JP6924233B2 - 回転機械 - Google Patents
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Description
周方向に沿って延在する環状体と、
前記周方向に沿って延在するように、前記環状体から軸方向に突出するフローガイドと、
前記フローガイドに対して径方向にずれた位置において、前記周方向に間隔を空けて前記環状体に設けられる複数のスワールブレーカと、
を備える。
例えば蒸気タービンのような回転機械では、外側シュラウドと回転機械のケーシングの内周面との間の空間に主流路から逸れた作動流体が上述したように旋回流成分を有したまま流れ込む。
上記(1)の構成のスワールブレーカ組立体を上述のように回転機械に配置した場合、主流路から逸れた作動流体は、主流路から上記空間に流れ込む際にフローガイドの径方向外側の面に沿って複数のスワールブレーカに向かって案内される。すなわち、上記(1)の構成によれば、主流路から逸れた作動流体を効率的にスワールブレーカに案内できる。これにより、主流路から逸れた作動流体が有する旋回流成分を複数のスワールブレーカで効率的に抑制できるので、スワール流によるロータの自励振動を効率的に抑制できる。
これに対して、上記(2)の構成によれば、スワールブレーカによる旋回流成分の抑制効果が高まる。また、上記(2)の構成によれば、周方向から見たときのスワールブレーカの投影面積を増やすことができ、スワールブレーカによる旋回流成分の抑制効果が高まる。
前記環状体は、前記軸方向において前記案内面と対向する環状体側対向壁面と、前記案内面と前記環状体側対向壁面とを接続する環状体側壁面とを有し、
前記複数のスワールブレーカは、前記案内面と前記環状体側壁面と前記環状体側対向壁面との間の空間に存在する。
これに対して、上記(7)の構成によれば、スワールブレーカによる旋回流成分の抑制効果が高まる。また、上記(7)の構成によれば、周方向から見たときのスワールブレーカの投影面積を増やすことができ、スワールブレーカによる旋回流成分の抑制効果が高まる。
上記(10)の構成のスワールブレーカ組立体を上述のように回転機械に配置した場合、スワールブレーカにおいて、軸方向における先端側の領域において径方向に見たときにフローガイド側の部位は、動翼の径方向外側の端部に近い位置に配置される。そのため、回転機械の運転による熱伸び等によって該部位と動翼の径方向外側の端部とが接触するおそれがある。
上記(10)の構成によれば、該部位の周方向の厚さが他の部位と同等であった場合と比べると、仮に、該部位と動翼の径方向外側の端部とが接触してしまっても、動翼に与える影響を抑制できる。
上記(1)乃至(11)の何れかの構成のスワールブレーカ組立体と、
ケーシング内で軸線周りに回転するロータディスクと、
前記ロータディスクに取り付けられた複数の動翼本体と、
前記複数の動翼本体の各々の先端部に連なる外側シュラウドと、
を備える。
前記フローガイドは、前記動翼本体よりも軸方向上流側、且つ、前記外側シュラウドの径方向外側の外周面よりも径方向内側において、軸方向下流側に向かって突出し、
前記複数のスワールブレーカは、前記フローガイドよりも前記径方向外側において前記軸方向下流側に突出する。
静翼の径方向内側の端部に接続されていて周方向に沿って延在する環状体と、
前記環状体に対して前記周方向に回転可能な回転部材と、
前記周方向に間隔を空けて前記環状体に設けられる複数のスワールブレーカと、
前記複数のスワールブレーカに対して径方向外側にずれた位置において、前記周方向に沿って延在するように、前記回転部材から軸方向に突出するフローガイドと、
を備える。
上記(18)の構成によれば、主流路から逸れようとする作動流体は、主流路から上記空間に流れ込む前にフローガイドの径方向外側の面に沿って軸方向に案内される。そのため、作動流体は、主流路から逸れ難くなる。
フローガイドの径方向外側の面に沿って軸方向に案内された後に主流路から逸れた作動流体は、複数のスワールブレーカに向かうこととなる。すなわち、主流路から逸れた作動流体はスワールブレーカに案内されることとなる。これにより、主流路から逸れた作動流体が有する旋回流成分を複数のスワールブレーカで効率的に抑制できるので、スワール流によるロータの自励振動を効率的に抑制できる。
タービンにおけるダミーシール部の少なくとも一部を構成し、周方向に沿って延在するダミー環と、
前記周方向に間隔を空けて前記ダミー環の内面に設けられ、軸方向に突出する複数のスワールブレーカと、
を備える。
上記(19)の構成によれば、周方向に間隔を空けてダミー環の内面に設けられ、軸方向に突出する複数のスワールブレーカによって主流路から逸れた作動流体が周方向に流れることが阻害される。これにより、主流路から逸れた作動流体が有する旋回流成分を複数のスワールブレーカで効率的に抑制できるので、スワール流によるロータの自励振動を効率的に抑制できる。
前記内面と間隔を空けて配置され、前記周方向に回転可能なロータシャフトと、
前記複数のスワールブレーカに対して径方向内側にずれた位置において、前記周方向に沿って延在するように、前記ロータシャフトから前記軸方向に突出するフローガイドと、
をさらに備える。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図1に示すように、幾つかの実施形態に係るタービン1は、いわゆる軸流タービンであって、ケーシング2と、ロータシャフト4と、ロータシャフト4に固定されたロータディスク6と、調速段ノズル8と、動翼12と、静翼14とを備えている。
なお、以下の説明では、ロータシャフト4の延在方向を単に軸方向とも呼び、ロータシャフト4の周方向を単に周方向とも呼ぶ。また、軸方向に関し、ケーシング2内での作動流体の主たる流れの軸方向に沿った向きを下流方向、又は下流側とも呼び、該下流方向とは反対方向を上流方向、又は上流側とも呼ぶ。図1においては、図示右側が下流側であり、図示左側が上流側である。
また、以下の説明では、ロータシャフト4の径方向を単に径方向とも呼ぶ。径方向のうち、ロータシャフト4の軸線AXに近づく方向を径方向内側とし、ロータシャフト4の軸線AXから遠ざかる方向を径方向外側とする。
幾つかの実施形態に係るタービン1では、動翼段30と静翼段40とが軸方向に沿って交互に配置されている。なお、図1では、調速段ノズル8の直下流側に配置された調速段動翼12Aを含む動翼段31と、該動翼段31の直下流側に配置された第1静翼段41と、第1静翼段41の直下流側に配置された第1動翼段32とが図示されている。
幾つかの実施形態に係るタービン1では、複数の段7のうち、最上流の段7が、調速段7aを成している。調速段7aは、この調速段7aよりも軸方向下流側の段7へ送られる作動流体の流量を調節してロータシャフト4の回転数を調整する。
幾つかの実施形態では、動翼12とケーシング2との間をシールするシール部80は、シールフィン81と外側シュラウド123とを含む。
幾つかの実施形態では、第1動翼段32についてのシールフィン81の基端部81aは、外周リング18において動翼12の外側シュラウド123と径方向で対向する内周面18aに固定されているが、外周リング18とは異なる部材に固定されていてもよい。
幾つかの実施形態では、シールフィン81は、外側シュラウド123に対して少なくとも1つ以上設けられている。図1に例示的に示した実施形態では、シールフィン81は、外側シュラウド123に対して軸方向に沿って互いに離間して2つ設けられている。
上述したように、タービン1のような軸流回転機械では、ロータシャフト4又は動翼12とケーシング2との間をシールするシール部において、主流路から逸れた作動流体が調速段ノズル8や静翼14を通過した際に与えられた旋回流成分を有したまま流入することにより、周方向に旋回流(所謂スワール流)が生ずることが知られている。スワール流により、ロータシャフト4に偏心が発生した場合にロータシャフト4の周方向にはロータシャフト4の偏心方向と異なる方向にピークを有する正弦波状の圧力分布が生じ、例えば高出力の運転に伴ってスワール流が増加した際にはロータシャフト4の自励振動の原因になることがある。このため、シール部におけるスワール流を抑制するための構造が種々考案されている。
図2は、図1において破線で囲んだA部、すなわち、入口部54と調速段動翼12Aとが対向する部位のうち、入口部54側について拡大した斜視図である。なお、図2では、調速段動翼12Aの記載を省略している。
図3は、図2におけるIII矢視図であり、入口部54を軸方向下流側から見た図である。
図4は、一実施形態に係るスワールブレーカ組立体を説明するための図であり、図1において破線で囲んだA部についての図である。
図5は、他の実施形態に係るスワールブレーカ組立体を説明するための図であり、図4に相当する図である。
図6は、さらに他の実施形態に係るスワールブレーカ組立体を説明するための図であり、図4に相当する図である。
図7は、さらに他の実施形態に係るスワールブレーカ組立体を説明するための図であり、図4に相当する図である。
図8は、さらに他の実施形態に係るスワールブレーカ組立体を説明するための図であり、図4に相当する図である。
図9は、さらに他の実施形態に係るスワールブレーカ組立体を説明するための図であり、図4に相当する図である。
幾つかの実施形態では、内周面54bの下流側の領域は、フローガイド110における径方向内側の内周面111である。すなわち、図2〜9に示すように、幾つかの実施形態では、フローガイド110の径方向内側を向いた内周面111がタービン1における流体流路65の一部を形成する。
なお、図2〜9に示すように、幾つかの実施形態では、環状体側対向壁面57は、入口部54において調速段動翼12Aの外側シュラウド123と径方向で対向する内周面54aである。
図2〜9に示すように、幾つかの実施形態では、環状体側壁面58は、案内面115と環状体側対向壁面57との間で径方向及び周方向に延在する面であるが、径方向外側に向かうにつれて軸方向上流側又は下流側へ向かうように径方向に対して傾斜していてもよい。環状体側壁面58は、フローガイド110の軸方向への突出端113よりも軸方向上流側に位置している。
これにより、スワールブレーカ130の形状が単純な形状となるので、形成が容易である。なお、スワールブレーカ130の形状は上述したような板形状に限定されず、柱状であってもよい。
なお、調速段7aよりも下流側の段7に設けられたスワールブレーカ組立体100Bでは、入口部54に代えて外周リング18にフローガイド110と、複数のスワールブレーカ130とが設けられている。
図2〜9に示す幾つかの実施形態では、上述したように、流体流路65から逸れた作動流体を効率的にスワールブレーカ130に案内できるので、流体流路65から逸れた作動流体が有する旋回流成分を複数のスワールブレーカ130で効率的に抑制できる。これにより、スワール流によるロータシャフト4の自励振動を効率的に抑制できる。
図2〜4、図6、図7、及び図9に示す幾つかの実施形態では、スワールブレーカ130の径方向内側の端部131は、フローガイド110の案内面115から離間している。
これに対して、図5及び図8に示す実施形態に係るスワールブレーカ130は、径方向内側の端部131がフローガイド110の案内面115に接続されている。
これに対して、図5及び図8に示す実施形態に係るスワールブレーカ130では、上述したように径方向内側の端部131がフローガイド110の案内面115に接続されているので、端部131とフローガイド110の案内面115との間から作動流体の一部が周方向に流れることを抑制でき、スワールブレーカ130による旋回流成分の抑制効果が高まる。また、図5及び図8に示す実施形態に係るスワールブレーカ130では、周方向から見たときのスワールブレーカ130の投影面積を増やすことができ、スワールブレーカ130による旋回流成分の抑制効果が高まる。
このように、スワールブレーカ130がフローガイド110と軸方向にオーバーラップしていることで、主流路から逸れた作動流体がフローガイド110によって効率的にスワールブレーカ130に案内される。
これに対し、図2〜4、図6、図8、及び図9に示す幾つかの実施形態では、スワールブレーカ130の先端部133は、フローガイド110の突出端113よりも軸方向下流側に位置している。すなわち、図2〜4、図6、図8、及び図9に示す幾つかの実施形態では、フローガイド110は、軸方向への突出端113についての軸方向の位置が軸方向に沿ったスワールブレーカ130の基端部134と先端部133との間に存在する。
このように、フローガイド110の突出端113についての軸方向の位置がスワールブレーカ130の基端部134と先端部133との間に存在する場合、突出端113の径方向外側にはスワールブレーカ130の基端部134と先端部133との間の領域が存在することとなる。したがって、主流路から逸れた作動流体が周方向に流れながらフローガイド110の突出端113から径方向外側に流れると、スワールブレーカ130の側面、すなわち、スワールブレーカ130の基端部134と先端部133との間の領域に到達することとなる。したがって、図2〜4、図6、図8、及び図9に示す幾つかの実施形態によれば、主流路から逸れた作動流体がフローガイド110によって効率的にスワールブレーカ130に案内される。
なお、図8に示す実施形態のように、先端部133の軸方向における位置が径方向の位置によって異なっていてもよい。
これに対して図6に示す実施形態では、スワールブレーカ130は、先端部133が周方向に延在するシールフィン81と接続されている。
図2〜5、及び図7〜9に示す幾つかの実施形態のように、スワールブレーカ130の先端部133がシールフィン81に接続されていない場合、主流路から逸れた作動流体の一部については、先端部133とシールフィン81との間から周方向に流れるため、先端部133とシールフィン81とが接続されている場合と比べてスワールブレーカ130による旋回流成分の抑制効果が減ぜられてしまう。
これに対して、図6に示す実施形態によれば、スワールブレーカ130による旋回流成分の抑制効果が高まる。また、図6に示す実施形態によれば、周方向から見たときのスワールブレーカ130の投影面積を増やすことができ、スワールブレーカ130による旋回流成分の抑制効果が高まる。
これにより、スワールブレーカ130の基端部134側の周方向の寸法が大きくなるので、スワールブレーカ130の周方向への曲げ強度が向上する。また、スワールブレーカ130の基端部134側の形状が裾広がり形状となるので、環状体56においてスワールブレーカ130を例えば削り出しによって形成する場合に形成し易くなる。
なお、幾つかの実施形態に係るスワールブレーカ130において、径方向外側の端部132と環状体側対向壁面57との接続部や、径方向内側の端部131と案内面115との接続部を上述した接続部134aと同様に形成してもよい。
これに対し、図4、図6、図8、及び図9に示す実施形態では、スワールブレーカ130は、外側シュラウド123よりも径方向外側において、該外側シュラウド123と軸方向に重なる重複領域137を有する。
これにより、図5及び図7に示す実施形態のように重複領域137を有していない場合と比べて、周方向から見たときのスワールブレーカ130の投影面積を増やすことができ、スワールブレーカ130による旋回流成分の抑制効果が高まる。
これにより、スワールブレーカ130と外側シュラウド123とが接触し難くなる。
スワールブレーカ130の部位のうち、軸方向における先端側の領域において径方向に見たときにフローガイド110側の部位は、動翼12の径方向外側の端部である外側シュラウド123に近い位置に配置される。そのため、タービン1の運転による熱伸び等によって該部位と外側シュラウド123とが接触するおそれがある。
その点、図9に示す実施形態に係るスワールブレーカ130では、該部位に薄肉部139が設けられている。これにより、該部位の周方向の厚さが他の部位と同等であった場合と比べると、仮に、該部位と外側シュラウド123とが接触してしまっても、動翼12に与える影響を抑制できる。
なお、薄肉部139は、軸方向に沿って上記重複領域137を含むように形成されているとよい。
タービン1への作動流体の送入量が変動すると、主流路から逸れた作動流体の流れも変化するため、環状体56に設けられる複数のスワールブレーカ130を周方向に沿って不均等に配置するよりも均等に配置することがスワール流の抑制の点で望ましい。したがって、図2〜9に示す幾つかの実施形態によれば、複数のスワールブレーカ130における周方向に沿った配置位置が適切となる。
これにより、スワール流による自励振動が発生し易い調速段7aにおいて、自励振動の発生を抑制できる。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、上述したスワールブレーカ組立体100を動翼12とケーシング2との間をシールするシール部80に適用した。しかし、ロータシャフト4とケーシング2との間(ロータシャフト4と静翼14との間)をシールするシール部に上述したスワールブレーカ組立体100を適用してもよい。例えば、入口部54のうち、調速段ノズル8の径方向内側の端部が接続された環状の部位における軸方向下流側の面54c(図1参照)に、上述したフローガイド110及び複数のスワールブレーカ130を設けてもよい。また、例えば、静翼14の径方向内側の端部に接続された内周リング16において、軸方向下流側の面16c(図1参照)に上述したフローガイド110及び複数のスワールブレーカ130を設けてもよい。
例えば、図10に示すように、静翼段40における内周リング16とロータシャフト4の表面4aとの間の隙間を流れるスワール流を抑制するために、フローガイド110Aとスワールブレーカ130Aとを設けてもよい。
案内面115Aに沿って軸方向下流側に案内された後に流体流路65から逸れた作動流体は、矢印eで示すように、複数のスワールブレーカ130Aに向かうこととなる。すなわち、図10に示す実施形態では、流体流路65から逸れた作動流体はスワールブレーカ130Aに案内されることとなる。
なお、図11に示した実施形態では、ロータシャフト4の直径は、ダミー環71の内面71aと対向する第2領域402において、上述した各段7が配置された第1領域401よりも大きい。また、図11に示した実施形態では、ロータシャフト4の直径は、第2領域402よりもダミーシール側、すなわち図示左側の第3領域403において、第2領域402よりも大きくなるように構成されていてもよい。図11に示した実施形態では、シールフィン85は、ロータシャフト4の第2領域402において表面4aと対向し、シールフィン87は、ロータシャフト4の第3領域403において表面4aと対向している。
また、図11に示した実施形態では、第3領域403において表面4aと対向して配置されたシールフィン87よりも車室側において、ダミー環71の内面71aに複数のスワールブレーカ130Cを周方向に間隔を空けて配置してもよい。
また、図11に示した実施形態では、スワールブレーカ組立体100は、内面71aと間隔を空けて配置され、周方向に回転可能なロータシャフト4と、複数のスワールブレーカ130Bに対して径方向内側にずれた位置において、周方向に沿って延在するように、ロータシャフト4から軸方向に突出するフローガイド110Bとを備える。
なお、図11に示す実施形態において、第2領域402から第3領域403に向かうつれてロータシャフト4の直径が漸増するようにロータシャフト4が形成されている場合には、上述したフローガイド110Bと同様に、第2領域402から第3領域403にかけて径が漸増する領域において車室側に向かって突出するよう不図示のフローガイドを設けてもよい。
2 ケーシング
4 ロータシャフト
6 ロータディスク
7 段
7a 調速段
8 調速段ノズル
12 動翼
12A 調速段動翼
54 入口部
56 環状体
57 環状体側対向壁面
58 環状体側壁面
65 流体流路
81 シールフィン
100 スワールブレーカ組立体
110 フローガイド
113 突出端
115 案内面
121 動翼本体
123 外側シュラウド
130 スワールブレーカ
137 重複領域
139 薄肉部
Claims (12)
- 周方向に沿って延在する環状体と、
前記周方向に沿って延在するように、前記環状体から軸方向に突出するフローガイドと、
前記フローガイドに対して径方向にずれた位置において、前記周方向に間隔を空けて前記環状体に設けられる複数のスワールブレーカと、
ケーシング内で軸線周りに回転するロータディスクと、
前記ロータディスクに取り付けられた複数の動翼本体と、
を備え、
前記フローガイドは、前記径方向における前記複数のスワールブレーカ側を指向する案内面を有し、前記動翼本体よりも軸方向上流側、且つ、前記複数の動翼本体の各々の先端部に連なる外側シュラウドの径方向外側の外周面よりも径方向内側において、軸方向下流側に向かって突出し、
前記複数のスワールブレーカは、前記フローガイドよりも前記径方向外側において前記動翼本体よりも前記軸方向上流側の基端部から前記軸方向下流側に突出し、
前記複数のスワールブレーカの径方向内側の端部は、前記外側シュラウドの前記外周面より前記径方向外側に位置し、且つ、前記ケーシングから前記径方向に延材するシールフィンの先端部より前記径方向外側に位置し、
前記フローガイドの前記軸方向下流側への突出端は、前記外側シュラウドの前記軸方向上流側の端部より前記軸方向上流側に位置する
回転機械。 - 前記複数のスワールブレーカは、前記フローガイドと前記軸方向に少なくとも部分的にオーバーラップしている
請求項1に記載の回転機械。 - 前記フローガイドは、前記突出端についての前記軸方向の位置が前記軸方向に沿った前記複数のスワールブレーカの前記基端部と先端部との間に存在する
請求項1又は2に記載の回転機械。 - 前記環状体は、前記軸方向において前記案内面と対向する環状体側対向壁面と、前記案内面と前記環状体側対向壁面とを接続する環状体側壁面とを有し、
前記複数のスワールブレーカは、前記案内面と前記環状体側壁面と前記環状体側対向壁面との間の空間に存在する
請求項1乃至3の何れか一項に記載の回転機械。 - 前記複数のスワールブレーカは、前記軸方向に沿った先端部が前記シールフィンと接続されている
請求項1乃至4の何れか一項に記載の回転機械。 - 前記複数のスワールブレーカは、前記軸方向及び前記径方向に沿って延在する板形状を有する
請求項1乃至5の何れか一項に記載の回転機械。 - 前記複数のスワールブレーカは、前記軸方向において前記基端部に向かうにつれて前記周方向の寸法が漸増する裾広がりとなる形状を有する
請求項1乃至6の何れか一項に記載の回転機械。 - 前記複数のスワールブレーカは、前記軸方向における先端側の領域において前記径方向に見たときに前記フローガイド側の方が前記周方向の厚さが薄い
請求項1乃至7の何れか一項に記載の回転機械。 - 前記複数のスワールブレーカは、前記周方向に等間隔で離間して設けられている
請求項1乃至8の何れか一項に記載の回転機械。 - 前記フローガイドは、径方向内側の面が前記回転機械における流体の流路の一部を形成している
請求項1乃至9の何れか一項に記載の回転機械。 - 前記複数のスワールブレーカは、前記外側シュラウドよりも前記径方向外側において、該外側シュラウドと前記軸方向に重なる重複領域を有する
請求項1乃至10の何れか一項に記載の回転機械。 - 前記環状体、前記フローガイド、及び前記複数のスワールブレーカは、前記回転機械における調速段に設けられる
請求項1乃至11の何れか一項に記載の回転機械。
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