WO2015068279A1 - 軸流タービン - Google Patents

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rotor
hole
flow
balance hole
downstream side
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規世 西嶋
和幸 山口
彰 遠藤
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三菱日立パワーシステムズ株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/10—Anti- vibration means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/31—Application in turbines in steam turbines

Definitions

  • the present invention relates to an axial flow turbine such as a steam turbine or a gas turbine, and more particularly to an axial flow turbine having a gap flow path formed between an outer peripheral surface of a rotating body and an inner peripheral surface of a stationary part.
  • a steam turbine which is one of rotary fluid machines, generally includes a casing, a rotor rotatably provided in the casing, a stationary blade row provided on the inner peripheral side of the casing, and an outer peripheral side of the rotor. And a moving blade row disposed downstream of the stationary blade row in the rotor axial direction.
  • a steam turbine has a diaphragm structure in which a stationary blade row is fixed by an annular body (hereinafter referred to as a diaphragm outer ring and a diaphragm inner ring) provided on the outer peripheral side and the inner peripheral side. Some of them have a rotor disk structure fixed by a rotor disk protruding in the direction. In such a structure, a gap channel (hereinafter referred to as a diaphragm seal portion as appropriate) is formed between the inner peripheral surface of the diaphragm inner ring and the outer peripheral surface of the rotor facing the inner ring surface.
  • a gap channel hereinafter referred to as a diaphragm seal portion as appropriate
  • Some steam turbines are provided with an annular blade cover on the outer peripheral side of the blade row.
  • a gap channel (hereinafter, referred to as a bucket seal portion as appropriate) is formed between the outer circumferential surface of the bucket cover and the inner circumferential surface of the casing facing the bucket cover.
  • Most of the working fluid flows in the main flow path and passes through the rotor blade row.
  • a part of the working fluid leaks from the main flow path to the blade seal part, causing the turbine loss.
  • a labyrinth seal is generally provided in the gap flow path.
  • the labyrinth seal is composed of multiple stages of seal fins and steps that are spaced apart in the rotor axial direction. A contraction flow and an expansion flow are generated at the tip of the seal fin, and the amount of leakage is reduced by the pressure loss. It is to reduce.
  • the labyrinth seal is required to reduce the leakage flow and to minimize the fluid force that causes unstable vibration.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the rotating body 1 and the stationary part 2 as seen from the axial direction.
  • a gap channel 3 is formed between the rotating body 1 and the stationary part 2.
  • the rotating body 1 rotates in the direction indicated by the arrow 4 in the drawing.
  • the rotating body 1 is not concentric with the stationary part 2 due to manufacturing tolerances, gravity, or vibration during rotation, and is slightly eccentric as shown in the figure. That is, the center 8 of the rotating body is shifted from the center 7 of the stationary part 2 by the eccentric amount e.
  • the leakage flow passing through the gap flow path 3 has a speed component parallel to the axial direction, and also has a turning speed component 9 due to the rotation of the rotating body 1.
  • a method of providing a swirl prevention plate (swirl break) for reducing the swirl speed at the labyrinth seal inlet is known.
  • the aforementioned fluid force Fy which causes unstable vibration, increases as the swirl speed of the leakage flow increases. Therefore, the fluid force can be reduced by providing a swirl prevention plate at the seal inlet.
  • Patent Document 1 there is a technique described in Patent Document 1 as a technique for reducing the fluid force generated particularly at the diaphragm seal portion.
  • a rotor hole is provided with a balance hole penetrating in the axial direction, the balance hole is inclined toward the inner peripheral side with respect to the rotor rotational axis direction, and the balance hole outlet is disposed on the inner peripheral side from the inlet.
  • a configuration is shown in which a guide plate that induces a flow in the direction opposite to the rotor rotation direction is arranged for each balance hole outside the balance hole outlet.
  • the swirling speed of the flow flowing out from the balance hole can be reduced, and the swirling speed of the flow flowing into the diaphragm seal portion can be reduced.
  • the fluid force generated at the diaphragm seal portion can be reduced.
  • the swirling speed of the flow flowing out of the balance hole can be further reduced, and the fluid force can be reduced. Further reduction can be achieved.
  • the method of providing a swirl prevention plate (swirl break) at the labyrinth seal inlet to reduce the swirl speed can reduce the fluid force, but it is necessary to secure a region for the swivel prevention plate at the seal inlet. Therefore, the number of seal fins that can be arranged in the seal portion is reduced. As a result, the leakage flow increases and the turbine efficiency decreases.
  • the guide plate is disposed outside the rotor disk.
  • the guide plate faces it in the axial direction. There is a possibility of contact with the inner ring of the diaphragm, which greatly impairs the reliability of the turbine.
  • the guide plate that rotates together with the rotor disk induces a swirling flow in the rotating direction, so the swirling speed of the flow that flows out of the balance hole is reduced. It is not possible to obtain a sufficient effect.
  • an object of the present invention is to provide an axial flow turbine capable of effectively suppressing unstable vibration caused by a leakage flow in a gap between a rotating body and a stationary part.
  • the present invention provides a rotor and at least one rotor disk that is provided so as to rotate integrally with the rotor and has a first through hole formed in parallel with the rotation axis direction of the rotor.
  • a plurality of rotor disks, a plurality of rotor blade rows provided on the outer periphery of the plurality of rotor disks, a casing for storing the rotor, the plurality of rotor disks, and the plurality of rotor blade rows, and the rotor A plurality of stator blade rows provided on the inner peripheral surface of the casing so as to be alternately arranged with the plurality of rotor blade rows in the rotation axis direction, and provided on each inner ring side of the plurality of stator blade rows
  • a plurality of inner rings of the diaphragm and a plurality of guides provided on the inner downstream side of the first through hole and inclined in the direction opposite to the rotational direction of the previous rotor from the upstream side to the
  • the present invention in the axial flow turbine, it is possible to effectively suppress the unstable vibration of the rotating body caused by the leakage flow in the gap between the rotating body and the stationary part.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a rotor disk provided in a steam turbine according to a first embodiment of the present invention. It is a cross-sectional schematic diagram of the guide flow path member which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is a cross-sectional schematic diagram of the baffle plate which concerns on a prior art.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a part of a steam turbine according to the present invention.
  • the steam turbine includes a rotating body composed of a rotor 109 and the like that rotates about a rotating shaft 100, and a stationary part composed of a substantially cylindrical casing 103 that houses the rotating body 1. .
  • a plurality of rotor disks 112 that rotate integrally with the rotor 109 are formed on the outer peripheral surface of the rotor 109 so as to protrude in the radial direction.
  • a plurality of moving blades 102 are fixed radially with respect to the rotating shaft 100 to form a substantially annular moving blade row.
  • a plurality of stationary blades 101 are fixed radially with respect to the rotating shaft 100 to form a substantially annular stationary blade row.
  • the stationary blade rows and the moving blade rows are alternately arranged in the direction of the rotation axis 100.
  • a substantially annular diaphragm inner ring 111 is provided on the inner ring side of the stationary blade row.
  • a diaphragm seal portion 115 is formed between the inner circumferential surface of the diaphragm inner ring 111 and the outer circumferential surface of the rotor 109 facing the diaphragm inner ring 111.
  • the diaphragm seal portion 115 is a rabin rinse seal configured by fins 115 a provided on the outer peripheral surface of the rotor 109 and convex portions 115 b formed on the inner peripheral side of the diaphragm inner ring 111.
  • a substantially uniform moving blade cover 118 is provided on the outer peripheral side of the moving blade 102 in the circumferential direction, and the moving blade is disposed between the outer peripheral surface of the moving blade cover 118 and the casing inner peripheral surface facing it.
  • a seal 116 is formed.
  • the blade seal portion 116 is a labyrinth seal constituted by fins 116 a provided on the outer peripheral side of the blade cover 118 and convex portions 116 b formed on the casing 103.
  • the rotor disk 112 is formed with a balance hole 120 (first through hole) penetrating in parallel with the direction of the rotation axis 100 of the rotor 109.
  • the balance hole 120 is a substantially cylindrical through hole, and is discretely formed at the same radius with respect to the rotating shaft 100 (see FIG. 4).
  • a part of the main flow indicated by the arrow 11 becomes a leakage flow indicated by the arrows 12a and 12b and passes through the moving blade seal portion 116 and the diaphragm seal portion 115.
  • a downstream flow as indicated by an arrow 13 is generated due to a pressure difference between the upstream side and the downstream side of the rotor disk 112.
  • the balance hole 120 serves to reduce the axial fluid force (thrust force) acting on the rotor 109 by relaxing the pressure difference between the upstream side and the downstream side of the rotor disk 112 by the flow 13.
  • the leakage flow 13a flowing out from the diaphragm seal portion 115 does not return to the main flow 11 and passes through the balance hole 120, the turbulence generated in the main flow 11 can be reduced, and the turbine efficiency can be improved. Can do.
  • a guide channel member 130 is provided on the downstream side of the balance hole 120.
  • a schematic perspective view of the guide channel member 130 is shown in FIG.
  • the guide channel member 130 includes a substantially hollow cylindrical holding case 132 that can be inserted into the balance hole 120, and a plurality of rectifying plates 131 disposed inside the holding case 132.
  • a convex portion 140 is formed on the outer periphery of the holding case 132 for positioning when inserted into the balance hole 120, and is fixed to the end of the holding case 132 inside the balance hole 120.
  • a fixing member 143 having a hooking pawl 142 at the tip is attached.
  • a schematic cross-sectional perspective view with the upper half of the guide channel member 130 removed is shown in FIG. In FIG.
  • the plurality of rectifying plates 131 are inclined to deflect the flow flowing out from the balance hole 120.
  • the ratio of the channel cross-sectional area to the axial channel length per guide channel can be reduced, and the effect of deflecting the flow can be improved. it can.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of the rotor disk 112 and shows a method of attaching the guide channel member 130 to the balance hole 120.
  • the rotor 109 and the rotor disk 112 rotate in the direction indicated by the arrow 15.
  • the guide channel member 130 is inserted into the balance hole 120 from the downstream side of the rotor disk 112 as indicated by an arrow 138.
  • a notch 141 that fits with the convex portion 140 is provided, whereby the guide channel member 130 is positioned inside the balance hole 120.
  • FIG. 5 shows a state inside the balance hole 120 where the guide channel member 130 is arranged.
  • the rotor disk 112 rotates in the direction indicated by the arrow 15.
  • the claw 142 provided at the tip of the fixing member 143 is hooked on the rotor disk surface upstream of the balance hole 120, and the guide channel member 130 is moved to the balance hole 120.
  • Fixed internally As described above, a flow from the upstream side to the downstream side indicated by the arrow 13 is generated inside the balance hole 120.
  • the plurality of rectifying plates 131 have a rotational direction 15 from the upstream side to the downstream side of the balance hole 120. Inclined in the opposite direction.
  • the flow that has passed through the guide flow path member 130 is imparted with a turning speed component opposite to the rotation direction 15 and flows out in the direction indicated by the arrow 16.
  • the flow direction indicated by arrows 13 and 16 is the flow direction when observed from above the rotating rotor disk (when viewed in a coordinate system rotating with the rotor disk 112).
  • the flow is inclined in the turning direction. . That is, the swirl speed in the rotation direction 15 of the flow flowing out of the balance hole 120 is reduced by the plurality of rectifying plates 131.
  • the guide channel member 130 is positioned and fixed by the projection 140 and the claw 142 provided at the tip of the fixing member 143.
  • the flow channel member 130 may be welded to the downstream side inside the balance hole 120. In this case, the convex part 140 and the fixing member 143 are unnecessary.
  • the guide channel member 130 can be manufactured by welding a plurality of rectifying plates inside the holding case 132, but is not limited to this.
  • the guide channel member 130 may be manufactured by cutting out from a cylindrical member. Good.
  • FIG. 6 shows a configuration in which a guide plate that induces a flow in the direction opposite to the rotor rotation direction on the outside downstream side of the balance hole described in Patent Document 1 is shown.
  • a guide plate that induces a flow in the direction opposite to the rotor rotation direction on the outside downstream side of the balance hole described in Patent Document 1 is shown.
  • FIG. 6 when the guide plate 150 rotates together with the rotor disk 112, a flow in the direction of the arrow 18 is induced between the rotor disk 112 and the diaphragm inner ring 111 as viewed in the stationary system coordinate system.
  • the effect of the guide plate 150 is offset, and the swirl component of the flow flowing out of the balance hole 120 cannot be sufficiently reduced.
  • the guide plate 150 is disposed outside the rotor disk 112, when the relative position in the axial direction of the diaphragm inner ring 111 and the rotor disk 112 changes due to the difference in thermal expansion between the rotating body of the turbine and the stationary part, the guide plate The possibility of 150 coming into contact with the diaphragm inner ring 111 facing in the axial direction increases, and the reliability of the turbine is greatly impaired.
  • a plurality of rectifying plates 131 are provided in the balance hole, so that the arrow 18 in FIG. 6 is interposed between the rotor disk 112 and the diaphragm inner ring 111.
  • a rotational speed component in the direction opposite to the rotational direction can be effectively applied, and the rotational speed in the rotational direction at the exit of the balance hole 120 can be reduced.
  • the swirling speed of the flow flowing into the diaphragm seal portion 115 can be reduced.
  • the fluid force generated in the diaphragm seal portion 115 can be reduced, and the unstable vibration of the rotor can be effectively suppressed. can do.
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of the guide channel member 230 corresponding to FIG. 2 of the first embodiment.
  • the configuration of the guide channel member 230 is the same as that of the first embodiment except that a plurality of guide channels are formed by a plurality of through holes 245 instead of a plurality of guide plates. It is the same.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional perspective view with the upper half removed to show the inside of the guide channel member 230.
  • the plurality of through holes 245 are inclined in order to deflect the flow on the inner downstream side of the balance hole.
  • the plurality of through holes 245 are inclined cylindrical holes, but are not limited thereto, and may be inclined rectangular holes, for example.
  • the flow generated in the diaphragm seal portion is effectively imparted to the flow that has flowed out of the balance hole by applying a swirl velocity component in the direction opposite to the rotation direction.
  • the physical strength can be reduced, and the unstable vibration of the rotor can be effectively suppressed.
  • the plurality of guide channels are configured by the plurality of through holes 245, the number of guide channels is smaller than in the case where the plurality of guide channels are configured by the plurality of rectifying plates 131 in the first embodiment. Therefore, the ratio of the channel cross-sectional area to the axial channel length per guide channel is reduced, and the effect of deflecting the flow can be further improved.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing a state where the rotor blades 302 are fixed to the rotor disk 312.
  • a structure in which a corresponding concave and convex rotor disk fastening portion 381 formed on the circumference of the rotor disk 312 is fitted is used.
  • a groove 382 is further formed on the inner peripheral side of the rotor disk fastening part 381, and the rotor disk 312 is rotated with the rotor disk 312 in a state where the rotor blade 302 is fitted.
  • a fastening portion flow path 320 (a first through hole) that penetrates in parallel with the axial direction is formed.
  • the flow toward the downstream is generated by the pressure difference between the upstream side and the downstream side of the rotor disk, similarly to the balance hole 120 of the first embodiment. That is, in the present embodiment, the same effect as that of the balance hole can be obtained by providing the fastening portion flow path 320 instead of the balance hole.
  • the pressure difference between the upstream side and the downstream side of the rotor disk 312 can be relaxed, and the axial fluid force (thrust force) acting on the rotor 309 can be reduced. Furthermore, since the leaked flow that flows out from the diaphragm seal portion does not return to the main flow side and passes through the fastening portion flow path 320, the turbulence that occurs in the main flow can be reduced, and the turbine efficiency can be improved. it can.
  • a guide channel member 330 is provided on the downstream side in the rotation axis direction on the downstream side in the fastening portion channel 320.
  • the guide channel member 330 is inserted and fixed in the fastening portion channel 320 as indicated by an arrow 338.
  • a schematic perspective view of the guide channel member 330 is shown in FIG.
  • the shape of the holding case 332 is different from that of the first embodiment, but includes a plurality of rectifying plates 331 inclined from the upstream side toward the downstream side in the direction opposite to the rotor rotation direction 15. Are the same. That is, as in the first embodiment, the rotational speed in the rotational direction of the flow that has passed through the fastening portion flow path 320 is reduced.
  • the hydrodynamic force generated in the diaphragm seal portion can be reduced by reducing the swirling speed of the flow that passes through the fastening portion flow path 320 and flows into the diaphragm seal portion. Unstable vibration can be effectively suppressed. That is, even when the fastening portion flow path is provided instead of the balance hole, the unstable vibration of the rotor can be effectively suppressed.
  • the groove portion 382 constituting the fastening portion flow path 320 can be processed at the time of processing the rotor disk fastening portion 381, the manufacturing process of the rotor disc can be reduced compared with the case of processing the balance hole. .
  • the present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and can be freely changed and improved without departing from the gist of the invention.
  • the steam turbine has been described as an example.
  • a gap flow path through which a part of the working fluid passes is formed between the rotating body and the stationary part. It can also be applied to other axial turbines.

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Abstract

回転体（１０９，１１２，１０２，１１８）と静止部（１０３，１０１，１１１）からなる軸流タービンにおいて，前記回転体の一部を構成するロータディスク（１１２）に回転軸（１００）方向と平行に形成されたバランスホール（１２０）の内部下流側に，前記バランスホールの上流側から下流側に向かって前期回転体の回転方向と逆向きに傾斜した複数の案内流路が形成された案内流路部材（１３０）を設ける。これにより，前記回転体と前記静止部の間を通過する漏れ流れの旋回速度を低減することができ，前記回転体の不安定振動を効果的に抑制する事ができる。

Description

軸流タービン
　本発明は，蒸気タービンやガスタービン等の軸流タービンに係り，特に，回転体の外周面と静止部の内周面との間で形成された隙間流路を有する軸流タービンに関する。
　回転流体機械の一つである蒸気タービンは，一般的に，ケーシングと，このケーシング内に回転可能に設けられたロータと，ケーシングの内周側に設けられた静翼列と，ロータの外周側に設けられ，静翼列に対してロータ軸方向の下流側に配置された動翼列とを備えている。そして，主流路内にて作動流体が静翼列（詳細には，静翼間）を通過すると，作動流体の内部エネルギーが運動エネルギーに変換される。すなわち，作動流体を増速させるようになっている。その後，作動流体が動翼列（詳細には，動翼間）を通過すると，作動流体の運動エネルギーがロータの回転エネルギーに変換される。すなわち，作動流体が動翼列に作用してロータを回転させるようになっている。
　蒸気タービンには，静翼列が外周側と内周側に設けられた環状体（以降，それぞれダイアフラム外輪，ダイアフラム内輪と称す）で固定されたダイアフラム構造で構成され，動翼列がロータから径方向に突出したロータディスクによって固定されたロータディスク構造で構成されたものがある。このような構造では，ダイアフラム内輪の内周面とこれに対向するロータの外周面との間に隙間流路（以降，適宜，ダイアフラムシール部と称す）が形成されている。そして，作動流体の大部分は，主流路内を流れて静翼列を通過するものの，作動流体の一部（漏れ流れ）は，主流路からダイアフラム内輪とロータディスクの間の空間を経由してダイアフラムシール部に漏れていき，タービン損失の要因となる。
　また，蒸気タービンには，動翼列の外周側に環状の動翼カバーが設けられたものがある。このような構造では，動翼カバーの外周面とこれに対向するケーシングの内周面との間に隙間流路（以降，適宜，動翼シール部と称す）が形成されている。そして，作動流体の大部分は，主流路内を流れて動翼列を通過するものの，作動流体の一部（漏れ流体）は，主流路から動翼シール部に漏れて，タービン損失の要因となる。
上述したような漏れ流れを抑えてタービン効率を向上させるため，隙間流路には，一般的に，ラビリンスシールが設けられている。ラビリンスシールは，ロータ軸方向に離間して配置された複数段のシールフィンや段差等で構成されており，シールフィンの先端部で収縮流と膨張流を発生させ，その圧力損失により漏れ量を低減するものである。
　また，ラビリンスシールには，漏れ流れを低減することともに，不安定振動を引き起こす流体力が出来るだけ小さい事が求められている。
　図１２を用いて，回転体の不安定振動を引き起こす流体力について説明する。図１２は，回転体１と静止部２を軸方向から見た断面模式図である。回転体１と静止部２との間には隙間流路３が形成されている。回転体１は図中の矢印４で示す方向に回転している。回転体１は製造上の公差，重力，あるいは回転中の振動により，静止部２に対し同心円上に無く，図で示すように若干偏心している。すなわち回転体の中心８は静止部２の中心７から偏心量ｅだけずれている。また，隙間流路３を通過する漏れ流れは，軸方向と平行な速度成分を有するとともに，回転体１の回転に起因した旋回速度成分９を有する。上記の回転体１の偏心と旋回速度成分９によって，隙間３の内部には周方向に不均一な圧力分布５が発生する。この不均一な圧力分布５により回転体１には回転軸に垂直な力Ｆｘ，Ｆｙが作用する。特に偏心方向に対して垂直に作用する流体力Ｆｙは，回転体１の振れ回りを発生させ，回転体１に作用する減衰力より大きくなった場合には不安定振動を発生させる。
　流体力を低減する技術としては，例えば，ラビリンスシール入口に旋回速度を低減するための旋回防止板（スワールブレーク）を設ける方法が知られている。不安定振動の要因となる前述の流体力Ｆｙは，漏れ流れの旋回速度が大きいほど大きくなるため，シール入口に旋回防止板を設ける事によって，流体力を低減する事ができる。
　また，特にダイアフラムシール部で発生する流体力を低減する技術として，特許文献１に記載のものがある。特許文献１には，ロータディスクに軸方向に貫通するバランスホールを設けると共に，そのバランスホールをロータ回転軸方向に対し内周側に傾斜させ，バランスホール出口を入口よりも内周側に配置するとともに，バランスホール出口の外側に，ロータ回転方向と逆向きの流れを誘起するような案内板をバランスホール毎に配置する構成が示されている。バランスホール出口を内周側に配置する事で，バランスホールから流出する流れの旋回速度を低減させる事ができ，ダイアフラムシール部に流入する流れの旋回速度を低減させることができる。その結果，ダイアフラムシール部で発生する流体力を低減させる事ができる。また，バランスホール出口の外側に，ロータ回転方向と逆向きの流れを誘起するような案内板を配置する事で，バランスホールから流出した流れの旋回速度をさらに低減させる事ができ，流体力をさらに低減させることができる。
特開２０１３－１１３２２２号公報
　ラビリンスシール入口に旋回速度を低減するための旋回防止板（スワールブレーク）を設ける方法では，流体力を低減させる効果は得られるが，旋回防止板を配置する領域をシール入口に確保する必要があるため，シール部に配置できるシールフィンの数が減少してしまう。その結果，漏れ流れが増加し，タービン効率の低下につながる。
　特許文献１に記載の，ロータ回転軸方向に対し内周側に傾斜させたバランスホールをロータディスクに形成する構成では，バランスホールの加工が困難となる場合がある。特に大型で多段の翼列で構成される蒸気タービンの場合，ロータディスクはロータと一体で形成される事が多く，各段落に対応するロータディスクが軸方向に狭い間隔で多数配置されている。このようなロータディスクに，回転軸方向と平行な穴を加工することは比較的容易である。しかし，回転軸に対して傾斜した穴を加工する場合は，複雑な多軸の工作機械を用いる必要がある。また，傾斜したバランスホールを設けた場合，ロータディスクの中空部が径方向に広がって形成されるため，ロータディスクの強度が低下する恐れがある。
　また特許文献１に記載の，バランスホール出口の外側に，ロータ回転方向と逆向きの流れを誘起するような案内板を配置する構成では，ロータディスクの外側に案内板が配置されるため，タービンの熱伸び差（静止部と回転体の軸方向の熱膨張変形量の差）によって，ダイアフラム内輪とロータディスクの軸方向の相対位置が変化したときに，案内板が，それと軸方向に対向するダイアフラム内輪に接触する可能性があり，タービンの信頼性を大きく損ねてしまう。またそもそも，案内板をバランスホール出口の外側に設けた構成では，ロータディスクと一緒に回転する案内板が回転方向の旋回流を誘起してしまうため，バランスホールから流出した流れの旋回速度を低減する効果が十分得られない。
　そこで本発明は，回転体と静止部との隙間の漏れ流れに起因する不安定振動を効果的に抑制できる軸流タービンを提供する事を目的とする。
　上記目的を達成するために，本発明は，ロータと，前記ロータと一体に回転するように設けられ，前記ロータの回転軸方向と平行に形成された第１貫通孔を有する少なくとも１つのロータディスクを含む複数のロータディスクと，前記複数のロータディスクの外周上に設けられた複数の動翼列と，前記ロータ，前記複数のロータディスク及び前記複数の動翼列を格納するケーシングと，前記ロータの回転軸方向において前記複数の動翼列と交互に配列するように前記ケーシングの内周面に設けられた複数の静翼列と，前記複数の静翼列のそれぞれの内輪側に設けられた複数のダイアフラム内輪と，前記第１貫通孔の内部下流側に設けられ，前記第１貫通孔の上流側から下流側に向かって前期ロータの回転方向と逆向きに傾斜した複数の案内流路が形成された案内流路部材とを備えたことを特徴とする。
　本発明によれば，軸流タービンにおいて，回転体と静止部との隙間の漏れ流れに起因する回転体の不安定振動を効果的に抑制する事ができる。
本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンの一部を示す断面模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられる案内流路部材の概略斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられる案内流路部材の概略断面斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられるロータディスクの概略斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る案内流路部材の断面模式図である。 従来技術に係る整流板の断面模式図である。 従来技術の応用例に係る整流板の断面模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられる案内流路部材の概略斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられる案内流路部材の概略断面斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられるロータディスクの概略斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る蒸気タービンに備えられる案内流路部材の概略斜視図である。 回転体と静止部を軸方向から見た断面模式図である。
　以下，図面を参照して，本発明を，蒸気タービンのダイアフラムシール部に適用した場合の実施の形態について説明する。なお，各図において同様の形状，同種の材質の構成要素が複数存在する場合には，それぞれに同一の符号を付している。
　―第１の実施の形態―
　図１は，本発明に係る蒸気タービンの一部を示す断面模式図である。図１において蒸気タービンは，回転軸１００を中心に回転するロータ１０９等で構成された回転体と，回転体１を格納する概略円筒形状のケーシング１０３等で構成される静止部とを備えている。
　ロータ１０９の外周面には，ロータ１０９と一体に回転する複数のロータディスク１１２が径方向に突出して形成されている。ロータディスク１１２の外周上には複数の動翼１０２が，回転軸１００に対して放射状に固定されており，概略環状の動翼列を構成している。一方，ケーシング１０３の内周面には，複数の静翼１０１が回転軸１００に対して放射状に固定されており，概略環状の静翼列を構成している。静翼列と動翼列は，図１に示すように，回転軸１００方向において交互に配置されている。静翼列の内輪側には概略環状のダイアフラム内輪１１１が設けられている。
　ダイアフラム内輪１１１の内周面と，これに対向するロータ１０９の外周面の間には，ダイアフラムシール部１１５が形成されている。ダイアフラムシール部１１５は，ロータ１０９の外周面に設けられたフィン１１５ａ，ダイアフラム内輪１１１の内周側に形成された凸部１１５ｂによって構成されるラビンリンスシールである。
　一方，動翼１０２の外周側には，周方向に概略一様な動翼カバー１１８が設けられており，動翼カバー１１８の外周面とそれと対向するケーシング内周面との間に，動翼シール部１１６が形成されている。動翼シール部１１６は，動翼カバー１１８の外周側に設けられたフィン１１６ａ，ケーシング１０３に形成された凸部１１６ｂによって構成されるラビリンスシールである。
　ロータディスク１１２には，ロータ１０９の回転軸１００方向と平行に貫通するバランスホール１２０（第１貫通孔）が形成されている。バランスホール１２０は，概略円筒形状の貫通孔であり，回転軸１００に対して同一半径の位置に離散的に形成されている（図４参照）。
　ケーシング１０３内部において，静翼１０１，動翼１０２を通過する主流路には，不図示のボイラ等により予め加熱された蒸気（作動流体）が矢印１１で示す方向に流れる。蒸気は静翼１０１，動翼１０２を流れ，蒸気の内部エネルギーが動翼１０２，ロータディスク１１２，ロータ１０９を通し回転エネルギーとして取り出される。静翼１０１，動翼１０２の組合せを１段とすると，図１には１段分とその周辺しか示されていないが，蒸気の内部エネルギーを効率よく回収するために，一般的には軸方向に複数段が配置される。
　矢印１１で示す主流の一部は，矢印１２ａ，１２ｂで示す漏れ流れとなって動翼シール部１１６，ダイアフラムシール部１１５を通過する。
　また，バランスホール１２０では，ロータディスク１１２の上流側と下流側の圧力差によって，矢印１３で示すような下流に向かう流れが生じる。バランスホール１２０は，この流れ１３によって，ロータディスク１１２の上流側と下流側の圧力差を緩和することにより，ロータ１０９に作用する軸方向流体力（スラスト力）を低減する役割を果たす。またさらに，ダイアフラムシール部１１５から流出した漏れ流れ１３ａが，主流１１に戻らず，バランスホール１２０を通過することになるため，主流１１に生じる乱れを低減する事ができ，タービン効率を向上する事ができる。
　また，バランスホール１２０の内部下流側には，案内流路部材１３０が設けられている。案内流路部材１３０の概略斜視図を図２に示す。図２において，案内流路部材１３０は，バランスホール１２０内部に挿入可能な概略中空円筒形状の保持ケース１３２と，保持ケース１３２の内部に配置された複数の整流板１３１とを備えている。また，保持ケース１３２の外周部には，バランスホール１２０内部に挿入した際の位置決めを行うための凸部１４０が形成されており，保持ケース１３２の端部には，バランスホール１２０内部で固定するための，先端に引掛け用の爪１４２を備えた固定部材１４３が取り付けられている。案内流路部材１３０の上半分を取り除いた概略断面斜視図を図３に示す。図３において，複数の整流板１３１は，バランスホール１２０から流出する流れを偏向させるために傾斜している。また，複数の整流板１３１によって複数の案内流路を構成することにより，案内流路当りの軸方向流路長に対する流路断面積の比が小さくなり，流れを偏向させる効果を向上する事ができる。
　図４は，ロータディスク１１２の概略斜視図であり，案内流路部材１３０のバランスホール１２０への取付方法を示す。図中，ロータ１０９，ロータディスク１１２は矢印１５で示す向きに回転する。案内流路部材１３０は，矢印１３８で示すようにロータディスク１１２の下流側からバランスホール１２０内部に挿入される。バランスホール１２０の下流側のロータディスク面には，凸部１４０と嵌合する切り欠き１４１が設けられており，これによりバランスホール１２０内部において，案内流路部材１３０の位置決めが行われる。
　図５に，案内流路部材１３０が配置されたバランスホール１２０内部の状態を示す。本図においてロータディスク１１２は矢印１５で示す方向に回転している。案内流路部材１３０をバランスホール１２０内部に挿入すると，固定部材１４３の先端に設けられた爪１４２が，バランスホール１２０の上流側でロータディスク面に引掛り，案内流路部材１３０がバランスホール１２０内部で固定される。バランスホール１２０内部には前述のように，矢印１３で示す上流側から下流側に向かう流れが生じるが，複数の整流板１３１は，バランスホール１２０の上流側から下流側に向かって回転方向１５と逆向きに傾斜している。これにより，案内流路部材１３０を通過した流れは，回転方向１５と逆向きの旋回速度成分が付与され，矢印１６で示す向きに流出する。なお，矢印１３，１６で示す流れの向きは，回転しているロータディスク上から観測した場合（ロータディスク１１２と共に回転する座標系で見た場合）の流れの向きである。静止している状態（静止座標系）で見た場合，矢印１３，１６で示す流れにロータディスク１１２の回転速度に相当する旋回速度がそれぞれ加算されるため，それぞれ旋回方向に傾斜した流れとなる。すなわち，複数の整流板１３１によって，バランスホール１２０から流出した流れの回転方向１５の旋回速度が低減される事になる。
　なお本実施の形態では，凸部１４０，及び固定部材１４３の先端に設けられた爪１４２によって案内流路部材１３０の位置決め・固定を行っているが，これに限定されるものではなく，例えば案内流路部材１３０をバランスホール１２０の下流側内部に溶接してもよい。この場合は，凸部１４０，固定部材１４３は不要となる。また，案内流路部材１３０は，保持ケース１３２内部に複数の整流板を溶接することで製作する事ができるが，これに限定されるものではなく，例えば円筒部材から削り出しにより製作してもよい。
　本実施の形態の効果を，従来技術と対比して以下に説明する。
　例えば特許文献１に記載の，バランスホールの外部下流側に，ロータ回転方向と逆向きの流れを誘起するような案内板を配置する構成を図６に示す。図６に示すように，案内板１５０がロータディスク１１２と共に回転することでロータディスク１１２とダイアフラム内輪１１１の間に静止系座標系で見て矢印１８の向きの流れを誘起する事になる。これにより，案内板１５０の効果が相殺されて，バランスホール１２０から流出した流れの旋回成分を十分低減する事が出来ない。また，ロータディスク１１２の外側に案内板１５０が配置されるため，タービンの回転体と静止部の熱伸び差によって，ダイアフラム内輪１１１とロータディスク１１２の軸方向の相対位置が変化した時に，案内板１５０が，それと軸方向に対向するダイアフラム内輪１１１に接触する可能性が高まり，タービンの信頼性を大きく損ねてしまう。
　また，図６に示した構成の応用例として，図７に示すように案内板１５０をバランスホール１２０の内部に配置することも考えられるが，この場合，流れ１３は矢印１９で示すように案内板１５０の先端部分で絞られ縮流として流出することとなり，回転方向と逆向きの旋回速度成分を十分に誘起することができない。
　これに対し，本実施の形態によれば，図５に示したように複数の整流板１３１をバランスホール内部に設けたことにより，ロータディスク１１２とダイアフラム内輪１１１の間に図６の矢印１８で示す回転方向の流れを誘起することなく，回転方向と逆向きの旋回速度成分を効果的に付与する事ができ，バランスホール１２０出口での回転方向の旋回速度を低減する事ができる。これにより，ダイアフラムシール部１１５に流入する流れの旋回速度を低減することができ，その結果，ダイアフラムシール部１１５で発生する流体力を低減する事ができ，ロータの不安定振動を効果的に抑制することができる。
　―第２の実施の形態―
　図８，図９を参照して，第２の実施の形態に係る蒸気タービンを説明する。なお，第１の実施の形態と同様の箇所には１００番台に代えて２００番台（下２桁は同一）の参照番号を付し，第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
　図８は，第1の実施の形態の図２に相当する案内流路部材２３０の概略斜視図である。図８に示すように，案内流路部材２３０の構成は，複数の案内板に代え，複数の貫通孔２４５によって複数の案内流路を構成している点を除き，第１の実施の形態と同様である。
　図９は，案内流路部材２３０の内部を示すために上半分を取り除いた概略断面斜視図である。複数の貫通孔２４５は，バランスホールの内部下流側で流れを偏向させるために傾斜している。
　なお本実施の形態では，複数の貫通孔２４５は傾斜した円筒形状の孔であるが，これに限定されるものではなく，例えば傾斜した長方形状の孔であっても良い。
　本実施の形態の効果を以下に説明する。
　本実施の形態によれば，第１の実施の形態と同様に，バランスホールから流出した流れに回転方向と逆向きの旋回速度成分を効果的に付与することで，ダイアフラムシール部で発生する流体力を低減する事ができ，ロータの不安定振動を効果的に抑制することができる。
　また，複数の案内流路を複数の貫通孔２４５で構成したことにより，第１の実施の形態において複数の整流板１３１で複数の案内流路を構成した場合よりも，案内流路の数が多くなるため，案内流路当りの軸方向流路長に対する流路断面積の比が小さくなり，流れを偏向させる効果をさらに向上する事ができる。
　―第３の実施の形態―
　図１０を参照して，第３の実施の形態に係る蒸気タービンを説明する。なお，第１の実施の形態と同様の箇所には１００番台に代えて３００番台の参照番号（下２桁が同一）を付し，第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
　図１０は，ロータディスク３１２に動翼３０２が固定された状態を示す概略斜視図である。蒸気タービンにおいては，図１０に示すように，ロータ回転中に動翼３０２に作用する遠心力と対抗するために，動翼３０２の根元部分に形成された凹凸形状の動翼締結部３８０と，ロータディスク３１２の円周上に形成された対応する凹凸形状のロータディスク締結部３８１とが嵌め合い構造が用いられる事がある。図１０に示すロータディスク３１２においては，ロータディスク締結部３８１の内周側にさらに溝部３８２が形成されており，ロータディスク３１２に動翼３０２が嵌め込まれた状態で，ロータディスク３１２をロータの回転軸方向と平行に貫通する締結部流路３２０（第１貫通孔）が形成されている。締結部流路３２０においては，第１の実施の形態のバランスホール１２０と同様に，ロータディスクの上流側と下流側の圧力差によって，下流に向かう流れが生じる。すなわち，本実施の形態においては，バランスホールに代えて締結部流路３２０を設けたことにより，バランスホールと同様の効果を得ることができる。具体的にはロータディスク３１２の上流側と下流側の圧力差を緩和し，ロータ３０９に作用する軸方向流体力（スラスト力）を低減することができる。またさらに，ダイアフラムシール部から流出した漏れ流れが，主流側に戻らず，締結部流路３２０を通過することになるため，主流に生じる乱れを低減する事ができ，タービン効率を向上する事ができる。
　また，締結部流路３２０の内部下流側には，回転軸方向下流側に案内流路部材３３０が設けられている。案内流路部材３３０は矢印３３８で示すように締結部流路３２０に挿入，固定される。案内流路部材３３０の概略斜視図を図１１に示す。図１１において，保持ケース３３２の形状は，第１の実施の形態と異なるが，上流側から下流側に向かってロータの回転方向１５と逆向きに傾斜した複数の整流板３３１を備えている点は同じである。すなわち，第１の実施の形態と同様に，締結部流路３２０を通過した流れの回転方向の旋回速度が低減される。
　本実施の形態の効果を以下に説明する。
　本実施の形態によれば，締結部流路３２０を通過してダイアフラムシール部に流入する流れの旋回速度を低減させることで，ダイアフラムシール部で発生する流体力を低減する事ができ，ロータの不安定振動を効果的に抑制することができる。すなわちバランスホールに変えて，締結部流路を設けた場合においても，ロータの不安定振動を効果的に抑制することができる。
　さらに，ロータディスク締結部３８１の加工時に締結部流路３２０を構成する溝部３８２も併せて加工することができるため，バランスホールを加工する場合と比べて，ロータディスクの製作工程を減らす事ができる。
　本発明は，上記した第１及び第２の実施の形態に限定されるものでなく，発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更，改良が可能である。
　また，第１及び第２の実施の形態では，蒸気タービンを例に説明したが，本発明は，回転体と静止部との間に作動流体の一部が通過する隙間流路が形成されたそのほかの軸流タービンにも適用可能である。
１１　主流
１２ａ，１２ｂ　漏れ流れ
１５　回転方向
１００　回転軸
１０１　静翼
１０２，３０２　動翼
１０３　ケーシング
１０９，３０９　ロータ
１１１　ダイアフラム内輪
１１２，３１２　ロータディスク
１１５　ダイアフラムシール部
１１５ａ　フィン
１１５ｂ　凸部
１１６　動翼シール部
１１６ａ　フィン
１１６ｂ　凸部
１１８　動翼カバー
１２０　バランスホール（第１貫通孔）
１３０，２３０，３３０　案内流路部材
１３１，３３１　整流板
１３２，３３２　保持ケース
１４０　凸部
１４２　爪
１４３　固定部材
１５０　案内板
２４５　貫通孔（第２貫通孔）
３２０　締結部流路（第１貫通孔）
３８０　動翼締結部
３８１　ロータディスク締結部
３８２　溝部

Claims (5)

  1. 　ロータと，
    　前記ロータと一体に回転するように設けられ，前記ロータの回転軸方向と平行に形成された第１貫通孔を有する少なくとも１つのロータディスクを含む複数のロータディスクと，
    　前記複数のロータディスクの外周上に設けられた複数の動翼列と，
    　前記ロータ，前記複数のロータディスク及び前記複数の動翼列を格納するケーシングと，
    　前記ロータの回転軸方向において前記複数の動翼列と交互に配列するように前記ケーシングの内周面に設けられた複数の静翼列と，
    　前記複数の静翼列のそれぞれの内輪側に設けられた複数のダイアフラム内輪と，
    　前記第１貫通孔の内部下流側に設けられ，前記第１貫通孔の上流側から下流側に向かって前期ロータの回転方向と逆向きに傾斜した複数の案内流路が形成された案内流路部材と
    　を備えたことを特徴とする軸流タービン。
  2. 　請求項１に記載の軸流タービンにおいて，
    　前記第１貫通孔は，前記少なくとも１つのロータディスクに形成されたバランスホールであることを特徴とする軸流タービン。
  3. 　請求項１に記載の軸流タービンにおいて，
    　前記第１貫通孔は，前記複数の動翼列を前記少なくとも１つのロータディスクに固定する締結部に形成されたことを特徴とする軸流タービン。
  4. 　請求項１～３のいずれかに記載の軸流タービンにおいて，
    　前記案内流路は，前記貫通孔の上流側から下流側に向かって前期ロータの回転方向と逆向きに傾斜した複数の整流板で構成されたことを特徴とする軸流タービン。
  5. 　請求項１～３のいずれかに記載の軸流タービンにおいて，
    　前記複数の案内流路は，前記第１貫通孔の上流側から下流側に向かって前期ロータの回転方向と逆向きに傾斜した複数の第２貫通孔で構成されたことを特徴とする軸流タービン。
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