JP2002130484A - 軸流機械のケーシングシール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ケーシングの車室間の圧力差が大きく、かつケ
ーシング間の変位差が大きい場合でも、車室間の空気の
リーク量を低減できる軸流機械のケーシングシール構造
を提供する。 【解決手段】二股シール２０９を、周方向に数セグメン
トに分割された薄円板を少なくとも３枚重ね合わせた三
重構造とし、二股に分かれた２枚の薄円板４０６の間に
１枚の薄円板４０７を挟んだ構造とした。また薄円板４
０７は、２枚の薄円板４０６に対して周方向に位相をず
らして設置し、セグメント間の周方向接続部の一方を、
薄円板４０７が薄円板４０６より突き出すように配置
し、周方向接続部の他方を、薄円板４０７が薄円板４０
６より凹むように配置し、突き出し部と凹み部とを嵌合
させた周方向接続部を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸流機械のケーシ
ングシール構造に関し、特に高い圧力差が存在し、ケー
シングの起動・停止における変位差が大きい車室間のリ
ーク防止に有効なタービンのケーシングシール構造に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、タービン、圧縮機等の軸流機械の
ケーシングで形成された車室間のシール構造は、例えば
特開平１０−１５３１２９号公報に記載されているよう
に、ストレート部、テーパ部、及び湾曲部からなり周方
向に数セグメントに分割された薄円板を２枚合わせた構
造を有していた。また、各セグメントの周方向接続部に
は、初期ギャップが設けられ、定常運転時にギャップか
らのリークをある程度許容する構造になっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平１０−１５
３１２９号公報に記載のシール構造では、圧力差の大き
い車室間をシールする場合、定常運転時、周方向のセグ
メントギャップからの空気の漏れが多くなり、タービン
の性能を低下させるという問題があった。

【０００４】また、シールするケーシング間の熱伸びが
大きいと、薄円板の高圧側の湾曲部の接触部がケーシン
グから離れ、シールは薄円板低圧側の接触部でのみ担う
ことになり、周方向からのリーク量が益々大きくなると
いう問題があった。本発明の目的は、上記問題を解決す
べく、ケーシングの車室間の圧力差が大きく、かつケー
シング間の変位差が大きい場合でも、車室間の空気のリ
ーク量を低減できる軸流機械のケーシングシール構造を
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明におけるケーシングシール構造の特徴とする
ところは、ケーシングにより形成された車室間の空気の
リークを防止する二股シールを、周方向に数セグメント
に分割された薄円板を少なくとも３枚重ね合わせた構成
とすることにある。

【０００６】具体的には本発明は次に掲げるシール構造
を提供する。

【０００７】本発明は、回転体を内包するケーシングに
より形成された車室間に設けられ前記車室間の空気のリ
ークを防止する二股シールを有する軸流機械のケーシン
グシール構造において、前記二股シールは、周方向に数
セグメントに分割された薄円板を少なくとも３枚重ね合
わせた構成であることを特徴とする軸流機械のケーシン
グシール構造を提供する。

【０００８】また、本発明は、回転体を内包する内ケー
シング及び外ケーシングにより形成された高圧車室と低
圧車室との間に設けられ前記高圧車室から前記低圧車室
への空気のリークを防止する二股シールを有する軸流機
械のケーシングシール構造において、前記二股シール
は、周方向に数セグメントに分割された薄円板を３枚重
ね合わせた構成を有し、前記３枚重ね合わせた薄円板の
外周側が前記外ケーシングに嵌め込まれ、かつ前記３枚
重ね合わせた薄円板の内周側が前記内ケーシングに設け
られた溝部の内面に接触挿入されるように構成されてい
ることを特徴とする軸流機械のケーシングシール構造を
提供する。

【０００９】好ましくは、前記二股シールは、前記３枚
重ね合わせた薄円板のうち両側の薄円板に挟まれた中間
の薄円板を前記周方向に位相をずらして構成され、前記
各セグメント間における周方向接続部の一方を、前記中
間の薄円板が前記両側の薄円板より突き出すように配置
し、前記周方向接続部の他方を、前記中間の薄円板が前
記両側の薄円板より引っ込むように配置し、前記突き出
し部と前記引っ込み部とを合体させた周方向接続部を有
する。

【００１０】好ましくは、前記両側の薄円板のうち一方
の内周側は、前記内ケーシングに設けられた溝部の前記
高圧車室側の内面に接触し、他方の内周側は、前記内ケ
ーシングに設けられた溝部の前記低圧車室側の内面に接
触し、記中間の薄円板は、前記低圧車室側の内面に接触
する薄円板に略密着するように配置されている。

【００１１】好ましくは、前記中間の薄円板を２枚以上
有し、前記各中間の薄円板は、互いに前記周方向の位相
がずれている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態例に
係る軸流機械のケーシングシール構造を、図を用いて説
明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施の形態例に係るケ
ーシングシール構造を用いたタービンの断面図である。

【００１４】図１に示すように、圧縮機（図示せず）か
らの圧縮空気１０１が給気ケーシング１０２から導入さ
れ、燃焼器１０３内で燃料と混合して燃焼し、燃焼ガス
１０４がタービン動翼部に入る。燃焼ガス１０４が、ス
タッキングボルト１０５で締結されたデイスク１０６に
嵌合された初段動翼１０７及び２段動翼１０８を回転さ
せ、回転エネルギーを発電機（図示せず）に伝達する。

【００１５】本タービンのケーシングは、給気ケーシン
グ１０２及び燃焼器１０３の外筒１０９が装着された吐
出ケーシング１１０、デイスク１０６及び初段動翼１０
７、２段動翼１０８、初段静翼１１１、２段静翼１１２
等を内臓する内ケーシング１１３、内ケーシング１１３
を内蔵する外ケーシング１１４、さらに燃焼ガス１０４
を排気するための排気ケーシング１１５、内ケーシング
１１３と外ケーシング１１４との間の変形を吸収しシー
ル性を確保するための二股に分かれた二股シール２０
９、から構成されている。

【００１６】図２は、図１のタービンのタービンケーシ
ングのシール構造を装着する部位を示す概略図である。
タービンケーシングは、内ケーシング１１３と外ケーシ
ング１１４とから構成され、内ケーシング１１３はイン
ロー部２０１を介して外ケーシング１１４内に固定され
ている。

【００１７】内ケーシング１１３は、垂直仕切り板２０
２を境にして上流側車室２０３と下流側車室２０４との
間に圧力差が存在し、上流側車室２０３から下流側車室
２０４方向へ垂直仕切り板２０２を押すことになる。ま
た、上流側車室２０３は下流側車室２０４に比較してガ
ス温度が高いため、定常時は圧力差と熱変形により垂直
仕切り板２０２に対し下流側内車２０５が下流側へ移動
する。

【００１８】また、内ケーシング１１３と外ケーシング
１１４との間に形成されたギャップ２０６は、定常時の
みならず起動・停止に伴って開閉する。そこで、タービ
ンガスパス側２０７の圧力は、下流側車室２０４の圧力
より低く、タービンガスパス側２０７への空気のリーク
２０８を極力低減するために、二股に分かれた二股シー
ル２０９が装着されている。

【００１９】下流側車室２０４から冷却空気が、図１に
示す初段静翼１１１、２段静翼１１２へ導入され、初段
静翼１１１、２段静翼１１２の高温熱応力による破損を
防止する構造を形成している。

【００２０】ここで、タービンガスパス側２０７への空
気のリーク２０８が増加すると、初段静翼１１１、２段
静翼１１２の冷却性能が低下し、熱応力による破損が懸
念されると共に、タービンの性能と効率の低下を招く。

【００２１】また、タービンガスパス側２０７への空気
のリーク２０８が存在した状態で、初段静翼１１１、２
段静翼１１２の冷却性能を確保するためには、さらなる
冷却空気が必要となり、タービンの効率が低下すること
になる。

【００２２】以上のような内ケーシング１１３と外ケー
シング１１４との変位に追従して変形し、十分なシール
性を確保するために、二股シール２０９を装着する。

【００２３】図３は、外ケーシング１１４及び二股シー
ル２０９を図２の下流側２１０より見た場合の概略図で
ある。外ケーシング１１４は、上半ケーシング３０１と
下半ケーシング３０２に分割され、上半ケーシング３０
１及び下半ケーシング３０２は各々水平フランジ３０３
を有する。水平フランジ３０３はボルト３０４で締結さ
れ、上半ケーシング３０１と下半ケーシング３０２間の
リークを防止する構造となっている。

【００２４】また、二股シール２０９は、周方向に円弧
状に配置された複数のセグメントで構成されている。

【００２５】図４は、二股シール２０９のタービン軸方
向断面図である。図４に示すように、二股シール２０９
は、断面形状的には、直線部４０１と、テーパ部４０２
と、Ｒの付いた湾曲部４０３とから構成されている。直
線部４０１は、外ケーシング１１４の溝部４０４に嵌め
込まれ、かしめ等によって固定される。内周側の湾曲部
４０３は内ケーシング１１３の溝部４０５に初期締め代
を与えて挿入される。

【００２６】また、二股シール２０９は、構造的には、
成形加工した二枚板４０６の間に薄板４０７を挟んだ三
重構造となっている。中間の薄板４０７は直線部とテー
パ部のみを有し、両側の二枚板４０６のタービンガスパ
ス側２０７の二枚板４０６に形状を合わせ密着されてい
る。

【００２７】加工上及び密着性の問題から、薄板４０７
には、湾曲部を付加しない。また、薄板４０７に湾曲部
を形成させると、密着性を低下させないためには加工精
度が必要とされ、コスト高になる。また仮に薄板４０７
に湾曲部を形成させても、薄板４０７とタービンガスパ
ス側２０７の二枚板４０６との間の密着性を確保するこ
とは困難となる。

【００２８】本実施の形態例では、薄板４０７に湾曲部
を形成させないため、テーパ部４０２における二枚板４
０６の下流側板と薄板４０７の密着性が高まり、シール
性を向上できるという効果がある。

【００２９】図５は、二股シール２０９をタービン軸垂
直方向より見た図である。二股シール２０９は、周方向
に６個のセグメントに分割された薄円板を３枚重ね合わ
せた構成になっており、また、水平面５０１に端部を有
する４個の水平セグメント５０２と、水平面５０１から
６０°の位置に端部を有する２個の垂直セグメント５０
３とから構成されている。

【００３０】二股シール２０９の材質には、例えばNi基
合金が用いられるので、タービン稼動中ケーシング温度
が400℃程度に上昇すると、二股シール２０９も同様な
温度になる。この際、ケーシング材よりも二股シール材
の方が線膨張係数が大きいため、熱伸び差が生じる。熱
伸び差を吸収するために、セグメントに分割し各セグメ
ント間にギャップを設ける必要がある。

【００３１】二股シール２０９を周方向に分割されない
１リング構造にすると、上半ケーシング３０１と下半ケ
ーシング３０２との組み立てが困難になる。さらに、上
半ケーシング３０１と下半ケーシング３０２に対応させ
て、180°で分割する構造をとると、加工精度の問題か
ら周方向にうねりが生じることが懸念される。逆にセグ
メント数を増加させると、リーク個所が増加するという
問題も生じる。以上のことから、セグメント数は６〜１
０程度が妥当になる。

【００３２】図６は、図５の水平面セグメントと垂直セ
グメントとの嵌合部の横断面図である。水平面セグメン
ト５０２には、薄板４０７を周方向に突き出させた周方
向突出部６０１が形成されている。一方、垂直セグメン
ト５０３には、薄板４０７を周方向に引っ込ませた周方
向溝部６０２が形成されている。周方向突出部６０１を
周方向溝部６０２に嵌合させる。

【００３３】また、水平面５０１での上半ケーシング３
０１側の水平面セグメント５０２と下半ケーシング３０
２側の水平面セグメント５０２との接触部は、初期ギャ
ップが０になるように合わせられている。

【００３４】下流側車室２０４とタービンガスパス側２
０７との圧力差により、周方向突出部６０１は周方向溝
部６０２のタッチ面６０３で接触する。従来技術は薄板
４０７がなかったために、周方向ギャップ６０４を介し
てリークしていたが、周方向突出部６０１を周方向溝部
６０２に嵌合させこれにより、リーク２０８が大幅に低
減できる。さらに、二枚板４０６の間に挿入する薄板４
０７の枚数を２枚以上に増やし、周方向溝部６０２を多
段にすると、リーク２０８をより低減することができ
る。

【００３５】図７は、本発明の他の実施の形態例を示
し、薄板４０７を２枚にした二股シールのタービン軸方
向断面図である。薄板４０７にもう１枚の付加薄板７０
１を重ね合わせる。付加薄板７０１は薄板４０７と同様
に直線部とテーパ部のみを有し、薄板４０７に形状を合
わせ密着させた四重二股シール７０２を形成している。

【００３６】図８は、四重二股シール７０２をタービン
軸垂直方向より見た図である。四重二股シール７０２も
図５の三重の二股シール２０９と同様に、周方向に６個
のセグメントに分割されている。これらのセグメント
は、水平面８０１に端部を有する４個の水平セグメント
８０２と、水平面８０１から６０°の位置に端部を有す
る２個の垂直セグメント８０３から構成されている。

【００３７】図９は、図８の水平面セグメントと垂直セ
グメントとの嵌合部の横断面図である。水平面セグメン
ト８０２には、薄板４０７を周方向に突き出させた周方
向突出部９０１、及び付加薄板４０８を周方向に突き出
させた周方向突起部９０２が形成されている。

【００３８】一方、水平面８０１から６０°の位置に端
部を有する垂直セグメント８０３には、薄板４０７を周
方向に引っ込ませた周方向溝部９０３、及び付加薄板４
０８を周方向に引っ込ませた周方向溝部９０４が形成さ
れている。周方向突出部９０１を周方向溝部９０３に、
周方向突起部９０２を周方向溝部９０４にそれぞれ周方
向に嵌合させる。

【００３９】また、水平面８０１での上半ケーシング３
０１側の水平面セグメント８０２と下半ケーシング３０
２側の水平面セグメント８０２との接触部は、初期ギャ
ップが０になるように合わせられている。

【００４０】下流側車室２０４とタービンガスパス側２
０７との圧力差により、前記周方向突出部９０１は周方
向溝部９０３のタッチ面９０５で接触し、周方向突出部
９０２は周方向溝部９０４のタッチ面９０６で接触す
る。図６の三重シール構造では、タッチ面６０３のみの
１個所で接触していたのに対して、本四重シール構造で
はタッチ面９０５とタッチ面９０６の２個所で接触する
ため、リーク２０８をより一層低減することができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば、車室間の圧力差が大き
く、かつ内ケーシングと外ケーシング間の変位差が大き
い場合でも、内ケーシングと外ケーシング間の空気のリ
ーク量を低減することができる。その結果、タービン、
圧縮機等の軸流機械の性能と効率向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態例に係るケーシングシー
ル構造を用いたタービンの断面図である。

【図２】図１のタービンのタービンケーシングのシール
構造を装着する部位を示す概略図である。

【図３】外ケーシング及び二股シールを図２の下流側よ
り見た場合の概略図である。

【図４】図１のケーシングシール構造を構成する二股シ
ールのタービン軸方向断面図である。

【図５】図４の二股シールをタービン軸垂直方向より見
た図である。

【図６】図５の水平面セグメントと垂直セグメントとの
嵌合部の横断面図である。

【図７】本発明の他の実施の形態例を示し、薄板を２枚
にした二股シールのタービン軸方向断面図である。

【図８】図７の四重の二股シールをタービン軸垂直方向
より見た図である。

【図９】図８の水平面セグメントと垂直セグメントとの
嵌合部の横断面図である。

【符号の説明】

１０１…圧縮空気、１０２…給気ケーシング、１０３…
燃焼器、１０４…燃焼ガス、１０５…スタッキングボル
ト、１０６…デイスク、１０７…初段動翼、１０８…２
段動翼、１０９…外筒、１１０…吐出ケーシング、１１
１…初段静翼、１１２…２段静翼、１１３…内ケーシン
グ、１１４…外ケーシング、１１５…排気ケーシング、
２０１…インロー部、２０２…垂直仕切り板、２０３…
上流側車室、２０４…下流側車室、２０５…下流側内
車、２０６…ギャップ、２０７…タービンガスパス側、
２０８…リーク、２０９…二股シール、３０１上半ケー
シング、３０２下半ケーシング、３０３水平フランジ、
４０１…直線部、４０２…テーパ部、４０３…Ｒの付い
た湾曲部、４０４…外ケーシングの溝部、４０５…内ケ
ーシングの溝部、４０６…二枚板、４０７…薄板、４０
８…タービンガスパス側の板、５０１,８０１…水平
面、５０２,８０２…水平セグメント、５０３,８０３…
垂直セグメント、６０１,９０１,９０２…周方向突出
部、６０２,９０３,９０４…周方向溝部、６０３,９０
６…タッチ面、６０４…周方向ギャップ、７０１…付加
薄板、７０２…四重二股シール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｊ 15/08 Ｆ１６Ｊ 15/08 Ａ Ｆターム(参考） 3H022 AA03 BA06 CA22 3J040 AA01 AA12 AA17 BA07 EA18 EA27 FA01 HA02 HA09 HA15 3J043 AA16 BA03 CA02 CB20 DA10 HA03

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転体を内包するケーシングにより形成さ
   れた車室間に設けられ前記車室間の空気のリークを防止
   する二股シールを有する軸流機械のケーシングシール構
   造において、 前記二股シールは、周方向に数セグメントに分割された
   薄円板を少なくとも３枚重ね合わせた構成であることを
   特徴とする軸流機械のケーシングシール構造。
2. 【請求項２】回転体を内包する内ケーシング及び外ケー
   シングにより形成された高圧車室と低圧車室との間に設
   けられ前記高圧車室から前記低圧車室への空気のリーク
   を防止する二股シールを有する軸流機械のケーシングシ
   ール構造において、 前記二股シールは、周方向に数セグメントに分割された
   薄円板を３枚重ね合わせた構成を有し、前記３枚重ね合
   わせた薄円板の外周側が前記外ケーシングに嵌め込ま
   れ、かつ前記３枚重ね合わせた薄円板の内周側が前記内
   ケーシングに設けられた溝部の内面に接触挿入されるよ
   うに構成されていることを特徴とする軸流機械のケーシ
   ングシール構造。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、前記二
   股シールは、前記３枚重ね合わせた薄円板のうち両側の
   薄円板に挟まれた中間の薄円板を前記周方向に位相をず
   らして構成され、前記各セグメント間における周方向接
   続部の一方を、前記中間の薄円板が前記両側の薄円板よ
   り突き出すように配置し、前記周方向接続部の他方を、
   前記中間の薄円板が前記両側の薄円板より引っ込むよう
   に配置し、前記突き出し部と前記引っ込み部とを合体さ
   せた周方向接続部を有することを特徴とする軸流機械の
   ケーシングシール構造。
4. 【請求項４】請求項３において、前記両側の薄円板のう
   ち一方の薄円板の内周側は、前記内ケーシングに設けら
   れた溝部の前記高圧車室側の内面に接触し、他方の薄円
   板の内周側は、前記内ケーシングに設けられた溝部の前
   記低圧車室側の内面に接触し、前記中間の薄円板は、前
   記低圧車室側の内面に接触する薄円板に略密着するよう
   に配置されていることを特徴とする軸流機械のケーシン
   グシール構造。
5. 【請求項５】請求項３において、前記中間の薄円板を２
   枚以上有し、前記各中間の薄円板は、互いに前記周方向
   の位相がずれていることを特徴とする軸流機械のケーシ
   ングシール構造。