JP2013142435A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シール装置において、回転体の振れ回りを助長するシール励振力の発生を抑え、軸の低周波振動を防止する。
【解決手段】ロータ１２とこのロータ１２の外周側に位置するケーシングとの間に設けられて蒸気の軸方向流れを抑制する第１シール装置２１にて、静翼の内側にロータ１２の外周面との間に第１周方向隙間Ｓ１を確保するシールリング２３を固定し、この第１周方向隙間Ｓ１として、径方向における隙間量が小さくなる小隙間部Ｓ１１と、径方向における隙間量が大きくなる大隙間部Ｓ１２を、周方向に所定間隔で複数設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蒸気タービンなどの静止体と回転体の間に設けられて軸方向に流れる流体の漏れを防止するシール装置に関するものである。

一般的な蒸気タービンは、ケーシングに回転軸であるロータが回転自在に支持され、このロータの外周部に動翼が設けられると共に、ケーシングに静翼が設けられ、蒸気通路にこの動翼と静翼が交互に複数配設されて構成されている。従って、この動翼及び静翼を流れる蒸気により、動翼を介してロータが回転駆動することができる。

このような蒸気タービンにて、動翼は、ロータの外周側で径方向に沿って設けられると共に、ロータの周方向に所定間隔で複数設けられている。この動翼は、基端部がロータディスクに固定され、先端部にシュラウドが固定されている。一方、静翼は、ロータの外周側で径方向に沿って設けられると共に、ロータの周方向に所定間隔で複数設けられている。この静翼は、基端部がケーシングの内面に固定され、先端部にシュラウドが固定されている。そして、ケーシングの内面に動翼のシュラウドとの隙間をシールするシール装置が設けられると共に静翼の先端部（シュラウド）にロータとの隙間をシールするシール装置が設けられている。

このようなシール装置としては、例えば、下記特許文献１−３に記載されている。特許文献１に記載された軸流流体機械の漏洩防止装置は、複数のシールフィンを有するラビリンスパッキンに旋回流防止片を設けたものである。また、特許文献２に記載された軸シール構造は、軸封部材本体の内周面にラビリンスフィンとフローティングリングとを軸方向へ交互に設け、軸封部材本体の内周面に収納溝３７を形成し、フローティングリングに収納溝３７の側面への押し付け力を弾性変形して吸収するサポートスプリング３３をもうけるものである。また、特許文献３に記載された蒸気タービンシール装置は、シール静止体複数のシールフィン７を固定し、ロータ側のシールフィンの表面に半径方向に伸びる凹凸部を周方向に離散的に形成するものである。

特開昭５８−１４３１０４号公報 特開２００２−１６１７１１号公報 特許第４５９８５８３号公報

ところで、蒸気タービンにおいて、ロータが定格回転で回転しているとき、低周波振動と呼ばれる振動が発生することがある。この低周波振動は、ロータが１回転するときに１回だけ発生する振動とは異なり、定格回転数で回転しているとき、この回転数に対して低周波の軸の固有振動数成分が主となる振動である。この原因の大きな要因と考えられているのがシール励振力である。このシール励振力は、シール部分の膨張室を流れる旋回流が原因となり生じるものであり、軸の微小振動に対して、軸の振れ回りを助長させるような力が働く。これは、軸が径方向へ微小に変位したとき、軸とシールリングとの流路が狭まって圧力が高くなる部分と、流路が広がって圧力が低くなる部分が発生し、圧力差による力が生じるためである。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、シール励振力の発生を抑えることで軸の低周波振動の低減可能とするシール装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明のシール装置は、回転体と該回転体の外周側に位置する静止体との間に設けられて流体の軸方向流れを抑制するシール装置において、前記静止体の内側に該回転体の外周面との間に第１周方向隙間を確保するシールリングが固定され、前記第１周方向隙間は、径方向における隙間量が小さくなる小隙間部を有し、前記小隙間部は、周方向に所定間隔で複数設けられる、ことを特徴とするものである。

従って、回転体とシールリングとの第１周方向隙間を流れる旋回流により、回転体が微小振動して径方向へ微小に変位しても、この第１周方向隙間は、小隙間部が周方向に所定間隔で複数設けられていることから、この小隙間部では流体の圧力が高くなっており、この回転体の径方向への変位を押さえ込むこととなり、シール励振力の発生を抑えることで軸の低周波振動を低減することができる。

本発明のシール装置では、前記複数の小隙間部は、周方向に均等間隔で設けられることを特徴としている。

従って、小隙間部が周方向に均等間隔で設けられることで、回転体が径方向へ変位したとき、この回転体に対して周方向から均等に反力が作用することとなり、この各小隙間部の圧力により回転体を中心位置に適正に押さえ込むことができる。

本発明のシール装置では、前記シールリングは、２つの半楕円リングが接続されて構成されることを特徴としている。

従って、２つの半楕円リングを接続してシールリングを構成することで、容易に第１周方向隙間における小隙間部を形成することができ、製造コストを低減することができる。

本発明のシール装置では、前記シールリングは、内周部に前記回転体の外周面との間に周方向に均等な第２周方向隙間を確保するシールフィンが固定されることを特徴としている。

従って、シールリングの内周部にシールフィンを設けることで、回転体に対してシールリングの第１周方向隙間が周方向に不均等だとしても、シールフィンの第２周方向隙間が周方向に均等であることから、十分なシール性能を確保することができる。

本発明のシール装置では、前記シールフィンは、２つの半円リングが接続されて構成されることを特徴としている。

従って、２つの半円リングを接続してシールフィンを構成することで、容易に第２周方向隙間を形成することができ、製造コストを低減することができる。

本発明のシール装置によれば、静止体の内側に回転体の外周面との間に第１周方向隙間を確保するシールリングを固定し、第１周方向隙間に径方向における隙間量が小さくなる小隙間部を周方向に所定間隔で複数設けるので、小隙間部の圧力により回転体の径方向への変位を押さえ込むことで、シール励振力の発生を抑えることで軸の低周波振動を低減することができる。

図１は、本発明の一実施例に係るシール装置を表す概略図である。 図２は、本実施例のシール装置の断面を表す図１のII−II断面図である。 図３は、本実施例のシール装置の断面を表す図１のIII−III断面図である。 図４は、本実施例のシール装置における作用を表す概略図である。 図５−１は、本実施例のシール装置の製造工程を表す概略図である。 図５−２は、本実施例のシール装置の製造工程を表す概略図である。 図５−３は、本実施例のシール装置の製造工程を表す概略図である。 図５−４は、本実施例のシール装置の製造工程を表す概略図である。 図６は、本実施例のシール装置が適用された蒸気タービンの概略構成図である。 図７は、本実施例のシール装置の装着位置を表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係るシール装置の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本発明の一実施例に係るシール装置を表す概略図、図２は、本実施例のシール装置の断面を表す図１のII−II断面図、図３は、本実施例のシール装置の断面を表す図１のIII−III断面図、図４は、本実施例のシール装置における作用を表す概略図、図５−１から図５−４は、本実施例のシール装置の製造工程を表す概略図、図６は、本実施例のシール装置が適用された蒸気タービンの概略構成図、図７は、本実施例のシール装置の装着位置を表す概略図である。

以下に説明する実施例では、本発明のシール装置を蒸気タービンに適用した例を挙げて説明する。本実施例の蒸気タービンにおいて、図６に示すように、ケーシング１１は、中空形状をなし、回転体としてのロータ１２が複数の軸受１３により回転自在に支持されている。このロータ１２は、ケーシング１１の内部にて、外周部に複数のロータディスク１４が軸方向に所定間隔で固定されており、各ロータディスク１４は、外周部に複数の動翼１５が周方向に所定間隔で固定されている。即ち、動翼１５は、ロータ１２における軸方向に所定間隔で複数段にわたって配置されることとなる。また、ケーシング１１は、内周部に複数の取付部１６が軸方向に所定間隔で固定されており、各取付部１６は、内周部に複数の静翼１７が周方向に所定間隔で固定されている。即ち、静翼１７は、ロータ１２における軸方向に所定間隔で複数段にわたって配置されることで、複数段の動翼１５の間に位置することとなる。

そして、複数段の動翼１５と複数段の静翼１７がロータ１２における軸方向に沿って交互に所定間隔で配置されることで、ケーシング１１内の動翼１５及び静翼１７が配設される通路が蒸気通路１８として構成される。この蒸気通路１８は、一端部が蒸気供給口１９に連通し、他端部が蒸気排出口２０に連通している。

また、図７に示すように、静翼１７は、先端部にロータ１２の外周面との間の蒸気（流体）の流れを防止する第１シール装置２１が設けられている。この第１シール装置２１において、静翼１７は、先端部にシュラウド２２が固定されており、周方向に配列される複数の静翼１７の各シュラウド２２が環状に接続されている。そして、環状をなすシュラウド２２は、内周側にシールリング２３が固定され、このシールリング２３の内周部に複数のシールフィン２４が軸方向に所定間隔で固定されている。

一方、動翼１５は、先端部にケーシング１１の内周面との間の蒸気（流体）の流れを防止する第２シール装置３１が設けられている。この第２シール装置３１において、ケーシング１１は、内周部に取付リング３２が固定されており、この取付リング３２は、内周側にシールリング３３が固定され、このシールリング２３の内周部に複数のシールフィン３４が軸方向に所定間隔で固定されている。

従って、蒸気が蒸気供給口１９から蒸気通路１８に供給されると、この蒸気が複数の動翼１５と静翼１７を通過することで、各動翼１５を介してロータ１２が駆動回転し、このロータ１２に連結された図示しない発電機を駆動する一方、動翼１５を駆動した蒸気は、排気ディフューザ（図示略）で静圧に変換されてから蒸気排出口２０から大気に放出される。また、第１シール装置２１は、蒸気通路１８を流れる蒸気がロータ１２と静翼１７との隙間から軸方向に漏洩するのを防止し、第２シール装置３１は、蒸気通路１８を流れる蒸気がケーシング１１と動翼１５との隙間から軸方向に漏洩するのを防止する。

ところで、このように構成された蒸気タービンにて、ロータ１２が定格回転数で回転しているとき、この回転数に対して低周波の固有振動数成分が主となる振動が発生する。この振動は、各シール装置２１，３１を流れる旋回流が原因となって生じるものであり、ロータ１２の微小振動に対して、ロータ１２の振れ回りを助長させるような力が働き、ロータ１２が振れ回りして性能が低下してしまう。

そこで、本実施例では、各シール装置２１，３１は、この各シール装置２１，３１を流れる旋回流によりロータ１２が微小振動して径方向に変位しても、この径方向への変位を押さえ込むような力が発生してロータ１２の振れ回りを防止することができる。なお、各シール装置２１，３１は、ほぼ同様の構成をなしていることから、第１シール装置２１について詳細に説明する。

即ち、第１シール装置２１において、図１から図３に示すように、シールリング２３は、円筒形状をなし、内周面とロータ１２の外周面との間に第１周方向隙間Ｓ１を確保するものである。この第１周方向隙間Ｓ１は、径方向における隙間量が小さくなる小隙間部Ｓ１１と、径方向における隙間量が大きくなる大隙間部Ｓ１２とが複数（本実施例では、２個ずつ）周方向に均等間隔（所定間隔）で設けられている。

即ち、シールリング２３は、２つの半楕円リング２３ａ，２３ｂからなり、この各半楕円リング２３ａ，２３ｂにおける長手方向の端部同士が接続されて構成されている。そして、この半楕円リング２３ａ，２３ｂは、外周部がシュラウド２２に固定されることで、内周面が真円形状ではなくて楕円形状となっている。一方、ロータ１２は、この楕円形状であるシールリング２３の内側に配置されている。そのため、楕円形状をなすシールリング２３の内側に真円形状をなすロータ１２が配置されることで、両者の間に形成される第１周方向隙間Ｓ１は、小隙間部Ｓ１１と大隙間部Ｓ１２とが交互に形成される。この場合、２個の小隙間部Ｓ１１は、周方向に均等間隔で（１８０度ずれて）位置し、２個の大隙間部Ｓ１２も、周方向に均等間隔で（１８０度ずれて）位置し、小隙間部Ｓ１１と大隙間部Ｓ１２は９０度ずれて位置している。

また、第１シール装置２１において、シールフィン２４は、円板形状をなし、内周面とロータ１２の外周面との間に第２周方向隙間Ｓ２を確保するものである。この第２周方向隙間Ｓ２は、径方向における隙間量が周方向でほぼ均等となっている。

即ち、シールフィン２４は、２つの半真円リング２４ａ，２４ｂからなり、この各半真円リング２４ａ，２４ｂにおける長手方向の端部同士が接続されて構成されている。そして、この半真円リング２４ａ，２４ｂは、外周部がシールリング２３の内周面に形成された周方向溝２５ａ，２５ｂ（図５−４参照）に嵌入して固定されることで、内周面が真円形状となっている。この場合、シールリング２３における半楕円リング２３ａ，２３ｂは楕円形状をなすものの、周方向溝２５ａ，２５ｂは真円形状となっている。そして、一方、ロータ１２は、この真円形状であるシールフィン２４の内側に配置されている。そのため、真円形状をなすシールフィン２４の内側に真円形状をなすロータ１２が配置されることで、両者の間に形成される第２周方向隙間Ｓ２は、径方向における隙間量が周方向でほぼ均等となっている。

ここで、第１シール装置２１に製造方法について説明する。まず、図５−１に示すように、真円形状をなすシールリング２３を加工し、２つの半円形状リングを形成し、この２つの半円形状リングの各端部を結ぶ直線に対して直交する方向の長さＬだけ、各端部を切断することで、２つの半楕円リング２３ａ，２３ｂを形成する。次に、図５−２に示すように、２つの半楕円リング２３ａ，２３ｂの端部同士を接合することで、楕円形状（レモン形状）をなすシールリングを形成する。

続いて、図５−３に示すように、接続された半楕円リング２３ａ，２３ｂの内周面にシールフィン２４（半真円リング２４ａ，２４ｂ）を挿入するための真円形状をなす周方向溝２５ａ，２５ｂを形成する。この場合、周方向溝２５ａ，２５ｂは、シールリング２３（半楕円リング２３ａ，２３ｂ）の中心Ｏを中心とする周方向溝２５ａ，２５ｂとする。そして、図５−４に示すように、シールリング２３（半楕円リング２３ａ，２３ｂ）の周方向溝２５ａ，２５ｂにシールフィン２４（半真円リング２４ａ，２４ｂ）を挿入することで、第１シール装置２１が製造される。

従って、図１及び図４に示すように、第１シール装置２１は、ロータ１２とシールリング２３との間に第１周方向隙間Ｓ１が確保され、複数の小隙間部Ｓ１１と大隙間部Ｓ１２が周方向に均等間隔で設けられている。この場合、シールリング２３に対してロータ１２が回転することから、第１周方向隙間Ｓ１では、ロータ１２の回転方向に沿って蒸気の旋回流が生成される。そのため、第１周方向隙間Ｓ１は、小隙間部Ｓ１１よりロータ１２の回転方向の上流側で圧力が高く、小隙間部Ｓ１１よりロータ１２の回転方向の下流側で圧力が低く設定される。

そして、ロータ１２が定格回転数で回転しているとき、この回転数に対して低周波の固有振動数成分が主となる振動が発生する。ここで、何らかの原因によりロータ１２が径方向に変位したとする。このとき、変位したロータ１２は、２つの小隙間部Ｓ１１側、つまり、２つの方向から圧力の反力を受け、逆に押し返されて元の位置に戻る。即ち、ロータ１２は、周囲に２つの高圧領域が存在することから径方向に変位しようとすると、このいずれかの高圧領域から反力を受け、結果として、径方向への変位を押さえ込むような力を受けることとなり、このロータ１２の振れ回り（振動）が防止される。

また、このとき、ロータ１２は、シールフィン２４により周方向に均等な第２周方向隙間Ｓ２が設けられていることから、ロータ１２とシールフィン２４との間の第２周方向隙間Ｓ２を通過する蒸気量が低減される。

このように本実施例のシール装置にあっては、ロータ１２とこのロータ１２の外周側に位置するケーシング１１（静翼１７）との間に設けられて蒸気の軸方向流れを抑制する第１シール装置２１にて、静翼１７の内側にロータ１２の外周面との間に第１周方向隙間Ｓ１を確保するシールリング２３を固定し、この第１周方向隙間Ｓ１として、径方向における隙間量が小さくなる小隙間部Ｓ１１と、径方向における隙間量が大きくなる大隙間部Ｓ１２を、周方向に所定間隔で複数設定している。

従って、ロータ１２とシールリング２３との第１周方向隙間Ｓ１を流れる旋回流により、ロータ１２が微小振動して径方向へ微小に変位しても、小隙間部Ｓ１１と大隙間部Ｓ１２が周方向に交互に複数設けられていることから、複数の小隙間部Ｓ１１では蒸気の圧力が高くなっており、このロータ１２の径方向への変位を押さえ込むこととなり、ロータ１２の触れ回りを抑制することでシール励振力の発生を抑えて軸の低周波振動を低減することができる。

また、本実施例のシール装置では、複数の小隙間部Ｓ１１を周方向に均等間隔で設けている。従って、小隙間部Ｓ１１が周方向に均等間隔で設けられることで、ロータ１２が径方向へ変位したとき、このロータ１２に対して均等に反力が作用することとなり、この各小隙間部Ｓ１１の圧力によりロータ１２を中心位置に適正に押さえ込むことができる。

また、本実施例のシール装置では、２つの半楕円リング２３ａ，２３ｂを接続することでシールリング２３を構成している。従って、容易に第１周方向隙間Ｓ１における小隙間部Ｓ１１と大隙間部Ｓ１２を形成することができ、製造コストを低減することができる。

また、本実施例のシール装置では、シールリング２３の内周部にロータ１２の外周面との間に周方向に均等な第２周方向隙間Ｓ２を確保するシールフィン２４を固定している。従って、ロータ１２に対してシールリング２３の第１周方向隙間Ｓ１が周方向に不均等だとしても、シールフィン２４の第２周方向隙間Ｓ２が周方向に均等であることから、十分なシール性能を確保することができる。

また、本実施例のシール装置では、２つの半円リング２４ａ，２４ｂを接続してシールフィン２４を構成している。従って、容易に第２周方向隙間Ｓ２を形成することができ、製造コストを低減することができる。

なお、ここでは、第１シール装置２１について説明したが、第２シール装置３１も同様の構成をなし、同様の作用効果をなすことができる。

また、上述した実施例では、２つの小隙間部Ｓ１１と２つの大隙間部Ｓ１を交互に設けることで第１周方向隙間Ｓ１を構成したが、３つ以上の小隙間部と３つ以上の大隙間部を交互に設けることで第１周方向隙間を構成してもよい。また、シールリング２３やシールフィン２４を２分割としたが、一体的に形成したり、３分割以上としてもよい。

また、上述した実施例では、本発明のシール装置を蒸気タービンに適用して説明したが、ガスタービンや圧縮機などのいずれの回転機械にも適用することができる。

１１ ケーシング（静止体）
１２ ロータ（回転体）
１５ 動翼
１７ 静翼
２１ 第１シール装置
２３ シールリング
２４ シールフィン
３１ 第２シール装置
３３ シールリング
３４ シールフィン

Claims (5)

1. 回転体と該回転体の外周側に位置する静止体との間に設けられて流体の軸方向流れを抑制するシール装置において、
   前記静止体の内側に該回転体の外周面との間に第１周方向隙間を確保するシールリングが固定され、
   前記第１周方向隙間は、径方向における隙間量が小さくなる小隙間部を有し、
   前記小隙間部は、周方向に所定間隔で複数設けられる、
   ことを特徴とするシール装置。
2. 前記複数の小隙間部は、周方向に均等間隔で設けられることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 前記シールリングは、２つの半楕円リングが接続されて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のシール装置。
4. 前記シールリングは、内周部に前記回転体の外周面との間に周方向に均等な第２周方向隙間を確保するシールフィンが固定されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のシール装置。
5. 前記シールフィンは、２つの半円リングが接続されて構成されることを特徴とする請求項４に記載のシール装置。

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