JP2017057836A - 軸シール装置およびターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】パッキンリングセグメントの振動を抑制して、静止部と回転部との間隙が拡大することを抑制できる軸シール装置およびターボ機械を提供する。
【解決手段】実施の形態による軸シール装置４０は、高圧室３１ａと低圧室３１ｂとの間に介在されるシールホルダ５０であって、半径方向に延びる被当接面５６を有するシールホルダ５０を備えている。また、軸シール装置４０は、シールホルダ５０に対して半径方向に移動可能なシールセグメント６０であって、シールホルダ５０の被当接面５６に当接可能な当接部６３を有するシールセグメント６０を備えている。さらに、軸シール装置４０は、シールセグメント６０の内周面に設けられたシールフィン７０と、シールセグメント６０を低圧室３１ｂの側に付勢し、当接部６３を被当接面５６に当接させる弾性体８０と、を備えている。
【選択図】図４

Description

本発明の実施の形態は、軸シール装置およびターボ機械に関する。

近年、環境負荷の低減等の要請により、ターボ機械としてのタービン効率の向上が重要視されている。タービン効率を向上させるために、種々の対策が提案されている。そのうち最も効果的な対策は、タービンの各部に不可避的に存在する静止部と回転部との間隙を通るタービン作動流体の漏洩を低減させることである。

一般的に、タービンには、作動流体の漏洩を防止するためのシールとして機能するパッキンリングが複数設けられている。このようなパッキンリングとして、例えば、ノズルパッキンと呼ばれるパッキンリングや、チップフィンと呼ばれるパッキンリング、グランドパッキンと呼ばれるパッキンリングが挙げられる。このうちノズルパッキンは、静止部であるダイアフラム内輪と回転部であるタービンロータとの間隙を通る作動流体の漏洩を防止するためのものである。また、チップフィンは、静止部であるダイアフラム外輪と回転部であるタービンの動翼との間隙を通る作動流体の漏洩を防止するためのものであり、グランドパッキンは、静止部であるケーシングと回転部であるタービンロータとの間隙を通る作動流体の漏洩を防止するためのものである。

静止部と回転部との間隙を小さくする場合、作動流体の漏洩が減少し、タービン効率を向上させることができる。しかしながら、この場合、静止部と回転部とが接触（ラビング）しやすくなり、回転部の損傷、シールフィンの損傷、軸振動の増大、摩擦熱による回転部の変形が懸念される。タービンの定格運転状態では、静止部と回転部との間隙は比較的安定して保つことができるが、タービンの起動時または停止時といった過渡運転状態では、間隙を安定して維持することが困難になる。すなわち、過渡運転状態では、過渡的な圧力変形や熱変形により静止部と回転部との間隙が変化し得るため、接触が引き起こされやすくなっている。

代表的なパッキンリング１１０を使用したラビリンスシール構造を有する軸シール装置１２０を図５および図６に示す。図５に示すように、軸シール装置１２０は、パッキンリング１１０を備えている。パッキンリング１１０は、好適には周方向に等分割された複数のパッキンリングセグメント１１１によって構成されている。パッキンリングセグメント１１１は、ばねに代表される弾性体１１２によって内周側に付勢されている。パッキンリングセグメント１１１と弾性体１１２は、ケーシングに固定されたパッキンリングホルダ１１３によって保持されており、パッキンリングセグメント１１１は、パッキンリングホルダ１１３に対して半径方向に移動可能になっている。

図６に示すように、パッキンリングホルダ１１３は、高圧室１１４ａと低圧室１１４ｂとを隔ており、このパッキンリングホルダ１１３をタービンロータ（回転体）１１５が貫通している。パッキンリングセグメント１１１の内周面には、シールフィン１１６が設けられている。

パッキンリングセグメント１１１は、上述した弾性体１１２によってタービンロータ１１５の側に押し付けられ、パッキンリングセグメント１１１とタービンロータ１１５との間に、間隙（ラジアル間隙）が形成されている。また、パッキンリングセグメント１１１は、定格運転状態では、高圧室１１４ａ内の作動流体の圧力と、低圧室１１４ｂ内の作動流体の圧力との圧力差によって、パッキンリングホルダ１１３のスチームジョイント面１１７に当接しており、高圧室１１４ａから、パッキングリングホルダ内を通って低圧室１１４ｂに作動流体が漏洩することを抑制している。

この軸シール装置１２０においては、据え付け時からパッキンリングセグメント１１１がパッキンリングホルダ１１３の内周側に押し付けられている。このため、間隙を常に狭く保つことができる。しかしながら、起動時または停止時などの過渡運転状態では、上述したように静止部または回転部の圧力変形や熱変形により、静止部と回転部とが接触しやすくなる。このような接触を回避するためには、弾性体の付勢力を小さく設定し、静止部と回転部との接触を抑え、静止部の摩耗量を低減する構造の軸シール装置が望ましい。

特開２００２−２６６６０５号公報

しかしながら、上述のような軸シール装置は、弾性体による付勢力が小さいため、パッキンリングセグメントを保持する効果が低下して、パッキンリングセグメントが半径方向（ラジアル方向）に移動しやすくなる。この場合、パッキンリングセグメントが振動し、パッキンリングセグメントの内周側部が回転体に連続して接触する可能性が生じる。この場合、パッキンリングセグメントの内周側部が塑性変形し、静止部と回転部との間隙が拡大するおそれがある。特に、パッキンリングセグメントの内周面に、薄板の先端を細く尖らせたシールフィンを設け、シールフィンの先端と回転体の表面との間に間隙（狭窄部）を形成する構造では、シールフィンの先端の強度が低いため、上記接触によってシールフィンの先端が著しく塑性変形する場合が考えられる。

また、パッキンリングセグメントはパッキンリングホルダに隙間を持って嵌まり込むようになっており、パッキンリングセグメントは、上述したようにパッキンリングホルダに対して半径方向に移動可能になっている。そして、高圧室と低圧室との差圧により、パッキンリングセグメントは、パッキンリングホルダのスチームジョイント面に押し付けられる。このことにより、パッキンリングセグメントとパッキンリングホルダとの間の気密が保たれるとともに、パッキンリングセグメントを保持してその半径方向の移動を抑制している。しかしながら、過渡運転状態では、タービンの蒸気流量が少なく、高圧室と低圧室との差圧も極めて低い。このことにより、当該差圧によるパッキンリングセグメントを保持する効果が低下し得る。特に、起動直後や停止直前のような極低負荷運転あるいは無負荷運転時では回転速度が大きく変化し、その回転速度変化過程において危険速度を通過するが、この際に回転軸が振れ回り、接触が生じやすくなる。この場合、高圧室と低圧室との差圧が極めて低いため、回転軸との接触によってパッキンリングセグメントが大きく振動し得る。このため、パッキンリングセグメントの内周面に設けられたシールフィンの先端の変形が大きくなり得る。

このため、パッキンリングセグメントと回転体との間隙が拡大することを抑制するために、パッキンリングセグメントの振動を抑制することが望まれる。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、パッキンリングセグメントの振動を抑制して、静止部と回転部との間隙が拡大することを抑制できる軸シール装置およびターボ機械を提供することを目的とする。

実施の形態による軸シール装置は、ターボ機械の圧力容器に回転可能な回転体が貫通し、回転体の軸方向に並んで配置される高圧室と低圧室とを隔てる。この軸シール装置は、圧力容器に固定されると共に高圧室と低圧室との間に介在されるシールホルダであって、半径方向に延びる被当接面を有するシールホルダを備えている。また、この軸シール装置は、シールホルダに対して半径方向に移動可能なシールセグメントであって、シールホルダの被当接面に当接可能な当接部を有するシールセグメントを備えている。さらに、この軸シール装置は、シールセグメントの内周面に設けられたシールフィンと、シールセグメントを低圧室の側に付勢し、シールセグメントの当接部をシールホルダの被当接面に当接させる弾性体と、を備えている。

実施の形態によるターボ機械は、圧力容器と、圧力容器に回転可能に設けられた回転体と、圧力容器に支持されたノズル構造体と、本発明による軸シール装置と、を備えている。

本発明によれば、パッキンリングセグメントの振動を抑制して、静止部と回転部との間隙が拡大することを抑制できる。

図１は、本発明の実施の形態におけるタービンの一例を示す断面図である。 図２は、図１のタービンのノズル構造体および動翼を拡大して示す断面図である。 図３は、図１のタービンのグランドシール部を拡大して示す断面図である。 図４は、図２または図３の軸シール装置の詳細を示す断面図である。 図５は、一般的な軸シール装置を示す回転軸線に垂直な断面図である。 図６は、一般的な軸シール装置を示す回転軸線に平行な断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１乃至図４を用いて、本発明の実施の形態における軸シール装置およびターボ機械について説明する。本実施の形態による軸シール装置が適用可能なターボ機械としてのタービンの具体例としては、蒸気タービン、ガスタービン、コンプレッサなどが挙げられる。そこでまず、本実施の形態による軸シール装置が適用可能な、蒸気タービンやガスタービン等のタービンについて説明する。

図１に示すように、タービン１は、ケーシング（圧力容器）２と、ケーシング２に対して回転可能に設けられたタービンロータ（回転体）３と、を備えている。このうち、ケーシング２は、内部ケーシング２ａと、内部ケーシング２ａの外側に設けられた外部ケーシング２ｂと、を有しており、二重構造のケーシングとなっている。

外部ケーシング２ｂには、供給管４が連結されており、蒸気や燃焼ガスなどの作動流体が、タービン１に供給されるようになっている。タービン１に供給された作動流体は、ケーシング２内に設けられたインレットスリーブ５ａおよびノズルボックス５ｂによって、後述する複数のタービン段落６のうちの最も上流側のタービン段落６に案内されるようになっている。タービンロータ３には、図示しない発電機が連結されている。

ケーシング２（より詳細には、内部ケーシング２ａ）には、複数のノズル構造体７が支持されている。タービンロータ３には、複数の動翼構造体（回転体）８が支持されている。これらのノズル構造体７と動翼構造体８は、タービンロータ３の回転軸線Ｘに沿う方向（回転体の軸方向）に交互に配置されている。そして、一のノズル構造体７と、当該一のノズル構造体７の下流側に隣り合って配置された一の動翼構造体８とにより、一のタービン段落６が構成されている。タービン１は、このようなタービン段落６が、タービンロータ３の回転軸線Ｘに沿う方向に複数設けられている。このようにして、供給管４を介して供給された作動流体が複数のタービン段落６を通過して、後述する動翼１３に対して仕事を行い、タービンロータ３が回転駆動されるようになっている。

最終段落の動翼１３を通過した作動流体は、排気流路９を通過してタービン１の外部へと排出される。

図２に示すように、ノズル構造体７は、ケーシング２に支持されたダイアフラム外輪１０と、ダイアフラム外輪１０より内周側に設けられたダイアフラム内輪１１と、を有している。ダイアフラム外輪１０とダイアフラム内輪１１との間に、複数のノズル（静翼）１２が設けられている。複数のノズル１２は、周方向に列状に配置されており、互いに隣り合うノズル１２の間の開口を作動流体が通過するようになっている。

動翼構造体８は、複数の動翼１３を有しており、タービンロータ３に設けられたロータディスク３ａに植設されて固定されている。複数の動翼１３は、周方向に配列されている。このような動翼１３が作動流体から仕事を受けることにより、回転エネルギを得て、タービンロータ３が回転するようになっている。動翼１３の外周側には、シュラウド１４が設けられている。シュラウド１４は、タービンロータ３の振動を抑制するためのものである。

本実施の形態による軸シール装置４０は、ダイアフラム内輪１１の内周側端部に、タービンロータ３に対向するように設けることができる。このような軸シール装置４０は、いわゆるノズルパッキンとして機能する。軸シール装置４０は、概略的には環状に形成されており、軸シール装置４０を、回転体としてのタービンロータ３が貫通している。軸シール装置４０の上流側（図２の右側）に高圧室１５ａが形成され、下流側（図２の左側）に低圧室１５ｂが形成されている。そして、軸シール装置４０は、ダイアフラム内輪１１と共に、これらの高圧室１５ａと低圧室１５ｂとを隔てている。このようにして、高圧室１５ａから低圧室１５ｂに向ってダイアフラム内輪１１とタービンロータ３との間隙を通過して作動流体が流れて漏洩することを抑制している。このような軸シール装置４０は、各ノズル構造体７のダイアフラム内輪１１にアダプタ部材１６を介して設けることができる。

また、図２に示すように、本実施の形態による軸シール装置４０は、ダイアフラム外輪１０に、動翼構造体８の外周側端部（より具体的にはシュラウド１４）に対向するように設けることもできる。このような軸シール装置４０は、いわゆるチップフィンとして機能する。軸シール装置４０は、概略的には環状に形成されており、軸シール装置４０を、回転体としてのタービンロータ３および動翼構造体８が貫通している。軸シール装置４０の上流側に高圧室１７ａが形成され、下流側に低圧室１７ｂが形成されている。そして、軸シール装置４０は、これらの高圧室１７ａと低圧室１７ｂとを隔てている。このようにして、ダイアフラム外輪１０とシュラウド１４との間隙を通過して作動流体が流れて漏洩することを抑制している。

ところで、図１に示すように、外部ケーシング２ｂのうちタービンロータ３が貫通する部分に、グランドシール部２０が設けられている。グランドシール部２０は、複数のタービン段落の両側に配置されており、外部ケーシング２ｂの外側の雰囲気と内側の雰囲気とを区画している。

本実施の形態による軸シール装置４０は、このグランドシール部２０を構成することもできる。言い換えれば、軸シール装置４０は、圧力容器２のうちタービンロータ３が貫通する部分に、タービンロータ３に対向するように設けることができる。このような軸シール装置４０は、いわゆるグランドパッキンとして機能する。図３においては、３つの軸シール装置４０が、回転軸線Ｘに沿う方向に互いに離間して配置されており、互いに隣り合う軸シール装置４０によって、高圧室２１ａおよび低圧室２１ｂが形成されている。ここでは図面を明瞭にするために、一例として、中央に配置された軸シール装置４０の両側に高圧室２１ａと低圧室２１ｂとが形成され、この軸シール装置４０が、高圧室２１ａと低圧室２１ｂとを隔てている例を示している。高圧室２１ａは、外部ケーシング２ｂの内部側に配置され、低圧室２１ｂは、大気側に配置されている。軸シール装置４０は、概略的には環状に形成されており、軸シール装置４０を、回転体としてのタービンロータ３が貫通している。

高圧室２１ａには、ＳＳＨ（スチームシールヘッダ）配管２２が連結されており、ＳＳＨ配管２２内の圧力は、高圧室２１ａの圧力が大気より僅かに高い圧力となるように調整されている。このことにより、高圧室２１ａは、低圧室２１ｂより圧力が高くなっている。ＳＳＨ配管２２は、図示しないボイラに連結されており、このボイラから高圧室２１ａに作動流体が供給されるようになっている。

低圧室２１ｂには、ＳＰＥ（スチームパッキンエグゾースト）配管２３が連結されており、ＳＰＥ配管２３内の圧力は、低圧室２１ｂの圧力が常に大気より低い圧力（負圧）になるように調整されている。ＳＰＥ配管２３は、図示しない復水器またはグランドコンデンサに連結されており、ＳＰＥ配管２３に吸い込まれた蒸気は、復水器において凝縮されて水になる。また、ＳＰＥ配管２３に吸い込まれた空気は、真空ポンプやエグゼクターなどによってグランドシール系統の外部に排出される。

このように、本実施の形態による軸シール装置４０は、タービン１のノズル構造体７や、グランドシール部２０等に用いることができ、いずれの場合においても、軸シール装置４０が隔てる高圧室から低圧室に作動流体が漏洩することを抑制する。

次に、図４を用いて、本実施の形態による軸シール装置４０について説明する。ここで、軸シール装置４０は、ターボ機械としてのタービン１の圧力容器（ケーシング）２に回転可能な回転体３０が貫通し、回転体３０の回転軸線Ｘに沿う方向（軸方向）に並んで配置される高圧室３１ａと低圧室３１ｂとを隔てるためのものである。

図４に示すように、軸シール装置４０は、圧力容器２に固定されると共に高圧室３１ａと低圧室３１ｂとの間に介在されたパッキンリングホルダ（シールホルダ）５０と、パッキンリングホルダ５０に保持されると共にパッキンリングホルダ５０に対して半径方向および回転軸線Ｘに沿う方向に移動可能なパッキンリングセグメント（シールセグメント）６０と、パッキンリングセグメント６０の内周面に設けられたシールフィン７０と、を備えている。このうちパッキンリングホルダ５０は、例えば、ターボ機械の圧力容器２としての内部ケーシング２ａに、ダイアフラム内輪１１（圧力隔壁と言うこともできる）若しくはダイアフラム外輪１０を介して固定されている。あるいは、パッキンリングホルダ５０は、圧力容器２としての外部ケーシング２ｂに直接的に固定されている。なお、パッキンリングホルダ５０は環状に形成されている。パッキンリングセグメント６０は、回転体３０の周囲に複数設けられており、周方向に配列されている。このように周方向に配列された複数のパッキンリングセグメント６０が、パッキンリングホルダ５０に保持されて、図５に示すパッキンリング１１０と同様なパッキンリング６０ａが構成されている。このようにして軸シール装置４０は、図５に示す軸シール装置１２０と同様に環状に形成されている。以下に、軸シール装置４０の各部について、より詳細に説明する。

まず、パッキンリングホルダ５０について説明する。

パッキンリングホルダ５０は、ホルダ本体５１と、ホルダ本体５１の内周側に設けられ、後述するパッキンリングセグメント６０のフック形状部（被保持部）６１を保持するホルダ保持部５２ａ、５２ｂと、を有している。ホルダ保持部５２ａ、５２ｂのうち一方のホルダ保持部５２ａは、高圧室３１ａの側に設けられ、他方のホルダ保持部５２ｂは、低圧室３１ｂの側に設けられている。

各ホルダ保持部５２ａ、５２ｂは、図４の断面において回転体３０の回転軸線Ｘに沿う方向に延びており、互いに離間してホルダ本体５１に固定されている。ホルダ本体５１と一対のホルダ保持部５２ａ、５２ｂは、図４の断面で見たときに全体として概略的にＣ字状に形成されており、ホルダ本体５１と一対のホルダ保持部５２ａ、５２ｂとによって、ホルダ室５３が画定されている。このようにして、ホルダ保持部５２ａ、５２ｂは、パッキンリングセグメント６０のフック形状部６１（後述）とパッキンリングセグメント６０のフィン取付部６２（後述）との間に介在されて、フック形状部６１を保持するように構成されている。

一対のホルダ保持部５２ａ、５２ｂの間には、ホルダ室５３より内周側に設けられたホルダ開口部５４が画定されている。ホルダ開口部５４はホルダ室５３に連通し、ホルダ室５３は、ホルダ開口部５４を介して回転体３０の側（内周側）に開口している。ホルダ室５３の回転軸線Ｘに沿う方向の寸法は、ホルダ開口部５４の回転軸線Ｘに沿う方向の寸法より大きくなっており、後述するフック形状部６１が収容されて、ホルダ保持部５２ａ、５２ｂがフック形状部６１を保持するようになっている。

高圧側のホルダ保持部５２ａのホルダ開口部５４の側の面は、半径方向に延びる反スチームジョイント面５５を構成している。すなわち、反スチームジョイント面５５はホルダ開口部５４の一部を画定している。

低圧側のホルダ保持部５２ｂのホルダ開口部５４の側の面は、半径方向に延びるスチームジョイント面５６（被当接面）を構成している。すなわち、スチームジョイント面５６はホルダ開口部５４の一部を画定している。高圧室３１ａの作動流体の圧力と低圧室３１ｂの作動流体の圧力との差圧または弾性体８０（後述）の付勢力によって、スチームジョイント面５６に、パッキンリングセグメント６０の当接部６３（後述）が当接可能になっている。

このようなパッキンリングホルダ５０は、図２に示すノズル構造体７に用いられる場合には、ダイアフラム内輪１１の内周側端部に固定され、あるいは、パッキンリングホルダ５０は、ダイアフラム外輪１０に固定される。また、図１に示すグランドシール部２０に用いられる場合には、パッキンリングホルダ５０は外部ケーシング２ｂに固定される。

次に、パッキンリングセグメント６０について説明する。

パッキンリングセグメント６０は、図４に示すように、パッキンリングホルダ５０のホルダ室５３内に収容されてパッキンリングホルダ５０のホルダ保持部５２ａ、５２ｂに保持されるフック形状部６１（被保持部）と、パッキンリングホルダ５０のホルダ保持部５２ａ、５２ｂより内周側に設けられたフィン取付部６２と、フック形状部６１とフィン取付部６２とを連結する当接部６３と、を有している。すなわち、フック形状部６１は、当接部６３より外周側に設けられており、フィン取付部６２は、当接部６３より内周側に設けられている。フック形状部６１およびフィン取付部６２は回転軸線Ｘに沿う方向に延び、当接部６３は半径方向に延びており、パッキンリングセグメント６０は、図４の断面で見たときに全体として概略的にＨ字状に形成されている。

パッキンリングセグメント６０のフィン取付部６２の内周面には、上述したシールフィン７０が設けられている。なお、シールフィン７０は、図６に示すような、薄板の先端を細く尖らせた形状を有していてもよいが、これに限られることはない。

フック形状部６１の半径方向厚さは、ホルダ室５３の半径方向高さより小さくなっており、フック形状部６１とフィン取付部６２との間の半径方向距離は、ホルダ保持部５２の半径方向厚さより大きくなっている。このことにより、パッキンリングセグメント６０は、パッキンリングホルダ５０に対して半径方向に移動可能になっている。

フック形状部６１の回転軸線Ｘに沿う方向の寸法は、ホルダ室５３の回転軸線Ｘに沿う方向の寸法より小さくなっており、当接部６３の回転軸線Ｘに沿う方向の厚さは、ホルダ開口部５４の回転軸線Ｘに沿う方向の寸法より小さくなっている。このことにより、パッキンリングセグメント６０は、パッキンリングホルダ５０に対して回転軸線Ｘに沿う方向に移動可能になっている。

当接部６３は、パッキンリングホルダ５０のホルダ開口部５４を貫通している。また、当接部６３は、弾性体８０（後述）の付勢力によってパッキンリングホルダ５０のスチームジョイント面５６に当接可能となっている。

当接部６３の高圧室３１ａの側には、収容凹部６４が設けられている。この収容凹部６４には、弾性体８０が収容されている。

弾性体８０は、静止側のパッキンリングホルダ５０に対してパッキンリングセグメント６０の当接部６３を低圧室３１ｂの側に付勢し、押圧している。そして、弾性体８０は、パッキンリングセグメント６０の当接部６３をパッキンリングホルダ５０のスチームジョイント面５６に当接させている。ここでは、弾性体８０は、コイルばねとなっている例が示されている。また、本実施の形態においては、弾性体８０の両端は、パッキンリングホルダ５０のホルダ保持部５２ａおよびパッキンリングセグメント６０の当接部６３のいずれにも固定されていない。このことにより、パッキンリングセグメント６０の半径方向の移動が阻害されることを防止している。また、弾性体８０は、単一のパッキンリングセグメント６０に対して周方向に複数設けられていてもよい。この場合、パッキンリングセグメント６０に作用する付勢力を周方向に均等化させることができる。

本実施の形態においては、図４に示すように、パッキンリングセグメント６０は、第２の弾性体８１によって内周側に付勢されていてもよい。ここでは、第２の弾性体８１は板ばねとなっている例が示されている。板ばねを用いることにより、組立作業が繁雑になることを抑制し、作業性を向上させている。第２の弾性体８１は、ホルダ室５３内に設けられて、ホルダ本体５１とフック形状部６１との間に介在されている。このことにより、第２の弾性体８１は、パッキンリングセグメント６０を内周側に押圧している。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

タービン１の起動時（過渡運転状態）においては、弾性体８０の付勢力によってパッキンリングセグメント６０が低圧室３１ｂの側に移動しており、パッキンリングセグメント６０の当接部６３がパッキンリングホルダ５０のスチームジョイント面５６に当接している。このため、ホルダ室５３と低圧室３１ｂとの連通が抑制され得る。また、弾性体８０の付勢力によって、パッキンリングセグメント６０は、スチームジョイント面５６を押圧しており、スチームジョイント面５６から反力を受けている。このことにより、パッキンリングセグメント６０は、半径方向に移動しようとする際にスチームジョイント面５６から摩擦力を受けることができ、パッキンリングセグメント６０の半径方向の移動が抑制され得る。とりわけ、起動時では、ケーシング２の熱変形に起因する回転体３０とパッキンリングセグメント６０との接触、または回転体３０の回転速度変化過程における危険速度通過時等に、回転体３０が振れまわり、パッキンリングセグメント６０に接触する場合がある。しかしながら、本実施の形態によれば、このような場合であっても、パッキンリングセグメント６０は、スチームジョイント面５６から摩擦力を受けることができるため、半径方向に移動して振動することを抑制できる。

タービン１を起動して時間が経過し、定格運転状態になると、高圧室３１ａの圧力と低圧室３１ｂの圧力とが共に高まり、これらの圧力の差圧も高まる。この差圧により、パッキンリングセグメント６０のフィン取付部６２に、低圧室３１ｂの側への押圧力が作用する。このことにより、パッキンリングセグメント６０には、差圧による押圧力と弾性体８０の付勢力との合力が作用して、当接部６３がスチームジョイント面５６に当接する。このため、パッキンリングセグメント６０がスチームジョイント面５６から受ける反力を増大させることができ、パッキンリングセグメント６０が半径方向に移動しようとする際にスチームジョイント面５６から受ける摩擦力を増大させることができる。また、パッキンリングセグメント６０の当接部６３が、スチームジョイント面５６に当接しているため、ホルダ室５３を経由しての高圧室３１ａから低圧室３１ｂへの作動流体の漏洩が抑制され得る。とりわけ、差圧による押圧力だけではなく弾性体８０の付勢力をも受けて当接部６３がスチームジョイント面５６に当接しているため、作動流体の漏洩をより一層抑制することができる。

タービン１の定格運転が終了して停止する際（過渡運転状態）においては、高圧室３１ａの側の圧力と低圧室３１ｂの側の圧力とが共に小さくなり、これらの圧力間の差圧が小さくなる。この場合においても、起動時と同様に、当接部６３に弾性体８０の付勢力が作用しているため、パッキンリングセグメント６０が低圧室３１ｂの側に押圧されて、当接部６３がスチームジョイント面５６に当接する。このため、ホルダ室５３と低圧室３１ｂとの連通が抑制され得るとともに、パッキンリングセグメント６０の半径方向の移動が抑制され得る。さらに、起動時と同様に停止時においても、ケーシング２の熱変形に起因する回転体３０とパッキンリングセグメント６０との接触、または回転体３０の回転速度変化過程における危険速度通過時等に、回転体３０が振れまわり、パッキンリングセグメント６０に接触する場合があるが、パッキンリングセグメント６０が、半径方向に移動して振動することを抑制できる。

ところで、過渡運転状態において、パッキンリングセグメント６０が回転体３０との接触時に回転体３０から受ける衝突反力が大きい場合には、パッキンリングセグメント６０が外周側に大きく移動する場合がある。外周側に移動したパッキンリングセグメント６０は、その反動で内周側に移動する。しかしながら、この場合、パッキンリングセグメント６０は低圧室３１ｂの側に押圧されて、当接部６３がスチームジョイント面５６に当接しているため、パッキンリングセグメント６０は、スチームジョイント面５６から、弾性体８０の付勢力に起因した摩擦力を受けることができる。このため、パッキンリングセグメント６０の振動を減衰させることができる。なお、定格運転状態において、上述したように、パッキンリングセグメント６０は、スチームジョイント面５６から、差圧による押圧力と弾性体８０の付勢力とに起因した摩擦力を受けることができる。このため、接触により回転体３０からパッキンリングセグメント６０が受ける衝突反力が大きい場合には、パッキンリングセグメント６０の振動を効果的に減衰させることができる。

このように本実施の形態によれば、弾性体８０の付勢力によってパッキンリングセグメント６０がスチームジョイント面５６を押圧し、スチームジョイント面５６に当接部６３が当接する。このことにより、パッキンリングセグメント６０は、半径方向に移動しようとする際にスチームジョイント面５６から摩擦力を受けることができる。このため、パッキンリングセグメント６０が半径方向に移動して振動することを抑制できる。この結果、パッキンリングセグメント６０の内周面に設けられたシールフィン７０と回転体３０とが接触することを抑制でき、シールフィン７０の先端が塑性変形してシールセグメント６０と回転体３０との間隙が拡大することを抑制できる。この場合、シールセグメント６０と回転体３０との間の間隙を通って作動流体が漏洩することを抑制でき、タービン効率を向上させることが可能となる。

また、本実施の形態によれば、弾性体８０は、単一のパッキンリングセグメント６０に対して周方向に複数設けられていている。このことにより、パッキンリングセグメント６０に作用する弾性体８０の付勢力を周方向に均等化させることができる。このため、パッキンリングセグメント６０は、周方向に均等化された摩擦力を受けることができ、パッキンリングセグメント６０の半径方向の振動を効率良く抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、パッキンリングセグメント６０が第２の弾性体８１によって内周側に付勢されている。このことにより、パッキンリングセグメント６０に半径方向の振動が生じた場合においても、パッキンリングセグメント６０を内周側に押圧することができ、パッキンリングセグメント６０の半径方向の振動をより一層抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、パッキンリングセグメント６０のうち、弾性体８０によって低圧室３１ｂの側に付勢される部分が当接部６３となっている。このことにより、スチームジョイント面５６と同等の半径方向位置で、パッキンリングセグメント６０に付勢力を作用させることができる。このため、パッキンリングセグメント６０は、半径方向に移動しようとする際に、スチームジョイント面５６から摩擦力を効率良く受けることができる。この結果、パッキンリングセグメント６０の半径方向の振動を効率良く抑制することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、弾性体８０を収容する収容凹部６４が、パッキンリングセグメント６０の当接部６３に設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、収容凹部６４は、パッキンリングセグメント６０のフック形状部（被保持部）６１に設けられていてもよい。この場合においても、弾性体８０は、パッキンリングセグメント６０を低圧室３１ｂの側に付勢して押圧することができる。

また、上述した本実施の形態においては、弾性体８０を収容する収容凹部６４が、当接部６３に設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、収容凹部６４は、反スチームジョイント面５５に設けられていてもよい。この場合においても、弾性体８０は、パッキンリングセグメント６０を低圧室３１ｂの側に付勢して押圧することができる。

以上述べた実施の形態によれば、パッキンリングセグメントの振動を抑制して、静止部と回転部との間隙が拡大することを抑制できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、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は意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ タービン
２ ケーシング（圧力容器）
３ タービンロータ
７ ノズル構造体
３０ 回転体
３１ａ 高圧室
３１ｂ 低圧室
４０ 軸シール装置
５０ パッキンリングホルダ
５３ ホルダ室
５４ ホルダ開口部
５６ スチームジョイント面
６０ パッキンリングセグメント
６１ フック形状部
６３ 当接部
７０ シールフィン
８０ 弾性体
８１ 第２の弾性体

Claims (6)

1. ターボ機械の圧力容器に回転可能な回転体が貫通し、前記回転体の軸方向に並んで配置される高圧室と低圧室とを隔てる軸シール装置であって、
   前記圧力容器に固定されると共に前記高圧室と前記低圧室との間に介在されるシールホルダであって、半径方向に延びる被当接面を有するシールホルダと、
   前記シールホルダに対して半径方向に移動可能なシールセグメントであって、前記シールホルダの前記被当接面に当接可能な当接部を有するシールセグメントと、
   前記シールセグメントの内周面に設けられたシールフィンと、
   前記シールセグメントを前記低圧室の側に付勢し、前記シールセグメントの前記当接部を前記シールホルダの前記被当接面に当接させる弾性体と、を備えたことを特徴とする軸シール装置。
2. 前記弾性体は、周方向に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
3. 前記シールセグメントを内周側に付勢する第２の弾性体を更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の軸シール装置。
4. 前記弾性体は、前記シールセグメントの前記当接部を前記低圧室の側に付勢することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の軸シール装置。
5. 前記シールホルダは、前記被当接面によって画定されたホルダ開口部を介して前記回転体の側に開口するホルダ室を有し、
   前記シールセグメントは、前記当接部より外周側に設けられた、前記ホルダ室内に収容されて前記シールホルダに保持される被保持部を有し、
   前記弾性体は、前記シールセグメントの前記被保持部を前記低圧室の側に付勢することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸シール装置。
6. 圧力容器と、
   前記圧力容器に回転可能に設けられた回転体と、
   前記圧力容器に支持されたノズル構造体と、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の前記軸シール装置と、を備えたことを特徴とするターボ機械。

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