JP2008002576A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転体の軸長の短縮化を図りながら組立性を向上させることができるシール装置を提供する。
【解決手段】ロータ２とケーシング３との間隙を介した流体の漏洩を抑制するシール装置１において、ロータシール部６の壁面８ａ〜８ｆに径方向に配設され軸方向に伸びるシールフィン９ａ〜９ｆと、シールフィン９ａ〜９ｆと互い違いに配置されるように、ケーシングシール部７の壁面１０ａ〜１０ｆに径方向に配設され軸方向に伸びるシールフィン１１ａ〜１１ｆとを備え、シールフィン９ａ〜９ｆ及び１１ａ〜１１ｆは、ロータ２及びケーシング３の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、シールフィン９ａ〜９ｆ及び１１ａ〜１１ｆの先端部が互いに軸方向に離れる一方、軸方向の相対移動量が所定範囲にあるとき、その相対移動方向にあるシールフィン９ａ〜９ｃ及び１１ａ〜１１ｃの先端部が互いに軸方向に重なるように設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体を有する流体機械に係わり、詳細には、回転体と静止体との間隙からの流体漏洩を抑制するシール装置に関する。

流体機械の一つであるタービンは、運転時にロータ（回転体）及びケーシング（静止体）が暖められて熱膨張し、それらロータ及びケーシングの材質、形状、及び温度環境等の違いによる熱膨張差によって、ロータがケーシングに対し相対移動する。また、ロータの動翼に作用する流れ方向の流体力によって、ロータがケーシングに対し相対移動する。そのため、一般に、運転時のロータ及びケーシングの相対移動を考慮し、ロータ及びケーシングが互いに干渉しないように、ロータとケーシングとの間には僅かな間隙（ギャップ）を設けている。そして、この間隙を介した流体の漏洩を抑制するために様々な構造のシール装置が提唱されている。

従来、シール装置の一例として、蒸気タービンのグランド部に設けたシール装置（グランドパッキングリング）が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このシール装置は、ロータに軸方向に配設された複数のロータ側のグランドパッキンリングと、これら複数のロータ側のグランドパッキングリングの間に配置されるように、ケーシングに軸方向に配設された複数のケーシング側のグランドパッキンリングとを備えている。そして、ロータ側のグランドパッキンリングの軸方向一方側及び軸方向他方側の壁面には、軸方向に伸びる複数のフィンが径方向に配設され、対向するケーシング側のグランドパッキングリングの壁面には、軸方向に伸びる複数のフィンが径方向に配設されており、これらロータ側のフィンの先端部とケーシング側のフィンの先端部が軸方向に重なりながら径方向に互い違いとなるように配設されている。

実開昭６３−１３２８０２号公報（第１図）

しかしながら、上記従来技術には以下のような課題が存在する。
すなわち、上記シール装置では、ロータ側のフィン及びケーシング側のフィンを径方向に配設したラビリンスシール構造とすることにより、例えばロータ側のフィン及びケーシング側のフィンを軸方向に配設するような場合と比べ、シール装置の軸方向寸法を短くすることができ、これによって回転体の軸長の短縮化が図れるようになっている。ところが、このシール装置の組込方法は、ケーシング側のグランドパッキングリングを挿入しその軸方向位置を固定する手順と、ロータ側のグランドパッキングリングを挿入しその軸方向位置を固定する手順とを繰り返し行うものである。そして、ロータ側のフィン及びケーシング側のフィンにおけるシール間隙寸法を調整するためには、ロータ側及びケーシング側のグランドパッキングリングの位置をそれぞれ調整しつつ固定しなければならず、非常に手間がかかるものとなっていた。また、ロータ側及びケーシング側のグランドパッキングリングはロータの軸端部側でなければ挿入できないため、ロータの軸端部側すなわちタービンのグランド部にしか設けることができなかった。

本発明は、上記従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転体の軸長の短縮化を図りながら組立性を向上させることができるシール装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、回転体と静止体との間隙を介した流体の漏洩を抑制するシール装置において、前記回転体側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の回転体側フィンと、前記複数の回転体側フィンと互い違いに配置されるように、前記静止体側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の静止体側フィンとを備え、前記回転体側フィン及び静止体側フィンは、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、前記回転体側フィン及び静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れる一方、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が前記所定範囲にあるとき、前記回転体側フィン及び静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に重なるように設ける。

本発明においては、回転体側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の回転体側フィンと、これら複数の回転体側フィンと互い違いに配置されるように、静止体側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の静止体側フィンとを備えている。このように回転体側フィン及び静止体側フィンを径方向に配設したラビリンスシール構造とすることにより、回転体と静止体との間隙を介した流体の漏洩を抑制することができる。また、例えば回転体側フィン及び静止体側フィンを軸方向に配設するような場合と比べ、シール装置の軸方向寸法を短くすることができ、これによって回転体の軸長の短縮化を図ることができる。

また本発明においては、例えば回転体及び静止体を有する流体機械の停止時あるいは組立時のように、回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、回転体側フィン及び静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れるようになっている。これにより、例えば流体機械の組立時に、静止体側フィンを設けた静止体に対し回転体側フィンを設けた回転体を径方向に挿入して組み込むことを意図した場合、回転体側フィンと静止体側フィンが干渉しないので、容易に組み込むことができる。一方、例えば流体機械の運転時のように、回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲にあるときは、回転体側フィン及び静止体側フィンの先端部が軸方向に重なるようになっている。これにより、回転体側フィンの先端部と静止体の壁面との間隙、及び静止体側フィンの先端部と回転体の壁面との間隙が小さくなり、所望のシール性能を確保することができる。

（２）上記目的を達成するために、また本発明は、回転体と静止体との間隙を介した流体の漏洩を抑制するシール装置において、前記回転体に設けられ、軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差部と、前記静止体に設けられ、前記回転体の段差部を覆うように軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差溝と、前記回転体の段差部における軸方向一方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の第１回転体側フィンと、前記複数の第１回転体側フィンと互い違いに配置されるように、前記静止体の段差溝における軸方向一方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の第１静止体側フィンと、前記回転体の段差部における軸方向他方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の第２回転体側フィンと、前記複数の第２回転体側フィンと互い違いに配置されるように、前記静止体の段差溝における軸方向他方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の第２静止体側フィンとを備え、前記第１回転体側フィン及び第１静止体側フィンは、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、前記第１回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記第１静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れる一方、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲にあるとき、前記第１回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記第１静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に重なるように設け、前記第２回転体側フィン及び第２静止体側フィンは、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、前記第２回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記第２静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れるように設ける。

（３）上記目的を達成するために、また本発明は、回転体と静止体との間隙を介した流体の漏洩を抑制するシール装置において、前記回転体に設けられ、軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差部と、前記静止体に設けられ、前記回転体の段差部を覆うように軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差溝と、前記回転体の段差部における軸方向一方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の回転体側フィンと、前記複数の回転体側フィンと互い違いに配置されるように、前記静止体の段差溝における軸方向一方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の静止体側フィンとを備え、前記回転体側フィン及び静止体側フィンは、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、前記回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れる一方、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲にあるとき、前記回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に重なるように設ける。

本発明によれば、回転体の軸長の短縮化を図りながら組立性を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は、本実施形態のシール装置の構造を表す軸方向断面図であり、図１は、ケーシングに対しロータが相対移動しない状態を表し、図２は、ケーシングに対しロータが相対移動した状態を表している。また、図３は、本実施形態のシール装置が適用された蒸気タービン設備の概略構造を表す図である。

これら図１〜図３において、シール装置１は、例えばタービンのグランド部などに設けられ、ロータ２（回転体）とケーシング３（静止体）との間隙を介した流体の漏洩を抑制するためのものである。本実施形態では、例えば一軸連結された高中圧蒸気タービン４及び低圧蒸気タービン５Ａ，５Ｂにそれぞれ適用されている。このシール装置１は、ロータ２の外周側（図１及び図２中上側）の同一円周上に嵌合し固定された複数の円弧状（若しくは円環状）のロータシール部６と、ケーシング３の内周側（図１及び図２中下側）の同一円周上に嵌合し固定された複数の円弧状の（例えばケーシング３が半割れ構造である場合に半割れ構造とする）ケーシングシール部７とを備えている。

ロータシール部６は、軸方向（図１及び図２中左右方向）寸法が径方向外側（図１及び図２中上側）に向かって段階的に小さく、かつ軸方向一方側（図１及び図２中右側）及び他方側（図１及び図２中左側）がともに階段状となるように形成された段差部を有し、この段差部における各段（本実施形態では、外周側から内周側に向かって第１段、第２段、第３段の順序とする各段）の軸方向一方側の壁面８ａ〜８ｃには、例えば円弧状（シェル状）のシールフィン９ａ〜９ｃがそれぞれ設けられ、段差部における各段の軸方向他方側の壁面８ｄ〜８ｆには、例えば円弧状（シェル状）のシールフィン９ｄ〜９ｆがそれぞれ設けられている。言い換えれば、シールフィン９ａ〜９ｃは、ロータシール部６の軸方向一方側の壁面８ａ〜８ｃに径方向（図１及び図２中上下方向）に配設され、シールフィン９ｄ〜９ｆは、ロータシール部６の軸方向他方側の壁面８ｄ〜８ｆに径方向に配設されている。

ケーシングシール部７は、ロータシール部６の段差部を覆うように、軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくかつ軸方向一方側及び他方側がともに階段状となるように形成された段差溝を有し、この段差溝における各段（本実施形態では、外周側から内周側に向かって第１段、第２段、第３段の順序とする各段）の軸方向一方側の壁面１０ａ〜１０ｃには、例えば円弧状（シェル状）のシールフィン１１ａ〜１１ｃがそれぞれ設けられ、段差溝における各段の軸方向他方側の壁面１０ｄ〜１０ｆには、例えば円弧状（シェル状）のシールフィン１１ｄ〜１１ｆがそれぞれ設けられている。言い換えれば、シールフィン１１ａ〜１１ｃは、ケーシングシール部７の軸方向一方側の壁面１０ａ〜１０ｃに径方向に配設され、シールフィン１１ｄ〜１１ｆは、ケーシングシール部７の軸方向他方側の壁面１０ｄ〜１０ｆに径方向に配設されている。

ロータシール部６の軸方向一方側のシールフィン９ａ〜９ｃは、それぞれ対向するケーシングシール部７の壁面１０ａ〜１０ｃに向かって軸方向に伸び、ケーシングシール部７の軸方向一方側のシールフィン１１ａ〜１１ｃは、それぞれ対向するロータシール部６の壁面８ａ〜８ｃに向かって軸方向に伸びており、これらシールフィン９ａ〜９ｃ及び１１ａ〜１１ｃは互い違いに配置されている。また同様に、ロータシール部６の軸方向他方側のシールフィン９ｄ〜９ｆは、それぞれ対向するケーシングシール部７の壁面１０ｄ〜１０ｆに向かって軸方向に伸び、ケーシングシール部７の軸方向他方側のシールフィン１１ｄ〜１１ｆは、それぞれ対向するロータシール部６の壁面８ｄ〜８ｆに向かって軸方向に伸びており、これらシールフィン９ａ〜９Ｃ及び１１ａ〜１１ｃは互い違いに配置されている。そして、このような一対のロータシール部６及びケーシングシール部７によって形成されるラビリンスシール構造によって、ロータ２とケーシング３との間隙を介した流体の漏洩を抑制することが可能となっている。

ところで、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの運転時には、ロータ２及びケーシング３が暖められて熱膨張し、それらロータ２及びケーシング３の材質、形状、及び温度環境等の違いによる熱膨張差によって、ロータ２はケーシング３に対し相対移動する。また、ロータ２の動翼（図示せず）に作用する流れ方向の流体力によって、ロータ２はケーシング３に対し相対移動する。その結果、図２に示すように、ロータシール部６はケーシングシール部７に対し径方向外側に相対移動量Ｘだけ移動し、軸方向一方側（詳しくは、架台１２上に固定されロータ２及びケーシング３の軸方向変位を規制するノックピン１３側とは反対側であり、図３に示す高中圧蒸気タービン４では左側、低圧蒸気タービン５Ａ，５Ｂでは右側、図２では統一して右側）に相対移動量Ｙだけ移動する。なお、ケーシングシール部７に対するロータシール部６の相対移動量Ｘ，Ｙは、ノックピン１３の位置を基準とした計算や測定等により求めることが可能である。

そして、本実施形態の大きな特徴として、図１に示すように、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの停止時あるいは組立時のようにケーシング３に対するロータ２の相対移動がない状態においては、ロータシール部６のシールフィン９ａの先端部とケーシングシール部７の壁面１０ａとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_１はＹ_１＞Ｙ、ケーシングシール部７のシールフィン１１ａの先端部とロータシール部６の壁面８ａとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_２はＹ_２＞Ｙ（但し本実施形態ではＹ_２＝Ｙ_１）、ロータシール部６のシールフィン９ａの先端部とその径方向内側（図１中下側）に隣接するケーシングシール部７のシールフィン１１ａの先端部との間の軸方向間隙寸法Ｙ_３はＹ_３＜Ｙ、ロータシール部６のシールフィン９ａ（及び段差部の第１段における外周面）とケーシングシール部７の底面との間の径方向間隙寸法Ｘ_１はＸ_１＞Ｘとなるように設けられている。

また同様に、ロータシール部６のシールフィン９ｂの先端部とケーシングシール部７の壁面１０ｂとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_１はＹ_１＞Ｙ、ケーシングシール部７のシールフィン１１ｂの先端部とロータシール部６の壁面８ｂとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_２はＹ_２＞Ｙ（但し本実施形態ではＹ_２＝Ｙ_１）、ロータシール部６のシールフィン９ｂの先端部とその径方向内側に隣接するケーシングシール部７のシールフィン１１ｂの先端部との間の軸方向間隙寸法Ｙ_３はＹ_３＜Ｙ、ロータシール部６のシールフィン９ｂ（及び段差部の第２段における外周面）とケーシングシール部７のシールフィン１１ａ（及び段差溝の第１段における内周面）との間の径方向間隙寸法Ｘ_１はＸ_１＞Ｘとなるように設けられている。

また同様に、ロータシール部６のシールフィン９ｃの先端部とケーシングシール部７の壁面１０ｃとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_１はＹ_１＞Ｙ、ケーシングシール部７のシールフィン１１ｃの先端部とロータシール部６の壁面８ｃとの軸方向間隙寸法Ｙ_２はＹ_２＞Ｙ（但し本実施形態ではＹ_２＝Ｙ_１）、ロータシール部６のシールフィン９ｃの先端部とその径方向内側に隣接するケーシングシール部７のシールフィン１１ｃの先端部との間の軸方向間隙寸法Ｙ_３はＹ_３＜Ｙ、ロータシール部６のシールフィン９ｃ（及び段差部の第３段における外周面）とケーシングシール部７のシールフィン１１ｂ（及び段差溝の第２段における内周面）との間の径方向間隙寸法Ｘ_１はＸ_１＞Ｘとなるように設けられている。

また、ロータシール部６のシールフィン９ｄ〜９ｆ及びケーシングシール部７のシールフィン１１ｄ〜１１ｆにおける間隙寸法は、上述したロータシール部６のシールフィン９ａ〜９ｃ及びケーシングシール部７のシールフィン１１ａ〜１１ｃにおける間隙寸法と同様に設けられている。

このようなシールフィン９ａ〜９ｆ及び１１ａ〜１１ｆの構造配置とすることにより、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの停止時あるいは組立時のようにケーシング３に対するロータ２の相対移動がない状態においては（言い換えれば、ロータ２及びケーシング３の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が上記間隙寸法Ｙ_３未満であるときは）、ロータシール部６のシールフィン９ａ〜９ｆの先端部とケーシングシール部７のシールフィン１１ａ〜１１ｆの先端部とが互いに軸方向に離れるようになっている。

また、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの運転時のようにケーシング３に対するロータ２の相対移動がある状態においては（言い換えれば、ロータ２及びケーシング３の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が上記間隙寸法Ｙ_３を越え、かつ上記間隙寸法Ｙ_１（＝Ｙ_２）未満であるときは）、その相対移動方向にあるロータシール部６のシールフィン９ａ〜９ｃの先端部とケーシングシール部７のシールフィン１１ａ〜１１ｃの先端部とが互いに軸方向に重なり、相対移動方向とは反対側にあるロータシール部６のシールフィン９ｄ〜９ｆの先端部とケーシングシール部７のシールフィン１１ｄ〜１１ｆの先端部とが互いに軸方向にいっそう離れるようになっている。このとき、ロータシール部６のシールフィン９ａ〜９ｃの先端部とケーシングシール部７の壁面１０ａ〜１０ｃとがそれぞれ接触することなく近づき（それら間隙寸法Ｙ_４はＹ_４＜Ｙ_１）、ケーシングシール部７のシールフィン１１ａ〜１１ｃの先端部とロータシール部６の壁面８ａ〜８ｃとがそれぞれ接触することなく近づく（それら間隙寸法Ｙ_５はＹ_５＜Ｙ_２）ようになっている。また、ロータシール部６のシールフィン９ｄ〜９ｆの先端部とケーシングシール部７の壁面１０ｄ〜１０ｆとがそれぞれ軸方向にいっそう離れ（それら間隙寸法Ｙ_６はＹ_６＞Ｙ₁）、ケーシングシール７のシールフィン１１ｄ〜１１ｆの先端部とロータシール部６の壁面８ｄ〜８ｆとがそれぞれ軸方向にいっそう離れる（それら間隙寸法Ｙ_７はＹ_７＞Ｙ_２）ようになっている。また、ロータシール部６のシールフィン９ａ〜９ｃとケーシングシール部７の底面及びシールフィン１１ａ，１１ｂとがそれぞれ接触することなく近づく（それら間隙寸法Ｘ_２はＸ_２＜Ｘ_１）ようになっている。その結果、軸方向一方側のシールフィン９ａ〜９ｃ及び１１ａ〜１１ｃによって形成されるラビリンスシール構造は、シール効果が増し、軸方向他方側のシールフィン９ｄ〜９ｆ及び１１ｄ〜１１ｆによって形成されるラビリンスシール構造は、その効果が減少するもののシール効果が得られるようになっている。

以上のように構成された本実施形態においては、ロータシール部６のシールフィン９ａ〜９ｃ及びケーシングシール部７のシールフィン１１ａ〜１１ｃを径方向に配設し、ロータシール部６のシールフィン９ｄ〜９ｆ及びケーシングシール部７のシールフィン１１ｄ〜１１ｆを径方向に配設したラビリンスシール構造とすることにより、ロータ２とケーシング３との間隙を介した流体の漏洩を抑制することができる。また、例えばシールフィン９ａ〜９ｆ及び１１ａ〜１１ｆを軸方向に配設するような場合と比べ、シール装置１の軸方向寸法を短縮することができ、これによってロータ２の軸長の短縮化を図ることができる。

また、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの停止時あるいは組立時のようにケーシング３に対するロータ２の相対移動がない状態においては、ロータシール部６のシールフィン９ａ〜９ｆの先端部とケーシングシール部７のシールフィン１１ａ〜１１ｆの先端部とが互いに軸方向に離れる。これにより、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの組立時において、ケーシングシール部７を固定したケーシング３に対しロータシール部６を固定したロータ２を径方向に挿入して組み込むことを意図した場合、ロータシール部６のシールフィン９ａ〜９ｆとケーシングシール部７のシールフィン１１ａ〜１１ｆが干渉しないので、容易に組み込むことができる。また、ロータシール部６及びケーシングシール部７を組立前のロータ２及びケーシング３にそれぞれ固定することができるため、シールフィン９ａ〜９ｆ及び１１ａ〜１１ｆにおける間隙調整が容易となる。また、シール装置１は、タービンのグランド部ばかりでなく、それ以外の部分（例えばロータ２の動翼とケーシング３との間隙やケーシング３の静翼とロータ２との間隙等）に組み込むことが可能となる。

したがって、本実施形態においては、ロータ２の軸長の短縮化を図りながら組立性を向上させることができる。また、ロータシール部６は、軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差部を有するので、回転時に作用する遠心力を緩和し、強度を高めることができる。

なお、上記一実施形態においては、シール装置１は、１対のロータシール部６及びケーシングシール部７を備えた構成を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、例えば図４に示すように、複数対（図４では３対）のロータシール部６及びケーシングシール部７を軸方向（図４中左右方向）に配設してもよい。このような場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の他の実施形態を図５及び図６により説明する。本実施形態は、ロータシール部の軸方向一方側の壁面のみにフィンを設け、対向するケーシングシール部の軸方向一方側の壁面のみにフィンを設けた実施形態である。

図５及び図６は、本実施形態のシール装置の構造を表す軸方向断面図であり、図５は、ケーシングに対しロータが相対移動しない状態を表し、図６は、ケーシングに対しロータが相対移動した状態を表している。なお、これら図５及び図６において、上記一実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態のシール装置１４は、ロータ２の外周側（図５及び図６中上側）の同一円周上に嵌合し固定された複数の円弧状（若しくは円環状）のロータシール部１５と、ケーシング３の内周側（図５及び図６中下側）の同一円周上に嵌合し固定された複数の円弧状の（例えばケーシング３が半割れ構造である場合に半割れ構造とする）ケーシングシール部１６とを備えている。

ロータシール部１５は、軸方向（図５及び図６中左右方向）寸法が径方向外側（図５及び図６中上側）に向かって段階的に小さく、かつ軸方向一方側（図５及び図６中右側）のみが階段状となるように形成された段差部を有し、この段差部における各段（本実施形態では、外周側から内周側に向かって第１段、第２段、第３段の順序とする各段）の軸方向一方側の壁面１７ａ〜１７ｃには、例えば円弧状（シェル状）のシールフィン１８ａ〜１８ｃがそれぞれ設けられている。言い換えれば、シールフィン１８ａ〜１８ｃは、ロータシール部１５の軸方向一方側の壁面１７ａ〜１７ｃに径方向（図５及び図６中上下方向）に配設されている。

ケーシングシール部１６は、ロータシール部１５の段差部を覆うように、軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくかつ軸方向一方側のみが階段状となるように形成された段差溝を有し、この段差溝における各段（本実施形態では、外周側から内周側に向かって第１段、第２段、第３段の順序とする各段）の軸方向一方側の壁面１９ａ〜１９ｃには、例えば円弧状（シェル状）のシールフィン２０ａ〜２０ｃがそれぞれ設けられている。言い換えれば、シールフィン２０ａ〜２０ｃは、ケーシングシール部１６の軸方向一方側の壁面１９ａ〜１９ｃに径方向に配設されている。

ロータシール部１５のシールフィン１８ａ〜１８ｃは、それぞれ対向するケーシングシール部１６の壁面１９ａ〜１９ｃに向かって軸方向に伸び、ケーシングシール部１６のシールフィン２０ａ〜２０ｃは、それぞれ対向するロータシール部１５の壁面１７ａ〜１７ｃに向かって軸方向に伸びており、これらシールフィン１８ａ〜１８ｃ及び２０ａ〜２０ｃは互い違いに配置されている。そして、このようなロータシール部１５及びケーシングシール部１６によって形成されるラビリンスシール構造によって、ロータ２とケーシング３との間隙を介した流体の漏洩を抑制することが可能となっている。

そして、図６に示すように、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの運転時には、ロータ２及びケーシング３の熱膨張差や流体作用によって、ロータシール部１５はケーシングシール部１６に対し径方向外側に相対移動量Ｘだけ移動し、軸方向一方側に相対移動量Ｙだけ移動する。そして、本実施形態の大きな特徴として、図５に示すように、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの停止時あるいは組立時のようにケーシング３に対するロータ２の相対移動がない状態においては、ロータシール部１５のシールフィン１８ａの先端部とケーシングシール部１６の壁面１９ａとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_１’はＹ_１’＞Ｙ、ケーシングシール部１６のシールフィン２０ａの先端部とロータシール部１５の壁面１７ａとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_２’はＹ_２’＞Ｙ（但し本実施形態ではＹ_２’＝Ｙ_１’）、ロータシール部１５のシールフィン１８ａの先端部とその径方向内側（図５及び図６中下側）に隣接するケーシングシール部１６のシールフィン２０ａの先端部との間の軸方向間隙寸法Ｙ_３’はＹ_３’＜Ｙ、ロータシール部１５のシールフィン１８ａ（及び段差部の第１段における外周面）とケーシングシール部１６の底面との間の径方向間隙寸法Ｘ_１’はＸ_１’＞Ｘとなるように設けられている。

また同様に、ロータシール部１５のシールフィン１８ｂの先端部とケーシングシール部１６の壁面１９ｂとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_１’はＹ_１’＞Ｙ、ケーシングシール部１６のシールフィン２０ｂの先端部とロータシール部１５の壁面１７ｂとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_２’はＹ_２’＞Ｙ（但し本実施形態ではＹ_２’＝Ｙ_１’）、ロータシール部１５のシールフィン１８ｂの先端部とその径方向内側に隣接するケーシングシール部１６のシールフィン２０ｂの先端部との間の軸方向間隙寸法Ｙ_３’はＹ_３’＜Ｙ、ロータシール部１５のシールフィン１８ｂ（及び段差部の第２段における外周面）とケーシングシール部１６のシールフィン２０ａ（及び段差溝の第１段における内周面）との間の径方向間隙寸法Ｘ_１はＸ_１＞Ｘとなるように設けられている。

また同様に、ロータシール部１５のシールフィン１８ｃの先端部とケーシングシール部１６の壁面１９ｃとの間の軸方向間隙寸法Ｙ_１’はＹ_１’＞Ｙ、ケーシングシール部１６のシールフィン２０ｃの先端部とロータシール部１５の壁面１７ｃとの軸方向間隙寸法Ｙ_２’はＹ_２’＞Ｙ（但し本実施形態ではＹ_２’＝Ｙ_１’）、ロータシール部１５のシールフィン１８ｃの先端部とその径方向内側に隣接するケーシングシール部１６のシールフィン２０ｃの先端部との間の軸方向間隙寸法Ｙ_３’はＹ_３’＜Ｙ、ロータシール部１５のシールフィン１８ｃ（及び段差部の第３段における外周面）とケーシングシール部１６のシールフィン２０ｂ（及び段差溝の第２段における内周面）との間の径方向間隙寸法Ｘ_１はＸ_１＞Ｘとなるように設けられている。

このようなシールフィン１８ａ〜１８ｃ及び２０ａ〜２０ｃの構造配置とすることにより、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの停止時あるいは組立時のようにケーシング３に対するロータ２の相対移動がない状態においては（言い換えれば、ロータ２及びケーシング３の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が上記間隙寸法Ｙ_３’未満であるときは）、ロータシール部１５のシールフィン１８ａ〜１８ｃの先端部とケーシングシール部１６のシールフィン２０ａ〜２０ｃの先端部が互いに軸方向に離れるようになっている。

また、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの運転時のようにケーシング３に対するロータ２の相対移動がある状態においては（言い換えれば、ロータ２及びケーシング３の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が上記間隙寸法Ｙ_３’以上、上記間隙寸法Ｙ_１’（＝Ｙ_２’）以下にあるときは）、ロータシール部１５のシールフィン１８ａ〜１８ｃの先端部とケーシングシール部１６のシールフィン２０ａ〜２０ｃの先端部とが軸方向に重なるようになっている。このとき、ロータシール部１５のシールフィン１８ａ〜１８ｃの先端部とケーシングシール部１６の壁面１９ａ〜１９ｃとが接触することなく近づき（それら間隙寸法Ｙ_４’はＹ_４’＜Ｙ_１’）、ケーシングシール部１６のシールフィン２０ａ〜２０ｃの先端部とロータシール部１５の壁面１７ａ〜１７ｃとが接触することなく近づく（それら間隙寸法Ｙ_５’はＹ_５’＜Ｙ_２’）ようになっている。また、ロータシール部１５のシールフィン１８ａ〜１８ｃとケーシングシール部１６の底面及びシールフィン２０ａ，２０ｂとがそれぞれ接触することなく近づく（それら間隙寸法Ｘ_２’はＸ_２’＜Ｘ_１’）ようになっている。その結果、シールフィン１８ａ〜１８ｃ及び２０ａ〜２０ｃによって形成されるラビリンスシール構造は、シール効果が増すようになっている。

以上のように構成された本実施形態においては、ロータシール部１５のシールフィン１８ａ〜１８ｃ及びケーシングシール部１６の２０ａ〜２０ｃを径方向に配設したラビリンスシール構造とすることにより、ロータ２とケーシング３との間隙を介した流体の漏洩を抑制することができる。また、例えばシールフィン１８ａ〜１８ｃ及び２０ａ〜２０ｃを軸方向に配設するような場合と比べ、シール装置１４の軸方向寸法を短縮することができ、これによってロータ２の軸長の短縮化を図ることができる。なお、本実施形態のシール装置１４は、上記シール装置１に比べ軸方向寸法を短縮することができ、ロータ２の軸長の短縮化を図ることができる。

また、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの停止時あるいは組立時のようにケーシング３に対するロータ２の相対移動がない状態においては、ロータシール部１５のシールフィン１８ａ〜１８ｃの先端部とケーシングシール部１６のシールフィン２０ａ〜２０ｃの先端部とが互いに軸方向に離れる。これにより、例えば蒸気タービン４，５Ａ，５Ｂの組立時において、ケーシングシール部１６を固定したケーシング３に対しロータシール部１５を固定したロータ２を径方向に挿入して組み込むことを意図した場合、ロータシール部１５のシールフィン１８ａ〜１８ｃとケーシングシール部１６のシールフィン２０ａ〜２０ｃが干渉しないので、容易に組み込むことができる。また、ロータシール部１５及びケーシングシール部１６を組立前のロータ２及びケーシング３にそれぞれ固定することができるため、シールフィン１８ａ〜１８ｃ及び２０ａ〜２０ｃの間隙調整が容易となる。また、シール装置１４は、タービンのグランド部ばかりでなく、それ以外の部分（例えばロータ２の動翼とケーシング３との間隙やケーシング３の静翼とロータ２との間隙等）に組み込むことが可能となる。

したがって、本実施形態においても、上記一実施形態同様、ロータ２の軸長の短縮化を図りながら組立性を向上させることができる。また、ロータシール部１５は、軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差部を有するので、回転時に作用する遠心力を緩和し、強度を高めることができる。

本発明のシール装置の一実施形態の構造を表す軸方向断面図であり、ケーシングに対しロータが相対移動しない状態を表す。 本発明のシール装置の一実施形態の構造を表す軸方向断面図であり、ケーシングに対しロータが相対移動した状態を表す。 本発明のシール装置の一実施形態が適用された蒸気タービン設備の概略構造を表す図である。 本発明のシール装置の一変形例の構造を表す軸方向断面図であり、ケーシングに対しロータが相対移動しない状態を表す。 本発明のシール装置の他の実施形態の構造を表す軸方向断面図であり、ケーシングに対しロータが相対移動しない状態を表す。 本発明のシール装置の他の実施形態の構造を表す軸方向断面図であり、ケーシングに対しロータが相対移動した状態を表す。

符号の説明

１ シール装置
２ ロータ（回転体）
３ ケーシング（静止体）
６ ロータシール部
７ ケーシングシール部
８ａ〜８ｆ 壁面
９ａ〜９ｆ シールフィン（回転体側フィン）
１０ａ〜１０ｆ 壁面
１１ａ〜１１ｆ シールフィン（静止体側フィン）
１４ シール装置
１５ ロータシール部
１６ ケーシングシール部
１７ａ〜１７ｃ 壁面
１８ａ〜１８ｃ シールフィン（回転体側フィン）
１９ａ〜１９ｃ 壁面
２０ａ〜２０ｃ シールフィン（静止体側フィン）

Claims (3)

1. 回転体と静止体との間隙を介した流体の漏洩を抑制するシール装置において、
   前記回転体側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の回転体側フィンと、
   前記複数の回転体側フィンと互い違いに配置されるように、前記静止体側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の静止体側フィンとを備え、
   前記回転体側フィン及び静止体側フィンは、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、前記回転体側フィン及び静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れる一方、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が前記所定範囲にあるとき、前記回転体側フィン及び静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に重なるように設けたことを特徴とするシール装置。
2. 回転体と静止体との間隙を介した流体の漏洩を抑制するシール装置において、
   前記回転体に設けられ、軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差部と、
   前記静止体に設けられ、前記回転体の段差部を覆うように軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差溝と、
   前記回転体の段差部における軸方向一方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の第１回転体側フィンと、
   前記複数の第１回転体側フィンと互い違いに配置されるように、前記静止体の段差溝における軸方向一方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の第１静止体側フィンと、
   前記回転体の段差部における軸方向他方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の第２回転体側フィンと、
   前記複数の第２回転体側フィンと互い違いに配置されるように、前記静止体の段差溝における軸方向他方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の第２静止体側フィンとを備え、
   前記第１回転体側フィン及び第１静止体側フィンは、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、前記第１回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記第１静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れる一方、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲にあるとき、前記第１回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記第１静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に重なるように設け、
   前記第２回転体側フィン及び第２静止体側フィンは、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、前記第２回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記第２静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れるように設けたことを特徴とするシール装置。
3. 回転体と静止体との間隙を介した流体の漏洩を抑制するシール装置において、
   前記回転体に設けられ、軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差部と、
   前記静止体に設けられ、前記回転体の段差部を覆うように軸方向寸法が径方向外側に向かって段階的に小さくなる段差溝と、
   前記回転体の段差部における軸方向一方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の回転体側フィンと、
   前記複数の回転体側フィンと互い違いに配置されるように、前記静止体の段差溝における軸方向一方側の壁面に径方向に配設され軸方向に伸びる複数の静止体側フィンとを備え、
   前記回転体側フィン及び静止体側フィンは、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲未満であるとき、前記回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に離れる一方、前記回転体及び静止体の熱膨張差や流体作用による軸方向の相対移動量が所定範囲にあるとき、前記回転体側フィンの先端部及びその径方向内側に隣接する前記静止体側フィンの先端部が互いに軸方向に重なるように設けたことを特徴とするシール装置。

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