JP6204757B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は流体機械に係り、特に高速回転時におけるロータの不安定振動の防止に好適な流体機械に関する。

蒸気タービンなどの流体機械は主に、回転自由に保持されたロータおよびロータに固定された羽根を有する回転羽根車と、回転羽根車を内包する静止部を有する。静止部は、回転羽根車を覆うケーシングと、ケーシング内に設けられ、回転羽根車に対向して設置され、作動流体等の主流の流路壁面などを形成する静止壁と、ケーシングに固定された静翼等を備える。

回転羽根車は静翼で加速された主流の旋回流れを受けて回転エネルギを発生する。主流の一部は回転羽根車の外周部と、静止壁の間の隙間を通って漏えいする。この漏れ流れを低減するために、回転羽根車と静止壁の間の間隙にシール装置が設置されている。

ところで、シール装置に流入する漏れ流れはロータ回転方向に沿って旋回する旋回流でもあり、旋回する漏れ流れとロータ振動との相互作用によりシール装置内で不安定流体力が発生し、ロータに不安定振動が発生する可能性がある。

ロータの不安定振動を防止するためには、シール装置内における漏れ流れの旋回流速を低減することが有効である。そこで、例えば特開２００７−１２０４７６号公報の図１に開示されているように、シール装置の外部上流側にロータ軸を中心として放射状に設置された平板状の旋回流抵抗板からなる所謂スワールブレーカを設置して、漏れ流れの旋回を遮り、シール入口の旋回流速を低減する構造が考案されている。

特開２００７−１２０４７６号公報

スワールブレーカでは旋回流抵抗板が漏れ流れの旋回を遮る抵抗となり、漏れ流れの旋回流速が減速されることにより静圧が発生する。スワールブレーカで減速された漏れ流れの一部はこの静圧によって主流流路内に押し戻されるため、主流の旋回流速が低下し、流体機械の効率が低下する恐れがある。従ってスワールブレーカで減速された漏れ流れの主流流路内への逆流を低減することが課題となる。

そこで、本発明の目的は、スワールブレーカで減速された漏れ流れの主流流路内への逆流を低減し、流体機械の効率低下を抑制するとともに、シール装置内で発生する不安定流体力を低減することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、ロータおよび該ロータに固定された羽根を有する回転羽根車と、回転羽根車を内包し、回転羽根車に対向する静止壁および回転羽根車と静止壁の間の間隙部に設けられたシール装置を有する静止部と、間隙部のシール装置上流側にロータ周方向に沿って複数設けられ、間隙部を流れる漏れ流れの旋回を遮る旋回流抵抗板を備える流体機械において、静止部に設けられ、周方向に隣り合う旋回流抵抗板の間の漏れ流れを、隙間部の旋回流抵抗板の下流側に逃がす逃がし流路を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、流体機械において、流体機械の効率低下を抑制できるとともに、シール装置内で発生する不安定流体力を低減することができる。

本発明の第１の実施例に係る流体機械のある段落の軸方向断面図である。 本発明の第１の実施例に係る流体機械のある段落の軸直角断面図であって、図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る流体機械の一例を示した要部断面図である。 本発明の第１の実施例に係る流体機械のある段落の軸直角断面図であって、図１のＡ−Ａ断面図である。 発明の第２の実施例に係る流体機械のある段落の軸直角断面図である。 発明の第２の実施例に係る流体機械のある段落の軸直角断面図である。 発明の第２の実施例に係る流体機械のある段落の軸直角断面図である。 本発明の第３の実施例に係る流体機械のある段落の軸方向断面図である。 本発明の第３の実施例に係る流体機械のある段落の軸方向断面図であって、図８のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第３の実施例に係る流体機械のある段落の軸方向断面図であって、図８のＡ−Ａ断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施例に係る流体機械の、ある段落の軸方向断面図である。図２および図４は本発明の第１の実施例に係る流体機械のある段落の軸直角断面図であり、図１のＡ−Ａ断面図である。また、図３は本発明の流体機械の一例を概略的に示した断面図である。

図３に示すように、本実施例の流体機械１は主な要素として、回転自由に保持されたロータ５およびロータ５に固定された羽根６を備える回転羽根車と、回転羽根車を内包する静止部を有する。静止部は、回転羽根車を覆うケーシング３と、
ケーシング３の内周側壁面等、回転羽根車に対向して設置され、作動流体等の主流の流路壁面などを形成する静止壁と、ケーシング内に固定された静翼４などを備える。回転羽根車は静翼４で加速された主流７の旋回流れを羽根６で受けて回転する。静翼４と、静翼４の下流で主流７をうける羽根６の一対の組合せを段落といい、蒸気タービン等では段落をロータ軸方向に沿って複数段有する多段構造となっている。

回転羽根車の回転を円滑にするため、静止部と回転羽根車との間には間隙部が設けられている。この間隙部に主流の一部が漏れることにより、主流の有するエネルギの一部が回転羽根車の回転運動に利用されず、流体機械としての効率低下の一因となる。そこで、間隙部には通常シール装置を設けて、作動流体の漏えいを抑制している。このシール装置の例としては、羽根６と羽根６に対向するケーシング３の静止壁との間に設けられたシール８や、静翼４の内周側端部とロータ５との間に設けられるダイアフラムシール９、ケーシング３の静止壁とロータ５との間に設けられるシャフトシール１０などがある。

図１に示すように、羽根６とケーシング３の静止壁１５の間の間隙部にはシール８が設置され、羽根６の先端部における作動流体の漏えいを低減している。本実施例ではシール８として、静止壁１５から回転羽根車側に向かって突出する櫛歯１１をロータ軸方向に複数設けてなる櫛歯構造のシール、所謂ラビリンスシールが設置されている。

静翼４で加速された主流７の一部は、ロータ回転方向に沿って旋回しながら、羽根６の先端と静止壁１５との間に形成された隙間部に漏れ流れ１３となって漏えいし、シール８に流入する。シール８の、ロータ軸方向に隣り合って設置された櫛歯１１間に形成された空間に流入する漏れ流れは、回転羽根車の回転に引きつられて旋回する旋回流である。櫛歯１１間の空間内で旋回する漏れ流れとロータ５の振動との相互作用で発生する流体力により、ロータ５に不安定振動が発生する可能性がある。そこで、漏れ流れ１３の旋回流速を低減してロータの不安定振動を防止するために、間隙部のシール８の上流側に漏れ流れ１３の旋回を遮る旋回流抵抗板１２からなる所謂スワールブレーカが設置されている。

スワールブレーカは、図２に示すように、ロータ回転軸１６を中心として放射状に、かつ周方向に一定間隔を置いて配置された複数の旋回流抵抗板１２で構成されている。旋回流抵抗板１２はロータ軸方向に延伸する平板状の部材であり、旋回流抵抗板１２に旋回する漏れ流れ１３が衝突することにより、旋回流れの動圧が静圧に変換され、旋回流速が低減される。この結果、旋回流抵抗板１２の旋回上流側の圧力が増加する。周方向に隣り合う旋回流抵抗板１２の間に発生した高圧部は減速された漏れ流れ１３を主流７の流路２に押し戻すため、羽根６に向かう主流の旋回流速が減少し、主流７の効率が低下する可能性がある。そこで本実施例では、周方向に隣り合って設置された旋回流抵抗板１２の間の漏れ流れを、スワールブレーカの下流側の間隙部に逃がす逃がし流路を静止壁内に設けた。

具体的には図１に示すように、静止壁１５内部に、周方向に隣り合って設置された旋回流抵抗板１２の間と、ロータ軸方向に隣り合う櫛歯１１の間に連通する逃がし流路１４を設ける。逃がし流路１４の出口は、ロータ軸方向における漏れ流れ方向上流側から数えて第1番目の櫛歯（図1において、右から一番目の櫛歯であり、以下単に上流側第１の櫛歯という)と第2番目の櫛歯（図1において右から二番目の櫛歯であり、以下単に上流側第２の櫛歯という）の間に繋がっている。

逃がし流路１４の出口は入口よりも漏れ流れの流れ方向下流側に設置されているため、低圧になっている。そのため、旋回流抵抗板１２の間に流入した高圧の漏れ流れ１３の一部は、逃がし流路１４内に吸い込まれ、スワールブレーカの下流側の櫛歯１１の間に流出する。高圧の漏れ流れ１３の一部を下流側に逃がすことにより、旋回流抵抗板１２の間の圧力を低下させることができ、低旋回流れが主流流路に逆流することを防止できる。

本実施例によれば、漏れ流れの旋回を遮る旋回流抵抗板１２をシールの上流側に周方向に一定間隔で設けることにより、シール内の旋回流速を低減できるので、シールに発生する不安定流体力を低減できる。更に旋回流抵抗板間の空間とスワールブレーカの下流側に連通し、漏れ流れの一部を下流側に逃がす逃がし流路１４を備えることにより、旋回流抵抗板間の静圧増加を低減し、抵抗板で減速された漏れ流れの主流への逆流を低減できるので、主流の効率低下を抑制できる。

更にスワールブレーカから逃がし流路１４で抽気した漏れ流れは無旋回でシール８内に導入されるので、シール８内の旋回流速を更に効果的に低減でき、旋回流れによりシール８に発生する不安定流体力を低減できる。

更に、逃がし流路１４によって抽気した漏れ流れをシール８内の上流側第１の櫛歯１１と、第２の櫛歯１１の間に導入すれば、密度及び旋回流速が最も高く、不安定流体力が最も大きくなるシール８上流側における旋回流速を低減し、シール８に発生する不安定流体力を効果的に低減できる。

また、図２に示した例では、逃がし流路１４の入口は、周方向に隣り合って設けられた旋回流抵抗板の間の中間位置に設けられている。しかしながら、図４に示すように、周方向に隣り合う旋回流抵抗板１２のうち、ロータ回転方向下流側の旋回流抵抗板により近接して配置しても良い。ロータ回転方向下流側の旋回流抵抗板に近接して配置することで、ロータ回転方向下流側の旋回流抵抗板に衝突により圧力が高くなった漏れ流れを効果的に抽気できるため、抽気量を必要以上に増加させることなく低旋回流れの逆流を防止できる。

なお、静止壁内の逃がし流路１４は、例えば、静止壁内に溝を設け、その内径側に蓋を施工することにより簡単に施工することができる。

また、逃がし流路１４はスワールブレーカの旋回抵抗板１２間とシール８より下流側とを連通させても良い。また、本実施例における旋回抵抗板１２はロータ軸方向に平行に設置された平板であるが、旋回抵抗板１２はロータ軸方向に対して傾けて設置しても良く、また、平板を変断面の曲面で構成しても良い。
また、旋回流抵抗板１２の枚数は図２に示した１２枚に限定されるものではない。また、対象とするシール８の櫛歯の段数は図示した３枚以外でも良く、またラビリンスシール以外のシールを採用しても良い。また、本構造を流体機械１の一部の段落に適用しても、全段落に適用しても良い。なお、旋回流抵抗板１２は周方向に一定間隔で設けることが望ましいが、周方向間隔が一定でなくても本発明の効果は得られる。

本発明の第２の実施例を図５及び図６を用いて説明する。図５及び図６は第２の実施例に係わる流体機械の、ある段落の軸直角断面図であり、図１におけるそれぞれＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図に相当する。本実施例の基本的な構成は実施例１と同様であるので説明を省略し、実施例１と異なる点のみ説明する。

本実施例では、図５に示すように逃がし流路１４の入口部はロータ半径方向に沿って設けられているが、図６に示すように、逃がし流路１４の出口部は反ロータ回転方向に向かって設けられ、櫛歯11間に形成された空間に接続している。そのため、逃がし流路１４内を流れた漏れ流れは、逃がし流路１４の出口から反ロータ回転方向に向かって噴出し、櫛歯11間に形成された空間内をロータ回転方向に旋回する漏れ流れと対向する。

本実施例によれば、スワールブレーカ内から抽気した漏れ流れをシール８内に反旋回方向に向かって導入するため、シール８内の漏れ流れの旋回流速を効果的に低減でき、不安定流体力を低減できる。

なお、図５に示した例では逃がし流路の入口部をロータ半径方向に沿うように形成したが、図７に示すように、反ロータ回転方向側に向かって漏れ流れを抜き出すように形成しても良い。

次に本発明の第３の実施例について図８および図９を用いて説明する。図８は第３の実施例に係わる流体機械のある段落の軸方向断面図を示す。図９は図８のＡ−Ａ断面図である。

本実施例では、旋回流抵抗板１２がシール８に近接して設置され、旋回流抵抗板１２に隣り合う上流側第１の櫛歯１１に逃がし流路１４を設けている。具体的には図９に示すように、上流側第１の櫛歯１１における旋回流抵抗板１２間に相当する周方向位置に貫通孔を設けることによって逃がし流路１４を形成している。

旋回流抵抗板１２に隣り合う上流側第１の櫛歯１１に逃がし流路１４を設けることにより、ケーシング３に加工を施すことなくスワールブレーカ内の高圧の漏れ流れを下流側のシール８内に導入できるため、低旋回流の逆流による効率低下をより簡単な構造で抑制できる。

なお、上流側第１の櫛歯１１に設ける逃がし流路１４は図１０に示すようにスリット形状にしても良い。また、旋回流抵抗板１２と上流側第１の櫛歯１１との間は完全に当接していなくても良い。

以上、実施例１乃至３に基づいて説明した本発明は、流体機械として例えば蒸気タービンや、遠心圧縮機、ポンプ等に適用可能である。

１…流体機械
２…流路
３…ケーシング
４…静翼
５…ロータ
６…回転羽根車
７…主流
８…チップシール
９…ダイアフラムシール
１０…シャフトシール
１１…櫛歯
１２…旋回流抵抗板
１３…漏れ流れ
１４…逃がし流路
１５…静止壁
１６…ロータ回転軸

Claims (6)

1. ロータおよび該ロータに固定された羽根を有する回転羽根車と、
   前記回転羽根車を内包し、前記回転羽根車に対向する静止壁と、前記回転羽根車と前記静止壁の間の間隙部に設けられたシール装置を有する静止部と、
   前記間隙部のシール装置上流側にロータ周方向に沿って複数設けられ、前記間隙部を流れる漏れ流れの旋回を遮る旋回流抵抗板を備える流体機械であって、
   前記静止部に設けられ、周方向に隣り合う前記旋回流抵抗板の間の漏れ流れを、前記間隙部の前記旋回流抵抗板の下流側に逃がす逃がし流路を備えることを特徴とする流体機械。
2. 請求項１に記載の流体機械であって、
   前記シール装置は、前記静止壁から前記回転羽根車に向かって突出する櫛歯をロータ軸方向に複数配置してなる櫛歯構造を有し、
   前記逃がし流路は、前記静止壁内部に形成され、ロータ軸方向に並ぶ前記櫛歯間に形成された空間に連通していることを特徴とする流体機械。
3. 請求項２に記載の流体機械であって、
   前記逃がし流路が連通する空間を形成する前記櫛歯は、前記漏れ流れの流れ方向上流側から数えて第１番目と第２番目の櫛歯であることを特徴とする流体機械。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の流体機械であって、
   前記逃がし流路入口は、周方向に隣り合う前記旋回流抵抗板のうち、ロータ回転方向下流側の旋回流抵抗板に近接していることを特徴とする流体機械。
5. 請求項２、請求項３、または、請求項２若しくは請求項３を引用する請求項４に記載の流体機械であって、
   前記逃がし流路出口は、反ロータ回転方向に向かってロータ軸方向に並ぶ前記櫛歯間に形成された空間に接続していることを特徴とする流体機械。
6. 請求項１に記載の流体機械であって、
   前記シール装置は、前記静止壁から前記回転羽根車に向かって突出する櫛歯をロータ軸方向に複数配置してなる櫛歯構造を有し、
   前記逃がし流路を、前記旋回流抵抗板に隣り合う前記櫛歯に設けたことを特徴とする流体機械。