JP2005214144A - 流体機械の旋回流防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の流速減少に伴うホワール力の減少と、ラビリンスシール荷重の利用に伴う回転部の安定化とを組み合わせて回転部の自励振動を抑制する流体機械の旋回流防止装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、回転部１７を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置２０におけるチャンバ２４の断面縁線２４ｃの中心Ｏ_３を、前記回転部１７の回転中心Ｏ_１に対しオフセットさせる構成にした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機等の流体機械において、機外への作動流体漏出防止用として使用されるラビリンスシール装置から旋回流によって誘起する自励振動を効果的に抑制する流体機械の旋回流防止装置に関する。

蒸気タービン、ガスタービン等超大形の流体機械では、最近、信頼性向上の見直し、強化が行われており、その一つに回転軸の自励振動の抑制がある。

この自励振動は、軸受のオイルホイップ等によって誘起されるほかに、ラビリンスシール装置に流入する作動流体の旋回流によっても誘起されることが知られている。

ラビリンスシール装置を備えた流体機械、例えば蒸気タービンには、図２３および図２４に示す構成のものがある。

この蒸気タービンは、軸流タイプと称し、横長筒状のタービンケーシング１の中央にタービンロータ２を収容し、タービンロータ２の軸長方向に沿って複数段落のタービン段落３を備えている。

タービン段落３は、端部をダイアフラム内輪４およびダイアフラム外輪５のそれぞれで支持されたタービンノズル６と、タービンロータ２の周方向に沿って植設されたタービン動翼７とで対にして備え、タービンノズル６で蒸気の持つ熱エネルギを速度エネルギに変える膨張仕事をし、タービン動翼７で膨張仕事を終えた蒸気を次のタービン段落に案内している。

このように、各タービン段落で膨張仕事をさせて動力を取り出す蒸気タービンでは、より一層多くの膨張仕事をさせるために、各タービン段落間等での蒸気の機外等への漏れを完全に遮断しておくことが必要とされている。

しかし、実際には、タービンケーシング１とタービンロータ２との間のグランド部８ａ，８ｂ、ダイアフラム外輪５とタービン動翼７との間、ダイアフラム内輪４とタービンロータ２との間のそれぞれに隙間が形成されており、これら隙間を介して圧力の高い側から圧力の低い側に向って蒸気の漏出が見られている。

このような蒸気の漏出は、タービン段落効率の低下の要因となるので、蒸気タービンでは、図２３および図２４に示すように、グランド部８ａ，８ｂにラビリンスシール装置９を設け、ラビリンスシール装置９のラビリンスフィン１０を、等配ピッチに配置し、タービンロータ２との間に絞り部１１やチャンバ１２を備えている。

また、ダイアフラム内輪４とタービンロータ２との間に設けたラビリンスシール装置９ａは、図２５に示すように、ラビリンスフィン１０を備えたラビリンスパッキンリング１１をタービンロータ２の周方向に沿って環状に配置し、環状に配置したラビリンスパッキンリング１１を横断水平面で上半側ラビリンスパッキンリングと下半側ラビリンスパッキンリングとに２分割し、２分割の上半側ラビリンスパッキンリングと下半側ラビリンスパッキンリングとのそれぞれをダイアフラム内輪４に係合、支持させている。

また、ラビリンスシール装置９ａは、図２６〜図２８に示すように、ラビリンスパッキンリング１１に設けたラビリンスフィン１０を蒸気の流れ方向に沿って等ピッチに配置し、タービンロータ２との間での絞り部１２やラビリンスフィン１０，１０間で形成するチャンバ１３を備え、ラビリンスパッキンリング１１に設けたラビリンスフィン１０の断面中心Ｏ_２やラビリンスパッキンリング１１におけるラビリンスフィン１０，１０間に形成するチャンバ１３の断面中心Ｏ_３をタービンロータ２の回転中心Ｏ_１と同心位置に設定し、機内から流出する蒸気の圧力を減じるとともに、閉じ込めている。

また、グランド部８ａ，８ｂに設けたラビリンスシール装置９やダイアフラム外輪５とタービン動翼７との間に設けたラビリンスシール装置９ｂも上述とほぼ同一の構成になっている。

なお、ラビリンスシール装置の自励振動を抑制する発明には、例えば、特開平７−１９００５号公報、特開平８−３１９８０４号公報等が開示されている。
特開平７−１９００５号公報 特開平８−３１９８０４号公報

ところで、最近の蒸気タービンでは、ラビリンスシール装置の開発の進展に伴い蒸気の機外への漏出防止を向上させているものの、その反面、ラビリンスシール装置を挿通するタービンロータが自励振動の誘起個所になっていることが指摘されている。

自励振動は、今迄、スチームホワールとして知られる程度であったが、蒸気タービンが大容量化し、これに伴って蒸気圧力、温度が高圧化、高温化してくると、顕著に現われるようになってきた。

この自励振動の誘起を考察してみると、ラビリンスシール装置には、流入する蒸気の流れに旋回成分があり、この旋回成分がチャンバ内の周方向の圧力分布を不均一にし、タービンロータの振れ廻り振動を助長すると考えられている。

すなわち、図３２に、タービンロータ（回転部）２が振れ廻っているとき、つまり、タービンロータ２の回転中心２ａと実際の回転中心２ｂとが異なっているときのラビリンスフィン１０，１０間で形成されるチャンバ３内の圧力Ｐの分布を示す一例である。

ここで、蒸気の流れに旋回成分があると、圧力Ｐの分布のうち、ピーク値Ｐｍａｘは、タービンロータ２の回転中心２ａを通る基準線Ｌに対し、タービンロータ２の回転方向と逆向き方向の偏角θの位置に発生している。

この不均一に分布する圧力Ｐに伴ってタービンロータ２に作用する力Ｆｄは、タービンロータ２の回転方向に向う力Ｆｄ（Ｘ）と、これに直交する方向に向う力Ｆｄ（Ｙ）とに分解することができる。

上述のような圧力Ｐの分布のうち、ピーク値Ｐｍａｘが発生すると、タービンロータ２は、この回転方向に向う力Ｆｄ（Ｘ）で押され、振れ廻りが助長され、自励振動が発生すると考えられる。

また、タービンロータ２の外周面との摩擦により、蒸気の流れに旋回成分が与えられるため、ラビリンスシール装置に流入する蒸気の流れに旋回成分が含まれるのは、流体機械にとって避けられないことであるものの、旋回成分が低減できれば、自励振動が抑制できると考えられている。

例えば、図３３に示すように、ラビリンスシール装置のチャンバに流入する蒸気の平均流速（旋回流成分）をｕとするとき、蒸気の平均流速ｕが減少すると、不安定化力（ホワール力）Ｆｄ（Ｘ）も減少している。

このような現象を利用して、従来から旋回成分を低減させる手段としてラビリンスシール装置の入口やチャンバ内に旋回防止板を設けていた。

しかし、ラビリンスシール装置の入口やチャンバ内に旋回防止板を設けても蒸気の旋回成分を完全に除去することができず、さらなる改善が求められていた。

一方、図３０は、タービンロータを支持するジャーナル軸受のタービンロータ荷重（静的軸受荷重）とタービンロータの安定度との関係を示す線図である。

ここで、タービンロータの安定度とは、タービンロータが軸受の流体力やラビリンスシール装置の流体力を受けて自励振動が発生しやすさを示す値であり、通常、タービンロータ軸受の振動解析モデルの固有値解析から得られる。

そして、図３０のタービンロータ荷重（静的軸受荷重）−タービンロータ安定度線図から、タービンロータ荷重が増加すると、タービンロータも安定化することがわかった。

ところで、タービンロータの安定化を確保するために、タービンロータ荷重を増加させる手段を考察してみると、蒸気タービンでは、図２９に示すように、ジャーナル軸受１４ａ，１４ｂにタービンロータ２がタービンロータ荷重として作用している。

このため、ラビリンスシール装置９ａ，９ｂ，……にも、タービンロータ荷重ＲＬと同様にラビリンスシール荷重（ラビリンスシール装置の静的荷重）Ｌ_１，Ｌ_２，……を発生させれば、ジャーナル軸受１４ａ，１４ｂにタービンロータ荷重ＲＬのほかにラビリンスシール荷重Ｌ_１，Ｌ_２，……が加わって、タービンロータ２を安定化させることができると考えられる。

ラビリンスシール装置９ａ，９ｂ，……にラビリンスシール荷重Ｌ_１，Ｌ_２，……を発生させるには、例えば、図３１に示すように、タービンロータ２と上半側ラビリンスパッキンリングとの間、具体的には、タービンロータ２とラビリンスフィンの歯先との間を狭窄部に形成し、この狭窄部を介して上半側ラビリンスパッキンリングにおけるチャンバに発生する不均一な圧力Ｐのうち、ピーク値Ｐｍａｘを利用することが考えられる。

すなわち、このピーク値Ｐｍａｘは、すでに図３２でも説明したように、タービンロータ２およびタービンロータ２の回転中心２ａと同心位置にある上半側ラビリンスパッキンリングにおけるチャンバの断面中心２ａを通る基準線Ｌに対し、タービンロータ２の回転方向と逆向き方向の偏角θの位置に発生していることがわかっている。

この偏角θの位置におけるピーク値Ｐｍａｘを分解すると、図３１に示すように、横断方向分力Ｆｓ（Ｘ）と鉛直方向分力Ｆｓ（Ｙ）との合力Ｆｓが得られる。この合力Ｆｓは、ラビリンスシール荷重Ｌ_１，Ｌ_２，……のそれぞれに相当する。

本発明は、このような考察に基づいてなされたものであり、上述の作動流体（蒸気）の流速減少に伴うホワール力Ｆｄ（Ｘ）の減少と、ラビリンスシール荷重の利用に伴う回転部の安定化とを組み合わせることにより、従来のシール効果を損うことなく、自励振動をより一層抑制する流体機械の旋回流防止装置を提供することを目的とする。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線の中心を、前記回転部の回転中心に対しオフセットさせる構成にしたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、チャンバの断面縁線の中心をオフセットさせる位置は、回転部の回転中心を通るＸ軸、Ｙ軸のうち、Ｙ軸上に沿って前記回転部の回転中心よりも下方に設定したことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、チャンバの断面縁線の中心をオフセットさせる位置は、回転部の回転中心を通る回転部中心線上に沿い、前記回転部の回転中心よりも下方に設定するとともに、前記チャンバの断面縁線の中心を通るチャンバ中心線を前記回転部の回転部中心線に対し、前記回転部の回転方向と逆向き方向の偏角の位置に設定したことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバを形成したラビリンスパッキンリングの内周壁に、粗面を備えたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、ラビリンスパッキンリングの内周壁は、全周に亘って粗面を備えたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、ラビリンスパッキンリングは、回転部の回転中心を通るＸ軸を境に２分割し、２分割した上半側チャンバを設けたラビリンスパッキンリングの内周壁に、全周に亘って粗面を備えるとともに、２分割した下半側チャンバを設けたラビリンスパッキンリングの内周壁に、断続的に粗面を備えたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、前記回転部の回転中心を通るＹ軸上に沿って長円に画成したことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、前記回転部の回転中心を通るＹ軸上に沿って長円に画成するとともに、長円のチャンバの断面縁線の前記Ｙ軸上に窪みを備えたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、前記回転部の回転中心に対し、外側に向って膨出させた３つの曲線を連続的に接続する三角形に形成したことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線上に、少なくとも１つ以上のパッファポケットを備えたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、バッファポケットは、円弧状に形成したことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、回転部の回転中心を通るＸ軸、Ｙ軸のうち、Ｘ軸を境にしてＹ軸上を進退させて設定した２つのチャンバの断面縁線の中心から画成する構成にしたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、チャンバの断面縁線は、２つの段差を備えたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、回転部の回転中心を通るＸ軸、Ｙ軸のうち、Ｘ軸よりも下方のＹ軸上を進退させて設定した２つのチャンバの断面縁線の中心から画成する構成にしたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、チャンバの断面縁線は、１つの段差を備えたことにある。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置は、ラビリンスシール装置のラビリンスパッキンリングとラビリンスフィンとで構成するチャンバの断面縁線の中心を、タービンロータの回転中心よりも鉛直下方位置にオフセットさせ、上半側ラビリンスフィンの歯先とタービンロータとの間を狭窄部に形成し、下半側ラビリンスフィンの歯先とタービンロータとの間を拡開部に形成し、形成した狭窄部を介してチャンバで発生する不均一な圧力のうち、ピーク値をラビリンスシール荷重としてタービンロータに与える構成にしたので、タービンロータの安定化を図って自励振動を抑制することができる。

以下、本発明に係る流体機械の旋回流防止装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１および図２は、本発明に係る流体機械の旋回流防止装置を適用する蒸気タービンの実施形態を示す部分概念図である。

なお、図１は、蒸気タービンの実施形態を示す一部切欠き部分縦断面図であり、図２は、図１のＥ部の部分拡大図である。

本実施形態に係る蒸気タービンは、ダイアフラム内輪１５で支持されたタービンノズル１６とタービンロータ１７の周方向に沿って環状に植設されたタービン動翼１８ｂとでタービン段落１９を構成し、タービン前段落のタービン動翼１８ａから案内された蒸気をタービン段落１９のタービンノズル１６で膨張仕事をさせ、膨張仕事を終えた蒸気をタービン動翼１８ｂでタービン下流段落に案内する。

また、タービンノズル１６を支持するダイアフラム内輪１５には、タービンロータ１７との隙間にラビリンスシール装置２０が設けられている。

このラビリンスシール装置２０は、ラビリンスパッキンリング２１とラビリンスフィン２２とを備え、タービンロータ１７の周方向に沿って環状配置し、横断水平面で上半側ラビリンスパッキンリングと下半側ラビリンスパッキンリングとに分割された２分割構造になっている。

また、ラビリンスシール装置２０は、図２に示すように、上下半側のラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２，２２，……を蒸気の流れ方向（タービンロータ軸長方向）に向って等ピッチに配置し、タービンロータ１７との間で絞り部２３とチャンバ２４を形成し、入口から流入する蒸気の流速を絞り部２３で減じ、チャンバ２４内に蒸気を閉じ込める。

図３は、図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。また、図４は、図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。

本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図４に示すように、ラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、ラビリンスフィン２２の断面中心Ｏ_２をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１と同心位置に設定し、ラビリンスフィン２２の歯先２５とタービンロータ１７とのすき間を周方向に向って等距離に維持する。

また、ラビリンスパッキンリング２１内に形成するチャンバ２４を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図３に示すように、チャンバ２４ａ、断面縁線２４ｃの中心Ｏ_３を、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＸ軸（横断面軸）、Ｙ軸（縦断面軸）のうち、Ｙ軸に沿って下方のオフセットする位置に設定し、上半側ラビリンスパッキンリングに設けたチャンバ２４とタービンロータ１７との間を狭窄部２６に形成し、下半側ラビリンスパッキンリングに設けたチャンバ２４とタービンロータ１７との間を拡開部２７に形成したものである。

このように、本実施形態は、ラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２，２２間に形成するチャンバ２４の断面縁線２４ｃの中心Ｏ_３をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＹ軸上に沿って下方のオフセットする位置に設定し、上半側ラビリンスパッキンリングに設けたチャンバ２４とタービンロータ１７との間を狭窄部２６に形成し、下半側ラビリンスパッキンリングに設けたチャンバ２４とタービンロータ１７との間を拡開部２７に形成するとともに、形成した狭窄部２６を介してチャンバ２４内に発生する圧力のピーク値を押圧力としてタービンロータ１７に与え、ラビリンスシール荷重として利用する構成にしたので、タービンロータ１７に与えられる押圧力としてのラビリンスシール荷重を下に、タービンロータ１７の安定化を図って自励振動を抑制することができる。

図５および図６は、本発明に係る流体機械の旋回流防止装置の第２実施形態を示す概念図である。

なお、図５は、図２で示したＦ−Ｆ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。また、図６は、図２で示したＧ−Ｇ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。

本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図６に示すように、ラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、ラビリンスフィン２２の断面中心Ｏ_２をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１と同心位置に設定し、ラビリンスフィン２２の歯先２５とタービンロータ１７とのすき間を周方向に向って等距離に維持する。

また、ラビリンスパッキンリング２１内に形成するチャンバ２４を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図５に示すように、チャンバ２４の断面縁線２４ｃの中心Ｏ_３を、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るタービンロータ中心線ＲＣＬ上に沿い、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１よりも下方にオフセットする位置に設定するとともに、チャンバ２４の断面縁線２４ｃの中心Ｏ_３を通るチャンバ中心線ＣＳＣＬをタービンロータ中心線ＲＣＬに対し、タービンロータ１７の回転方向と逆向きの方向の偏角θの位置に設定し、タービンロータ中心線ＲＣＬ上のタービンロータ１７とラビリンスパッキンリング２１内に設けたチャンバ２４のうち、上半側チャンバ２４ａとの間を狭窄部２６に形成する一方、タービンロータ中心線ＲＣＬ上のタービンロータ１７とラビリンスパッキンリング２１内に設けたチャンバ２４のうち、下半側チャンバ２４ｂとの間を拡開部２７に設けたものである。

このように、本実施形態は、ラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２，２２間に形成するチャンバ２４の断面縁線２４ｃの中心Ｏ_３をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るタービンロータ中心線ＲＣＬに沿って下方のオフセットする位置に設定するとともに、チャンバ２４の断面縁線２４ｃの中心Ｏ_３を通るチャンバ中心線ＣＳＣＬをタービンロータ中心線ＲＣＬに対し、タービンロータ１７の回転方向と逆向き方向の偏角θの位置に設定し、タービンロータ中心線ＲＣＬ上のタービンロータ１７と上半側チャンバ２４ａとの間に狭窄部２６を形成し、タービンロータ中心線ＲＣＬ上のタービンロータ１７と下半側チャンバ２４ｂとの間に拡開部２７を形成するとともに、形成した狭窄部２６を介して上半側チャンバ２４ａ内に発生する圧力のピーク値を押圧力としてタービンロータ１７に与え、ラビリンスシール荷重として利用する構成にしたので、タービンロータ１７に与えられる押圧力としてのラビリンスシール荷重を下に、タービンロータ１７の安定化を図って自励振動を抑制することができる。

図７および図８は、本発明に係る流体機械の旋回流防止装置の第３実施形態を示す概念図である。

なお、図７は、図２で示したＦ−Ｆ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。また、図８は、図２で示したＧ−Ｇ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。

本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図８に示すように、ラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、ラビリンスフィン２２の断面中心Ｏ_２をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１と同心位置に設定し、ラビリンスフィン２２の歯先２５とタービンロータ１７とのすき間を周方向に向って等距離に維持する。

また、ラビリンスパッキンリング２１内に形成するチャンバ２４を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図７に示すように、チャンバ２４を設けたラビリンスパッキンリング２１の内周壁２８の環状全周に亘って例えば、凹凸状の粗面２９を備えたものである。

このように、本実施形態は、チャンバ２４を設けたラビリンスパッキンリング２１の内周壁２８の環状全周に亘って、例えば、凹凸状の粗面２９を備えたので、ラビリンスパッキンリング２１のチャンバ２４に流入する蒸気の旋回流に粗面２９からの摩擦抵抗を与えて平均旋回流速ｕを減少させ、この平均旋回流速ｕの減少の下、自励振動を抑制することができる。

なお、仮に、図３２に示すように、設計上のタービンロータ回転中心２ａと実際上のタービンロータ回転中心２ｂとの位置が異なった場合、不安定化力（ホワール力）Ｆｄ（Ｘ）が発生するものの、平均旋回流速ｕが減少するので図３３に示すように、不安定化力Ｆｄ（Ｘ）が減少し、タービンロータ１７の自励振動を抑制することができる。

また、本実施形態は、チャンバ２４を設けたラビリンスパッキンリング２１の内周壁２８の環状全周に亘って粗面２９を備えたが、例えば、図９および図１０に示すように、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＸ軸（横断面軸）を境に上半側チャンバ２４ａと下半側チャンバ２４ｂとに２分割し、２分割した上半側チャンバ２４ａにおけるラビリンスパッキンリング２１の内周壁２８の全周に亘って、例えば、凹凸状の粗面２９を備えるとともに、下半側チャンバ２４ｂにおけるラビリンスパッキンリング２１の内周壁２８に、例えば、凹凸状の粗面２９と断続的に備えてもよい。

下半側チャンバ２４ｂに較べて上半側チャンバ２４ａにおけるラビリンスパッキンリング２１の内周壁２８により多くの粗面２９を備え、蒸気の旋回流に摩擦抵抗を与えて平均旋回流速ｕを減少させ、ラビリンスシール荷重としての押圧力を上半側チャンバ２４ａからより多くタービンロータ１７を与えるので、タービンロータ１７を安定化させて自励振動を抑制することができる。

図１１および図１２は、本発明に係る流体機械の旋回流防止装置の第５実施形態を示す概念図である。

なお、図１１は、図２で示したＦ−Ｆ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。また、図１２は、図２で示したＧ−Ｇ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。

本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図１２に示すように、ラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、ラビリンスフィン２２の断面中心Ｏ_２をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１と同心位置に設定し、ラビリンスフィン２２の歯先２５とタービンロータ１７とのすき間を周方向に向って等距離に維持する。

また、ラビリンスパッキンリング２１内に形成するチャンバ２４を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図１１に示すように、チャンバ２４の断面縁線２４ｃ、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＸ軸（横断面軸）、Ｙ軸（縦断面軸）のうち、Ｙ軸に沿い、かつ外側に向って凸状の曲面を連続させて長円３０で画成するとともに、Ｘ軸上のタービンロータ１７との間に狭窄部２６ａ，２６ａを形成し、Ｙ軸上のタービンロータ１７との間に拡開部２７ａ，２７ｂを形成したものである。

一般に、作動流体（蒸気）は、狭窄部での絞りと拡開部での膨張とを繰り返すことにより圧力損失が増加する。ラビリンスシール装置２０は、この原理を応用したものである。

すなわち、本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、チャンバ２４の断面縁線２４ｃをタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＸ軸（横断面軸）、Ｙ軸（縦断面軸）のうち、Ｙ軸上に沿って外側に向って凸状の曲面を連続させて長円３０で画成するとともに、Ｘ軸線上のタービンロータ１７との間に狭窄部２６ａ，２６ｂを形成し、Ｙ軸上のタービンロータ１７との間に拡開部２７ａ，２７ｂを形成し、作動流体（蒸気）を狭窄部２６ａ，２６ｂで絞り、拡開部２７ａ，２７ｂで膨張させる構成にしたので、作動流体（蒸気）の圧力損失を増加させて旋回流を抑制することができる。

したがって、本実施形態では、タービンロータ１７の回転を安定化させて自励振動を抑制することができる。

なお、本実施形態は、チャンバ２４の断面縁線２４ｃをタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＹ軸上に沿って外側に向って凸状の曲面を連続させて長円３０で画成したが、この例に限らず、例えば図１３および図１４に示すように、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＹ軸上の拡開部２７ａ，２７ｂとのチャンバ２４の断面縁線２４ｃに、例えば、円弧状の窪み３１を成形加工してもよい。加工の容易性を確保するためである。

図１５および図１６は、本発明に係る流体機械の旋回流防止装置の第７の実施形態を示す概念図である。

なお、図１５は、図２で示したＦ−Ｆ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。また、図１６は図２で示したＧ−Ｇ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。

本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図１６に示すように、ラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、ラビリンスフィン２２の断面中心Ｏ_２をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１と同心位置に設定し、ラビリンスフィン２２の歯先２５とタービンロータ１７とのすき間を周方向に向って等距離に維持する。

また、ラビリンスパッキンリング２１内に形成するチャンバ２４を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図１５に示すように、チャンバ２４の断面縁線２４ｃを３つの曲線２４ｃ_１，２４ｃ_２，２４ｃ_３で連続させて画成するとともに、これら３つの曲線２４ｃ_１，２４ｃ_２，２４ｃ_３をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１に対し、外側に向って膨出させた、いわゆるおむすび型の三角形の形状にし、タービンロータ１７とチャンバ２４の断面縁線２４ｃとの間を３つの狭窄部２６ａ、２６ｂ、２６ｃと３つの拡開部２７ａ，２７ｂ，２７ｃとで形成したものである。

このように、本実施形態は、チャンバ２４の断面縁線２４ｃを３つの曲線２４ｃ_１，２４ｃ_２，２４ｃ_３で連続させて画成するとともに、それらの３つの曲線２４ｃ_１，２４ｃ_２，２４ｃ_３をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１に対し、外側に向って膨出させた、いわゆるおむすび型の三角形の形状にし、タービンロータ１７とチャンバ２４の断面縁線２４ｃとの間を３の狭窄部２６ａ，２６ｂ，２６ｃと３つの拡開部２７ａ，２７ｂ，２７ｃとで形成したので、作動流体（蒸気）により多くの絞り、膨張を繰り返させることができ、圧力損失のより一層の増加の下、作動流体の旋回流を防止してタービンロータ１７の自励振動を抑制することができる。

なお、本実施形態は、チャンバ２４の断面縁線２４ｃを、いわゆるおむすび型の３角形の形状に形成したが、この例に限らず、例えば、図１７および図１８に示すように、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１と同心位置に設定したチャンバ２４の断面縁線の中心Ｏ_３から画成したチャンバ２４の断面縁線２４ｃの中間位置に、外側に向って膨出させた円弧状の３つのバッファポケット３２ａ，３２ｂ，３２ｃを設け、これらを通る作動流体（蒸気）の圧力損失をより一層増加させ、圧力損失の増加の下、作動流体の旋回流を防止してタービンロータ１７の自励振動を抑制してもよい。

図１９および図２０は、本発明に係る流体機械の旋回流防止装置の第９実施形態を示す概念図である。

なお、図１９は、図２で示したＦ−Ｆ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。また、図２０は、図２で示したＧ−Ｇ矢視方向から切断したラビリンスシール装置２０の切断断面図である。

本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図２０に示すように、ラビリンスパッキンリング２１に設けたラビリンスフィン２２を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、ラビリンスフィン２２の断面中心Ｏ_２をタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１と同心位置に設定し、ラビリンスフィン２２の歯先２５とタービンロータ１７とのすき間を周方向に向って等距離に維持する。

また、ラビリンスパッキンリング２１内に形成するチャンバ２４を基準に鉛直方向に沿って切断したとき、本実施形態に係るラビリンスシール装置２０は、図１９に示すようにタービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＸ軸（横断面軸）、Ｙ軸（縦断面軸）のうち、Ｘ軸を境にしてＹ軸上を進退させて設定したチャンバ２４の断面縁線の中心Ｏ_３１，Ｏ_３２から円として２つのチャンバ２４の断面縁線２４ｄ_１，２４ｄ_２を画成し、画成した断面縁線２４ｄ_１，２４ｄ_２の中間で互いを接続させて２つの段差３３ａ，３３ｂを形成したものである。

このように、本実施形態は、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＹ軸上を、Ｘ軸を境にして、進退させた２つのチャンバ２４の断面縁線の中心Ｏ_３１，Ｏ_３２を設定し、ここから２つの断面縁線２４ｄ_１，２４ｄ_２を画成し、画成した断面縁線２４ｄ_１，２４ｄ_２の中間で互いを接続させて２つの段差３３ａ，３３ｂを形成し、旋回流を伴う作動流体（蒸気）を段差３３ａ，３３ｂに衝突させ、作動流体のもつ動圧を静圧に変換して圧力損失を増加させる構成にしたので、作動流体の旋回流を防止してタービンロータ１７の自励振動を抑制することができる。

なお、本実施形態は、タービンロータ１７の回転中心Ｏ_１を通るＸ軸、Ｙ軸のうち、Ｘ軸を境にしてＹ軸上を進退させて設定した２つのチャンバ２４の断面縁線の中心Ｏ_３１，Ｏ_３２のそれぞれから画成した断面縁線２４ｄ_１，２４ｄ_２の中間で互いを接続させて２つの段差３３ａ，３３ｂを形成したが、この例に限らず、例えば図２１、図２２に示すように、Ｘ軸よりも下方のＹ軸上を進退させて設定した２つのチャンバ２４の断面縁線の中心Ｏ_３１，Ｏ_３２のそれぞれから画成した断面縁線２４ｄ_１，２４ｄ_２の中間で互いを接続させて１つの段差３３を形成してもよい。

この場合、段差３３は、上半側チャンバ２４ａ、下半側チャンバ２４ｂのうち、上半側チャンバ２４ａのＹ軸上に設けると、発生する不均一な圧力Ｐのうち、ピーク値Ｐｍａｘをラビリンスシール荷重としてタービンロータ１７に与えることができるので、タービンロータ１７の安定化に対して有効である。

本発明に係る流体機械の旋回流防止装置を適用する蒸気タービンの実施形態を示す部分概念図。 図１のＥ部の部分拡大図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第１実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第１実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第２実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第２実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第３実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第３実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第４実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第４実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第５実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第５実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第６実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第６実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第７実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第７実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第８実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第８実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第９実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第９実施形態を示す切断断面図。 図２のＦ−Ｆ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第１０実施形態を示す切断断面図。 図２のＧ−Ｇ矢視方向から切断した本発明に係る流体機械の旋回流防止装置として使用するラビリンスシール装置の第１０実施形態を示す切断断面図。 ラビリンスシール装置を備えた従来の蒸気タービンを示す概念図。 図２３のＡ部の部分拡大図。 タービンロータとダイアフラム内輪との間にラビリンスシール装置を備えた従来の蒸気タービンを示す部分概念図。 図２５のＢ部の部分拡大図。 図２６のＣ−Ｃ矢視方向から切断したラビリンスシール装置を示す切断断面図。 図２６のＤ−Ｄ矢視方向から切断したラビリンスシール装置を示す切断断面図。 タービンロータに軸受荷重およびラビリンスシール荷重が与えられることを示す概念図。 タービンロータ安定度とタービンロータ荷重との相関関係を示す線図。 タービンロータの周囲に発生する圧力分布を示す概念図。 タービンロータの周囲に発生する圧力分布によりタービンロータの回転中心が偏位することを示す概念図。 タービンロータの不安定化力と作動流体の平均旋回流速との相関関係を示す線図。

符号の説明

１ タービンケーシング
２ タービンロータ
３ タービン段落
４ ダイアフラム内輪
５ ダイアフラム外輪
６ タービンノズル
７ タービン動翼
８ａ，８ｂ グランド部
９，９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ ラビリンスシール装置
１０ ラビリンスフィン
１１ ラビリンスパッキンリング
１２ 絞り部
１３ チャンバ
１４ａ，１４ｂ ジャーナル軸受
１５ ダイアフラム内輪
１６ タービンノズル
１７ タービンロータ
１８ａ，１８ｂ タービン動翼
１９ タービン段落
２０ ラビリンスシール装置
２１ ラビリンスパッキンリング
２２ ラビリンスフィン
２３ 絞り部
２４ チャンバ
２４ａ 上半側チャンバ
２４ｂ 下半側チャンバ
２４ｃ，２４ｄ_１，２４ｄ_２ 断面縁線
２４ｃ_１，２４ｃ_２，２４ｃ_３ 曲線
２５ 歯先
２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 狭窄部
２７，２７ａ，２７ｂ，２７ｃ 拡開部
２８ 内周壁
２９ 粗面
３０ 長円
３１ 窪み
３２ａ，３２ｂ，３２ｃ バッファポケット
３３ａ，３３ｂ 段差

Claims (15)

1. 回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線の中心を、前記回転部の回転中心に対しオフセットさせる構成にしたことを特徴とする流体機械の旋回流防止装置。
2. チャンバの断面縁線の中心をオフセットさせる位置は、回転部の回転中心を通るＸ軸、Ｙ軸のうち、Ｙ軸上に沿って前記回転部の回転中心よりも下方に設定したことを特徴とする請求項１記載の流体機械の旋回流防止装置。
3. チャンバの断面縁線の中心をオフセットさせる位置は、回転部の回転中心を通る回転部中心線上に沿い、前記回転部の回転中心よりも下方に設定するとともに、前記チャンバの断面縁線の中心を通るチャンバ中心線を前記回転部の回転部中心線に対し、前記回転部の回転方向と逆向き方向の偏角の位置に設定したことを特徴とする請求項１記載の流体機械の旋回流防止装置。
4. 回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバを形成したラビリンスパッキンリングの内周壁に、粗面を備えたことを特徴とする流体機械の旋回流防止装置。
5. ラビリンスパッキンリングの内周壁は、全周に亘って粗面を備えたことを特徴とする請求項４記載の流体機械の旋回流防止装置。
6. ラビリンスパッキンリングは、回転部の回転中心を通るＸ軸を境に２分割し、２分割した上半側チャンバを設けたラビリンスパッキンリングの内周壁に、全周に亘って粗面を備えるとともに、２分割した下半側チャンバを設けたラビリンスパッキンリングの内周壁に、断続的に粗面を備えたことを特徴とする請求項４記載の流体機械の旋回流防止装置。
7. 回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、前記回転部の回転中心を通るＹ軸上に沿って長円に画成したことを特徴とする流体機械の旋回流防止装置。
8. 回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、前記回転部の回転中心を通るＹ軸上に沿って長円に画成するとともに、長円のチャンバの断面縁線の前記Ｙ軸上に窪みを備えたことを特徴とする流体機械の旋回流防止装置。
9. 回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、前記回転部の回転中心に対し、外側に向って膨出させた３つの曲線を連続的に接続する三角形に形成したことを特徴とする流体機械の旋回流防止装置。
10. 回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線上に、少なくとも１つ以上のパッファポケットを備えたことを特徴とする流体機械の旋回流防止装置。
11. バッファポケットは、円弧状に形成したことを特徴とする請求項１０記載の流体機械の旋回流防止装置。
12. 回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、回転部の回転中心を通るＸ軸、Ｙ軸のうち、Ｘ軸を境にしてＹ軸上を進退させて設定した２つのチャンバの断面縁線の中心から画成する構成にしたことを特徴とする流体機械の旋回流防止装置。
13. チャンバの断面縁線は、２つの段差を備えたことを特徴とする請求項１２記載の流体機械の旋回流防止装置。
14. 回転部を包囲する静止部との間に設けたラビリンスシール装置におけるチャンバの断面縁線を、回転部の回転中心を通るＸ軸、Ｙ軸のうち、Ｘ軸よりも下方のＹ軸上を進退させて設定した２つのチャンバの断面縁線の中心から画成する構成にしたことを特徴とする流体機械の旋回流防止装置。
15. チャンバの断面縁線は、１つの段差を備えたことを特徴とする請求項１４記載の流体機械の旋回流防止装置。

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