JPWO2017033226A1

JPWO2017033226A1 - 蒸気タービン

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Publication number: JPWO2017033226A1
Application number: JP2017536069A
Authority: JP
Inventors: 拓郎香田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Compressor Corp
Priority date: 2015-08-21
Filing date: 2015-08-21
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2035-08-21
Also published as: JP6521273B2; EP3293362A1; US20180135414A1; EP3293362B1; EP3293362A4; US10550697B2; WO2017033226A1

Abstract

この蒸気タービン（１）は、軸線（Ａｒ）を中心として回転する軸芯部（２２）から径方向外側（Ｄｒｏ）に広がるディスク部（２３）とを有するロータ軸（２１）と、軸芯部（２２）の周方向（Ｄｃ）に複数配置される動翼（３２）とを備える。動翼（３２）は、径方向内側（Ｄｒｉ）に向かう方向成分を含む第一方向を向く第一面（１００）が形成されている。ディスク部（２３）は、第一面（１００）と対向する第二面（２００）が形成されている。第一面（１００）及び第二面（２００）の少なくとも一方には、軸方向（Ｄａ）に連通するように窪むバランスホール部（４０Ａ）が形成されている。

Description

この発明は、蒸気タービンに関する。

蒸気タービンは、軸線を中心として回転するロータと、このロータを覆うケーシングとを備えている。ロータは、軸線を中心として軸方向に延びるロータ軸と、ロータ軸の外周に固定されて軸方向に並ぶ複数段の動翼列と、を有する。蒸気タービンは、ケーシングの内周に固定され、複数段の動翼列の各段の上流側に配置されている静翼列を有する。

各段の動翼列を構成する複数の動翼のそれぞれは、ロータ軸の軸芯部から径方向外側に広がるディスク部の外周部に、動翼の翼根が埋め込まれている。

各段の動翼列においては、その上流側と下流側とで、圧力差が生じる。この圧力差により、ロータに対してロータの軸方向（スラスト方向）に大きな力が作用する。このため、ディスク部に、動翼列の上流側と下流側とを連通させるバランスホールを形成することで、動翼列の上流側と下流側との圧力差を抑え、スラスト方向の力を軽減することが行われている。

特許文献１には、ディスク部に形成した各動翼の翼根を嵌め込む翼溝の底部と、動翼の翼根との間に隙間を形成し、この隙間をバランスホールとして機能させる構成が開示されている。

特開２００１−２００７０２号公報

蒸気タービンにおいて、各段の動翼列の上流側と下流側との熱落差、言い換えると各段の動翼列におけるエンタルピーの変化量（反動度）を大きくした、いわゆる反動型のものがある。このような反動型の蒸気タービンは、高効率化を図ることができるため、ディスク部を小径化することができる。しかし、ディスク部を小径化した場合、特許文献１に開示されたような構成では、動翼の翼根と翼溝の底部との間に形成できる隙間を大きく確保することが困難となる。

バランスホールとして機能する隙間が狭ければ、動翼の下流側から上流側に作動流体が隙間を通るときの圧力損失が大きくなる。その結果、作動流体の実質的な流量が抑えられてしまい、バランスホールによって動翼の上流側と下流側との圧力差を抑えてロータ軸に作用するスラスト方向の力を軽減する効果が小さくなってしまう。

この発明は、動翼の上流側と下流側との間の圧力差を抑え、ロータ軸に作用するスラスト方向の力を軽減することのできる蒸気タービンを提供する。

この発明に係る第一態様によれば、蒸気タービンは、軸線を中心として回転する軸芯部と、前記軸芯部に固定されて前記軸芯部の径方向外側に広がるディスク部とを有するロータ軸と、前記ディスク部の外周に固定され、前記軸芯部の周方向に複数配置される動翼と、を備え、前記動翼は、前記軸芯部の径方向内側に向かう方向成分を含む第一方向を向く第一面が形成され、前記ディスク部は、前記径方向外側に向かう方向成分を含む第二方向を向いて前記第一面と対向する第二面が形成され、前記軸芯部の延びる軸方向に連通し、前記第一面及び前記第二面の少なくとも一方から窪むバランスホール部が形成されている。

このような構成によれば、ロータ軸の軸回りの回転により、動翼には遠心力が作用する。この際、径方向内側に向かう方向成分を含む第一方向を向く動翼の第一面と、第一面と対向するディスク部の第二面には、遠心力が作用している動翼の支持荷重が作用しない。そのため、このような面には、十分な開口面積を有したバランスホール部を窪ませて形成することができる。したがって、このバランスホール部により、ディスク部の軸方向の一方側と他方側との圧力差を抑えることができる。

この発明に係る第二態様によれば、蒸気タービンは、第一態様の蒸気タービンにおいて、前記動翼は、前記径方向に延びる翼体と、前記翼体の前記径方向内側に設けられるプラットフォームと、前記プラットフォームの前記径方向内側に設けられて前記ディスク部に形成された翼溝に嵌め込まれる翼根と、を備え、前記翼根は、前記周方向に突出して前記翼溝に形成された係合凹部に係合する係合凸部に前記第一面として翼根内側面が形成され、前記ディスク部は、前記係合凹部に前記第二面として翼溝外側面が形成されていてもよい。

これにより、ロータ軸の軸回りの回転によって動翼に遠心力が作用すると、翼根の係合凸部において径方向外側を向く面と、翼溝の係合凹部において径方向内側を向く面とが互いに突き当たることで、動翼が支持される。その際、係合凸部の翼根内側面と、係合凹部の翼溝外側面との間に隙間が形成される。これにより、遠心力が作用している動翼の支持荷重が作用しない翼根内側面または翼溝外側面に、バランスホール部を形成することができる。

この発明に係る第三態様によれば、蒸気タービンは、第二態様の蒸気タービンにおいて、前記バランスホール部は、前記翼溝の最も前記径方向内側に形成された溝底部よりも前記径方向外側に形成されていてもよい。

蒸気タービンのディスク部では、動翼が配置されている径方向外側に近づくほど圧力が高くなっている。そこで、バランスホール部を、翼溝の溝底部よりも径方向外側の、圧力が高い部分に形成することで、ディスク部の軸方向の一方側と他方側との圧力差を有効に抑えることができる。

この発明に係る第四態様によれば、蒸気タービンは、第一から第三態様の何れか一つの蒸気タービンにおいて、前記動翼は、前記径方向に延びる翼体と、前記翼体の前記径方向内側に設けられるプラットフォームと、前記プラットフォームの前記径方向内側に設けられて前記ディスク部に形成された翼溝に嵌め込まれる翼根と、を備え、前記プラットフォームは、前記第一面として、前記径方向内側を向くプラットフォーム内周面が形成され、前記ディスク部は、前記第二面として、前記プラットフォーム内周面と対向し、前記径方向外側を向くロータ外周面が形成され、前記バランスホール部は、前記ロータ外周面に形成されていてもよい。

これにより、遠心力が作用している動翼の支持荷重が作用しないディスク部の領域の中で最も外周部であるロータ外周面にバランスホール部を形成することができる。そのため、ディスク部の中でも圧力が最も高い部分にバランスホール部を形成することができ、ディスク部の軸方向の一方側と他方側との圧力差をより有効に抑えることができる。

この発明に係る第五態様によれば、蒸気タービンは、第二から第四態様の何れか一つの蒸気タービンにおいて、前記ディスク部は、前記周方向で互いに隣接する前記翼溝同士の間に前記軸方向に連通する連通孔が形成されていてもよい。

これにより、バランスホール部に加えて、周方向で互いに隣接する翼溝同士の間の連通孔によっても、ディスク部の軸方向の一方側と他方側との圧力差を有効に低減することができる。

上述した蒸気タービンによれば、動翼の第一面及びディスク部の第二面の少なくとも一方から窪むバランスホール部を設けることで、動翼の上流側と下流側との間の圧力差を抑え、ロータ軸に作用するスラスト方向の力を軽減することが可能となる。

この発明の第１実施形態における蒸気タービンの断面図である。この発明の第１実施形態における動翼周りの蒸気タービンの断面図である。この発明の第１実施形態における動翼及びディスク部に形成したバランスホール部を示す断面図である。この発明の第１実施形態における動翼及びディスク部に形成したバランスホール部を示す拡大断面図である。この発明の第２実施形態における動翼及びディスク部に形成したバランスホール部を示す断面図である。

（第１実施形態）
図１は、この発明の第１実施形態における蒸気タービンの断面図である。図２は、この発明の第１実施形態における動翼周りの蒸気タービンの断面図である。図３は、この発明の第１実施形態における動翼及びディスク部に形成したバランスホール部を示す断面図である。図４は、この発明の第１実施形態における動翼及びディスク部に形成したバランスホール部を示す拡大断面図である。

図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、軸線Ａｒを中心として回転するロータ２０と、ロータ２０を回転可能に覆うケーシング１０と、を有している。

なお、以下の説明の都合上、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａ、軸方向Ｄａの第一側を上流側（一方側）Ｄａｕ、軸方向Ｄａの第二側を下流側（他方側）Ｄａｄとする。また、軸線Ａｒを基準とした後述する軸芯部２２における径方向を単に径方向Ｄｒ、この径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を径方向内側Ｄｒｉ、この径方向Ｄｒで径方向内側Ｄｒｉとは反対側を径方向外側Ｄｒｏとする。また、軸線Ａｒを中心とした軸芯部２２の周方向を単に周方向Ｄｃとする。

ロータ２０は、ロータ軸２１と、ロータ軸２１の軸方向Ｄａに沿って間隔をあけて複数列設けられた動翼列３１と、を有している。

ロータ軸２１は、軸線Ａｒを中心として円柱状を成し、軸方向Ｄａの延びる軸芯部２２と、軸芯部２２から径方向外側Ｄｒｏに広がり軸方向Ｄａに互いに間隔をあけて並ぶ複数のディスク部２３と、を有する。ディスク部２３は、複数の動翼列３１毎に設けられている。

動翼列３１は、ロータ軸２１の外周部分であるディスク部２３の外周に取り付けられている。動翼列３１は、ロータ軸２１の軸方向Ｄａに沿って間隔をあけて複数列が設けられている。本実施形態の場合、動翼列３１の数は、７つ設けられている。よって、本実施形態の場合、動翼列３１として、第１段から第７段の動翼列３１まで設けられている。

図１、図２に示すように、各動翼列３１は、周方向Ｄｃに並ぶ複数の動翼３２を有している。各動翼３２は、径方向Ｄｒに延びる翼体３３と、この翼体３３の径方向外側Ｄｒｏに設けられているシュラウド３４と、この翼体３３の径方向内側Ｄｒｉに設けられているプラットフォーム３５と、プラットフォーム３５の径方向内側Ｄｒｉに設けられている翼根３６Ａ（図３、図４参照）と、を有する。この動翼３２においてシュラウド３４とプラットフォーム３５との間は、蒸気Ｓが流れる蒸気主流路１５の一部を成している。蒸気主流路１５は、複数の動翼列３１及び静翼列４１に跨って軸方向Ｄａに延びている。蒸気主流路１５は、ロータ２０の周りで環状をなしている。

図３、図４に示すように、動翼３２は、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含む第一方向を向く第一面１００が形成されている。第１実施形態の第一面１００は、翼根３６Ａに形成されている。
なお、第一方向は、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含んでいればよく、径方向Ｄｒと平行な方向や、径方向Ｄｒに対して傾斜した方向であってもよい。

図２に示すように、動翼３２のプラットフォーム３５には、軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕに一対のアキシャルフィン（シール部）３５Ｆａ及び３５Ｆｂが設けられている。アキシャルフィン３５Ｆａは、プラットフォーム３５の径方向外側Ｄｒｏの端部から、上流側Ｄａｕに突出するよう形成されている。アキシャルフィン３５Ｆｂは、プラットフォーム３５の径方向内側Ｄｒｉの端部から、上流側Ｄａｕに突出するよう形成されている。これらアキシャルフィン３５Ｆａ及びアキシャルフィン３５Ｆｂにより、プラットフォーム３５と、プラットフォーム３５の上流側Ｄａｕに配置された静翼列４１の後述する内側リング４６とのクリアランスを狭めている。これにより、アキシャルフィン３５Ｆａ及びアキシャルフィン３５Ｆｂは、蒸気主流路１５から径方向内側Ｄｒｉへの蒸気Ｓの漏れを抑えている。

図３、図４に示すように、動翼列３１を構成する複数の動翼３２のそれぞれにおいて、翼根３６Ａは、後述するように、ロータ軸２１におけるディスク部２３の外周部に形成された翼溝２８Ａに嵌め込まれている。

図１に示すように、蒸気タービン１は、さらに、ケーシング１０の内周に固定され、軸方向Ｄａに沿って間隔を空けて設けられた複数の静翼列４１を備えている。本実施形態の場合、静翼列４１の数は、動翼列３１の数と同じ７つ設けられている。よって、本実施形態の場合、静翼列４１として、第１段から第７段の静翼列４１まで設けられている。複数の静翼列４１は、それぞれ動翼列３１に対して上流側Ｄａｕに隣接して配置されている。

図１、図２に示すように、静翼列４１は、周方向Ｄｃに並ぶ複数の静翼４２と、複数の静翼４２の径方向外側Ｄｒｏに設けられている環状の外側リング４３と、複数の静翼４２の径方向内側Ｄｒｉに設けられている環状の内側リング４６と、を有する。すなわち、複数の静翼４２は、外側リング４３と内側リング４６との間に配置されている。静翼４２は、外側リング４３と内側リング４６とに固定されている。外側リング４３と内側リング４６との間の環状の空間は、蒸気Ｓが流れる蒸気主流路１５の一部を成している。外側リング４３は、複数の静翼４２が固定されているリング本体部４４と、このリング本体部４４から下流側Ｄａｄに突出しているリング突出部４５と、を有する。このリング突出部４５は、静翼列４１の下流側Ｄａｄに隣接している動翼列３１のシュラウド３４と径方向Ｄｒに間隔をあけて対向している。

図３、図４に示すように、本実施形態の蒸気タービン１において、動翼３２のそれぞれの翼根３６Ａは、プラットフォーム３５の径方向内側Ｄｒｉを向くプラットフォーム内周面３５ｆから径方向内側Ｄｒｉに延びるよう形成されている。翼根３６Ａは、プラットフォーム内周面３５ｆから径方向内側Ｄｒｉに延びる翼根本体３７と、翼根本体３７から周方向Ｄｃ両側に向かってそれぞれ突出する係合凸部３８とを有する。係合凸部３８は、径方向Ｄｒに沿って間隔を空けた複数箇所で翼根本体３７から突出している。係合凸部３８は、後述する翼溝２８Ａに形成された係合凹部２９に係合する。この実施形態において、係合凸部３８は、径方向Ｄｒに沿って間隔を空けた３カ所に形成されている。係合凸部３８Ａ、係合凸部３８Ｂ、及び係合凸部３８Ｃは、それぞれ、翼根３６Ａの周方向Ｄｃの中心から周方向Ｄｃに沿って離間する方向に凸となる湾曲面形状を有している。

ここで、プラットフォーム３５側の係合凸部３８Ａに対し、径方向内側Ｄｒｉに配置された係合凸部３８Ｂ及び係合凸部３８Ｃは、翼根本体３７からの周方向Ｄｃに向かった突出寸法が、漸次小さくなるよう形成されている。また、翼根本体３７におけるプラットフォーム３５と係合凸部３８Ａとの間の第一幹部３９Ａ、係合凸部３８Ａと係合凸部３８Ｂとの間の第二幹部３９Ｂ、及び係合凸部３８Ｂと係合凸部３８Ｃとの間の第三幹部３９Ｃは、プラットフォーム３５側から径方向内側Ｄｒｉに向かって、周方向Ｄｃの幅寸法が漸次小さくなるよう形成されている。これにより、翼根３６Ａは、いわゆるクリスマスツリー状をなしている。

係合凸部３８は、第一面１００として翼根内側面１０１が形成されている。翼根内側面１０１は、係合凸部３８において、径方向内側Ｄｒｉに形成された面である。翼根内側面１０１は、第一方向を向いている。つまり、本実施形態の翼根内側面１０１は、径方向内側Ｄｒｉを向く面だけでなく、係合凸部３８の周方向Ｄｃを向く面との間を繋ぐ湾曲した面のように径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含む方向を向く面も含んでいる。

係合凸部３８には、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含む方向を向く翼根外側面３８ｆが形成されている。翼根外側面３８ｆは、係合凸部３８において、径方向外側Ｄｒｏに形成された面である。

ロータ軸２１のディスク部２３は、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含む第二方向を向く第二面２００が形成されている。第二面２００は、第一面１００と対向している。なお、第二方向は、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含んでいればよく、第一面１００と同様に、径方向Ｄｒと平行な方向や、径方向Ｄｒに対して傾斜した方向であってもよい。本実施形態の第二方向は、第一方向と平行で異なる向きを向く方向である。

ディスク部２３には、外周面から径方向内側Ｄｒｉに向かって窪む翼溝２８Ａが形成されている。翼溝２８Ａは、ディスク部２３の最も径方向外側Ｄｒｏに形成された径方向外側Ｄｒｏを向くロータ外周面２３ｆから窪んで形成されている。ロータ外周面２３ｆは、プラットフォーム内周面３５ｆと対向している。

翼溝２８Ａは、翼根３６Ａの外周形状を補形するよう形成されている。翼溝２８Ａは、径方向Ｄｒに沿って間隔を空けた複数箇所に、周方向Ｄｃの両側に向かって窪む係合凹部２９を有している。この実施形態において、係合凹部２９は、翼溝２８Ａの最も径方向内側Ｄｒｉに形成された底部（溝底部）２８ｂよりも径方向外側Ｄｒｏに設けられている。底部２８ｂは、翼溝２８Ａにおいて、径方向外側Ｄｒｏを向く面である。係合凹部２９は、径方向Ｄｒに沿って間隔を空けた３カ所に形成されている。係合凹部２９Ａ、係合凹部２９Ｂ、及び係合凹部２９Ｃは、それぞれ、翼溝２８Ａの周方向Ｄｃの中心から周方向Ｄｃに沿って離間する方向に窪む湾曲面形状を有している。

係合凹部２９は、第二面２００として翼溝外側面２０１が形成されている。翼溝外側面２０１は、係合凹部２９において、径方向内側Ｄｒｉに形成された面である。翼溝外側面２０１は、第二方向を向いている。つまり、本実施形態の翼溝外側面２０１は、径方向外側Ｄｒｏを向く面だけでなく、係合凹部２９の周方向Ｄｃを向く面との間を繋ぐ湾曲した面のように径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含む方向を向く面も含んでいる。

係合凹部２９は、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含む方向を向く翼溝内側面２９ｆが形成されている。翼溝内側面２９ｆは、係合凹部２９において、径方向外側Ｄｒｏに形成された面である。

ここで、ロータ軸２１が軸線Ａｒ回りに回転すると、ロータ軸２１のディスク部２３とともに、各動翼３２がロータ軸２１の軸線Ａｒを中心として旋回する。これにより、各動翼３２には遠心力が作用する。これにより、遠心力によって径方向外側Ｄｒｏに向かって動翼３２が変位しようとする。その結果、係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、及び３８Ｃの各翼根外側面３８ｆと、係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、及び２９Ｃの各翼溝内側面２９ｆとが突き当たる。すなわち、翼根３６Ａの各翼根外側面３８ｆと、翼溝２８Ａの各翼溝内側面２９ｆとが接触した状態で、動翼３２が支持される。

一方、動翼３２に遠心力が生じることで、係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、及び３８Ｃの翼根内側面１０１と、係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、及び２９Ｃの翼溝外側面２０１との間の距離が離れる。その結果、翼根内側面１０１と翼溝外側面２０１と間の隙間が大きくなる。

また、係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、及び３８Ｃのそれぞれにおいて、径方向内側Ｄｒｉを向く翼根内側面１０１には、径方向外側Ｄｒｏ側に窪む凹部４１Ａが形成されている。また、係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、及び２９Ｃのそれぞれにおいて、径方向外側Ｄｒｏを向く翼溝外側面２０１には、凹部４１Ａと対向する位置に、径方向内側Ｄｒｉに向かって窪む凹部４２Ａが形成されている。

これら凹部４１Ａ及び凹部４２Ａにより、ディスク部２３の上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとを連通するバランスホール部４０Ａが形成される。このバランスホール部４０Ａを通して、ディスク部２３の圧力が高い側（上流側Ｄａｕ）から圧力が低い側（下流側Ｄａｄ）に蒸気が流れることで、動翼列３１の上流側と下流側との圧力差を抑え、ディスク部２３に作用するスラスト方向の力を低減する。

図２に示したように、プラットフォーム３５には、アキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂが形成されて、動翼列３１と静翼列４１との隙間から径方向内側Ｄｒｉに向かって蒸気が漏れるのを抑えている。したがって、バランスホール部４０Ａは、アキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂよりも径方向内側Ｄｒｉに形成することが好ましい。

また、ディスク部２３のプラットフォーム３５に対して径方向内側Ｄｒｉの領域においては、ロータ軸２１から径方向外側Ｄｒｏに向かうほど、圧力が高くなる。したがって、バランスホール部４０Ａによる圧力差の抑制効果は、バランスホール部４０Ａが、ディスク部２３の径方向外側Ｄｒｏにあるほど効果的となる。バランスホール部４０Ａは、アキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂよりも径方向内側Ｄｒｉで、かつ翼溝２８Ａの底部２８ｂよりも径方向外側Ｄｒｏに形成されていることが好ましい。特に、係合凸部３８の中でも最も径方向外側Ｄｒｏに形成されている係合凸部３８Ａに設けられていることが好ましい。本実施形態では、係合凸部３８の中でも最も径方向内側Ｄｒｉに形成されている係合凸部３８Ｃを除く、係合凸部３８Ａ及び係合凸部３８Ｂに設けられている。

また、ディスク部２３は、周方向Ｄｃで互いに隣接する翼溝２８Ａ同士の間に、ディスク部２３の上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとを連通する連通孔４０Ｃが形成されている。連通孔４０Ｃは、プラットフォーム３５のアキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂよりも径方向内側Ｄｒｉで、かつ翼溝２８Ａの底部２８ｂよりも径方向外側Ｄｒｏに形成することが好ましい。本実施形態の連通孔４０Ｃは、円形状をなしてディスク部２３を軸方向Ｄａに貫通している。

なお、連通孔４０Ｃの形状は本実施形態のように、円形状に限定されるものではなく、ディスク部２３を軸方向Ｄａに貫通していればよい。例えば、連通孔４０Ｃは、楕円形状をなしていてもよく、スリットとして形成されていてもよい。

以上のように、本実施形態の蒸気タービン１によれば、ロータ軸２１の軸回りの回転により、動翼３２には遠心力が作用する。動翼３２の翼根３６Ａの翼根内側面１０１と、第一面１００と対向するディスク部２３の翼溝２８Ａの翼溝外側面２０１には、遠心力が作用している動翼３２の支持荷重が作用しない。そのため、このような面には、十分な開口面積を有したバランスホール部４０Ａを窪ませて形成することができる。したがって、このバランスホール部４０Ａにより、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差を抑えることができる。これにより、ロータ２０に作用するスラスト方向の力を軽減することが可能となる。

また、ロータ軸２１の軸回りの回転によって動翼３２に遠心力が作用すると、翼根３６Ａの係合凸部３８において径方向外側Ｄｒｏを向く面と、翼溝２８Ａの係合凹部２９において径方向内側Ｄｒｉを向く面とが互いに突き当たることで、動翼３２が支持される。その際、係合凸部３８の翼根内側面１０１と、係合凹部２９の翼溝外側面２０１との間に隙間が形成される。これにより、遠心力が作用している動翼３２の支持荷重が作用しない翼根内側面１０１または翼溝外側面２０１に、バランスホール部４０Ａを形成することができる。

また、蒸気タービン１のディスク部２３では、動翼３２が配置されている径方向外側Ｄｒｏに近づくほど圧力が高くなっている。そこで、バランスホール部４０Ａを、翼溝２８Ａの底部２８ｂよりも径方向外側Ｄｒｏの、圧力が高い部分に形成することで、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差を有効に抑えることができる。

さらに、バランスホール部４０Ａを、軸方向Ｄａで互いに隣接する動翼列３１と静翼列４１との隙間をシールするアキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂの内側に設けることで、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差を抑え、ロータ２０に作用する軸方向Ｄａのスラスト力を有効に低減する。

また、バランスホール部４０Ａとして、翼根内側面１０１に凹部４１Ａと、翼溝外側面２０１に凹部４２Ａとがそれぞれ形成されている。これにより、凹部４１Ａと凹部４２Ａのいずれか一方のみが形成されている場合と比べて、翼根３６Ａとディスク部２３とのスペースを有効に利用して、効果的なバランスホール部４０Ａを形成することができる。

また、周方向Ｄｃで互いに隣接する翼溝２８Ａ同士の間に連通孔４０Ｃをさらに備えることで、ディスク部２３のスペースをさらに有効に利用できる。これにより、バランスホール部４０Ａに加えて、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差を、さらに有効に低減することができる。

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態では、翼根３６Ａの係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、及び３８Ｃに形成した凹部４１Ａと、翼溝２８Ａの係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、及び２９Ｃに形成した凹部４２Ａとから、バランスホール部４０Ａを形成したが、これに限るものではない。

例えば、凹部４１Ａ及び凹部４２Ａは、周方向Ｄｃに隣接する全ての動翼３２の翼根３６Ａ及び翼溝２８Ａに形成されていることに限定されるものではなく、一部の動翼３２のみに形成されていてもよい。

また、凹部４１Ａ及び凹部４２Ａを互いに対向させてバランスホール部４０Ａを形成するのではなく、凹部４１Ａ及び凹部４２Ａのいずれか一方のみに形成してバランスホール部４０Ａとしてもよい。

また、凹部４１Ａ及び凹部４２Ａは、対向して形成されていることに限定されるものではなく、径方向Ｄｒの位置がそれぞれ異なる位置に形成されていてもよい。

さらに、凹部４１Ａ、４２Ａの大きさ、形状については、いかなるものとしてもよい。

（第２実施形態）
次に、この発明にかかる蒸気タービンの第２実施形態について説明する。この第２実施形態で示す蒸気タービンは、第１実施形態の蒸気タービンに対して、バランスホール部４０Ｂが異なるのみである。

第２実施形態のバランスホール部４０Ｂは、プラットフォーム３５とディスク部との間に形成されている。具体的には、バランスホール部４０Ｂは、ロータ外周面２３ｆに形成されている。つまり、バランスホール部４０Ｂは、ロータ外周面２３ｆのみに形成され、プラットフォーム内周面３５ｆには形成されていない。また、第２実施形態のバランスホール部４０Ｂは、係合凸部３８や係合凹部２９には形成されていない。

図５に示すように、第２実施形態の動翼３２は、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含む第一方向を向く第一面１００として、プラットフォーム３５のプラットフォーム内周面３５ｆが形成されている。プラットフォーム内周面３５ｆは、第一方向を向いている。

なお、第一方向は、径方向内側Ｄｒｉに向かう方向成分を含んでいればよく、径方向Ｄｒと平行な方向や、径方向Ｄｒに対して傾斜した方向であってもよい。第２実施形態における第一方向は、径方向Ｄｒと並行な方向である。

第２実施形態のロータ軸２１のディスク部２３は、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含む第二方向を向く第二面２００として、ロータ外周面２３ｆが形成されている。なお、第二方向は、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含んでいればよく、径方向Ｄｒと平行な方向や、径方向Ｄｒに対して傾斜した方向であってもよい。第２実施形態における第二方向は、径方向Ｄｒと並行な方向である。

ディスク部２３のロータ外周面２３ｆには、プラットフォーム内周面３５ｆと対向する位置に、径方向内側Ｄｒｉに向かって窪む凹部４２Ｂが形成されている。

この凹部４２Ｂにより、プラットフォーム３５のプラットフォーム内周面３５ｆと、ディスク部２３との間に、ディスク部２３の上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとを連通するバランスホール部４０Ｂが形成される。このバランスホール部４０Ｂを通して、ディスク部２３の圧力が高い側（上流側Ｄａｕ）から圧力が低い側（下流側Ｄａｄ）に蒸気が流れる。その結果、動翼列３１の上流側と下流側との圧力差が抑えられ、ディスク部２３に作用するスラスト方向の力が低減される。

また、プラットフォーム３５には、アキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂが形成されて、動翼列３１と静翼列４１との隙間から径方向内側Ｄｒｉに向かって蒸気が漏れるのを抑えている。したがって、バランスホール部４０Ｂは、アキシャルフィン３５Ｆａ、３５Ｆｂよりも径方向内側Ｄｒｉに形成することが好ましい。

また、プラットフォーム３５に対して径方向内側Ｄｒｉの領域においては、ロータ軸２１から径方向外側Ｄｒｏに向かうほど、圧力が高くなる。したがって、バランスホール部４０Ｂによる圧力差の抑制効果は、バランスホール部４０Ｂが、径方向外側Ｄｒｏにあるほど効果的となる。本実施形態において、バランスホール部４０Ｂは、ディスク部２３のロータ外周面２３ｆ、すなわち、ディスク部２３におけるアキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂよりも径方向内側Ｄｒｉの領域における最も径方向外側Ｄｒｏである最外周部に形成されている。

以上のように、第２実施形態の蒸気タービン１によれば、ロータ軸２１の軸回りの回転により、動翼３２には遠心力が作用する。すると、翼根３６Ｂの係合凸部３８Ａ、３８Ｂ、及び３８Ｃにおいて径方向外側Ｄｒｏを向く翼根外側面３８ｆと、翼溝２８Ｂの係合凹部２９Ａ、２９Ｂ、及び２９Ｃにおいて径方向内側Ｄｒｉを向く翼溝内側面２９ｆとが互いに突き当たることで、動翼３２が支持される。

一方、動翼３２に遠心力が生じることで、プラットフォーム３５のプラットフォーム内周面３５ｆと、ディスク部２３のロータ外周面２３ｆとの間の距離が離れる。その結果、プラットフォーム内周面３５ｆとロータ外周面２３ｆと間の隙間が大きくなる。その結果、プラットフォーム内周面３５ｆとロータ外周面２３ｆとには、遠心力が作用している動翼３２の支持荷重が作用しない。そのため、径方向外側Ｄｒｏに向かう方向成分を含む第二方向を向く第二面２００としてのロータ外周面２３ｆに凹部４２Ｂを形成することで、十分な開口面積を有したバランスホール部４０Ｂを形成することができる。このバランスホール部４０Ｂにより、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差を抑えることができる。これにより、ロータ２０に作用するスラスト方向の力を軽減することが可能となる。

また、バランスホール部４０Ｂを、翼溝２８Ｂの底部２８ｂよりも径方向外側の、圧力が高い部分に形成することで、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差を有効に抑えることができる。特に、ロータ外周面２３ｆから窪む凹部４２Ｂを設けることで、ディスク部２３の最も径方向外側Ｄｒｏにバランスホール部４０Ｂを設けることができる、したがって、ディスク部２３の中でも圧力が最も高い部分にバランスホール部４０Ｂを形成することができ、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差をより有効に抑えることができる。

さらに、バランスホール部４０Ｂを、軸方向Ｄａで互いに隣接する動翼列３１と静翼列４１との隙間をシールするアキシャルフィン３５Ｆａ、３５Ｆｂの内側に設けることで、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差を抑え、ロータ２０に作用する軸方向Ｄａのスラスト力を有効に低減することができる。

（第２実施形態の変形例）
図５に示すように、上記第１実施形態と同様、上記第２実施形態で示した構成に加え、静翼列４１のディスク部２３に、周方向Ｄｃで互いに隣接する翼溝２８Ｂ同士の間に、ディスク部２３の上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとを連通する連通孔４０Ｃを設けてもよい。連通孔４０Ｃは、バランスホール部４０Ｂと同様、アキシャルフィン３５Ｆａ及び３５Ｆｂよりも径方向内側Ｄｒｉで、かつ翼溝２８Ａの底部２８ｂよりも径方向外側Ｄｒｏに形成することが好ましい。

このような連通孔４０Ｃをさらに備えることで、ディスク部２３の軸方向Ｄａの上流側Ｄａｕと下流側Ｄａｄとの圧力差を、さらに有効に低減することができる。

（その他の実施形態）
なお、この発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。
例えば、上記第１実施形態で示した構成と、第２実施形態で示した構成とを組み合わせることも可能である。すなわち、蒸気タービン１に、バランスホール部４０Ａとバランスホール部４０Ｂの双方を備えることもできる。もちろん、第１、第２実施形態の変形例で示した連通孔４０Ｃをさらに備えるようにしてもよい。

また、蒸気タービン１の各部の構成については、適宜変更することが可能である。

動翼の第一面及びディスク部の第二面の少なくとも一方から窪むバランスホール部を設けることで、動翼の上流側と下流側との間の圧力差を抑え、ロータ軸に作用するスラスト方向の力を軽減することができる。

１蒸気タービン
１０ケーシング
２０ロータ
２１ロータ軸
２２軸芯部
２３ディスク部
２３ｆロータ外周面
２８Ａ、２８Ｂ翼溝
２８ｂ底部（溝底部）
２９、２９Ａ、２９Ｂ、２９Ｃ係合凹部
２９ｆ翼溝内側面
２００第二面
２０１翼溝外側面
３１動翼列
３２動翼
３３翼体
３４シュラウド
３５プラットフォーム
３５Ｆａ、３５Ｆｂアキシャルフィン
３５ｆプラットフォーム内周面
３６Ａ、３６Ｂ翼根
３８、３８Ａ、３８Ｂ、３８Ｃ係合凸部
３８ｆ翼根外側面
３９Ａ第一幹部
３９Ｂ第二幹部
３９Ｃ第三幹部
１００第一面
１０１翼根内側面
４０Ａ、４０Ｂバランスホール部
４０Ｃ連通孔
４１静翼列
４１Ａ凹部
４２静翼
４２Ａ、４２Ｂ凹部
４３外側リング
４４リング本体部
４５リング突出部
４６内側リング
Ａｒ軸線
Ｄａ軸方向
Ｄａｄ下流側
Ｄａｕ上流側
Ｄｃ周方向
Ｄｒ径方向
Ｄｒｉ径方向内側
Ｄｒｏ径方向外側
Ｓ蒸気

Claims

軸線を中心として回転する軸芯部と、前記軸芯部に固定されて前記軸芯部の径方向外側に広がるディスク部とを有するロータ軸と、
前記ディスク部の外周に固定され、前記軸芯部の周方向に複数配置される動翼と、を備え、
前記動翼は、前記軸芯部の径方向内側に向かう方向成分を含む第一方向を向く第一面が形成され、
前記ディスク部は、前記径方向外側に向かう方向成分を含む第二方向を向いて前記第一面と対向する第二面が形成され、
前記第一面及び前記第二面の少なくとも一方には、前記軸芯部の延びる軸方向に連通するように窪むバランスホール部が形成されている蒸気タービン。
前記動翼は、
前記径方向に延びる翼体と、
前記翼体の前記径方向内側に設けられるプラットフォームと、
前記プラットフォームの前記径方向内側に設けられて前記ディスク部に形成された翼溝に嵌め込まれる翼根と、を備え、
前記翼根は、前記周方向に突出して前記翼溝に形成された係合凹部に係合する係合凸部に前記第一面として翼根内側面が形成され、
前記ディスク部は、前記係合凹部に前記第二面として翼溝外側面が形成されている請求項１に記載の蒸気タービン。
前記バランスホール部は、前記翼溝の最も前記径方向内側に形成された溝底部よりも前記径方向外側に形成されている請求項２に記載の蒸気タービン。
前記動翼は、
前記径方向に延びる翼体と、
前記翼体の前記径方向内側に設けられるプラットフォームと、
前記プラットフォームの前記径方向内側に設けられて前記ディスク部に形成された翼溝に嵌め込まれる翼根と、を備え、
前記プラットフォームは、前記第一面として、前記径方向内側を向くプラットフォーム内周面が形成され、
前記ディスク部は、前記第二面として、前記プラットフォーム内周面と対向し、前記径方向外側を向くロータ外周面が形成され、
前記バランスホール部は、前記ロータ外周面に形成されている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の蒸気タービン。
前記ディスク部は、前記周方向で互いに隣接する前記翼溝同士の間に前記軸方向に連通する連通孔が形成されている請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の蒸気タービン。