(57)【要約】【課題】翼一体型カバー付動翼を備えた蒸気タービン，ガスタービン等に対して、ブラシシールの高性能シール効果が十分に発揮され、漏れ損失を抑制するシール構造を提供する。【解決手段】動翼先端部のシール構造として、回転体側である翼一体型カバー付動翼の先端部に形成された相隣り合うステップ１４，１５間に、固定部品（静止体側）１３からブラシシール１９をただ一つ配置し、このブラシシール１９の位置をカバー同士の接触面の外周面上に配置しない構造とする。【選択図】　図１
2004044428.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータ軸の円周方向に沿って複数個設けられた動翼と、該動翼の上流側に設けられた静翼と、前記動翼及び静翼を内包するケーシングと、該ケーシングに保持され前記動翼先端部と対向する位置に設けられ、動翼先端部との間でシール構造を形成するシールを有し、
前記動翼は、先端部にカバーが一体に形成された翼一体型カバー付動翼であり、隣り合う動翼のカバー同士が押し付けるように接触することにより複数個の動翼を連結するように構成され、
前記シール構造は、前記カバーの外周側に形成された複数個の突起と、前記カバー同士が押し付けるように接触する箇所の外周面を避けて且つ前記突起の間に先端が位置するように設けられたブラシシールとから形成されているタービン。
【請求項２】
請求項１において、前記突起の間には、一つのブラシシールのみ配置させたタービン。
【請求項３】
請求項１において、前記突起は少なくとも３つ形成され、上流側に形成される２つの突起の間に前記ブラシシールを位置させたタービン。
【請求項４】
請求項１において、前記突起のうち一つは、前記カバー同士が押し付けるように接触する箇所に位置し、前記カバー同士の接触面積を大きくしたタービン。
【請求項５】
請求項２において、前記突起のうち一つは、前記カバー同士が押し付けるように接触する箇所に位置し、前記カバー同士の接触面積を大きくしたタービン。
【請求項６】
請求項３において、前記突起のうち一つは、前記カバー同士が押し付けるように接触する箇所に位置し、前記カバー同士の接触面積を大きくしたタービン。
【請求項７】
請求項１において、前記突起の外周にラビリンスシール歯を配置させたタービン。
【請求項８】
請求項１において、前記動翼は蒸気タービンの高圧段の動翼であるタービン。
【請求項９】
タービンロータ軸の円周方向に沿って複数個設けられた動翼と、該動翼の上流側に設けられた静翼と、前記動翼及び静翼を内包するケーシングと、該ケーシングに保持され前記動翼先端部と対向する位置に設けられ、動翼先端部との間でシール構造を形成するシールを有し、
前記動翼は、先端部にカバーが一体に形成された翼一体型カバー付動翼であり、隣り合う動翼のカバー同士が押し付けるように接触することにより複数個の動翼を連結するように構成され、
前記シール構造は、前記カバーの外周側に形成された複数個の突起と、前記突起の間に先端が位置するように設けられたブラシシールとから形成され、前記突起の間には、ブラシシールのみ配置させたタービン。
【請求項１０】
タービンロータ軸の円周方向に沿って複数個設けられた動翼であって、先端部にカバーが一体に形成され、隣り合う動翼のカバー同士が押し付けるように接触することにより複数個の動翼を連結するように構成された動翼と、
該動翼の上流側に設けられた静翼と、
前記動翼及び静翼を内包するケーシングを有するタービンの動翼先端部のシール構造であって、
前記シール構造は、前記カバーの外周側に形成された複数個の突起と、前記ケーシングに保持され前記カバー同士が接触する箇所の外周面を避けて且つ前記突起の間に先端が位置するように設けられたブラシシールとから形成され、前記突起の間には、ブラシシールを配置させた
翼一体型カバー付動翼先端部のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービン，ガスタービン等の翼一体型カバー付動翼先端部のシール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静止体と回転体の間隙から発生する漏洩損失は、タービン内で発生する各種損失の中でも大きな割合を占める。このため、タービン内部効率を大幅に向上する上で高性能なシール技術の確立が重要となっている。更に、タービン効率が向上すれば、エネルギ資源の節約，ＣＯ２　などの環境破壊因子の削減につながる。
【０００３】
現在まで多くのタービンではラビリンス型のシール構造が採用され、製品技術として一般的に適用されている。
【０００４】
タービン動翼先端部の形状は、従来、動翼とテノンかしめされたステップを有するカバーにより構成されていたが、振動特性及びシール性能の改善という観点や、さらに熟練作業者を要するという問題点から、現在では動翼と一体に成形された翼一体型カバー型式が採用され始めている。シール性能面で言うと、従来のテノンかしめ構造に比べて、翼一体型カバー型式では高性能なシール構造を選択できる利点がある。すなわち、前者はテノンかしめされているためカバー部には複数のステップを構成することはできないが、後者は回転体側に複数のステップを設け、静止体側から回転体表面の複数のステップで形成される凹凸部分に向かってラビリンスシール歯を突き出す構造が採用できるため、より高いシール性能が得られる。
【０００５】
回転体と静止体との間のシール構造としては、従来から、回転体側のステップで形成される凹凸形状と、静止側から凹凸部分に向かって突き出すラビリンス歯からなる、ラビリンス構造が数多く採用されており、タービンにおいては、軸パッキン，ダイアフラムパッキン等に適用されている。さらに、翼一体型カバー型式の動翼チップフィン構造としても採用されている。
【０００６】
ブラシシールはラビリンス構造と同様に、シール構造として各種回転機械に適用されているが、最近蒸気タービンのような大型の回転機械にも徐々に適用され始めている。ブラシシールは回転体と間隙零或いは最小間隙を維持できれば、ラビリンスシールと比較して漏洩損失を大幅に改善できるという利点がある。すなわち、漏洩損失に対しては間隙が大きく影響し、ラビリンスシールの場合、シールフィンと回転体とが接触すると重大事故につながる恐れがあるために、間隙をある程度大きく設定しなければならない。一方、ブラシシールはブラシにバネ作用があるため、回転体と接触しても重大事故につながることは少ない。従って、ブラシシールを使って高効率な回転機械を得ることが可能であり、またそのためには、そのブラシシールの機能が確実に発揮されるシール構造でなければならない。
【０００７】
また、近年、漏洩損失を低減する技術として、ラビリンス型シール構造とブラシシール構造を組み合わせたシール構造も提案されている（例えば、米国特許第６１３１９１０号公報，米国特許第６２５０６４０号公報，米国特許第６２６１０５７　号公報，米国特許第６２５７５８６号公報，米国特許第６２５０６４１号公報等参照）。これらはテノン型カバーに対してシールを設けたものであり、後述する翼一体型カバー付動翼における種々の特有な点については配慮されていない。また、主に軸パッキンやダイヤフラムパッキンに関するもので、後述する蒸気タービン高圧段のような翼幅の小さい動翼に対しての適用も考慮されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
蒸気タービンでは、起動時からロータとケーシングの温度差による熱伸び差が発生する。定格運転時においても、この熱伸び差を正確に予測できないと、設計時のロータとケーシングの軸方向相対位置関係が外れることになり、特に動翼先端部シール構造を構成している両端のシールフィンは回転体表面から外れ、そのフィンのシール効果がなくなる可能性がある。また、タービン運転中に静止体と回転体の軸方向の位置関係を確認することは困難であるため、確実にシール効果が発揮されるシール構造である必要がある。
【０００９】
また蒸気タービン高圧段では、翼長が相対的に短いため二次流れが支配的となり流体力学的損失が大きいという問題があり、その対策として翼弦長（翼幅）を短くしアスペクト比を大きくすることにより二次流れ損失を低減させる。その結果、高圧タービン動翼先端部の翼幅は可能な限り小さくなる傾向にあり、シール構造は限定されたスペースに配置しなければならない。これに伴い、動翼先端部をシールするシールフィン枚数も数枚程度に限定される。
【００１０】
本発明は、タービンの翼一体型カバー付動翼先端部のシール構造に関し、漏洩損失を大幅にかつ確実に低減できるシール構造を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、回転体と静止体の間隙からの流体の漏洩を封止する動翼先端部のシール構造として、翼一体型カバー付動翼先端部に複数個の突起を設け、静止体側からこの突起間にブラシシールを突き出させる構造とする。好ましくは、突起間にブラシシールのみ配置させ、かつブラシシールの回転体側のシール面として、カバー同士の接触面の外周面上を除く配置構造とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のシール構造の一実施例を、図面を参照して説明する。
【００１３】
本実施例のシール構造は、蒸気タービン動翼先端部の翼一体型がカバーに使用されるシール構造である。
【００１４】
本発明のシール構造を備えたタービン段落の子午面を示す模式図を図１に示す。図１中、１は動翼（ブレード）、２は蒸気流入方向、３は動翼先端部シール構造を支持する固定部品でケーシング（図示省略）に固定される。４は動翼１をロータ（図示省略）に固定するディスク、５は動翼１に蒸気を誘導する静翼（ノズル）、６は静翼５の内周端部を拘束する環状の内輪、７は静翼５の外周端部をケーシングに固定する環状の外輪を示す。動翼１は、ロータの円周方向（回転方向）に対して複数枚配置される。静翼５は、動翼１に対して蒸気流２の上流側に、動翼１に対応して配置される。この動翼１と静翼５との組み合わせを「タービン段落」と称す。かかるタービン段落は、ロータの軸方向に対して、複数段配置される。蒸気タービン各セクション内では、蒸気の流れの下流に向かうにつれて、動翼１の翼長は大きくなる。静翼５により誘導された蒸気は、動翼１を介してロータを回転させる。ロータの端部には発電機（図示省略）が設けられており、その発電機で、回転エネルギを、電気エネルギに変換して発電を行う。
【００１５】
図２に用いてさらに説明を加えると、動翼１の先端部には翼一体型カバー１３が動翼１と一体成形されており、カバー外周側には２つのステップ１４，１５が形成されている。一方、固定部品（静止体側）３からはカバー外周側面に向かってシール部材が下りている。シール部材としては、相隣り合う２つのステップ
１４，１５間にブラシシール１９がただ一つ配置される。その他の静止体側からのシール部材として、ラビリンスシール歯１２がカバー外周面上流側から１６，１４，１５，１８に複数枚配置される（図２では４枚）。
【００１６】
本実施例によれば、特に蒸気タービンで発生するロータとケーシング間の熱伸び差が推定値から外れることによって、ステップ１４，１５上および最上流あるいは最下流にあるラビリンスシール歯がカバー外周面をシールできなくても、ブラシシール１９はステップ間にあるので、確実にカバー外周面をシールし高性能なシール効果が維持できる。
【００１７】
翼一体型カバー付動翼は、従来のテノンかしめ構造の動翼に比べて振動特性が良好であるため、シール構造としてブラシシールと併用したときに、シール先端とカバー外周面の間の間隙管理が容易になると考える。
【００１８】
図３には、翼一体型カバー付動翼が円周方向にリング状に連結された状態において、相隣り合う２本の動翼のカバー断面図を示している。カバー同士が押し付け合うように接触することにより動翼同士が連結され、振動特性が向上する。図に示すように、円周方向に並ぶカバーの接触面２０を挟む円周方向線２１および２２で囲まれた領域は、下流側ステップ１５の領域とほぼ等しくなっている。それは、ステップのないところに比べてカバー接触面積が増加するため、より減衰作用の大きい振動特性が得られるからである。しかしながら、ステップ１５の外周面をシール面とするブラシシール構造を採用した場合、動翼の信頼性の点で好ましくない。すなわち、タービン運転中、ブラシが何らかの理由でステップ１５の外周面と接触した場合、あるいは、接触することを前提に設計されている場合、接触面を損傷し振動特性を悪化させるからである。さらに翼一体型カバーの連結状態によっては接触したときのブラシ磨耗粉が接触面２０に混入する場合があり、動翼の信頼性を損なう。
【００１９】
以上の理由により、翼一体型カバー付動翼にブラシシール構造を適用する場合には、相隣り合う２つのステップ１４，１５間に配置される。
【００２０】
また、蒸気タービン高圧段のように翼長が短い、例えば、２０〜５０ｍｍ程度の動翼に対しては、流体力学的損失の大部分が二次流れを含む側壁損失であるので、翼弦長（翼幅）を短くしアスペクト比を大きくすることにより損失を低減させる。その結果、高圧タービン動翼先端部の翼幅は、シールフィンがカバー外周面上に数枚程度（図ではブラシシールを含め５枚）しかのらないような、軸方向距離の短いものになる。したがって、このようなタービン動翼先端部の翼一体型カバー１３に対し、熱伸び差でシールフィンがカバー外周面と接触しないよう考慮すると、図１から図３に示すシール構造となり、相隣り合う２つのステップ１４，１５間にただ一つのブラシシール１９を配置することになる。
【００２１】
本発明の他の実施例を図４を用いて説明する。本実施例では、図１から図３に示した実施例と同様、相隣り合う２つのステップ２３，２４間にただ一つのブラシシール１９を配置している。ただし、ブラシシール１９を配置するのは上流側のステップ間で、下流側のステップ２４，２５間ではない。図示しないが、図３で説明したように下流側のステップ間外周面２７の領域は、円周方向に並ぶカバー同士の接触面２０を挟む円周方向線で囲まれた領域３０を包含しているか、一部重なっている。領域２７は、ステップのあるところに比べて接触面積が減少するため振動特性がより敏感になる。したがって、領域３０をシール面とするブラシシール構造を採用した場合、動翼の信頼性の点で好ましくないことになる。すなわち、そのような条件下でタービン運転中、ブラシが何らかの理由でカバー外周面の領域３０と接触した場合、あるいは、接触することを前提に設計された場合、カバー同士の接触面を損傷し振動特性を悪化させるからである。さらに翼一体型カバーの連結状態によっては接触したときのブラシ磨耗粉が接触面２０に混入する場合があり、動翼の信頼性を損なう。本実施例ではこのような問題が生じない。
【００２２】
本発明の他の実施例を図５を用いて説明する。本実施例も同様、動翼先端部カバー外周面の相隣り合う２つのステップ２８，２９間にただ一つのブラシシール１９を配置している。ただし、最上流および最下流にあるラビリンスシール歯がそれぞれ一つずつあり、２つのステップの外周面をシール面としている。ブラシシール１９は、円周方向に並ぶカバー同士の接触面２０を挟む円周方向線で囲まれた領域３０より上流側に配置される。図４で説明したように、本実施例によるカバー接触面では振動特性がより敏感になるため、領域３０をシール面とするブラシシール構造を採用した場合、動翼の信頼性の点で好ましくないことになる。
【００２３】
以上説明した全ての本発明による実施例は、蒸気タービン動翼を対象としたが、ガスタービンのような軸流タービンの動翼に本発明を適用しても同様な効果が得られる。また、本文中では、特に蒸気タービン高圧段に対して述べてきたが、本発明は、蒸気タービン中低圧段にも適用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、翼一体型カバー付動翼を備えたタービンに対して、ブラシシールの高性能シール効果が十分に発揮される。その結果漏れ損失を抑制するためタービン効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるタービン段落の子午面を表す模式図。
【図２】本発明による一実施例を表す模式図。
【図３】本発明による翼一体型カバーを表す模式図。
【図４】本発明による一実施例を表す模式図。
【図５】本発明による一実施例を表す模式図。
【符号の説明】
１…動翼、２…蒸気流方向、３…固定部品、４…ディスク、５…静翼、６…内輪、７…外輪、１２…ラビリンスシール歯、１３…翼一体型カバー、１４，２８…上流側ステップ、１５，２９…下流側ステップ、１６…ステップ１４上流側外周面、１７…ステップ間外周面、１８…ステップ１５下流側外周面、１９…ブラシシール、２０…カバー接触面、２１，２２…円周方向線、２３，２４，２５…ステップ、２６…上流側ステップ間外周面、２７…下流側ステップ間外周面、３０…円周方向に並ぶカバー接触面２０を挟む円周方向線で囲まれた領域。
【図１】
2004044428.tif 000003
【図２】
2004044428.tif 000004
【図３】
2004044428.tif 000005
【図４】
2004044428.tif 000006
【図５】
2004044428.tif 000007