JP2019132183A - 軸流回転機械 - Google Patents
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Abstract
Description
軸線周りに回転するロータと、
前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
前記ケーシングに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の静翼、及び前記複数の静翼の各々の内周側端に連なる内周側静翼環、を含む静翼段と、
前記ロータに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の動翼、及び前記複数の動翼の各々の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、
前記外周側動翼環と前記ケーシングとの間をシールする動翼側シール装置と、を備え、
前記動翼側シール装置は、
前記ケーシングから前記外周側動翼環の外周面に向かって延在する環状のシールフィンと、
前記シールフィンの上流側に形成されるキャビティにおいて前記ケーシングに固定されるスワールブレーカと、を含み、
前記スワールブレーカは、
前記ロータの半径方向に沿った面を有する第1板状部材であって、前記第1板状部材の上流縁が下流縁よりも前記ロータの回転方向の上流側に位置するように前記軸線に対して交差する方向に延在する第1板状部材を含む。
この点、上記(1)の構成によれば、シールフィンの上流側でケーシングに固定されるスワールブレーカの第1板状部材は、ロータの半径方向に沿った面を有するとともに、上流縁が下流縁よりもロータの回転方向の上流側に位置するようにして配置される。つまり、シールフィンの上流側をロータの周方向に流れるスワール流であって、さらにロータの周方向を中心として螺旋状に旋回するスワール流の少なくとも一部に直交するようにして第1板状部材が配置され得るから、スワール流を効果的に抑制することができるのである。
前記スワールブレーカは、
前記ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第2板状部材および第3板状部材であって前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第2板状部材、および前記第2板状部材よりも上流側において前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在する第3板状部材、をさらに含む。
前記第1板状部材の延在方向と前記軸線との交差角は30°以上60°以下である。
軸線周りに回転するロータと、
前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
前記ケーシングに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の静翼、及び前記複数の静翼の各々の内周側端に連なる内周側静翼環、を含む静翼段と、
前記ロータに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の動翼、及び前記複数の動翼の各々の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、
前記外周側動翼環と前記ケーシングとの間をシールする動翼側シール装置と、を備え、
前記動翼側シール装置は、
前記ケーシングから前記外周側動翼環の外周面に向かって延在する環状のシールフィンと、
前記シールフィンの上流側に形成されるキャビティにおいて前記ケーシングに固定されるスワールブレーカと、を含み、
前記スワールブレーカは、
前記ロータの半径方向に沿った面を有する第1板状部材であって、前記軸線に沿って延在する第1板状部材、並びに、
前記ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第2板状部材又は第3板状部材であって、前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第2板状部材、又は前記第2板状部材よりも上流側において前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在する第3板状部材、を含む。
前記スワールブレーカは、
前記第1板状部材、前記第2板状部材及び前記第3板状部材を含む。
前記スワールブレーカは、1枚のプレート部材からなり、
前記第2板状部材および前記第3板状部材は、互いに独立して前記第1板状部材に対して屈曲可能に構成されるとともに、
前記第1板状部材の前記内側端には、前記第2板状部材を前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在せしめる第1屈曲部と、前記第3板状部材を前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在せしめる第2屈曲部とが形成される。
前記第2板状部材は、前記軸線の下流側ほど前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側への距離が長くなるように延在し、
前記第3板状部材は、前記軸線の上流側ほど前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側への距離が長くなるように延在するように形成される。
この点、上記(7)の構成によれば、ロータの軸線方向の下流側ほど第2板状部材がロータの回転方向のより下流側まで延在し、軸線の上流側ほど第3板状部材がロータの回転方向のより上流側まで延在する構成により、ロータの周方向を中心として旋回するスワール流に対して、少ない面積でも適切に直交し得るようにしてスワールブレーカを構成することができ、スワール流を阻止することができる。
前記シールフィンの上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状の下流側ガイド部材をさらに備え、
前記下流側ガイド部材の上流側面は、前記下流側ガイド部材の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状に形成される。
前記下流側ガイド部材の上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状の上流側ガイド部材をさらに備え、
前記上流側ガイド部の下流側面は、前記上流側ガイド部材の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状に形成される。
前記シールフィンの上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状のステータ側ガイド部材をさらに備え、
前記ステータ側ガイド部材の上流側面は、
前記ロータの半径方向に沿って延在する基端側面と、
前記基端側面における前記半径方向の内側に接続される先端側面であって、前記ステータ側ガイド部の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状になる先端側面と、を有するように形成される。
前記ステータ側ガイド部材の上流側において、前記外周側動翼環の前記外周面から前記ロータの半径方向の外側に向かって延在する環状のロータ側ガイド部材をさらに備え、
前記ロータ側ガイド部材の下流側面は、前記ロータ側ガイド部の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記ステータ側ガイド部材の前記先端側面に向けて凹となる湾曲状に形成される。
軸線周りに回転するロータと、
前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
前記ケーシングに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の静翼、及び前記複数の静翼の各々の内周側端に連なる内周側静翼環、を含む静翼段と、
前記ロータに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の動翼、及び前記複数の動翼の各々の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、
前記内周側静翼環と前記ロータとの間をシールする静翼側シール装置と、を備え、
前記静翼側シール装置は、
前記内周側静翼環の内周面から前記ロータに向かって延在する環状のシールフィンと、
前記シールフィンの上流側において前記内周側静翼環に対して固定されるスワールブレーカと、を含み、
前記スワールブレーカは、
前記ロータの半径方向に沿った面を有する第1板状部材であって、前記第1板状部材の上流縁が下流縁よりも前記ロータの回転方向の上流側に位置するように前記軸線に対して交差する方向に延在する第1板状部材を含む。
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。
また例えば、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。
ロータ2は、図示しない発電機または船舶等の動力伝達系に連結されていてもよい。ロータ2は、当該ロータ2の回転力を発電機で電気エネルギーに変換したり船舶等の推進力として利用したりするべく、駆動力を伝達する。幾つかの実施形態において、ロータ2には、複数の動翼21が固定されていてもよい。これらの動翼21は、ロータ2の外周面において、該ロータ2の周方向に沿って間隔をあけて放射状に配置されていてもよい。
ケーシング3には、複数のノズル構造体4が支持されている。これらのノズル構造体4と動翼21とは、ロータ2の軸方向に交互に配置される。そして、一のノズル構造体4と、当該一のノズル構造体4の下流側に隣り合って配置された一の動翼21とにより、一のタービン段落が構成される。軸流回転機械1は、このようなタービン段落が、ロータ2の軸方向に複数設けられている。このようにして、ガス又は蒸気の供給管を介して供給された作動流体が複数のタービン段落を通過して、動翼21に対して仕事を行い、ロータ2が回転駆動される。そして、最終段落の動翼21を通過した作動流体は、排気流路を通って軸流回転機械1の外部へと排出されるようになっている。
幾つかの実施形態において、ケーシング3は、ケーシング本体3Aに加えて、動翼側シール装置23を構成するシールフィン24(後述)を支持する支持体3Bを含み得る(図1参照)。
シールフィン24は、動翼側シール装置23における一以上のラビリンスシールの最上流側に配置されており、軸線X周りに環状に配置されている。なお、本開示に示す幾つかの実施形態では、シールフィン24を含む一以上のラビリンスシールにより、動翼段20又は静翼段10それぞれの上流側と下流側との間における作動流体の漏れを防止するための部分をシール部8と称する。
スワールブレーカ30は、ロータ2の周方向Pに沿って形成されるスワール流Sを阻止するためのものであり、キャビティ6内でケーシング3又はロータ2に支持されている。幾つかの実施形態では、ケーシング3の内周に沿って間隔をあけて放射状に配置されていてもよい。
そして、本開示の一実施形態におけるスワールブレーカ30は、ロータ2の半径方向Dに沿った面を有する第1板状部材31であって、第1板状部材31の上流縁31Aが下流縁31Bよりもロータ2の回転方向Rの上流側に位置するように軸線Xに対して交差する方向に延在する第1板状部材31を含む(図4〜図7参照)。
図1〜4に示すように、図示しない燃焼器で生成された燃焼ガスや、図示しないボイラで生成された蒸気等の作動流体が軸流回転機械1に供給されると、この作動流体は、隣接する動翼21同士の隙間と、ノズル4Aとにより、ロータ2の軸方向に沿って形成される主流路Mを通って上流側から下流側へと案内される。そして、この作動流体の運動エネルギーを動翼21経由で受けたロータ2が回転方向R(図2参照)に向けて回転する。また、上流側の作動流体は下流側の作動流体よりも高圧である。このため、ケーシング3と外周側動翼環22との隙間においては、作動流体がシールフィン24を含む少なくとも一のラビリンスシールと外周側動翼環22との隙間を通って下流側へと案内され、主流路Mへと戻される。
ここで、本発明者らの鋭意研究によれば、スワール流Sは単にロータの周方向に向かうだけではなく、周方向に向かいつつさらに3次元的に螺旋を描く螺旋流であることが判明した(図2〜4及び図6(a)参照)。すなわち、スワール流Sは、ロータの半径方向及び軸線方向への3次元的な螺旋移動を伴いながらロータの周方向(回転方向)に向かって流れる。
すなわち、上記の構成によれば、シールフィン24の上流側でケーシング3に固定されるスワールブレーカ30の第1板状部材31は、ロータ2の半径方向Dに沿った面を有するとともに、上流縁31Aが下流縁31Bよりもロータ2の回転方向Rの上流側に位置するようにして配置されから、シールフィン24の上流側をロータ2の周方向Pに流れ、さらにロータ2の周方向Pを中心として螺旋状に旋回するスワール流Sの少なくとも一部に直交するようにして第1板状部材31が配置され得るから、スワール流Sを効果的に抑制することができるのである。
本発明者らの鋭意研究の結果、ロータ2の軸線Xに対して第1板状部材31を30〜60°の傾斜角で配置することで、上記シールフィン24におけるスワール流Sの速度を大幅に抑制できることが判明した(図5参照)。つまり、ロータ2の半径方向D視にて、第1板状部材31の上記上流縁31A及び下流縁31Bを結ぶ線とロータ2の軸線Xとのなす鋭角側の交差角が30°以上60°以下の場合にスワール流Sを効果的に抑制できる。よって、上記構成によれば、軸線Xに対して30〜60°の傾斜角で第1板状部材31が配置されるから、スワール流Sを適切に抑制できる軸流回転機械1を得ることができる。
幾つかの実施形態において、スワールブレーカ30は、ロータ2の半径方向Dに対して傾斜した面を有する第2板状部材32および第3板状部材33であって第1板状部材31の内側端からロータ2の回転方向Rの下流側に向かって延在する第2板状部材32、および第2板状部材32よりも上流側において第1板状部材31の内側端からロータ2の回転方向Rの上流側に向かって延在する第3板状部材33、をさらに含んでもよい。
上記の構成によれば、第1板状部材31を介して該第1板状部材31の内側端31Cからロータ2の回転方向Rの下流側に向けて延在する第2板状部材32と、同内側端31Cからロータ2の回転方向Rの上流側に向けて延在する第3板状部材33とにより、ロータ2の周方向Pに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Sに、周方向Pの異なる位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ30を配置することができる。従って、より効果的にスワール流Sを抑制し、不安定振動の発生を防止することができる。
上記の構成によれば、シールフィン24の上流側でケーシング3に固定されるスワールブレーカ30は、第1板状部材31がロータ2の半径方向Dに沿った面を有するとともに軸線X方向に沿って配置され、この第1板状部材31を介して該第1板状部材31の内側端31Cからロータ2の回転方向Rの下流側に向けて第2板状部材32が延在する。又は、第1板状部材31の内側端31Cからロータ2の回転方向の上流側に向けて第3板状部材33が延在する。即ち、ロータ2の周方向Pに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Sに、軸線X方向及び周方向Pにおいて異なる何れかの位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ30を配置することができるので、スワール流Sを効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。
上記の構成によれば、第1板状部材31、第2板状部材32及び第3板状部材33を含むスワールブレーカ30を、一枚のプレート部材30Aにより一体的に形成することができる。第2板状部材32は第3板状部材33に影響を与えることなく、第1屈曲部32Aを介してロータ2の回転方向Rの下流側に向けて延在する。他方の第3板状部材33は第2板状部材32に影響を与えることなく第2屈曲部33Aを介してロータ2の回転方向Rの上流側に向けて延在する。よって、上記の何れか一つの実施形態で述べた効果を奏する軸流回転機械1を、簡易な構成で容易に実現することができる。
このようなスワールブレーカ30は、例えば、1枚のプレート部材30Aを用意し、第2板状部材32と第3板状部材33との間に切れ目又は隙間を形成し、第1屈曲部32Aを介して第2板状部材32をロータ2の回転方向Rの一方である下流側に屈曲させ、第3板状部材33をロータ2の回転方向Rの他方である上流側に屈曲させることで形成され得る。こうすることで、施工性が向上し、組み立て容易な軸流回転機械1を得ることができる。
第3板状部材33よりもロータ2の軸線X方向及び回転方向Rにおいてそれぞれ下流側に位置する第2板状部材32には、同上流側且つ半径方向Dの内側から外側に向けてスワール流Sが衝突する。したがって、第2板状部材32に衝突したスワール流Sの多くは、軸線X方向の下流側且つ回転方向Rの下流側に流れると考えられる。一方、第3板状部材33には、ロータ2の軸線X方向の下流側、回転方向Rの上流側且つ半径方向Dの外側から同内側に向けてスワール流Sが衝突する。したがって、第3板状部材33に衝突したスワール流Sの多くは、軸線X方向の上流側に流れ、且つ第1板状部材31の存在等により回転方向Rの上流側に向かう流れ成分が生じると考えられる。
この点、上記の構成によれば、ロータ2の軸線X方向の下流側ほど第2板状部材32がロータ2の回転方向Rのより下流側まで延在し、軸線の上流側ほど第3板状部材33がロータ2の回転方向Rのより上流側まで延在する構成により、ロータ2の周方向Pを中心として旋回するスワール流Sに対して、少ない面積でも適切に直交し得るようにしてスワールブレーカ30を構成することができ、スワール流Sを阻止することができる。
幾つかの実施形態では、シールフィン24の上流側において、ケーシング3からロータ2の半径方向Dの内側に向かって延在する環状の下流側ガイド部材40をさらに備えていてもよい(図10(b)参照)。
下流側ガイド部材40の上流側面41は、下流側ガイド部材40のロータ2の半径方向Dに沿った長さが軸線X方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ6に向けて凹となる湾曲状に形成されてもよい。
上記の構成によれば、下流側ガイド部材40の上流側面41により、主流路Mから逸れた作動流体を、半径方向Dの外側に向かうにつれて軸線Xの上流側に案内することができる。つまり、スワール流Sがロータ2の周方向Pを中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカ30がスワール流Sの少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流Sを効果的に抑制することができる。
上流側ガイド部材50の下流側面51は、上流側ガイド部材50のロータ2の半径方向Dに沿った長さが軸線X方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ6に向けて凹となる湾曲状に形成されてもよい。
上記の構成によれば、上流側ガイド部材50の下流側面51により、主流路Mから逸れてシールフィン24の上流側面及びケーシング3の内周に案内されて軸線Xの上流側に導かれた作動流体を、軸線Xの上流側に向かうにつれて半径方向Dの内側に案内することができる。つまり、スワール流Sがロータ2の周方向Pを中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカ30がスワール流Sの少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流Sを効果的に抑制することができる。
幾つかの実施形態では、シールフィン24の上流側において、ケーシング3からロータの半径方向Dの内側に向かって延在する環状のステータ側ガイド部材60をさらに備えていてもよい(図11(b)参照)。
ステータ側ガイド部材60の上流側面41は、ロータ2の半径方向Dに沿って延在する基端側面61と、基端側面61における半径方向Dの内側に接続される先端側面62であって、ステータ側ガイド部材60のロータ2の半径方向Dに沿った長さが軸線X方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ6に向けて凹となる湾曲状になる先端側面62と、を有するように形成されてもよい。
上記の構成によれば、ステータ側ガイド部材60に設けられた湾曲状の先端側面62により、主流路Mから逸れて外周側動翼環22の外周より半径方向Dの外側に達した作動流体を、シールフィン24の上流側で外周側動翼環22の外周に向かうように旋回させて効率的にシールクリアランス直前に小渦を発生させることができる。これにより、シールフィン24と外周側動翼環22との隙間を通って軸線Xの下流側に向かう作動流体の流れに縮流効果を与えることで、漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。
ロータ側ガイド部材70の下流側面71は、ロータ側ガイド部材のロータ2の半径方向Dに沿った長さが軸線X方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、ステータ側ガイド部材60の先端側面62に向けて凹となる湾曲状に形成されていてもよい。
上記の構成によれば、ロータ側ガイド部材70により、主流路Mから逸れて外周側動翼環22の上流側面41に沿って半径方向D外側に達した作動流体が、シールフィン24の上流側で外周側動翼環22の外周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができる。これにより、シールフィン24と外周側動翼環22との隙間を通って軸線Xの下流側に向かう作動流体の漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。
なお、幾つかの実施形態において、スワールブレーカ30は、軸線Xを含む断面視にて該スワールブレーカ30の内周側端30Bから該スワールブレーカ30の下流側端30Cにかけて外周側動翼環22に向けて凹状の湾曲面を有する切欠部30D、を含んでもよい(図11(b)参照)。切欠部30Dは、スワールブレーカ30と共に周方向Pに沿って間隔をあけて配置されていてもよいし、周方向Pに沿って環状に設けられていてもよい。このようにすれば、シールフィン24の上流側で外周側動翼環22の外周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができ、上記のようにシール機能の維持又は向上を図ることができる。
ロータ2は、図示しない発電機または船舶等の動力伝達系に連結されていてもよい。ロータ2は、当該ロータ2の回転力を発電機で電気エネルギーに変換したり船舶等の推進力として利用したりするべく、駆動力を伝達する。幾つかの実施形態において、ロータ2には、複数の動翼21が固定されていてもよい。これらの動翼21は、ロータ2の外周面において、該ロータ2の周方向に沿って間隔をあけて放射状に配置されていてもよい。
ケーシング3には、複数のノズル構造体4が支持されている。これらのノズル構造体4と動翼21とは、ロータ2の軸方向に交互に配置される。そして、一のノズル構造体4と、当該一のノズル構造体4の下流側に隣り合って配置された一の動翼21とにより、一のタービン段落が構成される。軸流回転機械1は、このようなタービン段落が、ロータ2の軸方向に複数設けられている。このようにして、ガス又は蒸気の供給管を介して供給された作動流体が複数のタービン段落を通過して、動翼21に対して仕事を行い、ロータ2が回転駆動される。そして、最終段落の動翼21を通過した作動流体は、排気流路を通って軸流回転機械1の外部へと排出されるようになっている。
幾つかの実施形態において、ケーシング3は、ケーシング本体3Aに加えて、動翼側シール装置23を構成するシールフィン14(後述)を支持する支持体3Bを含み得る(図1参照)。
シールフィン14は、静翼側シール装置13における一以上のラビリンスシールの最上流側に配置されており、軸線X周りに環状に配置されている。
スワールブレーカ30は、ロータ2の周方向Pに沿って形成されるスワール流Sを阻止するためのものであり、例えば内周側静翼環12の上流側面に支持されている。幾つかの実施形態では、内周側静翼環12の上流側面に沿って間隔をあけて放射状に配置されていてもよい。
そして、本開示の一実施形態におけるスワールブレーカ30は、ロータ2の半径方向Dに沿った面を有する第1板状部材31であって、第1板状部材31の上流縁31Aが下流縁31Bよりもロータ2の回転方向Rの上流側に位置するように軸線Xに対して交差する方向に延在する第1板状部材31を含む。
上記の構成によれば、上述した幾つかの実施形態で述べた動翼段20でのスワール流抑制効果を静翼段10においても享受することができる。即ち、シールフィン14の上流側で内周側静翼環12に固定されるスワールブレーカ30の第1板状部材31は、ロータ2の半径方向Dに沿った面を有するとともに、上流縁31Aが下流縁31Bよりもロータ2の回転方向Rの上流側に位置するようにして配置される。つまり、シールフィン14の上流側をロータ2の周方向Pに流れるスワール流Sであって、さらにロータ2の周方向Pを中心として旋回するスワール流Sの少なくとも一部に直交するようにして第1板状部材31が配置され得るから、スワール流Sを効果的に抑制することができるのである。
図1〜4に示すように、図示しない燃焼器で生成された燃焼ガスや、図示しないボイラで生成された蒸気等の作動流体が軸流回転機械1に供給されると、この作動流体は、隣接する動翼21同士の隙間と、ノズル4Aとにより、ロータ2の軸方向に沿って形成される主流路Mを通って上流側から下流側へと案内される。そして、この作動流体の運動エネルギーを動翼21経由で受けたロータ2が回転方向R(図2参照)に向けて回転する。また、上流側の作動流体は下流側の作動流体よりも高圧である。このため、内周側静翼環12とロータ2との隙間においては、作動流体がシールフィン14を含む少なくとも一のラビリンスシールとロータ2の外周面との隙間を通って下流側へと案内され、主流路Mへと戻される。
ここで、本発明者らの鋭意研究によれば、スワール流Sは単にロータの周方向に向かうだけではなく、周方向に向かいつつさらに3次元的に螺旋を描く螺旋流であることが判明した(図2〜4及び図6(a)参照)。すなわち、スワール流Sは、ロータの半径方向及び軸線方向への3次元的な螺旋移動を伴いながらロータの周方向(回転方向)に向かって流れる。
すなわち、上記の構成によれば、シールフィン14の上流側でケーシング3に固定されるスワールブレーカ30の第1板状部材31は、ロータ2の半径方向Dに沿った面を有するとともに、上流縁31Aが下流縁31Bよりもロータ2の回転方向Rの上流側に位置するようにして配置されから、シールフィン14の上流側をロータ2の周方向Pに流れ、さらにロータ2の周方向Pを中心として螺旋状に旋回するスワール流Sの少なくとも一部に直交するようにして第1板状部材31が配置され得るから、スワール流Sを効果的に抑制することができるのである。
本発明者らの鋭意研究の結果、ロータ2の軸線Xに対して第1板状部材31を30〜60°の傾斜角で配置することで、上記シールフィン14におけるスワール流Sの速度を大幅に抑制できることが判明した(図5参照)。つまり、ロータ2の半径方向D視にて、第1板状部材31の上記上流縁31A及び下流縁31Bを結ぶ線とロータ2の軸線Xとのなす鋭角側の交差角が30°以上60°以下の場合にスワール流Sを効果的に抑制できる。よって、上記構成によれば、軸線Xに対して30〜60°の傾斜角で第1板状部材31が配置されるから、スワール流Sを適切に抑制できる軸流回転機械1を得ることができる。
幾つかの実施形態において、スワールブレーカ30は、ロータ2の半径方向Dに対して傾斜した面を有する第2板状部材32および第3板状部材33であって第1板状部材31の内側端からロータ2の回転方向Rの下流側に向かって延在する第2板状部材32、および第2板状部材32よりも上流側において第1板状部材31の内側端からロータ2の回転方向Rの上流側に向かって延在する第3板状部材33、をさらに含んでもよい。
上記の構成によれば、第1板状部材31を介して該第1板状部材31の内側端31Cからロータ2の回転方向Rの下流側に向けて延在する第2板状部材32と、同内側端31Cからロータ2の回転方向Rの上流側に向けて延在する第3板状部材33とにより、ロータ2の周方向Pに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Sに、周方向Pの異なる位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ30を配置することができる。従って、より効果的にスワール流Sを抑制し、不安定振動の発生を防止することができる。
上記の構成によれば、シールフィン14の上流側でケーシング3に固定されるスワールブレーカ30は、第1板状部材31がロータ2の半径方向Dに沿った面を有するとともに軸線X方向に沿って配置され、この第1板状部材31を介して該第1板状部材31の内側端31Cからロータ2の回転方向Rの下流側に向けて第2板状部材32が延在する。又は、第1板状部材31の内側端31Cからロータ2の回転方向の上流側に向けて第3板状部材33が延在する。即ち、ロータ2の周方向Pに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Sに、軸線X方向及び周方向Pにおいて異なる何れかの位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ30を配置することができるので、スワール流Sを効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。
上記の構成によれば、第1板状部材31、第2板状部材32及び第3板状部材33を含むスワールブレーカ30を、一枚のプレート部材30Aにより一体的に形成することができる。第2板状部材32は第3板状部材33に影響を与えることなく、第1屈曲部32Aを介してロータ2の回転方向Rの下流側に向けて延在する。他方の第3板状部材33は第2板状部材32に影響を与えることなく第2屈曲部33Aを介してロータ2の回転方向Rの上流側に向けて延在する。よって、上記の何れか一つの実施形態で述べた効果を奏する軸流回転機械1を、簡易な構成で容易に実現することができる。
このようなスワールブレーカ30は、例えば、1枚のプレート部材30Aを用意し、第2板状部材32と第3板状部材33との間に切れ目又は隙間を形成し、第1屈曲部32Aを介して第2板状部材32をロータ2の回転方向Rの一方である下流側に屈曲させ、第3板状部材33をロータ2の回転方向Rの他方である上流側に屈曲させることで形成され得る。こうすることで、施工性が向上し、組み立て容易な軸流回転機械1を得ることができる。
第3板状部材33よりもロータ2の軸線X方向及び回転方向Rにおいてそれぞれ下流側に位置する第2板状部材32には、同上流側且つ半径方向Dの内側から外側に向けてスワール流Sが衝突する。したがって、第2板状部材32に衝突したスワール流Sの多くは、軸線X方向の下流側且つ回転方向Rの下流側に流れると考えられる。一方、第3板状部材33には、ロータ2の軸線X方向の下流側、回転方向Rの上流側且つ半径方向Dの外側から同内側に向けてスワール流Sが衝突する。したがって、第3板状部材33に衝突したスワール流Sの多くは、軸線X方向の上流側に流れ、且つ第1板状部材31の存在等により回転方向Rの上流側に向かう流れ成分が生じると考えられる。
この点、上記の構成によれば、ロータ2の軸線X方向の下流側ほど第2板状部材32がロータ2の回転方向Rのより下流側まで延在し、軸線の上流側ほど第3板状部材33がロータ2の回転方向Rのより上流側まで延在する構成により、ロータ2の周方向Pを中心として旋回するスワール流Sに対して、少ない面積でも適切に直交し得るようにしてスワールブレーカ30を構成することができ、スワール流Sを阻止することができる。
幾つかの実施形態では、シールフィン14の上流側において、ロータ2の外周面からロータ2の半径方向Dの外側に向かって延在する環状の下流側ガイド部材40をさらに備えていてもよい(図10(b)参照)。
下流側ガイド部材40の上流側面41は、下流側ガイド部材40のロータ2の半径方向Dに沿った長さが軸線X方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ6に向けて凹となる湾曲状に形成されてもよい。
上記の構成によれば、下流側ガイド部材40の上流側面41により、主流路Mから逸れた作動流体を、半径方向Dの外側に向かうにつれて軸線Xの上流側に案内することができる。つまり、スワール流Sがロータ2の周方向Pを中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカ30がスワール流Sの少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流Sを効果的に抑制することができる。
上流側ガイド部材50の下流側面51は、上流側ガイド部材50のロータ2の半径方向Dに沿った長さが軸線X方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ7に向けて凹となる湾曲状に形成されてもよい。
上記の構成によれば、上流側ガイド部材50の下流側面51により、主流路Mから逸れてシールフィン14の上流側面及びロータ2の外周に案内されて軸線Xの上流側に導かれた作動流体を、軸線Xの上流側に向かうにつれて半径方向Dの外側に案内することができる。つまり、スワール流Sがロータ2の周方向Pを中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカ30がスワール流Sの少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流Sを効果的に抑制することができる。
幾つかの実施形態では、シールフィン14の上流側において、内周側静翼環12からロータ2の半径方向Dの内側に向かって延在する環状のステータ側ガイド部材60をさらに備えていてもよい(図11(b)参照)。
ステータ側ガイド部材60の上流側面41は、ロータ2の半径方向Dに沿って延在する基端側面61と、基端側面61における半径方向Dの内側に接続される先端側面62であって、ステータ側ガイド部材60のロータ2の半径方向Dに沿った長さが軸線X方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ7に向けて凹となる湾曲状になる先端側面62と、を有するように形成されてもよい。
上記の構成によれば、ステータ側ガイド部材60に設けられた湾曲状の先端側面62により、主流路Mから逸れて内周側静翼環12の内周より半径方向Dの内側に達した作動流体を、シールフィン14の上流側で内周側静翼環12の内周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができる。これにより、シールフィン14と内周側静翼環12との隙間を通って軸線Xの下流側に向かう作動流体の漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。
ロータ側ガイド部材70の下流側面71は、ロータ側ガイド部材のロータ2の半径方向Dに沿った長さが軸線X方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、ステータ側ガイド部材60の先端側面62に向けて凹となる湾曲状に形成されていてもよい。
上記の構成によれば、ロータ側ガイド部材70により、主流路Mから逸れて内周側静翼環12の上流側面に沿って半径方向Dの内側に達した作動流体が、シールフィン14の上流側で内周側静翼環12の内周に向かうように旋回させて効率的にシールクリアランス直前に小渦を発生させることができる。これにより、シールフィン14とロータ2との隙間を通って軸線Xの下流側に向かう作動流体の流れに縮流効果を与えることで、漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。
なお、幾つかの実施形態において、スワールブレーカ30は、軸線Xを含む断面視にて該スワールブレーカ30の外周側端30Bから該スワールブレーカ30の下流側端30Cにかけて内周側静翼環12に向けて凹状の湾曲面を有する切欠部30D、を含んでもよい(図11(b)参照)。切欠部30Dは、スワールブレーカ30と共に周方向Pに沿って間隔をあけて配置されていてもよいし、周方向Pに沿って環状に設けられていてもよい。このようにすれば、シールフィン14の上流側で内周側静翼環12の内周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができ、上記のようにシール機能の維持又は向上を図ることができる。
2 ロータ
3 ケーシング
3A ケーシング本体
3B ケーシング支持体
4 ノズル構造体
6,7 キャビティ
8 シール部
10 静翼段
11 静翼
11A 内周側端
12 内周側静翼環
13 静翼側シール装置
14 シールフィン
20 動翼段
21 動翼
21A 外周側端
22 外周側動翼環
22A 外周面
23 動翼側シール装置
24 シールフィン
30 スワールブレーカ
30A プレート部材
31 第1板状部材
31A 上流縁
31B 下流縁
31C 内側端
32 第2板状部材
32A 第1屈曲部
33 第3板状部材
33A 第2屈曲部
40 下流側ガイド部材
41 上流側面
50 上流側ガイド部材
51 下流側面
60 ステータ側ガイド部材
61 基端側面
62 先端側面
70 ロータ側ガイド部材
71 下流側面
M 主流路
S スワール流
X 軸線方向
R 回転方向
D 半径方向
P 周方向
Claims (12)
- 軸線周りに回転するロータと、
前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
前記ケーシングに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の静翼、及び前記複数の静翼の各々の内周側端に連なる内周側静翼環、を含む静翼段と、
前記ロータに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の動翼、及び前記複数の動翼の各々の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、
前記外周側動翼環と前記ケーシングとの間をシールする動翼側シール装置と、を備え、
前記動翼側シール装置は、
前記ケーシングから前記外周側動翼環の外周面に向かって延在する環状のシールフィンと、
前記シールフィンの上流側に形成されるキャビティにおいて前記ケーシングに固定されるスワールブレーカと、を含み、
前記スワールブレーカは、
前記ロータの半径方向に沿った面を有する第1板状部材であって、前記第1板状部材の上流縁が下流縁よりも前記ロータの回転方向の上流側に位置するように前記軸線に対して交差する方向に延在する第1板状部材を含む
軸流回転機械。 - 前記スワールブレーカは、
前記ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第2板状部材および第3板状部材であって前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第2板状部材、および前記第2板状部材よりも上流側において前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在する第3板状部材、をさらに含む
請求項1に記載の軸流回転機械。 - 前記第1板状部材の延在方向と前記軸線との交差角は30°以上60°以下である
請求項1及び2の何れか一項に記載の軸流回転機械。 - 軸線周りに回転するロータと、
前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
前記ケーシングに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の静翼、及び前記複数の静翼の各々の内周側端に連なる内周側静翼環、を含む静翼段と、
前記ロータに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の動翼、及び前記複数の動翼の各々の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、
前記外周側動翼環と前記ケーシングとの間をシールする動翼側シール装置と、を備え、
前記動翼側シール装置は、
前記ケーシングから前記外周側動翼環の外周面に向かって延在する環状のシールフィンと、
前記シールフィンの上流側に形成されるキャビティにおいて前記ケーシングに固定されるスワールブレーカと、を含み、
前記スワールブレーカは、
前記ロータの半径方向に沿った面を有する第1板状部材であって、前記軸線に沿って延在する第1板状部材、並びに、
前記ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第2板状部材又は第3板状部材であって、前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第2板状部材、又は前記第2板状部材よりも上流側において前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在する第3板状部材、を含む
軸流回転機械。 - 前記スワールブレーカは、
前記第1板状部材、前記第2板状部材及び前記第3板状部材を含む
請求項4に記載の軸流回転機械。 - 前記スワールブレーカは、1枚のプレート部材からなり、
前記第2板状部材および前記第3板状部材は、互いに独立して前記第1板状部材に対して屈曲可能に構成されるとともに、
前記第1板状部材の前記内側端には、前記第2板状部材を前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在せしめる第1屈曲部と、前記第3板状部材を前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在せしめる第2屈曲部とが形成される
請求項3及び5の何れか一項に記載の軸流回転機械。 - 前記第2板状部材は、前記軸線の下流側ほど前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側への距離が長くなるように延在し、
前記第3板状部材は、前記軸線の上流側ほど前記第1板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側への距離が長くなるように延在するように形成される
請求項2〜6の何れか一項に記載の軸流回転機械。 - 前記シールフィンの上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状の下流側ガイド部材をさらに備え、
前記下流側ガイド部材の上流側面は、前記下流側ガイド部材の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状に形成される
請求項1〜7の何れか一項に記載の軸流回転機械。 - 前記下流側ガイド部材の上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状の上流側ガイド部材をさらに備え、
前記上流側ガイド部材の下流側面は、前記上流側ガイド部材の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状に形成される
請求項8に記載の軸流回転機械。 - 前記シールフィンの上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状のステータ側ガイド部材をさらに備え、
前記ステータ側ガイド部材の上流側面は、
前記ロータの半径方向に沿って延在する基端側面と、
前記基端側面における前記半径方向の内側に接続される先端側面であって、前記ステータ側ガイド部の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状になる先端側面と、を有するように形成される
請求項1〜9の何れか一項に記載の軸流回転機械。 - 前記ステータ側ガイド部材の上流側において、前記外周側動翼環の前記外周面から前記ロータの半径方向の外側に向かって延在する環状のロータ側ガイド部材をさらに備え、
前記ロータ側ガイド部材の下流側面は、前記ロータ側ガイド部の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記ステータ側ガイド部材の前記先端側面に向けて凹となる湾曲状に形成される
請求項10に記載の軸流回転機械。 - 軸線周りに回転するロータと、
前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
前記ケーシングに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の静翼、及び前記複数の静翼の各々の内周側端に連なる内周側静翼環、を含む静翼段と、
前記ロータに対して周方向に間隔を空けて固定される複数の動翼、及び前記複数の動翼の各々の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、
前記内周側静翼環と前記ロータとの間をシールする静翼側シール装置と、を備え、
前記静翼側シール装置は、
前記内周側静翼環の内周面から前記ロータに向かって延在する環状のシールフィンと、
前記シールフィンの上流側において前記内周側静翼環に対して固定されるスワールブレーカと、を含み、
前記スワールブレーカは、
前記ロータの半径方向に沿った面を有する第1板状部材であって、前記第1板状部材の上流縁が下流縁よりも前記ロータの回転方向の上流側に位置するように前記軸線に対して交差する方向に延在する第1板状部材を含む
軸流回転機械。
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