JP2017057841A - 軸シール装置およびターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シールセグメントと回転体との間隙を運転状態に応じてスムースに変化させ、信頼性を向上させることが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１は、シールホルダ５０と、シールホルダ５０に対して半径方向および軸方向に移動可能なシールセグメント６０と、を備えている。シールセグメント６０は、シールホルダ５０高圧側壁面５５に当接可能な当接部６３を有している。シールセグメント６０は、弾性体８０によって高圧室３１ａの側に付勢されている。高圧側壁面５５は、外周側に向かうにつれて高圧室３１ａの側に傾斜するホルダ傾斜面５５ｉを含み、当接部６３は、ホルダ傾斜面５５ｉに摺動可能になっている。【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。

蒸気タービン、ガスタービン、コンプレッサなどの軸流型ターボ機械が知られている。このうち蒸気タービン、ガスタービン等のタービンについては、近年、環境負荷の低減等の要請により、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。それらの中での効果的な対策は、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（ラジアル間隙）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タービンの軸シール装置１２０を図７および図８に示す。図７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。各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８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を受けて、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１１３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。

上述したように、この軸シール装置１２０では、弾性体１１２により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ため、パッキンリングセグメント１１１とタービンロータ１１５との間隙を常に狭く保つことができる。しかしながら、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。このため、過渡運転状態では間隙が広く、定格運転状態に至ると間隙が狭まる軸シール装置が望まれる。

このような軸シール装置１３０の一例を図９に示す。ここでは、弾性体１３１をパッキンリングセグメント１３２の周方向の端部に設置してパッキンリングセグメント１３２に周方向の付勢力を与えている。このことにより、タービン停止時にはパッキンリングセグメント１３２を外周側に押し付けることができ、パッキンリングセグメント１３２とタービンロータ１３４との間隙１３５を広くすることができる。一方、タービンの負荷が上昇すると、パッキンリングセグメント１３２の外周側に作動流体が流入する。このことにより、パッキンリングセグメント１３２が作動流体の圧力によって内周側に押し付けられ、パッキンリングセグメント１３２とタービンロータ１３４との間隙１３５を狭くすることができる。このようにして、過渡運転状態では、間隙１３５を広く保つことができ、定格運転状態では、間隙１３５を狭く保つことができる。

米国特許第５８１０３６５号明細書

しかしながら、図９に示すような軸シール装置は、過渡運転状態から定格運転状態への移行時、および定格運転状態から過渡運転状態への移行時のいずれにおいても、パッキンリングセグメントは、スチームジョイント面との摩擦力に抗して半径方向に移動する。このため、スチームジョイント面の状態によっては、パッキンリングセグメントが受ける摩擦力が増大し、パッキンリングセグメントの半径方向移動が阻害される可能性がある。なお、パッキンリングセグメントを半径方向にスムースに移動させるためには、設計時に、経年変化の影響を考慮して摩擦係数を推定し、摩擦力を算出することが要求されるが、実際に経年変化の影響を受けた摩擦係数を推定することは困難である。

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と回転体との間隙を運転状態に応じてスムースに変化させ、信頼性を向上させることが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、ホルダ開口部を介して回転体の側に開口するホルダ室と、高圧室の側からホルダ開口部を画定する高圧側壁面と、を有するシールホルダと、シールホルダに対して半径方向および軸方向に移動可能なシールセグメントと、を備えている。シールセグメントは、ホルダ室内に収容されてシールホルダに保持される被保持部と、シールホルダより内周側に設けられたフィン取付部と、シールホルダのホルダ開口部を貫通して被保持部とフィン取付部とを連結し、シールホルダの高圧側壁面に当接可能な当接部と、を有している。シールセグメントのフィン取付部の内周面にシールフィンが設けられ、シールセグメントは、弾性体によって高圧室の側に付勢されている。高圧側壁面は、外周側に向かうにつれて高圧室の側に傾斜するホルダ傾斜面を含み、シールセグメントの当接部は、ホルダ傾斜面に摺動可能になっている。

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、を備えている。回転体は、タービンロータと、タービンロータに支持され、ノズル構造体の下流側に配置された動翼構造体と、を有している。ノズル構造体は、圧力容器に支持されたダイアフラム外輪と、ダイアフラム外輪より内周側に設けられたダイアフラム内輪と、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に設けられたノズルと、を含んでいる。ダイアフラム内輪の内周側端部に、本発明による軸シール装置が、タービンロータに対向するように設けられている。

また、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、を備えている。回転体は、タービンロータと、タービンロータに支持され、ノズル構造体の下流側に配置された動翼構造体と、を有している。ノズル構造体は、圧力容器に支持されたダイアフラム外輪と、ダイアフラム外輪より内周側に設けられたダイアフラム内輪と、ダイアフラム外輪とダイアフラム内輪との間に設けられたノズルと、を含んでいる。ダイアフラム外輪に、本発明による軸シール装置が、動翼構造体の外周側端部に対向するように設けられている。

さらに、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、を備えている。回転体は、タービンロータと、タービンロータに支持され、ノズル構造体の下流側に配置された動翼構造体と、を有している。圧力容器のうちタービンロータが貫通する部分に、本発明による軸シール装置が、タービンロータに対向するように設けられている。

本発明によれば、パッキンリングセグメントと回転体との間隙を運転状態に応じてスムースに変化させ、信頼性を向上させることができる。

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構造体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５Ａは、過渡運転状態における図４の軸シール装置を示す断面図である。 図５Ｂは、過渡運転状態から定格運転状態への移行時における図４の軸シール装置を示す断面図である。 図５Ｃは、定格運転状態における図４の軸シール装置を示す断面図である。 図６Ａは、過渡運転状態における図４の軸シール装置が作動流体から受ける圧力の分布を示す図である。 図６Ｂは、過渡運転状態から定格運転状態への移行時における図４の軸シール装置が作動流体から受ける圧力の分布を示す図である。 図６Ｃは、定格運転状態における図４の軸シール装置が作動流体から受ける圧力の分布を示す図である。 図７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８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。 図９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。

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７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７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、反スチームジョイント面５５（高圧側壁面）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。反スチームジョイント面５５は、外周側に向かうにつれて高圧室３１ａの側に傾斜しているホルダ傾斜面５５ｉと、ホルダ傾斜面５５ｉより内周側に設けられた、ホルダ垂直面５５ａと、を含んでいる。このうちホルダ傾斜面５５ｉは、詳細は後述するが、図４に示すように、回転体３０の回転軸線Ｘに沿う方向に垂直な方向（半径方向）に対して所定の角度θで傾斜している。そして、ホルダ傾斜面５５ｉに、後述する弾性体８０の付勢力によって、パッキンリングセグメント６０の当接部６３（後述）が摺動可能になっている。一方、ホルダ垂直面５５ａは、回転体３０の回転軸線Ｘに沿う方向に垂直に延びており、弾性体８０の付勢力によって、ホルダ垂直面５５ａに、パッキンリングセグメント６０の後述する当接部６３が当接可能になっている。

低圧側のホルダ保持部５２ｂのホルダ開口部５４の側の面は、スチームジョイント面５６（低圧側壁面）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の低圧側当接面６３ｂ（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。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。

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。このため、図４に示す過渡運転状態においては、パッキンリングセグメント６０は、後述する弾性体８０によって高圧室３１ａの側に付勢されて、後述する高圧側垂直面６３ａとセグメント傾斜面６３ｉとが、ホルダ垂直面５５ａとホルダ傾斜面５５ｉとにそれぞれ当接する。一方、定格運転状態においては、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によって、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、後述する低圧側当接面６３ｂがスチームジョイント面５６に当接する。このことにより、低圧側当接面６３ｂとスチームジョイント面５６との間を作動流体が通過することを抑制し、ホルダ室５３を経由して高圧室３１ａから低圧室３１ｂに作動流体が漏洩することを抑制している。

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、パッキンリングホルダ５０の反スチームジョイント面５５に摺動可能になっている。すなわち、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の反スチームジョイント面５５に当接可能な高圧側当接面６３ａ、６３ｉと、高圧室３１ａと低圧室３１ｂとの差圧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に当接可能な低圧側当接面６３ｂと、を含んでいる。

高圧側当接面６３ａ、６３ｉは、反スチームジョイント面５５のホルダ垂直面５５ａに当接する高圧側垂直面６３ａと、ホルダ傾斜面５５ｉに摺動可能なセグメント傾斜面６３ｉと、を含んでいる。すなわち、本実施の形態においては、セグメント傾斜面６３ｉは、ホルダ傾斜面５５ｉと同等の角度で高圧室３１ａの側に傾斜している。高圧側垂直面６３ａは、セグメント傾斜面６３ｉより内周側に設けられており、回転体３０の回転軸線Ｘに沿う方向に垂直に延びている。セグメント傾斜面６３ｉとホルダ傾斜面５５ｉとの間の静止摩擦係数をμとし、回転体３０の回転軸線Ｘに沿う方向に垂直な方向に対するホルダ傾斜面５５ｉおよびセグメント傾斜面６３ｉの角度をθとすると、μ＜ｔａｎθを満たしていることが好適である。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の付勢力のうちセグメント傾斜面６３ｉに沿う方向の成分を、セグメント傾斜面６３ｉとホルダ傾斜面５５ｉとの間の静止摩擦力よりも大きくすることができる。このため、弾性体８０の付勢力により、セグメント傾斜面６３ｉがホルダ傾斜面５５ｉ上をスムースに摺動することができる。例えばθは１７°以上であることが好適である。このことにより、例えば、パッキンリングホルダ５０とパッキンリングセグメント６０との静止摩擦係数が０．３であっても、セグメント傾斜面６３ｉがホルダ傾斜面５５ｉに対してスムースに摺動することができる。

低圧側当接面６３ｂ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を高圧室３１ａの側に付勢し、押圧している。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５２ｂ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、図５Ａに示すように、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が高圧室３１ａの側かつ外周側に移動しており、セグメント傾斜面６３ｉがホルダ傾斜面５５ｉに当接すると共に、高圧側垂直面６３ａがホルダ垂直面５５ａに当接している。このことにより、回転体３０とパッキンリングセグメント６０（より詳細にはシールフィン７０）との間隙が広くなっている。このため、回転体３０とシールフィン７０とが接触することを抑制でき、回転体３０の損傷、シールフィン７０の損傷、回転体３０の軸振動の増大、および摩擦熱による回転体３０の変形を抑制することができる。

起動時では、低圧側当接面６３ｂがスチームジョイント面５６から離間し、低圧室３１ｂとホルダ室５３が連通する。このことにより、図６Ａに示すように、ホルダ室５３内の作動流体の圧力は、低圧室３１ｂの作動流体の圧力に等しくなっている。また、起動時では、高圧室３１ａの圧力と低圧室３１ｂの圧力は低くなっている。このことにより、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は小さく、パッキンリングセグメント６０に作用し得る低圧室３１ｂの側への押圧力は小さくなっている。

タービン１を起動して時間が経過すると、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。このことにより、パッキンリングセグメント６０のフィン取付部６２に作用する低圧室３１ｂの側への押圧力が、弾性体８０の付勢力よりも大きくなり、図５Ｂに示すように、パッキンリングセグメント６０が低圧室３１ｂの側に移動する。このとき、セグメント傾斜面６３ｉがホルダ傾斜面５５ｉから離間すると共に、高圧側垂直面６３ａがホルダ垂直面５５ａから離間する。このため、互いに離間した高圧側垂直面６３ａとホルダ垂直面５５ａとの隙間、およびセグメント傾斜面６３ｉとホルダ傾斜面５５ｉとの隙間を介して、高圧室３１ａとホルダ室５３が連通する。一方、パッキンリングセグメント６０の低圧側当接面６３ｂ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、ホルダ室５３と低圧室３１ｂとの連通が阻止される。このことにより、図６Ｂに示すように、ホルダ室５３内の作動流体の圧力は、高圧室３１ａの作動流体の圧力に等しくなり、作動流体の差圧によりパッキンリングセグメント６０は内周側に押圧される。

定格運転状態になると、高圧室３１ａの圧力と低圧室３１ｂの圧力との差圧が更に高まる。このことにより、パッキンリングセグメント６０の内周側への押圧力が高まり、パッキンリングセグメント６０が内周側に移動する。そして、パッキンリングセグメント６０のフック形状部６１が、パッキンリングホルダ５０のホルダ保持部５２ａ、５２ｂに当接する（図５Ｃおよび図６Ｃ参照）。このことにより、回転体３０とパッキンリングセグメント６０との間隙を狭くすることができる。この場合、回転体３０とパッキンリングセグメント６０との間隙の流体抵抗によって、当該間隙を通過して高圧室３１ａから低圧室３１ｂへ作動流体が漏洩することを抑制することができる。

タービン１の定格運転が終了すると、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。このことにより、差圧によりパッキンリングセグメント６０に作用する低圧室３１ｂの側への押圧力よりも、弾性体８０の付勢力によりパッキンリングセグメント６０に作用する高圧室３１ａの側への押圧力が大きくなる。このため、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が高圧室３１ａの側に移動する。この場合、まず、セグメント傾斜面６３ｉがホルダ傾斜面５５ｉに当接する。続いて、セグメント傾斜面６３ｉがホルダ傾斜面５５ｉに摺動しながら、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が外周側かつ高圧室３１ａの側に移動する。

ところで、本実施の形態においては、セグメント傾斜面６３ｉとホルダ傾斜面５５ｉとの間の静止摩擦係数をμとし、回転体３０の回転軸線Ｘに沿う方向に垂直な方向に対するホルダ傾斜面５５ｉおよびセグメント傾斜面６３ｉの角度をθとしたときに、μ＜ｔａｎθを満たしている。ここで、弾性体８０の付勢力をＦとすると、セグメント傾斜面６３ｉとホルダ傾斜面５５ｉとの間の静止摩擦力は、Ｆμｃｏｓθとなり、弾性体８０の付勢力のうちセグメント傾斜面６３ｉに沿う方向の成分は、Ｆｓｉｎθとなる。上述したμ＜ｔａｎθの関係から、Ｆμｃｏｓθ＜Ｆｓｉｎθが導き出される。このことにより、弾性体８０の付勢力のうちホルダ傾斜面５５ｉに沿う方向の成分を、セグメント傾斜面６３ｉとホルダ傾斜面５５ｉとの間の静止摩擦力よりも大きくすることができる。このため、セグメント傾斜面６３ｉがホルダ傾斜面５５ｉ上をスムースに摺動することができる。

その後、更にパッキンリングセグメント６０が高圧室３１ａの側に移動すると、図５Ａに示すように、高圧側垂直面６３ａがホルダ垂直面５５ａに当接する。このことにより、パッキンリングセグメント６０の移動が停止する。このため、パッキンリングセグメント６０は定格運転状態よりも回転体３０から離れた外周側の位置に達し、回転体３０とパッキンリングセグメント６０との間隙を広くすることができる。

このようにして、過渡運転状態では、回転体３０とパッキンリングセグメント６０との間隙を広く保つことができるとともに、定格運転状態では、回転体３０とパッキンリングセグメント６０との間隙を狭く保つことができる。このため、運転状態によって、回転体３０とパッキンリングセグメント６０の間の間隔を調整することができ、回転体３０とパッキンリングセグメント６０とが接触する可能性を低減できる。この結果、ターボ機械の効率を向上させることができる。

このように本実施の形態によれば、過渡運転状態において、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が高圧室３１ａの側に付勢され、ホルダ傾斜面５５ｉに、当接部６３のセグメント傾斜面６３ｉが摺動する。このことにより、パッキンリングセグメント６０を外周側に移動させることができる。この際、当接部６３を、低圧室３１ｂの側のホルダ保持部５２ｂから離間させることができ、パッキンリングセグメント６０をスムースに外周側に移動させることができる。このため、軸シール装置４０の信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、定格運転状態では、高圧室３１ａに連通したホルダ室５３内の作動流体の圧力が高まることにより、パッキンリングセグメント６０は内周側に押圧されて移動する。この際、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により、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、この押圧力により、パッキンリングセグメント６０が内周側に移動する際に摩擦力が生じ得る。一方、パッキンリングセグメント６０には、弾性体８０により高圧室３１ａの側に押圧されている。このため、パッキンリングセグメント６０に作用し得る摩擦力を低減することができ、パッキンリングセグメント６０は内周側にスムースに移動することができる。この結果、軸シール装置４０の信頼性を向上させることができる。

また、本実施の形態によれば、ホルダ傾斜面５５ｉより内周側に、当接部６３に当接可能なホルダ垂直面５５ａが設けられている。このことにより、パッキンリングセグメント６０が高圧室３１ａの側に移動した場合に、パッキンリングセグメント６０が反スチームジョイント面５５にかみ込んで固着されることを防止することができる。このため、パッキンリングセグメント６０の半径方向移動をスムースに行うことができる。

また、本実施の形態によれば、回転体３０の回転軸線Ｘに沿う方向に垂直な方向に対するホルダ傾斜面５５ｉの角度が、１７°以上となっている。このことにより、セグメント傾斜面６３ｉがホルダ傾斜面５５ｉに対してスムースに摺動することができる。

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を内周側に付勢することにより、パッキンリングセグメント６０の振動を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、パキンリングセグメント６０のうち、弾性体８０によって高圧室３１ａ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、反スチームジョイント面５５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、弾性体８０による付勢力を、パッキンリングセグメント６０の外周側への移動に効率良く利用することができる。

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の低圧側当接面６３ｂ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を高圧室３１ａの側に付勢して移動させることができる。

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、低圧側当接面６３ｂ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、スチームジョイント面５６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を高圧室３１ａの側に付勢して移動させることができる。

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と回転体との間隙を運転状態に応じてスムースに変化させ、信頼性を向上させることができる。

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
８ 動翼構造体
１０ ダイアフラム外輪
１１ ダイアフラム内輪
１２ ノズル
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
５５ 反スチームジョイント面
５５ａ ホルダ垂直面
５５ｉ ホルダ傾斜面
６０ パッキンリングセグメント
６１ フック形状部
６２ フィン取付部
６３ 当接部
６３ｉ セグメント傾斜面
７０ シールフィン
８０ 弾性体
８１ 第２の弾性体

Claims (10)

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、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と、前記高圧室の側から前記ホルダ開口部を画定する高圧側壁面と、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および軸方向に移動可能なシールセグメントであって、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と、前記シールホルダより内周側に設けられたフィン取付部と、前記シールホルダの前記ホルダ開口部を貫通して前記被保持部と前記フィン取付部とを連結し、前記シールホルダの前記高圧側壁面に当接可能な当接部と、を有するシールセグメントと、
   前記シールセグメントの前記フィン取付部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高圧室の側に付勢する弾性体と、を備え、
   前記高圧側壁面は、外周側に向かうにつれて前記高圧室の側に傾斜するホルダ傾斜面を含み、
   前記シールセグメントの前記当接部は、前記ホルダ傾斜面に摺動可能になっていることを特徴とする軸シール装置。
2. 前記シールセグメントの前記当接部は、前記ホルダ傾斜面に摺動可能なセグメント傾斜面を含んで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. 前記高圧側壁面は、前記ホルダ傾斜面より内周側に設けられた、前記回転体の軸方向に垂直に延びて前記当接部が当接可能なホルダ垂直面を含んでいる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. 前記回転体の軸方向に垂直な方向に対する前記ホルダ傾斜面の角度は、１７°以上であ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乃至４のいずれか一項に記載の軸シール装置。
6. 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高圧室の側に付勢することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の軸シール装置。
7. 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高圧室の側に付勢することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の軸シール装置。
8. 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、を備え、
   前記回転体は、タービンロータと、前記タービンロータに支持され、前記ノズル構造体の下流側に配置された動翼構造体と、を有し、
   前記ノズル構造体は、前記圧力容器に支持されたダイアフラム外輪と、前記ダイアフラム外輪より内周側に設けられたダイアフラム内輪と、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に設けられたノズルと、を含み、
   前記ダイアフラム内輪の内周側端部に、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の前記軸シール装置が、前記タービンロータに対向するように設けられていることを特徴とするターボ機械。
9. 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、を備え、
   前記回転体は、タービンロータと、前記タービンロータに支持され、前記ノズル構造体の下流側に配置された動翼構造体と、を有し、
   前記ノズル構造体は、前記圧力容器に支持されたダイアフラム外輪と、前記ダイアフラム外輪より内周側に設けられたダイアフラム内輪と、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪との間に設けられたノズルと、を含み、
   前記ダイアフラム外輪に、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の前記軸シール装置が、前記動翼構造体の外周側端部に対向するように設けられていることを特徴とするターボ機械。
10. 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、を備え、
    前記回転体は、タービンロータと、前記タービンロータに支持され、前記ノズル構造体の下流側に配置された動翼構造体と、を有し、
    前記圧力容器のうち前記タービンロータが貫通する部分に、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の前記軸シール装置が、前記タービンロータに対向するように設けられていることを特徴とするターボ機械。

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