JP6827346B2 - 軸流タービン - Google Patents
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Description
ロータと、
前記ロータの外周面に固定された少なくとも一つの動翼と、
前記ロータ及び前記動翼を収容するケーシングと、
ノズル構造体であって、
前記ケーシングの内周面に固定される外輪部と、
前記外輪部の内側に設けられる内輪部と、
前記外輪部と前記内輪部との間に設けられる少なくとも一つのノズルと、を含むノズル構造体と、
前記ロータの外周面に形成され、且つ、前記内輪部が収容される、環状の凹部に設けられる案内羽根であって、前記ロータの周方向において間隔をあけて設けられる複数の案内羽根と、を備える。
前記案内羽根を前記ロータの軸方向に沿って移動させる軸方向移動機構をさらに備える。
前記ロータの周方向に対する前記案内羽根の角度を調整する角度調整機構をさらに備える。
前記凹部内における前記作動流体の流れ方向を検知する検知センサと、
前記検知センサからの検出結果に応じて前記案内羽根の軸方向位置又はまたは角度を制御するコントローラと、
をさらに備える。
前記ノズル構造体は、
前記少なくとも一つのノズル、及び、前記ノズルに対して周方向に隣接する開口部であって、作動流体が通過する開口部、が形成されている送入部と、
前記送入部に対して周方向に隣接するとともに、前記作動流体の通過を阻止する閉止部が前記外輪部と前記内輪部との間に形成されている非送入部と、を含み、
前記案内羽根は、前記送入部に設けられた第1案内羽根と前記非送入部に設けられた第2案内羽根とを少なくとも含み、
前記コントローラは、前記第1案内羽根と前記第2案内羽根とをそれぞれ独立に制御するように構成されている。
前記検知センサは、
前記内輪部から突出する突出部と、
前記突出部に設けられ、前記突出部の歪みを検出可能な歪ゲージと、を含む。
前記検知センサは、
ヒータと、
前記ヒータの一方側に配置される第1温度センサと、
前記ヒータの他方側に配置される第2温度センサと、を含む。
前記案内羽根は、前記内輪部に支持されている。
前記案内羽根は、前記凹部内における前記内輪部の上流側に設けられる。
幾つかの実施形態に係る軸流タービン1は、例えば、発電プラントや船舶等の動力系に用いられる蒸気タービンやガスタービンとして適用され得る。
ケーシング2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30とは、ロータ3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30とにより、一のタービン段落が構成される。軸流タービン1は、このようなタービン段落が、ロータ3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30に対して仕事を行い、ロータ3が回転駆動される。そして、最終段落の動翼30を通過した作動流体は、排気流路を通って軸流タービン1の外部へと排出されるようになっている。
幾つかの実施形態では、ノズル構造体4における周方向の全周にわたって送入部45が設けられていてもよい。
幾つかの実施形態において、ノズル構造体4は、上記の送入部45に対して周方向に隣接するとともに、作動流体の通過を阻止する閉止部46が外輪部41と内輪部42との間に形成されている非送入部47を含んでもよい(例えば、図9参照)。すなわち、幾つかの実施形態に係る軸流タービン1は、部分送入式の軸流タービンであってもよい。
図2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タービン1に供給されると、この作動流体は、隣接する動翼30同士の隙間と、ノズル構造体4の開口部44とにより、ロータ3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30経由で受けたロータ3が回転方向S(図3参照)に向けて回転する。ロータ3の回転に伴い、該ロータ3の表面近傍では、作動流体の粘性により、ロータ3の回転方向Sに向けて作動流体が連れ回され、回転方向Sに向かう作動流体の流れが形成される。ロータ3の外周に形成される環状の凹部32と、該凹部32に収容されるノズル構造体4の内輪部42との隙間をなす所謂キャビティ内においても同様に、回転方向Sに向けて作動流体が連れ回される。また、ノズル構造体4を挟んで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、凹部32内における上流側の隙間においては、作動流体がロータ3の半径方向(径方向)の外側から内側に向かい、さらに、内輪部42の内周に設けられたラビリンスシール48の隙間を通って下流側へと案内される。そして、凹部32内における下流側の隙間を通って作動流体が主流路Mへと戻される。
このような、凹部32内を迂回する作動流体の流れ(漏流れ)により、主流路Mを通過する作動流体の流量が低下することは、タービン効率の低下を招く虞がある。
ここで、軸流タービン1では、運転状況や作動流体の体積流量に応じて作動流体の漏れ流量が変化する。この点、上記の軸方向移動機構60を備えることにより、ロータ3の軸方向に沿って案内羽根50を移動させることができる。すなわち、ロータ3の軸方向における案内羽根50の配置を軸方向移動機構60によって調整することができるので、軸流タービン1の運転状況や作動流体の流量に応じて作動流体の漏れ流量を調整し、タービン効率の改善を図ることができる。
上記のように角度調整機構70を備えることにより、ロータ3の周方向に対する案内羽根50の角度を調整することができるので、軸流タービン1の運転状況や作動流体の流量に応じて作動流体の漏れ流量を調整してタービン効率の改善を図ることが可能となる。
幾つかの実施形態において、検知センサ80は、例えば、図6に示すように、内輪部42から突出する突出部81と、該突出部81に設けられ、当該突出部81の歪みを検出可能な歪ゲージ82と、を含んでもよい。
突出部81は、例えば、弾性変形可能な棒状又は板状の突出片により形成されてもよい。
幾つかの実施形態では、凹部32内における作動流体の流れ方向の上流側及び下流側にそれぞれ歪ゲージ82を設けてもよい。歪ゲージ82は、突出部81の基端側に配置してもよい。このようすれば、突出部81の先端側に歪ゲージ82を配置するよりも突出部81の歪を容易に検出することができる。
なお、他の実施形態では、凹部32内における作動流体の流れ方向のうち、上流側又は下流側の少なくとも一方に歪ゲージ82が設けられていてもよい。この場合も、該歪ゲージ82の設置個所における突出部81の歪み(引張応力又は圧縮応力)を検出することで、凹部32内における作動流体の流れ方向を検知することができる。
また、歪ゲージ82で検出される歪の大きさは作動流体の流れの強さに比例するから、該歪の大きさにより作動流体の流れの強さを検知することができる。
歪ゲージ82で検出された検出信号は、例えば、信号線83を介してコントローラ90に入力されるように構成されてもよい。
上記のように、内輪部42から突出する突出部81の歪みを歪ゲージ82で検出することにより、簡易な構成で凹部32内における作動流体の流れ方向を検出することができる。
MEMS方式の検知センサ80は、例えば、皮膜(メンブレン)上に白金皮膜によるヒータ85を配置し、該ヒータ85に対して作動流体の流れ方向における上流側にあたる一方側に第1温度センサ86(上流側センサ)を配置し、ヒータ85に対して作動流体の流れ方向における下流側にあたる他方側に第2温度センサ87を配置することで構成してもよい。
上流側の第1温度センサ86の抵抗値と、下流側の第2温度センサ87の抵抗値との差、すなわち、第1温度センサ86で検出される温度と第2温度センサ87で検出される温度との差(温度差)は流れる作動流体(例えば、気泡V)の流速に比例する。このため、第1温度センサ86と第2温度センサ87の抵抗値を測定して演算処理することにより、作動流体の流れ方向と流速とを検知することができる。
幾つかの実施形態において、第1温度センサ86及び第2温度センサ87は、互いがヒータ85を中心に対称な位置に配置されていてもよい(図7A,図7B及び図7C参照)。ただし、ヒータ85を挟んで第1温度センサ86と第2温度センサ87とを対称に配置しない場合でも、何れか一方の温度センサにおける検出温度が高い場合、すなわちそれぞれの温度センサによる検出温度の大小を検知して比較することにより、少なくとも作動流体の流れ方向を検知することができる。なお、この熱式センサを用いる場合、作動流体の測温用として皮膜89上に周囲温度センサ88を設けてもよい。
第1温度センサ86、第2温度センサ87、及び/又は、周囲温度センサ88で検出された検出信号は、コントローラ90に入力されるように構成されてもよい。
なお、第1温度センサ86及び第2温度センサ87は、それぞれ2つ以上設けられていてもよい。
図6に示すように、幾つかの実施形態において、コントローラ90は、例えば、コンピュータであり、CPU91(プロセッサ)、該CPU91が実行する各種プログラムやテーブル等のデータを記憶するための記憶部としてのROM(Read Only Memory)92、各プログラムを実行する際の展開領域や演算領域等のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)93の他、通信ネットワークに接続するための通信インターフェース(I/F)94、図示しない大容量記憶装置としての不揮発性の磁気ディスク記憶装置、及び外部記憶装置が装着されるアクセス部などを備えていてもよい。これらは全て、バス95を介して接続されており、バス95は信号線(図1参照)を介して上述した軸方向移動機構60のアクチュエータや、角度調整機構のアクチュエータと電気的に接続されてもよい。更に、コントローラ90は、例えば、キーボードやマウス等からなる入力部(図示省略)及びデータを表示する液晶表示装置等からなる表示部(図示省略)等と接続されていてもよい。
例えば、ROM92には、検知センサ80で検知された作動流体の流れ方向が主流路Mを迂回する方向の流れ(漏流れ)の場合に、凹部32内を回転方向Sに向けて流れる漏流れを径方向の外側に案内するように、軸方向移動機構60を介してCPU91が軸方向に対する案内羽根50の配置を制御するプログラム(例えば、第1プログラム)が格納されていてもよい。或いは、検知センサ80で検知された作動流体の流れ方向が漏流れの場合に、角度調整機構70を介してCPU91が周方向に対する案内羽根50の取り付け角度を制御するプログラム(例えば、第2プログラム)が格納されていてもよい。上記第1プログラム及び/又は第2プログラムは、漏流れの強さに応じて、それぞれ軸方向における案内羽根50の移動量や、周方向における案内羽根50の角度を調整するように構成されていてもよい。漏流れの強さは、例えば、検知センサ80として上述した歪ゲージ82により検出される歪の大きさや、或いは、上述した第1温度センサ86及び第2温度センサ87の温度差の大きさを検知することで検出する構成としてもよい。
このように、幾つかの実施形態における案内羽根50を部分送入式の軸流タービン1に適用すれば、送入部45に設けられた第1案内羽根51と非送入部47に設けられた第2案内羽根52とをコントローラ90によって各々独立に制御することができる。このため、送入部45と非送入部47とで、内輪部42とロータ3との間における作動流体の流量や流れの方向が異なる場合であっても、第1案内羽根51と第2案内羽根52とをそれぞれ独立に制御して出力最適化を図り、タービン効率の改善を図ることができる。
2 ケーシング
3 ロータ
30 動翼
32 凹部
4 ノズル構造体
41 外輪部
42 内輪部
43 ノズル
44 開口部
45 送入部
46 閉止部
47 非送入部
48 ラビリンスシール
50 案内羽根
51 第1案内羽根
52 第2案内羽根
60 リンク機構(軸方向移動機構)
70 角度調整機構
80 検知センサ
81 突出部
82 歪ゲージ
83 信号線
84 熱式センサ
85 ヒータ
86 上流側温度センサ(第1温度センサ)
87 下流側温度センサ(第2温度センサ)
88 周囲温度センサ
89 皮膜
90 コントローラ
91 CPU
92 ROM
93 RAM
94 通信インターフェース
95 バス
M 主流路
V 気泡
Claims (9)
- ロータと、
前記ロータの外周面に固定された少なくとも一つの動翼と、
前記ロータ及び前記動翼を収容するケーシングと、
ノズル構造体であって、
前記ケーシングの内周面に固定される外輪部と、
前記外輪部の内側に設けられる内輪部と、
前記外輪部と前記内輪部との間に設けられる少なくとも一つのノズルと、を含むノズル構造体と、
前記内輪部が収容される環状の凹部が前記ロータの外周面に形成されており、前記ロータの周方向において間隔をあけて前記凹部に設けられる複数の案内羽根と、
前記ロータの周方向に対する前記案内羽根の角度を調整する角度調整機構と、を備える、
ことを特徴とする軸流タービン。 - 前記案内羽根を前記ロータの軸方向に沿って移動させる軸方向移動機構をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の軸流タービン。
- 前記凹部内における作動流体の流れ方向を検知する検知センサと、
前記検知センサからの検出結果に応じて、前記案内羽根の軸方向位置または角度を制御するコントローラと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載の軸流タービン。 - ロータと、
前記ロータの外周面に固定された少なくとも一つの動翼と、
前記ロータ及び前記動翼を収容するケーシングと、
ノズル構造体であって、
前記ケーシングの内周面に固定される外輪部と、
前記外輪部の内側に設けられる内輪部と、
前記外輪部と前記内輪部との間に設けられる少なくとも一つのノズルと、を含むノズル構造体と、
前記内輪部が収容される環状の凹部が前記ロータの外周面に形成されており、前記ロータの周方向において間隔をあけて前記凹部に設けられる複数の案内羽根と、
前記案内羽根を前記ロータの軸方向に沿って移動させる軸方向移動機構と、
前記凹部内における作動流体の流れ方向を検知する検知センサと、
前記検知センサからの検出結果に応じて、前記案内羽根の軸方向位置または角度を制御するコントローラと、
を備えたことを特徴とする軸流タービン。 - 前記ノズル構造体は、
前記少なくとも一つのノズル、及び、前記ノズルに対して周方向に隣接する開口部であって、作動流体が通過する開口部、が形成されている送入部と、
前記送入部に対して周方向に隣接するとともに、前記作動流体の通過を阻止する閉止部が前記外輪部と前記内輪部との間に形成されている非送入部と、を含み、
前記案内羽根は、前記送入部に設けられた第1案内羽根と前記非送入部に設けられた第2案内羽根とを少なくとも含み、
前記コントローラは、前記第1案内羽根と前記第2案内羽根とをそれぞれ独立に制御するように構成されている
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の軸流タービン。 - 前記検知センサは、
前記内輪部から突出する突出部と、
前記突出部に設けられ、前記突出部の歪みを検出可能な歪ゲージと、を含む
ことを特徴とする請求項3〜5の何れか一項に記載の軸流タービン。 - 前記検知センサは、
ヒータと、
前記ヒータの一方側に配置される第1温度センサと、
前記ヒータの他方側に配置される第2温度センサと、を含む
ことを特徴とする請求項3〜5の何れか一項に記載の軸流タービン。 - 前記案内羽根は、前記内輪部に支持されていることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の軸流タービン。
- 前記案内羽根は、前記凹部内における前記内輪部の上流側に設けられる
ことを特徴とする請求項1〜8の何れか一項に記載の軸流タービン。
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