JP4326315B2 - 翼環構造 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮機やタービン等の回転機械における翼環構造に関するものである。

従来より、軸流のタービン或いは圧縮機においては、静翼と動翼が交互に軸方向に配設されている。動翼は、その先端で静止側円環の内壁と所定の隙間（動翼先端隙間と呼ぶ）を保ちつつ回転する。なお、静止側円環は、作動流体の流路外殻を形成する静止円筒或いは円錐となっている。ところが、動翼の入口側と出口側との間には圧力差が存在するので、これにより作動流体はその動翼先端隙間を通って低圧側へと洩れ出し、圧力損失（洩れ損失）が生じてしまう。故に、タービン或いは圧縮機の運転効率を高めるには、このような洩れ損失を最小限に抑える必要があり、そのためには動翼先端隙間をできるだけ小さくしなければならない。

ところで、静翼を保持し、また静止側円環を保持する車室の構造については、主に以下に示す二つの方式がある。一つは主として航空用或いは小型の回転機械に見られるもので、車室を輪切りの円環として、静翼と、動翼を装着した円板とを、交互に軸方向に重ねて組み立てて行くもの（水平継目無し車室と呼ぶ）である。もう一つは、主として中，大型の機械に適用されるもので、車室をその中心線を含む水平面で上下に２分割するもの（水平分割車室と呼ぶ）である。

水平分割車室の場合、ロータや動翼等を含む回転体は、予め単独で一本の完成品に組み立てておくことができるので、釣合が良く安定で頑丈なものとすることができる。また、静止側は回転体とは独立して静翼及びその付属物を車室に組み込んでおくことができるので、保守点検が容易となる。

その他、ガスタービンの高温作動ガスの流路壁を形成する分割環の冷却構造として、冷却空気の漏れ量を減らして分割環を効果的に冷却する構成のものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、分割環を構成する個々の部材の外側に、周上の複数の箇所で分割された形状を有する複数の部材を相互に摺動可能な重ね合わせによって接続した円弧状断面を有するカバーをそれぞれ形成し、同カバーと分割環構成部材とによって室を形成し、かつ、同室に外部から冷却空気を導入する管を設けた構成としている。
特開平７−３０５６３８号公報

しかしながら、上記水平分割車室の構成では、静止側円環の分割面に、上下を締結するボルトを配置しなくてはならない。このため、ボルトを配置するフランジが必要となり、これによる静止側円環周上の肉厚不均一が生じる。また、このような分割面が存在するため、静止側円環周上２箇所で曲げ剛性が他の箇所と相違する。

そして、車室に圧力や熱が加えられると、上述したような静止側円環周上の肉厚不均一及び曲げ剛性の相違が原因となって、軸に直角に切断した断面がレモン形，小判形等と称される非円形となるいわゆる非円形変形が生じる。

一方、上記水平継目無し車室の構成では、その利点及び欠点は水平分割車室とは逆になる。即ち、静止側円環周上の肉厚不均一や曲げ剛性の相違がないので非円形変形が生じにくい反面、車室を水平分割できないので組立や保守点検が困難となる。

上述したように、タービン或いは圧縮機の性能向上のため、動翼先端と静止側円環の内壁との隙間（動翼先端隙間）をできるだけ小さくすることは必須の条件であるが、水平分割車室の構成では、静止側円環の非円形変形が避けられない。また、動翼先端隙間の最小値は、非円形変形した静止側円環の最小差し渡し径で定まることになる。

従って、動翼先端隙間をできるだけ小さくするためには、このような非円形変形を如何に少なくするかが重要な課題である。言い換えれば、水平分割車室構造の上述した利点を残したまま、周上分割のない全円車室での動翼先端隙間を確保できることが望ましい。

本発明は、以上のような問題点に鑑み、水平分割車室における組立及び保守点検の容易さを大きく損なうことなく、動翼に相対する静止側円環の非円形変形を極力抑えて動翼先端隙間を小さくし、運転効率を高めることが可能な翼環構造を提供することを目的とする。なお、本発明では、静止側円環と後述する円環状の静翼支持環とを総称して翼環としている。

上記目的を達成するために、本発明では、動翼の先端と相対する静止側円環と、静翼を支える静翼支持環とが互いに軸方向に重ねられて静止側円環及び静翼支持環との内周側に流路が構成され、前記静翼支持環は、周方向に複数に分割された部分円環部材を互いに組み合わせて円環状として成り、前記静止側円環は、周方向に分割されない全円環として成ると共に、前記静翼支持環から独立して径方向に膨張収縮自在であることを特徴とする。

また、前記静止側円環及び前記動翼の保守点検は、先ず上半部の前記静翼支持環を取り外し、続いて下半部の静翼支持環を軸周りに半回転させて取り外した後、さらに前記静止側円環を軸方向に移動させて行うようにしたことを特徴とする。

また、前記静止側円環は、その外周に設けられた嵌合穴に、車室ケーシングより突設する支持部材が嵌合することにより、車室に固定されることを特徴とする。

本発明によれば、水平分割車室における組立及び保守点検の容易さを大きく損なうことなく、動翼に相対する静止側円環の非円形変形を極力抑えて動翼先端隙間を小さくし、運転効率を高めることが可能な翼環構造を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。一般に、外周部（先端）にシュラウドがない動翼においては、これまで述べてきたように、動翼先端隙間が運転効率に大きく影響するので、これを管理することが最も重要となっている。

一方、静翼先端（内周部）と回転体との隙間も勿論重要であるが、静翼先端においてはロータ回転時に生じる遠心力の影響がないので、多くの場合先端にフィンを多数配設したり、ハニカムを用いたりして、回転体と接触しても損傷のないようにする等の対応が可能であり、動翼先端における場合と比較して、相対的に隙間管理の重要度は低い。

そこで、本発明では、動翼の先端と相対する部分と静翼を支える部分とを分離し、それぞれ静止側円環及び静翼支持環としている。そして、静止側円環は継ぎ目無し即ち周方向に分割されない全円環とする。さらに、静翼支持環は水平２分割或いはそれ以上の数に周方向に分割された部分円環部材を互いに組み合わせて円環状とした構成とする。

図１は、本発明の実施例１の翼環構造を示す縦断面図である。同図の下側が図示しない回転軸側であり、この回転軸に沿って切断した面が示されている。ここでは２段の高圧タービンに本発明を適用した例を示しているが、このような段数や圧力に限定されるものではなく、またタービンに限らず圧縮機その他の回転機械にも本発明は適用可能である。

同図において、１は第１段の静翼支持環、２は第２段の静翼支持環である。また、３は第１段の静止側円環、４は第２段の静止側円環である。同図に示すように、静止側円環３は静翼支持環２の内側に配置されている。そして、静翼支持環１と、静翼支持環２の内周面より内側へ向かって鍔状に突設している支持部２ａとで、静止側円環３が前後より挟み込まれている。

このとき、支持部２ａ前面の支持面２ａａで静止側円環３を軸方向に支持している。また、静止側円環４は、静翼支持環２の後部即ち作動流体の下流側に配置されている。なお１１は、静翼支持環１と２との間及び静翼支持環２と静止側円環４との間に配設され、作動流体の漏洩を防止する洩れ止め環である。

静翼支持環１及び２は、上述したように、水平２分割の構成としている。或いは、それ以上の数に分割した構成としても良い。また、静止側円環３及び４は、これも上述したように、継ぎ目無しの全円環の構成としている。一方、車室ケーシング１２の内周面より内側へ向かって、支持部１２ａ及び１２ｂがそれぞれ作動流体の上流側と下流側で鍔状に突設している。そして、支持部１２ａが静翼支持環２の外周溝２ｂに嵌合しつつ、支持部１２ａの内周前縁側の支持面１２ａａで静翼支持環２を軸方向に支持し、また支持部１２ｂの内周前縁側の支持面１２ｂａで静止側円環４を軸方向に支持している。

また、５は第１段の静翼、６は第２段の静翼である。静翼５はその一端に外側シュラウド５ａが設けられており、この外側シュラウド５ａが静翼支持環１内周側に嵌合固定されることにより、静翼５が取り付けられている。このような静翼５は、静翼支持環１の全周に渡って放射状に設けられている。同様にして、静翼６はその一端に外側シュラウド６ａが設けられており、この外側シュラウド６ａが静翼支持環２内周側に嵌合固定されることにより、静翼６が取り付けられている。このような静翼６は、静翼支持環２の全周に渡って放射状に設けられている。

さらに、静止側円環３の内周側には、動翼９先端に相対する分割環７が嵌合により全周に渡って設けられており、環状を成している。同様にして、静止側円環４の内周側には、動翼１０先端に相対する分割環８が嵌合により全周に渡って設けられており、環状を成している。

図２は、静止側円環の取付状態を模式的に示す斜視図である。同図に示すように、静止側円環４は、外周の水平部分両側に嵌合穴ｈが開けられており、また上下に嵌合穴ｖが開けられている。そして、車室ケーシング（不図示）側より突設するキー１３が両側の嵌合穴ｈにそれぞれ嵌合し、またピン１４が上下の嵌合穴ｖに嵌合して、静止側円環４が車室に固定される。この場合、静止側円環が加熱，冷却により膨張，収縮することに鑑み、その半径方向にスライド自由であるように、これらキー及びピンにより支持される。なお、ここでは図示しない静止側円環３の場合も同様である。

図３は、静止側円環の取付状態を軸方向より模式的に示す分解断面図である。同図に示すように、静止側円環４は、車室ケーシング１２の水平部分両側に取り付けられたキー１３、及び車室ケーシング１２上下の貫通穴１２ｃを外側より貫通したピン１４により支持される。一方、静止側円環３の場合は、静翼支持環２の水平部分両側に取り付けられたキー１３、及び車室ケーシング１２上下の貫通穴１２ｃを外側より貫通し更には静翼支持環２上下の貫通穴（不図示）を外側より貫通したピン１４により支持されることとなる。

なお、上側又は下側のピン１４は省略しても良い。また、静翼支持環の水平２分割構造により生じる非円形変形は、その縦中心線に対して対称と考えられるので、各分割部分が真の円弧形状でなくなっても中心は充分正しく保持される。

図４は、車室ケーシングと静翼支持環の配置関係を模式的に示す斜視図である。ここでは下側の車室ケーシング１２の支持部１２ａに、下側の静翼支持環２が填め込まれた状態を示している。また、下側の車室ケーシング１２の支持部１２ｂ及び下側の静翼支持環２それぞれの水平分割面に、キー１３が設けられた様子を示している。さらに、支持部１２ｂに連設された下側の上記貫通穴１２ｃを描いている。なお、５ｂは静翼５の内側シュラウドである。ここでは回転側との隙間管理の構造（フィンやハニカム等）については図示を省略している。また、２ｃは静翼支持環２の水平分割面に開けられた、上下の位置決め用ピン穴である。

図１に戻って、保守点検を行う場合は、まず、上側の車室ケーシング１２を取り外し、更に上側の静翼支持環１及び２をそれぞれ取り外す。続いて、下側の静翼支持環１及び２をそれぞれ軸周りに半回転させて取り外す。さらに、作動流体上流側（図の左側）に位置する図示しない燃焼器を取り除いた後、そこに生じた空間まで静止側円環３及び４を移動させる。この状態で、それぞれの内周側に設けられた分割環７及び８の点検を行うとともに、静止側円環３及び４の移動により顕現した動翼９及び１０の点検を行う。また、各部品の取り付け，取り外しも同様の要領で行うことができる。

この場合、車室ケーシング１２の支持部１２ａの内径Ｄは、静止側円環４の外径よりも半径差ΔＲで若干大きくなっているので、静止側円環４は支持部１２ａと接触することなく、スムーズに軸方向に移動させることができる。なお、組立を行う場合は、上記保守点検の場合と逆の手順で各部を組み立てて行けば良い。

なお、特許請求の範囲で言う支持部材は、実施例におけるキー１３やピン１４に対応している。

本発明の実施例１の翼環構造を示す縦断面図。 静止側円環の取付状態を模式的に示す斜視図。 静止側円環の取付状態を軸方向より模式的に示す分解断面図。 車室ケーシングと静翼支持環の配置関係を模式的に示す斜視図。

符号の説明

１，２ 静翼支持環
３，４ 静止側円環
５，６ 静翼
７，８ 分割環
９，１０ 動翼
１１ 洩れ止め環
１２ 車室ケーシング
１３ キー
１４ ピン

Claims (3)

1. 動翼の先端と相対する静止側円環と、静翼を支える静翼支持環とが互いに軸方向に重ねられて静止側円環及び静翼支持環との内周側に流路が構成され、
   前記静翼支持環は、周方向に複数に分割された部分円環部材を互いに組み合わせて円環状として成り、
   前記静止側円環は、周方向に分割されない全円環として成ると共に、前記静翼支持環から独立して径方向に膨張収縮自在であることを特徴とする翼環構造。
2. 前記静止側円環及び前記動翼の保守点検は、先ず上半部の前記静翼支持環を取り外し、続いて下半部の静翼支持環を軸周りに半回転させて取り外した後、さらに前記静止側円環を軸方向に移動させて行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の翼環構造。
3. 前記静止側円環は、その外周に設けられた嵌合穴に、車室ケーシングより突設する支持部材が嵌合することにより、車室に固定されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の翼環構造。

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