JP2008223660A - 軸シール装置およびターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時などの非定常状態から定常運転状態に亘って回転部と静止部のあいだでの作動流体の漏れを極めて少量に抑えることのできる軸シール装置およびターボ機械を提供する。
【解決手段】同軸に配置された静止部および回転部のいずれか一方の表面に設けられたアブレイダブル層３と、前記静止部および回転部の他方に設けられ前記アブレイダブル層３の表面に２種類以上のシール間隙ｇａ，ｇｂ，ｇｃを介して相対する複数のシールフィン１ａ，１ｂ，１ｃとを備えている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転部と静止部の間での作動流体の漏れを防ぐ軸シール装置および前記軸シール装置を備えたターボ機械に関する。

ターボ機械は蒸気等の作動流体を翼列に作用させて出力を得る回転機械である。回転部と静止部との間をシールして翼列に効率良く作動流体を作用させることにより、その効率を向上させることが可能である。

図１４はターボ機械の一例として蒸気タービンの構造を示す断面図である。一般にターボ機械はロータ１６に複数の動翼１７が取り付けられており、ケーシング１８には複数の静翼１９が取り付けられている。作動流体２０は動翼１７と静翼１９で形成されるタービン段落に作用し、出力をロータ１６に伝達している。作動流体２０は高温・高圧の流体であることが多く、ロータ１６および動翼１７とケーシング１８および静翼１９の間には翼列に作用しない作動流体が漏れて流れる。この漏れ流体は、動力としてロータ１６に作用することなく、この漏れ流体が多くなるとターボ機械の効率低下の原因となる。この漏れ流体を極力減らすために、ロータ１６および動翼１７とケーシング１８および静翼１９との間には多数の非接触型のラビリンスシール２１が設けられている。図１４に示したラビリンスシール２１はケーシング１８と静翼１９に取り付けられているが、ロータ１６と動翼１７側にラビリンスシール２１が取り付けられている場合もある。このシール間隙ｇを減ずることで漏れ流体を減らすことができターボ機械の効率を向上することができる。

しかし、シール間隙ｇを狭めると、起動時などの非定常状態時にケーシング１８とロータ１６の熱伸び差でシールフィンがロータ１６やケーシング１８に接触し、振動問題やシールフィンの損傷を発生させる場合がある。この熱伸び差は、ケーシングに比較して一般的にロータの体積が小さく熱容量が小さいため、起動時などの温度上昇時はロータ１６がケーシング１８より先に軸方向（スラスト軸受２３を起点にして軸方向に伸びる。）および半径方向に伸びる性質を有するとともに、半径方向には遠心力による伸びが加わるために発生するものである。接触時に発生する振動問題は、シールフィンとロータ１６表面とが接触して発熱し、その熱によりロータ１６が局所的に過熱されるためロータ曲がりが発生することによるものである。また、シールフィンは一般的にその先端が鋭角に加工されており、接触によりその部分が摩耗し、組立時の間隙が確保できず効率が低下する。

そこで、接触しても発熱やシールフィンの損傷を発生させないアブレイダブル層をシールフィンと対向する箇所に設けるアブレイダブルシールが種々のターボ機械で採用されており、アブレイダブルシールを用いた場合は通常のラビリンスシールに比べてシール間隙ｇを小さくすることが可能で、高効率なターボ機械が提供されている（特許文献１，２，３）。
特公昭６３−２３４２８号公報 特開平２−２９８６０４号公報 特開２００５−１５５６２０号公報

高圧・高温の作動流体が流れるターボ機械では、シール性を向上させるため図１５に示すように段付きシール２４が使用されているが、このシールに対してもシール間隙ｇを減ずることで更なる効率向上ができ、アブレイダブルシールの適用が望まれる。

図１６は段付きシールにアブレイダブル層を適用したときの構成を示したものである。長歯のシールフィン１ａおよび短歯のシールフィン１ｂと相対する位置にアブレイダブル層３ａ，３ｂが設けられている。ターボ機械の効率向上を目的にシールフィンとアブレイダブル層との間隙を極力小さくしているため、図１６に示すように、遠心力による膨張分と半径方向の熱伸び差によりシールフィン１ａ，１ｂがアブレイダブル層３ａ，３ｂに侵入する。しかし、発熱やシールフィン１ａ，１ｂの摩耗を生じさせずにアブレイダブル層３ａ，３ｂが削られるため、敢えてこの状態を許容できることがアブレイダブルシールの特徴である。

ところが、起動時などの非定常状態では、ケーシングとロータとの熱伸び差により、図１７に示すようにシールフィン１ａ，１ｂがアブレイダブル層３ａ，３ｂに侵入しアブレイダブル層３ａ，３ｂを削りながら軸方向に移動する場合がある。この現象はターボ機械の組み立て後の初起動時や負荷上昇時の非定常状態で発生しやすい。アブレイダブル層は基材上にボンド層を介して合金を疎に溶射して設けるため空間を多く有する部材であり、快削性を有する反面、脆い性質を有する。シールフィンが侵入した状態で軸方向に移動すると、段付きシールの凸部端部近傍にシールフィンが達した時、アブレイダブル層の端部９が図１７のように脱落することがある。端部が大きく脱落すると、脱落したアブレイダブル層が他の部分のアブレイダブル層に当り健全なアブレイダブル層に損傷を与えたり、翼に当り翼を損傷させたりして、ターボ機械の信頼性を低下させることになる。

図１８、図１９に軸方向、半径方向の熱伸び差が大きい場合の定常運転状態をそれぞれ示す。図１８のように軸方向のみに伸縮した場合、シール間隙は生じず効率は格段に向上するが、実際には図１９に示すように半径方向にも伸縮してシール間隙ｇが生じる。アブレイダブルシールを採用していない場合、定常運転時のシール間隙はタービン組立て直後のシール間隙をプラスした大きさとなる。

本発明は、起動時などの非定常状態から定常運転状態に亘って回転部と静止部のあいだでの作動流体の漏れを極めて少ない量に抑えることのできる軸シール装置およびターボ機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の軸シール装置は、同軸に配置された静止部および回転部のいずれか一方の表面に設けられたアブレイダブル層と、前記静止部および回転部の他方に設けられ前記アブレイダブル層の表面に２種類以上のシール間隙を介して相対する複数のシールフィンとを備えている構成とする。
本発明のターボ機械は、上記軸シール装置を備え、前記静止部としてケーシングまたは静翼を備え、前記回転部としてロータまたは動翼を備えている構成とする。

本発明によれば、起動時などの非定常状態から定常運転状態に亘って回転部と静止部のあいだでの作動流体の漏れを極めて少ない量に抑えることのできる軸シール装置およびターボ機械を提供することができる。

以下、本発明の軸シール装置およびターボ機械の４つの実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図である。この図はターボ機械組立て直後の状態を示している。すなわち、ターボ機械のケーシング内面、ロータ表面、あるいは静翼の内輪または動翼の先端外周部に、円板または扇状に設けられた長さの異なるシールフィン１ａ，１ｂ，１ｃに相対する位置のロータ表面、ケーシング内面、あるいは動翼または静翼の先端に円環状に設けられた基材２上にそれぞれシール間隙ｇａ，ｇｂ，ｇｃを介してアブレイダブル層３を設ける。アブレイダブル層３は、１例としてコバルト、ニッケル、クロム、アルミニウム、イットリウム、窒化ホウ素および高分子材料からなる組成物を溶射することによって形成する。

上記のようにシール間隙ｇａ，ｇｂ，ｇｃを設定することで、アブレイダブルシールの性能をより効果的に発揮できることを以下に説明する。図２は、ターボ機械の起動時などの非定常時にシールフィン１ｂと相対するアブレイダブル層３との間のシール間隙ｇｂが丁度ゼロになった状態を示している。非定常時には半径方向だけでなく、軸方向へも伸縮するので、最も長いシールフィン１ａはアブレイダブル層３を削りながら軸方向へ移動する。この状態から定常状態へ移行した（縮んだ）場合、図３に示すようにシールフィン１ａと相対するアブレイダブル層３との間のシール間隙ｇａよりもシールフィン１ｂと相対するアブレイダブル層３との間のシール間隙ｇｂが小さくなる場合がある。この場合、シール性能を最も発揮できる場所はこのシール間隙が最小の部分である。このようにシールフィンとシール間隙に設定することで従来のアブレイダブルシールよりもさらにシール性能を向上した軸シール装置が得られる。

図４は２種類の長さのシールフィン１ａ，１ｂとこれらに相対するアブレイダブル層３との間にシール間隙ｇａ，ｇｂを形成した変形例を示している。この構成でターボ機械を起動した場合、非定常時にはたとえば図５に示すようにアブレイダブル層３が削られ、定常状態へ移行する（縮む）。この場合、図６に示すようにシールフィン１ａ，１ｂと相対するアブレイダブル層３の表面との位置関係から、結果的に段付きシールが構成される。段付きシールは段の無いシールよりもシール性能が高い。また本変形例ではシール間隙を最小化することができるので、従来の軸シール装置よりもシール性能を格段に向上した軸シール装置が得られる。

（第２の実施の形態）
図７は本発明の第２の実施の形態の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図である。この図はターボ機械組立て直後の状態を示している。すなわち、ターボ機械のケーシング内面、ロータ表面、あるいは静翼または動翼の先端に設けられた長さの異なるシールフィン１ａ，１ｂに相対する位置のロータ表面、ケーシング内面、あるいは動翼または静翼の先端に設けられた基材２上にそれぞれシール間隙ｇａ，ｇｂを介してアブレイダブル層３を設ける。長さの長いシールフィン１ａに相対する部分に形成するアブレイダブル層３は薄く施工し、長さの短いシールフィン１ｂに相対する部分に形成するアブレイダブル層３は厚く施工する。

本実施の形態の軸シール装置は、図８に示すように定常状態へ移行（縮む）したときには、結果的にシールフィン１ａ，１ｂとアブレイダブル層３との相対的位置関係は第１の実施の形態と同様になって段付きシールフィンが構成される。段付きシールは段の無いシールよりもシール性能が高い。また本実施の形態によればシール間隙を最小化することができるので、従来の軸シール装置よりもシール性能を格段に向上した軸シール装置が得られる。

（第３の実施の形態）
図９は本発明の第３の実施の形態の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図である。この図はターボ機械組立て直後の状態を示している。すなわち、ターボ機械のケーシング内面、ロータ表面、あるいは静翼または動翼の先端に設けられた長さの長いシールフィン１ａと短いシールフィン１ｂに相対する位置のロータ表面、ケーシング内面、あるいは動翼または静翼の先端に設けられた基材２および基材凸部２ａ上にそれぞれシール間隙ｇａ，ｇｂを介してアブレイダブル層３ａ，３ｂを設ける。短歯のシールフィン１ｂに相対する位置の基材を凸部２ａのように凸形状としているため、段付きシールが実現されている。アブレイダブル層３ａ，３ｂの表面４ａ，４ｂは、シールフィン１ａ，１ｂとの間隙を均一にするためにアブレイダブル層を溶射施工した後に切削や研磨によって仕上げる場合もある。

本実施の形態の軸シール装置はこのようにシール間隙を設定することで、第１の実施の形態と同様にアブレイダブルシールの性能をより効果的に発揮できる。特に図１０に示すように、長さの短いシールフィン１ｂと相対する凸部とのシール間隙ｇｂが長さの長いシールフィン１ａと相対する面とのシール間隙ｇａよりも大きくすることで、図１７に示したような段付きシールの凸部で発生するアブレイダブル層端部９の脱落を防止することが可能となる。

図１１は、本実施の形態の軸シール装置における定常時での漏れ流体２０ａの流れを解析結果を元に模式的に描いた図である。解析結果からアブレイダブル層の微小な切削があった場合にも大局的な流れ場に変化は無く、シール性能の低下はごく僅かであることが確認されている。

（第４の実施の形態）
図１２は本発明の第４の実施の形態の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図である。この図はターボ機械組立て直後の状態を示している。アブレイダブル層３を形成したロータ１６とケーシング１８の表面に交互にシールフィン１ａ，１ｂを設けた構成である。

ケーシング１８側に取り付けてあるシールフィン１ａとこのシールフィン１ａに相対するロータ１６側のアブレイダブル層３の表面との間に形成されるシール間隙ｇａが、ロータ１６側に取り付けてあるシールフィン１ｂとこのシールフィン１ｂに相対するケーシング１８側のアブレイダブル層３の表面との間に形成されるシール間隙ｇｂよりも大きくすることが望ましい。このように設定することで、シールフィン１ａがロータ１６側のアブレイダブル層３を全て削り込みロータ１６へ直接的なダメージを及ぼすことを回避できる。

図１３は、図１２に示した軸シール装置の定常時での漏れ流体２０ａの流れを解析結果を元に模式的に描いた図である。解析結果からアブレイダブル層３の切削があった場合にも大局的な流れ場に変化は無く、シール性能の低下は極僅かであることが確認されている。このように、本実施の形態の軸シール装置は優れたシール性能を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図。 本発明の第１の実施の形態の軸シール装置の作用を説明する図。 本発明の第１の実施の形態の軸シール装置の作用を説明する図。 本発明の第１の実施の形態の変形例の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図。 本発明の第１の実施の形態の変形例の軸シール装置の作用を説明する図。 本発明の第１の実施の形態の変形例の軸シール装置の作用を説明する図。 本発明の第２の実施の形態の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図。 本発明の第２の実施の形態の軸シール装置の作用を説明する図。 本発明の第３の実施の形態の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図。 本発明の第３の実施の形態の変形例の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図。 本発明の第３の実施の形態の軸シール装置の作用を説明する図。 本発明の第４の実施の形態の軸シール装置の構成を示す軸方向断面図。 本発明の第４の実施の形態の軸シール装置の作用を説明する図。 従来の蒸気タービンの構造を示す軸方向断面図。 従来の蒸気タービンにおける段付きシールを示す軸方向断面図。 従来の段付きアブレイダブルシールの構成を示す軸方向断面図。 従来の段付きアブレイダブルシールの作用を説明する図。 従来の段付きアブレイダブルシールの作用を説明する図。 従来の段付きアブレイダブルシールの作用を説明する図。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…シールフィン、２…基材、２ａ…基材凸部、３，３ａ，３ｂ…アブレイダブル層、４ａ，４ｂ…アブレイダブル層表面、９…アブレイダブル層端部、１６…ロータ、１７…動翼、１８…ケーシング又は静翼外輪、１９…静翼、２０…作動流体、２０ａ…漏れ流体、２１…ラビリンスシール、２３…スラスト軸受、２４…段付きシール、ｇ，ｇａ，ｇｂ，ｇｃ…シール間隙。

Claims (7)

1. 同軸に配置された静止部および回転部のいずれか一方の表面に設けられたアブレイダブル層と、前記静止部および回転部の他方に設けられ前記アブレイダブル層の表面に２種類以上のシール間隙を介して相対する複数のシールフィンとを備えていることを特徴とする軸シール装置。
2. 前記２種類以上のシール間隙は前記アブレイダブル層の厚さの違いによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
3. 前記複数のシールフィンの長さが２種類以上あり、長さの短いシールフィンに相対する前記アブレイダブル層が凸状になっていることを特徴とする請求項１または2に記載の軸シール装置。
4. 前記長さの短いシールフィンと前記アブレイダブル層凸部との間のシール間隙が、長さの長いシールフィンと相対する前記アブレイダブル層との間のシール間隙よりも大きい事を特徴とする請求項３に記載の軸シール装置。
5. 前記シールフィンは、前記静止部および前記回転部に交互に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
6. 前記静止部側に取り付けられたシールフィンとこのシールフィンに相対する回転部側のアブレイダブル層との間に形成されるシール間隙が、前記回転部側に取り付けられたシールフィンとこのシールフィンに相対する静止部側のアブレイダブル層との間に形成されるシール間隙よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の軸シール装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の軸シール装置を備え、前記静止部としてケーシングまたは静翼を備え、前記回転部としてロータまたは動翼を備えていることを特徴とするターボ機械。

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