JP7029317B2 - 回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転機械に関する。

蒸気タービンは、軸線回りに回転するロータと、ロータに取り付けられた複数の動翼と、ロータ及び動翼を外側から覆うケーシングと、ケーシングの内面に取り付けられた複数の静翼と、を備えている。軸線方向の一方側から高温高圧の蒸気が流入することで、動翼にエネルギーが付加され、回転軸は回転する。この回転エネルギーによって、蒸気タービンに接続された発電機等が駆動される。

ここで、上記のような蒸気タービンでは、ロータの円滑な回転を実現するため、動翼の先端部（シュラウド）とケーシングの内周面との間には、一定のクリアランスが設けられることが一般的である。しかしながら、当該クリアランスを流通する蒸気は、動翼や静翼に衝突することなく下流側に流れ去ってしまうことから、ロータの回転駆動に際しては何ら寄与するところがない。加えて、クリアランスを流通する蒸気は、スワール成分（周方向の速度成分）を含んでいる。このようなスワール成分によって、クリアランス内部における圧力分布が不均一になり、その結果としてロータに振動を生じる可能性がある。したがって、スワール成分を低減することが可能な技術が望まれている。

このような技術の一例として、例えば下記特許文献１に記載された装置が知られている。特許文献１に記載された装置では、動翼のシュラウドの上流側に位置する静翼のノズル部に、蒸気の流れ方向を案内する案内羽根が設けられている。この案内羽根によって、上述のスワール成分が低減され、ロータの振動を抑制できるとされている。

特開２００６－１０４９５２号公報

ところで、スワール成分を含む漏洩蒸気は、ロータとの間で生じる摩擦力によって、ロータの回転を促す（補助する）ことが知られている。しかしながら、上記特許文献１の構成では、ロータの振動抑制が実現できる一方で、スワール成分が減少することに伴って、上記の摩擦力も減少する。その結果として、ロータを周方向に回転させる力が弱くなり、案内羽根が無い場合に比べてタービン出力が低下してしまう。したがって、必要な際にのみスワール成分を低減することが可能な装置が望まれている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、振動を抑制することができるとともに出力低下が抑えられた蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、回転機械は、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から径方向外側に向かって延びて、周方向に間隔をあけて複数が設けられた動翼と、該動翼を径方向外側から囲むとともに、動翼の先端を収容するキャビティをなす凹部が形成されたケーシングと、前記凹部の底部及び動翼の先端の一方から延びて他方との間でクリアランスを形成するシール部と、前記キャビティ内に突出した突出位置と、前記ケーシング内に収容された収容位置との間で変位可能に、前記ケーシングに設けられた可変ブレーカと、を備え、前記ケーシングの凹部には、前記可変ブレーカを収容可能な収容溝が形成され、前記可変ブレーカは、前記収容溝内に収容された状態である収容位置と、前記収容溝から径方向内側に突出した状態である突出位置との間で変位可能に支持されており、前記可変ブレーカは、前記軸線に対する径方向に延びる回動軸回りに回動可能である。

この構成によれば、可変ブレーカが突出位置にある場合には、当該可変ブレーカによってキャビティ内のスワール成分を低減・阻止することができる。一方で、可変ブレーカが収容位置にある場合には、スワール成分はキャビティ内を円滑に流れる。この際、スワール成分が動翼の先端を回転方向に引きずることによって、スワール成分のエネルギーの一部をロータの回転エネルギーとして回収することができる。
このように上記の構成によれば、回転軸に振動が生じた場合には振動を収束させるために必要な最低限の可変ブレーカを突出位置に変位させ、振動が収束した場合には可変ブレーカを収容位置に変位させることができる。これにより、蒸気タービンの出力低下を最小限に抑えつつ、スワール成分に起因する振動を抑制することができる。
また、この構成によれば、可変ブレーカを回動軸回りに回動させるのみで、可変ブレーカを突出位置に変位させることができる。これにより、スワール成分を低減することができる。さらに、可変ブレーカに回転力を付加できるものであればいかなるものも駆動源として適用することができる。したがって、装置の構成が簡素化され、コストを低廉化することができる。一方で、可変ブレーカを収容位置に収容した場合にはスワール成分が阻害されないため、スワールブレーカを設置しないタービンと同等の出力でタービンを運転することができる。

本発明の他の態様によれば、前記可変ブレーカは、前記ケーシングから前記キャビティ内に向かって前記軸線に対する径方向に進退動可能であってもよい。

この構成によれば、可変ブレーカは、キャビティ内に向かって軸線に対する径方向に進退動する。ここで、キャビティ内では、軸線に対する周方向の成分を含む流れ（スワール成分）が形成されている。したがって、可変ブレーカが突出位置にある場合には、当該可変ブレーカによってスワール成分を効率的に遮ることができる。一方で、可変ブレーカを収容位置に収容した場合にはスワール成分が阻害されないため、スワールブレーカを設置しないタービンと同等の出力でタービンを運転することができる。

本発明の他の態様によれば、前記可変ブレーカは、前記ケーシングから前記キャビティ内に向かって前記軸線方向に進退動可能であってもよい。

この構成によれば、可変ブレーカは、キャビティ内に向かって軸線方向に進退動する。ここで、キャビティ内では、軸線に対する周方向の成分を含む流れ（スワール成分）が形成されている。したがって、可変ブレーカが突出位置にある場合には、当該可変ブレーカによってスワール成分を効率的に遮ることができる。一方で、可変ブレーカを収容位置に収容した場合にはスワール成分が阻害されないため、スワールブレーカを設置しないタービンと同等の出力でタービンを運転することができる。

本発明の他の態様によれば、前記ケーシングには前記軸線に対する径方向に延びる固定溝が形成され、前記可変ブレーカが前記突出位置にある時に、該可変ブレーカの少なくとも一部は前記固定溝によって周方向に変位不能に固定されていてもよい。

この構成によれば、可変ブレーカが突出位置にある場合、当該可変ブレーカの少なくとも一部が固定溝によって周方向に変位不能に固定される。したがって、可変ブレーカは、周方向から衝突するスワール成分に対して十分に抗することができる。言い換えると、可変ブレーカがスワール成分によって吹き飛ばされたり、折れ曲がったりする可能性を低減することができる。

本発明の他の態様によれば、前記可変ブレーカは、前記軸線に対する周方向に等間隔をあけて複数設けられていてもよい。

この構成によれば、可変ブレーカが周方向に等間隔をあけて複数設けられていることから、可変ブレーカが突出位置にある場合であっても、ケーシング内における周方向の圧力分布を均一化することができる。即ち、可変ブレーカの配置に起因する周方向の圧力アンバランスを抑制できる。

本発明の他の態様によれば、回転機械は、前記回転軸の振動を検知する振動検知部と、該振動検知部によって振動が検知された場合に前記可変ブレーカを前記突出位置に変位させるとともに、振動が検知されない場合には前記可変ブレーカを前記収容位置に変位させる制御装置と、をさらに備えてもよい。
本発明の第二の態様によれば、回転機械は、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から径方向外側に向かって延びて、周方向に間隔をあけて複数が設けられた動翼と、該動翼を径方向外側から囲むとともに、動翼の先端を収容するキャビティをなす凹部が形成されたケーシングと、前記凹部の底部及び動翼の先端の一方から延びて他方との間でクリアランスを形成するシール部と、前記キャビティ内に突出した突出位置と、前記ケーシング内に収容された収容位置との間で変位可能に、前記ケーシングに設けられた可変ブレーカと、を備え、前記ケーシングの凹部には、前記可変ブレーカを収容可能な収容溝が形成され、前記可変ブレーカは、前記収容溝内に収容された状態である収容位置と、前記収容溝から径方向内側に突出した状態である突出位置との間で変位可能に支持されており、前記回転軸の振動を検知する振動検知部と、該振動検知部によって振動が検知された場合に前記可変ブレーカを前記突出位置に変位させるとともに、振動が検知されない場合には前記可変ブレーカを前記収容位置に変位させる制御装置と、をさらに備えてもよい。

この構成によれば、回転軸の振動が検知された場合には、可変ブレーカを突出位置に変位させることでスワール成分が低減され、当該振動を抑制することができる。さらに、振動が収束した場合には、可変ブレーカを収容位置に変位させることで、蒸気タービンの出力低下を回避することができる。即ち、スワールブレーカを設置しないタービンと同等の出力でタービンを運転することができる。

本発明の他の態様によれば、前記回転軸の振動を検知する振動検知部と、該振動検知部によって振動が検知された場合に前記可変ブレーカを前記突出位置に変位させるとともに、振動が検知されない場合には前記可変ブレーカを前記収容位置に変位させる制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記回転軸の振動の強度に応じて、前記突出位置に変位させる前記可変ブレーカの個数を決定してもよい。

この構成によれば、回転軸の振動の強度に応じて、突出位置に変位させる可変ブレーカの個数が決定される。即ち、振動の強度が高い場合にはより多くの可変ブレーカを突出位置に変位させることができる。これにより、早期に振動を収束させることができる。一方で、振動の強度が低い場合には最小限の個数の可変ブレーカを突出位置に変位させることで、蒸気タービンの出力低下を抑制しつつ、振動を収束させることができる。

本発明の他の態様によれば、前記制御装置は、前記回転軸の振動の強度が高くなるに従って、前記収容位置から前記突出位置に変位させる前記可変ブレーカの個数を増加させ、かつ複数の前記可変ブレーカが周方向に等間隔となるように前記突出位置に変位させてもよい。

この構成によれば、振動の強度が高い場合にはより多くの可変ブレーカを突出位置に変位させることができる。これにより、早期に振動を収束させることができる。加えて、可変ブレーカが周方向に等間隔をあけて配置されることから、可変ブレーカが突出位置にある場合であっても、ケーシング内における周方向の圧力分布を均一化することができる。即ち、可変ブレーカの配置に起因する周方向の圧力アンバランスを抑制できる。

本発明によれば、振動を抑制できるとともに出力の低下を最小限に抑えることができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る可変ブレーカの拡大図である。 本発明の第一実施形態に係る可変ブレーカを径方向から見た図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの軸線方向における断面図である。 本発明の第一実施形態に係る制御装置のハードウェア構成を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る制御装置の構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第一実施形態に係る制御装置の処理を示すフローチャートである。 本発明の第一実施形態の変形例に係る制御装置の処理を示すフローチャートである。 本発明の第一実施形態に係る可変ブレーカの変形例を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る可変ブレーカのさらなる変形例を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る可変ブレーカを径方向から見た図である。 本発明の第三実施形態に係る可変ブレーカを径方向から見た図である。 本発明の第四実施形態に係る可変ブレーカを径方向から見た図である。 本発明の第一実施形態に係る可変ブレーカの変形例を示す図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。図１に示すように、蒸気タービン１は、軸線Ｏ方向に沿って延びる蒸気タービンロータ３（回転軸）と、蒸気タービンロータ３を外周側から覆う蒸気タービンケーシング２（ケーシング）と、蒸気タービンロータ３の軸端１１を軸線Ｏ回りに回転可能に支持するジャーナル軸受４、及びスラスト軸受５と、を備えている。

蒸気タービンロータ３は複数の動翼３０を有している。蒸気タービンロータ３の周方向に一定の間隔をもって複数の動翼３０が配列される。軸線Ｏ方向においても、一定の間隔を持って複数の動翼３０の列が配列される。動翼３０は、翼本体３１と、動翼シュラウド３４（シュラウド）と、を有している。翼本体３１は、蒸気タービンロータ３の外周面から径方向外側に向かって突出している。翼本体３１は、径方向から見て翼型の断面を有する。翼本体３１の先端部（径方向外側の端部）には、動翼シュラウド３４が設けられている。

蒸気タービンケーシング２は、蒸気タービンロータ３を外周側から覆う略筒状をなしている。蒸気タービンケーシング２の軸線Ｏ方向一方側には、蒸気を取り込む蒸気供給管１２が設けられている。蒸気タービンケーシング２の軸線Ｏ方向他方側には、蒸気を排出する蒸気排出管１３が設けられている。以降の説明では、蒸気排出管１３から見て蒸気供給管１２が位置する側を上流側と呼び、蒸気供給管１２から見て蒸気排出管１３が位置する側を下流側と呼ぶ。

蒸気タービンケーシング２の内周面に沿って複数の静翼２１が設けられている。静翼２１は、静翼台座２４を介して蒸気タービンケーシング２の内周面に接続される羽根状の部材である。さらに、静翼２１の先端部（径方向内側の端部）には、静翼シュラウド２２が設けられている。動翼３０と同様に、静翼２１は内周面上で周方向及び軸線Ｏ方向に沿って複数配列される。動翼３０は、隣り合う複数の静翼２１の間の領域に入り込むようにして配置される。

蒸気タービンケーシング２の内部において、静翼２１と動翼３０が配列された領域は、作動流体である蒸気Ｓが流通する主流路２０を形成する。蒸気タービンケーシング２の内周面と動翼シュラウド３４との間には、軸線Ｏに対する径方向外側に向かって凹む凹部５０が周方向全域にわたって形成されている。凹部５０は、動翼３０の先端（動翼シュラウド３４）を収容するキャビティをなしている。即ち、凹部５０は、動翼シュラウド３４の体積に比べて十分に大きな容積を有している。

蒸気Ｓは、上流側の蒸気供給管１２を介して、上述のように構成された蒸気タービン１に供給される。その後、蒸気タービンロータ３の回転に伴って静翼２１と動翼３０の列を通過し、やがて下流側の蒸気排出管１３を通じて後続の装置（不図示）に向かって排出される。ここで、静翼２１と動翼３０の列を通過する際、前述の凹部５０にも蒸気Ｓは流入する。

ジャーナル軸受４は、軸線Ｏに対する径方向への荷重を支持する。ジャーナル軸受４は、蒸気タービンロータ３の両端に１つずつ設けられている。スラスト軸受５は、軸線Ｏ方向への荷重を支持する。スラスト軸受５は、蒸気タービンロータ３の上流側の端部にのみ設けられている。

図２は、凹部５０の周辺を拡大して示している。動翼シュラウド３４の先端（シュラウド外周面３４１）と、凹部５０における内周側を向く面（凹部底面５１）との間には、これらシュラウド外周面３４１及び凹部底面５１の少なくとも一方に設けられ、他方に向かって突出するシールフィン６が設けられている。シールフィン６は、主流路２０を流れる蒸気（主蒸気Ｓ１）から分岐して凹部５０に向かう蒸気の流れ（副流Ｓ２）を阻止するために設けられている。

本実施形態では、シュラウド外周面３４１に１つのシールフィン６（シュラウド側シールフィン６１）が設けられ、凹部内周面５１に２つのシールフィン６（凹部側シールフィン６２）が設けられている。シュラウド側シールフィン６１は、２つの凹部側シールフィン６２同士の間に配置されている。シュラウド側シールフィン６１と凹部底面５１との間、及び凹部側シールフィン６２とシュラウド外周面３４１との間には、それぞれ径方向に広がるわずかな隙間（クリアランス）が形成されている。

図２及び図３に示すように、凹部５０における上流側に位置する面（凹部上流面５２）には、可変ブレーカ７０が設けられている。可変ブレーカ７０は、上述の主蒸気Ｓ１から分岐して凹部５０内を流れる副流Ｓ２に含まれるスワール成分Ｆｓ（旋回流成分）を遮るために設けられている。可変ブレーカ７０は矩形板状をなしている。可変ブレーカ７０は、軸線Ｏに対する径方向に延びる回動軸７１回りに回動可能とされている。回動軸７１は、凹部上流面５２に取り付けられ、可変ブレーカ７０の周方向一方側の端縁を支持している。

凹部上流面５２には、可変ブレーカ７０と同等の面積、深さ（軸線Ｏ方向における寸法）を要する収容溝４０が形成されている。上述の回動軸７１は、この収容溝４０の周方向一方側の端縁に取り付けられている。可変ブレーカ７０は、駆動源７２（図４参照）から伝達された駆動力によって回動軸７１回りに回動することで、収容溝４０に収容された状態である収容位置と、凹部５０内に突出した状態である突出位置との間で変位可能である。より具体的には、可変ブレーカ７０は、径方向外側から見た場合、周方向他方側から一方側に向かって回動軸７１回りに回動することが可能である。可変ブレーカ７０の駆動源７２としては、電動機や油圧モータ等が好適に用いられる。

以下の説明では、可変ブレーカ７０が収容位置から突出位置に変位することを、「可変ブレーカ７０を展開する」と呼ぶことがある。また、可変ブレーカ７０が突出位置から収容位置に変位することを、「可変ブレーカ７０を収容する」と呼ぶことがある。

展開された状態の可変ブレーカ７０は、凹部上流面５２に対して略垂直をなしている。言い換えると、展開された可変ブレーカ７０は、凹部５０内で、軸線Ｏ方向に延びている。一方で、収容された可変ブレーカ７０は、収容溝４０内に収まり、その下流側を向く面（ブレーカ主面７３）は、凹部上流面５２と面一をなす。言い換えると、可変ブレーカ７０が収容溝４０内にある時、可変ブレーカ７０と凹部上流面５２との間には段差等が形成されていない。

図４に示すように本実施形態では、凹部５０内に、周方向に等間隔をあけて複数（４つ）の可変ブレーカ７０が設けられている。（なお、図４では、動翼３０を簡略化して描画している。即ち、動翼３０の数は図４に示す例に限定されない。）各可変ブレーカ７０に対応する駆動源７２は、信号線Ｌによって制御装置９０に接続されている。また、蒸気タービン１には、蒸気タービンロータ３の振動を検出する振動センサ８０が設けられている。具体的には、振動センサ８０は、ジャーナル軸受４又はスラスト軸受５に取り付けられている。振動センサ８０は、検出した蒸気タービンロータ３の振動を電気信号として制御装置９０に送出する。

制御装置９０は、図５に示すように、ＣＰＵ９１（Central Processing Unit）、ＲＯＭ９２（Read Only Memory）、ＲＡＭ９３（Random Access Memory）、ＨＤＤ９４（Hard Disk Drive）、信号受信モジュール９５（I/O：Input/Output）を備えるコンピュータである。信号受信モジュール９５は、振動センサ８０からの信号を受信する。信号受信モジュール９５は、例えばチャージアンプ等を介して増幅された信号を受信してもよい。

図６に示すように、制御装置９０のＣＰＵ９１は予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、制御部８１、振動検知部８２、判定部８３、駆動制御部８４を有する。制御部８１は制御装置９０に備わる他の機能部を制御する。振動検知部８２には、信号受信モジュールを介して上述の振動センサ８０から受信した、蒸気タービンロータ３の振動に関する情報（振幅、周波数等）が入力される。判定部８３は、蒸気タービンロータ３の振動が、予め記憶された閾値よりも大きいか小さいかを判定する。駆動制御部８４は、判定部８３の判定結果に基づいて、駆動源７２に対して駆動信号を送出する。この駆動信号によって、駆動源７２は可変ブレーカ７０を展開・収容させる。

次に、本実施形態に係る蒸気タービン１の動作について説明する。蒸気タービン１を運転するに当たっては、外部の蒸気供給源（不図示）から、高温高圧の蒸気が蒸気供給管１２を通じて蒸気タービンケーシング２の内部（主流路２０）に供給される。蒸気は、主流路２０に沿って、上流側から下流側に向かって流れる流れ（主蒸気Ｓ１）を形成する。主蒸気Ｓ１は、静翼２１と動翼３０が設けられた主流路２０を通過することで、動翼３０を介して蒸気タービンロータ３に回転力を与える。蒸気タービンロータ３の回転は軸端から取り出されて、発電機等（不図示）の外部機器を駆動する。

次いで、図２を参照して、凹部５０近傍における蒸気の挙動について説明する。同図に示すように、主蒸気Ｓ１のうち、一部の成分は、主蒸気Ｓ１から逸脱して凹部５０内に向かう流れ（副流Ｓ２）を形成する。副流Ｓ２は、ケーシング２に設けられた静翼２１を通過する際に付与されたスワール成分Ｆｓ（旋回流成分）を含んでいる。図３に示すように、このスワール成分Ｆｓは、上流側から下流側に向かうに従って、蒸気タービンロータ３の回転方向前方側（周方向一方側から他方側）に向かって流れる。

図７Ａに示すように、蒸気タービン１が運転されている状態において、判定部８３は、蒸気タービンロータ３の振動と閾値との大小を比較する（ステップＳ１）。判定部８３において、蒸気タービンロータ３の振動が閾値よりも大きいと判定された場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、駆動制御部８４は、駆動源７２に対して駆動信号を送出する。この駆動信号によって可変ブレーカ７０が展開される（ステップＳ２）。これにより、凹部５０内を流れる副流Ｓ２のスワール成分Ｆｓが低減され、蒸気タービンロータ３の振動が抑制される。

一方で、判定部８３において、蒸気タービンロータ３の振動が閾値よりも小さいと判定された場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、駆動制御部８４は、駆動源７２に対して駆動信号を送出せず、制御を終了する。その後も、継続的又は断続的に上記のステップＳ１，Ｓ２を繰り返して実行することで、蒸気タービンロータ３の振動が監視される。

ところで、スワール成分Ｆｓを含む副流Ｓ２は、蒸気タービンロータ３との間で生じる摩擦力によって、蒸気タービンロータ３の回転を促す（補助する）ことが知られている。上記の構成では、蒸気タービンロータ３の振動抑制が実現できる一方で、スワール成分Ｆｓが減少することに伴って、上記の摩擦力も減少する。その結果として、蒸気タービンロータ３を周方向に回転させる力が弱くなり、蒸気タービン１の出力が低下する場合がある。

そこで、本実施形態に係る制御装置９０は、蒸気タービンロータ３の振動の強度（ロータの不安定振動が懸念される周波数成分の振幅の大小）に応じて、展開させる可変ブレーカ７０の個数を決定する。具体的には、振動が検知された初期の段階では、４つのうち、２つの可変ブレーカ７０が駆動制御部８４によって展開される。この時に展開される可変ブレーカ７０は、軸線Ｏに対する直径方向に対向する一対の可変ブレーカ７０である。即ち、凹部５０内において、展開された可変ブレーカ７０は、周方向に等間隔となっている。

上記の状態で、判定部８３は再び蒸気タービンロータ３の振動強度を閾値と比較する。蒸気タービンロータ３の振動強度がなおも閾値よりも大きいと判定された場合には、残余の２つの可変ブレーカ７０を展開する。即ち、４つの可変ブレーカ７０が周方向に等間隔をあけて展開された状態となる。このように、本実施形態では、蒸気タービンロータ３の振動の強度が高くなるに従って、展開される可変ブレーカ７０の個数が増加する。

その後も判定部８３は振動強度と閾値との大小比較を断続的又は連続的に繰り返す。蒸気タービンロータ３の振動強度が閾値よりも小さいと判定された場合には、駆動制御部８４は、直径方向に対向する２つの可変ブレーカ７０を収容させる。なおも蒸気タービンロータ３の振動強度が閾値よりも小さいと判定された場合には、駆動制御部８４によって残余の２つの可変ブレーカ７０が収容される。

以上、説明したように、本実施形態に係る蒸気タービン１では、可変ブレーカ７０が突出位置にある場合には、当該可変ブレーカ７０によって凹部５０内のスワール成分を低減・阻止することができる。一方で、可変ブレーカ７０が収容位置にある場合には、スワール成分は凹部５０内を円滑に流れるため、該スワール成分Ｆｓが動翼の３０先端を回転方向に引きずることによって、スワール成分のエネルギーの一部をロータの回転エネルギーとして回収することができる。即ち、上記の構成によれば、蒸気タービンロータ３に振動が生じた場合には可変ブレーカ７０を突出位置に変位させ、振動が収束した場合には可変ブレーカ７０を収容位置に変位させることができる。これにより、蒸気タービン１の出力低下を最小限に抑えつつ、スワール成分に起因する振動を抑制することができる。

さらに、上記の構成によれば、可変ブレーカ７０を回動軸７１回りに回動させるのみで、可変ブレーカ７０を突出位置に変位させることができる。加えて、可変ブレーカ７０に回転力を付加できるものであればいかなるものも駆動源７２として適用することができる。したがって、装置の構成が簡素化され、コストを低廉化することができる。一方で、可変ブレーカ７０を収容位置に収容した場合にはスワール成分が阻害されないため、スワールブレーカを設置しないタービンと同等の出力で蒸気タービン１を運転することができる。

加えて、上記の構成によれば、振動センサ８０によって蒸気タービンロータ３の振動が検知された場合には、可変ブレーカ７０を突出位置に変位させることでスワール成分Ｆｓが低減され、当該振動を抑制することができる。さらに、振動が収束した場合には、可変ブレーカ７０を収容位置に変位させることで、蒸気タービン１の出力が低下することを抑制することができる。即ち、スワールブレーカを常設した場合に比べて、蒸気タービン１の出力低下を抑制することができる。

さらに、上記の構成によれば、可変ブレーカ７０が周方向に等間隔をあけて複数設けられていることから、可変ブレーカ７０が突出位置にある場合であっても、蒸気タービンケーシング２内における周方向の圧力分布を均一化することができる。即ち、可変ブレーカ７０の配置に起因する周方向の圧力アンバランスを抑制できる。

加えて、上記の構成によれば、蒸気タービンロータ３の振動の強度に応じて、展開される可変ブレーカ７０の個数が決定される。即ち、振動の強度が高い場合にはより多くの可変ブレーカ７０を突出位置に変位させることができる。これにより、早期に振動を収束させることができる。一方で、振動の強度が低い場合には最小限の個数の可変ブレーカ７０を展開させることで、蒸気タービン１の出力低下を最小限に抑えつつ、振動を収束させることができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、周方向に４つの可変ブレーカ７０が配置されている例について説明した。しかしながら、可変ブレーカ７０の個数は４つに限定されず、５つ以上であってもよい。なお、周方向における圧力分布の均一化という観点からは、可変ブレーカ７０の個数は偶数であることが望ましい。

さらに、上記実施形態では、各可変ブレーカ７０は、収容位置と突出位置との間で選択的に変位可能であるとして説明した。しかしながら、可変ブレーカ７０の回動量（位置・姿勢）を、収容位置と突出位置との間で連続的に変化させることも可能である。このような構成によれば、スワール成分Ｆｓの低減量をより精緻に調節することができる。

また、上記実施形態では、可変ブレーカ７０が、回動軸７１回りに周方向他方側から一方側に向かって展開される構成について説明した。即ち、上記実施形態では、周方向一方側から他方側に向かって流れるスワール成分Ｆｓに対して対向する方向に可変ブレーカ７０が展開される。しかしながら、可変ブレーカ７０の展開される方向は上記に限定されず、回動軸７１回りに周方向一方側から他方側に向かって展開される構成を採ることも可能である。

加えて、上記実施形態では、凹部上流面５２に可変ブレーカ７０が配置される例について説明した。しかしながら、可変ブレーカ７０の配置される位置は上記に限定されない。他の例として、図８に示すように、互いに隣り合うシールフィン６同士の間の空間に可変ブレーカ７０を配置することも可能である。

さらに加えて、上記実施形態では、可変ブレーカ７０が矩形板状をなしている例について説明した。しかしながら、可変ブレーカ７０の形状は上記に限定されず、図９に示すように、径方向から見て、三角形状の断面を有する部材を可変ブレーカ７０として用いることも可能である。

さらに、上記実施形態では、制御装置９０が図７Ａに示すステップＳ１，Ｓ２を実行する例について説明した。しかしながら、制御装置９０の動作は上記に限定されず、他の例として図７Ｂに示す動作を制御装置９０に実行させることも可能である。

図７Ｂの例では、制御装置９０は、振動の発生有無に関わらず、はじめに全ての可変ブレーカ７０が展開される（ステップＳ２１）。次いで、判定部８３が、蒸気タービンロータ３の振動強度と閾値とを比較する（ステップＳ２２）。判定部８３において、振動強度が閾値以下であると判定された場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、制御装置９０（駆動制御部８４）は、任意のｎ個の可変ブレーカ７０のみを閉状態とする（ステップＳ２３）。なお、ｎの値は、蒸気タービン１の運転実績や出力に応じて適宜決定されることが望ましい。

ステップＳ２３を実行した後に、再び判定部８３は振動強度と閾値との比較を行う。この時、判定部８３において、振動強度が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）、ステップＳ２３で収容した可変ブレーカ７０の個数が過大であったために、蒸気タービンロータ３の振動が再発したとみなすことができる。そこで、制御装置９０（駆動制御部８４）は、収容される可変ブレーカ７０の個数を１つ減らす。即ち、（ｎ－１）個の可変ブレーカ７０が収容状態となるように、１つの可変ブレーカ７０を展開する（ステップＳ２４）。

上記の構成によれば、蒸気タービンロータ３の振動を抑えるために必要な個数の可変ブレーカ７０のみを展開することができる。即ち、蒸気タービンロータ３の振動を低減しつつ、蒸気タービン１の出力低下を最小限に抑えることが可能な運転条件をより高い精度で実現することができる。

さらに、上記実施形態では、回転機械として蒸気タービン１を例に説明をした。しかしながら、回転機械の態様は蒸気タービン１に限られず、遠心圧縮機やガスタービンであってもよい。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図１０を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、凹部底面５１に、軸線Ｏに対する径方向に延びる収容溝４１が形成されている。より具体的には、収容溝４１は、凹部底面５１における上流側の端縁に接して形成されている。収容溝４１内には、矩形板状の可変ブレーカ７０Ｂが収容可能である。

可変ブレーカ７０Ｂは、収容溝４１内に収容された状態である収容位置と、収容溝４１から径方向内側に突出した状態である突出位置との間で変位可能とされている。即ち、可変ブレーカ７０Ｂは、収容溝４１から径方向に進退動することが可能である。突出位置にある可変ブレーカ７０Ｂは、その径方向外側の端縁が、収容溝４１によって支持されている。上記第一実施形態と同様に、本実施形態においても、凹部５０内で周方向に等間隔をあけて複数の可変ブレーカ７０Ｂが設けられている。

この構成によれば、可変ブレーカ７０Ｂは、凹部５０内に向かって軸線Ｏに対する径方向に進退動する。ここで、凹部５０内では、軸線Ｏに対する周方向の成分を含む流れ（スワール成分）が形成されている。したがって、可変ブレーカ７０Ｂが突出位置にある場合には、当該可変ブレーカ７０Ｂによってスワール成分を効率的に遮ることができる。一方で、可変ブレーカ７０Ｂを収容位置に収容した場合にはスワール成分が阻害されないため、スワールブレーカを設置しないタービンと同等の出力で蒸気タービン１を運転することができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、可変ブレーカ７０Ｂは、収容位置と突出位置との間で選択的に変位可能であるとして説明した。しかしながら、可変ブレーカ７０Ｂの進出量を、収容位置と突出位置との間で連続的に変化させることも可能である。このような構成によれば、スワール成分Ｆｓの低減量をより精緻に調節することができる。

さらに、上記実施形態では、回転機械として蒸気タービン１を例に説明をした。しかしながら、回転機械の態様は蒸気タービン１に限られず、遠心圧縮機やガスタービンであってもよい。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について、図１１を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、凹部上流面５２に、軸線Ｏ方向に延びる収容溝４２が形成されている。より具体的には、収容溝４２は、凹部上流面５２における径方向外側の端縁に接して形成されている。収容溝４２内には、矩形板状の可変ブレーカ７０Ｃが収容可能である。

可変ブレーカ７０Ｃは、収容溝４２内に収容された状態である収容位置と、収容溝４２から下流側に突出した状態である突出位置との間で変位可能とされている。即ち、可変ブレーカ７０Ｃは、収容溝４２から軸線Ｏ方向に進退動することが可能である。突出位置にある可変ブレーカ７０Ｂは、その上流側（軸線Ｏ方向一方側）の端縁が、収容溝４２によって支持されている。上記の各実施形態と同様に、本実施形態においても、凹部５０内で周方向に等間隔をあけて複数の可変ブレーカ７０Ｃが設けられている。

この構成によれば、可変ブレーカ７０Ｂは、凹部５０内に向かって軸線Ｏ方向に進退動する。ここで、凹部５０内では、軸線Ｏに対する周方向の成分を含む流れ（スワール成分）が形成されている。したがって、可変ブレーカ７０Ｃが突出位置にある場合には、当該可変ブレーカ７０Ｃによってスワール成分を効率的に遮ることができる。一方で、可変ブレーカ７０Ｃを収容位置に収容した場合にはスワール成分が阻害されないため、スワールブレーカを設置しないタービンと同等の出力で蒸気タービン１を運転することができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、可変ブレーカ７０Ｃは、収容位置と突出位置との間で選択的に変位可能であるとして説明した。しかしながら、可変ブレーカ７０Ｃの進出量を、収容位置と突出位置との間で連続的に変化させることも可能である。このような構成によれば、スワール成分の低減量をより精緻に調節することができる。

さらに、上記実施形態では、回転機械として蒸気タービン１を例に説明をした。しかしながら、回転機械の態様は蒸気タービン１に限られず、遠心圧縮機やガスタービンであってもよい。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図１２を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、上記第二実施形態と同様に、凹部底面５１に、軸線Ｏに対する径方向に延びる収容溝４１が形成されている。より具体的には、収容溝４１は、凹部底面５１における上流側の端縁に接して形成されている。収容溝４１内には、矩形板状の可変ブレーカ７０Ｄが収容可能である。

可変ブレーカ７０Ｄは、収容溝４１内に収容された状態である収容位置と、収容溝４１から径方向内側に突出した状態である突出位置との間で変位可能とされている。即ち、可変ブレーカ７０Ｄは、収容溝４１から径方向に進退動することが可能である。さらに、凹部上流面５２には、収容溝４１と径方向に連通する固定溝４３が形成されている。固定溝４３は、軸線Ｏに対する径方向に延びており、可変ブレーカ７０Ｄが突出位置にある時、その少なくとも一部が収容される。具体的には、可変ブレーカ７０Ｄの上流側の端縁を含む部分が固定溝４３に収容される。即ち、突出位置では、可変ブレーカ７０Ｄは、収容溝４１によって径方向外側から支持されるとともに、固定溝４３によって上流側からも支持されている。

この構成によれば、可変ブレーカ７０Ｂは、凹部５０内に向かって軸線Ｏに対する径方向に進退動する。ここで、凹部５０内では、軸線Ｏに対する周方向の成分を含む流れ（スワール成分）が形成されている。したがって、可変ブレーカ７０Ｄが突出位置にある場合には、当該可変ブレーカ７０Ｄによってスワール成分を効率的に遮ることができる。一方で、可変ブレーカ７０Ｄを収容位置に収容した場合にはスワール成分が阻害されないため、スワールブレーカを設置しないタービンと同等の出力で蒸気タービン１を運転することができる。

加えて、この構成によれば、可変ブレーカ７０Ｄが突出位置にある場合、当該可変ブレーカ７０Ｄの少なくとも一部が固定溝４３によって周方向に変位不能に固定される。したがって、可変ブレーカ７０Ｄは、周方向から衝突するスワール成分に対して十分に抗することができる。言い換えると、可変ブレーカ７０Ｄがスワール成分によって吹き飛ばされたり、折れ曲がったりする可能性を低減することができる。

以上、本発明の第四実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、可変ブレーカ７０Ｄは、収容位置と突出位置との間で選択的に変位可能であるとして説明した。しかしながら、可変ブレーカ７０Ｄの進出量を、収容位置と突出位置との間で連続的に変化させることも可能である。このような構成によれば、スワール成分の低減量をより精緻に調節することができる。

さらに、図１３に示すように、固定溝４３を上記の第三実施形態で説明した可変ブレーカ７０Ｃに適用することも可能である。同図に示すように、固定溝４４は、凹部底面５１に形成されており、収容溝４２と径方向に連通している。固定溝４４は、軸線Ｏに対する径方向に延びており、可変ブレーカ７０Ｃが突出位置にある時、その少なくとも一部が収容される。即ち、突出位置では、可変ブレーカ７０Ｃは、収容溝４２によって径方向外側から支持されるとともに、固定溝４４によって上流側からも支持されている。

さらに、上記実施形態では、回転機械として蒸気タービン１を例に説明をした。しかしながら、回転機械の態様は蒸気タービン１に限られず、遠心圧縮機やガスタービンであってもよい。

１…蒸気タービン
２…蒸気タービンケーシング
３…蒸気タービンロータ
４…ジャーナル軸受
５…スラスト軸受
６…シールフィン
１１…軸端
１２…蒸気供給管
１３…蒸気排出管
２０…主流路
２４…静翼台座
３０…動翼
３１…翼本体
３４…動翼シュラウド
４０，４１，４２…収容溝
４３，４４…固定溝
５０…凹部
５１…凹部底面
５２…凹部上流面
６１…シュラウド側シールフィン
６２…凹部側シールフィン
７０…可変ブレーカ
７１…回動軸
７２…駆動源
７３…ブレーカ主面
８０…振動センサ
８１…制御部
８２…振動検知部
８３…判定部
８４…駆動制御部
９０…制御装置
９１…ＣＰＵ
９２…ＲＯＭ
９３…ＲＡＭ
９４…ＨＤＤ
９５…Ｉ／Ｏ
Ｌ…信号線
Ｏ…軸線
Ｓ１…主蒸気
Ｓ２…副流

Claims (9)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に向かって延びて、周方向に間隔をあけて複数が設けられた動翼と、
   該動翼を径方向外側から囲むとともに、前記動翼の先端を収容するキャビティをなす凹部が形成されたケーシングと、
   前記凹部の底部及び前記動翼の先端の一方から延びて他方との間でクリアランスを形成するシール部と、
   前記キャビティ内に突出した突出位置と、前記ケーシング内に収容された収容位置との間で変位可能に、前記ケーシングに設けられた可変ブレーカと、
   を備え、
   前記ケーシングの前記凹部には、前記可変ブレーカを収容可能な収容溝が形成され、
   前記可変ブレーカは、前記収容溝内に収容された状態である収容位置と、前記収容溝から径方向内側に突出した状態である突出位置との間で変位可能に支持されており、
   前記可変ブレーカは、前記軸線に対する径方向に延びる回動軸回りに回動可能である回転機械。
2. 前記回転軸の振動を検知する振動検知部と、
   該振動検知部によって振動が検知された場合に前記可変ブレーカを前記突出位置に変位させるとともに、振動が検知されない場合には前記可変ブレーカを前記収容位置に変位させる制御装置と、
   をさらに備える請求項１に記載の回転機械。
3. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に向かって延びて、周方向に間隔をあけて複数が設けられた動翼と、
   該動翼を径方向外側から囲むとともに、前記動翼の先端を収容するキャビティをなす凹部が形成されたケーシングと、
   前記凹部の底部及び前記動翼の先端の一方から延びて他方との間でクリアランスを形成するシール部と、
   前記キャビティ内に突出した突出位置と、前記ケーシング内に収容された収容位置との間で変位可能に、前記ケーシングに設けられた可変ブレーカと、
   を備え、
   前記ケーシングの前記凹部には、前記可変ブレーカを収容可能な収容溝が形成され、
   前記可変ブレーカは、前記収容溝内に収容された状態である収容位置と、前記収容溝から径方向内側に突出した状態である突出位置との間で変位可能に支持されており、
   前記回転軸の振動を検知する振動検知部と、
   該振動検知部によって振動が検知された場合に前記可変ブレーカを前記突出位置に変位させるとともに、振動が検知されない場合には前記可変ブレーカを前記収容位置に変位させる制御装置と、
   をさらに備える回転機械。
4. 前記可変ブレーカは、前記ケーシング内から前記キャビティ内に向かって前記軸線に対する径方向に進退動可能である請求項３に記載の回転機械。
5. 前記可変ブレーカは、前記ケーシング内から前記キャビティ内に向かって前記軸線方向に進退動可能である請求項３に記載の回転機械。
6. 前記ケーシングには前記軸線に対する径方向に延びる固定溝が形成され、前記可変ブレーカが前記突出位置にある時に、該可変ブレーカの少なくとも一部は前記固定溝によって周方向に変位不能に固定されている請求項４又は５に記載の回転機械。
7. 前記制御装置は、前記回転軸の振動の強度に応じて、前記突出位置に変位させる前記可変ブレーカの個数を決定する請求項２から６のいずれか一項に記載の回転機械。
8. 前記制御装置は、前記回転軸の振動の強度が高くなるに従って、前記収容位置から前記突出位置に変位させる前記可変ブレーカの個数を増加させ、かつ複数の前記可変ブレーカが周方向に等間隔となるように前記突出位置に変位させる請求項７に記載の回転機械。
9. 前記可変ブレーカは、前記軸線に対する周方向に等間隔をあけて複数設けられている請求項１から８のいずれか一項に記載の回転機械。

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