JP2011163421A - ターボ機械用ラビリンスシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、溝部内の旋回流を効果的に低減でき、ロータの不安定振動を抑制できるターボ機械用ラビリンスシール装置を提供する。
【解決手段】回転羽根車を有するロータ３とロータを支持するステータ５との間の間隙部に設けられ、ステータ５に支持される外周側リング部１２と、内周側に複数の櫛歯１６が設けられた内周側リング部１３とを有するシールリング１０を備えるターボ機械用ラビリンスシール８であって、ロータ半径方向に沿って設けられ、櫛歯間に構成される溝部１７と内周側リング部の外周側とに連通する抽気スリット１９と、内周側リング部１３の外周面に設けられた凸部２０とを備え、凸部２０は、抽気スリット１９のロータ回転方向下流側の、ほぼ抽気スリット１９に隣接する位置に設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明はターボ機械に用いられるラビリンスシール装置に関する。

ターボ機械は主に、回転羽根車を有するロータと、ロータを内包し、作動流体が流れる流路を形成するステータとで構成される。ステータとロータとの間には間隙が存在し、この間隙から作動流体の漏れ流れが発生し、漏れた作動流体はターボ機械がなす仕事に寄与せず、ターボ機械の効率を低下させる。そこで、作動流体の流体漏洩を低減するために、ロータとステータとの間の間隙部に櫛歯構造のラビリンスシール装置が使用されることが多い。

ところで、ロータが高速で回転すると、ラビリンスシールの櫛歯間に構成される溝部内では、流体のつれまわり効果により漏れ流体の旋回流が発生し、それによりロータに不安定振動が発生することがある。この不安定振動を防止するためには、上記溝部における漏れ流体の旋回流速を低減することが有効である。そこで、例えば特開平７−１９００５号公報の図１に開示されているように、ラビリンスシールのシールリングに、ラビリンスシールの上流側第１番目の溝部とシールリング外周部とを連通させる透孔を穿ち、透孔は半径方向に対して傾斜して形成する構造が考案されている。本構造では、シールリング外周部と溝部との差圧により、シールリング外周部の漏れ流体が、透孔を介して溝部内の旋回流と逆向きに溝部へと流入し、溝部内の旋回流速を低減するとされている。

特開平７−１９００５号公報

しかし、従来の構造では、シールリング外径部と溝部との差圧は、上流側第１番目の櫛歯を漏れ流体が通過する際の圧力損失のみによって得られる。一方、漏れ流れが透孔を通過する際にも圧力損失が発生するため、溝部内の旋回流の動圧に抗するだけの十分な噴流が得られない可能性がある。

そこで、本発明の目的は、ラビリンスシールの櫛歯間に構成された溝部内に溝部内の旋回流の動圧に抗するのに十分な漏れ流れを導入でき、溝部内の旋回流の発生を抑制して、ロータの不安定振動を抑制できるラビリンスシール装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、回転羽根車を有するロータと、ロータを支持するステータとの間の間隙部に設けられ、ステータに支持される外周側リング部と、内周側に複数の櫛歯が設けられた内周側リング部とを有するシールリングを備えるターボ機械用ラビリンスシール装置において、ロータ半径方向に沿って設けられ、櫛歯間に構成される溝部と内周側リング部の外周側とに連通する抽気スリットと、内周側リング部の外周面に設けられた凸部とを備え、凸部は、抽気スリットのロータ回転方向下流側の、ほぼ抽気スリットに隣接する位置に設けたことを特徴とするものである。

本発明によれば、シールリングの抽気スリットのロータ回転方向下流側に隣接する位置に旋回流を遮る凸部を設けたことにより、内周側リング部の外周に発生する旋回流が凸部に衝突し、抽気スリット外周部の静圧が上昇する。このため、抽気スリット外周部と溝部との差圧が増大し、抽気スリット外周部の流体を効果的に溝部へと導入できる。よって、ラビリンスシールの櫛歯間に構成された溝部内に、溝部内の旋回流の動圧に抗するのに十分な漏れ流れを導入でき、溝部内の旋回流の発生を抑制して、ロータの不安定振動を抑制できる。

本発明の第１の実施例に係るターボ機械の要部断面図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシール装置の軸方向断面図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシール装置の軸直角断面図である。 本発明の第２の実施例に係るラビリンスシール装置の軸直角断面図である。 本発明の第３の実施例に係るラビリンスシール装置の軸直角断面図である。 本発明の第４の実施例に係るラビリンスシール装置の軸方向断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。なお、各図面を通し、同等の構成要素には同一の符号を付してある。

本発明の第１の実施例に係るターボ機械の要部断面図を図１に、本発明の第１の実施例に係るラビリンスシール装置の軸方向断面図を図２に、図２に示したラビリンスシール装置の軸直角断面図を図３に示す。

図１に示すように、本発明のターボ機械１は、回転羽根車２を有するロータ３と、ロータ３を内包して支持し、作動流体が流れる作動流体流路４を形成するステータ５を備える。ステータ５の内周側には作動流体を加速させるノズル６が固定されている。

ステータ５とロータ３との間には間隙が形成されており、この間隙から作動流体の漏洩が発生する。作動流体の漏洩を抑制するため、回転羽根車２とステータ５との間や、ノズル６の内周側に設けられた内周側ダイアフラム７とロータ３との間、ステータ５とロータ３との間の間隙部に櫛歯構造のラビリンスシール８が設けられている。

ステータ５とロータ３との間の間隙部を流れる漏れ流れには、ロータ３による流体のつれまわり効果などにより、ロータ回転方向９（以下、単に回転方向と記す）へ旋回流が発生する。

図２に示すように、ラビリンスシール８は、ステータ５（破線にて図示）に支持されるシールリング部１０と、シールリング部１０に固定される櫛歯部１１とを有する。シールリング部１０は、ステータ５に形成された固定溝１４に嵌め込まれる外周側リング部１２と、ステータ５とロータ３との間の間隙部１５に位置し、櫛歯１６が設けられる内周側リング部１３とを有する。外周側リング部１２をステータ５に形成された固定溝１４にロータ周方向に嵌め込むことによって、シールリング部１０はステータ５に支持されている。

内周側リング部１３の内周面には櫛歯１６がロータ軸方向に複数枚設けられ、櫛歯１６間に溝部１７を形成する。ラビリンスシール装置では、ロータ３とステータ５との間の間隙部１５を流れる作動流体の漏れ流れ１８が櫛歯１６先端の細隙部を通過する際に発生する圧力損失により、漏れ流量が低減される。

本実施例では、内周側リング部１３に、内周側リング部１３の作動流体流れ方向上流側（以下、単に上流側と記載する）端面から、上流側から第１番目の溝部１７に至る位置まで軸方向に抽気スリット１９が設けられている。抽気スリット１９は、ロータ半径方向に沿って設けられ、内周側リング部１３の内周側と外周側とに連通している。

漏れ流体が櫛歯１６を通過する際に発生した圧力損失により、上流側から第１番目の溝部１７内の圧力は、内周側リング部１３の外周部の圧力より低くなっている。そのため、内周側リング部１３の外周部の漏れ流体が抽気スリット１９を介して溝部１７に導入される。

しかしながら、漏れ流れが抽気スリット１９を通過する際にも圧力損失が発生するため、単に抽気スリット１９を設けただけでは溝部内に旋回流の動圧に抗するだけの十分な噴流が導入しにくく、十分ではない。

そこで、本実施例では、内周側リング部１３の外周部に発生する漏れ流体の旋回流を遮り、外周部の静圧を回復させるための凸部２０を、内周側リング部１３外周面の抽気スリット１９のロータ回転方向下流側に隣接する位置に設けている。

凸部２０は、ロータ軸方向長さは抽気スリット１９と略同じ長さとする。また凸部２０の軸方向の配置位置は、抽気スリット１９と連通する溝部１７の外径側位置に重なるように設ければ良い。なお、凸部２０のロータ軸方向長さは、長い程より確実な効果が期待できるが、溝部１７のロータ軸方向幅以上あれば効果が期待できる。

図３に示すように、本実施例では、凸部２０は、板状部材で構成されている。凸部２０は、ロータ３の回転方向９に沿って周方向に抽気スリット１９，凸部２０の順番で設けられている。より具体的には、凸部２０は、周方向において抽気スリット１９のロータ回転方向９下流側の、ほぼ抽気スリット１９に隣接する位置に設けられている。なお、凸部２０を設ける位置は、抽気スリット１９に近い程、より良い効果が期待できる。しかしながら、旋回流速が一定程度以上速ければ、抽気スリット１９に略隣接する位置、即ち、抽気スリット１９から周方向下流側に、抽気スリット１９から凸部２０の高さ程度以下の距離を離して設けても良い。

本実施例では、ラビリンスシール８は、円周方向に４分割されたセグメント構造を有する。抽気スリット１９は、各セグメント２３の回転方向下流側の周方向端面２１に設けられている。

本実施例では凸部２０は、シールリングと別部材の板状部材である。凸部２０は、抽気スリット１９が設けられた周方向端面２１に隣接するセグメント２３の、抽気スリット１９と対向する、回転方向上流側の周方向端面２２に沿って、内周側リング部１３の外周面に半径方向外周側に凸するように据え付けられる。

このような構造によれば、分割されたセグメント部品の周方向端面に切り込み加工を施し、各セグメントを周方向に連接するだけで抽気スリット１９を容易に形成可能である。
なお、ラビリンスシール８の円周方向分割数は任意であり、セグメント数は４つに限定するものではない。

本実施例の構造によれば、抽気スリット１９は加工が容易であり、凸部２０は板状部材を設けて形成するだけの簡単な構造であるので、製作性がよく経済性に優れる。

また、本実施例の構造によれば、シールリング部１０の内周側リング部１３の外周部に発生する旋回漏れ流れ２４は、旋回抑止手段である凸部２０に衝突して旋回流が遮られ、抽気スリット１９の外周部の圧力が増加する。そのため、抽気スリット１９の外周側と内周側の溝部１７との間で差圧が増大し、凸部２０に衝突して無旋回となった漏れ流れをより効果的に抽気スリット１９を介して溝部１７に導くことができ、溝部内に旋回流の動圧に抗するだけの十分な噴流２５を得ることができる。

ところで、抽気スリット等による噴流を溝部内の旋回流と対向するように上流側に傾斜させて発生させた場合、本発明で用いるシール外周側と溝部との差圧では、溝部内の旋回動圧に打ち勝って噴流を発生することは難しいと考えられる。

一方、本実施例の抽気スリット１９はロータ半径方向に沿って設けられており、噴流２５は、抽気スリット１９を通過することによってロータ半径方向に沿って溝部１７に吹き出される。本実施例では、抽気スリット１９はロータ半径方向に沿って設けているので、噴流２５の速度ベクトルと旋回流の速度ベクトルが対向することなく、溝部内の旋回動圧の影響を抑えてより確実に噴流を発生させることができる。溝部内を周方向に旋回する漏れ流れ２３がこの噴流２５と衝突することによって旋回速度成分が打ち消され、溝部１７内の旋回流が抑制される。よって、溝部１７内の旋回流を抑制できるので、溝部１７内の旋回流の発生を抑制してロータ３の不安定振動を抑制できる。

本発明の第２の実施例について説明する。図４は、本発明の第２の実施例に係るラビリンスシール装置の軸直角断面図である。

本実施例の構造において、図２および図３に示した第１の実施例と異なる部分は、凸部２０の構造であって、板状部材の代わりに、凸部の外径値が回転方向上流側から下流側に向かって徐々に減少し、勾配を有するように凸部２０を形成した点である。本実施例の凸部は、内周側リング部１３と一体成型しても良いし、別部材としてもよい。

本実施例によれば、第１の実施例と同様に、内周側リング部１３の外周部を旋回する漏れ流体が、各セグメントの凸部２０に衝突して圧力を増し、抽気スリット１９を介して溝部１７に導くことができる。

さらに、本実施例では、凸部２０の外径値が回転方向上流側から下流側に向かって徐々に減少するように構成しているので、凸部２０に衝突した後の漏れ流体の流れの乱れが小さくなり、回転方向下流の凸部で静圧上昇を十分に得るための旋回流が確保できる。よって、本実施例によれば実施例１と比較して、外周部と内周部との差圧をより大きく確保でき、内周側リング部１３の外周側を旋回する漏れ流体をより効果的に溝部１７内に導いて吹き出すことができ、より確実に溝部１７内の旋回流の発生を抑制してロータ３の不安定振動を抑制できる。

本発明の第３の実施例について説明する。図５は、本発明の第３の実施例に係るラビリンスシール装置の軸直角断面図である。本実施例は、前述した第２の実施例の応用例である。

本実施例の構造において、図４に示した第２の実施例と異なる部分は、凸部２０の回転方向上流側端面２７が、半径方向に対して、反回転方向側に傾斜している点である。

本実施例によれば、抽気スリット入口の流路形状がくさび形となるため、漏れ流れの旋回流による圧力上昇を大きくでき、実施例２と比較してより確実に漏れ流れを溝部１７に導いて吹き出すことができ、より確実に溝部１７内の旋回流の発生を抑制してロータ３の不安定振動を抑制できる。

本発明の第４の実施例について説明する。本実施例は、先に説明した第１の実施例の応用例である。図６は、本発明の第４の実施例に係るラビリンスシール装置の軸方向断面図である。

本実施例の構造において、第１の実施例と異なる部分は、抽気スリット１９の代わりに、上流側の内周側リング部１３外周側から、櫛歯部１１の上流側から２番目の溝部へと連通する抽気スリット２８を設けた点である。

第１の実施例と同様に内周側リング部１３の外周を旋回する漏れ流体は、凸部２０に衝突して圧力上昇する。また、上流側から１番目の溝部１７ａと比較して、２番目以降の溝部１７ｂ内の漏れ流体はさらに圧力が低下しており、内周側リング部１３の外周部との差圧が１番目の溝部１７ａより大きい。よって、１番目の溝部と連通する抽気スリットを有する実施例１の態様と比較して、本実施例は、より内周側リング部１３の外周部と溝部内との圧力差をより大きくでき、より確実に内周側リング部１３外周側の漏れ流体を溝部内に導入して、溝部１７内の旋回流の発生を抑制して不安定振動を抑制できる。

なお、本実施例では抽気スリット２８は、櫛歯部１１の上流側から２番目の溝部と連通しているが、上流側から３番目以降の溝部と連通していてもよい。

溝部内の旋回流速低減による軸振動安定化効果は上流側第１番目の溝部が最も大きく、下流側に行くに従って徐々に減少するが、上流側第２番目の溝部の旋回流を低減することによっても十分な軸振動安定化効果が得られる。

なお、本発明におけるラビリンスシール８のロータ３形状は図７のようなストレート形状だけでなく、段付形状としてもよく、ロータ３側にラビリンスシール８が形成されていてもよい。また、抽気スリット１９を本発明のターボ機械１の全てのラビリンスシール８に設けてもよく、その一部に設けてもよい。抽気スリット１９は複数の溝に跨っていてもよいものである。

１ ターボ機械
２ 回転羽根車
３ ロータ
４ 作動流体流路
５ ステータ
６ ノズル
７ 内周側ダイアフラム
８ ラビリンスシール
９ ロータの回転方向
１０ シールリング部
１１ 櫛歯部
１２ 外周側リング部
１３ 内周側リング部
１４ 固定溝
１５ 間隙部
１６ 櫛歯
１７ 溝部
１８ 漏れ流体
１９，２８ 抽気スリット
２０ 凸部
２１，２２ 周方向端面
２３ セグメント
２４ 旋回漏れ流れ
２５ 噴流
２６ 漏れ流れ
２７ 凸部回転方向上流側端面

Claims (5)

1. 回転羽根車を有するロータと該ロータを支持するステータとの間の間隙部に設けられ、前記ステータに支持される外周側リング部と、内周側に複数の櫛歯が設けられた内周側リング部とを有するシールリングを備えるターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
   前記ロータ半径方向に沿って設けられ、前記櫛歯間に構成される溝部と前記内周側リング部の外周部とに連通する抽気スリットと、
   前記内周側リング部の外周面に設けられた凸部とを備え、
   前記凸部は、ロータ周方向において、前記抽気スリットの前記ロータ回転方向下流側の、ほぼ前記抽気スリットに隣接する位置に設けられ、ロータ軸方向において、前記抽気スリットと連通する前記溝部の外径側位置に重なるように設けられていることを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。
2. 請求項１記載のターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
   前記シールリングは、周方向に複数分割されたセグメント構造を有し、
   前記抽気スリットは、前記セグメントの周方向端面に設けられ、
   前記凸部は、前記セグメントに据え付けられた板状部材であることを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。
3. 請求項１記載のターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
   前記シールリングは、周方向に複数分割されたセグメント構造を有し、
   前記凸部は、外径値が回転方向上流側から下流側に向かって徐々に減少する勾配を有することを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。
4. 請求項３記載のターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
   前記凸部の回転方向上流側端面は、ロータ半径方向に対して、ロータ回転方向反対側に傾斜していることを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。
5. 請求項１記載のターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
   前記抽気スリットは、外周側開口部と前記間隙部を流れる流体の流れ方向下流側第２番目以降の前記溝部とを連通していることを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。

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