JP2014020509A - シール装置、軸流タービン、および発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】複数の穴を有する開口部材により不安定流体力を低減しつつ、開口部材の穴の損傷を抑制することが可能なシール装置、軸流タービン、および発電プラントを提供する。
【解決手段】一の実施形態によるシール装置は、回転体の外周面と静止体の内周面との間の間隙において、前記回転体の軸方向に隣り合うように、前記静止体の内周面または前記回転体の外周面に設けられた複数のシールフィンを備える。さらに、前記装置は、前記静止体の内周面において、前記軸方向に隣り合う前記シールフィン同士の間の位置に設けられ、前記静止体の内周面側に開口した複数の穴を有する開口部材を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、シール装置、軸流タービン、および発電プラントに関する。

軸流タービンは、作動流体を密閉するためのケーシング内にロータを有しており、ロータの外周面側とケーシングの内周面側に、それぞれ動翼と静翼を有している。また、ロータの外周面と静翼の内周面との間の間隙や、ケーシングの内周面と動翼の外周面との間の間隙には、作動流体を密封するためのシール装置が設けられている。大型の発電プラントなどで利用されるターボ機械では、シール装置としてラビリンスシール装置を使用することが一般的である。

特開平１１−１３４０４号公報

シール装置では、シールの漏れ流速が周方向成分を持った状態でロータが径方向に変位すると、シール内の周方向圧力分布に不平衡が生じ、ロータを不安定化させる流体力（以下「不安定流体力」と呼ぶ）が発生する。不安定流体力は、最悪の場合、ロータの不安定振動を引き起こす。特に、ロータが高速回転する場合や、シール装置の入口と出口との差圧が大きい場合には、不安定流体力はより大きなものとなる。

ラビリンスシール装置の代わりに、ケーシングや静翼の内周面側にハニカム材を有するハニカムシール装置を使用する場合には、ラビリンスシール装置と比べて不安定流体力の減衰効果が大きいため、ロータの不安定振動を安定化できることが知られている。しかしながら、ハニカムシール装置では、軸方向の大きな圧力降下により、ハニカム材のハニカム穴が損傷を受ける可能性がある。特に、軸流タービンが、高圧の作動流体で駆動される蒸気タービンやＣＯ_２タービンである場合には、ハニカム穴がより損傷しやすい。

そこで、本発明は、複数の穴を有する開口部材により不安定流体力を低減しつつ、開口部材の穴の損傷を抑制することが可能なシール装置、軸流タービン、および発電プラントを提供することを課題とする。

一の実施形態によるシール装置は、回転体の外周面と静止体の内周面との間の間隙において、前記回転体の軸方向に隣り合うように、前記静止体の内周面または前記回転体の外周面に設けられた複数のシールフィンを備える。さらに、前記装置は、前記静止体の内周面において、前記軸方向に隣り合う前記シールフィン同士の間の位置に設けられ、前記静止体の内周面側に開口した複数の穴を有する開口部材を備える。

第１実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。 第２実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。 第３実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。 第４実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。 第５実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。 第６実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。 第７実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。 第８実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。 第９実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。 第１０実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。 第１１実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。 第１２実施形態のＣＯ_２タービンの構造を示す断面図である。 第１３実施形態の火力発電システムの構成を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。

図１は、一例として、軸流タービン内に設けられたシール装置を示している。この軸流タービンの例としては、蒸気タービンやＣＯ_２タービンが挙げられる。図１(ａ)は、シール装置の構造を示す子午断面図である。また、図１(ｂ)は、図１(ａ)のＡ方向からシール装置を見た矢視図である。また、図１(ｃ)は、図１(ａ)のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図１は、シール装置の構成要素として、ロータ１と、静翼２と、静翼内輪３と、複数のシールフィン４と、複数のハニカム材５とを示している。

ロータ１は、回転エネルギーを発電機に伝達するための回転軸である。図１には、ロータ１の軸方向に平行なＸ方向と、ロータ１の軸方向に垂直なＹ方向およびＺ方向が示されている。ロータ１の外周面側には、不図示の動翼が取り付けられている。ロータ１は、本開示の回転体の例である。

静翼２は、不図示のケーシングの内周面側に取り付けられている。静翼２の内周面側には、静翼２と一体または別体で形成された静翼内輪３が設けられている。静翼２と静翼内輪３は、本開示の静止体の例である。

図１のシール装置は、ロータ１の外周面と静翼内輪３の内周面との間の間隙に設けられている。なお、ケーシングの内周面と動翼のシュラウドカバーの外周面との間の間隙などに設けられたシール装置については、後述する。

シールフィン４は、作動流体を密封するための部材であり、ロータ１と静翼内輪３との間の間隙において、静翼内輪３の内周面に設けられている。シールフィン４は、ロータ１の外周面に沿ってロータ１の周方向に延びており、ロータ１の軸方向に互いに隣り合うように配置されている。また、各シールフィン４の径方向の長さは、ロータ１との間に微小な間隙を有するように設定されている。このようなシールフィン４により、シール装置の上流側から下流側への作動流体の漏れが低減される。シールフィン４は、静翼内輪３と一体または別体で形成されている。

ハニカム材５は、静翼内輪３の内周面に取り付けられており、静翼内輪３の内周面側に開口した多数のハニカム穴５ａを有している。ハニカム穴５ａは、六角柱状の形状を有する行き止まりの穴である。ハニカム穴５ａの底面を形成する部材は、ハニカム材５でも静翼内輪３でもよい。本実施形態のハニカム材５は、規則的に配置された多数のハニカム穴５ａを有しており、具体的には、周方向に一列に並んだハニカム穴５ａの列を複数列有している。ハニカム材５とハニカム穴５ａはそれぞれ、本開示の開口部材と複数の穴の例である。

本実施形態のシール装置は、シールフィン４を複数本備えているだけでなく、ハニカム材５も複数個備えている。そして、各ハニカム材５は、静翼内輪３の内周面において、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に配置されている。また、ハニカム材５の内周面とロータ１の外周面との距離は、シールフィン４の先端とロータ１の外周面との距離よりも長く設定されている。

以下、第１実施形態の効果について説明する。

一般に、シール装置では、シールフィン４とその対向面との間の微小間隙を流体が通過するときに圧力降下が発生し、シールフィン４の上流側と下流側に圧力差が生じる。そのため、この対向面にハニカム材５を設置すると、シールフィン４の下流側のハニカム穴５ａ内の圧力が、シールフィン４の上流側のハニカム穴５ａ内の圧力よりも低くなり、ハニカム穴５ａが軸方向に力を受けることになる。その結果、ハニカム穴５ａが損傷を受ける可能性がある。特に、作動流体の圧力差が大きいタービン段落に設置されたシール装置では、シールフィン４の上流側と下流側の圧力差も大きくなり、ハニカム穴５ａが損傷を受けるリスクが高くなる。

これに対し、本実施形態では、ハニカム材５をシールフィン４の対向面には設置せず、シールフィン４と同じ静翼内輪３の内周面側において、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に設置している。シールフィン４の上流側と下流側の圧力差が大きいのに対し、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の領域ではほとんど圧力差がない。よって、本実施形態によれば、ハニカム穴５ａが軸方向に過大な力を受ける可能性を低減することができ、ハニカム穴５ａが損傷を受けるリスクを減らすことができる。

また、本実施形態によれば、隣り合うシールフィン４に囲まれた領域にハニカム材５を設置することで、ハニカム材５によるダンパー効果により周方向圧力分布の不平衡を緩和することができる。よって、本実施形態によれば、ロータ１を不安定化させる不安定流体力を低減することができる。

また、本実施形態によれば、行き止まりのハニカム穴５ａが流体の周方向流速に対して抵抗として働くため、流体の周方向圧力分布の不平衡の発生源であるキャビティ内の旋回流速を低減することができる。よって、本実施形態によれば、ロータ１を不安定化させる不安定流体力をさらに低減することができる。

以上のように、本実施形態では、ロータ１の軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置にハニカム材５を設置する。よって、本実施形態によれば、ハニカム材５により不安定流体力を低減しつつ、ハニカム穴５ａの損傷を抑制することが可能となる。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。

図２(ａ)〜図２(ｃ)はそれぞれ、図１(ａ)〜図１(ｃ)に対応する子午断面図、Ａ方向矢視図、Ｂ−Ｂ線断面図である。

本実施形態では、シールフィン４は、静翼内輪３の内周面ではなく、ロータ１の外周面に設けられている。シールフィン４は、ロータ１と一体で形成されていても、ロータ１と別体で形成されていてもよい。

また、本実施形態では、静翼内輪３の内周面が、ハニカム材５の内周面である第１の面Ｓ₁と、軸方向に隣り合うハニカム材５同士の間、最上流のハニカム材５の上流側、または最下流のハニカム材５の下流側に位置する第２の面Ｓ₂とを有している。第１の面Ｓ₁が、多数のハニカム穴５ａを有する中空構造であるのに対し、第２の面Ｓ₂は、このような穴のない中実構造となっている。

また、本実施形態では、シールフィン４は、ロータ１の外周面において、第２の面Ｓ₂に対向する位置に設けられている。その結果、各ハニカム材５は、静翼内輪３の内周面において、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に配置されている。

以下、第２実施形態の効果について説明する。

以上のように、本実施形態では、第１実施形態と同様に、ロータ１の軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置にハニカム材５を設置する。よって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、ハニカム材５により不安定流体力を低減しつつ、ハニカム穴５ａの損傷を抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、シールフィン４をロータ１側に設けることで、例えば、第２の面Ｓ₂に快削材層（不図示）を形成することが可能となる。これにより、シールフィン４と静翼内輪３との間の微小間隙を小さくし、シール漏洩流量を低減することが可能となる。

また、本実施形態では、ロータ１の回転時に万が一、シールフィン４が第２の面Ｓ₂に接触した際に、ロータ１の表面積が大きいことから、ロータ１から熱が逃げやすい。これにより、ロータ１の熱変形による不安定振動等のリスクを回避することが可能となる。

なお、本実施形態では、例えばタービン運転中にロータ１の熱伸びによって、ロータ１の位置が軸方向にずれることがある。そのため、第２の面Ｓ₂の軸方向の幅が狭いと、ロータ１の位置が軸方向にずれた際に、シールフィン４の位置が、第２の面Ｓ₂に対向する位置から、第１の面Ｓ₁に対向する位置にずれるおそれがある。そこで、本実施形態では、第２の面Ｓ₂の軸方向の幅は、ロータ１の位置がずれてもシールフィン４が第２の面Ｓ₂に対向し続けるように、余裕のある幅に設定することが望ましい。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。

図３(ａ)と図３(ｂ)はそれぞれ、図１(ａ)と図１(ｂ)に対応する子午断面図、Ａ方向矢視図である。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、シールフィン４が、静翼内輪３の内周面に設けられており、ハニカム材５が、静翼内輪３の内周面において、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に配置されている（図３(ａ)）。ただし、本実施形態のハニカム材５は、図３(ｂ)に示すように、ロータ１の周方向に複数の部材５ｂ、５ｃに分割されており、周方向に隣り合う部材５ｂ、５ｃ同士の間に補強部材６を有している。

以下、第３実施形態の効果について説明する。

各シールフィン４の上流側面Ｓ₃と下流側面Ｓ₄との間には圧力差があるため、各シールフィン４は、ハニカム材５の外周面の高さから内周面の高さの範囲内で、上流側面Ｓ₃から下流側面Ｓ₄に向かう力を受ける。そこで、本実施形態では、周方向に隣り合う部材５ｂ、５ｃ同士の間に、シールフィン４の側面に接するように、シールフィン４を軸方向に補強するための補強部材６を設置している。よって、本実施形態では、上流側面Ｓ₃から下流側面Ｓ₄に向かう力を補強部材６が受けることにより、シールフィン４の変形や破損を抑制し、シールフィン４の信頼性を向上させることが可能となる。

また、本実施形態では、各ハニカム材５を周方向に分割する分割数は、いくつであってもよい。例えば、各ハニカム材５を周方向に４個の部材に分割する場合には、これらの部材同士の間に４個の補強部材６が設置される。また、補強部材６の向きや形状は、図３(ｂ)に示すものに限定されず、例えば、補強部材６の向きをＸ方向に非平行な向きにしてもよいし、補強部材６の形状を棒状以外の形状としてもよい。また、各補強部材６は、両側のシールフィン４に接していてもよいし、片側のシールフィン４のみに接していてもよい。

（第４実施形態）
図４は、第４実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。

図４(ａ)と図４(ｂ)はそれぞれ、図２(ａ)と図２(ｂ)に対応する子午断面図、Ａ方向矢視図である。

本実施形態では、第２実施形態と同様に、シールフィン４が、ロータ１の外周面に設けられており、ハニカム材５が、静翼内輪３の外周面において、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に配置されている（図４(ａ)）。ただし、本実施形態のハニカム材５は、図４(ｂ)に示すように、ロータ１の周方向に複数の部材５ｂ、５ｃに分割されており、周方向に隣り合う部材５ｂ、５ｃ同士の間に補強部材６を有している。これは、第３実施形態と同様である。

以下、第４実施形態の効果について説明する。

軸方向に隣り合うハニカム材５間の壁の上流側面Ｓ₅と下流側面Ｓ₆との間には圧力差があるため、各壁は、ハニカム材５の外周面の高さから内周面の高さの範囲内で、上流側面Ｓ₅から下流側面Ｓ₆に向かう力を受ける。そこで、本実施形態では、周方向に隣り合う部材５ｂ、５ｃ同士の間に、上記壁の側面に接するように、上記壁を軸方向に補強するための補強部材６を設置している。よって、本実施形態では、上流側面Ｓ₅から下流側面Ｓ₆に向かう力を補強部材６が受けることにより、上記壁の変形や破損を抑制し、ハニカム材５の信頼性を向上させることが可能となる。

（第５実施形態）
図５は、第５実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。

図５(ａ)と図５(ｂ)はそれぞれ、図１(ａ)と図１(ｃ)に対応する子午断面図、Ｂ−Ｂ線断面図である。

図５(ｂ)の矢印Ｃは、ロータ１の回転方向を示す。また、矢印Ｄは、静翼内輪３の内周面における内向きの法線方向を示す。また、矢印Ｅは、ハニカム穴５ａの底部から開口部に向かう方向を示す。

本実施形態では、ハニカム穴５ａの底部から開口部に向かう方向Ｅが、同じ位置の法線方向Ｄに対し、ロータ１の回転方向Ｃの逆方向側に傾いている。これにより、ハニカム穴５ａの底部から開口部に向かう方向Ｅが法線方向Ｄと同一である場合に比べて、ハニカム穴５ａが流体の周方向流速に与える抵抗が大きくなる。よって、本実施形態によれば、旋回流速をより小さくし、不安定流体力をさらに低減することが可能となる。

（第６実施形態）
図６は、第６実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。

図６(ａ)と図６(ｂ)はそれぞれ、図１(ａ)と図１(ｃ)に対応する子午断面図、Ｂ−Ｂ線断面図である。

本実施形態のハニカム材５は、図６(ｂ)に示すように、ロータ１の周方向に沿って、内周面の高さの異なる第１領域５ｄと第２領域５ｅとを交互に含んでいる。その結果、本実施形態のハニカム材５は、ロータ１の周方向において、第１領域５ｄと第２領域５ｅとの間に段差７を有している。本実施形態によれば、段差７が流体の周方向流速に対する抵抗として働くため、旋回流速をより小さくし、不安定流体力をさらに低減することが可能となる。

なお、段差７は例えば、静翼内輪３のセグメント同士の境界に設けてもよい。この場合には、個々のセグメントは、第１領域５ｄと第２領域５ｅのいずれか一方を有することとなる。また、ハニカム材５は、内周面の高さの異なる３種類以上の領域を含むことで段差７を有していてもよい。

（第７実施形態）
図７は、第７実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。図７は、図１(ａ)に対応する子午断面図である。

本実施形態では、ハニカム材５の内周面に、ロータ１の周方向に延びるスリット８が設けられている。本実施形態によれば、スリット８が流体の周方向流速に対する抵抗として働くため、旋回流速をより小さくし、不安定流体力をさらに低減することが可能となる。

なお、スリット８は、ハニカム材５の内周面において、周方向の全周分の区間（即ち３６０度分の区間）に設けてもよいし、周方向の一部の区間のみに設けてもよい。また、スリット８は、ハニカム材５を貫通しなくても貫通してもよいが、ハニカム材５の設置面積をなるべく広くするという観点からは、貫通しない方が望ましい。

（第８実施形態）
図８は、第８実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。図８は、図１(ａ)に対応する子午断面図である。

図８のシール装置は、図１に示す構成要素に加えて、上流側ハニカム材９と、下流側ハニカム材１０とを備えている。上流側ハニカム材９は、静翼内輪３の内周面において、最上流のシールフィン４の上流側の位置に設けられており、静翼内輪３の内周面側に開口した多数のハニカム穴９ａを有している。また、下流側ハニカム材１０は、静翼内輪３の内周面において、最下流のシールフィン４の下流側の位置に設けられており、静翼内輪３の内周面側に開口した多数のハニカム穴１０ａを有している。上流側ハニカム材９と下流側ハニカム材１０は、本開示の外側開口部材の例である。

本実施形態によれば、静翼内輪３の内周面に、ハニカム材５に加えて上流側ハニカム材９と下流側ハニカム材１０を設けることで、ダンパー効果をさらに高めることができ、不安定流体力の発生をさらに低減をすることができる。なお、本実施形態のシール装置は、上流側ハニカム材９と下流側ハニカム材１０のいずれか一方のみを備えていてもよい。

（第９実施形態）
図９は、第９実施形態のシール装置の構造を示す断面図および矢視図である。

図９(ａ)と図９(ｂ)はそれぞれ、図１(ａ)と図１(ｂ)に対応する子午断面図、Ａ方向矢視図である。

本実施形態では、ハニカム材５が開口部材１１に置き換えられている。各開口部材１１は、静翼内輪３の内周面において、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に設けられており、静翼内輪３の内周面側に開口した多数の穴１１ａを有している。穴１１ａは、円柱状の形状を有する行き止まりの穴である。

本実施形態によれば、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に開口部材１１を設置することで、第１〜第８実施形態と同様に、開口部材１１により不安定流体力を低減しつつ、穴１１ａの損傷を抑制することが可能となる。なお、穴１１ａの形状は、円柱状以外の形状（例えば四角柱状）であってもよい。

（第１０実施形態）
図１０は、第１０実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。図１０は、図１(ａ)に対応する子午断面図である。図１０は、一例として、軸流タービン内に設けられたシール装置を示している。

図１０は、シール装置の構成要素として、ケーシング１２と、動翼１３と、シュラウドカバー１４と、複数のシールフィン４と、複数のハニカム材５とを示している。

ケーシング１２は、作動流体を密閉するための筐体である。上述のロータ１は、このケーシング１２内に設けられている。ケーシング１２は、本開示の静止体の例である。

動翼１３は、上述のロータ１の外周面側に取り付けられている。動翼１３の外周面側には、動翼１３と一体または別体で形成されたシュラウドカバー１４が設けられている。動翼１３とシュラウドカバー１４は、本開示の回転体の例である。

図１０のシール装置は、ケーシング１２の内周面とシュラウドカバー１４の外周面との間の間隙に設けられている。

シールフィン４は、ケーシング１２とシュラウドカバー１４との間の間隙において、ケーシング１２の内周面に設けられている。シールフィン４は、シュラウドカバー１４の外周面に沿って周方向に延びており、軸方向に互いに隣り合うように配置されている。シールフィン４は、ケーシング１２と一体または別体で形成されている。

ハニカム材５は、ケーシング１２の内周面に取り付けられている。具体的には、各ハニカム材５が、ケーシング１２の内周面において、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に配置されている。

本実施形態によれば、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置にハニカム材５を設置することで、第１実施形態等と同様に、ハニカム材５により不安定流体力を低減しつつ、ハニカム穴５ａの損傷を抑制することが可能となる。

（第１１実施形態）
図１１は、第１１実施形態のシール装置の構造を示す断面図である。図１１は、図１(ａ)に対応する子午断面図である。

本実施形態では、シールフィン４は、ケーシング１２の内周面ではなく、シュラウドカバー１４の外周面に設けられている。シールフィン４は、シュラウドカバー１４と一体で形成されていても、シュラウドカバー１４と別体で形成されていてもよい。

また、本実施形態では、ケーシング１２の内周面が、ハニカム材５の内周面である第１の面Ｓ₁と、軸方向に隣り合うハニカム材５同士の間、最上流のハニカム材５の上流側、または最下流のハニカム材５の下流側に位置する第２の面Ｓ₂とを有している。第１の面Ｓ₁が、多数のハニカム穴５ａを有する中空構造であるのに対し、第２の面Ｓ₂は、このような穴のない中実構造となっている。

また、本実施形態では、シールフィン４は、シュラウドカバー１４の外周面において、第２の面Ｓ₂に対向する位置に設けられている。その結果、各ハニカム材５は、ケーシング１２の内周面において、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置に配置されている。

本実施形態によれば、軸方向に隣り合うシールフィン４同士の間の位置にハニカム材５を設置することで、第２実施形態等と同様に、ハニカム材５により不安定流体力を低減しつつ、ハニカム穴５ａの損傷を抑制することが可能となる。

なお、第１〜第１１実施形態のシール装置は、ロータ１の外周面と静翼内輪３の内周面との間の間隙や、ケーシング１２の内周面とシュラウドカバー１４の外周面との間の間隙以外の場所に設置してもよい。シール装置は例えば、軸流タービンのグランドパッキンに設置してもよい。

（第１２実施形態）
図１２は、第１２実施形態のＣＯ_２タービン１０１の構造を示す断面図である。図１２のＣＯ_２タービン１０１は、本開示の軸流タービンの例である。

タービンロータ１０３から径方向外側に、環状に一定間隔で動翼１０５が配設されている。これら動翼１０５は、軸方向にも所定間隔で配設され、軸方向に隣接する動翼１０５の間には、静翼１０６が配設されている。静翼１０６は、環状に一定間隔で配設されている。動翼１０５の基部はタービンロータ１０３の外周面に植設されている。

図１２では、動翼１０５と静翼１０６を軸方向に交互に５個ずつ配設した５段構成の例を示しているが、動翼１０５と静翼１０６の段数に特に制限はない。

図１２のＣＯ_２タービン１０１は、超臨界状態のＣＯ_２（二酸化炭素）を作動流体として用いてタービンロータ１０３を駆動するとともに、ＣＯ_２タービン１０１から排気されたＣＯ_２を循環させてＣＯ_２タービン１０１内に注入し、各部の冷却に用いている。

ＣＯ_２は３１℃、７．４ＭＰａに臨界点があり、図１２のＣＯ_２タービン１０１は、この臨界点よりも高温かつ高圧でＣＯ_２を使用することを前提としている。

図１２のＣＯ_２タービン１０１の上流側には、スリーブ管１０７が設けられており、このスリーブ管１０７から超臨界状態のＣＯ_２ガスが作動流体としてタービン内に注入される。注入されたＣＯ_２ガスは、軸方向に沿って、上流側から下流側に流れ、不図示の排気管から排気される。

タービンロータ１０３は、動翼１０５に流体が衝突した力を利用して回転駆動するものであり、動翼１０５の外周面と対向する内側ケーシング１０２の内周面との間、および静翼１０６の内周面と対向するタービンロータ１０３の外周面との間には隙間を設ける必要がある。したがって、流体の一部は、動翼１０５の外周面側の隙間と静翼１０６の内周面側の隙間を通って漏れてしまう。この漏れを抑制するために、動翼１０５の外周面側と静翼１０６の内周面側にはそれぞれシール装置１０８が配設されている。

シール装置１０８は、タービンロータ１０３側の動翼１０５の外周面および内側ケーシング１０２の対向面と、静翼１０６の内周面およびタービンロータ１０３の対向面との少なくとも一方に所定間隔でシールフィン１０９を配設したものであり、これにより、隙間を狭くして流体が漏れにくくしている。

シール装置１０８は、動翼１０５または静翼１０６の外周面とその対向面だけでなく、最上段の静翼１０６よりも上段側にあるグランドパッキン１１１にも設けられている。

このシール装置１０８に、ハニカム材１１０を設ける場合には、第１〜第１１実施形態の構造のハニカム材１１０（ハニカム材５）を採用することが望ましい。

（第１３実施形態）
図１３は、第１３実施形態の火力発電システム１２０の構成を示す模式図である。図１３の火力発電システムは、本開示の発電プラントの例である。

図１３に示すように、図１２のＣＯ_２タービン１０１は、発電とＣＯ_２の分離および回収とが同時に可能な火力発電システム１２０に組み込むことができる。図１３の火力発電システム１２０は、酸素製造装置１２１と、燃焼器１２２と、図１２に示すＣＯ_２タービン１０１と、発電機１２３と、再生熱交換器１２４と、冷却器１２５と、湿分分離器１２６と、ＣＯ_２ポンプ１２７とを備えている。

酸素製造装置１２１は、空気に含まれる窒素を除去して、酸素のみを抽出する。燃焼器１２２は、酸素製造装置１２１で抽出した酸素と、燃料と、ＣＯ_２とを用いて高温の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスの成分は、ＣＯ_２と水である。燃焼器１２２が用いる燃料は、メタンガス等の窒素を用いない天然ガスが用いられる。

燃焼器１２２で生成された高温かつ高圧のＣＯ_２ガスは、図１２に示すＣＯ_２タービン１０１に注入されて、タービンロータ１０３の回転駆動に用いられる。タービンロータ１０３の回転軸には、発電機１２３が接続されており、発電機１２３はタービンロータ１０３の回転駆動力を利用して発電を行う。

ＣＯ_２タービン１０１から排出されたＣＯ_２と水蒸気は、再生熱交換器１２４で冷却された後、さらに冷却器１２５にて冷却される。その後、湿分分離器１２６で水が除去されて、ＣＯ_２のみが抽出される。このＣＯ_２は、ＣＯ_２ポンプ１２７にて圧縮されて昇圧される。

ＣＯ_２ポンプ１２７で昇圧した高圧のＣＯ_２の一部は、再生熱交換器１２４で４００℃程度まで昇温される。再生熱交換器１２４から排出されたＣＯ_２は、冷却ＣＯ_２としてＣＯ_２タービン１０１の冷却に用いられるとともに、燃焼器１２２にも供給される。

ＣＯ_２ポンプ１２７で昇圧した高圧のＣＯ_２のうち、再生熱交換器１２４を介して発電に再利用されるＣＯ_２以外の余剰のＣＯ_２は、貯蔵したり、他の用途での利用（例えば、石油掘削量増大のための利用）のために回収される。

以上のように、本実施形態の発電システム１２０は、燃焼によって生成したＣＯ_２と水のみを用いて発電を行い、ＣＯ_２の大部分は循環させて再利用するため、有害ガスであるＮＯ_Ｘを排出するおそれがなく、またＣＯ_２を分離および回収する設備を別個に設ける必要もない。さらに、余剰のＣＯ_２は、そのまま高純度の状態で回収でき、発電以外の種々の用途に用いることが容易である。

以上、第１〜第１３実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施することができる。また、これらの実施形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことにより、様々な変形例を得ることもできる。これらの形態や変形例は、発明の範囲や要旨に含まれており、特許請求の範囲及びこれに均等な範囲には、これらの形態や変形例が含まれる。

１：ロータ、２：静翼、３：静翼内輪、４：シールフィン、５：ハニカム材、
５ａ：ハニカム穴、５ｂ、５ｃ：部材、５ｄ：第１領域、５ｅ：第２領域、
６：補強部材、７：段差、８：スリット、９：上流側ハニカム材、９ａ：ハニカム穴、
１０：下流側ハニカム材、１０ａ：ハニカム穴、１１：開口部材、１１ａ：穴、
１２：ケーシング、１３：動翼、１４：シュラウドカバー、
１０１：ＣＯ_２タービン、１０２：内側ケーシング、１０３：タービンロータ、
１０５：動翼、１０６：静翼、１０７：スリーブ管、１０８：シール装置、
１０９：シールフィン、１１０：ハニカム材、１１１：グランドパッキン、
１２０：火力発電システム、１２１：酸素製造装置、１２２：燃焼器、
１２３：発電機、１２４：再生熱交換器、１２５：冷却器、
１２６：湿分分離器、１２７：ＣＯ_２ポンプ

Claims (10)

1. 回転体の外周面と静止体の内周面との間の間隙において、前記回転体の軸方向に隣り合うように、前記静止体の内周面または前記回転体の外周面に設けられた複数のシールフィンと、
   前記静止体の内周面において、前記軸方向に隣り合う前記シールフィン同士の間の位置に設けられ、前記静止体の内周面側に開口した複数の穴を有する開口部材と、
   を備えるシール装置。
2. 前記シールフィンは、前記回転体の外周面に設けられており、
   前記静止体の内周面は、前記開口部材の内周面である第１の面と、前記軸方向に隣り合う前記開口部材同士の間、最上流の前記開口部材の上流側、または最下流の前記開口部材の下流側に位置する第２の面とを有し、
   前記シールフィンは、前記回転体の外周面において、前記第２の面に対向する位置に設けられている、請求項１に記載のシール装置。
3. 前記開口部材は、前記回転体の周方向に複数の部材に分割されており、前記周方向に隣り合う前記部材同士の間に補強部材を有する、請求項１または２に記載のシール装置。
4. 前記開口部材の穴の底部から開口部に向かう方向は、前記静止体の内周面の内向きの法線方向に対し、前記回転体の回転方向の逆方向側に傾いている、請求項１から３のいずれか１項に記載のシール装置。
5. 前記開口部材の内周面は、前記回転体の周方向に段差を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載のシール装置。
6. 前記開口部材の内周面には、前記回転体の周方向に延びるスリットが設けられている、請求項１から５のいずれか１項に記載のシール装置。
7. 前記静止体の内周面において、最上流の前記シールフィンの上流側の位置と最下流の前記シールフィンの下流側の位置のいずれか一方または両方に設けられ、前記静止体の内周面側に開口した複数の穴を有する外側開口部材を備える、
   請求項１から６のいずれか１項に記載のシール装置。
8. 作動流体を密閉するためのケーシングと、前記ケーシングの内周面側に設けられた静翼とを有する静止体と、
   前記ケーシング内に設けられたロータと、前記ロータの外周面側に設けられた動翼とを有する回転体と、
   前記作動流体を密封するよう、前記回転体の外周面と前記静止体の内周面との間の間隙に設けられたシール装置とを備え、
   前記シール装置は、
   前記回転体の外周面と前記静止体の内周面との間の間隙において、前記回転体の軸方向に隣り合うように、前記静止体の内周面または前記回転体の外周面に設けられた複数のシールフィンと、
   前記静止体の内周面において、前記軸方向に隣り合う前記シールフィン同士の間の位置に設けられ、前記静止体の内周面側に開口した複数の穴を有する開口部材とを備える、
   軸流タービン。
9. 前記作動流体は、超臨界状態の二酸化炭素である、請求項８に記載の軸流タービン。
10. 前記作動流体として使用される前記二酸化炭素を生成する燃焼器と、
    前記二酸化炭素を前記作動流体として動作する請求項９に記載の軸流タービンと、
    前記軸流タービンに接続された発電機と、
    を備える発電プラント。

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