(57)【要約】【課題】作動蒸気に混入する固体粒子によるタービン装置のシール部への侵入による影響を低減するために、その侵入を最小にする構造を提供することを目的とするものである。【解決手段】本実施形態では、蒸気タービンを流れる蒸気流によって回転される複数の動翼の先端に動翼カバーが形成され、その動翼カバーにノズル外輪が対向し、動翼カバーまたはノズル外輪のいずれか一方に、長歯と短歯の組み合わせによる複数のフィンが形成されるともに、他方に前記フィンに対向して凹凸部が形成され、複数のフィンと凹凸部とで動翼とノズル外輪との間をシールするためのシール部を構成する蒸気タービンのシール構造において、シール部のうち最も上流側に位置するフィンが長歯であり、この長歯よりも上流側に蒸気入口開口部が設けられることにより上記目的を達成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンを流れる蒸気流によって回転される複数の動翼の先端に動翼カバーが形成さ
れ、その動翼カバーにノズル外輪が対向し、前記動翼カバーまたは前記ノズル外輪のいず
れか一方に、長歯と短歯の組み合わせによる複数のフィンが形成されるともに、他方に前
記フィンに対向して凹凸部が形成され、前記複数のフィンと前記凹凸部とで前記動翼とノ
ズル外輪との間をシールするためのシール部を構成する蒸気タービンのシール構造におい
て、
前記シール部のうち最も上流側に位置するフィンが長歯であり、この長歯よりも上流側に
蒸気入口開口部が設けられることを特徴とする蒸気タービンのシール構造。
【請求項２】
請求項１のシール装置において、前記蒸気入口部のフィンの蒸気入口側に、前記ノズル外
輪から前記動翼カバーに向け遮蔽物を配したことを特徴とする請求項１に記載の蒸気ター
ビンのシール構造。
【請求項３】
前記蒸気入口開口部の間口の軸方向寸法が、動翼のカバー部とノズル外輪の間隙よりも大
きく、更にその空間の外周面を、ノズル外輪のシールフィンの対抗面の位置より外周側に
設けたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンのシール構造。
【請求項４】
前記蒸気入口開口部に連通し、前記ノズル外輪における前記動翼の入口から出口側に貫通
する貫通孔を持ち、この貫通孔の動翼出口側の半径方向位置が動翼入口側の位置に対し同
じか若しくは半径方向外周側にあることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンのシ
ール構造。
【請求項５】
請求項３のシール装置において、前記フィンの対向面を構成する前記ノズル外輪に少なく
とも一つの内周部空間を設けたことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンのシール
構造。
【請求項６】
請求項４のシール装置において、前記内周部空間と前記貫通穴とを連通させたことを特徴
とする請求項５に記載の蒸気タービンのシール構造。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のシール構造が少なくとも一つの段落に適用された蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気タービンのシール構造およびこれを用いた蒸気タービンに関す
る。
【背景技術】
【０００２】
本発明は蒸気タービンのシール構造に関するものであり、動翼の先端部に設けられたシー
ルフィンおよびシールフィンの対向面を、固体粒子による侵食から回避する構造に関する
ものである。
【０００３】
蒸気タービンにおいて、ボイラー等の上流機器からの固体粒子によって、通路部構成部品
が侵食される現象はよく知られたことである。この固体粒子はボイラーおよび再熱器およ
びその配管に由来するものであると言われ、一般的にその侵食の程度は高圧タービン／中
圧タービンの前方段落で顕著であるが、粒子の大きさ及び量によってはその侵食がタービ
ンの後流段に及ぶ場合もある。この固体粒子による侵食は特に高圧／中圧タービそれぞれ
の初段の動翼に流入した固体粒子が動翼前縁の厚い部分で跳ね返り、前方のノズルの後縁
の薄い部分を侵食する事象のみならず、回転部である動翼と静止部であるノズル外輪との
間隙を通過する漏れ蒸気をシールするシールフィン、更にはシールフィン対向面に及ぶこ
とがある。この浸食により、シールフィンとノズル外輪の間隙を増大させ、現象が進行し
た場合にはシールフィンの欠落という事態を引き起こすこともある。これによりタービン
の性能は著しく低下し、電力の安定供給に重大な影響を与えることになる。
【０００４】
蒸気タービン通路部の代表的な構造を図６に示す。回転する動翼１と静止部であるノズル
２、およびそのノズル２をケーシングに取り付ける構造体であるノズル外輪３とからなる
。動翼１にはそれと一体的に構成された動翼カバー４を持ち、動翼の先端から漏れ出る蒸
気をせき止めるためのシールフィンが配されている。そのシールフィンは、動翼シールフ
ィン長歯５と動翼シールフィン短歯６から構成されており、これらの組み合わせで動翼先
端からの漏れ蒸気を抑制するシール部２０を構成する。上流から流入した固体粒子７の挙
動を図中に示す。ノズルを出た蒸気は旋回成分を持つために、その遠心力により外周側に
流れる。この蒸気流れにより固体粒子７も旋回成分を持ち遠心力により外周方向に向かい
ノズル外輪３に衝突後反射し、シールフィン短歯６に衝突することとなる。この結果、こ
のシールフィンは経年的に摩耗し、次のシールフィン部に固体粒子が侵入しシールフィン
対向面の摩耗も進行することになる。結果としてシールフィン及びシールフィン対向面１
２の間隙が広がり、漏れ蒸気量が多くなり当該段落の性能が劣化することになる。この侵
食は高圧／中圧タービンの入口段落にとどまらず、後流段落にも及ぶこともあり、タービ
ン全体の効率低下という重大な事態を招くものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４-３１７５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したようにタービン性能の重要な要素である、動翼とノズル外輪の間隙を広げること
になるシール部およびシール対向面の侵食は、電力の安定供給に大きく影響する重大な問
題である。
【０００７】
これを解決するために提案されたものが特開２０１４-３１７５０号公報の蒸気タービン
シール構造である。しかしながら当該提案構造でも万全では無く、いくつかの課題を有し
ている。以下、当該構造の課題を代表的実施形態図７にて説明する。
【０００８】
代表的実施形態の主要構成は、ノズル外輪３に設けられた入口開口部９と、同じくノズル
外輪３の蒸気入口から蒸気出口に渡り配された貫通孔８とからなる。この構造では固体粒
子７はその大部分が入口開口部９で捕捉され、その後、貫通孔８を通ることによりシール
部をバイパスして後方段に逃がされることになる。
【０００９】
一方、近年のタービン単機容量の増大／高温化によりタービン軸長が増大し、起動停止時
の相対的な熱伸びが大きくなる傾向がある。この熱伸びの方向およびその量は段落により
違いはあるが、図７に示すように熱伸びで相対的に動翼１が移動した場合、開口部２１が
生じる。この開口部２１から固体粒子がシール部に侵入し、シール部を浸食する可能性が
ある。定常運転時はこの開口部２１は生じることなく貫通孔８が十分な機能を発揮するが
、起動停止回数の多いプラントにおいてはかの開口部２１が生じる時間が長くなり、結果
、シール部に侵入固体粒子量が増大するという課題がある。また、一度シール部に入った
固体粒子を排出する過程で後方のフィンを浸食していくという課題もある。
【００１０】
本発明では固体粒子の影響を低減するために、その侵入を最小にする構造を提供するだけ
でなく、固体粒子がシール内部に入ってもその固体粒子自体を回収する技術に言及し、結
果として侵食を受けにくいシール構造を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、蒸気タービンを流れる蒸気流によって回転され
る複数の動翼の先端に動翼カバーが形成され、その動翼カバーにノズル外輪が対向し、前
記動翼カバーまたは前記ノズル外輪のいずれか一方に、長歯と短歯の組み合わせによる複
数のフィンが形成されるともに、他方に前記フィンに対向して凹凸部が形成され、前記複
数のフィンと前記凹凸部とで前記動翼とノズル外輪との間をシールするためのシール部を
構成する蒸気タービンのシール構造において、前記シール部のうち最も上流側に位置する
フィンが長歯であり、この長歯よりも上流側に蒸気入口開口部が設けられることにより上
記目的を達成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によるシール装置に依れば、固体粒子のシール部内への侵入を最小限に抑えること
ができ、その結果、シール部においてその間隙を維持することが可能になり、タービン効
率の低下を抑えることができる。また、固体粒子による部品の損傷が回避することができ
、電力の安定供給が可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態による蒸気タービンのシール構造について、図１を用いて説明す
る。図１は蒸気タービン段落の動翼先端部近傍を拡大した子午面図である。
【００１４】
蒸気流によって回転される複数の動翼１とノズル２とを配し、動翼１の各々の先端には翼
本体と一体的に形成された動翼カバー部１２を配する。さらに動翼カバー部１２に一体的
に形成された動翼カバー４に配されたシールフィンを配し、このシールフィンは動翼カバ
ーシールフィン長歯５と動翼カバーシールフィン短歯６を交互に配するものである。さら
に、そのシールフィン対向面１２には動翼カバーシールフィン長歯５と動翼カバーシール
フィン短歯６に対応した凹凸部が設けられている。このように長歯と凹部、短歯と凸部と
でシール装置を構成している。この構造において本実施形態の特徴は、動翼蒸気入口部の
シールフィンに動翼カバーシールフィン長歯５を配した構造である。
【００１５】
さらにシール装置の入口部に入口空間部９を設け、その間口の軸方向寸法Ａが、動翼のカ
バー部とノズル外輪の間隙Ｂよりも大きい形状とし、更にその空間の外周面を、ノズル外
輪のシールフィンの対抗面１２の位置より外周側に設けている。
【００１６】
また動翼１の過渡的な移動を熱伸び方向とし図示する。このようなシールフィンの配置に
することにより、図示方向に動翼１が移動した場合においても図７で示す開口部２１は生
じることが無い。よって、固体粒子７はその旋回速度成分と遠心力により、ノズル外輪３
に当たることにより、蒸気の本流である蒸気通路部に再度流入するか、衝突の際の運動エ
ネルギーの消費により入口開口部９に留まることになる。
【００１７】
また、開口部２１が生じることがないため、固体粒子７がシール部に引き込まれることが
ない。そのため、シール部を浸食する可能性減少させることができる。さらには、固体粒
子７がシール部に流入可能性を減らすことができ、複数のシールフィンに固体粒子７が衝
突するリスクが低下させてシール性能が維持することが可能となる。
【００１８】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態による蒸気タービンのシール構造について、図２を用いて説明す
る。図２は蒸気タービン段落の動翼先端部近傍を拡大した子午面図である。
【００１９】
第１の実施形態で述べたように、本発明のフィン配列にすることにより開口部が生じるこ
とが無く大半の固体粒子がノズル外輪３の入口開口部９の内面に衝突することになる。し
かしながら、ごく一部の固体粒子はシール機構の主要構成部の蒸気入口側のフィン長歯に
衝突する可能性は残っている。
【００２０】
この解決のために、本実施形態２ではノズル外輪３に防御突起１４を配したものである。
個体粒子が防御突起１４に衝突した後、固体粒子はその遠心力により入口開口部９に導か
れるため、シールの主要構成部品であるフィンに直接固体粒子７が衝突して侵食されるこ
とを防ぐことができる。この作用によりシール部の間隙を維持することが可能となり経年
的な間隙増大による性能低下を回避することができる。
【００２１】
この防御突起９は単なる板形状でも充分であるが、通常のフィンの形状でも良い。更に材
質もフィン材に比べ硬度が高いものが望ましい。
【００２２】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態による蒸気タービンのシール構造について、図３を用いて説明す
る。図３は蒸気タービン段落の動翼先端部近傍を拡大した子午面図である。
【００２３】
実施形態１もしくは実施形態２では固体粒子７は入口開口部９で捕捉され、シールフィ
ンへの衝突及び侵入を回避できることになるが、固体粒子７の量が多い場合には入口開口
部９だけでは容量が不足する。この滞留した固体粒子７を排出するためにノズル外輪３に
貫通孔８を設けたものである。貫通孔８は下方段落に連通する。
【００２４】
固体粒子７は、入口開口部９を通って貫通孔８に入った場合、動翼前後の圧力差により、
ノズル外輪に設けられた貫通孔８はその出口部が入口部に対し圧力が低いことから、下方
段落に抜けていくこととなる。この結果、固体粒子７がシール部に入り込むことが無くな
り、間隙を維持することが可能となる。また、下方段落に排出された固体粒子は、その経
路で生じる壁面との衝突により流入時に比べ粒子径が小さくなり、仮に下方段落のシール
部に流入してもその影響は少ない。
【００２５】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態による蒸気タービンのシール構造について、図４を用いて説明す
る。図４は蒸気タービン段落の動翼先端部近傍を拡大した子午面図である。
【００２６】
実施形態の１から３では固体粒子７がシール部２０に侵入する可能性は極めて少なる。し
かしながら０ではない。また、その固体粒子は外部からの侵入のみならず、シール構造内
部で生成される場合もある。例えばシールフィンを構成する動翼カバーシールフィン長歯
５もしくは動翼カバーシールフィン短歯６とシールフィン対向面１２が過渡的な熱変形等
で接触するラビングが発生した時に金属同士が接触することにより生じる固体粒子がある
。
【００２７】
この固体粒子を排出するために、フィンの対向面１２を構成する凹部に少なくとも一つの
内周部空間１０を設けたことを構成とするものである。シール内の固体粒子７はその旋回
成分による遠心力でシールフィン内面方向に移動し、この内部空間１０で捕捉されること
になる。
【００２８】
なおこの内部空間は本実施形態のように１か所に限定されるものでなく、複数の凹部に設
けても良い。さらにこの内部空間１０は周方向に連続した溝形状でも良いが、離散的に配
置しても良い。
【００２９】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態による蒸気タービンのシール構造について、図５を用いて説明す
る。先述したように、内部空間１０だけの構成の場合、捕捉された固体粒子は当該空間に
留まることになるが、この固体粒子の量が多い場合にはこの空間だけでは容量が不足する
ことになる。これを解決するために図５に示すように、貫通孔８とこの内周部空間１０と
の間に連通孔１１を設けるものである。内周部空間１０の圧力は貫通孔８の圧力より高い
ためその圧力差で後方に排出されることになる。この内周部空間１０と連通孔１１による
排出効果は圧力差に依存するため、圧力が比較的高い蒸気入口側のシールフィン対向面凹
部に配置する方が効果的である。
【００３０】
なお、動翼カバーにフィン、ノズル外輪に凹凸部を設けた構成としたが、動翼カバーに凹
凸部、ノズル外輪にフィンを設けたシール装置に本実施形態を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る蒸気タービンシール構造の第１実施形態を示す図
【図２】本発明に係る蒸気タービンシール構造の第２実施形態を示す図
【図３】本発明に係る蒸気タービンシール構造の第３実施形態を示す図
【図４】本発明に係る蒸気タービンシール構造の第４実施形態を示す図
【図５】本発明に係る蒸気タービンシール構造の第５実施形態を示す図
【図６】従来の蒸気タービンシール構造を示す図
【図７】他の発明の蒸気タービンシール構造の実施形態を示す図
【符号の説明】
【００３２】
１  動翼
２  ノズル
３  ノズル外輪
４  動翼カバー
５  動翼カバーシールフィン長歯
６  動翼カバーシールフィン短歯
７  固体粒子
８  貫通孔
９  入口開口部
１０  内周部空間
１１  連通孔
１２  シールフィン対向面
１４  防御突起
２０ シール部
２１  開口部
【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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