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

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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