WO2016103340A1 - ノズル構造、及び回転機械 - Google Patents

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rotor
axis
peripheral surface
nozzle structure
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寺田　勝美
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三菱重工コンプレッサ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a nozzle structure and a rotating machine equipped with the nozzle structure.
  • a moving blade row provided on the outer peripheral surface of a rotor and a stationary blade row provided on an inner peripheral surface of a casing are alternately arranged along the axis of the turbine. Yes. Thereby, a steam flow path is formed inside the casing.
  • Patent Document 1 An apparatus described in Patent Document 1 is known as an example of such a technique.
  • a steam turbine described in Patent Document 1 includes a diaphragm inner ring provided on an inner peripheral side of a stationary blade cascade via an inner peripheral side configuration part, and a labyrinth packing fixedly supported on the inner peripheral side of the diaphragm inner ring. I have. This rabin rinse packing covers the outer peripheral surface of the rotor with a gap.
  • This invention is made
  • a nozzle structure according to an aspect of the present invention is a nozzle structure provided in a gap between a rotor that rotates about an axis and a passenger compartment that surrounds the rotor from an outer peripheral side, and the inner peripheral surface of the passenger compartment
  • An outer ring formed in an annular shape along the circumferential direction around the axis, and an annular nozzle fixed on the radially inner side of the outer ring and having a wing portion for guiding the fluid flow direction in the axial direction.
  • a labyrinth seal that is supported on the radially inner side of the nozzle so as to face the outer peripheral surface of the rotor and seals between an inner peripheral surface of the nozzle and an outer peripheral surface of the rotor; and the nozzle and the labyrinth seal; And an elastic member that urges the labyrinth seal toward the radially inner side.
  • the nozzle structure according to one aspect of the present invention includes a strength compensation portion that is provided between the casing and the outer ring and compensates for the strength of the nozzle in the radial direction, and the outer ring has the strength described above. You may fix to the said compartment via a supplement part.
  • the outer ring is attached to the vehicle compartment via the strength compensation portion.
  • the strength compensation portion it is possible to sufficiently ensure the strength of the nozzle in the radial direction.
  • the outer ring is fixed to the inner peripheral surface of the vehicle compartment via the strength compensation portion, and the strength compensation portion is formed in an annular shape around the axis. It may be an inner casing.
  • the nozzle includes a plurality of nozzle divided bodies arranged in the circumferential direction, and a weld bead that connects a pair of adjacent nozzle divided bodies in the circumferential direction. You may have.
  • nozzle division bodies are connected to the circumferential direction by welding (welding bead). Thereby, nozzle division bodies can be firmly fixed to each other.
  • the labyrinth seal may have both end surfaces in the axial direction perpendicular to the axial line.
  • both end faces in the axial direction of the labyrinth seal are perpendicular to the axial line. Therefore, the possibility of impairing the sealing performance of the labyrinth seal can be reduced.
  • a rotating machine includes the nozzle structure according to any one of the above aspects.
  • Such a configuration can provide a steam turbine having sufficient sealing performance and durability.
  • nozzle structure and rotating machine of the present invention it is possible to provide a nozzle structure having sufficient sealing performance and durability, and a steam turbine including the nozzle structure.
  • a steam turbine 100 (rotary machine 100) of this embodiment is an external combustion engine that extracts steam energy as rotational power, and is used for a generator in a power plant.
  • the steam turbine 100 is provided inside the passenger compartment 1, the rotor 2 extending along the axis O so as to penetrate the passenger compartment 1, and rotating around the axis O, and the inside of the passenger compartment 1.
  • the nozzle structure 3 (the stationary blade), the moving blade row 4 provided on the rotor 2, and the bearing portion 5 that supports the rotor 2 so as to be rotatable around the axis.
  • a plurality of blade rows 4 are arranged on the outer peripheral surface of the rotor 2 along the direction of the axis O.
  • the moving blade row 4 located on the upstream side has a smaller radial dimension of each moving blade. In other words, the radial dimension of each moving blade increases as the moving blade row 4 is located on the downstream side.
  • the region where the rotor blade row 4 is provided in the rotor 2 is covered by the casing 1 from the outer peripheral side.
  • a nozzle structure 3 is provided inside the casing 1 in a region corresponding to the rotor blade row 4 on the rotor 2.
  • a certain gap is formed between the nozzle structure 3 and the moving blade row 4 to form a steam flow path 6.
  • An external steam supply source (not shown) is connected to the steam channel 6 via a steam inlet 7 provided on the upstream side of the passenger compartment 1.
  • the high-temperature and high-pressure steam that has flowed in from the steam inlet 7 collides with the rotor blade row 4 while flowing through the steam flow path 6, rotates the rotor 2, and then passes through the exhaust port 8 provided on the downstream side to the outside. It is exhausted toward.
  • the bearing portion 5 includes journal bearings 5 ⁇ / b> A provided at both ends of the rotor 2 and a thrust bearing 5 ⁇ / b> B provided at one end of the rotor 2.
  • the nozzle structure 3 is alternately arranged with the above-described moving blade row 4 along the axis O direction inside the passenger compartment 1.
  • the nozzle structure 3 includes an inner casing 10 provided on the inner peripheral surface of the passenger compartment 1, and a plurality (2 of the inner casing 10 arranged along the axis O direction on the inner peripheral surface of the inner casing 10. ) Nozzle unit 30.
  • the inner casing 10 is an annular member extending along the inner peripheral surface of the passenger compartment 1.
  • a nozzle unit 30 to be described later is arranged on the inner side in the radial direction of the inner casing 10. That is, the strength of the nozzle unit 30 is compensated by being supported from the radially outer side by the inner casing 10 as the strength compensation portion S.
  • the radially outer surface of the inner casing 10 is formed to protrude toward the radially outer side, thereby forming the attachment portion 11.
  • the mounting portion 11 is fitted to an annular groove 12 provided along the circumferential direction on the inner peripheral surface of the passenger compartment 1.
  • the concave groove 12 has a concave groove bottom surface 12A that forms a radially outer surface, and a pair of concave groove side surfaces 12B that extend radially inward from the concave groove bottom surface 12A.
  • the separation dimension between the pair of concave groove side surfaces 12B is substantially the same as the dimension of the mounting portion 11 in the direction of the axis O.
  • a gap is formed between the groove bottom surface 12 ⁇ / b> A and the end surface on the radially outer side of the attachment portion 11. As described above, the fitting of the attachment portion 11 in the concave groove 12 restricts the movement of the inner casing 10 in the direction of the axis O.
  • the inner peripheral surface of the inner casing 10 is provided with two outer ring support grooves 12C arranged along the axis O direction.
  • the outer ring support groove 12 ⁇ / b> C is an annular square groove provided so as to be recessed from the inner peripheral surface of the inner casing 10 toward the radially outer side.
  • the outer ring support grooves 12C are separated from each other along the direction of the axis O.
  • One outer ring 20 to be described later is provided in each of the two outer ring support grooves 12C.
  • the surface facing the upstream side of the steam channel 6 is an upstream end surface 10A, and the surface facing the downstream side is a downstream end surface 10B. Both the upstream end face 10A and the downstream end face 10B extend in a direction that is substantially perpendicular to the direction of the axis O.
  • Each nozzle unit 30 includes an outer ring 20, a nozzle 31 provided on the radially inner side of the outer ring 20, and a labyrinth seal 50 provided on the radially inner side of the nozzle 31.
  • the two nozzle units 30 arranged along the direction of the axis O have the same shape as each other, except that some dimensions are different. Accordingly, in the following description, one nozzle unit 30 will be representatively described.
  • the outer ring 20 is an annular member that is supported inside the passenger compartment 1 by the outer ring support groove 12C.
  • the outer ring 20 includes an outer ring main body 21 that supports a nozzle 31 described later, and a moving blade seal ring 22 that is fixed to the outer ring main body 21 in the direction of the axis O. .
  • the outer ring main body 21 has a smaller radial dimension than the inner casing 10 described above. Both surfaces of the outer ring main body 21 in the direction of the axis O extend in a direction generally perpendicular to the direction of the axis O. Further, a nozzle support groove 21 ⁇ / b> A is formed on a surface on the radially inner side of the outer ring main body 21.
  • the nozzle support groove 21 ⁇ / b> A is an annular square groove formed so as to be recessed from the inner peripheral surface of the outer ring main body 21 toward the radially outer side. A part of a later-described nozzle 31 is fitted in the nozzle support groove 21A.
  • the rotor blade seal ring 22 is fixed to the downstream surface of the outer ring main body 21 described above.
  • the radially inner side on the downstream side of the moving blade seal ring 22 is formed as a protruding portion 33 by being formed to protrude toward the downstream side.
  • a plurality of flow guides 24 arranged at intervals from each other along the axis O direction are provided on the inner peripheral surface of the rotor blade seal ring 22.
  • the flow guide 24 is a member that guides the direction in which steam flows by facing the radially outer end of the rotor blade.
  • Each flow guide 24 is formed by a thin plate extending radially inward from the inner peripheral surface of the bucket seal ring 22.
  • These flow guides 24 are fixed to the inner peripheral surface of the moving blade seal ring 22 by pins 25.
  • the outer ring main body 21 and the rotor blade seal ring 22 configured as described above may be fixed to each other by, for example, welding or the like between end faces facing each other along the axis O direction.
  • the total dimension in the axis O direction of the outer ring main body 21 and the rotor blade seal ring 22 in a state of being fixed to each other is substantially the same as the dimension in the axis O direction of the outer ring support groove 12C described above.
  • the outer ring 20 is supported inside the passenger compartment 1 by fitting into the outer ring support groove 12C.
  • the nozzle 31 is provided on the annular nozzle ring portion 32 provided on the inner peripheral surface of the outer ring 20, the wing portion 34 provided on the inner peripheral surface of the nozzle ring portion 32, and the inner peripheral surface of the wing portion 34. And an inner ring 35.
  • a nozzle mounting portion 23 is provided on the outer peripheral surface of the nozzle ring portion 32.
  • the nozzle mounting portion 23 is formed so as to protrude outward in the radial direction from the outer peripheral surface of the nozzle ring portion 32.
  • the dimension of the nozzle mounting portion 23 in the axis O direction is substantially the same as the dimension of the nozzle support groove 21A in the axis O direction.
  • the nozzle attachment part 23 is fitted in the nozzle support groove 21 ⁇ / b> A, thereby supporting the nozzle 31.
  • the nozzle ring portion 32 and the outer ring 20 are joined to each other by welding in a state where the nozzle mounting portion 23 is fitted in the nozzle support groove 21A.
  • the outer ring 20 is joined by performing build-up welding (build-up weld M) on the radially inner portions on both sides in the axis O direction.
  • the blade portion 34 is a member that extends radially inward from the inner peripheral surface of the nozzle ring portion 32 and has an airfoil cross section (not shown) as viewed from the radial direction.
  • On the inner peripheral surface of the nozzle ring portion 32 a plurality of wing portions 34 are arranged in the circumferential direction at intervals. These blade portions 34 and the above-described moving blades (the moving blade row 4) are arranged so as to overlap each other when viewed in the radial direction.
  • the rotor 2 After the flow direction of the steam, which is the working fluid of the steam turbine 100, is guided by the blade part 34, the rotor 2 is rotated about the axis O by colliding with the moving blade row 4.
  • An inner ring 35 is provided on the radially inner edge of the wing part 34. Each end edge on the radially inner side of the plurality of wing portions 34 is supported by the inner ring 35.
  • the inner ring 35 has a substantially C-shaped cross section viewed from the circumferential direction.
  • the above-described wing portion 34 is fixed to the outer peripheral surface of the inner ring 35.
  • a seal support groove 36 for supporting the labyrinth seal 50 is formed on the inner peripheral surface of the inner ring 35.
  • the seal support groove 36 is a groove formed so as to be recessed from the inner peripheral surface of the inner ring 35 toward the radially outer side. That is, the seal support groove 36 opens toward the inside in the radial direction.
  • a locking portion 37 is formed in the radially inner region so as to protrude so as to be close to each other in the axis O direction.
  • a leaf spring accommodating groove 38 for accommodating a leaf spring 40 (described later) as the elastic member 40 is formed on the radially outer surface of the seal support groove 36.
  • the dimension of the leaf spring accommodating groove 38 in the axis O direction is smaller than the dimension of the seal support groove 36 in the axis O direction.
  • the labyrinth seal 50 is a seal member formed of, for example, an alloy containing copper.
  • the labyrinth seal 50 according to the present embodiment includes a plate-like seal base 51 extending along the axis O direction, and a plurality of thin plate-like fins 52 extending radially inward from the seal base 51. Yes. Both end edges of the seal base 51 in the direction of the axis O engage with the locking portion 37 of the seal support groove 36 described above.
  • Each fin 52 is formed so that the dimension in the direction of the axis O gradually decreases from the radially outer side toward the inner side. Further, the two fins 52 positioned on both sides in the direction of the axis O are respectively an upstream fin 52A positioned on the most upstream side and a downstream fin 52B positioned on the most downstream side. These upstream fins 52 ⁇ / b> A and downstream fins 52 ⁇ / b> B have shapes different from those of the other fins 52. That is, the end surface 521 facing the upstream side of the upstream fin 52A is formed to be perpendicular to the direction of the axis O.
  • the end surface 522 facing the downstream side of the downstream fin 52B is formed to be perpendicular to the axis O direction. Note that the end surface 521 and the end surface 522 do not have to be completely perpendicular to the direction of the axis O, and they only need to intersect substantially at right angles.
  • the labyrinth seal 50 is accommodated in the seal support groove 36 in the inner ring 35.
  • the leaf spring 40 as the elastic member 40 is accommodated in the leaf spring accommodation groove 38. The leaf spring 40 is urged so as to press the radially outer surface of the seal base 51 of the labyrinth seal 50 toward the radially inner side.
  • the elastic force toward the radially inner side is applied to the labyrinth seal 50 by the leaf spring 40 and is supported from the radially inner side by the locking portion 37 in the inner ring 35.
  • the plurality of fins 52 are supported in the seal support groove 36 so as to be slightly spaced from the outer peripheral surface of the rotor 2 along the radial direction.
  • the nozzle 31 configured as described above includes a plurality of nozzle division bodies 31D divided along the circumferential direction.
  • the nozzle 31 is divided according to the number of wing parts 34. That is, the nozzle 31 having n wings 34 is divided into n nozzle division bodies 31D.
  • the nozzle division bodies 31D adjacent to each other along the circumferential direction are joined to each other by welding. Specifically, as shown in FIG. 3, the end faces on both sides in the axis O direction of the inner ring 35 and the end faces on the downstream side of the nozzle ring portion 32 are brought into contact with each other to form a joint portion. By welding each of the joints, a weld bead W is formed at the joint.
  • the steam supplied from the outside circulates in the steam flow path 6 so that the rotor 2 rotates.
  • vibration of the rotor 2 may occur during the operation of the steam turbine 100.
  • the rotor 2 moves slightly in the radial direction.
  • the rotor 2 comes into contact with the labyrinth seal 50.
  • the labyrinth seal 50 is fixed with respect to the inner ring 35, a high stress is applied to the labyrinth seal 50 and the rotor 2, which may cause damage.
  • the labyrinth seal 50 is supported by the leaf spring 40 as the elastic member 40. Therefore, even if it is a case where the rotor 2 contacts the labyrinth seal 50, the stress produced between the rotor 2 can be relieve
  • the inner ring 35 in the nozzle structure 3 is integrally formed as one member, which is advantageous in reducing the size of the steam turbine 100.
  • the space for providing the elastic member 40 may be lost due to restrictions on the radial dimension of the nozzle structure 3.
  • a space (plate spring accommodating groove 38) in which the elastic member 40 is provided can be provided without impairing the strength of the inner ring 35.
  • the outer ring 20 can be accommodated through the strength compensating portion S even when the radial dimension of the nozzle structure 3 is reduced, for example, in order to reduce the size of the device. By being attached to 1, sufficient strength of the nozzle 31 in the radial direction can be secured.
  • the nozzle 31 is divided
  • both end faces of the labyrinth seal 50 in the direction of the axis O can be reduced even when, for example, the radial dimension of the nozzle structure 3 is reduced in reducing the size of the apparatus. Since it is perpendicular to the axis O, the labyrinth seal 50 can be easily attached to the seal housing groove. Thereby, possibility of impairing the sealing performance of the labyrinth seal 50 can be reduced.
  • the nozzle structure 3 according to the present invention can be applied to a rotary machine such as the steam turbine 100.
  • Nozzle 31D ... Nozzle segment 32 ... Nozzle ring part 33 ... Projection part 34 ... Wing part 35 ... Inner ring 36 ... Seal support groove 37 ... Locking part 38 ... Plate Spring accommodating groove 40 ... elastic member 40 ... leaf spring 50 ... labyrinth seal 51 ... seal base 5A ... ja Null bearing 5B ... Thrust bearing 52 ... fin 52A ... upstream fins 52B ... downstream fin M ... the overlay weld part S ... strength interpolator W ... weld bead

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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

ノズル構造、及び回転機械
　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

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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