(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧空間と低圧空間とを隔てるようにロータの周囲に設けられるタービンのシール装置であって、
前記ロータの外周面に沿って配列され、且つ、前記ロータの半径方向における外側に位置して前記タービンの静止部に支持される基端部と、前記ロータの半径方向における内側に位置して前記ロータの外周面に対向する先端面を有する先端部と、をそれぞれ含む複数の薄板を備え、
各々の前記薄板は、前記基端部側において前記薄板の幅方向が前記ロータの軸方向と平行であり、
各々の前記薄板の前記先端部は、前記薄板の幅方向に沿った断面において、高圧空間側の一端が低圧空間側の他端よりも前記ロータの回転方向における下流側に位置することを特徴とするタービン用シール装置。
【請求項２】
各々の前記薄板は、
前記薄板の幅方向における最も前記高圧空間に近い第１位置における、前記基端部から前記先端部への前記回転方向の下流側への前記薄板の位置ずれ量をΔｘ１とし、
前記薄板の幅方向における最も前記低圧空間に近い第２位置における、前記基端部から前記先端部への前記回転方向の下流側への前記薄板の位置ずれ量をΔｘ２としたとき、
Δｘ１＞Δｘ２＞０の関係が成立する
ことを特徴とする請求項１に記載のタービン用シール装置。
【請求項３】
各々の前記薄板は、前記基端部と前記先端部との間に位置し、前記基端部と前記先端部とを繋ぐ湾曲形状の捩れ部をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン用シール装置。
【請求項４】
各々の前記薄板は、前記高圧空間側から前記低圧空間側に近づくにつれて前記半径方向の内側に向かう少なくとも一本の屈曲線にて屈曲していることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン用シール装置。
【請求項５】
前記高圧空間に面するように設けられ、前記複数の薄板の高圧空間側の第１側面のうち外周側領域を覆う第１サイドプレートと、
前記低圧空間に面するように設けられ、前記複数の薄板の低圧空間側の第２側面のうち外周側領域を覆う第２サイドプレートと、を備え、
各々の前記薄板の前記第１側面は、前記第２サイドプレートによって前記第２側面が覆われた領域よりも、前記ロータの半径方向における内側まで前記第１サイドプレートによって覆われていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のタービン用シール装置。
【請求項６】
各々の前記薄板の前記先端面の半径方向位置は、前記ロータの軸方向において、前記高圧空間側の方が前記低圧空間側よりも前記ロータの外周面から離れるような分布を有し、且つ、前記高圧空間に最も近い軸方向位置における前記薄板の前記先端面の半径方向位置は前記第２サイドプレートの内周縁よりも前記半径方向の内側に位置することを特徴とする請求項５に記載のタービン用シール装置。
【請求項７】
前記複数の薄板の基端部側を保持するリテーナをさらに備え、
前記第１サイドプレートおよび前記第２サイドプレートは、それぞれ、前記リテーナと前記複数の薄板の両側面との間に挟まれた状態で、前記リテーナによって支持されることを特徴とする請求項５又は６に記載のタービン用シール装置。
【請求項８】
前記薄板の前記先端部は、少なくとも前記高圧空間側の領域において、前記高圧空間側から前記低圧空間側に向かう流体の流れに対して０°を超える迎え角を有することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のタービン用シール装置。
【請求項９】
タービン翼を有するロータと、
前記ロータの周囲の環状空間を高圧空間と低圧空間とに隔てるようにロータの周囲に設けられた請求項１乃至８の何れか一項に記載のタービン用シール装置と、を備えることを特徴とするタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、タービンに用いられるタービン用シール装置及びタービン、並びにシール装置用の薄板に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンや蒸気タービン等のタービンにおいては、ロータの外周面とステータの先端と間に、高圧側から低圧側へ流れる流体の漏れ量を低減するためのシール装置が設けられている。
【０００３】
この種のシール装置として、特許文献１乃至３等に記載されるように、複数の薄板（リーフ）がロータの周方向に多層状に配列された薄板シール構造が知られている。通常、タービンの停止時には薄板はロータに接触した状態であるが、タービンの運転時には薄板先端部がロータ周面から浮上して、薄板がロータと非接触の状態、あるいは非接触状態と接触状態とが時系列的に混在した状態となる。薄板シール構造は、ラビリンスシール構造と比較して、クリアランスが小さいため流体の漏れ量が少なく、かつ、薄板はロータと非接触の状態が多いことから薄板の摩耗が生じ難く、シール寿命が長いという利点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０００／００３１６４号
【特許文献２】特開２００２−１３６４７号公報
【特許文献３】特開２００５−２９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１乃至３の薄板シール構造においては、タービンの運転中、薄板とロータとの非接触状態が適切に形成されない場合、薄板先端部がロータに過度に接触して摩耗する可能性があり、シール寿命が長いという利点が損なわれるおそれがある。
また、薄板シール構造における他の問題点として、薄板は基端部がステータに支持され先端部側が自由端である片持ち構造となっており、その薄板の周囲を流体が流れるので、フラッタによる薄板の振動が発生する可能性がある。
【０００６】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、薄板（リーフ）のロータへの非接触状態を適切に実現しながら薄板のフラッタによる振動を効果的に抑制し得るタービン用シール装置及びタービン、並びにシール装置用の薄板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】
【０００７】
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービン用シール装置は、
高圧空間と低圧空間とを隔てるようにロータの周囲に設けられるタービンのシール装置であって、
前記ロータの外周面に沿って配列され、且つ、前記ロータの半径方向における外側に位置して前記タービンの静止部に支持される基端部と、前記ロータの半径方向における内側に位置して前記ロータの外周面に対向する先端面を有する先端部と、をそれぞれ含む複数の薄板を備え、
各々の前記薄板は、前記基端部側において前記薄板の幅方向が前記ロータの軸方向と平行であり、
各々の前記薄板の前記先端部は、前記薄板の幅方向に沿った断面において、高圧空間側の一端が低圧空間側の他端よりも前記ロータの回転方向における下流側に位置することを特徴とする。
【０００８】
上記（１）の構成によれば、各々の薄板は、基端部側において薄板の幅方向がロータの軸方向と平行となっている。そのため、薄板の基端部側は動圧の影響を受けにくく、ロータの軸方向に対して基端部側がねじれて先端部側のロータ外周面からの浮上を阻害することを抑制できる。
一方、各々の薄板の先端部は、薄板の幅方向に沿った断面において、高圧空間側の一端が低圧空間側の他端よりもロータの回転方向における下流側に位置するようになっている。このため、薄板の先端部のうち少なくとも高圧空間側の領域では、高圧空間側から低圧空間側に向かう流体の流れに対して０°を超える迎え角を持つ。これにより、高圧空間側の先端部領域は動圧の影響を受けてロータ外周面から浮上しやすくなり、ロータと薄板との非接触状態を適切に実現できる。すなわち、薄板の高圧空間側の先端部領域が動圧の影響によりロータ外周面から押し上げられて浮上しやすくなる。さらに、動圧の影響を受けて高圧空間側の先端部領域がロータの軸方向に対してねじれ変形するため、低圧空間側での薄板同士の接触が起きやすくなる。このように薄板同士が接触すると薄板同士が互いに支持し合うことになるため、フラッタによる薄板の振動を抑制することも可能となる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
各々の前記薄板は、
前記薄板の幅方向における最も前記高圧空間に近い第１位置における、前記基端部から前記先端部への前記回転方向の下流側への前記薄板の位置ずれ量をΔｘ１とし、
前記薄板の幅方向における最も前記低圧空間に近い第２位置における、前記基端部から前記先端部への前記回転方向の下流側への前記薄板の位置ずれ量をΔｘ２としたとき、
Δｘ１＞Δｘ２＞０の関係が成立する。
上記（２）の構成によれば、低圧空間側においても薄板の先端部が基端部に比べてロータの回転方向の下流側へ位置ずれしているため、低圧空間側での薄板同士の接触がより一層起きやすくなる。
【００１０】
（３）一実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
各々の前記薄板は、前記基端部と前記先端部との間に位置し、前記基端部と前記先端部とを繋ぐ湾曲形状の捩れ部をさらに含む。
上記（３）の構成によれば、薄板周囲において流れの剥離が生じ難いため、薄板先端部を浮上させるための薄板間の静圧分布の形成を阻害することなく、薄板先端部の非接触状態を安定的に実現できる。
【００１１】
（４）他の実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
各々の前記薄板は、前記高圧空間側から前記低圧空間側に近づくにつれて前記半径方向の内側に向かう少なくとも一本の屈曲線にて屈曲している。
上記（４）の構成によれば、薄板先端部の加工が容易となる。
【００１２】
（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、
前記高圧空間に面するように設けられ、前記複数の薄板の高圧空間側の第１側面のうち外周側領域を覆う第１サイドプレートと、
前記低圧空間に面するように設けられ、前記複数の薄板の低圧空間側の第２側面のうち外周側領域を覆う第２サイドプレートと、を備え、
各々の前記薄板の前記第１側面は、前記第２サイドプレートによって前記第２側面が覆われた領域よりも、前記ロータの半径方向における内側まで前記第１サイドプレートによって覆われている。
上記（５）の構成によれば、薄板間の隙間に、薄板のロータ側端部からステータ側端部へ向かう上向き流れが形成されるので、薄板をロータ周面から浮上させるための適切な静圧分布を形成することができる。よって、ロータと薄板との非接触状態を安定的に維持できる。
【００１３】
（６）一実施形態では、上記（５）の構成において、
各々の前記薄板の前記先端面の半径方向位置は、前記ロータの軸方向において、前記高圧空間側の方が前記低圧空間側よりも前記ロータの外周面から離れるような分布を有し、且つ、前記高圧空間に最も近い軸方向位置における前記薄板先端面の半径方向位置は前記第２サイドプレートの内周縁よりも前記半径方向の内側に位置する。
上記（６）の構成によれば、高圧空間側における上述した上向き流れの流量が増加するとともに、低圧空間側における薄板間の隙間が比較的狭くなる。そのため、上向き流れに起因した薄板のねじれ変形が大きくなり、ねじれ変形に伴う低圧空間側での薄板同士の接触がより一層起きやすくなる。これにより、フラッタによる薄板の振動を効果的に抑制することができる。
【００１４】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の構成において、
前記複数の薄板の基端部側を保持するリテーナをさらに備え、
前記第１サイドプレートおよび前記第２サイドプレートは、それぞれ、前記リテーナと前記複数の薄板の両側面との間に挟まれた状態で、前記リテーナによって支持される。
【００１５】
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係るタービンは、
タービン翼を有するロータと、
前記ロータの周囲の環状空間を高圧空間と低圧空間とに隔てるようにロータの周囲に設けられた上記（１）乃至（７）の何れかに記載のシール装置と、を備えることを特徴とする。
上記（８）の構成によれば、ロータと薄板との非接触状態を安定的に維持でき、薄板の摩耗を防止できるとともに、フラッタによる薄板の振動を抑制することができるので、信頼性の高いタービンを提供することができる。
【００１６】
（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るシール装置用の薄板は、
上記（１）乃至（７）の何れか一に記載のシール装置用の薄板であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、薄板の基端部側は動圧の影響を受けにくく、先端部側は動圧の影響を受けてロータ外周面から浮上しやすくなるので、ロータと薄板との非接触状態を適切に実現できる。
また、動圧の影響を受けて高圧空間側の先端部領域がロータの軸方向に対してねじれ変形するため、低圧空間側での薄板同士の接触が起きやすくなる。よって、フラッタによる薄板の振動を抑制することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】幾つかの実施形態に係る蒸気タービンを示す概略構成図である。
【図２】（ａ）は幾つかの実施形態に係るシール装置を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）はシール装置における薄板の配置を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）は一実施形態に係る薄板間の隙間における静圧分布を示した図であり、（ｂ）は（ａ）はロータの回転軸に垂直な断面であって、薄板の動作を説明するための図である。
【図４】（ａ）は一実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＡ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＢ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
【図５】（ａ）は他の実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＣ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＤ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
【図６】（ａ）は他の実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＥ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＦ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
【図７】（ａ）は他の実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＧ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＨ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
【図８】（ａ）は他の実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＩ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＪ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
【図９】図８に示す薄板の斜視図である。
【図１０】薄板間の間隔について説明するための図である。
【図１１】他の実施形態に係るガスタービンを示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
最初に、本実施形態に係るタービンの一例として、図１に示す蒸気タービン１について説明する。なお、図１は、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１を示す概略構成図である。
【００２１】
図１に示すように、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１は、蒸気入口４からケーシング（車室）７ａ内に導入された蒸気によって、ロータ２を回転駆動するように構成されている。なお、同図において、排気室等の蒸気排出機構は省略している。
具体的には、蒸気タービン１は、ロータ２側に設けられた複数の動翼６と、ケーシング７ａ及び該ケーシング７ａ側に設けられた複数の静翼７ｂを含むステータ（静止部）７と、静翼７ｂの先端に設けられたシール装置１０と、を備える。
複数の動翼６と複数の静翼７ｂとは、ロータ２の回転軸Ｏの方向（以下、軸方向と称する）に交互に配列されている。軸方向に沿って流れる蒸気が動翼６及び静翼７ｂを通過することによってロータ２が回転し、ロータ２に与えられた回転エネルギーが軸端から取り出されて発電等に利用されるようになっている。
【００２２】
以下、図２乃至図１０を参照して、幾つかの実施形態に係るシール装置１０の具体的な構成について説明する。
図２（ａ）は、幾つかの実施形態に係るシール装置１０を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、シール装置１０における薄板１１の配置を模式的に示す図である。図３（ａ）は、一実施形態に係る薄板１１間の隙間における静圧分布を示した図であり、（ｂ）はロータ２の回転軸Ｏに垂直な断面であって、薄板１１の動作を説明するための図である。図４乃至図９は、各実施形態に係るシール装置１０の構成を示す図である。図１０は、薄板１１間の間隔について説明するための図である。
【００２３】
図２乃至図８に示すように、本実施形態に係るシール装置１０は、高圧空間８と低圧空間９とを隔てるようにロータ２の周囲に設けられ、高圧空間８から低圧空間９に漏れる流体（燃焼ガス）の漏れ量を低減するように構成される。このシール装置１０は、複数の薄板（リーフ）１１がロータ２の周方向に多層状に配列された薄板シール構造を有している。
【００２４】
幾つかの実施形態において、シール装置１０は、ロータ２の外周面に沿って配列された複数の薄板１１と、高圧空間８に面するように設けられた第１サイドプレート２０と、低圧空間９に面するように設けられた第２サイドプレート２２と、を備える。
【００２５】
具体的には、複数の薄板１１は、ロータ２とステータ７との間の環状空間に設けられており、互いに微小空間を隔ててロータ２の周方向に多層状に配列されている。複数の薄板１１は、ロータ２の軸方向に対して幅方向位置が概ね一致している。
各薄板１１は、可撓性を有しており、基端部１４側がステータ７に固定され、先端部１２が自由端としてロータ２側に位置する。各薄板１１は、ロータ２の外周面に対して周方向において鋭角をなすように傾斜して配置される。すなわち、各薄板１１は、ロータ２の半径方向に対して０°を超える角度を有するように傾斜して配置される。蒸気タービン１の停止時（ロータ２の停止時）においては、各薄板１１の先端部１２は、ロータ２の外周面に接触した状態となっている。
【００２６】
第１サイドプレート２０は、環状の薄板であり、高圧空間８に面するように設けられ、複数の薄板１１の高圧空間８側の第１側面１３ａのうち外周側領域（基端部１４側の領域）を覆うように形成されている。
第２サイドプレート２２は、環状の薄板であり、低圧空間９に面するように設けられ、複数の薄板１１の低圧空間９側の第２側面１３ｂのうち外周側領域（基端部１４側の領域）を覆うように形成されている。
なお、本実施形態において外周側とは、ロータ２の半径方向における外側である。
【００２７】
一実施形態では、各々の薄板１１の第１側面１３ａは、第２サイドプレート２２によって第２側面１３ｂが覆われた領域よりも、ロータ２の半径方向における内側まで第１サイドプレート２０によって覆われている。すなわち、ロータ２の外周面から第１サイドプレート２０の内周縁２０ａ（ロータ２側端部）までの距離が、ロータ２の外周面から第２サイドプレート２２の内周縁２２ａ（ロータ２側端部）までの距離よりも小さい。
【００２８】
この構成により、薄板１１間の隙間に、薄板１１のロータ２側の端部からステータ７側の端部へ向かう上向き流れが形成され、薄板１１をロータ２の外周面から浮上させるための適切な静圧分布を形成することができる。よって、ロータ２と薄板１１との非接触状態を安定的に維持できる。
【００２９】
ここで、図３（ａ）及び（ｂ）を参照して、シール装置１０の動作について説明する。なお、図３（ａ）は、薄板１１間の隙間を通る平面に沿ったシール装置１０の断面を示しており、図３（ｂ）は、薄板１１の幅方向に垂直な平面に沿ったシール装置１０の断面、すなわちロータ２の軸方向に垂直な断面を示している。
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、薄板１１は、ロータ２の外周面に対して傾斜していることから、該ロータ２に面する下面１１ｂと、その裏面であってステータ７（図１参照）に面する上面１１ａとを有している。また、図３（ａ）に示す構成例では、薄板１１の幅方向において、薄板１１と第２サイドプレート２２との間の隙間は、薄板１１と第１サイドプレート２０との間の隙間よりも大きい。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、蒸気タービン１の運転時（ロータ２の回転時）、高圧空間８から低圧空間９に向かう流体圧が各薄板１１に加わった場合、各薄板１１の上面１１ａ及び下面１１ｂに対して、高圧空間８側の先端部１２の端部ｒ１で最も流体圧が高く、且つ対角の角部ｒ２に向かって徐々に流体圧が弱まる静圧分布３０ａが形成される。
すなわち、高圧空間８側から低圧空間９側へ向けて流れる流体ｇは、薄板１１間の隙間を通過する際、図３（ａ）の点線に示す流れを形成する。具体的には、高圧空間８からロータ２の外周面と第１サイドプレート２０の内周縁２０ａとの間を通って薄板１１間の隙間に流入した流体ｇは、高圧空間８側の先端部１２の端部ｒ１から低圧空間９側の基端部１４側の角部ｒ２の方向へ向かう上向き流れを形成する。上向き流れは、薄板１１間の隙間において高圧空間８側の先端部１２の端部ｒ１側から放射状に形成される。そして、流体ｇは、薄板１１と第２サイドプレート２２との間の隙間において下向き流れを形成し、ロータ２の外周面と第２サイドプレート２２の内周縁２２ａとの間を通って低圧空間９に流出する。
【００３１】
これにより、図３（ｂ）に示すように、各薄板１１の上面１１ａ及び下面１１ｂに垂直に加わる流体圧分布３０ｂ，３０ｃは、先端部１２側に近いほど大きく、且つ、基端部１４側に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
この上面１１ａ及び下面１１ｂのそれぞれにおける流体圧分布３０ｂ，３０ｃの形状は互いに略同じものとなるが、各薄板１１がロータ２の外周面に対して鋭角をなすように傾斜して配置されているので、これら上面１１ａ及び下面１１ｂにおける各流体圧分布３０ｂ，３０ｃの相対位置が寸法ｓ１だけずれており、薄板１１の基端部１４側から先端部１２側に向かう任意点Ｐにおける上面１１ａ及び下面１１ｂの流体圧を比較した場合、両者で差が生じることとなる。
【００３２】
つまり、薄板１１の長さ方向における任意点Ｐにおいて、下面１１ｂに加わる流体圧（これをＦｂとする）の方が上面１１ａに加わるガス圧（これをＦａとする）よりも高くなるので、薄板１１をロータ２より浮かせるように変形させる方向に作用する。このとき、各薄板１１の先端部１２の近傍では逆となり、上面１１ａにのみ流体圧が加わるが、この力は、ロータ２の外周面と薄板１１の先端との間を流れる流体ｇの流体圧が、薄板１１の先端部１２をロータ２の外周面から浮かせる方向に作用（これをＦｃとする）して打ち消すので、薄板１１の先端をロータ２に対して押さえ込もうとする力を生じさせない。したがって、各薄板１１に加わる流体圧による圧力荷重は、（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａとなるので、各薄板１１をロータ２の外周面より浮上させるように変形させることが可能となる。
したがって、各薄板１１の上面１１ａ及び下面１１ｂ間に圧力差を生じせしめて、これら薄板１１がロータ２の外周面より浮上するように変形させて非接触状態を形成することができる。なお、蒸気タービン１の運転時には、薄板１１とロータ２とが主として非接触の状態となるが、非接触状態と接触状態とが時系列的に混在した状態となることもある。
【００３３】
以上の説明では、高圧空間８側から加圧された際の差圧を利用して、各薄板１１をロータ２に対して非接触状態にするメカニズムについて説明したが、これ以外にも、ロータ２の回転による動圧効果の作用も同時に受けて各薄板１１が浮上する。
すなわち、各薄板１１は、板厚で決まる所定の剛性をロータ２の軸方向に持つように設計されている。また、各薄板１１は、上述したようにロータ２の回転方向に対してロータ２の外周面となす角が鋭角となるようにステータ７に取付けられており、ロータ２の停止時には、各薄板１１の先端が所定の予圧でロータ２に接触しているが、ロータ２の回転時にはロータ２が回転することで生じる動圧効果によって各薄板１１の先端が浮上するため、薄板１１とロータ２とが非接触状態となる。
【００３４】
上述した構成を有するシール装置１０は、薄板１１のロータ２への非接触状態を適切に実現しながら薄板１１のフラッタによる振動を効果的に抑制する目的で、さらに以下の構成を備えている。
【００３５】
図４乃至図８に示すように、幾つかの実施形態に係るシール装置１０において、各々の薄板１１は、基端部１４側において薄板１１の幅方向がロータ２の軸方向と平行となるように構成されている。すなわち、図４乃至図８の各実施形態において（ｃ）に示す基端部１４側の断面のように、薄板１１の第１側面１３ａと第２側面１３ｂとの間の幅方向が、ロータ２の軸方向に対して平行となっている。
これにより、薄板１１の基端部１４側は動圧の影響を受けにくく、ロータ２の軸方向に対して基端部１４側がねじれて先端部１２側の浮上を阻害することを抑制できる。
【００３６】
一方、各々の薄板１１の先端部１２は、薄板１１の幅方向に沿った断面において、高圧空間８側の一端が低圧空間９側の他端よりもロータ２の回転方向における下流側に位置する。すなわち、図４乃至図８の各実施形態において（ｂ）に示す先端部１２側の断面のように、高圧空間８側の端部１２ｂが、低圧空間９側の端部１２ｃよりもロータ２の回転方向における下流側に位置している。
このため、薄板１１の先端部１２のうち少なくとも高圧空間８側の領域では、高圧空間８側から低圧空間９側に向かう流体の流れに対して０°を超える迎え角を持つ。これにより、高圧空間８側の先端部１２領域は動圧の影響を受けてロータ２の外周面から浮上しやすくなり、ロータ２と薄板１１との非接触状態を適切に実現できる。すなわち、薄板１１の高圧空間８側の先端部１２領域が動圧の影響によりロータ２の外周面から押し上げられて浮上しやすくなる。さらに、動圧の影響を受けて高圧空間８の側の先端部１２領域がロータ２の軸方向に対してねじれ変形するため、低圧空間９側での薄板１１同士の接触が起きやすくなる。このように薄板１１同士が接触すると薄板１１同士が互いに支持し合うことになるため、フラッタによる薄板１１の振動を抑制することも可能となる。
【００３７】
具体的には、ロータ２の回転時、薄板１１の先端部１２は、上述したように静圧分布によってロータ２の外周面から浮上し、該ロータ２の外周面に対して非接触の状態となる。このとき、可撓性の薄板１１は、基端部１４から先端部１２までの長さ方向において僅かに湾曲した形状となる。ここで、上記したように、各々の薄板１１の先端部１２において高圧空間８側の端部１２ｂが低圧空間９側の端部１２ｃよりもロータ２の回転方向における下流側に位置する場合、動圧の影響によって高圧空間８側の端部１２ｂの浮上量の方が低圧空間９側の端部１２ｃの浮上量よりも大きくなる。つまり、図４乃至図８の（ｂ）に示す先端部１２の断面のように、もともと高圧空間８側の端部１２ｂの方が低圧空間９側の端部１２ｃよりもロータ２の回転方向下流側に位置していたものが、動圧の影響を受けて高圧空間８側の端部１２ｂがより一層浮上することによって、高圧空間８側の端部１２ｂの位置がさらにロータ２の回転方向下流側にずれる。そのため、薄板１１は、その幅方向に対してより一層ねじれ変形することとなる。
【００３８】
一方、図１０に示すように、複数の薄板１１はロータ２の周方向に配置されているため、薄板１１の基端部１４を通る円周長さＲ２は先端部１２を通る円周長さＲ１よりも大きい。この円周長さＲ２と円周長さＲ１との周長差によって、隣り合う薄板１１の基端部１４間の距離ΔＴ２は先端部１２間の距離ΔＴ１よりも大きくなる。すなわち、隣り合う薄板１１における先端部１２同士の間隔は、基端部１４同士の間隔よりも狭くなっている。特に、先端部１２同士の間隔は、ロータ２の外周面により近い低圧空間９側において狭くなる。そのため、薄板１１の先端部１２において上述したねじれ変形が発生した場合、低圧空間９側での薄板１１同士の接触が起きやすくなる。このように薄板１１同士が接触すると、薄板１１同士が互いに支持し合うことになるため、フラッタによる薄板１１の振動を抑制することができる。
【００３９】
一実施形態において、シール装置１０は、高圧空間８に最も近い軸方向位置における薄板先端面１２ａの半径方向位置が、第１サイドプレート２０の内周縁２０ａよりも半径方向の内側に位置している。
例えば、薄板先端面１２ａの半径方向位置が第１サイドプレート２０の内周縁２０ａよりも半径方向の外側である場合、ロータ２の外周面と薄板先端面１２ａとの間の空間が過度に大きくなり、薄板１１が浮上した際にロータ２の外周面と薄板先端面１２ａとの間のクリアランスが広がって、軸シール効果が低下してしまう可能性がある。
そのため、上記構成によれば、薄板先端面１２ａの半径方向位置が、第１サイドプレート２０の内周縁２０ａよりも半径方向の内側となるようにしたので、ロータ２の外周面と薄板先端面１２ａとの間の空間を適切に形成でき、軸シール効果を維持しながらフラッタによる振動の抑制が可能となる。
【００４０】
また、一実施形態において、各々の薄板１１の先端面１２ａの半径方向位置は、ロータ２の軸方向において、高圧空間８側の方が低圧空間９側よりもロータ２の外周面から離れるような分布を有している。すなわち、各薄板１１は、薄板先端面１２ａのうち高圧空間８側の端部１２ｂとロータ２の外周面との距離の方が、低圧空間９側の端部１２ｃとロータ２の外周面との距離よりも大きくなるように構成されている。そして、高圧空間８側の端部１２ｂと低圧空間９側の端部１２ｃとの間においては、高圧空間８側から低圧空間９側へ向けて、連続的に又は断続的に、あるいは段階的に薄板先端面１２ａとロータ２の外周面との間の距離が小さくなるように、薄板１１の先端部１２が形成されている。また、薄板１１の先端部１２は、高圧空間８に最も近い軸方向位置における薄板先端面１２ａの半径方向位置が、第２サイドプレート２２の内周縁２２ａよりも半径方向の内側に位置するように構成されている。すなわち、薄板先端面１２ａのうち高圧空間８側の端部１２ｂとロータ２の外周面との距離が、第２サイドプレート２２の内周縁２２ａとロータ２の外周面との距離よりも小さい。
【００４１】
この構成によれば、高圧空間８側における上述した上向き流れの流量が増加するとともに、低圧空間９側における薄板１１間の隙間が比較的狭くなる。そのため、上向き流れに起因した薄板１１のねじれ変形が大きくなり、ねじれ変形に伴う低圧空間９側での薄板１１同士の接触がより一層起きやすくなる。これにより、フラッタによる薄板１１の振動を効果的に抑制することができる。
【００４２】
この場合、シール装置１０は、高圧空間８に最も近い軸方向位置における薄板先端面１２ａの半径方向位置が、第１サイドプレート２０の内周縁２０ａよりも半径方向の内側に位置していてもよい。
例えば、薄板先端面１２ａの半径方向位置が第１サイドプレート２０の内周縁２０ａよりも半径方向の外側である場合、ロータ２の外周面と薄板先端面１２ａとの間の空間が過度に大きくなり、薄板１１が浮上した際にロータ２の外周面と薄板先端面１２ａとの間のクリアランスが広がって、軸シール効果が低下してしまう可能性がある。
そのため、上記構成によれば、薄板先端面１２ａの半径方向位置が、第１サイドプレート２０の内周縁２０ａよりも半径方向の内側となるようにしたので、ロータ２の外周面と薄板先端面１２ａとの間の空間を適切に形成でき、軸シール効果を維持しながらフラッタによる振動の抑制が可能となる。
【００４３】
また、高圧空間８側の端部１２ｂと低圧空間９側の端部１２ｃとの間においては、高圧空間８側から低圧空間９側へ向けて、連続的に又は断続的に、あるいは段階的に薄板先端面１２ａとロータ２の外周面との間の距離が小さくなるように、薄板１１の先端部１２が形成されていてもよい。
【００４４】
次に、各実施形態に係るシール装置１０の具体的な構成例について説明する。なお、図４乃至図９においては、構成が同じ部位には同一の符号を付し、構成が相違する部位にのみ異なる符号を付している。
【００４５】
図４（ａ）は一実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＡ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＢ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
一実施形態におけるシール装置１０において、各々の薄板１１は、基端部１４と先端部１２との間に位置し、基端部１４と先端部１２とを繋ぐ湾曲形状の捩れ部１２ｄをさらに含む。図示される例では、捩れ部１２ｄは、高圧空間８側の端部１２ｂから、低圧空間９側の端部１２ｃよりも高圧空間８側の位置１２ｅまでの間に形成される。
この構成によれば、薄板１１の周囲において流れの剥離が生じ難いため、薄板１１の先端部１２を浮上させるための薄板１１間の静圧分布の形成を阻害することなく、薄板１１の先端部１２の非接触状態を安定的に実現できる。
【００４６】
図５（ａ）は他の実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＣ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＤ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
他の実施形態におけるシール装置１０において、各々の薄板１１は、基端部１４と先端部１２との間に位置し、基端部１４と先端部１２とを繋ぐ湾曲形状の捩れ部１２ｄをさらに含む。図示される例では、捩れ部１２ｄは、高圧空間８側の端部１２ｂから低圧空間９側の端部１２ｃまでの全領域に亘って形成される。なお、この構成では、回転方向における低圧空間９側の端部１２ｃの位置は、基端部１４側の第２側面１３ｂの位置と概ね一致している。すなわち、第２側面１３ｂは、基端部１４から先端部１２まで直線状に形成されている。
この構成によれば、薄板１１の周囲において流れの剥離が生じ難いため、薄板１１の先端部１２を浮上させるための薄板１１間の静圧分布の形成を阻害することなく、薄板１１の先端部１２の非接触状態を安定的に実現できる。
【００４７】
図６（ａ）は他の実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＥ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＦ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
他の実施形態におけるシール装置１０において、各々の薄板１１は、高圧空間８側から低圧空間９側に近づくにつれて半径方向の内側に向かう一本の屈曲線１２ｇにて屈曲した屈曲部１２ｆをさらに含む。屈曲線１２ｇは、高圧空間８側の第１側面１３ａから低圧空間９側の第２側面１３ｂまで直線状に延在している。但し、屈曲線１２ｇの構成はこれに限定されるものではなく、例えば、高圧空間８側の第１側面１３ａから、端部１２ｂと端部１２ｃとの間の先端面１２ａまで直線状に延在していてもよい。また、屈曲線１２ｇは、二本以上設けられていてもよい。
この構成によれば、湾曲面を形成する必要がないため、薄板１１の先端部１２の加工が容易となる。
【００４８】
図７（ａ）は他の実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＧ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＨ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。
他の実施形態におけるシール装置１０において、各々の薄板１１は、高圧空間８側の第１側面１３ａに平行な湾曲開始線１２ｉを境界として、第１側面１３ａ側が回転方向下流側に向けて湾曲した湾曲部１２ｈをさらに含む。湾曲開始線１２ｉは、先端面１２ａから、基端部１４よりも先端部１２側まで延在している。すなわち、基端部１４側には、薄板１１の幅方向が軸方向に対して平行な領域が存在しており、この領域よりも先端部１２側において湾曲部１２ｈが形成されている。
この構成によれば、薄板１１の幅方向に対してのみ湾曲を形成すればよいため、薄板１１の先端部１２の加工が比較的容易となる。
【００４９】
図８（ａ）は他の実施形態に係るシール装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すシール装置のＩ方向矢視図であり、（ｃ）は（ａ）に示すシール装置のＪ方向矢視図であり、（ｄ）は（ａ）に示す薄板の斜視図である。図９は図８に示す薄板の斜視図である。
他の実施形態におけるシール装置１０において、各々の薄板１１は、基端部１４と先端部１２との間に位置し、基端部１４と先端部１２とを繋ぐ湾曲形状の捩れ部１２ｊをさらに含む。図示される例では、捩れ部１２ｊは、高圧空間８側の端部１２ｂから低圧空間９側の端部１２ｃまでの全領域に亘って形成される。なお、この構成では、回転方向における低圧空間９側の端部１２ｃは、基端部１４側の第２側面１３ｂの位置よりも回転方向下流側に位置している。すなわち、第２側面１３ｂは、先端部１２側において端部が下流側に向くように湾曲している。
【００５０】
具体的には、図９に示すように、薄板１１の幅方向における最も高圧空間８に近い端部１２ｂ（第１位置）における、基端部１４から先端部１２への回転方向の下流側への薄板１１の位置ずれ量をΔｘ１とし、薄板１１の幅方向における最も低圧空間９に近い端部１２ｃ（第２位置）における、基端部１４から先端部１２への回転方向の下流側への薄板１１の位置ずれ量をΔｘ２としたとき、各々の薄板１１は、Δｘ１＞Δｘ２＞０の関係が成立するように構成される。なお、同図においては、位置ずれ量は、薄板１１の基端部１４側（平面領域）に沿った平面Ｍから端部１２ｂまでの距離を位置ずれ量Δｘ１とし、平面Ｍから端部１２ｃまでの距離を位置ずれ量Δｘｗとしている。
この構成によれば、低圧空間９側においても薄板１１の先端部１２が基端部１４に比べてロータ２の回転方向の下流側へ位置ずれしているため、低圧空間９側での薄板１１同士の接触がより一層起きやすくなる。
なお、この構成では、回転方向における低圧空間９側の端部１２ｃの位置は、基端部１４側の第２側面１３ｂの位置よりも回転方向下流側に位置する。
【００５１】
一実施形態では、上述したシール装置１０は、以下に示す構成をさらに備えていてもよい。
図４乃至図８に示すように、シール装置１０は、複数の薄板１１の基端部１４側を保持する一対のリテーナ２６，２８をさらに備える。そして、第１サイドプレート２０および第２サイドプレート２２は、それぞれ、リテーナ２６，２８と複数の薄板１１の両側面１３ａ，１３ｂとの間に挟まれた状態で、リテーナ２６，２８によって支持される。
【００５２】
具体的な構成として、ステータ７には、リテーナ２６，２８と、第１サイドプレート２０及び第２サイドプレート２２と、複数の薄板１１とを保持するための環状の保持空間４０が形成されている。保持空間４０は、ロータ２の回転軸Ｏに沿った断面においてＴ字形状に形成されている。保持空間４０は、ロータ２の半径方向内周側に形成され、高圧空間８及び低圧空間９に連通する第１空間４１と、ロータ２の半径方向外周側に形成され、第１空間４１に連通する第２空間４２と、を含む。
【００５３】
薄板１１は、基端部１４側の板幅が先端部１２側の板幅より幅広である略Ｔ字形を有しており、基端部１４と先端部１２との間の両側面１３ａ，１３ｂに、先端部１２側より板幅が狭い切欠き部１６ａ，１６ｂが設けられている。
【００５４】
一対のリテーナ２６，２８は、それぞれ、凹部２６ａ，２８ａを有しており、ロータ２の回転軸Ｏを含む断面で見た場合に概ね「コ」字形状をなしている。一対のリテーナ２６，２８は、凹部２６ａ，２８ａには薄板１１の基端部１４が嵌め込まれた状態で第２空間４２に収容されている。すなわち、一対のリテーナ２６，２８は、ロータ２の周方向に多層状に配列される複数の薄板１１の基端部１４を両側面１３ａ，１３ｂから挟み込んで支持するように構成される。このとき、リテーナ２６，２８のロータ２側の側面が、第２空間４２のロータ２側の壁面４２ａ，４２ｂに当接することによって、該リテーナ２６，２８に挟持された薄板１１がステータ７側に支持されるようになっている。
【００５５】
第１サイドプレート２０および第２サイドプレート２２は、それぞれ、ロータ２の半径方向外周側に突出部２０ｂ，２２ｂを有している。突出部２０ｂ，２２ｂは、薄板１１の切欠き部１６ａ，１６ｂに係合するようになっている。そして、第１サイドプレート２０および第２サイドプレート２２は、それぞれ、リテーナ２６，２８と複数の薄板１１の両側面１３ａ，１３ｂとの間に挟まれた状態で、リテーナ２６，２８によって支持される。
【００５６】
なお、図示は省略するが、第２空間４２には、各リテーナ２６，２８間に挟持されて、これらに対する各薄板１１のがたつきを低減するためのスペーサが設けられていてもよい。また、第２空間４２には、環状に配列された複数の薄板１１を、ロータ２の回転軸と同軸をなすように浮上状態に支持するための複数の付勢部材（例えば板バネ）が設けられていてもよい。
【００５７】
上述したように、本発明の実施形態によれば、薄板１１の基端部１４側は動圧の影響を受けにくく、先端部１２側は動圧の影響を受けてロータ２の外周面から浮上しやすくなるので、ロータ２と薄板１１との非接触状態を適切に実現できる。
また、動圧の影響を受けて高圧空間８側の先端部１２領域がロータ２の軸方向に対してねじれ変形するため、低圧空間９側での薄板１１同士の接触が起きやすくなる。よって、フラッタによる薄板１１の振動を抑制することも可能となる。
【００５８】
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、上述の実施形態では、本実施形態に係るタービンの一例として蒸気タービン１について説明したが、本実施形態に係るタービンはこれに限定されるものではなく、図１１に示すガスタービン５１等の他のタービンであってもよい。
【００５９】
図１１に示すガスタービン５１は、圧縮空気を生成するための圧縮機５３と、圧縮空気及び燃料を用いて燃焼ガスを発生させるための燃焼器５４と、燃焼ガスによって回転駆動されるように構成されたタービン５５と、を備える。例えば発電用のガスタービン５１の場合、タービン５５には不図示の発電機が連結され、タービン５５の回転エネルギーによって発電が行われるようになっている。この種のガスタービン５１では、タービン５５の回転エネルギーがロータ５２（図１のロータ２に対応）を介して圧縮機５３の動力源として用いられる。
【００６０】
具体的には、タービン５５は、ロータ５２側に設けられた複数の動翼５６（図１の動翼６に対応）と、ケーシング５７ａ及び該ケーシング５７ａ側に設けられた複数の静翼５７ｂ（図１の静翼７ｂに対応）を含むステータ（静止部）５７と、静翼５７ｂの先端に設けられたシール装置５０と、を備える。このシール装置５０として、上述したシール装置１０を用いることができる。
複数の動翼５６と複数の静翼５７ｂとは、ロータ５２の回転軸Ｏの方向（以下、軸方向と称する）に交互に配列されている。軸方向に沿って流れる燃焼ガスが動翼５６及び静翼５７ｂを通過することによってロータ５２が回転し、ロータ５２に与えられた回転エネルギーが軸端から取り出されて発電等に利用されるようになっている。
【００６１】
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」、「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。
【符号の説明】
【００６２】
１      蒸気タービン
２      ロータ
４      蒸気入口
６      動翼
７      ステータ
７ａ    ケーシング
７ｂ    静翼
８      高圧空間
８ｂ    静翼
９      低圧空間
１０    シール装置
１１    薄板
１１ａ  上面
１１ｂ  下面
１２    先端部
１２ａ  薄板先端面
１２ｂ  高圧空間側の端部
１２ｃ  低圧空間側の端部
１２ｄ，１２ｊ  捩れ部
１２ｆ  屈曲部
１２ｇ  屈曲線
１２ｈ  湾曲部
１２ｉ  湾曲開始線
１２ｅ  変曲点
１３ａ  第１側面
１３ｂ  第２側面
１４    基端部
１６ａ、１６ｂ  切欠き部
２０    第１サイドプレート
２２    第２サイドプレート
２６，２８    リテーナ
４０    保持空間
５１    ガスタービン
５２    ロータ
５３    圧縮機
５４    燃焼器
５５    タービン
５６    動翼
５７    ステータ
５７ａ  ケーシング
５７ｂ  静翼
５８    高圧空間
５８ｂ  静翼
５９    低圧空間
５０    シール装置
【図１】
0006358976.tif 000002
【図２】
0006358976.tif 000003
【図３】
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【図４】
0006358976.tif 000005
【図５】
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【図６】
0006358976.tif 000007
【図７】
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【図８】
0006358976.tif 000009
【図９】
0006358976.tif 000010
【図１０】
0006358976.tif 000011
【図１１】
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