(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れ方向に拡大する環状流路を形成するノズル外輪およびノズル内輪と、 ノズル外輪とノズル内輪との間に円周方向に配置されるとともにルート部とチップ部を有する複数のノズル翼とを備え、
各ノズル翼の後縁および前縁が、各々軸方向および円周方向に湾曲し、
ノズル翼のノズルスロート幅ＳとノズルピッチＴとの比をＳ／Ｔとした場合、Ｓ／Ｔはルート部からチップ部への高さ方向において６０％〜８０％の位置に少なくとも１つの極小値を有し、
ルート部のＳ／ＴをＳ／Ｔ ｒｏｏｔ、チップ部のＳ／ＴをＳ／Ｔ ｔｉｐ、Ｓ／Ｔの最小値をＳ／Ｔ ｍｉｎとした場合、
Ｓ／Ｔ ｒｏｏｔ＞Ｓ／Ｔ ｔｉｐ＞Ｓ／Ｔｍｉｎとし、
ノズル外周壁の傾斜角度をθ、ノズル外周壁におけるノズル後縁とノズル外周壁との交差角をαｔとしたとき、
θ＋７０°≦αｔ≦θ＋９０°となり、
軸方向から観察されるノズル翼の後縁は、半径方向に沿う直線に対しノズル翼中央部で側方に突出した湾曲形状を有し、この後縁の湾曲形状のルート部における接線とチップ部における接線との交点の半径をＲｃとし、ノズル翼の後縁のルート部半径をＲｒ、ノズル翼の後縁のチップ部半径をＲｔとした場合、
０．７＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．９となることを特徴とする蒸気タービンノズル。
【請求項２】
各ノズル翼の後縁は円周方向に、ルート部からチップ部まで曲線状に湾曲されていることを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービンノズル。
【請求項３】
ノズル翼の後縁は円周方向に、ルート部では直線状に傾斜し、チップでは曲線状に湾曲することを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービンノズル。
【請求項４】
ノズル翼の後縁は円周方向に、ルート部およびチップ部では直線状に傾斜し、ルート部とチップ部との間の中間部ではルート部近傍およびチップ近傍の直線と連続する曲線に沿って湾曲して形成されていることを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービンノズル。
【請求項５】
ノズル翼の後縁は円周方向に、チップ部では直線状に傾斜し、ルート部では曲線状に湾曲することを特徴とする、請求項１記載の蒸気タービンノズル。
【請求項６】
ノズル翼の後縁は軸方向に、ルート部では直線状に傾斜し、チップ部では曲線状に湾曲することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の蒸気タービンノズル。
【請求項７】
ノズル翼の後縁は軸方向に、ルート部からチップ部まで曲線状に湾曲されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載の蒸気タービンノズル。
【請求項８】
ノズル翼の後縁は軸方向に、ルート部およびチップ部では直線状に傾斜し、ルート部とチップ部との間の中間部ではルート部近傍およびチップ部近傍の直線と連続する曲線に沿って湾曲して形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の蒸気タービンノズル。
【請求項９】
ノズル翼の後縁は軸方向に、チップ部では直線状に傾斜し、ルート部では曲線状に湾曲することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の蒸気タービンノズル。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の蒸気タービンノズルを有し、この蒸気タービンノズルは最終タービン段落およびその上流のタービン段落の少なくとも１つ以上に適用されることを特徴とする蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の流れ方向に順次拡大する環状流路を構成するノズル外輪及びノズル内輪間に複数のノズル翼を周方向に配列した蒸気タービンノズルおよびそのような蒸気タービンノズルを有する蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電プラントの運転経済性を改善し発電効率の改善を図るために、タービン性能の向上を図ることが重要な課題となっている。その中で、特にタービン低圧部の段落は段落当たりの出力が大きく、この低圧部の段落での性能向上はタービン全体の性能向上の為に大きな役割を果たす。
【０００３】
また低圧部の段落のなかでも特に湿り域の段落では、蒸気通路部で発生し成長した比較的小さな水滴が羽根（動翼）の回転の遠心力によってノズル翼（静翼）のチップ部付近に吹き飛ばされ、大部分がノズル翼表面を伝わりノズル後縁から粗大水滴となって吹きちぎられる。この吹きちぎられた粗大水滴は、高速回転の羽根に衝突して羽根を侵食し、タービンの信頼性を低下させる。このため蒸気タービンの低圧段落に関しては、性能向上および信頼性向上への効果的な対策が強く求められるようになってきた。
【０００４】
図１６は、蒸気タービンの低圧部の一段落を示す断面図であり、ノズル外輪１およびノズル内輪２によって構成された環状の流路内に、多数のノズル翼３が周方向に配置されている。このうちノズル翼３のチップ部がノズル外輪１の内面すなわちノズル外周壁１ａに固定され、ノズル翼３のルート部がノズル内輪２の外面すなわちノズル内周壁２ａに固定され一つのタービンノズルが構成されている。
【０００５】
一方、このタービンノズルの下流側には回転軸４に固定され放射方向に立設された多数の動翼５が配置され、ノズル翼３からなるタービンノズルと動翼５によって一段落が構成される。また、この段落が軸方向Ｘａに一段落または複数段落組み合わせることによりタービンが構成されている。
【０００６】
ところで、蒸気タービンの低圧部では流体の急激な比容積の増加に対応して滑らかな膨脹を実現するため、少なくともノズル外周壁１ａが軸方向下流に向かうに従って拡大され、これにより拡大流路が形成されている。
【０００７】
図１７は図１６のＡ−Ａ線に沿う断面図であり、ノズル翼３は、ルート部の後縁端の半径Ｒｒの位置からチップ部の後縁端の半径Ｒｔの位置に至るまで、その後縁３ａがラジアル線Ｘｒに沿うように直線状に形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように構成されたタービン段落において、タービンの信頼性向上、性能向上を図るためには、ノズル外周壁１ａおよびノズル内周壁２ａでの流れの剥離の防止、ノズルウェークによる損失の低減、動翼の侵食低減などの問題を解決する必要があるが、従来の蒸気タービンノズルでは、上述の問題点を全て解決しておらず、性能や信頼性の低下を招いていた。以下にその理由を説明する。
【０００９】
まず第１に、ノズル外周壁１ａおよびノズル内周壁２ａでの流れの剥離について説明する。図１８は、図１６および図１７に示す蒸気タービンの低圧部の蒸気流の流動状態を説明する図である。本図に示すように、ノズル外周壁１ａが下流に向かうに従って円錐状に拡大しているため、作動流体の実際の流れは半径方向に偏ったものとなる。しかも、上記ノズル翼３の下流側には動翼５が配設されており、この回転している動翼５の流路内に流入した作動流体の流れはチップ部側に偏向される。この影響は動翼５の流路内にとどまらず、その上流にあるノズル翼３まで及ぶ。一方、ノズル翼後縁３ａは図１７に示すようにラジアル線Ｘｒに沿っているため、チップ部側へ偏向した流れをルート側へ戻す作用は無い。従って、従来の軸流タービンの場合、流路内における作動流体の流動状況は、図１８に示す流線Ｓのようになり、作動流体の流れがチップ部側に偏向し、ルート部へ向う流れは殆ど無くなり、流れの剥離が発生し易くなり、タービン性能を低下させる原因となる。
【００１０】
また、ノズル出口のチップ部においては、ノズル翼の後縁３ａがラジアル線Ｘｒに沿っているため、流れが拡大するノズル外周壁１ａに沿うことができず、流れの剥離が発生し易くなり、軸流タービンの性能を低下させる原因となる。
【００１１】
第２にノズルウェークによる損失について説明する。このような損失にはノズルウェークによる動翼の翼型損失およびノズルウェークの混合損失が含まれるので、以下各々について説明する。
【００１２】
図１９は、軸流タービン運転中の静翼より下流の流れを示す図である。図１９に示すように、タービン運転中、ノズル翼後縁３ａには主流の速度Ｃ２より小さい速度Ｃ２′をもつウェークと呼ばれる速度領域が発生する。動翼５は、図中Ｄｒで示される方向に回転するので、ノズル翼３の下流にある動翼５はこのウェークを横切るように回転することになる。動翼５への流入角度は、通常、主流の速度Ｃ２に対して設計される。すなわち、動翼５への設計流入角度β２は、ノズル３からの流体の流出角度α２、主流の速度Ｃ２および動翼５の円周方向回転速度Ｕを用いて幾何学的な関係から求められる。同様に、ノズルのウェークＷ内における作動流体の流出速度Ｃ２′、ノズル３のウェーク内の流体の流出角α２′と動翼５の円周方向回転速度Ｕより、ウェーク内の流体の動翼５への流入角度β２′が決定されるが、これは主流部分での動翼５への流入角度β２とは大幅に相違する。すなわち、動翼５が静翼からのウェークを通過する際の作動流体の設計翼流入角度との差Δβは幾何学的な関係から
Δβ＝β２′−β２                                        …（１）
となる。
【００１３】
この作動流体の設計流入角との差Δβは、動翼における翼型損失に大きな影響を与える。設計された翼流入角度に対して、実際の作動流体の流入角度が相違すると翼型損失が増大することは一般的に知られている。すなわち動翼の翼型損失ξｂは、Δβ＝０のとき最小値ξｂｍｉｎとなる。
【００１４】
ところで、ウェークの作動流体は、図２０に示すようにＬ１、Ｌ２、Ｌ３とノズル後縁３ａから下流に離れるに従って、主流部分の作動流体と混合される。すなわちウェークＷの速度Ｃ２′はノズル後縁３ａから下流方向に離れるに従って主流の速度Ｃ２に近づいてくる。このため、図２０に示すように作動流体の設定動翼流入角度との差Δβは、ノズル後縁３ａから下流に離れるに従って小さくなる。
【００１５】
以上より、ノズルの後縁から、動翼の前縁までの軸流方向距離Ｌと動翼損失の１ピッチ平均値ξの関係は、図２１に示すようになる。すなわち、ノズル後縁から動翼前縁までの軸流方向距離Ｌａｘが大きくなると、翼型損失の１ピッチ平均値ξｂはξｂｍｉｎに近づく。
【００１６】
次にノズルからウェークの混合による混合損失について説明する。上記のように、ノズルの後縁から、動翼の前縁に至る間、ウェーク部の流体は主流部分の作動流体と混合されるために、作動流体の粘性に基づく熱が発生し、流体のエネルギが失われ、混合損失が発生する。図２２に示すように、混合損失の１ピッチ平均値ξｍはノズル後縁から動翼前縁までの距離Ｌが大きくなるに従って、ウェークの混合が促進され、混合損失の１ピッチ平均値ξｍも大きくなる。
【００１７】
以上説明した２つの損失から、タービンノズル後縁から、タービン動翼前縁に至る軸方向距離が影響するエネルギ損失を評価すると、図２３の如くなる。図２３において、縦軸はノズル後縁から動翼前縁に至る軸流距離が及ぼすエネルギ損失ξ（＝ξｂ＋ξｍ）を示し、横軸はノズル後縁から、動翼前縁に至るまでの軸流方向距離Ｌを示す。図２３により、ノズルの後縁から、動翼の前縁に至るまでの軸流方向距離Ｌには、エネルギ損失が最小となる距離範囲が存在することがわかる。この距離範囲を以下、最適アキシャルクリアランスＬｏｐｔと称する。
【００１８】
図２４は、図１６および図１７に示す従来の蒸気タービン低圧段落における反動度Ｒｘ（段落での出力に対する動翼の出力の割合）を示す図である。図２４に示すように、反動度Ｒｘは翼高さが増加するにしたがって増加し、チップ部で最大となり、その値は６０〜７５％にも達する。上述したようにノズルウェークによる損失にはノズルウェークによる動翼の翼型損失が含まれるために、半径方向での動翼の出力が最大さなる位置、すなわち反動度Ｒｘが最大となるチップ部でノズルウェークによる損失を低減することが重要となる。一般に蒸気タービン段落では軸受スパンおよび軸系の固有振動数の点からノズル後縁から動翼前縁に至るまでの軸方向距離Ｌをむやみに増大することは不可能であり、チップ部でのノズル後縁から動翼前縁に至るまでの軸方向距離を調整するためにノズル翼後縁３ａを軸方向に傾斜させる手法が用いられる。
【００１９】
図２５はノズルチップ部におけるノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度をαｔとした場合における、交差角度αｔとノズルチップ部におけるノズル後縁から動翼前縁に至るまでの軸方向距離Ｌとの関係を示している。また図２６および図２７はそれぞれαｔ＝９０°、αｔ＝１６０°の場合における蒸気タービン段落の形状を示している。
【００２０】
図２５、図２６、図２７からもわかるように、ノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度をαｔが大きくなるほど、ノズル後縁から動翼前縁に至るまでの軸方向距離Ｌは小さくなる。また、図２５には、前述したノズルウェークによる損失を最小にする最適アキシャルクリアランスＬｏｐｔが示されている。図２５からわかるように、最適アキシャルクリアランスＬｏｐｔとなるノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度αｔは外周壁の傾斜角度θによって変化し、例えば外周壁の傾斜角度θ＝３０°の場合、１００°≦αｔ≦１２０°、また外周壁の傾斜角度θ＝５０°の場合、１２０°≦αｔ≦１４０°となる。
【００２１】
図２８は図２３および図２５からチップ部におけるノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度をαｔとノズルウェークによる損失ξの関係を示したものである。本図に示すように、ノズルウェークによる損失ξが小さいノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度をαｔの範囲が存在することがわかる。
【００２２】
例えば外周壁の傾斜角度θ＝３０°の場合、１００°≦αｔ≦１２０°、また外周壁の傾斜角度θ＝５０°の場合、１２０°≦αｔ≦１４０°となる。図１６および図１７に示す従来の蒸気タービン低圧段落では、ノズルチップ部におけるノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度αｔは、（１）式のθの範囲で１４０°≦αｔ≦１６０°の範囲であり、図２８からノズルウェークによる損失については十分低減できていないことがわかる。
【００２３】
第３に動翼の侵食について説明する。図２９は一般の事業用火力発電所における蒸気タービンの膨張曲線を示している。図中、点Ｄは最終段前段落（以下Ｌ−１と称する）のタービンノズル入口の蒸気状態を示し、同様に点ＥはＬ−１のタービンノズル出口の蒸気状態を示し、点ＦはＬ−１の動翼出口の蒸気状態を示し、点Ｇは最終段段落（以下、Ｌ−０と称する）のタービンノズル出口の蒸気状態を示している。
【００２４】
図２９からわかるように、Ｌ−１のノズル内では蒸気は乾き蒸気から湿り蒸気となり、Ｌ−０の動翼出口では湿り度が１０％近くに達する。しかしながら、蒸気はその膨張により理論上の湿り域に達しても、直ぐには凝縮を開始せずに湿り度が３〜５％程度になるまで非平衡状態で膨張し、その後に始めて水滴が発生する。この場合、発生する水滴の直径は０．１〜１μｍ程度であり、蒸気の膨張に伴って水滴は少しずつ成長する。その際、一部の水滴はノズルや動翼の表面に衝突して付着するが、粒径が小さいため、この段階では動翼の侵食はほとんど生じない。
【００２５】
ところが、Ｌ−１の動翼内では、遠心力、コリオリカ、および蒸気力による外周方向への運動が支配的となり、水滴はＬ−０のノズル外輪内面、およびノズル翼面の外周部近傍に付着することになる。図３０には、破線ＫでＬ−０段落Ｊにおける蒸気流線を、実線Ｖで同水滴流線を示すが、この図からわかるように、Ｌ−０（図中、Ｊで示す）のノズル外周壁１ａやノズル１の外周部近傍に付着して水膜Ｍを形成する。水膜Ｍは発達しながらＬ−０のノズル後縁３ａに達した後、蒸気力により吹きちぎられて蒸気中に混入し、さらに水滴状に噴霧される。
【００２６】
このとき生成される水滴径は、１００〜５００μｍにも達し、自然発生した水滴と比べて遥かに巨大なものとなる。そして、この巨大な水滴は蒸気力によって十分加速されないまま、Ｌ−０の動翼に衝突し、動翼５の侵食を引き起こし、タービンの信頼性を低下させる原因となっている。
【００２７】
図３１は図３０のＣ−Ｃ断面図である。ノズルを流出する蒸気は環状の流路に沿って図３１中にＫで示す方向に流出するが、ノズル翼後縁３ａから吹きちぎられた巨大な水滴は蒸気に比べて密度が大きいために、慣性力によって蒸気のように環状の流路に沿って回込むことができずに、ノズル後縁３ａで吹きちぎられた方向に直線的に飛来する。その結果、巨大な水滴の軌跡を子午面から見ると、図３０にＶで示す如く動翼前縁５ａに衝突するまでに軸方向だけではなく軸方向と半径方向に向う軌跡となる。その結果、図３１に示すように、巨大な水滴は図中Ｖで示すように軸方向下流へ向うと共に半径方向にも飛来する。図３２は動翼翼高さと動翼の侵食量を示したものである。
【００２８】
図３２からもわかるように、動翼の侵食は羽根チップ部で最大となるが、羽根チップ部に到達する巨大な水滴は図３０の記号Ｖに示すようにノズル翼高さの６０％から８０％部分から吹きちぎられたものとなる。動翼の侵食には衝突する巨大な水滴の流量が大きく関係する。図３３は図１６および図１７に示す従来の蒸気タービンノズルのノズル出口における蒸気流量の分布を示している。本図からもわかるように、ルート部からチップ部に向うに従って蒸気流量は増加している。これは、従来のノズル出口での流れを自由渦理論による設計を行っているためである。
【００２９】
以下、このことについて説明する。図３４はノズル翼の任意の高さにおける円周方向断面を平面に展開した図でタービン静翼の蒸気通路形状を示している。Ｓはスロートであり、背側から隣りの腹側で形成される翼間蒸気通路において最も狭い部分の幅を表す。Ｔはピッチであり各翼の周方向間隔を表す。スロート・ピッチ比（Ｓ／Ｔ）は蒸気タービンの大きさによらない空力パラメータであり、蒸気タービンノズルの流出角と対応する。すなわち、スロート・ピッチ比（Ｓ／Ｔ）を大きくすると、周方向をゼロとして定義した蒸気タービンノズルの流出角α２は大きくなり、翼流出速度を一定とすれば、軸流速度成分が大きくなり、この断面を通過する流量は増加する。逆に、スロート・ピッチ比（Ｓ／Ｔ）を小さくすると、タービンノズルの流出角は小さくなり、この断面を通過する流量は減少する。
【００３０】
図３５は従来タービンノズルのスロート・ピッチ比（Ｓ／Ｔ）分布を示している。ノズルの入口全圧はほぼ一定であるが、ノズル出口静圧の分布はルート部からチップ部にかけて増加する分布を持つ。これに対して、半径方向の流量分布を一定とすることを前提とした自由渦理論を採用した従来のノズル設計法では、図３５に示すように翼ルート部からチップ部にかけて単調に増加するＳ／Ｔ分布が採用されている。このため、ノズル出口の流量の分布は図３３に示す如く、ルートからチップにかけて単調に増加する分布となる。このため、図３６に示すようにノズル出口における水滴量の分布は、ルート部からチップ部へ向うに従い増加する。従って、上述のように動翼の先端に衝突する巨大な水滴の発生源であるノズル翼高さ６０％から８０％位置の蒸気流量は最大値に近く、動翼の侵食を十分に低減できていないという問題が生じている。
【００３１】
以上説明したように、蒸気タービン低圧段落の性能および信頼性を向上させるためには、急拡大する外周壁部において流れの剥離による損失を低減すること、ノズルウェークによる損失を低減すること、水滴による動翼の侵食を低減することが必要であるが、従来の蒸気タービン段落ではいずれも不充分であるという問題が生じている。
【００３２】
これらの問題のうち急拡大する外周部において流れの剥離による損失を低減するために図３７に示すように、ノズル翼３の後縁３ａをその全高さにわたってラジアル線に対して円周方向に曲線状に湾曲させることも提案されている（特開平４−１２４４０６号公報参照）。図３８は図３７に示された軸流タービンの流路内における作動流体の流動分布を示す図である。図３８を図１８と比較すると、ノズル翼３のルート部には従来のノズル翼に比べて流れが存在するが、ノズル翼３のチップ部に流れが大きく偏っており、流路中央部では流れが殆ど無く、良好な流れではない。
【００３３】
図３９は、ノズル翼３の後縁３ａが曲線状に湾曲している場合の、ノズル翼３の後縁３ａのラジアル線Ｘｒからの傾斜角度βを説明する模式図である。図３９において、ノズル翼３の後縁３ａのルート部における傾斜角度をβｒ、チップ部における傾斜角度をβｔとし、ルート部およびチップ部における湾曲している後縁３ａを接線をそれぞれＬｒ、Ｌｔとし、さらにその接線Ｌｒ、Ｌｔの交点をＰとし、交点Ｐの半径をＲｃとすると、図３９からも判るように、この半径ＲがＲｒ≦Ｒ≦Ｒｃの範囲ではノズル翼３の後縁３ａの傾斜角度βはβ≧０であり、この範囲の半径位置ではノズル翼３の後縁３ａの傾斜はルート方向を向いている。
【００３４】
一方、半径ＲがＲｃ＜Ｒ≦Ｒｔの範囲ではノズル出口の流れはチップ方向を向いている。従って、Ｒｃ＜Ｒ≦Ｒｔの範囲ではノズル出口の流れはチップ方向のベクトルをもつこととなる。
【００３５】
このようなことから、ノズル出口の流れはノズル翼３の後縁３ａのルート部における傾斜の接線Ｌｒとチップ部における接線Ｌｔとの交点Ｐの半径Ｒｃよりチップ側ではチップ方向のベクトルをもち、半径Ｒｃよりルート側ではルート方向のベクトルをもっている。
【００３６】
図４０は、前記交点Ｐの位置の半径Ｒｃの関数（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）とノズル内周壁１ａおよびノズル外周壁２ａにおける損失の関係を示している。（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）が０、すなわちＲｃがルートに近づくに従いノズル内周壁２ａでの剥離が大きくなるために損失が増加し、また（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）が１．０、すなわちチップに近づくに従いノズル外周壁１ａでの剥離が大きくなるために損失が増加する。図３７に示す従来のタービンノズルでは前記交点Ｐの位置の半径Ｒｃが
０．４＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．６            …（２）
であるため、図４０からも判るように剥離による損失が大きく、図３８に示すようにノズル翼３のチップ部に流れが大きく偏っており、ルート部および流路中央部では流れが殆ど無く、良好な流れではない。
【００３７】
図４１は図３７に示す従来の発明のタービンノズルの子午面断面図を示している。本図からも判るように、ノズル外周壁１ａの傾斜角度θ＝４０°のとき、ノズルチップ部におけるノズル翼後縁３ａとノズル外周壁１ａとの交差角度αｔａは、約１５０°であり、図２８に当てはめるとノズルウェークによる損失最小の範囲から外れており、ノズルウェークによる損失を低減できていない。
【００３８】
図４２は図３７および図４１に示す従来の発明のタービンノズルにおけるノズル出口の流量分布を示している。図３７および図４１に示す従来の発明のタービンノズルにおいては、スロート・ピッチ比（Ｓ／Ｔ）については言及していないため、図３５に示すように従来設計のスロート・ピッチ比（Ｓ／Ｔ）分布と考えられる。そのため、ノズル出口の流量の分布は図４２に示すように、ルートからチップにかけて単調に増加する分布となる。このため、ノズル出口における水滴量の分布は図３６と同様であり、動翼の先端に衝突する巨大な水滴の発生源であるノズル翼高さ６０％から８０％位置の蒸気流量は最大値に近く、動翼の侵食を十分に低減できていない。
【００３９】
以上説明したように、従来の発明のタービンノズルでは、ノズルウェークによる損失を低減すること、急拡大する外周壁部において流れの剥離による損失を低減すること、および水滴による動翼の侵食を低減することが達成されていない。
【００４０】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、蒸気タービン低圧部において、急拡大する外周壁部において流れの剥離による損失を低減することができ、ノズルウェークによる損失を低減するとともに、水滴による動翼の侵食を低減し、これによって蒸気タービン低圧部の性能および信頼性を向上させることができる蒸気タービンノズルおよびこの蒸気タービンノズルを用いた蒸気タービンを提供することを目的とする。
【００４１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、流体の流れ方向に拡大する環状流路を形成するノズル外輪およびノズル内輪と、 ノズル外輪とノズル内輪との間に円周方向に配置されるとともにルート部とチップ部を有する複数のノズル翼とを備え、各ノズル翼の後縁および前縁が、各々軸方向および円周方向に湾曲し、ノズル翼のノズルスロート幅ＳとノズルピッチＴとの比をＳ／Ｔとした場合、Ｓ／Ｔはルート部からチップ部への高さ方向において６０％〜８０％の位置に少なくとも１つの極小値を有し、ルート部のＳ／ＴをＳ／Ｔ ｒｏｏｔ、チップ部のＳ／ＴをＳ／Ｔ ｔｉｐ、Ｓ／Ｔの最小値をＳ／Ｔ ｍｉｎとした場合、Ｓ／Ｔ ｒｏｏｔ＞Ｓ／Ｔ ｔｉｐ＞Ｓ／Ｔｍｉｎとし、ノズル外周壁の傾斜角度をθ、ノズル外周壁におけるノズル後縁とノズル外周壁との交差角をαｔとしたとき、θ＋７０°≦αｔ≦θ＋９０°となり、軸方向から観察されるノズル翼の後縁は、半径方向に沿う直線に対しノズル翼中央部で側方に突出した湾曲形状を有し、この後縁の湾曲形状のルート部における接線とチップ部における接線との交点の半径をＲｃとし、ノズル翼の後縁のルート部半径をＲｒ、ノズル翼の後縁のチップ部半径をＲｔとした場合、０．７＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．９となることを特徴とする蒸気タービンノズルである。
【００４２】
本発明は、上記記載の蒸気タービンノズルを有し、この蒸気タービンノスルは最終タービン段落およびその上流のタービン段落の少なくとも１つ以上に適用されることを特徴とする蒸気タービンである。
【００４３】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態
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。
【００４４】
図１乃至図９は本発明の第１の実施の形態を示す図であり、このうち図１は蒸気タービンノズルを示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は図１に示すノズル翼の後縁のラジアル線に対する傾斜形状を示す図、図４はノズル翼のスロート幅ＳとノズルピッチＴとの比（Ｓ／Ｔ）を示す図である。
【００４５】
図１に示すように、蒸気タービンノズル１０は流体の流れ方向に拡大する環状流路１０ａを形成するノズル外輪１およびノズル内輪２と、ノズル外輪１とノズル内輪２との間の環状流路１０内に円周方向に配置されるとともにルート部１１とチップ部１２とを有する複数のノズル翼３とを備えている。
【００４６】
また各ノズル翼３は後縁３ａと前縁３ｂとを有し、後縁３ａと前縁３ｂは各々軸方向および円周方向に湾曲している。
【００４７】
またノズル翼３のチップ部１２は、ノズル外輪１の内面すなわちノズル外周壁１ａに固定され、ノズル翼３のルート部１１は、ノズル内輪２の外面すなわちノズル内周壁２ａに固定されている。
【００４８】
またタービンノズル１０の下流側には、回転軸４に固定され放射方向に立設された多数の動翼５が配置され、タービンノズル１０と動翼５とによって一段落が構成される。この段落が軸方向Ｘａに一段落または複数段落配置されてタービンが構成される。
【００４９】
本発明によるタービンノズル１０は、少なくともタービンの最終段落に配置されている。また最終段落近傍のタービンノズル１０は、流体の急速な比容積の増加に対応して滑らかな膨張を実現する必要があるため、ノズル外周壁１ａが軸方向Ｘａの下流側に向って拡大している。このため環状流路１０ａも軸方向Ｘａの下流側に向って拡大する。
【００５０】
また図３に示すように、軸方向から観察されるノズル翼３の後縁３ａは、半径方向に沿う直線に対しノズル翼中央部で側方に突出した湾曲形状を有し、この後縁３ａの湾曲形状のルート部１１における接線とチップ部１２における接線の交点の半径をＲｃとし、後縁３ａのルート部１１の半径をＲｒ、後縁３ａのチップ部１２のの半径をＲｔとした場合、
０．７＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．９
を満足する。
【００５１】
また、図１に示すように、半径方向Ｘｒと軸方向Ｘａで構成される２次元平面（Ｘｒ−Ｘａ平面）に投影したノズル翼３の後縁３ａは軸方向に湾曲しており、ノズル外周壁１ａの傾斜角度θと後縁線３ａとの交差角度αｔは
θ＋７０°≦αｔ≦θ＋９０°
を満足するように設定される。
【００５２】
さらに、図４に示すように、ノズル翼３のノズルスロート幅ＳとノズルピッチＴとの比をＳ／Ｔとした場合（図３４参照）、Ｓ／Ｔはルート部１１からピッチ部１２へのノズル翼３の高さ方向において６０％〜８０％の位置に少なくとも１つの極小値Ｓ／Ｔ  ｍｉｎを有している。
【００５３】
またＳ／Ｔは次の式を満足する。
【００５４】
Ｓ／Ｔ  ｒｏｏｔ＞Ｓ／Ｔ  ｔｉｐ＞Ｓ／Ｔ  ｍｉｎ
Ｓ／Ｔ  ｒｏｏｔ……ルート部のＳ／Ｔ
Ｓ／Ｔ  ｔｉｐ  ……チップ部のＳ／Ｔ
Ｓ／Ｔ  ｍｉｎ  ……Ｓ／Ｔの極小値
Ｓ／Ｔの分布を、図４に示すように設定したのは、次の理由による。すなわち最も動翼５の侵食が大きい動翼チップ部に衝突する水滴は、ノズル翼３の高さ方向において６０％〜８０％の部分から発生する（図３０乃至図３３）。
【００５５】
本発明によれば、ノズル翼３の高さ方向において６０％〜８０％の位置にＳ／Ｔ  ｍｉｎがくるので、図５に示すようにノズル翼３の後縁３ａにおける６０％から８０％高さ位置における水滴量が減少し、動翼チップ部の侵食量を低下することが可能となる。
【００５６】
また、図１に示すように、半径方向Ｘｒと軸方向Ｘａで構成される２次元平面（子午面）（Ｘｒ−Ｘａ平面）に投影したノズル翼３の後縁３ａが軸方向に向って、ルート部１１およびチップ部１２では直線状に傾斜し、ルート部１１およびチップ部１２の中間部では、ルート部１１近傍およびチップ部１２近傍の直線と連結する曲線に沿った湾曲形状となっており、ノズル外周壁１ａの傾斜角度θと後縁線３ａとの交差角度αｔは
θ＋７０°≦αｔ≦θ＋９０°
を満足するように設定される。
【００５７】
図６は、ノズル外周壁１ａの傾斜角度θと、後縁線３ａとの交差角度αｔと、ノズルウェークによる損失ζの関係を示している。θとαｔの関係を上述の如く設定することで、図６に示すように、３０°≦αｔ≦５０°の範囲でノズルウェークによる損失を最小にすることができる。
【００５８】
すなわち、交差角度αｔを、３０°≦αｔ≦５０°と定めることにより、ノズルウェークによる損失を最小とする最適アキシャルクリアランスＬｏｐｔを得ることができ、このためノズルウェークによる損失の軽減を図ることができる（図２５乃至図２８）。
【００５９】
また図２及び図３に示すように、ノズル翼３の後縁３ａは円周方向に、そのルート部１１側ではラジアル線Ｘｒに対して直線状に傾斜しており、チップ部１２側が曲線状に湾曲されている。
【００６０】
次に図７により、（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）と剥離による損失ζの関係を示す。上述のように、ノズル翼３におけるルート部１１の後縁３ａに接する接線Ｌｒと、チップ部１２の後縁３ａに接する接線Ｌｔの交点の半径位置Ｒｃは、
０．７＜（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）＜０．９
を満足するような位置に選定されているので、図７に示すように剥離による損失を最小にすることができ、図８に示すようにタービン段落の流動状態は、ノズル外周壁１ａとノズル内周壁２ａにおいて剥離のない良好な流れ場が実現可能となる。
【００６１】
すなわち（Ｒｃ−Ｒｒ）／（Ｒｔ−Ｒｒ）が上述の範囲からはずれると、剥離による損失が増大してしまうが（図３９および図４０）、本発明によれば剥離による損失を確実に防止することができる。
【００６２】
上述の作用を総合すると、本発明の蒸気タービンノズル翼を適用した場合、タービン段落損失は図９に示すように、内周壁２ａおよび外周壁１ａ近傍の流れの剥離が低減され、かつ、ノズルウェークによる損失が低減されて、従来の段落に比べて損失は大幅に低減され、タービン性能を向上することができる。また、図５に示すようにノズル翼３の後縁３ａの外周壁１ａ近傍における水滴量が減少するため、効率の低下を招くことなく動翼の侵食量は低減され、タービンの信頼性が向上する。
【００６３】
第２の実施の形態
図１０は、本発明の第２の実施の形態を示す図であり、ノズル翼３の全長にわたって、その後縁３ａがラジアル線Ｘｒに対して円周方向に湾曲した曲線状となっている。図１０において、その他の構成は図１乃至図９に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００６４】
図１０において、ノズル翼３の後縁３ａを周方向に向って湾曲させることにより、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良好な流れ場を実現することができる。また第１の実施の形態と同様、ノズルウェークによる損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。
【００６５】
第３の実施の形態
図１１は、本発明の第３の実施の形態を示す図であり、ノズル翼３の後縁３ａがルート部１１およびチップ部１２では円周方向に向って直線状に傾斜し、ルート部１１及びチップ部１２の中間部ではルート部１１近傍およびチップ部１２近傍の直線状の傾斜に連続された曲線に沿って形成されている。
【００６６】
図１１において、その他の構成は図１乃至図９に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００６７】
図１１において、上述のようにノズル翼３の後縁３ａを円周方向に向って湾曲させることにより、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良好な流れ場を実現することができる。また第１の実施の形態と同様、ノズルウェークによる損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。
【００６８】
第４の実施の形態
図１２は、本発明の第４の実施の形態を示す図であり、ノズル翼３の後縁３ａが、チップ部１１では円周方向に曲線状に傾斜され、ルート部１２では円周方向に直線状に湾曲している。
【００６９】
図１１において、その他の構成は図１乃至図９に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００７０】
図１２において、上述のようにノズル３の後縁３ａを円周方向に向って湾曲させることにより、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良好な流れ場を実現することができる。また第１の実施の形態と同様ノズルウェークによる損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。
【００７１】
第５の実施の形態
図１３は、本発明の第５の実施の形態を示す図であり、子午面（Ｘｒ−Ｘａ平面）から観察したノズル翼３の後縁３ａが、ルート部１１では軸方向に向って直線状に傾斜し、チップ部１２では軸方向に曲線状に湾曲している。
【００７２】
図１３において、その他の構成は図１乃至図９に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００７３】
図１３において、ノズル翼３の後縁３ａを軸方向に向って湾曲させることにより、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良好な流れ場を実現することができる。また第１の実施の形態と同様ノズルウェークによる損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。
【００７４】
第６の実施の形態
図１４は、本発明の第６の実施の形態を示す図であり、子午面から観察したノズル翼３の後縁３ａが、軸方向に向って曲線状に湾曲して形成されている。図１４において、その他の構成は図１乃至図９に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００７５】
図１４において、ノズル翼３の後縁３ａを軸方向に湾曲させることにより、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良好な流れ場を実現することができる。また第１の実施の形態と同様、ノズルウェークによる損失を十分低減させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。
【００７６】
第７の実施の形態
図１５は、本発明の第７の実施の形態を示す図であり、子午面から観察したノズル翼３の後縁３ａが、チップ部１１では軸方向に直線状に傾斜し、ルート部１２では軸方向に曲線状に湾曲している。
【００７７】
図１５において、その他の構成は図１乃至図９に示す第１の実施の形態と略同一である。
【００７８】
図１５において、ノズル翼３の後縁３ａを軸方向に湾曲させることにより、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良好な流れ場を実現することができる。またノズルウェークによる損失が十分低い範囲で、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。
他の実施の形態
なお、上記各実施例において、図２、１０、１１、１２に示すノズル翼３の後縁３ａの周方向湾曲形状のいずれかと、図３、１３、１４、１５に示すノズル翼３の後縁３ａの軸方向湾曲形状のいずれを互いに組み合わせても、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良好な流れを実現することができ、ノズルウェークによる損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。
【００７９】
また上述したタービンノズル１０を最終タービン段落およびその上流のタービン段落の少なくとも１つ以上に適用することにより、ノズル内周壁２ａ近傍およびノズル外周壁１ａ近傍の流れの剥離を低減し、良好な流れを実現することができる。またノズルウェークによる損失を十分低下させ、動翼の侵食量を低減し、タービン効率・信頼性を向上させることができる。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によれば、ノズルスロート幅とノズルピッチとの比をＳ／Ｔとした場合、Ｓ／Ｔは翼高さ６０％から８０％の位置に少なくとも１つの極小値（Ｓ／Ｔ）ｍｉｎを有し、かつ
Ｓ／Ｔ  ｒｏｏｔ＞Ｓ／Ｔ  ｔｉｐ＞Ｓ／Ｔ  ｍｉｎ
を満足するように定めるので、ノズルウェークによる損失を十分低下させて動翼の侵食量を低減することができる。
【００８１】
このため、ノズルウェークによる損失を低減し、動翼の侵食量を低減し、ノズル内周壁およびノズル外周壁における流れの剥離を抑えて、良好な流れ場を実現することが可能となる。このためタービン性能およびタービンの信頼性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すタービンノズルの図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】本発明のタービンノズルの円周方向の傾斜を説明する図。
【図４】本発明のタービンノズルのスロート幅とノズルピッチの比を説明する図。
【図５】ノズル翼の出口の水滴量を説明する図。
【図６】ノズルウェークによる損失を説明する図。
【図７】ノズル内周壁とノズル外周壁の剥離による損失を説明する図。
【図８】タービン段落の流動状況を説明する図。
【図９】タービン段落の損失を説明する図。
【図１０】本発明の第２の実施形態を示すタービンノズルの円周方向の傾斜を説明する図。
【図１１】本発明の第３の実施形態を示すタービンノズルの円周方向の傾斜を説明する図。
【図１２】本発明の第４の実施形態を示すタービンノズルの円周方向の傾斜を説明する図。
【図１３】本発明の第５の実施形態を示すタービンノズルの図。
【図１４】本発明の第６の実施形態を示すタービンノズルの図。
【図１５】本発明の第７の実施形態を示すタービンノズルの図。
【図１６】従来のタービンノズルを示す図。
【図１７】図１６のＡ−Ａ断面図。
【図１８】従来のタービン段落の流動状況を説明する図。
【図１９】ノズルウェークを説明する図。
【図２０】ノズルウェーク混合を説明する図。
【図２１】ノズルウェークによる動翼損失を説明する図。
【図２２】ノズルウェークの混合損失を説明する図。
【図２３】ノズルウェークによる損失を説明する図。
【図２４】反動度分布を説明する図。
【図２５】ノズル外周壁における後縁傾斜角と、ノズル・羽根間距離の関係を示す相関図。
【図２６】従来のタービンノズルを示す図。
【図２７】従来のタービンノズルを示す図。
【図２８】ノズル外周壁における後縁傾斜角とノズルウェークによる損失の関係を示す相関図。
【図２９】従来の蒸気タービンの膨張線を説明する図。
【図３０】従来の蒸気タービンの水滴流動状況を説明する図。
【図３１】図３０のＣ−Ｃ断面図。
【図３２】従来の蒸気タービンの動翼侵食量を説明する図。
【図３３】従来の蒸気タービンノズル出口流量を説明する図。
【図３４】タービンノズルのスロート・ピッチの比を説明する図。
【図３５】従来の蒸気タービンのスロート幅とピッチの比を示す分布図。
【図３６】従来の蒸気タービンのノズル出口の水滴量の分布図。
【図３７】従来の蒸気タービンノズルの説明図。
【図３８】従来の蒸気タービン段落の流動状況を説明する図。
【図３９】従来の蒸気タービンノズルの円周方向の傾斜を説明する図。
【図４０】従来のノズル内周壁とノズル外周壁の剥離による損失を説明する図。
【図４１】従来の蒸気タービン段落を説明する図。
【図４２】従来の蒸気タービンノズル出口蒸気流量を説明する図。
【符号の説明】
１  ノズル外輪
１ａ  ノズル外周壁
２  ノズル内輪
２ａ  ノズル内周壁
３  ノズル翼
３ａ  ノズル後縁
４  回転軸
５  動翼
５ａ  動翼前縁
１０  タービンノズル
１０ａ  環状流路
１１  ルート部
１２  チップ部
【図１】
0004184565.tif 000002
【図２】
0004184565.tif 000003
【図３】
0004184565.tif 000004
【図４】
0004184565.tif 000005
【図５】
0004184565.tif 000006
【図６】
0004184565.tif 000007
【図７】
0004184565.tif 000008
【図８】
0004184565.tif 000009
【図９】
0004184565.tif 000010
【図１０】
0004184565.tif 000011
【図１１】
0004184565.tif 000012
【図１２】
0004184565.tif 000013
【図１３】
0004184565.tif 000014
【図１４】
0004184565.tif 000015
【図１５】
0004184565.tif 000016
【図１６】
0004184565.tif 000017
【図１７】
0004184565.tif 000018
【図１８】
0004184565.tif 000019
【図１９】
0004184565.tif 000020
【図２０】
0004184565.tif 000021
【図２１】
0004184565.tif 000022
【図２２】
0004184565.tif 000023
【図２３】
0004184565.tif 000024
【図２４】
0004184565.tif 000025
【図２５】
0004184565.tif 000026
【図２６】
0004184565.tif 000027
【図２７】
0004184565.tif 000028
【図２８】
0004184565.tif 000029
【図２９】
0004184565.tif 000030
【図３０】
0004184565.tif 000031
【図３１】
0004184565.tif 000032
【図３２】
0004184565.tif 000033
【図３３】
0004184565.tif 000034
【図３４】
0004184565.tif 000035
【図３５】
0004184565.tif 000036
【図３６】
0004184565.tif 000037
【図３７】
0004184565.tif 000038
【図３８】
0004184565.tif 000039
【図３９】
0004184565.tif 000040
【図４０】
0004184565.tif 000041
【図４１】
0004184565.tif 000042
【図４２】
0004184565.tif 000043