JP2014152696A - Labyrinth seal device, and turbomachine using the same - Google Patents

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Akira Endo
彰 遠藤
Kazuyuki Yamaguchi
和幸 山口
Noriyo Nishijima
規世 西嶋
Kenichi Murata
健一 村田
Takeshi Kudo
健 工藤
Yohei Magara
洋平 真柄
Toyomi Yoshida
豊美 吉田
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    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00Geometry
    • F05D2250/20Three-dimensional
    • F05D2250/28Three-dimensional patterned
    • F05D2250/283Three-dimensional patterned honeycomb

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a labyrinth seal device capable of effectively reducing a flow in a rotating direction at a labyrinth seal inlet to suppress unstable vibration of a rotating shaft, and reducing generation of vibration by contact with the rotating shaft and abrasion of a seal fin.SOLUTION: A labyrinth seal device 1 having a seal fin 11 disposed on an outer peripheral face of a rotating body and projecting to an outer peripheral side in the radial direction of the rotating body, and a seal ring 13 fixed to a stationary body enclosing the rotating body so as to face the seal fin, includes a projecting portion 14 formed on an inner peripheral face of the seal ring and projecting to an inner peripheral side in the radial direction of the seal ring, a plurality of flow straightening holes 15 formed in the radial direction and the circumferential direction of the projecting portion, penetrating through both axial side wall faces of the projecting portion, and reducing a speed component in the rotating direction of the rotating body, of a leakage flow passing through the holes, and the seal fin 11 disposed in opposition to an inner peripheral face of the projecting portion.

Description

本発明は蒸気タービン等の高速,高圧ターボ機械に好適なラビリンスシール装置に関する。   The present invention relates to a labyrinth seal device suitable for a high-speed, high-pressure turbo machine such as a steam turbine.

蒸気タービン等のターボ機械では、回転軸を収めたケーシングから作動流体が回転軸に沿って漏れることを防止するために、回転軸とケーシングとの間にラビリンスシールが設けられることが多い。   In a turbo machine such as a steam turbine, a labyrinth seal is often provided between the rotating shaft and the casing in order to prevent the working fluid from leaking along the rotating shaft from the casing containing the rotating shaft.

ラビリンスシールは、一般的に、回転軸の軸方向に複数のシールフィンを有しており、これらのフィンとフィンの間に回転軸の外周に沿うように圧損用空隙が形成されている。
ラビリンスシールは、この圧損用空隙により、シール内を流下する漏れ流れに圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮するようになっている。
The labyrinth seal generally has a plurality of seal fins in the axial direction of the rotating shaft, and a pressure loss gap is formed between these fins along the outer periphery of the rotating shaft.
The labyrinth seal exerts a pressure loss in the leakage flow flowing down in the seal due to the pressure loss gap, and exerts a sealing function by suppressing the leakage flow due to the pressure loss.

こうしたラビリンスシールでは、シール内の漏れ流れにより回転軸の不安定振動が発生する可能性がある。具体的には、ラビリンスシール内の漏れ流れは、回転軸の回転によるつれ回り効果により、回転軸の回転と同方向の回転方向流れを伴う。この回転方向流れは、振動変位した回転軸に対して回転方向上流側に高圧部を形成し非対称圧力分布を発生させる。回転軸の回転速度が速いほど回転方向流れの流速が大きくなるが、前記圧力分布は回転軸の振動変位に対して直角方向の流体力を流速に応じた強さで発生させる。   In such a labyrinth seal, an unstable vibration of the rotating shaft may occur due to a leakage flow in the seal. Specifically, the leakage flow in the labyrinth seal is accompanied by a rotational flow in the same direction as the rotation of the rotation shaft due to the twisting effect caused by the rotation of the rotation shaft. This flow in the rotational direction forms a high-pressure portion on the upstream side in the rotational direction with respect to the rotational shaft displaced by vibration and generates an asymmetric pressure distribution. As the rotational speed of the rotating shaft increases, the flow velocity of the rotational flow increases. However, the pressure distribution generates a fluid force in a direction perpendicular to the vibration displacement of the rotating shaft with a strength corresponding to the flow velocity.

このため蒸気タービンなどの高圧ターボ機械では、高速回転時に回転軸の振動変位に対して直角方向に働く流体力が回転軸を回転方向に振れ回らせるように作用する。その結果、回転軸の振動安定性が低下して不安定振動が発生する可能性がある。   For this reason, in a high-pressure turbomachine such as a steam turbine, a fluid force acting in a direction perpendicular to the vibration displacement of the rotating shaft during high-speed rotation acts to swing the rotating shaft in the rotating direction. As a result, the vibration stability of the rotating shaft is lowered and unstable vibration may occur.

このようなラビリンスシールに関する回転軸の不安定振動は、回転方向流れを抑えることで解消することができる。回転方向流れを抑える技術としては、例えば特許文献1に開示の技術が知られている。   Such unstable vibration of the rotating shaft related to the labyrinth seal can be eliminated by suppressing the rotational flow. As a technique for suppressing the rotational flow, for example, a technique disclosed in Patent Document 1 is known.

特許文献1のラビリンスシールでは、ラビリンスシール入口の回転体、静止体どちらかにらせん状のスリットを設け、スリットを通過する漏れ流れによって回転方向流れに対向する流れを発生させ,回転方向流れを抑制している。   In the labyrinth seal of Patent Document 1, a spiral slit is provided on either the rotating body or stationary body at the entrance of the labyrinth seal, and a flow that opposes the rotational flow is generated by the leakage flow that passes through the slit, thereby suppressing the rotational flow. doing.

特開平1-170702号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-170702

上述した特許文献1に開示されたラビリンスシール構造では、溝を流れる漏れ流れによって、回転方向に対向する流れを発生させ、回転方向流れを抑制しているが、溝以外の部分にも漏れ流れが発生するため、一部の漏れ流れのみで回転方向流れを抑制している。より多くの漏れ流れを利用して回転方向に対向する流れを発生させるには、回転体、静止体間の隙間を狭くする必要があり、回転体と静止体が接触し、振動発生や、シールフィンが摩耗する恐れがある。   In the labyrinth seal structure disclosed in Patent Document 1 described above, the flow that opposes the rotational direction is generated by the leakage flow that flows through the groove and the flow in the rotational direction is suppressed. In order to generate | occur | produce, the rotation direction flow is suppressed only by a part of leak flow. In order to generate a flow that opposes the rotational direction using more leakage flow, it is necessary to narrow the gap between the rotating body and the stationary body. The fins may be worn.

そこで、本発明の目的は、ラビリンスシール入口の回転方向流れをより効果的に低減し、回転軸の不安定振動を抑制できると共に、回転軸との接触による振動発生やシールフィンの摩耗を低減できるラビリンスシール装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to more effectively reduce the rotational flow at the entrance of the labyrinth seal, to suppress unstable vibration of the rotating shaft, and to reduce vibration generation due to contact with the rotating shaft and wear of seal fins. It is in providing a labyrinth seal device.

上記の目的を達成するために、本発明は、回転体の外周面に設けられ、回転体半径方向外周側に突出するシールフィンと、回転体を内包する静止体に、シールフィンに対向するように固定されたシールリングとを有するラビリンスシール装置において、シールリング内周面に形成され、回転体半径方向内周側に突出する凸部と、凸部の半径方向および周方向に連続して設けられ、凸部の軸方向両側壁面を貫通し、孔内を通過する漏れ流れの回転体回転方向の速度成分を減じる整流孔と、凸部の内周面に対向して設けられたシールフィンとを有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a seal fin that is provided on the outer peripheral surface of the rotating body and protrudes to the outer peripheral side in the radial direction of the rotating body, and a stationary body that contains the rotating body so as to face the seal fin. In a labyrinth seal device having a seal ring fixed to a protrusion, a protrusion formed on the inner peripheral surface of the seal ring and protruding toward the inner peripheral side in the radial direction of the rotating body is provided continuously in the radial direction and the peripheral direction of the protrusion. A rectifying hole that passes through both axial wall surfaces in the axial direction of the convex part and reduces the speed component in the rotational direction of the rotating body of the leakage flow that passes through the hole, and a seal fin provided facing the inner peripheral surface of the convex part It is characterized by having.

本発明のラビリンスシール装置によれば、ラビリンスシールに流入する回転方向流れを抑制し、回転軸の不安定振動を抑制すると共に、回転体との接触による振動発生やシールフィンの摩耗を低減できるラビリンスシール装置を提供することができる。   According to the labyrinth seal device of the present invention, the labyrinth that suppresses the rotational flow that flows into the labyrinth seal, suppresses unstable vibration of the rotating shaft, and reduces vibration generation due to contact with the rotating body and wear of the seal fin. A sealing device can be provided.

蒸気タービンの要部を概略的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed the principal part of the steam turbine schematically. ラビリンスシールのチャンバー内圧力分布を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the pressure distribution in the chamber of a labyrinth seal. 本発明の第1の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。It is an axial sectional view of the labyrinth seal concerning the 1st example of the present invention. 本発明の第1の実施例に係る整流孔の軸方向直角断面の拡大図である。It is an enlarged view of the cross section orthogonal to the axial direction of the rectification | straightening hole which concerns on 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に係るラビリンスシールの周方向展開図である。It is a circumferential direction developed view of the labyrinth seal concerning the 1st example of the present invention. 本発明の第2の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。It is an axial sectional view of the labyrinth seal concerning the 2nd example of the present invention.

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。   EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, the form for implementing this invention is demonstrated using drawing.

本発明の第1の実施例について図面を用いて説明する。本実施例は、本発明を蒸気タービンに用いるラビリンスシール装置に適用した例である。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the present invention is applied to a labyrinth seal device used for a steam turbine.

まず、本発明が適用される蒸気タービンの要部構造について説明する。   First, the main structure of a steam turbine to which the present invention is applied will be described.

図1は、本発明が適用される蒸気タービンの要部構造の一例を概略的に示した断面図である。図1において、2は回転軸、3はケーシング、4はノズルダイヤフラム内輪、5はダイヤフラムパッキン、6はチップフィン、7はノズルダイヤフラム外輪、8は動翼、9はノズル、10はシャフトパッキンを各々示す。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a main structure of a steam turbine to which the present invention is applied. In FIG. 1, 2 is a rotating shaft, 3 is a casing, 4 is a nozzle diaphragm inner ring, 5 is a diaphragm packing, 6 is a tip fin, 7 is a nozzle diaphragm outer ring, 8 is a moving blade, 9 is a nozzle, and 10 is a shaft packing. Show.

蒸気タービン1は、主に動翼8と共に回転体を構成する回転軸2と、静止体であり、回転軸2を内包・保持するとともに作動流体である蒸気16の流路を形成するケーシング3とを備える。回転軸2には、周方向に複数枚の動翼8が固定されており、動翼8の蒸気流れ方向上流側に対向するようにノズル9が周方向に複数枚ケーシング3に固定されている。ケーシング3の内周側に環状のノズルダイヤフラム外輪7が固定され、ノズルダイヤフラム外輪7の内周側にノズル9の外周側先端が固定されている。一方、ノズル9の内周側先端は環状のノズルダイヤフラム内輪4で固定されている。   The steam turbine 1 mainly includes a rotating shaft 2 that constitutes a rotating body together with the moving blades 8, and a casing 3 that is a stationary body, includes and holds the rotating shaft 2, and forms a flow path of the steam 16 that is a working fluid. Is provided. A plurality of moving blades 8 are fixed to the rotating shaft 2 in the circumferential direction, and a nozzle 9 is fixed to the plurality of casings 3 in the circumferential direction so as to oppose the upstream side of the moving blade 8 in the steam flow direction. . An annular nozzle diaphragm outer ring 7 is fixed to the inner peripheral side of the casing 3, and the outer peripheral end of the nozzle 9 is fixed to the inner peripheral side of the nozzle diaphragm outer ring 7. On the other hand, the inner peripheral side tip of the nozzle 9 is fixed by an annular nozzle diaphragm inner ring 4.

蒸気タービンでは、動翼8と上流側に対向して設置されるノズル9とで段落が形成され、その段落が回転軸2の軸方向に複数段設置される。   In the steam turbine, a stage is formed by the moving blade 8 and the nozzle 9 that is installed facing the upstream side, and the stage is installed in a plurality of stages in the axial direction of the rotary shaft 2.

作動流体である蒸気16は、ノズル9を通過する際に加速されて動翼8に送られ、動翼8で速度エネルギーから運動エネルギーに変換されて回転軸2が回転する。回転軸2は図示しない発電機と接続されており、電気エネルギーとして出力が取り出される。   The vapor 16 that is a working fluid is accelerated and sent to the moving blade 8 when passing through the nozzle 9, and the rotating shaft 2 rotates by being converted from velocity energy to kinetic energy by the moving blade 8. The rotating shaft 2 is connected to a generator (not shown), and an output is taken out as electric energy.

回転体である回転軸2と静止体であるケーシング3との間には、回転軸2の回転を妨げないように間隙が設けられている。そして、この間隙において、高圧側から低圧側に向かって蒸気16の一部が漏れ流れとなって流出するが、この漏れ出た蒸気は、回転軸2の回転運動に有効に活用されないため、蒸気タービン効率低下の一因となる。   A gap is provided between the rotating shaft 2 that is a rotating body and the casing 3 that is a stationary body so as not to hinder the rotation of the rotating shaft 2. In this gap, a part of the steam 16 flows out as a leakage flow from the high pressure side to the low pressure side, but the leaked steam is not effectively used for the rotational motion of the rotating shaft 2, This contributes to a decrease in turbine efficiency.

そこで、回転体である回転軸2と静止体であるケーシング3との間隙部には、蒸気が流出するのを防ぐため、ラビリンスシール等のシール装置が設けられている。例えば、ノズル9の内周側に設けられたノズルダイヤフラム内輪4と回転軸2との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐダイヤフラムパッキン5、動翼8とケーシング3との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐチップフィン6、回転軸2とケーシング3との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐシャフトパッキン10にラビリンスシールが使用されている。   Therefore, a sealing device such as a labyrinth seal is provided in a gap between the rotating shaft 2 that is a rotating body and the casing 3 that is a stationary body in order to prevent steam from flowing out. For example, the diaphragm packing 5 that prevents leakage of steam from the gap between the nozzle diaphragm inner ring 4 and the rotary shaft 2 provided on the inner peripheral side of the nozzle 9, and the leakage of steam from the gap between the moving blade 8 and the casing 3 are prevented. A labyrinth seal is used for the shaft packing 10 that prevents leakage of steam from the gap between the tip fin 6 and the rotary shaft 2 and the casing 3.

ラビリンスシールは、回転体または静止体の少なくともいずれか一方に、回転体半径方向に突出する複数のシールフィンを有している。回転体軸方向に沿って複数設けられたこれらのシールフィン間に回転軸2の外周に沿うようにリング状の圧損用空隙(チャンバー12)が形成されている。ラビリンスシールは、この圧損用空隙により、シール内を流下する漏れ流れに圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮する。しかしながら、従来のラビリンスシールでは以下のような課題がある。   The labyrinth seal has a plurality of seal fins protruding in the radial direction of the rotating body on at least one of the rotating body and the stationary body. A ring-shaped pressure loss gap (chamber 12) is formed along the outer periphery of the rotating shaft 2 between the plurality of seal fins provided along the rotating body axis direction. The labyrinth seal exerts a pressure loss in the leakage flow flowing down in the seal due to the pressure loss gap, and exhibits a sealing function by suppressing the leakage flow due to the pressure loss. However, the conventional labyrinth seal has the following problems.

図2にラビリンスシールのチャンバー内の圧力分布を説明する模式図を示す。図2に示すように、一般的に蒸気タービン等の軸流ターボ機械では、回転軸2が回転することにより、漏れ流れが回転軸2の回転方向Rに旋回して、回転方向流れRSが生じる。回転軸2が一方向に偏心(振動変位)すると、チャンバー12が変位方向で狭まる。回転方向流れRSは回転軸2の変位方向の上流側で流れが堰き止められ、高圧部を発生させる。この非対称圧力分布によって流体力が発生し、回転軸2が回転方向Rに押される。これを繰り返すことにより、回転軸2が振れ回り不安定振動を起こす。   FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the pressure distribution in the chamber of the labyrinth seal. As shown in FIG. 2, in general, in an axial flow turbomachine such as a steam turbine, when the rotating shaft 2 rotates, the leakage flow swirls in the rotating direction R of the rotating shaft 2 to generate a rotating flow RS. . When the rotation shaft 2 is eccentric (vibration displacement) in one direction, the chamber 12 is narrowed in the displacement direction. The rotational flow RS is blocked on the upstream side in the displacement direction of the rotary shaft 2 to generate a high-pressure portion. A fluid force is generated by this asymmetric pressure distribution, and the rotation shaft 2 is pushed in the rotation direction R. By repeating this, the rotating shaft 2 swings and causes unstable vibration.

以上のような従来のラビリンスシールの課題を踏まえて、本実施例のラビリンスシールについて図3ないし5を用いて説明する。   Based on the problems of the conventional labyrinth seal as described above, the labyrinth seal of this embodiment will be described with reference to FIGS.

本実施例は、本発明を蒸気タービンに用いるラビリンスシールに適用した例のうちダイヤフラムパッキン5に使用されるラビリンスシールに適用した例である。   The present embodiment is an example in which the present invention is applied to a labyrinth seal used for the diaphragm packing 5 among the examples applied to a labyrinth seal used for a steam turbine.

図3は、第1の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。図4は、本発明の第1の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。図5は、図3に示したラビリンスシールの周方向展開図である。   FIG. 3 is an axial sectional view of the labyrinth seal according to the first embodiment. FIG. 4 is an axial sectional view of the labyrinth seal according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a circumferential development of the labyrinth seal shown in FIG.

ラビリンスシールでは図3に示すように、円環状のノズルダイヤフラム内輪4の内周側にシールリング13が設けられている。シールリング13は、回転軸2の周りにリング状に組み立てられた部材である。このシールリング13の内周面には、回転軸半径方向内周側に向かって突出する凸部14が形成されている。凸部14は、シールリング13の内周面に沿って、シールリング周方向に延伸して円環状に形成されている。この凸部14が、回転軸2の軸方向に沿って複数段設けられている。   In the labyrinth seal, as shown in FIG. 3, a seal ring 13 is provided on the inner peripheral side of the annular nozzle diaphragm inner ring 4. The seal ring 13 is a member assembled in a ring shape around the rotation shaft 2. On the inner peripheral surface of the seal ring 13, a convex portion 14 that protrudes toward the inner peripheral side in the radial direction of the rotation axis is formed. The convex portion 14 is formed in an annular shape by extending in the circumferential direction of the seal ring along the inner peripheral surface of the seal ring 13. The convex portion 14 is provided in a plurality of stages along the axial direction of the rotating shaft 2.

一方、回転軸2には、回転軸2の半径方向外周側に向かって突出するシールフィン11が設けられている。シールフィン11は、回転軸2の外周面に沿って回転軸周方向に延伸して円環状に形成されている。シールフィン11は、シールリング13に対向するように、軸方向に沿って複数本設けられている。これらのシールフィン11のうちの複数本は、凸部14に対向して設けられている。シールフィン11は、シールフィン11の先端とシールリング13との間が等しい間隙となる様、凸部14に合わせてシールフィン11の長さを変えている。   On the other hand, the rotary shaft 2 is provided with seal fins 11 that protrude toward the outer peripheral side in the radial direction of the rotary shaft 2. The seal fin 11 is formed in an annular shape by extending in the circumferential direction of the rotation axis along the outer peripheral surface of the rotation shaft 2. A plurality of seal fins 11 are provided along the axial direction so as to face the seal ring 13. A plurality of these seal fins 11 are provided to face the convex portion 14. The length of the seal fin 11 is changed in accordance with the convex portion 14 so that the gap between the tip of the seal fin 11 and the seal ring 13 is equal.

軸方向に複数本設けられたシールフィン11の間には回転軸2の周方向に沿ってリング状のチャンバー12が形成されている。図3において、符号LSを付した矢印は、漏れ流れの流れ方向を表す。回転軸2とシールリング13の間を流れる漏れ流れは、チャンバー12を通過する度に圧力損失を生じるため、下流側への流れが抑制される。   A ring-shaped chamber 12 is formed along the circumferential direction of the rotary shaft 2 between a plurality of seal fins 11 provided in the axial direction. In FIG. 3, an arrow with a symbol LS represents the flow direction of the leakage flow. Since the leakage flow that flows between the rotating shaft 2 and the seal ring 13 causes a pressure loss every time it passes through the chamber 12, the flow to the downstream side is suppressed.

本実施例ではシールリング13に設けた凸部14のうち、漏れ流れ方向最上流側に設けられた第1段目の凸部14に、凸部14を回転軸方向に貫通する整流孔15が複数設けられている。また、回転軸2側に設けたシールフィン11のうち、漏れ流れ方向最上流側の第1段目のシールフィン11は、第1段目の凸部14の内周面に対向するように設けられている。   In the present embodiment, among the convex portions 14 provided in the seal ring 13, the first step convex portion 14 provided on the most upstream side in the leakage flow direction has a rectifying hole 15 penetrating the convex portion 14 in the rotation axis direction. A plurality are provided. Of the seal fins 11 provided on the rotating shaft 2 side, the first-stage seal fin 11 on the most upstream side in the leakage flow direction is provided so as to face the inner peripheral surface of the first-stage convex portion 14. It has been.

図4は、凸部14に設けられた整流孔15の一部を拡大した拡大図である。図4に示したように、第1段目の凸部14は、回転軸方向から見てハニカム構造を有しており、六角形状の整流孔15が周方向cおよび半径方向rに複数設けられている。これらの整流孔15は、周方向cおよび半径方向rに略隣接するように連続して設けられている。   FIG. 4 is an enlarged view in which a part of the rectifying hole 15 provided in the convex portion 14 is enlarged. As shown in FIG. 4, the first-stage convex portion 14 has a honeycomb structure when viewed from the rotation axis direction, and a plurality of hexagonal rectifying holes 15 are provided in the circumferential direction c and the radial direction r. ing. These straightening holes 15 are continuously provided so as to be substantially adjacent to each other in the circumferential direction c and the radial direction r.

整流孔15が凸部14を貫通する方向を図5に示す。整流孔15は、凸部14の回転軸方向の両側壁面を貫通しており、孔が延伸する方向は、回転軸の回転方向と対向するように、漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸2の軸方向に対して回転方向Rと逆方向に傾斜している。   The direction in which the rectifying hole 15 penetrates the convex portion 14 is shown in FIG. The rectifying hole 15 penetrates both wall surfaces of the convex portion 14 in the rotation axis direction, and the direction in which the hole extends extends from the upstream side to the downstream side in the leakage flow direction so as to face the rotation direction of the rotation axis. Inclined in the direction opposite to the rotational direction R with respect to the axial direction of the rotary shaft 2.

次に本発明の作用効果について図5を用いて説明する。   Next, the function and effect of the present invention will be described with reference to FIG.

図5に示すように、本実施例では、ラビリンスシールの漏れ流れ方向最上流側より流入する回転方向流れRSを伴った漏れ流れが、整流孔15を通過し、凸部14の下流側に向かって、回転方向Rと反対方向の速度成分を持って噴出される。よって、回転方向流れRSを伴った漏れ流れが、整流孔15を通過することで回転方向Rと反対方向の流れを伴った流れに変換される。漏れ流れが整流孔15によって流れの方向を変換されることで、不安定振動の原因である回転方向流れRSの回転方向速度成分が減じられるため、回転方向流れによって生じる不安定振動を抑制することができる。   As shown in FIG. 5, in this embodiment, the leakage flow with the rotational flow RS flowing in from the most upstream side in the leakage flow direction of the labyrinth seal passes through the rectifying hole 15 and goes to the downstream side of the convex portion 14. Thus, it is ejected with a velocity component in the direction opposite to the rotation direction R. Therefore, the leakage flow with the rotation direction flow RS is converted into a flow with a flow in the direction opposite to the rotation direction R by passing through the rectifying hole 15. Since the flow direction of the leakage flow is converted by the rectifying hole 15, the rotational speed component of the rotational flow RS that causes unstable vibration is reduced, so that unstable vibration caused by the rotational flow is suppressed. Can do.

また、本実施例では、軸方向に連通する整流孔15を凸部14に複数設けた構造とし、整流孔15を有する凸部14に対向する回転軸2側にシールフィン11を設けることで、回転軸2との接触面積を少なくできる。   Further, in this embodiment, a plurality of rectifying holes 15 communicating in the axial direction are provided in the convex portion 14, and the seal fin 11 is provided on the rotating shaft 2 side facing the convex portion 14 having the rectifying holes 15, The contact area with the rotating shaft 2 can be reduced.

凸部14は周方向および半径方向に複数整流孔15が設けられた多孔質構造体で構成されているため、比較的快削性であることで、シールフィン接触時に少ない抵抗かつ短時間で凸部14が削れるため、振動発生やシールフィンの摩耗などのリスクを低減することができる。接触時のリスク低減により、整流孔を有する凸部、シールフィン間の隙間を少なくし、従来構造以上の漏れ流れを整流孔15に流入させることができる。   Since the convex portion 14 is composed of a porous structure in which a plurality of rectifying holes 15 are provided in the circumferential direction and the radial direction, the convex portion 14 is relatively free-cutting, so that the convex portion 14 is convex in a short time with little resistance when contacting the seal fin. Since the part 14 is scraped, risks such as vibration and wear of the seal fins can be reduced. By reducing the risk at the time of contact, the gap between the convex portion having the rectifying hole and the seal fin can be reduced, and a leakage flow higher than that of the conventional structure can flow into the rectifying hole 15.

これらにより、本発明のラビリンスシールは、回転方向流れRSを効果的に抑制しつつ、接触時の振動発生やシールフィンの摩耗などのリスクを低減することができる。   By these, the labyrinth seal of this invention can reduce risks, such as the vibration generation | occurrence | production at the time of contact, and abrasion of a seal fin, suppressing the rotation direction flow RS effectively.

なお、本実施例の凸部では整流孔15を図4の様に、六角形状とするハニカム構造としていたが、整流孔15の断面形状は、三角形や四角形、円形などの形状にしてもよい。また、整流孔15の孔は均一の大きさでなくてもよい。また、整流孔15の孔の寸法の軸方向分布は一定でなくてもよい。高圧側から低圧側に向かって末窄まりや、末広がりにしてもよい。   In addition, in the convex part of a present Example, although the rectification | straightening hole 15 was made into the hexagonal honeycomb structure like FIG. 4, the cross-sectional shape of the rectification | straightening hole 15 may be made into shapes, such as a triangle, a square, and a circle. Further, the holes of the rectifying holes 15 do not have to be uniform in size. Further, the axial distribution of the dimension of the rectifying hole 15 may not be constant. It may be narrowed or widened from the high pressure side toward the low pressure side.

また、整流孔15は回転方向Rの反対方向に傾けていなくてもよい。回転方向流れRSが軸方向流れになるように整流孔15を設けてもよい。また、高圧側であるほど不安定振動に対する回転方向流れの影響が大きいため、最も高圧側に設けられた第1段目の凸部14に、整流孔15を設けていたが、第2段目以降に設けてもよい。   Further, the rectifying hole 15 may not be inclined in the direction opposite to the rotation direction R. The rectifying hole 15 may be provided so that the rotational flow RS becomes an axial flow. In addition, since the higher the pressure side, the greater the influence of the rotational flow on the unstable vibration, the rectifying hole 15 is provided in the first-stage convex portion 14 provided on the highest pressure side. It may be provided thereafter.

また、本実施例は、本発明をダイヤフラムパッキン5に使用されるラビリンスシール装置に適用した例を用いて説明したが、シャフトパッキン10、チップフィン6にラビリンスシール装置を使用する場合にも同様に適用することができる。   Moreover, although the present Example demonstrated using the example which applied this invention to the labyrinth seal apparatus used for the diaphragm packing 5, when using a labyrinth seal apparatus for the shaft packing 10 and the chip fin 6, it is the same. Can be applied.

次に、本発明の第2の実施例について説明する。図6は、本発明の第2の実施例に係るラビリンスシール1を示す構成図の例である。第1の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is an example of a configuration diagram showing the labyrinth seal 1 according to the second embodiment of the present invention. Constituent elements equivalent to those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

前述した第1の実施例では、回転体とケーシングが接触するのを防ぐため、シールリング、シールフィン間の間隙をあけている。一方、本実施例では、整流孔15及び凸部14を含むシールリング13の内周側表面にアブレイダブル層17を設けることにより、間隙が非常に小さくなるようにしている。本実施例では、回転軸とケーシングの半径方向の熱伸び差などで、シールフィン11が整流孔15に接触する前にアブレイダブル層17に接触する。アブレイダブル層17に接触しても、振動発生や、シールフィンの摩耗は発生しない。   In the first embodiment described above, a gap is formed between the seal ring and the seal fin in order to prevent the rotating body and the casing from contacting each other. On the other hand, in this embodiment, the gap is made very small by providing the abradable layer 17 on the inner peripheral surface of the seal ring 13 including the rectifying hole 15 and the convex portion 14. In this embodiment, the seal fin 11 comes into contact with the abradable layer 17 before coming into contact with the rectifying hole 15 due to a difference in thermal expansion between the rotating shaft and the casing in the radial direction. Even if it contacts the abradable layer 17, vibrations and seal fin wear do not occur.

図6に示すように整流孔15は複数の孔で構成されているため、シールリング13にアブレイダブル層17のコーティングを施した場合でも、コーティングの厚さ以上の高さがあるため流路を確保できる。   As shown in FIG. 6, since the rectifying hole 15 is composed of a plurality of holes, even when the seal ring 13 is coated with the abradable layer 17, the flow path has a height higher than the thickness of the coating. Can be secured.

また、整流孔15、シールフィン11間の隙間を第1の実施例より小さくでき、より効果的に整流孔に漏れ流れを通過させることができる。本実施例の構造によっても、回転方向流れRSを効果的に抑制しつつ、接触時の振動発生やシールフィンの摩耗を抑えることができる。   Moreover, the clearance gap between the rectification | straightening hole 15 and the seal fin 11 can be made smaller than a 1st Example, and a leak flow can be more efficiently passed through a rectification | straightening hole. Even with the structure of the present embodiment, it is possible to suppress vibrations during contact and wear of the seal fins while effectively suppressing the rotational flow RS.

また、加えて、本実施例はシール性に大きく影響する回転体、ケーシング間の間隙を狭め、漏れにくくさせているため、漏れ量を効果的に低減することができる。したがって、本実施例は、シール性を確保しつつ、第1の実施例と同様に回転方向流れRSを効果的に抑制しつつ、接触時のリスクを低減することができる。   In addition, in this embodiment, the gap between the rotating body and the casing, which greatly affects the sealing performance, is narrowed to make it difficult to leak, so that the amount of leakage can be effectively reduced. Therefore, the present embodiment can reduce the risk at the time of contact while effectively suppressing the rotational flow RS as in the first embodiment while ensuring the sealing performance.

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な形状例が含まれる。また、上記した各実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。   In addition, this invention is not limited to each above-mentioned Example, Various shape examples are included. Further, each of the above-described embodiments has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to the one having all the configurations described.

また、上記した各実施例は、蒸気タービンの例で説明したが、これに限られず、その他のターボ機械、例えば遠心圧縮機等にも適用可能である。   Moreover, although each above-mentioned Example demonstrated in the example of the steam turbine, it is not restricted to this, It can apply also to another turbomachine, for example, a centrifugal compressor etc.

1 蒸気タービン
2 回転軸
3 ケーシング
4 ノズルダイヤフラム内輪
5 ダイヤフラムパッキン
6 チップフィン
7 ノズルダイヤフラム外輪
8 動翼
9 ノズル
10 シャフトパッキン
11 シールフィン
12 チャンバー
13 シールリング
14 凸部
15 整流孔
16 蒸気
17 アブレイダブル層
LS 漏れ流れ
RS 回転方向流れ
R 回転方向
1 Steam Turbine 2 Rotating Shaft 3 Casing 4 Nozzle Diaphragm Inner Ring 5 Diaphragm Packing 6 Tip Fin 7 Nozzle Diaphragm Outer Ring 8 Moving Blade 9 Nozzle 10 Shaft Packing 11 Seal Fin 12 Chamber 13 Seal Ring 14 Protrusion 15 Rectification Hole 16 Steam 17 Abradable Layer LS Leakage flow RS Rotational direction Flow R Rotational direction

Claims (10)

回転体の外周面に設けられ、回転体半径方向外周側に突出するシールフィンと、前記回転体を内包する静止体に、前記シールフィンに対向するように固定されたシールリングとを有するラビリンスシール装置であって、
前記シールリングの内周面に形成され、シールリング半径方向内周側に突出する凸部と、
該凸部の半径方向および周方向に複数設けられ、前記凸部の回転体軸方向両側壁面を貫通し、孔内を通過する漏れ流れの回転体回転方向の速度成分を減じる整流孔と、
前記凸部の内周面に対向して設けられた前記シールフィンとを有することを特徴とするラビリンスシール装置。
A labyrinth seal having seal fins provided on the outer peripheral surface of the rotating body and protruding outward in the radial direction of the rotating body, and a seal ring fixed to a stationary body containing the rotating body so as to face the seal fins A device,
A convex portion formed on the inner peripheral surface of the seal ring and protruding toward the inner peripheral side in the radial direction of the seal ring;
A plurality of rectifying holes provided in the radial direction and the circumferential direction of the convex portion, penetrating through both side wall surfaces in the axial direction of the rotating body of the convex portion, and reducing the velocity component in the rotating body rotating direction of the leakage flow passing through the hole;
A labyrinth seal device comprising: the seal fin provided to face the inner peripheral surface of the convex portion.
請求項1記載のラビリンスシール装置であって、
前記整流孔は、漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸の軸方向に対して回転方向と逆方向に傾斜して延伸している、または漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸方向に沿って延伸していることを特徴とするラビリンスシール装置。
The labyrinth seal device according to claim 1,
The straightening holes extend from the upstream side to the downstream side in the leakage flow direction so as to incline in the direction opposite to the rotation direction with respect to the axial direction of the rotation shaft, or from the upstream side to the downstream side in the leakage flow direction. The labyrinth seal device is characterized by extending along the rotation axis direction.
請求項1または2記載のラビリンスシーツ装置であって、
前記凸部は、回転軸方向に複数段設けられ、
前記整流孔は、漏れ流れ方向最上流側の前記凸部に設けられていることを特徴とするラビリンスシール。
The labyrinth sheet apparatus according to claim 1 or 2,
The convex portion is provided in a plurality of stages in the rotation axis direction,
The labyrinth seal according to claim 1, wherein the straightening hole is provided in the convex portion on the most upstream side in the leakage flow direction.
請求項1ないし3のいずれか1項に記載のラビリンスシール装置であって、
前記凸部は、回転軸方向からみてハニカム構造を有することを特徴とするラビリンスシール装置。
The labyrinth seal device according to any one of claims 1 to 3,
The labyrinth seal device according to claim 1, wherein the convex portion has a honeycomb structure when viewed from the rotation axis direction.
請求項1ないし4のいずれか1項に記載のラビリンスシール装置であって、
前記シールリング及び前記凸部の内周側表面にアブレイダブル層を設けたことを特徴とするラビリンスシール装置。
The labyrinth seal device according to any one of claims 1 to 4,
A labyrinth seal device, wherein an abradable layer is provided on an inner peripheral surface of the seal ring and the convex portion.
回転体と、該回転体を内包する静止体と、前記回転体と前記静止体との間に設けられたラビリンスシール装置とを備え、
前記ラビリンスシール装置は、前記回転体の外周面に設けられ、回転体半径方向外周側に突出するシールフィンと、前記回転体を内包する静止体に、前記シールフィンに対向するように固定されたシールリングとを有するターボ機械であって、
前記ラビリンスシール装置は、
前記シールリングの内周面に形成され、シールリング半径方向内周側に突出する凸部と、
該凸部の半径方向および周方向に複数設けられ、前記凸部の回転体軸方向両側壁面を貫通し、孔内を通過する漏れ流れの回転体回転方向の速度成分を減じる整流孔と、
前記凸部の内周面に対向して設けられた前記シールフィンと、を有することを特徴とするターボ機械。
A rotating body, a stationary body containing the rotating body, and a labyrinth seal device provided between the rotating body and the stationary body,
The labyrinth seal device is provided on an outer peripheral surface of the rotating body, and is fixed to a seal fin projecting outward in the radial direction of the rotating body and a stationary body containing the rotating body so as to face the seal fin. A turbomachine having a seal ring,
The labyrinth sealing device is
A convex portion formed on the inner peripheral surface of the seal ring and protruding toward the inner peripheral side in the radial direction of the seal ring;
A plurality of rectifying holes provided in the radial direction and the circumferential direction of the convex portion, penetrating through both side wall surfaces in the axial direction of the rotating body of the convex portion, and reducing the velocity component in the rotating body rotating direction of the leakage flow passing through the hole;
A turbomachine comprising: the seal fin provided to face the inner peripheral surface of the convex portion.
請求項6記載のターボ機械であって、
前記整流孔は、漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸の軸方向に対して回転方向と逆方向に傾斜して延伸している、または漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸方向に沿って延伸していることを特徴とするターボ機械。
The turbomachine according to claim 6,
The straightening holes extend from the upstream side to the downstream side in the leakage flow direction so as to incline in the direction opposite to the rotation direction with respect to the axial direction of the rotation shaft, or from the upstream side to the downstream side in the leakage flow direction. And a turbomachine characterized by extending along the direction of the rotation axis.
請求項6または7記載のターボ機械であって、
前記ラビリンスシール装置は、前記凸部を、回転軸方向に複数段有し、回転軸方向に複数段設けられた前記凸部のうち、漏れ流れ方向最上流側の前記凸部に前記整流孔を有することを特徴とするターボ機械。
A turbomachine according to claim 6 or 7,
The labyrinth seal device has a plurality of the convex portions in the rotation axis direction, and among the convex portions provided in a plurality of steps in the rotation axis direction, the rectifying hole is formed in the convex portion on the most upstream side in the leakage flow direction. A turbomachine characterized by comprising:
請求項6ないし8のいずれか1項に記載のターボ機械であって、
前記凸部は、回転体軸方向からみてハニカム構造を有することを特徴とするターボ機械。
A turbomachine according to any one of claims 6 to 8,
The turbo machine according to claim 1, wherein the convex portion has a honeycomb structure when viewed from the axial direction of the rotating body.
請求項6ないし9のいずれか1項に記載のターボ機械であって、
前記シールリング及び前記凸部の内周側表面にアブレイダブル層を設けたことを特徴とするターボ機械。
A turbomachine according to any one of claims 6 to 9,
A turbomachine comprising an abradable layer provided on an inner peripheral surface of the seal ring and the convex portion.
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