JP2017155625A - シール構造及びターボ機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】軸心線CL周りに所定方向に回転する回転構造体4と、回転構造体4の外周側に隙間Gdを空けて径方向Rに対向する静止構造体10との間の前記隙間Gdから、作動流体のリーク流SLの流れを抑制する、シール構造であって、静止構造体10には、回転構造体4を収容するキャビティ12が備えられると共に、このキャビティ12の内周面13には、軸心線CL側に向かって延在するシールフィン6が設けられると共に、リーク流SLの流れ方向に沿って複数の静止側凹所14が設けられ、前記流れ方向で最上流側の第1静止側凹所14Aよりも、前記流れ方向で第1静止側凹所14Aの直下流側に配置された第2静止側凹所14Bのほうが、深さ寸法を小さく設定さる。
【選択図】図2
Description
シール励振力についてさらに説明すると、シール部分(シール用フィンが設けられた部分)を流れる作動流体は、軸方向(流れ方向)速度成分だけでなく、周方向速度成分を持って流れており、(以下、この周方向に向かう流れを「旋回流」と呼ぶ)、シール励振力は、この旋回流が原因となり生じる。
つまり、回転構造体が径方向へ微小に変位すると(偏心すると)、回転構造体とシール用フィンとの間の流路が狭まって静圧が高くなる部分と、当該流路が広がって静圧が低くなる部分とが発生すると共に、リークした作動流体の旋回流に起因してシール用フィンの上流側と下流とで静圧分布に位相差が生じ、このような静圧の不均一性に起因した力が回転体に作用してシール励振力が生じる。
特許文献2に開示された技術では、動翼(11)の頂部に設けられたシュラウド(12)に対向して複数のシールフィン(42)がロータ軸心線方向(L)に沿って複数設けられ、これらのシールフィン(42)が取り付けられたシールリング(41)には、シールフィン(42)の各相互間において同一深さ(D2)の溝部(43)が設けられている。溝部(43)の深さ(D2)は、シールフィン(42)を支持する強度を低下させない程度に設定されている。溝部(43)を設けることにより、シールフィン(42)の相互間の空間を、溝部が無い従来の蒸気タービンのシール構造の場合と比べて実質的に大きくすることができ、スチームホワール(不安定振動)の発生を抑制することができるとしている(段落[0025]〜[0028]、図4など参照)。
第1静止側凹所と第2静止側凹所とで深さ寸法を同じにするよりも、前記不均一性の小さな下流側の第2静止側凹所の深さ寸法を小さく設定して静止構造体の強度の低下を抑制し、その分、前記不均一性の大きな上流側の第1静止側凹所の深さ寸法を、静止構造体の強度を確保しつつ大きく設定することができる。
したがって、本発明によれば、凹所を設けることによる静止構造体の強度の低下を抑制しつつ、不安定振動を効果的に抑制できる。
本実施形態では、本発明のシール構造及びターボ機械を蒸気タービンに適用した例を説明する。
なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の各実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の各実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができると共に、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
また、蒸気タービンのロータ軸心線(以下、「軸心線」とも呼ぶ)CLに向く方向を内周側又は内側とし、その反対側、軸心線CLから離れる方向を外周側又は外側として説明する。
また、以下の説明で周方向と記載した場合は、特段の説明がない限り、軸心線CLを中心とした周方向を意味するものとする。
[1−1.蒸気タービンの全体構成]
本実施形態の蒸気タービン1について図1を参照して説明する。
本実施形態の蒸気タービン1は、図1に示すように、タービンケーシング(静止構造体、以下「ケーシング」とも呼ぶ)10と、ケーシング10の内部に回転自在に設けられ、動力を図示しない発電機等の機械に伝達するロータ軸30と、ケーシング10に設けられた静翼60と、ロータ軸30に設けられた動翼50と、軸心線CLを中心にロータ軸30を回転可能に支持する軸受部70とを備えて構成されている。静翼60及び動翼50はロータ軸30の径方向Rに延びるブレードである。
ケーシング10は静止しているのに対し、動翼50は軸心線CLを中心に回転する。つまり、ケーシング10と動翼50(後述のチップシュラウド4を含む)とは相対回転する。
軸受部70は、ジャーナル軸受装置71及びスラスト軸受装置72を備えており、ロータ軸30を回転自在に支持している。
これら環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。各動翼群を構成する複数の動翼50の先端部同士は、リング状のチップシュラウド(回転構造体)4により連結されている。
本実施形態のシール構造について、図2を参照して説明する。
複数の仕切板外輪11の各相互間には、図2に示すように、仕切板外輪11の内周面から窪んだキャビティ12が形成されている。キャビティ12は、軸心線CLを中心とする円環状の空間であり、ケーシング10の内周面(以下、「キャビティ底面13」とも表記する)13を底面とする。
キャビティ12には、チップシュラウド4が収容され、キャビティ底面13は、チップシュラウド4と隙間(以下、「空間」とも呼ぶ)Gdを介して径方向Rに対向している。
以下、シール構造2について説明する。
チップシュラウド4は、上述したようにリング状のものであり、図2に示すような軸方向Aに長い矩形の横断面形状を、全周に亘って一定に有している。
キャビティ底面13には、チップシュラウド4に向かって内周側に延在するシールフィン6A,6B,6Cが設けられている(図1では省略)。これらのシールフィン6A,6B,6Cは同一形状に設定されており、軸心線CLを中心としたリング状であって、図2に示す径方向Rに長い矩形の横断面形状を全周に亘って一定に有している。
また、シールフィン6A,6B,6Cは、軸方向Aに沿って所定のピッチB1,B2で配設されており、本実施形態では、シールフィン6Aとシールフィン6BとのピッチB1と、シールフィン6Bとシールフィン6CとのピッチB2とは同一寸法に設定されている(B1=B2)。つまり、シールフィン6A,6B,6Cは等ピッチで配置されている。
ここでいうピッチB1,B2とは、シールフィン6A,6B,6Cの厚さ方向(換言すれば軸方向A)中心線の相互間距離をいう。
以下、シールフィン6A,6B,6Cを区別しない場合には、シールフィン6と表記する。
なお、シールフィン6A,6B,6Cは同一形状である必要はなく、異なる形状であってもよい。
凹所14は、下流側になるほど浅く設定されており、上流側の凹所14Aの深さ寸法L1よりも下流側の凹所14Bの深さ寸法L2のほうが小さく(浅く)設定されている(L2<L1)。
ここで、キャビティ底面13、及び、凹所14A,14Bを画成する底面14cはそれぞれ軸心線CLを中心とした円周面であり、凹所14A,14Bの深さL1,L2とは、キャビティ底面13と底面14cとの径方向Rに関する距離である。
また、各凹所14は、軸方向Aに関して、隣接するシールフィン6に対して所定の距離ΔB(ΔB>0)をあけて形成されている。
本発明の第1実施形態としてのシール構造2の作用・効果を、図2を参照して説明する。
「発明が解決しようとする課題」の欄に記載したように、キャビティ底面13やチップシュラウド4の周辺の静圧分布が、周方向に対して不均一になることがある。しかし、キャビティ底面13には、凹所14A,14Bが設けられていることから、隙間Gdを実質的に拡大することとなり、周方向の静圧分布のばらつきを緩和することができる。つまり、凹所14A,14Bは、静圧分布の不均一性(非一様性)を緩和するアブソーバとしての機能(以下、「アブソーバ機能」と呼ぶ)を有している。
したがって、凹所14A,14Bの深さ寸法L1,L2を同一寸法に設定する場合に比べて、ケーシング10の強度の低下を抑制しつつタービンの不安定振動を効果的に抑制できる。
以下、図3を参照して本発明の第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の第2実施形態のシール構造2Aは、図2に示す第1実施形態のシール構造2に対して、径方向凹所14Aに、その外周端から下流側に向かって軸方向Aに延在する軸方向凹所14A′を連設し、径方向凹所14Bに、その外周端から下流側に向かって軸方向Aに延在する軸方向凹所14B′を連設したものである。
軸方向凹所14A′,14B′は、径方向凹所14A,14B側が開口すると共に軸心線CLを中心としてリング状に形成された凹所である。軸方向凹所14A′,14B′は、外周側底面14d,内周側底面14f及び側面14eにより画成されている。外周側底面14d,内周側底面14fは、互いに対向し、それぞれ軸方向Aに幅を持ったリング状の面である。また、外周側底面14dは、径方向凹所14の底面14cに面一に形成されている。側面14eは、これらの底面14d,14fの下流縁を繋ぎ径方向Rに幅を持ったリング状の面である。
その他の構造は第1実施形態のシール構造2と同様であるので説明を省略する。
本発明の第2実施形態によれば、径方向凹所14A,14Bに加えて軸方向凹所14A′,14B′を設けることにより、静圧分布の不均一性(非一様性)を緩和する凹所の容積を増加させることができるので、タービンの不安定振動を、第1実施形態よりも効果的に抑制することができる。
特に、シールフィン6A,6B,6Cの各相互間において径方向Rに延在する径方向凹所14A,14Bだけでは、軸方向Aの寸法を、シールフィン6A,6B,6CのピッチB1,B2よりも大きな寸法とすることはできないが、軸方向凹所14A′,14B′を設けることで、部分的にではあるが、径方向凹所14A,14Bの軸方向Aの寸法を、をピッチB1よりも長くすることができる。
また、上流側の径方向凹所14Aよりも下流側の径方向凹所14Bが浅く形成されているので、径方向凹所14Aの外周部下流側には空きスペースが形成されることとなる。この空きスペースを利用して径方向凹所14Aの外周部下流側に軸方向凹所14A′を形成することができ、効率的に凹所を配置することができる。
(1)上記第2実施形態では、軸方向凹所14A′,14B′を、径方向凹所14A,14Bの外周端に設けたが、径方向凹所14A,14Bの外周端に設けることは必須ではない。例えば、図3に二点鎖線で示すように、径方向凹所14Aの径方向Rに関する中間部に軸方向凹所14A′を連接するようにしてもよい。
以下、図4を参照して本発明の第3実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同一要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。
本発明の第3実施形態のシール構造2Bは、図2に示す第1実施形態のシール構造2に対して、チップシュラウド4に形成されたシュラウド凹所(以下、「凹所」とも呼ぶ)41A,41Bが追加されたものである。シュラウド凹所41A(第1回転側凹所)はケーシング凹所14Aに対向して配置され、シュラウド凹所41B(第2回転側凹所)はケーシング凹所14Bに対向して配置されている。以下、凹所41A,41Bを区別しない場合には凹所41と表記する。
凹所41は、本実施形態では、軸心線CLを中心として、シュラウド4の外周面(以下、「シュラウド外周面」とも呼ぶ)42の全周に亘って形成されたリング状の凹所である。凹所41は、チップシュラウド4の外周面から内周側に凹んでおり(すなわち径方向Rに沿って延設されており)、互いに対向し径方向Rに幅を持ったリング状の側面41a,41bと、これらの側面41a,41bの内周縁を繋ぎ軸方向Aに幅を持ったリング状の底面41cとにより画成されている。
したがって、凹所14A,41Aの相互間の空間100Aの高さ寸法(すなわち、「ケーシング凹所14Aの底面14c」と「シュラウド凹所41Aの底面41c」との距離)H1よりも、凹所14B,41Bの相互間の空間100Bの高さ寸法(すなわち、「ケーシング凹所14Bの底面14c」と「シュラウド凹所41Bの底面41c」との距離)H2のほうが小さく設定されていることとなる(H1>H2)。
[3−2.作用・効果]
本発明の第3実施形態によれば、ケーシング凹所14に加えてシュラウド凹所41を設けると共に、凹所14,41の相互間に形成される空間100を下流側になるほど小さく設定しているので、第1実施形態よりも効果的に、ケーシング10の強度の低下を抑制しつつタービンの不安定振動を抑制することができる。
(1)上記第3実施形態では、シュラウド凹所41Aの深さ寸法L1′よりもシュラウド凹所41Bの深さ寸法L2′を小さく設定したが、上流側の空間100Aの高さ寸法H1よりも下流側の空間100Bの高さ寸法H2のほうが小さければ、深さ寸法L1′よりも深さ寸法L2′を小さく設定する必要はない。例えば、上記第3実施形態において、深さ寸法L1′と深さ寸法L2′とを同じ寸法としてもよい。
(1)上記各実施形態では、各チップシュラウド4に対し、シールフィン6を3個設け、ケーシング凹所14をシールフィン6の各相互間に計2個設けたが、一つのチップシュラウド4に対して設けるシールフィン6の個数及びケーシング凹所14の個数はこれらの個数に限定されない。一つのチップシュラウド4に対してケーシング凹所14を3個以上設ける場合は、下流側になるほどケーシング凹所14の深さ寸法を短くするのが好ましいが、最上流側のケーシング凹所14Aの深さ寸法L1よりも、上流側から二番目のケーシング凹所14Bの深さ寸法L2が小さければ、これに限定されない。例えば、上流側から二番目のケーシング凹所14の深さ寸法と、上流側から三番目以降のケーシング凹所14の深さ寸法とを同じ寸法としてもよい。
一部のチップシュラウド4に本発明のシール構造を適用する場合には、静圧の不均一性が最大となることから、蒸気Sの入口である主流入口21に最も近い(換言すれば最も高圧側)のチップシュラウド4A(図1参照)に本発明のシール構造を適用するのが好ましい。
または、ロータ軸30の一次モードでの不安定振動が発生した場合、振幅は、軸方向Aで中央において最大になるので、軸方向Aで中央のチップシュラウド4B(図1参照)に本発明のシール構造を適用するのが好ましい。
蒸気タービンが、軸方向Aで中央から蒸気が供給される場合には、軸方向Aで中央のチップシュラウドが主流入口21に最も近いチップシュラウドになるので、この軸方向Aで中央且つ主流入口21に最も近いチップシュラウドに本発明のシール構造を適用すると相乗的な効果が得られる。
2,2A,2B シール構造
4 チップシュラウド(回転構造体)
4A 最も上流側に配置されたチップシュラウド
4B リーク蒸気SLの流れ方向で中央に配置されたチップシュラウド
6,6A,6B,6C シールフィン
10 タービンケーシング(静止構造体)
12 キャビティ
13 キャビティ底面(内周面)
14 ケーシング凹所(静止側凹所)
14A ケーシング凹所(第1静止側凹所)
14B ケーシング凹所(第2静止側凹所)
14A′,14B′ 軸方向凹所
14a,14b 凹所14,14A,14Bを画成する側面
14c 凹所14,14A,14Bを画成する底面
14d,14f 軸方向凹所14A′,14B′を画成する底面
14e 軸方向凹所14A′,14B′を画成する側面
20 蒸気供給管
21 主流入口
30 ロータ軸
31 ロータ軸本体
50 動翼
41 シュラウド凹所
41A シュラウド凹所(第1回転側凹所)
41B シュラウド凹所(第2回転側凹所)
42 シュラウド4の外周面
60 静翼
100,100A,100B ケーシング凹所14とシュラウド凹所41との相互間の空間
A 軸方向
B1 シールフィン6A,6Bの軸方向Aに関するピッチ
D1,D2 最大寸法
B2 シールフィン6B,6Cの軸方向Aに関するピッチ
CL ロータ軸心線(軸心線)
Gd 隙間
L1 凹所14Aの深さ寸法
L2 凹所14Bの深さ寸法
R 径方向
S 蒸気(作動流体)
SL リーク蒸気(リーク流)
ΔB シールフィン6と凹所14との距離
Claims (16)
- 軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体との間の前記隙間から、作動流体のリーク流の流れを抑制する、シール構造であって、
前記静止構造体には、前記回転構造体を収容するキャビティが備えられると共に、
前記キャビティの内周面には、前記軸心線側に向かって延在するシールフィンが設けられると共に、前記リーク流の流れ方向に沿って複数の静止側凹所が設けられ、
前記流れ方向で最上流側の第1静止側凹所よりも、前記流れ方向で前記第1静止側凹所の直下流側に配置された第2静止側凹所のほうが、深さ寸法を小さく設定された
ことを特徴とするシール構造。 - 前記静止構造体はタービンケーシングであり、
前記回転構造体は、軸方向に沿って複数設置され、動翼の先端に取り付けられたチップシュラウドであって、
前記シールフィンは、前記チップシュラウドに対して前記径方向に対向して配置された
ことを特徴とする、請求項1に記載のシール構造。 - 前記静止側凹所が前記流れ方向に沿って3つ以上備えられ、前記深さ寸法が、前記流れ方向で下流側になるほど小さく設定された
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載のシール構造。 - 前記シールフィンが前記流れ方向に沿って複数設けられ、
前記流れ方向で最上流側の第1シールフィンと、前記流れ方向で前記第1シールフィンの直下流側に配置された第2シールフィンとの相互間に、前記第1静止側凹所が設けられた
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載のシール構造。 - 前記第1静止側凹所の前記深さ寸法は、前記第1シールフィンと前記第2シールフィンとの間のピッチの2倍よりも大きく設定された
ことを特徴とする請求項4に記載のシール構造。 - 前記シールフィンの相互間のピッチは互いに同一に設定された
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載のシール構造。 - 前記シールフィンの少なくとも1つは、隣接する前記静止側凹所から軸方向に所定の距離をあけて設けられた
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載のシール構造。 - 前記第1静止側凹所と前記第2静止側凹所との少なくとも一方が、前記径方向に延設された
ことを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載のシール構造。 - 前記静止側凹所の少なくとも一つに、軸方向に延設された軸方向凹所が連設された
ことを特徴とする請求項8に記載のシール構造。 - 前記静止側凹所は、前記シールフィンの相互間に設けられ、
前記軸方向に関する寸法であって前記静止側凹所と前記軸方向凹所とのトータルの寸法が、前記シールフィンの相互間のピッチよりも大きく設定された
ことを特徴とする請求項9に記載のシール構造。 - 前記静止側凹所に対向して前記回転構造体に回転側凹所が設けられ、
前記回転側凹所として、少なくとも、前記第1静止側凹所に対向して設けられた第1回転側凹所、又は、前記第2静止側凹所に対向して設けられた第2回転側凹所が設けられた
ことを特徴とする請求項1〜請求項10の何れか一項に記載のシール構造。 - 前記回転構造体に前記第1回転側凹所及び前記第2回転側凹所が設けられ、
前記第1静止側凹所の底面と前記第1回転側凹所の底面との距離よりも、前記第2静止側凹所の底面と前記第2回転側凹所の底面との距離のほうが短く設定された
ことを特徴とする請求項11に記載のシール構造。 - 軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体と、請求項1〜12の何れか一項に記載のシール構造を備えた
ことを特徴とする、ターボ機械。 - 前記回転構造体として、前記軸方向に複数設けられたチップシュラウドを備えると共に、前記静止構造体として、前記複数のチップシュラウドを囲うタービンケーシングを備え、
前記複数のチップシュラウドの内の、少なくとも一つのチップシュラウドに対し、前記シール構造を備えたタービンであることを特徴とする、請求項13に記載のターボ機械。 - 前記少なくとも一つのチップシュラウドが、前記作動流体の入口の最も近くに配置されたチップシュラウドである
ことを特徴とする、請求項14に記載のターボ機械。 - 前記少なくとも一つのチップシュラウドが、軸方向中央に配置されたチップシュラウドである
ことを特徴とする、請求項14又は請求項15に記載のターボ機械。
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