は、相対速度Ｗｓ０の流入角度α０よりも大きくなる。これによって、相対速度Ｗｓ１の流入角度α１は、動翼１１０の入口角度β０よりも大きくなる。なお、蒸気は、相対速度Ｗｓ１で動翼１１０間に流入する。
【００７２】
一方、第１の実施の形態の蒸気タービン１０においては、図５に示すように、蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも低い領域では、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅ＳＳ２は、均等スロート幅よりも狭く設定されている。そのため、静翼２６の出口における絶対速度Ｃｓ２は、図４に示した従来の蒸気タービンにおける絶対速度Ｃｓ１よりも大きい。動翼２３の回転周速度Ｕは一定であるため、絶対速度Ｃｓ２のベクトルと回転周速度Ｕのベクトルとの差で求まる、動翼２３の入口における相対速度Ｗｓ２のベクトルは、図４に示した従来の蒸気タービンにおける相対速度をＷｓ１より大きくなる。
【００７３】
前述したように、蒸気タービン１０においては、スロート幅ＳＳ２および絶対速度Ｃｓ２のベクトル方向を調整して、動翼２３の入口における相対速度の流入角度α２が、動翼２３の入口角度β０と等しくなるように設定されている。そのため、相対速度Ｗｓ２の流入角度α２は、動翼２３の入口角度β０と等しくなる。なお、蒸気は、相対速度Ｗｓ２で動翼２３間に流入する。
【００７４】
次に、蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも高い領域における動翼２３の入口における蒸気の流れについて説明する。
【００７５】
図７は、従来の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼１００および動翼１１０の平面展開図である。図８は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終段のタービン段落の静翼２６および動翼２３の平面展開図である。図７および図８には、同じ翼高さ位置における、翼高さ方向に垂直な断面が示されている。また、図７および図８には、静翼の出口（動翼の入口）における蒸気流れの速度三角形を示している。なお、図７は、比較のために示している。
【００７６】
図７に示すように、蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも高いため、均等スロート幅ＳＳ１を備える従来の蒸気タービンでは、静翼１００の出口における絶対速度Ｃｓ３は、絶対速度Ｃｓ０よりも大きい。動翼１１０の回転周速度Ｕは一定であるため、絶対速度Ｃｓ３のベクトルと回転周速度Ｕのベクトルとの差で求まる、動翼１１０の入口における相対速度Ｗｓ３のベクトルは、相対速度Ｗｒ０より大きくなる。
【００７７】
さらに、相対速度Ｗｓ３のベクトルの方向が変化し、相対速度Ｗｓ３の流入角度α３は、相対速度Ｗｓ０の流入角度α０よりも小さくなる。これによって、相対速度Ｗｓ３の流入角度α３は、動翼１１０の入口角度β０よりも小さくなる。なお、蒸気は、相対速度Ｗｓ３で動翼１１０間に流入する。
【００７８】
一方、第１の実施の形態の蒸気タービン１０においては、図８に示すように、蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも高い領域では、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅ＳＳ２は、均等スロート幅よりも広く設定されている。そのため、静翼２６の出口における絶対速度Ｃｓ４は、図７に示した従来の蒸気タービンにおける絶対速度Ｃｓ３よりも小さい。動翼２３の回転周速度Ｕは一定であるため、絶対速度Ｃｓ４のベクトルと回転周速度Ｕのベクトルとの差で求まる、動翼２３の入口における相対速度Ｗｓ４のベクトルは、図７に示した従来の蒸気タービンにおける相対速度をＷｒ３より小さくなる。
【００７９】
前述したように、蒸気タービン１０においては、スロート幅ＳＳ４および絶対速度Ｃｓ４のベクトル方向を調整して、動翼２３の入口における相対速度の流入角度α４が、動翼２３の入口角度β０と等しくなるように設定されている。そのため、相対速度Ｗｓ４の流入角度α４は、動翼２３の入口角度β０と等しくなる。なお、蒸気は、相対速度Ｗｓ４で動翼２３間に流入する。
【００８０】
上記したように、第１の実施の形態の蒸気タービン１０では、蒸気の流速が低い領域において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を均等スロート幅よりも狭くする。一方、蒸気の流速が高い領域において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を均等スロート幅よりも広くする。
【００８１】
これらによって、動翼２３の入口における相対速度の流入角度α４を、動翼２３の入口角度β０と等しくできる。そのため、蒸気タービン１０においては、動翼損失を抑制してタービン効率を向上させることができる。
【００８２】
ここで、最終段のタービン段落の静翼２６間のスロート幅は、図３において上半側と下半側との間でステップ状に変化する一例を示したが、これに限られるものではない。図９は、第１の実施の形態の蒸気タービン１０における最終段のタービン段落の静翼２６間のスロート幅の他の構成を周方向位置によって示した図である。
【００８３】
図９に示すように、周方向に亘って連続的に静翼２６間のスロート幅を変化させてもよい。具体的は、例えば、蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも低い領域および蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも高い領域において、隣接するスロート部のスロート幅が異なる。
【００８４】
この場合においても、蒸気の流速が低い上半側において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅は、均等スロート幅よりも狭く設定されている。一方、蒸気の流速が高い下半側において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅は、均等スロート幅よりも広く設定されている。なお、同じ翼高さ位置でのスロート幅の周方向の積算値は、前述した予め設定された設計値である。
【００８５】
このようなスロート幅の構成を備える蒸気タービン１０においても、上記した作用効果と同様の作用効果が得られる。
【００８６】
（第２の実施の形態）
図１０は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１において図１のＡ−Ａ断面に相当する断面を示す図である。図１０には、周方向位置をθを用いて示している。なお、第１の実施の形態の蒸気タービン１０の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。
【００８７】
図１０に示すように、蒸気タービン１１の最終段のタービン段落の下流側には、各タービン段落において膨張仕事をした蒸気を排気するための排気室５０が設けられている。排気室５０は、図１０に示すように、外部ケーシング２１と内部ケーシング２０との間に形成された環状の排気通路４１、および下流側に設けられた２本の排気管４２内の排気管路４２ａを備える。排気管４２は、例えば、図１０に示すように、上半部の外部ケーシング２１に上方に向かって配置される。
【００８８】
このような上半部の外部ケーシング２１に排気管４２を有する排気室５０においては、最終段のタービン段落を通過した蒸気が排気通路４１を流れる際、速度分布が生じる。この場合、下半側の流速は、設計蒸気流れの流速よりもが低く、上半側の流速は、設計蒸気流れの流速よりも高くなる。
【００８９】
次に、最終段のタービン段落の静翼２６および動翼２３の構成について説明する。
【００９０】
図１１は、第２の実施の形態の蒸気タービン１１における最終段のタービン段落の静翼２６間のスロート幅を周方向位置によって示した図である。なお、図１１には、比較のため、従来の蒸気タービンにおける最終段のタービン段落の静翼間のスロート幅も示している。なお、図１１に示されたスロート幅は、同じ翼高さ位置におけるものである。
【００９１】
図１１に示すように、第２の実施の形態の蒸気タービン１１では、最終段のタービン段落を構成する静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を、周方向位置によって異ならせている。そして、同じ翼高さ位置でのスロート幅の周方向の積算値は、一定である。具体的には、同じ翼高さ位置でのスロート幅の周方向の積算値は、前述した予め設定された設計値である。
【００９２】
蒸気タービン１１では、図１１に示すように、蒸気の流速が低い下半側において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を均等スロート幅よりも狭く設定する。そして、静翼の出口の絶対速度を増加させる。また、スロート幅および絶対速度のベクトル方向を調整して、動翼の入口における相対速度の流入角度と、動翼の入口角度とが等しくなるように設定している。
【００９３】
また、下半側におけるスロート幅は、図１１に示すように、例えば、一定である。すなわち、下半側における各スロート幅は、等しい。
【００９４】
一方、蒸気の流速が高い上半側において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を均等スロート幅よりも広く設定する。そして、静翼の出口の絶対速度を減少させる。また、絶対速度および絶対速度のベクトル方向を調整して、動翼の入口における相対速度の流入角度と、動翼の入口角度とが等しくなるように設定している。
【００９５】
また、上半側におけるスロート幅は、図１１に示すように、例えば、一定である。すなわち、上半側における各スロート幅は、等しい。
【００９６】
なお、図１１において、上半側とは、周方向角度が９０°〜２７０°の範囲である（図２参照）。また、図１１において、下半側とは、上半側以外の周方向角度の範囲である。
【００９７】
なお、蒸気の流速が設計蒸気流れの流速よりも高い領域または低い領域における静翼２６および動翼２３の構成は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
【００９８】
上記したように、第２の実施の形態の蒸気タービン１１では、蒸気の流速が低い領域において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を均等スロート幅よりも狭くする。一方、蒸気の流速が高い領域において、静翼２６間における、同じ翼高さ位置でのスロート幅を均等スロート幅よりも広くする。
【００９９】
これらによって、動翼２３の入口における相対速度の流入角度を、動翼２３の入口角度と等しくできる。そのため、蒸気タービン１１においては、動翼損失を抑制してタービン効率を向上させることができる。
【０１００】
なお、第２の実施の形態の蒸気タービン１１においても、図９に示すように、周方向に亘って連続的に静翼２６間のスロート幅を変化させてもよい。
【０１０１】
ここで、上記した実施の形態では、スロート幅が周方向位置によって異なる一例として、最終段のタービン段落を構成する静翼２６間を例示して説明したが、これに限られるものではない。同じ翼高さ位置でのスロート幅が周方向位置によって異なる構成は、少なくとも最終段のタービン段落を構成する静翼２６間に適用される。
【０１０２】
そのため、最終段のタービン段落以外のタービン段落に、本実施の形態の構成を適用してもよい。本実施の形態の構成は、例えば、周方向位置によって蒸気の速度が異なるタービン段落に適用することが好ましい。
【０１０３】
また、上記した実施の形態では、高圧タービンを例示して説明したが、本実施の形態の構成は、タービン段落の流れ場が亜音速である、例えば、超高圧タービン、中圧タービンなどにも適用することができる。そして、本実施の形態の構成は、これらの蒸気タービンの少なくとも最終段のタービン段落に設けられる。
【０１０４】
以上説明した実施形態によれば、動翼損失を抑制してタービン効率を向上させることが可能となる。
【０１０５】
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。
【符号の説明】
【０１０６】
１０，１１…蒸気タービン、２０…内部ケーシング、２１…外部ケーシング、２２…タービンロータ、２３，１１０…動翼、２４…ダイアフラム外輪、２６，１００…静翼、２７…蒸気通路、２８，２９…シール部、３０…主蒸気管、４０，５０…排気室、４１…排気通路、４２…排気管、４２ａ…排気管路。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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