JP2017145813A - 回転機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】周方向に延びる静止側周面13を有する静止体と、静止側周面13と対向する回転側周面54を有する回転体と、を備え、静止側周面13と回転側周面54との一方が、軸線方向Daに延びる上流側周面54Aと、上流側周面54Aの下流側に位置して軸線方向に延びるとともに、上流側周面54Aよりも静止側周面13と回転側周面54との他方から後退する下流側周面54Bと、上流側周面54Aと下流側周面54Bとを接続して下流側Da2を向く後向きステップ面53と、を有し、上流側周面54Aとの間に微小隙間H1を形成する上流側シールフィン5Aと、下流側周面54Bとの間に微小隙間H2を形成する下流側シールフィン5Bと、をさらに備え、後向きステップ面53が、他方に向かうに従って下流側Da2に向かって延びて上流側周面54Aに接続された案内面55を有する回転機械を提供する。
【選択図】図3
Description
このような蒸気タービンのうち衝動タービンの場合は、蒸気(流体)の圧力エネルギーを静翼によって速度エネルギーに変換し、この速度エネルギーを動翼によって回転エネルギー(機械エネルギー)に変換している。また、反動タービンの場合は、動翼内でも圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、蒸気が噴出する反動力により回転エネルギー(機械エネルギー)に変換される。
このタービンでは、上流側から間隙に入り込んだ流体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(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流体の流量の低減化が図られている。
また、後向きステップ面が案内面を有することによって、下流側シールフィンと後向きステップ面との間に形成される剥離渦を強めることができる。これにより、剥離渦による微小隙間を通過する流体の縮流効果をさらに強化し、漏洩流体の流量をより低減することができる。
また、案内面及びシールフィンが傾斜して形成されていることによって、主渦がシールフィンに沿うように形成される。これにより、主渦を強めることができ、ひいては、剥離渦を強めることができる。
また、後向きステップ面が案内面を有することによって、下流側シールフィンと後向きステップ面との間に形成される剥離渦を強めることができる。これにより、剥離渦による微小隙間を通過する流体の縮流効果をさらに強化し、漏洩流体の流量をより低減することができる。
以下、本発明の第一の実施形態の回転機械である蒸気タービンについて図面を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態の蒸気タービン1は、静止体であるケーシング10と、ケーシング10の内方に軸線回り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体である回転軸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。
なお、以下の説明において、回転軸30の軸線Aが延びている方向を軸線方向Daとする。また、軸線Aに直交する方向を径方向Drとし、この径方向Drで軸線Aから遠ざかる側を径方向外側と言い、この径方向Drで軸線Aに近づく側を径方向内側という。また、軸線方向Daにおいて、図1の左側を上流側Da1、図1の右側を下流側Da2という。
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。
環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。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50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。
本実施形態のシュラウド51は、二つの段差が設けられていることによって、軸線方向Daに並ぶ三つのステップ部52を有している。ステップ部52は、最も上流側に配置されている第一ステップ部52Aと、最も下流側に配置されている第三ステップ部52Cと、第一ステップ部52Aと第三ステップ部52Cとの間に配置されている第二ステップ部52Bと、を有している。
三つのステップ部52の外径は、軸線方向Daの上流側から下流側に向かうにしたがって漸次小さくなるように設定されている。
三つのステップ部52に対向するように径方向内側に向く環状溝12の底部には、三つの環状凹部13(静止側周面)が軸線方向Daに並べて形成されている。三つの環状凹部13は、上流側Da1から下流側Da2に向かって、段差により漸次縮径している。
図3に示すように、第一ステップ部52Aは、軸線方向Daに延びる外周面54A(以下、上流側周面54Aと呼ぶ)を有している。第二ステップ部52Bは、軸線方向Daに延びる外周面54B(以下、下流側周面54Bと呼ぶ)を有している。下流側周面54Bは、上流側周面54Aの下流側に位置し、上流側周面54Aよりも環状凹部13より径方向Drにおいて後退している。換言すれば、下流側周面54Bは、上流側周面54Aよりも径方向内側に位置している。
上流側周面54A及び下流側周面54Bとは、軸線Aと同軸の円筒形状をなしている。
案内面55の周方向から見た断面形状において、軸線Aに直交する平面に対する案内面55の角度α1は、0°<α1≦30°とすることが好ましい。
1.5≦L/H2≦5.0 ・・・(1)
即ち、距離Lは、微小隙間H2の1.5倍から5.0倍程度に設定されている。L/H2=2.0とすることが最も好ましく、本実施形態のシール構造2Aは、L/H2=2.0とされている。
まず、図示しないボイラなどの蒸気S供給源から蒸気供給管20を介して、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。この際には、圧力エネルギーが静翼40によって速度エネルギーに変換され、静翼40を経た蒸気Sのうちの大部分が同一の段を構成する動翼50間に流入し、動翼50により蒸気Sの速度エネルギー・圧力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のうちの一部(例えば、数%)は、静翼40から流出した後、環状溝内(動翼50のシュラウド51とケーシング10の仕切板外輪11との間隙)に流入する、いわゆる、漏洩蒸気となる。
その際、上流側周面54Aと後向きステップ面53(案内面55)との角部(エッジ)において、主渦MV1から一部の流れが剥離されることで、後向きステップ面53と第二シールフィン5Bとの間の空間には、主渦MV1と反対の第二回転方向に回る剥離渦SV1が発生する。
以下、本発明の第二の実施形態のシール構造2Bについて図面を参照して詳細に説明する。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6に示すように、本実施形態のシール構造2Bのシールフィン6は、径方向内側(シュラウド51)に向かうに従って上流側Da1に向かうように傾斜している。即ち、シールフィン6の主面は、軸線Aと直交するように形成されておらず、下流側Da2に向かって漸次拡径するテーパ状に形成されている。換言すれば、シールフィン6は、シールフィン6の径方向外側が径方向内側よりも下流側となるように傾斜している。
10°≦β1≦25° ・・・(2)
10°≦β2≦25° ・・・(3)
0°<α2≦β2+30° ・・・(4)
以下、本発明の第三の実施形態のシール構造2Cについて図面を参照して詳細に説明する。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、本実施形態のシール構造2Cのシュラウド51は、軸線方向Daにおける中央部分が突出してステップ状に形成された中央ステップ部72を備えている。具体的には、シュラウド51Cの径方向外側の面は、ベース面74と、ベース面74よりも径方向外側に突出する中央ステップ面75(中央周面)と、を有している。
以下、中央ステップ部72よりも上流側のベース面74を第一ベース面74Aと呼び、中央ステップ部72よりも下流側のベース面74を第二ベース面74Bと呼ぶ。
具体的には、最も上流側の第一シールフィン7Aは、第一ベース面74Aに向けて突出している。第一シールフィン7Aの下流側に配置されている第二シールフィン7Bは、中央ステップ面75に向けて突出している。第二シールフィン7Bの下流側に配置されている第三シールフィン7Cは、第二ベース面74Bに向けて突出している。第二シールフィン7Bは、第一シールフィン7A及び第三シールフィン7Cよりも径方向Drの長さが短くなるように形成されている。
即ち、本実施形態の仕切板外輪11とシュラウド51Cとの間には、ステップ型のラビリンスシールであるシール構造2Cが設けられている。
中央ステップ面75と第二ベース面74Bとは、後向きステップ面76で接続されている。後向きステップ面76は、軸線方向Daの下流側Da2に向いている。
前向きステップ面73と第一ベース面74Aとを滑らかに接続する弧状部を設けてもよい。
10°≦β3≦25° ・・・(5)
10°≦β4≦25° ・・・(6)
0°<α3≦β3+30° ・・・(7)
1.5×H1≦S1≦D ・・・(8)
即ち、距離S1は、微小隙間H1の1.5倍以上に設定されているとともに、距離D以下に設定されている。
図8に示すように、第一シールフィン7Aと第一ベース面74Aとの間の微小隙間H1から流入した蒸気Sが、前向きステップ面73に衝突することで、キャビティC1に主渦MV3が発生する。
その際、案内面77と中央ステップ面75との角部において、主渦MV3から一部の流れが剥離されることで、剥離渦SV3が発生する。剥離渦SV3は、第一の実施形態の剥離渦SV1と同様に微小隙間H2を通って下流側Da2に流入する漏れ流れを低減する。
また、キャビティの径方向Drの幅Dを第一ベース面74Aからの中央ステップ面75の高さS1以上に設定することによって、第二シールフィン7Bと第三シールフィン7Cとの間の第二キャビティC2に形成される主渦MV4を大きくすることができる。これにより、微小隙間H2の下流側の圧力を高くすることができ、微小隙間H2から吹き抜ける蒸気Sを低減することができる。
例えば、上述の実施形態では、シールフィンを三つ設け、設け、これによってキャビティを二つ形成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、シールフィンやこれに対応するキャビティの数については任意であり、一つであっても、三つ、あるいは四つ以上であってもよい。
さらに、上述の実施形態では、シュラウド51にステップ部を形成するとともに、仕切板外輪11にシールフィンを設けた場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、シュラウド51にシールフィンを設けるとともに、仕切板外輪11にステップ部を設ける構成としてもよい。
また、静翼40の先端部にステップ部を形成するとともに、回転軸30にシールフィンを設ける構成としてもよい。また、静翼40の先端部にシールフィンを設けるとともに、回転軸30にステップ部を形成する構成としてもよい。
また、上述の実施形態では、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。
また、シール構造を回転翼が設けられていない箇所に適用してもよい。例えば、ケーシングと回転軸との間の間隙に本発明のシール構造を適用してもよい。
2A,2B,2C シール構造
5,6,7 シールフィン
5A,6A,7A 第一シールフィン
5B,6B,7B 第二シールフィン
5C,6C,7C 第三シールフィン
10 ケーシング
11 仕切板外輪
12 環状溝
13 環状凹部
14 ケーシング側端縁部
20 蒸気供給管
21 主流入口
22 蒸気排出管
30 回転軸
31 回転軸本体
40 静翼
50 動翼
51 シュラウド
52 ステップ部
52A 第一ステップ部
52B 第二ステップ部
52C 第三ステップ部
53 後向きステップ面
54 外周面
54A 上流側周面
54B 下流側周面
55 案内面
56 弧状部
57 フィン弧状部
60 軸受部
61 ジャーナル軸受装置
62 スラスト軸受装置
72 中央ステップ部
73 前向きステップ面
74 ベース面
75 中央ステップ面
76 後向きステップ面
A 軸線
C キャビティ
Da 軸線方向
Dr 径方向
H 微小隙間
S 蒸気
Claims (5)
- 軸線の周方向に延びる静止側周面を有する静止体と、
前記軸線回りに回転して前記静止側周面と対向する回転側周面を有する回転体と、を備え、
前記静止側周面と前記回転側周面との一方が、
前記軸線方向に延びる上流側周面と、
前記上流側周面における流体の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記上流側周面よりも前記静止側周面と前記回転側周面との他方から後退する下流側周面と、
前記上流側周面と前記下流側周面とを接続して前記下流側を向く後向きステップ面と、を有し、
前記他方から前記上流側周面に向かって延びて、前記上流側周面との間に微小隙間を形成する上流側シールフィンと、
前記他方から前記下流側周面に向かって延びて、前記下流側周面との間に微小隙間を形成する下流側シールフィンと、をさらに備え、
前記後向きステップ面が、前記他方に向かうに従って前記下流側に向かって延びて前記上流側周面に接続された案内面を有する回転機械。 - 前記上流側シールフィン及び前記下流側シールフィンは、前記一方側に向かうに従って前記上流側に向かうように傾斜している請求項1に記載の回転機械。
- 前記後向きステップ面と前記下流側周面とを滑らかに接続する弧状部を有する請求項1又は請求項2に記載の回転機械。
- 前記上流側シールフィン及び前記下流側シールフィンと前記他方とを滑らかに接続するフィン弧状部を有する請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の回転機械。
- 軸線の周方向に延びる静止側周面を有する静止体と、
前記軸線回りに回転して前記静止側周面と対向する回転側周面を有する回転体と、を備え、
前記静止側周面と前記回転側周面との一方が、
前記軸線方向に延びる上流側周面と、
前記上流側周面における作動流体の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記上流側周面よりも前記静止側周面と前記回転側周面との他方へ突出する中央周面と、
前記中央周面の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記中央周面よりも前記他方から後退する下流側周面と、
前記上流側周面と前記中央周面とを接続して前記上流側を向く前向きステップ面と、を有し、
前記他方から前記上流側周面に向かって延びて、前記上流側周面との間に微小隙間を形成する上流側シールフィンと、
前記他方から前記中央周面に向かって延びて、前記中央周面との間に微小隙間を形成する中央シールフィンと、
前記他方から前記下流側周面に向かって延びて、前記下流側周面との間に微小隙間を形成する下流側シールフィンと、
をさらに備え、
前記前向きステップ面が、前記他方に向かうに従って前記下流側に向かって傾斜して前記中央周面に接続された案内面を有し、
前記上流側シールフィンと前記中央シールフィンと前記下流側シールフィンとは、前記一方側に向かうに従って上流側に向かうように傾斜している回転機械。
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