JP2005127263A - タービン動翼および回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、フィンを設けなくても十分なシール効果を有するタービン動翼および回転機械を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、翼先端に取り付けられたシュラウド３１に、翼２３のアキシャル方向変形を利用して固定側の対向面３９との間でシールをするシール部３５を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タービン動翼および回転機械に関するものである。

蒸気タービン、ガスタービン、軸流圧縮機等の回転機械において、タービン段落内部での圧力損失の一つとして翼頂部漏れ損失がある。
従来、翼頂部あるいは翼頂部と対向するケーシングに、ラジアル方向に延伸したフィンを取り付けて、この翼頂部漏れ損失を防止していた。
さらに、圧力損失の防止効率を高めるものとして特許文献１に記載のものが提案されている。これは、フィンの取付けに加えて、翼先端部に設けられたシュラウドの形状を工夫したものである。すなわち、シュラウドの蒸気流れ方向上流側先端部を突出させるとともにケーシング側にこのシュラウド先端部を受け入れる凹部を形成しているものである。突出したシュラウド先端部が、ケーシング側の凹部に入り込み、翼頂部に流入する蒸気量を減少させるようになっている。

特開平１０−２６６８０４号公報（段落［００１０］〜［００１３］，及び図１）

しかしながら、フィンにより翼頂部漏れ損失を防止するものは、フィン設置にコストがかかるし、運転時の振動等で接触するフィン先端が磨耗してシール効果が低下する等の問題点がある。
また、特許文献１に記載されたものは、シュラウドの先端部がケーシングの凹部に入り込むので、アキシャル方向およびラジアル方向の変形を考慮して設計する必要があるし、加工が難しい。また、動翼が、運転異常等で予期しない変形をして、シュラウドがケーシングに接触した場合には、シュラウドが損傷する恐れがある。このため、シュラウドとケーシング間の隙間は、安全度をみて空けておく必要があるので、シールとしての効果が十分に得られないという問題点がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、フィンを設けなくても十分なシール効果を有するタービン動翼および回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるタービン動翼は、翼先端に取り付けられたシュラウドに、翼のアキシャル方向変形を利用して固定側の対向面との間でシールをするシール部を設けたことを特徴とする。

タービン動翼は、運転時作動流体の動圧、加熱、および遠心力の作用によりアキシャル方向およびラジアル方向に変形する。この変形は、主として遠心力の作用で起きるので、重心の位置を調整することにより、アキシャル方向の変形方向および変形量が調整できる。
翼先端のシュラウドに設けたシール部が、運転時動翼のアキシャル方向変形に伴い移動して、固定側の対向面との間でシールを形成する。これにより、翼先端からの作動流体の漏れを防止できる。したがって、翼先端でのシールのためにフィン等を設ける必要がないので、構造が簡単で、加工が容易となる。

また、本発明にかかるタービン動翼では、前記シール部は、アブレイダブル材で構成された前記対向面に対向することを特徴とする。

このように、シール部と協働してシールを構成する対向面は、アブレイダブル材で構成されているので、シール部が対向面に接触した場合、対向面が磨耗する。これにより、運転異常時等において、動翼のアキシャル方向変形が予定より大きくなっても動翼は壊れることはない。

さらに、本発明にかかるタービン動翼では、前記アキシャル方向変形は、作動流体の流れ方向に対して下流側としたことを特徴とする。

このように、タービン動翼はアキシャル方向下流側に変形するので、下流側端面においてシール部が形成されることとなる。この下流側のシール部において、作動流体に遠心力が働き、作動流体を外周側すなわち上流側に向けて流す、いわゆるポンピング効果が発生する。このポンピング効果により、シール部に流入する作動流体に押し戻す力が加わるので、シール性能はより向上することになる。

また、本発明にかかる回転機械は、請求項１ないし３に記載のタービン動翼を備えたことを特徴とする。

このように、簡単な構造で、先端部のシールが行えるタービン動翼を取り付けたので、回転機械は、構造がより簡単で、安価に製造できる。

請求項１に記載の発明によれば、翼先端のシュラウドに設けたシール部が、運転時動翼のアキシャル方向変形に伴い移動して、固定側の対向面との間でシールを形成するので、翼先端でのシールのためにフィン等を設ける必要がなく、構造が簡単で、加工が容易となる。

請求項２に記載の発明によれば、シール部と協働してシールを構成する対向面は、アブレイダブル材で構成されているので、運転異常時等において、動翼のアキシャル方向変形が予定より大きくなっても動翼は壊れることはない。

請求項３に記載の発明によれば、下流側のシール部において、作動流体に遠心力が働き、作動流体を外周側に向けて流す、いわゆるポンピング効果が発生するので、シール性能はより向上することになる。

請求項４に記載の発明によれば、簡単な構造で、先端部のシールが行えるタービン動翼を取り付けたので、回転機械は、構造がより簡単で、安価に製造できる。

以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。
図３には、第一実施形態にかかる蒸気タービン（回転機械）１が示されている。蒸気タービン１は、蒸気タービン１に流入する蒸気（作動流体）の量と圧力を調整する調整弁３と、圧力を保持するケーシング５と、動力を発生する動力発生部７と、動力をコンプレッサー等の機械に伝達するロータ９とを主たる構成としている。

調整弁３は、ケーシング５の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気が流入する調整弁室１１と、弁体１３と、弁座１５とを備えている。
弁座１５は、略円筒形状をし、その軸心はロータ９の軸心と直交している。弁座１５の内径は、ロータ９に向か方向に序々に拡大し、先端部は蒸気室１７に連通している。弁座１５の蒸気室１７に対して反対側端部の内面は内側に凸な曲率を持つ曲面１９を形成している。
弁体１３の下部形状は、球体の一部分を形成しており、弁座１５の曲面１９に接離可能に設けられている。弁体１３が、弁座１５から離れると蒸気流路が開き、弁座１５に接触すると蒸気流路が閉じられることになる。
調整弁３は、弁体１３の開け閉めにより蒸気流量を制御する。さらに、複数の調整弁３の開閉タイミングを調整して蒸気タービンの出力を制御する。

蒸気室１７は、調整弁３から流入する蒸気を動力発生部７に案内するものであり、略ドーナツ型形状をしている。蒸気室１７の蒸気流路は内側に向かって行くにしたがって狭くなり、かつロータ９の軸心と平行する向きに偏向する。

動力発生部７は、ケーシング５に固定されたノズル２１と、ロータ９に取り付けられた動翼２３とを備えている。ノズル２１と動翼２３との１組を段落といい、本実施形態では６段落備えている。
ノズル２１は、蒸気通路内で蒸気を膨張させて速度エネルギーを生み、流れの向きを変えて軸の回転方向の運動量を作る作用をする。動翼２３は、ノズル２１で速度エネルギーに変換された蒸気のエネルギーを吸収して、ロータ９の回転エネルギーに変換する作用をする。

ノズル２１は、放射状に多数配置され、ケーシング５に強固に固定されたリング状の仕切板外輪２５と、リング状の仕切板内輪２７とで保持されている。仕切板内輪２７のロータ９側端部とロータ９との間には、蒸気漏れを防止するシール構造が設けられている。蒸気圧力の高い段落では、シール構造としてラビリンス構造を採用している。

動翼２３は、放射状に多数配置され、ロータ９に突出して円筒状に設けられたディスク２９の外周部に強固に取り付けられている。
最終段の動翼２３の先端には、シュラウド３１が取り付けられている。動翼２３のプロファイルはねじられている。回転により、隣合う動翼２３のシュラウド３１が接触することにより連成し、多数の動翼２３が一体的に構成されるので、剛性が高くなり、振動に対する強度が増加する。また、シュラウド３１は、動翼２３の先端からの蒸気漏れを減少する役目を有している。第一段落から第四段落までの動翼２３においては、仕切板外輪２５側のシュラウド３１に対向する位置に、フィンが取り付けられており、蒸気漏れを防止している。また、第五段落および第六段落の動翼２３には、後述する本発明にかかるシール構造が採用されている。

ロータ９は、図示しない軸受により回転自在に支持されている。ロータ９は、動力発生部７で発生した動力をコンプレッサー等の機械に伝達する作用をする。ロータ９とケーシング５の間には、蒸気等の漏れを防止するシール構造が設けられている。

蒸気タービン１を作動させて仕事を終えた排気蒸気は、排気室３３を通って図示しない復水器に送られる。

次に、図１および図２により、本発明にかかる動翼２３について説明する。
本発明にかかる動翼２３は、第五段落および第六段落（最終段）に採用されている。第五段落および第六段落（最終段）の動翼２３は、蒸気の比体積が大きくなるので長さの長いものとなる。また、動翼２３の長さが長いと、蒸気の相対流入角が、根元から先端にかけて大きく変化するので、動翼２３はこの変化に対応するように大きなねじれを設けている。この動翼２３は三次元長翼と言われている。なお、第六段落の動翼２３は、根元から先端までの翼長が５００ｍｍである。
この動翼２３の重心は、回転中心線に対して上流側に位置するように設計されている。

仕切板外輪２５の動翼２３に対向する位置に、動翼２３側に開口した断面コ字状の凹部３７が設けられている。凹部３７の蒸気流れ方向下流側に対向面３９が設けられている。凹部３７の対向面３９と、シュラウド３１の上面に対向する外面４１とには、アブレイダブル材４３が設置されている。アブレイダブル材４３としては、ポリマー（ポリ４フッ化エチレン系）、Ａｌ−Ｓｉグラファイト系などが使用される。

動翼２３の先端に取り付けられたシュラウド３１は、蒸気流れ方向下流側にステップ状の段差が設けられており、この段差部のラジアル方向に延在した面（端面）がシール部３５を構成する。

以上説明した本実施形態にかかる蒸気タービンは、以下のように運転される。
ボイラから送られる蒸気は、複数設けられた調整弁３の各調整弁室１１に流入する。複数ある調整弁３の弁体１３を所要タイミングで開け閉めして、所要のタービン出力を得るのに必要な蒸気量を蒸気室１７に流入させる。
蒸気室１７にて、流入した蒸気は、動力発生部７へと導かれる。

動力発生部７では、ノズル２１において、蒸気を膨張させて速度エネルギーを生み、流れの向きを変えて軸の回転方向の運動量を作る。ノズル２１で速度エネルギーに変換された蒸気のエネルギーを動翼２３が吸収して、動翼２３は回転する。この動翼２３の回転により、ロータ９が回転する。
ロータ９の回転が、コンプレッサーに伝達される。
蒸気タービン１を作動させて仕事を終えた排気蒸気は、排気室３３を通って図示しない復水器に送られ、復水器で凝縮されて水に戻る。

第五段落および第六段落（最終段）の動翼２３は大きくねじられているので、蒸気タービン１の運転中に遠心力が作用してねじり戻りが発生する。このねじり戻りにより、動翼２３は、アキシャル方向およびラジアル方向に変形する。動翼２３の重心は回転中心線より上流側に設定しているので、動翼２３は遠心力を受けて蒸気流れ方向下流側に変形する。この変形により、図２に示すようにシュラウド３１のシール部３５と、仕切板外輪２５の対向面３９とは間隔δまで接近する。間隔δは、十分なシール効果を得られる大きさになるよう設定されているので、蒸気が漏れるのを防止する。
また、運転中に、間隔δの部分に存在する蒸気に遠心力が作用して、蒸気を外周側に向けて流すというポンピング効果が発生する。このポンピング効果により、間隔δの部分に流入する蒸気に押し戻す力が加わる。

間隔δは、小さいので、何らかの異常で変形が大きくなると、シール部３５は対向面３９に接触する。その場合には、シール部３５が、対向面３９の表面を構成しているアブレイダブル材を削ることになる。したがって、接触しても動翼２３に大きな力が作用しないので、動翼２３が破壊されることはない。

以下、本実施形態の作用・効果を説明する。
翼先端のシュラウド３１に設けたシール部３５が、運転時動動翼２３のアキシャル方向変形に伴い移動して、仕切板外輪２５に設けられた対向面３９との間でシールを形成する。これにより、翼先端からの蒸気の漏れを防止できる。したがって、翼先端でのシールのためにフィン等を設ける必要がないので、構造が簡単で、加工が容易となる。

また、シール部３５と協働してシールを構成する対向面３９は、アブレイダブル材４３で構成されているので、シール部３５が対向面３９に接触した場合、対向面３９のアブレイダブル材４３が磨耗する。これにより、運転異常時等において、動翼２３のアキシャル方向変形が予定より大きくなっても動翼は壊れることはない。

さらに、下流側のシール部３５において、蒸気に遠心力が働き、蒸気を外周側に向けて流す（図２の矢印参照）、いわゆるポンピング効果が発生する。このポンピング効果により、シール部３５に流入する蒸気に押し戻す力が加わるので、シール性能はより向上することになる。

本実施形態の蒸気タービンは、簡単な構造で、先端部のシールが行える動翼２３を取り付けたので、回転機械は、構造がより簡単で、安価に製造できる。

なお、本実施形態では、仕切板外輪２５の外面４１にもアブレイダブル材４３を設置しているので、シュラウド３１の上面が外面４１に接触しても動翼２３に大きな影響を及ぼさない。従って、シュラウド３１の上面と外面４１との間の間隔も狭くしてシール効果を増強することもできる。

本発明の第一実施形態のタービン動翼の概略構造を示す説明図である。 蒸気タービン運転中における図１のシュラウド端部を拡大して示す説明図である。 本発明の第一実施形態の蒸気タービンの構造を示す説明図である。

符号の説明

２３ 動翼
３１ シュラウド
３５ シール部
３９ 対向面
４３ アブレイダブル材

Claims (4)

1. 翼先端に取り付けられたシュラウドに、翼のアキシャル方向変形を利用して固定側の対向面との間でシールをするシール部を設けたことを特徴とするタービン動翼。
2. 前記シール部は、アブレイダブル材で構成された前記対向面に対向することを特徴とする請求項１に記載されたタービン動翼。
3. 前記アキシャル方向変形は、作動流体の流れ方向に対して下流側としたことを特徴とする請求項１または２に記載されたタービン動翼。
4. 請求項１ないし３に記載のタービン動翼を備えたことを特徴とする回転機械。

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