(57)【要約】【課題】  シールフィン位置制御装置を必要とせず、シールフィンが回転体側或いは静止体側と接触した場合に生じる過大な力を減少させ、信頼性及び性能を向上させた回転流体機械のシール装置を提供する。【解決手段】  ロータとステータの間隙部にシールフィンが配設される回転流体機械のシール装置において、シールフィンは、その少なくとも１箇所に関節部ｂを有し、シールフィンとロータｆとの接触により、関節部ｂを中心にシールフィン先端部ｃを回転流体機械の作動流体の上流側に傾斜させた位置から、作動流体の上流側にシールフィン先端部ｃが可動するように構成する。【選択図】図１
2009085256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータとステータの間隙部にシールフィンが配設される回転流体機械のシール装置において、
前記シールフィンは、前記ロータまたはステータに取り付けられ、その少なくとも１箇所に関節部を有し、前記シールフィンとロータまたはステータとの接触により、前記関節部を中心にシールフィン先端部を回転流体機械の作動流体の上流側に傾斜させた位置から、作動流体の上流側に前記シールフィン先端部が可動するように構成したことを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【請求項２】
ロータとステータの間隙部にシールフィンが配設される回転流体機械のシール装置において、
前記ロータの外周部に凸型または凹型部分を備え、
前記シールフィンは、前記凸型または凹型部分と対向する部位のステータに取り付けられ、その少なくとも１箇所に関節部を有し、前記シールフィンとロータの接触により、前記関節部を中心にシールフィン先端部を回転流体機械の作動流体の上流側に傾斜させた位置から、作動流体の下流側に前記シールフィン先端部が可動するように構成したことを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【請求項３】
ロータとステータの間隙部にシールフィンが配設される回転流体機械のシール装置において、
前記ステータの内周部に凸型または凹型部分を備え、
前記シールフィンは、前記凸型または凹型部分と対向する部位のロータに取り付けられ、その少なくとも１箇所に関節部を有し、前記シールフィンとステータの接触により、前記関節部を中心にシールフィン先端部を回転流体機械の作動流体の上流側に傾斜させた位置から、作動流体の下流側に前記シールフィン先端部が可動するように構成したことを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記シールフィンは、前記凸型または凹型部分の側面との接触により前記関節部を中心にシールフィン先端部が可動することを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【請求項５】
請求項２または３において、
シールフィン先端部と対向する凸型または凹型部分の側面を作動流体の上流側に傾斜させたことを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【請求項６】
請求項１，２，３において、
前記シールフィンは、流れ方向から見て円弧に形成されたシールフィン先端部を、円周方向に挿入されたピンによって固定部と結合し、シールフィン先端部が回転時に構造物と接触すると、前記ピンを中心にシールフィン先端部が回転するように構成されたものであることを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【請求項７】
請求項１，２，３において、
前記シールフィンは、シールフィン先端部が初期位置よりも作動流体の下流側に回転することを拘束する拘束部を有することを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【請求項８】
請求項１，２，３において、
前記シールフィンは、該シールフィンの先端部と固定部とを異なる材質としたことを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記シールフィンの先端部はロータまたはステータより剛性の低い材料を用いることを特徴とする回転流体機械のシール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転流体機械のシール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転流体機械で用いられるシール装置は高効率化を目指す手法の一つとして形状の改良がさかんに行われている。
【０００３】
シールフィンは回転流体機械、例えばタービンの回転時や停止時に回転側と静止側の熱膨張の速度差を考慮し、両者が接触しないようにあらかじめ大きく間隙が調整されている。定常運転時にはこの間隙により漏れ損失が増すため、性能の低下を招いてしまう。なお、両者が接触しても信頼性を確保できる構造としては、例えば特開平１１−４４２０１号公報にて記載されたハニカムシールなどがある。
【０００４】
一方、シールフィンの間隙を自動調整するＡＣＣ（Active Clearance Control）シールがある。これはタービンの起動から停止に到る一連の動きに合わせてシールフィン位置を制御することで接触を防ぎ、間隙を極力小さくすることで性能向上を図るものであり、これら発明については、例えば特開２０００−９７３５０公報にて記載されたものがある。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−４４２０１号公報
【特許文献２】特開２０００−９７３５０公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ハニカムシールなど、タービンの回転側と静止側が接触すると少なからず相互の信頼性は低下してしまう。また、両者の間隙を自動調整する必要があるのは、特にタービンの起動時と停止時である。しかし、シールフィンの位置を自動調整するための制御は複雑であり、容易ではない。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、シールフィン位置制御装置を必要とせず、シールフィンが回転体側或いは静止体側と接触した場合に生じる過大な力を減少させ、信頼性及び性能を向上させた回転流体機械のシール装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明は、ロータとステータの間隙部にシールフィンが配設される回転流体機械のシール装置において、前記シールフィンは、前記ロータまたはステータに取り付けられ、その少なくとも１箇所に関節部を有し、前記シールフィンとロータまたはステータとの接触により、前記関節部を中心にシールフィン先端部を回転流体機械の作動流体の上流側に傾斜させた位置から、作動流体の上流側に前記シールフィン先端部が可動するように構成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、シールフィン位置制御装置を必要とせず、シールフィンが回転体側或
いは静止体側と接触した場合に生じる過大な力を減少させ、信頼性及び性能を向上させた回転流体機械のシール装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の回転流体機械のシール装置は、蒸気タービンやガスタービン等に適用可能なも
のであるが、以下の説明では、その一例として、蒸気タービンに適用した場合の実施例について説明する。
【００１１】
図１は本発明に係るシール装置の第一実施形態を示す概略構成断面図である。本実施形態に係るシールフィンは蒸気の流れ方向Ｙに沿って並ぶ。シールフィンはフィンの固定部ａ，先端部ｃ，固定部ａと先端部ｃをつなぐ関節部ｂで形成され、固定部ａはパッキンリングｅなどを介するか、直接ステータｄに組み込む。シールフィンの先端部ｃは、ロータｆに対してある間隙を介して半径方向Ｒにおいて向かい合うよう位置決めされており、シールフィン先端部ｃは作動流体の上流側における半径方向下側に傾いた位置で可動できる。
【００１２】
図２，図３は、図１に示す第一実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略構成断面である。なお、第一実施形態の構成部分と同一部分または対応する部分には同一符号を付す。
【００１３】
図２に図示する構成は、関節部ｂをもつシールフィンの固定部ａと関節部ｂをもたない固定部ａ′を、パッキンリングｅなどを介するか、直接ステータｄに組み込んだものである。また、図３に図示する構成は、ロータｆに設けられるタービン動翼のカバーｆ１と対向する位置にシールフィンを設置したものである。
【００１４】
図１，図２，図３のシール装置において、ロータｆとシールフィンの先端部ｃの半径方向間隙が狭くなり、設定した間隙以上にロータｆとシールフィンの先端部ｃが近づくと、ロータｆと先端部ｃは接触する。このとき、本実施例においては、シールフィンの先端部ｃは関節部ｂを中心に作動流体の流れと逆方向に傾いて回転する。このため、ロータｆとの間に生じる摩擦力は関節部ｂがないシールフィンと比べて減り、なおかつロータｆの表面に生じる磨耗やシールフィンの先端部ｃに生じる損傷を減らすことができる。この磨耗や損傷の程度によっては、本実施例によって、関節部ｂのないシールフィンを用いた場合よりもロータｆとシールフィンの先端部ｃの半径方向間隙を減らすことができるため、シール部の漏れ損失を減らしタービン性能を向上させることができる。
【００１５】
次に、本発明の他の実施例を図４〜図１３を用いて説明する。
【００１６】
図４は第二実施形態を示す概略構成断面である。本実施例が前述の第一実施例と相違する点は、ロータｆは表面に凸部ｇ（または凹部）を保有していることである。シールフィンの先端部ｃはロータの凸部ｇのシールフィン側の面ｇ１と、ある間隙を介して流れ方向Ｙにおいて向かい合うよう位置決めされており、シールフィンの先端部ｃは作動流体の上流側における半径方向下側に傾いた位置で可動できる。
【００１７】
図４に示す構成において、面ｇ１とシールフィンの先端部ｃの流れ方向間隙が狭くなり、設定した間隙以上に面ｇ１とシールフィンの先端部ｃが近づくとき、面ｇ１が先端部ｃと接触する。このとき、シールフィンの先端部ｃは関節部ｂを中心に作動流体の流れ方向に傾いて回転するため、ロータｆとの間に生じる摩擦力は関節部ｂがないシールフィンと比べて減り、なおかつ構造物ｆの表面に生じる磨耗やシールフィンの先端部ｃに生じる損傷を減らすことができる。この磨耗や損傷の程度によっては、本実施例によって、関節部ｂのないシールフィンを用いた場合よりもロータｆとシールフィンの先端部ｃの流れ方向間隙を減らすことができるため、タービンロータの軸長短縮または当該シール装置のシールフィン数の増加が可能となる。
【００１８】
図５は、第三実施形態を示す概略構成断面である。本実施例と第二実施形態の相違点としては、先端部ｃを作動流体の上流側における半径方向上側（外向き）に傾いた位置で可動できるようにしたことである。すなわち、本実施例ではロータｆ表面の凸部ｇにより形成される凹部空間内にシールフィンの関節部ｂを配置している。
【００１９】
図５の実施例において、面ｇ１がシールフィンの先端部ｃと接触した場合、先端部ｃは関節部ｂを中心に作動流体の流れ方向に傾いて回転する。この結果、ロータｆとの間に生じる摩擦力は関節部ｂがないシールフィンと比べて減り、なおかつロータｆの表面に生じる磨耗やシールフィンの先端部ｃに生じる損傷を減らすことができる。
【００２０】
図６は第三実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略構成断面である。なお、第三実施形態の構成部分と同一部分または対応する部分には同一符号を付す。前述の第三実施例との相違点は、ロータｆの表面に凹部ｈを保有している点である。シールフィンの先端部ｃはロータｆの凹部ｈのシールフィン側の面ｈ１と、ある間隙を介して流れ方向Ｙにおいて向かい合うよう位置決めされており、先端部ｃは作動流体の上流側における半径方向上側に傾いた位置で可動できる。
【００２１】
面ｈ１とシール先端部ｃの流れ方向間隙が狭くなり、設定した間隙以上に面ｈ１とシール先端部ｃが近づくとき、面ｈ１がシールフィン先端部ｃと接触する。このときシールフィン先端部ｃは関節部ｂを中心にシールフィン固定部の反対側に回転し、ロータｆとの間に生じる摩擦力は関節部ｂがないシールフィンと比べて減らすことができる。
【００２２】
図７は第四実施形態を示す概略構成断面である。なお、第一実施形態の構成部分と同一部分または対応する部分には同一符号を付す。本実施例では、シール装置のシールフィンの固定部ａを回転体側に設けている。なお、固定部ａはパッキンリングなどを介してロータｆに取り付けるか、または直接ロータｆに組み込んでも良い。
【００２３】
図８は第五実施形態を示す概略構成断面である。なお、第四実施形態の構成部分と同一部分または対応する部分には同一符号を付す。前述の第四実施形態との相違点は、ステータｄは表面に凸部ｇ（または凹部）を保有している点である。シールフィン固定部ａは、第四実施形態と同様にパッキンリングなどを介するか、または直接ロータに組み込まれる。
【００２４】
図９は第六実施形態を示す概略構成断面である。前述の第五実施形態と異なる点は、先端部ｃを作動流体の上流側における半径方向下側（内向き）に傾いた位置で可動できるようにしたことである。すなわち、本実施例ではステータｄ表面の凸部ｇにより形成される凹部空間内にシールフィンの関節部ｂを配置している。
【００２５】
図１０は第六実施形態の変形例であり、概略構成断面である。前述の第六実施形態との相違点は、ステータｄの表面に凹部ｈを保有している点である。シールフィン先端部ｃはステータｄの凹部ｈのシールフィン側の面ｈ１と、ある間隙を介して流れ方向Ｙにおいて向かい合うよう位置決めされており、シールフィン先端部ｃは作動流体の上流側における半径方向上側に傾いた位置で可動できる。
【００２６】
図１１は第七実施形態を示す概略図である。前述した各実施例との相違点は、ロータｆに設けた凸部ｇ′のシールフィン側、すなわちシールフィンの先端部ｃと対向する面ｇ１が半径方向上側（外向き）にシールフィンから離れる方向に傾斜している（シールフィンの先端部ｃと対向する凸部ｇ′の面ｇ１を作動流体の上流側に傾斜させている）点である。
【００２７】
このとき、シールフィンが固定されるステータｄと対するロータｆの作動流体の流れ方向伸び量の差よりもシールフィンの先端部ｃの流れ方向Ｙに対する曲げ量は少なくなるため、構造物凸側側面の面ｇ１が傾斜しない場合よりも大きな作動流体の流れ方向伸び差が生じる場合において、当該シール装置を用いることが可能になる。
【００２８】
図１２は第七実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略図である。前述した各実施例との相違点は、ロータｆに設けた凹部ｈ′のシールフィン側、すなわちシールフィンの先端部ｃと対向する面ｈ１が半径方向上側（外向き）にシールフィンから離れる方向に傾斜している点である。
【００２９】
図１３は第七実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略図である。前述した各実施例との相違点は、ステータｄに設けた凸部ｇ′のシールフィン側の面ｇ１が半径方向下側（内向き）にシールフィンから離れる方向に傾斜している点である。
【００３０】
図１４は第七実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略図である。前述した各実施例との相違点は、ステータｄの凹部ｈ′のシールフィン側の面ｈ１を半径方向下側にシールフィンから離れる方向に傾斜するように形成した点である。
【００３１】
図１５は第八実施形態を示すシールフィン先端の拡大図である。なお、第一実施形態の構成部分と同一部分または対応する部分には同一符号を付す。
【００３２】
シールフィン先端部ｃの先端は、流れ方向から見て円弧に形成される。また、シールフィン固定部ａとシールフィン先端部ｃを結合するために図のような関節部ｂを設けた構成となっている。関節部ｂにはピンを挿入する穴ｂ１が穿孔されており、ピンによってシールフィン固定部ａとシールフィン先端部ｃを結合し、シールフィン先端部ｃはピンを中心に回転することができる。
【００３３】
図１６は第八実施形態の変形例であり、概略図である。なお、第八実施形態の構成部分と同一部分または対応する部分には同一符号を付す。
【００３４】
シールフィンは、図１６中の（１），（２），（３）の構成でも所定の効果を得ることができるが、（４），（５）のようにシールフィン固定部ａに拘束部ｂ２が備わると、シールフィン先端部ｃがあらかじめ定めた半径方向位置より下側に回転することを防止することができる。（４），（５）の構成は、シールフィンの先端部ｃが流れ方向前側から後ろ側に回転してしまうと効果が得られない構造の場合などに用いるとよい。通常運転時には流れ方向上流側から下流側に向かってシールフィン間に圧力差が生じるため、シール先端部ｃは拘束部ｂ２に接する。
【００３５】
シールフィンの可動関節部は固定部の半径方向内周端と外周端の間に設置される。前述の拘束部ｂ２としては、関節部ｂに最大でも先端部ｃにかかる長さの板を配置し、当該板によってシールフィンの先端部ｃが初期位置よりも作動流体下流側に回転しないように拘束するものである。
【００３６】
図１７，図１８は第八実施形態の変形例であり、流れ方向から見た構成図である。なお、第八実施形態の構成部分と同一部分または対応する部分には同一符号を付す。
【００３７】
図１７はシールフィンの固定部ａを凹形状とし、そこに凸形状である先端部ｃを半径方向に組み立てることで当該シール装置を構成するが、例えば図１８のように固定部ａを凸形状、先端部ｃを凹形状としても同様の効果を得ることができる。また、シールフィンの固定部ａと先端部ｃの材料を異なるもので構成した場合、特に先端部ｃにおいて関節部ｂがないシールフィンの場合と比べてやわらかい材質を採用することで、ステータやロータに生じる磨耗を減じることが可能となる。
【００３８】
また、シールフィン先端部を固定部と異なる材質とすることで、シールフィンが対するロータまたはステータと接触し磨耗または破損した場合には固定部まで含むシールフィン全ての交換をする必要がなく、またはシールフィン先端部には対するロータやステータよりも剛性の低い材料などを採用することで、対するロータやステータに生じる磨耗または破損を減じることが可能になる。
【００３９】
以上説明した各実施例に係るシール装置によれば、シール装置に備わるシールフィンを固定部ａと関節部ｂで回転可能な先端部ｃで構成することによって、シールフィン先端部と対するロータまたはステータが接触する際に生じる磨耗や破損を減じる、またはなくすことができるためタービン部材の信頼性と性能の向上を図ることができる。
【００４０】
すなわち、タービン運転時には回転側と静止側の間隙を最小にし、回転側と静止側が接触すると自動的にシールフィン先端が動く機能を持つことによって、シールフィン位置制御装置を必要とせず、接触時に両者にかかる力を減少させることができ、信頼性があり性能を向上させたシール装置とすることができる。
【００４１】
よって、タービンの起動や停止などの非定常運転時において、ロータやステータの間隙部に設置したシールが対するタービン部材に接触する事態となっても、シールフィンに生じる過大な力を減少させ、対するタービン部材に与える磨耗や破損を減じる、またはなくすことができ、これによりタービン部材の信頼性を向上させることができる。また、シール挿入部の半径方向または流れ方向の間隙を減らすことができるため、その分シールフィン数を増加すればタービン性能を向上させることができ、もしくはロータ軸長を短縮すればロータ剛性が上がるためロータの信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る、シール装置の第一実施形態の概略構成断面図。
【図２】第一実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略構成断面図。
【図３】第一実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略構成断面図。
【図４】本発明に係る、シール装置の第二実施形態の概略構成断面図。
【図５】本発明に係る、シール装置の第三実施形態の概略構成断面図。
【図６】第三実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略構成断面図。
【図７】本発明に係る、シール装置の第四実施形態の概略構成断面図。
【図８】本発明に係る、シール装置の第五実施形態の概略構成断面図。
【図９】本発明に係る、シール装置の第六実施形態の概略構成断面図。
【図１０】第六実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略構成断面図。
【図１１】本発明に係る、シール装置の第七実施形態の概略図。
【図１２】第七実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略図。
【図１３】第七実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略図。
【図１４】第七実施形態の変形例であり、回転方向から見た概略図。
【図１５】シール装置の第八実施形態のシールフィン先端の拡大図。
【図１６】第八実施形態の変形例であり、概略構成断面図。
【図１７】第八実施形態の変形例であり、概略構成断面図。
【図１８】第八実施形態の変形例であり、概略構成断面図。
【符号の説明】
【００４３】
ａ  シールフィン固定部
ｂ  シールフィン関節部
ｂ１  ピン挿入穴
ｂ２  拘束部
ｃ  シールフィン先端部
ｃ１  シールフィン回転拘束部
ｄ  ステータ
ｅ  パッキンリング
ｆ  ロータ
ｆ１  カバー
ｇ，ｇ′  凸部
ｈ，ｈ′  凹部
ｇ１，ｈ１  面
Ｒ  半径方向
Ｘ  回転方向
Ｙ  タービン作動流体の流れ方向
【図１】
2009085256.tif 000003
【図２】
2009085256.tif 000004
【図３】
2009085256.tif 000005
【図４】
2009085256.tif 000006
【図５】
2009085256.tif 000007
【図６】
2009085256.tif 000008
【図７】
2009085256.tif 000009
【図８】
2009085256.tif 000010
【図９】
2009085256.tif 000011
【図１０】
2009085256.tif 000012
【図１１】
2009085256.tif 000013
【図１２】
2009085256.tif 000014
【図１３】
2009085256.tif 000015
【図１４】
2009085256.tif 000016
【図１５】
2009085256.tif 000017
【図１６】
2009085256.tif 000018
【図１７】
2009085256.tif 000019
【図１８】
2009085256.tif 000020