JP2010106779A - 蒸気タービンのシール構造及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】
軸方向に位置ずれしても、蒸気の漏れ流量が変動しない、また、シール性能の高い蒸気タービンのシール構造を提供することを課題とする。
【解決手段】
蒸気タービン２の静翼２ｃ（固定部）とロータ２ａ（回転部）の間に設けられる間隙における蒸気の漏れ流量を抑制するためのラビリンスシール装置３ｃにおいて、ラビリンスシール装置３ｃに備わるシール静止体３ｃ１に設置するフィン３ｃ２と、ロータ２ａに設置するフィン２ａ１の一方あるいは両方をらせん形状とする。このらせん形状を、ロータ２ａの回転により、蒸気を低圧側から高圧側へ流入させる方向に作用するように形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気タービンのシール構造に関する。

ボイラ等の蒸気発生器が発生する蒸気でタービン（蒸気タービン）を回転して発電する発電プラントの場合、蒸気タービンは蒸気の流れの上流側から、高圧タービン，中圧タービン、及び低圧タービンが備わり、低圧タービンを回転させた蒸気は、排気室を経由して復水器に導入され、復水器で凝縮されて給水となり蒸気発生器に還流する。このような発電プラントを構成する蒸気タービンは、ケーシングの内側に固定される静翼が、ロータと一体に回転する動翼間に配置され、動翼と静翼とからなる段落が形成される。

そして、ケーシングの内部に導入された蒸気は、蒸気タービンのケーシングの内部を流れ、静翼と、ケーシングに回転自在に保持されるロータに固定される動翼との間を交互に通りながら膨張し、ロータを回転させる。そして、ロータの最も下流に備わる動翼、すなわち最終段の動翼を通過した蒸気は、ケーシングの外に排気されるように構成される。

このような蒸気タービンにおいては、蒸気が動翼を回転することでロータを回転することから、蒸気を効率よく使用するために、例えば静翼とロータなど、回転部と固定部との間に設けられるシール部からの蒸気の漏れをできるだけ少なくするため、シール部の間隙を小さくすることが求められる。

また、蒸気タービンにおいては、回転部と固定部との熱伸び差により軸方向の相対位置変位（以下、位置ずれと称す）が大きくなる部分が生じるが、そのような場所では、回転部と固定部の両方に櫛歯状のフィンを設置するダブルストリップ型シールが採用されることが多い。

このダブルストリップ型シールは軸方向の位置ずれにより、蒸気の漏れ流量に変動が生じる。対向するフィンとフィンとの間隙（以下、フィン間隙と称す）が最小ならば、漏れ流量は小さいが、軸方向の位置ずれにより対向するフィン間隙が大きくなり、漏れ流量が一気に増大する。対向するフィン間隙が一定であれば、漏れ流量は一定である。

このような漏れ流量の変動に関する問題に対応するため、従来、回転部や固定部に設置するフィンの配置を工夫したものとして、例えば、特許文献１に開示された技術がある。特許文献１に開示される技術によると、隣り合うフィン間の間隔（ピッチ。以下、フィン間隔と称す）とフィン間隙（クリアランス）との比を、フィン間隔／フィン間隙＝６と、かなり小間隔でフィンを配列している。

特許３３６４１１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載される技術によっても、漏れ流量の変動は起こり得るものと思われる。特に、漏れ流量を小さくしようとフィン間隙を小さくする場合、フィン間隔をかなり小さくする必要があるが、加工上，コスト上の限界がある。なかでも、回転部や固定部に溝を掘りフィンを埋め込むシール構造では、強度上、あまり小間隔にはできない。

また、小間隔でフィンを配列すると、シール部を流れる蒸気が吹抜けを起こしてしまい、シール性能が低下する可能性がある。

そこで、本発明は、軸方向に位置ずれしても、漏れ流量の変動を効果的に抑制することができ、また、シール性能の高い、蒸気タービンのシール構造を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、固定部または回転部に設置されるシール部に、回転部の回転により、固定部と回転部の間の蒸気に対して、蒸気を低圧側から高圧側へ流入させる方向に作用するように形成されたらせん形状のフィンを設置したことを特徴とする。

本発明によれば、らせん形状のフィンを用いているので、軸方向に位置ずれしても、ロータ軸回りを考慮すれば、対向するフィンとの相対位置関係が変わらないということでき、その結果、らせん形状フィンと対向するフィンとの間の流路面積が変わらないので、軸方向の位置ずれに起因する漏れ流量の変動がない蒸気タービンのシール構造を提供することができる。また、本発明によれば、らせん形状を、回転部の回転により、固定部と回転部の間の蒸気に対して、蒸気を低圧側から高圧側へ流入させる方向に作用するように形成しているので、シール性能の高い蒸気タービンのシール構造を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明が適用される蒸気タービンを備える発電プラントの一例を示す概略系統図である。図１に示すように、発電プラント１は、ボイラ１０と、蒸気タービン２（高圧タービン１２，中圧タービン１４、及び低圧タービン１６），発電機１８，復水器２０などを備えている。そして、低圧タービン１６のロータ２ａは発電機１８の駆動軸２２に連結され、蒸気タービン２の回転によって発電機１８が駆動され発電される構成である。

ボイラ１０は蒸気発生器であって、配管２６を介して高圧タービン１２の入口側に接続されている。高圧タービン１２の出口側は配管２８を介してボイラ１０に収納された再熱器２４に接続される。再熱器２４は配管３０を介して中圧タービン１４の入口側に接続され、中圧タービン１４の出口側は配管３２を介して低圧タービン１６の入口側に接続されている。

配管２６と配管３０には調節弁Ｂが備えられ、それぞれ、高圧タービン１２及び中圧タービン１４に流入する蒸気Ｓｔの量を制御するための制御弁として機能する。これらの調節弁Ｂは、制御装置５４によって制御され、高圧タービン１２及び中圧タービン１４に流入する蒸気Ｓｔの量が制御される。

ボイラ１０で発生した蒸気Ｓｔは、高圧タービン１２，中圧タービン１４を介して低圧タービン１６に流入し、低圧タービン１６に備わるロータ２ａを回転させる。ロータ２ａを回転して低圧タービン１６から排気された蒸気Ｓｔは、復水器２０で凝縮されて水（給水）となった後、給水加熱器２１に送り込まれて、給水加熱器２１で加熱され、更に他の給水加熱器（図示省略）や高圧給水ポンプ（図示省略）などを経由して蒸気発生器であるボイラ１０に再度導入される。

図２（ａ）は、蒸気タービンの一部構成図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＸ部拡大図であり本発明の一実施例であるシール構造を示す図である。

図２（ａ）に示すように、蒸気タービン２は、ロータ２ａに動翼２ｂが設けられ、一方、ケーシング２ｄに支持されたノズルダイヤフラム外輪３ｂに静翼２ｃが支持され、静翼２ｃの内周側にノズルダイヤフラム内輪３ａが設けられている。動翼２ｂと静翼２ｃとで段落が形成される。ここで、ロー２ａ及び動翼２ｂが回転部であり、静翼２ｃ，ケーシング２ｄ，ノズルダイヤフラム内輪３ａ及びノズルダイヤフラム外輪３ｂが固定部である。ロータ２ａとノズルダイヤフラム内輪３ａの間に本発明のラビリンスシール装置が設けられている。本実施形態のラビリンスシール装置３ｃでは、図２（ｂ）示すように、ロータ２ａには平板状のフィン２ａ１が環状に複数設置され、ノズルダイヤフラム内輪３ａに支持されたシール静止体３ｃ１にはらせん形状のフィン３ｃ２が設置されている。

フィン２ａ１とフィン３ｃ２とは、互いに交差しており、この交差位置を基準として検討する。ここから軸方向に位置ずれが生じ、交差位置が、らせん形状のフィン３ｃ２のロータ２ａ軸回りに１８０°回転した位置に変わったと仮定する。その位置を基準にし、フィン２ａ１とフィン３ｃ２とを、ロータ２ａ軸回りに、１８０°戻してみれば、フィン２ａ１とフィン３ｃ２との相対位置は、位置ずれ前と変わらない。従って、フィン２ａ１とフィン３ｃ２との間の流路面積が変わらない。同様にして、位置ずれで交差位置が任意の位置に変わっても、フィン２ａ１とフィン３ｃ２との相対位置は変わらない。従って、本実施例のシール構造では、フィン２ａ１とフィン３ｃ２との間の流路面積も変わらず、一定である。よって、本実施例のシール構造では、軸方向の位置ずれが生じても、漏れ流量の変動がない。

図３（ａ）は、図２（ｂ）における部材である、ロータ２ａとフィン２ａ１の機能説明図である。図２（ｂ）において、蒸気Ｓｔが左より流入し、ロータ２ａの回転方向をＲｔとすると、フィン２ａ１の回転により、フィン２ａ１近傍の蒸気Ｓｔは、図３（ａ）のように、回転方向Ｒｔと同じ向きに旋回しながら拡がる。これをわかりやすく示したのが図３（ｂ），（ｃ）である。図３（ｂ）は図３（ａ）を左方からみた図、図３（ｃ）はロータ２ａの軸と直角方向からみた図である。図３（ｃ）に示したように、フィン２ａ１近傍の蒸気Ｓｔは、遠心力により外へ噴出される。また、図３（ｂ）に示したように、フィン２ａ１の回転により、蒸気Ｓｔは旋回する。

従って、図４のように、シール静止体３ｃ１のフィン３ｃ２を右ネジのらせん形状にすると、ロータ２ａの回転でフィン２ａ１により生じた蒸気の旋回は、らせん形状のフィン３ｃ２間において、フィン３ｃ２に沿って流れ、左方、即ち、上流側へ押し戻される蒸気Ｓｔの流れとなる。これによって、フィン２ａ１とフィン３ｃ２との間の漏れ流量は低減され、シール性能が高くなる。

図５にフィン取り付けの一実施例を示す。図５（ａ）には、ロータ２ａに形成した溝２ａ３にＵ型で環状のフィン２ａ１をロータ軸と直角に埋め込んだ実施形態、図５（ｂ）には、シール静止体３ｃ１に形成した左ネジのらせん形状の溝３ｃ３にＵ型でらせん形状のフィン３ｃ２を埋め込んだ実施形態を示す。このようにして、図２（ｂ）に示すシール構造を構成している。

本実施形態によれば、軸方向の位置ずれが生じても、漏れ流量の変動がない効果を奏する。また、フィン２ａ１が遠心および旋回流を形成し、らせん形状のフィン３ｃ２と共に上流側に押し戻す蒸気の流れを誘起するので、漏れ流量が少なくシール性能を高める効果を奏する。

図６に他の実施形態を示す。本実施形態では、ロータ２ａおよびシール静止体３ｃ１に各々らせん形状のフィン２ａ１およびらせん形状のフィン３ｃ２を設置した例を示す。フィン２ａ１が左ネジの方向に、フィン３ｃ２が右ネジの方向にねじれて、互いに交差している。軸方向の位置ずれが生じても、図２（ｂ）で示したように、ロータ２ａ軸回りの角度を変えてみれば、フィン２ａ１とフィン３ｃ２との間の流路面積は一定であり、漏れ流量に変動がない。

また、図６におけるシール静止体３ｃ１に設置された右ネジの方向にねじれたらせん形状のフィン３ｃ２による漏れ流量の低減効果は図３，図４で説明したように同様に得られる。ここでは、ロータ２ａに設置した左ネジのらせん形状であるフィン２ａ１による漏れ流量の低減効果を説明する。ロータ２ａが回転方向Ｒｔの向きに回転すると、左ネジのらせん形状であるフィン２ａ１間の蒸気Ｓｔの流れは回転方向Ｒｔと反対向きに押し流される。即ち、蒸気Ｓｔは軸流ポンプ効果により上流側へ流される。よって、フィン２ａ１とフィン３ｃ２によって漏れ流量は大幅に低減され、シール性能が高くなる。

図７に図６におけるフィンの取り付けの実施例を示す。図７（ａ）には、ロータ２ａにくさび型のフィン２ａ１を左ネジのらせん形状に設置し、図７（ｂ）には、シール静止体３ｃ１にくさび型のフィン３ｃ２を右ネジのらせん形状に設置した実施形態を示す。また、図７（ｃ）および（ｄ）には、それぞれＵ型でらせん形状のフィン２ａ１，３ｃ２を用いた例を示す。このようにして、図６に示すシール構造を構成することができる。

本実施形態によれば、軸方向の位置ずれが生じても、漏れ流量が変動しない効果を奏する。また、遠心および旋回流効果と軸流ポンプ効果を有するので、大幅に漏れ流量が低減し、シール性能が大幅に高くなる効果がある。

図８に他の実施形態を示す。本実施形態では、ロータ２ａにらせん形状のフィン２ａ１、シール静止体３ｃ１に平板状のフィン３ｃ２を設置した例を示す。図８（ｂ）に示すように、平板状のフィン３ｃ２はシール静止体３ｃ１の内周に環状に複数設置されている。本実施形態では、フィン２ａ１が左ネジの方向にねじれて、フィン３ｃ２と交差している。

従って、軸方向の位置ずれが生じても、図２（ｂ）で示したように、ロータ２ａ軸回りの角度を変えてみれば、フィン２ａ１とフィン３ｃ２との間の流路面積は一定であり、漏れ流量に変動がない。

また、図６で示したようにロータ２ａが回転するので、左ネジのらせん形状であるフィン２ａ１間の蒸気Ｓｔは、軸流ポンプ効果により、上流側へ流される。よって、漏れ流量の大幅な低減効果を有し、シール性能が高くなる。

本実施形態によれば、軸方向の位置ずれが生じても、漏れ流量が変動しない効果を奏する。また、軸流ポンプ効果を有するので、大幅な漏れ流量の低減効果を奏する。よって、シール性能が大幅に高くなる効果を奏する。

本発明の蒸気タービンのシール構造が適用される蒸気タービンを備える発電プラントの概略系統図である。 本発明の一実施例を示す図、（ａ）は蒸気タービンの一部構成図、（ｂ）は図２の（ａ）のＸ部拡大図であるシール構造を示す図である。 図２（ｂ）に示すシール構造における平板状のフィンによる旋回流発生の説明図である。 図２（ｂ）に示すシール構造おけるらせん形状のフィンの機能説明図である。 図２（ｂ）に示すシール構造におけるロータおよびシール静止体にフィンが備わる形態を示す図である。 本発明の他の実施形態であるシール構造の構成図である。 図６に示すシール構造におけるロータおよびシール静止体にフィンが備わる形態を示す図である。 本発明の他の実施形態であるシール構造の構成図である。

符号の説明

２ 蒸気タービン
２ａ ロータ（回転部）
２ａ１，３ｃ２ フィン
２ｂ 動翼（回転部）
２ｃ 静翼（固定部）
２ｄ ケーシング（固定部）
３ｃ ラビリンスシール装置
３ｃ１ シール静止体

Claims (6)

1. 蒸気タービンのロータ及び前記ロータと一体に回転する部材からなる回転部と、前記回転部を内包するケーシング及び前記ケーシングに固定される部材からなる固定部との間に設けられた蒸気タービンのシール構造であって、
   前記シール構造は、前記固定部と前記回転部の両方またはいずれか一方に、前記回転部の回転により、前記固定部と前記回転部の間の蒸気に対して、蒸気を低圧側から高圧側へ流入させる方向に作用するように形成されたらせん形状のフィンを設置して構成したことを特徴とする蒸気タービンのシール構造。
2. 請求項１において、前記蒸気の上流側に向かって、前記ロータの回転が右ネジ回りの場合、前記固定部に設置するフィンを右ネジのらせん形状のフィンとし、前記回転部に設置するフィンを左ネジのらせん形状のフィンまたは複数の環状のフィンとしたことを特徴とする蒸気タービンのシール構造。
3. 請求項１において、前記蒸気の上流側に向かって、前記ロータの回転が右ネジ回りの場合、前記回転部に設置するフィンを左ネジのらせん形状のフィンとしたことを特徴とする蒸気タービンのシール構造。
4. 請求項１において、前記蒸気の上流側に向かって、前記ロータの回転が左ネジ回りの場合、前記固定部に設置するフィンを左ネジのらせん形状のフィンとし、前記回転部に設置するフィンを右ネジのらせん形状のフィンまたは複数の環状のフィンとしたことを特徴とする蒸気タービンのシール構造。
5. 請求項１において、前記蒸気の上流側に向かって、前記ロータの回転が左ネジ回りの場合、前記回転部に設置するフィンを右ネジのらせん形状のフィンとしたことを特徴とする蒸気タービンのシール構造。
6. ロータと、該ロータに設けられた動翼と、前記ロータ及び前記動翼を内包するケーシングと、前記ケーシングにノズルダイヤフラム外輪を介して保持された静翼とを有する蒸気タービンであって、
   前記静翼のロータ側に設けられたノズルダイヤフラム内輪と前記ロータとの間に設けられたシール構造は、前記内輪側に設けられたフィンと、前記ロータ側に設けられたフィンとからなり、
   前記内輪側フィンシール又は前記ロータ側に設けられたフィンの少なくとも一方をらせん形状に配置したフィンとし、
   前記らせん形状のフィンを、前記ロータの回転により、蒸気を低圧側から高圧側へ流入させる方向に作用するようにらせんさせて形成したことを特徴とする蒸気タービン。

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