JP2001123803A

JP2001123803A - シール装置並びに同装置を備えた蒸気タービン及び発電プラント

Info

Publication number: JP2001123803A
Application number: JP29961799A
Authority: JP
Inventors: Masataka Kikuchi; 地正孝菊
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-10-21
Filing date: 1999-10-21
Publication date: 2001-05-08

Abstract

(57)【要約】【課題】蒸気タービンの運転に支障をきたすことな
く、回転構造物に永久曲がりなどの不具合を発生させる
ことなく蒸気タービンのシール性能を向上させ得るシー
ル装置を提供する。【解決手段】タービンシャフト５と動翼とを含む回転
構造物の外周面に周設された円環状のシールフィン１０
７と、静翼と静翼内輪９と静翼外輪とを含む静止構造物
の内周面に、シールフィン１０７に離間対向して周設さ
れた円環状のハニカムセル１１０と、を有する。シール
フィン１０７とハニカムセル１１０とで作動流体の漏洩
流路を狭めて漏洩を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複合発電プラント
や従来型火力発電プラントや原子力発電プラントなどに
使用される蒸気タービンのシール装置、およびそのシー
ル装置を適用した蒸気タービン、およびその蒸気タービ
ンを適用した発電プラントに関する。

【０００２】

【従来の技術】蒸気タービンの静翼は翼列をなしてター
ビンシャフトに近接してケーシングに取り付けられ、タ
ービンシャフトに翼列をなして取り付けられる動翼と組
み合わされて段落を形成し、タービン内に流入した蒸気
を静翼にて膨張させて高速にし、この高速の蒸気流を動
翼に流入することによりタービンシャフトを回転してい
る。従って静翼とタービンシャフトとの間にはタービン
シャフトの回転を可能にするために隙間が設けられてい
るが、静翼に流入する蒸気はこの隙間から静翼をバイパ
スする漏れ蒸気となって流れ、タービンの性能低下の一
因となるので、この漏れ蒸気量を小さくするため、ター
ビンシャフトに近接する部分の静翼内輪にシールフィン
が設けられる。

【０００３】このようなシールフィンとして従来からラ
ビリンスシールが知られている。蒸気タービンは高温蒸
気を使用して高速でロータを回転させる回転機械であ
り、タービンの性能を向上させるためには作動流体であ
る蒸気が少しでも多く静翼および動翼に流入するよう
に、タービンシャフトと静翼内輪との隙間や動翼先端と
静翼外輪との隙間、または動翼先端とケーシングの隙間
を通って漏洩する蒸気の量を出来るだけ少なくする必要
がある。蒸気タービンは高速回転機械であるのでこのよ
うな隙間のシールには上述の非接触式のラビリンスシー
ルが適用されている。

【０００４】図１７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は従来のラ
ビリンスシールの代表例を示し、図中符号９は図示しな
いタービンケーシングに嵌合して取り付けられた静翼翼
環８（静翼翼環はノズルダイアフラムと称することもあ
る。）の内輪、すなわち、静翼内輪であり、その内周に
通常は板ばね等の弾性体１１を介してパッキンリング２
が取り付けられ、そのパッキンリング２からパッキンリ
ングと一体または別体に加工されたシールフィン４が内
径側に向かって伸びている。

【０００５】図１７中符号５はタービンシャフトであ
り、タービンシャフト５には図１７（ｂ）、（ｃ）に示
したように、互い違い型に段差６が形成されることもあ
る。このような基本構造を有する非接触型のシール装置
を一般にラビリンスシール１５と称しており、シールフ
ィン先端の隙間７を微小に設定し、静翼をバイパスして
この隙間７を通って漏れ出る蒸気３を少なくして漏洩損
失を小さくしている。

【０００６】以上、静翼内輪とタービンシャフト間の隙
間のシール装置について説明したが、動翼先端と静翼外
輪またはケーシングとの間の隙間についても類似の問題
がある。図１８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に従来から適用
されてきた蒸気タービンの動翼先端と静翼外輪の間の隙
間のシール装置を示す。

【０００７】動翼１４の先端１６のシュラウドカバー２
１に設けられたシュラウドカバー２１と静翼１２の外輪
１７との間または図示しないケーシングとの間には、動
翼１４の回転を可能にするために隙間１８が設けられて
いる。このため、動翼１４に流入する蒸気の一部はこの
隙間１８から動翼１４をバイパスする漏れ蒸気となって
流れ、これもタービンの性能を低下させる一因となって
いる。この漏れ蒸気量を小さくするため、静翼外輪１７
（またはケーシング）が動翼先端１６に設けられたシュ
ラウドカバー２１に近接する部分にシールフィン１９が
設けられる。このようなシールフィンとして従来から図
１８（ａ）、（ｂ）または（ｃ）に代表されるラビリン
スシール２０が知られている。

【０００８】近年、蒸気タービンの高性能化が従来にも
増して要求されてきており、蒸気タービンの性能向上の
ためには静翼および動翼における性能向上や排気損失低
減などいろいろな改善が講じられて日々進歩してきてい
る。このような改善の中で、タービンシャフトと静翼内
輪との隙間や動翼先端と静翼外輪との隙間を通って漏洩
する蒸気の量を出来るだけ少なくするというシール性能
の向上がタービンの性能向上に大きく貢献する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１７及び図１８に示
したラビリンスシール１５、２０のシール性能は一般に
シールフィン先端の隙間７、１８を小さくすれば向上す
る。他方、シールフィン先端の隙間７、１８が小さすぎ
て何らかの要因により回転体と静止体が接触していわゆ
るラビング現象が発生すると、タービンの軸振動が激変
してタービンの運転の継続が困難なほどの過大な軸振動
を引き起こすことが知られている。

【００１０】従って、現状の回転機械ではラビリンスシ
ール１５、２０の隙間７、１８は回転体の直径が４００
ｍｍ程度の場合には０．３ｍｍ前後の直径隙間が、回転
体の直径が６００ｍｍ程度の場合には０．４ｍｍ前後の
直径隙間が、回転体の直径が７００ｍｍ程度の場合には
０．５ｍｍ前後の直径隙間が、回転体の直径が８００ｍ
ｍを超える場合には０．５ｍｍ以上の直径隙間が一般的
には採用されることが多い。ラビリンスシール１５、２
０のシール性能を更に向上させるにはこの隙間を更に大
幅に狭めることが要求される。

【００１１】しかしながら、蒸気タービンには起動停止
に伴うケーシングの不均一温度分布に起因する猫背現象
や逆猫背現象、ケーシングや静翼とロータや動翼との熱
膨張量の差異、回転体の遠心力による変形、軸受油膜に
よるロータ軸心の移動、アライメント変化、軸振動など
の現象が発生することから、現状の隙間設定がハードな
ラビング現象を発生させないための最小限の隙間設定で
あるといえる。

【００１２】また、タービンシャフト５にシールフィン
４が接触した場合、シールフィン４は冷却フィンの機能
を果たし接触によって発生した摩擦熱をシールフィン４
から蒸気へ速やかに放出する働きをする。他方、タービ
ンシャフト５側の接触部分はフィン形状を形成していな
いので、接触によって発生した摩擦熱を蒸気へ放出する
機能は小さく、従ってタービンシャフト５の接触部が過
熱し易くなる。すなわち、図１７に示すシール装置にお
いては、接触の影響がシールフィン４側よりもタービン
シャフト５側において顕在化し易い構造となっている。

【００１３】また、軸振動の固有モードのなかで最大の
振幅を有する振動モードは最低次の一次の固有モードで
あり、かつ、この一次固有モードはタービンシャフト５
の回転数と同一の振動周波数を有する振動モードである
ことからタービンシャフト５の円周上のある一部分がシ
ールフィン４といつも強く接触することになる。

【００１４】そのため、ラビング現象が一旦発生する
と、タービンシャフト５の接触部の温度が上昇し、接触
部位が大きく熱膨張してタービンシャフト５のしかも特
にいつも強く接触する円周上の一部分が凸になるように
タービンシャフト５が変形する。その場合、更に接触が
強くなってハードなラビング現象に至り、過大な振動を
生じてタービンの運転の停止を余儀なくされたり、ター
ビンシャフト５の接触部に熱応力による永久ひずみが発
生したり、ロータ接触部の溶融による残留ひずみが永久
ひずみとして発生したりしてタービンシャフト５に永久
曲がりを生じさせてしまうという問題があった。

【００１５】また、図１９は従来のシール装置の他の例
を示しており、このシール装置は、図１７に示したシー
ルフィン４に代えてハニカムセル１０を装着している。
このシール装置では、ハニカムセル１０がタービンシャ
フト５に接触した場合、シールフィン４の接触よりも広
範な範囲で接触することになる。このため、図１７に示
したシールフィン４場合よりもハードなラビングを引き
起こし、過大な軸振動と多大な損傷をタービンシャフト
５に引き起こす。このような事情から、蒸気タービンの
シール装置へのハニカムセル１０の適用は見送られてき
た。

【００１６】また、図１８に示した静翼外輪１７側のラ
ビリンスシール２０は、タービンシャフト５のシール部
分と同様にその間隙１８も変化し、その変化の程度によ
ってはシールフィン１９が動翼先端１６に設けられたシ
ュラウドカバー２１に接触することがある。その場合、
同様にタービン軸振動が発生して蒸気タービンの信頼性
に影響を与える。

【００１７】また、接触すると摩擦熱の発生によって接
触部の温度が上昇するが、動翼１４は回転運動をしてい
る物体であり回転による強大な遠心力が作用する物体で
あることから、蒸気タービンの動翼先端１６に配設され
ているシュラウドカバー２１の温度が接触による摩擦熱
によって高温となる。高温により材料強度が低下したシ
ュラウドカバー２１は遠心力により変形して半径方向に
膨らみ、更に接触が強くなってハードなラビング現象に
至り、過大な振動を生じてタービンの運転の停止を余儀
なくされたり、動翼先端１６のシュラウドカバー２１に
永久ひずみが発生したりする事態を引き起こすという問
題があった。

【００１８】また、図２０は従来のシール装置の他の例
を示し、このシール装置は、図１８に示したシールフィ
ン１９に代えてハニカムセル１０を装着している。この
シール装置では、ハニカムセル１０が動翼先端１６のシ
ュラウドカバー２１に接触した場合、図１８に示したシ
ールフィン１９の接触よりも広範な範囲で接触すること
になって、よりハードなラビングを引き起こして過大な
軸振動と多大なシュラウドカバー２１の損傷を引き起こ
す。このため、蒸気タービンのシール装置へのハニカム
セル１０の適用は見送られてきた。

【００１９】本発明の目的は、蒸気タービンの運転に支
障をきたすことなく、また、回転構造物に永久曲がりな
どの不具合を発生させることなく蒸気タービンのシール
性能を向上させ得るシール装置を提供することであり、
そのようなシール装置を適用した蒸気タービン並びに発
電プラントを提供することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、タービンシャフトと前記タービンシャフ
トに設けられた動翼とを含む回転構造物と、静翼と前記
静翼の内径側に設けられた静翼内輪と前記静翼の外径側
に設けられた静翼外輪とを含む静止構造物と、を備えた
蒸気タービンにおける作動流体の漏洩を防止するための
シール装置において、前記回転構造物の外周面に周設さ
れた円環状のシールフィンと、前記シールフィンに離間
対向して前記静止構造物の内周面に周設された円環状の
ハニカムセルと、を備えたことを特徴とする。

【００２１】また、好ましくは、前記シールフィンは、
前記タービンシャフトの外周面に設けられ、前記ハニカ
ムセルは前記静翼内輪の内周面に設けられている。

【００２２】また、好ましくは、前記シールフィンは、
前記動翼の先端のシュラウドカバーの外周面に設けら
れ、前記ハニカムセルは前記静翼外輪の内周面に設けら
れている。

【００２３】また、好ましくは、前記シールフィンは、
前記ハニカムセルを形成する金属材料よりも硬度の高い
金属材料により形成されている。

【００２４】また、好ましくは、前記ハニカムセルは、
ＣｒＭｏＶ低合金鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼、又は１
２Ｃｒ基鋼に代表されるフェライト系鋼よりも硬度の低
い、銅、りん青銅、黄銅、及びニッケルに代表される軟
質金属材料で形成されている。

【００２５】また、好ましくは、前記シールフィンは、
ＣｒＭｏＶ低合金鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼、又は１
２Ｃｒ基鋼に代表されるフェライト鋼で形成されてい
る。

【００２６】また、好ましくは、前記ハニカムセルは、
１８−８ステンレス鋼に代表されるオーステナイト系ス
テンレス鋼で形成されている。

【００２７】また、好ましくは、前記シールフィンは、
ＣｒＭｏＶ低合金鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼、又は１
２Ｃｒ基鋼に代表されるフェライト系鋼で形成されてい
る。

【００２８】また、好ましくは、前記シールフィンの表
面に高硬度の被膜を形成する。

【００２９】また、好ましくは、前記シールフィンは、
肉盛り溶接により形成されている。

【００３０】また、好ましくは、前記ハニカムセルを形
成する材料の熱伝導率は、前記シールフィンを形成する
材料の熱伝導率よりも小さい。

【００３１】また、好ましくは、前記ハニカムセルは硬
ろう材で形成されている。

【００３２】また、好ましくは、外径の異なる複数の前
記シールフィンを前記回転構造物の外周面に形成し、前
記ハニカムセルの内周面に段差を設けて、複数の前記シ
ールフィンのそれぞれの外径に対応させて前記ハニカム
セルの内径を変化させる。

【００３３】また、好ましくは、前記ハニカムセルの段
差部分に補強用仕切板を設ける。

【００３４】また、好ましくは、前記ハニカムセルの角
柱状のセル空間の軸心が前記回転構造物の半径方向に対
して傾斜している。

【００３５】また、好ましくは、前記ハニカムセルの角
柱状のセル空間の横断面の各辺が、前記回転側構造物の
回転方向に対して傾斜している。

【００３６】本発明は、タービンシャフトと前記タービ
ンシャフトに設けられた動翼とを含む回転構造物と、静
翼と前記静翼の内側に設けられた静翼内輪と前記静翼の
外側に設けられた静翼外輪とを含む静止構造物と、を備
えた蒸気タービンにおいて、上述した各種シール装置の
いずれかを備えたことを特徴とする。

【００３７】本発明による発電プラントは、上述した蒸
気タービンと、前記蒸気タービンにより駆動される発電
機と、を備えている。

【００３８】

【発明の実施の形態】第１実施形態以下、本発明の第１実施形態による、作動流体の漏洩を
防止するためのシール装置を有する蒸気タービン及びこ
れを備えた発電プラントについて図面を参照して説明す
る。

【００３９】図１は本実施形態におけるシール装置の部
分を示した断面図である。本実施形態における蒸気ター
ビンは、タービンシャフト５とタービンシャフト５に設
けられた動翼（図示せず）とを含む回転構造物と、静翼
（図示せず）と静翼の静翼翼環８の内径側に設けられた
静翼内輪９と静翼の外径側に設けられた静翼外輪（図示
せず）とを含む静止構造物とを備えている。

【００４０】そして、タービンシャフト５の表面には、
複数の円環状のシールフィン１０７が周設されている。
これらのシールフィン１０７に離間対向してハニカムセ
ル１１０が配置されており、このハニカムセル１１０
は、静翼内輪９の内周面に取り付けられたパッキンリン
グ２に設けられている。ハニカムセル１１０は、硬ろう
によってパッキンリング２にろう付けして固定されてい
る。

【００４１】パッキンリング２は、静翼内輪９の内周面
に形成された植込み部９ａに装着されており、植込み部
９ａの内面とパッキンリング２との間には板ばね等より
成る弾性体１１が設けられ、この弾性体１１によってパ
ッキンリング２がタービンシャフト５に向かって付勢さ
れている。

【００４２】図２に示したように、シールフィン１０７
の表面には、炭化クロムなどの高硬度皮膜２０７が形成
されており、高硬度皮膜２０７の形成方法としては例え
ば溶射を用いることができる。

【００４３】ハニカムセル１１０の材料に硬度の低い
銅、りん青銅、黄銅、ニッケルなどに代表される軟質金
属材料を用いると共に、シールフィン１０７の材料に、
ハニカムセル１１０の材料よりも高い硬度のＣｒＭｏＶ
低合金鋼やＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼または１２Ｃｒ基鋼
を用いることができる。

【００４４】また、変形例としては、ハニカムセル１１
０に熱伝導率の低い１８−８ステンレスに代表されるオ
ーステナイト系ステンレス鋼を用いる共に、シールフィ
ン１０７の材料に、ハニカムセル１１０の材料よりも熱
伝導率の高いフェライト系材料であるところのＣｒＭｏ
Ｖ低合金鋼やＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼または１２Ｃｒ基
鋼を用いることができる。

【００４５】さらに、本実施形態においては、図１及び
図２に示した静翼内輪９側のシール装置に加えて、図３
に示したように動翼１４の先端と静翼外輪１７との間に
もシール装置が設けられている。すなわち、動翼１４の
先端１６のシュラウドカバー２１の表面には、複数の円
環状のシールフィン１１９が周設されている。これらの
シールフィン１１９に離間対向してハニカムセル１２３
が配置されており、このハニカムセル１２３は、静翼外
輪１７の内周面に取り付けられたパッキンリング２２に
設けられている。ハニカムセル１２３は、硬ろうによっ
てパッキンリング２２にろう付けして固定されている。

【００４６】パッキンリング２２は、静翼外輪１７の内
周面に形成された植込み部１７ａに装着されており、植
込み部１７ａの内面とパッキンリング２２との間には板
ばね等より成る弾性体３１が設けられ、この弾性体３１
によってパッキンリング２２が動翼先端１６に向かって
付勢されている。なお、図３中符号１２は静翼を示して
いる。

【００４７】図４に示したように、シールフィン１１９
の表面には、炭化クロムなどの高硬度皮膜２１９が形成
されており、高硬度皮膜２１９の形成方法としては例え
ば溶射を用いることができる。

【００４８】ハニカムセル１２３の材料に硬度の低い
銅、りん青銅、黄銅、ニッケルなどに代表される軟質金
属材料を用いると共に、シールフィン１１９の材料に、
ハニカムセル１２３の材料よりも高い硬度の１２Ｃｒ基
鋼を用いることができる。

【００４９】また、変形例としては、ハニカムセル１２
３に熱伝導率の低い１８−８ステンレスに代表されるオ
ーステナイト系ステンレス鋼を用いる共に、シールフィ
ン１１９の材料に、ハニカムセル１２３の材料よりも熱
伝導率の高いフェライト系材料であるところの１２Ｃｒ
基鋼を用いることができる。

【００５０】次に、本実施形態の作用について説明す
る。

【００５１】本実施形態においては、ハニカムセル１１
０、１２３とシールフィン１０７、１１９とによって狭
小な間隙を形成し、これにより蒸気タービンの作動流体
である蒸気３の漏洩を防止している。そして、ハニカム
セル１１０、１２３は蜂の巣状の構造をしているので、
ハニカムセル１１０、１２３とシールフィンが１０７、
１１９が接触した場合には、ハニカムセル１１０、１２
３がシールフィン１０７、１１９よりも速やかに摩耗ま
たは変形するために接触が速やかに軽微なものになり、
または接触が速やかに解消し、ラビング発生時の振動を
より小さくかつ短時間に抑えることができる。

【００５２】また、タービンシャフト５の表面及び動翼
先端１６のシュラウドカバー２１の表面にシールフィン
１０７、１１９を形成したことにより、接触時のタービ
ンシャフト５及びシュラウドカバー２１側の接触面積を
大幅に低減できるので、タービンシャフト５及びシュラ
ウドカバー２１側に発生する摩擦熱の総量を大幅に低減
することが可能になる。また、タービンシャフト５及び
シュラウドカバー２１側からシールフィン１０７、１１
９を突出形成しているために、シールフィン１０７、１
１９が冷却フィンの役目を果たしてタービンシャフト５
及びシュラウドカバー２１に摩擦熱が伝わることを阻止
する構造となっている。

【００５３】また、ハニカムセル１１０、１２３は蜂の
巣状の構造となっているためにシールフィン１０７、１
１９が静止構造物に接触した場合においても、１回転あ
たりの接触時間（すなわち接触距離）は接触面がハニカ
ム構造でない場合に比べて極めて短時間（すなわち接触
距離が極めて短い）となることから、接触によって発生
する摩擦熱も従来のラビリンスシールが接触した場合に
比べて大幅に低減する。

【００５４】そして、上述したいくつかの効果が相乗す
ることによって、接触事象発生の際にタービンシャフト
５及びシュラウドカバー２１に伝わる摩擦熱の総量を大
きく低減することが可能になり、このため、ラビング発
生時の振動をより小さくかつ短時間に抑えることができ
るという上記の効果に加えて、タービンシャフト５及び
シュラウドカバー２１の損傷や変形を防止するという優
れた効果も同時に得ることが出来る。

【００５５】さらに本実施形態においては、タービンシ
ャフト５及びシュラウドカバー２１の表面に形成した円
環状のシールフィン１０７、１１９に高硬度の皮膜を形
成したので、接触事象発生の際にシールフィン１０７、
１１９に比べてハニカムセル１１０、１２３の方が摩耗
し易く、ハニカムセル１１０、１２３の摩耗が速やかに
進行することにより、接触が速やかに軽微なものにな
り、または接触が速やかに解消し、ラビング発生時の振
動をより小さくかつ短時間に抑えることが出来るという
効果が発揮される。

【００５６】また、シール相手面となる静止側に装着し
たハニカムセル１１０、１２３をＣｒＭｏＶ低合金鋼や
１２Ｃｒ基鋼に代表される鉄鋼材料よりも硬度の低い
銅、りん青銅、黄銅、ニッケルなどに代表される軟質金
属材料で形成することにより、接触事象発生の際にシー
ルフィン１０７、１１９に比べてハニカムセル１１０、
１２３の方が変形または摩耗し易く、ハニカムセル１１
０、１２３の摩耗が速やかに進行することにより、接触
が速やかに軽微なものになり、または接触が速やかに解
消し、ラビング発生時の振動をより小さくかつ短時間に
抑えることが出来るという効果が発揮される。

【００５７】また、タービンシャフト５及びシュラウド
カバー２１の表面に形成した円環状のシールフィン１０
７、１１９を形成する金属材料として静止側のハニカム
セル１１０、１２３を形成する金属材料に比べて硬い材
料を用いることにより、接触事象発生の際にシールフィ
ン１０７、１１９に比べてハニカムセル１１０、１２３
の方が変形または摩耗し易く、ハニカムセル１１０、１
２３の摩耗が速やかに進行することにより、接触が速や
かに軽微なものになり、または接触が速やかに解消し、
ラビング発生時の振動をより小さくかつ短時間に抑える
ことが出来るという効果が発揮される。

【００５８】また、タービンシャフト５及びシュラウド
カバー２１の表面に形成した円環状のシールフィン１０
７、１１９を形成する金属材料としてＣｒＭｏＶ低合金
鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼または１２Ｃｒ基鋼を用い
ることにより、これらの金属材料は銅、りん青銅、黄
銅、ニッケルなどに代表される軟質金属材料に比べては
るかに高い硬度を有しているので、ラビング発生時の振
動をより小さくかつ短時間に抑えることが出来るという
効果が発揮される。

【００５９】また、シール相手面となる静止側に装着し
たハニカムセル１１０、１２３を１８−８ステンレスに
代表されるオーステナイト系ステンレス鋼によって形成
することにより、オーステナイト系ステンレス鋼は熱伝
導率が小さいことから接触による摩擦熱がハニカムセル
１１０、１２３を介して静止構造物側に伝導し難く、ハ
ニカムセル１１０、１２３の接触部分に摩擦熱が蓄積さ
れてハニカムセル１１０、１２３の接触部の先端が極め
て高温になる。このため、当該高温部の材料強度が激減
して変形や摩耗が速やかに進行することにより、接触が
速やかに軽微なものになり、または接触が速やかに解消
し、ラビング発生時の振動をより小さくかつ短時間に抑
えることが出来るという効果が発揮される。

【００６０】また、シール相手面となる静止側に装着し
たハニカムセル１１０、１２３の材料の熱伝導率がター
ビンシャフト５及びシュラウドカバー２１の表面に形成
した円環状のシールフィン１０７、１１９を形成する金
属材料の熱伝導率よりも小さくなるような材料の組合わ
せとすることにより、熱伝導率が大きい材料で出来てい
てかつ冷却フィンの効果が充分に期待できるシールフィ
ン１０７、１１９側に比べて、当該ハニカムセル１１
０、１２３は熱伝導率が小さく接触による摩擦熱がハニ
カムセル１１０、１２３を介して静止構造物側に伝導し
難い。このため、従ってハニカムセル１１０、１２３の
接触部分に摩擦熱が蓄積され、ハニカムセル１１０、１
２３の接触部の先端が極めて高温になり当該高温部の材
料強度が激減して変形や摩耗が速やかに進行する。これ
により、接触が速やかに軽微なものになり、または接触
が速やかに解消し、ラビング発生時の振動をより小さく
かつ短時間に抑えることが出来るという効果が発揮され
る。

【００６１】また、タービンシャフト５及びシュラウド
カバー２１の表面に形成した円環状のシールフィン１０
７、１１９を形成する金属材料として、ＣｒＭｏＶ低合
金鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼または１２Ｃｒ基鋼など
のフェライト系鋼を用いることにより、フェライト系鋼
はオーステナイト系ステンレス鋼に比べて熱伝導率が極
めて小さいことから、上述した理由によりラビング発生
時の振動をより小さくかつ短時間に抑えることが出来る
という効果が発揮される。

【００６２】また、上述したように本実施形態において
はシール部の接触事象が発生しても運転に支障をきたす
ような過大な振動が発生することが無いので、シールフ
ィン１０７、１１９の先端とハニカムセル１１０、１２
３の表面との隙間７、１８を、現状一般的に採用されて
いる隙間に比べて半減させることが可能となり、このた
め、シール性能が大幅に向上し、蒸気タービン性能なら
びに発電プラント効率の向上に大きく貢献する。

【００６３】また、シール部の接触事象が発生しても運
転に支障をきたすような過大な振動が発生することが無
いので、従来技術の蒸気タービンに比して起動時間を大
幅に短縮できることから、蒸気タービンにおいて過渡的
熱変形が発生しやすくシール部の接触事象が発生しやす
い超急速起動停止が可能になり、発電プラントの運用性
に対する自由度が増して発電プラントの運用コスト低減
に貢献する。

【００６４】第２実施形態次に、本発明の第２実施形態による、作動流体の漏洩を
防止するためのシール装置を有する蒸気タービン及びこ
れを備えた発電プラントについて説明する。本実施形態
は、上述した第１実施形態におけるハニカムセル１１
０、１２３の材料を変更したものであり、その他の点は
第１実施形態と共通するので、以下では第１実施形態と
異なる部分について説明する。

【００６５】本実施形態においては、図１乃至図４に示
したシール装置のハニカムセル１１０、１２３が硬ろう
材で形成されている。ここで、「硬ろう」とは、ニッケ
ルろうや銀ろうなどの総称である。この場合のハニカム
セルの形成方法、すなわち空洞形成方法としては例えば
電解加工などが挙げられる。

【００６６】ハニカムセルを構成する硬ろうは、ニッケ
ルろうにしても銀ろうにしても鉄鋼材料などの蒸気ター
ビンの動翼やタービンシャフトに使用される金属材料に
比べて融点が大幅に低く、また強度も低い。従って、シ
ール装置において接触事象が発生して、摩擦熱で静止側
のハニカムセルや動翼先端のシールフィンの温度が上昇
した場合、硬ろう材でできたハニカムセルは接触による
温度上昇によって速やかに溶融または変形して接触が速
やかに軽微なものになり、または接触が速やかに解消
し、ラビング発生時の振動をより小さくかつ短時間に抑
えることが出来るという効果を発揮する。

【００６７】このため、シール部の接触事象が発生して
も運転に支障をきたすような過大な振動が発生すること
が無く、シールフィン先端の隙間を、現状一般的に採用
されている隙間に比べて半減させることが可能となる。
これにより、シール性能が大幅に向上し、また、蒸気タ
ービンの超急速起動停止が可能になり、蒸気タービン性
能ならびに発電プラント効率の向上に大きく貢献する。

【００６８】第３実施形態次に、本発明の第３実施形態による、作動流体の漏洩を
防止するためのシール装置を有する蒸気タービン及びこ
れを備えた発電プラントについて図面を参照して説明す
る。なお、本実施形態は、上述した第１又は第２実施形
態においてハニカムセル１１０、１２３の構造を変更し
たものであり、以下では、第１又は第２実施形態と異な
る部分について説明する。

【００６９】図５及び図６に示したように本実施形態に
おけるシール装置は、外径の異なる複数のシールフィン
１０７、１１９をタービンシャフト５及びシュラウドカ
バー２１の表面に形成し、ハニカムセル１１０、１２３
の内周面に段差を設けて、複数のシールフィン１０７、
１１９のそれぞれの外径に対応させてハニカムセル１１
０、１２３の内径を変化させたことを特徴とする。

【００７０】より具体的には、図５及び図６に示したよ
うにハニカムセル１１０、１２３の表面は、タービンシ
ャフト５を含む回転構造物の回転軸心方向に沿って互い
違いに凹凸が形成されており、各凹凸に対応するように
して外径の異なる１つ又は２つのシールフィン１０７、
１１９が互い違いに配置されている。

【００７１】そして、図５及び図６に示した本実施形態
においては、シール部分に形成された屈曲空間（ジグザ
グ空間）によって漏洩蒸気３が一層強い渦流を形成する
ことになり、このため、漏洩蒸気の運動エネルギーを消
費して漏洩蒸気量が低減する。従って、シール性能が大
幅に向上するので蒸気タービン性能ならびに発電プラン
ト効率の向上に大きく貢献する。

【００７２】また、図７及び図８は本実施形態の第１変
形例を示しており、この変形例においては、ハニカムセ
ル１１０、１２３の凹凸形状の段差部分の境界に、補強
用仕切板１２０が設けられている。

【００７３】図７及び図８に示した本実施形態の変形例
においては、ハニカムセル１１０、１２３の段差部分の
境界に補強用仕切板１２０を設けたので、段差部のハニ
カムセル１１０、１２３の端部の強度を確保できる。

【００７４】また、図９（ａ）は補強用仕切板１２０が
ある場合の漏洩蒸気の流れを矢印１３０で示し、図９
（ｂ）は補強用仕切板１２０がない場合の漏洩蒸気の流
れを矢印１４０で示しているが、図９（ａ）、（ｂ）に
示した如くシールフィン１０７、１１９がハニカムセル
１１０、１２３の段差の端部近傍に位置している場合、
補強用仕切板１２０がないと図９（ｂ）のように漏洩蒸
気１４０が吹き抜けてしまうが、補強用仕切板１２０を
設けることにより、図９（ａ）に示したように漏洩蒸気
１３０が回り込み、これによりシール性能が向上する。

【００７５】また、図１０及び図１１は本実施形態の第
２変形例を示しており、本変形例においては、ハニカム
セル１１０、１２３の内径が、タービンシャフト５を含
む回転側部材の回転軸心方向に沿って、蒸気の流れの上
流側から下流側に向かって段階的に大きくなるように階
段状（ステップ状）に変化しており、シールフィン１０
７、１１９の高さも、ハニカムセル１１０、１２３の階
段状の表面形状に合わせて階段状に変化している。そし
て、本変形例は、上述した本実施形態と同様の作用及び
効果を奏することができる。

【００７６】また、図１２及び図１３は本実施形態の第
３変形例を示しており、本変形例は上記第２変形例にお
いて、ハニカムセル１１０、１２３の階段形状の段差部
分の境界に、補強用仕切板１２０を設けたものである。
本変形例は、上記第２変形例と同様の作用及び効果を奏
することができる。

【００７７】なお、上述した本実施形態及びその各種変
形例は、ハニカムセル１１０、１２３とシールフィン１
０７、１１９とが段差部分で軸方向に接触することのな
いように、蒸気タービンの軸方向の伸び差の小さい高圧
段落もしくは中圧段落のシール装置として適用すること
が望ましい。

【００７８】第４実施形態次に、本発明の第４実施形態による、作動流体の漏洩を
防止するためのシール装置を有する蒸気タービン及びこ
れを備えた発電プラントについて図面を参照して説明す
る。なお、本実施形態は、上述した第１乃至第３実施形
態においてハニカムセル１１０、１２３の構造を変更し
たものであり、以下では、第１乃至第３実施形態と異な
る部分について説明する。

【００７９】図１４に示したように本実施形態において
は、静翼内輪９側のハニカムセル１１０の角柱状のセル
空間の軸心Ｘが回転構造物の半径方向Ｙに対して傾斜し
ている。また、静翼外輪１７側のハニカムセル１２３
（図３参照）もハニカムセル１１０と同様に、ハニカム
セル１２３の角柱状のセル空間の軸心が回転構造物の半
径方向に対して傾斜している。

【００８０】また、図１５（ａ）に示したように本実施
形態におけるハニカムセル１１０、１２３の六角柱状の
セル空間を形成する六角形の枠１９０の各辺の向きが、
タービンシャフトの円周方向１６０と一致することがな
いように、ハニカムセル１１０、１２３を配置して形成
している。

【００８１】ここで、ハニカムセル１１０、１２３の六
角形の各辺の向きがタービンシャフトの円周方向１６０
と一致するのは、図１５（ｂ）に示したようにハニカム
セル１１０、１２３の列方向１７０がタービンシャフト
の軸方向１５０に対して０°、６０°、１２０°の角度
１８０に位置するように配置した場合であるから、これ
らの角度１８０を避けるように配置する。好ましくは、
タービンシャフトの軸方向１５０に対してハニカムセル
１１０、１２３の列が３０°±１５°または９０°±１
５°の角度に位置するように配置する。

【００８２】そして、本実施形態においては、図１４に
示したようにハニカムセル１１０、１２３の角柱状のセ
ル空間の軸心Ｘを回転構造物の半径方向Ｙに対して傾斜
させたので、シール部分で漏洩蒸気が一層強い渦流を形
成することになって漏洩蒸気の運動エネルギーを消費し
て漏洩蒸気量が低減する。

【００８３】また、図１５（ａ）に示したようにハニカ
ムセル１１０、１２３の六角柱状のセル空間を形成する
六角形の枠１９０の各辺の向きが、タービンシャフトの
円周方向１６０と一致することがないようにハニカムセ
ル１１０、１２３を配置して形成したので、ハニカムセ
ル１１０、１２３の枠のいずれの辺もシールフィン１０
７、１１９と平行になることはなく、このため、ハニカ
ムセル１１０、１２３とシールフィン１０７、１１９と
が接触してラビング現象が発生した場合においても、ハ
ニカムセル１１０、１２３が容易に摩耗し、タービンの
運転に支障をきたすほどの深刻なラビング振動を引き起
こすことがなくなる。

【００８４】第５実施形態次に、本発明の第５実施形態による、作動流体の漏洩を
防止するためのシール装置を有する蒸気タービン及びこ
れを備えた発電プラントについて図面を参照して説明す
る。なお、本実施形態は、上述した第１乃至第４実施形
態においてシールフィン１０７、１１９の構造を変更し
たものであり、以下では、第１乃至第４実施形態と異な
る部分について説明する。

【００８５】図１６に示したように本実施形態において
は、静翼外輪１７側のシールフィン１１９の一部分また
は全てが肉盛り溶接部１３５にて形成されており、フィ
ンの形状を整えるために肉盛り溶接後にフィン形状に加
工している。なお、静翼内輪９側のシールフィン１０７
（図１参照）もシールフィン１１９と同様に肉盛り溶接
にて形成されている。

【００８６】このようにシールフィン１０７、１１９を
肉盛り溶接部１３５にて形成することにより、接触事象
等の影響によりシールフィン１０７、１１９に損傷が発
生した場合においても速やかに補修することが可能であ
り、劣化したシール性能の回復が可能である。

【００８７】また、ハニカムセル１１０、１２３の形状
に合わせてシールフィン１０７、１１９の高さを調整し
て形成することもできることから、最大限のシール性能
向上が図れる。

【００８８】また、肉盛り溶接部１３５の材料を適宜選
定することにより摩耗に強いシールフィン１０７、１１
９を形成することができる。また、これとは逆に、肉盛
り溶接部１３５の材料を適宜選定することにより摩耗が
速やかに進行するシールフィン１０７、１１９を形成す
ることも可能である。

【００８９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、蒸気
タービンの回転構造物の外周面に円環状のシールフィン
を周設すると共に、シールフィンに離間対向して蒸気タ
ービンの静止構造物の内周面にハニカムセルを周設した
ので、タービン運転中に回転構造物のシールフィンが静
止構造物に設けられたハニカムセルと接触した場合にお
いても、ラビングによる振動を大幅に抑制することが可
能であり、タービンの運転に支障をきたすような過大な
振動を発生することがなくなるので蒸気タービンならび
に発電プラントの運転に対して大きな利点となる。

【００９０】また、ラビングはタービンの起動停止に伴
うケーシングなどの静止部品の温度不均一による変形に
よって発生することが多いことから、従来の発電プラン
トでは起動時間に制限が設けられており更なる起動時間
短縮は従来技術では困難であったが、本発明によればラ
ビングが発生しても軸振動は過大にならず、ハニカムセ
ルが容易に摩耗してラブアウトしてラビングが解消され
るので、従来技術の蒸気タービンに比して起動時間を大
幅に短縮できる。従って、蒸気タービンの超急速起動停
止が可能になり発電プラントの運用性に対する自由度が
増して発電プラントの運用コスト低減に貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態における静翼内輪側のシ
ール装置の部分を示した断面図。

【図２】図１に示したシール装置のシールフィン及びハ
ニカムセルの部分を拡大して示した断面図。

【図３】本発明の第１実施形態における静翼外輪側のシ
ール装置の部分を示した断面図。

【図４】図３に示したシール装置のシールフィン及びハ
ニカムセルの部分を拡大して示した断面図。

【図５】本発明の第３実施形態における静翼内輪側のシ
ール装置の部分を示した断面図。

【図６】本発明の第３実施形態における静翼外輪側のシ
ール装置の部分を示した断面図。

【図７】本発明の第３実施形態の第１変形例における静
翼内輪側のシール装置の部分を示した断面図。

【図８】本発明の第３実施形態の第１変形例における静
翼外輪側のシール装置の部分を示した断面図。

【図９】（ａ）は補強用仕切板がある場合の漏洩蒸気の
流れを矢視した斜視図、（ｂ）は補強用仕切板がない場
合の漏洩蒸気の流れを矢視した斜視図。

【図１０】本発明の第３実施形態の第２変形例における
静翼内輪側のシール装置の部分を示した断面図。

【図１１】本発明の第３実施形態の第２変形例における
静翼外輪側のシール装置の部分を示した断面図。

【図１２】本発明の第３実施形態の第３変形例における
静翼内輪側のシール装置の部分を示した断面図。

【図１３】本発明の第３実施形態の第３変形例における
静翼外輪側のシール装置の部分を示した断面図。

【図１４】本発明の第４実施形態における静翼内輪側の
シール装置の部分を示した断面図。

【図１５】（ａ）は第４実施形態におけるハニカムセル
の配置を説明するための図、（ｂ）は本実施形態によら
ないハニカムセルの一般的な配置例を示した説明図。

【図１６】本発明の第５実施形態における静翼外輪側の
シール装置の部分を示した断面図。

【図１７】（ａ）は従来の蒸気タービンの静翼内輪側の
シール装置の第１例を示した断面図、（ｂ）は同第２例
を示した断面図、（ｃ）は同第３例を示した断面図。

【図１８】（ａ）は従来の蒸気タービンのシール装置の
部分を示した断面図、（ｂ）は（ａ）の静翼外輪側のシ
ール装置を拡大して示した断面図、（ｃ）は静翼外輪側
のシール装置の他の例を示した断面図。

【図１９】従来の蒸気タービンのハニカムセルを備えた
静翼内輪側のシール装置の部分を示した断面図。

【図２０】従来の蒸気タービンのハニカムセルを備えた
静翼外輪側のシール装置の部分を示した断面図。

【符号の説明】

２、２２パッキンリング５タービンシャフト７、１８隙間９静翼内輪１２静翼１４動翼１６動翼先端１７静翼外輪２１シュラウドカバー１０７、１１９シールフィン１１０、１２３ハニカムセル１２０補強用仕切板３５肉盛り溶接部２０７、２１９高硬度皮膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】タービンシャフトと前記タービンシャフト
に設けられた動翼とを含む回転構造物と、静翼と前記静
翼の内径側に設けられた静翼内輪と前記静翼の外径側に
設けられた静翼外輪とを含む静止構造物と、を備えた蒸
気タービンにおける作動流体の漏洩を防止するためのシ
ール装置において、前記回転構造物の外周面に周設された円環状のシールフ
ィンと、前記シールフィンに離間対向して前記静止構造
物の内周面に周設された円環状のハニカムセルと、を備
えたことを特徴とする蒸気タービンのシール装置。
【請求項２】前記シールフィンは、前記タービンシャフ
トの外周面に設けられ、前記ハニカムセルは前記静翼内
輪の内周面に設けられていることを特徴とする請求項１
記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項３】前記シールフィンは、前記動翼の先端のシ
ュラウドカバーの外周面に設けられ、前記ハニカムセル
は前記静翼外輪の内周面に設けられていることを特徴と
する請求項１又は２記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項４】前記シールフィンは、前記ハニカムセルを
形成する金属材料よりも硬度の高い金属材料により形成
されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
一項に記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項５】前記ハニカムセルは、ＣｒＭｏＶ低合金
鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼、又は１２Ｃｒ基鋼に代表
されるフェライト系鋼よりも硬度の低い、銅、りん青
銅、黄銅、及びニッケルに代表される軟質金属材料で形
成されていることを特徴とする請求項４記載の蒸気ター
ビンのシール装置。
【請求項６】前記シールフィンは、ＣｒＭｏＶ低合金
鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼、又は１２Ｃｒ基鋼に代表
されるフェライト鋼で形成されていることを特徴とする
請求項５記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項７】前記ハニカムセルは、１８−８ステンレス
鋼に代表されるオーステナイト系ステンレス鋼で形成さ
れていることを特徴とする請求項４記載の蒸気タービン
のシール装置。
【請求項８】前記シールフィンは、ＣｒＭｏＶ低合金
鋼、ＮｉＣｒＭｏＶ低合金鋼、又は１２Ｃｒ基鋼に代表
されるフェライト系鋼で形成されていることを特徴とす
る請求項７記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項９】前記シールフィンの表面に高硬度の被膜を
形成したことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一
項に記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項１０】前記シールフィンは、肉盛り溶接により
形成されていることを特徴とする請求項１乃至９のいず
れか一項に記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項１１】前記ハニカムセルを形成する材料の熱伝
導率は、前記シールフィンを形成する材料の熱伝導率よ
りも小さいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれ
か一項に記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項１２】前記ハニカムセルは硬ろう材で形成され
ていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一
項に記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項１３】外径の異なる複数の前記シールフィンを
前記回転構造物の外周面に形成し、前記ハニカムセルの
内周面に段差を設けて、複数の前記シールフィンのそれ
ぞれの外径に対応させて前記ハニカムセルの内径を変化
させたことを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一
項に記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項１４】前記ハニカムセルの段差部分に補強用仕
切板を設けたことを特徴とする請求項１３記載の蒸気タ
ービンのシール装置。
【請求項１５】前記ハニカムセルの角柱状のセル空間の
軸心が前記回転構造物の半径方向に対して傾斜している
ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記
載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項１６】前記ハニカムセルの角柱状のセル空間の
横断面の各辺が、前記回転側構造物の回転方向に対して
傾斜していることを特徴とする請求項１乃至１５のいず
れか一項に記載の蒸気タービンのシール装置。
【請求項１７】タービンシャフトと前記タービンシャフ
トに設けられた動翼とを含む回転構造物と、静翼と前記
静翼の内径側に設けられた静翼内輪と前記静翼の外径側
に設けられた静翼外輪とを含む静止構造物と、を備えた
蒸気タービンにおいて、請求項１乃至１６のいずれか一項に記載のシール装置を
備えたことを特徴とする蒸気タービン。
【請求項１８】請求項１７記載の蒸気タービンと、前記
蒸気タービンにより駆動される発電機と、を備えた発電
プラント。