JP2017129251A - シール装置及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シール装置は、熱伸びによってシール性が低下してしまうことを抑えることができる。
【解決手段】シール装置６０は、軸線回りに回転するロータの外周面を径方向Ｄｒの外側から覆うステータの内周面に、径方向Ｄｒの内側に突出する凸部２２と、径方向Ｄｒの外側に凹む凹部２１とが軸線方向Ｄａに隣接して配置されており、前記内周面に設けられて、凸部２２及び凹部２１を覆うように凹凸形状に設けられた快削材６３と、凸部２２に対応する軸線方向Ｄａの位置で前記ロータの外周面から前記径方向の外側に突出する短尺フィン６１と、凹部２１に対応する軸線方向Ｄａの位置で前記ロータの外周面から前記径方向の外側に短尺フィン６１よりも突出する長尺フィン６２と、を備え、長尺フィン６２の先端の径方向Ｄｒの位置が、凸部２２の径方向Ｄｒを向く面と凸部２２を覆う快削材６３の径方向Ｄｒを向く面との間に位置している。
【選択図】図３

Description

本発明は、シール装置及び回転機械に関する。

蒸気タービン、ガスタービン、軸流圧縮機等の回転機械では、圧力損失の一つとして、動翼の先端とこの先端に近接して対向するハウジングの内周面との間を、蒸気やガス等の動作流体が漏れて通り抜けてしまうことで生じる損失がある。この損失を低減させてタービン効率を向上させるべく動翼の先端とハウジングとの間にシール装置を設けている。このようなシール装置としては、例えば、動翼とハウジングとが接触した場合でも、いずれの部材も損傷させないアブレイダブルシールがある。

特許文献１では、アブレイダブルシールとして、シールフィンと、このシールフィンに対して対向するシール基板に配置された快削性スペーサとが設けられたシール装置が開示されている。このシール装置は、ロータに向かって突出するロー部と、ロー部よりも長いハイ部とがシール基板に設けられている。快削性スペーサは、このロー部及びハイ部の表面に設けられている。シールフィンは、ロー部及びハイ部に対して同程度の隙間を空けるように異なる長さで形成されている。

特許第５５１１５６１号

ところで、上記のようなシール装置が設けられた回転機械では、運転中に、ロータに軸線方向への熱伸びが生じる場合がある。熱伸びが生じることで、シールフィンの位置が回転機械の停止時の位置からずれてしまう。そのため、例えば、ハイ部に対応する位置からロー部に対応する位置までずれるように、シールフィンの位置が停止時と運転時とで大きく移動してしまう可能性がある。このように熱伸びによってシールフィンの位置が大きくずれた場合、シールフィンとハウジング等のステータとの隙間が大きくなってしまいシール性が低下してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、熱伸びによってシール性が低下してしまうことを抑えることが可能なシール装置及び回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様におけるシール装置は、軸線回りに回転するロータの外周面と、該外周面を前記ロータの径方向の外側から覆うステータの内周面との間の隙間をシールするシール装置であって、前記ステータの内周面に、前記径方向の内側に突出する凸部と、前記径方向の外側に凹む凹部とが前記軸線の延びる軸線方向に隣接して配置されており、前記内周面に設けられて、前記凸部及び前記凹部を覆うように前記凸部及び前記凹部の形状に従った凹凸形状に設けられた快削材と、前記軸線方向の前記凸部に対応する位置で、前記ロータの外周面から前記径方向の外側に突出する短尺フィンと、前記軸線方向の前記凹部に対応する位置で、前記ロータの外周面から前記径方向の外側に前記短尺フィンよりも突出する長尺フィンと、備え、前記長尺フィンの先端の前記径方向の位置が、前記ステータの凸部の前記径方向を向く面と該凸部を覆う前記快削材の前記径方向を向く面との間に位置している。

このような構成によれば、短尺フィンの軸線方向の位置が変化して、短尺フィンの軸線方向の位置が凸部と重ならない位置までずれそうになった場合に、凸部を覆う快削材と長尺フィンを接触させることができる。したがって、短尺フィンの軸線方向の位置が凸部に対して大きくずれてしまっても、削られた快削材と長尺フィンとによって、隙間が大きくなってしまうことを抑えることができる。

また、本発明の第二の態様におけるシール装置では、第二の態様において、前記快削材は、前記軸線方向を含む方向を向いて前記長尺フィンと向かい合う傾斜面を有し、前記傾斜面は、前記径方向の外側から内側に向かうにしたがって前記長尺フィンから離れるように傾斜していてもよい。

このような構成によれば、長尺フィンが軸線方向に移動して傾斜面と接触した場合の抵抗を低減することができる。したがって、長尺フィンが軸線方向に移動した場合に、凸部を覆う快削材を長尺フィンによって安定して削ることができる。

また、本発明の第三の態様におけるシール装置では、第一又は第二の態様において、隣接する前記短尺フィンと前記長尺フィンとの前記軸線方向の長さが、前記短尺フィンの前記径方向の外側を向く面と対向する前記快削材の対向面の前記軸線方向の長さ以下であってもよい。

このような構成によれば、短尺フィンの軸線方向の位置が、この対向面の軸線方向の位置と重ならない位置までずれる前に、凸部を覆う快削材に対して長尺フィンを高い精度で接触させることができる。

また、本発明の第四の態様におけるシール装置では、第一から第三の態様のいずれか一つにおいて、前記軸線方向に隣接する一対の前記短尺フィンの間に複数の前記長尺フィンが配置されていてもよい。

このような構成によれば、一つ一つの長尺フィンと、凸部を覆う快削材の軸線方向を含む方向を向く面との軸線方向の距離を短くすることができる。したがって、長尺フィンが軸線方向にずれた場合に、より短い距離で長尺フィンと快削材とを接触させることができる。

また、本発明の第五の態様における回転機械は、軸線回りに回転するロータと、前記ロータの径方向の外側から覆うステータと、第一から第四のいずれか一項に記載のシール装置とを備える。

このような構成によれば、ロータの外周面とステータの内周面との間の隙間のシール性の低下を抑え、漏れ損失を低減させてタービン効率を高めることができる。

本発明によれば、熱伸びによってシール性が低下してしまうことを抑えることができる。

本発明の第一実施形態の回転機械の全体構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態のシール装置を示す縦断面図である。 本発明の第一実施形態のシール装置の要部拡大図である。 本発明の第一実施形態のシール装置において、長尺フィンと短尺フィンとが軸線方向に移動した様子を示す要部拡大図である。 本発明の第二実施形態のシール装置の要部拡大図である。

《第一実施形態》
以下、本発明に係る第一実施形態の回転機械について図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の回転機械は、蒸気タービン１００である。蒸気タービン１００は、蒸気Ｓのエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられる。蒸気タービン１００は、ケーシング１０と、ロータ３０と、静翼４０と、軸受部５０と、シール装置６０とを備えている。

ケーシング１０は、内部の空間が気密に封止されているとともに、蒸気Ｓの流路が内部に形成されている。ケーシング１０は、ロータ３０の径方向Ｄｒの外側からロータ３０を覆っている。ケーシング１０は、後述する動翼３１と対向する位置にハウジング（ステータ）２０を有している。

ハウジング２０は、周方向に分割可能なリング状の部材である。ハウジング２０は、軸線Ｏ回りに回転するロータ３０の外周面を径方向Ｄｒの外側から覆っている。本実施形態のハウジング２０は、図２に示すように、動翼３１の先端の先端面３１ａを径方向Ｄｒの外側から覆っている。ハウジング２０の内周面には、径方向Ｄｒの内側に突出する凸部２２と、径方向Ｄｒの外側に凹む凹部２１とが軸線Ｏの延びる軸線方向Ｄａに隣接して配置されている。凸部２２及び凹部２１は、軸線方向Ｄａに交互に並んで複数配置されている。

ロータ３０は、図１に示すように、ケーシング１０を貫通するように軸線Ｏに沿って延びて軸線Ｏ回りに回転する。ロータ３０は、動翼３１が設けられている。ロータ３０は、動翼３１が設けられた中間部分がケーシング１０の内部に収容されている。ロータ３０は、その両端部が、ケーシング１０の外部に突出している。ロータ３０は、ケーシング１０から外方に突出した両端部が、軸受部５０により回転可能に支持されている。

動翼３１は、ロータ３０の周方向に複数並んで配置されている。複数の動翼３１は、環状をなしてロータ３０の外周面に設けられている。動翼３１は、ロータ３０の軸線方向Ｄａに流れる蒸気Ｓの圧力を受けて軸線Ｏ回りにロータ３０を回転させる。動翼３１は、径方向Ｄｒの外側を向く先端面３１ａがハウジング２０の径方向Ｄｒの内側を向く内周面と対向している。

静翼４０は、ロータ３０の周方向に沿って並んでケーシング１０の内側を向く面に複数設けられている。静翼４０は、ロータ３０と径方向Ｄｒに間隔を空けて配置されている。静翼４０は、動翼３１と軸線方向Ｄａに間隔を空けて配置されている。

軸受部５０は、ロータ３０を軸線Ｏ回りに回転可能に支持している。軸受部５０は、ロータ３０の両端部にそれぞれ設けられたジャーナル軸受５１と、ロータ３０の一端側に設けられたスラスト軸受５２と、を備えている。

シール装置６０は、軸線Ｏ回りに回転するロータ３０の外周面と、外周面をロータ３０の径方向Ｄｒの外側から覆うステータの内周面との間の隙間をシールしている。本実施形態のシール装置６０は、動翼３１の先端面３１ａと、ハウジング２０の内周面との間の隙間をシールしている。シール装置６０は、図２及び図３に示すように、短尺フィン６１と、長尺フィン６２と、快削材６３とを備えている。つまり、本実施形態のシール装置６０は、アブレイダブルシールの一種である。

短尺フィン６１は、軸線方向Ｄａの凸部２２に対応する位置で、ロータ３０の外周面である動翼３１の先端面３１ａから径方向Ｄｒの外側に突出している。短尺フィン６１は、径方向Ｄｒの外側を向く面である先端の頂面６１ａが快削材６３に対して隙間を空けるように突出している。短尺フィン６１は、動翼３１の先端面３１ａに沿って周方向に延びているシールフィンである。短尺フィン６１は、軸線方向Ｄａに離れて複数配置されている。複数の短尺フィン６１は、軸線方向Ｄａに対して等間隔に配置されている。

長尺フィン６２は、軸線方向Ｄａの凹部２１に対応する位置で、動翼３１の先端面３１ａから径方向Ｄｒの外側に短尺フィン６１よりも長く突出している。長尺フィン６２は、動翼３１の先端面３１ａに沿って周方向に延びているシールフィンである。長尺フィン６２の先端の径方向Ｄｒの位置は、凸部２２の径方向Ｄｒを向く面と、凸部２２を覆う快削材６３の径方向Ｄｒを向く面との間に位置している。長尺フィン６２は、径方向Ｄｒの外側を向く面である先端の頂面６２ａが快削材６３に対して隙間を空けるように突出している。長尺フィン６２は、軸線方向Ｄａに離れて複数配置されている。長尺フィン６２は、隣接する短尺フィン６１の間で、一カ所の凹部２１の位置に対応して一つ配置されている。長尺フィン６２は、軸線方向Ｄａの両側に配置された二つの短尺フィン６１の中間に配置されている。

快削材６３は、ハウジング２０の内周面に設けられている。快削材６３は、凸部２２及び凹部２１を覆うように凸部２２及び凹部２１の形状に従った凹凸形状に設けられている。快削材６３は、短尺フィン６１及び長尺フィン６２よりも被削性に優れた材料がハウジング２０の内周面に溶射されることで、層状をなして形成されている。本実施形態の快削材６３は、３ｍｍ程度の厚みで形成されている。快削材６３は、長尺フィン６２と向かい合う傾斜面６３ａを有している。快削材６３は、短尺フィン６１の頂面６１ａと対向する短尺対向面６３ｂと、長尺フィン６２の頂面６２ａを向く長尺対向面６３ｃとを有している。

傾斜面６３ａは、軸線方向Ｄａを含む方向を向いて長尺フィン６２と向かい合っている。ここで、軸線方向Ｄａを含む方向とは、軸線方向Ｄａの成分を含む方向である。本実施形態の軸線方向Ｄａを含む方向とは、軸線方向Ｄａ及び径方向Ｄｒに対して傾斜下方向である。傾斜面６３ａは、長尺フィン６２の軸線方向Ｄａを向く面である側面と向かい合う面である。傾斜面６３ａは、短尺対向面６３ｂと長尺対向面６３ｃとを繋ぐ面である。傾斜面６３ａは、径方向Ｄｒの外側から内側に向かうにしたがって長尺フィン６２の側面から離れるように傾斜している。傾斜面６３ａは、長尺フィン６２の軸線方向Ｄａの中心位置から離れるように傾斜している。つまり、傾斜面６３ａは、凹凸形状の凹部分が径方向Ｄｒの内側に向かうにしたがって広がるように傾斜している。したがって、傾斜面６３ａは、長尺フィン６２を挟んで配置された一組の傾斜面は、異なる方向を向いて傾斜している。

短尺対向面６３ｂは、凸部２２を覆う快削材６３の径方向Ｄｒの内側を向く面である。短尺対向面６３ｂは、軸線方向Ｄａに隣接する傾斜面６３ａの径方向Ｄｒの内側の端部を繋ぐ面である。短尺対向面６３ｂは、短尺フィン６１の先端に対して、径方向Ｄｒに微小な隙間を設けた位置に形成されている。短尺対向面６３ｂの軸線方向Ｄａの長さは、隣接する短尺フィン６１と長尺フィン６２との軸線方向Ｄａの長さ以上の大きさで形成されている。つまり、軸線方向Ｄａで隣接する短尺フィン６１と長尺フィン６２との軸線方向Ｄａの長さは、短尺対向面６３ｂの軸線方向Ｄａの長さ以下となっている。

なお、短尺フィン６１と長尺フィン６２との軸線方向Ｄａの長さとは、軸線方向Ｄａにおける短尺フィン６１の頂面６１ａの中心位置と、長尺フィン６２の頂面６２ａの中心位置と長さである。

長尺対向面６３ｃは、凹部２１を覆う快削材６３の径方向Ｄｒの内側を向く面である。長尺対向面６３ｃは、軸線方向Ｄａに隣接する傾斜面６３ａの径方向Ｄｒの外側の端部を繋ぐ面である。長尺対向面６３ｃは、長尺フィン６２の先端に対して、径方向Ｄｒに微小な隙間を設けた位置に形成されている。長尺対向面６３ｃの径方向Ｄｒの位置は、凸部２２を覆う快削材６３の厚みの半分程度の位置に形成されている。長尺対向面６３ｃの軸線方向Ｄａの長さは、短尺フィン６１の軸線方向Ｄａの長さ以下の大きさで形成されている。

上記のようなシール装置６０では、動翼３１の先端面３１ａに設けられた複数の短尺フィン６１及び長尺フィン６２が、ハウジング２０の内周面を覆う快削材６３との間に微小な隙間を形成している。そのため、動翼３１の先端面３１ａとハウジング２０の内周面との間の隙間をシールすることができ、この隙間からの軸線方向Ｄａへの漏れを抑えることができる。

また、ハウジング２０の内周面が快削材６３で覆われている。そのため、短尺フィン６１及び長尺フィン６２の径方向Ｄｒの位置が蒸気タービン１００の運転状態に応じて変化した場合であっても、短尺フィン６１及び長尺フィン６２が損傷することなく快削材６３が切削される。その結果、短尺フィン６１及び長尺フィン６２のそれぞれと、快削材６３との間の隙間が広がってしまうことを防ぐことができる。したがって、短尺フィン６１及び長尺フィン６２の損傷を防ぎながら、高いシール性能を確保することができる。

また、蒸気タービン１００が運転されることによってロータ３０に熱伸びが生じ、図４に示すように、短尺フィン６１及び長尺フィン６２の軸線方向Ｄａの位置は変化する。しかしながら、上記のようなシール装置６０では、長尺フィン６２の先端の頂面６２ａの径方向Ｄｒの位置が、凸部２２の径方向Ｄｒを向く面と、凸部２２を覆う快削材６３の短尺対向面６３ｂとの間に配置されている。そのため、短尺フィン６１の軸線方向Ｄａの位置が短尺対向面６３ｂの軸線方向Ｄａの位置と重ならない位置までずれそうになった場合に、凸部２２を覆う快削材６３と長尺フィン６２とが接触する。したがって、短尺フィン６１の軸線方向Ｄａの位置が凸部２２に対して大きくずれてしまっても、削られた快削材６３と長尺フィン６２とによって、短尺フィン６１及び長尺フィン６２とハウジング２０との隙間が大きくなってしまうことを抑えることができる。これにより、熱伸びによって短尺フィン６１の位置がずれてもシール性が低下してしまうことを抑えることができる。

また、長尺フィン６２の側面と向かい合う傾斜面６３ａが、径方向Ｄｒの外側から内側に向かうにしたがって長尺フィン６２の側面から離れるように傾斜している。そのため、長尺フィン６２が軸線方向Ｄａに移動して傾斜面６３ａと接触した場合の抵抗を低減することができる。したがって、長尺フィン６２が軸線方向Ｄａに移動した場合に、凸部２２を覆う快削材６３を長尺フィン６２によって安定して削ることができる。これにより、快削材６３と接触している長尺フィン６２によって、快削材６３との隙間が大きくなってしまうことを安定して抑えることができる。

また、短尺フィン６１と長尺フィン６２との軸線方向Ｄａの長さが、短尺対向面６３ｂの軸線方向Ｄａの長さ以下とされている。そのため、短尺フィン６１の軸線方向Ｄａの位置が短尺対向面６３ｂの軸線方向Ｄａの位置と重ならない位置までずれる前に、凸部２２を覆う快削材６３の傾斜面６３ａに対して長尺フィン６２を高い精度で接触させることができる。したがって、短尺フィン６１の軸線方向Ｄａの位置が大きくずれてしまっても、快削材６３と接触している長尺フィン６２によって、快削材６３との隙間が大きくなってしまうことを高い精度で抑えることができる。これにより、熱伸びによって短尺フィン６１の位置がずれてもシール性が低下してしまうことを高い精度で抑えることができる。

また、このようなシール構想を用いた蒸気タービン１００によれば、動翼３１の先端面３１ａとハウジング２０の内周面との間の隙間のシール性の低下を抑え、漏れ損失を低減させてタービン効率を高めることができる。

《第二実施形態》
次に、図５を参照して第二実施形態のシール装置について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態のシール装置は、長尺フィンの構成について、第一実施形態と相違する。

第二実施形態のシール装置６０は、図５に示すように。軸線方向Ｄａに隣接する一対の短尺フィン６１の間に複数（本実施形態では二つ）の長尺フィン６２Ａが配置されている。

長尺フィン６２Ａは、軸線方向Ｄａの一カ所の凹部２１に対応する位置に二つ形成されている。複数の長尺フィン６２Ａは、動翼３１の先端面３１ａから径方向Ｄｒの外側に向かって、同じ長さで、かつ、短尺フィン６１よりも長く突出している。なお、第二実施形態における凹部２１や凸部２２の軸線方向Ｄａの長さは、第一実施形態と同じである。長尺フィン６２Ａの先端の径方向Ｄｒの位置は、凸部２２の径方向Ｄｒを向く面と、凸部２２を覆う快削材６３の径方向Ｄｒを向く面との間に位置している。第二実施形態の長尺フィン６２Ａは、一カ所の凹部２１に対して二つ設けられている。長尺フィン６２Ａは、二つを一組として、凹部２１の位置に対応して軸線方向Ｄａに離れて複数組配置されている。一組の長尺フィン６２Ａは、軸線方向Ｄａの両側に配置された二つの短尺フィン６１の中間に配置されている。

上記のような第二実施形態のシール装置６０によれば、軸線方向Ｄａに隣接する一対の短尺フィン６１の間に、一つの凹部２１に対して二つの長尺フィン６２Ａが配置されている。そのため、一つの凹部２１に対して一つの長尺フィン６２Ａを配置した場合に比べて、一つ一つの長尺フィン６２Ａと快削材６３の傾斜面６３ａとの軸線方向Ｄａの距離を短くすることができる。したがって、長尺フィン６２Ａが軸線方向Ｄａにずれた場合に、より短い距離で長尺フィン６２Ａと快削材６３とを接触させることができる。これにより、熱伸びによって短尺フィン６１の位置がずれてもシール性が低下してしまうことを高い精度で抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

シール装置６０は、蒸気タービン１００に限定されるものではない。シール装置６０は、例えば、ガスタービンや圧縮機等の回転機械に適用することができる。

また、本実施形態では、快削材６３が、長尺フィン６２の側面から離れるように傾斜した傾斜面６３ａを有していたがこれに限定されるものではない。例えば、短尺対向面６３ｂと長尺対向面６３ｃとを繋ぐ面が傾斜しておらず、動翼３１の先端面３１ａに対して垂直な面であってもよい。

１００…蒸気タービン Ｄａ…軸線方向 Ｄｒ…径方向 Ｓ…蒸気 １０…ケーシング ２０…ハウジング ２１…凹部 ２２…凸部 ３０…ロータ Ｏ…軸線 ３１…動翼 ３１ａ…先端面 ４０…静翼 ５０…軸受部 ６０、６０Ａ…シール装置 ６１…短尺フィン ６１ａ…頂面 ６２、６２Ａ…長尺フィン ６２ａ…頂面 ６３…快削材 ６３ａ…傾斜面 ６３ｂ…短尺対向面 ６３ｃ…長尺対向面

Claims (5)

1. 軸線回りに回転するロータの外周面と、該外周面を前記ロータの径方向の外側から覆うステータの内周面との間の隙間をシールするシール装置であって、
   前記ステータの内周面に、前記径方向の内側に突出する凸部と、前記径方向の外側に凹む凹部とが前記軸線の延びる軸線方向に隣接して配置されており、
   前記内周面に設けられて、前記凸部及び前記凹部を覆うように前記凸部及び前記凹部の形状に従った凹凸形状に設けられた快削材と、
   前記軸線方向の前記凸部に対応する位置で、前記ロータの外周面から前記径方向の外側に突出する短尺フィンと、
   前記軸線方向の前記凹部に対応する位置で、前記ロータの外周面から前記径方向の外側に前記短尺フィンよりも突出する長尺フィンと、を備え、
   前記長尺フィンの先端の前記径方向の位置が、前記ステータの凸部の前記径方向を向く面と該凸部を覆う前記快削材の前記径方向を向く面との間に位置しているシール装置。
2. 前記快削材は、前記軸線方向を含む方向を向いて前記長尺フィンと向かい合う傾斜面を有し、
   前記傾斜面は、前記径方向の外側から内側に向かうにしたがって前記長尺フィンから離れるように傾斜している請求項１に記載のシール装置。
3. 隣接する前記短尺フィンと前記長尺フィンとの前記軸線方向の長さが、前記短尺フィンの前記径方向の外側を向く面と対向する前記快削材の対向面の前記軸線方向の長さ以下である請求項１又は請求項２に記載のシール装置。
4. 前記軸線方向に隣接する一対の前記短尺フィンの間に複数の前記長尺フィンが配置されている請求項１又は請求項２に記載のシール装置。
5. 軸線回りに回転するロータと、
   前記ロータの径方向の外側から覆うステータと、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシール装置とを備える回転機械。

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