JP6858032B2 - 軸流回転機械 - Google Patents
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Description
例えば蒸気タービンの場合、蒸気の圧力エネルギーを静翼によって速度エネルギーに変換し、この速度エネルギーを動翼によって回転エネルギー(機械エネルギー)に変換している。また、動翼内で圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、蒸気が噴出する反動力により回転エネルギー(機械エネルギー)に変換される場合もある。
本発明の第一の態様では、中心軸回りに回転する回転軸と、前記回転軸の径方向外側に設けられたプラットフォーム、及び、前記プラットフォームから径方向外側に向かって延びるよう設けられた動翼本体を有する動翼と、前記回転軸及び前記動翼の径方向外側に配
置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、前記動翼に対して前記中心軸方向上流側に設けられ、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体、及び前記静翼本体の径方向内側に設けられた静翼シュラウドを有する静翼と、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって突出する突出部と、を備える。前記突出部は、径方向内側を向く側に、前記プラットフォーム側の基端部から前記中心軸方向上流側の先端部にわたって、径方向内側に漸次傾斜又は湾曲したガイド面を有しており、前記静翼シュラウドに形成され、前記突出部に対して前記中心軸方向で対向し、前記中心軸方向上流側に向かって窪むシュラウド凹部をさらに備え、前記シュラウド凹部は、前記径方向内側に位置する内周側壁面が、前記突出部の前記ガイド面よりも径方向内側に形成されている。
他の態様の軸流回転機械は、中心軸回りに回転する回転軸と、前記回転軸の径方向外側に設けられたプラットフォーム、及び、前記プラットフォームから径方向外側に向かって延びるよう設けられた動翼本体を有する動翼と、前記回転軸及び前記動翼の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、前記動翼に対して前記中心軸方向上流側に設けられ、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体、及び前記静翼本体の径方向内側に設けられた静翼シュラウドを有する静翼と、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって突出する突出部と、を備え、前記突出部は、径方向内側を向く側に、前記プラットフォーム側の基端部から前記中心軸方向上流側の先端部にわたって、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって径方向内側に漸次傾斜又は湾曲したガイド面を有し、前記静翼シュラウドに形成され、前記突出部に対して前記中心軸方向で対向し、前記中心軸方向上流側に向かって窪むシュラウド凹部をさらに備え、前記シュラウド凹部は、前記径方向外側に位置する外周側壁面が、前記中心軸方向上流側から下流側に向かって径方向外側に漸次傾斜又は湾曲し、前記突出部は、径方向外側を向く側に、前記中心軸方向上流側から下流側に向かって径方向外側に漸次傾斜又は湾曲している外周側ガイド面をさらに有し、前記外周側壁面は、前記外周側ガイド面と同じ曲率半径で形成されていてもよい。
本発明の他の態様によれば、中心軸回りに回転する回転軸と、前記回転軸の径方向外側に設けられたプラットフォーム、及び、前記プラットフォームから径方向外側に向かって延びるよう設けられた動翼本体を有する動翼と、前記回転軸及び前記動翼の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、前記動翼に対して前記中心軸方向上流側に設けられ、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体、及び前記静翼本体の径方向内側に設けられた静翼シュラウドを有する静翼と、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって突出する突出部と、を備え、前記突出部は、径方向内側を向く側に、前記プラットフォーム側の基端部から前記中心軸方向上流側の先端部にわたって、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって径方向内側に漸次傾斜又は湾曲したガイド面を有しており、前記突出部よりも径方向内側に形成され、前記静翼シュラウドから前記中心軸方向下流側に突出する内周側突出部、をさらに備える。
また、本発明の他の態様によれば、中心軸回りに回転する回転軸と、前記回転軸の径方向外側に設けられたプラットフォーム、及び、前記プラットフォームから径方向外側に向かって延びるよう設けられた動翼本体を有する動翼と、前記回転軸及び前記動翼の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、前記動翼に対して前記中心軸方向上流側に設けられ、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体、及び前記静翼本体の径方向内側に設けられた静翼シュラウドを有する静翼と、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって突出する突出部と、を備え、前記突出部は、径方向内側を向く側に、前記プラットフォーム側の基端部から前記中心軸方向上流側の先端部にわたって、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって径方向内側に漸次傾斜又は湾曲したガイド面を有しており、前記静翼シュラウドに形成され、前記突出部に対して前記中心軸方向で対向し、前記中心軸方向上流側に向かって窪むシュラウド凹部をさらに備え、前記シュラウド凹部は、前記径方向内側に位置する内周側壁面が、前記突出部の前記ガイド面よりも径方向内側に形成されており、前記静翼シュラウドと前記プラットフォームとの間隙を前記径方向内側から外側に向かって流れる前記作動流体が前記ガイド面に当ることによって前記径方向内側に戻るように渦を生成するとともに、前記ガイド面に沿って流れる前記作動流体の一部が前記シュラウド凹部に流れ込む。
(第一実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。図2は、本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。
図1に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン(軸流回転機械)100は、回転軸1と、ケーシング2と、複数の動翼4を備える動翼段3と、複数の静翼7を備える静翼段6と、を備えている。
ケーシング2は、吸気口10と、排気口11と、を備えている。吸気口10は、ケーシング2の中心軸方向Daの第一側に形成され、外部からケーシング2内に蒸気(作動流体)を取り入れる。排気口11は、ケーシング2の中心軸方向Daの第二側に形成され、ケーシング2内部を通過した蒸気を外部に排気する。
以降の説明では、排気口11から見て吸気口10が位置する側を上流側と呼び、吸気口10から見て排気口11が位置する側を下流側と呼ぶ。
動翼シュラウド41は、動翼本体40の径方向外側の端部に設けられている。動翼シュラウド41は、中心軸方向Daにおける寸法が、同中心軸方向Daにおける動翼本体40の寸法よりも大きく設定されている。
静翼本体70は、ケーシング2の内周面2Sから径方向Dr内側に向かって延びるよう設けられている。静翼本体70は、径方向Drから見て翼型の断面を有している。
静翼シュラウド71は、静翼本体70の径方向Dr内側の端部に取り付けられている。
各静翼7の静翼シュラウド71は、静翼収容凹部8内に収容されている。
また、内側周壁面75aと静翼シュラウド71の径方向Drの内側を向く面との間の径方向Drの肉厚寸法h1は、外側周壁面75bと静翼シュラウド71の径方向Drの外側を向く面との間の径方向Drの肉厚寸法h2よりも大きくなっている。
シュラウド凹部75Aは、回転軸1及び動翼4が、上記熱伸び量の違いによって、静翼7に対して中心軸方向Daに相対的に変位したとき、突出部45Aの少なくとも一部が、シュラウド凹部75A内に挿入可能となっている。
さらに、突出部45Aにおけるプラットフォーム43からの中心軸方向Daに沿った突出寸法L1は、シュラウド凹部75Aにおける中心軸方向Daに沿った窪み寸法L2以下となっている。これにより、回転軸1及び動翼4が、静翼7に対して中心軸方向Daに相対的に変位したとき、突出部45Aの全体が、シュラウド凹部75A内に挿入可能となっている。
蒸気タービン100を運転するに当たっては、まずボイラ等の蒸気供給源(図示省略)から供給された高温高圧の蒸気が、吸気口10を通じてケーシング2の内部に導入される。
ケーシング2内に導入された蒸気は、動翼4(動翼段3)、及び静翼7(静翼段6)に順次衝突する。これにより、回転軸1は回転エネルギーを得て、中心軸Ac回りに回転する。
回転軸1の回転運動は、軸端に連結された発電機等(図示省略)によって取り出される。
以上のサイクルが連続的に繰り返される。
シュラウド凹部75Aから中心軸方向Da下流側に流出したリーク流FLは、空間Vcから径方向Dr外側に流れ出て主流FMに合流し、中心軸方向Da下流側に流れていく。
このようにして、蒸気の主流FMにリーク流FLが合流するときの混合損失がさらに低減されることで、蒸気タービン100の性能向上を図ることが可能となる。
さらに、突出部45Aにおけるプラットフォーム43からの突出寸法L1は、シュラウド凹部75Aにおける中心軸方向Daに沿った窪み寸法L2以下であるので、例え、突出部45Aの全てがシュラウド凹部75A内に挿入される程、動翼4と静翼7とが相対変位しても、突出部45Aとシュラウド凹部75Aとが干渉することを抑制できる。
次に、本発明にかかる軸流回転機械、動翼部材の第二実施形態について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態と突出部45Bの構成のみが異なるので、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
図3に示すように、この実施形態における蒸気タービン100は、突出部45Bと、シュラウド凹部75Bと、をさらに備える。
この実施形態において、突出部45Bは、径方向Dr内側を向く側にガイド面45fを有している。ガイド面45fは、プラットフォーム43の上流側端面43aの基端部45sから中心軸方向Da上流側の先端部45tに向かって、径方向Dr内側に一定の曲率で漸次湾曲して形成されている。
一方で、上流側から流れてきた蒸気のうち、主流FMを除く成分は、上記の静翼収容凹部8内に向かって流れることで、リーク流FLを形成する。リーク流FLの一部の成分が、静翼シュラウド71の下流側端面71aとプラットフォーム43の上流側端面43aとの間の空間Vcに流れ込む。
シュラウド凹部75Bから中心軸方向Da下流側に流出したリーク流FLは、突出部45Bの外周側ガイド面45gに沿って中心軸方向Da下流側に向かって径方向Dr外側に案内され、空間Vcから径方向Dr外側に流れ出て主流FMに合流する。
このようにして、ケーシング2の内側で中心軸方向Daに沿って静翼本体70と動翼本体40とを交互に経る蒸気の主流FMに、リーク流FLが合流するときの混合損失が低減される。その結果、蒸気タービン100の性能向上を図ることが可能となる。
図4は、本発明の第二実施形態の変形例に係る蒸気タービンの要部拡大図である。
この図4に示すように、突出部45Bの外周側ガイド面45g全体がプラットフォーム43の径方向Drの外側を向く面43dよりも径方向Drの内側に位置していてもよい。
次に、本発明にかかる軸流回転機械、動翼部材の第三実施形態について説明する。以下に説明する第三実施形態においては、第一、第二実施形態と内周側突出部78、プラットフォーム凹部48を備える構成のみが異なるので、第一、第二実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
図5に示すように、この実施形態における蒸気タービン100は、上記第2実施形態で示した突出部45Bと、プラットフォーム凹部48とに加えて、内周側突出部78と、プラットフォーム凹部48、をさらに備える。
この実施形態において、内周側突出部78は、径方向Dr内側を向く側にガイド面78fを有している。ガイド面78fは、静翼シュラウド71の下流側端面71aから中心軸方向Da下流側に向かって径方向Dr内側に一定の曲率で漸次湾曲して形成されている。また、この実施形態において、内周側突出部78は、径方向Dr外側を向く側に、中心軸方向Da下流側から上流側に向かって径方向Dr外側に湾曲している外周側ガイド面78gを有している。
プラットフォーム凹部48から中心軸方向Da上流側に流出したリーク流FLは、上記第二実施形態と同様、突出部45B、シュラウド凹部75Bを順次経て、空間Vcから径方向Dr外側に流れ出て主流FMに合流する。
このように、空間Vcにおいて、径方向Dr内側から外側に向かって、内周側突出部78及びプラットフォーム凹部48、突出部45B及びシュラウド凹部75Bが、複数段に設けられることで、蒸気の主流FMにリーク流FLが合流するときの混合損失が、より一層低減される。その結果、蒸気タービン100の性能向上を図ることが可能となる。
例えば、ガイド面45f,78f、外周側ガイド面45g,78g、外側周壁面48f,75fを湾曲面としたが、これらは平面状の傾斜面とすることも可能である。
1S 外周面
2 ケーシング
2S 内周面
3 動翼段
4 動翼(動翼部材)
5 軸受装置
5A ジャーナル軸受
5B スラスト軸受
6 静翼段
7 静翼
8 静翼収容凹部
10 吸気口
11 排気口
20 動翼収容凹部
40 動翼本体
41 動翼シュラウド
42 動翼側フィン
43 プラットフォーム
43a 上流側端面
43d 面
45A、45B 突出部
45f ガイド面
45g 外周側ガイド面
45h 外側面
48 プラットフォーム凹部
48a 内周壁面
48f 外側周壁面
70 静翼本体
71 静翼シュラウド
71a 下流側端面
72 静翼側フィン
75A、75B シュラウド凹部
75a 内側周壁面
75b 外側周壁面
75c、75d 上流壁面
75f 外側周壁面
78 内周側突出部
78f ガイド面
78g 外周側ガイド面
83A、83B 底面
100 蒸気タービン(軸流回転機械)
Ac 中心軸
Da 中心軸方向
Dr 径方向
FL リーク流
FM 主流
T、T2 渦
Vc 空間
Claims (11)
- 中心軸回りに回転する回転軸と、
前記回転軸の径方向外側に設けられたプラットフォーム、及び、前記プラットフォームから径方向外側に向かって延びるよう設けられた動翼本体を有する動翼と、
前記回転軸及び前記動翼の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、
前記動翼に対して前記中心軸方向上流側に設けられ、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体、及び前記静翼本体の径方向内側に設けられた静翼シュラウドを有する静翼と、
前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって突出する突出部と、
を備え、
前記突出部は、径方向内側を向く側に、前記プラットフォーム側の基端部から前記中心軸方向上流側の先端部にわたって、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって径方向内側に漸次傾斜又は湾曲したガイド面を有し、
前記静翼シュラウドに形成され、前記突出部に対して前記中心軸方向で対向し、前記中心軸方向上流側に向かって窪むシュラウド凹部をさらに備え、
前記シュラウド凹部は、前記径方向外側に位置する外側周壁面が、前記中心軸方向上流側から下流側に向かって径方向外側に漸次傾斜又は湾曲し、
前記突出部は、径方向外側を向く側に、前記中心軸方向上流側から下流側に向かって径方向外側に漸次傾斜又は湾曲している外周側ガイド面をさらに有し、
前記外側周壁面は、前記外周側ガイド面と同じ曲率半径で形成されている軸流回転機械。 - 前記突出部よりも径方向内側に形成され、前記静翼シュラウドから前記中心軸方向下流側に突出する内周側突出部、をさらに備える請求項1に記載の軸流回転機械。
- 前記プラットフォームに形成され、前記内周側突出部に対して前記中心軸方向で対向し、前記中心軸方向下流側に向かって窪むプラットフォーム凹部をさらに備える、請求項2に記載の軸流回転機械。
- 中心軸回りに回転する回転軸と、
前記回転軸の径方向外側に設けられたプラットフォーム、及び、前記プラットフォームから径方向外側に向かって延びるよう設けられた動翼本体を有する動翼と、
前記回転軸及び前記動翼の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、
前記動翼に対して前記中心軸方向上流側に設けられ、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体、及び前記静翼本体の径方向内側に設けられた静翼シュラウドを有する静翼と、
前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって突出する突出部と、
を備え、
前記突出部は、径方向内側を向く側に、前記プラットフォーム側の基端部から前記中心軸方向上流側の先端部にわたって、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって径方向内側に漸次傾斜又は湾曲したガイド面を有しており、
前記突出部よりも径方向内側に形成され、前記静翼シュラウドから前記中心軸方向下流側に突出する内周側突出部、をさらに備える軸流回転機械。 - 前記プラットフォームに形成され、前記内周側突出部に対して前記中心軸方向で対向し、前記中心軸方向下流側に向かって窪むプラットフォーム凹部をさらに備える、請求項4に記載の軸流回転機械。
- 前記静翼シュラウドに形成され、前記突出部に対して前記中心軸方向で対向し、前記中心軸方向上流側に向かって窪むシュラウド凹部をさらに備える、請求項1から5のいずれか一項に記載の軸流回転機械。
- 前記シュラウド凹部は、前記径方向外側に位置する外側周壁面が、前記中心軸方向上流側から下流側に向かって径方向外側に漸次傾斜又は湾曲している、請求項6に記載の軸流回転機械。
- 前記突出部は、径方向外側を向く側に、前記中心軸方向上流側から下流側に向かって径方向外側に漸次傾斜又は湾曲している外周側ガイド面をさらに有している、請求項6又は7に記載の軸流回転機械。
- 前記静翼に対し、前記回転軸及び前記動翼が前記中心軸方向に相対的に変位したとき、前記突出部の少なくとも一部は、前記シュラウド凹部内に挿入可能である、請求項6〜8の何れか一項に記載の軸流回転機械。
- 前記突出部における前記プラットフォームからの前記中心軸方向に沿った突出寸法は、前記シュラウド凹部における前記中心軸方向に沿った窪み寸法以下である、請求項9に記載の軸流回転機械。
- 中心軸回りに回転する回転軸と、
前記回転軸の径方向外側に設けられたプラットフォーム、及び、前記プラットフォームから径方向外側に向かって延びるよう設けられた動翼本体を有する動翼と、
前記回転軸及び前記動翼の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、
前記動翼に対して前記中心軸方向上流側に設けられ、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体、及び前記静翼本体の径方向内側に設けられた静翼シュラウドを有する静翼と、
前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって突出する突出部と、
を備え、
前記突出部は、径方向内側を向く側に、前記プラットフォーム側の基端部から前記中心軸方向上流側の先端部にわたって、前記プラットフォームから前記中心軸方向上流側に向かって径方向内側に漸次傾斜又は湾曲したガイド面を有しており、
前記静翼シュラウドに形成され、前記突出部に対して前記中心軸方向で対向し、前記中心軸方向上流側に向かって窪むシュラウド凹部をさらに備え、
前記シュラウド凹部は、前記径方向内側に位置する内周側壁面が、前記突出部の前記ガイド面よりも径方向内側に形成されており、
前記静翼シュラウドと前記プラットフォームとの間隙を前記径方向内側から外側に向かって流れる前記作動流体が前記ガイド面に当ることによって前記径方向内側に戻るように渦を生成するとともに、前記ガイド面に沿って流れる前記作動流体の一部が前記シュラウド凹部に流れ込む軸流回転機械。
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