JPS6123801A - 軸流弾性流体タ−ビンの冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、弾性流体を利用する装置に関し、より詳細に
は、この装置のタービンディスクの冷却装置に関するも
のである。

弾性流体を利用する装置例えばタービンは。

熱力学的効率に対する配慮から、非常に高温の弾性流体
を使用するため、高温において確実な作動を可能きする
ｌζは、高温下に大きな応力を受ける回転部分例えばロ
ーター構造及びローター羽根について、多少の冷却を行
なうことが望ましい。そのため冷却流体を用いてこれら
の高温の回転部分を冷却するための、種々の試みがなさ
れている。

このための冷却装置の一例は、米国特許第３、／Ｉ’ｌ
に１０号明細書（ζ記載されている。この構成によれば
、細流蒸気タービンの第１膨張段は、ローター構造のデ
ィスク部分により支持され固定ベーンノズル構造と共働
するように組合された環状列の羽根を備えている。蒸発
前に主作動流体経路から漏れる作動蒸気量を最小にする
ために１羽根シール手段が、ディスクとノズル構造との
間に設けられている。シール手段を通る漏れは完全には
避けられないし１羽根からの漏れ蒸気は高温であるため
、ローターディスク及び羽根の根元を含むローター構造
が過熱される。

この過熱効果を克服するために、ローターディスクは、
第１膨張段において膨張した（従つて冷却された）蒸気
の一部を、ローターディスクを経て、ローターディスク
とノズル構造との間のスペースに、高温の羽根シール部
からの漏れに実質的に対抗するに足る圧力上昇でもって
圧送するための、環状列の開口を備えている。

羽根の漏れの一部と圧送される蒸気との混合物をロータ
ーディスクの下流側に戻すことによってローターディス
クを通る冷却蒸気の再循環流を維持するための複数の開
口が１羽根の根元部に形成されている。

米国特許第３，２０６ＩＡｔ号明細書によれば、隣接ロ
ータ一部分の冷却を高めるために、ローターディスクと
、関係するノズル構造との間に第一シール手段を設ける
ことによって、前記米国特許第３，１ｇ９．３−０号に
よる冷却装置の構成が変更されている。この場合にも、
ローターディスクを通る環状列の開口によって圧送作用
が生ずる。どちらの構成においても、圧送開口は約／！
；０程度ローターの回転軸線に対し傾斜している。本発
明によれば、接線平面ないしは円周面内において補助的
な傾斜を与えることによって。

これらの開口の圧送効率及び接近可能性が改善される。

本発明は、ローター羽根の周辺列を備えたディスク部分
を有するローターを有し、該ディスＬり部分は、該ロー
ターの回転軸線から径方向に隔だてて形成され該ディス
ク部分を通り抜けている複数の開口を有し、該開口は、
該回転軸線に関して径方向面内において第１角度で傾斜
し、該開口は、該回転軸線に対する接線平面内において
第一角度で傾斜している、弾性流体タービンの冷却装置
を提供する。各々の開口は、入口ポートと排出ポートと
を有し、入口ポートは排出ポートよりも回転軸線に接近
し、ローターディスクの回転方向において円周方向に排
出ポートの前方にある。本発明による冷却装置は、前記
の各米国特許に開示された各々のタービンにおいて流体
を圧送する手段として有利に利用することができる。

図面を参照して説明すると、第１図には、複式ユニット
型の軸流弾性流体タービンｉｏが図示され、この弾性流
体タービンＩＯは、第１作動流体膨張部／コと、第４作
動流体膨張部／４（とを有し、これらの膨張部は、単一
の外殻体ｌＳ内に収容されている。弾性流体タービンｉ
ｏは、軸方向に長いローター１６も有し、ローター７６
は、外殻体／Ｓ内に配設され、適宜の軸受７りにより外
殻体／ｊの内部に回転自在に支持されている。外殻体ｉ
ｓは、外部ケーシング／ｌと、この外部ケーシングｉｇ
の一部にあってそれから円周に沿って隔だてられた内部
ケーシング１９とを備えている。内部ケーシング／９は
、一方の膨張領域から他方の膨張領域に作動流体が作動
中に流れることを制限するための分割壁構造−〇も備え
ている。

第１膨張領域／Ｕは、ローターｌ乙の第１ロータ一部分
、２／を有し、この第７部分は、複数の後続膨張段コ３
と共に軸方向に隔だてられて向い合う関係に配設された
第１膨張段、２コを備えている。換言、すれば、第１膨
張段コλは、後続膨張段２３の第２番目のものに対して
背向直流関係に配設されている。後続膨張段、２３は環
状列に配置されて内部ケーシング／９内に支持された固
定ノズルベーン２ダと、第１ロータ一部分２／にこれと
一体と回転するように固着された、共働するローター羽
根、２Ｓの列とを、当該技術において周知のように備え
ている。

制御段と通常呼ばれる第１膨張段２．２は、第一図に一
層よく示すように、ディスク部分即ちローターディスク
２７を有し、ローターディスクコアは、ロータ一部分、
２／に設けられ、円周上にローター羽根２ｇの環状列を
備えている。

ローター羽根コざは、固定ノズル構造ユタのすぐ下流側
に配置され、固定ノズル構造２９は。

高温の作動流体をそれに向けるためにローター羽根、２
ｇと共働するノズルベーン３０の環状列を備えている。

固定ノズル構造２９は１作動流体をノズルベーン３０に
向けるための環状ノズル室構造３１も備えている。複数
の管構造３．２は、第１図に示すように、外部ケーシン
グ／ざ及び内部ケシシング１９を通って延長し、ノズル
室構造３／に高温の作動流体を当該技術において周知の
ように指向させるために用いられる。

制御段のローター羽根、２ｇは、通常は衝動式であり１
作動流体から大量のエネルギーを取出すので、制御段の
両端間に大きな圧力の減少を生じ、それによって温度が
低下する。

ノズル室構造３／は、好ましくは、複数の扇形部分に区
分され、これらの扇形部分は、径方向内側の円形表面を
画定するようζこ、環状列として、ローター／Ａを僅か
な間隔で囲む関係に配設されることにより、環状の漏れ
スペースＦを形成している。各々の扇形部分は、ノズル
箱３３を有し、ノズル箱３３は円形ノズル室、？４（を
画定し、管状人口３Ｓを有し、この管状入口は、ノズル
箱３３から径方向外方に延長し、関係する管構造３．２
に連結されている。

作動流体は、第１膨張段２２において部分的に膨張し、
次に、第ｉ　、　２図に矢印Ａによって示したように１
．径方向外方に流れた後、方向を反転し、管状人口３３
の回りを通って、第１膨張領域１２の後続膨張段コ３に
向って流れる。

作動流体は、第１膨張領域１．２内において膨張した後
、矢印Ｂによって示すように、排出環状室３りに向けら
れ、そこから排出管３ｇｊこよって、外部ケーシング／
ｇを通って案内される。

ローター羽根、２ｇは、その最も外側の先端部で、環状
シュラウド＋＜ｚにより互いに連結されており、シュラ
ウド＜＜＋は環状ノズル部分ダｌに径方向内方に隔だて
られた関係に配設され一〇いる。複数の固定環状シール
片グ６は１作動中に高温の作動流体の漏れを最小にする
ために用いられている。これらのシール片は、どんな適
当な種類のものでもよく、シュラウド＜ｚｌＩから隔だ
てられた関係になるように径方向内方に延長し、シュラ
ウド＋＋を通る作動流体の流れを最小にしながら、シュ
ラウドｌＩりの自由な回動を許容する。　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　ｌ・環状ノズルｌＩｏは、
径方向内方に延びる７対の環状シール片４ｔざを有し、
これらのシール片　１：ダざは、ディスク部分、２７上
に形成された外周肩部ＳＯかられずかだけ隔だてられた
関係に配置され、ローター羽根、２ｔに膨張する前の高
温作動流体の、ローターディスク、２７の上流側表面Ｓ
／に沿った径方向内方への漏れを最小にするように、外
周肩部ＳＯと共働して、羽根シールを形成する。

第７膨張段ココと後続膨張段２３との間には。

第１膨張段＝２において膨張した後の作動流体を分配す
るための分配スペース３．２が形成されている。このス
ペースＳ、２の内周側は１部分的に、ローターディスク
２７の下流側表面Ｓａと固定ノズル構造２９とによって
形成され、外周側は、壁構造−〇と、内側ケーシング／
９の一部分とによって形成される。ローターディスク２
７は、圧送開口ｓｙの環状列を有し、これらの圧送開口
Ｓｐ（第１，２図に１つのみ示す）は、ローター／乙の
回転軸線と同心的に形成されている。これらの圧送開口
は穿孔としてよく、分配スペース３２と結合スペースＳ
とを連通させるためにディスクニアを通り延びている。

これらの開口ｓｌＩは作動中に膨張した作動流体を分配
スペースＳａからローターディスクコアを通って漏れス
ペースＳに圧送するうえに有効である。従って圧送開口
ｓＩＩは１作動中に起こる圧送作用を与えるように形成
され配設されている。開口ｓｙは１図示したように、ロ
ーター７６の回転軸線に対し径方向面に沿って第３図の
角度Ｑ、Ｒ（典型的ζこは／θ０〜３００）傾斜してい
る。これらの開口ｓｌＩは、第３図のディスク構造に最
も良く示すように、径方向面と直角の接続平面内におい
ても傾斜している。この接線平面内の傾斜角度は約、２
００〜１ＩｓＱである。

各々の開口ｓｙは、入口ポートざθと排出ポートｇｉと
を有し、入口ポートｇｏは排出ポートｇ／よりもロータ
ー１６の回転軸線の近くに。

また第３．ダ図に矢印ｇ２によって示したローターｌ乙
の回転方向に関して、排出ポートｔ／の前方にある。径
方向及び接線方向に傾斜した圧送開口ｓｌＩの使用によ
って、製造の目的のための改善された接近可能性と圧送
効率性という、すぐれた利点が得られる。実験モデルに
よる試験によって、径方向及び接線方向の傾斜をもった
圧送開口が、単に径方向に傾斜しているのみの圧送開口
に比べて圧送流量をコ倍以上も増大させることが確めら
れた。

製造作業のための改善された接近可能性は。

機械切削されたローターの表面に対する圧送開口を通る
視線と、圧送開口の穿設作業の間所定の機械切削公差を
保つように穿孔装置を圧送開口の可及的近くに位置させ
ることの望ましさとを考慮することによって得られる。

径方向の傾斜のみを有する圧送開口の場合には、明らか
なように、径方向の傾斜を大きくすると、ローター面に
近い局所的な点と視線軸との間のすきまを一般に増大さ
せることによって、穿孔作業の接近可能性を改善するこ
とにより、圧送開口の入口にドリルヘッドを接近させ易
くする。成る特定の所望の径方向傾斜をもった圧点開口
について、接線方向の傾斜を組込み、又は変更すると、
同様に、圧送開口の視線とローター表面への近接点との
間のすきまが増大する。幾何学的な考察によって明らか
になるように、接線方向の傾斜によって導入される余分
なすきまは、ローター軸線からの圧送開口の入口の変位
ｉこ対応した偏よりを有する径方向傾斜によって導入さ
れるものと同様である。効率性及び接近可能性の改善の
代償として、タービンの回転部分及び固定部分の全体的
な幾何学的設計に圧送開口が課する制約条件をより少く
するように、圧送開口の大きさ、圧送開口の数並びに圧
送開口の人口ボートと排出ボートとの中心間の径方向の
変位を変えることができる。

圧送開口のこの構成による効率の改善は、傾斜度と、制
御段排出面に近接したローター凹部内に存在する正確な
流通条件とζこ依存する。その他の重要な要因は、圧送
間０．１＋の入口ボート及び排出ボートの形状である。

それは、効率性の改善が、圧送開口の入口においての流
れのエネルギー損失の減少に帰着されるためである。

そのため、入口ポートＩＯ及び排出ボートｉ／は、乱流
を少なくするために１面取り加工して。

縁部に丸味を付すことができる。圧送開口５ダの傾斜角
、大きさ及び数は１作動中により大きな圧送作用又はよ
り少ない圧送作用がなされるように、所望により変更し
てもよい。

第７図において、第コ膨張領域／グは、複数の作動流体
膨張段ｊｊを有し、これらの膨張段は、当該技術におい
て周知のように、ロータ一部分！７の外周に取付けられ
たローター羽根３６の環状列と、これらのローター羽根
Ｓ６と共働するノズルベーン３９の環状列を備えた固定
ノズル構造とを備えている。高温の作動流体は、外部ケ
ーシング／１及び内部ケーシング１９を通って環状ノズ
ル室６０内に延長する複数の管構造６０を経て、矢印Ｃ
によって示すように、第コ膨張領域／りに向けられ１次
に膨張段ｓｓを経て向けられ、ローター／６に対して動
力作用を営なむ。流体は、第２膨張領域／４’内におい
て膨張した後、外部ケーシング／１と内部ケーシング／
りと番へよって形成された環状排出通路６コに向けられ
１次に排出通路６コから、排出管６３によって、外部ケ
ーシングｉｔを通過する。

膨張領域／、２．／’ｌは、内部の壁構造コ０によって
相互から隔だてられているが、膨張領域／ｌ、／’Ｉ内
には、複数のラビリンスパツキン６９が１作動中のロー
ター１４の自由な回転を許容しながら、膨張領域／コか
ら膨張領域／グへの作動流体の漏れを最小番こし又は制
限するために配設されている。これらのラビリンスパツ
キン６りは、どんな適当な形式のものでもよいが、第２
図に示すように、壁構造ａＯ内に配設されてローター１
６の円形の鋸歯状部分７コの群と共働する複数の緊密な
間隔の円形セグメントの列を備えている。そのため、当
該技術で周知のように、ラビリンスパツキン６デを通る
作動流体の漏れは比較的少ない量になる。

固定ノズル構造コツは、ノズル箱３Ｊ及び環状ノズル＋
！Ｏを経て延長する環状列状の通路７５を備えている。

更に、第一のシール片７６は、漏れスペース８に流入す
るはずの矢印Ｅによって示した漏れ流体を制限するため
に、環状ノズルｌｌｏの下流側表面とローターディスク
、２７の上流側表面ｓｌとの間に介在されている。

シール片’Ｉｔ、７Ａ、環状ノズルｌｌｏの下流側表面
及びローターディスクコアの上流側表面は、環状封止ス
ペース７ｑを共同して形成する。環状封止スペース７り
は通路７ｓと直接の且つ妨げられない流通関係にある。

通路７ｓは第２膨、張設、２３と直接に連通している。

次に作用について説明すると、高温の弾性作動流体は、
管構造３２を通って第１膨張領域／、２に流入すると共
に、管構造６ｏを通って第１膨張領域ｉｌｌに流入する
。最初に第１膨張領域７．２について検討すると１作動
流体（矢印Ａによって示す）は、ノズル室構造３／を通
って第１膨張段２．２に、第７の温度及び圧力で向けら
れ、このように流れる間に、主流体流のうちごくわずか
な部分は、ローター７６を駆動するために、ローター羽
根コサを通って流れる。少量の漏れ流体は、シール片グ
６を通って、ローター羽根２ｇの外側のシュラウド＋＋
の回りに向けられる。この漏れ流は後に分配スペースＳ
λにおいて主作動流に合流される。第一の漏れ径路は、
矢印見によって示すようｌζ、封止スペース７９と直接
に連通しているが、シール片ｙｔとは間接の、限定され
た流通関係にある。

圧送開口Ｓａは、膨張した作動流体のわずかな部分を、
矢印Ｅによって示すように１分配スペースＳλからロー
ターディスクコクを経て漏れスペースＳに、第一のより
低い温度及び圧力の下に圧送する。そのため、圧送され
る作動流体（矢印Ｆによって示す）は、ローター７６の
表面部分に沿って向けられることにより、ローター１６
を冷却した後１部分的に膨張した作動流体（矢印Ａ）と
後続膨張段、２３の近傍において、更に膨張されるよう
に混合される。そのため、圧送される作動流体（矢印Ｆ
によって示す）は、漏れスペースＳを通って流れる際に
、膨張してより低温になった流体の連続したブランケッ
ト流を有効に形成し、この流れの間に取出された熱を後
膨張段に伝達する。

第２シール片７６は、封止スペース７．９（！：圧送開
ロＳａの出口との間に介在されており、このシール片７
６により漏れ流が強く制限されるため、高温の羽根の漏
れ流体（矢印Ｅによって示す）の、漏れスペースへの流
れは、実質的に阻止される。漏れ流体（矢印Ｅ）は、そ
の逆に。

第一の通路７５を通って優先的に流れ１作動流体（矢印
Ａ）に合流する。通路７Ｓは、ノズル箱３３及び環状ノ
ズルｌθと直接の熱交換関係にあり、これらは漏れ流体
（矢印Ｅ）の加熱効果からローター面を更にシールドす
るように作用する。

前述した冷却構造によれば、高温の漏れ流体（矢印Ｅ）
は、より低温で圧送される流体（矢印Ｅ）と混合し得す
１回転部分よりも高温で容易に作動可能な固定構造物を
通って更に流れる。

゛膨張領域／２は、膨張領域／グよりも高圧で作動する
ことかでき１作動流体は、当該技術において周知のよう
に、第１膨張領域１２内において膨張し、排出管３ｇを
経て排出された後。

適当な再熱器（図示しない）に向けられ、そこで本来の
ように実質的に同一の入口温度に再加熱された後、第一
膨張領域／４’内において再び使用される。

少量の作動流体は、第１膨張段、２コにおいて膨張した
後、不可避的に、ラビリンスパラギンｔ９を通って、第
２膨張領域／りに入り、第１膨張領域ｌｌＩを冷却させ
るという、有用な働きをする。この冷却は１作動環境が
最高の温度になる第１膨張領域／弘のより高度の膨張段
において効率的であり、第１膨張領域／４ｔのこれらの
膨張段は、過熱に対して有効に保護される。

本発明による冷却装置は、タービンの制御段に使用した
場合に、特に有用であるが、これのみに限られず１例え
ば反動羽根を用いる段のような、それ以外の段にも使用
し、得る。

本発明の好ましい一実施例のみについて以上に説明した
が１本発明は、この構成以外にもいろいろと変形して実
施でき、この特別の構成によっては限定され−ない。

病因面の簡単な説明 第１図は本発明の一実施例によるタービンを一部断面ζ
こよって示した側面図、第２図は第１図に示した構造の
一部を示す部分的な断面図、第３図は第１図に示したも
のと同様のローターディスクを示す部分的な側面図、第
１図は第３図に示したローターディスクの軸方向平面図
である。

／Ａ・・ローター、、２７・・ローターディスク（ディ
スク部分）、２ｇ・・ローター羽根。

ｆ４’・・開口。

兜３図 、７５４ 篤４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ローター羽根の周辺列を備えたディスク部分を有するロ
   ーターを有し、該ディスク部分は、該ローターの回転軸
   線から径方向に隔だてて形成され該ディスク部分を通り
   抜けている複数の開口を有し、該開口は、該回転軸線に
   関して径方向面内において第１角度で傾斜し、該開口は
   、該回転軸線に対する接線平面内において第２角度で傾
   斜している弾性流体軸流タービンの冷却装置。