JP2016138483A - タービン - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1が開示する蒸気タービンのシール装置は、ブレードの先端部に設けられたステップ部と、構造体に設けられたシールフィンとを有している。ステップ部は、上流側に面する少なくとも1つの段差面を有して構造体側に突出し、シールフィンは、ステップ部に向かって延出し、ステップ部との間に微小隙間を形成する。
この蒸気タービンのシール装置では、シールフィンの上流側に剥離渦及び主渦が形成され、剥離渦の縮流効果によって、微小隙間を流れる蒸気漏洩が低減される。
一方、本発明者等は、現実には、空洞において周方向の速度変動(2次流れ)が発生して子午面内の流体の運動エネルギが低下し、主渦及び剥離渦が期待していたよりも弱くなることがあるとの知見を得た。そして、主渦や剥離渦の中心位置が周方向にうねり、渦構造が壊れてしまうことがあるとの知見を得た。更に、シールフィンがロータの径方向に対し傾斜している場合に、このような傾向が強くなるとの知見も得た。また、空洞に流入する流体の周方向速度の絶対速度が零に近い場合にも、このような傾向が強くなるとの知見も得た。
これらの知見に基づき、本発明者等は更に検討を重ね、シールフィン間の空洞の流れ場をロータの周方向に一様にすることが可能な構成を見出し、本発明を創作するに至った。
ケーシングと、
前記ケーシングの内部を延びるロータと、
前記ロータに固定され且つ前記ロータの周方向に配列された複数の動翼と、
前記ケーシングに対し固定され且つ前記ロータの周方向に配列された複数の静翼であって、翼本体、及び、前記翼本体に連なり、前記ロータの径方向にて前記ロータの外周面と隙間を存して対向するシュラウドをそれぞれ有する複数の静翼と、
前記隙間における流体の流れを制限可能なシール装置とを備え、
前記シール装置は、
前記ロータの径方向にて前記静翼のシュラウドと対向する前記ロータの外周面の領域に設けられるとともに前記流体の流れ方向にて上流を向き、前記外周面の領域を前記ロータの軸方向にて少なくとも2つの区画に区画する少なくとも1つの段差面と、
前記静翼から前記少なくとも2つの区画に向かってそれぞれ突出し、前記少なくとも2つの区画とシール隙間を存してそれぞれ対向する少なくとも2つのシールフィンと、
前記ロータの軸方向にて前記静翼のシュラウドの一端側に設けられ、前記シール隙間に向かって流れる流体に旋回成分を付与可能な旋回成分付与部と、
を有する。
前記旋回成分付与部は、前記シュラウドの一端側に形成され且つ前記ロータの周方向に配列された複数の溝によって構成され、
前記複数の溝の各々は、前記ロータの径方向にて外側に位置する外端部、及び、前記ロータの径方向にて内側に位置する内端部を有し
前記複数の溝の少なくとも前記内端部は、前記ロータの径方向に対し傾斜して延びている。
前記複数の溝の各々において、前記内端部は、前記ロータの回転方向にて前記外端部よりも前方に位置している。
前記複数の溝の各々において、前記ロータの径方向に対する前記内端部の傾斜角度は、前記ロータの径方向に対する前記外端部の傾斜角度よりも大である。
前記複数の溝の各々は、前記径方向に対し傾斜して真っ直ぐに延びている。
上記構成(5)では、溝が真っ直ぐに伸びているので、容易に溝を形成することができる。
前記複数の溝の各々は、前記ロータの径方向にて外側から内側に近付くにつれて、前記ロータの径方向から徐々に逸れるように湾曲して延びている。
前記複数の溝の各々は一定の幅を有する。
上記構成(7)では、溝の幅が一定であるので、容易に溝を形成することができる。
前記複数の溝の各々は相互に幅が異なる部分を有する。
上記構成(8)では、幅が異なる部分を溝が有するので、溝を流れる流体に対し旋回成分を付与しながら、溝における損失を低減することができる。
前記複数の溝は、前記シュラウドの一端側に形成され且つ前記ロータの周方向に配列された複数の翼部によって形成されている。
上記構成(9)では、翼部によって複数の溝が形成されているので、溝を流れる流体に対し旋回成分を付与しながら、溝における損失を低減することができる。
前記翼部は、前記ロータの径方向にて外側に位置する前縁部、及び、前記ロータの径方向にて内側に位置する後縁部を有し、
前記後縁部は、前記ロータの回転方向にて前記前縁部よりも前方に位置している。
前記翼部は、前記ロータの径方向にて外側に位置する前縁部、及び、前記ロータの径方向にて内側に位置する後縁部を有し、
前記ロータの径方向に対する前記後縁部の傾斜角度は、前記ロータの径方向に対する前記前縁部の傾斜角度よりも大である。
前記シュラウドの一端側の端面は、前記ロータの径方向に対し傾斜している。
上記構成(12)では、シュラウドの一端面の端面が傾斜していることで、より大きな旋回成分を流体に付与することができる。
前記複数の溝の各々は、相互に深さが異なる部分を有する。
上記構成(13)では、溝が、相互に深さが異なる部分を有することで、流体に付与する旋回成分の大きさを調整することができる。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、ロータ5と動翼22をまとめてロータアセンブリとも称する。
段差面42は、径方向にて静翼20のシュラウド35と対向するロータ5の外周面の領域に設けられ、シュラウド35とロータ5の外周面との隙間48における流体の流れ方向にて上流を向いている。そして、段差面42は、シュラウド35と対向するロータ5の外周面の領域をロータ5の軸方向にて少なくとも2つの区画50A,50Bに区画している。つまり、区画50A,50Bは、段差面42を介して連なっており、流体の流れ方向にて下流の区画50Bは、上流の区画50Aよりも、径方向にて外側に位置している。区画50Bは、段差面42を有して区画50Aから径方向に突出したステップ部51によって構成されている。
旋回成分付与部46は、ロータ5の軸方向にて静翼20のシュラウド35の一端側に設けられ、シール隙間52Aに向かって流れる流体に旋回成分を付与可能である。
上記構成では、シュラウド35に形成された複数の溝54の内端部58が径方向に対し傾斜して延びているので、簡単な構成にて、内端部58を流れる流体に旋回成分が付与される。
上記構成では、ロータ5の径方向に対する外端部56D,56Eの傾斜角度θaが内端部58D,58Eの傾斜角度θbよりも小さいので、流体が溝54D,54Eの外端部56D,56Eに流入しやすく、流入損失を低減することができる。一方で、径方向に対する内端部58D,58Eの傾斜角度θaが外端部56D,56Eの傾斜角よりも大きいので、溝54を流れる流体に大きな旋回成分を付与することができる。この結果、より多くの流体に大きな旋回成分を付与することができ、シール性能がより一層向上する。
上記構成では、溝54Aが真っ直ぐに伸びているので、容易に溝54Aを形成することができる。
上記構成では、溝54D,54Eが、ロータ5の径方向にて外側から内側に近付くにつれて、ロータ5の径方向から徐々に逸れるように湾曲して延びているので、溝54D,54Eを流れる流体に大きな旋回成分を付与することができる。
上記構成では、溝54A,54Dの幅Wが一定であるので、容易に溝54A,54Dを形成することができる。
上記構成では、幅が異なる部分を溝54Eが有するので、溝54Eを流れる流体に対し旋回成分を付与しながら、溝54における損失を低減することができる
上記構成では、複数の溝54Eの幅が徐々に狭くなることで、溝54Eを流れる流体の速度を増大させることができ、溝54Eを流れる流体に対しより強い旋回成分を付与することができる。
上記構成では、翼部60によって複数の溝54が形成されているので、溝54を流れる流体に対し旋回成分を付与しながら、溝54における損失を低減することができる。
上記構成では、複数の溝54Eの幅が徐々に狭くなりスロート部で最小になることで、溝54Eを流れる流体の速度を増大させることができ、溝54Eを流れる流体に対しより強い旋回成分を付与することができる。
上記構成では、ロータ5の径方向に対する前縁部62の傾斜角度θcが後縁部64の傾斜角度θdよりも小さいので、流体が溝54Eの外端部56Eに流入しやすく、流入損失を低減することができる。一方で、ロータ5の径方向に対する後縁部64の傾斜角度θdが前縁部62の傾斜角θcよりも大きいので、溝54Eを流れる流体に大きな旋回成分を付与することができる。この結果、より多くの流体に大きな旋回成分を付与することができ、シール性能がより一層向上する。
上記構成では、後縁部64の幅が小さいことで、ウエイクが低減され、流動損失が低減される。この結果、流体に大きな旋回成分を付与することができ、シール性能がより一層向上する。
上記構成では、シュラウド35の一端面の端面66が傾斜していることで、より大きな旋回成分を流体に付与することができる。
上記構成では、溝54Cが、相互に深さが異なる部分を有することで、流体に付与する旋回成分の大きさを調整することができる
また、幾つかの実施形態では、図3〜図5に示したように、溝54は、シュラウド35の端面66に開口している。
また例えば、シュラウド35はインテグラルシュラウドに限定されることはなく、ノズルダイヤフラムの一部を構成する内輪であってもよい。つまり、タービン1は、反動タービンに限定されることはなく、衝動タービンであってもよい。
更に例えば、タービン1は、中圧蒸気タービンに限定されることはなく、高圧や低圧の蒸気タービンであってもよい。また、タービン1は、単流式であってもよい。更に、タービン1は、ガスタービンであってもよく、作動流体は蒸気に限定されることはない。また更に、上述したシール装置は、タービン以外にも、圧縮機や軸端シールなど全ての回転機械に適用可能である。
3 ケーシング(車室)
3a 蒸気入口
3b 蒸気出口
5 ロータ
7 ラジアル軸受
9 動翼列
13 翼環
14 翼環
16 静翼列
18 内部流路
20 静翼
22 動翼
23 発電機
24 翼溝
26 翼根部
27 翼本体(翼プロフィル部)
28 シュラウド(チップシュラウド部)
30 シール部材
32 翼溝
33 翼根部
34 翼本体(翼プロフィル部)
35 シュラウド(ハブシュラウド部)
37 シール部材
38 ベース部
40 シール装置
42 段差面
44A,44B フィンシール
46 旋回成分付与部
50A,50B 区画
51 ステップ部
52A,52B シール隙間
53 空洞
54(54A,54B,54C,54D,54E) 溝
56(56A,56B,54C,56D,56E) 外端部
58(58A,58B,54C,58D,58E) 内端部
60 翼部
62 前縁部
64 後縁部
66 端面
MV 主渦
CV 剥離渦
θa,θb,θc,θd 傾斜角度
Claims (13)
- ケーシングと、
前記ケーシングの内部を延びるロータと、
前記ロータに固定され且つ前記ロータの周方向に配列された複数の動翼と、
前記ケーシングに対し固定され且つ前記ロータの周方向に配列された複数の静翼であって、翼本体、及び、前記翼本体に連なり、前記ロータの径方向にて前記ロータの外周面と隙間を存して対向するシュラウドをそれぞれ有する複数の静翼と、
前記隙間における流体の流れを制限可能なシール装置とを備え、
前記シール装置は、
前記ロータの径方向にて前記静翼のシュラウドと対向する前記ロータの外周面の領域に設けられるとともに前記流体の流れ方向にて上流を向き、前記外周面の領域を前記ロータの軸方向にて少なくとも2つの区画に区画する少なくとも1つの段差面と、
前記静翼から前記少なくとも2つの区画に向かってそれぞれ突出し、前記少なくとも2つの区画とシール隙間を存してそれぞれ対向する少なくとも2つのシールフィンと、
前記ロータの軸方向にて前記静翼のシュラウドの一端側に設けられ、前記シール隙間に向かって流れる流体に旋回成分を付与可能な旋回成分付与部と、
を有する
ことを特徴とするタービン。 - 前記旋回成分付与部は、前記シュラウドの一端側に形成され且つ前記ロータの周方向に配列された複数の溝によって構成され、
前記複数の溝の各々は、前記ロータの径方向にて外側に位置する外端部、及び、前記ロータの径方向にて内側に位置する内端部を有し
前記複数の溝の少なくとも前記内端部は、前記ロータの径方向に対し傾斜して延びている
ことを特徴とする請求項1に記載のタービン。 - 前記複数の溝の各々において、前記内端部は、前記ロータの回転方向にて前記外端部よりも前方に位置している
ことを特徴とする請求項2に記載のタービン。 - 前記複数の溝の各々において、前記ロータの径方向に対する前記内端部の傾斜角度は、前記ロータの径方向に対する前記外端部の傾斜角度よりも大である
ことを特徴とする請求項2乃至3の何れか1項に記載のタービン。 - 前記複数の溝の各々は、前記径方向に対し傾斜して真っ直ぐに延びている
ことを特徴とする請求項2乃至3の何れか1項に記載のタービン。 - 前記複数の溝の各々は、前記ロータの径方向にて外側から内側に近付くにつれて、前記ロータの径方向から徐々に逸れるように湾曲して延びている
ことを特徴とする請求項2乃至4の何れか1項に記載のタービン。 - 前記複数の溝の各々は一定の幅を有する
ことを特徴とする請求項2乃至6の何れか1項に記載のタービン。 - 前記複数の溝の各々は相互に幅が異なる部分を有する
ことを特徴とする請求項2乃至6の何れか1項に記載のタービン。 - 前記複数の溝は、前記シュラウドの一端側に形成され且つ前記ロータの周方向に配列された複数の翼部によって形成されている
ことを特徴とする請求項2に記載のタービン。 - 前記翼部は、前記ロータの径方向にて外側に位置する前縁部、及び、前記ロータの径方向にて内側に位置する後縁部を有し、
前記後縁部は、前記ロータの回転方向にて前記前縁部よりも前方に位置している
ことを特徴とする請求項9に記載のタービン。 - 前記翼部は、前記ロータの径方向にて外側に位置する前縁部、及び、前記ロータの径方向にて内側に位置する後縁部を有し、
前記ロータの径方向に対する前記後縁部の傾斜角度は、前記ロータの径方向に対する前記前縁部の傾斜角度よりも大である
ことを特徴とする請求項9又は10に記載のタービン。 - 前記シュラウドの一端側の端面は、前記ロータの径方向に対し傾斜している
ことを特徴とする請求項1乃至11の何れか1項に記載のタービン。 - 前記複数の溝の各々は、相互に深さが異なる部分を有する
ことを特徴とする請求項2乃至12の何れか1項に記載のタービン。
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