JP2013122227A - シール装置及び蒸気タービン - Google Patents

Abstract

【課題】流体の漏出封止に関する信頼性を向上できること。
【解決手段】隙間３２を設けて配置された回転部３７と静止部３８のうち、いずれか一方にシールフィン２９を備えて、隙間３２からの蒸気の漏出を封止するシール装置４０において、シールフィン２９に対峙する回転部３７または静止部３８の基材４１に被覆層４３が設けられ、この被覆層は、アブレイダブル材を含むアブレイダブル層４４と、アブレイダブル材よりも強度の高い金属材料を含む金属層４５とが積層して構成されたものである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、静止部と回転部との隙間から漏出する流体のより一層の低減化を図ったシール装置、及びこのシール装置を備える蒸気タービンに関する。

発電プラントに使用される蒸気タービンやガスタービンの仕事効率は、タービン動翼を回転させて動力（回転トルク）を発生させる流体量に影響している。つまり、タービンの静止部と回転部との隙間から漏出する流体を如何に低減させるかのシール技術がタービン性能を左右する。このため、動力発生に寄与しない流体の漏出を抑制するシール技術は、タービンの性能を向上させる重要な技術として位置付けられている。

このように、仕事効率向上にとって重要な技術として位置付けられているシール技術を組み込んだ蒸気タービンには、例えば図７に示すものがある。

この蒸気タービン１００は、タービンロータ１０１に複数枚のタービン動翼１０２が周方向に設けられて構成された回転部１０３と、タービン動翼１０２へ蒸気を案内するタービンノズル１０４がダイアフラム内輪１０５及びダイアフラム外輪１０６に支持されて構成された静止部１０７と、を有している。

タービン動翼１０２とタービンノズル１０４とは対をなしてタービン段落を構成し、このタービン段落がタービンロータ１０１の軸方向に複数段に亘って配列されている。尚、ダイアフラム外輪１０６はタービンケーシング１０８に係合されている。

上述の回転部１０３と静止部１０７とは隙間１０９を設けて配置され、この隙間１０９からの蒸気の漏出が、シールフィン１１１を備えたシール装置１１０によって封止される。つまり、タービン動翼１０２のシュラウド１１２に設けられたシールフィン１１１が、タービン動翼１０２のシュラウド１１２とダイアフラム外輪１０６との隙間１０９からの蒸気の漏出を封止している。また、ダイアフラム内輪１０５に設けられたシールフィン１１１が、ダイアフラム内輪１０５とタービンロータ１０１との隙間１０９からの蒸気の漏出を封止している。

尚、静止部１０７と回転部１０３との隙間１０９にシール装置１１０を設けた技術については、例えば特許文献１及び２等に示すように、数多くの発明が開示されている。

図７に示すシール装置１１０は、蒸気タービンやガスタービン等の流体機械に従来から数多く使用されてきたが、運転中に発生する振動等によって、静止部１０７としてのタービンノズル１０４、及びこのタービンノズル１０４を支持するダイアフラム内外輪１０５、１０６と、回転部１０３としてのタービンロータ１０１、タービン動翼１０２及びシュラウド１１２とが接触し、シールフィン１１１の一部が折損もしくは減耗し、蒸気等の漏出を確実に封止することに限界があった。

このような状況の下、最近のシール装置１１０では、回転部１０３または静止部１０７のうち、シールフィン１１１に対峙するいずれか一方の基材に、被削性に富むアブレイダブル層（不図示）を被覆させた技術が提案されている（特許文献３参照）。

特開２００１−１２３８０３号公報 特開２００５−２２０８７９号公報 特開２００７−１７０３０２号公報

ところで、前記アブレイダブル層は、コーティング材中にプラスチックやグラファイトなどの強度の低い物質を分散させてあたかもスポンジのような層になっているものや、ＢＮ（ベントナイト）のような固体潤滑剤を分散させたものがあり、いずれも被削性を確保している。

このため、アブレイダブル層は、蒸気タービン１００の運転中に、振動等によってシールフィン１１１と静止部１０７または回転部１０８とが接触しても、シールフィン１１１の折損を防止できるものの、蒸気中に含まれる酸化スケール等の異物で侵食・減肉する挙動が発生する恐れがある。

また、シール装置１１０が温度３００℃以上の流体（水蒸気）を取り扱うことを考慮すると、アブレイダブル層には水蒸気による酸化に対する耐性が求められる。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、流体の漏出封止に関する信頼性を向上できるシール装置及び蒸気タービンを提供することにある。

本発明に係るシール装置は、隙間を設けて配置された回転部と静止部のうち、いずれか一方にシールフィンを備えて、前記隙間からの流体の漏出を封止するシール装置において、前記シールフィンに対峙する前記回転部または前記静止部の基材に被覆層が設けられ、この被覆層は、アブレイダブル材と、このアブレイダブル材よりも強度の高い材料とが積層して構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る蒸気タービンは、タービンロータに複数枚のタービン動翼が周方向に設けられて構成された回転部と、前記タービン動翼へ作動流体を案内するタービンノズルがダイアフラム内輪及びダイアフラム外輪に支持されて構成された静止部と、を有する蒸気タービンにおいて、前記本発明に係るシール装置を備えたことを特徴とするものである。

本発明に係るシール装置、及びこのシール装置を備えた蒸気タービンによれば、回転部と静止部には、いずれか一方にシールフィンが設けられ、他方に被覆層がシールフィンに対峙して設けられ、この被覆層が、被削性の良好なアブレイダブル材と、このアブレイダブル材よりも強度が高く耐食性に優れた材料とが積層して構成されたので、シールフィンが回転部または静止部の被覆層に接触して折損することを防止できると共に、流体中の異物に対する被覆層の侵食も防止できる。従って、回転部と静止部との隙間に対する流体の漏出封止に関する信頼性を向上させることができる。

本発明に係るシール装置の一実施形態が適用された蒸気タービンを示す構成図。 図１の蒸気タービンにおけるタービンノズル及びノズルダイアフラムを示す斜視図。 図１の蒸気タービンにおけるシール装置を、タービン動翼及びタービンノズル等と共に示す部分断面図。 図３におけるシール装置の被覆層を示す断面図。 図３におけるタービン動翼に設置されたシュラウドとダイアフラム外輪との隙間に設けられたシール装置を示す断面図。 図３におけるダイアフラム内輪とタービンロータとの隙間に設けられたシール装置を示す断面図。 従来の蒸気タービンにおけるシール装置を、タービン動翼及びタービンノズル等と共に示す部分断面図。

以下、本発明を実施するための実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るシール装置の一実施形態が適用された蒸気タービンを示す構成図である。この蒸気タービン１０は、高圧タービン１１と中圧タービン１２とが一つのタービンケーシング１３内に収容された、いわゆる高中圧一体タービン１４であり、この高中圧一体タービン１４に低圧タービン１５が軸直結された構成になっている。

高中圧一体タービン１４のうち、高圧タービン１１と中圧タービン１２のそれぞれは、一つで共用するタービンロータ１６をタービンケーシング１３の中央に収容している。また、高圧タービン１１及び中圧タービン１２のそれぞれは、タービンケーシング１３に係合されたタービンノズル（静翼）１７と、タービンロータ１６に植設されたタービン動翼（羽根）１８とでタービン段落を構成し、このタービン段落がタービンロータ１６の軸方向に沿って複数段に亘って配列されている。

一方、高中圧一体タービン１４のタービンロータ１６に軸直結された低圧タービンロータ２０を備える低圧タービン１５は、高中圧一体タービン１４とクロスオーバ管２１で連結され、このクロスオーバ管２１が、低圧タービンケーシング２２の中央に配置する対向流タイプになっている。

対向流タイプの低圧タービン１５は、高中圧一体タービン１４と同様に、内部ケーシング２３に係合されたタービンノズル（静翼）１７と、低圧タービンロータ２０に植設されたタービン動翼１８とでタービン段落を構成し、このタービン段落が低圧タービンロータ２０の軸方向に沿い、且つクロスオーバ管２１を中心に両側に向って複数段に亘って配列されている。この低圧タービン１５には、仕事を終えた蒸気を凝縮させる復水器２６が設けられている。

高圧タービン１１、中圧タービン１２及び低圧タービン１５では、タービン段落を構成するタービンノズル１７及びタービン動翼１８のうち、タービンノズル１７は、図２に示すように、一端がリング状のダイアフラム外輪２７で支持され、他端がリング状のダイアフラム内輪２８で支持されて、作動流体としての蒸気をタービン動翼１８へ案内する。
いる。

ダイアフラム内輪２８は、シールフィン２９を備える。このシールフィン２９は、図３に示すように、凸部３０と凹部３１を備えたタービンロータ１６、低圧タービンロータ２０に対峙させ、ダイアフラム内輪２８とタービンロータ１６、低圧タービンロータ２０との隙間３２からの蒸気の漏出を封止している。また、ダイアフラム外輪２７は、タービンケーシング１３、内部ケーシング２３に係合されてタービン動翼１８まで延在されている。

タービン動翼１８は、タービンロータ１６、低圧タービンロータ２０から削り出されたタービンディスク３３に、周方向に複数枚植設されると共に、それらの頂部側にシュラウド３４を備える。このシュラウド３４に設けられたシールフィン２９がダイアフラム外輪２７に対峙して、ダイアフラム外輪２７とシュラウド３４との隙間３２からの蒸気の漏出を封止している。

上述のように、タービンロータ１６、低圧タービンロータ２０に複数枚のタービン動翼１８が周方向に設けられて構成された回転部３７と、タービン動翼１８へ蒸気を案内するタービンノズル１７がダイアフラム外輪２７及びダイアフラム内輪２８に支持されて構成された静止部３８とは、隙間３２を設けて配置されている。

そして、本実施形態のシール装置４０は、回転部３７と静止部３８のいずれか一方（例えば、静止部３８のダイアフラム内輪２８、回転部３７のタービン動翼１８のシュラウド３４）にシールフィン２９を具備させ、回転部３７と静止部３８との隙間３２からの蒸気の漏出を封止して、動力の効率的な発生に起因している。前記隙間３２として具体的には、静止部３８のダイアフラム内輪２８と回転部３７のタービンロータ１６、低圧タービンロータ２０との隙間３２や、静止部３８のダイヤフラ外輪２７と回転部３７のタービン動翼１８のシュラウド３４との隙間３２である。

更に、前記シール装置４０は、シールフィン２９に対峙する回転部３７と静止部３８のうち、いずれか一方の基材４１（図４）に、接着剤として機能するボンドコート層４２を介して被覆層４３が設けられている。この被覆層４３は、アブレイダブル材を含むアブレイダブル層４４と、アブレイダブル材よりも強度の高い金属材料を含む金属層４５とが積層、例えばアブレイダブル層４４と金属層４５とが交互に層状に配置されて構成される。

具体的には、図５に示すように、回転部３７を、タービン動翼１８の先端に設置されたシュラウド３４とし、このシュラウド３４に設けられたシールフィン２９に対峙する静止部３８をダイアフラム外輪２７とし、このダイアフラム外輪２７の基材４１にボンドコート層４２を介して被覆層４３が固着されている。

また、別の具体的では、図６に示すように、静止部３８を、タービンノズル１７を支持するダイアフラム内輪２８とし、このダイアフラム内輪２８に設けられたシールフィン２９に対峙する回転部３７をタービンロータ１６、低圧タービンロータ２０とし、このタービンロータ１６、低圧タービンロータ２０の基材４１にボンドコート層４２を介して被覆層４３が固着されている。

ここで、回転部３７及び静止部３８の基材４１は、マルテンサイトまたはベイナイト組成の鉄基合金である。また、被覆層４３におけるアブレイダブル層４４のアブレイダブル材は、固体潤滑剤ＢＮ（ベントナイト）を含む材料であり、被削性に優れる。例えば、このアブレイダブル材は、ＮｉＣｒＡｌ合金及びＢＮからなる組成物、またはＮｉＣｒＦｅＡｌ合金及びＢＮからなる組成物である。

被覆層４３における金属層４５の金属材料は、耐水蒸気酸化特性を有するＮｉ基合金、Ｃｏ基合金またはＭＣｒＡｌＹ合金系のいずれかから選択される。尚、前記Ｍは、Ｃｒ、Ａｌ、Ｙの各元素に追加する元素の総称であり、例えばＮｉ、Ｃｏなどを示す。この金属層４５は、金属材料からなるため、高圧タービン１１、中圧タービン１２、低圧タービン１５へ蒸気を導入する配管やボイラなどで発生した蒸気中の酸化スケールなどの異物に対して耐食性に優れる。更に、この金属材料は、耐水蒸気酸化特性を有するため、高温（例えば３００℃）の水蒸気による酸化に対して耐性を有し、脆化が抑制される。

更に被覆層４３は、アセチレンや水素、灯油を燃料としたガス炎溶射とプラズマ溶射の少なくとも一方を用いて形成される。即ち、例えばガス炎を用いてアブレイダブル材を溶融し、ボンドコート層４２上に溶射してアブレイダブル層４４を成膜し、このアブレイダブル層４４上に、例えばガス炎を用いて金属材料を溶融して溶射し、金属層４５を成膜する。これらを繰り返すことで、アブレイダブル層４４と金属層４５とが交互に層状に配置されて被覆層４３が形成される。

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果を奏する。
回転部３７と静止部３８には、いずれか一方にシールフィン２９が設けられ、他方に被覆層４３がシールフィン２９に対峙して設けられ、この被覆層４３が、被削性の良好なアブレイダブル材を含むアブレイダブル層４４と、アブレイダブル材よりも強度が高く耐食性に優れ、且つ耐水蒸気酸化特性を有する金属材料からなる金属層４５とが積層して構成されている。このため、回転部３７と静止部３８との隙間３２が例えば１．０ｍｍであっても、シールフィン２９が回転部３７または静止部３８の被覆層４３に接触して折損することを防止できると共に、蒸気中の異物（例えば酸化スケール）に対する被覆層４３の侵食、及び高温の水蒸気による被覆層４３の酸化（脆化）を共に防止できる。従って、回転部３７と静止部３８との隙間３２に対する蒸気の漏出封止に関する信頼性を向上させることができる。

以上実施形態について説明してきたが、本発明は、上述したような実施形態の具体的構成に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。

１０ 蒸気タービン
１６ タービンロータ
１７ タービンノズル
１８ タービン動翼
２０ 低圧タービンロータ
２７ ダイアフラム外輪
２８ ダイアフラム内輪
２９ シールフィン
３２ 隙間
３７ 回転部
３８ 静止部
４０ シール装置
４１ 基材
４３ 被覆層
４４ アブレイダブル層
４５ 金属層

Claims (5)

1. 隙間を設けて配置された回転部と静止部のうち、いずれか一方にシールフィンを備えて、前記隙間からの流体の漏出を封止するシール装置において、
   前記シールフィンに対峙する前記回転部または前記静止部の基材に被覆層が設けられ、この被覆層は、アブレイダブル材と、このアブレイダブル材よりも強度の高い材料とが積層して構成されたことを特徴とするシール装置。
2. 前記被覆層におけるアブレイダブル材よりも強度の高い材料が、金属材料であることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 前記金属材料が、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金またはＭＣｒＡｌＹ合金系のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のシール装置。
4. 前記被覆層は、ガス炎溶射とプラズマ溶射の少なくとも一方を用いて形成させたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシール装置。
5. タービンロータに複数枚のタービン動翼が周方向に設けられて構成された回転部と、前記タービン動翼へ作動流体を案内するタービンノズルがダイアフラム内輪及びダイアフラム外輪に支持されて構成された静止部と、を有する蒸気タービンにおいて、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシール装置を備えたことを特徴とする蒸気タービン。

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