(57)【要約】【課題】シール内の非対称圧力分布を抑制し、ロータの不安定振動を防止できるラビリンスシール装置を備えたターボ機械を提供する。【解決手段】ロータ２と、ロータ２の周囲に配置された静止体と、ロータ２と静止体との間の間隙部に設けられたラビリンスシール１１とを備えるターボ機械であって、ラビリンスシール１１は、ロータ軸方向中央より高圧側に設けられたロータ２または静止体のいずれか一方から他方の対向する部位に向かって突出する第１のシールフィン１２と、第１のシールフィン１２の低圧側に設けられて第１のシールフィン１２とともにチャンバー１３を形成し、ロータ２または静止体のいずれか一方から他方の対向する部位に向かって突出する第２のシールフィン１４とを有し、第１のシールフィン１２と対向する部位との間隙を、第２のシールフィン１４と対向する部位との間隙よりも小さくしたことを特徴とするターボ機械。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体と、
前記回転体の周囲に、前記回転体との間に間隙を空けて配置された静止体と、
前記回転体と前記静止体との間の間隙部に設けられ、前記間隙部を高圧側から低圧側へ流れる漏れ流れを低減するラビリンスシールとを備えるターボ機械であって、
前記ラビリンスシールは、
前記ラビリンスシールの回転体軸方向中央位置より高圧側に設けられた前記回転体または前記静止体のいずれか一方から他方の対向する部位に向かって突出する第１のシールフィンと、
前記第１のシールフィンの低圧側に設けられて前記第１のシールフィンとともにチャンバーを形成し、前記回転体または前記静止体のいずれか一方から他方の対向する部位に向かって突出する第２のシールフィンとを有し、
前記第１のシールフィンと対向する部位との間隙を、前記第２のシールフィンと対向する部位との間隙よりも小さくしたターボ機械。
【請求項２】
請求項１記載のターボ機械であって、
前記第１のシールフィンと対向する部位にアブレイダブル層を設けたターボ機械。
【請求項３】
請求項１または２記載のターボ機械であって、
前記第１のシールフィンの対向する部位に、前記第１のシールフィンに向かって突出する第３のシールフィンを備え、
前記第１のシールフィンおよび前記第３のシールフィンのいずれか一方が、他方よりも軸方向厚みが厚いターボ機械。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ機械であって、
前記第１のシールフィンは、前記ラビリンスシールを構成する複数のシールフィンのうち最も高圧部側に設けられたシールフィンであるターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボ機械、特に蒸気タービン等の高速、高圧ターボ機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン等のターボ機械では、ロータを収めたケーシングから作動流体がロータに沿って漏れることを防止するために、ロータとケーシングとの間にラビリンスシールが設けられることが多い。
【０００３】
ラビリンスシールは、一般的に、ロータの軸方向に沿って複数のシールフィンを有しており、これらのフィンとフィンの間にロータの外周に沿うように圧損用空隙が形成されている。
【０００４】
ラビリンスシールは、この圧損用空隙により、シール内を流下する漏れ流れに圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮するようになっている。
【０００５】
こうしたラビリンスシールでは、シール内を流下する漏れ流れによりロータの不安定振動が発生する可能性がある。具体的には、ラビリンスシール内の漏れ流れは、ロータの回転によるつれ回り効果により、ロータの回転と同方向の回転方向流れを伴う。この回転方向流れは、振動により軸心位置が変位したロータ、即ち振動変位したロータに対して回転方向上流側に高圧部を形成し非対称圧力分布を発生させる。ロータの回転速度が速いほど回転方向流れの流速が大きくなるが、前記圧力分布はロータの振動変位に対して直角方向の流体力を流速に応じた強さで発生させる。
【０００６】
このため蒸気タービンなどの高圧ターボ機械では、高速回転時にロータの振動変位に対して直角方向に働く流体力がロータを回転方向に振れ回らせるように作用する。その結果、ロータの振動安定性が低下して不安定振動が発生する可能性がある。
【０００７】
このようなラビリンスシールに関するロータの不安定振動問題は、ロータの振動変位に対して直角方向に働く流体力を抑えることで解消することができる。流体力を解消する技術としては、例えば特許文献１及び２に開示の技術が知られている。
【０００８】
特許文献１のシール形状では、減衰効果の大きいダンパーシールを漏れ流れ方向上流側に配置し、下流側にラビリンスシールを配置している。ダンパーシールの減衰効果と回転方向流れを抑制する効果により、ロータの振動変位に対して直角方向に働く流体力を低減している。
【０００９】
特許文献２のラビリンスシールでは、高圧側である漏れ流れ上流側のシール外側領域とチャンバーとを連通する蒸気通路をシールリングに設けている。蒸気通路を用いて高圧の蒸気をチャンバーに抽気し、回転方向流れに抽気蒸気を衝突させて流体力に起因する回転方向流れを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−３８１１４号公報
【特許文献２】特開平７−１９００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した特許文献１に開示されたシール構造では、上流側に配置されたダンパーシールがラビリンスシールよりシール性で劣るため、ターボ機械の効率低下に繋がってしまう。
【００１２】
さらに上述した特許文献２に開示された構造では、効果的に回転方向流れを抑制ができる反面、抽気した蒸気により下流側への漏れ量が増え、シール性が低下する可能性がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、シール内の振れ回り方向に働く流体力の発生を抑制し、ロータの不安定振動を抑制すると共に、シール性を確保できるラビリンスシール装置を備えたターボ機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明のターボ機械は、回転体と、回転体の周囲に、回転体との間に間隙を空けて配置された静止体と、回転体と静止体との間の間隙部に設けられ、間隙部を高圧側から低圧側へ流れる漏れ流れを低減するラビリンスシールとを備え、ラビリンスシールは、回転体軸方向中央より高圧側に設けられた回転体または静止体のいずれか一方から他方の対向する部位に向かって突出する第１のシールフィンと、第１のシールフィンの低圧側に設けられて第１のシールフィンとともにチャンバーを形成し、回転体または静止体のいずれか一方から他方の対向する部位に向かって突出する第２のシールフィンとを有し、第１のシールフィンと対向する部位との間隙を、第２のシールフィンと対向する部位との間隙よりも小さくしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ロータの振動変位時に、チャンバー内の流路が拡大する部位にチャンバー内の周方向圧力ピークを発生させることで、ロータの振動変位に対して直角方向に働く流体力がロータの回転方向への振れ回りを抑える方向に作用し、ロータの不安定振動を抑制できる。また、ラビリンスシールに漏れ流れを増加させる構造を取り付けないことで、シール性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】蒸気タービンの要部を示す断面図である。
【図２】従来のラビリンスシールのチャンバー内圧力分布を示す模式図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。
【図４】図３に示したラビリンスシールの部分拡大図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールのチャンバー内圧力分布を示す模式図である。
【図６】本発明の第２の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。
【図８】本発明の第４の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の第１の実施例について図１乃至図５を用いて説明する。本実施例は、本発明を蒸気タービンに用いるラビリンスシール装置に適用した例である。
【００１９】
まず、本発明が適用される蒸気タービンの要部構造と従来のラビリンスシール装置の課題について説明する。
【００２０】
図１は、一般的な蒸気タービンの要部構造の一例を示した断面図である。
【００２１】
図１に示した蒸気タービン１において、２はロータ、３はロータケーシング、４はノズルダイヤフラム内輪、５はノズルダイヤフラム外輪、６は動翼、７はノズル、８はダイヤフラムパッキン、９はチップフィン、１０はシャフトパッキンを各々示す。
【００２２】
蒸気タービンは主に動翼６と共に回転体であるタービンを構成するロータ２と、静止体であり、ロータ２を内包・保持するとともに作動流体である蒸気１７の流路を形成するロータケーシング３とを備える。ロータ２には、周方向に複数枚の動翼６が固定されており、動翼６の蒸気流れ方向上流側に対向するようにノズル７が周方向にノズルダイヤフラム外輪５を介して複数枚ロータケーシング３に固定されている。ノズル７は、外周側先端をロータケーシング３に固定されたノズルダイヤフラム外輪５に固定され、内周側先端をノズルダイヤフラム内輪４で固定されている。蒸気タービンでは、動翼６と上流側に対向して設置されるノズル７とで段落が形成され、段落がロータ２の軸方向に複数段設置される。
【００２３】
作動流体である蒸気１７は、ノズル７を通過する際に加速されて動翼６に送られ、動翼６で速度エネルギーから運動エネルギーに変換されてロータ２が回転する。ロータ２は図示しない発電機と接続されており、電気エネルギーとして出力が取り出される。
【００２４】
回転体であるロータ２と静止体であるロータケーシング３との間には、ロータ２の回転を妨げないように間隙が設けられている。そして、この間隙において、高圧側から低圧側に向かって蒸気１７の一部が漏れ流れとなって流出するが、この漏れ出た蒸気は、ロータ２の回転運動に有効に活用されないため、蒸気タービン効率低下の一因となる。
【００２５】
そこで、回転体であるロータ２と静止体であるロータケーシング３との間隙部には、蒸気が流出するのを防ぐため、ラビリンスシール等のシール装置が設けられている。
【００２６】
例えば、ノズル７の内周側に設けられたノズルダイヤフラム内輪４とロータ２との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐダイヤフラムパッキン８、動翼６とロータケーシング３との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐチップフィン９、ロータ２とロータケーシング３との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐシャフトパッキン１０にラビリンスシールが使用されている。
【００２７】
ラビリンスシールは、ロータまたは静止体の少なくともいずれか一方に、ロータ径方向に突出する複数のシールフィンを有している。ロータ軸方向にそって複数設けられたこれらのシールフィン間にロータ２の外周に沿うようにリング状の圧損用空隙（チャンバー１３）が形成されている。ラビリンスシールは、この圧損用空隙により、シール内を流下する漏れ流れに圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮する。
【００２８】
しかしながら、従来のラビリンスシールでは以下のような課題がある。
【００２９】
図２は従来のラビリンスシールのチャンバー１３内の周方向圧力分布を示す模式図である。
【００３０】
一般的に蒸気タービン等の軸流ターボ機械では、ロータ２が回転することによるつれ回り効果により、漏れ流れもロータ２の回転方向Ｒに旋回して、回転方向流れＲＳが生じる。
【００３１】
ロータ２が一方向に偏心（振動変位）すると、チャンバー１３が変位方向で狭まる。回転方向流れＲＳはロータ２の変位方向の上流側で流れが堰き止められ、高圧部を発生させる。この非対称圧力分布によって流体力Ｆが発生し、ロータ２が回転方向Ｒに押される。
これを繰り返すことにより、ロータ２が振れ回り不安定振動を起こす。
【００３２】
以上のような従来のラビリンスシールの課題を踏まえて、本実施例のラビリンスシールについて次に説明する。
【００３３】
本実施例は、本発明を蒸気タービンに用いるラビリンスシール装置に適用した例のうちダイヤフラムパッキン８に使用されるラビリンスシール装置に適用した例である。
【００３４】
図３は、第１の実施例に係るラビリンスシール１１の軸方向断面図である。図４は、図３に示した第１の実施例に係るラビリンスシール１１の漏れ流れ方向最上流側から２段目のシールフィンまでを表した部分拡大図、図５は、図４に示した第１の実施例に係るラビリンスシール１１のＸ−Ｘ断面のチャンバー内圧力分布を示す模式図である。
【００３５】
ラビリンスシール１１では図３に示すように、円環状のノズルダイヤフラム内輪４の内周側にリング状に組立てられたシールリング１５が設けられており、このシールリング１５の内周側にロータ２の軸方向に沿って複数本のシールフィンが固定されている。シールフィン間にはチャンバー１３が形成されている。ラビリンスシール１１の入口側と出口側とでは圧力が異なり、出口側に対して入口側の圧力が高い。本実施例ではこれらの複数本のシールフィンのうち、最も高圧部寄りに設けられた第１段目のシールフィン１２に、長いシールフィンを設け、シールフィン２とロータ２の対向する部位との間隙を狭くしている。また、シールフィン１２の低圧部側に設けられた第２段目以下のシールフィン１４に、シールフィン１２よりも径方向長さが短いシールフィン１４を設け、第１段目のシールフィン１２と比較してロータ２とフィンとの間隙を広くしている。なお、シールフィン１２は、シールフィン１４より長く形成すれば良い。
【００３６】
次に本発明の作用効果について図４乃至図５を用いて説明する。
【００３７】
図４に示すように、本実施例では、ロータの振動等によりロータ２の軸心位置が偏心量ｅだけ径方向に変位すると、変位方向の第１段目のシールフィン１２とロータ２との間隙が偏心量ｅだけ狭くなるため、漏れ流れＬＳが堰き止められる。一方、変位方向反対側では第１段目のシールフィン１２とロータ２との間隙が偏心量ｅだけ広くなるため、漏れ流れＬＳの通過する流路が拡大し、より漏れ流れがチャンバー１３ｃに流れ込む。
【００３８】
第１段目のシールフィンと第２段目のシールフィンとの間のチャンバー１３のうち、変位方向の部位であるチャンバー１３ｄでは、上流からの漏れ流れＬＳの流入が抑制される一方、チャンバー１３ｄ内の漏れ流れはシールフィン１４を通過し下流に抜ける。これにより、変位方向のチャンバー１３ｄはその上流側のチャンバー１３ｂとの差圧が大きくなるため低圧となる。一方、第１段目のシールフィンと第２段目のシールフィンとの間のチャンバー１３のうち、変位方向反対側の部位であるチャンバー１３ｃでは上流からの漏れ流れＬＳの流入が増え、上流側チャンバー１３ａとの差圧が小さくなるため高圧となる。
【００３９】
このときのチャンバー１３内では、図５の様に圧力勾配に逆らって変位方向反対側の流路拡大部であるチャンバー１３ｃへ回転方向流れＲＳが流入しており、変位方向反対側部位の回転方向流れ上流側寄りの部位に圧力ピークＰが発生する。即ち、変位方向反対側の流路拡大部であるチャンバー１３ｃへ流入する回転方向流れＲＳの圧力が高められている。この圧力分布は、図２の様なラビリンスシール１１内の周方向圧力分布が逆転した形となる。この圧力分布によって流体力Ｇが発生し、ロータ２が流体力Ｆに対して逆方向に押される。その結果、ロータ２の振れ回り不安定振動を抑えることができる。また本構造によれば、ラビリンスシールに漏れ流れを増加させる構造を別途取り付ける必要もない。
【００４０】
本実施例では高圧側のシールフィン１２を長く、低圧側のシールフィン１４を短くしていたが、シールフィン１２は下流側のシールフィン１４よりシール性の高いフィンであれば良く、異なるシール形状のシールフィンを使用しても良い。ただし、本発明は偏心時の周方向間隙の変化を利用したものであるため、漏れ流れ上流側のシールフィン１２は間隙を有していなければならない。ブラシシールなどの間隙がないシール形状には適用できない。
【００４１】
また、ラビリンスシール１１はシールリング１５にシールフィンを有する形状でなくても良い。ロータ２にシールフィンを有する形状や、ロータ２、シールリング１５両方にシールフィンを有する形状にしても良い。
【００４２】
また、ラビリンスシール内では、漏れ流れの圧力は低圧側になるほど低下する。そのため、比較的大きな流体力が生じるのは高圧側であり、低圧側になるほど流体力の振動への影響は小さくなると考えられる。したがって、本実施例のシールフィン構造は、ラビリンスシールの回転体軸方向中央位置より高圧側に設けるのが良く、最も高圧側のラビリンスシール入口部に適用するのが最も望ましい。
【００４３】
また、本実施例は、本発明をダイヤフラムパッキン８に使用されるラビリンスシール装置に適用した例を用いて説明したが、シャフトパッキン１０、チップフィン９にラビリンスシール装置を使用する場合にも同様に適用することができる。
【実施例２】
【００４４】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図６は、本発明の第２の実施例に係るラビリンスシール装置の軸方向断面図の例である。第１の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４５】
前述した第１の実施例では、高圧側のシールフィン１２を長く、低圧側のシールフィン１４を短くしている。一方、本実施例では、シールフィンの長さを一定にし、ロータ２、シールリング１５両方にフィンを有する形状としている。ロータ２、シールリング１５のシールフィンの配置間隔を不等にすることで、高圧側の静止体側のシールフィン１２ａ、回転体側のシールフィン１２ｂの軸方向位置が一致し、低圧側のシールフィン１４ではずれた配置としている。この配置により、漏れ流れ方向上流側のシールフィン１２の間隙は小さく、下流側のシールフィン１２の間隙は大きくなる。
【００４６】
また、加えて、ロータ側に設置したシールフィン１２ｂの軸方向厚さを厚くすることにより、ロータとケーシングの軸方向の熱伸び差によるシールフィンの軸方向位置ずれがある場合でも、高圧側のシールフィン１２のシール性を保つことができる。
【００４７】
また、本実施例は、ロータ側の高圧側シールフィン１２ｂの幅を厚くしているが、静止体側のシールフィン１２ａの幅を厚くしても良い。
【００４８】
なお、熱伸び差によるシールフィンの軸方向位置ずれがある場合でも高圧側のシールフィン１２のシール性を保つことができれば良く、高圧側のシールフィン１２ｂのシールフィン厚さを厚くしなくても良い。精密軸方向位置合わせにより、高圧側のシールフィン１２ａ、高圧側のシールフィン１２ｂの軸方向位置を一致させても良い。しかしながら、本実施例によれば、精密軸方向位置合わせの場合よりも容易にシール性を保つことができる。
【００４９】
本実施例の構造によっても、チャンバー１３内の周方向圧力分布を逆転させることができる。したがって、本実施例は、第１の実施例と同様にシール性を確保しつつ、周方向圧力分布逆転させてロータ２の不安定振動を効果的に解消することができる。また本構造によれば、ラビリンスシールに漏れ流れを増加させる構造を別途取り付ける必要もない。
【実施例３】
【００５０】
本発明の第３の実施例について説明する。図７は本発明の第３の実施例に係るラビリンスシール１１の軸方向断面図の例である。第１の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
前述した第１の実施例では、高圧側のシールフィン１２は、ロータとケーシングの半径方向の熱伸び差によるフィンの接触を防ぐためある程度間隙を大きくしている。一方、本実施例では、高圧側のシールフィン１２を長くし、高圧側のシールフィン１２と対向する部分にアブレイダブル層１６を設けることにより、間隙が非常に小さくなるようにしている。アブレイダブル層１６を設けることにより、ロータとケーシングの半径方向の熱伸び差で上流側のシールフィン１２がシールリング１５に接触しても、発熱やシールフィンの損傷を発生させない。なお、図７の例は、シールフィンをロータ２側に設置し、アブレイダブル層１６をシールリング１５側に設置した例を示しているが、アブレイダブル層１６をロータ２側に設置し、シールフィンをシールリング１５側に設置しても良い。
【００５２】
本実施例の構造によっても、チャンバー１３内の周方向圧力分布を逆転させることができる。したがって、本実施例は、第１の実施例と同様にシール性を確保しつつ、周方向圧力分布を逆転させてロータ２の不安定振動を効果的に解消することができる。また本構造によれば、ラビリンスシールに漏れ流れを増加させる構造を別途取り付ける必要もない。
【００５３】
また、加えて、本実施例はシール性に大きく影響する上流側の間隙を狭め、漏れにくくさせているため、漏れ量を効果的に低減することができる。
【実施例４】
【００５４】
本発明の第４の実施例について説明する。図８は本発明の第４の実施例に係るラビリンスシール１１の軸方向断面図の例である。第１の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５５】
前述した第２の実施例では、シールフィンの長さを一定とし、ロータ２側とシールリング１５側にシールフィンを設けている。一方、本実施例では、高圧側のシールフィン１２とシールリング１５の間に段差１８を配置している。漏れ流れ方向上流側のシールフィン１２とシールリング１５の間に段差１８を設けることで、シールフィンの長さを一定とすることができる。ロータ２とシールリング１５の両側にフィンを設けることなく、フィン長さを一定としたままチャンバー１３内の周方向圧力分布を逆転させることができ、高圧側のシールフィン１２の長さを長くしないことにより、高圧側のシールフィン１２の強度を保つことができる。また本構造によれば、ラビリンスシールに漏れ流れを増加させる構造を別途取り付ける必要もない。
【００５６】
また、本実施例は、シールリング１５側に段差１８を設けているが、ロータ２側に設けても良い。
【００５７】
また、本実施例は段差１８の断面形状を三角形にしているが、他の断面形状にしても良い。
【００５８】
なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な形状例が含まれる。また、上記した各実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【００５９】
また、上記した各実施例は、蒸気タービンの例で説明したが、これに限られず、その他のターボ機械、例えば遠心圧縮機等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１  蒸気タービン
２  ロータ
３  ロータケーシング
４  ノズルダイヤフラム内輪
５  ノズルダイヤフラム外輪
６  動翼
７  ノズル
８  ダイヤフラムパッキン
９  チップフィン
１０  シャフトパッキン
１１  ラビリンスシール
１２、１４  シールフィン
１３  チャンバー
１５  シールリング
１６  アブレイダブル層
１７  蒸気
１８  段差
ＬＳ  漏れ流れ
ＲＳ  回転方向流れ
Ｒ  回転方向
【図１】
2013177866.tif 000003
【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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