(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンの回転軸と静止部との間に設けられ、同静止部の前記回転軸の軸方向に沿った溝内で移動可能で、かつ前記回転軸を流体上流側と下流側との間で軸シールするシールセグメントと；同シールセグメントを前記軸方向に貫通し、前記流体を上流側から下流側へ流入可能とする通路部と；同通路部の途中に設けられ、起動、停止の低負荷時にはバネ力により上流側に移動して前記流体を前記通路部の下流側に流入させ、その流体圧力で前記シールセグメントを前記溝内で上流側に移動させて同溝内の下流側壁面と非接触状態にさせ、負荷運転時には流体圧力により前記バネ力に抗して下流側に移動して前記通路を閉じると共にその流体圧力で前記シールセグメントを下流側に移動させ、前記溝内の前記下流側壁面と接触させる弁機構とを具備してなり、低負荷時には前記回転軸と前記シールセグメントとの間隙を大きく、負荷運転時は同間隙を小さくし、蒸気又はガスの漏洩量を低減させることを特徴とするタービン・アクティブクリアランス制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は蒸気タービン及びガスタービンの翼、等の回転部と静止部との間に設けたシールセグメントを有するタービン・アクティブクリアランス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の蒸気又はガスタービンの回転部と静止部の間に用いられるシールセグメントの断面図である。図において、静止部１０と回転部１１との間にはシールセグメント２１が設けられており、負荷の増大に伴い、上流側１２と下流側１３との圧力差も高まることにより、半径方向の力２６、ばね反力２４の差圧力でシール面摩擦力２５に抗してシールセグメント２１を内径側に移動させる。
【０００３】
このようにタービン起動時、停止時には静止部１０と回転部１１との間隙を大きくし、接触による振動の発生や、シール部摩耗を防ぎ、負荷運転時にはシールセグメント２１を内径側１４へ移動させて両者の間隙を小さくして蒸気又はガスの漏洩を減少させている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来の蒸気又はガスタービンの起動、停止時はシールセグメント２１により静止部１０を回転部１１の間隙を大きくし、接触による振動発生やシール部摩耗を防ぎ、負荷運転時にはシールセグメント２１を移動させて間隙を小さくして、蒸気あるいはガスの漏洩を減少させる為に、負荷増に伴って蒸気あるいはガスの作動流体の圧力が高まり、従って差圧も高まる事を利用してシールセグメントを動かし半径方向の間隙を調整している。
【０００５】
しかしながら、従来の技術においてはこのシールセグメント２１の動作が不安定となる場合が多く、普及するに至っていない。このシールセグメント２１の動作不安定の原因は、静止部１０の側面とのシール面摩擦力２５が大き過ぎる事によっている。すなわち半径方向にシールセグメント２５を動かす力となる差圧力は同時に軸方向の力ｆ1 も作用するため軸方向力ｆ1 によるシールセグメント２１と側壁との摩擦も大きくなる。製造直後はこの接触面もなめらかであり摩擦力も大きくないが、使用するにともなって接触面の肌荒れ等により摩耗力２５が増大する。
【０００６】
そのため、この摩擦力に打ち勝ってセグメントを半径方向に動かす為に、半径方向の作用力を大きくする工夫がなされているが、今の所、摩擦力に対して充分な作動力となるようなものはなく、作動不安定が生じるため普及に至っていない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明はこのような課題を解決するために、タービンの回転軸と静止部との間に設けられるシールセグメントに軸方向に貫通する通路部を設け、この通路部に弁機構を設け、この弁機構により低負荷時にはシールセグメントの移動を可能とし、シールセグメントと回転軸との間隙を大きく、負荷運転時にはその間隙を小さくすることを可能にする構成とする。
【０００８】
即ち、本発明は、タービンの回転軸と静止部との間に設けられ、同静止部の前記回転軸の軸方向に沿った溝内で移動可能で、かつ前記回転軸を流体上流側と下流側との間で軸シールするシールセグメントと；同シールセグメントを前記軸方向に貫通し、前記流体を上流側から下流側へ流入可能とする通路部と；同通路部の途中に設けられ、起動、停止の低負荷時にはバネ力により上流側に移動して前記流体を前記通路部の下流側に流入させ、その流体圧力で前記シールセグメントを前記溝内で上流側に移動させて同溝内の下流側壁面と非接触状態にさせ、負荷運転時には流体圧力により前記バネ力に抗して下流側に移動して前記通路を閉じると共にその流体圧力で前記シールセグメントを下流側に移動させ、前記溝内の前記下流側壁面と接触させる弁機構とを具備してなり、低負荷時には前記回転軸と前記シールセグメントとの間隙を大きく、負荷運転時は同間隙を小さくし、蒸気又はガスの漏洩量を低減させることを特徴とするタービン・アクティブクリアランス制御装置を提供する。
【０００９】
【作用】
本発明はこのような手段により、タービンの起動や停止時には、上流、下流の圧力差が小さく、弁機構は通路部内でバネ力により上流側へ押し出されているので流体は通路部で上流から下流側へ通じ、下流側の圧力は上流側にほとんど同じであり、シールセグメントの溝内下流側壁面への押し付け力は極めて小さく、シールセグメントが容易に半径方向に作動する。従って、タービン起動時はシールセグメントは外径側に移動でき、回転軸と静止部との間隙を大きくして接触による振動やシール部摩耗を低減できる。
【００１０】
負荷運転時には負荷上昇により差圧が増大するのでその差圧によりシールセグメントは溝内で内径側に移動する。その後、弁機構が通路部内で下流方向に押し付けられ、流体の通路が閉じ、シールセグメントはその流体圧力で溝内の下流側の側壁面に接し、側壁部のシールが形成されると共に回転軸と静止部との間隙を小さくでき蒸気又はガスの漏洩量を低減することができる。
【００１１】
負荷降下時には弁機構が通路部内で上流側に移動し、シールセグメントの溝内下流側に流体が流入し、その圧力が上昇するので、シールセグメントは溝内の下流側側壁面へ押し付け力が低下し、作用する力により容易に半径外側方向の元の位置へ移動させる事が出来る。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の一実施例に係るタービン・アクティブクリアランス制御装置に関する断面図である。図において、１０はタービンの静翼（ノズル）内側先端部、等の静止部、１１は動翼外径側先端部、ロータ軸、等の回転部で、その間の静止部１０にはシールセグメント１が設けられている。シールセグメント１には軸方向に通路４が上流側１２から下流側１３に貫通して設けられ、パイロット弁２がバネ３を介して設けられている。通路４の下流側は溝５に連通しており静止部１０の側壁１０ａとの接触面積を小さくしている。
【００１３】
このような構成において、上流側１２の圧力Ｐ1 を下流側１３へ導入する通路４は静止部１０の側壁１０ａとシールセグメント１との接触面積を小さくするために設けた溝５の容積に比べて充分に大きくし、軸方向力ｆ2 を効果的に低減させることができる。この通路４の容積は過度に大きいと側面でのシール効果が消失するので、タービン負荷の低い時、すなわち差圧の小さい時はシールセグメント１が下流側１３の壁１０ａに接触せず、浮いたような状態となるようにし、タービン負荷が上昇し、シールセグメント１の半径方向動作が完了した段階では側面１０ａのシール効果を生じさせる為にパイロット弁２１をセグメントに設けたものである。
【００１４】
上流側１２と下流側１３の圧力差が小さい時は、パイロット弁２はバネ３により上流側１２へ押し出されているので、下流側１３の圧力は上流側１２にほとんど同じであり、下流側１３への押し付け力即ち、軸方向の力ｆ2 は極めて小さく、従って、そのシール面摩擦力６も小さくなり、シールセグメント１が容易に半径方向に作動するようになる。
【００１５】
従って、タービン起動時はシールセグメント１は外径側により、負荷上昇により差圧が増大するので内径側１４に移動する。その後、パイロット弁２が下流側１３の方向に押し付けられ、下流側１３の側壁部のシールが形成される。
【００１６】
負荷降下時にはパイロット弁２が上流側１２に移動し、シールセグメント１の下流側の溝５内の圧力が上昇するので、シールセグメント１の下流側１３の側壁１０ａへ押しつけ力が低下し、摩擦力６も小さくなるので容易にシールセグメント１を半径外側方向へ作用するバネ力２４により、元の位置へ移動させる事が出来る。
【００１７】
このように、本実施例では軸方向の力を従来と比べて減少させ、シールセグメントを半径方向に効果的に移動できるようにしたものである。この効果を式で示すと、従来の軸方向の力をｆ1 、シール面の接触面積をＡ1 （図５参照）、本実施例での軸方向の力をｆ2 、接触面積をＡ2 、上流側１２と下流側１３との差圧をΔＰとすると、ｆ1 ＝Ａ1 ×ΔＰ、ｆ2 ＝Ａ2 ×ΔＰとなり、Ａ1 ＞Ａ2 であるから、ｆ1 ＞ｆ2 となり、従来の軸方向の力ｆ1 より本実施例での軸方向の力ｆ2 を小さくすることができる。
【００１８】
図２は図１におけるパイロット弁２付近の拡大図であり、圧力導入用の通路４の面積の関係を示している。図において、Ａ0 ，Ａ1 ，Ａ2 〜Ａ7 は流体通路の面積であり、セグメントが低負荷時、下流側に密着しない条件は、Ａ0 ＞（Ａ1 ＋Ａ2 ）＞Ａ3 ＞Ａ4 ＞Ａ5 ＞Ａ6 ＞（Ａ7 ＋Ａ8 ）として、バネ力により、（Ａ1 ＋Ａ2 ）＞Ａ3 となるように設定する。
【００１９】
図３は前述の通路４の面積とパイロット弁２前後の圧力の関係を示した図で、（ａ）は通路面積と流体流れ方向との関係を示し、（ｂ）は上流側と下流側の間の差圧の分布を示している。
【００２０】
図４は圧力と負荷との関係を示し、（ａ）は負荷上昇時にパイロット弁２が下流側に移動した時の前後の圧力を、（ｂ）は負荷下降時にパイロット弁が上流側に移動した時の前後の圧力の関係を示している。
【００２１】
このような実施例によれば、従来はシールセグメントにおける差圧力とバネによる復元力の差が小さいために、シールセグメントを側面に押し付ける軸方向の力による側面の摩擦力に打ち勝ってシールセグメントを半径方向に効果的に動かせなかったが、前述のように通路４を設け、パイロット弁２とバネ３をこの通路４内に設けたので、タービンの低負荷時にはシールセグメント１と静止部１０の側面との摩擦力６を低減させ、振動の発生やシール部の摩耗を防止し、負荷時には半径方向の作用力を安定させて高いシール効果を得ることができるものである。
【００２２】
【発明の効果】
以上、具体的に説明したように、本発明によれば、タービンの回転軸と静止部との間に設けられるシールセグメントに軸方向に貫通する通路部を設け、この通路部に弁機構を設け、この弁機構により低負荷時にはシールセグメントの移動を可能とし、シールセグメントと回転軸との間隙を大きく、負荷運転時にはその間隙を小さくすることを可能にする構成としたので、次のような効果を奏するものである。
【００２３】
（１）タービン起動時又は停止時及び低負荷時にはセグメントと回転部の半径方向間隙が大きく、軸振動によりシール部が接触し、シール部の摩耗する事を防ぎ、高負荷時は軸振動が安定しているので、間隙が小さくなっても接触する事が無く、高いシール効果が継続して得られるので、性能向上に大きく寄与する。
【００２４】
（２）従来のタービンの軸シールはセグメントの動作不安定が生じ、普及されなかったが本発明においてはシールセグメントの作動が安定しているので軸シールとして有効な手段となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るタービン・アクティブクリアランス制御装置の断面図である。
【図２】図１におけるパイロット弁付近の部分拡大図である。
【図３】本発明の一実施例に係るタービン・アクティブクリアランス制御装置の通路部面積、差圧の関係を示し、（ａ）は流体流れ方向と通路部の面積との関係を示す図、（ｂ）は流体流れ方向での圧力分布を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係るタービン・アクティブクリアランス制御装置の負荷と差圧との関係を示し、（ａ）は負荷上昇時、（ｂ）は負荷下降時の負荷とパイロット弁前後の圧力をそれぞれ示す。
【図５】従来のタービンのシールセグメントの断面図を示す。
【符号の説明】
１      シールセグメント
２      パイロット弁
３      バネ
４      通路
５      溝
６      シール面摩擦力
１０    静止部
１１    回転部
１２    上流側
１３    下流側
【図１】
0003686119.tif 000002
【図２】
0003686119.tif 000003
【図３】
0003686119.tif 000004
【図４】
0003686119.tif 000005
【図５】
0003686119.tif 000006