JP2018066365A

JP2018066365A - 回転機械

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Publication number: JP2018066365A
Application number: JP2016207166A
Authority: JP
Inventors: 上地　英之; Hideyuki Uechi; 英之上地; 椙下　秀昭; Hideaki Sugishita; 秀昭椙下; 卓美松村; Takumi Matsumura; 涼繪上; Ryo EGAMI
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2018-04-26
Anticipated expiration: 2036-10-21
Also published as: JP6821386B2

Abstract

【課題】ロータ側とケーシング側との間のクリアランスを適切な値に設定することができる回転機械を提供する。【解決手段】回転機械１００は、軸線Ａに沿って延び、軸線Ａ回りに回転するロータ１と、ロータ１を外周側から覆うことで、ロータ１との間に流体が流通する主流路Ｍを形成するとともに、内部に中空状のキャビティ６が形成されたケーシング３と、キャビティ６内に設けられて、相変化を生じることで流体との間で潜熱の授受を行う潜熱蓄熱部７と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、回転機械に関する。

回転機械の一例として蒸気タービンは、軸線を中心として回転するロータと、このロータを覆うケーシングとを備えている。ロータは、軸線を中心として軸方向に延びるロータ軸の周りに複数配置された動翼を有する。ケーシングには、動翼の上流側でロータ周りに複数配置された静翼が設けられている。

例えば特許文献１には、静翼が取り付けられる内側ケーシングと、内側ケーシングを外側から覆う外側ケーシングとを有する蒸気タービンが記載されている。この蒸気タービンでは、外側ケーシングと内側ケーシングとの間に、内側ケーシングとロータとの間の作動蒸気流路を流れた作動蒸気を流通させる流路が形成されている。これにより、外側ケーシング及び内側ケーシングが、流路を流れる作動蒸気によって冷却される。

特開２０００−３５６１４０号公報

ところで、上記のように外側ケーシングと内側ケーシングとの間に蒸気の流通する流路を形成する場合であっても、蒸気タービンの運転状況によっては、動翼の先端と内側ケーシングの内周面とのクリアランスや静翼の先端とロータとのクリアランスが不用意に狭まってしまう可能性がある。また当該問題は、蒸気タービンのみならず、ガスタービン等の他の回転機械でも同様に起こり得る。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ロータ側とケーシング側との間のクリアランスを適切な値に設定することができる回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様に係る回転機械は、軸線に沿って延び、該軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から覆うことで、該ロータとの間に流体が流通する主流路を形成するとともに、内部に中空状のキャビティが形成されたケーシングと、前記キャビティ内に設けられて、相変化を生じることで前記流体との間で潜熱の授受を行う潜熱蓄熱部と、を備える。

この構成によれば、潜熱蓄熱部は、相変化に伴って、自身に蓄えられた潜熱を放出する。したがって、蒸気タービンを停止するに当たっては、潜熱蓄熱部が設けられていない場合に比べて、ケーシングからの見かけ上の熱放出（温度低下）を緩やかにすることができる。つまり、ロータとケーシングの熱収縮量の差を小さくすることができる。これにより、クリアランスが急速に縮小してしまう虞を低減することができる。
さらに、蒸気タービンを起動する場合（特に、ロータ、ケーシングの温度が常温まで下がり切っていない状態から起動する場合：ｗａｒｍ／ｈｏｔ起動時）には、前回停止時からのケーシングの熱収縮が小さく抑えられていることから、起動に伴ってロータが熱伸びを始めても、ロータとケーシングとの間のクリアランスを十分に確保することができる。

本発明の第二の態様に係る回転機械は、前記ケーシングを加熱することで、該ケーシングに熱伸びを生じさせる加熱部を有してもよい。

この構成によれば、加熱部によってケーシングを加熱することにより、ケーシングの温度を高めて膨張させ、蒸気タービンの停止時や起動時におけるクリアランスの過度な縮小を抑えることができる。

本発明の第三の態様に係る回転機械は、前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数の前記潜熱蓄熱部を有し、該軸線の一方側にある前記潜熱蓄熱部になるほど、融点が高くなってもよい。

ここで、一般的な蒸気タービンでは、上流側から下流側（軸線方向の一方側から他方側）に向かうにしたがって、車室内を流通する蒸気の温度が次第に低くなる。これに応じて、ロータ及びケーシングの熱伸びの量も、上流側から下流側に向かうにしたがって次第に小さくなる。言い換えると、上流側に向かうほど、クリアランスの変化が大きくなり、下流側に向かうほど、クリアランスの変化が小さくなる。
上記の構成によれば、上流側にある潜熱蓄熱部になるほど、融点が高くなっている。すなわち、上流側にある潜熱蓄熱部になるほど、車室内を流通する蒸気の温度に応じた高い温度で潜熱を放出する。したがって、例えば蒸気タービンの停止時には、相対的に車室内を流通する蒸気の温度が高い上流側の潜熱蓄熱部が、下流側の潜熱蓄熱部に比べてより高い温度で潜熱を放出する。これにより、ケーシング上における軸線方向の位置に応じて、適切な温度で潜熱を放出することができる。つまり、ロータとケーシングの熱収縮量の差を小さくすることができる。これにより、ロータとケーシングとの間のクリアランスが急速に縮小してしまう虞を低減することができる。

本発明の第四の態様に係る回転機械は、前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数の前記潜熱蓄熱部を有し、該軸線の一方側にある前記潜熱蓄熱部になるほど、融点が低くなってもよい。

ここで、例えば回転機械として圧縮機を用いた場合、上流側から下流側（軸線方向の一方側から他方側）に向かうにしたがって、車室内を流通する流体の温度が次第に高くなる。これに応じて、ロータ及びケーシングの熱伸びの量も、上流側から下流側に向かうにしたがって次第に大きくなる。言い換えると、上流側に向かうほど、クリアランスの変化が小さくなり、下流側に向かうほど、クリアランスの変化が大きくなる。
上記の構成によれば、下流側にある潜熱蓄熱部になるほど、車室内を流通する流体の温度に応じた高い温度で潜熱を放出することができる。したがって、例えば圧縮機の停止時には、相対的に車室内を流通する流体の温度が高い下流側の潜熱蓄熱部が、上流側の潜熱蓄熱部に比べてより高い温度で潜熱を放出する。これにより、ケーシング上における軸線方向の位置に応じて、適切な温度で潜熱を放出することができる。つまり、ロータとケーシングの熱収縮量の差を小さくすることができる。これにより、ロータとケーシングとの間のクリアランスが急速に縮小してしまう虞を低減することができる。

本発明の第五の態様に係る回転機械は、前記軸線の周方向に間隔をあけて設けられた複数の前記潜熱蓄熱部を有してもよい。

この構成によれば、周方向におけるクリアランスの偏在化を抑制することができる。

本発明の第六の態様に係る回転機械は、前記キャビティの内面から該キャビティの内側に向かって突出する複数の突起部が設けられていてもよい。

この構成によれば、突起部の表面積の分だけ、潜熱蓄熱部とケーシングとの接触面積を増やすことができる。つまり、ケーシングと潜熱蓄熱部との間における熱の伝達をさらに促進することができる。加えて、潜熱蓄熱部が溶融してキャビティ内で偏ってしまった場合であっても、突起部が設けられていることにより、ケーシングと潜熱蓄熱部との間で十分に熱の授受を行うことができる。

本発明の第七の態様に係る回転機械は、軸線に沿って延び、該軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から覆うことで、該ロータとの間に流体が流通する主流路を形成するとともに、内部に中空状のキャビティが形成されたケーシングと、前記キャビティ内に設けられて、熱反応を生じることで該流体との間で潜熱の授受を行う化学蓄熱部と、を備える。ここで、潜熱とは融解熱、凝固熱、蒸発熱、凝縮熱に限らず、化学反応に伴う反応熱も含めて呼ぶこととする。

この構成によれば、化学蓄熱部は熱反応を生じる物質で形成されていることから、当該熱反応に伴って、自身に蓄えられた潜熱を放出する。したがって、蒸気タービンを停止するに当たっては、化学蓄熱部が設けられていない場合に比べて、ケーシングからの見かけ上の熱放出（温度低下）を緩やかにすることができる。つまり、ロータとケーシングの熱収縮量の差を小さくすることができる。これにより、上述のクリアランスが急速に縮小してしまう虞を低減することができる。
さらに、蒸気タービンを起動する場合（特に、ロータ、ケーシングの温度が常温まで下がり切っていない状態から起動する場合：ｗａｒｍ／ｈｏｔ起動時）には、前回停止時からのケーシングの熱収縮が小さく抑えられていることから、起動に伴ってロータが熱伸びを始めても、ロータとケーシングとの間のクリアランスを十分に確保することができる。

本発明の第八の態様に係る回転機械では、前記化学蓄熱部は、水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムの少なくとも一方を含み、前記ケーシングには、一端が前記キャビティに接続されて、前記化学蓄熱部に水を供給する供給流路が形成されていてもよい。

この構成によれば、化学蓄熱部が水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムの少なくとも一方を含むことから、水の供給によって発熱／吸熱を伴う熱反応を生じさせることができる。さらに、供給流路を通じて化学蓄熱部に水が供給されることで、当該化学蓄熱部の熱反応を促進することができる。

本発明の第九の態様に係る回転機械では、前記供給流路の他端は、前記主流路に接続され、該主流路を流通する前記流体を、前記供給流路を通じて前記化学蓄熱部に供給してもよい。

この構成によれば、主流路中の蒸気（水）が化学蓄熱部に導かれることから、水の供給源を他に設けることなく、化学蓄熱部の熱反応を生じさせることができる。加えて、高温高圧の蒸気を主流路中から化学蓄熱部に導くことから、その圧力によって熱反応を促進することができる。

本発明の第十の態様に係る回転機械では、前記ケーシングには、一端が前記キャビティに接続されるとともに他端が前記主流路に接続されて、前記化学蓄熱部の前記熱反応によって生じた水蒸気を該主流路に戻す還流路が形成されていてもよい。

この構成によれば、化学蓄熱部の熱反応によって生じた水を還流路によって再び主流路中に戻すことができる。これにより、水を外部に排出するための装置を不要とすることができる。

本発明の第十一の態様に係る回転機械では、前記化学蓄熱部は炭酸マグネシウムを含み、前記ケーシングには、一端が前記キャビティに接続されて、前記化学蓄熱部に二酸化炭素を供給するＣＯ２供給流路が形成されていてもよい。

この構成によれば、ＣＯ２供給流路を通じて、キャビティ内の化学蓄熱部に対して二酸化炭素が供給され、当該化学蓄熱部に発熱反応を生じさせることができる。反対に、化学蓄熱部に熱が加えられた場合には、その熱を化学蓄熱部に吸収させることができる。

本発明の第十二の態様に係る回転機械は、前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数の前記化学蓄熱部を有してもよい。

この構成によれば、化学蓄熱部が軸線方向に間隔をあけて複数設けられていることにより、当該軸線方向におけるケーシングの温度分布の偏りを抑制することができる。

本発明の第十三の態様に係る回転機械で、前記軸線の周方向に間隔をあけて設けられた複数の前記化学蓄熱部を有してもよい。

本発明の第十四の態様に係る回転機械では、前記キャビティの内面から該キャビティの内側に向かって突出する複数の突起部が設けられていてもよい。

この構成によれば、突起部の表面積の分だけ、化学蓄熱部とケーシングとの接触面積を増やすことができる。つまり、ケーシングと化学蓄熱部との間における熱の伝達をさらに促進することができる。

本発明の回転機械によれば、ロータ側とケーシング側との間のクリアランスを適切な値に設定することができる。

本発明の実施形態に係る回転機械（蒸気タービン）の構成を示す模式図である。本発明の第一実施形態に係る回転機械の要部拡大図である。本発明の第一実施形態に係る回転機械の変形例を示す要部拡大図である。本発明の第二実施形態に係る回転機械の要部拡大図である。本発明の第二実施形態に係る回転機械の製造工程（素体準備工程）を示す図である。本発明の第二実施形態に係る回転機械の製造工程（切削工程）を示す図である。本発明の第二実施形態に係る回転機械の製造工程（充填工程）を示す図である。本発明の第二実施形態に係る回転機械の製造工程（蓋体取付工程）を示す図である。本発明の第三実施形態に係る回転機械の要部拡大図である。本発明の第三実施形態に係る回転機械の変形例を示す要部拡大図である。本発明の第四実施形態に係る回転機械の要部拡大図である。本発明の第五実施形態に係る回転機械の要部拡大図である。本発明の第五実施形態に係る回転機械の変形例を示す要部拡大図である。本発明の実施形態に係る回転機械（ガスタービン）の構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係る回転機械（高中圧車室一体型の蒸気タービン）の構成を示す模式図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００（回転機械）は、軸線Ａに沿って延びるロータ１と、このロータ１を軸線Ａ回りに回転可能に支持する軸受装置２と、ロータ１を外周側から覆うケーシング３と、を備えている。

ロータ１は、軸線Ａ方向に延びる柱状のロータ本体１１と、ロータ本体１１の外周面上に設けられた複数の動翼段１２と、を有している。動翼段１２は、ロータ本体１１の外周面上で、軸線Ａ方向に間隔をあけて複数設けられている。詳しくは図示しないが、それぞれの動翼段１２は、軸線Ａの周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼を有している。

上記のように構成されたロータ１は、軸線Ａ方向の両端部で、軸受装置２によって支持されている。本実施形態では、軸受装置２は、一対のジャーナル軸受２１と、１つのスラスト軸受２２と、を有している。各ジャーナル軸受２１は、荷重を軸線Ａの径方向から支持する装置であり、ロータ１の軸線Ａ方向両側に１つずつ設けられている。スラスト軸受２２は、荷重を軸線Ａ方向から支持する装置であり、ロータ１の軸線Ａ方向一方側のみに１つ設けられている。

ケーシング３は、ロータ１を外周側から覆う略筒状をなしている。ケーシング３の内周面３Ｓには、複数の静翼段３１が軸線Ａ方向に間隔をあけて設けられている。これら静翼段３１は、上述の動翼段１２と軸線Ａ方向に互い違いになるように配列されている。詳しくは図示しないが、それぞれの静翼段３１は、軸線Ａの周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼を有している。

ケーシング３の内側に形成された空間は、不図示の蒸気発生源から吸気口４を通じて導かれた高温高圧の蒸気Ｓ（流体）が流通する車室（主流路Ｍ）とされている。車室内に導かれた蒸気Ｓは、軸線Ａ方向の一方側から他方側に向かうにつれて、動翼段１２と静翼段３１とに交互に衝突することで、ロータ１に回転力を与えた後、排気口５から外部に排出される。ロータ１の回転運動は、例えば軸端に接続された発電機等によって取り出され、利用に供される。なお、ロータ１の円滑な回転を確保するため、ケーシング３の内周面３Ｓと、動翼の先端部（軸線Ａに対する径方向外側の端部：チップ１２Ｃ）との間には、予め定められたわずかなクリアランス（隙間）が形成されている。

さらに図２に示すように、本実施形態では、ケーシング３のうち、上記した動翼段１２が設けられる領域と対応する領域には、中空状のキャビティ６が形成されている。より具体的には、このキャビティ６は、ケーシング３の内部に形成された空間であり、本実施形態では、軸線Ａ方向の一方側から他方側に向かって連続して延びている。つまり、このキャビティ６は、軸線Ａを中心とする円筒状をなしている。キャビティ６の内側をなす各面のうち、軸線Ａに対する径方向内側に位置する面はキャビティ内周面６１とされ、このキャビティ内周面６１と径方向に対向する面はキャビティ外周面６２とされている。さらに、これらキャビティ内周面６１とキャビティ外周面６２とを軸線Ａの径方向に接続する一対の面はキャビティ端面６３とされている。

キャビティ６の内部には、蒸気タービン１００の起動停止に際してケーシング３の熱容量を調節するための潜熱蓄熱部７が設けられている。ケーシング３は、ロータ１に比べて熱容量が小さいことから、熱しやすく冷めやすい。このため、蒸気タービン１００の起動と停止に際しては、ロータ１・ケーシング３両者の間で、熱伸び量に差が生じてしまい、上述した動翼とケーシング３との間のクリアランスに変化が生じる場合がある。潜熱蓄熱部７は、ケーシング３の熱容量を大きく確保するために設けられるものである。

本実施形態に係る潜熱蓄熱部７は、相変化を生じることで蒸気Ｓとの間で潜熱の授受を行う。潜熱蓄熱部７は、より具体的には、潜熱蓄熱部７は、錫を含むはんだや、鉛、亜鉛を含む合金、溶融塩によって一体に形成されている。キャビティ６内には、このような潜熱蓄熱部７が隙間なく充填されている。つまり、潜熱蓄熱部７は、上記のキャビティ外周面６２、キャビティ内周面６１、及び一対のキャビティ端面６３によって囲まれている。車室内を流れる蒸気Ｓの熱は、これらの面を介してキャビティ６内の潜熱蓄熱部７に達することが可能とされている。言い換えると、潜熱蓄熱部７と、主流路Ｍとは熱的に接続されている。

続いて、本実施形態に係る蒸気タービン１００の動作について、特に停止時と起動時におけるロータ１とケーシング３の挙動に着目して説明する。まず、蒸気タービン１００の運転中には、ロータ１、ケーシング３ともに、車室内を流通する高温高圧の蒸気Ｓによって加熱され、高温となっている。この状態では、ロータ１、ケーシング３ともに熱伸びを生じており、かつ上記クリアランスの大きさは予め定められた値となっている。

一方で、蒸気タービン１００を停止する（すなわち、蒸気Ｓの供給を停止する）と、ロータ１よりも熱容量の小さなケーシング３では、ロータ１よりも早い温度低下が生じる。つまり、ケーシング３は、ロータ１よりも早く収縮する。この状態が続いた場合、ケーシング３の内周面３Ｓとロータ１（動翼）とが接触してしまう、ピンチと呼ばれる現象が生じる可能性がある。ピンチが生じた場合、蒸気タービン１００の安定的な運転に支障を来す虞がある。

しかしながら、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、ケーシング３の内部（キャビティ６内）に潜熱蓄熱部７が設けられている。潜熱蓄熱部７には、蒸気タービン１００の運転中に車室を流通する蒸気Ｓの熱量が潜熱として蓄えられている。さらに、潜熱蓄熱部７は上述のように相変化する物質で形成されていることから、相変化（凝固・溶解）に伴って、自身に蓄えられた潜熱を放出する。したがって、蒸気タービン１００を停止するに当たっては、潜熱蓄熱部７が設けられていない場合に比べて、ケーシング３からの見かけ上の熱放出（温度低下）を緩やかにすることができる。つまり、ロータ１とケーシング３の熱収縮量の差を小さくすることができる。これにより、上述のクリアランスが急速に縮小してしまう虞を低減することができる。すなわち、ピンチ等の現象が発生する可能性を低減することができるため、蒸気タービン１００をより安定的に運転することができる。

さらに、蒸気タービン１００を起動する場合（特に、ロータ１、ケーシング３の温度が常温まで下がり切っていない状態から起動する場合：ｗａｒｍ／ｈｏｔ起動時）には、前回停止時からのケーシング３の熱収縮が小さく抑えられていることから、起動に伴ってロータ１が熱伸びを始めても、ロータ１とケーシング３との間のクリアランスを十分に確保することができる。すなわち、ピンチ等の現象が発生する可能性を低減することができるため、蒸気タービン１００をより安定的に運転することができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、上記実施形態は一例であり、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更を施すことが可能である。例えば、図３に示すように、ケーシング３の外周面に、ケーシング３自身を加熱する加熱部８をさらに設けることも可能である。加熱部８としては、電気の供給により発熱する電熱線や、外部から供給される熱媒体を用いたヒータ等が具体的に挙げられる。このような構成によれば、加熱部８によってケーシング３を加熱することにより、上述した潜熱蓄熱部７による熱容量の増大に加えて、さらにケーシングの温度を上昇させることによって、ケーシングを膨張させることができる。すなわち、蒸気タービン１００の停止時や起動時におけるクリアランスの過度な縮小を抑えることができる。特に、起動前に予め加熱し、蓄熱体を融点以上まで加熱し、溶融させておくと、起動途中に融解熱を取られることにより、ケーシングの温度上昇が抑制されず、ケーシングを滞りなく膨張させ、クリアランスの過度な縮小をより効果的に抑えることができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、本実施形態における蒸気タービン１００では、ケーシング２０３及び潜熱蓄熱部２０７の構成が上記第一実施形態におけるケーシング３及び潜熱蓄熱部７と異なっている。より詳細には、本実施形態では、ケーシング２０３には、軸線Ａ方向に間隔をあけて配列された複数のキャビティ２０６が形成されている。互いに隣接するキャビティ２０６同士の間には、軸線Ａの径方向に延びる隔壁Ｗが設けられている。

これら複数のキャビティ２０６には、それぞれ潜熱蓄熱部２０７が設けられている。各潜熱蓄熱部２０７は、第一実施形態と同様の材質によって形成されている。一方で、各潜熱蓄熱部２０７同士では、その組成が互いに異なっており、軸線Ａ方向一方側にある潜熱蓄熱部２０７になるほど、融点が高くなっている。より具体的には、一例として潜熱蓄熱部２０７をはんだ合金によって形成した場合であれば、主成分である錫の含有率を各潜熱蓄熱部２０７同士の間で違えることにより、互いに異なる融点を有する潜熱蓄熱部２０７を得ることができる。

ここで、一般的な蒸気タービンでは、上流側から下流側（軸線Ａ方向の一方側から他方側）に向かうにしたがって、車室内を流通する蒸気Ｓの温度が次第に低くなる。これに応じて、ロータ２０１及びケーシング２０３の熱伸びの量も、上流側から下流側に向かうにしたがって次第に小さくなる。言い換えると、上流側に向かうほど、クリアランスの変化が大きくなり、下流側に向かうほど、クリアランスの変化が小さくなる。

本実施形態に係る構成によれば、上流側にある潜熱蓄熱部２０７になるほど、融点が高くなっている。すなわち、上流側にある潜熱蓄熱部２０７になるほど、車室内を流通する蒸気の温度に応じた高い温度で潜熱を放出する。したがって、例えば蒸気タービン１００の停止時には、相対的に車室内を流通する蒸気の温度が高い上流側の潜熱蓄熱部２０７が、下流側の潜熱蓄熱部２０７に比べてより高い温度で潜熱を放出する。これにより、ケーシング２０３上における軸線Ａ方向の位置に応じて、適切な温度で潜熱を放出することができる。つまり、ロータ２０１とケーシング２０３の熱収縮量の差を小さくすることができる。これにより、上述のクリアランスが急速に縮小してしまう虞を低減することができる。すなわち、ピンチ等の現象が発生する可能性を低減することができるため、蒸気タービン１００をより安定的に運転することができる。

なお、本実施形態に係る蒸気タービン１００（特に、ケーシング２０３）を製造するに当たっては以下のような方法が取られる。まず、図５に示すように、鋳造等によって一体に形成されたケーシング２０３の素体Ｂを得る（素体準備工程）。この素体Ｂの外周側には、複数の溝部Ｒが形成されている。それぞれの溝部Ｒは、キャビティ２０６を画成するキャビティ端面２６３、キャビティ内周面２６１によって画成されている。続いて、図６に示すように、隔壁Ｗの外周側端部に、後述する蓋体Ｌを取り付けるためのざぐり部Ｃが形成される（切削工程）。ざぐり部Ｃは、隔壁Ｗの外周側端部を軸線Ａ方向の両側から切削加工することによって形成される。これにより、外周側端部は、隔壁Ｗの他の部分に比べて軸線Ａ方向の寸法が小さい尖頭状をなす。

次に、図７に示すように、潜熱蓄熱部２０７をそれぞれの溝部Ｒに潜熱蓄熱部２０７を隙間なく配置する（充填工程）。このとき、潜熱蓄熱部２０７は固体であることが望ましい。最後に、図８に示すように、各溝部Ｒに対して外周側から蓋体Ｌが取り付けられる（蓋体取付工程）。蓋体Ｌの内周側の面はキャビティ外周面２６２をなしている。これにより、ケーシング２０３が完成する。

なお、上記第二実施形態では、複数の潜熱蓄熱部２０７が軸線Ａ方向に間隔をあけて配列されている例について説明した。しかしながら、潜熱蓄熱部２０７の構成は上記に限定されず、例えば、軸線Ａの周方向に複数に分割されていてもよい。このような構成によれば、周方向におけるクリアランスの偏在化を抑制することができる。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について、図９，図１０を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図９に示すように、本実施形態に係るキャビティ３０６の内面（キャビティ内周面３６１）には、複数の突起部３０９が配列されている。これらの突起部３０９は、キャビティ内周面３６１上で、軸線Ａ方向、及び軸線Ａの周方向に互いに間隔をあけて格子状に配列されている。

各突起部３０９は、軸線Ａの径方向から見て円形の断面を有するとともに、キャビティ内周面３６１から外周側に向かうにしたがって次第に先細りとなるように突出している。さらに、突起部３０９の先端部（外周側の端部）と、キャビティ外周面３６２との間には間隙が設けられている。すなわち、突起部３０９の先端部はキャビティ外周面３６２と接していない。なお、突起部３０９は、ケーシング３０３に対して一体に設けられている。すなわち、ケーシング３０３と突起部３０９とは熱的に接続されている。

このような構成によれば、突起部３０９の表面積の分だけ、潜熱蓄熱部３０７とケーシング３０３との接触面積を増やすことができる。つまり、ケーシング３０３と潜熱蓄熱部３０７との間における熱の伝達をさらに促進することができる。加えて、潜熱蓄熱部３０７が溶融してキャビティ３０６内で偏ってしまった場合であっても、突起部３０９が設けられていることにより、ケーシング３０３と潜熱蓄熱部３０７との間で十分に熱の授受を行うことができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。しかしながら、上記実施形態は一例であり、ケーシング３０３と潜熱蓄熱部３０７との接触面積を増やすことができる限りにおいては、突起部３０９の形状は上記に限定されない。例えば図１０に示すように、突起部３１０として、キャビティ内周面３６１上で互いに交差する複数のフィンを設けてもよい。このような構成によっても、突起部３１０の表面積の分だけ、潜熱蓄熱部３０７とケーシング３０３との接触面積を増やすことができる。

［第四実施形態］
続いて、本発明の第四実施形態について、図１１を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るケーシング４０３のキャビティ４０６内には、上述した潜熱蓄熱部７とは異なる化学蓄熱部４０７が設けられている。

化学蓄熱部４０７は、熱反応（吸熱・発熱を伴う化学反応）を生じる物質によって形成されている。具体的には、化学蓄熱部４０７としては、水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムの少なくとも一方を含む化学物質が好適に用いられる。これらの化学種は、それぞれ下記の式（１），式（２）に示すような熱反応を生じることが知られている。
Ｃａ（ＯＨ）_２ ⇔ ＣａＯ＋Ｈ_２Ｏ・・・（１）
Ｍｇ（ＯＨ）_２ ⇔ ＭｇＯ＋Ｈ_２Ｏ・・・（２）

式（１）に示すように、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）は、熱が加えられると、その熱を吸収するとともに、酸化カルシウム（ＣａＯ）と水とに分解する。つまり、吸熱反応を生じる。反対に、酸化カルシウムに水を加えると、熱を放出するとともに、水酸化カルシウムとなる。つまり、発熱反応を生じる。

上記のような化学特性を利用することで、本実施形態ではケーシング４０３と車室内を流通する蒸気Ｓとの間で熱の授受が行われる。より具体的には、ケーシング４０３には、化学蓄熱部４０７と水タンク（不図示）との間で水を授受する供給流路４１１、及び排出流路４１２が形成されている。供給流路４１１の一端はキャビティ４０６に接続されるとともに、他端は水タンクに接続されている。同様に、排出流路４１２の一端はキャビティ４０６の他の部分に接続されるとともに、他端は水タンクに接続されている。

供給流路４１１を通じて、キャビティ４０６内の化学蓄熱部４０７に対して水が供給され、上記式（１）、及び式（２）に準じた発熱反応が生じる。反対に、化学蓄熱部４０７に熱が加えられた場合には、その熱を化学蓄熱部４０７が吸収する（吸熱反応が生じる）。

続いて、本実施形態に係る蒸気タービン１００の動作について、特に停止時と起動時におけるロータ４０１とケーシング４０３の挙動に着目して説明する。まず、蒸気タービン１００の運転中には、ロータ４０１、ケーシング４０３ともに、車室内を流通する高温高圧の蒸気Ｓによって加熱され、高温となっている。この状態では、ロータ４０１、ケーシング４０３ともに熱伸びを生じており、かつ上記クリアランスの大きさは予め定められた値となっている。

一方で、蒸気タービン１００を停止する（すなわち、蒸気Ｓの供給を停止する）と、ロータ４０１よりも熱容量の小さなケーシング４０３では、ロータ４０１よりも早い温度低下が生じる。つまり、ケーシング４０３は、ロータ４０１よりも早く収縮する。この状態が続いた場合、ケーシング４０３の内周面とロータ４０１（動翼）とが接触してしまう、ピンチと呼ばれる現象が生じる可能性がある。ピンチが生じた場合、蒸気タービン１００の安定的な運転に支障を来す虞がある。

しかしながら、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、ケーシング４０３の内部（キャビティ４０６内）に化学蓄熱部４０７が設けられている。化学蓄熱部４０７には、蒸気タービン１００の運転中に車室を流通する蒸気Ｓの熱量が潜熱として蓄えられている。さらに、化学蓄熱部４０７は上述のように熱反応を生じる物質で形成されていることから、当該熱反応に伴って、自身に蓄えられた潜熱を放出する。したがって、蒸気タービン１００を停止するに当たっては、化学蓄熱部４０７が設けられていない場合に比べて、ケーシング４０３からの見かけ上の熱放出（温度低下）を緩やかにすることができる。つまり、ロータ４０１とケーシング４０３の熱収縮量の差を小さくすることができる。これにより、上述のクリアランスが急速に縮小してしまう虞を低減することができる。すなわち、ピンチ等の現象が発生する可能性を低減することができるため、蒸気タービン１００をより安定的に運転することができる。

さらに、蒸気タービン１００を起動する場合（特に、ロータ４０１、ケーシング４０３の温度が常温まで下がり切っていない状態から起動する場合：ｗａｒｍ／ｈｏｔ起動時）には、前回停止時からのケーシング４０３の熱収縮が小さく抑えられていることから、起動に伴ってロータ４０１が熱伸びを始めても、ロータ４０１とケーシング４０３との間のクリアランスを十分に確保することができる。すなわち、ピンチ等の現象が発生する可能性を低減することができるため、蒸気タービン１００をより安定的に運転することができる。

以上、本発明の第四実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて上記構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、化学蓄熱部４０７として、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウムの少なくとも一方を用いた例について説明した。しかしながら、化学蓄熱部４０７としてはこれら化学種に限定されず、炭酸マグネシウムを化学蓄熱部４０７として用いることも可能である。

炭酸マグネシウムは、下記の式（３）に示すような熱反応を生じることが知られている。
Ｍｇ（ＣＯ）_３ ⇔ ＭｇＯ＋ＣＯ_２・・・（３）

式（３）に示すように、炭酸マグネシウム（Ｍｇ（ＣＯ）_３）は、熱が加えられると、その熱を吸収するとともに、酸化マグネシウム（ＣａＯ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）とに分解する。つまり、吸熱反応を生じる。反対に、酸化マグネシウムに二酸化炭素を加えると、熱を放出するとともに、炭酸マグネシウムとなる。つまり、発熱反応を生じる。

上記のような化学特性を利用することで、ケーシング４０３と車室内を流通する蒸気Ｓとの間で熱の授受が行われる。より具体的には、ケーシング４０３には、化学蓄熱部４０７とＣＯ２タンク（不図示）との間で二酸化炭素を授受するＣＯ２供給流路４１３、及びＣＯ２排出流路４１４が形成されている。ＣＯ２供給流路４１３の一端はキャビティ４０６に接続されるとともに、他端はＣＯ２タンクに接続されている。同様に、ＣＯ２排出流路４１４の一端はキャビティ４０６の他の部分に接続されるとともに、他端はＣＯ２タンクに接続されている。

ＣＯ２供給流路４１３を通じて、キャビティ４０６内の化学蓄熱部４０７に対して二酸化炭素が供給され、上記式（３）に準じた発熱反応が生じる。反対に、化学蓄熱部４０７に熱が加えられた場合には、その熱を化学蓄熱部４０７が吸収する（吸熱反応が生じる）。このような構成によっても、上記第四実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、上記第四実施形態では、複数の化学蓄熱部４０７が軸線Ａ方向に間隔をあけて配列されている例について説明した。しかしながら、化学蓄熱部４０７の構成は上記に限定されず、例えば、軸線Ａの周方向に複数に分割されていてもよい。このような構成によれば、周方向におけるクリアランスの偏在化を抑制することができる。

［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について、図１２を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、ケーシング５０３内部のキャビティ５０６に化学蓄熱部４０７が設けられている。キャビティ５０６には、一端が当該キャビティ５０６に接続されるとともに、他端が上述の主流路Ｍ（車室内）に接続された供給流路５１５、及び還流路５１６が１つずつ設けられている。

ここで、主流路Ｍ中には水を主成分とする高温高圧の蒸気Ｓが流通している。この蒸気Ｓは、供給流路５１５を通じて、化学蓄熱部４０７に供給される。すなわち、化学蓄熱部４０７に対して水としての蒸気Ｓが供給され、上記式（１）、及び式（２）に準じた発熱反応が生じる。反対に、化学蓄熱部４０７に熱が加えられた場合には、その熱を化学蓄熱部４０７が吸収し、かつ水が生じる。この水は、還流路５１６を通じて主流路Ｍ中に戻される。このような構成によっても、上記第四実施形態と同様の作用効果を得ることができる。加えて、高温高圧の蒸気Ｓ（水）を主流路Ｍ中から化学蓄熱部４０７に導くことから、その圧力によって熱反応を促進することができる。

以上、本発明の第五実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて上記構成に種々の変更を施すことが可能である。例えば、図１３に示すように、軸線Ａ方向に間隔をあけて複数のキャビティ２０６を形成し、各キャビティ２０６に化学蓄熱部５０７を設けることも可能である。同図の例では、供給流路５１５と還流路５１６とを兼ねる供給流路５１７が各キャビティ２０６に形成されている。すなわち、この供給流路５１７を通じて主流路Ｍ中の蒸気Ｓが化学蓄熱部５０７に供給されることで発熱反応が生じる。また、吸熱反応によって生じた水（水蒸気Ｓ）は、この供給流路５１７を通じて主流路Ｍ中に戻される。このような構成によっても、上記第四実施形態と同様の作用効果を得ることができる。加えて、主流路Ｍ中を流れる蒸気Ｓのバイパス流れが発生しないため、化学蓄熱部５０７を設けたことによる蒸気タービン１００の出力への影響を抑制することができる。

なお、上記の例では、複数の化学蓄熱部５０７を互いに同等の化学組成としてもよいし、互いに異なる化学組成としてもよい。
さらに、上記第三実施形態で説明した突起部３０９を、第四実施形態及び第五実施形態における化学蓄熱部４０７に対して適用することも可能である。このような構成によれば、突起部３０９の表面積の分だけ、化学蓄熱部４０７とケーシング３との接触面積を増やすことができる。つまり、ケーシング３と化学蓄熱部４０７との間における熱の伝達をさらに促進することができる。

加えて、上記各実施形態で説明した潜熱蓄熱部７、及び化学蓄熱部４０７は、単車室型の蒸気タービン１００のみならず、ガスタービン６００や、高中圧車室一体型の蒸気タービン７００にも適用することが可能である。図１４に示すガスタービン６００は、外部の空気を圧縮して高圧空気を生成する圧縮機６０１と、高圧空気を燃料とともに燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器６０２と、燃焼ガスによって回転駆動されるタービン６０３と、を備えている。圧縮機６０１は、軸線Ａに沿って延びる圧縮機ロータ６０４と、圧縮機ロータ６０４を外周側から覆う圧縮機ケーシング６０５と、を有している。燃焼器６０２は、燃焼ガスが流通する燃焼器本体６０６と、燃焼器本体６０６に燃料を供給するノズル６０７と、を有している。タービン６０３は、圧縮機ロータ６０４と軸線Ａ方向に同軸に接続されたタービンロータ６０８と、タービンロータ６０８を外周側から覆うタービンケーシング６０９と、を有している。圧縮機ロータ６０４には、クリアランスを介して圧縮機ケーシング６０５と対向する圧縮機動翼６１０が設けられている。同様に、タービンロータ６０８には、クリアランスを介してタービンケーシング６０９と対向するタービン動翼６１１が設けられている。これらのうち、圧縮機ケーシング６０５の内部及びタービンケーシング６０９の内部に、上述した潜熱蓄熱部７、又は化学蓄熱部４０７を設けることが可能である。

さらに、図１５に示すように、蒸気タービン７００は、軸線Ａに沿って延びる一体型ロータ７０１と、この一体型ロータ７０１を外周側から覆う内部ケーシング７０２と、内部ケーシング７０２をさらに外周側から覆う外部ケーシング７０３と、を備えている。外部ケーシング７０３の内側には、シール部（不図示）によって隔てられた高圧部７０４と、中圧部７０５とが設けられている。さらに、一体型ロータ７０１には、クリアランスを介して内部ケーシング７０２の内周面と対向する高圧動翼、及び中圧動翼が設けられている。また、外部ケーシング７０３には、それぞれ高圧吸気口７０６、高圧排気口７０７、中圧吸気口７０８、及び中圧排気口７０９が形成されている。高圧吸気口７０６を通じて内部ケーシング７０２内の高圧部７０４に導かれた高圧蒸気Ｓは、一体型ロータ７０１を回転させた後、高圧排出口から外部に排出される。高圧排出口から排出された蒸気Ｓは、不図示の再熱器等を経て中圧蒸気Ｓ´となって、中圧吸気口７０８に導入される。中圧吸気口７０８を通じて内部ケーシング７０２内の中圧部７０５に導かれた中圧蒸気Ｓ´は、一体型ロータ７０１を回転させた後、中圧排出口から外部に排出される。このうち、内部ケーシング７０２の内部に、上述した潜熱蓄熱部７、又は化学蓄熱部４０７を設けることが可能である。

また、実施形態では本発明を蒸気タービンやガスタービンに適用した例について説明したが、他の回転機械に本発明を適用してもよい。

１…ロータ
２…軸受装置
３…ケーシング
３Ｓ…ケーシングの内周面
４…吸気口
５…排気口
６…キャビティ
７…潜熱蓄熱部
８…加熱部
１１…ロータ本体
１２…動翼段
１２Ｃ…チップ
２１…ジャーナル軸受
２２…スラスト軸受
３１…静翼段
６１…キャビティ内周面
６２…キャビティ外周面
６３…キャビティ端面
１００…蒸気タービン
２０３…ケーシング
２０６…キャビティ
２０７…潜熱蓄熱部
２６１…キャビティ内周面
２６２…キャビティ外周面
２６３…キャビティ端面
３０３…ケーシング
３０６…キャビティ
３０７…潜熱蓄熱部
３０９…突起部
３１０…突起部
３６１…キャビティ内周面
３６２…キャビティ外周面
４０１…ロータ
４０３…ケーシング
４０６…キャビティ
４０７…化学蓄熱部
４１１…供給流路
４１２…排出流路
４１３…ＣＯ２供給流路
４１４…ＣＯ２排出流路
５０３…ケーシング
５０６…キャビティ
５０７…化学蓄熱部
５１５…供給流路
５１６…還流路
５１７…供給流路
６００…ガスタービン
６０１…圧縮機
６０２…燃焼器
６０３…タービン
６０４…圧縮機ロータ
６０５…圧縮機ケーシング
６０６…燃焼器本体
６０７…ノズル
６０８…タービンロータ
６０９…タービンケーシング
６１０…圧縮機動翼
６１１…タービン動翼
７００…蒸気タービン
７０１…一体型ロータ
７０２…内部ケーシング
７０３…外部ケーシング
７０４…高圧部
７０５…中圧部
７０６…高圧吸気口
７０７…高圧排気口
７０８…中圧吸気口
７０９…中圧排気口
Ａ…軸線
Ｂ…素体
Ｃ…ざぐり部
Ｌ…蓋体
Ｍ…主流路
Ｒ…溝部
Ｓ…蒸気
Ｗ…隔壁

Claims

軸線に沿って延び、該軸線回りに回転するロータと、
前記ロータを外周側から覆うことで、該ロータとの間に流体が流通する主流路を形成するとともに、内部に中空状のキャビティが形成されたケーシングと、
前記キャビティ内に設けられて、相変化を生じることで前記流体との間で潜熱の授受を行う潜熱蓄熱部と、
を備える回転機械。
前記ケーシングを加熱することで、該ケーシングに熱伸びを生じさせる加熱部を有する請求項１に記載の回転機械。
前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数の前記潜熱蓄熱部を有し、該軸線の一方側にある前記潜熱蓄熱部になるほど、融点が高くなる請求項１に記載の回転機械。
前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数の前記潜熱蓄熱部を有し、該軸線の一方側にある前記潜熱蓄熱部になるほど、融点が低くなる請求項１に記載の回転機械。
前記軸線の周方向に間隔をあけて設けられた複数の前記潜熱蓄熱部を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械。
前記キャビティの内面から該キャビティの内側に向かって突出する複数の突起部が設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の回転機械。
軸線に沿って延び、該軸線回りに回転するロータと、
前記ロータを外周側から覆うことで、該ロータとの間に流体が流通する主流路を形成するとともに、内部に中空状のキャビティが形成されたケーシングと、
前記キャビティ内に設けられて、熱反応を生じることで該流体との間で潜熱の授受を行う化学蓄熱部と、
を備える回転機械。
前記化学蓄熱部は、水酸化カルシウム及び水酸化マグネシウムの少なくとも一方を含み、
前記ケーシングには、一端が前記キャビティに接続されて、前記化学蓄熱部に水を供給する供給流路が形成されている請求項７に記載の回転機械。
前記供給流路の他端は、前記主流路に接続され、該主流路を流通する前記流体を、前記供給流路を通じて前記化学蓄熱部に供給する請求項８に記載の回転機械。
前記ケーシングには、一端が前記キャビティに接続されるとともに他端が前記主流路に接続されて、前記化学蓄熱部の前記熱反応によって生じた水蒸気を該主流路に戻す還流路が形成されている請求項７から９のいずれか一項に記載の回転機械。
前記化学蓄熱部は炭酸マグネシウムを含み、
前記ケーシングには、一端が前記キャビティに接続されて、前記化学蓄熱部に二酸化炭素を供給するＣＯ２供給流路が形成されている請求項７に記載の回転機械。
前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数の前記化学蓄熱部を有する請求項７から１１のいずれか一項に記載の回転機械。
前記軸線の周方向に間隔をあけて設けられた複数の前記化学蓄熱部を有する請求項７から１２のいずれか一項に記載の回転機械。
前記キャビティの内面から該キャビティの内側に向かって突出する複数の突起部が設けられている請求項７から１３のいずれか一項に記載の回転機械。