JP2019143515A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】さらに効率の向上した回転機械を提供する。【解決手段】回転機械１は、軸線Ｏ回りに回転するロータ２と、ロータ２を外周側から囲う環状をなすとともに、ロータ２の外周面との間にクリアランスＣを形成するリング部材３と、リング部材３の内周面３Ａに設けられて、クリアランスＣをシールするシール部材４と、一端がリング部材３の内周面３Ａに開口するとともに、他端が一端よりも圧力が低く、かつ、リング部材３の内周面３Ａを除く箇所に開口する流路８と、流路８を開閉可能な開閉弁９と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回転機械に関する。

例えば下記特許文献１に記載されているように、蒸気タービンを含む回転機械は、軸線回りに回転するロータと、ロータの周囲に設けられた環状のリング部材とを有している。リング部材は、ロータの回転に伴って発生する軸線方向の力（スラスト力）に抗してロータを軸線方向に固定するために設けられている。

蒸気タービンの性能を向上するためには、ロータとリング部材との間を流通する漏れ蒸気を低減する必要がある。そのため、定格運転時におけるロータの外周面とリング部材の内周面との間のクリアランスは可能な限り小さく設定される。しかしながら、蒸気タービンの起動時から定格運転に達するまでの間、蒸気の熱によってロータ及びリング材に熱膨張が生じ、クリアランスが変化する場合がある。このため、ロータとリング部材とが最も接近する状態（ピンチポイント）においてロータとリング部材とが接触しないように初期クリアランス（セッチングクリアランス）が設定される。

特開２００９−２９３７８４号公報

リング部材の熱容量がロータの熱容量よりも大きい場合には、蒸気タービンの起動時にリング部材の温度がロータに比べて上がりにくくなる。このため、リング部材に比べてロータの熱膨張量が大きくなり、ロータとリング部材との間のクリアランスが小さくなる傾向がある。しかしながら、ピンチポイントにおいてロータとリング部材とが接触しないように初期クリアランスを設定すると、定格運転時のクリアランスが必要以上に大きくなり、蒸気タービンの性能低下を招く虞があった。一方で、定格運転時のクリアランスを小さくするように初期クリアランスを設定すると、ピンチポイントにおいてロータとリング部材とが接触してしまう虞がある。

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、さらに効率の向上した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よれば、回転機械は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から囲う環状をなすとともに、前記ロータの外周面との間にクリアランスを形成するリング部材と、前記リング部材の内周面に設けられて、前記クリアランスをシールするシール部材と、一端が前記リング部材の内周面に開口するとともに、他端が前記一端よりも圧力が低く、かつ、前記リング部材の内周面を除く箇所に開口する流路と、前記流路を開閉可能な開閉弁と、を備える。

この構成によれば、リング部材に流路が形成され、流路は開閉弁によって開閉可能とされている。開閉弁を開状態とした場合、流路を流通する蒸気によってリング部材に対する入熱が増加する。一方で、クリアランスにおける流路よりも軸線方向の下流側の部分では蒸気が流通しないため、当該部分におけるロータへの入熱は減少する。したがって、相対的に熱容量の小さいロータと、相対的に熱容量の大きいリング部材との温度差を小さくすることができる。その結果、ピンチポイントにおけるロータとリング部材との距離を大きく確保することができ、初期クリアランス（ダミーリングに固定されたシール部材とロータの外周面との初期のクリアランス）を小さくすることができる。

本発明の第二の態様によれば、前記流路は、前記リング部材の内部を貫通するリング流路と、該リング流路に連通する配管流路と、を有し、前記開閉弁は前記配管流路に設けられていてもよい。

この構成によれば、配管流路上に開閉弁が設けられる。したがって、リング流路上に開閉弁が設けられている場合に比べて、当該開閉弁のメンテナンスや、開閉の切り替えを容易に行うことが可能となる。

本発明の第三の態様によれば、回転機械は、前記ロータ、及び前記リング部材を外周側から囲う外車室をさらに備え、前記配管流路は前記外車室の外側まで延び、前記開閉弁は前記配管流路における前記外車室の外側に設けられていてもよい。

この構成によれば、外車室の外側における配管流路上に開閉弁が設けられる。したがって、リング流路上に開閉弁が設けられている場合に比べて、当該開閉弁のメンテナンスや、開閉の切り替えをさらに容易に行うことが可能となる。

本発明の第四の態様によれば、前記リング流路は、前記軸線に対する径方向に延びる径方向流路部と、前記軸線方向に延びる軸方向流路部と、を有してもよい。

この構成によれば、流路が径方向流路部に加えて軸方向流路部を有していることから、流路が径方向のみに延びている場合に比べて、流路を流通する流体とリング部材との間で行われる熱交換の伝熱面積を大きくすることができる。これにより、リング部材の温度上昇を促進することができる。

本発明の第五の態様によれば、前記リング流路の前記一端は、前記リング部材の内周面における隣り合う複数の前記シール部材間に開口し、前記リング流路の前記一端を基準として、上流側にある前記シール部材の数が、下流側にある前記シール部材の数よりも少なくてもよい。

この構成によれば、リング部材における、より上流側で流体を流路に流入させることができる。上流側になるほど流体の温度及び圧力が高いため、下流側で流体が流路に流入する場合に比べてリング部材の温度上昇を促進することができる。

本発明の第六の態様によれば、回転機械は、前記開閉弁の開閉状態を切り換える制御装置をさらに備え、該制御装置は、前記回転機械の運転開始から前記開閉弁を開状態とし、前記回転機械の負荷が５０％に到達してから所定期間を経過した時点で前記開閉弁を閉状態としてもよい。

ここで、運転開始から、負荷が５０％に到達した後の所定期間が経過するまでは、ピンチポイントを迎える可能性が高い。上記の構成によれば、当該所定期間は開閉弁が開状態とされる。その結果、リング部材に対して流路を通じた流体からの入熱が生じ、かつクリアランスを流通する流体からのロータへの入熱は減少する。これにより、ロータとリング部材の温度差を小さくし、ピンチポイントにおけるロータとリング部材との距離を大きく確保することができる。一方で、上記所定期間の経過後は、開閉弁が閉状態とされることで、流路へ流入していた流体はクリアランス中を流通するようになる。これにより、回転機械の効率を向上させることができる。

本発明の第七の態様によれば、回転機械は、前記リング部材の温度を計測する温度計測部と、前記温度計測部の計測結果に基づいて前記開閉弁の開閉状態を切り換える制御装置をさらに備え、該制御装置は、前記計測結果が予め定められた閾値よりも小さい場合は前記開閉弁を開状態とし、前記計測結果が前記閾値以上の場合は前記開閉弁を閉状態としてもよい。

ここで、リング部材の温度が予め定められた閾値よりも小さい期間は、リング部材とロータとの温度差が大きいため、ピンチポイントを迎える可能性が高い。上記の構成によれば、リング部材の温度が閾値よりも小さい場合は開閉弁が開状態とされる。その結果、リング部材に対して流路を通じた流体からの入熱が生じ、かつクリアランスを流通する流体からのロータへの入熱は減少する。これにより、ロータとリング部材の温度差を小さくし、ピンチポイントにおけるロータとリング部材との距離を大きく確保することができる。一方で、リング部材の温度が閾値以上となった場合には、開閉弁が閉状態とされることで、流路へ流入していた流体はクリアランス中を流通するようになる。これにより、回転機械の効率を向上させることができる。

本発明の第八の態様によれば、回転機械は、前記軸線に対する径方向における前記クリアランスの寸法を計測するクリアランス計測部と、前記クリアランス計測部の計測結果に基づいて前記開閉弁の開閉状態を切り換える制御装置をさらに備え、該制御装置は、前記計測結果に基づいて、ピンチポイントを迎えていないと判定された場合は前記開閉弁を開状態とし、前記計測結果に基づいて、ピンチポイントを過ぎたと判定された場合は前記開閉弁を閉状態とする。

ここで、ピンチポイントとは、ロータとリング部材とが最も接近する状態を指す。上記の構成によれば、ピンチポイントを迎えていないと判定された場合は開閉弁が開状態とされる。その結果、リング部材に対して流路を通じた流体からの入熱が生じ、かつクリアランスを流通する流体からのロータへの入熱は減少する。これにより、ロータとリング部材の温度差を小さくし、ピンチポイントにおけるロータとリング部材との距離を大きく確保することができる。一方で、ピンチポイントを過ぎたと判定された場合には、開閉弁が閉状態とされることで、流路へ流入していた流体はクリアランス中を流通するようになる。これにより、回転機械の効率を向上させることができる。

本発明の第九の態様によれば、前記リング部材はダミーリングであり、回転機械は、該ダミーリングに対して軸線方向に間隔をあけて配置された翼環と、前記ダミーリング及び前記翼環を外周側から覆う内車室と、をさらに備えてもよい。

この構成によれば、ダミーリングとロータとの温度差が小さくなることで、さらに効率の向上した回転機械を提供することができる。

本発明によれば、さらに効率の向上した回転機械を提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る回転機械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リング部材の構成を示す拡大図であって、開閉弁が開状態にある場合を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るリング部材の構成を示す拡大図であって、開閉弁が閉状態にある場合を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る制御装置のハードウェア構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第一実施形態に係る制御装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第一実施形態に係るリング部材における熱の移動の様子を示す説明図であって、開閉弁が開状態にある場合を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るリング部材における熱の移動の様子を示す説明図であって、開閉弁が閉状態にある場合を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る回転機械における負荷及び回転数の時間変化を示すグラフである。 本発明の第一実施形態に係る回転機械におけるリング部材及びロータの変位と、クリアランスの時間変化を示すグラフである。 本発明の第二実施形態に係る回転機械の構成を示す模式図である。 本発明の第二実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。 本発明の第三実施形態に係る回転機械の構成を示す模式図である。 本発明の第三実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。 本発明の各実施形態における流路の変形例を示す図である。 本発明の各実施形態における流路のさらなる変形例を示す図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図面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１（回転機械）は、軸線Ｏ回りに回転するロータ２と、ロータ２を外周側から囲う環状のダミーリング３（リング部材）と、ダミーリング３の内周面に設けられたシール部材４と、ダミーリング３に対して軸線Ｏ方向に間隔をあけて配置された翼環５と、ダミーリング３及び翼環５のそれぞれ少なくとも一部を外周側から囲う内車室６と、ダミーリング３、翼環５、及び内車室６を外周側から囲う外車室７と、ダミーリング３に形成された流路８と、流路８上に設けられた開閉弁９と、開閉弁９の開閉状態を切り換える制御装置９０と、を備える。

ロータ２は、軸線Ｏを中心とする柱状をなしている。ロータ２は、外車室７を軸線Ｏ方向に貫通している。外車室７の内部において、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かって、ロータ２の外周面（ロータ外周面２Ａ）を囲うようにしてダミーリング３、内車室６、及び翼環５が順に設けられている。ダミーリング３は、ロータ２を外周側から囲う環状をなしている。ダミーリング３の内周面（リング内周面３Ａ）とロータ外周面２Ａとの間にはクリアランスＣが形成されている。このクリアランスＣには、複数のシール部材４が露出している。シール部材４は、クリアランスＣを流通する蒸気（後述）をシールするために設けられる。

図２に示すように、各シール部材４は、リング内周面３Ａに設けられ、軸線Ｏに対する径方向に進退動するシール基部４１と、シール基部４１の内周面に軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数のシールフィン４２と、を有している。シールフィン４２の先端部（径方向内側の端部）と、ロータ外周面２Ａとの間にはわずかな間隙が形成されている。

詳しくは図示しないが、翼環５は、軸線Ｏ方向に配列された複数の静翼列を有している。各静翼列は軸線Ｏに対する周方向に配列された複数の静翼を有している。ロータ外周面２Ａには、これら静翼列同士の間に入り込むようにして軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の動翼列が設けられている。各動翼列は、軸線Ｏに対する周方向に配列された複数の動翼を有している。

再び図１に示すように、ダミーリング３の外周面（リング外周面３Ｂ）と翼環５の外周面（翼環外周面５Ｂ）のそれぞれ少なくとも一部は環状の内車室６によって外側から囲われている。内車室６の内周側の空間（供給空間Ｖ）と、外車室７の外側とは蒸気供給管１０によって連通されている。蒸気供給管１０を通じて外部の蒸気供給源から蒸気タービン１に蒸気が供給される。蒸気供給管１０を通じて供給された蒸気は、供給空間Ｖを経て、軸線Ｏ方向両側に向かって流通し、上述のクリアランスＣ、及び翼環５の内周側に流入する。

翼環５の内周側に蒸気が流入することで、上記の静翼列、及び動翼列を通じてロータ２に回転力が与えられる。ロータ２の回転は軸端から取り出されて発電機等の外部機器（不図示）を駆動する。翼環５を通過した蒸気は、外車室７に形成された排気口１２を経て外部（例えば復水器等）に排出される。

図２又は図３に示すように、ダミーリング３の内部には流路８が形成されている。流路８はダミーリング３の内部を貫通するリング流路８ａと、リング流路８ａに連通する配管流路８ｂと、を有している。リング流路８ａは、ダミーリング３を軸線Ｏに対する径方向に貫通するように延びている。リング流路８ａの一端（第一開口部８１ａ）は、リング内周面３Ａにおけるシール部材４同士の間に開口している。より詳細には、第一開口部８１ａは、軸線Ｏ方向に５つ配列されたシール部材４のうち、軸線Ｏ方向他方側から数えて１つ目のシール部材４と２つ目のシール部材４との間に形成されている。即ち、蒸気の流れ方向において、第一開口部８１ａを基準として上流側にあるシール部材４の数が、下流側にあるシール部材４の数よりも少ない。なお、上流側にあるシール部材４の数が、下流側にあるシール部材４の数よりも多くてもよい。

リング流路８ａの他端（第二開口部８１ｂ）には、配管流路８ｂが接続されている。配管流路８ｂは、外車室７の外側を通って、外車室７における軸線Ｏ方向他方側（翼環５の下流側における端部の近傍）に形成された導入口１１（図１参照）に接続されている。即ち、第二開口部８１ｂは、第一開口部８１ａよりも圧力が低く、かつリング内周面３Ａを除く箇所に形成されている。配管流路８ｂ上には、当該配管流路８ｂ、及びリング流路８ａを開閉する開閉弁９が設けられている。開閉弁９としては、外部からの電気信号によって開閉が切り替え可能な電磁弁が好適に用いられる。開閉弁９は制御装置９０に接続されている。制御装置９０は、開閉弁９の開閉状態を制御する。

図４に示すように、制御装置９０は、ＣＰＵ９１（Central Processing Unit）、ＲＯＭ９２（Read Only Memory）、ＲＡＭ９３（Random Access Memory）、ＨＤＤ９４（Hard Disk Drive）、信号受信モジュール９５（I/O：Input/Output）を備えるコンピュータである。信号受信モジュール９５は、蒸気タービン１の負荷を測定する負荷センサ８０（図１参照）からの信号を受信する。信号受信モジュール９５は、例えばチャージアンプ等を介して増幅された信号を受信してもよい。

図５に示すように、制御装置９０のＣＰＵ９１は予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、制御部８１、負荷検出部８２、判定部８３、タイマー８４、弁開閉部８５を有する。制御部８１は制御装置９０に備わる他の機能部を制御する。蒸気タービン１の運転開始時に、制御部８１は開閉弁９を開状態とする（ステップＳ１）。負荷検出部８２には、負荷センサ８０で測定された蒸気タービン１の負荷（％）が数値情報として入力される。図６に示すように、判定部８３は、負荷検出部８２から入力された蒸気タービン１の負荷が予め定められた閾値（一例として５０％）以上であるか否かを判定する（ステップＳ２）。判定部８３で蒸気タービン１の負荷が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、その時点でタイマー８４は予め定められた所定期間（一例として１時間）をカウントし始める。弁開閉部８５は、当該所定期間の経過後（ステップＳ３：Ｙｅｓの場合）に、開閉弁９を閉状態とするための電気信号を発出する（ステップＳ４）。

続いて、本実施形態に係る蒸気タービン１の動作について説明する。蒸気タービン１を運転するに当たっては、外部の蒸気供給源から高温高圧の蒸気が蒸気供給管１０を通じて供給空間Ｖに供給される。蒸気は、供給空間Ｖを経てクリアランスＣ側、及び翼環５側に流通する。翼環５側に流通した蒸気は、動翼列、及び静翼列に順次衝突することで、ロータ２に回転力を与える。ロータ２の回転は軸端から取り出されて発電機等の外部機器（不図示）を駆動する。翼環５を通過した蒸気は、外車室７に形成された排気口１２を経て外部（例えば復水器等）に排出される。

ここで、ダミーリング３は、軸線Ｏに対する径方向において比較的に大きな寸法を有しているため、ロータ２に比べて熱容量が大きい。即ち、ダミーリング３は、ロータ２に比べて温度が上がりにくい。したがって、ロータ２とダミーリング３との間で、クリアランスＣに流入した蒸気による入熱によって生じる熱変形の大きさに差異が生じる。具体的には、ロータ２はダミーリング３に比べて径方向に大きく熱変形する。これにより、シール部材４（シールフィン４２）の先端部とロータ外周面２Ａとが最も近接する時期（ピンチポイント）を早期に迎える可能性がある。

しかしながら、本実施形態に係る蒸気タービン１では、ダミーリング３に流路８が形成され、流路８の開閉状態が開閉弁９によって切り換えられる。流路８の開閉に伴うダミーリング３周囲における熱収支の変化について、図７及び図８を用いて模式的に説明する。図７及び図８中における矢印の向きは入熱の方向を示し、矢印の大きさは相対的な入熱の大きさを示している。なお、図７及び図８では図示を簡潔にするため、シール部材４を省略している。図７に示すように、開閉弁９が閉状態にある場合には、蒸気は流路８（リング流路８ａ）にはほぼ流入せず、その大部分がクリアランスＣ内を通過する。この時、ダミーリング３内における軸線Ｏ方向の入熱Ｑ１は相対的に小さい。一方で、クリアランスＣを流通する蒸気によるダミーリング３及びロータ２への入熱Ｑ２，Ｑ３は相対的に大きい。

開閉弁９が開状態にある場合には、蒸気の大部分が流路８（リング流路８ａ）内に流入し、クリアランスＣ内にはほぼ蒸気が流入しない。その結果、ダミーリング３内における軸線Ｏ方向の入熱Ｑ１´は、開閉弁９が閉状態にある場合の入熱Ｑ１に比べて相対的に大きくなり、クリアランスＣを流通する蒸気によるダミーリング３及びロータ２への入熱Ｑ２´，Ｑ３´は、入熱Ｑ２，Ｑ３に比べて相対的に小さくなる。即ち、ダミーリング３が蒸気から受け取る熱量が増加し、当該ダミーリング３の熱変形量も大きくなる。これにより、ダミーリング３とロータ２との間における熱変形量の差異が小さくなる。したがって、ピンチポイントを迎えた場合であっても、リング内周面３Ａ（シールフィン４２の先端部）とロータ外周面２Ａとの間の離間距離を維持することができる。これにより、初期クリアランスをより小さくすることができ、蒸気タービン１の効率をさらに向上させることができる。

図９は、本実施形態に蒸気タービン１における負荷及び回転数の時間変化を示すグラフである。実線は蒸気タービン１の負荷を示し、鎖線はロータ２の回転数を示している。同グラフに示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１では、ロータ２の回転数が上昇してから、やや遅れて負荷が上昇する。図１０は、ダミーリング３及びロータ２の変位と、クリアランスＣの時間変化を示すグラフである。実線はロータ２の変形量を示し、鎖線はダミーリング３の変形量を示している。同グラフに示すように、本実施形態に係る構成によれば、ダミーリング３とロータ２の熱変形量及び変形の時期をほぼ同一にすることができる。即ち、ダミーリング３とロータ２の変形量の差異を小さくすることができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る蒸気タービン１では、ダミーリング３に流路８が形成され、流路８は開閉弁９によって開閉可能とされている。開閉弁９を開状態とした場合、流路８を流通する蒸気によってダミーリング３に対する入熱が増加する。一方で、クリアランスＣにおける流路８よりも軸線Ｏ方向の下流側の部分では蒸気が流通しないため、当該部分におけるロータ２への入熱は減少する。したがって、相対的に熱容量の小さいロータ２と、相対的に熱容量の大きいダミーリング３との温度差を小さくすることができる。その結果、ピンチポイントにおけるロータ２とダミーリング３との距離を大きく確保することができ、初期クリアランスを小さくすることができる。

さらに、上記の構成によれば、配管流路８ｂ上に開閉弁９が設けられる。より具体的には、外車室７の外側における配管流路８ｂ上に開閉弁９が設けられる。したがって、リング流路８ａ上に開閉弁９が設けられている場合に比べて、当該開閉弁９のメンテナンスや、開閉の切り替えを容易に行うことが可能となる。

加えて、本実施形態に係る蒸気タービン１では、リング流路８ａの一端（第一開口部８１ａ）は、リング内周面３Ａにおける隣り合う複数のシール部材４間に開口し、第一開口部８１ａを基準として上流側にあるシール部材４の数が、下流側にあるシール部材４の数よりも少ない。この構成によれば、ダミーリング３における、より上流側で蒸気を流路８に流入させることができる。上流側になるほど蒸気の温度及び圧力が高いため、下流側で蒸気が流路８に流入する場合に比べてダミーリング３の温度上昇を促進することができる。

さらに加えて、蒸気タービン１は、開閉弁９の開閉状態を切り換える制御装置をさらに備える。制御装置は、蒸気タービン１の運転開始から開閉弁９を開状態とし、蒸気タービン１の負荷が５０％に到達してからの所定期間経過後に開閉弁９を閉状態とする。

蒸気タービン１では、運転開始から、負荷が５０％に到達した後の所定期間が経過するまでは、ピンチポイントを迎える可能性が高い。上記の構成によれば、当該所定期間は開閉弁９が開状態とされる。その結果、ダミーリング３に対して流路８を通じた蒸気からの入熱が生じ、かつクリアランスＣを流通する蒸気からのロータ２への入熱は減少する。これにより、ロータ２とダミーリング３の温度差を小さくし、ピンチポイントにおけるロータ２とダミーリング３との距離を大きく確保することができる。一方で、上記所定期間の経過後は、開閉弁９が閉状態とされることで、流路８へ流入していた蒸気はクリアランスＣ中を流通するようになる。これにより、蒸気タービン１の効率を向上させることができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、リング部材としてダミーリング３に流路８を形成した例について説明した。しかしながら、蒸気によって積極的に昇温することで隣接する他部材との温度差を低減する要請がある部材であればいかなる部材にも同様の構成を適用することが可能である。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図１１及び図１２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１１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン２１では、ダミーリング３の内部に温度計測部７０が埋設されている。温度計測部７０は、ダミーリング３における軸線Ｏ方向及び軸線Ｏに対する径方向における略中央部に配置されることが望ましい。温度計測部７０としては熱伝対のように、温度を電気信号として外部に出力可能な装置が好適に用いられる。温度計測部７０は、制御装置１９０に接続されている。制御装置１９０は、温度計測部７０の計測結果に基づいて開閉弁９の開閉状態を切り換える。

図１２に示すように、制御装置１９０のＣＰＵ１９１は予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、制御部１８１、温度検出部１８２、判定部１８３、弁開閉部１８４を有する。制御部１８１は制御装置１９０に備わる他の機能部を制御する。温度検出部１８２には、温度計測部７０からダミーリング３の温度が入力される。判定部１８３は、ダミーリング３の温度が予め定められた閾値以上であるか否かを判定する。判定部１８３でダミーリング３の温度が閾値以上であると判定された場合、弁開閉部１８４は、開閉弁９を閉状態とするための電気信号を発出する。

上記の構成では、ダミーリング３の温度が閾値以上となるまで、開閉弁９が開状態とされる。ここで、ダミーリング３の温度が予め定められた閾値よりも小さい期間は、ダミーリング３とロータ２との温度差が大きいため、ピンチポイントを迎える可能性が高い。上記の構成によれば、ダミーリング３の温度が閾値よりも小さい場合は開閉弁９が開状態とされる。その結果、ダミーリング３に対して流路８を通じた蒸気からの入熱が生じ、かつクリアランスＣを流通する蒸気からのロータ２への入熱は減少する。これにより、ロータ２とダミーリング３の温度差を小さくし、ピンチポイントにおけるロータ２とダミーリング３との距離を大きく確保することができる。一方で、ダミーリング３の温度が閾値以上となった場合には、開閉弁９が閉状態とされることで、流路８へ流入していた蒸気はクリアランスＣ中を流通するようになる。これにより、蒸気タービン２１の効率を向上させることができる。

以上、本発明の第二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、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、リング部材としてダミーリング３に流路８を形成し、温度計測部７０を設けた例について説明した。しかしながら、蒸気によって積極的に昇温することで隣接する他部材との温度差を低減する要請がある部材であればいかなる部材にも同様の構成を適用することが可能である。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図１３及び図１４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１３に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン３１では、ダミーリング３の内周面とロータ２の外周面との間に、クリアランス計測部７１が設けられている。クリアランス計測部７１は、軸線Ｏに対する径方向におけるクリアランスＣの寸法を計測する。クリアランス計測部７１は、制御装置２９０に接続されている。制御装置２９０は、クリアランス計測部７１の計測結果に基づいて開閉弁９の開閉状態を切り換える。

図１４に示すように、制御装置２９０のＣＰＵ２９１は予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、制御部２８１、クリアランス検出部２８２、判定部２８３、弁開閉部２８４を有する。制御部２８１は制御装置２９０に備わる他の機能部を制御する。クリアランス検出部２８２には、クリアランス計測部７１からクリアランスＣの径方向における寸法が入力される。判定部２８３は、クリアランスＣの寸法に基づいて、ピンチポイントを過ぎたか否かを判定する。具体的には、判定部２８３は、クリアランスＣの寸法、運転開始からの経過時間、負荷等に基づいて、ピンチポイントを過ぎたか否かを判定する。判定部２８３でピンチポイントを過ぎたと判定された場合、弁開閉部２８５は、開閉弁９を閉状態とするための電気信号を発出する。なお、ピンチポイントとは、ロータとリング部材とが最も接近する状態を指す。

上記の構成では、ピンチポイントを迎える前まで、開閉弁９が開状態とされる。その結果、ダミーリング３に対して流路８を通じた蒸気からの入熱が生じ、かつクリアランスＣを流通する蒸気からのロータ２への入熱は減少する。これにより、ロータ２とダミーリング３の温度差を小さくし、ピンチポイントにおけるロータ２とダミーリング３との距離を大きく確保することができる。一方で、ピンチポイントを過ぎた後には、開閉弁９が閉状態とされることで、流路８へ流入していた蒸気は当該クリアランスＣ中を流通するようになる。これにより、蒸気タービン３１の効率を向上させることができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、リング部材としてダミーリング３に流路８を形成し、クリアランス計測部７１を設けた例について説明した。しかしながら、蒸気によって積極的に昇温することで隣接する他部材との温度差を低減する要請がある部材であればいかなる部材にも同様の構成を適用することが可能である。

さらに、上記の各実施形態では、リング流路８ａが軸線Ｏに対する径方向にのみ延びている例について説明した。しかしながら、リング流路８ａの態様は上記に限定されない。他の例として、図１５に示すような構成を採ることも可能である。同図の例では、リング流路８ａは、軸線Ｏに対する径方向に延びる径方向流路部８１１と、軸線Ｏ方向に延びる軸方向流路部８１２と、を有する。この構成によれば、流路８が径方向のみに延びている場合に比べて、リング流路８ａを流通する流体とダミーリング３との間で行われる熱交換の伝熱面積を大きくすることができる。これにより、ダミーリング３の温度上昇をさらに促進することができる。

さらなる他の例として、図１６に示すような構成を採ることも可能である。同図の例では、リング流路８ａは、軸線Ｏに対する径方向に延びる径方向流路部８１１と、軸線Ｏ方向に延びる軸方向流路部８１２と、軸方向流路部８１２からダミーリング３の外周面に向かって延びる排出流路部８１３と、を有する。この構成では、径方向流路部８１１に流入した蒸気は、軸方向流路部８１２を経てダミーリング３を昇温した後、排出流路部８１３から外車室７の内部空間に向かって流れる。このような構成によっても、上記と同様の作用効果を得ることができる。

１，２１，３１…蒸気タービン
２…ロータ
３…ダミーリング
４…シール部材
５…翼環
６…内車室
７…外車室
８…流路
９…開閉弁
１０…蒸気供給管
１１…導入口
１２…排気口
４１…シール基部
４２…シールフィン
７０…温度計測部
７１…クリアランス計測部
８ａ…リング流路
８ｂ…配管流路
８０…負荷センサ
８１１…径方向流路部
８１２…軸方向流路部
８１３…排出流路部
２Ａ…ロータ外周面
３Ａ…リング内周面
３Ｂ…リング外周面
５Ｂ…翼環外周面
８１ａ…第一開口部
８１ｂ…第二開口部
Ｏ…軸線
Ｖ…供給空間

Claims (9)

1. 軸線回りに回転するロータと、
   前記ロータを外周側から囲う環状をなすとともに、前記ロータの外周面との間にクリアランスを形成するリング部材と、
   前記リング部材の内周面に設けられて、前記クリアランスをシールするシール部材と、
   一端が前記リング部材の内周面に開口するとともに、他端が前記一端よりも圧力が低く、かつ、前記リング部材の内周面を除く箇所に開口する流路と、
   前記流路を開閉可能な開閉弁と、
   を備える回転機械。
2. 前記流路は、
   前記リング部材の内部を貫通するリング流路と、
   該リング流路に連通する配管流路と、
   を有し、
   前記開閉弁は前記配管流路に設けられている請求項１に記載の回転機械。
3. 前記ロータ、及び前記リング部材を外周側から囲う外車室をさらに備え、
   前記配管流路は前記外車室の外側まで延び、前記開閉弁は前記配管流路における前記外車室の外側に設けられている請求項２に記載の回転機械。
4. 前記リング流路は、
   前記軸線に対する径方向に延びる径方向流路部と、
   前記軸線方向に延びる軸方向流路部と、
   を有する請求項２又は３に記載の回転機械。
5. 前記リング流路の前記一端は、前記リング部材の内周面における隣り合う複数の前記シール部材間に開口し、
   前記リング流路の前記一端を基準として、上流側にある前記シール部材の数が、下流側にある前記シール部材の数よりも少ない請求項２から４のいずれか一項に記載の回転機械。
6. 前記開閉弁の開閉状態を切り換える制御装置をさらに備え、
   該制御装置は、前記回転機械の運転開始から前記開閉弁を開状態とし、前記回転機械の負荷が５０％に到達してから所定期間を経過した時点で前記開閉弁を閉状態とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転機械。
7. 前記リング部材の温度を計測する温度計測部と、
   前記温度計測部の計測結果に基づいて前記開閉弁の開閉状態を切り換える制御装置をさらに備え、
   該制御装置は、前記計測結果が予め定められた閾値よりも小さい場合は前記開閉弁を開状態とし、前記計測結果が前記閾値以上の場合は前記開閉弁を閉状態とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転機械。
8. 前記軸線に対する径方向における前記クリアランスの寸法を計測するクリアランス計測部と、
   前記クリアランス計測部の計測結果に基づいて前記開閉弁の開閉状態を切り換える制御装置をさらに備え、
   該制御装置は、前記計測結果に基づいて、ピンチポイントを迎えていないと判定された場合は前記開閉弁を開状態とし、前記計測結果に基づいて、ピンチポイントを過ぎたと判定された場合は前記開閉弁を閉状態とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転機械。
9. 前記リング部材はダミーリングであり、
   該ダミーリングに対して軸線方向に間隔をあけて配置された翼環と、
   前記ダミーリング及び前記翼環を外周側から囲う内車室と、
   をさらに備える請求項１から８のいずれか一項に記載の回転機械。

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