JP2013113181A - タービン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ブレード50と、その先端側に間隙を介して設けられると共に、ブレード50に対して相対回転する構造体とを備え、さらに、ブレード50の先端部及び構造体に、構造体の回転軸方向に交互に相手側に向かって延出して設けられ、相手側との間に微小隙間Hを画成する複数のシールフィン15,55と、隣り合うシールフィン15,55の間で、回転軸方向下流側のシールフィン15,55と共に微小隙間Hを画成するブレード50の先端部または構造体に、回転軸の径方向に窪んで形成される拡張用凹部17,57と、を備えるタービンを提供する。
【選択図】図2
Description
このタービンでは、上流側から前記間隙に入り込んだ蒸気がステップ部の段差面に衝突することで、段差面の上流側に主渦が発生し、段差面の下流側(前記微小隙間の上流側近傍)に剥離渦が発生する。そして、微小隙間の上流側近傍に生じる剥離渦によって、微小隙間を通り抜ける漏れ流れの低減化が図られている。すなわち、動翼の先端部とケーシングとの間隙を通過する漏洩蒸気の流量(漏洩流量)の低減化が図られている。
このため、軸方向に配列するステップ部及びシールフィンの数を増やすと、下流側に配されるリング状の微小隙間の径寸法が大きくなり、これに伴って微小隙間の面積が大きくなってしまう。言い換えれば、ステップ部及びシールフィンの配列数が増えるほど、リング状に形成される複数の微小隙間の平均径寸法(クリアランス平均径)が大きくなってしまう。その結果として、動翼先端部とケーシングとの間隙を通過する漏洩流量の低減化、及びこれに伴うタービンの性能向上に限界が生じる虞がある。
動翼や静翼の形状を設計する際には上記応力も考慮する必要があるが、上記応力が大きくなると上記応力による動翼や静翼の形状の制約が大きくなり、その結果として、タービンの性能向上を図るための動翼や静翼の形状を設計することが困難となる。言い換えれば、動翼や静翼の形状の設計自由度が低くなり、タービンの性能向上を図りにくくなってしまう、という問題がある。
さらに、上記タービンでは、隣り合う二つのシールフィンが互いに逆向きに延出しているため、前記二つのシールフィンによって画成される二つの微小隙間は、互いに回転軸の径方向にずれて位置している。
なお、複数のキャビティを配列した場合には、前述したように複数の微小隙間が千鳥状に配列されることで、第一回転方向に回る主渦が発生するキャビティの下流側に位置する別のキャビティでは、第一回転方向とは反対方向(第二回転方向)に回る主渦が発生する。
また、上記タービンによれば、ステップ部を利用して剥離渦を発生させる従来構成と比較して、前述した段差が無くなる分だけ、キャビティの回転軸方向の寸法を短く設定することが可能となる。したがって、ブレードの回転軸方向の長さを一定とした場合、従来構成と比較して、回転軸方向に配列可能なキャビティ数(シールフィンの数)を多く設定することができ、ブレードの先端部と構造体との間隙における漏洩流量をさらに低減することが可能となる。
なお、前記傾斜面は、前記回転軸方向及び径方向の両方に傾斜する面のことを示している。また、前記凹部内角部や前記フィン角部は、前述したキャビティの角部をなし得るものである。
また、シールフィン及び拡張用凹部(キャビティ)の配列数を増やしても、ブレードの先端部の重量増加を抑えてブレードにかかる応力を低減できるため、ブレード形状の設計自由度が向上して、タービンの性能向上を容易に図ることができる。
さらに、構造体がケーシングである場合に、シールフィン及び拡張用凹部(キャビティ)の配列数が増加しても、ブレードの径方向寸法が長くなることは無いため、ケーシングの車室内径をコンパクトに抑えることが可能となる。
以下、図1〜3を参照して本発明の第一実施形態について説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン1は、ケーシング(構造体)10と、ケーシング10に流入する蒸気(流体)Sの量と圧力を調整する調整弁20と、ケーシング10の内方に回転自在に設けられ、動力を図示しない発電機等の機械に伝達する軸体(ロータ)30と、ケーシング10に保持された静翼40と、軸体30に設けられた動翼(ブレード)50と、軸体30を軸回りに回転可能に支持する軸受部60と、を備えて大略構成されている。
調整弁20は、ケーシング10の本体部11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Sが流入する調整弁室21と、弁体22と、弁座23と、蒸気室24とを備えている。この調整弁20では、弁体22が弁座23から離れることで蒸気流路が開き、これによって、蒸気Sが蒸気室24を介してケーシング10の内部空間に流入するようになっている。
また、軸受部60は、ジャーナル軸受装置61及びスラスト軸受装置62を備えており、ケーシング10の本体部11内部に挿通された軸体30を本体部11の外側において回転可能に支持している。
静翼40の延出方向の先端部は、ハブシュラウド41によって構成されている。このハブシュラウド41は、同一の環状静翼群をなす複数の静翼40を連結するようにリング状に形成されている。ハブシュラウド41には軸体30が挿通されているが、ハブシュラウド41は軸体30との間に径方向の間隙を介して配されている。
そして、複数の静翼40からなる環状静翼群は、ケーシング10や軸体30の回転軸方向(以下、軸方向と記す)に間隔をあけて六つ形成されており、蒸気Sの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、軸方向下流側に隣接する動翼50側に案内するようになっている。
前述した環状静翼群と上記環状動翼群とは、一組一段とされている。すなわち、蒸気タービン1は、六段に構成されている。このうち、最終段における動翼50の先端部は、周方向に延びるチップシュラウド51となっている。
本実施形態では、チップシュラウド51が断面矩形状に形成されている。そして、このチップシュラウド51の外周面51bは、軸方向に平行するように形成されている。また、チップシュラウド51の軸方向の上流側の端面(以下、上流側端面51cと記す)及び下流側の端面(以下、下流側端面51dと記す)は、径方向に平行するように形成されている。
本実施形態では、環状溝12aが仕切板外輪12の内周面から径方向外側に窪んで形成され、断面矩形状に形成されている。そして、この環状溝12aの溝底面12bは軸方向に平行するように形成され、環状溝12aのうち軸方向の上流側の内側面(以下、上流側内側面12cと記す)、及び、下流側の内側面(下流側内側面12dと記す)は、それぞれ径方向に平行するように形成されている。
具体的に説明すれば、チップシュラウド51に設けられる二つのシールフィン55(以下、ブレード側シールフィン55とも記す)は、チップシュラウド51の外周面51bから環状溝12aの溝底面12bに向けて延出している。このブレード側シールフィン55の延出方向の先端と溝底面12bとの間には、微小隙間H(H2,H4)が画成されている。
そして、これらブレード側シールフィン55と構造体側シールフィン15とが、軸方向に交互に配列されている。
具体的に説明すれば、軸方向の最も上流側に形成されるキャビティC(以下、最上流キャビティC1と記す)は、環状溝12aの上流側内側面12cと、上流側内側面12cに対して軸方向下流側で対向する第一構造体側シールフィン15A及びチップシュラウド51の上流側端面51cと、環状溝12aの溝底面12bとによって囲まれるように形成されている。
また、最上流キャビティC1よりも軸方向下流側に順番に配列される残りのキャビティC(以下、間隙キャビティC2〜C4と記す)は、チップシュラウド51の外周面51bと、環状溝12aの溝底面12bと、軸方向に隣り合う二つのシールフィン15,55とによって囲まれるように各々形成されている。
一方、チップシュラウド51には、第二ブレード側シールフィン55Bと第三構造体側シールフィン15Cとの間において、チップシュラウド51の外周面51bから窪む拡張用凹部57(以下、ブレード側凹部57とも記す)が形成されている。このブレード側凹部57は、第二間隙キャビティC3を径方向内側に拡張している。
本実施形態では、各拡張用凹部17,57が断面矩形状に形成されているため、拡張用凹部17,57の下流側端縁18d,58dから径方向に延びる拡張用凹部17,57の軸方向下流側の内側面(以下、下流側内側面19d,59dと記す)は、径方向に平行している。したがって、拡張用凹部17,57の下流側内側面19d,59dと、下流側シールフィン55B,15C,55Dのうち軸方向上流側に向く面とが、同一平面をなしている。
さらに、本実施形態では、各間隙キャビティC2〜C4の軸方向の寸法及び径方向の寸法が互いに等しくなっている。このため、本実施形態の間隙キャビティC2〜C4は、それぞれ断面正方形状に形成されている。言い換えれば、各間隙キャビティC2〜C4の縦横比が1に設定されている。
すなわち、上述したシールフィン15,55と拡張用凹部17,57との相対的な位置関係や各種寸法、各キャビティCの形状、各微小隙間Hの寸法等は、蒸気タービン1の運転時において設定されるようにすることが好ましく、特に、定格運転時において最適に設定されるようにすることがさらに望ましい。例えば、各拡張用凹部17,57の下流側端縁18d,58dと、各拡張用凹部17,57の下流側に位置する下流側シールフィン55B,15C,55Dとの軸方向の相対位置は、運転時において互いに一致することが好ましく、さらに定格運転時において一致することが最適である。
まず、調整弁20(図1参照)を開状態とすると、図示しないボイラから蒸気Sがケーシング10の内部空間に流入する。
この剥離渦SV1は、第一構造体側シールフィン15Aとチップシュラウド51との間の第一微小隙間H1の上流側近傍に位置している。特に、剥離渦SV1のうち径方向内側に向かうダウンフローが、第一微小隙間H1の直前で生じるため、最上流キャビティC1から第一微小隙間H1を通って下流側の第一間隙キャビティC2に流入する漏れ流れを低減する縮流効果が、上記剥離渦SV1によって得られる。
これにより、第一間隙キャビティC2のうち第二微小隙間H2の上流側近傍では、拡張用凹部17が形成されていない場合と比較して、主渦MV2による径方向外側の流速が大きくなる。すなわち、第二微小隙間H2の上流側近傍における主渦MV2の速度ベクトルのうち径方向外側の速度成分が大きくなり、第一間隙キャビティC2から第二微小隙間H2を通り抜けて下流側の第二間隙キャビティC3に流出する漏れ流れを低減することができる。言い換えれば、第一間隙キャビティC2内の主渦MV2による縮流効果を発揮することができる。
以上のことから、本実施形態では、第二微小隙間H2の上流側近傍において、主渦による径方向外側の流速が最大となり、第一間隙キャビティC2から第二微小隙間H2を通り抜けて第二間隙キャビティC3に流出する漏れ流れを効率よく低減することができる。言い換えれば、第一間隙キャビティC2内の主渦MV2による縮流効果を最大限に発揮することができる。
したがって、本実施形態では、縮流効果を得られる複数の間隙キャビティC2〜C4が配列されていることで、動翼50の先端部とケーシング10の仕切板外輪12との間隙を通る漏洩流量を十分に低減することが可能である。
したがって、動翼50の先端部とケーシング10の仕切板外輪12との間隙を通過する蒸気Sの漏洩流量の低減化、及び、これに伴う蒸気タービン1の性能向上を容易に図ることができる。
次に、図4,5を参照して本発明の第二実施形態について説明する。
この実施形態では、第一実施形態の蒸気タービン1と比較して、各キャビティCの断面形状のみが異なっており、その他の構成については第一実施形態と同様である。本実施形態では、第一実施形態と同一の構成要素について同一符号を付す等して、その説明を省略する。
このように各凹部内角部に形成される傾斜面70A,70Bは、凹部底面19a,59aと、上流側内側面19c、59cや下流側内側面19d、59dとが滑らかに連なるように曲面状に形成されている。
このように各フィン角部に形成される傾斜面70Cは、チップシュラウド51の外周面51bや環状溝12aの溝底面12bと、軸方向上流側に向くシールフィン15,55の面とが滑らかに連なるように曲面状に形成されている。
また、最上流キャビティC1の二つの角部(溝内角部及びフィン角部)が、傾斜面70C,70Dによって丸みを帯びて形成されることになる。
すなわち、図5に示すように、環状溝12a内に流入した蒸気Sが、まず、最上流キャビティC1に流入し、これによって、最上流キャビティC1内に第一回転方向に回る主渦MV1、及び、第二回転方向に回る剥離渦SV1が発生する。
ここで、最上流キャビティC1の溝内角部は、傾斜面70Dによって主渦MV1の形状に近い円弧状に形成されているため、この溝内角部において生じる主渦MV1のエネルギー損失を小さく抑えることができる。言い換えれば、主渦MV1によって生じる剥離渦SV1のエネルギーが、第一実施形態の場合と比較して大きくなる。
以上のことから、剥離渦SV1によって第一微小隙間H1の直前で生じる径方向内側に向かうダウンフローが、第一実施形態の場合と比較して大きくなり、最上流キャビティC1から下流側の第一間隙キャビティC2に流れ出す漏れ流れをさらに低減することができる。すなわち、剥離渦SV1による縮流効果の向上を図ることができる。
ここで、各間隙キャビティC2〜C4の三つの角部は、傾斜面70A〜70Cによって各主渦MV2〜MV4の形状に近い円弧状に形成されているため、これら三つの角部において生じる主渦MV1のエネルギー損失を小さく抑えることができる。言い換えれば、各間隙キャビティC2〜C4の下流側に位置する微小隙間H2〜H4(以下、下流側微小隙間H2〜H4と記す)の上流側近傍において、主渦MV2〜MV4によって発生する径方向の流速が、第一実施形態の場合と比較して大きくなる。
したがって、下流側微小隙間H2〜H4から各間隙キャビティC2〜C4外に流出する漏れ流れをさらに低減して、主渦MV2〜MV4による縮流効果の向上を図ることができる。
例えば、第二実施形態では、傾斜面70が、同一の間隙キャビティC2の三つの角部全てに形成されるとしたが、例えば一つの角部にのみ形成されてもよい。
また、第二実施形態では、傾斜面70が、全てのキャビティCに形成されているが、少なくとも一つの間隙キャビティC2〜C4に形成されていればよい。
また、傾斜面70が断面直線状である場合、同一の角部には、傾斜面70が一つだけ形成されることに限らず、例えば、キャビティCの角部形状が、キャビティC内で生じる主渦MV1〜MV4や剥離渦SV1により近づくように、傾斜角度の異なる傾斜面70が複数連ねて形成されてもよい。
ただし、上述した深さ寸法Dと延長長さLとの差は小さい方が好ましい。すなわち、深さ寸法Dと延長長さLとの差が小さい程、各間隙キャビティC2〜C4に生じる主渦MV2〜MV4の中心軸A2〜A4の径方向位置が、各間隙キャビティC2〜C4の下流側に位置する微小隙間H2〜H4の径方向位置に近づくことなる。その結果、各間隙キャビティC2〜C4から各微小隙間H2〜H4を通り抜けて下流側に流出する漏れ流れが減少し、各間隙キャビティC2〜C4内の主渦MV2〜MV4による縮流効果をより効果的に発揮することができる。
さらに、上記実施形態では、同一の間隙キャビティC2〜C4を形成する下流側シールフィン55B,15C,55Dと拡張用凹部17,57との間に、軸方向の段差が生じていないが、例えば段差が生じていてもよい。ただし、この場合には、各拡張用凹部17,57の下流側端縁18d,58dが、下流側シールフィン55B,15C,55Dよりも軸方向上流側に位置していることがより好ましい。
さらに、上記実施形態では、複数のシールフィン15,55が軸方向に等間隔で配列されているが、例えば不等間隔で配列されてもよい。
さらに、上記実施形態では、間隙キャビティC2〜C4が複数形成されるとしたが、少なくとも一つだけ形成されていればよい。言い換えれば、上記実施形態ではシールフィン15,55が四つ形成されているが、少なくとも二つだけ形成されていればよい。
また、上記実施形態では、全てのシールフィン15,55が、チップシュラウド51及び環状溝12aから相手側に向かって交互に延出しているが、少なくとも上記実施形態と同様の間隙キャビティC2〜C4が一つ形成されるように、少なくとも一つの構造体側シールフィン15及び一つのブレード側シールフィン55(一対のシールフィン15,55)が、軸方向に隣り合わせて配列されればよい。したがって、上述した一対のシールフィン15,55の他には、例えば、複数の構造体側シールフィン15のみ、あるいは、複数のブレード側シールフィン55のみが軸方向に連続して配列されてもよい。
さらに、上記実施形態では、縮流効果を発揮するキャビティCが最終段の動翼50に形成されているが、例えば、他の段の動翼50に形成されてもよい。
さらに、上記実施形態では、本発明を蒸気タービンに適用したが、ガスタービンにも本発明を適用することができ、さらには、回転翼のある全てのものに本発明を適用することができる。
Claims (7)
- ブレードと、
前記ブレードの先端側に間隙を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備えるタービンであって、
前記ブレードの先端部及び前記構造体に、該構造体の回転軸方向に交互に相手側に向かって延出して設けられ、相手側との間に微小隙間を画成する複数のシールフィンと、
隣り合う前記シールフィンの間で、前記回転軸方向下流側の前記シールフィンと共に前記微小隙間を画成する前記ブレードの先端部または前記構造体に、前記回転軸の径方向に窪んで形成される拡張用凹部と、を備えることを特徴とするタービン。 - 前記シールフィンが、三つ以上配列されていることを特徴とする請求項1に記載のタービン。
- 前記拡張用凹部のうち下流側の端縁の前記回転軸方向の位置と、該拡張用凹部の下流側に形成された前記シールフィンの前記回転軸方向の位置とが一致していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のタービン。
- 前記径方向に延出する前記シールフィンの延出長さと、該シールフィンの前記回転軸方向上流側に形成された前記拡張用凹部の深さ寸法と、が一致していることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のタービン。
- 前記ブレードの先端部、前記構造体、及び、前記回転軸方向に隣り合う二つの前記シールフィンによって囲まれると共に、二つの前記シールフィンの間の前記拡張用凹部によって拡張されるキャビティが形成され、
該キャビティの前記回転軸方向の寸法及び前記径方向の寸法が等しいことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のタービン。 - 前記拡張用凹部の底部と該拡張用凹部の前記回転軸方向の端縁部との凹部内角部、及び、前記ブレードの先端部あるいは前記構造体の一方と、該一方から延出する前記シールフィンのうち前記回転軸上流側に向く部位とのフィン角部の少なくとも一つの角部に、傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のタービン。
- 前記傾斜面が、曲面状に形成されていることを特徴とする請求項6に記載のタービン。
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