(57)【要約】【課題】ボルトの締め付け力が期待できない嵌合部や水平継手面等のシール性を確保し、性能向上を図ることが可能な継手部シール構造及びそれを用いた回転機械を提供する。【解決手段】端部を有するシール溝６を水平継手面４ａに備え、シール溝６にシール部材７を填め込んで水平継手面４ａをシールする継手部シール構造において、シール部材７の端面が、シール溝６の端面に沿って当接するようにした構成とする。【選択図】      図５
2005009577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部を有するシール溝を継手面に備え、該シール溝にシール部材を填め込んで該継手面をシールする継手部シール構造において、
前記シール部材の端面が、前記シール溝の端面に沿って当接するようにしたことを特徴とする継手部シール構造。
【請求項２】
前記シール溝の端面及び前記シール部材の端面を平面とし、該平面同士が当接するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の継手部シール構造。
【請求項３】
前記継手面を形成する部材よりも線膨張係数の大きい前記シール部材を有し、該シール部材と前記シール溝との熱伸び差により該シール部材の端面を該シール溝の端面に押圧して密着させるようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の継手部シール構造。
【請求項４】
前記シール溝の端部が該溝の長手方向に対して直角方向に広げられた構造であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の継手部シール構造。
【請求項５】
前記シール部材の端面と前記シール溝の端面との間に、溝端リーク防止部材を設置したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の継手部シール構造。
【請求項６】
作動媒体導入部が水平継手面を貫通する回転機械であって、
前記水平継手面に請求項１〜請求項５のいずれかに記載の継手部シール構造を用いたことを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、継手部シール構造に関するものであり、シール性を改善する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、このような継手部として、回転機械の一種である例えば蒸気タービンの上下車室のケーシングを接合する水平継手面のシールについて多くは、ボルトの締め付け力に頼っている。そして、ボルトのない箇所でのシールの完全さは無かったのが現状である。
【０００３】
ところで、軸線方向に複数の翼列を配置した軸流タービンにあっては、まずその初段翼に作動流体（作動媒体）を吹き付ける必要がある。作動流体を誘導する仕組みとしては、「スクロール」（或いはノズル室若しくはダミーリング）と称される円環形の誘導路（作動媒体導入部）を用いる場合がある。スクロールの構造例は特許文献１や特許文献２に見ることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−６６０１６号公報
【特許文献２】
特開平６−５８１０３号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなスクロールを上下車室の両ケーシングに渡って設ける場合は、水平継手面のシール性が特に問題となる。つまり、水平継手面の平面度を確保し、ボルトの締め付けを十分に行うとしても、内側（ハブ側）にはボルトを配置できないので、その部分には締め付け力が届きにくい。そして、水平継手面が万一にも変形したりすると、そこに口開きが生じ、スクロール内の蒸気等の作動流体が、差圧により例えば車室内部にリークしてしまう恐れがある。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑み、ボルトの締め付け力が期待できない嵌合部や水平継手面等のシール性を確保し、性能向上を図ることが可能な継手部シール構造及びそれを用いた回転機械を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、端部を有するシール溝を継手面に備え、そのシール溝にシール部材を填め込んでその継手面をシールする継手部シール構造において、前記シール部材の端面が、前記シール溝の端面に沿って当接するようにしたことを特徴とする。
【０００７】
また、前記シール溝の端面及び前記シール部材の端面を平面とし、その平面同士が当接するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
さらに、前記継手面を形成する部材よりも線膨張係数の大きい前記シール部材を有し、そのシール部材と前記シール溝との熱伸び差によりそのシール部材の端面をそのシール溝の端面に押圧して密着させるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
また、前記シール溝の端部が該溝の長手方向に対して直角方向に広げられた構造であることを特徴とする。或いは、前記シール部材の端面と前記シール溝の端面との間に、溝端リーク防止部材を設置したことを特徴とする。
【００１０】
また、作動媒体導入部が水平継手面を貫通する回転機械であって、前記水平継手面に前記いずれかの継手部シール構造を用いた回転機械とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の継手部シール構造が適用可能なスクロールの正面図であり、図２は、このスクロールを軸流タービンの初段翼に組み合わせた状況を示す概略部分断面図である。図２には、軸流タービン１の構成要素のうち、初段翼である初段静翼２と、それに続く初段動翼３が図示されている。初段静翼２の前面には、スクロール１０が配置されている。本例では、初段静翼２がスクロール１０の出口部１２の内部に形成されている。
【００１２】
スクロール１０は、次のような形状を有する。まず、正面形状は円環形である。この円環形状の１箇所に、蒸気通路貫通部である入口部１１が設けられている。入口部１１は、スクロール１０に対し、接線をなすように配置されており、このため、作動流体はスクロール１０に接線方向から流入し、スクロール１０の中で旋回する。
【００１３】
スクロール１０の断面は、図２に見られるように円形とし、スクロール１０内の二次流れを抑制する。軸流タービン１の軸線方向において、スクロール１０の断面中心と整列する位置に、出口部１２が設けられている。またスクロール１０の断面中心と、初段静翼２及び初段動翼３の高さ方向の中心とは、軸流タービン１のラジアル方向に関し同一レベルにあり、出口部１２，初段静翼２，及び初段動翼３は一直線に並ぶ。出口部１２は、正面形状が円弧状であり、初段静翼２の全周にわたり、作動流体を供給するようになっている。
【００１４】
なお、スクロール１０の断面形状や、入口部１１の配置，出口部１２の構成等は、本例のものに限定されるものでは勿論なく、様々な例が考えられる。
【００１５】
軸流タービン１の動作は次のとおりである。入口部１１に作動流体が送り込まれると、作動流体はスクロール１０の内部を図１において反時計回りに旋回する。作動流体は旋回しつつ出口部１２から噴出する。作動流体は流れを所定速度，所定圧力，及び所定方向に整えられ、初段動翼３の各翼片に吹き付けられる。
【００１６】
さて、図２で示した断面が水平継手面であるとすると、図３に示すように、スクロール１０が内包されるケーシング４の水平継手面４ａは、外側（チップ側）でボルト５により締め付けられることとなる。ところがこれだけでは、上述したように、ボルトの締め付け力が内側（ハブ側）に届きにくいので、ここでのシール性が問題となる。
【００１７】
そこで、同図に更に示すように、水平継手面４ａには、スクロール１０を取り囲むようにして、シール材用のシール溝６が設けられている。このシール溝６に後述するシール材（弾力性を有する）を填め込み、水平継手面４ａをこれに相対する継手面と共にボルト５で締め付けることにより、シール材を挟み込んでシール性を確保するものである。
【００１８】
但し、スクロール１０には出口部１２が設けられているため、シール溝６はスクロール１０断面の全周に渡って取り囲むことはできず、シール溝６の全体はこの出口部１２付近が開いたＣ形状（部分円弧状）となっている。勿論、この形状に限定されるものではなく、例えば矩形に近い形状としても良いし、その他、先端を出口部１２に沿って延ばした形状とすると、シール性は更に良くなる。ただ、シール溝やシール材の加工性を考えると、同図のようなＣ形状（部分円弧状）とするのが一般的である。何れにせよ、端部のある形状が特徴となっている。
【００１９】
図４は、シール溝にシール材を填め込んでシールする様子を示す図であり、水平継手面に設けられたシール溝６の一端付近を拡大して示している。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は縦断面図、同図（ｃ）は横断面図となっている。シール溝６には、全体がこれと同様のＣ形状となっているシール材７が、同図に示すように填め込まれている。なお、シール溝６の他端も同様の構成となっている。
【００２０】
そして、同図（ｂ），（ｃ）に示すように、車室下側のケーシング４と、これに相対する車室上側のケーシング８との間に、シール材７を挟み込み、シールする構成である。また、ここでは同図（ｃ）のように、断面がＥ型のシール材７を使用した様子を示しているが、これに限らず断面がＣ型やＯ型のシール材を用いても良い。
【００２１】
ここでシール溝６は、水平継手面４ａをエンドミルで切削加工することにより設けられるため、同図（ａ）に示すように、端面はエンドミル側面の形状に則した曲面Ｒとなる。さらには、同図（ｂ）に示すように、シール溝６の端面下部にエンドミル先端角部の形状に則した曲面ｒが形成される。このため、シール材７の端面がシール溝６の端面に完全に当接することはなく、端面同士に隙間が生じる。
【００２２】
このような隙間が生じると、同図（ａ），（ｃ）に矢印Ａで示すように、作動流体がシール材７の端部に回り込み、隙間を通ってリークするといった、いわゆる回り込みリークが発生する恐れがある。そこで、このような回り込みリークを防止するため、シール溝６端面の平面部を確保し、シール材７の端面を平面に加工して、これら平面同士を完全に当接させる必要がある。若しくは、以下の例では説明しないが、シール溝６端面を曲面のままで平面とせず、シール材７の端面をシール溝６の端面に沿うような形状に加工し、当接させるようにしても良い。
【００２３】
図５は、シール溝端面の平面部を確保して回り込みリークを防止した様子を示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ），（ｃ）は縦断面図となっている。ここではまず、同図（ａ）に示すように、エンドミルでシール溝６を加工する際に、端部において加工範囲をシール溝の長手方向に対して左右（直角方向）に広げ、曲面Ｒの位置をシール材７の配置部分から外れるようにして、同時に端面の平面部ｆをシール溝の全幅に渡って確保している。また、同図（ｂ）に示すように、シール溝６の端面下部に形成された曲面ｒに沿うように、現合にてシール材７端面下部を削除している。
【００２４】
或いは、シール溝６の端部のみ小径エンドミルで加工することにより、上記曲面Ｒを小さくすることができるとともに、同図（ｃ）に示すように、シール溝６の端面下部に形成されていた曲面ｒが削除され、端面の平面部ｆをシール溝の下端まで確保することができる。こうすれば、曲面ｒに沿うようにシール材７端面下部を削除する必要がなくなる。以上のような方法により、シール材７の端面がシール溝６の端面に完全に当接可能となるようにしている。
【００２５】
さらに、ケーシング４（及びケーシング８）とシール材７との線膨張係数の違いを利用し、熱伸び差によりシール材７の端面をシール溝６の端面に押圧，密着させるようにしている。具体的には、例えば耐熱合金より成るケーシングと、耐熱性，弾力性を有する金属より成るシール材との、それぞれの線膨張係数から、約５００℃での熱伸びを計算して比較すると、熱伸び差は約１ｍｍになる。
【００２６】
このように、材料（線膨張係数），温度，及び長さを適宜選択することにより、所望の熱伸び差とすることができる。これにより、端面を効果的に密着させる力が得られ、端面のシール性を高めることができるので、上述したような回り込みリークを確実に防止することが可能となる。また、常温においてシール材端面とシール溝端面とのクリアランスを現合により０としておけば、熱伸びによる密着性が更に高くなる。また、更には常温時クリアランスを設け、緩やかな接触とすることも可能である。その他、シール材の端部を長手方向に弾力性のある構造としておけば、熱伸びを利用せずとも端部のシール性を確保することができる。
【００２７】
なお、本発明の継手部シール構造は、これまで述べてきたようなスクロール付近での使用に限定されるものでは勿論ない。例えば図６に示すように、車室のケーシング９の水平継手面９ａ上で内側（ハブ側）に、軸方向に渡ってシール溝２１を設け、これにシール材２２を填め込んだ構成とすることもできる。このとき、シール範囲を十分にカバーし、また効果的な熱伸びが得られるように、シール材２２の長さを適宜設定しておくことにより、矢印Ｂで示したような、各ボルト２０間での車室内からの流体のリークを防ぐことができる。シール溝２１及びシール材２２の各端部の構成は、上記シール溝６及びシール材７の場合と同様である。
【００２８】
また、図７に示すように、ケーシング９内壁に突設する嵌合部９ｂに、翼環（又は翼列）２３が嵌合する場合、その嵌合面２３ａにシール溝２４を設け、これにシール材２５を填め込んだ構成とすることもできる。これにより、矢印Ｃで示したような、嵌合部におけるガスのリークを防ぐことができる。シール溝２４及びシール材２５の各端部の構成は、上記シール溝６及びシール材７の場合と同様である。その他、本発明の継手部シール構造は、タービン内部のあらゆるリーク箇所、及びタービン外部の様々なシール箇所に適用可能であり、性能向上に大きく寄与することができる。
【００２９】
図８，図９は、通常の溝に溝端リーク防止部材を設けた様子を模式的に示す図である。本例では、通常の溝であっても、シール部材の端面とシール溝の端面とが密着し、リークしないことを可能とするために、シール材７とシール溝６端面との間の溝部に溝端リーク防止部材３１を設置している。図８は、シール溝６に溝端リーク防止部材３１を自由に置いた場合であり、図９は、シール溝６の端部側に溝端リーク防止部材３１を押し付けた場合である。図９においては、シール溝６に溝端リーク防止部材３１を溶接することも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ボルトの締め付け力が期待できない嵌合部や水平継手面等のシール性を確保し、性能向上を図ることが可能な継手部シール構造及びそれを用いた回転機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の継手部シール構造が適用可能なスクロールの模式的な正面図。
【図２】スクロールをタービンの初段翼に組み合わせた状況を模式的に示す断面図。
【図３】スクロールの水平継手面を模式的に示す図。
【図４】シール溝にシール材を填め込んでシールする様子を模式的に示す図。
【図５】シール溝端面の平面部を確保して回り込みリークを防止した様子を模式的に示す図。
【図６】水平継手面上でハブ側を軸方向に渡ってシールする様子を模式的に示す図。
【図７】ケーシングに嵌合する翼環の嵌合面をシールする様子を模式的に示す図。
【図８】通常の溝に溝端リーク防止部材を設けた様子を模式的に示す図。
【図９】通常の溝に溝端リーク防止部材を設けた様子を模式的に示す図。
【符号の説明】
１    軸流タービン
２    初段静翼
３    初段動翼
４，８，９    ケーシング
５，２０    ボルト
６，２１，２４    シール溝
７，２２，２５    シール材
１０    スクロール
１１    入口部（蒸気通路貫通部）
１２    出口部
２３    翼環（又は翼列）
３１    溝端リーク防止部材
【図１】
2005009577.tif 000003
【図２】
2005009577.tif 000004
【図３】
2005009577.tif 000005
【図４】
2005009577.tif 000006
【図５】
2005009577.tif 000007
【図６】
2005009577.tif 000008
【図７】
2005009577.tif 000009
【図８】
2005009577.tif 000010
【図９】
2005009577.tif 000011