JP2011202601A - ロータ振動防止構造、およびそれを用いた蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】漏洩流れの旋回流を低減し、スチームホワールの発生ポテンシャルを低減する。
【解決手段】ノズル３と、動翼１と、動翼１の外周側先端に設けられたシュラウドカバー２と、シュラウドカバー２の外周側に位置する静止体の壁面に、ロータの軸方向に任意の間隔をもって設置された複数のシールフィン６とを有する蒸気タービンのロータ振動防止構造において、シュラウドカバー２のシュラウドカバー入口リターン部１０に、シールフィンの作動蒸気流れ方向上流側の漏洩流れ８の旋回流を遮り、漏洩流れ８のロータ回転方向の絶対流速成分を減じる旋回防止板９または旋回防止溝１１からなる旋回防止構造を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蒸気タービンのロータ振動防止構造に関する。

一般に、蒸気タービンは、図５に示すように、動翼とノズルとで構成される段落をタービンロータの軸方向に複数段有している。動翼と外周側静止壁との間には隙間があり、この間隙から作動蒸気の一部が漏洩する。漏洩流れは動翼に対して、動力を発生させないため、損失となる。この漏洩を最小にするために、動翼外周のシュラウドカバーと対向する外周側静止壁には、タービン軸に垂直にラビリンスシールフィンが設けられ、外周側静止壁とともに、ラビリンスシールを形成している。

ところで、タービンロータが外周側静止壁に対し偏芯すると、偏芯鉛直方向に流体力が働き、スチームホワールと呼ばれる自励振動が発生することが知られている。

蒸気タービンのシュラウドカバーとそれに対向する外周側静止壁に設けられたラビリンスシールにおいて、タービンロータが外周側静止壁に対し偏芯すると、ロータに対し、偏芯鉛直な回転方向に流体力が働き、ロータは偏芯鉛直な回転方向に変位する。変位後の位置において、再度、偏芯鉛直な回転方向に流体力が働き、変位が繰返されるため、ロータは振れ回る。この自励振動がスチームホワールである。

スチームホワールは古くから研究されており、ラビリンスシールを通過する漏洩流れの旋回成分が、不安定性に寄与していることが分かっている（非特許文献１参照）。

そのため、スチームホワールの発生が予測されるときには、旋回流を減ずる方策が採用されてきた。しかしながら、スチームホワールの発生を予測するためには、数百ミクロンの偏芯によりロータに働く流体力を正確に捉えなくてはならないため、最新の流体解析技術を駆使しても、非常に難しい。よって、スチームホワールに対しては、安全率を確保した上で、コストが許容される範囲において、不安定となる要因を可能な限り排除するのが好ましい。

従来のロータ振動防止構造として、漏洩流れの旋回成分を低減するために、ラビリンスシール上流の外周側静止壁面に、旋回流防止板を設ける構造がある（特許文献１，２参照）。

特開２００８−１８４９７４号公報 特開昭５６−６９４０３号公報

H.BENCKERT :"FLOW INDUCED SPRING COEFFICIENTS OF LABYRINTH SEALS FOR APPLICATION IN ROTOR DYNAMICS": NASA CP-2133 : 1980

しかし、上記従来技術のようなロータ振動防止構造は、漏洩流れの軌跡によっては、上手く機能を発揮できない場合がある。

例えば、ロータと外周側静止壁との熱伸び差が大きく、シュラウドカバーと外周側静止壁鉛直面との間の距離を大きくとらなくてはならない場合、旋回流は外周側静止壁鉛直面に設けた旋回防止板に到達せず、旋回防止板は上手く機能を発揮できない。

よって、シュラウドカバーと外周側静止壁との位置関係によらず機能するロータ振動防止構造が求められている。

そこで、本発明の目的は、シュラウドカバーと外周側静止壁との位置関係によらず、ラビリンスシールに流入する漏洩流れの旋回速度を低減することができ、スチームホワールの発生ポテンシャルを低減できる蒸気タービンのロータ振動防止構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の蒸気タービンのロータ振動防止構造は、タービン動翼のシュラウドカバー入口リターン部に、シールフィンの作動蒸気流れ方向上流側の漏洩流れの旋回流を遮り、漏洩流れのロータ回転方向の絶対流速成分を減じる旋回防止構造を形成している。

本発明によれば、漏洩流れがより確実に通過する部位であるシュラウドカバーの動翼入口リターン部に旋回防止構造を設けているので、シュラウドカバーと外周側静止壁との位置関係によらず、ラビリンスシールに流入する漏洩流れの旋回速度を低減でき、スチームホワールの発生ポテンシャルを低減できる。

本発明の第１の実施例に係るタービン段落を径方向（上図）と側面（下図）から見た構造を示す説明図である。 本発明の第１の実施例に係るタービン段落断面図である。 本発明の第１の実施例に係るタービン段落断面図である。 本発明の第２の実施例に係るタービン段落断面図である。 従来のタービン段落断面図である。 従来のタービン段落断面と旋回防止板の図である。

以下、本発明を実施するための形態について、適宜、図を参照して詳細に説明する。なお、各図面を通し、同等の構成要素には同一の符号を付してある。

まず、本発明の理解を容易にするため、従来の技術及びその問題点を図面を用いて説明する。

図５は、従来のタービン段落断面図である。図５において、１０１は動翼、１０２はシュラウドカバー、１０３はノズル、１０４は外周側静止壁、１０５は外周側静止壁鉛直面、１０６はラビリンスシールフィンを各々示す。蒸気タービンは、ノズル１０３と動翼１０１が対をなしてタービン段落を構成している。ノズル１０３は、周方向に複数枚設けられ、その外周端は静止体である外周側静止壁１０４により支持されている。一方、動翼１０１は図示しないタービンロータに対し、周方向に複数枚固定されている。動翼１０１の外周側先端には、周方向に複数設置された動翼間を連結するシュラウドカバー１０２が設けられている。蒸気タービンでは、一般的にタービン段落をタービンロータの軸方向に複数段有しており、その最下流に排気室が設置されている。

このような蒸気タービンにおいて、作動蒸気は、絞り流路となっているノズル１０３で加速し運動エネルギーを増し、動翼１０１では運動エネルギーを回転エネルギーに変換することにより動力を発生し、圧力を徐々に下げながら下流段に排出される。

動翼１０１と外周側静止壁１０４との間には隙間があり、この隙間から作動蒸気の一部が漏洩する。漏洩流れ１０８は動翼１０１に対して、動力を発生させないため、損失となる。この漏洩を最小にするために、動翼外周のシュラウドカバー１０２と対向する外周側静止壁１０４には、タービン軸に垂直にラビリンスシールフィン１０６が設けられ、外周側静止壁１０４とともに、ラビリンスシールを形成している。

漏洩流れ１０８は、ラビリンスシールフィン１０６により流路が狭められ加速し、漏洩流れ１０８の圧力は低下する。次に膨張室で等圧膨張し、減速する。これを繰り返し、圧力を低下させる。よって、ラビリンスシールフィン数が増加すると、ラビリンスシールフィン１０６通過前後の圧力比が小さくなるため、漏洩量は低下する。

ノズル１０３で加速された作動蒸気はタービン回転方向（紙面鉛直に表から裏方向、以下、図１，図２，図３、および図４も同様）に旋回しながら、シュラウドカバー入口リターン部１１０を通り、ラビリンスシール部に流入する。ここで、シュラウドカバー入口リターン部１１０とは、シュラウドカバー２の蒸気入口側端部の内周面をいう。

この旋回流を低減するために、従来は、図６に示すようなラビリンスシール上流の外周側静止壁鉛直面１０５に、旋回防止板（１０７、または１０７′）を設けてきた。

しかし、これらの旋回防止板（１０７、または１０７′）は、漏洩流れ１０８の軌跡によっては、上手く機能しない場合があることが分かった。例えば、ロータと外周側静止壁１０４の熱伸び差が大きく、シュラウドカバー１０２と外周側静止壁鉛直面１０５との間の距離を大きくとらなくてはならない場合、旋回流１０８は外周側静止壁鉛直面１０５に設けた旋回防止板１０７に到達しないため、旋回防止板１０７は上手く機能を発揮できない。

本発明は、上記したような問題点を解決するものでる。

本発明の第１の実施例について図１を用いて説明する。図１は、径方向（上図）と側面（下図）から見たタービン段落漏洩部の構造を示している。図１において、１は動翼、２はシュラウドカバー、３はノズル、４は外周側静止壁、５は外周側静止壁鉛直面、６はラビリンスシールフィンを各々示す。蒸気タービンは、ノズル３と動翼１が対をなしてタービン段落を構成している。ノズル３は、周方向に複数枚設けられ、その外周端は静止体である外周側静止壁４により支持されている。一方、動翼１は図示しないタービンロータに対し、周方向に複数枚固定されている。動翼１の外周側先端には、周方向に複数設置された動翼間を連結するシュラウドカバー２が設けられている。このシュラウドカバー２は複数の動翼をまとめて、一つの部材で固定されるタイプや、翼間ピッチの翼一体カバーで密着するタイプなどがある。本実施例で用いるシュラウドカバー２はこの何れのタイプでも良い。

本実施例では、シュラウドカバー入口リターン部１０に、板状の部材である旋回防止板９が周方向に一定間隔で設けられている。ここで、シュラウドカバー入口リターン部１０とは、シュラウドカバー２の蒸気入口側端部の内周面をいう。

旋回防止板９は、リターン部１０の漏洩流れ８（相対速度ｗ′）に対し、動翼の回転場において、鉛直に設置する。ここでは、漏洩流れ８の流れ角について説明する。図１上図にノズル出口の絶対速度ｖ，相対速度ｗ，周速度ｕ，ノズル出口角α，相対流出角β_f，リターン部での相対速度ｗ′の関係を示す。ノズルで加速された蒸気は、ノズル後縁から、ほぼ、ノズル出口角αの方向に絶対速度ｖで流出する。動翼回転場（相対場）での蒸気の相対速度ｗは、周速ｕによる反回転方向の補正により得られ、相対流出角度β_fは、周方向基準で定義する。リターン部を通る漏洩流れ８（相対速度ｗ′）の向きは、周方向接線を基準とし、タービン上流側にβ_fの角度を持った向きである。旋回防止板９は、このリターン部漏れ流れに対し、鉛直に設置する。すなわち、タービン軸方向を基準として、作動蒸気流れ方向下流側から上流側に向かってロータ逆回転方向側にβ_fの角度で傾斜させて設置する。

動翼入口角β_bucは、相対速度ｗの流出角β_fと略同等に設計される、すなわち、入射角度０°で設計されるため、旋回防止板９の設置角度と動翼入口角は、ほぼ同等となる。

漏洩流れ８は旋回防止板９により流れが遮られ、回転方向から、回転逆方向に転向し、回転方向の絶対流速成分を減じる。よって、漏洩流れ８の旋回速度低減効果が得られる。

旋回防止板９は、入射角度の変動を考慮に入れても、漏洩流れ８に対し、９０°±１５°程度の範囲で設置すれば、旋回防止機能は、満足なレベルが得られる。

シュラウドカバー２のシュラウドカバー入口リターン部１０は、外周側静止壁４との位置関係によらず、漏洩流れ８が必ず通過する部位であり、本実施例では、そのシュラウドカバー入口リターン部１０に旋回防止板９を設けているので、外周側静止壁４との位置関係によらず、漏洩流れ８の旋回速度低減効果が得られる。よって、漏洩流れ８の旋回速度が低減されるので、スチームホワールの発生ポテンシャルを低減できる。

また、漏洩流れ８の旋回成分を旋回防止板９により低減する際、旋回エネルギーを、動力として回収することができるため、段落前後の等エントローピー熱落差に対する、軸動力の比であるタービン効率が向上する。

動翼１はＮＣ工作機械の削り出しで製作するため、旋回防止板９を設けることによるコストの増加は微々たるものである。

なお、ラビリンスシールには、図１とはラビリンスパターンが異なるもの（図２）や、シュラウドカバー２外周面にもフィンを設けているもの（図３）など、様々な形態があり、いずれの形態に適用しても、本発明の効果は得られる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図４は、側面から見たタービン段落漏洩部の構造、および、シュラウドカバー２の蒸気入口側端部の旋回防止溝１１の構造を示す。なお、第１の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施例が第１の実施例と相違する点として、シュラウドカバー２の蒸気入口側端部に、旋回防止板９に代えて旋回防止溝１１を設けていることを特徴とする。

旋回防止溝１１は、シュラウドカバー入口リターン部１０からシュラウド外周面に向かって半径方向に通じている。軸方向上流からみると図４（ａ）となり、シュラウドカバーリターン部内周面と旋回防止溝１１は、略垂直である。一方、シュラウドカバー外周側において、旋回防止溝は、径方向に対し、回転方向と逆方向側に角度β_f傾いている。即ち、動翼入口角と略同等の角度で傾いている。

また、径方向からみると図４（ｂ）となり、旋回防止溝１１はタービン軸方向に対し、作動蒸気流れ方向上流側から下流側に向かって回転方向側に角度β_f、即ち、動翼入口角と略同等の角度傾斜した奥行きを有する。

シュラウドカバー入口リターン部１０を通過する漏洩流れ８は、旋回防止溝１１に導入される。漏洩流れは旋回防止溝１１により流れが遮られ、回転方向から、回転逆方向に転向し、旋回防止溝１１に運動量を与えると共に、自らは回転方向の絶対流速成分を減じる。

従って、シュラウドカバー２のシュラウドカバー入口リターン部１０は、外周側静止壁４との位置関係によらず漏洩流れ８が必ず通過する部位であり、本実施例では、そのシュラウドカバー入口リターン部１０に旋回防止溝１１を設けているので、外周側静止壁４との位置関係によらず、漏洩流れ８の旋回速度低減効果が得られる。よって、漏洩流れ８の旋回速度が低減されるので、スチームホワールの発生ポテンシャルを低減できる。

また、漏洩流れ８の旋回成分を旋回防止溝１１により低減する際、旋回エネルギーを、動力として回収することができるため、段落前後の等エントローピー熱落差に対する、軸動力の比であるタービン効率が向上する。動翼１はＮＣ工作機械の削り出しで製作するため、旋回防止溝１１を設けることによるコストの増加は微々たるものであるなど、実施例１と同様の効果を奏する。

なお、実施例１，２は、図６に示したような旋回防止板７、または７′と組み合わせても良く、組み合わせれば旋回抑止効果が向上する。

１ 動翼
２ シュラウドカバー
３ ノズル
４ 外周側静止壁
５ 外周側静止壁鉛直面
６ ラビリンスシールフィン
７，７′，９ 旋回防止板
８ 漏洩流れ
１０ シュラウドカバー入口リターン部（または単に、リターン部）
１１ 旋回防止溝
β_f 相対流出角
β_buc 動翼入口角度

Claims (12)

1. ノズルと、動翼と、該動翼の外周側先端に設けられたシュラウドカバーと、該シュラウドカバーの外周側に位置する静止体の壁面に、ロータの軸方向に任意の間隔をもって設置された複数のシールフィンとを有する蒸気タービンのロータ振動防止構造であって、
   前記シュラウドカバーのシュラウドカバー入口リターン部に、前記シールフィンの作動蒸気流れ方向上流側の漏洩流れの旋回流を遮り、前記漏洩流れのロータ回転方向の絶対流速成分を減じる旋回防止構造を設けたことを特徴とするロータ振動防止構造。
2. 請求項１記載のロータ振動防止構造であって、
   前記旋回防止構造は、
   前記シュラウドカバーのシュラウドカバー入口リターン部に、タービン周方向に一定間隔で複数設けられた板状部材を有し、
   該板状部材は、タービン軸方向に対して、作動蒸気流れ方向下流側から上流側に向かってロータ逆回転方向側に傾斜させて設置されていることを特徴とするロータ振動防止構造。
3. 請求項２記載のロータ振動防止構造であって、
   前記板状部材は、タービン軸方向に対して、作動蒸気流れ方向下流側から上流側に向かってロータ逆回転方向側に前記動翼の動翼入口角と同角度傾斜させて設置されていることを特徴とするロータ振動防止構造。
4. 請求項１記載のロータ振動防止構造であって、
   前記旋回防止構造は、
   前記シュラウドカバーのシュラウドカバー入口リターン部に、タービン周方向に一定間隔で複数設けられた板状部材を有し、
   該板状部材は、前記漏洩流れに対し、動翼の回転場において、７５°乃至１０５°の角度を有するように設置されていることを特徴とするロータ振動防止構造。
5. 請求項１記載のロータ振動防止構造であって、
   前記旋回防止構造は、
   前記シュラウド入口リターン部からシュラウド外周面に向かって通じている溝を蒸気入口側端部に有するシュラウドカバーを備え、
   該溝は、内周側がシュラウドカバーリターン部内周面に対し垂直であり、外周側が径方向に対しロータ回転方向と逆方向側に傾いており、タービン軸方向に対し、作動蒸気流れ方向上流側から下流側に向かってロータ回転方向側に傾斜した奥行きを有することを特徴とするロータ振動防止構造。
6. 請求項５記載のロータ振動防止構造であって、
   前記溝は、外周側が径方向に対しロータ回転方向と逆方向側に、前記動翼の動翼入口角と同角度傾いており、タービン軸方向に対して、作動蒸気流れ方向上流側から下流側に向かってロータ回転方向側に前記動翼の動翼入口角と同角度傾斜させて設けられていることを特徴とするロータ振動防止構造。
7. 周方向に複数枚設置され静止体に支持されたノズルと、タービンロータ周方向に複数枚設置された動翼とからなるタービン段落を備え、前記動翼は外周側先端に前記動翼間を連結するシュラウドカバーを有する蒸気タービンであって、
   前記シュラウドカバーは、作動蒸気入口側端部の内周面に、漏洩流れの旋回流れを遮り、前記漏洩流れのロータ回転方向の絶対流速成分を減じる旋回防止構造を備えることを特徴とする蒸気タービン。
8. 請求項７記載の蒸気タービンであって、
   前記旋回防止構造は、前記シュラウドカバーの作動蒸気入口側端部の内周面にタービン周方向に任意の間隔をもって複数枚設置された板状部材を備え、
   該板状部材は、タービン軸方向に対して、作動蒸気流れ方向下流側から上流側に向かってロータ逆回転方向側に傾斜させて設置されていることを特徴とする蒸気タービン。
9. 請求項８記載の蒸気タービンであって、
   前記板状部材は、タービン軸方向に対して、作動蒸気流れ方向下流側から上流側に向かってロータ逆回転方向側に前記動翼の動翼入口角と同角度傾斜させて設置されていることを特徴とする蒸気タービン。
10. 請求項７記載の蒸気タービンであって、
    前記旋回防止構造は、
    前記シュラウドカバーの作動蒸気入口側端部の内周面に、周方向に一定間隔で複数設けられた、板状部材を有し、
    該板状部材は、前記漏洩流れに対し、動翼の回転場において、７５°乃至１０５°の角度を有するように設置されていることを特徴とする蒸気タービン。
11. 請求項７記載の蒸気タービンであって、
    前記旋回防止構造は、
    前記シュラウド入口リターン部からシュラウド外周面に向かって通じている溝を蒸気入口側端部に有するシュラウドカバーを備え、
    前記溝は、内周側がシュラウドカバー内周面に対し垂直であり、外周側が径方向に対しロータ回転方向と逆方向側に傾いており、タービン軸方向に対し、作動蒸気流れ方向上流側から下流側に向かってロータ回転方向側に傾斜した奥行きを有することを特徴とする蒸気タービン。
12. 請求項１１記載の蒸気タービンであって、
    前記溝は、外周側が径方向に対しロータ回転方向と逆方向に、前記動翼の動翼入口角と同角度傾いており、タービン軸方向に対して、作動蒸気流れ方向上流側から下流側に向かってロータ回転方向側に前記動翼の動翼入口角と同角度傾斜させて設けられていることを特徴とする蒸気タービン。

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