JP2007162482A - 軸流タービン - Google Patents

Abstract

【課題】 クリアランス部における半径方向と軸方向の両方向のクリアランスを調整可能
とし、クリアランスを適切にすることで作動流体漏洩による損失を低減した軸流タービン
を得る。
【解決手段】ロータ７とロータ７の周方向に配置された複数の動翼１３を含む回転部と、
前記ロータ７と同軸に設けられるとともに、ノズルダイアフラム外輪５ａとノズルダイア
フラム内輪５ｂとの間に複数のノズル１２を周方向に挟持してなるノズルダイアフラム５
と、前記ノズルダイアフラム５に取り付けられ、前記回転部と前記ノズルダイアフラム５
の間に配置されたシールリング３ａと、前記シールリング３ａを軸方向に移動させて軸方
向クリアランスを調整するクリアランス調整手段とを備えたことを特徴とする軸流タービ
ンを提供する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転部と静止部とのクリアランスの調整が可能な軸流タービンに関する。

図６は、軸流タービンにおけるタービン段落の断面図である。

タービン段落は、ロータ７とロータ７の周方向に配置された複数枚の動翼１３と動翼１３
の外周側に取付けられたチップシュラウド１４を含む回転部と、ロータ７と同軸に設けら
れ、ノズルダイアフラム外輪５ａとノズルダイアフラム内輪５ｂとの間に複数枚のノズル
１２を周方向に挟持しているノズルダイアフラム５を含む静止部からなる。

回転部とノズルダイアフラム５の間にはシールリング３ａ、３ｂがノズルダイアフラム５
に取付けられて設けられている。

これらのうち、ノズルダイアフラム内輪５ｂと回転部のうちのロータ７の間に設けられた
シールリング３ａはノズルラビリンス部１５を構成している。また、ノズルダイアフラム
外輪５ａと、回転部のうちのチップシュラウド１４の間に設けられたシールリング３ｂは
チップフィン部１６を構成している。

静止部であるノズルダイアフラム５の凹型の溝には、シールリング３ａ、３ｂの外周部が
嵌め込まれている。内周面には、予め定められた軸方向間隙を有して複数のフィン４がそ
れぞれ全周にわたって設けられている。また、シールリング３ａ、３ｂ内周面と対向する
ロータ７、およびチップシュラウド１４の外周面には複数の突起６がそれぞれ全周にわた
って設けられている。

なお、シールリング３ａ、３ｂのフィン４と、ロータ７あるいはチップシュラウド１４の
突起６は、軸方向に互い違いに設置されて接触しないようになっている。

フィン４、シールリング３ａ、３ｂからなる静止部と、ロータ７、チップシュラウド１４
、これらの突起６からなる回転部の半径方向距離のうち最小のものを半径方向クリアラン
スと呼ぶ。

ノズル１２より流出した作動流体は動翼１３へと導かれ、動翼１３と動翼１３が植え込ま
れているロータ７を含む回転部を回転させる。

ノズルラビリンス部１５は、ノズルダイアフラム内輪５ｂとロータ７の間に設けられたシ
ールリング３ａと、シールリング３ａが有するフィン４と、ロータ７の突起６により、作
動流体の漏洩を減少させる。また、チップフィン部１６は、ノズルダイアフラム外輪５ａ
とチップシュラウド１４の間に設けられたシールリング３ｂと、シールリング３ｂが有す
るフィン４と、チップシュラウド１４の突起６により、作動流体の漏洩を減少させる。

なお、以下ではノズルラビリンス部１５やチップフィン部１６を総称してクリアランス部
という。

このような軸流タービンにおいて、従来、クリアランス調整装置を備えるものがあった。

クリアランス調整装置は、タービン定常運転時には作動流体の漏洩による損失を低減させ
るために半径方向クリアランスを小さく調整し、タービンの起動停止時には回転部と静止
部の接触による振動を低減するために半径方向クリアランスを大きくしている。（例えば
、特許文献１〜３参照）

このような、半径方向クリアランスを調整するクリアランス調整装置として従来、静止部
に配置されたシールセグメント内の通路に作動流体を流入することにより、シールセグメ
ントを軸方向に移動させて、シールセグメントを壁面に対し押しつけてシールセグメント
の動作を安定させるものがあった。（例えば、特許文献４参照）
特開平９−２５８０４ 特開平１１−３０３３８ 特開２０００−９７３５０ 特開平８−２８４６０９

上述した従来の軸流タービンにおけるクリアランス調整装置は、圧力によってシールセグ
メントを軸方向下流側に移動させ、壁面への押圧力を作用させてシール性を向上させるも
のであり、従来の軸流タービンにおけるクリアランス調整装置はいずれも半径方向クリア
ランスを調整するためのものであった。しかしながら、タービン部品の熱伸びは半径方向
だけではなく軸方向へも生じるため、軸方向のクリアランス調整を行うことが不可能な従
来のクリアランス調整装置を備える軸流タービンでは、フィン４あるいは突起６の軸方向
への移動により、これらが運転中に接触する虞があった。

ノズルラビリンス部１５やチップフィン部１６といったクリアランス部の外径側にはシー
ルリング３ａ，３ｂが位置するが、シールリング３ａ，３ｂはノズルダイアフラム５を介
して最終的にはケーシングに接続している。これに対してクリアランス部の内径側にはロ
ータ７、あるいは動翼１３を介して最終的にロータ７に接続されるチップシュラウド１４
が位置している。

高温の作動流体にさらされるロータ７では熱伸び量が大きく、直接作動流体に晒されない
ケーシングでは熱伸び量が小さい。このため、クリアランス部の内径側と外径側、すなわ
ちロータ７（あるいはチップシュラウド１４）とシールリング３ａ，３ｂの熱伸び量はそ
れぞれ異なっており、半径方向、軸方向ともに熱伸びの差が生じるのでクリアランス量が
変化する。特に、軸流タービンの起動時にはロータ７とケーシングの熱容量の差も加わり
クリアランスの量が少なくなるので、フィン４と突起６が接触する虞がより大きくなる。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、クリアランス部における
半径方向と軸方向の両方向のクリアランスを調整可能とし、クリアランスを適切にするこ
とで作動流体漏洩による損失を低減した軸流タービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、ロータとロータの周方向に配置された複数の動翼を含む回転
部と、前記ロータと同軸に設けられるとともに、ノズルダイアフラム外輪とノズルダイア
フラム内輪との間に複数のノズルを周方向に挟持してなるノズルダイアフラムと、
前記ノズルダイアフラムに取り付けられ、前記回転部と前記ノズルダイアフラムの間に配
置されたシールリングと、前記シールリングを軸方向に移動させて軸方向クリアランスを
調整するクリアランス調整手段とを備えたことを特徴とする軸流タービンを提供する。

本発明によれば、軸流タービンの回転部と静止部との間のクリアランスを適切にして作動
流体の漏洩による損失を低減することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明による軸流タービンの第１の実施の形態を示すもので、特にクリアランス
調整手段を含むクリアランス部の部分断面図である。なお、図１は、クリアランス部のう
ちノズルラビリンス部１５を例示したものであり、チップフィン部１６においても同様な
構成をとることができる。また、ノズルラビリンス部１５、チップフィン部１６などのク
リアランス部以外の構成要素については、図６で示した従来の軸流タービンと同様である
から、同一の構成要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

静止部であるノズルダイアフラム内輪５ｂの凹型の溝には、シールリング３ａの外周部が
嵌め込まれている。シールリング３ａの内周面には、予め定められた軸方向間隙を有して
複数のフィン４がそれぞれ全周にわたって設けられている。シールリング３ａの内周面と
対向するロータ７の外周面には複数の突起６がそれぞれ全周にわたって設けられている。
なお、シールリング３ａのフィン４とロータ７の突起６は、軸方向に互い違いに設置され
て接触しないようになっている。なお、フィン４と突起６の軸方向距離のうち最小のもの
を軸方向クリアランスと呼ぶ。

なお、図１においては、紙面の左側から作動流体が図示しないノズルへ流入し、紙面の右
側へ流出するようになっている。

ロータ７は、上流側で軸方向に移動しないように図示しない固定点で固定されている。軸
方向伸縮部１は軸方向に伸縮する伸縮部材であり、その一端がノズルダイアフラム内輪５
ｂの凹型の溝の上流側、つまり、ロータ７が固定されている側の内周面に接続され、他端
がシールリング３ａに軸方向に接続されている。なお、ロータ７が下流側固定点で固定さ
れている場合、軸方向伸縮部１はシールリング３ａとノズルダイアフラム内輪５ｂの凹型
の溝の下流側の内周面に接続される。半径方向伸縮部２は半径方向に伸縮する伸縮部材で
あり、その一端がノズルダイアフラム内輪５ｂの凹型の溝上部の内周面に接続され、他端
がシールリング３ａに半径方向に接続されている。本実施の形態では、この軸方向伸縮部
１および半径方向伸縮部２はベローズである。

軸方向伸縮部１および半径方向伸縮部２の内部にノズルダイアフラム内輪５ｂを介して作
動流体を送り込む作動流体導入部１０および１１が設置されている。

作動流体導入部１０および１１はノズルダイアフラム上流側の作動流体を、予め定めた圧
力差をもたせて軸方向伸縮部１および半径方向伸縮部２の内部に送り込むようにその口径
が決定されている。

補助軸方向伸縮部８は、ノズルダイアフラム内輪５ｂとシールリング３ａに軸方向に接続
され、軸方向伸縮部１の補助をする。また、補助半径方向伸縮部９はノズルダイアフラム
５ｂ内輪とシールリング３ａに半径方向に接続され、半径方向伸縮部２の補助をする。本
実施の形態では、この補助軸方向伸縮部８と補助半径方向伸縮部９は、ばねである。

タービン起動前は、軸方向伸縮部１および半径方向伸縮部２であるベローズには圧力がか
かっておらず、補助軸方向伸縮部８および補助半径方向伸縮部９であるばねによりシール
リング３ａの位置が決められている。

タービン起動後、高温の作動流体に晒されるロータ７では熱伸び量が大きく、直接作動流
体に晒されないケーシングでは熱伸び量が小さい。

上流側で軸方向に移動しないように固定されたロータ７は、温度上昇に伴い、下流側に熱
伸びをしていく。ノズルダイアフラムを介してケーシングに連結されているシールリング
３ａは、ロータ７よりも熱伸び量が少ない。

図２および図３は、このときのシールリング３ａとロータ７の相対的な位置関係を模式的
に示した模式図である。ロータ７が下流側にずれると、シールリング３ａのフィン４とロ
ータ７の突起６の軸方向クリアランスが小さくなる。しかしながらこのとき、起動により
圧力の高くなった上流側から作動流体１７が作動流体導入部１０を通じて軸方向伸縮部１
に導入され、ベローズ内の圧力が高くなり軸方向伸縮部１が伸びる。これにより、図３に
示すように、シールリング３ａも下流側に移動し、適切な軸方向クリアランスが確保され
る。

図４は、停止時のシールリング３ａとロータ７の相対的な位置関係を模式的に示した模式
図である。

図４に示すように、停止時は、ロータ７の温度低下が大きいので、ロータ７はシールリン
グ３ａに対して相対的に上流側にずれる。しかしながらタービン停止にともなって上流側
の圧力が低下するため、軸方向伸縮部１内の作動流体１７は作動流体導入部１０を通じて
排出され、軸方向伸縮部１が収縮し、シールリング３ａも上流側に移動する。

このように、本実施例においては、伸縮部材であるベローズをシールリング３ａとノズル
ダイアフラム内輪５ｂのロータ固定点側の壁面の間に設けたことにより、ロータ７の熱伸
びにあわせてシールリング３ａを軸方向に移動させることができる。したがって、ロータ
７の突起６と、シールリング３ａのフィン４の軸方向クリアランスが確保できるので、フ
ィン４の間隔をさらに小さくし、フィン４の数を増やすことにより、作動流体の漏洩によ
る損失を低減することができる。

なお、半径方向に関しても、上流側と下流側の圧力差が大きくなる定格時には、軸方向伸
縮部２であるベローズが伸び、シールリング３ａとロータ７の半径方向クリアランスを小
さくすることができる。これにより、作動流体の漏洩による損失を低減することができる
。

なお、軸方向伸縮部１および半径方向伸縮部２をばねで構成し、高温または低温の作動流
体を注入しその熱伸びを利用して伸縮させ、クリアランスを調整することもできる。
また、図１では、補助軸方向伸縮部８と補助半径方向伸縮部９が設置されているが、設
置しなくてもよい。この場合、シールリング３ａは軸方向伸縮部１と半径方向伸縮部２に
設けられるベローズの自然長によって位置決めされる。

さらに、図１では、フィン４はシールリング３ａの内周面に、突起６はロータ７に設置さ
れているが、逆に、フィン４をロータ７に、突起６をシールリング３ａに設置してもよい
。

図５は、第１の実施の形態の変形例を示すクリアランス部の部分断面図である。なお、図
５において図１と同一の構成要素には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

作動流体導入部１０および１１の入り口に制御弁１８を設け、この構成において図示しな
い温度計測手段によりロータ温度、およびケーシング温度を計測し、それぞれの伸び量を
予測する。そして予測した伸び差に基づいて、作動流体導入部１０、１１の開度が可変と
なるように構成したものである。制御弁１８の開度を変化させ、軸方向伸縮部１および半
径方向伸縮部２内の作動流体の圧力を調整することでクリアランスを適切にすることもで
きる。

本発明の第１の実施の形態に係る軸流タービンのうち、クリアランス部を示す部分断面図。 本発明の第１の実施の形態におけるタービン起動時のクリアランス部の相対的な位置関係を示した模式図。 本発明の第１の実施の形態におけるタービン起動時のクリアランス部の相対的な位置関係を示した模式図。 本発明の第１の実施の形態におけるタービン停止時のクリアランス部の相対的な位置関係を示した模式図。 本発明の第１の実施の形態の変形例に係る軸流タービンのうち、クリアランス部を示す部分断面図。 従来の軸流タービンにおけるタービン段落の断面図。

符号の説明

１…軸方向伸縮部、２…半径方向伸縮部、３ａ、３ｂ…シールリング、４…フィン、５…
ノズルダイアフラム、５ａ…ノズルダイアフラム外輪、５ｂ…ノズルダイアフラム内輪、
６…突起、７…ロータ、８…補助軸方向伸縮部、９…補助半径方向伸縮部、１０…作動流
体導入部、１１…作動流体導入部、１２…ノズル、１３…動翼、１４…チップシュラウド
、１５…ノズルラビリンス部、１６…チップフィン部、１７…作動流体、１８…制御弁。

Claims (9)

1. ロータとロータの周方向に配置された複数の動翼を含む回転部と、
   前記ロータと同軸に設けられるとともに、ノズルダイアフラム外輪とノズルダイアフラム
   内輪との間に複数のノズルを周方向に挟持してなるノズルダイアフラムと、
   前記ノズルダイアフラムに取り付けられ、前記回転部と前記ノズルダイアフラムの間に配
   置されたシールリングと、
   前記シールリングを軸方向に移動させて軸方向クリアランスを調整するクリアランス調整
   手段とを備えたことを特徴とする軸流タービン。
2. 前記クリアランス調整手段は、前記ノズルダイアフラムと前記シールリングを接続する伸
   縮部材であることを特徴とする請求項１記載の軸流タービン。
3. 前記伸縮部材は、ベローズであることを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
4. 作動流体の圧力を利用して前記シールリングを移動させることを特徴とする請求項３記載
   の軸流タービン。
5. 前記伸縮部材は、ばねであることを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
6. 前記伸縮部材の熱伸びを利用して前記シールリングを移動させることを特徴とする請求項
   ５記載の軸流タービン。
7. 前記伸縮部材の内部に前記ノズルダイアフラムを介して作動流体を送り込む作動流体導入
   部を備えたことを特徴とする請求項２記載の軸流タービン。
8. 前記作動流体導入部に、作動流体の圧力を調整する調整手段を備えたことを特徴とする請
   求項７記載の軸流タービン。
9. 軸方向に移動する前記伸縮部材は、ロータが軸方向に移動しないように固定された固定点
   に近い側のノズルダイアフラムとシールリングの間に設けたことを特徴とする請求項２記
   載の軸流タービン。
   

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