JP2015098789A - 回転機械のシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間、ソリッドパーティクルや水滴による浸食を上流側のシールフィンでくい止め、下流側のシールフィン及び快削性材への浸食を抑止でき、安定したシール性能を確保できる回転機械のシール装置を提供する。【解決手段】蒸気タービン１に組込まれたシール装置８Ａは、動翼２の外周部に設けられた複数のシールフィン９と、ダイヤフラム外輪５に設けられたシール基板１０に設けられ、複数のシールフィン９が対向する段差高部１１及び段差低部１２からなる段差１３と、段差高部１１及び段差低部１２の表面に設けられた快削性材１４と、複数のシールフィン９より上流側に位置するようにシール基板１０に設けられ、シールフィン９より肉厚であるシールフィン１５と、このシールフィン１５の表面に設けられた耐食材１６と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気タービンなどの回転機械に係わり、特に、回転機械の回転部と固定部の間で設けられたシール装置に関する。

ボイラ等の蒸気発生器が発生する蒸気で、蒸気タービンを回転して発電する発電プラントを、例にとって説明する。蒸気タービンは、蒸気の流れの順に、高圧タービン、中圧タービン、及び低圧タービンで構成されている。低圧タービンを回転させた蒸気は、排気室を経由して復水器に導出される。そして、復水器で凝縮されて給水となり、蒸気発生器に還流される。

蒸気タービンは、ケーシングと、このケーシングの内側に固定された静翼と、ケーシングに回転自在に保持されたロータと、このロータと一体に回転する動翼とを備えている。静翼と動翼は、ロータ軸方向に交互に配置され、段落を構成している。蒸気タービンのケーシングの内部に導入された蒸気は、ケーシングの内部を流れて静翼と動翼を交互に通りながら、膨張し、ロータを回転させる。ロータの最も下流側に備わる動翼、すなわち最終段の動翼を通過した蒸気は、ケーシングの外部に排気されるようになっている。

蒸気タービンでは、蒸気が動翼に作用してロータを回転させることから、シール性能の向上が要求される。すなわち、回転部と固定部との間（詳細には、例えば動翼の外周部とケーシング側静止部の間など）に形成された隙間からの蒸気の漏れを、できるだけ少なくすることが要求される。漏れ低減の要求に対応するため、回転部と固定部との間に、複数のシールフィンを設けることが知られている。

蒸気の漏れが少なくなるように、シールフィンと対向面との隙間を小さく設定すると、シールフィンが対向面と接触しやすくなる。かかる接触が生じた場合には、シールフィンの摩耗により、シールフィンと対向面との隙間が拡大して、シール性能が低下する。その結果、漏れ量が増加し、蒸気タービン効率が低下する。特に、蒸気タービンの起動初期において、危険速度通過時やケーシングの急な熱変形が生じる場合に、接触が生じ易く、過大な振動が生じる要因となり得る。過大な振動が生じると、シールフィンが破損し、さらには運転を停止するような由々しき事態も起こり得る。

上述した課題に対応するため、例えば、シールフィンと対向する対向面に、切削性に優れた快削性材（アブレダブル材）を設けることが提唱されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来技術では、シールフィンと快削性材の接触時に、快削性材の方が快削されるので、シールフィンの摩耗や破損を防止できる。その結果、より小さい隙間を設定でき、蒸気の漏れ量を少なくすることができる。

ところで、他の問題として、鉄錆粉などのソリッドパーティクルによる高中圧段落の動翼のエロージョンや、湿り度の高い蒸気が流れる低圧段落の動翼のエロージョンがある。いずれも、シールフィンの損傷の原因となる。

この課題を解決するため、複数の植込み式シールフィンより上流側に位置して、複数の植込み式シールフィンより肉厚である削出しシールフィンを設けることが提唱されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載のように、上流側のシールフィンは、下流側のシールフィンと比べて、浸食が早く進む。そして、上流側のシールフィンの浸食が進行すると、下流側のシールフィンへ浸食が次々と波及することが明らかになっている。特許文献２に記載の従来技術では、上流側に削出しシールフィンを設けることにより、ソリッドパーティクルや水滴による浸食を上流側の削出しシールフィンでくい止め、下流側の植込み式シールフィンの浸食を抑止することが可能である。

特開２００２−２２８０１３号公報 実開平１１−１３４０９号公報

しかしながら、上記従来技術には改善の余地がある。すなわち、特許文献２に記載の従来技術では、削出しシールフィンであって、その表面処理が行われていないことから、耐食性が十分でなかった。そのため、長期間使用すると、削出しシールフィンが少しずつ浸食されて薄くなる可能性があり、削出しシールフィンの耐久性が十分でなかった。そして、長期間の使用により、削出しシールフィンが薄くなれば、ソリッドパーティクルや水滴によって下流側のシールフィンが浸食されてしまう。また、特許文献１に記載の従来技術のように快削性材を設けた場合は、快削性材も浸食されてしまう。

本発明の目的は、長期間、ソリッドパーティクルや水滴による浸食を上流側のシールフィンでくい止め、下流側のシールフィン及び快削性材への浸食を抑止でき、安定したシール性能を確保できる回転機械のシール装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ロータ及び前記ロータと一体に回転する部材からなる回転部と、前記回転部を内包するケーシング及び前記ケーシングに固定される部材からなる固定部と、を備えた回転機械に組込まれたシール装置において、前記回転部に設けられた複数の第１シールフィンと、前記固定部に設けられ、前記複数の第１シールフィンが対向する段差高部及び段差低部からなる段差と、前記段差高部及び前記段差低部の表面に設けられた快削性材と、前記複数の第１シールフィンより上流側に位置するように前記固定部又は前記回転部に設けられ、前記第１シールフィンより肉厚である第２シールフィンと、前記第２シールフィンの表面に設けられた耐食材と、を有する。

本発明によれば、長期間、ソリッドパーティクルや水滴による浸食を上流側のシールフィンでくい止め、下流側のシールフィン及び快削性材への浸食を抑止でき、安定したシール性能を確保できる。

本発明の適用対象である蒸気タービンの構造を表す断面図である。 図１中Ａ部に相当する部分拡大断面図であり、本発明の第１の実施形態におけるシール装置の構造を表す。 本発明の第１の変形例におけるシール装置の構造を表す部分拡大断面図である。 本発明の第２の変形例におけるシール装置の構造を表す部分拡大断面図である。 図１中Ａ部に相当する部分拡大断面図であり、本発明の第２の実施形態におけるシール装置の構造を表す。 本発明の第３の変形例におけるシール装置の構造を表す部分拡大断面図である。 図１中Ｂ部に相当する部分拡大断面図であり、本発明の第３の実施形態におけるシール装置の構造を表す。 図１中Ｂ部に相当する部分拡大断面図であり、本発明の第４の実施形態におけるシール装置の構造を表す。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の適用対象である蒸気タービンの構造を表す断面図である。なお、この図１においては、便宜上、ロータより上側の部分のみ示している。

図１で示すように、蒸気タービン１は、ロータ２と、このロータ２の外周側に固定された複数の動翼３を備えている。また、ロータ２及び動翼３を内包するケーシング４と、ケーシング４にノズルダイヤフラム外輪５を介して設けられた複数の静翼６とを備えている。静翼６の内周側にはダイヤフラム内輪７が設けられている。静翼６と動翼３は、ロータ２の軸方向（図１中左右方向）に交互に配置され、段落を構成している。

図示しないボイラで発生した蒸気Ｓｔは、ケーシング４に流入する。そして、ケーシング４の内部を流れて静翼６と動翼３を交互に通りながら、膨張し、ロータ２を回転させる。ロータ２の最も下流側（図１中左側）に備わる動翼３、すなわち最終段の動翼３を通過した蒸気は、ケーシング４の外部に排気されるようになっている。

蒸気タービン１では、ロータ２を効率よく回転させるため、ロータ２及び動翼３等からなる回転部と、ケーシング４、ダイヤフラム外輪５、静翼６、及びダイヤフラム内輪７等からなる固定部との間のシール性能を向上し、回転部と固定部の間に形成されたクリアランスへの蒸気の漏れ量を抑制することが要求される。具体的に説明すると、例えば、動翼３の外周部（シュラウド）とノズルダイヤフラム外輪５の間には、動翼３の回転運動を許容するようにクリアランスが設けられており、このクリアランスは、蒸気が動翼３を通過しない（すなわち、蒸気漏れの）原因となる。

そこで、本発明の第１の実施形態では、動翼３の外周部とノズルダイヤフラム外輪５の間に、ハイロー型のラビリンスシール装置８Ａを設けている。図２は、図１中Ａ部に相当する部分拡大断面図であり、本実施形態のシール装置８Ａの構造を表す。

シール装置８Ａは、動翼３の外周部に設けられた複数のシールフィン９（第１シールフィン）を備えている。ノズルダイヤフラム外輪５には、シール基板１０が設けられている。シール基板１０には、段差高部（ハイ部）１１及び段差低部（ロー部）１２からなる段差１３が設けられており、段差高部１１と段差低部１２がロータ２の軸方向（図２中左右方向）に交互に配置されている。複数のシールフィン９は、段差高部１１及び段差低部１２に対向しており、段差高部１１に対向するシールフィン９より、段差低部１２に対向するシールフィン９のほうが長くなっている。すなわち、各シールフィン９の先端と対向面との間隔が同じになっている。

シールフィン９が対向する段差高部１１及び段差低部１２の表面には、快削性材（アブレダブル材）１４が設けられている。これにより、シールフィン９と快削性材１４の接触時に、快削性材１４の方が快削されるので、シールフィン９の摩耗や破損を防止できる。その結果、より小さい間隔を設定でき、蒸気の漏れ量を少なくすることができる。

シール基板１０には、複数のシールフィン９より上流側（図２中右側）に位置するように、シールフィン９より肉厚なシールフィン１５（第２シールフィン）が設けられている。シールフィン１５の表面には、ＣｒＣ溶射などによる耐食材（耐エロージョン材）１６が設けられている。

以上のように構成された本実施形態においては、ソリッドパーティクルや水滴による浸食をシールフィン１５でくい止め、下流側のシールフィン９及び快削性材１４の浸食を抑止することができる。特に、シールフィン１５の表面には耐食材１６が設けられているから、長期間の使用においてもシールフィン１５は浸食されず、健全性を維持することができる。そのため、シールフィン９及び快削性材１４の浸食を長期間抑止でき、安定したシール性能を確保できる。その結果、漏れ損失を最小にでき、蒸気タービン１の効率を高めることができる。

なお、例えば図３で示す第１の変形例のように、動翼３の外周部に段差を設けてもよい。詳細には、複数のシールフィン９のうちの少なくとも最上流側のシールフィン（図３では、全てのシールフィン）が配置された段差高部１７と、シールフィン１５が対向する段差低部１８とからなる段差１９を設けてもよい。これにより、シールフィン１５と対向面との間隙を通過した蒸気が、段差１９に当たって、最上流側のシールフィン９に直接当たらないようになる。したがって、シールフィン９への浸食をさらに抑止でき、安定したシール性能を確保できる。その結果、より薄いシールフィン９を用いても、健全性を保つことができる。

さらに、例えば図４で示す第２の変形例のように、複数のシールフィン９のうちの上流側のシールフィン（図４では、最上流側のシールフィンのみ）が対向する対向面に、快削性材１４を設けなくてもよい。すなわち、それより下流側のシールフィン９が対向する対向面だけに、快削性材１４を設けてもよい。これにより、快削性材１４への浸食をさらに抑止でき、安定したシール性能を確保できる。

本発明の第２の実施形態を説明する。

本実施形態では、上記第１の実施形態と同様、動翼３の外周部とノズルダイヤフラム外輪５の間に、ハイロー型のラビリンスシール装置８Ｂを設けている。図５は、上述の図１中Ａ部に相当する部分拡大断面図であり、本実施形態のシール装置８Ｂの構造を表す。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

本実施形態のシール装置８Ｂにおいて、動翼３の外周部には、複数のシールフィン９より上流側（図５中右側）に位置するように、シールフィン９より肉厚なシールフィン２０（第２シールフィン）が設けられている。シールフィン２０の表面には、ＣｒＣ溶射などによる耐食材１６が設けられている。なお、シールフィン２０が対向するシール基板１０の段差低部１２には、快削性材１４が設けられていない。

以上のように構成された本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、長期間、ソリッドパーティクルや水滴による浸食を上流側のシールフィン２０でくい止め、下流側のシールフィン９及び快削性材１４への浸食を抑止でき、安定したシール性能を確保できる。

また、本実施形態では、複数のシールフィン９のうちの最上流側のシールフィンが対向する段差高部１１と、シールフィン２０が対向する段差低部１２とからなる段差１３が形成されている。これにより、シールフィン２０と対向面との間隙を通過した蒸気が、段差１３に当たって、最上流側のシールフィン９及び快削性材１４に直接当たらないようになる。したがって、シールフィン９及び快削性材１４への浸食をさらに抑止でき、安定したシール性能を確保できる。その結果、より薄いシールフィン９を用いても、健全性を保つことができる。

なお、例えば図６で示す第３の変形例のように、複数のシールフィン９のうちの上流側のシールフィン（図６では、最上流側のシールフィンのみ）が対向する対向面に、快削性材１４を設けなくてもよい。すなわち、それより下流側のシールフィン９が対向する対向面だけに、快削性材１４を設けてもよい。これにより、快削性材１４への浸食をさらに抑止でき、安定したシール性能を確保できる。

本発明の第３の実施形態を説明する。

本実施形態では、ロータ２とノズルダイヤフラム内輪７の間に、ハイロー型のラビリンスシール装置８Ｃを設けている。図７は、図１中Ｂ部に相当する部分拡大図であり、本実施形態におけるシール装置８Ｃの構造を表す。なお、本実施形態において、上記実施形態と同等の部分は同一の符号を付す。

本実施形態のシール装置８Ｃは、ロータ２の外周側に設けられた複数のシールフィン９（第１シールフィン）を備えている。ノズルダイヤフラム内輪７には、シール基板１０が設けられている。シール基板１０には、段差高部１１及び段差低部１２からなる段差１３が設けられており、段差高部１１と段差低部１２がロータ２の軸方向（図７中左右方向）に交互に配置されている。複数のシールフィン９は、段差高部１１及び段差低部１２に対向しており、段差高部１１に対向するシールフィン９より、段差低部１２に対向するシールフィン９のほうが長くなっている。すなわち、各シールフィン９の先端と対向面との間隔が同じになっている。

シールフィン９が対向する段差高部１１及び段差低部１２の表面には、快削性材１４が設けられている。これにより、シールフィン９と快削性材１４の接触時に、快削性材１４の方が快削されるので、シールフィン９の摩耗や破損を防止できる。その結果、より小さい間隔を設定でき、蒸気の漏れ量を少なくすることができる。

シール基板１０には、複数のシールフィン９より上流側（図７中右側）に位置するように、シールフィン９より肉厚なシールフィン１５（第２シールフィン）が設けられている。シールフィン１５の表面には、ＣｒＣ溶射などによる耐食材１６が設けられている。

以上のように構成された本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様、長期間、ソリッドパーティクルや水滴による浸食を上流側のシールフィン１５でくい止め、下流側のシールフィン９及び快削性材１４への浸食を抑止でき、安定したシール性能を確保できる。

本発明の第４の実施形態を説明する。

本実施形態では、上記第３の実施形態と同様、ロータ２とノズルダイヤフラム内輪７の間に、ハイロー型のラビリンスシール装置８Ｄを設けている。図８は、図１中Ｂ部に相当する部分拡大図であり、本実施形態におけるシール装置８Ｄの構造を表す。なお、本実施形態において、上記実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

本実施形態のシール装置８Ｄにおいて、ロータ２の外周側には、複数のシールフィン９より上流側（図８中右側）に位置するように、シールフィン９より肉厚なシールフィン２０（第２シールフィン）が設けられている。シールフィン２０の表面には、ＣｒＣ溶射などによる耐食材１６が設けられている。なお、シールフィン２０が対向するシール基板１０の段差低部１２には、快削性材１４が設けられていない。

以上のように構成された本実施形態においても、上記第３の実施形態と同様、長期間、ソリッドパーティクルや水滴による浸食を上流側のシールフィン２０でくい止め、下流側のシールフィン９及び快削性材１４への浸食を抑止でき、安定したシール性能を確保できる。

なお、上記第１及び第２の実施形態等においては、動翼３の外周部とノズルダイヤフラム外輪５の間に設けられたシール装置８Ａ又は８Ｂを説明し、上記第３及び第４の実施形態においては、ロータ２とノズルダイヤフラム内輪７の間に設けられたシール装置８Ｃ又は８Ｄを説明したが、それらを組合せてもよいことは言うまでもない。

１ 蒸気タービン
２ ロータ
３ 動翼
４ ケーシング
５ ダイヤフラム外輪
６ 静翼
７ ダイヤフラム内輪
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ シール装置
９ シールフィン（第１シールフィン）
１０ シール基板
１１ 段差高部
１２ 段差低部
１３ 段差
１４ 快削性材
１５ シールフィン（第２シールフィン）
１６ 耐食材
１７ 段差高部
１８ 段差低部
１９ 段差
２０ シールフィン（第２シールフィン）

Claims (7)

1. ロータ及び前記ロータと一体に回転する部材からなる回転部と、前記回転部を内包するケーシング及び前記ケーシングに固定される部材からなる固定部と、を備えた回転機械に組込まれたシール装置において、
   前記回転部に設けられた複数の第１シールフィンと、
   前記固定部に設けられ、前記複数の第１シールフィンが対向する段差高部及び段差低部からなる段差と、
   前記段差高部及び前記段差低部の表面に設けられた快削性材と、
   前記複数の第１シールフィンより上流側に位置するように前記固定部に設けられ、前記第１シールフィンより肉厚である第２シールフィンと、
   前記第２シールフィンの表面に設けられた耐食材と、を有することを特徴とする回転機械のシール装置。
2. 請求項１に記載の回転機械のシール装置において、
   前記回転部は、前記複数の第１シールフィンのうちの少なくとも最上流側の第１シールフィンが配置された段差高部と前記第２シールフィンが対向する段差低部からなる段差を有することを特徴とする回転機械のシール装置。
3. 請求項２に記載の回転機械のシール装置において、
   前記快削性材は、前記複数の第１シールフィンのうちの上流側の第１シールフィンが対向する対向面に設けられず、それより下流側の第１シールフィンが対向する対向面に設けられたことを特徴とする回転機械のシール装置。
4. ロータ及び前記ロータと一体に回転する部材からなる回転部と、前記回転部を内包するケーシング及び前記ケーシングに固定される部材からなる固定部と、を備えた回転機械に組込まれたシール装置において、
   前記回転部に設けられた複数の第１シールフィンと、
   前記固定部に設けられ、前記複数の第１シールフィンが対向する段差高部及び段差低部からなる段差と、
   前記段差高部及び前記段差低部の表面に設けられた快削性材と、
   前記複数の第１シールフィンより上流側に位置するように前記回転部に設けられ、前記第１シールフィンより肉厚である第２シールフィンと、
   前記第２シールフィンの表面に設けられた耐ロージョン材と、を有することを特徴とする回転機械のシール装置。
5. 請求項４に記載の回転機械のシール装置において、
   前記固定部は、前記複数の第１シールフィンのうちの最上流側の第１シールフィンが対向する段差高部と前記第２シールフィンが対向する段差低部からなる段差を有することを特徴とする回転機械のシール装置。
6. 請求項５に記載の回転機械のシール装置において、
   前記快削性材は、前記複数の第１シールフィンのうちの上流側の第１シールフィンが対向する対向面に設けられず、それより下流側の第１シールフィンが対向する対向面に設けられたことを特徴とする回転機械のシール装置。
7. 請求項１に記載の回転機械のシール装置において、
   前記回転機械は、蒸気タービンであり、
   前記ロータと一体に回転する部材として、動翼を有することを特徴とする回転機械のシール装置。

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