JP2017089442A - 回転機械のシール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シールフィンの根元部とアブレイダブル層との密着性を高めてアブレイダブル層の磨耗を低減することが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のロータ２とノズルダイヤフラム内輪７との間隙に設けられたシール装置８において、ロータ側２に設けられた封数のシールフィン１１と、ノズルダイヤフラム内輪７側に設けられた複数のシールフィン１０と、シールフィン１０間のフィン設置面１２Ａ及びシールフィン１０外側のフィン設置面１２Ｂを覆うように形成されたアブレイダブル層１３と、シールフィン１０の根元部に形成され、ロータ２の軸方向に段差的に突出してアブレイダブル層１３と隣接するフィン縁部１４と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、蒸気タービン等の回転機械に係わり、特に、回転機械の回転体と静止体との間隙に設けられたシール装置に関する。

回転機械の一例として、発電プラントの蒸気タービンを説明する。この蒸気タービンは、一般的に、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。ボイラ等の蒸気発生器で発生した蒸気は、高圧タービン、中圧タービン、低圧タービンの順に流れて、それらを回転させる。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、復水器で凝縮される。復水器で凝縮された水は、蒸気発生器に供給される。

蒸気タービンのケーシングの内部に導入された蒸気は、ケーシングに固定された静翼とロータに固定された動翼を交互に通りながら、膨張する。このとき、蒸気が動翼に作用してロータを回転させ、ロータに連結された発電機を回転させる。発電効率を高めるためには、ロータ及び動翼等からなる回転体とケーシング及び静翼等からなる静止体との間隙からの蒸気の漏れを抑えることが重要である。そのため、回転体と静止体との間隙にラビリンスシール装置を設けている。

ラビリンスシール装置は、例えばスタッガード型（千鳥配列型）であって、回転体側及び静止体側に設けられた複数のシールフィンを備えている。各シールフィンの先端とこれに対向する面との間隙（シール間隙）は、小さく設定することが好ましい。しかし、シール間隙が小さすぎた場合は、回転体と静止体との熱伸び差や回転体の振動による影響で、シールフィンの先端と対向面が接触して、シールフィンが磨耗する。その結果、シール間隙が拡大して、すなわちシール性能が低下して、蒸気の漏れ量が増大する。また、シールフィンが破損すれば、そのシールフィンが設けられた部品を交換しなければならない。

そこで、回転体側及び静止体側のうちの一方側の部分であって、他方側のシールフィンの先端が対向する部分に、切削性に優れるアブレイダブル層を形成することが提唱されている（例えば特許文献１参照）。シールフィンの先端とアブレイダブル層が接触しても、アブレイダブル層のほうが切削されて、シールフィンの磨耗や破損を防止する。そのため、シール間隙をより小さく設定して、蒸気の漏れ量を抑えることが可能である。

特開２００３−６５０７６号公報

ところで、回転体と静止体との熱伸び差や回転体の振動による影響を考慮すれば、回転体の軸方向におけるアブレイダブル層の長さは大きいほうが好ましい。すなわち、回転体側及び静止体側のうちの一方側に形成されたアブレイダブル層は、同じ側に設けられたシールフィンに近接させることが好ましい。しかし、その場合、以下のような課題が生じる。

回転体側及び静止体側のうちの一方側にアブレイダブル層を形成するためにアブレイダブル材を溶射する際、同じ側のシールフィンの形状を保つために、そのシールフィンの全体若しくは先端側部分にマスキングを施す。このマスキングの影響により、シールフィンの根元部の周囲にはアブレイダブル材が溶射されないため、シールフィンの根元部とアブレイダブル層の間に溝が生じる。そして、前述した溝にアブレイダブル層の切削粉等の粒子が流入して旋回する可能性があるため、アブレイダブル層を磨耗させる要因となる。

本発明の目的は、シールフィンの根元部とアブレイダブル層との密着性を高めてアブレイダブル層の磨耗を低減することが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、回転機械の回転体と静止体との間隙に設けられたシール装置において、互いに前記回転体の軸方向に離間して配置されるように、前記回転体側及び前記静止体側に設けられた複数のシールフィンと、前記回転体側及び前記静止体側のうちの一方側に設けられた少なくともシールフィン間のフィン設置面を覆うように形成されたアブレイダブル層と、前記一方側のシールフィンの根元部に形成され、前記回転体の軸方向に段差的に突出して前記アブレイダブル層と隣接するフィン縁部と、を有する。

本発明によれば、シールフィンの根元部とアブレイダブル層との密着性を高めて、アブレイダブル層の磨耗を低減することができる。

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II部の部分拡大図であり、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断面図である。 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断面図である。

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とを備えている。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。

図示しないボイラ等の蒸気発生器で発生した蒸気Ｓｔは、ケーシング４の内部に導入される。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においては、ロータ２及び動翼３等からなる回転体とケーシング４、ダイヤフラム外輪５、静翼６、及びダイヤフラム内輪７等からなる静止体との間隙が形成されており、この間隙からの蒸気の漏れを抑えることが重要である。具体例の一つとして、ロータ２とノズルダイヤフラム内輪７との間隙が形成されており、この間隙は、蒸気が静翼６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、ロータ２とノズルダイヤフラム内輪７との間隙にラビリンスシール装置８を設けている。図２は、図１中II部の部分拡大図であり、本実施形態のシール装置８の構造を表す。

シール装置８は、ノズルダイヤフラム内輪７に設けられたシール基板９と、シール基板９（言い換えれば、静止体側）に設けられた複数（本実施形態では２つ）のシールフィン１０と、ロータ２（言い換えれば、回転体側）に設けられた複数（本実施形態では３つ）のシールフィン１１とを有している。複数のシールフィン１０及び複数のシールフィン１１は、互いにロータ２の回転方向（図２中左右方向）に離間されて配置されている。なお、本実施形態では、ロータ２の軸方向に沿って、シールフィン１０とシールフィン１１が１つずつ交互に配置されている（いわゆるスタッガード型）。

また、シール装置８は、シールフィン１０間のフィン設置面１２Ａ及びシールフィン１０外側のフィン設置面１２Ｂ（詳細には、溝の底面）をそれぞれ覆うように形成されたアブレイダブル層１３を有している。アブレイダブル層１３は、シールフィン１１を構成する基材より切削性に優れたアブレイダブル材で構成されている。これにより、シールフィン１１の先端とアブレイダブル層１３が接触しても、アブレイダブル層１３のほうが快削されるので、シールフィン１１の摩耗や破損を防止できる。そのため、シールフィン１１の先端とアブレイダブル層１３との間隙（シール間隙）をより小さく設定して、蒸気の漏れ量を抑えることができる。

また、シール装置８は、各シールフィン１０の根元部に形成され、ロータ２の軸方向に段差的に突出してアブレイダブル層１３と隣接するフィン縁部１４を有している。フィン縁部１４は、シール基板９及びシールフィン１０と共に同じ基材で構成され、一体成型されている。

なお、ロータ２の軸方向におけるフィン縁部１４の吐出長さＬ１は、ロータ２の半径方向（図２中上下方向）におけるシールフィン１０の長さＬ０より、小さくしている（好ましくは、フィン縁部１４の吐出長さＬ１は、シールフィン１０の長さＬ０の半分以下）。また、ロータ２の半径方向におけるフィン設置面１２Ａ又は１２Ｂを基準としたフィン縁部１４の高さＨ１は、ロータ２の半径方向におけるアブレイダブル層１３の厚さＨ２と同等である。

以上のように構成された本実施形態においては、アブレイダブル層１３を形成するためにアブレイダブル材を溶射する際、シールフィン１０にマスキングを施しても、その影響を受けることなく、フィン縁部１４の周囲にアブレイダブル材を溶射することができる。これにより、フィン縁部１４（すなわち、シールフィンの根元部）とアブレイダブル層１３の間に溝が生じず、それらの密着性を高めて、アブレイダブル層１３の磨耗を低減することができる。

また、フィン縁部１４を形成しない場合（言い換えれば、シールフィン１０に近接するようにアブレイダブル層を形成する場合）と比べ、シールフィン１０の支持強度を高めることができる。

なお、第１の実施形態においては、ロータ２の軸方向に沿って、シールフィン１０とシールフィン１１が１つずつ交互に配置された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。具体的には、例えば図３で示す第１の変形例のように、ロータ２の軸方向に沿って、シールフィン１０が２つずつ（若しくは、図示しないが、３つ以上ずつ）、シールフィン１１が１つずつ、交互に配置されてもよい。すなわち、隣接する２つのシールフィン１１の間に、シールフィン１０が複数配置されてもよい。これにより、シールフィン１０の先端とこれに対向するロータ２との間隔を、シールフィン１１の先端とこれに対向するアブレイダブル層１３との間隔ほど小さくできなくとも、シール性能を高めることができる。

また、第１の変形例では、複数のシールフィン１０間のうち、シールフィン１１が対向するシールフィン１０間のみ、アブレイダブル層１３を形成している。そして、各シールフィン１０に対してアブレイダブル層１３が片側（図３中左側又は右側）しか形成されていないため、シールフィン１０の支持強度を高めることができる。

また、第１の実施形態及び第１の変形例においては、シールフィン１０間のフィン設置面１２Ａとシールフィン１０外側のフィン設置面１２Ｂにシールフィン１１が対向し、フィン設置面１２Ａ，１２Ｂにアブレイダブル層１３を形成した場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。具体的には、シールフィン１０間のフィン設置面１２Ａだけにシールフィン１１が対向し、フィン設置面１２Ａだけにアブレイダブル層１３を形成し、アブレイダブル層１３と隣接するフィン縁部１４を形成してもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

本発明の第２の実施形態を、図４により説明する。図４は、本実施形態におけるシール装置の構造を表す断面図である。なお、本実施形態において、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８Ａでは、シールフィン１０Ａがシール基板９とは別体として成型され、シール基板９のフィン縁部１４に隣接してフィン固定溝１５が形成されている。そして、シールフィン１０Ａがフィン固定溝１５に埋め込まれ（言い換えれば、シール縁部１４に埋め込まれ）、例えばコーキング材を用いて固定されている。

以上のように構成された本実施形態においては、アブレイダブル層１３を形成するためにアブレイダブル材を溶射する際、フィン固定溝１５（又はこれに固定されたシールフィン１０Ａ）にマスキングを施しても、その影響を受けることなく、フィン縁部１４の周囲にアブレイダブル材を溶射することができる。これにより、フィン縁部１４（すなわち、シールフィンの根元部）とアブレイダブル層１３の間に溝が生じず、それらの密着性を高めて、アブレイダブル層１３の磨耗を低減することができる。

なお、第２の実施形態においては、ロータ２の軸方向に沿って、シールフィン１０Ａとシールフィン１１が１つずつ交互に配置された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。具体的には、例えば図５で示す第２の変形例のように、ロータ２の軸方向に沿って、シールフィン１０Ａが２つずつ（若しくは、図示しないが、３つ以上ずつ）、シールフィン１１が１つずつ、交互に配置されてもよい。すなわち、隣接する２つのシールフィン１１の間に、シールフィン１０Ａが複数配置されてもよい。これにより、シールフィン１０Ａの先端とこれに対向するロータ２との間隔を、シールフィン１１の先端とこれに対向するアブレイダブル層１３との間隔ほど小さくできなくとも、シール性能を高めることができる。また、第２の変形例では、各シールフィン１０Ａに対してアブレイダブル層１３が片側しか形成されていないため、シールフィン１０Ａの支持強度を高めることができる。

また、第２の実施形態及び第２の変形例においては、シールフィン１０Ａ間のフィン設置面１２Ａとシールフィン１０Ａ外側のフィン設置面１２Ｂにシールフィン１１が対向し、フィン設置面１２Ａ，１２Ｂにアブレイダブル層１３を形成した場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。具体的には、シールフィン１０Ａ間のフィン設置面１２Ａだけにシールフィン１１が対向し、フィン設置面１２Ａだけにアブレイダブル層１３を形成し、アブレイダブル層１３と隣接するフィン縁部１４を形成してもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

なお、以上において、シール装置は、静止体側に設けられた少なくともシールフィン間のフィン設置面を覆うように形成されたアブレイダブル層１３と、静止体側のシールフィンの根元部に形成されて回転体の軸方向に突出してアブレイダブル層１３と隣接するフィン縁部１４と、を有する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。すなわち、回転体側に設けられた少なくともシールフィン間のフィン設置面を覆うように形成されたアブレイダブル層と、回転体側のシールフィンの根元部に形成されて回転体の軸方向に突出してアブレイダブル層と隣接するフィン縁部と、を有してもよい。この場合も、上記同様の効果を得ることができる。

また、シール装置は、ロータ２とノズルダイヤフラム内輪７との間隙に設けられた場合を例にとって説明したが、これに限られず、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との間隙に設けられてもよい。

１ 蒸気タービン
２ ロータ
３ 動翼
４ ケーシング
５ ノズルダイヤフラム内輪
６ 静翼
７ ダイヤフラム内輪
８，８Ａ シール装置
９ シール基板
１０，１０Ａ シールフィン
１１ シールフィン
１２Ａ，１２Ｂ フィン設置面
１３ アブレイダブル層
１４ フィン縁部

Claims (5)

1. 回転機械の回転体と静止体との間隙に設けられたシール装置において、
   互いに前記回転体の軸方向に離間して配置されるように、前記回転体側及び前記静止体側に設けられた複数のシールフィンと、
   前記回転体側及び前記静止体側のうちの一方側に設けられた少なくともシールフィン間のフィン設置面を覆うように形成されたアブレイダブル層と、
   前記一方側のシールフィンの根元部に形成され、前記回転体の軸方向に段差的に突出して前記アブレイダブル層と隣接するフィン縁部と、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、
   前記一方側のシールフィンは、前記フィン縁部と一体成型されたことを特徴とする回転機械のシール装置。
3. 請求項１に記載の回転機械のシール装置において、
   前記一方側のシールフィンは、前記フィン縁部に埋め込まれたことを特徴とする回転機械のシール装置。
4. 請求項１に記載の回転機械のシール装置において、
   前記回転体側及び前記静止体側のうちの他方側で隣接する２つのシールフィンの間に、前記一方側のシールフィンが複数配置されたことを特徴とする回転機械のシール装置。
5. 請求項１に記載の回転機械のシール装置において、
   前記回転体の半径方向における前記フィン設置面を基準とした前記フィン縁部の高さが、前記回転体の半径方向における前記アブレイダブル層の厚さと同等で、且つ、前記回転体の軸方向における前記フィン縁部の突出長さが、前記回転体の半径方向における前記一方側のシールフィンの長さより小さくなるように構成されたことを特徴とする回転機械のシール装置。

Images