JPS5949401B2 - タ−ビンおよび圧縮機の動的な出力限界を高める方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は囲い板を備えた回転羽根を有しかつ回転する構
成部分と定置の構成部分との間の半径方向の隙間内に、
半径方向の絞り個所を備えた複数のパツキン部材から成
るパツキン室を有するラビリンスシールを備えたガスタ
ービン、蒸気タービン又はガス圧縮機の動的な要するに
振動によって制限される出力限界を高める方法及び装置
に関する。

熱的なターボ機械の回転子では、自励振動が、繰返し生
じる現象として長い間知られてきた。

この種の自励振動の外的な特徴は、静的に回転する機械
の所定回転数または所定負荷状態で突然に生じ、かつ同
様に、臨界範囲を下回ると突然消失することである。

発生した振動の振動数は常に回転子の最初の臨界回転数
に相応している。

本発明で使用する「動的な出力限界」という言葉は、そ
れ以後回転子の回転の安定性が失われるということを意
味している。

このばあい要するに、物理学的に見てタービン軸または
圧縮機軸の固有振動の発生時にわずかな障害によって、
著しく大きな振幅に至る自励振動が生じる。

機械装置の特に軸受け、シール装置および回転子のよう
な重要な部分を危険にさらすことなしには臨界出力以上
に負荷を増大させることが不可能であるので、申し分の
ない要するに最大設計出力を越えた臨界出力を得るため
には回転子軸に相応の強度を与えるように設計すること
が知られている。

しかしこのことのためには多（のばあい比較的強度の高
い回転子が必要となり、これによって材料費の増大を招
く。

さらに、隙間損失流による蒸気側の連続励振に関連して
従来では隙間損失による励振がタービンの設計時に考慮
されたに過ぎない。

隙間励振という言葉で表現されるこの励振のメカニズム
は１例えば***国の雑誌”Ｍｉｔｔｅｉｌｕｎｇ ｄｅ
ｒ ＶＧＢ、第４巻−１９７１年８月刊行、第２８８〜
２９０頁に。

「タービンロータの固有振動」と題する論文の「隙間励
振」の章に詳しく論じられている。

この論文によれば、「この現象は、タービンロータがケ
ーシング若しくは案内格子に対して相対的に偏心すると
、タービンロータに不均一な周方向力が作用するという
物理現象によって説明できる。

第１近似として、周方向に沿って半径方向の隙間幅が種
々異なる大きさとなり、このような異なる大きさの隙間
によって種々異なる隙間損失が生じるからであると見る
ことができる。

各羽根の周方向力を合成すると、この合力は、ロータ軸
のたわみに対して垂直に向き、同極的な運動（たわみを
有するロータ軸線が、たわみのない理想的なロータ軸線
を中心に公転する運動）の場合は、常に角９０°前方に
位置する。

これによって系は自励振動に傾き、減衰によるエネルギ
消費が系に励振力を与える作用力に比して小さい限り、
自励振動が生じる」と述べられている。

さらにまた、スタッフィングボックスおよびラビリンス
シール内の隙間損失流が隙間励振に類似した励振を発生
せしめることが知られている。

安定度限界へのこの励振の影響は従来あまり注目されて
いない。

しかるに実験の示すところＫよれば、タービンのラビリ
ンスシール部材内の流れの圧力経過からも少なからぬ固
有振動励起力が予期される。

実験には、高価なラビリンスシールが使用され、しかも
圧力分布による励振の強度は最大で隙間損失による励振
の２倍にまで達した。

偏心的なシール部材内の圧力分布は、ねじれのない供給
流および不動の壁を前提とすれば知られておりかつ研究
されている。

第１図に示すように、純軸方向で通流するこれらシール
部材では、圧力分布が最狭個所に対して対称的に生じる
。

そのばあい、このばあいではさして重要でない戻し力Ｒ
が生じるが、しかしながら偏向方向に対して直角な横方
向力Ｑは生ぜず、このため励振に関連した振動励起力も
生じない。

このことから、タービンにおける実際上の振舞いが第１
図に示す振舞いと異なっているところに、実際に前記実
験によって確かめられた振動励起作用の原因が求められ
なければならない。

タービン段内には案内羽根車出口のところのねじれによ
って、かつまた回転子、および囲い板に作用する推力に
よって、回転子の回転方向で作用する。

隙間損失流の周方向成分が発生する。

それゆえ、タービンシール時に確かに存在する。

最狭個所に対する対称的な位置からの圧力分布のずれの
原因が隙間損失流の周方向成分のうちに求められなけれ
ばならないことが予測される。

この種の圧力分布を第２図に略示するが、このばあいさ
らに隙間損失流内には平均の周方向成分Ｃｕ、圧力分布
からの合力Ｒ１横方向力Ｑおよび戻し力Ｒが見い出され
る。

実験の測定によれば、タービンノズルにおいては流れ内
の圧力分布から生じた横方向力が、隙間励振から生じた
横方向力に加えられ、これによって、自励振動が励振方
向で強められるように影響させられることが判明した。

回転子の安定度限界を高めるための最も効果的な従来の
手段としては１回転子を相応に剛性に構成することによ
って臨界回転数を高めることが知られている。

しかし、この手段は案内装置シール部材の直径増大ひい
てはタービン内部効率の減少をもたらす。

本発明の課題は動的な限界出力を高めるための方法およ
び装置を提供することにある。

本発明は、熱的に正しく設計された３５０メガワツ）（
ＭＷ）呼び出力の蒸気タービンの場合。

２３０ＭＷ以降のコンスタントな回転数では曲げ振動が
生じ、この曲げ振動は２６４ＭＷで大きな振幅を有し、
このためこの出力では長期の運転は不可能で、強いて運
転を続行すればシール装置、軸受等の主要構成部分の損
傷を招くという考察から出発している。

この蒸気タービンは要するに２６４ＭＷの動的な、要す
るに振動に制限された安定限界を有するといえる。

このことはこの蒸気タービンがコンスタントな稼働回転
数を前提とすれば、３５０ＭＷの呼び出力では運転でき
ないことを意味している。

本発明の理解のために流体力学及び振動力学について以
下に若干説明を加える。

簡単な系の自己励起した固有振動では軸の中央は回転子
のいかなる同所でも一般には種々異なる大きさの楕円状
の軌道を描く。

この軌道はすべて同じ振動数及び同じ回転方向を有して
いる。

この回転方向は横方向の力の総和によって予め規定され
る。

振動技術的な観点から、安定性を高めるために理論的に
いくつかの可能性が考えられる。

これらの可能性は全体の緩衝度を高めるか又は全体の励
振を軽減させるか又はその両者を同時に行なう点では共
通している。

本発明は固有振動における安定性向上を計るべく全励振
を軽減することを目的とする。

このことのために、励振方向に向いた個個の横方向力が
軽減される。

これで不十分な場合には、励振方向とは逆の方向に向い
た横方向力によって、振動の軽減が計られる。

そのさい、逆の方向の横方向力が所定の値を上回らない
ようにする。

その理由は、所定の値を上回ると逆の回転方向の振動が
生じてしまうからである。

タービンに隙間流れがあるために生じる横方向力を考察
すると、この横方向力が各タービン段ごとに一部は回転
子の偏心に基づくた一ビン段の不均一な隙間損失のため
に変化する周方向力の合力によって、かつ一部は流れの
ねじれによってシール隙間内に全周にわたり生じる不均
一な圧力分布によって生じることが判る。

タービンではこの隙間損失流れに基づく横方向力、それ
も横方向力の両方の成分が振動の原因となる。

圧縮機では、羽根回転に基づく周方向力の合力はタービ
ンの羽根の回転に基づく周方向の合力とは逆の方向に作
用する。

従って圧縮機における横方向力の埋輸的な扱いは一層困
難である。

図表において隙間流れ速度の周方向成分のどの方向をプ
ラスとし、又はマイナスとするかはまったくの任意であ
り、数学的にもそのような規定はない。

しかしタービンでは一因有振動の振動のベクトルの回転
方向に生じる周方向成分をプラスと規定するのが効果的
である。

本発明の記載において、「周方向成分」とあるは、隙間
流れ速度の平均の周方向成分を意味する。

要するに１通路内に流れる流体は横断面にわたり不均一
な速度分布を有しており、壁ではＯであり中央では最大
であるため、その平均をとるのである。

さらに本発明では「振動のベクトル」という言葉を使用
するが、これは固有振動の振動する方向のベクトルを表
わす。

ところで、この振動のベクトルは、回転子の質量を点と
みなした場合に、静止位置要するに振動のない場合の質
点と、振動発生時の瞬間的な質点とを結ぶ線上にある。

振動技術者によってこの振動のベクトルの回転方向が計
算される。

これによって横力Ｑの大きさと、発生時の曲げ振動の回
転方向とを簡単な測定によって検出することができる。

「隙間流れの周方向成分」とは、隙間流れ速度の周方向
成分を意味する。

隙間流れ速度は軸方向成分と周方向成分とを有すること
ができる。

周方向成分のベクトルは回転子の角周波数Ｗのベクトル
に対して平行である。

軸受の潤滑油膜内での軸ジヤーナルの液体動力学的な自
励振動及び弾性的なヒステリシスに関連した効果は回転
数に関係しており、要するに振動はコンスタントな出力
を前提として、所定限界回転数を上回った場合に生じる
が、「隙間励振」なるものは、コンスタントな稼働回転
数を前提として、タービン又は圧縮機の出力忙依存する
。

本発明の方法の要旨は、固有振動の振動のベクトルの回
転方向で隙間流れ速度に生じる周方向成分をプラスと規
定した場合に、この周方向成分を減少せしめ又は元の方
向とは逆の方向へ向きを変えさせ、又は前記振動のベク
トルの回転方向とは逆の方向で隙間流れ速度に生じる周
方向成分をつのつと必要な値まで高めるように、単数又
は複数の無接触式パツキン部材を通る隙間流れの方向を
制御する点にある。

自励の固有振動のベクトルがタービン回転子の回転方向
と同一方向で回転するようなタービンでは特に、タービ
ン回転子の回転方向をプラスとする、隙間損失流の周方
向成分は、振動励起より角９０だけ先進する、ラビリン
スシール部材内の圧力分布に基づ（力成分を、軽減また
は抑制または逆の方向に向きを変えさせることによって
軽減される。

本発明の方法を実施するための装置の第１の要旨は、固
有振動の振動のベクトルの回転方向で隙間流れ速度に生
じる周方向成分をプラスと規定した場合に、この周方向
成分をほぼ零に減少させるべく、前記ラビリンスシール
の隙間範囲内若しくはその手前に、少なくともほぼ軸方
向に向いた平らな又は成形横断面を有する偏向体が設け
られていることにある。

本発明装置の第２の要旨は、前記ラビリンスシールの隙
間範囲の手前又は隙間範囲内とその手前に、軸方向に対
して傾斜して案内される流体噴流を生せしめる供給孔が
設けられていることにある。

本発明によれば、シール部材内の圧力分布によって、可
能な動的な出力限界の減少が回避されるのみならず、自
励振動に基づく動的な出力限界のそのつどの減少が著し
く回避される。

本発明の利点は動的な出力限界の増大が、案内装置シー
ル部材の直径およびタービン内部効率もしくは圧縮機内
部効率へ何ら悪影響を及ぼさないことにある。

次に図示の実施例につき本発明を具体的に説明する。

定置のケーシング壁２と、タービンの回転子の軸に固定
された羽根車４の囲い板３との間の隙間１内にはパツキ
ン室を有するラビリンスシール５が配置されている。

第３ａ図、第３ｂ図および第４図に示す実施例では、隙
間範囲内でラビリンスシール５の手前またはその内部に
、流れを誘導する偏向体６，６ａが円周全体にわたって
均一に分配されて配置されている。

該偏向体６，６ａは偏向薄板片、リブ、成形材または通
路などから形成されていてもよい。

流れを誘導するこの偏向体６゜６ａは、隙間損失流の平
均の周方向成分が減少するように形成されかつ配置され
ており、そのばあい、周方向成分は回転子振動の励振に
対して角９００先進した、圧力分布に基づく力成分の減
少、消失または方向転換によって軽減される。

方向転換のばあいは例えば隙間損失による励振が同時に
緩衝される。

第５図および第６図に示す実施例では、ラビリンスシー
ル５のねじ山状入口部７，７ａの形状）、流れを誘導す
る偏向体が設けられている。

このねじ山状入口部７ａは円周全体にわたって均一に配
置されている。

第７図に示す実施例では、周方向に均一に分配された供
給孔１８から流出する１周方向成分の方向とは逆の方向
に回転する蒸気噴流によって隙間損失流の周方向成分が
阻止される。

この蒸気噴流はラビリンスシール５の手前またはラビリ
ンスシール５内の隙間範囲内へ噴入される。

動的な出力限界を高めるために役立つ、第４図および第
５図、もしくは第５図、第６図および第７図に示す手段
は互いに組合わすことができる。

囲い板３とケーシング壁２の間の隙間内に設けたラビリ
ンスシール５の代りに別のパツキン、例えば第９図に示
したように回転子軸１１と案内装置１０との間などの凝
間１′内のパッキンタに偏向体６′を配属させることも
できる。

流れを誘導する偏向体６，６ａもしくは供給孔８が、回
転子振動の腹に最も近い単数もしくは複数のパツキン５
に配属されるのが有利である。

回転子の非等方性の支承では、すでに述べた部材（偏向
体など）は円周に均一に設けられる必要はなく、むしろ
最大励振の範囲内に集中的に配置することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はねじれなしに通流せしめる［偏心したパツキン
の圧力分布のダイヤグラム、第２図は「偏心した」パツ
キンを有するタービンの圧力分布を示すものであって、
回転子の回転方向をプラスとした隙間損失流の周方向成
分の図表、第３ａ図は本発明の１実施例に基づくパツキ
ン室を第３ｂ図のｍ ａ −Ｉｎ ａ線に沿って断面し
た図、第３ｂ図は第３ａ図のＨａ−ｍｂ線に沿った断面
図、第４図は本発明の別の実施例のパツキン室の縦断面
図、第５図は本発明のさらに別の実施例のパツキン室を
第６図のＶ−ｖ線に沿って断面した図、第６図は第５図
のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図、第７図は本発明のさら
に別の実施例のパツキン室を第８図の■−■線に沿って
断面した図、第８図は第７図の■−■線に沿った断面図
および第９図は本発明のさらに別の実施例のパツキン室
の縦断面図である。 １・・・隙間、２・・・ケーシング壁、３・・・囲い板
、４・・・羽根車、５・・・パツキン、６ 、６ａ 、
６’・・・偏向体、７・・・ねじ山状入口部、８・・
・供給孔、１０・・・案内装置、１１・・・回転子軸。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 囲い板を備えた回転羽根を有しかつ回転する構成部
   分と定置の構成部分との間の半径方向の隙間内に、半径
   方向の絞り個所を備えた複数の無接触式パツキン部材か
   ら成るパツキン室を有するラビリンスシールを備えたガ
   スタービン、蒸気タービン又はガス圧縮機の動的な要す
   るに振動によって制限される出力限界を高める方法にお
   いて、固有振動の振動のベクトルの回転方向で隙間流れ
   速度に生じる周方向成分をプラスと規定した場合に。 この周方向成分Ｃｕを減少せしめ又は元の方向とは逆の
   方向へ向きを変えさせ、又は前記振動のベクトルの回転
   方向とは逆の方向で隙間流れ速度に生じる周方向成分Ｃ
   ｕをそのつと必要な値まで高めるように、単数又は複数
   の無接触式パツキン部材を通る隙間流れの方向を制御す
   ることを特徴とするタービンおよび圧縮機の動的な出力
   限界を高める方法。 ２ 前記特許請求の範囲第１項記範の方法を実施する装
   置において、固有振動の振動のベクトルの回転方法で隙
   間流を速度に生じる周方向成分をプラスと規定した場合
   に、この周方向成分を減少させるべく、前記ラビリンス
   シール５，５の隙間範囲内若しくはその手前に、少なく
   ともほぼ軸方向に向いた平らな又は成形横断面を有する
   偏向体が設けられていることを特徴とするタービンおよ
   び圧縮機の動的な出力限界を高める装置。 ３ 前記特許請求の範囲第１項記載の方法を実施する装
   置において、前記ラビリンスシールの隙間範囲の手前又
   は隙間範囲内とその手前眞軸方向に対して傾斜して案内
   される流体噴流を生ぜしめる供給孔が設けられているこ
   とを特徴とするタービンおよび圧縮機の動的な出力限界
   を高める装置。