JP2017106395A - シール構造及びタービン - Google Patents

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Abstract

【課題】蒸気等のリーク流体の漏れを抑制することができるシール構造等を提供する。
【解決手段】ロータ12とケーシング10との隙間に流れるリーク蒸気をシールする蒸気タービン1のシール構造30において、ケーシング10に固定されるリング本体41からロータ12側に向かって突出して設けられると共に、ロータ12の軸方向に配置される複数のシールフィン42と、ロータ12に設けられ、複数のシールフィン42に対向する複数のステップ面51と、隣接するステップ面51同士の間に形成される蹴込面52とにより、段差部53が形成されるステップ33と、を備え、複数のシールフィン42は、ロータ12の径方向に対して、リング本体41側から先端部に向かって、リーク蒸気の流通方向の上流側に傾斜しており、各シールフィン42とリング本体41とにより形成されるコーナー部は、曲面となっている。
【選択図】図2

Description

本発明は、回転部材と静止部材との隙間を流れるリーク流体をシールするシール構造及びタービンに関するものである。
従来、シール構造を備えるタービンとして、動翼の先端部のチップシュラウドに設けられる複数のステップ部と、動翼に対向するケーシングに設けられ、ステップ部の周面に向けて延出するシールフィンと、を備えるタービンが知られている(例えば、特許文献1参照)。このタービンには、シールフィン、ケーシング及びチップシュラウドによって、複数のキャビティが形成されおり、各キャビティの隅部は、丸みを帯びて形成されている。また、ステップ部の段差面には、上流側から下流側に向かって傾斜する傾斜面が形成されている。この特許文献1のタービンでは、各キャビティの隅部を丸みを帯びた形状とすることで、キャビティ内に発生する主渦のエネルギー損失を抑えることにより、主渦を強くする。これにより、タービンでは、キャビティ内に発生する剥離流の大きさを小さくし、リーク流体の流量を抑制している。
特開2013−199860号公報
ところで、特許文献1のタービンでは、各シールフィンが各ステップ部へ向かって、回転軸の径方向に延出している。このため、リーク流体は、シールフィンに沿って径方向に流れ、この後、シールフィンとステップ部との隙間から漏れ出る。このように、リーク流体は、シールフィンを回り込んで流れることで、縮流効果によって縮流する。この場合、各シールフィンは、径方向に延出していることから、リーク流体は、シールフィンを回り込んで流れ易く、縮流効果の向上を図る余地があった。
そこで、本発明は、リーク流体の漏れを抑制することができるシール構造及びタービンを提供することを課題とする。
本発明のシール構造は、回転軸を中心に回転する回転部材と、前記回転部材に対向して設けられる静止部材との隙間において、前記回転軸の一方側である上流側から、前記回転軸の他方側である下流側に向かって流れるリーク流体をシールするシール構造において、前記回転部材及び前記静止部材のいずれか一方を基部として、前記基部から前記回転部材及び前記静止部材のいずれか他方に向かって突出して設けられる共に、前記回転軸の軸方向に所定の間隔を空けて配置される複数のシールフィンと、前記回転部材及び前記静止部材のいずれか他方に設けられ、複数の前記シールフィンに対向する複数のステップ面と、隣接する前記ステップ面同士の間に形成される蹴込面とにより、段差が形成されるステップと、を備え、複数の前記シールフィンは、前記回転軸に直交する径方向に対して、前記基部から先端部に向かって、前記リーク流体の流通方向の上流側に傾斜しており、前記各シールフィンと前記基部とにより形成されるコーナー部は、曲面となっていることを特徴とする。
この構成によれば、シールフィンを傾斜させることにより、シールフィンに沿って流れるリーク流体を、リーク流体の流通方向とは逆方向に流すことができる。この後、リーク流体は、再び、流通方向に流れて、シールフィンとステップ面との隙間から漏れ出る。このように、リーク流体を、一時的に流通方向の逆方向に流通させることができるため、シールフィンとステップ面との隙間を流通することで生じる縮流効果を高めることができ、リーク流体の漏れを抑制することができる。
また、前記回転軸に直交する径方向に対する、前記シールフィンの傾斜角度をβとすると、前記傾斜角度βは、「10°≦β≦25°」の範囲となっていることが、好ましい。
この構成によれば、シールフィンの傾斜角度を上記の範囲とすることで、シールフィンに沿うリーク流体の流れを、縮流効果の高い流れとすることができる。
また、複数の前記シールフィンの傾斜角度βは、全て同じ角度となっていることが、好ましい。
この構成によれば、全てのシールフィンの傾斜角度を同じにすることで、シールフィンの製造を容易にすることができるため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、複数の前記シールフィンは、突出方向における前記基部から前記先端部までの長さが、全て同じ長さとなっていることが、好ましい。
この構成によれば、全てのシールフィンの長さを同じにすることで、シールフィンの製造を容易にすることができるため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、前記ステップの前記蹴込面は、前記回転軸に直交する径方向に対して、上流側の前記ステップ面から下流側の前記ステップ面に向かって、前記リーク流体の流通方向の下流側に傾斜していることが、好ましい。
この構成によれば、蹴込面に沿って流れるリーク流体は、蹴込面を離れた後、その一部が、シールフィンに再付着して、シールフィンに沿って流れる。このとき、蹴込面を傾斜させることで、蹴込面に沿って流れるリーク流体を、蹴込面が径方向に沿う面となる場合に比して、シールフィンの先端側に再付着させることができる。このため、リーク流体によってシールフィンとステップ面との隙間の近傍に形成される渦を、小さいものとすることができ、縮流効果を高めることができる。
また、前記回転軸に直交する径方向に対する、前記ステップの前記蹴込面の傾斜角度をαとし、前記回転軸に直交する径方向に対する、前記シールフィンの傾斜角度をβとすると、前記傾斜角度αは、「0°<α≦β+30°」の範囲となっていることが、好ましい。
この構成によれば、蹴込面の傾斜角度を上記の範囲とすることで、シールフィンに再付着するリーク流体の流れを、縮流効果の高い流れとすることができる。
また、前記蹴込面の傾斜角度αは、全て同じ角度となっていることが、好ましい。
この構成によれば、全ての蹴込面の傾斜角度を同じにすることで、ステップの製造を容易にすることができるため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、前記回転軸に直交する径方向おいて、前記ステップ面と前記シールフィンとの間の距離をHとし、前記回転軸に直交する径方向おいて、前記蹴込面を挟んで、上流側の前記ステップ面と下流側の前記ステップ面との間の距離をSとし、前記回転軸に直交する径方向おいて、隣接する前記フィン同士の間に形成されるキャビティの底部と、下流側の前記ステップ面との間の距離をDとすると、前記距離H、前記距離S及び前記距離Dは、「1.5H≦S≦D」の関係となることが、好ましい。
この構成によれば、距離H、距離S及び距離Dを上記の関係とすることで、リーク流体の流れを、縮流効果の高い流れとすることができる。
また、前記各シールフィンは、前記基部から先端部までの全長に亘って傾斜していることが、好ましい。
この構成によれば、シールフィンを折り曲げることなく、シールフィン全体を傾けて形成することができる。また、シールフィンの全長に沿ってリーク流体を好適に流通させることができる。
本発明のタービンは、前記回転部材である動翼と、前記静止部材であるケーシングと、上記のシール構造と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、リーク流体の流量を抑制することができるため、タービンの仕事効率の低下を抑制することができる。
本発明の他のタービンは、前記回転部材であるロータと、前記静止部材である静翼と、上記のシール構造と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、リーク流体の流量を抑制することができるため、タービンの仕事効率の低下を抑制することができる。
図1は、本実施形態に係るシール構造を備える蒸気タービンを表す概略構成図である。 図2は、本実施形態に係るシール構造を示す断面図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
[実施形態1]
図1は、本実施形態に係るシール構造を備える蒸気タービンを表す概略構成図であり、図2は、本実施形態に係るシール構造を示す断面図である。
本実施形態に係るシール構造30は、例えば、蒸気タービン1に適用されており、蒸気タービンに設けられる回転部材と静止部材との間隙から漏出するリーク流体をシールするものである。先ず、シール構造30の説明に先立ち、図1を参照して、蒸気タービン1について説明する。
蒸気タービン1は、図1に示すように、ケーシング10と、ケーシング10内に設けられる回転軸としてのロータ12と、ロータ12に設けられる複数段の動翼13と、ケーシング10に設けられる複数段の静翼14とを備えている。
ケーシング10は、ロータ12の径方向から蒸気が流入する流入口22と、ロータ12の軸方向から蒸気が流出する流出口23とが形成されている。そして、ケーシング10には、流入口22から流出口23に向かって、その内部に蒸気が流通する蒸気通路21が形成されている。つまり、蒸気通路21は、ロータ12の一方側の径方向から蒸気が流入し、ロータ12の他方側に向かって軸方向に蒸気が流通し、この後、ロータ12の他方側から蒸気が流出するように形成されている。
ロータ12は、ケーシング10に対して回転自在に支持されている。複数段の動翼13は、ロータ12の外周部に固定され、蒸気通路21内に設けられると共に、ロータ12の軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。複数段の静翼14は、ケーシング10の内周部に固定され、蒸気通路21内に設けられると共に、ロータ12の軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。そして、複数段の動翼13と複数段の静翼14とは、ロータ12の軸方向に交互に配設されている。
従って、蒸気が流入口22から供給されると、蒸気は、蒸気通路21を流通して、複数段の動翼13と静翼14とを通過することで、各動翼13を介してロータ12を駆動回転し、このロータ12に連結された図示しない発電機を駆動する。そして、複数段の動翼13と静翼14とを通過した蒸気は、蒸気通路21の流出口23から排出される。
このように構成された蒸気タービン1において、静止部材となるケーシング10と回転部材となる動翼13との間、及び、静止部材となる静翼14と回転部材となるロータ12との少なくとも一方の間には、リーク流体としてのリーク蒸気をシールするシール構造30が設けられている。なお、本実施形態では、ケーシング10と動翼13との隙間に設けられるシール構造30について説明する。
シール構造30は、図2に示すように、ケーシング10の内周部に取り付けられるシールリング31と、動翼13の先端部に設けられるチップシュラウド32に形成されるステップ33とを備えている。なお、図2は、ロータ12の周方向に直交する面で切ったシール構造30周りの断面図である。
シールリング31は、ケーシング10の内周の全周に亘って円環状に形成されるリング収容溝35に収容されており、円環状に設けられている。シールリング31は、基部となるリング本体41と、リング本体41から動翼13側に向かって突出する複数のシールフィン42と、リング本体41からケーシング10側に設けられる取付部43とを有している。取付部43は、その断面が、軸方向の両側に突出する略T字形状に形成されており、リング収容溝35の底部(ケーシング10側の部位)に形成される取付溝36に嵌め合わせられている。
複数のシールフィン42は、ロータ12の軸方向に所定の間隔を空けて配置されている。なお、本実施形態において、シールフィン42は、例えば、3つ設けられ、3つのシールフィン42は、軸方向において、相互の間隔が同じ間隔となっている。また、複数のシールフィン42は、リーク蒸気の流通方向の上流側から下流側に向かって、ロータ12の径方向の外側に位置を異ならせて設けられている。このため、複数のシールフィン42は、上流側のシールフィン42が径方向内側に位置する一方で、下流側のシールフィン42が径方向外側に位置する。
また、各シールフィン42は、ロータ12の径方向に対して、リング本体41から先端部に向かって、リーク蒸気の流通方向の上流側に傾斜している。各シールフィン42は、リング本体41から先端部に向かって、軸方向における厚さが連続的に薄くなる、つまり、リング本体41から先端部に向かって先細りとなるテーパ形状に形成されている。そして、各シールフィン42は、リング本体41から先端部までの全長に亘って傾斜している。
ここで、ロータ12の径方向に対する、シールフィン42の傾斜角度をβとすると、傾斜角度βは、「10°≦β≦25°」の範囲となっている。具体的に、シールフィン42の傾斜角度は、シールフィン42の先端部における上流側の面に接する接線と、ロータ12の径方向の延びる線とが為す角度である。なお、傾斜角度βは、リーク蒸気の流通方向の上流側から順に、傾斜角度β1、傾斜角度β2、傾斜角度β3となっており、同じ角度に形成されてもよいし、異なる角度に形成されてもよい。
また、シールフィン42の基端側におけるコーナー部、つまり、シールフィン42とリング本体41とにより形成されるコーナー部は、所定の曲率半径となる曲面に形成されている。このため、上流側のシールフィン42から下流側のシールフィン42に至る形状は、図2に示す断面において、半円弧形状となっている。
そして、複数のシールフィン42は、その形状が全て同じ形状となっている。具体的に、複数のシールフィン42は、その突出方向におけるリング本体41から先端部までの長さが、全て同じ長さとなっている。また、複数のシールフィン42は、ロータ12の径方向に対する傾斜角度がすべて同じ角度となっている。このため、上流側のシールフィン42から下流側のシールフィン42に至る半円弧形状は、同じ形状となっている。
チップシュラウド32に形成されるステップ33は、複数のシールフィン42に対向する複数のステップ面51と、隣接する2つのステップ面51の間に形成される蹴込面52とを有しており、複数段の段差部53が形成されている。
複数のステップ面51は、図2に示す断面において、ロータ12の軸方向と平行に形成されている。なお、本実施形態において、ステップ面51は、シールフィン42の数に応じて、例えば、3つ設けられ、3つのステップ面51は、リーク蒸気の流通方向の上流側から下流側に向かって、ロータ12の径方向の外側に位置を異ならせて設けられている。このため、複数のステップ面51は、上流側のステップ面51が径方向内側に位置する一方で、下流側のステップ面51が径方向外側に位置する。
各蹴込面52は、ロータ12の径方向に対して、上流側のステップ面51から下流側のステップ面51に向かって、リーク蒸気の流通方向の下流側に傾斜している。各蹴込面52は、上流側のステップ面51から下流側のステップ面51までの全長に亘って傾斜している。
ここで、ロータ12の径方向に対する、蹴込面52の傾斜角度をαとすると、傾斜角度αは、「0°<α≦β+30°」の範囲となっている。そして、複数の蹴込面52の傾斜角度αは、全て同じ角度となっている。なお、傾斜角度αは、リーク蒸気の流通方向の上流側から順に、傾斜角度α1、傾斜角度α2、傾斜角度α3となっており、異なる角度に形成されてもよい。
このように形成されるシール構造30は、シールリング31とステップ33とにより複数のキャビティ55が形成される。各キャビティ55は、リング本体41と、隣接する2つのシールフィン42と、隣接する2つのステップ面51と、2つのステップ面51の間の蹴込面52とにより区画される。このキャビティ55は、ロータ12の径方向において、ケーシング側となる部位を底部とする。
ロータ12の径方向において、ステップ面51とシールフィン42との間のクリアランス(距離)をHとする。また、ロータ12の径方向において、蹴込面52を挟んで、上流側のステップ面51と下流側のステップ面51との間の高さ(距離)をSとする。さらに、ロータ12の径方向において、キャビティ55の底部と、下流側のステップ面51との間のキャビティ深さ(距離)をDとする。この場合、クリアランスH、高さS及びキャビティ深さDは、「1.5H≦S≦D」の関係となる。
このように形成されるシール構造30において、リーク蒸気が、ケーシング10と動翼13との隙間に流入すると、リーク蒸気は、上流側のシールフィン42と上流側のステップ面51とのクリアランスから、上流側のキャビティ55に流入する。
キャビティ55に流入したリーク蒸気は、キャビティ55の上流側の空間、すなわち、上流側のステップ面51に接する空間において、主渦を形成する。この主渦を形成するリーク蒸気は、シールフィン42とステップ面51とのクリアランスから、上流側のステップ面51及び蹴込面52に沿って流れ、蹴込面52から離れる。この後、蹴込面52から離れたリーク蒸気の一部が、キャビティ55の底部に沿って上流側に流れた後、上流側のシールフィン42に沿って流れ、再び、シールフィン42とステップ面51とのクリアランスに還流する。
また、キャビティ55に流入したリーク蒸気は、キャビティ55の下流側の空間、すなわち、下流側のステップ面51に接する空間において、カウンタ渦を形成する。このカウンタ渦を形成するリーク蒸気は、蹴込面52から離れたリーク蒸気の一部が、下流側のシールフィン42に再付着して、下流側のシールフィン42に沿って流れる。この後、下流側のシールフィン42に沿って流れるリーク蒸気の一部が、下流側のステップ面51に沿って上流側に流れ、蹴込面52から離れたリーク蒸気と合流する。
そして、下流側のシールフィン42に沿って流れるリーク蒸気の一部は、下流側のシールフィン42と下流側のステップ面51とのクリアランスから流出する。
以上のように、本実施形態によれば、シールフィン42を傾斜させることにより、シールフィン42に沿って流れるリーク蒸気を、リーク蒸気の流通方向とは逆方向に流すことができる。この後、リーク蒸気は、再び、流通方向に流れて、シールフィン42とステップ面52との隙間から漏れ出る。このように、リーク蒸気を、一時的に流通方向の逆方向に流通させることができるため、シールフィン42とステップ面51との隙間を流通することで生じる縮流効果を高めることができ、リーク蒸気の漏れを抑制することができる。
また、本実施形態によれば、シールフィン42の傾斜角度βを「10°≦β≦25°」の範囲とすることで、シールフィン42に沿うリーク蒸気の流れを、縮流効果の高い流れとすることができる。
また、本実施形態によれば、全てのシールフィン42の傾斜角度を同じにしたり、全てのシールフィン42の長さを同じにしたりして、全てのシールフィン42の形状を同じ形状にすることで、シールフィン42の製造を容易にすることができるため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、蹴込面52に沿って流れるリーク蒸気は、蹴込面52を離れた後、その一部が、シールフィン42に再付着して、シールフィン42に沿って流れる。このとき、蹴込面52を傾斜させることで、蹴込面52に沿って流れるリーク蒸気を、蹴込面52が径方向に沿う面となる場合に比して、シールフィン42の先端側に再付着させることができる。このため、リーク蒸気によってシールフィン42とステップ面51との隙間の近傍に形成されるカウンタ渦を、小さいものとすることができ、縮流効果を高めることができる。
また、本実施形態によれば、蹴込面52の傾斜角度αを「0°<α≦β+30°」の範囲とすることで、シールフィン42に再付着するリーク蒸気の流れを、縮流効果の高い流れとすることができる。
また、本実施形態によれば、全ての蹴込面52の傾斜角度αを同じにすることで、ステップ33の製造を容易にすることができるため、製造コストの増大を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、クリアランスH、高さS及びキャビティ深さDを、「1.5H≦S≦D」の関係とすることで、リーク蒸気の流れを、縮流効果の高い流れとすることができる。
また、本実施形態によれば、各シールフィン42を全長に亘って傾斜させることで、シールフィン42を折り曲げることなく、シールフィン42全体を傾けて形成することができる。また、シールフィン42の全長に沿ってリーク蒸気を好適に流通させることができる。
また、本実施形態によれば、シール構造30によりリーク蒸気の流量を抑制することができるため、蒸気タービン1の仕事効率の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態では、ケーシング10と動翼13との間に、シール構造30を設ける場合について説明したが、静翼14とロータ12との間にシール構造30を設けてもよく、特に限定されない。つまり、シール構造30は、回転部材と静止部材との間をシールするものであれば、いずれの隙間においても適用可能である。
また、本実施形態では、シールリング31を静止部材であるケーシング10側に設け、ステップ33を回転部材である動翼13側に設けたが、反対となる構成であってもよい。つまり、シールリング31を回転部材側に設け、ステップ33を静止部材側に設けてもよい。
1 蒸気タービン
10 ケーシング
12 ロータ
13 動翼
14 静翼
21 蒸気通路
22 流入口
23 流出口
30 シール構造
31 シールリング
32 チップシュラウド
33 ステップ
35 リング収容溝
36 取付溝
41 リング本体
42 シールフィン
43 取付部
51 ステップ面
52 蹴込面
53 段差部
55 キャビティ

Claims (12)

  1. 回転軸を中心に回転する回転部材と、前記回転部材に対向して設けられる静止部材との隙間において、前記回転軸の一方側である上流側から、前記回転軸の他方側である下流側に向かって流れるリーク流体をシールするシール構造において、
    前記回転部材及び前記静止部材のいずれか一方を基部として、前記基部から前記回転部材及び前記静止部材のいずれか他方に向かって突出して設けられる共に、前記回転軸の軸方向に所定の間隔を空けて配置される複数のシールフィンと、
    前記回転部材及び前記静止部材のいずれか他方に設けられ、複数の前記シールフィンに対向する複数のステップ面と、隣接する前記ステップ面同士の間に形成される蹴込面とにより、段差が形成されるステップと、を備え、
    複数の前記シールフィンは、前記回転軸に直交する径方向に対して、前記基部から先端部に向かって、前記リーク流体の流通方向の上流側に傾斜しており、
    前記各シールフィンと前記基部とにより形成されるコーナー部は、曲面となっていることを特徴とするシール構造。
  2. 前記回転軸に直交する径方向に対する、前記シールフィンの傾斜角度をβとすると、
    前記傾斜角度βは、「10°≦β≦25°」の範囲となっていることを特徴とする請求項1に記載のシール構造。
  3. 複数の前記シールフィンの傾斜角度βは、全て同じ角度となっていることを特徴とする請求項2に記載のシール構造。
  4. 複数の前記シールフィンは、突出方向における前記基部から前記先端部までの長さが、全て同じ長さとなっていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のシール構造。
  5. 前記ステップの前記蹴込面は、前記回転軸に直交する径方向に対して、上流側の前記ステップ面から下流側の前記ステップ面に向かって、前記リーク流体の流通方向の下流側に傾斜していることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のシール構造。
  6. 前記回転軸に直交する径方向に対する、前記ステップの前記蹴込面の傾斜角度をαとし、
    前記回転軸に直交する径方向に対する、前記シールフィンの傾斜角度をβとすると、
    前記傾斜角度αは、「0°<α≦β+30°」の範囲となっていることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のシール構造。
  7. 前記蹴込面の傾斜角度αは、全て同じ角度となっていることを特徴とする請求項6に記載のシール構造。
  8. 前記回転軸に直交する径方向おいて、前記ステップ面と前記シールフィンとの間の距離をHとし、
    前記回転軸に直交する径方向おいて、前記蹴込面を挟んで、上流側の前記ステップ面と下流側の前記ステップ面との間の距離をSとし、
    前記回転軸に直交する径方向おいて、隣接する前記シールフィン同士の間に形成されるキャビティの底部と、下流側の前記ステップ面との間の距離をDとすると、
    前記距離H、前記距離S及び前記距離Dは、「1.5H≦S≦D」の関係となることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のシール構造。
  9. 前記各シールフィンは、前記基部から先端部までの全長に亘って傾斜していることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のシール構造。
  10. 前記各シールフィンは、前記基部から先端部に向かって、前記回転軸の軸方向における厚さが連続的に薄くなることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載のシール構造。
  11. 前記回転部材である動翼と、
    前記静止部材であるケーシングと、
    請求項1から10のいずれか1項に記載のシール構造と、を備えることを特徴とするタービン。
  12. 前記回転部材であるロータと、
    前記静止部材である静翼と、
    請求項1から10のいずれか1項に記載のシール構造と、を備えることを特徴とするタービン。
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