JP2014141955A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転機械の低周波振動などの振動の原因となる、漏出した蒸気の旋回成分を低減する。
【解決手段】回転軸と、回転軸の径方向に延在して、周方向に間隔をあけて複数設けられた動翼５０と、動翼５０を外周側から囲むケーシング１０と、動翼５０の先端とケーシング１０との隙間Ｇｄの上流側に設けられたスワール案内部７０とを備え、スワール案内部７０が、断面形状が周方向にわたって一様なリング状部材７１を有する回転機械を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械に関する。

蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械においては、静止側と回転側との間にできる隙間から蒸気などの作動流体が漏洩するのを防止するために、ラビリンスシールなどの非接触型のシール機構が用いられている。
具体的には、ラビリンスシールは、回転機械の外郭をなすケーシングの内周に動翼に向かって伸びるシールフィン等のシール部材と、動翼の先端に設けられたステップ状のシュラウドとを有している（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−１０４９５２号公報

ところで、近年、回転機械においては、低周波振動などの自励振動が発生する事例がある。この自励振動の原因としては、静翼を通過して強い周方向速度成分（スワール成分、旋回成分）をもった流れ（旋回流）が、ラビリンスシールのシールフィンを通過する際に、シールフィン間のキャビティ内に周方向に不均一な圧力分布を形成する事がその一因と考えられている。

このような背景から、回転機械のシール機構には、スワール成分を低減・減衰させるための構造が望まれている。このような構造としては、特許文献１に記載の装置の様に、案内羽根をその面が周方向（旋回流を受ける方向）に向くように設置する構造が知られている。しかしながら、この場合においては、漏出した蒸気の旋回流が案内羽根で擾乱を発生させ、隣接する翼列を周期的に励振させる可能性がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、回転機械の蒸気の旋回成分を低減しつつ周期的な励振力の発生を低減することができる回転機械を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明の回転機械は、回転軸と、前記回転軸の径方向に延在して、周方向に間隔をあけて複数設けられた動翼と、前記動翼を外周側から囲むケーシングと、前記動翼の先端と前記ケーシングとの隙間の上流側に設けられたスワール案内部とを備え、前記スワール案内部が、断面形状が周方向にわたって一様なリング状部材を有することを特徴とする。

上記構成によれば、周方向に延在するリング状部材によって、隙間の上流側を流通する旋回流とスワール案内部との濡れ面積が増加し、旋回流との間で摩擦が発生するため、旋回流の旋回成分を低減することができる。

上記回転機械において、前記スワール案内部は、前記回転軸の軸方向に直交する主面を有する板部材であることが好ましい。

上記構成によれば、スワール案内部が旋回流の流通方向に沿う形状となるため、隙間の上流側における擾乱の発生を抑制することができる。

上記回転機械において、前記スワール案内部は、前記断面形状が前記径方向に延びるジグザグ形状とされている構成としてもよい。

上記実施形態によれば、旋回流とスワール案内部との濡れ面積がさらに増加するため、旋回成分をより低減することができる。

上記回転機械において、前記スワール案内部の前記隙間とは反対側と前記ケーシングとを接続し、前記周方向に沿って複数設けられた支持部材を有し、前記支持部材は、旋回流を前記径方向に案内する案内面を有することが好ましい。

上記構成によれば、案内面によって旋回流の周方向に沿う成分が弱められるため、旋回成分を低減することができる。

本発明によれば、

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの概略構成を示す断面図である。 第一実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図であり、図１のＩの拡大断面図である。 第一実施形態に係る蒸気タービンを軸方向からみた概略構成を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。 第二実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図であり、図１のＩの拡大断面図である。 第二実施形態のリング状部材の別形態を示す断面図である。 第二実施形態のリング状部材の別形態を示す断面図である。 第三実施形態に係る蒸気タービンのリング状部材の詳細図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態の回転機械である蒸気タービンについて図面に基づき説明する。
図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、ケーシング１０と、ケーシング１０に流入する蒸気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回転軸３０と、ケーシング１０に保持された静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼５０と、回転軸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。

ケーシング１０は、内部空間が気密に封止されていると共に、蒸気Ｓの流路とされている。このケーシング１０の内壁面には、回転軸３０が挿通されるリング状の仕切板外輪（静止環状体）１１が強固に固定されている。

調整弁２０は、ケーシング１０の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とを備えており、弁体２２が弁座２３から離れると蒸気流路が開いて、蒸気室２４を介して蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入するようになっている。

回転軸３０は、軸本体３１と、この軸本体３１の外周から回転軸３０の径方向（以下、単に径方向と呼ぶ）に延出した複数のディスク３２とを備えている。この回転軸３０は、回転エネルギーを図示しない発電機等の機械に伝達するようになっている。
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、回転軸３０を回転自在に支持している。

静翼４０は、ケーシング１０から内周側に向かって伸び、回転軸３０を囲繞するように放射状に多数配置される環状静翼群を構成しており、それぞれ上述した仕切板外輪１１に保持されている。これら静翼４０の径方向における内方側は、回転軸３０が挿通されたリング状の仕切板内輪１４等で連結されている。

これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸３０の軸方向（以下、単に軸方向と呼ぶ）に間隔を空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、下流側に隣接する動翼５０に流入させる。

動翼５０は、回転軸３０が有するディスク３２の外周部に強固に取り付けられ、各環状静翼群の下流側において、放射状に多数配置されて環状動翼群を構成している。
これら環状静翼群と環状動翼群とは、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、回転軸３０の周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）に隣接する動翼の先端部同士と連結されておりシュラウド５１と呼ばれている。

図２に示すように、シュラウド５１は、軸方向における中央部分が突出してステップ状に形成されたステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を備えている。

仕切板外輪１１の軸方向下流側には、仕切板外輪１１の内周部から拡径されケーシング１０の内周面を底部１３とする円筒状の環状溝１２が形成されており、環状溝１２には、シュラウド５１が収容され、底部１３は、シュラウド５１のステップ部５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃと隙間Ｇｄを介して径方向に対向している。

この底部１３には、シュラウド５１に向けて径方向に延出する三つのシールフィン１７（１７Ａ〜１７Ｃ）が設けられている。シールフィン１７（１７Ａ〜１７Ｃ）は、それぞれステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に向けて、底部１３から内周側に延出しており、周方向に延びている。これらシールフィン１７（１７Ａ〜１７Ｃ）は、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）と微小隙間ｍ（ｍＡ〜ｍＣ）を径方向に形成している。

これら微小隙間ｍ（ｍＡ〜ｍＣ）の各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量や動翼５０の遠心伸び量等を考慮して、シールフィン１７（１７Ａ〜１７Ｃ）と動翼５０とが接触することがない範囲で設定されている。

ケーシング１０内周の静翼４０の下流側であって、動翼５０の先端とケーシングとの隙間Ｇｄの上流側には、リング状部材７１を有するスワール案内部７０が設置されている。リング状部材７１は、隙間Ｇｄの上流側の空間において周方向に延在する環状の板部材であり、周方向にわたって断面形状が一様とされている。換言すれば、リング状部材７１は、回転軸３０の軸方向に直交する主面を有する円盤状の部材である。
また、リング状部材７１は、仕切板外輪１１の軸方向一方側の面とシュラウド５１の軸方向他方側の面の略中間位置に設けられ、リング状部材７１の外周端は、ケーシング１０から離間している。

また、リング状部材７１は、周方向に沿って複数設けられた支持部材７２によって支持されている。支持部材７２は棒状をなし、リング状部材７１の両面のうち、隙間Ｇｄとは反対側の面とケーシング１０とを接続するように設けられている。
なお、支持部材７２の設置箇所は、図２に示したような箇所には限定されず、例えば、径方向外周側からリング状部材７１の外周端を支持するような構成としてもよい。即ち、環状溝１２の底部１３に設けられた支持部材７２によってリング状部材７１を支持する構成としてもよい。

ここで、上記の構成からなる蒸気タービン１の動作について説明する。
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。

ケーシング１０の内部空間に流入した蒸気Ｓは、各段における環状静翼群と環状動翼群とを順次通過する。
各段の環状静翼群において蒸気Ｓは、静翼４０を通過しながらその周方向速度成分が増大する。この蒸気Ｓのうち大部分の蒸気ＳＭは、動翼５０間に流入し、蒸気ＳＭのエネルギーが回転エネルギーに変換されて回転軸３０に回転が付与される。

一方、蒸気Ｓのうち一部（例えば、約数％）の蒸気ＳＬは、静翼４０から流出した後、周方向成分が増大した状態で環状溝１２に流入する。

本実施形態の蒸気タービン１によれば、スワール案内部７０が周方向に延在するリング状部材７１を有することによって、隙間Ｇｄの上流側を流通する旋回流ＳＬとの濡れ面積が増加し、蒸気ＳＬとの間で摩擦が発生するため、旋回流である蒸気ＳＬの旋回成分を低減することができる。
換言すれば、リング状部材７１が隙間Ｇｄの上流側において流路幅を狭める、即ち濡れ面積を増やすことにより、蒸気ＳＬに働く壁面摩擦が増加して、蒸気ＳＬの旋回成分を低減することができる。

また、リング状部材７１が回転軸３０の軸方向に直交する主面を有する断面形状が周方向にわたって一様な板部材であることによって、スワール案内部７０が旋回流の流通方向に沿う形状となるため、隙間Ｇｄの上流側における擾乱の発生を抑制することができる。

なお、上述した実施形態においては、スワール案内部７０のリング状部材７１を一枚のみ設ける構成を示したが、これに限ることはなく、空間的余裕に応じてリング状部材７１を二枚又は複数、軸方向に離間して設置してもよい。これにより、さらに濡れ面積を増加させて、蒸気ＳＬの旋回成分を低減することができる。

また、リング状部材７１は平板のみならず、面上に複数の孔が規則的に形成された多孔板（例えばパンチングメタル）を用いて、ある程度の蒸気ＳＬの軸方向の流れを許容する構成としてもよい。なお、複数の孔は規則的である必要はなく、不規則に形成されていてもよい。さらに、リング状部材７１に複数の突起を設けてもよい。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の回転機械である蒸気タービンについて図面に基づき説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態のスワール案内部７０Ｂのリング状部材７１Ｂは、断面形状が径方向に延びるジグザグ形状とされている。換言すれば、リング状部材７１Ｂは、第一実施形態と同様に周方向にわたって一様な断面形状とされているが、径方向外周側に向かうに従って軸方向一方側に傾斜する面７３と、径方向外周側に向かうに従って軸方向他方側に傾斜する面７４とを連続させた形状となっている。即ち、本実施形態のリング状部材７１Ｂは第一実施形態のリング状部材７１と比較して表面積が増加している。

上記実施形態によれば、リング状部材７１Ｂの表面積が増加していることによって、蒸気ＳＬとの濡れ面積がさらに増加するため、蒸気ＳＬの旋回成分をより低減することができる。

なお、上述した実施形態においては、リング状部材７１Ｂの断面形状をジグザグ形状としたが、リング状部材７１Ｂの蒸気ＳＬとの濡れ面積を増加させるような形状であればこれに限ることはない。
例えば、図５に示すように、リング状部材７１Ｂを波形にしてもよい。また、図６に示すように、リング状部材７１Ｂを矩形波状にしてもよい。

（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態の回転機械である蒸気タービンについて図面に基づき説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態のスワール案内部７０Ｃのリング状部材７１Ｃを支持する支持部材７２Ｃは、蒸気ＳＬの流通方向に沿う案内面７５を有する板形状とされている。具体的には支持部材７２Ｃは、径方向内周側から外周側に向かうに従って回転軸３０の回転方向Ｒに傾斜するように形成されている。

上記実施形態によれば、案内面７５によって蒸気ＳＬの旋回成分を低減しつつ擾乱発生を防止することができる。

なお、上述した実施形態の支持部材７２Ｃの形状は、上述した形状に限ることはなく、断面を翼形状とし、一旦蒸気ＳＬをその流通方向に沿わせるように案内した後、径方向に沿わせるような形状としてもよい。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等は一例であり、適宜変更が可能である。
例えば、上述した各実施形態においては、回転機械として蒸気タービンを一例に説明したが、蒸気タービンに限られるものではなく、静止体であるステータと回転体であるロータとの間に設けられ高圧と低圧との間をシールする前記動翼の先端と前記ケーシングとの隙間の上流側に旋回流が形成されるような回転機械であれば、例えば、ガスタービンや圧縮機などの回転機械に適用してもよい。

また、上述した各実施形態においては、スワール案内部７０を最終段の動翼５０の上流側に設置する例を示したが、これに限ることはなく、スワール案内部７０は、いずれの動翼５０の上流側に設置してもよい。
また、上述した各実施形態においては、作動流体として蒸気Ｓを用いる場合について説明したが、スワールが発生し得る作動流体であれば蒸気Ｓに限られるものではない。
また、シュラウド５１をステップ状に形成するのに代えて、平坦状に形成してもよい。

１ 蒸気タービン（回転機械）
１１ 仕切板外輪
１２ 環状溝
１３ 底部
１４ 仕切板内輪
１０ ケーシング
１７ シールフィン
２０ 調整弁
２１ 調整弁室
２２ 弁体
２３ 弁座
２４ 蒸気室
３０ 回転軸
４０ 静翼
３１ 軸本体
３２ ディスク
５０ 動翼
５１ シュラウド
５２ ステップ部
６０ 軸受部
６１ ジャーナル軸受装置
６２ スラスト軸受装置
７０，７０Ｂ，７０Ｃ スワール案内部
７１，７１Ｂ，７１Ｃ リング状部材
７２，７２Ｃ 支持部材
７３，７４ 傾斜する面
７５ 案内面
ＳＬ 蒸気（旋回流）

Claims (4)

1. 回転軸と、
   前記回転軸の径方向に延在して、周方向に間隔をあけて複数設けられた動翼と、
   前記動翼を外周側から囲むケーシングと、
   前記動翼の先端と前記ケーシングとの隙間の上流側に設けられたスワール案内部とを備え、
   前記スワール案内部が、断面形状が周方向にわたって一様なリング状部材を有することを特徴とする回転機械。
2. 前記スワール案内部は、前記回転軸の軸方向に直交する主面を有する板部材であることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
3. 前記スワール案内部は、前記断面形状が前記径方向に延びるジグザグ形状とされていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
4. 前記スワール案内部の前記隙間とは反対側と前記ケーシングとを接続し、前記周方向に沿って複数設けられた支持部材を有し、
   前記支持部材は、旋回流を前記径方向に案内する案内面を有す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回転機械。

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