(57)【要約】【課題】定常運転時のシール性能が高く、起動停止に伴う低負荷時における回転構造物と静止構造物との接触の危険性が低く、万一接触に至った場合における回転構造物側に発生する損傷の少ないターボ機会の非接触シール装置および前記非接触シール装置を備えた蒸気タービン設備を提供する。【解決手段】ターボ機械の回転構造物５と静止構造物２の間隙において前記回転構造物と前記静止構造物に設けられ軸方向のピッチがターボ機械の軸方向熱伸び差の変動幅と同等またはそれ以下の寸法に設定されたシールフィン４，６と、ターボ機械の起動時又は停止時に回転側シールフィン６の先端と静止側シールフィン４の先端とが半径方向に間隙を有しかつ定常運転時に回転側シールフィン６の先端と静止側のシールフィン４の先端とが半径方向に食違いを形成するように前記静止側シールフィンを半径方向に移動させる半径方向クリアランスコントロールシステムとを備えた構成とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械の回転構造物と静止構造物の間隙において前記回転構造物と前記静止構造物に設けられ軸方向のピッチがターボ機械の軸方向熱伸び差の変動幅と同等またはそれ以下の寸法に設定されたシールフィンと、ターボ機械の起動時又は停止時に回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ定常運転時に回転側シールフィンの先端と静止側のシールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように前記静止側シールフィンを半径方向に移動させる半径方向クリアランスコントロールシステムとを備えたことを特徴とするターボ機械の非接触シール装置。
【請求項２】
回転側シールフィンと静止側シールフィンは食違い型ラビリンスを形成し、前記回転側シールフィンの高さが前記静止側シールフィンの高さに比べて高くなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械の非接触シール装置。
【請求項３】
静止側シールフィンと回転側シールフィンは軸方向ピッチが同一もしくはほぼ同等な櫛型ラビリンスを形成し、前記回転側シールフィンの高さをタービン高負荷運転時における前記静止側シールフィンの先端の平均間隙の３倍以上とするとともに、前記回転側シールフィンの高さが前記静止側シールフィンの高さに比べて低くなるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械の非接触シール装置。
【請求項４】
ターボ機械の高負荷運転時に静止側シールフィンが回転側シールフィンピッチの中央よりも上流側に位置するように構成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のターボ機械の非接触シール装置。
【請求項５】
８０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンから低圧タービンまでのロータが分解不可能に一体に形成された高低圧ロータからなるか、または互いに別体で製作された高圧タービンまたは高中圧タービンのロータと低圧タービンのロータとを機械的に接合して一本にした高低圧ロータからなり、このロータの高圧部から低圧部までのタービン段落が一つのタービンケーシングに格納され、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成する高低圧一体の蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置する場合に、高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを８ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１４ｍｍ以下としたことを特徴とする蒸気タービン設備。
【請求項６】
１００ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、中圧タービンと低圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された中低圧ロータからなるか、または互いに別体で製作された中圧タービンのロータと低圧タービンのロータとを機械的に接合して一本にした中低圧ロータからなり、この中低圧ロータと別体で製作された高圧タービンのロータを前記中低圧ロータに機械的に接合して一本のロータを構成し、高圧部のタービン段落が高圧タービンケーシングに格納され中低圧部のタービン段落が前記高圧タービンケーシングとは別体の中低圧タービンケーシングに格納され、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成する蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置する場合に高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを８ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１４ｍｍ以下としたことを特徴とする蒸気タービン設備。
【請求項７】
１００ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、中圧タービンと低圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された中低圧ロータからなるか、または互いに別体で製作された中圧タービンのロータと低圧タービンのロータとを機械的に接合して一本にした中低圧ロータからなり、この中低圧ロータと別体で製作された高圧タービンのロータを前記中低圧ロータに機械的に接合して一本のロータを構成し、高圧部のタービン段落が高圧タービンケーシングに格納され中低圧部のタービン段落が前記高圧タービンケーシングとは別体の中低圧タービンケーシングに格納され、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成する蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高圧タービンと中圧タービンとの間に位置する場合に高圧段落および中圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを８ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンのピッチを１２ｍｍ以下としたことを特徴とする蒸気タービン設備。
【請求項８】
１２０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、高圧タービンと中圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された高中圧ロータからなり、この高中圧ロータと別体で製作された低圧タービンのロータを前記高中圧ロータに機械的に接合して一本のロータを構成し、高中圧部のタービン段落が高中圧タービンケーシングに格納され低圧部のタービン段落が前記高中圧タービンケーシングとは別体の低圧タービンケーシングに格納され、低圧タービン段落が複流構造の蒸気通路を形成する蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置する場合に高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを８ｍｍ以下とし、かつスラスト軸受に近い第一低圧タービンケーシングの中に格納された低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１６ｍｍ以下としたことを特徴とする蒸気タービン設備。
【請求項９】
１２０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、高圧タービンと中圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された高中圧ロータからなり、この高中圧ロータと別体で製作された低圧タービンのロータを前記高中圧ロータに機械的に接合して一本のロータを構成し、高中圧部のタービン段落が高中圧タービンケーシングに格納され低圧部のタービン段落が前記高中圧タービンケーシングとは別体の低圧タービンケーシングに格納され、低圧タービン段落が複流構造の蒸気通路を形成する蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高中圧タービンと低圧タービンの間に位置する場合に高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを１２ｍｍ以下とし、かつスラスト軸受に近い第一低圧タービンケーシングの中に格納された低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１０ｍｍ以下としたことを特徴とする蒸気タービン設備。
【請求項１０】
ターボ機械の回転構造物と静止構造物の間隙において回転構造物の表面に回転構造物の回転軸に沿って交互に設けられた円盤状の高い凸部および低い凸部と、前記高い凸部および低い凸部に対向して静止構造物側に設けられた低いシールフィンおよび高いシールフィンを備えたことを特徴とするターボ機械の非接触シール装置。
【請求項１１】
回転構造物に設けられた高い凸部と静止構造物に設けられた低いシールフィンによって形成される半径方向間隙は回転構造物に設けられた低い凸部と静止構造物に設けられた高いシールフィンによって形成される半径方向間隙よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１０記載のターボ機械の非接触シール装置。
【請求項１２】
ターボ機械の回転構造物と静止構造物の間隙において回転構造物の表面に回転構造物の回転軸に沿って複数設けられた円盤状の凸部および前記凸部以外の凹部と、前記凸部および凹部に対向して静止構造物側に設けられた低いシールフィンおよび高いシールフィンを備え、回転構造物に設けられた前記凸部と静止構造物に設けられた前記低いシールフィンによって形成される半径方向間隙は回転構造物の前記凹部と静止構造物の前記高いシールフィンによって形成される半径方向間隙よりも小さく設定されていることを特徴とするターボ機械の非接触シール装置。
【請求項１３】
回転構造物に設けられた凸部の頂部に回転構造物の回転の向きに対して鋭角をなす溝が設けられていることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置。
【請求項１４】
静止構造物側に設けられるシールフィンの材料の熱伝導率は回転構造物のシール部分の材料の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項１０ないし１３のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボ機械における回転構造物と静止構造物の間隙から流体が漏洩しないように非接触でシールする非接触シール装置および前記非接触シール装置を備えた蒸気タービン設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ機械の代表的なものである蒸気タービンを例にとり説明する。
蒸気タービンは、主に回転するロータ、このロータに植設された動翼、この動翼の間に配設され静止している静翼（ノズルとも言う）、およびこれらを内包するケーシングから構成されている。さらに詳しくは、この動翼は、ロータの集方向に数十枚から百枚以上翼列をなすように植設されるとともに、その軸方向にもそこを流通する蒸気の圧力、温度の条件に合わせて翼長さが順に異なる翼列が５〜１０列程度並んでいる。一方、静翼（ノズル）はノズルダイアフラムと呼ばれるリング状の部材に挟持され、その外側リングがケーシングに固定されている。また静翼は、前記動翼の各翼列の間に配設され、動翼と静翼の１対の組合せで段落を構成する。さらに、この段落が数段から１０段程度で高圧、中圧あるいは低圧タービンが構成されている。そして、この段落に高温高圧の蒸気が流通することにより、蒸気の熱エネルギが各段落間でロータの回転エネルギに変換され、ロータにより結合された発電機を回転させる。
【０００３】
従って静翼とロータの間にはロータの回転を可能にするために間隙が設けられているが、静翼に流入する蒸気はこの間隙から静翼をバイパスする漏れ蒸気となって流れてタービンの性能低下の一因となるので、この漏れ蒸気量を小さくするため、静翼内輪がロータに近接する部分に非接触のシールフィンを備えたラビリンスシールが設けられている。
【０００４】
このようなラビリンスシールとして従来から食違い型あるいは櫛型のラビリンスシールが知られている。蒸気タービンは高温蒸気を使用し高速でロータが回転する回転機械であり、タービンの性能を向上させるためには作動流体である蒸気が少しでも多く静翼および動翼に流入するように、ロータと静翼内輪の間の間隙や、動翼先端と静翼外輪の間の間隙、または動翼先端とケーシングの間の間隙を通って漏洩する蒸気の量をできるだけ少なくする必要がある。蒸気タービンは高速回転機械であり接触式のシール装置の適用は困難であるので、蒸気タービンの回転構造物と静止構造物との間のシールには上述のような非接触式のラビリンスシールが適用されてきている。
【０００５】
図２２（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）は従来のラビリンスシールを示している。図中符号９は図示しないケーシングに嵌合して取り付けられた静翼翼環８（静翼翼環はノズルダイアフラムと称することもある）の内輪、すなわち、静翼内輪であり、静翼内輪９の内周に通常は板ばね等の弾性体１１を介してパッキンリング２が取り付けられ、パッキンリング２からパッキンリング２と一体または別体に形成された加工されたシールフィン４が内径側に向かって伸びている。
【０００６】
図２２（ｃ）において、符号５ａは回転構造物の一部分であるタービンシャフトであり、タービンシャフト５ａの表面に複数条の円盤状の凸部６ａを形成し、タービンシャフト５ａに相対する静止構造物であるパッキンリング２にはタービンシャフト５ａの凸部６ａに対応した低いシールフィン４４と、タービンシャフト５の凹部６０に対応した高いシールフィン４５が形成されている。
【０００７】
このような基本構造を有する非接触型の軸封装置を一般にラビリンスシール１５と称しており、シールフィン４４，４５の先端の半径方向間隙７を微小に設定し、静翼をバイパスしてこの半径方向間隙７を通って漏れ出る蒸気３を少なくして漏洩損失を小さくしている。
【０００８】
以上、静翼内輪とタービンシャフト間の間隙の非接触シール装置について説明したが、動翼先端と静翼外輪またはケーシングとの間の間隙についても類似の問題がある。図２３（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）に従来から適用されてきた蒸気タービンの動翼先端と静翼外輪の間の間隙の非接触シール装置を示す。すなわち、動翼１４の先端１６に設けられたシュラウドカバー２１と静翼１２の外輪１７との間または図示しないケーシングとの間には、動翼１４の回転を可能にするために半径方向間隙１８が設けられている。このため、動翼１４に流入する蒸気の一部はこの半径方向間隙１８から動翼１４をバイパスする漏れ蒸気３となって流れ、タービン性能を低下させる一因となっている。この漏れ蒸気３を少なくするために、動翼先端１６に設けられたシュラウドカバー２１に近接する静翼外輪１７（またはケーシング）にシールフィン１９が設けられる。
【０００９】
図２４は従来の食違い型ラビリンスシール装置の代表例を示している。図中符号９は図示しないケーシングに嵌合して取り付けられた静翼翼環８（静翼翼環はノズルダイアフラムと称することもある）の内輪、すなわち、静翼内輪であり、静翼内輪９の内周に通常は板ばね等の弾性体１１を介してパッキンリング２が取り付けられ、パッキンリング２からパッキンリング２と一体または別体に形成された複数列のシールフィン４が内径側に向かって伸びている。図中符号５は回転構造物の一部分であるロータであり、食違い型ラビリンスにおいてはロータ５の表面に複数列のシールフィン６がロータ５と一体または別体に形成されている。
【００１０】
このような構造を有する非接触型のシール装置もラビリンスシールと称しており、シールフィン４の先端の半径方向間隙７を微小に設定し、静翼をバイパスしてこの半径方向間隙７を通って漏れ出る蒸気３を少なくして漏洩損失を小さくしている。食違い型ラビリンスにおいては、ロータ５に相対する静止構造物であるパッキンリング２のシールフィン４はロータのシールフィン６と互いに食違うように入り組んで組み合わさるように形成されていて、シールフィン４および６の先端の半径方向間隙７および１０を微小に設定し、静翼をバイパスしてこの半径方向間隙７、１０を通って漏れ出る蒸気３を少なくして漏洩損失を小さくしている。
【００１１】
以上、静翼内輪とロータ間の間隙のシール装置について説明したが、動翼先端と静翼外輪またはケーシングとの間の間隙についても同様の問題がある。図２５（ａ）および（ｂ）に従来から適用されてきた蒸気タービンの動翼先端１６と静翼外輪１７の間に設けられた食違い型ラビリンスシール装置の代表例を示している。すなわち、動翼１４の先端１６に設けられたシュラウドカバー２１と静翼１２の外輪１７との間または図示しないケーシングとの間には、動翼１４の回転を可能にするために間隙が設けられている。このため、動翼１４に流入する蒸気の一部はこの間隙から動翼１４をバイパスする漏れ蒸気となって流れ、タービン性能を低下させる一因となっている。
【００１２】
この漏れ蒸気を少なくするために、動翼先端部分の食違い型ラビリンスシール装置においては、動翼先端１６に設けられたシュラウドカバー２１に近接する静翼外輪１７（またはケーシング）に複数列のシールフィン１９が設けられ、シュラウドカバー２１の外表面には静翼外輪に設けられたシールフィン１９と互いに食違うように入り組んで組み合わさるように形成されたシールフィン２４が設けられて、シールフィン１９，２４の先端の半径方向間隙１８および２３を微小に設定し、静翼１２をバイパスしてこの半径方向間隙１８、２３を通って漏れ出る蒸気３を少なくして漏洩損失を小さくしている。
【００１３】
また、図２６に示す櫛型ラビリンスと呼ばれる複合直通形ラビリンスシール装置も食違い型ラビリンスシール装置と同様に蒸気タービンの回転構造物と静止構造物の間の漏れ蒸気量低減のための非接触シール装置として適用されてきている。
【００１４】
ところで、図２２から図２６に示したようなラビリンスシール装置のシール性能は一般にシールフィン先端の半径方向間隙を小さくすれば向上する。他方、ラビリンスシール装置のシールフィン先端の半径方向間隙が小さすぎて何らかの要因、例えばケーシングの過大な熱変形などにより回転構造物と静止構造物が接触するいわゆるラビング現象が発生すると、タービンの軸振動が激変してタービンの運転の継続が困難なほどの過大な軸振動を引き起こすことがある。
【００１５】
このように、ラビリンスシール装置のシール性能を更に向上させる一つの方法はその半径方向間隙を狭めることであるが、蒸気タービンには起動停止に伴うケーシングの不均一温度分布に起因する猫背現象や逆猫背現象、ケーシングや静翼とロータや動翼の熱膨張量の差異、回転構造物の遠心力による変形、軸受油膜によるロータ軸心の移動、アライメント変化、軸振動などの現象が発生することから、現状の半径方向間隙設定がハードなラビング現象を発生させないための最小限の間隙設定であるということができ、従来のラビリンスシールのままでは大幅なシール性能の向上は望めない。
【００１６】
これに対して、近年、ラビリンスシール装置の半径方向間隙制御手法が発明され、非接触ラビリンスシール装置のシール性能の向上を目指すクリアランスコントロールシステムが蒸気タービンに適用される場合がある（例えば特許文献１，２）。
【００１７】
【特許文献１】
特公昭４９−２９９７５号公報
【特許文献２】
米国特許４，４３６，３１１号明細書
【００１８】
このクリアランスコントロールシステムは、食違い型ラビリンスシール装置に適用した図２７（ａ）及び（ｂ）に示すように、ラビングの発生が最も懸念される起動停止時（ａ）にはシールフィン先端の半径方向間隙を広く設定してラビングを回避するとともに、高いシール性能が要求されるタービン高負荷時（ｂ）においては静止側のラビリンスを内径方向に押し出すことによってシールフィン先端間隙をクリアランスコントロールシステムを用いていない場合よりも狭く設定してタービン高負荷時のシール性能を向上させようとするものである。
【００１９】
近年、蒸気タービンの高性能化が従来に増して要求されてきており、蒸気タービンの性能向上のためには静翼および動翼における性能向上や排気損失低減など種々の改善が講じられるなど日々進歩してきている。このような改善の中において、ロータと静翼内輪の間隙や動翼先端と静翼外輪の間隙を通って漏洩する蒸気の量をできるだけ少なくするというシール性能の向上はタービンの性能向上に大きく貢献するものである。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、図２２から図２６に示したようなラビリンスシール装置においては、一般にシールフィン先端の半径方向間隙を小さくすればシール部の間隙の環状面積が小さくなるのでシール性能は向上する。また、ラビリンスシール装置のシール性能は、一般にシールフィンの列数を増やすことにより向上する。
【００２１】
他方、ラビリンスシール装置のシールフィン先端の半径方向間隙が小さすぎて何らかの要因、例えばケーシングの過大な熱変形などにより回転構造物と静止構造物が接触するいわゆるラビング現象が発生するとタービンの軸振動が激変してタービンの運転の継続が困難なほどの過大な軸振動を引き起こすことがある。
【００２２】
このように、ラビリンスシール装置のシール性能を更に向上させるにはその半径方向間隙を狭めることが要求される。しかしながら、蒸気タービンには起動停止に伴うケーシングの不均一温度分布に起因する猫背現象や逆猫背現象、ケーシングや静翼とロータや動翼の熱膨張量の差異、回転構造物の遠心力による変形、軸受油膜によるロータ軸心の移動、アライメント変化、軸振動などの現象が発生することから、現状の半径方向間隙設定がハードなラビング現象を発生させないための最小限の間隙設定であるということができ、従来のラビリンスシールのままでは大幅なシール性能の向上は望めない。
【００２３】
ロータ５の円周上の一部分とシールフィン４が接触した場合、ロータ５の接触部位の温度が上昇し、ロータ５の接触部分近傍に温度分布が発生し接触部位が高温によって熱膨張するためにロータ５に若干の変形が生じる。そのため、ラビング現象が一旦発生すると、ロータ５の接触部位の温度上昇により接触部位が大きく熱膨張してロータ５のしかも特に強く接触する円周上の一部分が凸になるようにロータ５が弓なりに変形する。その場合、更に接触が強くなってハードなラビング現象に至り、過大な振動を生じてタービンの運転の停止を余儀なくされたり、ロータ５の接触部に熱応力による永久ひずみが発生したり、ロータ接触部の溶融などによる残留ひずみが永久ひずみとして発生したりしてロータ５に永久曲りを生じさせてしまうという問題がある。
【００２４】
また、図２５に示した動翼１４の先端部分に設けられたラビリンスシール装置は、ロータ５のラビリンスシール装置と同様にその半径方向間隙１８が変化し、その変化の程度によっては静翼外輪１７のシールフィン１９が動翼先端１６に設けられたシュラウドカバー２１に接触することがある。その場合、ロータ５のラビリンスシール装置と同様にタービン軸振動が発生して蒸気タービンの信頼性に影響を与える。また、接触すると摩擦熱の発生によって接触部の温度が上昇するが、動翼１４は回転運動をしている物体であり回転による強大な遠心力が作用する物体であることから、シュラウドカバー２１の温度が接触による摩擦熱によって高温となる。高温により材料強度が低下したシュラウドカバー２１は遠心力により変形して半径方向に膨らみ、更に接触が強くなってハードなラビング現象に至り、過大な振動を生じてタービンの運転の停止を余儀なくされたり、シュラウドカバー２１に永久ひずみが発生したりする事態を引き起こすという問題がある。
【００２５】
このような問題の解決手段の一つとしてクリアランスコントロールシステムが適用されることがあり、その場合、タービン高負荷時の半径方向間隙を狭くすることが可能になることから、タービン高負荷時のシール性能向上に効果がある。しかしながら、タービン高負荷時においても蒸気タービンは幾ばくかのロータ軸振動や偏心あるいはケーシングの熱変形を有しており、クリアランスコントロールシステムを適用した場合においてもタービン高負荷時における半径方向間隙を確保しておく必要があり、それ以上の性能向上は望める状況にない。
【００２６】
ラビリンスシール装置の半径方向間隙が最小限の設定となっていてそれ以上狭くすることができない場合、ラビリンスシール装置の性能向上策としてシールフィンの列数を増やすことが考えられる。しかしながら、蒸気タービンなどの高温流体を扱うターボ機械においてはロータの温度分布とケーシングの温度分布との違いによってロータとケーシングの熱伸び量に差異が生じることから、シールフィンの列数を大幅に増やすことは困難な状況にある。
【００２７】
蒸気タービンは一般に５００℃ないし６００℃程度、さらに最近では６００℃以上の高温の水蒸気を導入して蒸気の熱エネルギをタービンロータの回転という機械エネルギに変換するための機械装置であるために、高温にさらされる機械である。蒸気タービンの回転構造物であるロータは静止構造物のケーシングに比べて大きさ、重量ともに小さく、熱容量的にもケーシングに比べて小さいものとなっている。また、回転構造物であるロータは熱伝達率もケーシングに比べて大きい。そのために、蒸気タービンの起動時に高温の蒸気がタービンに流入してくるとロータの方がケーシングよりも速やかに高温になる。その結果、冷機状態における起動前に図２８（ａ）に示すような位置関係にあった回転側のシールフィン６と静止側のシールフィン４は、起動運転時には図２８（ｂ）に示すようにロータ５の熱膨張量がケーシングの熱膨張量よりも大きくなってタービン軸方向の相対位置が変化する。この状態をロータロング状態と称する。一般にこの相対変位量は伸び差と称され、ロータの変位拘束位置であるスラスト軸受（図示しない）から離れるほど大きくなり、また蒸気温度が高いほど大きくなる。
【００２８】
タービンの負荷が大きくなって定常運転になると図２８（ｃ）に示すように、ロータとケーシングの温度差が小さくなるので、タービン軸方向の相対変位量（伸び差）も小さくなってある一定値に近づく。この状態をステディ状態と称する。他方、タービン停止に向けて負荷が減少するとタービンに温度の低い蒸気が流入するようになってロータは速やかに温度低下するのに対してケーシングの温度低下は緩やかであり、ロータの熱膨張量がケーシングの熱膨張量よりも小さくなって伸び差が小さくなり図２８（ｄ）に示すように反対方向の伸び差が生じることになる。この状態をロータショート状態と称する。
【００２９】
従来用いられてきた食違い型ラビリンスシール装置においては、タービン起動時あるいはタービン停止時のようにロータロング状態あるいはロータショート状態で大きな伸び差が生じるような状況下において、図２８（ｂ）あるいは（ｄ）に示すように回転側のシールフィン６と静止側のシールフィン４が軸方向に接触することがないように、設計誤差等も十分に考慮した上でシールフィン４，６の軸方向間隙を設定しており、従って、シールフィン４，６のピッチは、ロータロング状態における最大伸び差とロータショート状態における最大伸び差の和すなわち伸び差の変動幅よりも大きい値に設定されている。このように、従来の食違い型ラビリンスシール装置においてシールフィンのピッチは、タービンの軸方向の伸び差によって最小値が制限されており、シール性能確保の観点から通常は最小のシールフィンピッチが採用されており、それ故に、シールフィンの列数を大幅に増加させてシール性能の向上を図ることは困難な状況となっている。
【００３０】
なお、従来適用されているクリアランスコントロールシステムにおいてはラビリンスのシールフィンピッチは従来のままであり、半径方向間隙の変化によるシール性能向上しか念頭に置かれていない。すなわち、従来技術のままでは蒸気タービンに適用されたラビリンスシール装置におけるシール性能の向上は限界にあり、更なるシール性能向上は困難な状況である。
【００３１】
そこで本発明は、定常運転時のシール性能が高く、起動停止に伴う低負荷時における回転構造物と静止構造物との接触の危険性が低く、万一接触に至った場合における回転構造物側に発生する損傷の少ないターボ機械の非接触シール装置および前記非接触シール装置を備えた蒸気タービン設備を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明のターボ機械の非接触シール装置は、ターボ機械の回転構造物と静止構造物の間隙において前記回転構造物と前記静止構造物に設けられ軸方向のピッチがターボ機械の軸方向熱伸び差の変動幅と同等またはそれ以下の寸法に設定されたシールフィンと、ターボ機械の起動時又は停止時に回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ定常運転時に回転側シールフィンの先端と静止側のシールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように前記静止側シールフィンを半径方向に移動させる半径方向クリアランスコントロールシステムとを備えた構成とする。
【００３３】
本発明によれば、定常運転時のシール性能が高く、起動停止に伴う低負荷時における回転構造物と静止構造物との接触の危険性が低く、万一接触に至った場合における回転構造物側に発生する損傷の少ないターボ機械の非接触シール装置を提供することができる。
【００３４】
請求項２に係る発明は、請求項１の発明において、回転側シールフィンと静止側シールフィンは食違い型ラビリンスを形成し、前記回転側シールフィンの高さが前記静止側シールフィンの高さに比べて高くなるように構成されていることを特徴とする。
【００３５】
本発明によれば、静止側シールフィンが回転構造物に接触して回転構造物が過熱されるという危険の少ないターボ機械の非接触シール装置を提供することができる。
【００３６】
請求項３に係る発明は、請求項１の発明において、静止側シールフィンと回転側シールフィンは軸方向ピッチが同一もしくはほぼ同等な櫛型ラビリンスを形成し、前記回転側シールフィンの高さをタービン高負荷運転時における前記静止側シールフィンの先端の平均間隙の３倍以上とするとともに、前記回転側シールフィンの高さが前記静止側シールフィンの高さに比べて低くなるように構成されていることを特徴とする。
【００３７】
本発明によれば、静止側シールフィンが回転構造物に接触して回転構造物が過熱されるという危険の少ないターボ機械の非接触シール装置を提供することができる。
【００３８】
請求項４に係る発明は、請求項２または３の発明において、ターボ機械の高負荷運転時に静止側シールフィンが回転側シールフィンピッチの中央よりも上流側に位置するように構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、シールフィンの枚数を増大させたりシールフィン先端の半径方向間隙を小さくすることなくシール性を向上させることができる。
【００３９】
請求項５に係る発明は、８０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンから低圧タービンまでのロータが分解不可能に一体に形成された高低圧ロータからなるか、または互いに別体で製作された高圧タービンまたは高中圧タービンのロータと低圧タービンのロータとを機械的に接合して一本にした高低圧ロータからなり、このロータの高圧部から低圧部までのタービン段落が一つのタービンケーシングに格納され、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成する高低圧一体の蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置する場合に、高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを８ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１４ｍｍ以下とした構成とする。
【００４０】
本発明によれば、蒸気タービンのシール部においてラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００４１】
請求項６に係る発明は、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、中圧タービンと低圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された中低圧ロータからなるか、または互いに別体で製作された中圧タービンのロータと低圧タービンのロータとを機械的に接合して１本にした中低圧ロータからなり、この中低圧ロータと別体で製作された高圧タービンのロータを前記中低圧ロータに機械的に接合して１本のロータを構成し、高圧部のタービン段落が高圧タービンケーシングに格納され中低圧部のタービン段落が前記高圧タービンケーシングとは別体の中低圧タービンケーシングに格納され、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成する蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置する場合に高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを８ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１４ｍｍ以下とした構成とする。
【００４２】
本発明によれば、蒸気タービンのシール部においてラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００４３】
請求項７に係る発明は、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、中圧タービンと低圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された中低圧ロータからなるか、または互いに別体で製作された中圧タービンのロータと低圧タービンのロータとを機械的に接合して１本にした中低圧ロータからなり、この中低圧ロータと別体で製作された高圧タービンのロータを前記中低圧ロータに機械的に接合して１本のロータを構成し、高圧部のタービン段落が高圧タービンケーシングに格納され中低圧部のタービン段落が前記高圧タービンケーシングとは別体の中低圧タービンケーシングに格納され、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成する蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高圧タービンと中圧タービンとの間に位置する場合に高圧段落および中圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを８ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンのピッチを１２ｍｍ以下とした構成とする。
【００４４】
本発明によれば、蒸気タービンのシール部においてラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００４５】
請求項８に係る発明は、１２０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、高圧タービンと中圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された高中圧ロータからなり、この高中圧ロータと別体で製作された低圧タービンのロータを前記高中圧ロータに機械的に接合して１本のロータを構成し、高中圧部のタービン段落が高中圧タービンケーシングに格納され低圧部のタービン段落が前記高中圧タービンケーシングとは別体の低圧タービンケーシングに格納され、低圧タービン段落が複流構造の蒸気通路を形成する蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置する場合に高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを８ｍｍ以下とし、かつスラスト軸受に近い第一低圧タービンケーシングの中に格納された低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１６ｍｍ以下とした構成とする。
【００４６】
本発明によれば、蒸気タービンのシール部においてラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００４７】
請求項９に係る発明は、１２０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、高圧タービンと中圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された高中圧ロータからなり、この高中圧ロータと別体で製作された低圧タービンのロータを前記高中圧ロータに機械的に接合して１本のロータを構成し、高中圧部のタービン段落が高中圧タービンケーシングに格納され低圧部のタービン段落が前記高中圧タービンケーシングとは別体の低圧タービンケーシングに格納され、低圧タービン段落が複流構造の蒸気通路を形成する蒸気タービン設備において、タービン段落に請求項１ないし５のいずれかに記載のターボ機械の非接触シール装置を備え、前記非接触シール装置に備えられた半径方向クリアランスコントロールシステムによってターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側シールフィンの先端と静止側シールフィンの先端とが半径方向に食違いを形成するように制御し、スラスト軸受が高中圧タービンと低圧タービンの間に位置する場合に高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを１２ｍｍ以下とし、かつスラスト軸受に近い第一低圧タービンケーシングの中に格納された低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１０ｍｍ以下とした構成とする。
【００４８】
本発明によれば、蒸気タービンのシール部においてラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００４９】
請求項１０に係る発明のターボ機械の非接触シール装置は、ターボ機械の回転構造物と静止構造物の間隙において回転構造物の表面に回転構造物の回転軸に沿って交互に設けられた円盤状の高い凸部および低い凸部と、前記高い凸部および低い凸部に対向して静止構造物側に設けられた低いシールフィンおよび高いシールフィンを備えた構成とする。
【００５０】
本発明によれば、定常運転時のシール性能が高く、起動停止に伴う低負荷時における回転構造物と静止構造物との接触の危険性が低く、万一接触に至った場合における回転構造物側に発生する損傷の少ないターボ機械の非接触シール装置を提供することができる。
【００５１】
請求項１１に係る発明は、請求項１０の発明において、回転構造物に設けられた高い凸部と静止構造物に設けられた低いシールフィンによって形成される半径方向間隙は回転構造物に設けられた低い凸部と静止構造物に設けられた高いシールフィンによって形成される半径方向間隙よりも小さく設定されている構成とする。
本発明によれば、ターボ機械の高負荷運転時に高いシール性能を得ることができる。
【００５２】
請求項１２に係る発明のターボ機械の非接触シール装置は、ターボ機械の回転構造物と静止構造物の間隙において回転構造物の表面に回転構造物の回転軸に沿って複数設けられた円盤状の凸部および前記凸部以外の凹部と、前記凸部および凹部に対向して静止構造物側に設けられた低いシールフィンおよび高いシールフィンを備え、回転構造物に設けられた前記凸部と静止構造物に設けられた前記低いシールフィンによって形成される半径方向間隙は回転構造物の前記凹部と静止構造物の前記高いシールフィンによって形成される半径方向間隙よりも小さく設定されている構成とする。
【００５３】
本発明によれば、定常運転時のシール性能が高く、起動停止に伴う低負荷時における回転構造物と静止構造物との接触の危険性が低く、万一接触に至った場合における回転構造物側に発生する損傷の少ないターボ機械の非接触シール装置を提供することができる。
【００５４】
請求項１３に係る発明は、請求項１０から１２のいずれかの発明において、回転構造物に設けられた凸部の頂部に回転構造物の回転の向きに対して鋭角をなす溝が設けられている構成とする。
本発明によれば、ターボ機械の回転数が高いほど良好なシール性能を得ることができる。
【００５５】
請求項１４に係る発明は、請求項１０から１３のいずれかの発明において、静止構造物側に設けられるシールフィンの材料の熱伝導率は回転構造物のシール部分の材料の熱伝導率よりも小さい構成とする。
本発明によれば、静止側シールフィンと回転構造物が接触した場合においても回転構造物の損傷を軽微に抑えることができる。
【００５６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ターボ機械の一つである蒸気タービンを例にとり、その中でも、ロータと静翼内輪の間に設けられる非接触シール装置を例にとって説明するが、以下の説明は、動翼の先端のシュラウドカバーと静翼外輪またはケーシングの間に設けられるシール装置または、一般にグランドと称されるところのロータとケーシングとの間に設けられる非接触シール装置についてもあてはまる。
【００５７】
まず、本発明の第１の実施の形態を図１〜図６を参照して説明する。
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態の非接触シール装置である食違い型ラビリンスシール装置を示す断面図である。図１において、９は静翼内輪、２はパッキンリング、４は静止側のシールフィン、６は回転側のシールフィン、５はロータである。（ａ）は、蒸気タービン起動前の冷機状態を示し、（ｂ）は、蒸気タービンの起動後の無負荷状態から負荷上昇の際の極低負荷までの非定常運転状態であって、いわゆるロータロング状態を示している。（ｃ）は、蒸気タービンの定常運転状態であって、いわゆるステディ状態を示し、（ｄ）は、タービン短時間停止後の急速暖機起動時の極低負荷運転状態、あるいは負荷遮断直後の無負荷運転時などにおける非定常運転状態であって、いわゆるロータショート状態を示している。
【００５８】
本実施の形態の非接触シール装置においては、ラビリンスのシールフィン４，６のピッチを蒸気タービンの軸方向熱伸び差の変動幅と同等またはそれ以下の寸法に設定してフィンを密に配置している。また、起動停止時には静止側のシールフィン４の先端の半径方向間隙を広く設定してラビングを回避するとともに、高いシール性能が要求されるタービン高負荷時においては内径方向に押し出してシールフィン４の先端の半径方向間隙を狭く設定することによりシール性能を向上させるクリアランスコントロールシステムが適用されている。
【００５９】
図１（ａ）の冷機状態からタービン起動後にロータ５の熱伸びによって回転側のシールフィン６の軸方向位置が静止側のシールフィン４の軸方向位置を乗り越えるまでは、静止側のシールフィン４の先端と回転側のシールフィン６の先端の間に半径方向間隙を有するように構成されている。
【００６０】
また、好ましくは、図２に示すように、回転側のシールフィン６の高さが静止側のシールフィン４の高さに比べて高くなるように構成されている。さらに好ましくは、回転側のシールフィン６の高さが静止側のシールフィン４の高さに比べて０．２５ｍｍ以上高くなるように構成されている。
【００６１】
また、好ましくは、図３に示すように、蒸気タービンの高負荷運転時に静止側のシールフィン４が回転側のシールフィンピッチの中央よりも上流側に位置するように構成されている。
【００６２】
また、好ましくは、図４に示すように、蒸気タービン設備の起動過程において、蒸気タービンの負荷が定格出力の５％から５０％の範囲内にあるとき（Ｆ）に、半径方向クリアランスコントロールシステムの作動が完了し、かつそれ以上の蒸気タービン負荷においては静止構造物側に付設されたシールフィン４が常に最小の半径位置に保たれる（Ａ）。さらに好ましくは、蒸気タービン設備の起動過程において、蒸気タービンの負荷が定格出力の約２５％の状態にあるときに、半径方向クリアランスコントロールシステムの作動が完了するように構成されている。
【００６３】
なお、図４において、Ａはクリアランスコントロールシステム適用シールフィンの半径位置、Ｂはシールフィンを支持する静止構造物（静翼内輪など）と回転構造物との半径方向の相対変位、Ｃは２〜５％負荷位置、Ｄは５〜２０％負荷位置、Ｅはクリアランスコントロールシステム適用シールフィンの作動量、Ｆは５〜５０％負荷位置、Ｇはクリアランスコントロールシステム適用シールフィンのシール先端の半径方向間隙、Ｈはクリアランスコントロールシステム非適用シールフィンの半径位置である。
【００６４】
このようにこの第１の実施の形態の非接触シール装置は、図２４に示した従来の食違い型ラビリンスシール装置や図２７に示した従来行われていた食違い型ラビリンスとクリアランスコントロール手法の組み合わせによるシール装置に比べて、シールフィンのピッチを小さく設定することが可能でありシールフィンが密に配設されている。
【００６５】
ラビリンスシール装置のシール性能は一般にシールフィンの列数を増やすことにより向上するが、本実施の形態の非接触シール装置においては、シールフィン４，６のピッチはタービン起動時（ロータロング状態）の軸方向の伸び差の最大値とタービン停止時（ロータショート状態）の軸方向の伸び差の最大値との和すなわち伸び差の変動幅より小さい値に設定してある。従って回転側のシールフィン６と静止側のシールフィン４の軸方向の間隙は少なくともロータロング状態かあるいはロータショート状態のいずれかの状態において負となって干渉することになる。図１（ｂ）がこの状態を示しており、軸方向の位置関係のみに注目してみれば図１（ａ）から図１（ｂ）に変化する途中に回転側のシールフィン６は静止側のシールフィン４と干渉し、図１（ｂ）に至っては静止側のシールフィン４を乗り越えた軸方向位置に達している。この時、もし回転側シールフィン６と静止側シールフィン４との半径方向位置関係に大きな変化がなければ、これらシールフィン４，６が接触して過大な軸振動を引き起こし、タービンの運転に支障をきたすことになる。また、たとえ運転を継続することができたとしても、接触したシールフィン４，６の損傷によって半径方向の食違いがほとんど形成できなくなるのでシール性能の低下は免れない。
【００６６】
このような現象に対して本実施の形態においては、シールフィン４，６のピッチを小さく設定してシールフィン４，６を密に配設するとともに、クリアランスコントロールを適用して起動停止時には静止側のシールフィン４の先端の半径方向間隙を広く設定してラビングを回避している。高いシール性能が要求されるタービン高負荷時においてはクリアランスコントロールによって静止側のパッキンリング２を内径方向に押し出してシールフィン４の先端とロータ５のあいだの間隙７を狭くすることによりタービン高負荷時のシール性能を向上させている。
【００６７】
このように、本実施の形態の非接触シール装置は、蒸気タービンに用いられる食違い型ラビリンスシール装置において、従来不可能だったシールフィンの列数の大幅な増加を、ラビング等の不都合な事象を誘発することなく安全に実現することができる。その結果、食違い型ラビリンスシール装置のシール性能が向上し、蒸気タービンの性能向上に貢献する。
【００６８】
また、図２に示したように、回転側のシールフィン６の高さが静止側のシールフィン４の高さに比べて高くなるように構成することにより、タービン高負荷時にシールフィン４，６先端の半径方向間隙７，１０が小さくなって仮にシールフィン先端が相手側に接触した場合においても、接触するのは回転構造物側のシールフィン６と静止構造物側のパッキンまたはシールフィンホルダー（静翼内輪、静翼外輪、ケーシングあるいはケーシング付属物）の内周面の部分であって、ロータ５のシャフトや動翼先端のシュラウドカバーの表面ではないことから、摩擦熱によるロータ５の熱曲がりやシュラウドカバーの変形を生じることがなく、タービンの運転継続の支障にはならない。
【００６９】
回転構造物側のシールフィン６の先端が静止構造物と接触してシールフィン６の先端に摩擦熱が発生した場合、シールフィンは冷却フィンの役割をも果たすことから、シールフィン６の先端に発生した熱はシールフィン６の根元に伝導していく間に高速流体中におかれたシールフィン６の冷却効果によって冷却されるので、シールフィン６の根元の温度が大きく上昇することはない。従って、この場合、ロータ５の著しい熱曲がりやシュラウドカバーの著しい変形を引き起こすことがなく、過大な軸振動の発生に至ることがない。
さらに、回転側のシールフィン６の高さが静止側のシールフィン４の高さに比べて高くなるように構成された食違い型ラビリンスにおいては、図３に示したように、ターボ機械の高負荷運転時に静止側のシールフィン４が回転側のシールフィン６のフィンピッチの中央よりも下流側に位置するように構成することにより、シール性能の向上が期待できる。このようなシールフィンの高さが異なったラビリンスの組合せによる食違い型ラビリンスシール装置においては、狭い半径方向間隙を有する回転側のシールフィン６と広い半径方向間隙を有する静止側シールフィン４の軸方向の相対位置によってシール性能が変化する。
【００７０】
その一例を図５に示す。図５において、Ｓはフィンピッチ、ａはシールフィンの軸方向間隙である。従って、この場合は、ターボ機械の高負荷運転時に静止側のシールフィンが回転側のシールフィンピッチの中央よりも下流側に位置するように構成することにより、このような食違い型ラビリンスシール装置のシール性能を向上することができる。
【００７１】
蒸気タービンにおいて、半径方向間隙の変化が生じるのは主に起動時、停止時あるいは低負荷における大きな負荷変化時等の非定常運転時である。クリアランスコントロールシステムを使用していない従来型の蒸気タービンにおけるタービン起動から定格負荷までの半径方向間隙の変化量を図６に示す。図６においてＢ，Ｃ，Ｄ，Ｈの意味するところは図４におけると同じであり、Ｊはクリアランスコントロールシステム非適用シールフィンのシール先端の半径方向間隙である。
【００７２】
蒸気タービンにおいては、シールフィンの半径方向間隙変化量は一般的に２％から５％のタービン負荷で最大になり、一般的に５％から２０％のタービン負荷において極小値となる。また、例えば蒸気タービンの高圧部において、軸方向の伸び差がロータロング状態で最大になるのは完全冷機起動時の低負荷状態であり、他方、ロータショート状態で軸方向伸び差が最大になるのはタービン短時間停止後の急速暖機起動時の極低負荷運転状態、あるいは負荷遮断直後の無負荷運転時などである。また、蒸気タービンの性能が重視されるのは一般的に言ってタービン負荷が定格出力の５０％以上となる高負荷の状態においてである。
【００７３】
従って、蒸気タービン設備の起動過程において、半径方向間隙の変化量が最大値となるタービン負荷を越えた負荷状態で、かつ、少なくともロータショート状態での最大伸び差が発生するタービン負荷を越えた負荷状態であるところの、蒸気タービンの負荷が定格出力の５％から５０％の範囲内において半径方向クリアランスコントロールシステムの作動が完了するように構成することにより、シールフィンピッチを小さくしてシール性能の向上を図ると同時に半径方向ならびに軸方向の接触を回避することが可能な非接触シール装置を提供することができる。
【００７４】
この第１の実施の形態の非接触シール装置の適用により、ラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００７５】
つぎに本発明の第２の実施の形態を図７，８，９を参照して説明する。
図７は本発明の第２の実施の形態の非接触シール装置である櫛型ラビリンスの断面図である。櫛型ラビリンスは静止側のシールフィンのピッチは回転側のシールフィンのピッチと異なっているのが一般的であるが、本実施形態における櫛型ラビリンスは、静止側のシールフィン４のピッチと回転側のシールフィン６のピッチを同一もしくはほぼ同等の値とし、かつそれらのピッチをターボ機械の軸方向熱伸び差の変動幅と同等またはそれ以下の寸法に設定してフィンを密に配置したラビリンスである。
【００７６】
本実施の形態の櫛型ラビリンスシール装置は、冷機状態からタービン起動後にロータの熱伸びによって回転側のシールフィン６の軸方向位置が静止側のシールフィン４の軸方向位置を乗り越えるまでは、静止側のシールフィン４の先端と回転側のシールフィン６の先端の間に半径方向間隙７を有するように構成されている。そして起動停止時にはシールフィン４，６先端の半径方向間隙７を広く設定してラビングを回避するとともに、高いシール性能が要求されるタービン高負荷時においては静止側のラビリンスパッキンリング２を内径方向に押し出してシールフィン４，６先端の半径方向間隙を狭く設定することによりシール性能を向上させるクリアランスコントロールシステムが適用されている。
【００７７】
また、好ましくは、回転側のシールフィン６の高さをタービン高負荷運転時における静止側シールフィン４の先端の平均間隙の３倍以上とするとともに回転側のシールフィン６の高さが静止側のシールフィン４の高さに比べて低くなるように構成されている。
【００７８】
また、好ましくは、図８に示すように、ターボ機械の高負荷運転時に静止側のシールフィン４が回転側のシールフィン６のフィンピッチの中央よりも上流側に位置するように構成されている。
【００７９】
また、好ましくは、蒸気タービン設備の起動過程において、蒸気タービンの負荷が定格出力の５％から５０％の範囲内にあるときに、半径方向クリアランスコントロールシステムの作動が完了し、かつそれ以上の蒸気タービン負荷においては静止構造物側に付設されたシールフィン４が常に最小の半径位置に保たれるように構成されている。さらに好ましくは、蒸気タービン設備の起動過程において、蒸気タービンの負荷が定格出力の約２５％の状態にあるときに、半径方向クリアランスコントロールシステムの作動が完了するように構成されている。
【００８０】
図７に示したように、シールフィン４，６のピッチはタービン起動時（ロータロング状態）の軸方向の伸び差の最大値とタービン停止時（ロータショート状態）の軸方向の伸び差の最大値との和すなわち伸び差の変動幅より小さい値に設定してある。従って回転側のシールフィン６と静止側のシールフィン４の軸方向の間隙は少なくともロータロング状態かあるいはロータショート状態のいずれかの状態において負となって干渉することになる。
【００８１】
蒸気タービンの起動後の無負荷状態からの負荷上昇の際の極低負荷までの非定常運転においてこの状態が現われ、軸方向の位置関係のみに注目してみれば、蒸気タービン起動前の冷機状態から蒸気タービンの起動後の無負荷状態からの負荷上昇の際の極低負荷までの非定常運転に変化する途中に回転側のシールフィン６は静止側のシールフィン４と干渉し、蒸気タービンの起動後の無負荷状態からの負荷上昇の際の極低負荷までの非定常運転に至っては静止側のシールフィン４を乗り越えた軸方向位置に達している。
【００８２】
この時、もし回転側シールフィン６と静止側シールフィン４の半径方向位置関係に大きな変化がなければ、これらシールフィン４，６が接触して過大な軸振動を引き起こし、タービンの運転に支障をきたすことになる。また、たとえ運転を継続することができたとしても、接触したシールフィン４，６の損傷によって半径方向の食違いがほとんど形成できなくなるのでシール性能の低下は免れない。
【００８３】
このような現象に対して本実施の形態においては、静止側のシールフィン４のピッチと回転側のシールフィン６のピッチを同一もしくはほぼ同等の値とし、シールフィンのピッチを小さく設定してシールフィンを密に配設するとともに、クリアランスコントロールを適用して起動停止時にはシールフィン先端の半径方向間隙を広く設定してラビングを回避している。高いシール性能が要求されるタービン高負荷時においてはクリアランスコントロールによって静止側のラビリンスを内径方向に押し出してシールフィン先端間隙７を狭くすることによりタービン高負荷時のシール性能を向上させている。
【００８４】
また、図９に示すように、回転側のシールフィン６の高さｈ２をタービン高負荷運転時における静止側シールフィン４の先端の平均間隙ε１の３倍以上とすることにより十分なシール効果が得られる。従ってシール性能上からはこの範囲内で回転側のシールフィン６の高さが静止側のシールフィン４の高さに比べて低くなるように設計することが可能となるので、ロータシャフトまたはシュラウドカバーから一体に形成していて損傷時の再生に困難を伴う回転側シールフィン６のフィン高さを低くして剛にすることが好ましい。
【００８５】
さらに、回転側のシールフィン６の高さが静止側のシールフィン４の高さに比べて低くなるように構成されたラビリンスにおいては、前述の図３からわかるように、ターボ機械の高負荷運転時に静止側のシールフィン４が回転側のシールフィン６のフィンピッチの中央よりも上流側に位置するように構成することにより、シール性能の向上が期待できる。
【００８６】
本実施の形態においても、蒸気タービン設備の起動過程において、シールフィンの半径方向間隙の変化量が最大値となるタービン負荷を越えた負荷状態で、かつ、少なくともロータショート状態での最大伸び差が発生するタービン負荷を越えた負荷状態であるところの、蒸気タービンの負荷が定格出力の５％から５０％の範囲内においてシールフィンの半径方向クリアランスコントロールシステムの作動が完了するように構成することにより、シールフィンピッチを小さくしてシール性能の向上を図ると同時に半径方向ならびに軸方向の接触を回避することが可能な非接触シール装置を提供することができる。
【００８７】
この第２の実施の形態の非接触シール装置の適用により、ラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００８８】
つぎに本発明の第３の実施の形態を説明する。本発明の第３の実施の形態は蒸気タービン設備に係り、高圧タービンから低圧タービンまでのロータが分解不可能に一体に形成されたタービンロータが使用され、このロータの高圧部から低圧部までのタービン段落が一つのタービンケーシングに格納される構造を有し、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成している高低圧一体型の蒸気タービン設備である。
【００８９】
本実施の形態の蒸気タービン設備は、８０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５００℃以上の蒸気温度を有し、タービン段落に用いるシール装置として前記第１または第２の実施の形態の非接触シール装置を適用し、この非接触シール装置において半径方向クリアランスコントロールの手法を用いてターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に間隙を有しかつ、高負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に食違いを形成するように構成し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置する場合に、高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを従来の蒸気タービンで考えられていた食違い型ラビリンスの８ｍｍ以下、好ましくは６ｍｍ以下とし、低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１４ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下としている。
【００９０】
なお、ここで言う静止側とは回転側に対する用語であり非回転側を意味する。また、ここで言うシールフィンピッチとはクリアランスコントロール装置によって静止側ラビリンスが内径方向に作動して静止側シールフィンが回転側シールフィンと食違いを形成するシールフィンのフィンピッチを意味する。食違いを形成する高いシールフィンの間に食違いを形成しない低いシールフィンがある場合にはその低いシールフィンを無視したときのフィンピッチである。これら用語は以降の実施形態においてもその意味するところは同様である。
【００９１】
この第３の実施の形態によれば、蒸気タービンのシール部においてラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００９２】
本発明の第４の実施の形態は蒸気タービン設備に係り、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、中圧タービンと低圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された中低圧ロータからなり、この中低圧ロータと別体で製作された高圧タービンのロータを機械的に接合して１本のロータを構成し、高圧部のタービン段落が高圧タービンケーシングに格納され、中低圧部のタービン段落が高圧タービンケーシングとは別体の中低圧タービンケーシングに格納される構造を有し、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置している蒸気タービン設備である。
【００９３】
この実施の形態の蒸気タービン設備は、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、タービン段落に用いるシール装置として前記第１または第２の実施の形態の非接触シール装置を適用し、この非接触シール装置において半径方向クリアランスコントロールの手法を用いてターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に間隙を有しかつ、高負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に食違いを形成するように構成し、高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを従来の蒸気タービンで考えられていた食違い型ラビリンスのシールフィンピッチよりも小さい８ｍｍ以下、好ましくは６ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１４ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下としている。
【００９４】
この第４の実施の形態によれば、蒸気タービンのシール部において、ラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００９５】
本発明の第５の実施の形態は蒸気タービン設備に係り、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、中圧タービンと低圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された中低圧ロータからなり、この中低圧ロータと別体で製作された高圧タービンのロータを機械的に接合して１本のロータを構成し、高圧部のタービン段落が高圧タービンケーシングに格納され、中低圧部のタービン段落が高圧タービンケーシングとは別体の中低圧タービンケーシングに格納される構造を有し、それらタービン段落が単流構造の蒸気通路を形成し、スラスト軸受が高圧タービンと中圧タービンとの間に位置している蒸気タービン設備である。
【００９６】
この実施の形態の蒸気タービン設備は、１００ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、タービン段落に用いるシール装置として前記第１または第２の実施の形態の非接触シール装置を適用し、この非接触シール装置において半径方向クリアランスコントロールの手法を用いてターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に間隙を有しかつ、高負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に食違いを形成するように構成し、高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを従来の蒸気タービンで考えられていた食違い型ラビリンスのシールフィンピッチよりも小さい８ｍｍ以下、好ましくは６ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１２ｍｍ以下、好ましくは９ｍｍ以下としている。
【００９７】
この第５の実施の形態によれば、蒸気タービンのシール部において、ラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【００９８】
本発明の第６の実施の形態は蒸気タービン設備に係り、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、高圧タービンと中圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された高中圧ロータからなり、この高中圧ロータと別体で製作された低圧タービンのロータを機械的に接合して１本のロータを構成し、高中圧部のタービン段落が高中圧タービンケーシングに格納され、低圧部のタービン段落が高中圧タービンケーシングとは別体の低圧タービンケーシングに格納される構造を有し、低圧タービン段落が複流構造の蒸気通路を形成し、スラスト軸受が高圧タービン側の軸端近傍に位置している蒸気タービン設備である。
【００９９】
この実施の形態の蒸気タービン設備は、１２０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、タービン段落に用いるシール装置として前記第１または第２の実施の形態の非接触シール装置を適用し、この非接触シール装置において半径方向クリアランスコントロールの手法を用いてターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に間隙を有しかつ、高負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に食違いを形成するように構成し、高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを従来の蒸気タービンで考えられていた食違い型ラビリンスのシールフィンピッチよりも小さい８ｍｍ以下、好ましくは６ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１６ｍｍ以下、好ましくは１２ｍｍ以下としている。
【０１００】
この第６の実施の形態によれば、蒸気タービンのシール部において、ラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【０１０１】
本発明の第７の実施の形態は蒸気タービン設備に係り、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンを有し、高圧タービンと中圧タービンのロータが分解不可能に一体に形成された高中圧ロータからなり、この高中圧ロータと別体で製作された低圧タービンのロータを機械的に接合して１本のロータを構成し、高中圧部のタービン段落が高中圧タービンケーシングに格納され低圧部のタービン段落が高中圧タービンケーシングとは別体の低圧タービンケーシングに格納される構造を有し、低圧タービン段落が複流構造の蒸気通路を形成し、スラスト軸受が高中圧タービンと低圧タービンの間に位置している蒸気タービン設備である。
【０１０２】
この実施の形態の蒸気タービン設備は、１２０ＭＷ以上の定格出力を有し、主蒸気が１０ＭＰａ以上の蒸気圧力と５２０℃以上の蒸気温度を有し、タービン段落に用いるシール装置として前記第１または第２の実施の形態の非接触シール装置を適用し、この非接触シール装置において半径方向クリアランスコントロールの手法を用いてターボ機械の起動停止時及び極低負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に間隙を有しかつ高負荷運転時には回転側のシールフィン先端と静止側のシールフィン先端とが半径方向に食違いを形成するように構成し、高圧段落のラビリンスの回転側もしくは静止側のシールフィンピッチを従来の蒸気タービンで考えられていた食違い型ラビリンスのシールフィンピッチよりも小さい１２ｍｍ以下、好ましくは９ｍｍ以下とし、かつ低圧段落のラビリンスのシールフィンピッチを１０ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下としている。
【０１０３】
この第７の実施の形態によれば、蒸気タービンのシール部において、ラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【０１０４】
以上説明したように、本発明の第１から第７の実施の形態においては、シールフィンのピッチを小さく設定してシールフィンを密に配設するとともに、クリアランスコントロールを適用して起動停止時にはシールフィン先端の半径方向間隙を広く設定してラビングを回避している。また、高いシール性能が要求されるタービン高負荷時においてはクリアランスコントロールによって静止側のラビリンスを内径方向に押し出してシールフィン先端間隙を狭くすることによりタービン高負荷時のシール性能を向上させている。
【０１０５】
従って、静止側のラビリンスと回転側のラビリンスとが食違いを形成する構造のラビリンスシール装置において、従来不可能だったシールフィンの列数の大幅な増加をラビング等の不都合な事象を誘発することなく安全に実現することができるという効果を有する。その結果、食違い型ラビリンスシール装置のシール性能を大幅に向上させるという効果を発揮し、ターボ機械の性能向上に大きく貢献する。
【０１０６】
また、上記第１，第２の実施の形態の非接触シール装置を蒸気タービンに適用することにより、ラビングの発生を引き起こすことなくシール部の漏洩流量を低減することが可能となって、高性能かつ安全で信頼性の高い蒸気タービン設備を提供することができる。
【０１０７】
つぎに本発明の第８の実施の形態を説明する。
図１０は本実施の形態の非接触シール装置の断面図であり、（ａ）は蒸気タービンの定常運転状態における図であり、（ｂ）は蒸気タービンの起動後の極低負荷から負荷上昇の際の低負荷における非定常運転状態における図であり、（ｃ）は蒸気タービンの負荷降下時の低負荷における非定常運転状態における図である。
【０１０８】
本実施の形態における蒸気タービンは、タービンシャフト５ａとタービンシャフト５ａに設けられた動翼とを含む回転構造物を備え、また、静翼と静翼翼環の内径側に設けられた静翼内輪と静翼翼環の外径側に設けられた静翼外輪とそれらを覆うケーシングと回転構造物を支承する軸受とを含む静止構造物を備えている。静翼内輪にはパッキンリング２が保持されている。
【０１０９】
そして、本実施の形態における非接触シール装置では、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に円盤状の凸部６６を二条以上形成させ、当該タービンシャフト５ａに相対する静止構造物である静翼内輪のパッキンリング２にはタービンシャフト５ａの凸部６６に対応した低いシールフィン４４を形成させ、これら低いシールフィン４４の間にはタービンシャフト５ａの凹部６０に対応した高いシールフィン４５を形成させてある。そしてタービン組立時の間隙設定として、タービンシャフト５ａの凸部６６とパッキンリング２側に設けられた低いシールフィン４４によって形成される半径方向の間隙７７をタービンシャフト５ａの凹部６０とパッキンリング２側に設けられた高いシールフィン４５によって形成される半径方向の間隙７８よりも小さく設定している。
【０１１０】
また、好ましくは、タービンシャフト５ａの凹部６０とパッキンリング２側に設けられた高いシールフィン４５によって形成される半径方向の間隙７８を従来のラビリンスシールの間隙と同等の間隙に設定するとともに、タービンシャフト５ａの凸部６６とパッキンリング２側に設けられた低いシールフィン４４によって形成される半径方向の間隙７７を従来のラビリンスシールの間隙よりも小さく、好ましくは従来の間隙の１／２程度に設定している。
【０１１１】
なお、パッキンリング２側に設けられた低いシールフィン４４は、タービン負荷が定格負荷近傍あって定常負荷状態で運転されているときにタービンシャフト５ａの凸部６６とほぼ同じ軸方向位置となるように設定され、小さな間隙７７を形成するように設定されている。
【０１１２】
以上のような構成の第８の実施の形態の非接触シール装置の作用を従来のものと比較して以下に説明する。図１１は従来のハイロー型と称されるラビリンスシールの例を示した断面図であり、タービンシャフト５ａの凸部６６とパッキンリング２側に設けられた低いシールフィン４４によって形成される半径方向の間隙７７をタービンシャフト５ａの凹部６０とパッキンリング２側に設けられた高いシールフィン４５によって形成される半径方向の間隙７８と同じ間隙に設定している。
【０１１３】
先に説明したとおり、ラビリンスシールにおいて、蒸気の漏洩防止効果を決定する最大の要因は、静止構造物である静翼内輪のパッキンリング２側に設けられたシールフィン４４，４５の先端と回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面との半径方向の間隙７７，７８の大きさであり、この間隙が小さいほど蒸気の漏洩量は少なくなってタービンの性能が向上するが、この間隙をあまり小さくすると運転中にシールフィン４４，４５とタービンシャフト５ａが接触し、タービンシャフト５ａやシールフィン４４，４５が損傷したり、接触によって軸振動が増加して運転の続行が不可能になったり、接触による発熱で回転構造物であるタービンシャフト５ａに曲りを生じたりする等の問題がる。
【０１１４】
このような接触が発生するのは、タービンの運転状態によって間隙７７，７８の値が変化するためであり、そのような変化は、ケーシングの不均一な熱変形、圧力による変形、あるいはタービンシャフトを支承する軸受の支持特性等の種々の要因により生じ、特に、タービンの起動時や停止時および起動停止に伴う低負荷時での負荷変化時に集中して間隙の変化が発生する。
【０１１５】
図１２の実線で示された曲線Ｙは、起動時にケーシングの不均一な温度分布の発生によって逆猫背状のケーシング熱変形を生じるような特性を有する蒸気タービンにおいて、タービンシャフトのシール部分とケーシングに支持されている静翼内輪に設けられたシールフィンとの間の半径方向（鉛直方向上方）の相対変位差を、タービン組立時を原点として、蒸気タービンの起動から定格負荷までについて表わしたものである。また、図１０の破線で示された直線Ｘはシールフィンとタービンシャフトの間のタービン組立時における半径方向の間隙設定値を表わしている。
【０１１６】
図１２の縦軸においてＸ−Ｙの値（Ｘの値からＹの値を減算した値）がそのタービン負荷におけるラビリンスシールの半径方向の間隙であり、図からわかるように、この間隙は起動直後の低負荷において最も小さくなる。その後タービン負荷が増加してくるとこの間隙Ｘ−Ｙは一旦大きくなった後、更なる負荷上昇につれて微減するが、タービン負荷が１００％に近づくにつれてその変化量が小さくなって一定値に落ち着くというような傾向を有している。
【０１１７】
もしも、タービン組立時における半径方向の間隙設定値Ｘが小さくて間隙Ｘ−Ｙの値が運転中に負になった場合にはシールフィンがタービンシャフトに接触することを意味し、過大な軸振動を引き起こしたり、タービンシャフトに曲りを生じたりという不都合が発生することになる。また、このようなタービンでは停止時にはケーシングは起動時とは反対に猫背状の変形を生じるのが一般的であり、鉛直方向下側の間隙が小さくなって接触の危険性を有している。
【０１１８】
また、上述のように、定常運転時には変形量や変化量が時間とともに一定値に落ち着くために、間隙の変化量は極めて小さい。従って、起動停止時や低負荷での負荷変化時の間隙状態を考慮して、いかなる運転状態においてもラビングが発生しないようにタービン組立時における半径方向の間隙設定値Ｘを大きく取り過ぎると、長時間に亘る定常運転状態においては不必要に大きな間隙となり、蒸気の漏洩量は増大しタービンとして良い性能が得られない。
このような不具合を解消するために、この第８の実施の形態では、タービン組立時の間隙を、タービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪のパッキンリング２側に設けられた低いシールフィン４４によって形成される半径方向の間隙７７を、タービンシャフト５ａの凹部６０と静翼内輪のパッキンリング２側に設けられた高いシールフィン４５によって形成される半径方向の間隙７８よりも小さく設定している。また、好ましくは、タービンシャフト５ａの凹部６０と静翼内輪側に設けられた高いシールフィン４５によって形成される半径方向の間隙７８を従来のラビリンスシールの間隙と同等の間隙に設定するとともに、タービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側に設けられた低いシールフィン４４によって形成される半径方向の間隙７７を従来のラビリンスシールの間隙よりも小さく設定している。
【０１１９】
タービン組立時の間隙が上述のように設定されることによって、タービンシャフト５ａの凹部６０と静翼内輪側に設けられた高いシールフィン４５によって形成される半径方向の間隙７８において接触することはないといえる。他方、タービン組立時におけるタービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側に設けられた低いシールフィン４４によって形成される半径方向の間隙７７は小さく設定され、好ましくは従来の１／２程度に設定されているために接触の危険性が懸念されるが、実際には、蒸気タービンの起動停止または負荷変化に伴う回転構造物と静止構造物との熱伸び量の違いによってタービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側に設けられた低いシールフィン４４はタービン軸方向の位置が異なることになるので接触を回避することが可能である。
【０１２０】
一般に蒸気タービンは定常状態の運転が行われる高負荷、特に、１００％負荷で高い性能が要求さるので、高負荷での定常運転状態ではシール間隙を狭くすることが強く要求される。他方、極低負荷の状態は起動停止時に通過するだけであり、この状態においては特に高い性能は要求されないので極低負荷の状態においてはシール間隙が広くても性能上特に大きな問題となることはない。
【０１２１】
すなわち、図１０（ａ）は蒸気タービンの定常運転状態における本実施の形態のラビリンスシールの状態を示す断面図であり、接触が回避されるような間隙設定となっている。このとき、タービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側のパッキンリング２に設けられた低いシールフィン４４によって形成される半径方向間隙７７は従来のラビリンスシールよりも小さくなっており、従って漏洩蒸気量も従来のラビリンスシールよりも少なくなってタービンの性能向上に貢献する。
【０１２２】
図１０（ｂ）は蒸気タービンの起動後の極低負荷からの負荷上昇の際の低負荷における非定常運転状態における本実施の形態のラビリンスシールの状態を示す断面図であるが、図１０（ｂ）において、タービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側のパッキンリング２に設けられた低いシールフィン４４によって形成される上半側の半径方向間隙７７は負の値となってオーバーラップすることになるが、回転構造物と静止構造物との熱伸び量の違いによる伸び差の発生によってタービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側のパッキンリング２に設けられた低いシールフィン４４とはタービン軸方向位置がずれてくるために、タービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側のパッキンリング２に設けられた低いシールフィン４４とは接触が回避され、過大な軸振動等を発生することはない。
【０１２３】
図１０（ｃ）は蒸気タービンの負荷降下時の低負荷における非定常運転状態における本実施の形態のラビリンスシールの状態を示す断面図であるが、図１０（ｃ）において、タービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側のパッキンリング２に設けられた低いシールフィン４４によって形成される下半側の半径方向間隙７７は負の値となってオーバーラップすることになるが、回転構造物と静止構造物との熱伸び量の違いによる起動時とは反対方向の伸び差の発生によってタービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側のパッキンリング２に設けられた低いシールフィン４４とはタービン軸方向位置がずれてくるために、タービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側のパッキンリング２に設けられた低いシールフィン４４とは接触が回避され、過大な軸振動の発生はない。
【０１２４】
このように、この第８の実施の形態の非接触シール装置の適用によって、定常運転時のシール性能を従来よりも向上させることが可能になってタービンの性能向上に貢献すると同時に、起動停止に伴う低負荷時におけるタービンシャフト５ａとシールフィン４４，４５との接触を回避することができ、信頼性の高い蒸気タービンを提供することが可能となる。
【０１２５】
つぎに本発明の第９の実施の形態を説明する。
図１３は本実施の形態の非接触シール装置の断面図であり、（ａ）は蒸気タービンの定常運転状態における図であり、（ｂ）は蒸気タービンの起動後の極低負荷から負荷上昇の際の低負荷における非定常運転状態における図であり、（ｃ）は蒸気タービンの負荷降下時の低負荷における図である。
【０１２６】
本実施の形態の非接触シール装置では、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に円盤状に突き出た高い凸部６６と低い凸部６７をタービンシャフト５ａの軸方向に交互に並べて形成させ、タービンシャフト５ａに相対する静止構造物であるところの静翼内輪に保持されたパッキンリング２にはタービンシャフト５ａの高い凸部６６と低い凸部６７に対応した低いシールフィン４４と高いシールフィン４５を交互に形成させて構成している。また、好ましくは、図１４に示すように、タービンシャフト５ａの高い凸部６６と静翼内輪に保持されたパッキンリング２の低いシールフィン４４によって形成される半径方向間隙７７をタービンシャフト５の低い凸部６７と静翼内輪側の高いシールフィン４５によって形成される半径方向間隙７８よりも小さく設定している。
【０１２７】
上記のように、この第９の実施の形態の非接触シール装置では、ターボ機械の一つである蒸気タービンの軸封装置として使用されるラビリンスシールにおいて、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に円盤状に突き出た高い凸部６６と低い凸部６７をタービンシャフト５ａの軸方向に交互に並べて形成させ、タービンシャフト５ａに相対する静止構造物であるところの静翼内輪に保持されたパッキンリング２にはタービンシャフト５ａの高い凸部６６と低い凸部６７に対応した低いシールフィン４４と高いシールフィン４５を交互に形成させて構成している。
【０１２８】
本実施の形態においては、タービン組立時におけるラビリンスシールの半径方向の間隙を従来の半径方向間隙よりも小さくすることが可能であり、従来に比べて半径方向間隙を１／２程度に設定することが好ましい。
【０１２９】
このような間隙設定がなされている場合、タービンシャフト５ａの凸部６６、６７と静翼内輪に保持されたパッキンリング２に設けられたシールフィン４４，４５によって形成される半径方向の間隙７７，７８はタービン高負荷域での定常運転状態において小さい間隙となっている。図１３（ａ）はタービン高負荷域での定常運転状態における本実施の形態のラビリンスシールの状態を示す断面図であるが、タービンシャフト５ａとシールフィン４４，４５は接触せず、かつ、間隙７７，７８は極めて小さな値となっている。従って漏洩蒸気量も従来のラビリンスシールよりも少なくなってタービンの性能向上に大きく貢献する。
【０１３０】
また、ケーシングに顕著な逆猫背状の変形が発生するタービン起動時や、猫背状の変形が発生するタービン停止時においては、ケーシングの変形などがタービン定常運転状態のラビリンスの間隙よりも大きくなることがあるので接触が懸念されるが、実際には、蒸気タービンの起動停止または負荷変化に伴う回転構造物と静止構造物との熱伸び量の違い（伸び差）によってタービンシャフト５ａの凸部６６，６７と静翼内輪側に設けられたシールフィン４４，４５はタービン軸方向の位置が異なることになるので、図１３（ｂ）に示すような状態となって、タービンシャフト５ａの凸部６６、６７と静翼内輪側のシールフィン４４，４５とが半径方向にはオーバーラップするものの、タービンシャフト５ａの凸部６６，６７と静翼内輪側のシールフィン４４，４５の軸方向位置が伸び差の変化によって異なってくるので、接触を回避することが可能な構造となっている。従って、このような場合においても接触することはなく、過大な軸振動が発生することはない。
【０１３１】
また、図１３（ｃ）は蒸気タービンの負荷降下時の低負荷における非定常運転状態における本実施の形態のラビリンスシールの状態を示す断面図であるが、図示のように、タービンシャフト５ａの凸部６６と静翼内輪側に設けられた低いシールフィン４４によって形成される下半側の半径方向の間隙７７は負の値となってオーバーラップすることになる。しかし、回転構造物と静止構造物との熱伸び量の違いによる起動時とは反対方向の伸び差の発生によってタービンシャフト５ａの凸部６６，６７と静翼内輪側に設けられたシールフィン４４，４５とはタービン軸方向位置がずれてくるために、やはり接触が回避され、過大な軸振動等を発生することはない。
【０１３２】
このように、本発明の第９の実施の形態の非接触シール装置の適用によって、定常運転時のシール性能を従来よりも向上させることが可能になってタービンの性能向上に貢献すると同時に、起動停止に伴う低負荷時におけるタービンシャフト５ａとシールフィン４４，４５との接触を回避でき、信頼性の高い蒸気タービンを提供することが可能となる。
【０１３３】
また本実施の形態は、図１４に示すように好ましくは、タービンシャフト５ａの高い凸部６６と静翼内輪側の低いシールフィン４４によって形成される半径方向間隙７７をタービンシャフト５ａの低い凸部６７と静翼内輪側の高いシールフィン４５によって形成される半径方向間隙７８よりも小さく設定しているが、このような半径方向間隙の設定によって非定常時におけるタービンシャフト５ａの凹部６１と高いシールフィン４５との接触の危険性が更に改善されるので、安全で信頼性の高い非接触シール装置である。
【０１３４】
つぎに本発明の第１０の実施の形態を説明する。この実施の形態の非接触シール装置は、図１５，１６に示すように、回転構造物であるタービンシャフト５ａの凸部６ａの頂部に少なくとも一条の溝３０を回転の向きに対して鋭角に形成したことを特徴としている。
【０１３５】
図１５（ａ）および（ｂ）は軸封装置としての本実施の形態におけるラビリンスシールの部分を示した断面図である。図１６は本実施の形態におけるラビリンスシールの部分のタービンシャフト部分を図１５（ａ）および（ｂ）に記載のＸＶＩ矢視で示す方向から見たタービンシャフト表面の一部分を示す図であって、タービンシャフト５ａの凸部６ａの頂部に少なくとも一条の溝３０が回転の向きに対して鋭角に形成されていることを示しており、また、タービンシャフト表面に対する相対的な漏れ蒸気の流れＶｒとタービンシャフト５ａの凸部６ａの頂部に形成された溝３０の中の蒸気の流れＶｇを示している。
【０１３６】
この実施の形態の非接触シール装置においては、図１６に示すように、タービンシャフト５ａの凸部６ａの頂部に回転の向きに対して鋭角に形成された溝３０の内部を流れる蒸気流Ｖｇが漏れ蒸気の流れＶｒに対して大きな角度を持って交わるので、漏れ蒸気の流れＶｒを乱すことになり、漏れ蒸気量が減少しシール性能が向上するという効果がある。
【０１３７】
つぎに本発明の第１１の実施の形態を説明する。この実施の形態の非接触シール装置は、図１７（ａ），（ｂ）に示すように、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に形成した低い凸部６７の突出高さをおおよそ０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下としている。また、高い凸部６６および低い凸部６７の頂部の幅Ｗを、６ｍｍ以下とする。
【０１３８】
この実施の形態の非接触シール装置では、静止構造物である静翼内輪側に形成されるシールフィン４４，４５の材料として、その熱伝導率が回転構造物であるタービンシャフト５ａのシール部分の材料の熱伝導率よりも小さい材料を使用する。
【０１３９】
あるいは本実施の形態の非接触シール装置では、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に形成した凸部６６、６７の頂部の断面形状を、図１８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すような、山形とする
さらに、本実施の形態の非接触シール装置の変形例は、図１９に示すように、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に形成した高い凸部６６に対応して静止構造物に形成される低いシールフィン４４を、高い凸部６６の１条に対して、２枚以上とする。
【０１４０】
さらに、本実施の形態における上述の、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に形成した高い凸部６６に対応して静止構造物に形成される低いシールフィン４４を高い凸部６６の１条に対して２枚以上とした非接触シール装置の変形例としては、タービンシャフト５ａの１条の高い凸部６６に対して２枚以上形成される低いシールフィン４４に関し、そのシールフィン４４の突出高さが最初の１枚目のシールフィンと中央または最後のシールフィンとで若干量の差異を有する構成としてもよい。図２０は、１条の高い凸部６６に対して３枚形成された低いシールフィン４４に関し、そのシールフィン４４の突出高さが最初の１枚目のシールフィンと中央のシールフィンとで若干量の差異８０を有している構成を示している。
【０１４１】
また、上述の、１条の高い凸部６６に対して２枚以上形成された低いシールフィン４４を有し、その低いシールフィン４４の突出高さが最初の１枚目のシールフィンと中央のシールフィンとで若干量の差異８０を有している非接触シール装置においては、低いシールフィン４４の突出高さの最初の一条目のシールフィンと中央または最後のシールフィンとの差異８０がおおよそ０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１４２】
蒸気タービンの起動停止に伴って生じるケーシングの逆猫背変形や猫背変形の変形量はおおよそ０．３ｍｍないし１ｍｍ程度であることが多く、従って起動停止に伴う非定常運転時における回転構造物と静止構造物との接触を回避するには、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に形成した低い凸部６７の突出し高さをケーシングの変形量に応じておおよそ０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることが好ましく、それによって定常運転時の漏洩蒸気量を低減し、かつ、起動停止に伴う非定常運転時の接触不具合を回避することができる。
【０１４３】
また、蒸気タービンの構成部品の熱膨張によって生じるタービンシャフトとケーシングとの伸び差の変化幅は、高いシール性能が要求される蒸気タービンの高圧部や中圧部ではおおよそ１０ｍｍないし２０ｍｍであることが多く、従って、非定常時のケーシングの熱変形などによってタービンシャフト５ａの表面に形成した凸部６６、６７とシールフィン４４，４５の接触を極力回避するには、タービンシャフト５の表面に形成した凸部６６、６７の頂部の幅Ｗ（図１７（ａ），（ｂ））を６ｍｍ以下とすることが好ましい。このように凸部６６、６７の頂部の幅Ｗを、６ｍｍ以下とすることによって、定常運転時の漏洩蒸気量を低減し、かつ、起動停止に伴う非定常運転時の接触不具合を回避することができる。
【０１４４】
また、静止構造物である静翼内輪９側に形成されるシールフィン４４，４５の材料として、その熱伝導率が回転構造物であるタービンシャフト５ａのシール部分の材料の熱伝導率よりも小さい材料を使用することにより、万一、接触という事態が発生した場合においても、接触によって発生する大量の摩擦熱は、熱伝導率が大きい材料で形成されたタービンシャフト５ａでは速やかに拡散して高温によるタービンシャフト５ａの接触部の損傷の程度を小さくできるのに対して、熱伝導率の低い材料で形成されたシールフィン４４，４５では大量の摩擦熱の拡散が遅くシールフィン４４，４５の接触部が高温になって強度が低下し速やかに変形するのでかえって回転構造物であるタービンシャフト５ａに与える損傷が軽減できるという効果がある。
【０１４５】
また、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に形成した凸部６６、６７の頂部の断面形状を、図１８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したような山形とすることにより、タービンシャフト５ａの表面に形成した凸部６６、６７とシールフィン４４，４５との間の間隙を更に小さくしても運転中におけるタービンシャフト５ａの表面に形成した凸部６６、６７とシールフィン４４，４５との接触を回避することが可能になることから、漏洩蒸気量が少なくタービン性能の向上に貢献でき、かつ、接触を回避できる安全で信頼性の高いシール装置を提供できる。
【０１４６】
さらに、変形例として、回転構造物であるタービンシャフト５ａの表面に形成した高い凸部６６に対応して静止構造物に形成される低いシールフィン４４を、高い凸部６６の１条に対して、２枚以上とすることにより、低負荷運転時や非定常運転時のような伸び差の大きい状態においても、低いシールフィン４４の少なくとも一つがタービンシャフト５ａの高い凸部６６に対して狭い間隙を形成することが可能となって、高負荷での定常運転時のみならず低負荷運転時や非定常運転時においても比較的高いシール性能を確保することができ、部分負荷時のタービン性能の向上にも貢献することができる。
【０１４７】
さらに、タービンシャフト５ａの１条の高い凸部６６に対して２枚以上形成される低いシールフィン４４に関し、図２０に示したように、シールフィン４４の突出高さが最初の１枚目のシールフィンと中央または最後のシールフィンとに若干量の差異を持たせることによって、図２１に示す起動後の低負荷時の非定常運転状態におけるシール装置の部分断面図に描かれているように、低負荷運転時や非定常運転時のような伸び差の大きい状態においても、低いシールフィン４４の少なくとも一つがタービンシャフト５ａの高い凸部６６に対して狭い間隙を形成することが可能となって、低負荷運転時や非定常運転時においても比較的高いシール性能を確保することができ、部分負荷時のタービン性能の向上に貢献することができる。しかも、高負荷での定常運転時には、低いシールフィン４４とタービンシャフト５ａの高い凸部６６との間の間隙を従来に増して狭くすることが可能になることから、高負荷における定常運転状態での漏洩蒸気量を大幅に低減することが可能となって蒸気タービンの性能向上に大きく貢献する。
【０１４８】
なお、ケーシングの熱変形量を考慮すると、上述の、１条の高い凸部６６に対して２枚以上形成された低いシールフィン４４を有し、その低いシールフィン４４の突出高さが最初の１枚目のシールフィンと中央のシールフィンとで若干量の差異を有しているシール装置においては、低いシールフィン４４の突出高さの最初の１枚目のシールフィンと中央または最後のシールフィンとの差異がおおよそ０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１４９】
【発明の効果】
本発明によれば、定常運転時のシール性能が高く、起動停止に伴う低負荷時における回転構造物と静止構造物との接触の危険性が低く、万一接触に至った場合における回転構造物側に発生する損傷の少ないターボ機械の非接触シール装置および前記非接触シール装置を備えた蒸気タービン設備を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置を示す断面図であり、（ａ）はターボ機械起動前の冷機状態、（ｂ）はターボ機械の起動後の無負荷状態から負荷上昇の際の極低負荷までの非定常運転状態（ロータロング状態）、（ｃ）はターボ機械の定常運転状態（ステディ状態）、（ｄ）はターボ機械の短時間停止後の急速暖機起動時の極低負荷運転状態あるいは負荷遮断直後の無負荷運転時などの非定常運転状態（ロータショート状態）を示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置において、回転側のシールフィンの高さが静止側のシールフィンの高さに比べて高くなるように構成されている変形例を示す図。
【図３】本発明の第１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置において、ターボ機械の高負荷運転時に静止側のシールフィンが回転側のシールフィンピッチの中央よりも上流側に位置するように構成されている変形例を示す図。
【図４】本発明の第１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置に備えられるクリアランスコントロールシステムの動作について説明する曲線図。
【図５】狭い半径方向間隙を有する回転側のシールフィンと広い半径方向間隙を有する静止側シールフィンの軸方向の相対位置によってシール性能が変化することを示し、本発明の第１の実施の形態の効果を説明する曲線図。
【図６】クリアランスコトンロールシステムを使用していない従来の非接触シール装置におけるタービン起動から定格負荷までの半径方向間隙の変化を示し、本発明の第１の実施の形態の効果を説明する曲線図。
【図７】本発明の第２の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置を示す断面図。
【図８】本発明の第２の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置において、ターボ機械の高負荷運転時に静止側のシールフィンが回転側のシールフィンピッチの中央よりも上流側に位置するように構成されている変形例を示す図。
【図９】回転側のシールフィンの高さをタービン高負荷運転時における静止側シールフィン先端の平均間隙の３倍以上とすることにより十分なシール効果が得られることを示し、本発明の第２の実施の形態の効果を説明する曲線図。
【図１０】本発明の第８の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置を示す断面図であり、（ａ）はターボ機械の定常運転状態、（ｂ）はターボ機械の起動後の極低負荷から負荷上昇の際の低負荷における非定常運転状態、（ｃ）はターボ機械の負荷降下時の低負荷における非定常運転状態を示す図。
【図１１】本発明の第８の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置の作用を説明する断面図。
【図１２】本発明の第８の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置の作用を説明する曲線図。
【図１３】本発明の第９の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置を示す断面図であり、（ａ）はターボ機械の定常運転状態、（ｂ）はターボ機械の起動後の極低負荷から負荷上昇の際の低負荷における非定常運転状態、（ｃ）はターボ機械の負荷降下時の低負荷における非定常運転状態を示す図。
【図１４】本発明の第９の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置の変形例を示し、定常運転状態を示す図。
【図１５】本発明の第１０の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置を示し、（ａ），（ｂ）はそれぞれ異なる変形例を示す断面図。
【図１６】図１５のＸＶＩ矢視方向から見た平面図であり、本発明の第１０の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置の作用を説明する図。
【図１７】本発明の第１１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置を示し、（ａ），（ｂ）はそれぞれ異なる変形例の要部を示す断面図。
【図１８】本発明の第１１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置を示し、（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ異なる変形例の要部を示す断面図。
【図１９】本発明の第１１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置のさらに異なる変形例を示す断面図。
【図２０】本発明の第１１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置のさらに異なる変形例を示す断面図。
【図２１】本発明の第１１の実施の形態のターボ機械の非接触シール装置の作用を説明し、起動後の低負荷時の非定常運転状態を示す図。
【図２２】従来のターボ機械のタービンシャフト部分における非接触シール装置を示し、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ異なる例を示す断面図。
【図２３】従来のターボ機械の翼部分における非接触シール装置を示し、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ異なる例を示す断面図。
【図２４】静翼内輪とロータ間の間隙のシールに用いられてきた従来の食違い型ラビリンスシール装置を示す断面図。
【図２５】動翼先端と静翼外輪またはケーシングとの間の間隙のシールに用いられてきた従来の食違い型ラビリンスシール装置を示し、（ａ），（ｂ）はそれぞれ異なる例を示す断面図。
【図２６】櫛型ラビリンスと呼ばれる従来の複合直通形ラビリンスシール装置の断面図。
【図２７】クリアランスコントロールシステムを適用した従来の食違い型ラビリンスシール装置を示し、（ａ）は起動・停止時、（ｂ）はタービン高負荷時を示す図。
【図２８】タービン運転状態変化に伴う従来の食違い型ラビリンスシール装置の静止側ラビリンスと回転側ラビリンスの位置関係を示し、（ａ）は起動前の冷機状態、（ｂ）は起動運転状態、（ｃ）は定常運転状態、（ｄ）は停止時を示す図。
【符号の説明】
２…パッキンリング、３…漏れ蒸気、４…シールフィン、５…ロータ、５ａ…タービンシャフト、６…シールフィン、６ａ…凸部、７…半径方向間隙、８…静翼翼環、９…静翼内輪、１０…半径方向間隙、１１…弾性体、１２…静翼、１４…動翼、１５…ラビリンスシール、１６…動翼先端、１７…静翼外輪、１８…半径方向間隙、１９…シールフィン、２０…ラビリンスシール、２１…シュラウドカバー、２３…半径方向間隙、２４…シールフィン、３０…溝、４４…低いシールフィン、４５…高いシールフィン、６０，６１…凹部、６６…高い凸部、６７…低い凸部、７７，７８…間隙、８０…差異。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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