(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧部と低圧部を仕切るシール構造であって、
その高圧部には回転部材の周面に対向するように静止部に保持された少なくとも１段の高圧側シールリングを有し、
その低圧部には回転部材の周面に対向するように静止部に保持された少なくとも１段のシールリングと、該シールリングおよび前記回転部材の少なくとも一方に備えられたリング状に突出するフィンとを有し、
高圧側に位置する部分と前記静止部の内周面に設けられた周溝とを連通させる連通孔を有し、前記高圧側に位置する部分から前記連通孔を通って前記周溝へ流入して、外周面に作用する流体の圧力に応じて前記シールリングは周方向の少なくとも一部が略半径方向内側に移動可能で、弾性体によって外側に向けて付勢されている可動シールリングであり、前記フィンおよび前記フィンに対向する対向面によって高圧部と低圧部との間を仕切る調整可能な可動シールリングを有し、
該調整可能な可動シールリングの低圧側には主蒸気系統の一部である一の圧力源に接続させる接続流路を有し、
該調整可能な可動シールリングの高圧側であって且つ前記高圧側シールリングの低圧側を前記調整可能な可動シールリングの低圧側と同じ一の圧力源に接続させる調整流路と、
該調整流路に設けられ、該調整流路を開閉する開閉弁と、
が備えられていることを特徴とする回転機械のシール構造。
【請求項２】
前記開閉弁の開閉を制御する制御部が備えられ、該制御部は前記回転部材および前記静止部が熱的に定常状態であるときに前記開閉弁を閉鎖するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械のシール構造。
【請求項３】
前記対向面に、アブレーダブル材によって構成されたアブレーダブル皮膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機械のシール構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械の回転軸部に用いられるシール構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機等の回転機械では、回転軸部のシール構造として、いわゆる、ラビリンスシール構造が広く用いられている。
ラビリンスシール構造は、回転軸あるいはこれと対向する静止部に、リング状に突出し、軸線方向に沿って複数段設けられたフィンと、このフィンと対向する面（対向面）とで構成されている。
シール性能、言い換えると回転機械の性能は、フィンの数およびフィンと対向面との間隔で決定されるので、回転機械の性能を向上させるには、フィンと対向面との間隔を低減することが求められている。
【０００３】
回転機械では、一般に定格回転速度域で回転軸が静定回転するように設計されているので、起動後間もなく回転速度が上昇中に回転軸の振動レベルが最大になる速度域（以下これを危険速度域と呼ぶ）が存在する。回転軸はこの危険速度域を経て定格回転速度域（定格運転）に達することになる。
また、たとえば、蒸気タービン等の高温の蒸気を扱うものでは、起動後に導入された高温の蒸気によって回転軸および静止部が熱膨張するが、当初は各部における温度ムラが大きいため、回転軸および静止部の熱伸びに部分的に差異ができる。これにより、回転軸および静止部が軸線方向および半径方向において相対的に移動するので、フィンと対向面との間隔が小さくなりフィンが対向面に接触する恐れがある。フィンが対向面に接触すると、フィンおよび対向面が磨耗し、定格運転時のフィンと対向面との設定された間隔が初期設定よりも大きくなるので、その分シール性能が劣化する。
【０００４】
フィンと対向面との間隔は、この危険速度域における振動レベルでもフィンが対向面本体と接触しないように設定されるため、定格運転時における間隔をあまり小さくすることができなかった。
これに対し、たとえば、特許文献１に記載されているように、起動・停止時と定格運転時とでフィンと対向面との間の設定された間隔を異ならせ、すなわち、起動・停止時には間隔を大きくして安全性を確保し、定格運転時では間隔を小さくしてシール性能を向上させるものが用いられている。
【０００５】
これは、静止部に取り付けられフィンを備えたシールリングの一部が、半径方向に移動可能とされるとともに弾性体によって常時外方に付勢される可動シールリングとされている。また、可動シールリングの内周面は通過する作動流体から外方に向かう圧力を受けている。この圧力は低圧部側に向かうに伴い除々に小さくなる。可動シールリングの外周面には高圧部の作動流体が流入し、可動シールリングはその圧力によって内方に向かい押圧されている。
【０００６】
起動・停止時のように負荷が小さく高圧部と低圧部との圧力差が小さい時期では、可動シールリングの外周面と内周面とに作用する作動流体の圧力差が大きくないので、弾性体の付勢力によって可動シールリングは外方に位置させられる。すなわち、フィンと対向面との間の設定された間隔は大きな状態を維持することになる。
蒸気タービンの負荷が上がるとそれに応じて可動シールリングの外周面と内周面とに作用する作動流体の圧力差が大きくなるので、弾性体の付勢力に打ち勝って可動シールリングは内方に移動することになる。そして、負荷が大きくなるに伴い、可動シールリングは移動範囲の内方端まで移動する。言い換えると、フィンと対向面との間の設定された間隔は小さな状態を維持することになる。
【０００７】
また、対向面に接触時の発熱が小さいアブレーダブル材の皮膜を形成したシール構造も用いられている。これは、皮膜によって万一の接触時の影響を緩和できるので、フィンと対向面との間の間隔をさらに小さくし、シール性能を向上させることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−９７３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示されるものでは、可動シールリングは運転に伴い発生する高圧部と低圧部との圧力差によって半径方向位置、すなわち、フィンと対向面との間の間隔が自動的に調整されるが、このとき可動シールリングの低圧部側側面は、高圧部の圧力によって静止部に押圧されることになる。このため、可動シールリングが半径方向に移動する際、この低圧部側側面と静止部との間に摩擦力が作用するので、摺動する面の性状で決まる摩擦係数によって可動シールリングの動作範囲にばらつきが発生し、所定の動作タイミングを保証できない。この影響は、特許文献１のように徐々に差圧が増減するものでは大きくなる。
【００１０】
また、定格運転中において最大の押圧力を受けるので、低圧部側側面と静止部との間の静止摩擦力は最大となる。このため、特に、負荷降下時において可動シールリングの動作タイミングが安定せず、ヒステリシスが発生する。これにより、たとえば、フィンおよび対向面の間隔が急速に接近する急激な蒸気温度降下現象を伴う負荷降下の場合に、可動シールリングの半径方向外方への退避が遅れ、フィンと対向面とが接触する恐れがある。
【００１１】
フィンと対向面とは、上述のように軸線方向にも相対移動するが、その移動中に両者が接触するとフィンが損傷する恐れが大きくなる。
また、アブレーダブル材の皮膜を用いてフィンと対向面との間の間隔を小さくしているものでは、この接触により皮膜が面上に削り取られることとなり、シール性能の劣化につながる。
【００１２】
本発明は、上記課題に鑑み、可動シールリングの動作を能動的に制御でき、シール性能を向上させるとともに信頼性を向上させ得るシール構造およびこれを用いた回転機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明の回転機械のシール構造は、高圧部と低圧部を仕切るシール構造であって、その高圧側には回転部材の周面に対向するように静止部に保持された少なくとも１段の高圧側シールリングを有し、その低圧側には回転部材の周面に対向するように静止部に保持された少なくとも１段のシールリングと、該シールリングおよび前記回転部材の少なくとも一方にリング状に突出するフィンとを有し、前記シールリングは周方向の少なくとも一部が略半径方向に移動可能で、弾性体によって外側に向けて付勢されている可動シールリングであり、前記フィンおよび前記フィンに対向する対向面によって高圧部と低圧部との間を仕切る調整可能な可動シールリングを有し、該調整可能な可動シールリングの低圧側には一の圧力源に接続させる接続流路を有し、該調整可能な可動シールリングの高圧部側には前記低圧側と同じ一の圧力源に接続させる調整流路と、該調整流路に設けられ、該調整流路を開閉する開閉弁と、が備えられていることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、可動シールリングは、略半径方向に移動可能で、弾性体によって外側に向けて付勢されている。一方、可動シールリングの内周面および外周面には、通過する流体から圧力が作用し、それぞれ外方に向かう力および内方へ向かう力となっている。内周面に作用する流体の圧力は低圧部側に向かうに伴い除々に小さくなるが、外周面に作用する流体の圧力は高圧部、すなわち、シールリングの高圧部側の圧力であるので、外周面に作用する力が内周面に作用する力よりも大きくなる。
【００１５】
起動・停止時のように負荷が小さく高圧部と低圧部との圧力差が小さい時期では、可動シールリングの外周面と内周面とに作用する流体の圧力差が大きくないので、弾性体の付勢力によって可動シールリングは外方に位置させられる。したがって、フィンと対向面との間の設定された間隔は大きな状態が維持されるので、起動・停止時のフィンと対向面との急激な接近に対して余裕を持った間隔に設定することによってフィンと対向面との接触を防止できる。
負荷が上がるとそれに応じて可動シールリングの外周面と内周面とに作用する流体の圧力差が大きくなるので、弾性体の付勢力に打ち勝って可動シールリングは内方に移動することになる。そして、負荷が大きくなるに伴い、可動シールリングは移動範囲の内方端まで移動する。したがって、フィンと対向面との間の設定された間隔は小さな状態が維持されるので、これを小さく設定することによってシール性能を向上させることができる。
【００１６】
本発明によれば、シールリングの高圧部側の位置で、流路を低圧部と同じ圧力源に接続させる調整流路と、該調整流路に設けられ、該調整流路を開閉する開閉弁と、が備えられているので、開閉弁を開放するとシールリングの高圧部側の圧力は、高圧側シールリングによってある程度低下された高圧部の圧力と調整流路が接続する圧力源の圧力とで均圧される。調整流路は低圧部と同じ一の圧力源に接続されているので、シールリングの低圧部側の圧力と略同等の圧力となる。すなわち、シールリングの前後差圧が小さくなる。
このように高圧部側と低圧部側との圧力差が小さいと、可動シールリングの外周面と内周面とに作用する流体の圧力差が小さくなるので、弾性体の付勢力によって可動シールリングは外方に位置させられる。したがって、フィンと対向面との間の設定された間隔は大きな状態が維持される。
【００１７】
開閉弁を開弁すると、調整流路の圧力が低下しても高圧側シールリングがあるので、この圧力低下が高圧部へ直接伝播せず、高圧部の圧力低下に伴う不具合を抑制することができる。
一方、開閉弁を閉鎖すると、低圧部と同じ圧力源に接続されている調整流路が遮断されるので、シールリングの高圧部側の圧力はそのままシールリングに作用することになる。したがって、シールリングの高圧側の圧力の大きさによって可動シールリングは上述のようにシールリングの高圧部側の圧力に対応して外方に位置させられたり、内方に位置させられたりすることになる。
たとえば、起動・停止時のように、フィンと対向面との間隔および軸線方向の位置関係が不安定な状態の時には、開閉弁を開放しておくと、たとえ、高圧部と低圧部との間に大きな圧力差あったとしても可動シールリングを略半径方向の外側に位置させておくことができる。
【００１８】
開閉弁は、回転部材および静止部が熱的に定常状態である、言い換えれば、たとえば、定格運転状態である、あるいは、運転が安定した状態である、時に閉鎖されているようにすることが望ましい。
たとえば、起動時には、初期状態として開放弁は開放され、負荷が大きくなっても高圧部側と低圧部側との圧力差が小さい状態を維持するようにされている。したがって、可動シールリングは外方に位置し、フィンと対向面との間の設定された間隔は大きな状態が維持されるので、実際の間隔が大きく変動（接近）しても両者が接触することはなく安全である。
【００１９】
そして、回転部材および静止部が熱的に定常状態となったことを確認し、開閉弁は閉鎖される。このように回転部材および静止部が熱的に定常状態である時には、高圧部と低圧部との間の圧力差が大きいので、開閉弁が閉鎖されると、シールリングの高圧側の圧力が急激に高まることになる。これにより可動シールリングの外周面と内周面とに作用する流体の圧力差が急激に大きくなるので、可動シールリングは弾性体の付勢力に打ち勝って内方に移動することになる。
また、停止時には、回転部材および静止部が熱的に定常状態である時に、閉鎖されている開放弁は開放される。開閉弁が開放されると、シールリングの高圧部側の圧力は、高圧部の圧力と調整流路が接続する圧力源の圧力とで速やかに均圧され、シールリングの低圧部側の圧力と略同等の圧力となる。
【００２０】
これにより可動シールリングの外周面と内周面とに作用する流体の圧力差が小さくなるので、弾性体の付勢力によって可動シールリングは外方に位置させられる。
このように、回転部材および静止部が熱的に定常状態である時に開閉弁は閉鎖されているようにすると、開放あるいは閉鎖した際におけるシールリングの高圧部側の圧力の変動が大きく、かつ、急激となるので、可動シールリングの半径方向に作用する力が大きくなる。このため、可動シールリングはその側面と静止部との摩擦力に影響されずスムーズに半径方向に移動することができる。言い換えると、可動シールリングは開閉弁の開閉によって確実に半径方向に移動するので、動作タイミングを保証することができる。
これにより、たとえば、フィンおよび対向面の間隔が急速に接近する急激な蒸気温度降下現象を伴う負荷降下の場合にも、可動シールリングの半径方向外方への退避が遅れることを抑制できるので、フィンと対向面とが接触する恐れを抑制することができる。
【００２１】
このように、開閉弁の開閉により可動シールリングの半径方向への動作を確実に制御できる。これにより、たとえば、定格運転中のフィンと対向面と間隔を小さく設定することができ、シール性能を向上できる。また、たとえば、起動・停止時にはこの間隔を大きく設定し、フィンと対向面との接触を確実に防止できるので、シール構造の信頼性を向上させることができる。
なお、回転部材および静止部が熱的に定常状態であるとは、回転部材および静止部が軸線方向および半径方向において相対的な位置変動がほとんどない状態であることをいう。
これは、たとえば、回転部材および静止部の軸線方向の相対的な位置変動を検出する伸び差計および半径方向の相対的な位置変動を検出するギャップセンサからの計測信号によって判断することができる。また、これに加えて、回転数、負荷状況、温度、圧力等を合わせて判断することもできる。
【００２２】
上記発明において、前記開閉弁の開閉を制御する制御部が備えられ、該制御部は前記回転部材および前記静止部が熱的に定常状態であるときに前記開閉弁を閉鎖するようにされていることが好ましい。
制御部は、たとえば、伸び差計、ギャップセンサ、回転数、負荷状況、温度、圧力等の計測結果を適宜用い回転部材および静止部が熱的に定常状態にあることを判定し、定常状態のときは開閉弁を自動的に閉鎖するようにする。
【００２３】
上記発明において、前記対向面に、アブレーダブル材によって構成されたアブレーダブル皮膜が形成されているようにしてもよい。
このように、対向面に、アブレーダブル材によって構成されたアブレーダブル皮膜が形成されているので、たとえば、フィンが接触した場合の発熱を大幅に抑制することができる。このため、フィンと対向面との間隔をある程度の接触を許容するように設定することができるので、フィンと対向面との間の設定された間隔をさらに小さくし、シール性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明にかかる回転機械のシール構造によれば、シールリングの高圧部側の位置で、流路を低圧部と同じ圧力源に接続させる調整流路と、該調整流路に設けられ、該調整流路を開閉する開閉弁と、が備えられているので、シール性能を向上できるとともに信頼性を向上させることができる。
また、これを用いた回転機械の信頼性向上および性能向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態にかかるシール構造を備えた蒸気タービン１について、図１〜図７を参照して説明する。この蒸気タービン１は高中圧一体型蒸気タービンと称されるものである。
図１は、本実施形態にかかる蒸気タービン１の縦断面図である。図２は、図１の要部拡大図である。
【００２６】
蒸気タービン１には、タービンロータ（回転体）３と、このタービンロータ３を収容する車室（静止部）５とが備えられている。
タービンロータ３は、両端部が軸受７を介して軸受台９に対して回転可能に支持されている。
車室５の内部空間は、高圧ダミー環（静止部）１１によって高圧車室空間１３と中圧車室空間１５とに仕切られている。高圧ダミー環１１は環状の部材で、車室５の内側に固定して取り付けられている。
【００２７】
高圧車室空間１３および中圧車室空間１５に対応する部分のタービンロータ３の周面には、外方に向けて放射状に突出する多数の動翼１７が、軸線方向Ｌに沿って間隔を空けて複数段取り付けられている。
高圧車室空間１３および中圧車室空間１５に対応する部分の車室５の内側には、それぞれ翼環１９が軸線方向Ｌに沿って複数取り付けられている。
各翼環１９には、内方に向けて放射状に突出する多数の静翼２１が、軸線方向に沿って間隔を空けて複数取り付けられている。
【００２８】
静翼２１は、通過する蒸気を膨張させ速度エネルギーを発生させるとともに流れの向きを変えて回転方向の運動量とするものである。
動翼１７は、静翼２１で速度エネルギーに変換された蒸気のエネルギーを吸収してタービンロータ３の回転エネルギーに変換するものである。
このため、動翼１７と静翼２１とは、軸線方向Ｌにそれぞれ交互に配置されている。以下、高圧車室空間１３に配置された動翼１７および静翼２１を高圧段と、中圧車室空間１５に配置された動翼１７および静翼２１を中圧段と、総称することもある。
【００２９】
高圧車室空間１３の中圧車室空間１５側には、環状の高圧入口部２３が、軸線方向反対側には、環状の高圧出口部（一の圧力源）２５が備えられている。
中圧車室空間１５の高圧車室空間１３側には、環状の中圧入口部２７が、軸線方向反対側には、環状の中圧出口部２９が備えられている。
高圧入口部２３は、主蒸気管３１と連通し、図示しないボイラから供給される蒸気が主蒸気管３１を通って流入するように形成されている。流入した蒸気は高圧段で仕事をし、高圧排気蒸気として高圧出口部２５から高圧出口配管３３を通って導出される。この高圧排気蒸気は、中圧入口配管３５を通って中圧入口部２７へ導入される。
このとき、高圧排気蒸気は図示しないボイラによって再加熱されるようにしてもよい。
中圧入口部２７へ導入された高圧排気蒸気は、中圧段で仕事をし、中圧出口部２９から中圧排気配管３７を通って排気される。
【００３０】
次に、高圧ダミー環１１とタービンロータ３との間隙である高圧ダミー３９のシール構造４１について説明する。
高圧ダミー３９の高圧車室空間１３側には、高圧入口部２３から高圧段へ流入する蒸気が漏れて流入する高圧側蒸気室（高圧部）４３が設けられている。高圧ダミー３９の中圧車室空間１５側には、中圧入口部２７と連通している中圧側蒸気室（低圧部）４５が設けられている。
【００３１】
中圧側蒸気室４５は、均圧配管（接続流路）４７によって高圧出口部２５と連通され、高圧出口部２５の高圧排気蒸気の圧力と略同等の圧力に維持されている。一方、高圧側蒸気室４３は、高圧段に導入される蒸気の漏れたものであるので、それと略等しい圧力を有している。
すなわち、高圧側蒸気室４３の圧力の方が中圧側蒸気室４５の圧力よりも高くなる。
【００３２】
高圧ダミー３９には、中圧蒸気室４５側から軸線方向に沿って、２個のアクティブクリアランスコントロールシールリング（本発明のシールリングに相当。以下、ＡＣＣシールリングと言う。）４９と、３個のスプリングバックシールリング（高圧側シールリング）５１と、が備えられている。
この２個のＡＣＣシールリング４９が本発明の可動シール構造を構成する。
【００３３】
高圧ダミー３９におけるＡＣＣシールリング４９とスプリングバックシールリング５１との間、言い換えると、ＡＣＣシールリング４９の高圧側蒸気室４３側、に位置する調整部５３は、調整配管（調整流路）５５によって高圧出口部２５と連通されている。
調整配管５５には、調整配管５５内の蒸気流路を開閉する開閉弁５７が備えられている。開閉弁５７は、たとえば、電磁弁とされ、開閉弁制御部（制御部）５９からの制御信号に応じて開閉されるようにされている。
【００３４】
スプリングバックシールリング５１は、高圧ダミー環１１の内周面に保持された環状部材である。
スプリングバックシールリング５１の内周面には、リング状に突出した複数のフィンが備えられ、タービンロータ３とでラビリンスシール構造を形成するものである。
スプリングバックシールリング５１は、周方向に複数、たとえば、２個に分割され、それぞれ、高圧ダミー環１１に略半径方向、すなわち、タービンロータ３に対して接離する方向に移動可能とされている。
【００３５】
スプリングバックシールリング５１の外周側には、高圧ダミー環１１との間にスプリング６１が介装されている。スプリングバックシールリング５１はこのスプリング６１によってタービンロータ３側に押圧され、所定の位置関係を保持するようにされている。
スプリングバックシールリング５１のフィンが、万一タービンロータ３に接触した時には、その衝撃の一部はスプリング６１に吸収されるものである。
【００３６】
次に、ＡＣＣシールリング４９について、図３および図４を用いて説明する。
ＡＣＣシールリング４９は、高圧ダミー環１１の内周面に保持された環状部材である。
ＡＣＣシールリング４９は、軸線方向Ｌに沿った断面が略矩形状をしている。ＡＣＣシールリング４９の軸線方向Ｌにおける両側の端面６３には、略全周に亘り延在する嵌合溝６５が設けられている。
【００３７】
高圧ダミー環１１の内周面には、周溝６７が略全周に亘り延在するように設けられている。周溝６７の内周側端部には、周溝６７の内側に向けて突出する突出部６９が略全周に亘り延在するように設けられている。
ＡＣＣシールリング４９は、嵌合溝６５が突出部６９に係合するようにして周溝６７に嵌合され、高圧ダミー環１１に保持されている。
ＡＣＣシールリング４９の内周面には、周方向にリング状に突出した複数のフィン７１が軸線方向Ｌに沿って間隔を空けて設置されている。フィン７１は、ＡＣＣシールリング４９に植え込まれて取りつけられている。
なお、フィン７１は、ＡＣＣシールリング４９と一体で、削り出しによって形成されるようにしてもよい。
【００３８】
ＡＣＣシールリング４９は、図４に示されるように、周方向に分割されており、上下一対の可動シールリング７３と左右一対の固定シールリング７５とで構成されている。
可動シールリング７３は、横断面で見てその中央位置に周方向１２０°に亘って延びている。その両端には、機械の水平分割面から両側各３０°の範囲で固定シールリング７５が配置されている。
可動シールリング７３と固定シールリング７５との接合する合せ面７７は、略水平方向に平坦な面で形成されている。合せ面７７には、図４に示されるように、固定シールリングに皿ばね（弾性体）７９で付勢される押え板８１が装着されている。押え板８１は、皿ばねによって可動シールリング７３を上あるいは下方向（マクロ的には半径方向であり、可動シールリング７３の中央では半径方向に重なる）に常時押圧している。可動シールリング７３は図示しない案内部材によって上下方向に案内されるようになっている。
可動シールリング７３には、高圧ダミー３９の高圧側に位置する部分と周溝６７とを連通させる連通孔６８が備えられている。
【００３９】
フィン７１に対向するタービンロータ３の周面（対向面）８３には、アブレーダブル層（アブレーダブル皮膜）８５が形成されている。
アブレーダブル層８５は、次のように形成される。
アブレーダブル材として、コバルト、ニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウム（ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ）を含む金属成分を主体とし、固体潤滑材としての窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）および気孔率制御のためのポリエステルを含有したものを用い、それを大気圧プラズマ溶射（ＡＰＳ：Ａｔｍｏｓｐｈｒｉｃ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｐｒａｙｉｎｇ）を用いて溶射する。
【００４０】
その後、５００〜６５０℃で加熱処理を行う。この熱量によってアブレーダブル層８５に含まれるポリエステルが消失する。
これによりアブレーダブル層８５は多孔質組織となるので、アブレーダブル層の硬度を低減させることができるとともにフィン７１と接触した際の摺動発熱量を低減することができる。
ポリエステルの含有率を調節することによって、アブレーダブル層８５の硬度および気孔率を調節することができる。硬度は、たとえば、３００Ｈｖ以下に、気孔率は、たとえば、４０％以上になるようにポリエステルの含有率を調節するのが望ましい。
【００４１】
高圧ダミー３９部には、高圧ダミー環１１とタービンロータ３との間の軸線方向Ｌにおける相対的な位置関係を計測する伸び計および半径方向Ｋにおける相対的な位置関係を計測するギャップセンサが備えられている。ギャップセンサの計測結果を用いるとフィン７１の先端部とタービンロータ３の周面との間隔を算出できる。
調整制御部５９は、伸び差計およびギャップセンサの計測結果、ならびに蒸気タービン１の運転を制御する運転制御部からのタービンロータ３の回転数および蒸気タービン１の負荷状況の情報を受け取り、高圧ダミー環１１とタービンロータ３とが熱的に定常状態にあるかを判定する機能を備えている。調整制御部５９は、その結果によって、開閉弁５７の開閉を制御する。
【００４２】
なお、熱的に定常状態とは、高圧ダミー環１１とタービンロータ３とが軸線方向Ｌおよび半径方向Ｋにおいて相対的な位置変動がほとんどない状態であることをいう。
ここでは、調整制御部５９は、高圧ダミー環１１とタービンロータ３とが熱的に定常状態にあるかを判定するに際して、伸び差計およびギャップセンサの計測結果ならびにタービンロータ３の回転数および蒸気タービン１の負荷状況の情報を用いるようにしているが、この一部の情報を用いるようにしてもよい。また、車室５内あるいは高温ダミー３９の温度、圧力等の情報を用いるようにしてもよい。
【００４３】
以上のように構成されるシール構造４１の動作について説明する。
蒸気タービン１が起動されると、主蒸気管３１から蒸気が導入され、流入した蒸気は高圧段で仕事をし、高圧排気蒸気として高圧出口部２５から高圧出口配管３３を通って導出される。この高圧排気蒸気は、中圧入口配管３５を通って中圧入口部２７へ導入される。
中圧入口部２７へ導入された高圧排気蒸気は、中圧段で仕事をし、中圧出口部２９から中圧排気配管３７を通って排気される。
【００４４】
そして、蒸気の導入量を徐々に増加し、蒸気タービンの負荷を上げる。
このとき、蒸気の熱量によって蒸気タービン１の各部は軸線方向Ｌおよび半径方向Ｋに向かって熱伸びするが、各部で熱伸びの状況が異なる、すなわち、遅速があるので、各部の熱伸び等が安定するまでは、各部間相互の軸線方向Ｌおよび半径方向Ｋにおける相対位置は変化し続ける。図６の一点鎖線Ｃは、負荷によって高圧ダミー環１１とタービンロータ３との間隙（半径方向の変位）が変化する量をプロットしたものである。
また、高圧入口部２３から高圧段に流入される蒸気の一部が、高圧側蒸気室４３に漏れるので、高圧側蒸気室４３の圧力Ｐ１も除々に高くなる。
【００４５】
一方、中圧側蒸気室４５は、高圧出口部２５と連通されているので、中圧側蒸気室４５の圧力Ｐ３は高圧出口部２５の高圧排気蒸気の圧力に均圧される。高圧側排気蒸気の圧力が高まるに連れて、中圧側蒸気室４５の圧力も高まる。
高圧側蒸気室４３の圧力Ｐ１は高圧入口部２３に導入される蒸気の圧力と略同一であるから、高圧出口部２５の圧力と略等しい中圧側蒸気室４５の圧力Ｐ３よりも大きくなる。
【００４６】
蒸気タービン１の起動時には、調整制御部５９は開閉弁５７を開放し、高圧ダミー３９の調整部５３と高圧出口部２５とを連通させている。
したがって、調整部５３には、３個のスプリングバックシールリング５１によって圧力損失され低圧とされた高圧側蒸気室４３の蒸気と、高圧出口部２５の蒸気とが混合されるので、調整部５３の圧力Ｐ２は均圧される。このため、調整部５３の圧力Ｐ２は高圧側蒸気室４３の蒸気圧力が高くなっても、高圧出口部２５の圧力とほぼ等しい圧力となる。
したがって、調整部５３の圧力Ｐ２は、中圧側蒸気室４５の圧力Ｐ３とあまり変わらない大きさとなる。
【００４７】
可動シールリング７３の内周面には、その下部を通過する蒸気の圧力が作用し、可動シールリング７３を半径方向外側へ移動させようとする。一方、可動シールリング７３の外周面には、高圧側側面６３と高圧ダミー環１１との隙間および連通孔６８を通って流入した蒸気の圧力、すなわち、調整部５３での圧力Ｐ２が作用し、可動シールリング７３を半径方向内側へ移動させようとする。
一般に、可動シールリング７３の内周面の下部を通過する蒸気の圧力は、フィン７１によって圧力損失を受けるので、調整部５３の圧力Ｐ２よりも進行に伴い順次低圧になる。このため、外周面に作用する圧力が内周面のそれよりも大きくなる。この差圧は調整部５３の圧力Ｐ２と中圧側蒸気室４５の圧力Ｐ３（可動シールリング７３の出口部の圧力）との差圧が大きいほど大きくなるので、可動シールリング７３は皿ばね７９の付勢力に打ち勝って半径方向Ｋ内側へ移動させられる。
【００４８】
起動時には、調整部５３の圧力Ｐ２と中圧側蒸気室４５の圧力Ｐ３とが略等しいので、可動シールリング７３の外周面と内周面とに作用する蒸気の圧力差（差圧）が小さい。したがって、皿ばね７９の付勢力によって可動シールリング７３は外方、すなわち、周溝６５の下面が突起部６９の下面に当接する位置に位置させられる。これにより、フィン７１と周面８３との間の設定された間隔は大きな状態が維持されるので、起動時のフィンと対向面との急激な接近に対して余裕を持った間隔に設定することによってフィン７１と周面８３との接触を防止できる。
【００４９】
図５は調整制御部５９の制御フローを示している。
調整制御部５９は、蒸気タービン１が起動されると、制御を開始する（ステップＳ１）。
調整制御部５９は、伸び差計およびギャップセンサの計測結果、ならびに蒸気タービン１の運転を制御する運転制御部からのタービンロータ３の回転数および蒸気タービン１の負荷状況の情報を受け取り、高圧ダミー環１１とタービンロータ３とが熱的に定常状態にあるかを判定する（ステップＳ２）。
調整制御部５９は、高圧ダミー環１１とタービンロータ３とが軸線方向Ｌおよび半径方向Ｋにおいて相対的な位置変動がほとんどない状態であると判定すると、熱的に定常状態にあると判定する。
【００５０】
調整制御部５９は、熱的に定常状態のあると判断すると、開閉弁５７に閉鎖信号を指示する（ステップＳ３）。閉鎖信号が発信されると、開閉弁５７が開放されていた場合は閉鎖され、既に、閉鎖されていれば、その状態を維持する。
調整制御部５９は、熱的に定常状態にないと判断すると、開閉弁５７に開放信号を指示する（ステップＳ４）。開放信号が発信されると、開閉弁５７が閉鎖されていた場合は開放され、既に、開放されていれば、その状態を維持する。
【００５１】
蒸気タービン１の運転が進み、負荷が増加し、たとえば、定格運転になると、高圧ダミー環１１とタービンロータ３とが熱的に定常状態になる（たとえば、図６の一点鎖線Ｃ上の点Ｔで負荷が上昇しても高圧ダミー環１１とタービンロータ３との間隔が変化しなくなる。）。調整制御部５９は、これを検知し、開閉弁５７に閉鎖信号を指示する。これにより、開閉弁５７は閉鎖され、調整配管５５が、高圧出口部２５と調整部５３との連通を断つ。
このように高圧出口部２５と調整部５３との連通が断たれると、調整部５３へ高圧出口部２５の圧力が作用しなくなるので、調整部５３の圧力Ｐ２は、３個のスプリングバックシールリング５１によって圧力損失された高圧側蒸気室４３の圧力に速やかになる。
【００５２】
このとき、高圧側蒸気室４３の圧力Ｐ１は、定格運転状態にあるので、高圧排気蒸気の圧力、すなわち、中圧側蒸気室４５の圧力Ｐ２よりも相当大きな圧力となっている。
調整部５３の蒸気の圧力が大きくなると、可動シールリング７３の外周面と内周面とに作用する流体の圧力差が皿ばね７９の付勢力に打ち勝つまで大きくなるので、可動シールリング７３は半径方向内側に移動することになる。
したがって、可動シールリング７３は内方、すなわち、周溝６５の上面が突起部６９の上面に当接する位置、すなわち、移動範囲の内方端に位置させられる。
【００５３】
このとき、開閉弁５７が閉鎖されると、調整部５３の圧力の変化は速やかに行われるので、可動シールリング７３の外周面と内周面とに作用する流体の圧力差が急激に大きくなる。したがって、たとえ可動シールリング７３の側面と高圧ダミー環１１との間に摩擦力が作用したとしても可動シールリング７３は速やかに、かつ、スムーズに内方に移動することになる。
【００５４】
図６では、起動から定格に至る負荷上昇の過程で、本実施形態における可動シールリング７３の半径方向への移動により形成されるフィン７１とタービンロータ３の周面８３との間の設定された間隔の変化が太線Ａで示されている。高圧ダミー環１１とタービンロータ３との間隔の変化は一点鎖線Ｃで示されている。可動シールリング７３を用いないシールのフィン７１とタービンロータ３の周面８３との間の設定された間隔は一定であるので、実線Ｂのようになる。
また、参考までに、背景技術で説明した調整配管５５および開閉弁５７を備えていないもののフィン７１とタービンロータ３の周面８３との間の設定された間隔の変化を二点鎖線Ｅで示している。
【００５５】
太線Ａ、実線Ｂおよび二点鎖線Ｅと一点鎖線Ｃとの差が、実際のタービンロータ３の周面８３とフィン７１と間の間隔となる。
定格運転である点Ｔより大きい負荷のところで、太線Ａおよび二点鎖線Ｅと一点鎖線Ｃとの差Ｄ１は、実線Ｂと一点鎖線Ｃとの差Ｄ２よりも小さくなり、定格運転中のシール性能が向上している。
また、本実施形態では、タービンロータ３の（フィン７１に対向する）周面８３に、アブレーダブル層８５が形成されているので、たとえば、フィン７１が接触した場合の発熱を大幅に抑制することができる。このため、フィン７１と周面８３との間隔をある程度の接触を許容するように設定することができるので、フィン７１と周面８３との間の実際の間隔を太点線Ａ’に示すようにさらに小さく（太点線Ａ’と一点鎖線Ｃとの差Ｄ３）し、シール性能を向上させることができる。
【００５６】
開閉弁５７が閉鎖されている定格運転中の蒸気タービン１の運転を停止する場合には、調整制御部５９は、図５のフローに沿って処理する。
すなわち、高圧ダミー環１１とタービンロータ３とが熱的に定常状態であるかを判定し、不定常状態になったことを検知すると、開閉弁５７に開放信号を指示する。これにより、開閉弁５７は開放され、高圧ダミー３９の調整部５３と高圧出口部２５とを連通させる。これにより、調整部５３には、３個のスプリングバックシールリング５１によって圧力損失され低圧とされた高圧側蒸気室４３の蒸気と、高圧出口部２５の蒸気とが混合されるので、調整部５３の圧力Ｐ２は均圧される。このため、調整部５３の圧力Ｐ２は高圧側蒸気室４３の蒸気圧力が定格運転中のように高くても、高圧出口部２５の圧力とほぼ等しい圧力となる。
したがって、調整部５３の圧力Ｐ２は、中圧側蒸気室４５の圧力Ｐ３とあまり変わらない大きさとなる。
【００５７】
これにより可動シールリング７３の外周面と内周面とに作用する蒸気の圧力差が小さくなるので、皿ばね７９の付勢力によって可動シールリング７３は半径方向外側に移動される。
このとき、調整部５３の圧力の変動が大きく、かつ、急激となるので、それだけ可動シールリング７３の半径方向に作用する力の変動は大きくなる。このため、可動シールリング７３は、側面６３と高圧ダミー環１１との間にかかる大きな摩擦力に影響されずスムーズに半径方向に移動することができるので、動作タイミングを保証することができる。
【００５８】
これにより、たとえば、フィン７１および周面８３の間隔が急速に接近する急激な蒸気温度降下現象を伴う負荷降下の場合にも、可動シールリング７３の半径方向外方への退避が遅れることを抑制できるので、フィン１５と周面８３とが接触する恐れを抑制することができる。
【００５９】
このように、開閉弁の開閉により可動シールリングの半径方向への動作を確実に制御できる。これにより、たとえば、定格運転中のフィンと対向面と間隔を小さく設定することができ、シール性能を向上できる。また、たとえば、起動・停止時にはこの間隔を大きく設定し、フィンと対向面との接触を確実に防止できるので、シール構造の信頼性を向上させることができる。
【００６０】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
すなわち、本実施形態では、ＡＣＣシールリング４９は軸線方向に２段備えられているが、これは１段でも、３段以上でもよい。また、調整部５３がＡＣＣシールリング４９とスプリングバックシールリング５１との間に設置されているが、これは複数のスプリングバックシールリング５１の中間位置に設置してもよい。
さらに、圧損部材としてスプリングバックシールリング５１が用いられているが、これに限らず適宜な手段を用いることができる。
【００６１】
また、本実施形態では、タービンロータ３の周面８３は平滑面とされているが、図７に示されるように軸線方向Ｌに沿って凹凸が形成され、フィン７１の長さをそれに合わせて調整するようにしてもよい。このようにすると通過する蒸気がジグザグに移動するので、同じ間隔でもシール性能を向上させることができる。
また、アブレーダブル層８５を用いないようにしてもよい。
【００６２】
また、本実施形態では、フィン７１がＡＣＣシールリング４９側に設けられているが、図８に示されるようにタービンロータ３側に設けるようにしてもよい。このフィンは、タービンロータ３と一体で、たとえば、削り出しで形成されたものであるが、別体で植え込みとしてもよい。
また、図８のものでは、ＡＣＣシールリング４９に軸線方向Ｌに沿って凹凸が形成され、フィン７２の長さをそれに合わせて調整されている。ＡＣＣシールリング４９の内周面にアブレーダブル層８７が形成されている。
【００６３】
本実施形態では、高圧ダミー３９のシール構造に適用しているが、大気とのシールを行うグラントＧ（図１参照）のシール構造、動翼１７あるいは静翼２１の先端部分Ｆ（図２参照）のシール構造に適用するようにしてもよい。
蒸気タービンでなく、ガスタービン、圧縮機等の回転機械のシール構造に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる蒸気タービンの縦断面図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる可動シールリングの軸線に沿う断面図である。
【図４】本発明の一実施形態にかかるＡＣＣシールリングの概略旺盛を示す側面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる調整制御部の処理を示すフロー図である。
【図６】本発明の一実施形態にかかる間隔の変化を従来のものと対比して示すグラフである。
【図７】本発明の一実施形態にかかる可動シールリングの別の実施態様を示す軸線に沿う断面図である。
【図８】本発明の一実施形態にかかる可動シールリングの別の実施態様を示す軸線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  蒸気タービン
３  タービンロータ
５  車室
１１  高圧ダミー環
２５  高圧出口部
３９  高圧ダミー
４１  シール構造
４３  高圧側蒸気室
４５  中圧側蒸気室
４７  均圧配管
４９  アクティブクリアランスコントロール（ＡＣＣ）シールリング
５１  スプリングバックシールリング
５３  調整部
５５  調整配管
５７  開閉弁
５９  調整制御部
７１  フィン
７３  可動シールリング
７９  皿ばね
８３  周面
８５  アブレーダブル層
Ｋ  半径方向
Ｌ  軸線方向
【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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【図８】
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