JP2018168809A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸に対して車室を相対移動させることによって、運転時に好適なクリアランスを維持することが可能な回転機械を提供する。
【解決手段】回転機械は、軸受台に設けられた軸受によって支持された回転軸２と、回転軸を少なくとも部分的に収容した車室３と、を具備し、車室には、車室を支持構造部材の設置板１１０上に支持するための少なくとも１つの猫足５が設けられ、猫足は、設置板上に設けられた猫足台８に支持されており、回転機械は、車室の高さを調整するための高さ調整機構１５をさらに具備し、高さ調整機構は、猫足に形成された猫足の傾斜面６と；猫足の傾斜面に対向するように猫足台に形成された猫足台の傾斜面９と；猫足と猫足台とを互いに相対移動させるためのアクチュエータ１０と、を含んでいる。
【選択図】図２

Description

本発明は回転機械、特に、蒸気タービンの車室の高さ調整機構を備えた回転機械に関する。

蒸気タービンは、蒸気エネルギを、タービン翼が設けられた回転軸の回転運動に変換する回転機械であり、タービン翼と、タービン翼を収容したタービン車室の内壁と、の間には所定のクリアランスが設けられている。このクリアランスからの蒸気のリークは、蒸気タービンの性能を低下させるため、タービンの運転時におけるクリアランスを厳格に管理することが必要である。

蒸気タービンは高温の蒸気を利用して運転するため、運転中は、蒸気タービン自身が高温となり、その構成部品は熱膨張を生じる。これに起因して、回転軸は、回転軸を支持した軸受等の熱伸びによって、運転停止時よりも上に向かって変位し、車室も、車室を支持した支持脚（猫足）および猫足を支持した猫足台の熱伸びによって、ならびに猫足に生じる傾き等によって、運転停止時よりも上に向かって変位する。軸受と車室とは、常に同じ温度とは限らず、また、通常は、異なった材料から形成されているため、温度、熱膨張係数の差異に加え、形状や寸法の違いによってそれぞれの変位量が異なっている。したがって、回転軸と車室との間に相対移動が生じ、クリアランスに変化が生じる。

特許文献１には、猫足を含んだ下半車室および上半車室の表面を保温材で覆ったセンターサポート式のタービンが記載されている。
このタービンでは、突出部を含む下半車室および上半車室の表面が保温材に覆われており、タービン停止時における上半車室と下半車室との温度を同等にして、上半車室と下半車室との温度差に起因した車室の反りを防止している。

特許文献２には、タービン停止時に猫足を強制冷却し回転部材と静止部材との下部クリアランスを広げる猫足冷却手段を設けた、非センターサポート式の蒸気タービンが記載されている。
この蒸気タービンでは、猫足冷却手段によって猫足を強制冷却することで、上半車室と下半車室との温度差を減少させて、車室の反りを防止している。

特許文献３には、猫足の車室下半部への接続位置が、車室の水平分割面よりも下方であり且つ猫足の支持面よりも下方に配置された蒸気タービンが記載されている。
この蒸気タービンでは、猫足の接続位置を起点とした車室の上方への熱伸びと、猫足の支持面を起点とした猫足自身の下方への熱伸びと、を互いに相殺させることにより、回転軸に対する車室の相対変位を低減している。

特開２００７−９７３１号公報 特開平１０−１８８０６号公報 特開２０１２−１５９０５１号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２の技術では、熱伸びに起因した車室の変位量を一定にしても、回転軸との相対移動は生じているため、クリアランスに変化が生じる問題は解消されていない。
また、特許文献３の技術では、温度分布のばらつきにより、各猫足の熱伸び量が異なってしまい、結果的にクリアランスの変化を解消できないことが考えられる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、回転軸に対して車室を相対移動させることによって、運転時に生じ得る不適切なクリアランスの変化を解消し、好適なクリアランスで運転することが可能な回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明の一態様に係る回転機械は、軸受台に設けられた軸受によって支持された回転軸と、回転軸を少なくとも部分的に収容した車室と、を具備し、車室には、車室を支持構造部材の設置板上に支持するための少なくとも１つの猫足が設けられ、この猫足は、設置板上に設けられた猫足台に支持されており、回転機械は、車室の高さを調整するための高さ調整機構をさらに具備し、この高さ調整機構は、猫足に形成された猫足の傾斜面と；猫足の傾斜面に対向するように前記猫足台に形成された猫足台の傾斜面と；猫足と猫足台とを互いに相対移動させるためのアクチュエータと、を含んでいることを特徴とする。

この構成によれば、回転軸に対して車室を相対移動させることにより、タービン翼の先端と車室の内壁との間のクリアランスを調整して、運転時のクリアランスを適切に維持することが可能である。また、原理的に猫足台および猫足の傾斜面の高さ以上に車室に変位を与えることがないため、仮にアクチュエータに過度な動作が生じてもタービン翼先端と車室の内壁との干渉を回避するように計画することも可能である。

本発明の一態様に係る回転機械においては、設置板上には、前記猫足台の移動方向を画定するためのレールが設けられている。この構成によれば、猫足台の移動方向が確実に決定され、猫足台のスムーズな移動を実現することが可能である。

また、前述の回転機械の車室には、少なくとも２つの猫足が設けられ、これら２つの猫足は、猫足の傾斜面の傾斜方向が対称軸に関して線対称となるように配置されていてもよく、猫足の傾斜面および猫足台の傾斜面は、それぞれ第１の傾斜角度を有する第１の傾斜面および第２の傾斜角度を有する第２の傾斜面を備えていてもよい。

この構成によれば、猫足台の移動量が同等でも、車室の上昇または下降量を変化させることができる。

本発明による回転機械においては、猫足および猫足台の一方の第１の傾斜面および第２の傾斜面は、組み合わされてＶ字溝を形成するように配置され、猫足および猫足台の他方の第１の傾斜面および第２の傾斜面は、Ｖ字溝と相補的なくさび形状となるように配置されていてもよい。

この構成によれば、アクチュエータの作動方向にかかわらず、車室を上昇または下降させることが可能である。

本発明による回転機械においては、高さ調整機構は各猫足に設けられている。この構成によれば、各猫足の変位量をそれぞれ独立して設定することが可能である。

本発明による回転機械においては、アクチュエータは、対称軸に関して線対称となるように配置された２つの猫足の間の中央に１台のみ設けられている。この構成によれば、２つの猫足に対応した２つの猫足台を１台のアクチュエータで駆動するため、猫足台の移動を同期させることが容易になる。

本発明の回転機械によれば、回転軸に対する車室の高さを調整することが可能であり、運転時のクリアランスを好適に維持することができる。

本発明による回転機械の全体を概略的に示した斜視図である。 図１の視線Ａ−Ａから見た、本発明の第１の実施形態による回転機械を示した図である。 本発明の第２の実施形態による猫足および猫足台を示した側面図である。 本発明の第２の実施形態の変形による猫足および猫足台を示した側面図である。 本発明の第３の実施形態による猫足および猫足台を示した側面図である。 本発明の第４の実施形態による猫足および猫足台を示した側面図である。

以下、本発明の第１の実施形態について、図１および図２を参照して説明する。
図１に示したように、本発明の第１の実施形態に係る回転機械１は、回転軸２と、回転軸２を少なくとも部分的に収容した車室３と、を備えている。回転機械１は、好適には蒸気タービンであり、回転軸２の外周にはタービン翼（図示略）が設けられている。タービン翼は車室３内に収容されており、タービン翼の先端と車室３の内壁との間には、所定のクリアランスが設定されている。回転軸２は、軸受台１００上に設置された軸受（図示略）によって支持されており、軸受台１００は支持構造部材の設置板１１０上に設けられている。

車室３には、車室３を支持するための猫足５が設けられている。猫足５は、設置板１１０上に設けられた猫足台８によって支持されている。本実施形態においては、猫足５は車室３の四隅の端壁に設けられているが、猫足の数および猫足が設けられる位置は、車室３の四隅に限定されない。また、図２に示したように、猫足５の猫足台８との接触面は、傾斜面６を形成しており、猫足５の傾斜面６と接触した猫足台８の面は、猫足５の傾斜面６に対応した傾斜面９を形成している。

設置板１１０は、通常、回転軸２の長手方向に沿って移動可能とされた構成を含んでおり、この設置板１１０には、アクチュエータ１０としての油圧シリンダおよびガイドレール１２がさらに設けられている。アクチュエータ１０の一端は猫足台８に連結されており、ガイドレール１２は、猫足台８の移動を案内するように配置されている。これにより、猫足台８は、猫足５に対して相対移動が可能であるように構成されている。これらのアクチュエータ１０およびガイドレール１２に加えて、前述の猫足の傾斜面６および猫足台の傾斜面９は、一体となって車室３の高さ調整機構１５を構成している。

本実施形態においては、アクチュエータ１０として油圧シリンダを使用しているが、例えばボールネジとサーボモータの組み合わせのような、他の駆動機構を使用することも可能である。また、本実施形態においては、猫足台８は回転軸２に直交した方向に移動するように形成されているが、回転軸２に平行な方向に移動するように形成されることも可能である。さらに、本実施形態においては、高さ調整機構１５のアクチュエータ１０は各猫足台８に設けられているが、例えば回転軸２を基準として線対称位置に配置された２つの猫足台８を、対称軸線上に配置された１台のアクチュエータ１０によって駆動することも可能である。

図２に示されたように、本実施形態においては、回転軸２に直交した対称軸Ａに関して線対称となるように配置された２つの猫足５の傾斜面６は、それぞれ対称軸Ａから離れる方向に沿って低くなるように傾斜しているが、対称軸Ａから離れる方向に沿って高くなるように傾斜させることも可能である。また、本実施形態においては、回転軸２に直交した対称軸Ａに関して線対称となるように配置された２つの猫足５の傾斜面６の傾斜方向は、前述の対称軸Ａに関して線対称となるように配置されているが、２つの傾斜面６の傾斜方向を同じ方向とすることも可能である。

さらに、本実施形態においては、ガイドレール１２を用いて猫足台９の移動を案内しているが、設置板１１０に案内溝を形成し、その溝内に猫足台９を嵌め込むことによって猫足台９の移動を案内することで、ガイドレール１２を排除することが可能である。

なお、設置板１１０には、通常、車室３の回転軸２の長手方向に沿った方向における熱伸びを吸収する構成も設けられているが、本発明の趣旨とは異なっているため、本願においては当該構成の詳細な説明は記載されていない。

次に、前述の構成による高さ調整機構１５を備えた回転機械１の作用について、図を参照して説明する。
通常は、軸受台の材質と車室３の材質とは異なっているため、それぞれが有する熱膨張係数は異なっている。したがって、回転機械の運転に伴って軸受台および車室３の温度が上昇した場合、熱膨張率、形状、寸法の差異により、回転軸２は車室３とは異なった変位量を示す。また、軸受台と車室３とは温度が常に同じとは限らないため、その差が変位量の差異の原因ともなりうる。これらにより、回転軸２と車室３との相対移動が生じ、タービン翼の先端と車室３の内壁との間のクリアランスが変化する。

このクリアランスを適切に維持するために、回転軸に対して車室を上下方向に相対移動させる必要がある。具体的には、図２において、アクチュエータ１０を駆動して、猫足台８を矢印２０の方向に移動させる。猫足台８は、傾斜面９および傾斜面６を介して猫足５を支持しているため、猫足台８が移動した場合、傾斜面９と傾斜面６との間の相互作用により、猫足５は上昇または下降する。これにより、車室３を回転軸２に対して上昇または下降させることが可能である。

車室３に与える変位量は、運転停止時および運転時におけるクリアランスのデータを事前に採取し、それらのデータに基づいて決定されることが可能である。別の方法としては、事前解析により得たクリアランスの変化量予測に基づいて、または軸受台および猫足５等の計測温度に基づくクリアランスの推定値や渦電流センサのような非接触センサ等を用いて連続的に直接測定したクリアランスに基づいて、リアルタイムに高さ調整することも可能である。

本発明の第１の実施形態によれば、高さ調整機構を用いて車室３を回転軸２に対して相対移動させることが可能であり、これによりタービン翼先端と車室３の内壁との間のクリアランスを調整することが可能である。また、この高さ調整機構では、原理的に傾斜面６や傾斜面９の高さ以上に車室３に変位を与えることがないため、車室３をアクチュエータで直接持ち上げる場合と比較して、アクチュエータに動作不良が生じた際にタービン翼先端と車室３の内壁との干渉が生じるリスクが低い。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る猫足５および猫足台８を示している。第２の実施形態の構成は、猫足および猫足台の傾斜面の形状を除いて、第１の実施形態の構成と同じである。

第２の実施形態においては、猫足の傾斜面６は第１の傾斜角を有する第１の傾斜面６１および第２の傾斜角を有する第２の傾斜面６２を具備している。同様に、猫足台の傾斜面９は、第１の傾斜角を有する第１の傾斜面９１および第２の傾斜角を有する第２の傾斜面９２を具備している。

第２の実施形態の猫足台８の移動の方式は、第１の実施形態における移動の方式と同一である。したがって、第１の傾斜面６１と第１の傾斜面９１とが接触している場合、車室３を速い速度で上昇または下降させることが可能である。それとは逆に、第２の傾斜面６２と第２の傾斜面９１とが接触している場合、車室３を遅い速度で上昇または下降させることが可能である。すなわち、２種類の傾斜角度を有する傾斜面を設けることにより、猫足台８の一定の移動量に対して、車室３の上昇または下降量を変化させることが可能である。

本実施形態の構成の効果としては、運転時に必要な車室の上昇量が既知の一定量である場合に、各傾斜面の傾斜角度を適当に調節することにより、目標値の途中までは車室を速い速度で上昇させ、目標値近傍では遅い速度で上昇させることが可能である。これにより、タービン翼先端と車室３の内壁とのクリアランスをより精緻に調整することが可能である。

本実施形態においては、第１の傾斜面の傾斜角度が第２の傾斜面の傾斜角度よりも急になっているが、第１の傾斜面の傾斜角度が第２の傾斜面の傾斜角度よりも緩くなるように形成することも可能である（図４参照）。この場合、車室の上昇または下降速度は、第１の傾斜面６１と第１の傾斜面９１とが接触している場合に遅くなり、第２の傾斜面６２と第２の傾斜面９１とが接触している場合に早くなる。このような傾斜面とすることで、運転時に車室を下降させる必要がある際に図３の傾斜面と同じ効果が期待できる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る猫足５および猫足台８を示している。第３の実施形態の構成は、猫足および猫足台の傾斜面の形状を除いて、第１の実施形態の構成と同じである。

第３の実施形態においては、猫足の傾斜面６および猫足台の傾斜面９は曲面によって形成されている。この構成により、車室３の上昇または下降速度を連続的に且つ無段階に変化させることが可能である。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る猫足５および猫足台８を示している。第４の実施形態の構成は、猫足および猫足台の傾斜面の形状を除いて、第１の実施形態の構成と同じである。

第４の実施形態においては、猫足台８の第１の傾斜面９１および第２の傾斜面９２は、それぞれＶ字溝の側壁を形成するように配置されている。一方で、猫足５の第１の傾斜面６１および第２の傾斜面６２は、猫足台８のＶ字溝に嵌め込まれるようなくさび形状とされている。

第４の実施形態においては、アクチュエータ１２は、第１の傾斜面９１を第１の傾斜面６１に対して押し付けるように、または第２の傾斜面９２を第２の傾斜面６２に対して押し付けるように、矢印２０の方向に猫足台８を移動させる。猫足台８のこの移動により、車室３は上昇または下降する。

この第４の実施形態における利点は、アクチュエータ１２の特性等により押しまたは引きの速度に差異がある場合、猫足台８の移動方向を選択することにより、車室３の好適な移動速度を選択できることである。また、第１の傾斜面および第２の傾斜面の傾斜角度を互いに異なった角度とすることにより、車室３の移動速度にバリエーションを持たせることが可能である。

本発明による高さ調整機構のさらなる効果は、回転機械の設置時において、回転機械の設置高さの微調整を容易に行うことが可能な点にある。本機構を用いることにより、ライナー等を使用することなく回転機械の設置高さの微調整を容易に行うことが可能であり、その結果、初期クリアランスを容易に設定することが可能である。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

１ ・・・回転機械
２ ・・・回転軸
３ ・・・車室
５ ・・・猫足
６ ・・・猫足の傾斜面
８ ・・・猫足台
９ ・・・猫足台の傾斜面
１０ ・・・アクチュエータ
１２ ・・・ガイドレール
１５ ・・・高さ調整機構
６１ ・・・第１の傾斜面
６２ ・・・第２の傾斜面
９１ ・・・第１の傾斜面
９２ ・・・第２の傾斜面
１００ ・・・軸受台
１１０ ・・・設置板
Ａ ・・・対称軸

Claims (7)

1. 軸受台に設けられた軸受によって支持された回転軸と、該回転軸を少なくとも部分的に収容した車室と、を具備した回転機械であって、
   前記車室には、前記車室を支持するための少なくとも１つの猫足が設けられ、該猫足は、猫足台に支持されており、
   前記回転機械は、前記車室の高さを調整するための高さ調整機構をさらに具備し、
   該高さ調整機構は、前記猫足に形成された猫足の傾斜面と；該猫足の傾斜面に対向するように前記猫足台に形成された猫足台の傾斜面と；前記猫足と前記猫足台とを互いに相対移動させるためのアクチュエータと、を含んでいることを特徴とする回転機械。
2. 前記猫足台の移動方向を画定するためのレールが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
3. 前記車室には少なくとも２つの前記猫足が設けられ、２つの前記猫足は、前記猫足の傾斜面の傾斜方向が対称軸に関して線対称となるように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機械。
4. 前記猫足の傾斜面および前記猫足台の傾斜面は、それぞれ第１の傾斜角度を有する第１の傾斜面および第２の傾斜角度を有する第２の傾斜面を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転機械。
5. 前記猫足および前記猫足台の一方の前記第１の傾斜面および前記第２の傾斜面は、組み合わされてＶ字溝を形成するように配置され、前記猫足および前記猫足台の他方の前記第１の傾斜面および前記第２の傾斜面は、前記Ｖ字溝と相補的なくさび形状となるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の回転機械。
6. 前記高さ調整機構は各猫足に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転機械。
7. 前記アクチュエータは、対称軸に関して線対称となるように配置された２つの前記猫足の間の中央に１台のみ設けられていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の回転機械。

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