(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間の環状流路に環状列をなすように複数枚のノズル翼を配設してなるタービンノズルにおいて、それぞれ前記ノズル翼をロータの回転中心を通るラジアル線に対して一定の角度で動翼の回転方向に傾斜させ、かつ該ノズル翼の高さ方向におけるスロート幅Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔを根本部、中央部および先端部において下記不等式で定めるように構成したことを特徴とするタービンノズル。
（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＞（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1
ここで、（Ｓ／Ｔ）1  …ノズル根本部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）2  …ノズル中央部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）3  …ノズル先端部Ｓ／Ｔ
【請求項２】
ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間の環状流路に環状列をなすように複数枚のノズル翼を配設してなるタービンノズルにおいて、それぞれ前記ノズル翼をロータの回転中心を通るラジアル線に対して一定の角度で蒸気流出方向に傾斜させ、かつ該ノズル翼の高さ方向におけるスロート幅Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔを根本部、中央部および先端部において下記不等式で定めるように構成したことを特徴とするタービンノズル。
（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＞（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1
ここで、（Ｓ／Ｔ）1  …ノズル根本部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）2  …ノズル中央部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）3  …ノズル先端部Ｓ／Ｔ
【請求項３】
ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間の環状流路に環状列をなすように複数枚のノズル翼を配設してなるタービンノズルにおいて、それぞれ前記ノズル翼をロータの回転中心を通るラジアル線に対して一定の角度で動翼の回転方向かつ蒸気流出方向に傾斜させ、かつ該ノズル翼の高さ方向におけるスロート幅Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔを根本部、中央部および先端部において下記不等式で定めるように構成したことを特徴とするタービンノズル。
（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＞（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1
ここで、（Ｓ／Ｔ）1  …ノズル根本部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）2  …ノズル中央部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）3  …ノズル先端部Ｓ／Ｔ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軸流タービンにおいて、タービンノズルの流線および流量分布をノズルの傾斜とスロート幅Ｓ／環状ピッチＴ分布によりコントロールすることで、２次流れ損失を低減させ、タービン段落性能を向上させるようにしたタービンノズルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タービンの性能向上を目的として、これまでに多くの技術が採用されている。種々の性能向上技術のうち内部効率の向上はどのようなサイクルあるいは流体条件のタービンに対しても適用できるためその応用範囲は広い。タービン内部損失のうち、２次流れ損失はタービン段落に共通する損失であるため、その改善策がタービン効率の向上に寄与する度合いは大きい。
【０００３】
一般的な軸流タービンのノズル構成を図１２に示す。複数枚のノズル翼１がダイアフラム外輪２とダイアフラム内輪３との間に形成される環状流路４に配設される。また、図１３に示すようにノズル翼１に対向して下流側に複数枚の動翼５が配設される。動翼５はロータディスク６の外周の周方向に所定間隔で列状に設けられる。動翼５の外周端には動翼端を固定するため、および作動流体の漏洩を防止するためのシュラウド７が固着される。
【０００４】
次に上記の段落構成において、ノズル翼１における２次流れの発生機構を図１２を参照して説明する。図１２は図１３に示したノズル翼１をノズル出口側からみた斜視図である。
【０００５】
高圧蒸気などの作動流体は隣接するノズル翼１の間で形成した翼間流路を流れるときに、流路内で円弧状に曲げられて流れる。このときノズル翼１の背面Ｂから腹面Ｆ方向に遠心力を生じ、この遠心力と静圧が平行しているため、腹面Ｆにおける静圧が高くなり、一方背面Ｂにおいては作動流体の流速が大きいため静圧が低くなる。そのため、流路内では腹面Ｆから背面Ｂに圧力勾配を生じる。この圧力勾配はダイアフラム外輪２とダイアフラム内輪３の周壁面上に形成される流速の遅い層、すなわち境界層においても同じである。
【０００６】
ところが、境界層付近においては流速が小さく、作用する遠心力も小さいため、腹面Ｆから、背面Ｂへの圧力勾配に抗しきれずに腹面Ｆ側から背面Ｂ側に向かう流れ、すなわち２次流れ８が生じる。そして、この２次流れ８はノズル翼１の背面Ｂ側に衝突して巻き上がり、ノズル翼１のダイアフラム外輪２および内輪３の両接合端において、それぞれ２次流れ渦９ａ、９ｂを発生する。
【０００７】
かくして、作動流体が保有するエネルギは２次流れ渦９ａ、９ｂを形成するためにその一部が散逸する。このようにノズル流路内で発生する２次流れ渦９ａ、９ｂは作動流体の不均一な流れを生じ、ノズル性能を著しく低下させている。これまで、ノズル流路内で発生する２次流れ渦９ａ、９ｂに起因する２次流れ損失を低減するために種々のタービンノズルが提案されている。
【０００８】
たとえば、ノズルがロータの回転中心を通るラジアル線（図１２の符号Ｅ）に対して、ロータの回転方向に傾斜させて取り付けた形状を採用したタービンノズルがある。図１４にこの傾斜ノズルを採用したノズル翼１を示す。傾斜ノズルにおいては翼間流路における速度ベクトルを根本側ではダイアフラム内輪３に向ける効果があるため、ダイアフラム内輪３における境界層の成長を抑制することができる。その結果、図１５に示すように根本部における傾斜ノズルの圧力損失
（符号Ｃ２）が従来の圧力損失（符号Ｃ３）に対し、ノズル根本部で大幅に低減される。しかし、先端部においては速度ベクトルが外輪側から有効部平均直径
（以下ＰＣＤという）へと向くため、先端部における損失は逆に増加する傾向がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の傾斜ノズルでは速度ベクトルの向きが根本側でダイアフラム内輪３の方向になるため、図１６に流量分布で示すように、従来のノズルの流量（符号Ｇ３）と比較して根本部で流量（符号Ｇ２）が増加する。根本部壁面近傍では速度ベクトルが壁面方向を向いているため２次流れ損失は低減できるが、図１５の圧力損失分布から判るように、先端部での速度ベクトルが壁面よりＰＣＤ方向に向いているため、壁面近傍での流れを剥離させる傾向にあり、２次流れ渦を増長させ、損失を増大させる方向にある。根本部における損失低減量が先端部における損失増加量に比べて大きいため、ノズルとしての性能は従来よりもよいが、先端部での損失増加量が段落効率向上への寄与を損ねている。
【００１０】
本発明の目的はノズル出口の流量および流線をコントロールすることで２次流れ損失を低減させ、段落性能を向上させるようにしたタービンノズルを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間の環状流路に環状列をなすように複数枚のノズル翼を配設してなるタービンノズルにおいて、それぞれ前記ノズル翼をロータの回転中心を通るラジアル線に対して一定の角度で動翼の回転方向に傾斜させ、かつ該ノズル翼の高さ方向におけるスロート幅Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔを根本部、中央部および先端部において下記不等式で定めるように構成したことを特徴とするものである。
（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＞（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1
ここで、（Ｓ／Ｔ）1  …ノズル根本部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）2  …ノズル中央部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）3  …ノズル先端部Ｓ／Ｔ
【００１２】
また、請求項２に係る発明は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間の環状流路に環状列をなすように複数枚のノズル翼を配設してなるタービンノズルにおいて、それぞれ前記ノズル翼をロータの回転中心を通るラジアル線に対して一定の角度で蒸気流出方向に傾斜させ、かつ該ノズル翼の高さ方向におけるスロート幅Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔを根本部、中央部および先端部において下記不等式で定めるように構成したことを特徴とするものである。
（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＞（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1
ここで、（Ｓ／Ｔ）1  …ノズル根本部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）2  …ノズル中央部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）3  …ノズル先端部Ｓ／Ｔ
【００１３】
さらに、請求項３に係る発明は、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間の環状流路に環状列をなすように複数枚のノズル翼を配設してなるタービンノズルにおいて、それぞれ前記ノズル翼をロータの回転中心を通るラジアル線に対して一定の角度で動翼の回転方向かつ蒸気流出方向に傾斜させ、かつ該ノズル翼の高さ方向におけるスロート幅Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔを根本部、中央部および先端部において下記不等式で定めるように構成したことを特徴とするものである。
（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＞（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1
ここで、（Ｓ／Ｔ）1  …ノズル根本部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）2  …ノズル中央部Ｓ／Ｔ
（Ｓ／Ｔ）3  …ノズル先端部Ｓ／Ｔ
【００１８】
【発明の実施の形態】
請求項１の発明に係るタービンノズルは、図１（ａ）に示すようにダイアフラム外輪２とダイアフラム内輪３との間に形成される環状流路４に複数枚のノズル翼１を周方向に所定間隔をおいて列状に配設している。各ノズル翼１の先端部および根本部の縁端はダイアフラム外輪２とダイアフラム内輪３とにラジアル線Ｅに対して動翼の回転方向かつ蒸気流出方向に一定角度傾斜させて接合されている。図１（ｂ）はノズル翼１の流路部における断面を示す。ノズル出口からの流出方向と流量を決めるパラメータとして、ノズル流路の最小通路長さをスロート幅Ｓとし、環状部の円周長さをノズル数で割った環状ピッチＴを用いて本実施の形態の構成を詳しく説明する。
【００１９】
図２はタービンノズルのスロート幅Ｓと環状ピッチＴとの比Ｓ／Ｔの分布を示したものである。図に示すように本実施の形態ではＳ／Ｔ（符号Ｌ１）は根本部で小さく、先端部で大きく定め、根本部から中央部にかけてのＳ／Ｔの変化（Ｔ２−Ｔ１）よりも、中央部から先端部へのＳ／Ｔの変化（Ｔ３−Ｔ２）を大きくしている点に特徴を有する。なお、図２には比較のために従来の傾斜ノズルのＳ／Ｔ（符号Ｌ２）についても示している。
【００２０】
本実施の形態においては従来の傾斜ノズルに対して、Ｓ／Ｔを根本部で小さく、先端部で大きくしたので、図３の流量分布図に示されるように根本部分で絞られ、先端部で流量が増加する流量分布（符号Ｇ１）を得ることができる。比較のために従来の流量分布（符号Ｇ２）も示している。
【００２１】
図４に示すように、従来技術でも本実施の形態でもノズルの根本部ではノズルを傾斜させている効果で流線が内壁面に向けられたままである。このため、２次流れ渦は抑制され、損失が低減される。また、先端部においては従来技術においては傾斜により壁面よりＰＣＤ方向に流線が向けられ、壁面での剥離渦を増長させ、傾斜させない場合よりこの部分での損失が大きくなる。
【００２２】
これに対し、本実施の形態では先端部での流量を増加させるようにＳ／Ｔをコントロールしているため、先端部壁面での流線は従来の傾斜ノズルの流線に対して壁面側に偏向されることになる。この流線の偏向により、先端部壁面での２次流れ損失が抑制される。これらの流線および流量分布の与え方により図５に示すように先端部では圧力損失Ｃ１が従来技術の圧力損失Ｃ２と比較して大きく改善されることになる。
【００２３】
このように本実施の形態においてはラジアル線に対して動翼の回転方向に一定の角度で傾斜させて設けた傾斜ノズルにおいて、中央部から先端部にかけてのＳ／Ｔの変化率を根本部から中央部にかけての領域より大きく定めることで、この部分での流線を壁面側にシフトさせることができ、２次流れ渦を抑制することが可能になる。
【００２４】
また、請求項２の発明に係る実施の形態を図６を参照して説明する。
【００２５】
本実施の形態はノズル翼１がラジアル線Ｅに対して一定の角度で蒸気流出方向に傾斜し、このとき、ノズルの先端部１１は根本部１０に対して蒸気流出方向にシフトしている。
【００２６】
本実施の形態においてもＳ／Ｔは根本部で小さく、先端部で大きく定め、根本部から中央部にかけてのＳ／Ｔの変化よりも、中央部から先端部にかけてのＳ／Ｔの変化を大きくしている。
【００２７】
このように構成したものにおいても、請求項１の発明の実施の形態と同様に流線を壁面側にシフトさせることができ、２次流れ渦の発生を防止することができる。
【００２８】
さらに、請求項３に係る発明の実施の形態を図１０を参照して説明する。
【００２９】
本実施の形態は、ラジアル線Ｅに対してノズル翼１が動翼の回転方向かつ蒸気流出方向に傾斜して構成される。ここで、ノズルの先端部１３は、根本部１０に対して動翼回転方向に加えて蒸気流出方向にもシフトしている。
【００３０】
本実施の形態の特徴は、請求項１および２の発明の実施の形態における特徴を共に備えるもので、中央部から先端部にかけてのＳ／Ｔの変化率を根本部から中央部にかけての領域より大きく定めることで、この部分での流線を壁面側にシフトさせることが可能であり、２次流れ渦を効果的に抑制することができる。
【００３１】
ここで、第１の参考例を図７を参照して説明する。
【００３２】
第１の参考例において、ラジアル線Ｅに対してノズル翼１が動翼の回転方向と逆方向に傾斜して構成される。これは、根本部壁面での流線が壁面からＰＣＤ方向に向くことから、図８にＳ／Ｔ分布Ｌ３で示すように、根本部から中央部にかけてのＳ／Ｔの変化を大きくする。すなわち、（Ｓ／Ｔ）1をノズル根本部のＳ／Ｔ、（Ｓ／Ｔ）2をノズル中央部Ｓ／Ｔ、（Ｓ／Ｔ）3をノズル先端部Ｓ／Ｔとしたときに、（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＜（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1の関係を有している。
【００３３】
このように構成することにより、根本部から中央部にかけての領域での流量が増し、２次流れ渦の発生を抑制することができる。
【００３４】
また、第２の参考例を図９を参照して説明する。
【００３５】
第２の参考例において、ノズル翼１がラジアル線Ｅに対して一定の角度で蒸気流入方向（蒸気流出方向と逆方向）に傾斜し、このとき、ノズルの先端部１２は蒸気流入方向にシフトしている。これは、ノズル根本部での流線が根本部からＰＣＤ方向に向くことから根本部から中央部にかけてのＳ／Ｔの変化を大きく定め、その領域での流量を増すようにしたものである。すなわち、（Ｓ／Ｔ）1をノズル根本部のＳ／Ｔ、（Ｓ／Ｔ）2をノズル中央部Ｓ／Ｔ、（Ｓ／Ｔ）3をノズル先端部Ｓ／Ｔとしたときに、（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＜（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1の関係を有している。
【００３６】
第２の参考例では、第１の参考例と同様に、Ｓ／Ｔの変化の大きい領域で２次流れ渦を低減することができる。
【００３７】
また、第３の参考例を図１１を参照して説明する。
【００３８】
第３の参考例では、ラジアル線に対してノズル翼１が動翼の回転方向と逆方向かつ蒸気流入方向に傾斜して構成される。ここで、ノズルの先端部１４は、根本部１０に対して動翼回転方向と逆方向に加えて蒸気流入方向にシフトしている。
【００３９】
つまり、第３の参考例の特徴は、第１の参考例および第２の参考例の特徴を共に備えるもので、Ｓ／Ｔの変化は、根本部から中央部にかけての領域で大きく、中央部から先端部にかけての領域で小さくしている。すなわち、（Ｓ／Ｔ）1をノズル根本部のＳ／Ｔ、（Ｓ／Ｔ）2をノズル中央部Ｓ／Ｔ、（Ｓ／Ｔ）3をノズル先端部Ｓ／Ｔとしたときに、（Ｓ／Ｔ）3 −（Ｓ／Ｔ）2 ＜（Ｓ／Ｔ）2 −（Ｓ／Ｔ）1の関係を有している。このように構成したものにおいても、根本部から中央部にかけてのＳ／Ｔの変化が大きく、その領域で流量が増すことから、２次流れ渦の発生を効果的に抑制することが可能である。
【００４０】
ここで、参考例１〜参考例３においては、根本部から中央部にかけてのＳ／Ｔ変化率を中央部から先端部にかけての領域よりも大きくしたので、根本部から中央部にかけての領域での流量を増すことができ、２次流れ渦の発生を抑制することが可能になる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、請求項２および請求項３の発明においては、中央部から先端部にかけてのＳ／Ｔ変化率を根本部から中央部にかけての領域よりも大きくしたので、中央部から先端部にかけての流線を壁面側にシフトさせることができ、２次流れ渦の発生を抑制することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）（ｂ）は本発明によるノズルを流体流出側よりみた斜視図および断面図。
【図２】本発明によるノズルのＳ／Ｔ分布を示す線図。
【図３】本発明によるノズルの半径方向流量分布を示す線図。
【図４】本発明によるノズルの出口の流線を示す図。
【図５】本発明によるノズルの半径方向圧力損失を示す線図。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す模式図。
【図７】第１の参考例を示す斜視図。
【図８】第１の参考例のＳ／Ｔ分布を示す線図。
【図９】第２の参考例を示す模式図。
【図１０】本発明の他の実施の形態を示す模式図。
【図１１】第３の参考例を示す模式図。
【図１２】従来技術によるノズルを流体流出側よりみた斜視図。
【図１３】従来技術による段落を周方向よりみた図。
【図１４】傾斜ノズルを流体流出側よりみた斜視図。
【図１５】従来のノズルの損失分布を示す図。
【図１６】従来のノズルの流量分布を示す図。
【符号の説明】
１…ノズル翼
２…ダイアフラム外輪
３…ダイアフラム内輪
Ｅ…ラジアル線
Ｓ、Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3…スロート幅
Ｔ…ピッチ
Ｌ１、Ｌ２…Ｓ／Ｔ分布
Ｇ１、Ｇ２…流量分布
Ｔ１…根本部Ｓ／Ｔ
Ｔ２…中央部Ｓ／Ｔ
Ｔ３…先端部Ｓ／Ｔ
【図１】
0003773565.tif 000002
【図２】
0003773565.tif 000003
【図３】
0003773565.tif 000004
【図４】
0003773565.tif 000005
【図５】
0003773565.tif 000006
【図６】
0003773565.tif 000007
【図７】
0003773565.tif 000008
【図８】
0003773565.tif 000009
【図９】
0003773565.tif 000010
【図１０】
0003773565.tif 000011
【図１１】
0003773565.tif 000012
【図１２】
0003773565.tif 000013
【図１３】
0003773565.tif 000014
【図１４】
0003773565.tif 000015
【図１５】
0003773565.tif 000016
【図１６】
0003773565.tif 000017