JP2005180278A - シール装置およびこれを備えた蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】より一層のシール効果を高めるシール装置およびこれを備えた蒸気タービンを提供する。
【解決手段】本発明に係るシール装置は、静止部と回転部との隙間にシールフィンを備えたシール装置において、前記シールフィン１８は、歯先２１の高圧側２３および低圧側２４のうち、前記高圧側２３の前記歯先２１を前記回転部に対し、ほぼ直角に形成するとともに、前記低圧側２４の前記歯先２１を傾斜状に形成した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、静止部と回転部との間に設けたタービン動翼チップフィン、タービンノズルパッキン、グランドパッキン等のシールフィンに改良を加えたシール装置およびこれを備えた蒸気タービンに関する。

最近の蒸気タービンでは、性能向上の一環として内部効率向上の強化が見直されており、その一つにシール装置の改善がある。

このシール装置からの蒸気漏洩は、蒸気タービンの内部損失上、大きなウエイトを占めており、蒸気漏洩をより一層抑制することが、究極、燃料消費の節約に繋がることが知られている。

従来、シール装置を組み込んだ蒸気タービンは、図８に示すように、タービンロータ１に固設するタービン動翼２とタービン内部ケーシング３に固設するタービンノズル４の外輪７との間、タービンロータ１とタービンノズル４の内輪５との間、およびタービンロータ１とタービンケーシング６との間に、タービン動翼チップフィン、タービンノズルパッキン、グランドパッキンと称する蒸気漏洩防止用のシール装置が設けられている。

図９は、上述のシール装置のうち、タービン動翼２とタービンノズル４の外輪７との間のタービン動翼チップフィンの一例を示した断面図である。

静止部であるタービンノズル４の外輪７には、回転部であるタービン動翼２の外周端と対向する位置の周方向に沿って延びるアリ溝状の取付溝８が形成されている。また、この取付溝８には、タービン動翼２の外周面に向って突出した複数の周方向に沿って延びるシールフィン９を備えたセグメント１０が装着されている。

セグメント１０で支持されたシールフィン９と回転体であるタービン動翼２の先端部（チップ部）との間には微少間隔が形成され、この隙間からの蒸気漏洩を抑制している。

ところで、蒸気タービンに適用するこの種の非接触型のシール装置において、蒸気の漏洩をより一層少なくさせる要因は、シールフィン９の先端と回転部との隙間の大きさであり、この隙間が小さいほど漏れは少なくなるが、この隙間を小さくすると運転中、シールフィン９と回転部が接触する、いわゆるラビリング現象が誘起し、シールフィン９の破損、接触により軸振動の増加、接触による発熱に起因して回転部に曲がりが生じる等の問題があった。

このような問題が発生するのは、タービン運転中に隙間が変化するためであり、この変化の要因としてタービンケーシングの不均一な熱変形、圧力による変形、タービンロータを軸支する軸受の油膜変化に生じるものと考えられている。

また、これらの現象は、タービン起動時、タービン停止時およびタービン負荷変化時に、特に、集中して発生している。

このような問題点を踏まえて改良を加えたシール装置には、例えば、特開平８−３１９８０４号公報（特許文献１）や特開２００２−３５７１０号公報（特許文献２）等の技術が開示されている。
特開平８−３１９８０４号公報 特開２００２−３５７１０号公報

特開平８−３１９８０４号公報に開示したシール装置は、シールリングに設けたシールフィンと隣りのシールフィンとの間にチャンバを形成し、チャンバ間を上述のシールフィンに穿設する通路で連通させ、チャンバに閉じ込められる旋回蒸気を移動させて振動を抑制するとともに、シールフィンとタービンロータとの隙間からの蒸気漏れを防止したものである。

しかし、この技術は、狭いシールリングに蛇行状の通路を形成するため、チャンバに閉じ込められた旋回を伴う蒸気に、流れの抵抗が加わって設計値通りに流すことができない等の不具合があった。

また、特開２００２−３５７１０号公報に開示したシール装置は、組立時、静止部側のシールフィン先端と回転部側のシールフィン先端との間に径方向に正の隙間を持たせ、定常運転時、静止部側のシールフィン先端と回転部側のシールフィン先端とが径方向に負の隙間にして互いが食い違うようにシールフィン移動手段を備えたものである。

しかし、この技術は、シールフィン移動手段を設けたために、シール装置自体が大掛かりとなって複雑な構造となり、単純には設計値通りの成果が得られない等の欠点があった。

また、特開平８−３１９８０４号公報、特開２００２−３５７１０号公報も含めて従来から使用されているシールフィン９は、図１０および図１１に示すように、歯先９ａのタービン動翼２の頂部に対して隙間Ｃｌを持たせるとともに、歯先９ａの形状を高圧面９ｂ側および低圧面９ｃ側のそれぞれを直線の傾斜形状にし、その斜面角度をβにしている。

このような歯先９ａの形状を備えたシールフィン９は、図１２に示すように、縦軸に漏洩流量を採り、横軸に斜面角度βを採り、実験データをプロットしてみると、斜面角度βが９０°に近付くに連れて漏洩蒸気ＬＳＴの流量を抑制することができなくなり、ほぼ飽和になっていた。

このように、従来のシール装置は、構造的に既に限界に近付きつつあり、より一層高いシール効果を持たせて性能を向上させるための新たななる改善が求められていた。

本発明は、このような事情を踏まえてなされたものであり、より一層のシール効果を高めるシール装置およびこれを備えた蒸気タービンを提供することを目的とする。

本発明者等は、上述の目的を達成するため、試行錯誤的に研究を重ねた結果、本発明を完成させるに至った。

図１１に示すように、歯先９ａの高圧面９ｂおよび低圧面９ｃともに傾斜させた場合、高圧面９ｂの傾斜角度βが小さくなるほど縮流効果が小さく、図１２に示すように漏洩蒸気量が増加することがわかった。

また、歯先９ａの低圧面９ｃを傾斜させていると、チャンバを広く確保でき、チャンバ内で漏洩蒸気に渦を発生させ、漏洩蒸気のエネルギを消滅させることができるものの、その傾斜角度βを５°以下にしてもシール効果の向上は認められなかった。

本発明者等は、このような結果を基にして以下に示す請求項に係る発明を完成させた。

すなわち、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、静止部と回転部との隙間にシールフィンを備えたシール装置において、前記シールフィンは、歯先の高圧流体側および低圧流体側のうち、前記高圧流体側の前記歯先を前記回転部に対し、ほぼ直角に形成するとともに、前記低圧流体側の前記歯先を傾斜状に形成したものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、低圧流体側の歯先は、高圧流体側の歯先に対し、角度５°〜２５°の範囲内に設定したことを特徴とする。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記歯先先端部は、前記回転部の回転軸と略平行となる直線部を有するとともに、その長さを０．３ｍｍ以下に設定したことを特徴とする。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載のシール装置を回転部に対向配置させる際、前記シール装置のシールフィンは、歯先の長いものを前記回転部における漏洩流体入口側と出口側のそれぞれに配置するとともに、前記シールフィンの歯先の短いものを前記回転部の中間部に配置する構成にしたことを特徴とする。

また、本発明に係るシール装置を備えた蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載のシール装置を回転部に対向配置させる際、前記回転部は、漏洩流体入口側と漏洩流体出口側を基準とするとき、中間部を凸状に高く形成したものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、請求項１〜３のうち、少なくともいずれか一項に記載のシール装置を回転部に対向配置させる際、前記シール装置のシールフィンは、歯先の長さを長短に変更させて配置する構成にしたものである。

また、本発明に係るシール装置を備えた蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載のシール装置を回転部に対向配置させる際、前記回転部は、軸方向に沿って凹状、凸状の交互の形状に構成したものである。

また、本発明に係るシール装置を備えた蒸気タービンは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、請求項１〜３のうち、少なくともいずれか一項に記載のシール装置を、タービン動翼とタービンノズルの外輪との間、タービンロータとタービンノズルの内輪との間、タービンロータとタービンケーシングとの間のうち、少なくともいずれか一箇所に装着したものである。

本発明に係るシール装置によれば、漏洩蒸気のエネルギを効率的に消滅させることができるので、従来に増して一層シール性能が向上する。加えて、たとえシールフィンの歯先がタービン動翼の頂部に接触した場合でも、接触部分における熱の発生を最小限に抑えることができるとともにその振動を最小限に抑えることができる。

以下、本発明に係るシール装置およびこれを備えた蒸気タービンの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係るシール装置を備えた蒸気タービンを示す概略上半部組立断面図である。

本実施形態に係る蒸気タービンには、タービンロータ１１の周方向に沿って植設するタービン動翼１２と内部ケーシング２０に固設するタービンノズル１３の外輪１４との間、タービンロータ１１とタービンノズル１３の内輪１５との間、およびタービンロータ１１とタービンケーシング１６との間に、タービン動翼チップフィン、タービンノズルパッキン、グランドパッキンと称する本発明に係る蒸気漏洩防止用のシール装置が組み込まれている。

図２は、本発明に係るシール装置を、例えば、タービン動翼１２とタービンノズル１３の外輪１４との間のタービン動翼チップフィンとして適用した断面図である。

静止部であるタービンノズル１３の外輪１４には、回転部であるタービン動翼１２の外周端と対向する位置の周方向に沿って延びるアリ溝状の取付溝１７が形成されている。また、この取付溝１７には、タービン動翼１２の外周面に向って突出した複数の周方向に沿って延びるシールフィン１８を備えたセグメント１９が装着されている。

セグメント１９と一体削出し、または植設するシールフィン１８は、図３に示すように、タービン動翼１２の頂部に対し、隙間Ｃｌを持たせて対向配置させるとともに、軸方向に沿って等ピッチに配置した歯先２１を複数備えている。そして、この歯先２１と隣の歯先２１との間に微小空間２２を形成し、この微小空間２２で歯先２１の高圧側（漏洩蒸気入口側）２３から歯先２１の低圧側（漏洩蒸気出口側）２４に向ってある流速で流れる漏洩蒸気ＬＳＴのエネルギを消滅させている。

また、歯先２１は、図４に示すように、高圧側（漏洩蒸気入口側）２３をタービン動翼１２の頂部に対し、ほぼ直角に形成するとともに、低圧側２４（漏洩蒸気出口側）をタービン動翼１２の頂部に対し、傾斜状、具体的には傾斜角度αを５°〜２５°の範囲に設定したものである。

また、歯先２１は図５に示すように、タービン翼の頂部と平行となる直線部２５が０．３ｍｍ以下となるように構成されている。これは、歯先２１とタービン翼の頂部１２が接触した場合を想定した実験や従来からの経験から見出されたもので、この直線部２５が０．３ｍｍを超えると熱の発生による接触部の温度上昇が著しくなることが明らかとなった。そして、この温度上昇に伴なうタービン翼頂部１２の変形や、その変形による振動などの不具合の発生の原因となる。そのため、歯先２１の直線部２５の長さを０．３ｍｍ以下と規定した。なお、歯先２１に直線部２５のない鋭角状になる構成でも可能であるが、このような場合は接触時の歯先２１の強度が不足するため、タービン翼頂部１２との接触を考慮する場合には、直線部２５を有することが好ましい。

また、本実施形態は、シールフィン１８の歯先２１のうち、低圧側２４をタービン動翼１２の頂部に対し、傾斜角度αを５°〜２５°の範囲内の傾斜状に形成し、微小空間２２内をより広く確保したので、流入する漏洩蒸気ＬＳＴに大きな渦を発生させて、そのエネルギを消滅させることができ、シール性能をより一層向上させることができる。

なお、本実施形態は、シールフィン１８の歯先２１のうち、高圧側２３をタービン動翼１２の頂部に対し、ほぼ直角に形成するとともに、低圧側２４をタービン動翼１２の頂部に対し、傾斜状に形成したが、このように成形加工した寸法形状のシールフィン１８の軸方向に沿って配置した歯先２１を、例えば、図６に示すように、漏洩蒸気ＬＳＴの流入側の長さを長くした歯先２１ａに対向するタービン動翼１２の頂部を低くし、漏洩蒸気ＬＳＴの出口側の長さを長くした歯先２１ｂに対向するタービン動翼１２の頂部もそれぞれ低くし、中間の長さを短くした歯先２１ｃに対向するタービン動翼１２の頂部を相対的に高くした、いわゆるサイドラップ構造にしてもよく、あるいは、例えば、図７に示すように、軸方向に沿って配置する長さを長短変更させた歯先２１に対向するタービン動翼１２
の頂部を高低凹凸状の、いわゆるハイアンドロー（Ｈｉgｈ−Ｌоｗ）構造にしてもよい。

本発明に係るシール装置を備えた蒸気タービンを示す概略上半部組立断面図。 本発明に係るシール装置を備えた蒸気タービンのうち、タービン段落を示す一部切欠概略断面図。 本発明に係るシール装置の第１実施形態を示す一部切欠概略断面図。 図３のＢ部の部分拡大図。 図４のＣ部の部分拡大図。 本発明に係るシール装置の第２実施形態を示す一部切欠概略断面図。 本発明に係るシール装置の第３実施形態を示す一部切欠概略断面図。 従来の蒸気タービンを示す概略上半部組立断面図。 従来のタービン段落を示す一部切欠概略断面図。 従来のシール装置を示す一部切欠概略断面図。 図１０のＡ部を抜き出した部分拡大図。 従来のシール装置において漏洩蒸気流量を示す線図。

符号の説明

１ タービンロータ
２ タービン動翼
３ 内部ケーシング
４ タービンノズル
５ 内輪
６ タービンケーシング
７ 外輪
８ 取付溝
９ シールフィン
９ａ 歯先
９ｂ 高圧面
９ｃ 低圧面
１０ セグメント
１１ タービンロータ
１２ タービン動翼
１３ タービンノズル
１４ 外輪
１５ 内輪
１６ タービンケーシング
１７ 取付溝
１８ シールフィン
１９ セグメント
２０ 内部ケーシング
２１，２１ａ，２１ｂ 歯先
２２ 微小空間
２３ 高圧側
２４ 低圧側
２５ 直線部

Claims (8)

1. 静止部と回転部との隙間にシールフィンを備えたシール装置において、前記シールフィンは、歯先の高圧流体側および低圧流体側のうち、前記高圧流体側の前記歯先を前記回転部に対し、ほぼ直角に形成するとともに、前記低圧流体側の前記歯先を傾斜状に形成したことを特徴とするシール装置。
2. 低圧流体側の歯先は、高圧流体側の歯先に対し、角度５°〜２５°の範囲内に設定したことを特徴とする請求項１記載のシール装置。
3. 前記歯先先端部は、前記回転部の回転軸と略平行となる直線部を有するとともに、その長さを０．３ｍｍ以下に設定したことを特徴とする請求項１記載のシール装置。
4. 請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載のシール装置を回転部に対向配置させる際、前記シール装置のシールフィンは、歯先の長いものを前記回転部における漏洩流体入口側と出口側のそれぞれに配置するとともに、前記シールフィンの歯先の短いものを前記回転部の中間部に配置する構成にしたことを特徴とするシール装置。
5. 請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載のシール装置を回転部に対向配置させる際、前記回転部は、漏洩流体入口側と漏洩流体出口側を基準とするとき、中間部を凸状に高く形成したことを特徴とするシール装置。
6. 請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載のシール装置を回転部に対向配置させる際、前記シール装置のシールフィンは、歯先を長短に変更させて配置する構成にしたことを特徴とするシール装置。
7. 請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載のシール装置を回転部に対向配置させる際、前記回転部は、軸方向に沿って凹状、凸状の交互の形状に構成したことを特徴とするシール装置。
8. 請求項１〜３のうち、いずれか一項に記載のシール装置を、タービン動翼とタービンノズルの外輪との間、タービンロータとタービンノズルの内輪との間、タービンロータとタービンケーシングとの間のうち、少なくともいずれか一箇所に装着したことを特徴とするシール装置を備えた蒸気タービン。

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