JP2012122390A - ターボ回転機械及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を低減可能であり、且つ、コンパクトであるターボ回転機械及びその運転方法を提供する。
【解決手段】ターボ回転機械１は、回転部材（２，１０）が静止部材（２０，２２）に対峙しながら回転し、該回転部材（２，１０）と流体とのエネルギーの受け渡しを行う。ターボ回転機械１は、回転部材（２，１０）および静止部材（２０，２２）を収納する車室（４，６）と、前記静止部材を通過する流体よりも低温の流体を前記車室内から抜き取って、前記静止部材に形成された冷却通路（２４，２６）に導く冷却流体導入路３０と、冷却通路（２４，２６）を流れた後の前記低温の流体を排出する冷却流体排出路３２とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、蒸気タービン、圧縮機等のターボ回転機械及びその運転方法に関する。

蒸気タービン、圧縮機等のターボ回転機械では、運転効率の向上の観点から、定格運転時における回転部材（ロータや動翼）と静止部材（翼環又は翼根リングや静翼）との間隙を可能な限り小さくして、この間隙を介した流体の漏洩を抑制することが望ましい。

ところが、ターボ回転機械の起動時に、静止部材および回転部材はロータの半径方向外方に熱伸びすることが知られている。静止部材および回転部材の熱伸び量は、静止部材と回転部材との熱膨張率差や熱容量差に起因して、両者間に差異が生ずることがある。そして、静止部材の熱伸び量が回転部材よりも大きければ、ロータの半径方向における回転部材と静止部材との間隙が広がってしまい、流体の漏洩が生じてしまう。
また、ターボ回転機械のセッティングの際、ターボ回転機械が定格運転状態に達したときに回転部材と静止部材とが同心となるように静止部材に対して回転部材をオフセットすることがある。この場合、ターボ回転機械のセッティング時における回転部材と静止部材との間隙を大きめに確保する必要があり、定格運転時においてもこの間隙が狭まらず、流体の漏洩が生じてしまう傾向がある。

そこで、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙（ロータの半径方向における間隙）を小さくする技術の開発が期待されている。

特許文献１には、静止部材を冷却するための冷却媒体が流れる冷却媒体通路を車室内に形成した圧縮機が記載されている（特許文献１の図７及び８参照）。この圧縮機は、通常運転時に冷却媒体を冷却媒体通路に流し、静止部材を冷却して、動翼と車室との間に形成されるチップクリアランスを制御するようになっている。

また特許文献２には、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を小さくする技術に関するものではないが、車室を冷却するための冷却媒体が流れる流体通路を車室の外表面又は外壁内に形成した蒸気タービンが記載されている。この蒸気タービンは、起動時（暖機時）及び停止時において車室とロータとの間の温度差が小さくなるように冷却媒体の流量を調節し、車室とロータとのロータ方向における伸び差を低減し、蒸気タービンの起動及び停止を迅速に行えるようにしたものである。
なお、車室とロータとのロータ方向における伸び差は、軸受台に設置された伸び差計により計測される（特許文献２の６頁参照）。

また特許文献３には、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を小さくする技術に関するものではないが、冷却蒸気が流れる冷却用通路を上車室の外周肉厚部に形成した蒸気タービンが記載されている。この蒸気タービンは、冷却蒸気によって上車室を冷却し、冷却停止時における上下車室の温度差に起因する猫反り（キャットバック）を防止して、下車室の静止部材と回転部材との接触を防ぐようになっている。

さらに特許文献４には、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を小さくする技術に関するものではないが、第１内部ケーシングと第２内部ケーシングとの間に形成される冷却通路に外部からの冷却空気を流す蒸気タービンが記載されている。この蒸気タービンは、回転部材と静止部材とのロータ方向における伸び差を抑制しながらタービンを強制冷却するようになっている。

特開２０１０−９０８１６号公報 実開昭６２−３４１０３号公報 特開平８−３１２３０６号公報 特開平６−１９３４０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧縮機は、冷却媒体が車室外部から供給されるため、車室外部の冷却媒体供給源から圧縮機に冷却媒体を送るための管路が必要になる。よって、圧縮機全体としてのサイズが大型化してしまう問題があった。

また特許文献２〜４に記載の蒸気タービンは、特許文献１に記載の圧縮機と同様に、冷却媒体が車室外部から供給されるため、車室外部の冷却媒体供給源から圧縮機に冷却媒体を送るための管路が必要になる。そもそも、特許文献２〜４に記載の蒸気タービンは、いずれも、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を小さくする技術に関するものではない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を低減可能であり、且つ、コンパクトであるターボ回転機械及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明に係るターボ回転機械は、回転部材が静止部材に対峙しながら回転し、該回転部材と流体とのエネルギーの受け渡しを行うターボ回転機械であって、前記回転部材および前記静止部材を収納する車室と、前記静止部材を通過する流体よりも低温の流体を前記車室内から抜き取って、前記静止部材に形成された冷却通路に導く冷却流体導入路と、前記冷却通路を流れた後の前記低温の流体を排出する冷却流体排出路とを備えることを特徴とする。

このターボ回転機械によれば、静止部材に冷却通路を設けて、該冷却通路に冷却流体導入路を介して車室内の低温の流体を流すようにしたので、定格運転状態では、回転部材に比べて静止部材が低温になる。このため、静止部材の半径方向外方に向かう熱伸びが抑制され、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を低減し、流体漏れを抑制することができる。
また、低温の流体を用いた静止部材の冷却により回転部材と静止部材との半径方向間隙が定格運転時に狭まるから、ターボ回転機械のセッティング時における回転部材と静止部材との間隙を比較的大きくしても、定格運転時における蒸気漏れはそれほど問題にならない。このため、ターボ回転機械のセッティングの際に静止部材に対して回転部材をオフセットする必要がある場合であっても、ターボ回転機械の性能低下を損なうことなく対応可能である。
また、冷却媒体を車室外部の供給源から供給するのではなく、車室内の低温の流体を用いて静止部材を冷却するようにしたので、車室外部の冷却媒体供給源と車室内部の静止部材の冷却通路とをつなぐ冷却媒体用の管路は不要である。よって、ターボ回転機械全体としてのサイズをコンパクト化できる。

上記ターボ回転機械は、前記流体としての蒸気のエネルギーを前記回転部材の運動エネルギーに変換する蒸気タービンであり、前記冷却流体導入路は、一端が前記静止部材よりも下流側に接続され、他端が前記冷却通路に接続されており、前記冷却流体排出路が、前記冷却流体導入路の前記一端よりもさらに下流側と前記冷却通路とを連通するようになっていてもよい。

ターボ回転機械としての蒸気タービンでは、上流側から下流側に向かって、蒸気の温度及び圧力が低下する。このため、静止部材よりも下流側に接続された冷却流体導入路の一端のさらに下流側に冷却流体排出路を連通させることで、車室内の圧力差によって、比較的低温の蒸気が冷却流体導入路から冷却通路に流れ込み、冷却通路から冷却流体排出路を介して蒸気通路（回転部材が静止部材に対峙している領域に形成された蒸気の通路）に戻される。なお、ここでいう比較的低温の蒸気は、冷却通路が形成された静止部材を通過する蒸気よりも低温の蒸気を意味する。
よって、冷却媒体としての低温蒸気を静止部材の冷却通路に供給するための動力源は不要である。

上記ターボ回転機械は、前記流体としての空気に前記回転部材の運動エネルギーを与えて該空気を圧縮する圧縮機であり、前記冷却流体導入路は、一端が前記静止部材よりも上流側に接続され、他端が前記冷却通路に接続されており、前記冷却流体排出路が、前記車室の外部と前記冷却通路とを連通するようになっていてもよい。

ターボ回転機械としての圧縮機では、上流側から下流側に向かって、空気の温度及び圧力が上昇する。このため、冷却流体導入路を静止部材よりも上流側に接続するとともに、冷却流体排出路を車室の外部に連通させることで、車室内外の圧力差によって、比較的低温の空気が冷却流体導入路から冷却通路に流れ込み、冷却通路から冷却流体排出路を介して車室外部に排出される。なお、ここでいう比較的低温の空気は、冷却通路が形成された静止部材を通過する空気よりも低温の空気を意味する。
よって、冷却媒体としての低温空気を静止部材の冷却通路に供給するための動力源は不要である。

上記ターボ回転機械において、前記静止部材の熱膨張率は、前記回転部材よりも小さいことが好ましい。

これにより、回転部材との比較における静止部材の半径方向外方に向かう熱伸びを相対的に抑制し、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙をより小さくすることができる。

上記ターボ回転機械において、前記冷却流体導入路には、前記冷却通路に導かれる前記低温の流体の量を調節する冷却流体量調節部が設けられており、前記冷却流体量調節部は、ターボ回転機械の起動時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量を、ターボ回転機械の定格運転時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量よりも少なくすることが好ましい。

ターボ回転機械の起動時、冷却通路に多量の低温流体を流すと、回転部材と静止部材との温度差（すなわち熱伸び差）が過剰になり、回転部材が静止部材に接触してしまう可能性がある。そこで、冷却流体量調節部を用いて、ターボ回転機械の起動時に冷却通路に流す低温流体の量を、ターボ回転機械の定格運転時に比べて少なくすることで、ターボ回転機械の起動時における回転部材と静止部材との接触を防止できる。

この場合、前記冷却流体量調節部は、起動時における前記低温の流体を遮断してもよい。これにより、ターボ回転機械の起動時における回転部材と静止部材との接触を確実に防止できる。

上記ターボ回転機械において、前記冷却流体導入路および前記冷却流体排出路は、前記車室の構造部材によって支持されており、前記冷却流体導入路および前記冷却流体排出路の途中には、前記静止部材と前記車室との伸び差を吸収する伸び差吸収機構が設けられていることが好ましい。

車室の変形によって静止部材が影響を受けることがないように、静止部材は車室に対して動きうるように車室に取り付けられている（静止部材の動き代が設けられている）。このため、車室の構造部材に支持されるとともに、静止部材の冷却通路に接続される冷却流体導入路及び冷却流体排出路は、静止部材の車室に対する相対的変位（伸び差）によって大きな応力が発生する。
そこで、冷却流体導入路および冷却流体排出路に伸び差吸収機構を設けることで、静止部材と車室との伸び差に起因する応力の発生を防止することができる。

本発明に係るターボ回転機械の運転方法は、回転部材および静止部材が車室に収納され、前記回転部材が前記静止部材に対峙しながら回転し、該回転部材と流体とのエネルギーの受け渡しを行うターボ回転機械の運転方法であって、少なくともターボ回転機械の定格運転時に、前記静止部材を通過する流体よりも低温の流体を前記車室内から抜き取って、前記静止部材に形成された冷却通路に導くことを特徴とする。

このターボ回転機械の運転方法によれば、少なくともターボ回転機械の定格運転時において静止部材に形成された冷却通路に車室内の低温の流体を流すようにしたので、定格運転状態では、回転部材に比べて静止部材が低温になる。このため、静止部材の半径方向外方に向かう熱伸びが抑制され、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を低減し、流体漏れを抑制することができる。
また、低温の流体を用いた静止部材の冷却により回転部材と静止部材との半径方向間隙が定格運転時に狭まるから、ターボ回転機械のセッティング時における回転部材と静止部材との間隙を比較的大きくしても、定格運転時における蒸気漏れはそれほど問題にならない。このため、ターボ回転機械のセッティングの際に静止部材に対して回転部材をオフセットする必要がある場合であっても、ターボ回転機械の性能低下を損なうことなく対応可能である。
また、冷却媒体を車室外部の供給源から供給するのではなく、車室内の低温の流体を用いて静止部材を冷却するようにしたので、車室外部の冷却媒体供給源と車室内部の静止部材の冷却通路とをつなぐ冷却媒体用の管路は不要である。よって、ターボ回転機械全体としてのサイズをコンパクト化できる。

上記ターボ回転機械の運転方法において、ターボ回転機械の起動時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量を、ターボ回転機械の定格運転時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量よりも少なくすることが好ましい。

ターボ回転機械の起動時、冷却通路に多量の低温流体を流すと、回転部材と静止部材との温度差（すなわち熱伸び差）が過剰になり、回転部材が静止部材に接触してしまう可能性がある。そこで、ターボ回転機械の起動時に冷却通路に流す低温流体の量を、ターボ回転機械の定格運転時に比べて少なくすることで、ターボ回転機械の起動時における回転部材と静止部材との接触を防止できる。

本発明によれば、静止部材に冷却通路を設けて、該冷却通路に冷却流体導入路を介して車室内の低温の流体を流すようにしたので、静止部材の半径方向外方に向かう熱伸びが抑制され、定格運転時における回転部材と静止部材との半径方向間隙を低減し、流体漏れを抑制することができる。
また、低温の流体を用いた静止部材の冷却により回転部材と静止部材との半径方向間隙が定格運転時に狭まるから、ターボ回転機械のセッティングの際に静止部材に対して回転部材をオフセットする必要がある場合であっても、ターボ回転機械の性能低下を損なうことなく対応可能である。
また、冷却媒体を車室外部の供給源から供給するのではなく、車室内の低温の流体を用いて静止部材を冷却するようにしたので、車室外部の供給源と車室内部の静止部材の冷却通路とをつなぐ冷却媒体用の管路は不要であり、ターボ回転機械全体としてのサイズをコンパクト化できる。

第１実施形態に係る蒸気タービンの構成例を示す断面図である。 冷却通路を有する翼環の下半部を示す平面図である。 冷却蒸気導入路に設けられた冷却蒸気調節弁を示す図である。 ターボ回転機械としての圧縮機の構成例を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る蒸気タービンの構成例を示す断面図であり、水平分割面近傍の断面を示している。同図に示す蒸気タービン１は複流方式の低圧タービンであり、ロータ２を囲むように外部車室４及び内部車室６が設けられている。

ロータ２のロータディスク８には、外周に動翼１０が取り付けられている。ロータ２は、外部車室４の外でロータ軸受１２によって回転自在に支持される。また、ロータ２が外部車室４を貫通する箇所には、蒸気の漏洩を防止するグランド１４が設けられている。

一方、内部車室６には、静翼支持部２０（２０Ａ〜２０Ｅ）が装着されており、この静翼支持部材２０の内周側に静翼２２が取り付けられる。この静翼２２は、ロータディスク８に取り付けられた動翼１０と対峙している。
なお、静翼支持部材２０には、上流段の静翼２２を支持する翼環２０Ａ及び２０Ｂと、下流段の静翼２２を支持する翼根リング２０Ｃ〜２０Ｅとがある。

静翼支持部２０（特に、最上流に位置する翼環２０Ａ）は、ロータ２及び動翼１０よりも熱膨張率が小さいことが好ましい。これにより、回転部材（ロータ２や動翼１０）との比較における静翼支持部材２０の半径方向外方に向かう熱伸びを相対的に抑制し、定格運転時における回転部材（ロータ２や動翼１０）と静止部材（静翼支持部２０や静翼２２）との半径方向間隙をより小さくすることができる。

また、内部車室６には、周方向に環状に連続する蒸気入口１６が設けられている。蒸気タービン１の鉛直方向上側において蒸気入口１６は外部車室６を貫通して外部に突出しており、中圧タービン（不図示）からの比較的高温・高圧の蒸気が環状の蒸気入口１６に流入するようになっている。
そして、蒸気入口１６に流入した蒸気は、動翼１０及び静翼２２が対峙している領域（蒸気通路）を矢印Ｓ１方向に流れた後、内部車室６に取り付けられたフローガイド１８によって整流され、排気室１９に導かれる。

本実施形態では、上流段の静翼２２を支持する翼環２０Ａに冷却通路２４及び２６を設け、翼環２０Ａの周囲の蒸気（翼環２０Ａに取り付けられた静翼２２を通過する蒸気）よりも低温の蒸気（冷却蒸気）を下流側から抜き取って冷却通路２４及び２６に流すようにしている。
ここで、蒸気タービン１では、上流段における動翼１０及び静翼２２は下流段に比べて翼高さが低いため、回転部材と静止部材との半径方向間隙を介した蒸気漏れによる影響は上流段側ほど大きい。このため、最上流に位置する翼環２０Ａに冷却通路２４及び２６を形成して、翼環２０Ａを冷却することで、翼環２０Ａにおける回転部材と静止部材との半径方向間隙を低減して、蒸気漏れに起因する蒸気タービン１の性能低下を効果的に抑制できる。
以下、冷却通路２４及び２６を用いた翼環２０Ａの冷却構造について説明する。

図２は、冷却通路２４及び２６を有する翼環２０Ａの下半部を示す平面図である。同図に示す翼環下半部３０には、冷却通路２４及び２６が形成されている。冷却通路２４は冷却蒸気の往路であり、冷却通路２６は冷却蒸気の復路である。冷却蒸気入口２８から流入した冷却蒸気は、往路である冷却通路２４を流れ、ロータ２の中心位置近傍で折り返して、復路である冷却通路２６を流れた後、冷却蒸気出口２９から排出される（図２の矢印参照）。
なお、冷却蒸気入口２８及び冷却蒸気出口２９は、蒸気タービン１の車室の水平分割面近傍に設けられており、それぞれ、後述の冷却蒸気導入路３０及び冷却蒸気排出路３２に接続される。

翼環下半部３０は、ロータ２の中心軸を対称軸として線対称になっており、冷却通路２４及び２６からなる流路がロータ２の中心軸の左右に１本づつ設けられている。また、翼環２０Ａの上半部は、翼環下半部３０と同様の構成を有する。したがって、翼環２０Ａには、冷却通路２４及び２６からなる流路がロータ２の全周に亘って合計４本設けられている。
このように、ロータ２の全周に亘って冷却蒸気が流れる流路を翼環２０Ａに設けることで、翼環２０Ａを周方向に均等に冷却できる。また、冷却蒸気が流れる流路（冷却通路２４及び２６をつなげたもの）を周方向に複数本（本実施形態では４本）に分割することで、翼環２０Ａの冷却を効率的に行うことができる。

往路である冷却通路２４は、図１に示すように、冷却蒸気導入路３０によって抽気室３１に連通している。抽気室３１は、内部車室６に設けられており、隔壁で覆われた環状の内部空間を有する。また抽気室３１は、翼根リング２０Ｃ及び２０Ｄの間の位置において蒸気通路に連通している。これにより、蒸気通路を矢印Ｓ１方向に流れていた蒸気の一部が矢印Ｓ２方向に流れ、抽気室３１に流入する。なお、蒸気タービン１では、上流側から下流側に向かって蒸気の温度が低下するから、翼根リング２０Ｃ及び２０Ｄの間の位置から抽気室３１に流れ込む蒸気（冷却蒸気）は、翼環２０Ａの周囲の蒸気に比べて低温である。

一方、復路である冷却通路２６は、冷却蒸気排出路３２ｂによって排気室１９に連通されている。排気室１９における蒸気圧力は、翼根リング２０Ｃ及び２０Ｄの間の位置の周囲の蒸気圧力に比べて低い。このため、翼根リング２０Ｃ及び２０Ｄの間の位置から抽気された冷却蒸気は、抽気室３１、冷却蒸気導入路３０、冷却通路（往路）２４、冷却通路（復路）２６、冷却蒸気排出路３２、排気室１９の順に自然に流れる。よって、冷却蒸気を翼環２０Ａの冷却通路２４及び２６に供給するための動力源は不要である。

また、冷却蒸気導入路３０及び冷却蒸気排出路３２は、内部車室６の構造部材によって支持されており、冷却蒸気導入路３０及び冷却蒸気排出路３２の途中には、翼環２０Ａと内部車室６との伸び差を吸収するための伸び差吸収機構３４が設けられている。
翼環２０Ａは、内部車室６の変形によって影響を受けることがないように、内部車室６に対して動きうるように内部車室６に取り付けられている（翼環２０Ａの動き代が設けられている）。このため、内部車室６の構造部材に支持されるとともに、翼環２０Ａの冷却通路２４及び２６に接続される冷却蒸気導入路３０及び冷却蒸気排出路３２は、翼環２０Ａの内部車室６に対する相対的変位（伸び差）によって大きな応力が発生する。
そこで、冷却蒸気導入路３０及び冷却蒸気排出路３２に伸び差吸収機構３４を設けることで、翼環２０Ａと内部車室６との伸び差に起因する応力の発生を防止することができる。
なお、伸び差吸収機構３４は、例えばベローズや弾性体等を用いることができる。

以上説明したように、本実施形態の蒸気タービン１は、回転部材（ロータ２や動翼１０）および静止部材（静翼支持部材２０や静翼２２）を収納する車室（４，６）と、翼環２０Ａの周囲の蒸気よりも低温の蒸気を車室（４，６）内から抜き取って、翼環２０Ａに形成された冷却通路２４及び２６に導く冷却蒸気導入路３０と、冷却通路２４及び２６を流れた後の前記低温の蒸気を排出する冷却蒸気排出路３２とを備える。

本実施形態によれば、冷却対象である翼環２０Ａに冷却通路２４及び２６を設けて、該冷却通路２４及び２６に冷却蒸気導入路３０を介して内部車室６内の低温の蒸気を流すようにしたので、定格運転状態では、ロータ軸方向の同一位置における回転部材に比べて翼環２０Ａが低温になる。このため、翼環２０Ａの半径方向外方に向かう熱伸びが抑制され、定格運転時における回転部材（ロータ２及び動翼１０）と静止部材（翼環２０Ａ及び静翼２２）との半径方向間隙を低減し、流体漏れを抑制することができる。
また、低温の蒸気を用いた翼環２０Ａの冷却により回転部材と静止部材との半径方向間隙が定格運転時に狭まるから、蒸気タービン１のセッティング時における回転部材と静止部材との間隙を比較的大きくしても、定格運転時における蒸気漏れはそれほど問題にならない。このため、蒸気タービン１のセッティングの際に静止部材に対して回転部材をオフセットする必要がある場合であっても、蒸気タービン１の性能低下を損なうことなく対応可能である。
また、冷却蒸気を車室外部の供給源から供給するのではなく、車室内の低温の蒸気を用いて翼環２０Ａを冷却するようにしたので、車室外部の冷却媒体供給源と車室内部の静止部材の冷却通路２４及び２６とをつなぐ冷却蒸気用の管路は不要である。よって、蒸気タービン１全体としてのサイズをコンパクト化できる。

なお、図１には外部車室４及び内部車室６からなる二重車室構造の蒸気タービン１を示したが、蒸気タービン１の車室構造はこの例に限定されない。また、上述の蒸気タービン１は低圧タービンであるが、本発明が低圧タービンのみならず、高圧タービンや中圧タービンを含むあらゆる蒸気タービンに適用できることは言うまでもない。

さらに、図１には冷却蒸気導入路３０が翼根リング２０Ｃ及び２０Ｄの間の位置と連通する抽気室３１に接続され、冷却蒸気排出路３２が排気室１９に接続される例を示したが、冷却蒸気導入路３０を介して翼環２０Ａの周囲の蒸気よりも低温の冷却蒸気を冷却通路２４及び２６に導くとともに、冷却蒸気排出路３２を介して冷却通路２４及び２６から冷却蒸気を排出させることができる限り、冷却蒸気導入路３０及び冷却蒸気排出路３２の接続先はこの例に限定されない。すなわち、冷却蒸気導入路３０は、冷却対象である翼環２０Ａよりも下流側の蒸気通路に接続されていればよく、冷却蒸気排出路３２は、冷却蒸気導入路３０の蒸気通路への接続箇所よりもさらに下流側に接続されていればよい。
また、冷却蒸気導入路３０及び冷却蒸気排出路３２は、一部が車室（４，６）の外部に形成されていてもよい。

［第２実施形態］
次に第２実施形態に係る蒸気タービンについて説明する。本実施形態に係る蒸気タービンは、冷却蒸気導入路３０に冷却蒸気量調節弁が設けられている点を除けば、第１実施形態の蒸気タービン１と共通する。したがって、蒸気タービン１と共通する構成要素には同一の符号を付し、ここではその説明を省略し、冷却蒸気量調節弁を中心に説明する。

図３は、冷却蒸気導入路３０に設けられた冷却蒸気調節弁を示す図である。同図に示すように、翼環２０Ａの冷却通路（往路）２４に接続された冷却蒸気導入路３０には冷却蒸気調節弁３６が設けられている。冷却蒸気調節弁３６は、制御部３８による制御下で、翼環２０Ａの冷却通路２４及び２６に導かれる冷却蒸気の量を調節するようになっている。

そして、制御部３８は、蒸気タービンの起動時に冷却通路２４及び２６に導く冷却蒸気の量が、蒸気タービンの定格運転時に冷却通路２４及び２６に導く冷却蒸気の量よりも少なくなるように冷却蒸気調節弁３６を制御する。

蒸気タービンの起動時、冷却通路２４及び２６に多量の冷却蒸気を流すと、回転部材と静止部材との温度差（すなわち熱伸び差）が過剰になり、回転部材が静止部材に接触してしまう可能性がある。そこで、冷却流体量調節弁３６により、蒸気タービンの起動時における冷却蒸気の量を、蒸気タービンの定格運転時に比べて少なくすることで、蒸気タービンの起動時における回転部材と静止部材との接触を防止できる。

この場合、制御部３８は、蒸気タービンの起動時において冷却蒸気調節弁３６を全閉状態にして、冷却通路２４及び２６へと向かう冷却蒸気を遮断してもよい。これにより、蒸気タービンの起動時における回転部材と静止部材との接触を確実に防止できる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

上述の実施形態では、本発明に係るターボ回転機械の一例として蒸気タービンについて説明したが、本発明は、回転部材が静止部材に対峙しながら回転し、該回転部材と流体とのエネルギーの受け渡しを行うあらゆる種類のターボ回転機械に適用できる。例えば、回転部材の運動エネルギーを利用して空気を圧縮する圧縮機に本発明を適用してもよい。

図４は、ターボ回転機械としての圧縮機の構成例を示す図である。同図に示す圧縮機４０は、回転部材としてのロータ４２及び動翼４４と、静止部材としての静翼支持部４６（４６Ａ〜４６Ｃ）及び静翼４８とが車室５０に収納された構成を有する。

圧縮機４０では、車室５０に設けられた空気吸込口（不図示）から導入された空気が、動翼４４及び静翼４８が対峙している領域（圧縮空気通路）を矢印Ａ方向に流れる。圧縮空気通路を流れる空気は、上流側から下流側に向かって、温度及び圧力が上昇する。

圧縮機４０では、下流段における動翼４４及び静翼４８は上流段に比べて翼高さが低いため、回転部材と静止部材との半径方向間隙を介した空気漏れによる影響は下流段側ほど大きい。このため、最下流に位置する静翼支持部材４６Ｃに冷却通路（往路）５２及び冷却通路（復路）５４を形成して、静翼支持部材４６Ｃを冷却することで、静翼支持部材４６Ｃにおける回転部材と静止部材との半径方向間隙を低減して、空気漏れに起因する圧縮機４０の性能低下を抑制する。なお、冷却通路５２及び５４は、蒸気タービン１における冷却通路２４及び２６と同様の形状であってもよい。

冷却通路（往路）５２は、冷却空気導入路５６によって静翼支持部材４６Ｃよりも上流側の圧縮空気通路に連通している。一方、冷却通路（復路）５４は、冷却空気排出路５８によって車室５０の外部に連通している。
これにより、車室５０内外の圧力差によって、比較的低温の空気が冷却空気導入路５６から冷却通路５２に流れ込み、冷却通路５４から冷却流体排出路５８を介して車室５０の外部に排出される。よって、冷却媒体としての低温空気を静翼支持部材４６Ｃの冷却通路５２及び５４に供給するための動力源は不要である。

なお、冷却空気導入路５６及び冷却空気排出路５８は、車室５０の構造部材によって支持されており、車室５０と静翼支持部材４６Ｃとの伸び差を吸収するための伸び差吸収機構が冷却空気導入路５６及び冷却空気排出路５８の途中に設けられていてもよい。この場合に用いる伸び差吸収機構は、第１実施形態で説明した伸び差吸収機構３４と同様の構成及び機能であってもよい。
また、冷却空気導入路５６には、冷却通路５２及び５４に導く冷却空気の流量を制御部の制御下で調節する冷却空気量調節弁が設けられていてもよい。この場合に用いる制御部及び冷却空気量調節弁は、第２実施形態で説明した制御部３８及び冷却蒸気量調節弁３６と同様の構成及び機能であってもよい。

１ 蒸気タービン
２ ロータ
４ 外部車室
６ 内部車室
８ ロータディスク
１０ 動翼
１２ ロータ軸受
１４ グランド
１６ 蒸気入口
１８ フローガイド
１９ 排気室
２０ 静翼支持部材
２２ 静翼
２４ 蒸気通路（往路）
２６ 蒸気通路（復路）
２８ 冷却蒸気入口
２９ 冷却蒸気出口
３０ 冷却蒸気導入路
３１ 抽気室
３２ 冷却蒸気排出路
３４ 伸び差吸収機構
３６ 冷却蒸気調節弁
３８ 制御部
４０ 圧縮機
４２ ロータ
４４ 動翼
４６ 静翼支持部材
４８ 静翼
５０ 車室
５２ 冷却通路（往路）
５４ 冷却通路（復路）
５６ 冷却空気導入路
５８ 冷却空気排出路

Claims (9)

1. 回転部材が静止部材に対峙しながら回転し、該回転部材と流体とのエネルギーの受け渡しを行うターボ回転機械であって、
   前記回転部材および前記静止部材を収納する車室と、
   前記静止部材を通過する流体よりも低温の流体を前記車室内から抜き取って、前記静止部材に形成された冷却通路に導く冷却流体導入路と、
   前記冷却通路を流れた後の前記低温の流体を排出する冷却流体排出路とを備えることを特徴とするターボ回転機械。
2. 前記ターボ回転機械は、前記流体としての蒸気のエネルギーを前記回転部材の運動エネルギーに変換する蒸気タービンであり、
   前記冷却流体導入路は、一端が前記静止部材よりも下流側に接続され、他端が前記冷却通路に接続されており、
   前記冷却流体排出路が、前記冷却流体導入路の前記一端よりもさらに下流側と前記冷却通路とを連通してなる請求項１に記載のターボ回転機械。
3. 前記ターボ回転機械は、前記流体としての空気に前記回転部材の運動エネルギーを与えて該空気を圧縮する圧縮機であり、
   前記冷却流体導入路は、一端が前記静止部材よりも上流側に接続され、他端が前記冷却通路に接続されており、
   前記冷却流体排出路が、前記車室の外部と前記冷却通路とを連通してなる請求項１に記載のターボ回転機械。
4. 前記静止部材の熱膨張率が、前記回転部材よりも小さい請求項１乃至３のいずれか一項に記載のターボ回転機械。
5. 前記冷却流体導入路には、前記冷却通路に導かれる前記低温の流体の量を調節する冷却流体量調節部が設けられており、
   前記冷却流体量調節部が、ターボ回転機械の起動時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量を、ターボ回転機械の定格運転時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量よりも少なくする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のターボ回転機械。
6. 前記冷却流体量調節部は、起動時における前記低温の流体を遮断する請求項５に記載のターボ回転機械。
7. 前記冷却流体導入路および前記冷却流体排出路は、前記車室の構造部材によって支持されており、
   前記冷却流体導入路および前記冷却流体排出路の途中には、前記静止部材と前記車室との伸び差を吸収する伸び差吸収機構が設けられている請求項１乃至６のいずれか一項に記載のターボ回転機械。
8. 回転部材および静止部材が車室に収納され、前記回転部材が前記静止部材に対峙しながら回転し、該回転部材と流体とのエネルギーの受け渡しを行うターボ回転機械の運転方法であって、
   少なくともターボ回転機械の定格運転時に、前記静止部材を通過する流体よりも低温の流体を前記車室内から抜き取って、前記静止部材に形成された冷却通路に導くことを特徴とするターボ回転機械の運転方法。
9. ターボ回転機械の起動時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量を、ターボ回転機械の定格運転時に前記冷却通路に導く前記低温の流体の量よりも少なくする請求項８に記載のターボ回転機械の運転方法。

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