(57)【要約】【課題】回転機械における自励振動の発生を抑制する。【解決手段】タービン動翼は、複数の翼本体の各々の先端部を接続する環状のチップシュラウドと、を備えるタービン動翼であって、チップシュラウドは、少なくとも１つの第１貫通孔を有する。少なくとも１つの第１貫通孔は、チップシュラウドの外周面及びケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって径方向に延在する第１シールフィン、及び、第１シールフィンとはロータ本体の軸線方向に離間した位置において、チップシュラウドの外周面及びケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって径方向に延在する第２シールフィン、の間に画定される第１キャビティと、ロータ本体の周方向において隣接する一対の翼本体の間に形成される翼間流路と、を連通するようにチップシュラウドを径方向に貫通する。【選択図】図２
2019173670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内で軸線周りに回転するロータ本体から径方向に延びるように取り付けられる複数の翼本体であって、前記ロータ本体の周方向において間隔をあけて設けられた複数の翼本体と、
前記複数の翼本体の各々の先端部を接続する環状のチップシュラウドと、を備えるタービン動翼であって、
前記チップシュラウドは、少なくとも１つの第１貫通孔を有し、
前記少なくとも１つの第１貫通孔は、
前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第１シールフィンであって、前記第１シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第１シールフィン、及び、前記第１シールフィンとは前記軸線方向に離間した位置において、前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第２シールフィンであって、前記第２シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第２シールフィン、の間に画定される第１キャビティと、
前記ロータ本体の周方向において隣接する一対の前記翼本体の間に形成される翼間流路と、
を連通するように前記チップシュラウドを前記径方向に貫通する
タービン動翼。
【請求項２】
前記第１貫通孔は、前記第１キャビティ側に開口する第１開口と、前記翼間流路側に開口する第２開口とを有し、
前記第１開口は、前記第１シールフィンと前記第２シールフィンとの中間位置に形成され、
前記第２開口は、前記翼間流路に面する位置であって、前記第１開口に面する位置の静圧と同じ静圧となる位置に形成される、請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項３】
前記第１貫通孔は、前記第１キャビティ側に開口する第１開口と、前記第１開口に連なる第１キャビティ側流路部分とを有し、
前記第１キャビティ側流路部分は、前記第１キャビティにおける前記ロータ本体の回転方向の上流側を指向する、請求項１又は２に記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記第１貫通孔は、前記翼間流路側に開口する第２開口と、前記第２開口に連なる翼間側流路部分とを有し、
前記翼間側流路部分は、前記翼間流路の下流側を指向する、請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項５】
前記少なくとも１つの第１貫通孔は、同径の孔を有する複数の第１貫通孔を有し、
前記複数の第１貫通孔は、環状の前記チップシュラウドの全周に亘って周方向に沿って等間隔に形成されている、請求項１乃至４の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項６】
前記チップシュラウドは、少なくとも１つの第２貫通孔を有し、
前記少なくとも１つの第２貫通孔は、
前記第２シールフィン、及び、前記第２シールフィンとは前記第１シールフィンから前記第２シールフィンに向かう前記軸線方向に離間した位置において、前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第３シールフィンであって、前記第３シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第３シールフィン、の間に画定される第２キャビティと、
前記翼間流路と、
を連通するように前記チップシュラウドを前記径方向に貫通する
請求項１乃至５の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項７】
前記ケーシングと、
前記ロータ本体と、
請求項１乃至６の何れか一項に記載のタービン動翼と
を備える回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、タービン動翼及び回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械において、低周波振動などの自励振動が発生する事例があり、幾つかの対策案が立案されている（例えば特許文献１参照）。
例えば、特許文献１に記載の蒸気タービンでは、蒸気タービン段落の動翼シュラウドに動翼の動翼間通路と動翼チップシールフィンの入口側の動翼チップ間隙とを連通し、かつ前記動翼チップ間隙へ、動翼の回転方向と反対方向に蒸気が流出するような角度をもった小孔を穿設している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６２−１５４２０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械では、タービン効率の向上化のため、ロータ径が小径化され、翼が多段化される傾向にある。したがって、ロータが小径化及び長軸化するため、低周波振動などの自励振動が発生し易くなる傾向にある。そのため、自励振動をより効果的に抑制する対策案が求められている。
【０００５】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、回転機械における自励振動の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン動翼は、
ケーシング内で軸線周りに回転するロータ本体から径方向に延びるように取り付けられる複数の翼本体であって、前記ロータ本体の周方向において間隔をあけて設けられた複数の翼本体と、
前記複数の翼本体の各々の先端部を接続する環状のチップシュラウドと、を備えるタービン動翼であって、
前記チップシュラウドは、少なくとも１つの第１貫通孔を有し、
前記少なくとも１つの第１貫通孔は、
前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第１シールフィンであって、前記第１シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第１シールフィン、及び、前記第１シールフィンとは前記軸線方向に離間した位置において、前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第２シールフィンであって、前記第２シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第２シールフィン、の間に画定される第１キャビティと、
前記ロータ本体の周方向において隣接する一対の前記翼本体の間に形成される翼間流路と、
を連通するように前記チップシュラウドを前記径方向に貫通する。
【０００７】
一般に、回転機械における自励振動の原因は、静翼を通過して強い周方向速度成分（スワール成分、旋回成分）をもった流れ（旋回流）が、シールフィンを通過する際に、シールフィン間のキャビティ内に周方向に不均一な圧力分布を形成する事であることが分かっている。
キャビティ内に周方向に不均一な圧力分布が形成されると、シールフィン間のキャビティ内で圧力の高いところでは、キャビティ内の圧力によってロータを径方向内側へ押圧する力が増加するが、シールフィン間のキャビティ内で圧力の低いところでは、キャビティ内の圧力によってロータを径方向内側へ押圧する力が減少する。
【０００８】
キャビティ内の圧力によってロータを径方向内側へ押圧する押圧力について、ロータの軸線を挟んで対向する一方からの押圧力と他方からの押圧力とが釣り合っていれば、ロータの軸線を挟んで対向する一方からの押圧力と他方からの押圧力とが相殺される。
しかし、例えばロータの軸線を挟んで対向する一方からの押圧力の方が他方からの押圧力よりも大きくなると、双方の押圧力の差分の力でロータが一方から他方に向かって押圧される。したがって、ロータの軸線を挟んで対向する一方からの押圧力と他方からの押圧力との差が大きくなると、ロータの自励振動を誘発することとなる。
【０００９】
その点、上記（１）の構成によれば、チップシュラウドには、第１キャビティと翼間流路とを連通するようにチップシュラウドを径方向に貫通する第１貫通孔が形成されているので、第１キャビティ内の静圧を翼間流路の静圧に近づけることができ、第１キャビティ内で周方向に不均一な圧力分布が形成されることを抑制できる。これにより、上記（１）の構成によるタービン動翼を用いた回転機械において、自励振動の発生を抑制することができる。
【００１０】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記第１貫通孔は、前記第１キャビティ側に開口する第１開口と、前記翼間流路側に開口する第２開口とを有し、
前記第１開口は、前記第１シールフィンと前記第２シールフィンとの中間位置に形成され、
前記第２開口は、前記翼間流路に面する位置であって、前記第１開口に面する位置の静圧と同じ静圧となる位置に形成される。
【００１１】
ロータ本体は、熱膨張によって軸線方向に伸縮するため、ケーシングとの軸線方向の相対位置が変化する。そのため、シールフィンがケーシングに形成されている場合には、シールフィンの先端部とチップシュラウドとの軸線方向の相対位置が変化する。仮に、シールフィンの先端部とチップシュラウドとの軸線方向の相対位置が極端に変化すると、第１開口が第１キャビティから逸脱してしまう。
その点、上記（２）の構成によれば、第１開口が第１シールフィンと第２シールフィンとの中間位置に形成されるので、第１開口が第１シールフィンと第２シールフィンとの中間位置から何れかのシールフィンの方へ近づいた位置に形成された場合と比べて、シールフィンの先端部とチップシュラウドとの軸線方向の相対位置が変化することで、第１開口が第１キャビティから逸脱する可能性を低減できる。
また、上記（２）の構成によれば、第２開口が翼間流路に面する位置であって、第１開口に面する位置の静圧と同じ静圧となる位置に形成されるので、回転機械における自励振動の原因となり得る、上述したようなキャビティ内における周方向に不均一な圧力分布が形成されなければ、第１キャビティと翼間流路との間で作動流体が流通しない。これにより、翼間流路を流れる作動流体が第１キャビティに流れるなどしてタービン効率が低下することを抑制できる。
【００１２】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記第１貫通孔は、前記第１キャビティ側に開口する第１開口と、前記第１開口に連なる第１キャビティ側流路部分とを有し、
前記第１キャビティ側流路部分は、前記第１キャビティにおける前記ロータ本体の回転方向の上流側を指向する。
【００１３】
一般に、シールフィン間のキャビティ内に周方向に流れる作動流体の周方向速度か高くなるほど回転機械における自励振動が発生し易くなることが分かっている。
その点、上記（３）の構成によれば、第１キャビティ側流路部分が第１キャビティにおけるロータ本体の回転方向の上流側を指向するので、翼間流路を流れる作動流体が第１キャビティに流出する際に第１開口から第１キャビティにおけるロータ本体の回転方向の上流側に向かって、すなわち、第１キャビティ内を周方向に向かって流れる作動流体の流れに逆らうように流出する。これにより、第１キャビティ内を周方向に向かって流れる作動流体の流れの速度を抑制することで自励振動の発生を抑制することに資する。
【００１４】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記第１貫通孔は、前記翼間流路側に開口する第２開口と、前記第２開口に連なる翼間側流路部分とを有し、
前記翼間側流路部分は、前記翼間流路の下流側を指向する。
【００１５】
上記（４）の構成によれば、翼間側流路部分が翼間流路の下流側を指向するので、第１キャビティを流れる作動流体が翼間流路に流出する際に、翼間流路における作動流体の流れに沿って流出する。これにより、翼間流路における作動流体の流れと第１貫通孔から翼間流路に流れる作動流体との合流に伴う損失を抑制でき、タービン効率の低下を抑制できる。
【００１６】
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記少なくとも１つの第１貫通孔は、同径の孔を有する複数の第１貫通孔を有し、
前記複数の第１貫通孔は、環状の前記チップシュラウドの全周に亘って周方向に沿って等間隔に形成されている。
【００１７】
上記（５）の構成によれば、同径の孔を有する複数の第１貫通孔が環状のチップシュラウドの全周に亘って周方向に沿って等間隔に形成されているので、ロータ本体及びタービン動翼を含むロータの回転バランスがアンバランスになることを抑制できる。
【００１８】
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記チップシュラウドは、少なくとも１つの第２貫通孔を有し、
前記少なくとも１つの第２貫通孔は、
前記第２シールフィン、及び、前記第２シールフィンとは前記第１シールフィンから前記第２シールフィンに向かう前記軸線方向に離間した位置において、前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第３シールフィンであって、前記第３シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第３シールフィン、の間に画定される第２キャビティと、
前記翼間流路と、
を連通するように前記チップシュラウドを前記径方向に貫通する。
【００１９】
上記（６）の構成によれば、チップシュラウドには、第２キャビティと翼間流路とを連通するようにチップシュラウドを径方向に貫通する第２貫通孔が形成されているので、第２キャビティ内の静圧を翼間流路の静圧に近づけることができ、第２キャビティ内で周方向に不均一な圧力分布が形成されることを抑制できる。
【００２０】
（７）本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
前記ケーシングと、
前記ロータ本体と、
上記構成（１）乃至（６）の何れかのタービン動翼と
を備える。
【００２１】
上記（７）の構成によれば、回転機械が上記構成（１）乃至（６）の何れかのタービン動翼を備えるので、自励振動の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、回転機械における自励振動の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】幾つかの実施形態に係るタービン動翼を備える回転機械の一例としての蒸気タービンについて説明するための図である。
【図２】幾つかの実施形態のタービン動翼の翼体の先端部近傍の模式的な図である。
【図３】幾つかの実施形態のタービン動翼の翼体の先端部近傍の模式的な図である。
【図４】幾つかの実施形態のタービン動翼の翼体の先端部近傍の模式的な図である。
【図５】幾つかの実施形態のタービン動翼の翼体の先端部近傍の模式的な図である。
【図６】一実施形態におけるタービン動翼を周方向に沿って切断した断面を模式的に示す図である。
【図７】他の実施形態におけるタービン動翼を径方向外側から見たときの模式的な図である。
【図８】図７におけるチップシュラウドのＡ−Ａ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２５】
図１は、幾つかの実施形態に係るタービン動翼を備える回転機械の一例としての蒸気タービンについて説明するための図である。図２〜図５は、幾つかの実施形態のタービン動翼の翼体の先端部近傍を模式的に示す図である。
図１に示すように、蒸気タービンプラント１００は、軸線Ｏを中心に回転するロータ本体１１と、ロータ本体１１に接続されるロータ３と、作動流体としての蒸気Ｓを蒸気供給源（不図示）から蒸気タービン１に供給する蒸気供給管１２と、蒸気タービン１の下流側に接続されて蒸気を排出する蒸気排出管１３とを備えている。
【００２６】
図１において、蒸気供給管１２が位置する側を上流側と呼び、蒸気排出管１３が位置する側を下流側と呼び、これに準じて以降の説明をする。
【００２７】
図１に示すように、蒸気タービン１は、軸線Ｏ方向に沿って延びるロータ３と、ロータ３を外周側から覆うケーシング２と、ロータ本体１１を軸線Ｏ回りに回転可能に支持する軸受部４とを備えている。
【００２８】
ロータ３は、ロータ本体１１とタービン動翼３０とを備えている。タービン動翼３０は、複数の翼本体３１とチップシュラウド３４とを備える動翼列であり、軸線Ｏ方向において、一定の間隔を持って複数列が配置される。
複数の翼本体３１は、それぞれケーシング２内で軸線Ｏ周りに回転するロータ本体１１から径方向に延びるように取り付けられ、ロータ本体１１の周方向において間隔をあけて設けられている。複数の翼本体３１は、それぞれ径方向から見て翼型の断面を有する部材である。
チップシュラウド３４は、複数の翼本体３１の各々の先端部（径方向外側の端部）を接続する環状のチップシュラウドである。
【００２９】
ケーシング２は、ロータ３を外周側から覆うように設けられた概略筒状の部材である。さらに、ケーシング２の内周面２５に沿って複数の静翼２１が設けられている。静翼２１は、内周面２５の周方向及び軸線Ｏ方向に沿って複数配列される。さらに、タービン動翼３０は、隣り合う複数の静翼２１の間の領域に入り込むようにして配置される。
【００３０】
ケーシング２の内部において、静翼２１とタービン動翼３０が配列された領域は、作動流体である蒸気Ｓが流通する主流路２０を形成する。
さらに、ケーシング２の内周面２５とチップシュラウド３４との間には空間が形成されており、この空間をキャビティ５０と称する。
【００３１】
図２〜図５に示すように、幾つかの実施形態に係るキャビティ５０には、シールフィン（シール構造）４０が設けられている。図２〜図４に示す幾つかの実施形態のシールフィン４０は、ケーシング２の内周面２５から径方向内側に向かって延在する円環状の部材である。より詳細には、シールフィン４０は径方向外側から径方向内側に向かうに従って次第に軸線Ｏ方向の厚みが減少する形状を有するようにケーシング２の内周面２５から突出している。図２〜図５に示す幾つかの実施形態では、軸線Ｏ方向に沿ってキャビティ５０の内部に３列のシールフィン４０が配列されており、上流側から順に第１シールフィン４１、第２シールフィン４２及び第３シールフィン４３と呼ぶ。なお、図５に示す実施形態のシールフィン４０Ａ（第２シールフィン４２）のように、シールフィン４０は、チップシュラウド３４の外表面３５に形成され、チップシュラウド３４の外表面３５からケーシング２の内周面２５に向かって径方向外側に延在するように構成してもよい。
【００３２】
図２〜図５に示すように、幾つかの実施形態では、シールフィン４０の径方向内側の先端部は、該先端部と対向するチップシュラウド３４の外表面３５との間、又は、ケーシング２の内周面２５との間で微小な間隙ｍを形成する。ロータ３の径方向における間隙ｍの寸法は、ケーシング２や翼本体３１の熱膨張量や、翼本体３１の遠心伸び量等を考慮して、シールフィン４０の先端部が、該先端部と対向する相手側の部材と接触することがない範囲で決定される。
【００３３】
図２〜図５に示す幾つかの実施形態に係るキャビティ５０のうち、第１シールフィン４１と第２シールフィン４２との間に画定される領域を第１キャビティ５１と呼び、第２シールフィン４２と第３シールフィン４３との間に画定される領域を第２キャビティ５２と呼ぶ。
【００３４】
次に、図２から図８を参照して、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１の作用を説明する。なお、図６は、一実施形態におけるタービン動翼３０を周方向に沿って切断した断面、すなわち軸線Ｏ方向から見た断面を模式的に示す図である。図７は、他の実施形態におけるタービン動翼３０を径方向外側から見たときの模式的な図である。図８は、図７におけるチップシュラウド３４のＡ−Ａ矢視断面図である。
幾つかの実施形態に係る蒸気タービンプラント１００では、蒸気供給源からの蒸気Ｓが蒸気供給管１２を介して蒸気タービン１に供給される。
蒸気タービン１に供給された蒸気Ｓは、主流路２０に到達する。主流路２０を到達した蒸気Ｓは、主流路２０を流通するにともなって膨張と流れの転向を繰り返しながら、下流側に向かって流通する。翼本体３１は翼型断面を有するため、翼本体３１に蒸気Ｓが衝突したり、周方向に沿って隣接する翼本体３１同士の間に形成される翼間流路３６の内部でも蒸気が膨張する際の反力を受けたりすることで、ロータ３が回転する。これにより、蒸気Ｓの有するエネルギーは、蒸気タービン１の回転動力として取り出される。
【００３５】
上述の過程において主流路２０を流通する蒸気Ｓは、前述のキャビティ５０にも流入する。すなわち、主流路２０に流入した蒸気Ｓは静翼２１を通過した後、主蒸気流ＳＭと漏洩蒸気流ＳＬとに分かれる。主蒸気流ＳＭは、漏洩せずにタービン動翼３０に導入される。
漏洩蒸気流ＳＬは、チップシュラウド３４とケーシング２との間を介してキャビティ５０に流入する。ここで、蒸気Ｓは、静翼２１を通過した後にスワール成分（周方向速度成分）が増大した状態になり、この蒸気Ｓの一部が分離して漏洩蒸気流ＳＬとしてキャビティ５０に流入する。したがって、漏洩蒸気流ＳＬも蒸気Ｓと同様にスワール成分を含んでいる。
【００３６】
キャビティ５０に流入した漏洩蒸気流ＳＬは、間隙ｍを介して第１キャビティ５１及び第２キャビティ５２に到達した後も、依然としてスワール成分を含んでいる。そのため、第１キャビティ５１内及び第２キャビティ５２内の漏洩蒸気流ＳＬは、例えば図６に示すように、第１キャビティ５１内及び第２キャビティ５２内で下流側に向かうに従ってロータ３の回転方向Ｒ（図１，６参照）に向かう旋回流となる。
【００３７】
上述したように、一般に、回転機械における自励振動の原因は、静翼２１を通過して強い周方向速度成分（スワール成分、旋回成分）をもった流れ（旋回流）が、シールフィン４０を通過する際に、シールフィン４０間のキャビティ５０内に周方向に不均一な圧力分布を形成する事であることが分かっている。
キャビティ５０内に周方向に不均一な圧力分布が形成されると、シールフィン４０間のキャビティ５０内で圧力の高いところでは、キャビティ５０内の圧力によってロータ３を径方向内側へ押圧する力が増加するが、シールフィン４０間のキャビティ５０内で圧力の低いところでは、キャビティ５０内の圧力によってロータ３を径方向内側へ押圧する力が減少する。
【００３８】
上述したように、キャビティ５０内の圧力によってロータ３を径方向内側へ押圧する押圧力について、ロータ３の軸線Ｏを挟んで対向する一方からの押圧力と他方からの押圧力とが釣り合っていれば、ロータ３の軸線Ｏを挟んで対向する一方からの押圧力と他方からの押圧力とが相殺される。
しかし、例えばロータ３の軸線Ｏを挟んで対向する一方からの押圧力の方が他方からの押圧力よりも大きくなると、双方の押圧力の差分の力でロータ３が一方から他方に向かって押圧される。したがって、ロータ３の軸線Ｏを挟んで対向する一方からの押圧力と他方からの押圧力との差が大きくなると、ロータ３の自励振動を誘発することとなる。
【００３９】
そこで、図２〜図８に示す幾つかの実施形態では、チップシュラウド３４に、隣接する１対のシールフィン４０間に画定される領域（第１キャビティ５１及び第２キャビティ５２）と翼間流路３６とを連通するようにチップシュラウド３４を径方向に貫通する貫通孔６０を形成した。
これにより、隣接する１対のシールフィン４０間のキャビティ５０の静圧を翼間流路３６の静圧に近づけることができる。発明者らが鋭意検討した結果、翼間流路３６の静圧の周方向のばらつきは、隣接する１対のシールフィン４０間のキャビティ５０の静圧の周方向変動幅に比べると小さいことが分かっている。したがって、隣接する１対のシールフィン４０間のキャビティ５０と翼間流路３６とを貫通孔６０で連通することで、隣接する１対のシールフィン４０間のキャビティ５０の静圧の変動を抑制でき、隣接する１対のシールフィン４０間のキャビティ５０内で周方向に不均一な圧力分布が形成されることを抑制できる。これにより、ケーシング２と、ロータ本体１１と、図２〜図６に示す幾つかの実施形態に係るタービン動翼３０とを備える蒸気タービン１において、ロータ３における自励振動の発生を抑制することができる。
【００４０】
なお、ロータ３における自励振動を抑制するための対策を実施できるのは、軸受部４を除くとシール部しかない。その際、静翼側のシール部では、シールフィンを通過する漏洩蒸気流の持つ周方向速度成分が小さくロータ３における自励振動を誘発する原因となりにくいが、動翼側では上述したように静翼を通過して強い周方向速度成分を持った漏洩蒸気がシールフィン４０を通過する為、自励振動を誘発する原因を生じることがある。そのため、幾つかの実施形態では、ロータ３における自励振動を抑制するための対策を動翼側で行うこととした。
【００４１】
以下、図２〜図８に示すそれぞれの実施形態について説明する。
（第１貫通孔６１）
図２〜図８に示す実施形態のタービン動翼３０では、チップシュラウド３４は、少なくとも１つの第１貫通孔６１を有する。この少なくとも１つの第１貫通孔６１は、第１シールフィン４１及び第２シールフィン４２の間に画定される第１キャビティ５１と、ロータ本体１１の周方向において隣接する一対の翼本体３１の間に形成される翼間流路３６とを連通するようにチップシュラウド３４を径方向に貫通する。
したがって、第１キャビティ５１内の静圧を翼間流路３６の静圧に近づけることができ、第１キャビティ５１内で周方向に不均一な圧力分布が形成されることを抑制できる。これにより、図２〜図８に示す実施形態のタービン動翼３０を用いた蒸気タービン１において、自励振動の発生を抑制することができる。
【００４２】
（第２貫通孔６２）
図２〜図８に示す実施形態のタービン動翼３０では、チップシュラウド３４は、少なくとも１つの第２貫通孔６２を有する。この少なくとも１つの第２貫通孔６２は、第２シールフィン４２及び第３シールフィン４３の間に画定される第２キャビティ５２と、翼間流路３６とを連通するようにチップシュラウド３４を径方向に貫通する。
【００４３】
これにより、第２キャビティ５２内の静圧を翼間流路３６の静圧に近づけることができ、第２キャビティ５２内で周方向に不均一な圧力分布が形成されることを抑制できる。
【００４４】
（第１開口６０ａの形成位置について）
図２〜図８に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１は、第１キャビティ５１側に開口する第１開口６０ａと、翼間流路３６側に開口する第２開口６０ｂとを有する。図２〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１の第１開口６０ａは、第１シールフィン４１と第２シールフィン４２との中間位置に形成される。
なお、第１シールフィン４１と第２シールフィン４２との上述した中間位置は、第１シールフィン４１と第２シールフィン４２との厳密な中間位置だけでなく、例えば、第１シールフィン４１の軸線Ｏ方向の位置を０％、第２シールフィン４２の軸線Ｏ方向の位置を１００％としたときに、例えば４０％以上６０％以下の範囲であってもよい。後述する、第２シールフィン４２と第３シールフィン４３との中間位置についても同様である。
【００４５】
ロータ本体１１は、熱膨張によって軸線Ｏ方向に伸縮するため、ケーシング２との軸線Ｏ方向の相対位置が変化する。そのため、シールフィン４０がケーシング２に形成されている場合には、シールフィン４０の先端部とチップシュラウド３４との軸線Ｏ方向の相対位置が変化する。仮に、シールフィン４０の先端部とチップシュラウド３４との軸線Ｏ方向の相対位置が極端に変化すると、第１貫通孔６１の第１開口６０ａが第１キャビティ５１から逸脱してしまう。
【００４６】
その点を考慮して、図２〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１の第１開口６０ａが第１シールフィン４１と第２シールフィン４２との中間位置に形成されている。これにより、第１貫通孔６１の第１開口６０ａが第１シールフィン４１と第２シールフィン４２との中間位置から何れかのシールフィン４０の方へ近づいた位置に形成された場合と比べて、シールフィン４０の先端部とチップシュラウド３４との軸線Ｏ方向の相対位置が変化することで、第１貫通孔６１の第１開口６０ａが第１キャビティ５１から逸脱する可能性を低減できる。
【００４７】
なお、図２〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０において、第２貫通孔６２の第１開口６０ａを第２シールフィン４２と第３シールフィン４３との中間位置に形成してもよい。図２〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０において、第２貫通孔６２の第１開口６０ａを第２シールフィン４２と第３シールフィン４３との中間位置に形成すれば、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。
【００４８】
（第２開口６０ｂの形成位置について）
図３〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１の第２開口６０ｂは、例えば図３に示すように、翼間流路３６に面する位置であって、第１貫通孔６１の第１開口６０ａに面する位置の静圧と同じ静圧となる位置に形成される。具体的には、次のとおりである。
【００４９】
図３に示すグラフは、キャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃ、及び、翼間流路３６における平均静圧Ｐｃｐと、軸線Ｏ方向の位置との関係を示すグラフである。図３では、軸線Ｏ方向の位置を示す横軸を図３におけるタービン動翼３０の模式図の軸線Ｏ方向の位置と対応するように描いている。実線のグラフ９１は、キャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃを示し、一点鎖線のグラフ９２は、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐを示す。
なお、キャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃ、及び、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐは、例えば蒸気タービン１のある運転条件における定常状態での時間平均値である。
【００５０】
キャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃと、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐとは、翼本体３１よりも上流側では略同じ圧力である。キャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃは、シールフィン４０を通過するごとにステップ状に低下する。また、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐは、軸線Ｏ方向に沿って、下流側に向かうにつれて徐々に低下する。キャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃと、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐとは、翼本体３１よりも下流側では再び略同じ圧力となる。
【００５１】
第１シールフィン４１の形成位置ｘ１と、第２シールフィン４２の形成位置ｘ３との間の区間では、上流側の区間、すなわち図示左方の区間において、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐはキャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃよりも高く、下流側の区間、すなわち図示右方の区間において、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐはキャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃよりも低い。したがって、第１シールフィン４１の形成位置ｘ１と、第２シールフィン４２の形成位置ｘ３との間の位置ｘ２において、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐとキャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃとは等しくなる。
同様に、第２シールフィン４２の形成位置ｘ３と、第３シールフィン４３の形成位置ｘ５との間の区間では、上流側の区間において、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐはキャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃよりも高く、下流側の区間において、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐはキャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃよりも低い。したがって、第２シールフィン４２の形成位置ｘ３と、第３シールフィン４３の形成位置ｘ５との間の位置ｘ４において、翼間流路３６における平均静圧Ｐｓｐとキャビティ５０における平均静圧Ｐｓｃとは等しくなる。
【００５２】
図３〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１の第２開口６０ｂは、例えば図３に示すように、第１貫通孔６１の第１開口６０ａに面する位置の静圧と同じ静圧となる位置ｘ２に形成される。
そのため、蒸気タービン１における自励振動の原因となり得る、上述したようなキャビティ５０内における周方向に不均一な圧力分布が形成されなければ、第１キャビティ５１と翼間流路３６との間で蒸気Ｓが流通しない。これにより、翼間流路３６を流れる主蒸気流ＳＭが第１キャビティ５１に流れるなどしてタービン効率が低下することを抑制できる。
【００５３】
なお、第１貫通孔６１の第１開口６０ａに面する位置の静圧と同じ静圧となる位置ｘ２は、第１貫通孔６１の第１開口６０ａに面する位置における第１キャビティ５１の平均静圧Ｐｓｃと第１貫通孔６１の第２開口６０ｂに面する位置における翼間流路３６の平均静圧Ｐｓｐとが厳密に一致する位置に限定されない。
例えば、第１貫通孔６１の第１開口６０ａに面する位置の静圧と同じ静圧となる位置ｘ２は、第１貫通孔６１の第２開口６０ｂに面する位置における翼間流路３６の平均静圧Ｐｓｐが第１貫通孔６１の第１開口６０ａに面する位置における第１キャビティ５１の平均静圧Ｐｓｃに対して、例えば第１シールフィン４１の前後の差圧のマイナス１０％以上プラス１０％以下の範囲内の圧力となる位置であってもよい。
位置ｘ４についても同様である。
【００５４】
なお、図３〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０において、第２貫通孔６２の第２開口６０ｂを、第２貫通孔６２の第１開口６０ａに面する位置の静圧と同じ静圧となる位置ｘ４に形成してもよい。図３〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０において、第２貫通孔６２の第２開口６０ｂを、第２貫通孔６２の第１開口６０ａに面する位置の静圧と同じ静圧となる位置ｘ４に形成すれば、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。
なお、第１貫通孔６１の第２開口６０ｂを位置ｘ２に形成し、第２貫通孔６２の第２開口６０ｂを位置ｘ４に形成するにあたり、図３及び図５に示すように、第１貫通孔６１や第２貫通孔６２を直線状に形成してもよい。また、第１貫通孔６１の第２開口６０ｂを位置ｘ２に形成し、第２貫通孔６２の第２開口６０ｂを位置ｘ４に形成するにあたり、例えば図４に示す実施形態のように、第１貫通孔６１や第２貫通孔６２が後述するように延在方向が異なる第１キャビティ側流路部分６１１，６２１と翼間側流路部分６１２，６２２を含むようにしてもよい。
【００５５】
（翼間側流路部分６１２，６２２について）
図４、図６〜図８に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１は、第１開口６０ａに連なる第１キャビティ側流路部分６１１と第２開口６０ｂに連なる翼間側流路部分６１２とを有する。また、図４、図６〜図８に示す実施形態のタービン動翼３０では、第２貫通孔６２は、第１開口６０ａに連なる第２キャビティ側流路部分６２１と第２開口６０ｂに連なる翼間側流路部分６２２とを有する。すなわち、図４、図６〜図８に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１は、延在方向が異なる第１キャビティ側流路部分６１１と翼間側流路部分６１２を含む。また、第２貫通孔６２は、延在方向が異なる第２キャビティ側流路部分６２１と翼間側流路部分６２２を含む。
【００５６】
図７及び図８に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１の翼間側流路部分６１２は、翼間流路３６の下流側を指向する。すなわち、図７及び図８に示す第１貫通孔６１は、タービン動翼３０を径方向外側から見たときに主蒸気流ＳＭの主流の方向に沿って延在するように形成されている。
タービン動翼３０を径方向外側から見たときの、図７及び図８に示す第１貫通孔６１の延在方向は、例えば、翼間流路３６を流れる主蒸気流ＳＭの主流の方向と必ずしも一致していなくてよく、例えば翼間流路３６を流れる主蒸気流ＳＭの主流の方向とのずれが、例えば４５度以内であればよい。
これにより、第１キャビティ５１を流れる漏洩蒸気流ＳＬが翼間流路３６に流出する際に、翼間流路３６における主蒸気流ＳＭの流れに沿って流出する。これにより、翼間流路３６における主蒸気流ＳＭの流れと第１貫通孔６１から翼間流路３６に流れる漏洩蒸気流ＳＬとの合流に伴う損失を抑制でき、タービン効率の低下を抑制できる。
【００５７】
なお、図７に示す実施形態のタービン動翼３０において、第１貫通孔６１の翼間側流路部分６１２と同様に、第２貫通孔６２の翼間側流路部分６２２を翼間流路３６の下流側に指向させてもよい。図７に示す実施形態のタービン動翼３０において、第２貫通孔６２の翼間側流路部分６２２を主蒸気流ＳＭの主流の方向に指向させれば、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。
【００５８】
なお、図３〜図５に示す実施形態のタービン動翼３０についても、第１貫通孔６１及び第２貫通孔６２を、それぞれ第２開口６０ｂ側において翼間流路３６の下流側に指向させることで、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。
【００５９】
（第１キャビティ側流路部分６１１及び第２キャビティ側流路部分６２１について）
図６に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１の第１キャビティ側流路部分６１１は、第１キャビティ５１におけるロータ本体１１の回転方向Ｒの上流側を指向する。
【００６０】
上述したように、一般に、シールフィン４０間のキャビティ５０内に周方向に流れる作動流体の周方向速度か高くなるほど回転機械における自励振動が発生し易くなることが分かっている。
その点、図６に示す実施形態のタービン動翼３０では、第１貫通孔６１の第１キャビティ側流路部分６１１が第１キャビティ５１におけるロータ本体１１の回転方向Ｒの上流側を指向するので、翼間流路３６を流れる主蒸気流ＳＭが第１キャビティ５１に流出する際に第１開口６０ａから第１キャビティ５１におけるロータ本体１１の回転方向Ｒの上流側に向かって、すなわち、第１キャビティ５１内を周方向に向かって流れる漏洩蒸気流ＳＬの流れに逆らうように流出する。これにより、第１キャビティ５１内を周方向に向かって流れる漏洩蒸気流ＳＬの流れの速度を抑制することで自励振動の発生を抑制することに資する。
【００６１】
なお、図６に示す実施形態のタービン動翼３０において、第２貫通孔６２の第２キャビティ側流路部分６２１を第２キャビティ５２におけるロータ本体１１の回転方向Ｒの上流側に指向させてもよい。図６に示す実施形態のタービン動翼３０において、第２貫通孔６２の第２キャビティ側流路部分６２１を第２キャビティ５２におけるロータ本体１１の回転方向Ｒの上流側に指向させれば、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。
【００６２】
（ロータ３の回転バランスについて）
例えば図６に示すように、幾つかの実施形態のタービン動翼３０では、同径の孔を有する複数の第１貫通孔６１を有する。これら複数の第１貫通孔６１は、環状のチップシュラウド３４の全周に亘って周方向に沿って等間隔に形成されている。
これにより、ロータ３の回転バランスがアンバランスになることを抑制できる。
また、例えば図６に示すように、幾つかの実施形態のタービン動翼３０において、同径の孔を有する複数の第２貫通孔６２を環状のチップシュラウド３４の全周に亘って周方向に沿って等間隔に形成することで、上述した作用効果と同様の作用効果を奏する。
【００６３】
なお、第１貫通孔６１及び第２貫通孔６２は、周方向に沿って並んでいる複数の翼間流路３６の全てに対応するように形成してもよく、１つおき又は２つおき等のように、周方向に沿って並んでいる複数の翼間流路３６の一部に対応するように等間隔に形成してもよい。
また、例えば図６に示すように、例えば径の異なる２種類の第１貫通孔６１Ａと第１貫通孔６１Ｂとについて、一方の径の第１貫通孔６１Ａを周方向に沿って並んでいる複数の翼間流路３６に対して、例えば１つおきに対応するように形成してもよい。そして、例えば他方の径の第１貫通孔６１Ｂを周方向に沿って並んでいる複数の翼間流路３６のうち、一方の径の第１貫通孔６１Ａが連通していない翼間流路３６に対応するように形成してもよい。このような場合であっても、一方の径の第１貫通孔６１Ａは、環状のチップシュラウド３４の全周に亘って周方向に沿って等間隔に形成され、他方の径の第１貫通孔６１Ｂは、環状のチップシュラウド３４の全周に亘って周方向に沿って等間隔に形成されていることとなる。
【００６４】
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した幾つかの実施形態では、第１貫通孔６１及び第２貫通孔６２の穴径について特に言及していないが、第１開口６０ａから第２開口６０ｂにかけて穴径が一定であってもよく、途中で変化していてもよい。また、第１貫通孔６１及び第２貫通孔６２の断面形状は円形であってもよく、楕円形であってもよく、多角形等、円形や楕円形以外の形状であってもよい。
また、上述した幾つかの実施形態では、回転機械の一例として蒸気タービン１を挙げて説明したが、ガスタービン等、他の回転機械であってもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１  蒸気タービン
２  ケーシング
３  ロータ
１１  ロータ本体
３０  タービン動翼
３１  翼本体
３４  チップシュラウド
３６  翼間流路
４０  シールフィン（シール構造）
４１  第１シールフィン
４２  第２シールフィン
４３  第３シールフィン
５０  キャビティ
５１  第１キャビティ
５２  第２キャビティ
６０  貫通孔
６０ａ  第１開口
６０ｂ  第２開口
６１  第１貫通孔
６２  第２貫通孔
６１１  第１キャビティ側流路部分
６２１  第２キャビティ側流路部分
【図１】
2019173670.tif 000003
【図２】
2019173670.tif 000004
【図３】
2019173670.tif 000005
【図４】
2019173670.tif 000006
【図５】
2019173670.tif 000007
【図６】
2019173670.tif 000008
【図７】
2019173670.tif 000009
【図８】
2019173670.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月28日(2019.2.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内で軸線周りに回転するロータ本体から径方向に延びるように取り付けられる複数の翼本体であって、前記ロータ本体の周方向において間隔をあけて設けられた複数の翼本体と、
前記複数の翼本体の各々の先端部を接続する環状のチップシュラウドと、を備えるタービン動翼であって、
前記チップシュラウドは、少なくとも１つの第１貫通孔を有し、
前記少なくとも１つの第１貫通孔は、
前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第１シールフィンであって、前記第１シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第１シールフィン、及び、前記第１シールフィンとは前記軸線方向に離間した位置において、前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第２シールフィンであって、前記第２シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第２シールフィン、の間に画定される第１キャビティと、
前記ロータ本体の周方向において隣接する一対の前記翼本体の間に形成される翼間流路と、
を連通するように前記チップシュラウドを前記径方向に貫通し、
前記第１キャビティ側に開口する第１開口と、前記翼間流路側に開口する第２開口とを有し、
前記第１開口は、前記第１シールフィンと前記第２シールフィンとの中間位置に形成され、
前記第２開口は、前記翼間流路に面する位置であって、前記第１開口に面する位置の静圧と同じ静圧となる位置に形成される
タービン動翼。
【請求項２】
前記第１貫通孔は、前記第１キャビティ側に開口する第１開口と、前記第１開口に連なる第１キャビティ側流路部分とを有し、
前記第１キャビティ側流路部分は、前記第１キャビティにおける前記ロータ本体の回転方向の上流側を指向する、請求項１に記載のタービン動翼。
【請求項３】
前記第１貫通孔は、前記翼間流路側に開口する第２開口と、前記第２開口に連なる翼間側流路部分とを有し、
前記翼間側流路部分は、前記翼間流路の下流側を指向する、請求項１又は２に記載のタービン動翼。
【請求項４】
前記少なくとも１つの第１貫通孔は、同径の孔を有する複数の第１貫通孔を有し、
前記複数の第１貫通孔は、環状の前記チップシュラウドの全周に亘って周方向に沿って等間隔に形成されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項５】
前記チップシュラウドは、少なくとも１つの第２貫通孔を有し、
前記少なくとも１つの第２貫通孔は、
前記第２シールフィン、及び、前記第２シールフィンとは前記第１シールフィンから前記第２シールフィンに向かう前記軸線方向に離間した位置において、前記チップシュラウドの外周面及び前記ケーシングの内周面の何れか一方から他方へ向かって前記径方向に延在する第３シールフィンであって、前記第３シールフィンの先端部が該他方との間で間隙を形成する第３シールフィン、の間に画定される第２キャビティと、
前記翼間流路と、
を連通するように前記チップシュラウドを前記径方向に貫通する
請求項１乃至４の何れか一項に記載のタービン動翼。
【請求項６】
前記ケーシングと、
前記ロータ本体と、
請求項１乃至５の何れか一項に記載のタービン動翼と
を備える回転機械。