(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン翼が取り付けられたタービンロータ軸と、該タービンロータ軸を収容するタービンケーシングとの間をシールする軸シール装置であって、
前記タービンケーシングに取り付けられるとともに、前記タービンロータ軸の軸線中心方向に向けて突出するラビリンスシール用フィンと、
前記タービンロータ軸の拡径部に取り付けられるとともに、前記ラビリンスシール用フィンとともにラビリンスシールを構成し、該ラビリンスシール用フィンと接触した場合に前記タービンロータ軸の軸線中心方向へ変形する保護キャップと、
を備え、
前記保護キャップは、前記拡径部に対して取り付け及び取り外しが可能とされるとともに、前記タービンロータ軸の外周側に曲率Ｒを保有する凸形状であり、前記拡径部と前記保護キャップとの間には空間が形成されていることを特徴とする軸シール装置。
【請求項２】
前記タービンロータ軸の前記拡径部は、前記保護キャップの位置決めを行う溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
【請求項３】
前記保護キャップは、前記タービンロータ軸の円周方向に分割された複数の分割体によって構成され、
各前記分割体の前記円周方向に沿う円周方向端部における外径側角部は、前記ラビリンスシール用フィンに対して回転時に鈍角をもって対向する形状とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸シール装置。
【請求項４】
前記保護キャップの前記円周方向端部は、前記タービンロータ軸の軸線方向に対して傾斜する方向に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の軸シール装置。
【請求項５】
前記保護キャップは、前記タービンロータ軸の材質よりも、前記タービンケーシング内に流入する作動流体に対して耐食性を有する材料とされていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の軸シール装置。
【請求項６】
タービン翼と、
該タービン翼が取り付けられたタービンロータ軸と、
前記タービン翼および前記タービンロータ軸を収容するタービンケーシングと、
前記タービンロータ軸と前記タービンケーシングとの間をシールする軸シール装置と、
を備えたタービン装置であって、
前記軸シール装置は、請求項１から５のいずれかに記載された軸シール装置とされていることを特徴とするタービン装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸シール装置およびこれを備えたタービン装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば蒸気タービン等の回転機械では、静止部とタービンロータ軸（回転軸）との間のシール装置として、ラビリンスシールが多用されている。ラビリンスシールでは、ラビリンスシール用フィンとタービンロータ軸との接触が大きくなると、摩擦により生じる熱のためにタービンロータ軸の熱変形をもたらすことが知られている。
【０００３】
このような変形の結果として、タービンロータ軸の加熱とラビリンスシールにより生じる直接の力とが、一般的にタービンロータ軸を不均衡にさせ、回転機械における振動を増大させる。それによって静止部とタービンロータとの間に形成される間隙を拡大させる。場合によっては、タービン装置を停止・開放して、タービンロータ軸及びラビリンスシールに対して補修作業が必要となることになる。また、接触により静止部とタービンロータとの間に形成される間隙が拡大し、ガス又は蒸気の漏洩が増大するために、回転機械の効率が低下する。
【０００４】
図６には、従来の蒸気タービン１００のラビリンスシール部分を示した側断面図が示されている。蒸気をシールし、効率を確保するために、タービンロータ軸１０１と、ラビリンスシール１０３の先端にあるフィンとの隙間が狭く設定してある。しかし、何らかの変位によってラビリンスシール１０３の先端にあるフィンがタービンロータ軸１０１と強く接触する際には摩擦熱が生じる。摩擦による熱によって、タービンロータ軸１０３が変形して蒸気タービン１００の振動を発生させるおそれがある。また、地熱発電装置においては、蒸気タービン１００に用いる地熱蒸気の清浄度は低く腐食性ガスを含む為、シール部分が劣化し易いといった問題があった。
【０００５】
上述した軸シールのトラブルは、何らかの変位によってラビリンスシール用フィンとタービンロータ軸が接触した際に生じる、タービンロータ軸の熱変形や摩擦に起因するものである。このような対策について開示された文献として、下記特許文献１がある。
【０００６】
特許文献１には、タービンロータ軸とケーシングとを備える回転機械用のインサート組立体を含んでいる。タービンロータ軸は、ほぼ縦方向に延びる軸線を含み、ケーシングは、該軸線とほぼ同軸に整合されている。ケーシングは、タービンロータ軸を周方向に囲みかつ該タービンロータ軸から半径方向に間隔をおいて配置される。インサート組立体は、タービンロータ軸上に周方向に配置されたチャネルと溶接または、固締具で固定されていて、ブラシシールとの間でシールをする。このようなチャネル内に周方向に配置されたインサートとを含み、その結果、ブラシシールとの摩擦熱が発生しても、インサートがタービンロータ軸への摩擦熱を熱的に絶縁するように構成されていることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３２８７０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１には、インサート組立体をタービンロータ軸上の周方向に配置されたチャンネルと溶接または固締具で固定して、インサート組立体がタービンロータ軸からインサートへの摩擦熱を熱的に絶縁するように構成されていることが記載されている。しかし、チャンネルの加工が複雑である。またインサート組立体がタービンロータ軸上の周方向に配置されたチャンネルと溶接または固定具で固定されているため、交換が可能なインサート組立体であっても、インサート組立体端部が溶接または固締具で固定されている為、交換作業に手間がかかり、メンテナンス性が悪くなるという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、何らかの変位が生じた際に起こるラビリンスシール用フィンと、タービンロータ軸との接触による影響を、より簡便な構造により低減させる軸シール装置およびこれを備えたタービン装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の軸シール装置およびこれを備えたタービン装置は以下の手段を採用する。
タービン翼が取り付けられたタービンロータ軸と、該タービンロータ軸を収容するタービンケーシングとの間をシールする軸シール装置であって、前記タービンケーシングに取り付けられるとともに、前記タービンロータ軸の軸線中心方向に向けて突出するラビリンスシール用フィンと、前記タービンロータ軸の拡径部に取り付けられるとともに、前記ラビリンスシール用フィンとともにラビリンスシールを構成し、該ラビリンスシール用フィンと接触した場合に前記タービンロータ軸の軸線中心方向へ変形する保護キャップと、を備え、前記保護キャップは、前記拡径部に対して取り付け及び取り外しが可能とされるとともに、前記タービンロータ軸の外周側に曲率Ｒを保有する凸形状であり、前記拡径部と前記保護キャップとの間には空間が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
何らかの変位によってラビリンスシール用フィンがタービンロータ軸に接触すると、接触部にて摩擦熱が発生し、タービンロータ軸に熱変形が生じるおそれがある。このようなタービンロータ軸への熱影響を抑制するため、ラビリンスシール用フィンに対して変形可能とされた保護キャップを設ける。この保護キャップにより、ラビリンスシール用フィンに対して保護キャップが接触したとしても、ラビリンスシール用フィンとの強い接触圧の発生を回避することができるとともに、接触部における発熱をタービンロータ軸に直接的に伝達させないようにすることができる。
本発明では、このような保護キャップを、取付け及び取外しができるようにした。これにより、メンテナンスが容易となり、特に蒸気の清浄度が比較的高くない地熱蒸気によって駆動される地熱蒸気タービンの軸シールには好適である。
しかも、保護キャップは、外周側に曲率Ｒを有する緩やかな凸形状となっているため、拡径部と保護キャップの内部は空間が形成されている。何らかの変位によって、保護キャップとラビリンスシール用フィンが強く接触した場合に、保護キャップの接触部が内部空間側へと押されて、接触による抵抗を軽減し、接触圧力を低下させ、摩擦発熱量を低減する。
【００１２】
さらにタービンロータ軸の前記拡径部は、前記保護キャップの位置決めを行う溝が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
タービンロータ軸の拡径部に、保護キャップの位置決めを行う溝を形成することにより、保護キャップの位置決めが容易となり、保護キャップの取付け及び取外しを行うメンテナンス作業が更に容易となる。また、この溝加工は旋盤加工機でタービンロータ軸を回転させながら拡径部の周囲から切削用バイトを押付けることで加工が容易である。
【００１６】
さらに保護キャップは、前記タービンロータ軸の円周方向に分割された複数の分割体によって構成され、各前記分割体の前記円周方向に沿う円周方向端部における外径側角部は、前記ラビリンスシール用フィンに対して回転時に鈍角をもって対向する形状とされていることを特徴とする。
【００１７】
分割体で構成される保護キャップの、円周方向端部における外径側角部が、ラビリンスシール用フィンに対して回転時に鈍角をもって対向する形状となっている。これによってラビリンスシール用フィンが、保護キャップの円周方向端部に接触した際の抵抗を低減する。
保護キャップは、４分割から８分割の分割体とすることが好ましい。
【００１８】
さらに保護キャップの前記円周方向端部は、前記タービンロータ軸の軸線方向に対して傾斜する方向に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
保護キャップの円周方向端部を軸線方向に対して傾斜される方向に形成することによって、保護キャップの端部を直線距離で伸ばして形成する場合と比べて、シール性が向上する。保護キャップのシール性を向上させることにより、作動流体が保護キャップ内に流れるのを防ぐ。
【００２０】
さらに保護キャップは、前記タービンロータ軸の材質よりも、前記タービンケーシング内に流入する作動流体に対して耐食性を有する材料とされていることを特徴とする。
【００２１】
保護キャップに、タービンロータ軸の材質よりも作動流体に対して耐食性を有する材料を使用することで、タービンロータ軸のシール部分の腐食によるシール性低下を防止することができる。
【００２２】
タービン翼と、該タービン翼が取り付けられたタービンロータ軸と、前記タービン翼および前記タービンロータ軸を収容するタービンケーシングと、前記タービンロータ軸と前記タービンケーシングとの間をシールする軸シール装置と、を備えたタービン装置であることを特徴とする。
【００２３】
上記の軸シール装置を備えているので、メンテナンス性に優れた軸シール装置を備えたタービン装置を提供することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、何らかの変位によって、ラビリンスシール用フィンとタービンロータ軸が接触した際でも、タービンロータ軸への熱影響を低減させることができる。タービンロータ軸の拡径部に、取り付け及び取り外しが可能となった簡便な構造の保護キャップと、ラビリンスシール用フィンが接触する為、タービンロータ軸への摩擦熱の影響を低減させることができる。したがって、タービンロータ軸への熱影響を低減させるとともに、メンテナンスを容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態を示した側面断面図である。
【図２】図１に示された保護キャップの斜視図である。
【図３】図１に示された保護キャップの正面図である。
【図４】本発明に係る第１実施形態の分割体端部詳細図である。
【図５】本発明に係る幅方向分割体組立時の斜視図である。
【図６】従来の蒸気タービンを示した側断面図である。
【図７】本発明に係る第２実施形態の側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明に係る軸シール装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図１には、本発明の第１実施形態にかかる軸シール装置が示されている。軸シール装置は、タービン翼の翼根が固定されるタービン翼固定部２が取り付けられたタービンロータ軸１（以下、単に「ロータ軸」という。）と、ロータ軸１を収容するタービンケーシングとの間をシールする軸シール装置である。この軸シール装置は、タービンケーシングに取り付けられるとともに、ロータ軸１に向けて突出するラビリンスシール用フィン３と、ロータ軸１の拡径部４に取り付けられるとともに、ラビリンスシール用フィン３とともにラビリンスシールを構成し、ラビリンスシール用フィン３と接触した場合に変形する保護キャップ６と、を備えている。保護キャップ６は、拡径部４に対して取り付け及び取り外しが可能とされている。
【００２７】
図２には、保護キャップ６が示されている。保護キャップ６は、横断面視した場合に略Ｃ字形状とされており、その両端部が保護キャップ固定部６ｂとされている。保護キャップ６は、外周側に曲率Ｒを有する緩やかな凸形状となっているため、拡径部４と保護キャップ６の内部は空間が形成されている。何らかの変位によって、保護キャップ６とラビリンスシール用フィン３が強く接触した場合に、保護キャップ６の接触部が内部空間側へと押されて、接触による抵抗を軽減し、接触圧力を低下させ、摩擦発熱量を低減する。
【００２８】
またラビリンスシール用フィン３が保護キャップ６の幅方向（ロータ軸１の軸方向）の中央付近に最初に接触する。ラビリンスシール用フィン３を支持する部分に弾性支持部分５を設けても良い、弾性支持部分５によりラビリンスシール用フィン３が、ロータ軸１の周方向へ弾性的に逃げる変形も行うことで、さらに保護キャップ６とラビリンスシール用フィン３の強い接触による抵抗をさらに軽減し接触圧力を低下させ、摩擦発熱量をさらに低減することができる。
【００２９】
保護キャップ６の外周側凸形状は、ロータ軸１の径の１／２から１倍の曲率Ｒを保有することで適切な凸形状とすることができる。Ｒがロータ軸１の径の１／２以下ではロータ軸１の軸方向のラビリンスシール用フィン３の両端部分の隙間が大きくなり、シール性を低下する。
またＲがロータ軸１の径の１倍以上では、ラビリンスシール用フィン３と接触した場合に保護キャップ６の変形が小さくなり、接触による抵抗を軽減するには不十分となる。
【００３０】
またロータ軸１の拡径部４の側面には、保護キャップ固定部６ｂが挿入される溝７（図１参照）が形成されている。これにより、保護キャップ６の位置決めがロータ軸１の拡径部４に対して行われる。保護キャップ６は、対向する保護キャップ固定部６ｂの間隔を押し広げることによって、ロータ軸１の拡径部４に対する取り付けおよび取り外しを容易に行うことができる。この溝７の加工は旋盤加工機でロータ軸１を回転させながら拡径部４の周囲から切削用バイトを押付けることで溝加工が容易に行われる位置にある。
また、保護キャップ６は、ロータ軸１よりも耐食性を有する材料とされており、例えばステンレス系材料が用いられる。
【００３１】
保護キャップ６は、図３に示されているように、ロータ軸１の円周方向に複数分割されている。同図では、一例として６分割とされているが、保護キャップ６の分割数はロータ軸１の径の大小に応じて、４分割〜８分割の範囲とすることが好適である。
【００３２】
図４には、保護キャップ６の分割体８端部の詳細が示されている。このように、保護キャップ６は、円周方向に分割された複数の分割体８によって構成され、分割体８の円周方向端部６ｃにおける外径側角部６ａは、ラビリンスシール用フィン３に対して回転時に鈍角をもって対向する形状としている。このような外形側角部６ａを有する分割体８とすることで、図４に示すように、保護キャップ６の分割体８の間をラビリンスシール用フィン３が接触した状態で乗り越える際に、ラビリンスシール用フィン３が分割体８の間の隙間に引っかかることで損傷することがない。
【００３３】
保護キャップ６の幅方向における分割形状は、図５に示すように、保護キャップ６の円周方向端部６ｃを軸線方向に対して傾斜する方向とする。このようにすれば、保護キャップ６の軸線方向に沿って分割する場合と比べて、円周方向端部６ｃの距離が長くなる。このため、この円周方向端部６ｃを通ってロータ軸１の軸方向へ漏れ通過する作動流体の流路が長くなり、通過抵抗が大きくなるのでシール性が向上する。
【００３４】
次に上記構成の軸シール装置の動作について説明する。
軸シール装置は、タービン翼が取り付けられた回転するロータ軸１と、回転するロータ軸１を収容するタービンケーシングとの間で作動流体をシールしている。軸シール装置は、タービンケーシングに取り付けられるとともに、ロータ軸１に向けて突出するラビリンスシール用フィン３と、ロータ軸１の拡径部４に取り付けられている保護キャップ６によって作動流体をシールしている。ラビリンスシール用フィン３とともにラビリンスシールを構成し、ラビリンスシール用フィン３と強く接触した場合に変形する保護キャップ６を備えている。保護キャップ６は、拡径部４に対して取り付け及び取り外しが可能とされている。
【００３５】
本実施形態によれば以下の効果を奏する。
何らかの変位によってラビリンスシール用フィン３がロータ軸１に強く接触すると、接触部にて摩擦熱が発生し、ロータ軸１に熱変形が生じるおそれがある。このようなロータ軸１への熱影響を抑制するため、ラビリンスシール用フィン３に対して変形可能とされた保護キャップ６を設ける。この保護キャップ６により、ラビリンスシール用フィン３に対して保護キャップ６が強く接触したとしても、ラビリンスシール用フィン３の損傷を回避することができるとともに、接触部の摩擦熱を低減させ、さらに接触部における発熱をロータ軸１に直接的に伝達させないようにすることができる。
【００３６】
本発明では、このような保護キャップ６を、取付け及び取外しができるようにしている。これにより、メンテナンスが容易となり、特に蒸気の清浄度が比較的高くない地熱蒸気によって駆動される地熱蒸気タービンの軸シールには好適である。また、ロータ軸１の拡径部４に保護キャップ６の位置決めを行う溝７を形成していて、メンテナンス作業が容易にできる。また保護キャップ６に、ロータ軸１の材質よりも作動流体に対して耐食性を有する材料を使用することで、ロータ軸１のシール部分の腐食によるシール性低下を防止することができる。
【００３７】
また、図５に示したように、保護キャップ６の円周方向端部６ｃを軸線方向に対して傾斜される方向に形成される。保護キャップ６の端部を直線距離で伸ばして形成する場合と比べて、円周方向端部６ｃの距離が長くなるため、ロータ軸１の軸方向へ漏れ通過する作動流体の通過抵抗が大きくなるので、シール性が向上する。シール性を向上させることにより、作動流体漏出によるタービン性能の低下損失や腐食発生を防ぐことができる。
【００３８】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態について、図７を用いて説明する。
本実施形態は、第１実施形態に示したロータ軸１の拡径部４の数量をさらに追加したものとなっている。したがって、第１実施形態と同様の構成には同一の符号を付しその説明を省略する。
図２で示されているように、ロータ軸１の拡径部４が、タービン翼固定部２側から見て３段で軸方向へ直列に配置されている。タービン翼固定部２側から、前段、中段および後段で構成され、両側の前段および後段の保護キャップ６の周方向半径は、中段の保護キャップ６よりも大きくなって構成される。ラビリンスシール用フィン３は、保護キャップ６の周方向半径に合わせて備えられている。
【００３９】
本実施形態によれば、ラビリンスシール用フィン３に対して保護キャップ６が接触した場合に、ラビリンスシール用フィン３の接触圧増加が発生する。接触圧が増加した場合にラビリンスシール用フィン３を支持する弾性支持部分５により、ラビリンスシール部分全体が周方向へ逃げて摩擦を減少させ、発熱を抑制することができる。通常の保護キャップ６よりも、周方向半径が大きい保護キャップ６を前段および後段に設置し、中段は通常の保護キャップ６としている。何らかの変位が生じて傾いた場合に、周方向半径の大きい前段もしくは後段の保護キャップ６の変位が、小径とされた中段の保護キャップ６よりも大きいので、周方向半径の大きい前段もしくは後段の保護キャップ６に対して、ラビリンスシール用フィン３が最初に接触する。この接触により、ラビリンスシール部分を支持する弾性支持部分５が、傾いてもう一方側の保護キャップ６、すなわち前段のラビリンスシール用フィン３が最初に接触した場合には、後段の保護キャップ６が次に接触し、傾きを戻すことで、ラビリンスシール部分と各保護キャップ６との隙間が均一に保たれようとする。こうしてラビリンスシール部分が保護キャップ６との隙間バランスを維持しながら、偏圧を受けて塑性変形しない構成となっている。これらの構成からラビリンスシール用フィン３の損傷を防ぎ、さらに軸シール装置のシール性を安定させることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  タービンロータ軸
２  タービン翼
３  ラビリンスシール用フィン
４  拡径部
５  弾性支持部分
６  保護キャップ
６ａ  保護キャップ端部
６ｂ  保護キャップ固定部
６ｃ  円周方向端部
７  溝
８  分割体
【図１】
0005851873.tif 000002
【図２】
0005851873.tif 000003
【図３】
0005851873.tif 000004
【図４】
0005851873.tif 000005
【図５】
0005851873.tif 000006
【図６】
0005851873.tif 000007
【図７】
0005851873.tif 000008