JP5073060B2

JP5073060B2 - 回転機械スクロール構造および回転機械

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Publication number: JP5073060B2
Application number: JP2010524011A
Authority: JP
Inventors: 匠生山下; 肇博井上
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: US20100296923A1; ZA201004495B; US8757964B2; EP2304192B1; RU2010125706A; CN101952556B; WO2009123300A2; RU2470161C2; CN101952556A; EP2304192A2; JP2011506810A; WO2009123300A3

Description

本発明は、蒸気タービンやガスタービンなどの回転機械に用いられる回転機械のスクロール構造および回転機械に関する。

一般に、タービンなどの回転機械に用いられるスクロール構造は、高温蒸気または高温ガスを作動流体としたタービンにおける１段静翼の前方（作動流体の流入側）、または、最終段動翼の後方（作動流体の流出側）に設置されており、内部を作動流体が流れるように構成された板金溶接構造物である（例えば、特許文献１参照。）。
従来のスクロール構造は、水平面で２つに分割された上部ケーシングと下部ケーシングから構成されており、上部ケーシングと下部ケーシングとはボルトで締結されている（例えば、特許文献２参照）。

上述のスクロール構造には、周辺静止部材への遮熱作用や、作動流体の整流化作用などがある。
例えば、タービンに流入またはタービンから流出する作動流体が高温の場合には、スクロール構造は作動流体からの輻射や伝熱などを遮蔽し、内部車室などの周辺の静止部材における部材の温度上昇を防止している。
この際に、スクロール構造を構成する材料としては高温時の強度が高い材料が選定される。さらに、スクロール構造に要求される材料強度を満たすために、スクロール構造の外周面に冷却流体が吹き付けられ、スクロール構造の温度が下げられている。

一方、スクロール構造における１段静翼の前方、または、最終段動翼の後方の流路を、空気力学的に配慮した形状とすることで、作動流体の整流化が図られている。このようにすることで、作動流体の圧力損失が低減され、タービンの性能向上が図られている。

特開平１−１１７９２９号公報特公昭６０−６６０７号公報

しかしながら、上述のように水平面で２分割されるスクロール構造の場合には、上部ケーシングおよび下部ケーシングに接合用のフランジが設けられていたため、スクロール構造が大型化するという問題があった。
スクロール構造が大型化すると、内部車室などのスクロール構造の外周側に設置される静止部品なども大型化し、タービン重量が増加したりや、素材コストが上昇したりするという問題があった。

一方、スクロール構造の内部と外部との間で圧力差を有する場合には、上部ケーシングと下部ケーシングとの接合面から作動流体が漏れ出したり、接合面からスクロール構造外側の流体、例えば空気が巻き込まれて流入したりして、タービン性能に影響を与えるおそれがあるという問題があった。

さらに、上部ケーシングおよび下部ケーシングをボルトで締結する構造では、スクロール構造の組立や分解を行う作業スペースを確保する必要があり、スクロール構造内部の流路形状が制限されていた。言い換えると、空気力学的に考慮した複雑な形状と、組立や分解が可能な形状とが構造的に両立しないという問題があった。

従来のスクロール構造では組立や分解が可能な形状が優先され、その結果、スクロール構造内部の流路が空気力学的に損失を最小化した形状ではなくなり、作動流体の圧力損失が発生するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、回転機械の信頼性と性能の向上を図るとともに、回転機械およびスクロール構造の小型化を図ることができる回転機械のスクロール構造および回転機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の第１の態様は、回転機械の回転部における回転軸線の周りに円環状に延びる環状流路、および、該環状流路から前記回転軸線側に延びるとともに前記回転部に向かって延びる筒状流路の周囲を一体に覆い、一体に形成されたケーシングと、前記ケーシングを収納する支持部に対してケーシングを、前記回転軸線を中心とする径方向に沿って膨張収縮可能に支持する嵌合部と、が設けられている回転機械のスクロール構造である。

上記態様によれば、ケーシングを一体に形成することにより、外部への作動流体の漏れや、外部からケーシング内への他の流体の巻き込まれによる流入などが防止される。つまり、ケーシングが上部ケーシングおよび下部ケーシングの２分割構成の場合には、上部ケーシングと下部ケーシングとの接合面から作動流体の漏れ等が発生するおそれがあるのに対して、一体に形成されたケーシングでは、上述の接合面がないため、作動流体の漏れ等を確実に防止できる。

ケーシングを一体に形成することにより、ケーシングを２分割構成とした場合と比較して、筒状流路を圧力損失が小さい形状とすることができる。つまり、ケーシングを２分割構成とした場合、上部ケーシングと下部ケーシングとを締結するボルト等の部材の配置スペースや、当該ボルトの取付け及び取外しを行う作業スペースなどを確保するため、筒状流路の形状には制限が課されるのに対して、一体に形成されたケーシングでは、上述の締結用のボルトを用いる必要がない。このため、流路の形状に制限がなく、圧力損失が小さい流路形状を採用できる。

ケーシングを一体に形成することにより、ケーシングを２分割構成とした場合と比較して、スクロール構造を小さくできる。つまり、ケーシングを２分割構成とした場合、上部ケーシングと下部ケーシングとの締結に用いるフランジが両ケーシングから外側に突出しているのに対して、一体に形成されたケーシングでは、上述のフランジを用いる必要がない。このため、ケーシングの小型化を図ることができる。

嵌合部により、ケーシングを径方向に沿って膨張や収縮可能に支持するため、ケーシングの変形を拘束することによって生じるケーシングの芯ずれや、高応力の発生によるケーシングの損傷を防止できる。
例えば、ケーシングの一箇所でも固定点を設ければ、不均一な変形によりケーシングの芯ずれを起こす場合がある。また、固定点を設けたことにより、ケーシングの熱変形が拘束されて熱応力が生じ、ケーシングが損傷するおそれがある。
一方、ケーシングを径方向に沿って膨張や収縮可能に支持することで、ケーシング形状の歪みが抑制され、他の部材との接続部などからの作動流体の漏れが防止される。
ケーシングの熱変形が拘束されることがなく、ケーシングの芯ずれや熱応力の発生を抑制できる。
ここで、回転機械としては、例えば蒸気タービン、圧縮機やポンプなどの流体機械全般を挙げることができる。

上記態様において、前記嵌合部には、前記ケーシングの、前記回転軸線に沿う方向への移動を拘束するタービン部側拘束部と、前記ケーシングの、前記回転軸線に沿う方向への移動を拘束する車室側拘束部と、前記ケーシングの上端に配置され、前記支持部に対し水平方向への、前記ケーシングの移動を拘束する水平拘束部と、前記ケーシングの水平方向から下方に斜方に回転した位相に配置され、前記支持部に対する鉛直方向への前記ケーシングの移動を拘束する鉛直拘束部から構成され、前記タービン部拘束部および前記車室側拘束部には、前記ケーシングおよび前記支持部の一方に配置され、前記径方向に沿う方向の一方に向かって突出する第１凸部と、前記ケーシングおよび前記支持部の他方に配置され、前記径方向に沿う方向の他方に向かって開口するとともに前記回転軸線の周方向に向かって延び、前記第１凸部が嵌合される第１溝部と、該溝部を構成する一方の壁部が前記径方向に沿う方向の一方に向かって凹むとともに、前記回転軸線に沿う方向に開口し、前記第１凸部が前記一方の壁部に対して前記回転軸線に沿う方向に相対的に移動して通過する第１凹部と、が設けられていることが望ましい。

上記態様によれば、ケーシングは径方向に沿って膨張収縮可能に支持され、かつ、回転軸線に沿う方向へのケーシングの移動は規制される。
つまり、径方向に沿う方向の一方に突出した第１凸部を、径方向に沿う方向の他方に開口し、かつ、周方向に延びる第１溝部に嵌合させることにより、第１凸部と第１溝部とにおける回転軸線方向の相対移動が規制される。その一方で、第１凸部と第１溝部とにおける径方向の相対移動は許容される。

さらに、例えば回転機械の回転軸がケーシングを貫通する場合であっても、ケーシングを径方向に沿って膨張収縮可能に支持し、かつ、回転軸線に沿う方向への移動を規制できる。
具体的には、第１凸部を回転軸線に沿う方向に移動させつつ第１凹部を通過させることにより、第１溝部内に第１凸部は配置され、かつ、回転機械の回転軸はケーシングを貫通する。その後、第１凸部を周方向に回転させ、第１溝部における第１凹部が設けられていない領域に、言い換えると、一対の壁部が対向する領域に第１凸部を配置させることにより、第１凸部と第１溝部とにおける回転軸線方向の相対移動が規制される。

上記態様において、前記嵌合部には、前記ケーシングの、前記回転軸線に沿う方向への移動を拘束するタービン部側拘束部と、前記ケーシングの、前記回転軸線に沿う方向への移動を拘束する車室側拘束部と、前記ケーシングの上端に配置され、前記支持部に対し水平方向への、前記ケーシングの移動を拘束する水平拘束部と、前記ケーシングの水平方向から下方に斜方に回転した位相に配置され、前記支持部に対する鉛直方向への前記ケーシングの移動を拘束する鉛直拘束部とから構成され、前記水平拘束部および前記鉛直拘束部には、前記ケーシングおよび前記支持部の一方に配置され、前記径方向に沿う方向の一方に向かって突出する第２凸部と、前記ケーシングおよび前記支持部の他方に配置され、前記径方向に沿う方向の他方に向かって開口し、前記第２凸部が嵌合される第２凹部と、が設けられていることが望ましい。

上記態様によれば、ケーシングは径方向に沿って膨張収縮可能に支持され、かつ、回転軸線に対して交差する方向へのケーシングの移動は規制される。
つまり、径方向に沿う方向の一方に突出した第２凸部を、径方向に沿う方向の一方に凹む第２凹部に嵌合させることにより、第２凸部と第２凹部とにおける回転軸線方向に対して交差する方向の相対移動が規制される。その一方で、第２凹部と第２凹部とにおける径方向の相対移動は許容される。

本発明の第２の態様は、上記第1の態様に係るスクロール構造と、該スクロール構造との間で作動流体が流入または流出し、供給された前記作動流体から回転駆動力を抽出する回転部と、が設けられている回転機械である。

上記態様によれば、上記第1の態様に係るスクロール構造を備えることにより、回転部に流入または回転部から流出する作動流体の漏れ等を確実に防止でき、回転機械の信頼性が向上される。

上記第1の態様に係るスクロール構造を備えることにより、回転部に流入または回転部から流出する作動流体の圧力損失が小さくでき、回転機械の性能向上が図られる。
上記第1の態様に係るスクロール構造を備えることにより、ケーシングが小型化されるため、回転機械の小型化が図られる。

本発明の回転機械のスクロール構造および回転機械によれば、ケーシングを一体に形成することにより、回転機械の信頼性と性能の向上を図るとともに、回転機械およびスクロール構造の小型化を図ることができるという効果を奏する。
さらに、嵌合部により、ケーシングを径方向に沿って膨張や収縮可能に支持するため、回転機械の信頼性と性能の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの全体構成を説明する模式図である。図１の入口スクロール部の構成を説明するタービン部側から見た斜視図である。図１の入口スクロール部の構成を説明する車室側から見た斜視図である。図２および図３のタービン部側拘束部と車室側拘束部の構成を説明する部分拡大断面図である。図４のタービン側拘束部の構成を説明する部分拡大図である。図４のタービン側拘束部の構成を説明する部分拡大図である。図２の水平拘束部および鉛直拘束部の配置位置を説明する断面視図である。図７の水平拘束部の構成を説明する部分拡大図である。図７の水平拘束部の構成を説明するＡ−Ａ断面視図である。図７の鉛直拘束部の構成を説明する部分拡大図である。

この発明の一実施形態に係るスクロール構造およびそれを備えたガスタービンについて、図１から図１０を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るガスタービンの全体構成を説明する模式図である。
ガスタービン（回転機械）１には、図１に示すように、ガスタービン１の外形を構成する車室（支持部）２Ａ，２Ｂ，２Ｃと、供給された作動流体から回転駆動力を抽出するタービン部（回転部）３と、タービン部３により回転軸線Ｌまわりに回転駆動される回転軸４と、作動流体をタービン部３に供給する入口スクロール部（スクロール構造）５と、タービン部３から排出された作動流体が流入する排気スクロール部（スクロール構造）６と、が設けられている。

車室２Ａ，２Ｃは、図１に示すように、車室２Ｂとともにガスタービン１の外形を構成し、その内部にタービン部３や、回転軸４や、入口スクロール部５や、排気スクロール部６などが収納されるものである。車室２Ａ，２Ｃは、一方の端部が閉塞された略円筒状の部材、言い換えると、有底円筒状、いわゆる壺型に形成された部材である。車室２Ａ，２Ｃは、互いに開口端を向き合わせて、間に車室２Ｂを挟んで締結されるように構成されている。
車室２Ａ，２Ｃの閉塞端には回転軸４が挿通される貫通孔７が設けられ、車室２Ａ，２Ｃの円筒面には作動流体が流入または流出する配管が挿通される開口部８が設けられている。

車室２Ｂは、図１に示すように、車室２Ａ，２Ｃとともにガスタービン１の外形を構成するとともに、タービン部３を支持するものである。
車室２Ｂは、回転軸線Ｌと中心とする径方向に延びる略円板状の部材であって、車室２Ａ，２Ｃに挟まれて配置される部材である。

タービン部３は、図１に示すように、動翼１１および静翼１２を備え（図４参照。）、入口スクロール部５から供給された作動流体から回転駆動力を抽出して回転軸４を回転駆動するものである。
なお、タービン部３の構成は、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

回転軸４は、図１に示すように、タービン部３により回転軸線Ｌまわりに回転駆動されるものである。

入口スクロール部５および排気スクロール部６は、図１に示すように、作動流体が内部を通過するものであって、それぞれ、作動流体をタービン部３に供給、タービン部３から排出された作動流体が流入するものである。入口スクロール部５および排気スクロール部６の基本構成は略同一であるため、ここでは、入口スクロール部５について説明し、排気スクロール部６の構成については説明を省略する。

図２は、図１の入口スクロール部の構成を説明するタービン部側から見た斜視図である。図３は、図１の入口スクロール部の構成を説明する車室側から見た斜視図である。
入口スクロール部５には、図２および図３に示すように、入口スクロール部５の外形を構成するスクロール本体（ケーシング）２１と、車室２Ａに対してスクロール本体２１を、回転軸線Ｌを中心とする径方向に沿って膨張収縮可能に支持するとともに、回転軸線Ｌに沿う方向への移動を拘束するタービン部側拘束部（嵌合部）２２Ａ，車室側拘束部（嵌合部）２２Ｂ，水平拘束部（嵌合部）２３Ａおよび鉛直拘束部（嵌合部）２３Ｂと、が設けられている。

スクロール本体２１は、図２および図３に示すように、中央に回転軸４が挿通される開口を有するリング状に一体に形成されたものである。スクロール本体２１の内部には、図１に示すように、回転軸線Ｌの周りに円環状に延びる環状流路３１と、環状流路３１から回転軸線Ｌに向かってタービン部３に延びる筒状流路３２と、が設けられている。

図４は、図２および図３のタービン部側拘束部と車室側拘束部の構成を説明する部分拡大断面図である。
さらに、スクロール本体２１におけるタービン部３側には、図４に示すように、スクロール本体２１を、回転軸線Ｌを中心とする径方向に沿って膨張収縮可能に支持するとともに、回転軸線Ｌに沿う方向への移動を拘束するタービン部側拘束部２２Ａが設けられている。一方、スクロール本体２１における車室２Ａ側には、スクロール本体２１を、回転軸線Ｌを中心とする径方向に沿って膨張収縮可能に支持するとともに、回転軸線Ｌに沿う方向への移動を拘束する車室側拘束部２２Ｂが設けられている。

環状流路３１は、図１に示すように、外部から加熱された作動流体が流入する環状の流路であって、外部から作動流体が流入する下方（図１の下方）から上方に向かって、流路断面積が徐々に小さくなる流路である。このように形成することで、タービン部３に流入する作動流体の流速が、周方向にわたって略均一になる。

筒状流路３２は、図１および図４に示すように、環状流路３１の内周側から回転軸線Ｌに向かって延びるとともに、タービン部３に向かって延びる流路である。さらに、筒状流路の形状は、内部を流れる作動流体の圧力損失が最も小さくなる形状とされている。
入口スクロール部５における筒状流路３２では、環状流路３１からタービン部３に流入する作動流体が流れる。一方、排気スクロール部６における筒状流路３２では、タービン部３から環状流路３１に流入する作動流体が流れる。

図５および図６は、図４のタービン側拘束部の構成を説明する部分拡大図である。
タービン部側拘束部２２Ａは、図４および図５に示すように、スクロール本体２１を径方向に膨張収縮可能に支持するとともに、回転軸線Ｌに沿う方向への移動を拘束するものである。
タービン部側拘束部２２Ａには、スクロール本体２１の内周面に配置された外側リング４１Ａと、車室２Ａと繋がる支持部３５に固定された内側リング４２Ａと、が設けられている。

外側リング４１Ａには、径方向内側に突出するとともに、周方向に所定間隔を空けて等間隔に配置された第１凸部４３Ａが設けられている。第１凸部４３Ａの配置間隔は、後述する第１凹部４５Ａの配置間隔に合わせて設定されている。
第１凸部４３Ａは後述する第１溝部４４Ａに嵌合され、回転軸線Ｌに沿う方向へのスクロール本体２１の移動を拘束するものである。

一方、内側リング４２Ａには、径方向外側に開口するとともに周方向に延びる第１溝部４４Ａと、第１溝部４４Ａを構成する一対の壁部の内のスクロール本体２１側の壁部４６Ａに形成された径方向内側に凹む第１凹部４５Ａと、が設けられている。

第１溝部４４Ａは上述の第１凸部４３Ａと嵌合され、回転軸線Ｌに沿う方向へのスクロール本体２１の移動を拘束するとともに、周方向への第１凸部４３Ａの移動を許容するものである。
第１凹部４５Ａは、上述の第１凸部４３Ａを第１溝部４４Ａに嵌合や離脱させる際に、第１凸部４３Ａが回転軸線Ｌに沿う方向へ移動して通過するものである。第１凹部４５Ａは、周方向に所定間隔をあけて等間隔に、第１凸部４３Ａと同数だけ設けられている。第１凹部４５Ａの予定間隔は、上述の第１凸部４３Ａの配置間隔に合わせて設定されている。

このようにすることで、第１凸部４３Ａは第１凹部４５Ａを通過して、回転軸線Ｌに沿う方向に移動できる。
なお、図５に示す外側リング４１Ａと内側リング４２Ａとの相対位置関係は、第１凸部４３Ａが第１凹部４５Ａを通過する際の位置関係を示すものであり、図６に示す外側リング４１Ａと内側リング４２Ａとの相対位置関係は、第１凸部４３Ａが周方向に回転し、回転軸線Ｌに沿う方向へのスクロール本体２１の移動を拘束する際の位置関係を示すものである。

車室側拘束部２２Ｂは、図４に示すように、スクロール本体２１を径方向に膨張収縮可能に支持するとともに、回転軸線Ｌに沿う方向への移動を拘束するものである。
車室側拘束部２２Ｂには、スクロール本体２１における車室２Ａと対向する面に配置された外側リング４１Ｂと、車室２Ａと繋がる支持部３５に固定された内側リング４２Ｂと、が設けられている。

外側リング４１Ｂには、外側リング４１Ａと同様に、径方向内側に突出するとともに、周方向に所定間隔を空けて等間隔に配置された第１凸部４３Ｂが設けられている。
一方、内側リング４２Ｂには、内側リング４２Ａと同様に、径方向外側に開口するとともに周方向に延びる第１溝部４４Ｂと、第１溝部４４Ｂを構成する一対の壁部の内のスクロール本体２１側の第１壁部４６Ｂに形成された径方向内側に凹む第１凹部４５Ｂと、が設けられている。

図７は、図２の水平拘束部および鉛直拘束部の配置位置を説明する断面視図である。
水平拘束部２３Ａおよび鉛直拘束部２３Ｂは、図７に示すように、スクロール本体２１を径方向に膨張収縮可能に支持するとともに、回転軸線Ｌに交差する水平方向や鉛直方向への移動を拘束するものである。
水平拘束部２３Ａはスクロール本体２１の上端（図７の上側端部）に配置され、車室２Ａに対する水平方向（図７の左右方向）へのスクロール本体２１の移動を拘束するものである。

図８は、図７の水平拘束部の構成を説明する部分拡大図である。図９は、図７の水平拘束部の構成を説明するＡ−Ａ断面視図である。
水平拘束部２３Ａには、図８および図９に示すように、車室２Ａから径方向の内側に向かって突出する第２凸部５１Ａと、径方向の外側に向かって開口する第２凹部５２Ａが形成された台部５３Ａと、が設けられている。

第２凸部５１Ａには、図８に示すように、車室２Ａの外周面に当接される鍔部６１Ａと、鍔部６１Ａから径方向内側に向かって延び車室２Ａを貫通する軸部６２Ａと、軸部６２Ａにおける径方向内側の端部であって第２凹部５２Ａに挿入される挿入部６３Ａと、が設けられている。挿入部６３Ａは、図９に示すように、断面が矩形状に形成されている。

台部５３Ａは、図８に示すように、スクロール本体２１に設けられた直方体状の部材である。台部５３Ａの側面には、径方向外側に延びるとともに周方向に延びるリブ６４が設けられている。台部５３Ａにおける上面、つまり車室２Ａと対向する面には第２凹部５２Ａが設けられている。
第２凹部５２Ａは、図９に示すように、直方体状に形成された孔であり、内部に挿入部６３Ａが挿入されるように形成されている。

鉛直拘束部２３Ｂは、図７に示すように、スクロール本体２１の斜め下方、例えば、水平方向から下方に約２０°回転した位相に配置され、車室２Ａに対する鉛直方向（図７の上下方向）へのスクロール本体２１の移動を拘束するものである。
なお、鉛直方向の移動を拘束するものであれば、前記位相は２０°に限定されるものではない。

図１０は、図７の鉛直拘束部の構成を説明する部分拡大図である。
鉛直拘束部２３Ｂには、図１０に示すように、車室２Ａから径方向の内側に向かって突出する第２凸部５１Ｂと、径方向の外側に向かって開口する第２凹部５２Ｂが形成された台部５３Ｂと、が設けられている。
なお、鉛直拘束部２３Ｂにおける各部の構成は、水平拘束部２３Ａにおける各部の構成と同様であるため、図１０にその構成を示し、その説明を省略する。

次に、上記の構成からなるガスタービン１における作用について説明する。
ガスタービン１の入口スクロール部５には、図１に示すように、高温ガス炉において高温に加熱された作動流体が流入する。入口スクロール部５に流入した作動流体は環状流路３１に流入し、周方向にわたって略均一な流速で筒状流路３２に流入する。筒状流路３２に流入した作動流体は、タービン部３に向かって導かれ、タービン部３に流入する。

タービン部３では、図１および図４に示すように、流入した作動流体により動翼１１が回転駆動され、動翼１１により抽出された回転駆動力が回転軸４に伝達される。タービン部３により回転駆動力が抽出されて温度が低下した作動流体は、タービン部３から排出される。

タービン部３から排出された作動流体は、図１に示すように、排気スクロール部６の筒状流路３２に流入し、環状流路３１に向かって流れる。環状流路３１に流入した作動流体は、排気スクロール部６つまりガスタービン１から排出され、機器を通って再び高速ガス炉に導かれる。

次に、本実施形態の特徴である入口スクロール部５および排気スクロール部６の支持方法について説明する。
まず、タービン部側拘束部２２Ａおよび車室側拘束部２２Ｂによるスクロール本体２１の支持について図４から図６を参照しながら説明する。

スクロール本体２１が支持部３５に支持されている場合には、図４および図６に示すように、第１凸部４３Ａ，４３Ｂは、それぞれ第１溝部４４Ａ，４４Ｂ内に配置されている。このとき第１凸部４３Ａ，４３Ｂは、回転軸線Ｌに沿う方向から見て、壁部４６Ａ，４６Ｂと重なる位置に配置されている。

このような位置に第１凸部４３Ａ，４３Ｂを配置することにより、回転軸線Ｌに沿う方向へのスクロール本体２１の移動は規制される。さらに、第１凸部４３Ａ，４３Ｂの内周側端部と、第１溝部４４Ａ，４４Ｂとの底面との間に間隔を設けることにより、第１凸部４３Ａ，４３Ｂは、第１溝部４４Ａ，４４Ｂに対して径方向へ移動可能とされる。

次に、タービン部側拘束部２２Ａおよび車室側拘束部２２Ｂの嵌合方法について説明する。
最初に、支持部３５にタービン部側拘束部２２Ａの内側リング４２Ａが固定される。その後、スクロール本体２１がタービン部側拘束部２２Ａを介して支持部３５に嵌合される。

具体的には、第１凸部４３Ａと第１凹部４５Ａとを、図５に示す相対位置関係、言い換えると、第１凸部４３Ａが第１凹部４５Ａを挿通する位置関係に配置した上で、スクロール本体２１を回転軸線Ｌに沿ってタービン部３側に移動させる。
第１凸部４３Ａが第１溝部４４Ａ内にまで移動すると、第１凸部４３Ａを周方向に移動させて、図６に示すように、回転軸線Ｌに沿う方向から見て壁部４６Ａと重なる位置まで回転させる。これにより、タービン部側拘束部２２Ａの嵌合が完了する。

このようにすることで、一体に形成されたスクロール本体２１に回転軸４を貫通させつつ、スクロール本体２１を径方向に沿って膨張収縮可能に支持し、かつ、回転軸線Ｌに沿う方向への移動を規制できる。
具体的には、第１凸部４３Ａを回転軸線Ｌに沿う方向に移動させつつ第１凹部４５Ａを通過させることにより、第１溝部４４Ａ内に第１凸部４３Ａは配置され、かつ、回転軸４はスクロール本体２１を貫通する。その後、第１凸部４３Ａを周方向に回転させ、第１溝部４４Ａにおける第１凹部４５Ａが設けられていない領域に、言い換えると、一対の壁部が対向する領域に第１凸部４３Ａを配置させることにより、スクロール本体２１の回転軸線Ｌに沿う方向への移動が規制される。

次に、車室側拘束部２２Ｂの内側リング４２Ｂを、外側リング４１Ｂに嵌合させる。具体的には、第１凸部４３Ｂと第１凹部４５Ｂとを、図５に示す相対位置関係に配置した上で、内側リング４２Ｂを回転軸線Ｌに沿ってタービン部３側に移動させる。
第１凸部４３Ｂが第１溝部４４Ｂ内にまで移動すると、内側リング４２Ｂを周方向に移動させて、図６に示すように、回転軸線Ｌに沿う方向から見て第１凸部４３Ｂと壁部４６Ｂと重なる位置まで回転させる。これにより、車室側拘束部２２Ｂの嵌合が完了する。

次に、水平拘束部２３Ａおよび鉛直拘束部２３Ｂによるスクロール本体２１の支持について図７から図１０を参照しながら説明する。

スクロール本体２１が車室２Ａ，２Ｃに支持されている場合には、図７，図８および図１０に示すように、車室２Ａ，２Ｃに固定された第２凸部５１Ａ，５１Ｂが、それぞれスクロール本体２１に設けられた第２凹部５２Ａ，５２Ｂに挿入されている。

水平拘束部２３Ａの第２凸部５１Ａを、図８に示すように第２凹部５２Ａに挿入することにより、スクロール本体２１の水平方向への移動は規制される。その一方、第２凸部５１Ａの内径側端部と、第２凹部５２Ａの底面との間に隙間を設けることにより、スクロール本体２１の径方向への膨張や収縮が許容される。

鉛直拘束部２３Ｂの第２凸部５１Ｂを、図１０に示すように第２凹部５２Ｂに挿入することにより、スクロール本体２１の鉛直方向への移動は規制される。その一方、第２凸部５１Ｂの内径側端部と、第２凹部５２Ｂの底面との間に隙間を設けることにより、スクロール本体２１の径方向への膨張や収縮が許容される。

上記の構成によれば、スクロール本体２１を一体に形成することにより、外部への作動流体の漏れや、外部からスクロール本体２１内への他の流体の巻き込まれによる流入などを防止できる。つまり、スクロール本体２１が上部ケーシングおよび下部ケーシングの２分割構成の場合には、上部ケーシングと下部ケーシングとの接合面から作動流体の漏れ等が発生するおそれがある。それに対して、一体に形成されたスクロール本体２１では、上述の接合面がないため、作動流体の漏れ等を確実に防止でき、ガスタービン１の信頼性向上を図ることができる。

スクロール本体２１を一体に形成することにより、スクロール本体２１を２分割構成とした場合と比較して、筒状流路３２を圧力損失が小さい形状とすることができる。つまり、スクロール本体２１を２分割構成とした場合、上部ケーシングと下部ケーシングとを締結するボルト等の部材の配置スペースや、当該ボルトの取付け及び取外しを行う作業スペースなどを確保するため、筒状流路３２の形状には制限が課される。それに対して、一体に形成されたスクロール本体２１では、上述の締結用のボルトを用いる必要がなく、流路の形状に制限がないため、圧力損失が小さい流路形状を採用でき、ガスタービン１の性能向上を図ることができる。

スクロール本体２１を一体に形成することにより、スクロール本体２１を２分割構成とした場合と比較して、スクロール構造を小さくできる。つまり、スクロール本体２１を２分割構成とした場合、上部ケーシングと下部ケーシングとの締結に用いるフランジが両ケーシングから外側に突出している。それに対して、一体に形成されたスクロール本体２１では、上述のフランジを用いる必要がないため、スクロール本体２１の小型化でき、ガスタービン１の小型化を図ることができる。

タービン部側拘束部２２Ａ，車室側拘束部２２Ｂ，水平拘束部２３Ａおよび鉛直拘束部２３Ｂにより、スクロール本体２１を径方向に沿って膨張や収縮可能に支持するため、スクロール本体２１の変形を拘束することによって生じるスクロール本体２１の芯ずれや、高応力の発生によるスクロール本体２１の損傷を防止できる。
例えば、スクロール本体２１の一箇所でも固定点を設ければ、不均一な変形によりスクロール本体２１の芯ずれを起こす場合があり、また、固定点を設けたことにより、スクロール本体２１の熱変形が拘束されて熱応力が生じ、スクロール本体２１が損傷するおそれがある。
一方、スクロール本体２１を径方向に沿って膨張や収縮可能に支持することで、スクロール本体２１の熱変形が拘束されることがなく、スクロール本体２１の芯ずれや熱応力の発生を抑制でき、ガスタービン１の信頼性向上を図ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、この発明を軸流式のタービンに適用して説明したが、この発明は軸流式のタービンに限られることなく、遠心式や斜流式のタービンなど、その他各種のタービンに適用できるものである。

この発明は、空気を作動流体とし、化石燃料などの燃焼エネルギーを熱源とするガスタービンなど、その他の形式のガスタービン、あるいは蒸気タービン、圧縮機やポンプなどの流体機械全般に適用することができ、特に限定するものではない。

１ガスタービン（回転機械）
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ車室（支持部）
３タービン部（回転部）
５入口スクロール部（スクロール構造）
６排気スクロール部（スクロール構造）
２１スクロール本体（ケーシング）
２２Ａタービン部側拘束部（嵌合部）
２２Ｂ車室側拘束部（嵌合部）
２３Ａ水平拘束部（嵌合部）
２３Ｂ鉛直拘束部（嵌合部）
３１環状流路
３２筒状流路
３５支持部
４３Ａ，４３Ｂ第１凸部
４４Ａ，４４Ｂ第１溝部
４５Ａ，４５Ｂ第１凹部
５１Ａ，５１Ｂ第２凸部
５２Ａ，５２Ｂ第２凹部

Claims

回転機械の回転部における回転軸線の周りに円環状に延びる環状流路、および、該環状流路から前記回転軸線側に延びるとともに前記回転部に向かって延びる筒状流路の周囲を一体に覆い、一体に形成されたケーシングと、
前記ケーシングを収納する支持部に対してケーシングを、前記回転軸線を中心とする径方向に沿って膨張収縮可能に支持する嵌合部と、
が設けられ、
前記嵌合部は、
前記ケーシングの、前記回転軸線に沿う方向への移動を拘束するタービン部側拘束部と、
前記ケーシングの、前記回転軸線に沿う方向への移動を拘束する車室側拘束部と、
前記ケーシングの上端に配置され、前記支持部に対し水平方向への、前記ケーシングの移動を拘束する水平拘束部と、
前記ケーシングの水平方向から下方に斜方に回転した位相に配置され、前記支持部に対する鉛直方向への前記ケーシングの移動を拘束する鉛直拘束部とから構成され、
前記タービン部側拘束部および前記車室側拘束部には、前記ケーシングおよび前記支持部の一方に配置され、前記径方向に沿う方向の一方に向かって突出する第１凸部と、
前記ケーシングおよび前記支持部の他方に配置され、前記径方向に沿う方向の他方に向かって開口するとともに前記回転軸線の周方向に向かって延び、前記第１凸部が嵌合される第１溝部と、
該溝部を構成する一方の壁部が前記径方向に沿う方向の一方に向かって凹むとともに、前記回転軸線に沿う方向に開口し、前記第１凸部が前記一方の壁部に対して前記回転軸線に沿う方向に相対的に移動して通過する第１凹部と、が設けられていることを特徴とする回転機械のスクロール構造。
回転機械の回転部における回転軸線の周りに円環状に延びる環状流路、および、該環状流路から前記回転軸線側に延びるとともに前記回転部に向かって延びる筒状流路の周囲を一体に覆い、一体に形成されたケーシングと、
前記ケーシングを収納する支持部に対してケーシングを、前記回転軸線を中心とする径方向に沿って膨張収縮可能に支持する嵌合部と、
が設けられ、
前記嵌合部は、
前記ケーシングの、前記回転軸線に沿う方向への移動を拘束するタービン部側拘束部と、
前記ケーシングの、前記回転軸線に沿う方向への移動を拘束する車室側拘束部と、
前記ケーシングの上端に配置され、前記支持部に対し水平方向への、前記ケーシングの移動を拘束する水平拘束部と、
前記ケーシングの水平方向から下方に斜方に回転した位相に配置され、前記支持部に対する鉛直方向への前記ケーシングの移動を拘束する鉛直拘束部とから構成され、
前記水平拘束部および前記鉛直拘束部には、
前記ケーシングおよび前記支持部の一方に配置され、前記径方向に沿う方向の一方に向かって突出する第２凸部と、
前記ケーシングおよび前記支持部の他方に配置され、前記径方向に沿う方向の他方に向かって開口し、前記第２凸部が嵌合される第２凹部と、
が設けられている回転機械のスクロール構造。
請求項１または２に記載のスクロール構造と、
該スクロール構造との間で作動流体が流入または流出し、供給された前記作動流体から回転駆動力を抽出する回転部と、
が設けられていることを特徴とする回転機械。