JP6380845B2

JP6380845B2 - 回転機械

Info

Publication number: JP6380845B2
Application number: JP2014259240A
Authority: JP
Inventors: 富井　正幸; 正幸富井; 大山　宏治; 宏治大山
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2014-12-22
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2034-12-22
Also published as: JP2016118178A

Description

本発明は、周方向に並ぶ複数の動翼で構成される動翼列を備える回転機械に関する。

回転機械の一種である蒸気タービンは、軸線を中心に回転するロータと、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ているロータ軸と、このロータ軸に取り付けられている複数の動翼列と、を有する。動翼列は、軸線に対する周方向に並ぶ複数の動翼で構成されている。動翼は、軸線に対する径方向に延びる翼体と、翼体の径方向内側に設けられているプラットフォームと、このプラットフォームの径方向内側に設けられている翼根と、翼体の径方向外側に設けられている外側シュラウドと、を有する。プラットフォームの径方向外側と外側シュラウドの径方向内側との間には、蒸気が流れる。

このような蒸気タービンでは、運転中、各動翼に蒸気からの励振力が作用する。このため、従来、蒸気タービンの運転中、周方向で隣り合う動翼の外側シュラウド相互を接触させている。この外側シュラウド相互の接触による摩擦力は、励振力による動翼の振動、すなわち動翼の振動応答を減衰させる。

以下の特許文献１では、蒸気タービン運転中に外側シュラウド相互に所定の摩擦力が生じるよう、蒸気タービン静止時における外側シュラウドの相互間の隙間寸法を厳格に管理している。また、この他、複数の動翼をロータ軸に組み付ける際に、周方向で隣り合う動翼の外側シュラウド相互を接触させておく技術もある。

特開平１１−０１３４０１号公報

上記特許文献１に記載の技術等では、蒸気タービンの運転中に動翼の振動応答を減衰させることができる。蒸気タービンの製造メーカーでは、運転中に動翼の振動応答を減衰させることのみならず、複数の動翼をロータ軸に組み付ける組付工数等の製造工数を抑えることが望まれている。

そこで、本発明は、製造工数を抑えつつも、動翼の振動応答を減衰させることができる回転機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための発明の第一態様としての回転機械は、
軸線を中心として回転するロータと、前記ロータを覆うケーシングと、前記ケーシングの外周側に配置されている磁石と、を備え、前記ロータは、前記軸線を中心として軸方向に延びているロータ軸と、前記軸線に対する周方向に並ぶ複数の動翼で構成される動翼列と、を有し、前記動翼における前記軸線に対する径方向の外側の外側端部は、導電性を有し、温度上昇に応じて前記周方向で隣り合う動翼の外側端部と接触可能に構成され、前記磁石は、前記動翼列を構成する複数の前記動翼の前記外側端部に磁場が形成されるよう、前記ケーシング中、前記軸方向で前記動翼列が存在する領域と重なる領域に設けられている。

当該回転機械では、ロータが回転し始めると、磁石により形成される磁場内を動翼の外側端部が通過する。このため、ロータが回転し始めると、外側端部内には、周期的に変化する磁場が形成される。この外側端部には、磁場変化に伴って渦電流が発生する。よって、外側端部は、発熱し、この発熱による温度上昇で熱膨張する。この結果、外側端部の一部は、周方向で隣り合う動翼の外側端部の一部と接触する。

従って、当該回転機械では、周方向で隣り合う外側端部相互の接触による摩擦力で、動翼の振動応答を減衰させることができる。

また、当該回転機械では、複数の動翼をロータ軸に組み付ける際に、外側端部相互を接触させなくても、さらに、回転機械静止時における外側端部の相互間の隙間寸法を厳格に管理しなくても、ロータが回転し始めれば、外側端部相互を接触させることができる。よって、当該回転機械では、複数の動翼をロータ軸に組み付ける組付工数等の製造工数を抑えることができる。

上記目的を達成するための発明の第二態様としての回転機械は、
前記第一態様としての前記回転機械において、複数の前記動翼の前記外側端部に前記磁場が形成される第一状態と、複数の前記動翼の外側端部に前記磁場が形成されない第二状態とに切り替える切替器を備える。

磁石により外側端部に磁場形成している状態では、回転しているロータに対して、この回転を止めようとする力が作用する。また、一般的に、回転機械では、定格回転数時、動翼の振動応答が小さくなるよう設計されている。このため、多くの場合、回転機械の回転数を定格回転数まで上昇させる過程や、定格回転数から低下させる過程で、動翼の振動応答が大きくなる。よって、ロータが回転しているとき、外側端部に常時磁場を形成しておくよりも、動翼の振動応答が大きくなるときに、外側端部に磁場を形成する方が、回転機械の効率等の点から好ましい。

当該回転機械では、切替器を備えているので、動翼の振動応答が小さいときに、外側端部に磁場を形成せず、動翼の振動応答が大きいときに、外側端部に磁場を形成することができる。このため、当該回転機械では、動翼の振動応答を抑えつつも、回転機械の効率低下を抑えることができる。

ここで、前記切替器を備える前記回転機械において、前記切替器は、前記動翼列と前記磁石との間に配置されている継鉄と、前記磁石と前記継鉄とで閉磁路が形成される閉状態と、前記磁石と前記継鉄とで開磁路が形成されている開状態との間で、前記継鉄に対して前記磁石を相対変位させる変位機構と、を有してもよい。

前記変位機構を備える前記回転機械において、前記切替器は、互いに間隔をあけて配置されている複数の前記継鉄を有し、複数の継鉄の相互間隔は、各継鉄と前記動翼との間の最少間隔より大きく、前記変位機構は、前記閉状態で、前記磁石の各磁極を複数の継鉄のうちの一の継鉄のみに対向させ、前記開状態で、前記磁石の各磁極をそれぞれ異なる継鉄に対向させてもよい。

また、前記第二態様としての前記回転機械において、前記磁石は、電磁石であり、前記切替器は、前記電磁石へ駆動電力を供給する電源回路を有してもよい。

また、前記切替器を有する、以上のいずれかの前記回転機械において、外部からの入力した前記ロータの回転数に応じて、前記切替器の動作を制御する制御器を備えてもよい。

前述したように、一般的に、回転機械の回転数を定格回転数まで上昇させる過程や、定格回転数から低下させる過程で、動翼の振動応答が大きくなる。このため、ロータの回転数に応じて、切替器の動作を制御することで、好ましいタイミングで動翼の振動応答を減衰させることができる。

また、前記切替器を有する、以上のいずれかの前記回転機械において、前記動翼の前記外側端部の温度、又は前記外側端部の温度と相関性を有する温度である相関温度を検知する温度計と、前記温度計により検知された前記温度に応じて、前記切替器の動作を制御する制御器と、を備えてもよい。

外側端部の周方向の膨張量は、大きすぎても小さくすぎても、動翼の振動応答を抑える効果が低くなる。言い換えると、外側端部の周方向の膨張量は、適切な大きさのとき、動翼の振動応答を抑える効果が高くなる。外側端部の周方向の膨張量は、相関温度とほぼ比例する。従って、相関温度が所定の範囲内のときには、振動応答減衰効果が高く、この範囲外のときに振動応答減衰効果が低くなる。このため、相関温度に応じて、切替器の動作を制御することで、動翼の振動応答を効果的に減衰させることができる。

また、以上のいずれかの前記回転機械において、前記外側端部は、本体と、導電性を有し、温度変化に対する前記周方向への伸長量が前記本体よりも大きい伸長部材と、を有し、前記外側端部は、温度上昇に伴う前記伸長部材の伸長により、周方向で隣り合う動翼の外側端部と接触してもよい。

また、以上のいずれかの前記回転機械において、前記動翼列と前記磁石との間に、互いに間隔をあけて配置されている複数の継鉄を有し、前記磁石の各磁極は、それぞれ互いに異なる継鉄に対向し、複数の前記継鉄の相互間隔は、各継鉄と前記動翼との間の最少間隔より大きくてもよい。

また、以上のいずれかの前記回転機械において、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における外側端に設けられている外側シュラウドと、を有し、
前記外側シュラウドは、前記外側端部を成してもよい。

また、以上のいずれかの前記回転機械において、前記ロータは、蒸気タービンロータであり、前記ケーシングは、蒸気タービンケーシングであってもよい。

本発明の一態様によれば、製造工数を抑えつつも、動翼の振動応答を減衰させることができる。

本発明に係る第一実施形態における蒸気タービンの模式的な断面図である。本発明に係る第一実施形態における動翼列の斜視図である。図１におけるIII−III線断面図である。本発明に係る第一実施形態における蒸気タービンの外周側部分の断面図である。本発明に係る第一実施形態で、外側シュラウド相互が接触していないときの径方向外側から見た動翼列を示す図である。本発明に係る第一実施形態で、外側シュラウド相互が接触しているときの径方向外側から見た動翼列を示す図である。本発明に係る第二実施形態における蒸気タービンの外周側部分の断面図である。本発明に係る第二実施形態で、外側シュラウド相互が接触していないときの径方向外側から見た動翼列を示す図である。本発明に係る第二実施形態で、外側シュラウド相互が接触しているときの径方向外側から見た動翼列を示す図である。本発明に係る第二実施形態の変形例で、外側シュラウド相互が接触しているときの径方向外側から見た動翼列を示す図である。本発明に係る第三実施形態における蒸気タービンの外周側部分の断面図である。本発明に係る第三実施形態で、磁場が形成さている第一状態のときの径方向外側から見た磁石及び切替器を示す図である。本発明に係る第三実施形態で、磁場が形成さていない第二状態のときの径方向外側から見た磁石及び切替器を示す図である。本発明に係る第四実施形態における蒸気タービンの外周側部分の断面図である。本発明に係る第五実施形態における蒸気タービンの外周側部分の断面図である。シュラウド相関温度と振動応答減衰効果との関係を示すグラフである。

以下、本発明の各種実施形態及び変形例について、図面を参照して詳細に説明する。

「第一実施形態」
本発明に係る回転機械の第一実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。

本実施形態の回転機械は、蒸気タービンである。この蒸気タービンは、図１に示すように、軸線Ａｒを中心として回転する蒸気タービンロータ（以下、単にロータとする）１０と、このロータ１０を回転可能に覆う蒸気タービンケーシング（以下、単にケーシングとする）３０と、ケーシング３０の外周側に配置されている複数の磁石４０と、を備えている。なお、以下では、軸線Ａｒが延びている方向を軸方向Ｄａ、軸線Ａｒに対する周方向を単に周方向Ｄｃ、軸線Ａｒに対する径方向を単に径方向Ｄｒとする。また、軸方向Ｄａの一方側を上流側、軸方向Ｄａの他方側を下流側とする。

ケーシング３０には、上流側部分にケーシング３０内に蒸気ＳＴを導く蒸気入口３１が形成され、下流側部分にはケーシング３０内を通った蒸気ＳＴを外部に排出する蒸気出口３２が形成されている。このケーシング３０は、磁性材料である、例えば、Ｃｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼、フェライト系ステンレス等で形成されている。

ロータ１０は、軸線Ａｒを中心として軸方向Ｄａに延びているロータ軸１１と、軸方向Ｄａに並んでいる複数の動翼列１２と、を有する。複数の動翼列１２は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでロータ軸１１の外周に取り付けられている複数の動翼１３により構成されている。蒸気タービンは、さらに、各動翼列１２の上流側に配置されている静翼列３８を備えている。複数の静翼列３８は、いずれも、周方向Ｄｃに並んでケーシング３０の内周に取り付けられている複数の静翼３９により構成されている。

動翼１３は、図２に示すように、径方向Ｄｒに延びている翼体１４と、翼体１４の径方向Ｄｒ内側に設けられているプラットフォーム１５と、このプラットフォーム１５の径方向Ｄｒ内側に設けられている翼根１６と、この翼体１４の径方向Ｄｒ外側に設けられている外側シュラウド１７と、を有する。外側シュラウド１７は、動翼１３の径方向外側端部を成す。外側シュラウド１７は、その温度が常温でロータ１０が停止している状態では、図５に示すように、周方向Ｄｃで隣り合う動翼１３の外側シュラウド１７と非接触である。また、この外側シュラウド１７は、図６に示すように、温度上昇に伴う熱膨張により周方向Ｄｃで隣り合う動翼１３の外側シュラウド１７の一部１８と接触するよう、その形状及びサイズが定められている。図２に示すように、プラットフォーム１５の径方向Ｄｒ外側と外側シュラウド１７の径方向Ｄｒ内側との間には、蒸気ＳＴが流れる。よって、プラットフォーム１５と外側シュラウド１７とは、蒸気ＳＴが流れる蒸気流路を画定する。この動翼１３は、導電性を有する、例えば、Ｃｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ−Ｖ鋼、フェライト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金等で形成されている。

複数の磁石４０は、図１に示すように、複数の動翼列１２のうちいずれかの動翼列１２が存在する軸方向Ｄａの領域と重なる領域に配置されている。複数の磁石４０は、図３に示すように、ケーシング３０の外周側に、周方向Ｄｃに間隔をあけて配置されている。

磁石４０は、図４に示すように、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極がこの順序で周方向Ｄｃに並び、且つ各磁極が径方向Ｄｒ内側を向いて、動翼１３の外側シュラウド１７内に磁場Ｍが形成されるよう、ケーシング３０の外側に固定されている。

ロータ１０が回転し始めると、磁石４０により形成される磁場Ｍ内を外側シュラウド１７が通過する。このため、ロータ１０が回転し始めると、外側シュラウド１７内には、周期的に変化する磁場Ｍが形成される。この外側シュラウド１７には、磁場Ｍ変化に伴って渦電流が発生する。よって、外側シュラウド１７は、発熱し、この発熱による温度上昇で熱膨張する。この結果、外側シュラウド１７の一部は、図６に示すように、周方向Ｄｃで隣り合う動翼１３の外側シュラウド１７の一部１８と接触する。

本実施形態では、以上のように、外側シュラウド１７相互の接触よる摩擦力で、動翼１３の振動応答を減衰させることができる。

また、本実施形態では、複数の動翼１３をロータ軸１１に組み付ける際に、周方向Ｄｃで隣り合う動翼１３の外側シュラウド１７相互を接触させなくても、さらに、蒸気タービン静止時における外側シュラウド１７の相互間の隙間寸法を厳格に管理しなくても、ロータ１０が回転し始めれば、外側シュラウド１７相互を接触させることができる。よって、本実施形態では、複数の動翼１３をロータ軸１１に組み付ける組付工数等の製造工数を抑えることができる。

また、本実施形態では、蒸気タービンの静止系であるケーシング３０の外周側に磁石４０を設置しているので、蒸気タービンを容易にメインテナンスすることができる。

「第二実施形態」
本発明に係る回転機械の第二実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。

本実施形態の回転機械も、蒸気タービンである。本実施形態の蒸気タービンは、外側シュラウドの構成のみが第一実施形態と異なっており、その他の構成は第一実施形態の蒸気タービンの構成と同様である。

本実施形態の外側シュラウド１７ａは、図７及び図８に示すように、第一実施形態の外側シュラウド１７と外観形状がほぼ同じシュラウド本体２１と、温度変化に対する周方向Ｄｃへの伸長量がシュラウド本体２１よりも大きい伸長部材２５と、を有する。

シュラウド本体２１には、周方向Ｄｃで互いに相反する側を向いている一対の側面２２ａ，２２ｂが形成されている。シュラウド本体２１の一対の側面２２ａ，２２ｂのうち、一方の側面２２ａには、他方の側面２２ｂ側に凹む、言い換えると周方向Ｄｃに凹む挿入凹部２３が形成されている。伸長部材２５は、この挿入凹部２３に挿入可能に柱状を成している。常温時における挿入凹部２３の深さと伸長部材２５の長手方向の長さは、ほぼ同じである。このため、シュラウド本体２１及び伸長部材２５が共に常温の際には、伸長部材２５のほぼ全体が挿入凹部２３内に収まる。また、常温時、挿入凹部２３の深さと伸長部材２５の長手方向の長さは、周方向Ｄｃで隣り合う外側シュラウド１７ａの本体相互間の隙間よりも大きい。

伸長部材２５は、導電性を有し、且つ線膨張係数がシュラウド本体２１の線膨張係数よりも大きい材料で形成されている。このように、伸長部材２５は、その線膨張係数がシュラウド本体２１の線膨張係数よりも大きいため、温度変化に対する周方向Ｄｃへの伸長量がシュラウド本体２１よりも大きい。Ｃｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ−Ｖ鋼、フェライト系ステンレス鋼の線膨張係数は、温度にもよるが、１００℃以上の際、１０．０〜１３．５×１０^−６／℃である。これに対して、オーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数は、１００℃以上の際、１７．５〜２０．０×１０^−６／℃である。このため、例えば、シュラウド本体２１をＣｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｗ−Ｖ鋼、フェライト系ステンレス鋼で形成する場合、伸長部材２５をオーステナイト系ステンレス鋼で形成することができる。

本実施形態でも、上記第一実施形態と同様、ロータ１０が回転し始めると、外側シュラウド１７ａは、発熱による温度上昇で熱膨張する。外側シュラウド１７ａの伸長部材２５は、前述したように、シュラウド本体２１よりも、温度変化に対する周方向Ｄｃの伸長量が大きい。このため、伸長部材２５の一部が、図９に示すように、挿入凹部２３から周方向Ｄｃに突出し、周方向Ｄｃで隣り合う動翼１３の外側シュラウド１７ａの一部と接触する。

このため、本実施形態でも、上記第一実施形態と同様、製造工数を抑えつつも、動翼１３の振動応答を減衰させることができる。

「第二実施形態の変形例」
上記第二実施形態の変形例について、図１０を参照して説明する。

上記第二実施形態では、柱状の伸長部材２５のみがシュラウド本体２１の挿入凹部２３に挿入されている。本変形例では、温度変化に対する周方向Ｄｃへの伸長量がシュラウド本体２１よりも大きい伸長部材２６と、この伸長部材２６の伸長により挿入凹部２３から一部が突出する突出部材２７とが、挿入凹部２３に挿入されている。よって、本変形例の外側シュラウド１７ｂは、挿入凹部２３が形成されているシュラウド本体２１と、伸長部材２６と、突出部材２７と、を有している。

本変形例の伸長部材２６は、バイメタルで形成されている。すなわち、本変形例の伸長部材２６は、線膨張係数が異なる二つの金属板を張り合わせたものである。突出部材２７は、上記第二実施形態の伸長部材２６と同様に、シュラウド本体２１の挿入凹部２３に挿入可能に柱状を成している。この突出部材２７は、例えば、シュラウド本体２１と同じ材料で形成されている。

本変形例でも、上記第二実施形態と同様、ロータ１０が回転し始めると、外側シュラウド１７ｂは、発熱による温度上昇で熱膨張する。外側シュラウド１７ｂの伸長部材２６は、前述したように、シュラウド本体２１よりも、温度変化に対する周方向Ｄｃの伸長量が大きい。このため、伸長部材２６の伸長により、突出部材２７の一部が、挿入凹部２３から周方向Ｄｃに突出し、周方向Ｄｃで隣り合う動翼１３の外側シュラウド１７ｂの一部と接触する。

このため、本変形例でも、上記第一実施形態及び上記第二実施形態と同様、製造工数を抑えつつも、動翼１３の振動応答を減衰させることができる。

また、本変形例では、突出部材２７は、線膨張係数がシュラウド本体２１の線膨張係数よりも大きい材料で形成されている必要がない。このため、本変形例では、蒸気に晒される突出部材２７をシュラウド本体２１と同一材料で形成することができる。但し、この突出部材２７を、線膨張係数がシュラウド本体２１の線膨張係数よりも大きい材料で形成してもよい。この場合、突出部材２７も伸長部材を形成することになる。

なお、上記第一実施形態、上記第二実施形態及び本変形例では、磁性材料であるＣｒ−Ｍｏ鋼、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼、フェライト系ステンレス等でケーシング３０を形成している。しかしながら、透磁性の低いオーステナイト系ステンレス鋼、Ｎｉ基合金、Ｆｅ−Ｎｉ基合金等でケーシング３０を形成してもよい。この場合、ケーシング３０中で磁石４０と対向する領域の少なくとも一部を透磁性の高い材料で形成することが好ましい。

「第三実施形態」
本発明に係る回転機械の第三実施形態について、図１１〜図１３を参照して説明する。

本実施形態は、第一実施形態における蒸気タービンに、動翼列１２を構成する複数の動翼１３の外側シュラウド１７に磁石４０による磁場Ｍが形成されている第一状態（図１１及び図１２に示す）と、複数の動翼１３の外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されていない第二状態（図１３に示す）とに切り替える切替器５０を追加したものである。

切替器５０は、ケーシング３０中で磁石４０と対向する領域を形成する磁気スリット５１と、磁気スリット５１に対して磁石４０を相対変位させる変位機構５４と、を有する。

磁気スリット５１は、継鉄５２と非磁性体５３とを交互に周方向Ｄｃに並べたものである。継鉄５２及び非磁性体５３は、いずれも、軸方向Ｄａに長い直方体形状を成している。継鉄５２の数は、磁石４０の磁極が数と同じ数である。よって、磁気スリット５１は、３つの継鉄５２を有する。継鉄５２と非磁性体５３とは、その長手方向の辺を含む面を周方向Ｄｃに向け、この面で相互に接合されている。周方向Ｄｃで隣り合う二つの継鉄５２の相互間隔、言い換えると、非磁性体５３の周方向Ｄｃの幅Ｗは、この磁気スリット５１の内周面と外側シュラウド１７の径方向外側面との間隔Ｓよりも大きい。また、継鉄５２の長手方向長さは、Ｓ極とＮ極とが並んでいる方向の磁石４０の長さ以上である。

変位機構５４は、径方向Ｄｒに延びる仮想軸Ａｖ回りに磁石４０を回転させる機構である。この変位機構５４は、磁石４０に固定されている回転軸５５と、回転軸５５に固定されているリンク片５６と、軸線Ａｒを中心として環状を成しケーシング３０の外周側に配置されている可動環５７と、この可動環５７を軸線Ａｒを中心として回転させる駆動源５８と、を有する。

回転軸５５は、磁石４０の径方向Ｄｒ外側の面であって、Ｓ極とＮ極とが並んでいる方向での磁石４０の中心位置、本実施形態ではＮ極が存在する位置に固定されている。この回転軸５５の中心軸は、前述の仮想軸Ａｖである。回転軸５５は、ケーシング３０に対して、径方向Ｄｒ、軸方向Ｄａ及び周方向Ｄｃに移動不能で、仮想軸Ａｖ回りに回転可能にケーシング３０に取り付けられている。よって、磁石４０も、ケーシング３０に対して、径方向Ｄｒ、軸方向Ｄａ及び周方向Ｄｃに移動不能で、仮想軸Ａｖ回りに回転可能である。

リンク片５６は、第一端部５６ａと第二端部５６ｂとを有し、第一端部５６ａから第二端部５６ｂに向かって長い部材である。このリンク片５６の第一端部５６ａは、回転軸５５に固定されている。よって、このリンク片５６も、ケーシング３０に対して、径方向Ｄｒ、軸方向Ｄａ及び周方向Ｄｃに移動不能で、仮想軸Ａｖ回りに回転可能である。リンク片５６の第二端部５６ｂには、リンク片５６の長手方向に長い長孔５６ｈが形成されている。

可動環５７には、周方向Ｄｃに並ぶ複数の歯５７ｇが形成れている。駆動源５８は、モータ５８ｍと、このモータ５８ｍの出力軸に固定されている歯車５８ｇと、を有する。この歯車５８ｇは、可動環５７の複数の歯５７ｇと噛み合う。よって、可動環５７は、ラックアンドピニオン機構のラックを成す。また、歯車５８ｇがこのラックアンドピニオン機構のピニオンを成す。可動環５７には、径方向Ｄｒに延びるピン５７ｐが固定されている。このピン５７ｐは、リンク片５６の長孔５６ｈに挿通されている。なお、ここでは、駆動源５８の一部として、モータ５８ｍを用いているが、この替りに、例えば、油圧シリンダ等を用いてもよい。

以上で説明した変位機構５４の複数の構成要素のうち、駆動源５８及び可動環５７は、一つの動翼列１２に対して設けられている複数の磁石４０で共有する構成要素である。一方、変位機構５４の複数の構成要素のうち、リンク片５６及び回転軸５５は、複数の磁石４０毎に必要な構成要素である。

駆動源５８が駆動して、歯車５８ｇが回転すると、可動環５７が軸線Ａｒを中心として回転する。リンク片５６の第二端部５６ｂは、この可動環５７の回転により、周方向Ｄｃ成分を有する方向に移動する。リンク片５６は、前述したように、ケーシング３０に対して、径方向Ｄｒ、軸方向Ｄａ及び周方向Ｄｃに移動不能で、仮想軸Ａｖ回りに回転可能である。このため、リンク片５６は、周方向Ｄｃ成分を有する方向への第二端部５６ｂの移動により、仮想軸Ａｖ回りに回転する。このリンク片５６の仮想軸Ａｖ回りの回転により、リンク片５６の第一端部５６ａが固定されている回転軸５５、及び、この回転軸５５が固定されている磁石４０が仮想軸Ａｖ回りに回転する。

図１１及び図１２に示すように、磁石４０は、Ｓ極とＮ極とが並んでいる方向が周方向Ｄｃを向いている状態では、この磁石４０の各磁極は、それぞれ互いに異なる継鉄５２と対向している。このため、磁石４０の各磁極からの磁力線は、対応する継鉄５２を介して、外側シュラウド１７内を通る。よって、この状態では、磁石４０と継鉄５２とで、これらから磁力線が漏れ出る開磁路が形成されている。すなわち、この状態は、磁石４０と継鉄５２とで開磁路が形成されている開状態、言い換えると、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されている第一状態である。なお、二つの継鉄５２の相互間隔Ｗが、磁気スリット５１の内周面と外側シュラウド１７の径方向外側面との間隔Ｓ以下である場合、磁石４０の各磁極からの磁力線のほとんどが、磁極に対応する継鉄５２、この継鉄５２の隣接する継鉄５２を介して、他の磁極に戻ることになる。このため、開状態を確保するためには、二つの継鉄５２の相互間隔Ｗを、磁気スリット５１の内周面と外側シュラウド１７の径方向外側面との間隔Ｓより大きくする必要がある。

また、図１３に示すように、磁石４０は、Ｓ極とＮ極とが並んでいる方向が軸方向Ｄａを向いている状態では、この磁石４０の各磁極は、一つの継鉄５２のみに対向している。このため、磁石４０の各磁極からの磁力線は、この一つの継鉄５２を介して、他の磁極に戻り、外側シュラウド１７内をほとんど通らない。よって、この状態では、磁石４０と継鉄５２とで開磁路が形成されている。すなわち、この状態は、磁石４０と継鉄５２とで閉磁路が形成されている閉状態、言い換えると、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されていない第二状態である。

以上のように、本実施形態では、変位機構５４を駆動させることで、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されている第一状態と、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されていない第二状態とに切り替えることができる。

磁石４０により外側シュラウド１７に磁場Ｍを形成している状態では、回転しているロータ１０に対して、この回転を止めようとする力が作用する。また、一般的に、回転機械では、定格回転数時、動翼の振動応答が小さくなるよう設計されている。このため、多くの場合、回転機械の回転数を定格回転数まで上昇させる過程や、定格回転数から低下させる過程で、動翼の振動応答が大きくなる。よって、ロータ１０が回転しているときに、外側シュラウド１７に常時磁場Ｍを形成しておくよりも、動翼１３の振動応答が大きくなるときに、外側シュラウド１７に磁場Ｍを形成する方が、蒸気タービンの効率等の点から好ましい。

そこで、本実施形態では、変位機構５４を駆動させて、動翼１３の振動応答が大きくなるときに、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されている第一状態にし、動翼１３の振動応答が小さくなるときに、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されていない第二状態にする。よって、本実施形態では、動翼１３の振動応答を抑えつつも、蒸気タービンの効率低下を抑えることができる。

また、本実施形態では、一つの動翼列１２に対して設けられている複数の磁石４０毎の変位機構５４の一部の構成要素が複数の磁石４０で共有しているので、変位機構５４の簡素化を図ることができる。

本実施形態の変位機構５４は、径方向Ｄｒに延びる仮想軸Ａｖ回りに磁石４０を回転させるものである。しかしながら、変位機構は、磁石４０を周方向Ｄｃ又は軸方向Ｄａの移動させるものであってもよい。この場合、磁石４０の移動先で、磁石４０の各磁極が一つの継鉄のみに対向するよう、この継鉄を配置しておく。また、以上では、変位機構５４で磁石４０を変位させているが、変位機構で継鉄を変位させてもよい。

また、本実施形態は、第一実施形態の蒸気タービンに切替器５０を追加したものであるが、第二実施形態及びその変形例の蒸気タービンに、この切替器５０と同様の切替器を追加してもよい。

「第四実施形態」
本発明に係る回転機械の第四実施形態について、図１４を参照して説明する。

本実施形態の蒸気タービンは、磁石として電磁石４０ａを採用し、動翼列１２を構成する複数の動翼１３の外側シュラウド１７に電磁石４０ａによる磁場Ｍが形成される第一状態と、複数の動翼１３の外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されない第二状態とに切り替える切替器５０ａとして電源回路５９を備えているものである。

電磁石４０ａは、以上の実施形態における永久磁石４０と同形状の鉄心４１と、この鉄心４１の一部に装着したコイル４２と、を有する。電源回路５９は、このコイル４２に電力を供給する。

本実施形態では、動翼１３の振動応答が大きくなるときに、電源回路５９によりコイル４２に供給する電力をＯＮにして、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成される第一状態にする。また、動翼１３の振動応答が小さくなるときに、電源回路５９によりコイル４２に供給する電力をＯＮにして、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されていない第二状態にする。よって、本実施形態でも、第三実施形態と同様、動翼１３の振動応答を抑えつつも、蒸気タービンの効率低下を抑えることができる。

なお、本実施形態では、外側シュラウド１７に形成される磁場Ｍの強度を高めるために、電磁石４０ａと動翼列１２との間に、上記第三実施形態で説明した磁気スリット５１を配置している。しかしながら、例えば、第一実施形態のように、この磁気スリット５１を配置しなくてもよい。また、上記第一実施形態、上記第二実施形態、及びこれらの変形例で、磁石４０と動翼列１２との間に、上記第三実施形態で説明した磁気スリット５１を配置してもよい。この場合、ケーシング３０を透磁性の低いオーステナイト系ステンレス鋼等で形成してもよい。

また、第一実施形態、第二実施形態、及びこれらの変形例における磁石を、本実施形態と同様に電磁石にしてもよい。

「第五実施形態」
本発明に係る回転機械の第五実施形態について、図１５及び図１６を参照して説明する。

本実施形態は、第四実施形態における蒸気タービンに、外側シュラウド１７の温度と相関性を有する温度であるシュラウド相関温度を検知する温度計６１と、シュラウド相関温度及び蒸気タービンの回転数に応じて電源回路５９を制御する制御器６０と、を追加したものである。

温度計６１は、例えば、熱電対を有して構成されている。この温度計６１は、ケーシング３０中、軸方向Ｄａで動翼列１２が存在する位置に設けられている。この温度計６１は、その検知端がケーシング３０の内周側に露出している。よって、この温度計６１は、動翼列１２を構成する複数の動翼１３の外側シュラウド１７近傍の温度を検知することができる。言い換えると、この温度計６１は、動翼列１２を構成する複数の動翼１３の外側シュラウド１７の温度と正の相関性を有するシュラウド相関温度を検知することができる。なお、ここでは、温度計６１として熱電対を用いているが、温度を検知するものであれば如何なるものでもよく、例えば、放射温度計を用いてもよい。

外側シュラウド１７の周方向Ｄｃの膨張量は、大きすぎても小さくすぎても、動翼１３の振動応答を抑える効果が低くなる。言い換えると、外側シュラウド１７の周方向Ｄｃの膨張量は、適切な大きさのとき、動翼１３の振動応答を抑える効果が高くなる。外側シュラウド１７の周方向Ｄｃの膨張量は、シュラウド相関温度とほぼ比例する。従って、図１６に示すように、シュラウド相関温度が所定の範囲Ｔ内のときには、振動応答減衰効果が高く、この範囲Ｔ外のときに振動応答減衰効果が低くなる。

また、前述したように、回転機械の回転数を定格回転数まで上昇させる過程や、定格回転数から低下させる過程で、動翼の振動応答が大きくなる。このため、回転機械の回転数を定格回転数まで上昇させる過程中の所定の回転数範囲、及び、回転機械の回転数を定格回転数から低下させる過程中の所定の回転数範囲で、外側シュラウド１７に磁場Ｍが形成されている第一状態にすることが好ましい。

そこで、制御器６０は、シュラウド相関温度及び蒸気タービンの回転数に応じて電源回路５９を制御する。

具体的に、制御器６０には、温度計６１で検知されるシュラウド相関温度に関して、振動応答減衰効果が高い予め定められた温度範囲が設定されている。さらに、制御器６０には、回転数計６２で検知される蒸気タービンの回転数に関して、動翼１３の振動応答が大きくなる予め定めた回転数範囲が設定されている。制御器６０は、回転数計６２で検知された回転数が予め定められた回転数範囲でなければ、電源回路５９をオンにしない。すなわち、制御器６０は、回転数計６２で検知された回転数が予め定められた回転数範囲でなければ、磁場Ｍに関する第二状態を維持する。また、制御器６０は、回転数計６２で検知された回転数が予め定められた回転数範囲になると、温度計６１で検知されるシュラウド相関温度が予め定められた温度範囲Ｔ内に収まるよう、電源回路５９をオン、オフする。すなわち、制御器６０は、回転数計６２で検知された回転数が予め定められた回転数範囲になると、温度計６１で検知されるシュラウド相関温度が予め定められた温度範囲内に収まるよう、磁場Ｍに関する第一状態と第二状態との切替を実行する。

従って、本実施形態では、好ましいタイミングで動翼１３の振動応答を減衰させることができ、且つこの振動応答を効果的に減衰させることができる。

なお、本実施形態では、外側シュラウド１７近傍の温度を検知し、この温度に応じて電源回路５９を制御する。しかしながら、外側シュラウド１７自体の温度を検知することができれば、この温度に応じて電源回路５９を制御してもよい。

また、本実施形態では、シュラウド相関温度と蒸気タービンの回転数とに応じて電源回路５９を制御する。しかしながら、シュラウド相関温度と蒸気タービンの回転数とうち、いずれか一方のみで電源回路５９を制御してもよい。

また、本実施形態では、第四実施形態における切替器５０ａとしての電源回路５９を制御するものであるが、第三実施形態における切替器５０を以上と同様に制御してもよい。

「各種変形例」
以上の実施形態及び変形例では、いずれも、外側シュラウドに磁界Ｍを形成する際、磁石の両磁極が周方向Ｄｃに並ぶよう磁石を配置している。しかしながら、磁石の両極が軸方向Ｄａに並ぶよう磁石を配置してもよい。

また、以上の実施形態及び変形例では、いずれも、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極を有する磁石である。しかしながら、Ｓ極、Ｎ極のそれぞれ一ずつ有する磁石であってもよい。

以上の実施形態及び変形例では、いずれも、複数の動翼列１２のうち、一部の動翼列１２にのみ磁石４０を配置しているが、全ての動翼列１２に対して磁石４０を配置してもよい。

以上の実施形態及び変形例では、いずれも、一の動翼列１２を構成する複数の動翼１３の外側シュラウド１７を発熱させるために、周方向Ｄｃにおける所定の位置には、１つの磁石を配置している。しかしながら、１個の磁石４０では外側シュラウド１７の軸方向Ｄａにおける全体をほぼ均等に発熱させることができない場合には、周方向Ｄｃにおける所定の位置に、軸方向Ｄａに複数の磁石を並べて配置してもよい。

以上の実施形態及び変形例では、いずれも、一の動翼列１２の外側シュラウド１７を発熱させるために、周方向Ｄｃに複数の磁石を並べて配置している。しかしながら、一の動翼列１２の外側シュラウド１７を適切な温度にまで発熱させることができれば、磁石の数は１でもよく、磁石の数は特に限定されない。

また、以上では、回転機械として蒸気タービンを例示したが、動翼列を有する回転機械であれば、例えば、軸流圧縮機等、他の回転機械に本発明を適用してもよい。

１０：ロータ（蒸気タービンロータ）、１１：ロータ軸、１２；動翼列、１３：動翼、１４：翼体、１５：プラットフォーム、１６：翼根、１７，１７ａ，１７ｂ：外側シュラウド（外側端部）、２１：シュラウド本体、２３：挿入凹部、２５，２６：伸長部材、２７：突出部材、３０：ケーシング（蒸気タービンケーシング）、３８：静翼列、３９：静翼、４０：磁石、４０ａ：電磁石、４１：鉄心、４２：コイル、５０，５０ａ：切替器、５１：磁気スリット、５２：継鉄、５３：非磁性体、５４：変位機構、５９：電源回路、６０：制御器、６１：温度計、６２：回転数計

Claims

軸線を中心として回転するロータと、
前記ロータを覆うケーシングと、
前記ケーシングの外周側に配置されている磁石と、
を備え、
前記ロータは、前記軸線を中心として軸方向に延びているロータ軸と、前記軸線に対する周方向に並ぶ複数の動翼で構成される動翼列と、を有し、
前記動翼における前記軸線に対する径方向の外側の外側端部は、導電性を有し、温度上昇に応じて前記周方向で隣り合う動翼の外側端部と接触可能に構成され、
前記磁石は、前記動翼列を構成する複数の前記動翼の前記外側端部に磁場が形成されるよう、前記ケーシング中、前記軸方向で前記動翼列が存在する領域と重なる領域に設けられている、
回転機械。
請求項１に記載の回転機械において、
複数の前記動翼の前記外側端部に前記磁場が形成される第一状態と、複数の前記動翼の外側端部に前記磁場が形成されない第二状態とに切り替える切替器を備える、
回転機械。
請求項２に記載の回転機械において、
前記切替器は、
前記動翼列と前記磁石との間に配置されている継鉄と、
前記磁石と前記継鉄とで閉磁路が形成される閉状態と、前記磁石と前記継鉄とで開磁路が形成されている開状態との間で、前記継鉄に対して前記磁石を相対変位させる変位機構と、
を有する、
回転機械。
請求項３に記載の回転機械において、
前記切替器は、互いに間隔をあけて配置されている複数の前記継鉄を有し、
複数の継鉄の相互間隔は、各継鉄と前記動翼との間の最少間隔より大きく、
前記変位機構は、前記閉状態で、前記磁石の各磁極を複数の継鉄のうちの一の継鉄のみに対向させ、前記開状態で、前記磁石の各磁極をそれぞれ異なる継鉄に対向させる、
回転機械。
請求項２に記載の回転機械において、
前記磁石は、電磁石であり、
前記切替器は、前記電磁石へ駆動電力を供給する電源回路を有する、
回転機械。
請求項２から５のいずれか一項に記載の回転機械において、
外部からの入力した前記ロータの回転数に応じて、前記切替器の動作を制御する制御器を備える、
回転機械。
請求項２から６のいずれか一項に記載の回転機械において、
前記動翼の前記外側端部の温度、又は前記外側端部の温度と相関性を有する温度である相関温度を検知する温度計と、
前記温度計により検知された前記温度に応じて、前記切替器の動作を制御する制御器と、
を備える、
回転機械。
請求項１から７のいずれか一項に記載の回転機械において、
前記外側端部は、本体と、導電性を有し、温度変化に対する前記周方向への伸長量が前記本体よりも大きい伸長部材と、を有し、
前記外側端部は、温度上昇に伴う前記伸長部材の伸長により、周方向で隣り合う動翼の外側端部と接触する、
回転機械。
請求項１、２、５のいずれか一項に記載の回転機械において、
前記動翼列と前記磁石との間に、互いに間隔をあけて配置されている複数の継鉄を有し、
前記磁石の各磁極は、それぞれ互いに異なる継鉄に対向し、
複数の前記継鉄の相互間隔は、各継鉄と前記動翼との間の最少間隔より大きい、
回転機械。
請求項１から９のいずれか一項に記載の回転機械において、
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における外側端に設けられている外側シュラウドと、を有し、
前記外側シュラウドは、前記外側端部を成す、
回転機械。
請求項１から１０のいずれか一項に記載の回転機械において、
前記ロータは、蒸気タービンロータであり、
前記ケーシングは、蒸気タービンケーシングである、
回転機械。