(57)【要約】 【課題】  タービン静翼・動翼間根元部のシール構造に関し、漏洩量を大幅かつ確実に低減すると共に、ロータディスク側の製作加工費を低減し、さらに設定およびメンテナンス作業を容易にするシール構造を提供する。【解決手段】  静翼根元部の内輪５にブラシシール９を固定部品７と共に設置し、動翼１のロータディスク６に形成されたロータディスク突起部８との間でシール構造を形成する。ブラシシール９の先端とロータディスク突起部８との間隙は、定常運転時は、零あるいはほぼ零に近い値に設定し、起動時にはブラシシール９の先端とロータディスク突起部８との間隙が広くなるようにロータディスク突起部８とテーパ状に形成する。ケーシング等の静翼側構造物は熱延びに伴い軸方向に沿い１０に示す方向へ、ロータ等の動翼側構造物は逆に１１に示す方向に変位し、間隙が調整される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータ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、前記静翼を内周及び外周端で拘束し前記ケーシングに保持される環状の内輪及び外輪と、該内輪の静翼出口側根元部に設置され、動翼根元部との間でシール構造を形成するブラシシールを有し、該ブラシシールはタービンロータの半径方向に向けて設置され、前記動翼を固定するロータディスクの動翼根元部に、前記ブラシシールの端部とシール構造を形成する面を持ち、その面のロータ軸中心からの径寸法が、軸方向の位置に応じて変化する形状の突起を設けたタービン。
【請求項２】
タービンロータ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、前記静翼を内周及び外周端で拘束し前記ケーシングに保持される環状の内輪及び外輪と、該内輪の静翼出口側根元部に設置され、動翼根元部との間でシール構造を形成するブラシシールを有し、該ブラシシールが前記タービンロータの軸方向に向けて設置され、前記動翼を固定するロータディスクの動翼根元部上流側の表面とシール構造を形成するタービン。
【請求項３】
請求項２において、前記ブラシシールの先端部とシール構造を形成する箇所に、前記ディスクロータの接触面に一定の深さの溝を設定しているタービン。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記ブラシシールを固定する部品が、前記静翼又は動翼根元部に対してボルト締め等の取り外し可能な固定方法にて固定されていることを特徴とするタービン。
【請求項５】
タービンロータ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、前記静翼を内周及び外周端で拘束する目的で前記ケーシングに保持される環状の内輪及び外輪を有する静翼根元部及び動翼根元部のシール構造であって、
前記シール構造はブラシシールより形成され定常運転時にはその間隙が略零となり起動時にはその間隙が大きくなるように構成した静翼根元部，動翼根元部のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン，ガスタービン等の静翼及び動翼根元部のシール構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
静止体と回転体と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。さらに、タービン効率が向上すれば、エネルギー資源の節約、ＣＯ2 などの環境破壊因子の削減につながる。
【０００３】
特に、タービンの静翼下流側と動翼上流側との間には、根元部に間隙が存在する。蒸気タービンの例を挙げると、タービンの静翼を蒸気が通過する際、静翼内周端部を拘束する内輪とロータとの間隙を通過する漏洩蒸気が発生し、この漏洩蒸気が静翼下流側と動翼上流側との間に存在する根元部の間隙を通過して静翼を通過した蒸気に合流する。この合流により、静翼出口から動翼入口へ流れる蒸気は、翼根元付近において流れの乱れが引き起こされ、それによりタービンの内部効率低下が引き起こされる。このため、タービン内部効率を向上する上で、この静翼・動翼間根元部の間隙における高性能なシール技術の確立が必要となっている。
【０００４】
現在まで多くのタービンで使われている静翼・動翼間根元部のシール装置は、静翼下流側根元部に内輪と一体構造となるフィンを半径方向に向けて設けており、さらにタービンロータの動翼上流側根元部には、内輪に設置されたフィンの先端とシール構造を形成することを目的とした突起部を設置し、その突起部のシール面とフィン先端部との間隙が最小限となる様に設定されている。
【０００５】
このフィンがタービン設備の静翼・動翼間根元部に使用される場合、運転時の内輪及びロータの熱的及び力学的変形により、内輪側のフィン端部とロータ側の突起部が接触することによってフィンが破損する恐れがあると共に、破損した状態で運転を継続すると、静翼・動翼間根元部の間隙寸法が大幅に増大することによりシール性能が低下し、内部効率の低下が引き起こされる。これを防ぐため、フィン先端部と突起部との間は変形による間隙寸法の減少分を考慮した間隙を確保する必要がある。このことから、従来のフィン構造の場合、静翼・動翼間根元部における漏洩に伴うタービンの内部効率低下は不可避である。
【０００６】
この問題を解決するための手段として、ロータと動翼を固定するロータディスク部に適当な断面積の孔を設け、内輪とロータとの間隙を通過する漏洩蒸気を静翼・動翼間根元部の間隙を通過させない様にする方法がある。この方法により、静翼及び動翼を通過する主流からロータディスク部方向への逆方向リークを発生させ、根元部蒸気流れの乱れを抑えることにより内部効率低下を防ぐことができる。
【０００７】
しかし一方、この方法では、静翼出口部において蒸気の一部が根元部間隙からロータディスク部の孔を通過して動翼出口部へと流れることになり、動翼翼間部分を通過しない為、動翼入口に流入する蒸気量の減少に伴い仕事量が減少する事により、性能低下が発生する。この方法においても、根元部フィンが破損を起こした場合には重大事故になるだけではなく、破損を起こしたまま運転を続けた場合、根元部間隙寸法が増大することから流出蒸気量がさらに増大し、さらなる効率低下が起こる。
【０００８】
さらに、以上に示した従来のフィンによるシール構造の場合、フィンは内輪と一体構造となっており、フィンの交換及び補修の為には内輪全体を取り外す作業が必要となる。特に通常静翼は内輪と溶接にて固定されており、内輪全体の交換の際には静翼と内輪との切断作業が発生する為、これらの作業には多大な労力が必要である。
【０００９】
一方、蒸気タービンのタービンバケットホイールまたはタービンバケットダブテイルのうちの１つに軸方向に延びる突出部を設け、ブラシシールを、この突出部に対向させたシール構造が特許文献１に記載されている。この特許文献１では蒸気タービンロータの熱湾曲をなくすことを目的としている。
【００１０】
【特許文献１】特表２００２−５３５５６３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、特許文献１では、突出部とブラシシールとの間隙が一定であるため、定常運転時を想定して間隙が設定されていると、起動時において間隙が小さくなり、シール構造物の摩耗が大きくなる可能性がある。
【００１２】
本発明は、静翼・動翼間根元部のシール構造に関し、漏洩量を低減すると共に、シール構造物の摩耗を低減することが可能なシール構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、回転体であるロータと静止体である静翼を固定する内輪との間隙からの漏洩を封止するシール構造として、静翼下流側根元部から動翼上流側根元部に向けて、可とう性のある金属の素線を材料とした剛毛より成るブラシシールを突き出させる構造とし、間隙を起動時と定常運転時で異なるよう構成したものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、蒸気タービン設備の静翼・動翼間根元部シール装置の一実施例を図面を参照して説明する。
【００１５】
本発明のシール構造を備えた一実施例を図１及び図２に示す。本実施例のシール構造は、蒸気タービン静翼根元部の内輪に設置されるシール構造である。図１中、１は動翼（ブレード）、２は蒸気流入方向、３は動翼１に蒸気を誘導する静翼（ノズル）、４は静翼３の外周端部をケーシング（図示省略）に固定する環状の外輪、５は静翼３の内周端部を拘束する環状の内輪、６は動翼をロータ（図示省略）に固定するためのディスク、７は静翼・動翼間根元部のシール構造を支持する固定部品で環状の内輪５に固定される。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３は、動翼１に対して蒸気流入方向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３との組合せを「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においては、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３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、回転エネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う。
【００１６】
内輪５には固定部品７がボルト締め等の取り外し可能な固定方法によって固定されており、さらにその固定部品７からはロータディスク部から軸方向に向けて設けられた突起部８に向けてシール部材が下りている。シール部材としてはブラシシール９がただ一つ配置されている。
【００１７】
蒸気タービンの場合、運転時においては、動翼が固定されたロータ及び静翼が固定されたケーシングに対し、蒸気の流入及び回転による温度上昇に伴う熱延び現象が発生する。この為、停止時から起動時を経て定常運転まで達する時間において、動翼側構造物及び静翼側構造物の相対的な位置関係は変化する。特に蒸気タービンは、軸方向の寸法が他方向の寸法と比較して大きいことから、軸方向の熱延びによる変位量が最も大きい。この為、ブラシシール９の先端とロータディスク突起部８との間でシール構造を形成する、突起部８表面の軸方向位置は、停止時から起動時及び定常運転時で変化する。これらの変化量は、ケーシングおよびロータに用いられる材料の特性、タービン定常運転時の温度及び軸方向寸法から計算により求める事が可能である。
【００１８】
一方、ロータの停止時には、定常運転時と異なり、ロータの自重によるたわみの影響で、シール構造の一部にロータと接触する箇所が発生する。そのため、起動時などにロータが回転する際、通常運転時には十分な間隙が確保出来る箇所でもロータとフィン・ブラシシールなどのシール構造物が接触しながら回転する結果となり（ラビング現象）、この状態で回転する時間が長ければ長いほど、シール構造物の摩耗による経年劣化の度合いは大きくなる。
【００１９】
本実施例では、この起動時の接触を原因とする摩耗を低減するようにされている。本実施例では、ブラシシール９の先端とロータディスク突起部８との間隙を、起動時の位置関係においては広く、定常運転時の位置関係においては零あるいはほぼ零に近づく様、ロータディスク突起部８のシール構造形成面に傾斜を設けてあり、シール構造形成面のロータ中心軸からの径寸法を位置によって変化させたものである。本実施例は、ケーシング等の静翼側構造物は熱延びに伴い軸方向に沿い符号１０に示す方向へ、ロータ等の動翼側構造物は逆に符号１１に示す方向へ変位する様、それぞれの構造物の固定点が設定されている例である。図１が停止時、図２が定常運転時の状態を示す。
【００２０】
図１におけるシール構造部の拡大図を図３に示す。停止時は図３に示す如くブラシシール９の先端はロータディスク突起部８と、起動時の状態でも接触が発生しないだけの間隔ａ（これはロータの形状・材質及びスパン長等から軸たわみを求めることにより計算可能である）を保った状態で設定されており、起動後定格運転状態に至った際に動翼側及び静翼側構造物の軸方向への熱伸びによる変位の影響で、図のｂの距離だけ位置関係が軸方向へ移動する。このｂは先に示す通り材質及び寸法等から予測可能であり、停止時のブラシシール９とロータディスク突起部８との間隙寸法ａを、ラビング現象が発生しない様に決定する事により、tanθ＝ａ／ｂ の式から、ロータディスク突起部の傾斜角θを決定する事ができる。
【００２１】
本実施例では、起動時においてはタービン段落を流れる蒸気量は定常運転時と比較して少なく、漏洩による損失量は定常運転時よりも少なくなる為、本シール構造部における間隙が広くなっていても損失は少ない。段落を流れる蒸気量が増大するに伴い、本シール構造部の間隙が徐々に狭くなり、定常運転時では零あるいはほぼ零に近くなり、シール性能は、常時間隙寸法が零に近い場合と比較しても大きな低下は無く、さらに先に述べた起動時の摩耗を回避出来る事により、ブラシシール９とロータディスク突起部８との接触時間が短くする事が可能であり、ブラシシール９先端部の長寿命化が実現でき、これに伴いタービンのメンテナンス性が向上する。
【００２２】
また本実施例によれば、ロータ及びケーシング等の熱及び力学的変形により、ブラシシール９と突起部８との間隙が減少することにより両者が強い力で接触したとしても、ブラシシール９にバネ作用があるため、これらが破損することはなく、常時良好なシール性能を確保できると同時に、両者の間隙管理も容易となる。
【００２３】
固定部品７は取り外し可能な構造となっており、ブラシシール９の摩耗等により、交換が必要となった場合においても、固定部品７のみ交換すれば良く、内輪５を取り外す必要は無い。
【００２４】
さらに、本実施例において、ブラシシール９の先端と動翼根元部の突起部８間の間隙がほぼ零である為、通常のフィンによるシール構造と比較してこの間隙を通過する漏洩蒸気量をほぼ零とする事が可能であることから、従来静翼・動翼間に吹出す漏洩蒸気を抑える目的でロータのディスクに加工していた孔を設ける必要が無い。このことは、ロータディスクの加工費用を削減するだけでなく、孔を設定する事に伴うディスクの強度低下を防止することになり、ディスク側の強度設計に対しても良い影響を及ぼすこととなる。
【００２５】
本発明の他の実施例を図４及び図５を用いて説明する。本実施例では、静翼出口側の内輪部に固定されたブラシシール９及び固定部品７が、ブラシシールが軸方向と平行な向きとなる様固定されており、ブラシシール９の先端はロータディスク６の動翼根元部上流側の面とシール構造を形成している。
【００２６】
本実施例では、上述の実施例と同様に、タービン設備が停止時から起動を開始し、定常運転に至るまでに発生する熱延びにより引き起こされるケーシング及びロータの軸方向の相対位置変化を考慮し、停止時にはシール構造部の間隙は大きく、定常運転の状態に近づくにつれて間隙が少なくなり、定常運転時には間隙が零あるいはほぼ零に近づく様に、ブラシシール９の位置が設定されている。図４が停止時の、図５が定常運転時の状態である。この場合、熱延びによる軸方向の変位が、ケーシング側は１０に示す方向に、ロータ側は１１に示す方向になる様に各々の構造物の基礎に対する固定点が設定されている。拡大図を図６に示す。
【００２７】
この実施例では、上述の実施例のように、ブラシシール９の先端部のロータディスク６との接触時間低減によるブラシシール９の長寿命化が実現するだけでなく、シール構造の形成面を持つ突起部８の設置が不要となる。これにより、ディスクロータの加工費を削減する事が可能となる。
【００２８】
しかしこの実施例においては、上述の実施例と異なり、停止時のシール構造部間隙寸法ｃが熱伸びによる変位寸法ｂと常時等しくなり、ｂの寸法が大きいタービンの場合、停止時の間隙寸法が大き過ぎる事により起動時のタービン内の蒸気の乱れが引き起こされ、起動時間等への影響が発生する可能性もある。その場合、図７に示す例の如く、ディスクロータのブラシシール先端接触部近辺に一定の深さのディスクロータ部溝１２を設ける事により、停止時のシール構造部間隙寸法ｃを、漏洩蒸気量が許容範囲内になる様計算された適度な値に確保出来る。ディスクロータ部溝１２の設定位置及び幅については、起動・停止時の半径方向への微小な変位量をカバー可能な様に、例えば半径方向に設定した場合の起動・停止時間隙ａと同程度の間隙を半径方向に確保可能な寸法に設定すれば良い。
【００２９】
上述の実施例により、静翼・動翼間根元部の漏洩蒸気量をほぼ零に近づける事が可能であり、このことから、ロータディスクの加工費削減が可能であると共に、シール構造部を取り外し可能な構造にする事によるメンテナンス性の向上が実現できる。
【００３０】
以上説明した全ての本発明による実施例は、蒸気タービンの静翼及び動翼を対象としているが、ガスタービンのような軸流タービンに本発明を適用しても同様の効果が得られる。
【００３１】
本発明によれば、タービンの静翼・動翼間根元部に対し、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。また、メンテナンスの際、ブラシシールの固定部品のみを静翼を固定する内輪から取り外し可能な為、メンテナンス作業が容易となる。さらに、シール効果向上に伴い、従来のフィン構造の際に効率低下の防止を目的として設置していたロータディスク部の孔加工も不要となり、タービンの加工費用が削減されると共に、ロータディスクの強度が向上できる。そして、ブラシシールの先端の接触時間低減及びラビングの回避により、ブラシシールの高寿命化が可能となり、メンテナンス費用がさらに削減出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例を表す模式図のうち、タービン停止時の状態を示す図である。
【図２】本発明の一実施例を表す模式図のうち、タービン定常運転時の状態を示す図である。
【図３】本発明の一実施例を表す模式図のうち、シール構造部近傍の拡大図である。
【図４】本発明の第二の実施例を表す模式図のうち、タービン停止時の状態を示す図である。
【図５】本発明の第二の実施例を表す模式図のうち、タービン定常運転時の状態を示す図である。
【図６】本発明の第二の実施例を表す模式図のうち、シール構造部近傍の拡大図である。
【図７】本発明の第三の実施例を表す模式図であり、シール構造部近傍の拡大図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…動翼、２…蒸気流入方向、３…静翼、４…外輪、５…内輪、６…ロータディスク、７…固定部品、８…突起部、９…ブラシシール、１０…静翼側構造物の熱延びによる変位方向、１１…動翼側構造物の熱延びによる変位方向、１２…ディスクロータ部溝。
【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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