JP2015140685A - 蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱機関の運転時において、仕切板によって仕切られた一対の空間部間を気密にできる蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造を提供する。
【解決手段】蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造は、内部にタービンロータを回転自在に収容する内側ケースと、前記内側ケースを収容し、前記内側ケースの外側の面との間に流体が流通可能な空間部を形成する外側ケースと、前記内側ケースの外側の面及び前記外側ケースの内側の面の何れか一方の面から前記空間部内へ突設されて該面の周方向に環状に形成された突起部と、前記外側の面及び前記内側の面の何れか他方の面から前記空間部内へ延びて該面の周方向に環状に形成され、該空間部を前記タービンロータの軸方向一方側の第１空間部と他方側の第２空間部に仕切るとともに、前記第１空間部及び前記第２空間部内の流体の圧力差により前記タービンロータの軸方向に撓み変形可能な仕切板と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本開示は、蒸気タービンを含む熱機関内の蒸気室間をシールする流体シール構造に係る。

熱機関の一例である蒸気タービンは、一般的に、タービンロータを収容する内側ケースと、この内側ケースを収容する外側ケースとを備えている。蒸気タービンは、高圧蒸気を外側ケースに設けられた蒸気入口部から内側ケース内に導入される。内側ケース内では、導入された高圧蒸気を高速で噴出し、この蒸気力によりタービンロータの多段段落に回転力を与えて、タービンロータを回転させる。多段段落で回転力を与えた高圧蒸気は、多段段落の上流側から下流側に移動するに従って温度及び圧力を下げながら排気口から流出さる。

ところで、特許文献１には、高中圧段を備える蒸気タービンが開示されている。この蒸気タービンは、特許文献１に記載されているように、高圧段落と中圧段落との間に高中圧一体ダミー環を備え、高中圧一体ダミー環と外側ケース（外車室）との間に環状仕切板が設けられている。この環状仕切板によって、内側ケース（内車室）が高温の中圧蒸気から隔離保護され、内側ケースの熱応力低減や、内側ケースを固定するボルト応力の低減等を実現することができる。

なお、内側ケースは、周縁部に水平方向に延びる合わせ面を有して上下に２分割可能な構造を有し、上下の各部分の合わせ面同士を接触させた状態でこれらを複数のボルトで締結することで、上下の各部分が一体的に固定されるようになっている。外側ケースも内側ケースと同様に構成されている。

特開昭６２−２８４９０５（図１参照）

前述したように高圧蒸気が多段段落を通って排気口に流出する蒸気タービンの場合、多段段落を通過した高圧蒸気の一部は、乱流となって排気口側に流れずに外側ケースと内側ケースとの間の空間部に流れる場合がある。この多段段落を通過した低温蒸気が空間部を流れると、外側ケースはタービンロータの軸方向に沿って冷却される。一方、排気口と反対側から空間部に高圧蒸気が流れると、外側ケースはタービンロータの軸方向に沿って高温状態になる。このため、外側ケースは、タービンロータの軸方向において温度差が生じ、特に、高温の蒸気に接する外側ケースの部分と温度が低下した蒸気が接する外側ケースの部分とでは、より大きな温度差が発生する。従って、温度が急激に低下する位置の周辺に設けられ外側ケースの上下の各部分を締結するボルトの締結力は弱くなる虞がある。

そこで、特許文献１に記載された仕切板を空間部内に設け、この仕切板によって空間部を仕切ることが考えられる。この仕切板によって、低温蒸気の流れを完全に遮断することができれば、外側ケースの急激な温度変化を防止することができる。しかしながら、蒸気タービンの組立時において、仕切板の両側の空間部同士を気密にするように仕切板を設けても、蒸気タービンの運転時には蒸気タービン内の温度は高温になり、また場所によって温度差が生じるので、仕切板と外側ケースとの間や仕切板と内側ケースとの間に隙間が生じる虞がある。従って、低温蒸気が上流側の空間部に流れて、外側ケースの上下の各部分を締結するボルトの締結力が弱くなる虞が生じる。

よって、空間部に仕切板を設けた場合に、蒸気タービンの運転時に隙間が生じることなく、仕切板によって仕切られた一対の空間部間を気密にできるシール構造の開発が望まれている。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、熱機関の運転時において、仕切板によって仕切られた一対の空間部間を気密にできる蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造を提供することを目的とする。

本発明の幾つかの実施形態に係わる蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造は、
内部にタービンロータを回転自在に収容する内側ケースと、
前記内側ケースを収容し、前記内側ケースの外側の面との間に流体が流通可能な空間部を形成する外側ケースと、
前記内側ケースの外側の面及び前記外側ケースの内側の面の何れか一方の面から前記空間部内へ突出されて該面の周方向に環状に形成された突起部と、
前記外側の面及び前記内側の面の何れか他方の面から前記空間部内へ延びて該面の周方向に環状に形成され、該空間部を前記タービンロータの軸方向一方側の前記突起部を含まない第１空間部と他方側の前記突起部を含む第２空間部に仕切るとともに、前記第１空間部及び前記第２空間部内の流体の圧力差により前記タービンロータの軸方向に撓み変形可能な仕切板と、を備え、
前記仕切板は、前記流体の圧力差を受けて前記第２空間部側へ撓むと前記突起部に接触するように構成される。

上記蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造によれば、熱機関の運転時に、第１空間部及び第２空間部内の各流体に圧力差が生じ、この圧力差が、突起部を含まない第１空間部側の圧力が突起部を含む第２空間部側の圧力よりも大きいときの圧力差である場合には、仕切板はタービンロータの軸方向の第２空間部側に撓んで仕切板が突起部に接触する。このため、仕切板と突起部との間の隙間がなくなる。このため、タービンロータの軸方向他方側の第２空間部を流れる流体が軸方向一方側の第１空間部側に流れようとしても、仕切板によって第１空間部側への流体の流れを確実に遮断することができる。よって、熱機関の運転時に仕切板によって仕切られた一対の第１空間部及び第２空間部間を気密にできる蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造を実現できる。

幾つかの実施形態では、
前記仕切板は、少なくとも先端部のタービンロータ軸方向の厚さが径方向外側へ延びるに従って薄くなるように形成されているように構成される。

この場合、仕切板の少なくとも先端部は、先細状に形成されているので、仕切板の曲げ剛性は先端側に進むに従って弱くなる。このため、仕切板にタービンロータ軸方向のうち突起部側を向く力が作用すると、仕切板の先端部は、仕切板のタービンロータ径方向内側の端部を支点として突起部側へ撓む。このため、仕切板の少なくとも先端部を確実に突起部に接触させることができる。よって、熱機関の運転時に仕切板によって仕切られた一対の第１空間部及び第２空間部間をより確実に気密にすることができる。

幾つかの実施形態では、
前記外側ケースは、前記内側ケースに前記流体を供給する流体供給流路を含み、
前記内側ケースは、前記流体供給流路から供給された流体を前記タービンロータに導いて該タービンロータを駆動させる駆動流路を含み、
前記駆動流路と第１空間部とが接続流路を介して連通しているように構成される。

この場合、接続流路を介して駆動流路を流れる流体を第１空間部に供給することができる。ここで、駆動流路を流れる流体によってタービンロータに回転力を与えるので、駆動流路は、流体をより高圧にするように構成されている。このため、駆動流路を流れる流体を第１空間部に導入することで、第１空間部内の流体圧力をより高くすることができる。従って、第１空間部及び第２空間部間の流体の圧力差をさらに増大させることができ、仕切板をより容易に突起部に接触させることができる。よって、熱機関の運転時に仕切板によって仕切られた一対の第１空間部及び第２空間部間を気密にできる蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造を実現できる。

一実施形態において、
前記突起部の前記仕切板側に対向する側面には、前記突起部よりも線膨張率の大きい材料で形成された環状シール部材が設けられているように構成される。

この場合、仕切板が突起部側へ撓んで環状シール部材に接触すると、環状シール部材が変形する。そして、さらに仕切板が突起部側へ撓むと、環状シール部材を変形させたままで仕切板が突起部に接触する。このため、仕切板は突起部の他に環状シール部材と接触するので、一対の空間部間の気密性をより向上させることができる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、熱機関の運転時において、仕切板によって仕切られた一対の空間部間を気密にできる蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造を提供することができる。

流体シール構造の構成例を示す蒸気タービンの部分断面図である。 一実施形態に係わる蒸気タービンの内部構造図ある。 一実施形態に係わるシールリングを含む内側ケースの概略斜視図である。 一実施形態に係わるシールリングの作用を説明するための蒸気タービンの部分断面図である。 一実施形態に係わる他のシールリングの部分断面図である。 同図（ａ）は一実施形態に係わる他のシールリングの部分断面図であり、同図（ｂ）は他のシールリングの斜視図である。

以下、添付図面に従って本発明の蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造の実施形態について説明する。本実施形態では、熱機関のうち蒸気タービンを例にして以下説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

蒸気タービンの流体シール構造１は、図１（部分断面図）及び図２（内部構造図）に示すように、内部にタービンロータ２を回転自在に収容する内側ケース１０と、内側ケース１０を収容し、内側ケース１０の外側の面１０ａとの間に蒸気が流通可能な空間部４を形成する外側ケース２０と、外側ケース２０の内側の面２０ａから空間部４内へ突出して内側の面２０ａの周方向に環状に形成された突起部３０と、内側ケース１０の外側の面１０ａから空間部４内へ延びて外側の面１０ａの周方向に環状に形成され、空間部４をタービンロータ２の軸方向一方側の第１空間部４ａと他方側の第２空間部４ｂに仕切るとともに、第１空間部４ａ及び第２空間部４ｂ内の蒸気の圧力差によりタービンロータ２の軸方向に撓み変形可能な仕切板４０と、を有して構成される。

幾つかの実施形態では、内側ケース１０は、金属製（例えば、Ｃｒ鋳鋼）であり、タービンロータ２の動翼列３（図１参照）と合わさる静翼列１１（図１参照）がタービンロータ２の軸方向に延在している。以下、動翼列３と静翼列１１を合わせて、「高圧段落６」と記す。動翼列３と静翼列１１との間には高温高圧蒸気の流通が可能な駆動流路５０（図１参照）が形成されている。この駆動流路５０に高温高圧蒸気が流れると、動翼列３が高温高圧蒸気の流れを受け止めてタービンロータ２を回転させる。

内側ケース１０は、周縁部に水平方向に延びる合わせ面（図示せず）を有して上下に２分割可能に構成され、内側ケース１０の下側部分にタービンロータ２が設置されている。内側ケース１０は、この下側部分上に上側部分が載置され、下側部分と上側部分との合わせ面同士を接触させた状態でこれらを複数のボルトで締結することで、内側ケース１０の下側部分と上側部分とが一体化されて固定されている。内側ケース１０の外側の面１０ａには、図１及び図３（概略斜視図）に示すように、タービンロータ２の径方向外側へ突出して外側の面１０ａの周方向に環状に形成された仕切坂４０が形成されている。仕切坂４０は、内側ケース１０と一体成型される。仕切板４０の詳細については、後述する。

幾つかの実施形態では、外側ケース２０は金属製であり（例えば、Ｃｒ−Ｍｏ鋳鋼）、内側ケース１０と同様に、周縁部に水平方向に延びる合わせ面（図示せず）を有して上下に２分割可能に構成されている。外側ケース２０は、この下側部分上に上側部分が載置され、下側部分と上側部分との合わせ面同士を接触させた状態でこれらを複数のボルトで締結することで、外側ケース２０の下側部分と上側部分とが一体化されて固定されている。

外側ケース２０は、図１及び図２に示すように、内側ケース１０を収容した状態で、外側ケース２０の内側の面２０ａと内側ケース１０の外側の面１０ａとの間に蒸気の流通が可能な空間部４が形成されている。外側ケース２０の上部には、高温高圧蒸気を導入するための高圧蒸気入口部２１が設けられ、高圧蒸気入口部２１は、流体供給通路２２を介して内側ケース１０の駆動流路５０に連通している。このため、高温高圧蒸気は、高圧蒸気入口部２１及び流体供給通路２２を通って駆動流路５０に供給される。高圧蒸気入口部２１よりもタービンロータ２の軸方向右側には、中圧の蒸気から回転動力を取り出す中圧段落７が設けられ、中圧段落７には高温高圧蒸気Ｓ３が空間部４を介して供給されるようになっている。

また、高圧段落６よりもタービンロータ２の軸方向左側には、駆動流路５０から排出された低温蒸気を排出させるための排気口８（図２参照）が設けられている。なお、駆動流路５０から排出された低温蒸気は空間部４を通って排気口８から排出された後、再熱加熱器（不図示）で加熱される。

幾つかの実施形態では、突起部３０は、高圧段落６の静翼列１１が形成された内側ケース１０の外側の面１０ａに面する外側ケース２０の内側の面２０ａに形成されている。突起部３０は、外側ケース２０の内側の面２０ａに周方向に環状に形成され、外側ケース２０と一体成型される。突起部３０は断面視において長方形状に形成されている。なお、突起部３０の断面形状は長方形状に限るものではなく、台形状でもよい。

突起部３０は、図１及び図４（部分断面図）に示すように、仕切板４０のタービンロータ２の軸方向位置よりも僅かにタービンロータ２の軸方向左側の位置に配置されている。つまり、突起部３０は、第２空間部４ｂ内に突出している。このため、仕切板４０が撓んでいない場合には、仕切板４０の先端部と突起部３０との間には隙間３１が形成される。従って、外側ケース２０の組立作業時に、仕切板４０と突起部３０とが接触した状態にする必要はなく、組み立て作業を容易にすることができる。

この突起部３０に接触可能な仕切板４０は、金属製（例えば、Ｃｒ鋳鋼）であって弾性を有し、内側ケース１０と一体成型される。仕切板４０は、その厚さ（タービンロータ２の軸方向厚さ）が内側ケース１０の外面からタービンロータ２の径方向外側へ延びるに従って薄くなっている。このため、仕切板４０のタービンロータ２の軸方向から高温高圧蒸気による圧力Ｐが作用したときの曲げ剛性を弱くすることができる。よって、仕切板４０の側面にタービンロータ２の軸方向に向く圧力Ｐの作用時に、仕切板４０をタービンロータ２の軸方向に容易に撓ませることができる。

なお、仕切板４０は内側ケース１０の外側の面１０ａから先細になるように形成されたものに限るものではなく、図５に示すように、仕切板４０の先端側の先細になる程度が根元側の先細になる程度よりも大きくなるようにしてもよい。

以上説明したように、幾つかの実施形態に係わる蒸気タービンの流体シール構造１によれば、図１及び図２に示すように、高温高圧蒸気Ｓ１（例えば、５００℃〜６００℃、１７０〜２４０ｋｇ／ｃｍ²）が高温蒸気入口部２１に供給されると、高温高圧蒸気Ｓ１は内側ケース１０内を通って高圧段落６の駆動流路５０に高速で導入される。高速の高温高圧蒸気Ｓ１が駆動流路５０を流れると、高温高圧蒸気Ｓ１は高圧段落６の動翼列３に回転力を与えるとともに、次第に温度及び圧力が低下してゆく。この温度が低下した蒸気Ｓ２(例えば、３００〜４００℃、３５〜６０ｋｇ/ｃｍ²)は、大部分が空間部４を通って排気口８から排出されて再加熱される。

しかしながら、温度が低下した蒸気Ｓ２の一部は空間部４において乱流となって排気口８側に向かわずに外側ケース２０と内側ケース１０との間の空間部４に流れるものがある。この空間部４に温度が低下した蒸気Ｓ２が流れると、外側ケース２０はタービンロータ２の軸方向に沿って冷却される。

一方、高圧蒸気入口部２１よりもタービンロータ２の軸方向右側には、前述したように中圧段落７が設けられ、この中圧段落７には空間部４を介して高温高圧蒸気Ｓ３が供給されている。このため、この高温高圧蒸気Ｓ３によって、高圧蒸気入口部２１よりもタービンロータ２の軸方向右側の外側ケース２０は高温状態になる。従って、外側ケース２０はタービンロータ２の軸方向の異なる位置において温度差が発生し、特に、高温の蒸気に接する外側ケース２０の部分と温度が低下した蒸気Ｓ２が接する外側ケース２０の部分とでは、より大きな温度差が発生する。従って、温度が急激に変化する外側ケース２０の部分のうち、温度が上昇した外側ケース２０の部分は伸び、温度が低下した外側ケース２０の部分は収縮して、外側ケース２０の上側部分と下側部分を締結固定するボルトの締結力が弱くなる虞が生じる。

しかしながら、本実施形態では、空間部４内に配置された仕切板４０よりもタービンロータ２の軸方向右側の空間部４（以下、「第１空間部４ａ」と記す。）内の高温高圧蒸気Ｓ３と、タービンロータ２の軸方向左側の空間部（以下、「第２空間部４ｂ」と記す。）内の低温低圧蒸気Ｓ２との圧力差が所定値を超えると、仕切板４０が突起部３０側へ撓んで仕切板４０の先端部が突起部３０に気密に接触する。

従って、第１空間部４ａと第２空間部４ｂとが遮断されて、低温低圧蒸気Ｓ２が第１空間部４ａに流入するのを阻止することができる。このため、第１空間部４ａには高温高圧蒸気Ｓ３のみしか流れないので、高温高圧蒸気Ｓ３が接する外側ケース２０のタービンロータ２の軸方向の温度差を比較的に小さくすることができる。また、第２空間部４ｂには低温低圧蒸気Ｓ２のみしか流れないので、この低温低圧蒸気Ｓ２が接する外側ケース２０のタービンロータ２の軸方向の温度差を比較的に小さくすることができる。つまり、第１空間部４ａ及び第２空間部４ｂのそれぞれにおいて接する外側ケース２０のタービンロータ２の軸方向の温度勾配の急変を防止することができる。よって、外側ケース２０の上側部分と下側部分を締結固定する固定用のボルトが緩む虞を防止することができる。

なお、第１空間部４ａのタービンロータ２の軸方向長さは、第２空間部４ｂのそれと比較して長いので、第１空間部４ａにおける第２空間部４ｂ側の端の外側ケース２０の温度と、低温低圧蒸気Ｓ２が接する外側ケース２０の温度との差は比較的に小さい。このため、第１空間部４ａと第２空間部４ｂが隣接する位置の外側ケース２０に配置されたボルトが緩む虞はない。

次に、例示的な実施形態の個別的内容について図１、図６（ａ）、図６（ｂ）を参照しながら説明する。図１に示す例示的な実施形態では、内側ケース１０には、駆動流路５０と第１空間部４ａとを連通する接続流路１２が設けられている。この接続流路１２は、駆動流路５０を流れる高圧蒸気を第１空間部４ａに供給して第１空間部４ａ内の圧力を調整することができる。接続流路１２の数は、第１空間部４ａ内に必要な圧力に応じて選定される。よって、接続流路１２によって、第１空間部４ａ内の圧力設定を任意に行うことができ、第１空間部４ａ内の蒸気にさらされる外側ケース２０及び内側ケース１０の材質や肉厚の最適設計を行うことができる。

図６に示す例示的な実施形態では、図６（ａ）に示すように、突起部３０の仕切板４０側に対向する側面３０ａには、突起部３０よりも線膨張率の大きい材料（例えば、オーステナイト系ステンレス鋼やインコネル等）で形成された環状シール部材６０が設けられている。この環状シール部材６０は、突起部３０の側面３０ａに設けられた環状溝３０ｂ内に装着される。環状シール部材６０は、軸方向一端側から他端側へ進むに従って外径が大きくなるように円錐台状の側面６０ａを有して環状に形成されている。

環状シール部材６０は、帯状に形成されたシール本体６１と、シール本体６１の両端部を連結して環状に形成するソケット６２とを有してなる。環状シール部材６０は、仕切板４０と非接触状態では、環状シール部材６０の軸方向一端部が環状溝３０ｂから突出し、仕切板４０との接触時には環状シール部材６０の軸方向他端側へ撓む。このため、仕切板４０が突起部３０に接触すると、仕切板４０は突起部３０の他に環状シール部材６０とも接触した状態になるので、第１空間部４ａ（図４参照）と第２空間部４ｂ（図４参照）との間の気密性をより向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能である。例えば、本発明は蒸気タービンのみならず、ガスタービンにも適用でき、また上述した各種実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１ 蒸気タービンの流体シール構造
２ タービンロータ
３ 動翼列
４ 空間部
４ａ 第１空間部
４ｂ 第２空間部
６ 高圧段落
７ 中圧段落
８ 排気口
１０ 内側ケース
１０ａ 外側の面
１１ 静翼列
１２ 接続流路
２０ 外側ケース
２０ａ 内側の面
２１ 高圧蒸気入口部
３０ 突起部
３０ａ、６０ａ 側面
３０ｂ 環状溝
３１ 隙間
４０ 仕切板
５０ 駆動流路
６０ 環状シール部材
６１ シール本体
６２ ソケット

Claims (4)

1. 内部にタービンロータを回転自在に収容する内側ケースと、
   前記内側ケースを収容し、前記内側ケースの外側の面との間に流体が流通可能な空間部を形成する外側ケースと、
   前記内側ケースの外側の面及び前記外側ケースの内側の面の何れか一方の面から前記空間部内へ突出されて該面の周方向に環状に形成された突起部と、
   前記外側の面及び前記内側の面の何れか他方の面から前記空間部内へ延びて該面の周方向に環状に形成され、該空間部を前記タービンロータの軸方向一方側の前記突起部を含まない第１空間部と他方側の前記突起部を含む第２空間部に仕切るとともに、前記第１空間部及び前記第２空間部内の流体の圧力差により前記タービンロータの軸方向に撓み変形可能な仕切板と、を備え、
   前記仕切板は、前記流体の圧力差を受けて前記第２空間部側へ撓むと前記突起部に接触する
   ことを特徴とする蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造。
2. 前記仕切板は、少なくとも先端部の前記タービンロータの軸方向の厚さが該タービンロータの径方向外側へ延びるに従って薄くなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造。
3. 前記外側ケースは、前記内側ケースに前記流体を供給する流体供給流路を含み、
   前記内側ケースは、前記流体供給流路から供給された流体を前記タービンロータに導いて該タービンロータを駆動させる駆動流路を含み、
   前記駆動流路と第１空間部とが接続流路を介して連通している
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造。
4. 前記突起部の前記仕切板側に対向する側面には、前記突起部よりも線膨張率の大きい材料で形成された環状シール部材が設けられている
   ことを特徴とする請求項１及至３の何れか一項に記載の蒸気タービンを含む熱機関の流体シール構造。
   

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