(57)【要約】【課題】作動流体のエネルギーの損失を低減する。【解決手段】第１タービン段落（６）と第２タービン段落（６）との間の軸方向の距離（Ａ）が、第１タービン段落（６）の軸方向の全長（Ｂ）よりも小さい場合に、第２タービン段落（６）における流路部の周方向の長さである流路長（Ｌ’）が、第１タービン段落（６）における流路長（Ｌ）よりも大きく、かつ第１タービン段落（６）における流路長（Ｌ）に所定の長さを加えた値よりも小さくなっている。【選択図】図４
2017133379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静翼段と動翼段とを備えているタービン段落を少なくとも２つ備えている蒸気タービンであって、
前記静翼段は、複数の静翼が周方向に並べて配置されている流路部と、作動流体の流入が阻止される壁で構成された閉止部と、を有するものであり、
前記動翼段は、前記流路部において互いに隣接する前記静翼の間を流出した前記作動流体を受けて回転する動翼が、周方向に複数並べて配置されているものであり、
少なくとも２つのタービン段落について、前段のタービン段落を第１タービン段落、後段のタービン段落を第２タービン段落とする場合、
前記第１タービン段落と前記第２タービン段落との間の軸方向の距離が、前記第１タービン段落の軸方向の全長よりも小さい場合に、
前記第２タービン段落における前記流路部の周方向の長さである流路長が、前記第１タービン段落における前記流路長よりも大きく、かつ前記第１タービン段落における前記流路長に所定の長さを加えた値よりも小さくなっていることを特徴とする蒸気タービン。
【請求項２】
前記所定の長さは、前記第２タービン段落の前記静翼段において周方向に互いに隣接する静翼同士の配置間隔の２倍に等しいことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービン。
【請求項３】
静翼段と動翼段とを備えているタービン段落を少なくとも２つ備えている蒸気タービンであって、前記静翼段は、複数の静翼が周方向に並べて配置されている流路部と、作動流体の流入が阻止される壁で構成された閉止部と、を有するものであり、前記動翼段は、前記流路部において互いに隣接する前記静翼の間を流出した前記作動流体を受けて回転する動翼が、周方向に複数並べて配置されているものである蒸気タービン、における前記流路部の周方向の長さである流路長の拡大幅の決定方法であって、
少なくとも２つのタービン段落について、前段のタービン段落を第１タービン段落、後段のタービン段落を第２タービン段落とする場合、
前記第１タービン段落と前記第２タービン段落との間の軸方向の距離が、前記第１タービン段落の軸方向の全長よりも小さい場合に、
前記第２タービン段落における前記流路長を、前記第１タービン段落における前記流路長よりも大きく、かつ前記第１タービン段落における前記流路長に所定の長さを加えた値よりも小さくすることを特徴とする流路長の拡大幅の決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンおよび蒸気タービンの部分流入段における流路部の流路長の拡大幅の決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービンの入口側（高圧段側）は、作動流体である蒸気の密度が低い。このため、作動流体を同一速度で流そうとすると、蒸気タービンの入口側は、出口側（低圧段側）に比べて、作動流体が流れる流路の断面積が小さくなる。蒸気タービンの流路の断面積は、静翼の翼高さによって決まる。また、構造的に蒸気タービンの上部側からしか作動流体を供給できない場合や、翼高さが低いこと、に起因して作動流体のエネルギーの二次流れ損失が大きくなりすぎることを考慮する必要もある。このため、静翼段について、一部の領域を壁が存在する閉止部とし、残りの領域を作動流体が流入する流路が存在する流路部とすることで、作動流体が流れる流路の断面積を小さくした部分流入段を設ける手法が一般的に適用されている。
【０００３】
また、蒸気タービンは、低圧段側に向かうにつれて、作動流体が膨張して、作動流体の密度が下がるため、作動流体が流れる流路の断面積はそれに応じて拡大していく。部分流入段の場合は閉止部の壁面部分の面積が低圧段側に向かうにつれて減少し、あるところで全周流入になる。
【０００４】
以上のような部分流入段における作動流体のエネルギーの損失評価について開示した文献として非特許文献１および２がある。非特許文献１では、部分流入段のフランジの厚さや形状が非定常流動場へ与える影響を、ＣＦＤ（数値流体力学）解析を行って評価している。一方、非特許文献２では、部分流入段の３次元モデルに対してＣＦＤ解析を行って部分流入段の翼間流路の流れなどを評価している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】高田真司他３名、「蒸気タービン部分流入段非定常流動解析によるフランジ形状の考察」、日本機械学会論文集（Ｂ編）７８巻７８８号（２０１２−４）、２０１２年
【非特許文献２】阪井直人、「蒸気タービン部分流入段の流速分布と段落効率に関する研究」、ターボ機械第３８巻第４号、２０１０年４月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した非特許文献１および２の他、従来技術には、部分流入段における流路部の長さである流路長の拡大率が、作動流体のエネルギーの損失にどのように影響しているのかについて具体的に評価しているものが全く存在していないという問題点がある。
【０００７】
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、作動流体のエネルギーの損失を低減することのできる蒸気タービンなどを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の態様１に係る蒸気タービンは、静翼段と動翼段とを備えているタービン段落を少なくとも２つ備えている蒸気タービンであって、前記静翼段は、複数の静翼が周方向に並べて配置されている流路部と、作動流体の流入が阻止される壁で構成された閉止部と、を有するものであり、前記動翼段は、前記流路部において互いに隣接する前記静翼の間を流出した前記作動流体を受けて回転する動翼が、周方向に複数並べて配置されているものであり、少なくとも２つのタービン段落について、前段のタービン段落を第１タービン段落、後段のタービン段落を第２タービン段落とする場合、前記第１タービン段落と前記第２タービン段落との間の軸方向の距離が、前記第１タービン段落の軸方向の全長よりも小さい場合に、前記第２タービン段落における前記流路部の周方向の長さである流路長が、前記第１タービン段落における前記流路長よりも大きく、かつ前記第１タービン段落における前記流路長に所定の長さを加えた値よりも小さくなっていることを特徴としている。
【０００９】
第１タービン段落と第２タービン段落との間の軸方向の距離が、第１タービン段落の軸方向の全長よりも小さい場合に、流路部の流路長について急激な拡大を行うと、一部作動流体が流れない領域（作動流体の流れが停滞する領域）が発生することが判明している。前記領域では、作動流体の流れが停滞しているため、作動流体のエネルギーの損失の原因となる。また、動翼段における前記領域付近では動翼が仕事をせずに回転（運動）しているために、作動流体が撹拌される（作動流体の流れがかき乱される）ことによって作動流体のエネルギーに損失が生じる。
【００１０】
そこで、前記構成では、第１タービン段落に対する第２タービン段落の流路部の流路長の拡大幅があまり大きくなり過ぎないように、第２タービン段落における流路部の流路長を、第１タービン段落における流路長よりも大きく、かつ第１タービン段落における流路長に所定の長さを加えた値よりも小さくしている。このため、前記構成によれば、前記所定の長さの値を適切に設定することにより、作動流体のエネルギーの損失を低減させることができる。
【００１１】
また、本発明の態様２に係る蒸気タービンは、前記所定の長さが、前記第２タービン段落の前記静翼段において周方向に互いに隣接する静翼同士の配置間隔の２倍に等しいことが好ましい。ＣＦＤ解析によれば、所定の長さが第２タービン段落の静翼段において周方向に互いに隣接する静翼同士の配置間隔の２倍に等しいとき、作動流体のエネルギーの損失をほぼ最大限小さくできることが判明している。よって、前記構成によれば、作動流体のエネルギーの損失をほぼ最大限小さくすることができる。
【００１２】
また、上記の課題を解決するために、本発明の態様３に係る蒸気タービンにおける流路部の流路長の拡大幅の決定方法は、静翼段と動翼段とを備えているタービン段落を少なくとも２つ備えている蒸気タービンであって、前記静翼段は、複数の静翼が周方向に並べて配置されている流路部と、作動流体の流入が阻止される壁で構成された閉止部と、を有するものであり、前記動翼段は、前記流路部において互いに隣接する前記静翼の間を流出した前記作動流体を受けて回転する動翼が、周方向に複数並べて配置されているものである蒸気タービン、における前記流路部の周方向の長さである流路長の拡大幅の決定方法であって、少なくとも２つのタービン段落について、前段のタービン段落を第１タービン段落、後段のタービン段落を第２タービン段落とする場合、前記第１タービン段落と前記第２タービン段落との間の軸方向の距離が、前記第１タービン段落の軸方向の全長よりも小さい場合に、前記第２タービン段落における前記流路長を、前記第１タービン段落における前記流路長よりも大きく、かつ前記第１タービン段落における前記流路長に所定の長さを加えた値よりも小さくすることを特徴としている。前記方法によれば、前記態様１と同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、作動流体のエネルギーの損失を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の一形態に係る蒸気タービンの概略構成を示す断面図である。
【図２】（ａ）は、上記蒸気タービンにおけるタービン段落（部分流入段）の基本構造を示す図であり、（ｂ）は、タービン段落における流路部の流路長を急拡大したときの問題点を説明するための図である。
【図３】（ａ）は、タービン段落における流路部の流路長を急拡大したときのマッハ数分布を示す図であり、（ｂ）は、タービン段落における流路部の流路長を急拡大したときのエントロピー分布を示す図である。
【図４】（ａ）は、本発明の実施の一形態に係る蒸気タービンに関し、前段（拡大前）と後段（拡大後）との各タービン段落における全周の概略構成を示す斜視図であり、（ｂ）は、タービン段落における流路部の流路長の拡大幅について説明するための図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、それぞれモデル０（１）およびモデル０（２）における２段目のノズルを全て流路とした場合の解析結果のエントロピー分布を示す図である。
【図６】（ａ）は、図５に示したモデル０における２段目ブレード入口の軸流速度分布を示す図であり、（ｂ）は、モデル０における２段目ブレード出口の軸流速度分布を示す図である。
【図７】（ａ）は、図５に示したモデル０における２段目ブレード入口の軸流速度分布を示す図であり、（ｂ）は、モデル０における２段目ブレード出口の軸流速度分布を示す図である。
【図８】モデル１の場合における解析結果のエントロピー分布を示す図である。
【図９】（ａ）は、図８に示したモデル１における２段目ブレード入口の軸流速度分布を示す図であり、（ｂ）は、モデル１における２段目ブレード出口の軸流速度分布を示す図である。
【図１０】（ａ）は、図８に示したモデル１における２段目ブレード入口の軸流速度分布を示す図であり、（ｂ）は、モデル１における２段目ブレード出口の軸流速度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について図１〜図１０に基づいて説明すれば、次の通りである。以下、説明の便宜上、特定の項目にて説明した構成と同一の機能を有する構成については、同一の符号を付記し、その説明を省略する場合がある。
【００１６】
〔蒸気タービンの概略構成〕
まず、本発明の実施の一形態に係る蒸気タービン１の概略構成について説明する。図１は、蒸気タービン１の概略構成を示す（子午）断面図である。なお、本実施形態では、蒸気タービン１が軸流タービンである場合について説明するが、蒸気タービン１の種類は、これに限定されない。
【００１７】
同図に示すように、蒸気タービン１は、中空のケーシング２と、ケーシング２の内部に設けられた車軸３と、ケーシング２の内壁面に固定された静翼段４と、車軸３の周囲に固定された動翼段５と、とを備えている。静翼段４と動翼段５とは車軸３の軸方向Ｚに隣り合うように配置されており、隣り合う静翼段４と動翼段５とによりタービン段落６が構成されている。タービン段落６は、ケーシング２内において作動流体である蒸気の流れ方向上流側の高圧部２１と、作動流体流れ方向下流側の低圧部２２との間の作動流体流路に設けられている。軸流タービンが多段薄型タービンである場合には、複数段のタービン段落６が軸方向Ｚに繰り返されて設けられる。なお、本実施形態では、タービン段落６が５段設けられている場合について説明するが、タービン段落６の段数はこれに限定されない。
【００１８】
上記構成の蒸気タービン１において、高圧高温の作動流体が高圧部２１から低圧部２２に向かって膨張するときに作動流体の持つ熱と圧力のエネルギーが作動流体の速度へと変換され、さらに静翼段４と動翼段５とから構成されるタービン段落６により車軸３の回転運動に変換される。
【００１９】
〔タービン段落６の構造の詳細〕
次に、蒸気タービン１のタービン段落６の構造について詳細に説明する。図２の（ａ）は、径方向ｒから見た蒸気タービン１のタービン段落６の静翼段４および動翼段５の一部分を示す図である。同図に示されるタービン段落６は、作動流体の部分流入が行われる部分流入段となっている。すなわち、静翼段４の全周は、作動流体が流入する領域であり、流路が存在する流路部４０と、作動流体の流入が阻止される壁で構成された閉止部４４とに分かれている。
【００２０】
流路部４０には、複数の静翼（ノズル翼）４１が周方向θに並べて配置されている。各静翼４１はケーシング２の内壁面に直接的または間接的に固定されている。閉止部４４には、静翼４１が配置されていない。各静翼４１間と、静翼４１と閉止部４４の間とには、それぞれノズル４２が形成されている。ノズル４２のノズル出口４３は動翼段５に向けて開口しており、ノズル出口４３から動翼段５へ向けて作動流体が噴出する。
【００２１】
動翼段５は、車軸３の周囲に植設された複数の動翼（ブレード翼）５１から構成されている。周方向θに隣り合う動翼５１は、所定の動翼ピッチＰｔだけ周方向θへ離間している。動翼５１は、ノズル出口４３から動翼段５へ向けて噴き出した作動流体から作用する力により動翼回転方向に回転する。
【００２２】
〔部分流入段における流路部の流路長の急拡大の問題点について〕
次に、図２の（ｂ）に基づき、タービン段落６（部分流入段）における流路部４０の流路長の急拡大の問題点について説明する。タービン段落６における流路部４０の長さである流路長の拡大率は、設計によって任意の値に設定することができる。しかしながら、図２の（ｂ）に示すように、互いに隣接するタービン段落間（一段目のタービン段落６と二段目のタービン段落６との間）の軸方向Ｚの距離（拡大前後のタービン段落６間の軸方向Ｚの距離）が一段目のタービン段落６の軸方向Ｚの全長よりも小さい場合に、流路部４０の流路長について急激な拡大を行うと、同図の実線の四角で囲まれた部分に示すように、一部作動流体が流れない領域（作動流体の流れが停滞する領域）が発生する。前記領域では、作動流体の流れが停滞しているため、作動流体のエネルギーの損失の原因となる。なお、同図の黒色が濃い部分は、作動流体の流れが生じていない（作動流体が停滞している）箇所を示している。また、同図の黒色が薄い（白みがかっている）部分は、作動流体に対して仕事が為されている箇所を示している。
【００２３】
また、同図の実線の楕円で囲まれた領域では動翼５１が仕事をせずに回転（運動）しているために、作動流体が撹拌される（作動流体の流れがかき乱される）ことによって作動流体のエネルギーに損失が生じる。このため、タービン段落６における流路部４０の流路長の急拡大を行うと、設計で想定していた流量で作動流体が流れず、タービン段落６で得られる仕事量が設計とずれるため、想定していた出力が得られない可能性がある。
【００２４】
以上が、部分流入段における流路部の流路長の急拡大の問題点であり、この問題点は、本発明者が本願の出願時点において初めて見出した問題点である。
【００２５】
〔部分流入段におけるＣＦＤ解析の結果について〕
次に、拡大前後のタービン段落６間の軸方向Ｚの距離が小さい部分流入段について、流路部４０の流路長の拡大率を大きくした場合のＣＦＤ解析の結果（マッハ数分布）を図３の（ａ）に示す。同図に示す黒色が薄い（白みがかっている）部分は、作動流体が停滞しておらず、作動流体に対して仕事が為されている箇所を示している。一方、黒色が濃い部分は、作動流体が停滞し、作動流体に対して仕事が為されていない箇所を示している。すなわち、同図の四角で囲まれた領域においては、作動流体に流れは生じておらず、この部分の流路は無駄になっている。次に、図３の（ｂ）に部分流入段におけるエントロピー分布の解析結果を示す。同図に示す黒色が薄い（白みがかっている）部分は、エントロピーが高い領域を示しており、黒色が濃い部分は、エントロピーが低い領域を示している。同図から、マッハ数が小さく流れが生じていない実線の四角で囲まれた部分ではエントロピーが増加（攪拌作用により損失が拡大）していることが分かる。したがって、これらの領域を減らすことによって、損失を低減させることができることが分かる。
【００２６】
なお、図３の（ａ）に示す図では、マッハ数が高くなる程、白みが濃くなり、逆にマッハ数が低くなる程、黒みが濃くなる。一方、図３の（ｂ）に示す図では、エントロピーが高くなる程、白みが濃くなり、逆にエントロピーが低くなる程、黒みが濃くなる。そして、このような白黒の濃淡の関係については、図３に限られず、図５、図６、図７、図８、図９、図１０においても同様である。
【００２７】
〔蒸気タービン１の特徴部分の構造〕
次に、図４に基づき、本発明の実施の一形態に係る蒸気タービン１の特徴部分の構造について説明する。図４の（ａ）は、蒸気タービン１に関し、前段（拡大前）と後段（拡大後）との各タービン段落６（部分流入段）における全周の概略構成を示す斜視図である。また、図４の（ｂ）は、タービン段落６における流路部の流路長の拡大幅の設定方法について説明するための図である。
【００２８】
図４の（ａ）に示す前段（拡大前）のタービン段落６（紙面に対して左側のタービン段落６）を第１タービン段落６とし、後段（拡大後）のタービン段落６（紙面に対して右側のタービン段落６）を第２タービン段落６とする。
【００２９】
このとき、図４の（ｂ）に示すように、第１タービン段落６と第２タービン段落６との間の軸方向の距離Ａが、第１タービン段落６の軸方向の全長Ｂよりも小さい場合に、第２タービン段落６における流路部４０の周方向の長さである流路長Ｌ’を、第１タービン段落６における流路長Ｌよりも大きく、かつ第１タービン段落６における流路長Ｌに所定の長さ（Δ）を加えた値よりも小さくする（Ｌ’＜Ｌ＋Δ）。
【００３０】
ここで、上記距離Ａは、より厳密には、拡大前の段（第１タービン段落６）の動翼５１の軸方向の後端から、拡大後の段（第２タービン段落６）の静翼４１の軸方向の前端までの距離と定義することができる。また、上記全長Ｂは、より厳密には、拡大前の段（第１タービン段落６）の静翼４１の軸方向の前端から、拡大前の段（第１タービン段落６）の動翼５１の軸方向の後端までの距離と定義することができる。
【００３１】
上述したように、距離Ａが全長Ｂよりも小さい場合に、流路部４０の流路長について急激な拡大を行うと、一部作動流体が流れない領域（作動流体の流れが停滞する領域）が発生する。前記領域では、作動流体の流れが停滞しているため、作動流体のエネルギーの損失の原因となる。また、動翼段５における前記領域付近では動翼５１が仕事をせずに回転（運動）しているために、作動流体が撹拌される（作動流体の流れがかき乱される）ことによって作動流体のエネルギーに損失が生じる。
【００３２】
そこで、前記構成では、第１タービン段落６に対する第２タービン段落６の流路部４０の流路長の拡大幅（または拡大率）があまり大きくなり過ぎないように、第２タービン段落６における流路部４０の流路長Ｌ’を、第１タービン段落６における流路長Ｌよりも大きく、かつ第１タービン段落６における流路長Ｌに所定の長さ（Δ）を加えた値よりも小さくしている。このため、前記構成によれば、所定の長さΔの値を適切に設定することにより、作動流体のエネルギーの損失を低減させることができる。
【００３３】
また、所定の長さΔは、第２タービン段落６の静翼段４において周方向に互いに隣接する静翼４１同士の配置間隔（２段目のノズルの１ピッチ分）の２倍に等しいことが好ましい。
【００３４】
後述するＣＦＤ解析によれば、所定の長さΔが２段目のノズルの１ピッチ分の２倍に等しいとき、作動流体のエネルギーの損失をほぼ最大限小さくできる。よって、前記構成によれば、所定の長さΔ≒（２段目のノズルの１ピッチ分）×２とすることにより、作動流体のエネルギーの損失をほぼ最大限小さくすることができる。
【００３５】
〔蒸気タービン１の効果〕
上述したように、部分流入段において、流路部の流路長の拡大率が大きすぎることによって生じるマッハ数が小さく流れが生じていない領域を縮小（制限）することによって、作動流体のエネルギーの損失を低減することが可能になる。また、以上のように、部分流入段において、流路部の流路長の拡大幅に制限を設けることによって、動翼５１で仕事する領域が減少することによって生じる、設計で想定した出力と、実機で計測される出力値が異なるという問題を回避することができる。
【００３６】
〔部分流入段におけるＣＦＤ解析の結果について〕
次に、前段（拡大前）のタービン段落６における流路部４０の流路長（ノズルレンジ）を変化させたときの各部分流入段の全周の一部分を切り出したモデルにおけるＣＦＤ解析（２次元解析）の結果を示す。以下で説明するモデル０（１）、０（２）およびモデル１は、それぞれ、ノズルレンジを変化させた各部分流入段の全周の一部分を切り出したものを示している。なお、モデル０（１）は、部分流入段の全周の一部分を切り出したものを示し、モデル０（２）は、部分流入段のモデル０（１）と異なる部分を切り出したものを示している。
【００３７】
図５の（ａ）および（ｂ）は、それぞれ上述したモデル０（１）およびモデル０（２）における２段目のノズルを全て流路とした場合の解析結果のエントロピー分布を示している。モデル０（１）およびモデル０（２）には、それぞれ流れが生じていない領域が存在し、同領域で作動流体のエネルギー損失は大きくなっている。
【００３８】
次に、図６は、図５に示したモデル０における２段目ブレード入口の軸流速度分布〔図６の（ａ）〕と、２段目ブレード出口の軸流速度分布〔図６の（ｂ）〕を示している。同図は、図５の（ａ）に示す位置ａの部分について示したものである。図６の（ａ）に示すように、回転方向位置Ｔｈｅｔａが大きい領域に軸流速度が小さい領域があり、この部分は流れが生じていない領域にあたり、前段のノズルの流路が壁になっている領域である。また、Ｔｈｅｔａが小さい領域は流れが存在している領域である。また、図６の（ｂ）に示すように、回転方向位置Ｔｈｅｔａが大きい領域に軸流速度が小さい領域があり、この部分は流れが生じていない領域にあたり、前段のノズルの流路が壁になっている領域である。また、Ｔｈｅｔａが小さい領域は流れが存在している領域である。図６の（ａ）に示すように、２段目ブレード入口では、１段目ノズルが壁になっている部分で軸流速度は小さくなっているのに対し、図６の（ｂ）に示すように、２段目ブレード出口は、１段目ノズルが壁になっている部分で軸流速度が大きくなっている部分が存在し、流れの拡大がみられる部分が存在することが示されている。また、流れ拡大部分の幅は２段目ノズルの１ピッチ分とほぼ等しい。
【００３９】
次に、図７は、図５に示したモデル０における２段目ブレード入口の軸流速度分布〔図７の（ａ）〕と、２段目ブレード出口の軸流速度分布〔図７の（ｂ）〕を示している。同図は、図５の（ｂ）に示す位置ｂの部分について示したものである。図７の（ａ）に示すように、回転方向位置Ｔｈｅｔａが小さい領域に軸流速度が小さい領域があり、この部分は流れが生じていない領域にあたり、前段のノズルの流路が壁になっている領域である。また、Ｔｈｅｔａが大きい領域は流れが存在している領域である。また、図７の（ｂ）に示すように、回転方向位置Ｔｈｅｔａが小さい領域に軸流速度が小さい領域があり、この部分は流れが生じていない領域にあたり、前段のノズルの流路が壁になっている領域である。また、Ｔｈｅｔａが大きい領域は流れが存在している領域である。図７の（ａ）に示すように、２段目ブレード入口で、１段目ノズルが壁になっている部分で軸流速度は小さくなっているのが、図６に比べると、２段目ブレード入口において壁側で軸流速度が大きくなっている部分が存在し、流れが拡大していることが確認される。図７の（ｂ）に示すように、２段目ブレード出口においても図７の（ａ）と同様の部分で速度が大きくなっており、流れの拡大がみられる部分が存在することが示されている。また、流れ拡大部分の幅は２段目のノズルの２ピッチ分とほぼ等しい。
【００４０】
以上の結果から、１段目から２段目の流れの拡大は２段目ノズル３ピッチ分であり、それを除いた領域では軸流速度が小さく、流れが生じていない。よって、その部分ではブレードによる仕事は行われず、損失が発生する原因となる。また、３ピッチ分のうち１ピッチ分は速度が非常に小さい領域であり、これらの領域は損失を発生される要因が強いと考えられるため、流路拡大幅は１ピッチ分が好ましい。
【００４１】
次に、上述のモデルにおいて、ノズル１段目の流路幅および壁面領域幅が変化した場合でも同様の流路拡大が生じるかを確認するために、図８にノズル１段目の流路幅および壁面幅が異なるモデル１の場合における解析結果のエントロピー分布を示している。図５と同様に、流れが生じていない領域が存在し、同領域でエントロピーの増大が見られ、損失が生じていることが確認された。
【００４２】
次に、図９は、図８に示したモデル１における２段ブレード入口の軸流速度分布〔図９の（ａ）〕と、２段ブレード出口の軸流速度分布〔図９の（ｂ）〕を示している。図９は、図８に示す位置ａの部分について示したものである。図９の（ａ）に示すように、回転方向位置Ｔｈｅｔａが大きい領域に軸流速度が小さい領域があり、この部分は流れが生じていない領域にあたり、前段のノズルの流路が壁になっている領域である。また、Ｔｈｅｔａが小さい領域は流れが存在している領域である。また、図９の（ｂ）に示すように、回転方向位置Ｔｈｅｔａが大きい領域に軸流速度が小さい領域があり、この部分は流れが生じていない領域にあたり、前段のノズルの流路が壁になっている領域である。また、Ｔｈｅｔａが小さい領域は流れが存在している領域である。図９の（ａ）に示すように、２段目ブレード入口では、１段目ノズルが壁になっている部分で軸流速度は小さくなっているのに対し、図９の（ｂ）に示すように、２段目ブレード出口は１段目ノズルが壁になっている部分で軸流速度が大きくなっている部分が存在し、流れの拡大がみられる部分が存在することが示されている。また、流れ拡大部分の幅は図６と同様、２段目ノズルの１ピッチ分とほぼ等しい。
【００４３】
次に、図１０は、図８に示したモデル１における２段目ブレード入口の軸流速度分布〔図１０の（ａ）〕と、２段目ブレード出口の軸流速度分布〔図１０の（ｂ）〕を示している。同図は、図８に示す位置ｂの部分について示したものである。図１０の（ａ）に示すように、回転方向位置Ｔｈｅｔａが小さい領域に軸流速度が小さい領域があり、この部分は流れが生じていない領域にあたり、前段のノズルの流路が壁になっている領域である。また、Ｔｈｅｔａが大きい領域は流れが存在している領域である。また、図１０の（ｂ）に示すように、回転方向位置Ｔｈｅｔａが小さい領域に軸流速度が小さい領域があり、この部分は流れが生じていない領域にあたり、前段のノズルの流路が壁になっている領域である。
【００４４】
また、Ｔｈｅｔａが大きい領域は流れが存在している領域である。図１０の（ａ）に示すように、図７と同様、ブレード入口において壁側で軸流速度が大きくなっている部分が存在し、流れが拡大していることが確認される。図１０の（ｂ）に示すように、ブレード出口においても図１０の（ａ）と同様の部分で速度が大きくなっており、流れの拡大がみられる部分が存在することが示されている。また、流れ拡大部分の幅は図７と同様、２段目のノズルの２ピッチ分とほぼ等しい。
【００４５】
以上の結果から、図５で示したモデル０（１）およびモデル０（２）と、図８で示したモデル１とで、流路拡大部について、軸流速度分布は同様の傾向を示すことが確認された。よって、１段目ノズルの流路幅が変わったとしても、流路拡大幅は一定である。
【００４６】
以上のことから、１段目の流路幅に関係なく、流路拡大幅は、およそ２ピッチであり、その他の流路については仕事を行わない領域であり、かつ損失の原因となっていることが示された。よって、好ましい流路拡大率は、次式のように定義することができる。
【００４７】
流路拡大率＝〔前段流路長さ＋（２段目ノズル１ピッチ分流路長さ）×２〕／（前段流路長さ）
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１    蒸気タービン
４    静翼段
５    動翼段
６    タービン段落
４０    流路部
４１    静翼
４４    閉止部
５１    動翼
【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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