JPWO2016103340A1 - ノズル構造、及び回転機械 - Google Patents

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Abstract

ノズル構造(3)は、軸線(O)回りに回転するロータ(2)と、ロータ(2)を外周側から囲む車室(1)との間に設けられるノズル構造(3)であって、車室(1)の内側に配置された外輪(20)と、外輪(20)の径方向内側に設けられたノズル(31)と、軸線(O)方向に沿って配列された複数のフィン(52)を有し、ノズル(31)の内周面とロータ(2)の外周面との間に設けられたラビリンスシール(50)と、ノズル(31)とラビリンスシール(50)との間に設けられた弾性部材(40)と、を備える。

Description

本発明は、ノズル構造、及びこれを備えた回転機械に関する。
一般的に、蒸気タービン等の回転機械では、ロータの外周面に設けられた動翼列と、ケーシングの内周面に設けられた静翼列とがタービンの軸線に沿って交互に配列されている。これにより、ケーシング内部には蒸気流路が形成される。ここで、蒸気タービンの効率向上を図る上で、静翼の内周側端部とロータ表面との間からの蒸気の漏洩を低減することが肝要である。
このような技術の一例として、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に記載された蒸気タービンは、静翼翼列の内周側に内周側構成部を介して設けられたダイヤフラム内輪と、ダイヤフラム内輪の内周側で固定支持されるラビリンスパッキンと、を備えている。このラビンリンスパッキンは、ロータの外周面を、間隔を介して覆っている。
特開2013−122221号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載された装置では、ダイヤフラム内輪と、内周側構成部との間に間隙を生じてしまう。この間隙から蒸気が漏洩する可能性がある。
さらに、上記特許文献1に記載された装置では、ロータに軸ぶれが生じた場合、ロータとラビリンスパッキンとが接触することで、両者に損傷を生じる可能性がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、十分なシール性能と耐久性とを備えたノズル構造、及びこれを備える蒸気タービンを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用する。
本発明の一の態様に係るノズル構造は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から囲む車室との間の間隙に設けられるノズル構造であって、前記車室の内周面に固定され、前記軸線を中心として周方向に沿って環状に形成された外輪と、前記外輪の径方向内側に固定され、軸線方向における流体の流通方向を案内する翼部を有する環状のノズルと、前記ノズルの径方向内側に前記ロータの外周面に対向するように支持され、前記ノズルの内周面と前記ロータの外周面との間をシールするラビリンスシールと、前記ノズルと前記ラビリンスシールとの間に設けられて、前記ラビリンスシールを径方向内側に向かって付勢する弾性部材と、を備える。
このような構成によれば、振動によりロータがラビリンスシールに接触した場合であっても、弾性部材が径方向外側に向かって弾性変形することによってロータ、又はラビリンスシールに損傷が生じる可能性を低減することができる。
さらに、本発明の一態様に係るノズル構造は、前記車室と、前記外輪との間に設けられて、径方向における前記ノズルの強度を補填する強度補填部を備え、前記外輪は、前記強度補填部を介して前記車室に固定されてもよい。
このような構成であれば、装置の小型化を図る上で、例えばノズル構造の径方向の寸法を小さくした場合であっても、強度補填部を介して外輪が車室に取り付けられていることで、径方向におけるノズルの強度を十分に確保することができる。
加えて、本発明の一態様に係るノズル構造では、前記外輪は、前記強度補填部を介して前記車室の内周面に固定され、前記強度補填部は、前記軸線を中心として環状に形成されたインナーケーシングであってもよい。
このような構成であれば、車室内部でノズル構造に対して軸線方向に加わる圧力成分の大部分がインナーケーシングによって受け止められるため、ノズル構造に働く軸線方向の応力を低減することができる。
さらに、本発明の一態様に係るノズル構造では、前記ノズルは、周方向に配列された複数のノズル分割体と、隣接する一対の前記ノズル分割体同士を周方向に接続する溶接ビードと、を有してもよい。
このような構成であれば、ノズルが複数のノズル分割体に分割されていることから、ノズル構造を車室に対してより容易に組み付けることができる。さらに、ノズル分割体同士は溶接(溶接ビード)によって周方向に接続される。これにより、ノズル分割体同士を互いに強固に固定することができる。
さらに、本発明の一態様に係るノズル構造では、前記ラビリンスシールは、前記軸線方向における両端面が、該軸線に対して垂直をなしていてもよい。
このような構成であれば、装置の小型化を図る上で、例えばノズル構造の径方向の寸法を小さくした場合であっても、ラビリンスシールの軸線方向における両端面が軸線に対して垂直をなしていることから、ラビリンスシールのシール性能を損なう可能性を低減することができる。
さらに、本発明の他の態様に係る回転機械は、上記いずれか1つの態様に係るノズル構造を備える。
このような構成であれば、十分なシール性能と耐久性とを備えた蒸気タービンを提供することができる。
本発明のノズル構造、及び回転機械によれば、十分なシール性能と耐久性とを備えたノズル構造、及びこれを備える蒸気タービンを提供することができる。
本実施形態に係る回転機械としての蒸気タービンを示す概略図である。 本実施形態に係るノズル構造を示す図である。 本実施形態に係るノズル構造の要部拡大図である。
以下、この発明の一実施形態に係るノズル構造3、及び回転機械100の構成を、図面に基づいて説明する。
図1に示すように、本実施形態の蒸気タービン100(回転機械100)は、蒸気のエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。
具体的には、蒸気タービン100は、車室1と、車室1を貫通するように軸線Oに沿って延びて該軸線O回りに回転するロータ2と、車室1の内側に設けられたノズル構造3(静翼)と、ロータ2に設けられた動翼列4と、ロータ2を軸線回りに回転可能に支持する軸受部5とを備えている。
ロータ2の外周面には、軸線O方向に沿って複数の動翼列4が配列されている。これら複数の動翼列4のうち、上流側に位置する動翼列4ほど、各動翼の径方向の寸法が小さい。言い換えると、下流側に位置する動翼列4になるに従って、各動翼の径方向寸法が大きくなる。
さらに、ロータ2における動翼列4が設けられた領域は、車室1によって外周側から覆われている。詳しくは後述するが、ロータ2上の動翼列4と対応する領域における車室1の内部には、ノズル構造3が設けられている。
さらに、ノズル構造3と動翼列4との間には一定の間隙が形成されることで、蒸気流路6とされている。この蒸気流路6には、外部の蒸気供給源(不図示)が、車室1の上流側に設けられた蒸気流入口7を介して接続されている。蒸気流入口7から流入した高温高圧の蒸気は、蒸気流路6を流通する間に動翼列4に衝突することでロータ2を回転させた後、下流側に設けられた排気口8から外部に向かって排気される。
軸線Oに沿った方向において車室1の両端部には、貫通孔がそれぞれ形成されている。ロータ2の両端部は、これら貫通孔を通して、車室1の外部に突出している。ロータ2は、車室1から外方に突出した両端部が、軸受部5により回転可能に支持されている。軸受部5は、ロータ2の両端部にそれぞれ設けられたジャーナル軸受5Aと、ロータ2の一端側に設けられたスラスト軸受5Bと、を備えている。
ノズル構造3は、車室1の内側において、軸線O方向に沿って上述の動翼列4と交互に配列される。詳しくは図2に示すように、ノズル構造3は、車室1の内周面に設けられたインナーケーシング10と、インナーケーシング10の内周面で軸線O方向に沿って配列された複数(2つ)のノズルユニット30と、を有している。
インナーケーシング10は、車室1の内周面に沿って延びる環状の部材である。インナーケーシング10の径方向内側には後述のノズルユニット30が配置される。すなわち、ノズルユニット30は強度補填部Sとしてのインナーケーシング10によって径方向外側から支持されることで、その強度が補填されている。
インナーケーシング10の径方向外側の面は、径方向外側に向かって突出して形成されることで取付部11とされている。この取付部11は、車室1の内周面で周方向に沿って設けられた環状の凹溝12に対して嵌合する。
凹溝12は、径方向外側の面をなす凹溝底面12Aと、この凹溝底面12Aから径方向内側に向かって延びる一対の凹溝側面12Bと、を有している。一対の凹溝側面12B同士の間の離間寸法は、上述の取付部11の軸線O方向における寸法と略同一とされている。さらに、本実施形態では、凹溝底面12Aと、取付部11の径方向外側における端面との間には間隙が形成されている。
このように取付部11が凹溝12に嵌合することによって、インナーケーシング10の軸線O方向への移動が規制されている。
インナーケーシング10の内周面には、軸線O方向に沿って配列された2つの外輪支持溝12Cが設けられている。外輪支持溝12Cは、インナーケーシング10の内周面から径方向外側に向かって凹没するように設けられた環状の角溝である。外輪支持溝12C同士は、軸線O方向に沿って離間している。2つの外輪支持溝12Cの各々には、後述する外輪20が1つずつ設けられる。
インナーケーシング10の軸線O方向における両面のうち、蒸気流路6の上流側を臨む面は上流側端面10Aとされ、下流側を臨む面は下流側端面10Bとされている。これら上流側端面10Aと下流側端面10Bはいずれも軸線O方向に対しておおむね直角をなす方向に延びている。
それぞれのノズルユニット30は、外輪20と、外輪20の径方向内側に設けられたノズル31と、ノズル31の径方向内側に設けられたラビリンスシール50と、を備えている。軸線O方向に沿って配列される2つのノズルユニット30は、一部の寸法を違えるのみで、互いに同等の形状を有している。したがって、以降の説明では、1つのノズルユニット30について代表的に説明する。
外輪20は、外輪支持溝12Cによって車室1の内部に支持される環状の部材である。詳しくは図2に示すように、外輪20は、後述のノズル31を支持する外輪本体21と、この外輪本体21に対して軸線O方向に固定された動翼シールリング22と、を備えている。
外輪本体21は、上述のインナーケーシング10よりも小さな径方向寸法を有している。外輪本体21の軸線O方向における両面は、いずれも軸線O方向に対しておおむね直角をなす方向に延びている。さらに、外輪本体21の径方向内側における面には、ノズル支持溝21Aが形成されている。ノズル支持溝21Aは、外輪本体21の内周面から径方向外側に向かって凹没するように形成された環状の角溝である。このノズル支持溝21Aには、後述のノズル31の一部が嵌合する。
動翼シールリング22は、上記の外輪本体21の下流側の面に固定される。動翼シールリング22の下流側における径方向内側は、下流側に向かって突出するように形成されることで突出部33とされている。
さらに、動翼シールリング22の内周面には、軸線O方向に沿って互いに間隔をあけて配列された複数のフローガイド24が設けられている。フローガイド24は、動翼の径方向外側の端部と対向することで、蒸気の流れる方向を案内する部材である。それぞれのフローガイド24は、動翼シールリング22の内周面から径方向内側に向かって延びる薄板によって形成される。これらフローガイド24は、ピン25によって動翼シールリング22の内周面に固定されている。
以上のように構成された外輪本体21と動翼シールリング22とは、軸線O方向に沿って対向する端面同士に例えば溶接等を施すことによって互いに固定されてもよい。互いに固定された状態における外輪本体21と動翼シールリング22との軸線O方向における寸法の合計は、上述の外輪支持溝12Cの軸線O方向における寸法と略同一とされている。これにより、外輪20は外輪支持溝12Cに対して嵌合することで車室1の内部で支持される。
ノズル31は、外輪20の内周面に設けられた環状のノズルリング部32と、ノズルリング部32の内周面に設けられた翼部34と、翼部34の内周面に設けられた内輪35と、を有している。
ノズルリング部32の外周面には、ノズル取付部23が設けられている。ノズル取付部23は、ノズルリング部32の外周面から径方向外側に向かって突出するように形成される。このノズル取付部23の軸線O方向における寸法は、上述のノズル支持溝21Aの軸線O方向における寸法と略同一とされている。これにより、ノズル取付部23がノズル支持溝21Aに嵌合することで、ノズル31を支持している。さらに、ノズル取付部23がノズル支持溝21Aに嵌合した状態で、ノズルリング部32と外輪20とは互いに溶接によって接合される。詳しくは図3に示すように、外輪20の軸線O方向両側における径方向内側の部分に対して肉盛溶接(肉盛溶接部M)を施すことによって接合される。
翼部34は、ノズルリング部32の内周面から径方向内側に向かって延びるとともに、径方向から見て翼形断面(不図示)を有する部材である。ノズルリング部32の内周面には、複数の翼部34が間隔をあけて周方向に配列されている。これら翼部34と、上述の動翼(動翼列4)とは、径方向から見て互いに重なるように配置されている。
このような翼部34によって、蒸気タービン100の作動流体である蒸気の流通方向が案内された後、動翼列4に衝突することで、ロータ2を軸線O回りに回転させる。
翼部34の径方向内側の端縁には、内輪35が設けられている。複数の翼部34の径方向内側におけるそれぞれの端縁は、この内輪35によって支持されている。
内輪35は、周方向から見た断面が略C字状に形成されている。内輪35の外周面には上述の翼部34が固定される。一方で、内輪35の内周面にはラビリンスシール50を支持するためのシール支持溝36が形成されている。シール支持溝36は、内輪35の内周面から径方向外側に向かって凹没するように形成された溝である。すなわち、シール支持溝36は径方向内側に向かって開口している。この開口における軸線O方向の両端縁のうち、径方向内側の領域には、軸線O方向に互いに近接するように突出して形成された係止部37が形成されている。
シール支持溝36の径方向外側の面には、弾性部材40としての板バネ40(後述)を収容するための板バネ収容溝38が形成されている。この板バネ収容溝38の軸線O方向における寸法は、シール支持溝36の軸線O方向における寸法よりも小さく形成されている。
ラビリンスシール50は、例えば銅を含む合金等で形成されたシール部材である。本実施形態に係るラビリンスシール50は、軸線O方向に沿って延びる板状のシール基部51と、このシール基部51から径方向内側に向かって延びる薄板状の複数のフィン52と、を有している。シール基部51の軸線O方向における両端縁は、上述したシール支持溝36の係止部37と係合する。
それぞれのフィン52は、径方向外側から内側に向かうに従って軸線O方向における寸法が次第に縮小するように形成されている。さらに、軸線O方向両側に位置する2つのフィン52は、それぞれ最も上流側に位置する上流フィン52A、及び最も下流側に位置する下流フィン52Bとされている。これら上流フィン52Aと下流フィン52Bは他のフィン52と異なる形状を有している。すなわち、上流フィン52Aの上流側を臨む端面521は、軸線O方向に対して垂直をなすように形成されている。同様に、下流フィン52Bの下流側を臨む端面522は、軸線O方向に対して垂直をなすように形成されている。なお、これら端面521、及び端面522は、軸線O方向に対して完全に垂直をなしている必要はなく、これらが実質的に直角に交差していればよい。
ラビリンスシール50は、内輪35におけるシール支持溝36に収容される。一方で、板バネ収容溝38には、弾性部材40としての板バネ40が収容される。この板バネ40は、ラビリンスシール50におけるシール基部51の径方向外側の面を径方向内側に向かって押圧するように付勢されている。
板バネ40によって、ラビリンスシール50には径方向内側に向かう弾性力が付加されるとともに、内輪35における係止部37によって径方向内側から支持される。この状態において、複数のフィン52はロータ2の外周面から径方向に沿ってわずかに間隙を開けるようにしてシール支持溝36内に支持される。
以上のように構成されたノズル31は、周方向に沿って分割された複数のノズル分割体31Dから構成されている。ノズル31は、翼部34の数に応じて分割される。すなわち、n個の翼部34を有するノズル31は、n個のノズル分割体31Dに分割される。
周方向に沿って互いに隣接するノズル分割体31D同士は、溶接によって互いに接合される。詳しくは図3に示すように、内輪35における軸線O方向両側の端面、及びノズルリング部32における下流側の端面とが当接することで接合部とされている。この接合部に対してそれぞれ溶接が施すことで、接合部には溶接ビードWが形成される。
以上のように構成された蒸気タービン100では、外部から供給される蒸気が蒸気流路6中を流通することで、ロータ2が回転する。ここで、蒸気タービン100の運転中には、ロータ2に振動が生じる場合がある。このような振動が生じた場合、ロータ2は径方向にわずかに移動する。ロータ2が径方向に移動することで、ロータ2はラビリンスシール50に接触する。ここで、ラビリンスシール50が内輪35に対して固定されている場合、ラビリンスシール50とロータ2には高い応力が加わるため、損傷を生じる可能性がある。
しかしながら、本実施形態に係るノズル構造3、及び蒸気タービン100では、ラビリンスシール50は弾性部材40としての板バネ40によって支持されている。これにより、ロータ2がラビリンスシール50に接触した場合であっても、ラビリンスシール50が径方向外側に向かって移動することで、ロータ2との間で生じる応力を緩和することができる。
さらに、ロータ2が正常位置で運転されている場合には、板バネ40の弾性復元力によってラビリンスシール50とロータ2との間の間隙が一定に維持される。これにより、十分なシール性能を発揮することができる。
加えて、上述のような構成によれば、ノズル構造3における内輪35が1つの部材として一体に形成されていることから、蒸気タービン100の小型化を図る上で有利である。
特に、内輪35に対して他の部材を追設した場合、ノズル構造3の径方向寸法に対する制約から、弾性部材40を設けるスペースが失われる可能性がある。しかしながら、上述のような構成によれば、内輪35が一体に形成されていることから、内輪35の強度を損なうことなく弾性部材40を設けるスペース(板バネ収容溝38)を設けることができる。
加えて、上述のような構成であれば、車室1内部でノズル構造3に対して軸線O方向に加わる圧力成分の大部分がインナーケーシング10における上流側端面10Aによって受け止められるため、ノズル構造3に働く軸線O方向の応力の比率を低減することができる。これにより、ノズル構造3、及び蒸気タービン100の耐久性を向上させることができる。
さらに、上述のような構成であれば、装置の小型化を図る上で、例えばノズル構造3の径方向の寸法を小さくした場合であっても、強度補填部Sを介して外輪20が車室1に取り付けられていることで、径方向におけるノズル31の強度を十分に確保することができる。
また、上述のような構成であれば、ノズル31が複数のノズル分割体31Dに分割されていることから、ノズル構造3を車室1に対してより容易に組み付けることができる。さらに、溶接ビードWによって、これらノズル分割体31D同士を強固に固定することができる。
加えて、上述のような構成であれば、装置の小型化を図る上で、例えばノズル構造3の径方向の寸法を小さくした場合であっても、ラビリンスシール50の軸線O方向における両端面が該軸線Oに対して垂直をなしていることから、ラビリンスシール50をシール収容溝に対して容易に取り付けることができる。これにより、ラビリンスシール50のシール性能を損なう可能性を低減することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
本発明に係るノズル構造3は、蒸気タービン100等の回転機械に適用することができる。
100…回転機械(蒸気タービン) 1…車室 2…ロータ 3…ノズル構造 4…動翼列 5…軸受部 6…蒸気流路 7…蒸気流入口 8…排気口 10…インナーケーシング 10A…上流側端面 10B…下流側端面 11…取付部 12…凹溝 12A…凹溝底面 12B…凹溝側面 12C…外輪支持溝 20…外輪 21…外輪本体 21A…ノズル支持溝 22…動翼シールリング 23…ノズル取付部 24…フローガイド 25…ピン 30…ノズルユニット 31…ノズル 31D…ノズル分割体 32…ノズルリング部 33…突出部 34…翼部 35…内輪 36…シール支持溝 37…係止部 38…板バネ収容溝 40…弾性部材 40…板バネ 50…ラビリンスシール 51…シール基部 5A…ジャーナル軸受 5B…スラスト軸受 52…フィン 52A…上流フィン 52B…下流フィン M…肉盛溶接部 S…強度補填部 W…溶接ビード
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用する。
本発明の一の態様に係るノズル構造は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から囲む車室との間の間隙に設けられるノズル構造であって、前記車室の内周面に沿って、前記軸線を中心として環状に形成され、前記軸線方向に配列された複数の外輪と、前記外輪の径方向内側に固定され、軸線方向における流体の流通方向を案内する翼部を有し、前記軸線方向に配列された複数の環状のノズルと、前記車室と、前記外輪との間に設けられ、前記軸線を中心として環状をなすことで、径方向における前記ノズルの強度を補填する強度補填部としてのインナーケーシングと、前記ノズルの径方向内側に前記ロータの外周面に対向するように支持され、前記ノズルの内周面と前記ロータの外周面との間をシールするラビリンスシールと、前記ノズルと前記ラビリンスシールとの間に設けられて、前記ラビリンスシールを径方向内側に向かって付勢する弾性部材と、を備える。
このような構成によれば、振動によりロータがラビリンスシールに接触した場合であっても、弾性部材が径方向外側に向かって弾性変形することによってロータ、又はラビリンスシールに損傷が生じる可能性を低減することができる。
また、このような構成であれば、装置の小型化を図る上で、例えばノズル構造の径方向の寸法を小さくした場合であっても、強度補填部を介して外輪が車室に取り付けられていることで、径方向におけるノズルの強度を十分に確保することができる。
また、このような構成であれば、車室内部でノズル構造に対して軸線方向に加わる圧力成分の大部分がインナーケーシングによって受け止められるため、ノズル構造に働く軸線方向の応力を低減することができる。

Claims (6)

  1. 軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から囲む車室との間の間隙に設けられるノズル構造であって、
    前記車室の内周面に固定され、前記軸線を中心として環状に形成された外輪と、
    前記外輪の径方向内側に固定され、軸線方向における流体の流通方向を案内する翼部を有する環状のノズルと、
    前記ノズルの径方向内側に前記ロータの外周面に対向するように支持され、前記ノズルの内周面と前記ロータの外周面との間をシールするラビリンスシールと、
    前記ノズルと前記ラビリンスシールとの間に設けられて、前記ラビリンスシールを径方向内側に向かって付勢する弾性部材と、
    を備えるノズル構造。
  2. 前記車室と、前記外輪との間に設けられて、径方向における前記ノズルの強度を補填する強度補填部を備え、
    前記外輪は、前記強度補填部を介して前記車室に固定される請求項1に記載のノズル構造。
  3. 前記外輪は、前記強度補填部を介して前記車室の内周面に固定され、
    前記強度補填部は、前記軸線を中心として環状に形成されたインナーケーシングである請求項2に記載のノズル構造。
  4. 前記ノズルは、
    周方向に配列された複数のノズル分割体と、
    隣接する一対の前記ノズル分割体同士を周方向に接続する溶接ビードと、
    を有する請求項2又は3に記載のノズル構造。
  5. 前記ラビリンスシールは、前記軸線方向における両端面が、該軸線に対して垂直をなしている請求項1から4のいずれか一項に記載のノズル構造。
  6. 請求項1から5のいずれか一項に記載の前記ノズル構造を備えた回転機械。
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