(57)【要約】【課題】ダイアフラムと羽根との間隙の調整を容易にし、またメンテナンス性に優れ、耐食性に優れており、蒸気タービンの長期運用に当たってタービン効率を良好に維持することが可能な蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンを提供する【解決手段】タービンホイールと、このタービンホイールに植設された羽根と、この羽根の先端部に設けられたシールフィンと、ダイアフラム外輪と、ダイアフラム内輪と、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪に挟持されたノズル翼とからなる蒸気タービンにおいて、前記ダイアフラム外輪から延設されたシールリングホルダーの内周面の前記羽根先端部と対向する部分に着脱可能なリングセグメントを設置し、前記シールフィンと前記リングセグメントとで形成される間隙を調整可能に設けたことを特徴とする蒸気タービンシール装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンホイールと、このタービンホイールに植設された羽根と、この羽根の先端部に設けられたシールフィンと、ダイアフラム外輪と、ダイアフラム内輪と、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪に挟持されたノズル翼とからなる蒸気タービンにおいて、前記ダイアフラム外輪から延設されたシールリングホルダーの内周面の前記羽根先端部と対向する部分に着脱可能なリングセグメントを設置し、前記シールフィンと前記リングセグメントとで形成される間隙を調整可能に設けたことを特徴とする蒸気タービンシール装置。
【請求項２】
前記シールリングホルダー上流側内径、前記リングセグメント内径および前記シールリングホルダー下流側内径を順次増大させて、作動流体の流れに従って上流側から下流側にかけて内径を増大するように構成したことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンシール装置。
【請求項３】
作動流体の上流側から下流側に沿って前記リングセグメントの内径が漸次的に増大するように、前記リングセグメント内周面に傾斜を設けたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンシール装置。
【請求項４】
前記リングセグメントを固定手段により前記シールリングホルダーに固定し、前記固定手段を調整することにより、前記動翼先端部のシールフィンとリングセグメントとの間隙が調整可能に設けたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンシール装置。
【請求項５】
前記リングセグメントと前記シールリングホルダーとの接続部分の作動流体上流側にドレン捕獲用の空隙を設けてドレンキャッチ空間部を形成し、このドレンキャッチ空間部を介して流通した水分をダイアフラム外輪の外部の排出するための、前記ドレンキャッチ空間部と前記ダイアフラム外輪の外部とを連通するドレン抜き穴を設けたことを特徴とする請求項１記載の蒸気タービンシール装置。
【請求項６】
前記リングセグメントが耐食性の材料で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項５記載の蒸気タービンシール装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６いずれか１項に記載の蒸気タービンシール装置を備えた蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンの羽根先端部における蒸気の漏洩流れを低減するシール装置およびそれを用いた蒸気タービンに係り、特に蒸気中のドレン（凝縮水分）による侵食を抑え、かつ、間隙の調整・保守が容易な蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気タービンの仕事効率は、羽根（動翼）に流通する、すなわち、実際に羽根（動翼）を回転させる蒸気の量により影響される。逆に言えば、ダイアフラム外輪と羽根との間隙から漏洩する蒸気をいかに減少させるかというシール技術が蒸気タービンの性能を左右する。従って、羽根の回転に直接寄与しない蒸気流を調整するシール技術は、タービンの能力を向上するために重要な技術と位置付けられている。
【０００３】
こうした蒸気タービン効率の向上を目的とした蒸気タービンシール技術としては、ダイアフラムとホイール（タービンシャフト）との間隙にハニカムセルを設けて作動流体の漏洩を防止する技術がある（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−１２３８０３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、地熱タービンに代表されるように蒸気の湿り度が大きい場合、長年のタービン運用により蒸気中のドレン（水分）によるシールリングホルダーの内面の侵食が進行し、シールリングホルダーとホイールとの間隙が大きくなり、性能の低下を引き起こすことが避けられない。
【０００６】
従来構造のタービンにおいては、ダイアフラム内外輪全体を再製作して交換する必要があるため、この間隙を元の値に復旧することは困難である。
【０００７】
また、シールリングホルダーを別構成の部材として固定手段によりダイアフラムに固定する方式も従来の蒸気タービンに使用されているが、別構成とするダイアフラム自体が大きな部材であるため、製作コストが高く、また取り外しおよび取り付けが容易でない。また、シールリングホルダーは回転構造物の外周に位置する部材であるため、回転構造物との芯出しを精度良く行う必要があり、この芯出し作業をタービン据付現場で行うには作業時間がかかり、また精度の面からも容易な作業とは言えなかった。
【０００８】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、ダイアフラムと羽根との間隙の調整を容易にし、またメンテナンス性に優れ、耐食性に優れており、蒸気タービンの長期運用に当たってタービン効率を良好に維持することが可能な蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る蒸気タービンシール装置は、請求項１に記載したように、タービンホイールと、このタービンホイールに植設された羽根と、この羽根の先端部に設けられたシールフィンと、ダイアフラム外輪と、ダイアフラム内輪と、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪に挟持されたノズル翼とからなる蒸気タービンにおいて、前記ダイアフラム外輪から延設されたシールリングホルダーの内周面の前記羽根先端部と対向する部分に着脱可能なリングセグメントを設置し、前記シールフィンと前記リングセグメントとで形成される間隙を調整可能に設けたことを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明に係る蒸気タービンは、請求項７に記載したように、請求項１から請求項６いずれか記載の蒸気タービンシール装置を備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンについて図を参照して以下に説明する。
【００１２】
図１に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第１の実施形態を示す。
【００１３】
蒸気タービンにおける蒸気通路部の最小ユニットである１段落は、ノズル１と羽根（動翼）２とから構成されている。ノズル１はダイアフラム内輪３とダイアフラム外輪４により保持されている。ダイアフラム外輪４からは、シールリングホルダー５が延設されて、ホイール６の外周を包囲するように構成される。
【００１４】
一方、羽根２はホイール６の外周に植え込まれて固定される。また羽根２の先端部には、シールリングホルダー５と羽根２の先端部との間隙からの蒸気漏洩を防止するためにシールフィン７が設けられる。
【００１５】
更に、シールリングホルダー５には、羽根２の先端部のシールフィン７に対向する面に、シールリングホルダー５と別構造物のリングセグメント１１が一体的に設置される。このリングセグメント１１は、シールリングホルダー５の内周面に設けられたあり溝等の固定構造によりシールリングホルダー５に固定される。なお、リングセグメント１１は通常シールリングホルダー５の内周の円周方向に４〜８分割されたパーツから構成され、これらのリングセグメント１１がシールリングホルダー５の円周方向に沿って、それぞれシールリングホルダー５とリングセグメント１１との間に設置される図示しない板ばね等によってシールフィン７の方向に付勢されつつ一体的に固定される。
【００１６】
上流から流通した蒸気（矢印１４）は、ノズル１を流通することにより膨張および加速され、羽根２を回転させて動力を発生する。一方、蒸気が凝縮した水分は遠心力によりホイール６の外周側に飛散し、矢印１５に示すように漏洩蒸気流として、シールリングホルダー５とリングセグメント１１との間隙を流れようとする。この凝縮した水分が集まり水流となり、壁面を流れる水脈により侵食が進行し、その結果として羽根２とシールリングホルダー５との間隙が拡大する。
【００１７】
そこで、第１の実施形態の蒸気タービンシール装置は、シールリングホルダー５の内周面に別体構造のリングセグメント１１を設置することにより、侵食より間隙が広くなった場合、侵食されたリングセグメント１１を新品と交換することにより、簡単に間隙を元のクリアランスに戻すことができ、蒸気タービンの性能を回復することが可能である。
【００１８】
リングセグメント１１は、蒸気タービン本体に比較して小さい部材であるため、交換に要する費用は最小ですむ。また、シールリングホルダー５自体を交換する方式とした従来の蒸気タービンに比較して、部材コストが安く済む上、芯出しも容易であるので、作業時間の効率化が実現する。
【００１９】
図２に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第２の実施形態を示す。
【００２０】
タービン実機の組立においては、タービンロータの組み込み時に、羽根２のシールフィン７とリングセグメント１１との間隙を適正値に調整する為に、リングセグメント１１の内径を調整加工する。この調整加工の際に、シールリングホルダー５の内面とリングセグメント１１の内面に、蒸気流れ方向に段差がつくことがある。このような段差があると、凝縮水分の下流側への流通が疎外され、この間隙に水分が滞留することによってシールフィン７の侵食や腐食を加速することとなる。
【００２１】
そこで第２の実施形態の蒸気タービンシール装置においては、シールリングホルダー５上流側内径φＡと、リングセグメント１１内径φＢと、シールリングホルダー５下流側内径φＣを、この順に大きくする構成とする。
【００２２】
すなわち第２の実施形態の蒸気タービンシール装置は、各構成要素の内径を水分の流れ方向の下流に行くに従って大きくするように構成した。すなわち、シールリングホルダー５上流側内径φＡ，リングセグメント１１内径φＢ，シールリングホルダー５下流側内径φＣが、φＡ＜φＢ＜φＣの関係となるように設定したため、段差による水分の流通が疎外されることがなく、水分をスムーズに排出することが可能である。従って、羽根２の先端部での水分の滞留が効果的に防止されるため、シールフィン７およびシールリングホルダー５内面、リングセグメント１１の内面の侵食を防止することが可能である。
【００２３】
図３に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第３の実施形態を示す。
【００２４】
蒸気タービンの運転中には、ノズル１と羽根（動翼）２で構成される通路部を流通する高温高圧の蒸気により蒸気タービンの構成部材が暖められて高温となる。しかしながら、通路部は回転部（ホイール側）と静止部（ノズル側）との材質の差による熱膨張係数や熱伝導率の違いにより、蒸気タービンの静止時と運転時とではノズル１と羽根２の相対的な位置はタービン軸方向に変化する。
【００２５】
そこで第３の実施形態の蒸気タービンシール装置においては、リングセグメント１１の内面及び、シールフィン７の先端に、タービン軸方向に沿って傾斜Ｓを設けたスラント構造としている。なお、一般に熱膨張によるホイール側の相対移動方向は矢印１６に示す方向である。
【００２６】
この第３の実施形態の蒸気タービンシール装置によれば、タービンの運転時には、図３に示すように、リングセグメント１１及び、羽根先端のシールフィン７の先端が軸方向に同一方向の傾斜Ｓを設ける構成としたので、ホイール側が矢印１６の方向、すなわちノズル１に近づく方向に相対的に移動したときに、運転中の羽根とセグメントとの間隙を小さく制御することが可能である。従って、タービンの運転中に、熱膨張による寸法の変化に追従して最小の間隙を保持するので、タービン効率を向上することが可能である。
【００２７】
図４に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第４の実施形態を示す。
【００２８】
この第４の実施形態の蒸気タービンシール装置において、リングセグメント１１は、シールリングホルダー５に固定手段であるボルト１７により一体的に固定される。このボルト１７とシールリングホルダー５との間には調整シム１８が装着される。
【００２９】
この第４の実施形態の蒸気タービンシール装置によれば、調整シム１８の枚数（厚さ）の調整により、リングセグメント１１の内径の微妙な調整が可能となる。従って、シールフィン７とリングセグメント１１との間隙の調整が極めて容易となる。
【００３０】
この第４の実施形態の蒸気タービンシール装置のように、リングセグメント１１の内径の調整が容易な構成とすることにより、タービンの運転中に侵食により間隙が増大した際にも、リングセグメント１１及び他の構成部材を交換することなく、最適な間隙に容易に復旧することが可能であるため、メンテナンスコストが大幅に低減される。なお、第１の実施形態に示すようなあり溝と板ばねの組み合わせにボルト１７のような固定手段を設けて、調整シム１８を配して間隙の調整を行うように構成してもよい。
【００３１】
図５に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第５の実施形態を示す。
【００３２】
第５の実施形態の蒸気タービンシール装置は、第４の実施形態と同様にシールリングホルダー５にリングセグメント１１を配置する。また、羽根の先端にはシールフィン７が設置される。
【００３３】
この第５の実施形態の蒸気タービンシール装置においては、リングセグメント１１とシールリングホルダー５との接続部分に隙間を設け、水分をトラップするドレンキャッチ空間部１９を設置する。さらにシールリングホルダー５には、シールリングホルダー５内面側とダイアフラム外輪４の外部とを連通する貫通孔であるドレン抜き穴２１が設けられている。また、ドレンキャッチ空間部１９は、水分を捕捉する目的上、蒸気流の上流側、すなわちシールフィン７の最前列シールフィン７ａの先端側（ノズル１側）に設けられたことを特徴とする。
【００３４】
このような構成とした蒸気タービンシール装置によれば、凝縮水分は最前列シールフィン７ａにあたり、遠心力でホイール６外周方向に飛散し、予め設けられたドレンキャッチ空間部１９で捕捉される。更に捕捉された水分は、外部と連通する貫通孔であるドレン抜き穴２１を通って外部に排出される。従って、水分がシールフィン７とリングセグメント１１とで構成される間隙に滞留することがなく、シールフィン７及びリングセグメント１１の侵食が防止されるので、間隙の増大が最小限に抑えられ、タービン性能を長期間良好に維持することが可能である。
【００３５】
また、第１の実施形態から第５の実施形態の蒸気タービンシール装置においては、リングセグメント１１の内面に耐食性を有する材料を配する構成とすることが好ましい。この耐食性材料により、タービン運転時の水分により誘起される侵食を効果的に防止することが可能である。
【００３６】
なお、これら第１の実施形態から第５の実施形態の蒸気タービンシール装置を設置した蒸気タービンは、作動効率が向上し、また耐食性に優れるため長期運用にも安定した性能を良好に維持する。従って、高効率で高信頼性の蒸気タービンを提供することが可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンによれば、シールリングホルダー内面に、別体のリングセグメントを設け、壁面を水分がスムーズに通る構造としたため、シールリングホルダーの侵食が防止され、高効率で信頼性の高い蒸気タービンを提供することが可能である。また、リングセグメントが侵食した場合にも別体構造のリングセグメントを交換することにより、簡易および確実に復旧作業が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第１の実施形態を示す構造図。
【図２】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第２の実施形態を示す構造図。
【図３】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第３の実施形態を示す構造図。
【図４】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第４の実施形態を示す構造図。
【図５】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第５の実施形態を示す構造図。
【符号の説明】
１  ノズル
２  羽根
３  ダイアフラム内輪
４  ダイアフラム外輪
５  シールリングホルダー
６  ホイール
７  シールフィン
７ａ  最前列フィン
１１  リングセグメント
１４  蒸気流（ノズル流通時）を示す矢印
１５  漏洩蒸気流（水分）を示す矢印
１６  ホイールの移動方向を示す矢印
１７  ボルト
１８  調整シム
１９  ドレンキャッチ空間部
２１  ドレン抜き穴
【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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