JPWO2014010052A1

JPWO2014010052A1 - 軸流流体機械

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Publication number: JPWO2014010052A1
Application number: JP2014524545A
Authority: JP
Inventors: 西嶋　規世; 規世西嶋; 遠藤　彰; 彰遠藤; 克年小林; 和幸山口
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2016-06-20
Anticipated expiration: 2032-07-11
Also published as: US20150260042A1; EP2878771A1; JP5972374B2; EP2878771B1; CN104520540A; WO2014010052A1; EP2878771A4; CN104520540B

Abstract

漏れ流れを起因とした不安定流体力を効果的に低減することができ、不安定振動を抑制することができる軸流流体機械を提供する。蒸気タービンは、動翼列４の外周部に接続された環状のカバー６と、ケーシング１の内周面８に設けられ、カバー６を収納する環状の凹み部１２とを有している。カバー６の外周面１３と凹み部１２の底面１４の間には隙間流路１５が形成され、カバー６の上流側側面１６と凹み部１２の上流側側面１７の間には隙間入口流路１８が形成され、カバー６の下流側側面１９と凹み部１２の下流側側面２０の間には隙間出口流路２１が形成されている。そして、隙間入口流路１８と隙間流路１５の間には隙間入口拡大流路２２が設けられており、この隙間入口拡大流路２２は、周方向全体にわたってほぼ一様に、凹み部１２の底面２０より外周側にかつ凹み部１２の上流側側面１７よりロータ軸方向上流側に拡大するように形成されている。

Description

本発明は、軸流タービン等の軸流流体機械に係り、特に、動翼列の外周部のカバーとこれを収納するケーシングの内周面の凹み部とを有する軸流流体機械に関する。

軸流流体機械の一つである軸流タービン（詳細には、例えば蒸気タービンやガスタービン等）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下流側に配置された動翼列とを備えている。そして、作動流体（詳細には、例えば蒸気やガス等）が静翼列、動翼列の順に流れて、作動流体の内部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、作動流体が動翼に作用してロータを回転させるようになっている。

軸流タービンにおいては、動翼列の外周部に環状のカバー（シュラウド）が接続され、このカバーを収納する環状の凹み部がケーシングの内周面に設けられたものがある。このような構造では、カバーの外周面とこれに対向する凹み部の底面との間に隙間流路が形成され、カバーの上流側側面とこれに対向する凹み部の上流側側面との間に隙間入口流路が形成され、カバーの下流側側面とこれに対向する凹み部の下流側側面との間に隙間出口流路が形成されている。そして、作動流体の大部分は、主流路を流れて動翼に作用するものの、作動流体の一部は、主流路から漏れて隙間入口流路、隙間流路、隙間出口流路の順に流れて動翼に作用せず、ロータの回転に寄与しない可能性がある。この漏れ流れを抑えてタービン効率を向上させるため、一般的に、隙間流路にラビリンスシールが設けられている。

しかし、熱膨張やスラスト荷重による部材の変形や変位を吸収する等の観点から、ラビリンスシールのシール間隔（詳細には、フィンとこれに対向する部分との間隔）には制約がある。そのため、隙間流路にラビリンスシールを設けた場合でも、主流路から隙間流路への漏れ流れが生じ、この漏れ流れを起因とした不安定振動が発生する。この不安定振動を引き起こす流体力成分を、図１０を用いて説明する。

図１０は、回転体１００の外周面１０１（上述したカバーの外周面に相当）と静止体１０２の内周面１０３（上述した凹み部の底面に相当）との間に形成された隙間流路１０４を模式的に表す回転体径方向の断面図である。この図１０において、回転体１００は、例えば製造上の公差、重力、又は回転中の振動などの理由により、静止体１０２に対し、図中点線で示す同心位置になく、図中実線で示す偏心位置にある。そのため、隙間流路１０４の幅寸法Ｈが周方向に不均一となる。また、隙間流路１０４には、主流路からの漏れ流れ（回転体軸方向の流れ）があるとともに、図中矢印Ｅで示す回転体１００の回転に伴い旋回流（周方向の流れ）が発生する。そして、前述した隙間流路１０４の幅寸法Ｈの偏りと旋回流によって、隙間流路１０２には周方向に不均一な圧力分布Ｐが発生する。この圧力分布Ｐが回転体１００に作用する力は、偏心方向とは反対方向（図１０中上方向）の力Ｆｘと、偏心方向に対して垂直な方向（図１０中右方向）の力Ｆｙ（以降、不安定流体力と称す）に分解できる。そして、不安定流体力Ｆｙが回転体１００の振れ回りを発生させ、この不安定流体力Ｆｙが回転体１００の減衰力より大きい場合に回転体１００の不安定振動が発生する。特に、軸流タービンにおいては、静翼列にて作動流体の旋回流成分が増加しており、この旋回流成分をもつ作動流体の一部が隙間流路に流入するため、不安定流体力Ｆｙが大きくなる。

そこで、例えば、隙間流路に流入する流体の旋回流成分が不安定流体力に大きな影響を与えていることに着目し、この旋回流成分を低減する技術が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来技術では、隙間入口流路を形成する凹み部の上流側側面（ダイアフラムの側面）に、周方向に離間して、複数の案内羽根又は複数の溝を設けている。

特開２００６−１０４９５２号公報

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。すなわち、上記従来技術では、隙間流路に流入する流体の旋回流成分を低減するために、隙間入口流路を形成する凹み部の上流側側面に、周方向に離間して、複数の案内羽根又は複数の溝を設けている。そのため、案内羽根又は溝の配置、形状、及び数を十分に考慮しなければ、隙間流路に流入する流体の旋回流成分を十分に低減することができず、不安定流体力を効果的に低減することができない。詳しく説明すると、例えば複数の案内羽根にて流体の旋回流成分が低減されて圧力が上昇すると、案内羽根への流入が抑制されるようになり、案内羽根を避けて隙間流路に流入する可能性がある。このような場合、旋回流成分を十分に低減することができず、不安定流体力を効果的に低減することができない。また、案内羽根又は溝が周方向に離間して設けられているので、その配置や形状によっては流れに乱れを生じさせ、不安定流体力をかえって増加させる可能性がある。また、旋回流成分の低減効果を十分に得るためには多数の案内羽根を設ける必要があり、構造の複雑化が免れない。

本発明の目的は、漏れ流れを起因とした不安定流体力を効果的に低減することができ、不安定振動を抑制することができる軸流流体機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられたロータと、前記ケーシングの内周側に設けられた静翼列と、前記ロータの外周側に設けられ、前記静翼列に対してロータ軸方向下流側に配置された動翼列と、前記動翼列の外周部に接続された環状のカバーと、前記ケーシングの内周面に設けられ、前記カバーを収納する環状の凹み部と、前記カバーの外周面とこれに対向する前記凹み部の底面との間に形成され、ラビリンスシールが設けられた隙間流路と、前記カバーの上流側側面とこれに対向する前記凹み部の上流側側面との間に形成された隙間入口流路と、前記カバーの下流側側面とこれに対向する前記凹み部の下流側側面との間に形成された隙間出口流路とを有する軸流流体機械において、前記隙間入口流路と前記隙間流路との間に形成された隙間入口拡大流路を有し、前記隙間入口拡大流路は、周方向全体にわたってほぼ一様に、前記隙間流路を形成する前記凹み部の前記底面より外周側に且つ前記隙間入口流路を形成する前記凹み部の前記上流側側面よりロータ軸方向上流側に拡大するように形成される。

本願発明者らは、ケーシングに対しロータが偏心して隙間流路の幅寸法が周方向に不均一となる場合に、隙間流路の幅寸法の偏りに対応して隙間流路に流入する流体の流量分布（周方向分布）に偏りを生じさせれば、不安定流体力を効果的に低減することができるという知見を得た。本発明は、この知見に基づいてなされたものであり、隙間入口流路と隙間流路との間に隙間入口拡大流路を設けている。この隙間入口拡大流路は、周方向全体にわたってほぼ一様に、隙間流路を形成する凹み部の底面より外周側に且つ隙間入口流路を形成する凹み部の上流側側面よりロータ軸方向上流側に拡大するように形成している。そして、前述した隙間入口拡大流路を設けることにより、隙間入口拡大流路を設けない場合と比べ、隙間流路の上流側における実質的な流路長さの延長作用を得ることができる。そして、この作用により、隙間流路の幅寸法の偏り（言い換えれば、流路抵抗の偏り）の影響を受けて、隙間流路に流入する流体の流量分布に偏りを生じさせることができる。したがって、不安定流体力を効果的に低減することができ、不安定振動を抑制することができる。

本発明によれば、漏れ流れを起因とした不安定流体力を効果的に低減することができ、不安定振動を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態における蒸気タービンの部分構造を表すロータ軸方向の断面図である。図１中II部の部分拡大断面図であり、本発明の第１の実施形態におけるケーシングの凹み部の詳細構造を表す。本願発明者らの流体解析に用いられた隙間流路のモデルを模式的に表す回転体径方向の断面図である。本願発明者らの流体解析の結果を表す図であり、入口偏流度と不安定流体力の関係を示す。従来技術におけるケーシングの凹み部の詳細構造を表す部分拡大断面図であり、隙間入口拡大流路を設けない場合を示す。本発明の第１の実施形態の効果を説明するための図であり、隙間入口拡大流路を設けた場合のモデルと隙間入口拡大流路を設けない場合のモデルをそれぞれ用いた解析結果である隙間流路における入口偏流度及び不安定流体力を表す。本発明の第２の実施形態におけるケーシングの凹み部の詳細構造を表す部分拡大断面図である。本発明の第３の実施形態におけるケーシングの凹み部の詳細構造を表す部分拡大断面図である。本発明の第３の実施形態における迂回部材及び支持部材の全体構造を表す斜視図である。不安定振動を引き起こす流体力成分を説明するために隙間流路を模式的に表す回転体径方向の断面図である。

以下、本発明を蒸気タービンに適用した場合の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における蒸気タービンの部分構造（段落構造）を模式的に表すロータ軸方向の断面図である。図２は、図１中II部の部分拡大断面図であり、ケーシングの凹み部の詳細構造を表す。

これら図１及び図２において、蒸気タービンは、略円筒形状のケーシング（静止体）１と、このケーシング１内に回転可能に設けられたロータ（回転軸）２とを備えている。ケーシング１の内周側には静翼列３（詳細には、周方向に配列された複数の静翼）が設けられ、ロータ２の外周側には動翼列４（詳細には、周方向に配列された複数の動翼）が設けられている。静翼列３の内周部（言い換えれば、複数の静翼の先端部）には環状のエンドウォール５が接続され、動翼列４の外周部（言い換えれば、複数の動翼の先端部）には環状のカバー６が接続されている。蒸気（作動流体）の主流路７は、ケーシング１の内周面８とエンドウォール６の外周面９との間（詳細には、静翼間）に形成された流路や、カバー６の内周面１０とロータ２の外周面１１との間（詳細には、動翼間）に形成された流路等で構成されている。そして、例えばボイラ等で生成された蒸気が蒸気タービンの主流路７に導入されて、図１中矢印Ｃ_１で示す方向に流れている。

動翼列４は、静翼列３に対してロータ軸方向下流側（図１中右側）に配置されており、静翼列３と動翼列４の組合せが１つの段落を構成している。なお、図１では、便宜上、１段しか示されていないが、一般的には、蒸気の内部エネルギーを効率よく回収するために、ロータ軸方向に複数段設けられている。そして、静翼列３にて蒸気の内部エネルギー（言い換えれば、圧力エネルギー等）が運動エネルギー（言い換えれば、速度エネルギー）に変換され、動翼列４にて蒸気の運動エネルギーがロータ２の回転エネルギーに変換される。すなわち、蒸気が動翼に作用してロータ２を中心軸Ｏ周りに回転させるようになっている。

ケーシング１の内周面８には、カバー６を収納する環状の凹み部１２が形成されている。そのため、カバー６の外周面１３とこれに対向する凹み部１２の底面１４との間には隙間流路１５が形成されている。また、カバー６の上流側側面１６とこれに対向する凹み部１２の上流側側面１７との間には隙間入口流路１８が形成されている。また、カバー６の下流側側面１９とこれに対向する凹み部１２の下流側側面２０との間には隙間出口流路２１が形成されている。そして、蒸気の大部分は、主流路７（詳細には、カバー６の内周面１０とロータ２の外周面１１との間）を流れて動翼に作用するものの、蒸気の一部は、図２中矢印Ｃ_２で示すように主流路７（詳細には、静翼列３の下流側かつ動翼列４の上流側）から漏れて、隙間入口流路１８、隙間流路１５、及び隙間出口流路２１の順に流れて動翼に作用せず、ロータ２の回転に寄与しない可能性がある。この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１５にはラビリンスシールが設けられている。本実施形態のラビリンスシールでは、カバー６の外周面１３におけるロータ軸方向中央に環状の凸部２２が設けられ、カバー６の外周面１３及び凸部２２にそれぞれ対応して３列のフィン２３が凹み部１２の底面１４に設けられている。なお、凸部２２及びフィン２３の配置や数は、これに限定されない。

しかし、熱膨張やスラスト荷重による部材の変形や変位を吸収する等の観点から、ラビリンスシールのシール間隔（詳細には、フィン２３とこれに対向する部分との間隔）には制約がある。そのため、隙間流路１５にラビリンスシールを設けた場合でも、主流路７から隙間流路１５等への漏れ流れが生じ、この漏れ流れを起因とした不安定振動が発生する。そこで、本願発明者らは、不安定振動を引き起こす流体力成分（すなわち、上述の図１０を用いて説明した不安定流体力）について流体解析を行った。以下、詳述する。

本願発明者らは、図３で示すように、回転体１００の外周面１０１（上述したカバー６の外周面１３に相当）と静止体１０２の内周面１０３（上述した凹み部１２の底面１４に相当）との間に形成された隙間流路１０４のモデルを用いて、流体解析を行った。このモデルでは、回転体１００の断面中心Ｏ_１は、静止体１０２の断面中心Ｏ_２に対し偏心している。そのため、隙間流路１０４の幅寸法Ｈが周方向に不均一となっている。具体的には、偏心側（図３中下側）の位置における隙間流路１０４の幅寸法Ｈ_１が比較的小さく、偏心方向とは反対側（図３中上側）の位置における隙間流路１０４の幅寸法Ｈ_２が比較的大きくなっている。また、隙間流路１０４における静止体１０２の断面中心線Ｌより偏心側の断面Ａは比較的小さく、反対側の断面Ｂは比較的大きくなっている。そこで、隙間流路１０４の断面全体に流入する流体の総流量Ｑ_Ｔのうち、偏心側の断面Ａに流入する流体の流量をＱ_Ａ、反対側の断面Ｂに流入する流体の流量をＱ_Ｂ（但し、Ｑ_Ｂ＝Ｑ_Ｔ−Ｑ_Ａ）とし、解析条件として、下記の式（１）で定義された入口偏流度を変えて、流体解析を行った。例えば流量Ｑ_Ｂと流量Ｑ_Ａが等しい場合に、入口偏流度はゼロとなり、例えば流量Ｑ_Ｂが流量Ｑ_Ａより大きいほど、入口偏流度は大きくなる。

入口偏流度［％］＝｛Ｑｂ×２÷（Ｑａ＋Ｑｂ）−１｝×１００・・・（１）
なお、他の条件として、例えば入口旋回速度（詳細には、隙間流路１０４に流入する流体の周方向速度）をＶ１又はＶ２（但し、Ｖ_２＝Ｖ_１÷２）に変えて、流体解析を行った。また、隙間流路１０４のモデルには、２つのパターンを用意した。第１モデルでは、本実施形態（上述の図２参照）と同様、ラビリンスシールとして、静止体１０２側にフィン（図示せず）を設けた。第２モデルでは、ラビリンスシールとして、回転体１００側にフィン（図示せず）を設けた。

図４は、上述した流体解析の結果を表す図であり、入口偏流度と不安定流体力の関係を示す。この図４で示すように、入口偏流度が増加するに従い、すなわち、反対側の断面Ｂと偏心側の断面Ａの大小関係に対応するように、流量Ｑ_Ｂが流量Ｑ_Ａより大きくなるに従い、不安定流体力が減少するという解析結果を得た。なお、ラビリンスシールの構造や入口旋回速度を変更した場合も、同様の傾向を得た。したがって、本願発明者らは、隙間流路に流入する流体の流量分布（周方向分布）が不安定流体力に大きな影響を与えることを見出した。本発明は、この新たな知見に基づいてなされたものである。

上述の図１及び図２に戻り、静翼列３から流出した蒸気は、静翼間毎にみれば流量分布があるものの、周方向全体でみれば比較的均一な流量分布である。そのため、隙間入口流路１８に流入する蒸気も、周方向全体でみれば比較的均一な流量分布である。そして、例えば図５で示す従来技術（すなわち、後述する隙間入口拡大流路２４を設けない場合）では、隙間流路１５の上流側における実質的な流路長さが比較的短いため、隙間流路１５に流入する蒸気も、周方向全体でみれば比較的均一な流量分布となる（すなわち、隙間流路１５における入口偏流度が小さくなる）。そのため、ケーシング１に対しロータ２が偏心して隙間流路１５の幅寸法Ｈが周方向に不均一となる場合に、不安定流体力が高くなりやすい。

そこで、本実施形態では、隙間流路１５の上流側における実質的な流路長さが比較的長くなるように、隙間入口流路１８と隙間流路１５との間に隙間入口拡大流路２４を設けている。この隙間入口拡大流路２４は、周方向全体にわたってほぼ一様に、隙間流路１５を形成する凹み部１２の底面１４より外周側に且つ隙間入口流路１８を形成する凹み部１２の上流側側面１７よりロータ軸方向上流側に拡大するように形成されている。

詳しく説明すると、隙間入口拡大流路２４は、流路壁面２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄで形成されている。流路壁面（外周側側面）２５ａは、凹み部１２の底面１４より外周側に位置してロータ軸方向に対し略平行に延在している。流路壁面（下流側側面）２５ｂは、凹み部１２の底面１４と流路壁面２５ａとの間で連続するように形成されてロータ径方向に対し略平行に延在している。流路壁面（上流側側面）２５ｃは、凹み部１２の上流側面１７よりロータ軸方向上流側に位置してロータ径方向に対し略平行に延在している。流路壁面（内周側側面）２５ｄは、凹み部１２の上流側側面１７と流路壁面２５ｃとの間で連続するように形成されてロータ軸方向に対し若干傾斜するように延在している。

また、隙間入口拡大流路２４のロータ径方向の拡大寸法Ｄａ（詳細には、凹み部１２の底面１４から流路壁面２５ａまでのロータ径方向の寸法）及びロータ軸方向の拡大寸法Ｄｂ（詳細には、凹み部１２の上流側側面１７から流路壁面２５ｃまでのロータ軸方向の寸法）は、隙間流路１５の幅寸法Ｈ（詳細には、カバー６の外周面１３から凹み部１２の底面１４までのロータ径方向の寸法）より大きくなっている。また、隙間入口拡大流路２４のロータ径方向拡大寸法Ｄａは、ロータ軸方向拡大寸法Ｄｂより大きくなっている。

このような本実施形態では、上述した隙間入口拡大流路２４を設けることにより、隙間入口拡大流路２４を設けない場合と比べ、隙間流路１５の上流側における実質的な流路長さの延長作用を得ることができる。すなわち、隙間入口拡大流路２４を設けない場合は、図５中矢印Ｃ_３で示すような流れとなるのに対し、隙間入口拡大流路２４を設けた場合は、図２中矢印Ｃ_４で示すような迂回流れとなるので、実質的な流路長さの延長作用を得ることができる。

第１の比較例として、隙間入口拡大流路が凹み部１２の底面１４より外周側のみに拡大するように形成された場合（言い換えれば、ロータ軸方向拡大寸法Ｄｂ＝０とする場合）を想定する。この第１の比較例では、ロータ径方向拡大寸法Ｄａを大きくしても、十分に迂回した流れを発生させることができず、実質的な流路長さの延長作用が得られない。第２の比較例として、隙間入口拡大流路が凹み部１２の上流側側面１７よりロータ軸方向上流側のみに拡大するように形成された場合（言い換えれば、ロータ径方向拡大寸法Ｄａ＝０とする場合）を想定する。この第２の比較例では、ロータ軸向拡大寸法Ｄｂを大きくしても、十分に迂回した流れを発生させることができず、実質的な流路長さの延長作用が得られない。また、これらの比較例では、ケーシング１の強度上の問題も考慮する必要がある。これに対し、本実施形態では、隙間入口拡大流路２４は、凹み部１２の底面１４より外周側に且つ凹み部１２の上流側側面１７よりロータ軸方向上流側に拡大するように形成されているので、十分に迂回した流れを発生させることができ、実質的な流路長さの延長作用を得ることができる。また、隙間入口拡大流路２４は、周方向全体にほぼ一様に形成しているので、特許文献１に記載の案内羽根や溝のように周方向に離間して設けている場合とは異なり、流れに乱れを生じさせることがない。

また、本実施形態では、特に、隙間入口拡大流路２４のロータ径方向拡大寸法Ｄａ及びロータ軸方向拡大寸法Ｄｂが隙間流路１５の幅寸法Ｈより大きくなっている。そのため、十分に迂回した流れを発生させることができ、実質的な流路長さの延長作用が得られやすくなっている。また、隙間入口拡大流路２４のロータ径方向拡大寸法Ｄａがロータ軸方向拡大寸法Ｄｂより大きくなっているので、迂回流れを効果的に発生させることができる。詳しく説明すると、静翼列３から流出して隙間入口流路１８に流入した蒸気は、旋回流成分を持ち、遠心力の効果によってロータ径方向外側に流れやすくなっている。そのため、ロータ軸方向拡大寸法Ｄａを大きくするよりも、ロータ軸方向拡大寸法Ｄｂを大きくしたほうが、迂回流れを効果的に発生させることができる。

また、本実施形態では、カバー６の上流側側面１７に突出部２６を設けている。これにより、隙間入口流路１８に流入した蒸気をロータ軸方向上流側に転向させるので、上述した迂回流れを促進させることができる。また、本実施形態では、突出部２６の先端面は、そのロータ軸方向位置が隙間入口拡大流路２４のロータ軸方向位置と重なるように位置している。すなわち、隙間入口拡大流路２４を形成する流路壁面２５ｂや、隙間流路１５を形成する底面１４は、突出部２６の先端面よりロータ軸方向下流側に位置している。これにより、隙間入口流路１８からの蒸気がロータ径方向外側に流れて凹み部１２の底面１４に衝突して隙間流路１５に流入するのを抑制し（言い換えれば、隙間入口流路１８から隙間流路１５に直行する流れを抑制し）、隙間入口拡大流路２４における迂回流れを促進させることができる。

以上のように本実施形態では、隙間入口拡大流路２４にて迂回流れを発生させることができ、隙間流路１５の上流側における実質的な流路長さの延長作用を得ることができる。そして、この作用により、隙間流路１５の幅寸法Ｈの偏りの影響を受けて、隙間流路１５に流入する蒸気の流量分布に偏りを生じさせることができる。すなわち、隙間入口流路１８に流入した蒸気の流量分布が均一であっても、隙間流路１５に流入するまでの間に隙間流路１５の幅寸法Ｈの偏り（言い換えれば、流路抵抗の偏り）の影響を受けて、流量分布に偏りを生じさせることができる（言い換えれば、隙間流路１５における入口偏流度を大きくすることができる）。したがって、不安定流体力を効果的に低減することができ、不安定振動を抑制することができる。

このような本実施形態の効果を、流体解析の結果を用いて説明する。本願発明者らは、本実施形態のように隙間入口拡大流路２４を設けた場合のモデルと、従来技術のように隙間入口拡大流路２４を設けない場合のモデルを用いて流体解析を行った。なお、解析条件として、隙間入口流路１８の入口における流体条件は、２つのパターンを用意した。条件１では、隙間入口流路１８に流入する流体の流量分布の偏りが比較的小さく、条件２では、隙間入口流路１８に流入する流体の流量分布の偏りが比較的大きくなっている。

図６は、上述した流体解析の結果である隙間流路における入口偏流度及び不安定流体力を表す図である。この図６で示すように、条件１では、隙間入口拡大流路２４を設けない場合に入口偏流度が１．６％、不安定流体力がＦ１であるのに対し、隙間入口拡大流路２４を設けた場合に入口偏流度が２．４％まで増加し、不安定流体力がＦ２まで減少する（詳細には、Ｆ１の約１７％減少する）。条件２では、隙間入口拡大流路２４を設けない場合に入口偏流度が３．９％、不安定流体力がＦ３であるのに対し、隙間入口拡大流路２４を設けた場合に入口偏流度が４．０％まで増加し、不安定流体力がＦ４まで減少する（詳細には、Ｆ３の約３０％減少する）。このような解析結果からも、隙間入口拡大流路２４を設けることにより、隙間流路１５における入口偏流度を増加させることができ、不安定流体力を効果的に低減することができるとわかる。

本発明の第２の実施形態を、図７により説明する。図７は、本実施形態におけるケーシングの凹み部の詳細構造を表す部分拡大断面図である。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態と同等の部分は、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、隙間入口拡大流路２４Ａを形成する流路壁面（外周側側面）２５ａは、ロータ軸方向下流側に向かって外周側に傾斜するように（言い換えれば、径寸法が拡大するように）形成されている。これにより、図７中矢印Ｃ_５で示す迂回流れを促進させることができる。詳しく説明すると、静翼列３から流出して隙間入口流路１８に流入した蒸気は、旋回流成分を持ち、遠心力の効果によってロータ径方向外側に流れやすくなっている。そして、隙間入口流路１８からの蒸気が流路壁面２５ａに衝突して、ロータ軸方向下流側に転向される。この作用により、迂回流れを促進させることができる。

このように構成された本実施形態においては、流路壁面２５ａの傾斜により、上記第１の実施形態と比べ、隙間入口拡大流路２４Ａにおける迂回流れをさらに促進させることができ、隙間流路１５の上流側における実質的な流路長さの延長作用を高めることができる。これにより、隙間流路１５における入口偏流度を増加させることができ、不安定流体力をさらに低減することができる。したがって、不安定振動を抑制することができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、ラビリンスシールとして、カバー６の外周面１３に凸部２２を設け、カバー６の外周面１３及び凸部２２にそれぞれ対応して複数列のフィン２３を凹み部１２の底面１４に設けた場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。すなわち、例えば凹み部１２の底面１４に凸部２２を設け、凹み部１２の底面１４及び凸部２２にそれぞれ対応して複数列のフィン２３をカバー６の外周面１３に設けてもよい。また、例えばカバー６の外周面１３又は凹み部１２の底面１４に凸部２２を設けなくともよい。また、例えば凹み部１２の底面１４とカバー６の外周面１３の両方にフィンを設けてもよい。これらの変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記第１及び第２の実施形態においては、隙間入口拡大流路２４における迂回流れを促進するために、カバー６の上流側側面１６に突出部２６を設け、この突出部２６の先端面のロータ軸方向位置と隙間入口拡大流路２４のロータ軸方向位置が重なる場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。すなわち、実質的な流路長さの延長作用が若干減少するものの、例えば突出部２６の先端面は隙間入口拡大流路２４よりロータ軸方向下流側に位置してもよい。また、例えばカバー６の上流側側面１６に突出部２６を設けなくともよい。なお、カバー６の上流側側面１６に突出部２６を設けない場合、カバー６の上流側側面２６は、好ましくは、そのロータ軸方向位置が隙間入口拡大流路２４のロータ軸方向位置と重なるように位置するほうがよいものの、隙間入口拡大流路２４よりロータ軸方向下流側に位置してもよい。これらの変形例においても、漏れ流れを起因とした不安定流体力を低減することができ、不安定振動を抑制することができる。

本発明の第３の実施形態を、図８及び図９により説明する。図８は、本実施形態におけるケーシングの凹み部の詳細構造を表す部分拡大断面図である。図９は、本実施形態における迂回部材及び支持部材の全体構造を表す斜視図である。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態と同等の部分は、同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、流路入口拡大流路２４に環状の迂回部材２７を配置している。迂回部材２７は、円錐台状の筒体であって、ロータ軸方向上流側に向かって外周側に傾斜するように形成されている。そして、迂回部材２７の外周面には周方向に離間して複数の支持部材（略棒状の部材）２８が設けられ、これら支持部材２８を介して迂回部材２７がケーシング１に取付けられている。これにより、図８中矢印Ｃ_６で示す迂回流れを促進させることができる。詳しく説明すると、静翼列３から流出して隙間入口流路１８に流入した蒸気は、旋回流成分を持ち、遠心力の効果によってロータ径方向外側に流れやすくなっている。そして、迂回部材２７の内周面に衝突すると、ロータ軸方向上流側に転向される。そして、迂回部材２７の内周面と流路壁面２５ｄとの間をロータ軸方向上流側に流れた後、迂回部材２７の外周面と流路壁面２５ｂとの間をロータ軸方向下流側に流れるようになっている（迂回流れ）。

また、本実施形態では、カバー６の上流側側面１７に突出部２６を設けている。これにより、隙間入口流路１８に流入した蒸気をロータ軸方向上流側に転向させるので、上述した迂回流れを促進させることができる。また、本実施形態では、突出部２６の先端面は、そのロータ軸方向位置が隙間入口拡大流路２４のロータ軸方向位置と重なるように位置し、かつ迂回部材２７のロータ軸方向下流側の端部よりロータ軸方向上流側に位置している。これにより、隙間入口流路１８から隙間流路１５に直行する流れを抑制し、隙間入口拡大流路における迂回流れを促進させることができる。

なお、迂回部材２７は、一部材であってもよいし、若しくは、周方向に分割された複数の部材で構成されてもよい。また、迂回部材２７、支持部材２８、及びケーシング１間は、例えば溶接やボルト等によって連結されているものの、連結方法は、これに限定されない。

また、本実施形態では、ラビリンスシールとして、凹み部１２の底面１４に凸部２２が設けられ、凹み部１２の底面１４及び凸部２２にそれぞれ対応して３列のフィン２３がカバー６の外周面１３に設けられている。なお、凸部２２及びフィン２３の配置や数は、これに限定されない。また、迂回部材２７と最上流側のフィン２３との間の間隔は、熱膨張やスラスト荷重による部材の変形や変位を考慮して、隙間流路１５の幅寸法Ｈと同程度若しくはそれ以上とすることが望ましい。

以上のように構成された本実施形態においては、迂回部材２７を設けることにより、上記第１の実施形態と比べ、隙間入口拡大流路２４Ａにおける迂回流れをさらに促進させることができ、隙間流路１５の上流側における実質的な流路長さの延長作用を高めることができる。これにより、隙間流路１５における入口偏流度を増加させることができ、不安定流体力をさらに低減することができる。したがって、不安定振動を抑制することができる。

なお、上記第３の実施形態においては、ラビリンスシールとして、凹み部１２の底面１４に凸部２２を設け、凹み部１２の底面１４及び凸部２２にそれぞれ対応して複数列のフィン２３をカバー６の外周面１３に設けた場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。すなわち、例えばカバー６の外周面１３に凸部２２を設け、カバー６の外周面１３及び凸部２２にそれぞれ対応して複数列のフィン２３を凹み部１２の底面１４に設けてもよい。また、例えばカバー６の外周面１３又は凹み部１２の底面１４に凸部２２を設けなくともよい。また、例えば凹み部１２の底面１４とカバー６の外周面１３の両方にフィンを設けてもよい。これらの変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記第３の実施形態においては、隙間入口拡大流路２４における迂回流れを促進するために、カバー６の上流側側面１６に突出部２６を設け、この突出部２６の先端面のロータ軸方向位置と隙間入口拡大流路２４のロータ軸方向位置が重なり、さらに突出部２６の先端面が迂回部材２７のロータ軸方向下流側の端部よりロータ軸方向上流側に位置する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。すなわち、実質的な流路長さの延長作用が若干減少するものの、例えば突出部２６の先端面は隙間入口拡大流路２４よりロータ軸方向下流側に位置してもよい。また、例えば突出部２６の先端面が迂回部材２７のロータ軸方向下流側の端部よりロータ軸方向下流側に位置してもよい。また、例えばカバー６の上流側側面１６に突出部２６を設けなくともよい。なお、カバー６の上流側側面１６に突出部２６を設けない場合、カバー６の上流側側面２６は、好ましくは、そのロータ軸方向位置が隙間入口拡大流路２４のロータ軸方向位置と重なるように位置し、かつ迂回部材２７のロータ軸方向下流側の端部よりロータ軸方向上流側に位置するほうがよい。しかし、カバー６の上流側側面２６は、隙間入口拡大流路２４よりロータ軸方向下流側に位置してもよいし、迂回部材２７のロータ軸方向下流側の端部よりロータ軸方向下流側に位置してもよい。これらの変形例においても、漏れ流れを起因とした不安定流体力を低減することができ、不安定振動を抑制することができる。

なお、以上においては、本発明の適用対象として、軸流タービンの一つである蒸気タービンを例にとって説明したが、これに限られず、ガスタービン等に適用してもよい。また、軸流圧縮機に適用してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

１ケーシング
２ロータ
３静翼列
４動翼列
６カバー
８ケーシングの内周面
１２凹み
１３カバーの外周面
１４凹み部の底面
１５隙間流路
１６カバーの上流側側面
１７凹み部の上流側側面
１８隙間入口流路
１９カバーの下流側側面
２０凹み部の下流側側面
２１隙間出口流路
２２凸部
２３フィン
２４，２４Ａ隙間入口拡大流路
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ流路壁面
２６突出部
２７迂回部材

図１０は、回転体１００の外周面１０１（上述したカバーの外周面に相当）と静止体１０２の内周面１０３（上述した凹み部の底面に相当）との間に形成された隙間流路１０４を模式的に表す回転体径方向の断面図である。この図１０において、回転体１００は、例えば製造上の公差、重力、又は回転中の振動などの理由により、静止体１０２に対し、図中点線で示す同心位置になく、図中実線で示す偏心位置にある。そのため、隙間流路１０４の幅寸法Ｈが周方向に不均一となる。また、隙間流路１０４には、主流路からの漏れ流れ（回転体軸方向の流れ）があるとともに、図中矢印Ｅで示す回転体１００の回転に伴い旋回流（周方向の流れ）が発生する。そして、前述した隙間流路１０４の幅寸法Ｈの偏りと旋回流によって、隙間流路１０４には周方向に不均一な圧力分布Ｐが発生する。この圧力分布Ｐが回転体１００に作用する力は、偏心方向とは反対方向（図１０中上方向）の力Ｆｘと、偏心方向に対して垂直な方向（図１０中右方向）の力Ｆｙ（以降、不安定流体力と称す）に分解できる。そして、不安定流体力Ｆｙが回転体１００の振れ回りを発生させ、この不安定流体力Ｆｙが回転体１００の減衰力より大きい場合に回転体１００の不安定振動が発生する。特に、軸流タービンにおいては、静翼列にて作動流体の旋回流成分が増加しており、この旋回流成分をもつ作動流体の一部が隙間流路に流入するため、不安定流体力Ｆｙが大きくなる。

上記目的を達成するために、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内に回転可能に設けられたロータと、前記ケーシングの内周側に設けられた静翼列と、前記ロータの外周側に設けられ、前記静翼列に対してロータ軸方向下流側に配置された動翼列と、前記動翼列の外周部に接続された環状のカバーと、前記ケーシングの内周面に設けられ、前記カバーを収納する環状の凹み部と、前記カバーの外周面とこれに対向する前記凹み部の底面との間に形成され、ラビリンスシールが設けられた隙間流路と、前記カバーの上流側側面とこれに対向する前記凹み部の上流側側面との間に形成された隙間入口流路と、前記カバーの下流側側面とこれに対向する前記凹み部の下流側側面との間に形成された隙間出口流路とを有する軸流流体機械において、前記隙間入口流路と前記隙間流路との間であって、前記ラビリンスシールの上流側に形成された隙間入口拡大流路を有し、前記隙間入口拡大流路は、周方向全体にわたってほぼ一様に、前記ラビリンスシールを有する前記隙間流路を形成する前記凹み部の前記底面より外周側にかつ前記隙間入口流路を形成する前記凹み部の前記上流側側面よりロータ軸方向上流側に拡大するように形成される。

これら図１及び図２において、蒸気タービンは、略円筒形状のケーシング（静止体）１と、このケーシング１内に回転可能に設けられたロータ（回転軸）２とを備えている。ケーシング１の内周側には静翼列３（詳細には、周方向に配列された複数の静翼）が設けられ、ロータ２の外周側には動翼列４（詳細には、周方向に配列された複数の動翼）が設けられている。静翼列３の内周部（言い換えれば、複数の静翼の先端部）には環状のエンドウォール５が接続され、動翼列４の外周部（言い換えれば、複数の動翼の先端部）には環状のカバー６が接続されている。蒸気（作動流体）の主流路７は、ケーシング１の内周面８とエンドウォール５の外周面９との間（詳細には、静翼間）に形成された流路や、カバー６の内周面１０とロータ２の外周面１１との間（詳細には、動翼間）に形成された流路等で構成されている。そして、例えばボイラ等で生成された蒸気が蒸気タービンの主流路７に導入されて、図１中矢印Ｃ_１で示す方向に流れている。

また、本実施形態では、特に、隙間入口拡大流路２４のロータ径方向拡大寸法Ｄａ及びロータ軸方向拡大寸法Ｄｂが隙間流路１５の幅寸法Ｈより大きくなっている。そのため、十分に迂回した流れを発生させることができ、実質的な流路長さの延長作用が得られやすくなっている。また、隙間入口拡大流路２４のロータ径方向拡大寸法Ｄａがロータ軸方向拡大寸法Ｄｂより大きくなっているので、迂回流れを効果的に発生させることができる。詳しく説明すると、静翼列３から流出して隙間入口流路１８に流入した蒸気は、旋回流成分を持ち、遠心力の効果によってロータ径方向外側に流れやすくなっている。そのため、ロータ軸方向拡大寸法Ｄｂを大きくするよりも、ロータ径方向拡大寸法Ｄａを大きくしたほうが、迂回流れを効果的に発生させることができる。

本実施形態では、隙間入口拡大流路２４に環状の迂回部材２７を配置している。迂回部材２７は、円錐台状の筒体であって、ロータ軸方向上流側に向かって外周側に傾斜するように形成されている。そして、迂回部材２７の外周面には周方向に離間して複数の支持部材（略棒状の部材）２８が設けられ、これら支持部材２８を介して迂回部材２７がケーシング１に取付けられている。これにより、図８中矢印Ｃ_６で示す迂回流れを促進させることができる。詳しく説明すると、静翼列３から流出して隙間入口流路１８に流入した蒸気は、旋回流成分を持ち、遠心力の効果によってロータ径方向外側に流れやすくなっている。そして、迂回部材２７の内周面に衝突すると、ロータ軸方向上流側に転向される。そして、迂回部材２７の内周面と流路壁面２５ｄとの間をロータ軸方向上流側に流れた後、迂回部材２７の外周面と流路壁面２５ｂとの間をロータ軸方向下流側に流れるようになっている（迂回流れ）。

１ケーシング
２ロータ
３静翼列
４動翼列
６カバー
８ケーシングの内周面
１２凹み部
１３カバーの外周面
１４凹み部の底面
１５隙間流路
１６カバーの上流側側面
１７凹み部の上流側側面
１８隙間入口流路
１９カバーの下流側側面
２０凹み部の下流側側面
２１隙間出口流路
２２凸部
２３フィン
２４，２４Ａ隙間入口拡大流路
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ流路壁面
２６突出部
２７迂回部材

Claims

ケーシングと、
前記ケーシング内に回転可能に設けられたロータと、
前記ケーシングの内周側に設けられた静翼列と、
前記ロータの外周側に設けられ、前記静翼列に対してロータ軸方向下流側に配置された動翼列と、
前記動翼列の外周部に接続された環状のカバーと、
前記ケーシングの内周面に設けられ、前記カバーを収納する環状の凹み部と、
前記カバーの外周面とこれに対向する前記凹み部の底面との間に形成され、ラビリンスシールが設けられた隙間流路と、
前記カバーの上流側側面とこれに対向する前記凹み部の上流側側面との間に形成された隙間入口流路と、
前記カバーの下流側側面とこれに対向する前記凹み部の下流側側面との間に形成された隙間出口流路とを有する軸流流体機械において、
前記隙間入口流路と前記隙間流路との間に形成された隙間入口拡大流路を有し、
前記隙間入口拡大流路は、周方向全体にわたってほぼ一様に、前記隙間流路を形成する前記凹み部の前記底面より外周側にかつ前記隙間入口流路を形成する前記凹み部の前記上流側側面よりロータ軸方向上流側に拡大するように形成されたことを特徴とする軸流流体機械。
請求項１記載の軸流流体機械において、
前記隙間流路を形成する前記凹み部の前記底面からの前記隙間入口拡大流路のロータ径方向の拡大寸法Ｄａは、前記カバーの前記外周面から前記凹み部の前記底面までの前記隙間流路の幅寸法Ｈより大きいことを特徴とする軸流流体機械。
請求項１記載の軸流流体機械において、
前記隙間入口流路を形成する前記凹み部の前記上流側側面からの前記隙間入口拡大流路のロータ軸方向の拡大寸法Ｄｂは、前記カバーの前記外周面から前記凹み部の前記底面までの前記隙間流路の幅寸法Ｈより大きいことを特徴とする軸流流体機械。
請求項１記載の軸流流体機械において、
前記カバーの上流側側面に突出部を設けたことを特徴とする軸流流体機械。
請求項４記載の軸流流体機械において、
前記突出部の先端面は、そのロータ軸方向位置が前記隙間入口拡大流路のロータ軸方向位置と重なるように位置することを特徴とする軸流流体機械。
請求項１記載の軸流流体機械において、
前記隙間流路を形成する前記凹み部の前記底面より外周側に位置して前記隙間入口拡大流路を形成する流路壁面は、ロータ軸方向下流側に向かって外周側に傾斜するように形成されたことを特徴とする軸流流体機械。
請求項１記載の軸流流体機械において、
前記隙間入口拡大流路内の迂回流れを促進するために前記隙間入口拡大流路内に環状の迂回部材を設けたことを特徴とする軸流流体機械。
請求項７記載の軸流流体機械において、
前記迂回部材は、円錐台状の筒体であって、ロータ軸方向上流側に向かって外周側に傾斜するように形成されたことを特徴とする軸流流体機械。
請求項７記載の軸流流体機械において、
前記カバーの上流側側面に突出部を設けており、
前記突出部の先端面は、そのロータ軸方向位置が前記隙間入口拡大流路のロータ軸方向位置と重なるように位置し、かつ前記迂回部材のロータ軸方向下流側の端部よりロータ軸方向上流側に位置することを特徴とする軸流流体機械。