JP2018048565A

JP2018048565A - 軸流タービンシール装置

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Publication number: JP2018048565A
Application number: JP2016182936A
Authority: JP
Inventors: 晴佳横江; Haruka Yokoe; 野村　大輔; Daisuke Nomura; 大輔野村; 村田　頼治; Yoriji Murata; 頼治村田; 威夫須賀; Takeo Suga
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2018-03-29

Abstract

【課題】軸流タービンシール装置における漏洩流量の低減により、タービン性能を向上さ
せた軸流タービンのシール装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本実施形態では、シール装置を構成するフィンのうち、回転部凸部に対向す
るフィンの上流側または下流側であって、回転部凸部の外周面上に設けられ、上流から下
流に上昇する斜面を有する凸部を有する軸流タービンシール装置を提供すること、または
回転部凸部におけるフィンの上流側の縁において、上流から下流に上昇する斜面を有する
ことにより上記目的を達成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、軸流タービンのシール性能を向上するシール装置に関する。

近年、地球温暖化の抑制が強く望まれる中、発電プラントにおいても発電効率の改善に
より発電用の燃料消費を減らし、二酸化炭素の排出を抑制することが必要とされている。
そのため、タービン性能の向上が重要な課題となっている。

タービン性能の向上を図るには、タービン段落の損失を改善する必要がある。タービン
段落の損失には、様々なものがあり、翼型形状そのものに起因するプロファイル損失と、
翼列間を流れる流体力に起因する二次流れ損失と、作動流体が翼列間を通過せずに翼列間
外部を通過、つまりタービン翼列以外へ漏洩することによる外部漏洩損失に分けることが
できる。

タービン段落は、図１１に示す、タービンノズル１やダイアフラム内輪１６などの静止部
品と、ロータ１３やタービン動翼５などの回転部品から構成されており、静止部品と回転
部品との位置関係において、回転部品との接触を避けるために隙間を設けることは、必要
不可欠である。そのため、タービン翼列以外の隙間に流体が必ず漏れることになり、漏洩
流量に応じてタービン出力の低下が生じることになる。さらに、漏洩した流体が、タービ
ン翼列を通過する流体と合流するときに、お互いの流れの方向が大きく異なっているため
、合流時にも損失が発生している。このように、タービン性能を向上させるためには、漏
洩流量を低減させることが大きな課題となっている。

一般的な蒸気タービンの段落の構成を図１１に示す。複数枚のタービンノズル１がダイ
アフラム外輪１７とダイアフラム内輪１６との間に形成され、かつ周方向に配列されてい
る。ダイアフラム内輪１６とロータ１３の間には、作動流体の漏洩を減らすために複数の
フィン４から構成されるラビリンスパッキン１８が周方向に取付けてある。このように形
成されたタービンノズル１の下流側には、上記各タービンノズル１に対向して複数枚のタ
ービン動翼５が配設されている。このタービン動翼５はロータディスク３２の外周の周方
向に所定間隔で列状に植設されており、タービン動翼５の外周端には、タービン動翼を固
定するためのスナッパ３１が装着されてあり、スナッパ３１とダイアフラム外輪１７にも
作動流体の漏洩を防止するためのフィン４とラビリンスパッキン１８が取付けてられてい
る。

漏洩流量を減らすため、様々なシール技術が発明および製品に採用されているが、蒸気
タービンに広く採用されているものはラビリンスパッキンである（特許文献１参照）。ラ
ビリンスパッキンは、回転体であるロータに対して板形状のフィンを軸流方向に複数設置
した構造である。特に、図１０に示すフィン４の高さが大きいものと小さいものを交互に
配置するラビリンスパッキンが多く適用されている。ラビリンスパッキンのフィン４は、
小さな通過面積と相対的に広い空間を順次配列する構成になっており、フィンの先端はロ
ータ１３の回転体に接近して設置される。狭い通過面積と広い空間を通過することで漏洩
流体の加速、減速の順次反復を繰り返して流体を膨張させることで、流体抵抗が増して漏
洩流量が低減される。しかしながら、流量全体の数パーセントが漏洩流量として存在して
おり、タービン効率の低下を招いている。

特開２００２−３２１４１１３号公報

上記の通り、従来の軸流タービンでは、クリアランスを詰めてリークを減らそうとする
と静止側と回転側で接触するなど限界があり、シール装置部分における漏洩流量を十分に
低減させることができず、タービン翼列部の流量低下にとともなうタービン出力の低下す
なわちタービン効率を低下させている問題があった。さらに、シール装置部より漏洩した
流体が、タービン翼列を通過する流体と合流するときに、お互いの流れの方向が大きく異
なっているため、合流時に損失が発生し、タービン効率を低下させる問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、軸流タービンのシール装
置を改善することで、シール装置における漏洩流量の低減によりタービン性能を向上させ
た軸流タービンのシール装置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、シール装置を構成するフィンのうち、回転部凸部
に対向するフィンの上流側または下流側であって、回転部凸部の外周面上に設けられ、上
流から下流に上昇する斜面を有する凸部を有する軸流タービンシール装置を提供すること
により上記目的を達成する。

本発明によれば、凸部によりフィンに当たった流体が、間隙を通過しようとする流体を圧
縮することにより、流体が漏洩しにくくすることができるため、軸流タービンのシール装
置を改善することで、シール装置における漏洩流量の低減によりタービン性能を向上する
ことができる。

本発明の実施形態１を示すシール装置図従来例の流れ様子を説明する図実施形態１の流れ様子を説明する図本発明の実施形態２を説明する図本発明の実施形態２を説明する図本発明の実施形態３を説明する図本発明の実施形態４を説明する図本発明の実施形態４を説明する図本発明の実施形態５を示すシール装置図従来シール装置の図タービン段落の構成図

以下、本発明に係わる軸流タービンとシール装置の実施形態について添付図面を参照し
て説明する。

（実施形態１）
図１から３を用いて実施形態１を説明する。図１は本実施形態１における代表的な軸流
タービンのラビリンスシール構造を示す。回転部であるロータ１３に植設される動翼の先
端に位置するシュラウド３１の外周面には、軸方向に沿って環状の回転部凸部１５と回転
部凹部３３とが設けられる。

前記ロータに対向する静止部１１の内周面に沿って円環状に複数個フィン４が配列される
。具体的には、回転部凸部１５にフィン８が対向し、回転部凹部３３にフィン７が対向し
ている。

また、回転部凸部１５に位置するフィンの上流側における、回転部凸部１５の外周面上に
凸部１４を設置し、上流から下流に上昇する斜面１４ａを有することを特徴とする。

一般的にシール部分の漏洩流量を減らすためには、フィンの絞り部間隙面積を小さくする
こと、または、フィンの枚数を多くすること、または、フィンの流体抵抗を大きくするこ
とが考えられる。しかしながら、実際のタービン段落では、フィン７，８と回転体である
ロータ１３の接触を避けるため、ある程度の間隙を確保しなければならないし、また、軸
方向にも、タービン全長をむやみに延ばせないため制限がありフィン４の設置枚数も限界
がある。そのため、現状のシール構造において、漏洩流量をさらに低減させることが難し
い。

従来型シール構造における流体の流れを示すために、ロータ外周面に軸方向に沿って形成
された環状凸部の拡大を図２に示す。流体は、図の左から右に向かって流れている条件で
ある。図２に示す通り、主にロータ１３の回転により遠心力が働き、図のような渦構造と
なる。フィン８の先端に向け大きな渦１０により穏やかに圧縮されながらフィン８の間隙
を通過する。

一方、本実施形態の流体の流れを図３に示す。回転部凸部外周面上を流れる流体は、回転
部凸部１５の外周面上に設置した上流から下流に上昇する斜面をもつ凸部１４により斜面
方向に流れの向きが変わり、フィン８の間隙よりも上部に衝突する。その後、一部の流体
はフィン８に沿って図の内径方向（図では下方側）に向かって流れ、回転部凸部１５表面
上に衝突し、フィン８の間隙を通過するが、残りの流体はフィン８に沿って図の外径方向
（図では上方側）に向かって流れ、静止部１１の内周面上、フィン７、回転部凸部外周面
上の順に衝突し、渦３５を形成する。この際、渦３５と逆回転の強力な渦３６が狭い空間
に発生する。これにより間隙を通過しようとする流れは強く圧縮されて、漏洩がしにくく
なる。本実施形態の構造とすることで、シール部における漏洩流量を低減することでター
ビン効率を向上させることができる。

（実施形態２）
図４から図５を用いて実施形態２を説明する。図４は本実施形態を説明する記号につい
て記載しており、回転部凸部１５と静止部１１の内周面のフィン８との間隙をＨ、回転部
凸部１５に設置した上流から下流に上昇する斜面をもつ凸部１４の高さをhとしたとき、
０．５×Ｈ≦ｈ≦Ｈの関係を満たしていることを特徴とする。図５にhと漏洩量の関係を
示した概念図である。ｈが０．５×Ｈ以下では、漏洩流量の低減が少なく、０．５×Ｈ以
上になると漏洩流量低減効果が大きくなる。上流から下流に上昇する斜面をもつ凸部１４
のｈの高さが低い場合は、回転部凸部外周面上を流れる流体は、上流から下流に上昇する
斜面をもつ凸部１４により斜面方向に流れの向きが変わっても、外径方向に対して十分な
高さではないためフィン８に衝突せずにフィン８の間隙を通過する。このため、漏洩流量
の低減とはならない。一方、ｈを０．５×Ｈ以上にすることで、上流から下流に上昇する
斜面をもつ凸部１４により斜面方向に流れの向きが変わり、フィン８に衝突し、内径方向
への流れが生じ、間隙の流れを効果的に縮流させることができる。また、ｈをＨより大き
くすると、ロータ軸方向における伸び差により接触する可能性があることから、ｈをＨ以
下とすることが望ましい。

次に、上流から下流に上昇する斜面をもつ凸部１４の斜面の上昇開始位置からフィン先
端位置までの軸方向距離をＷ、回転部凸部１５の外周面上から外径方向（図では上方側）
に上昇する前記斜面の角度をθとするとき、θ≧tan^-1 (Ｈ/Ｗ) の関係を満たしている
ことを特徴とする。

蒸気タービンの起動運転途中では、ロータと静止部において温度差が生じるため、各々
の温度の違いにより熱伸びに差が発生する。これにより、静止部のフィンとロータの軸方
向位置が相対的に変化する。この位置の変化により、ロータ１３外周面の環状凸部１５の
外周面上に設置された上流から下流に上昇する斜面を有する凸部１４とフィン８とが同じ
軸方向位置となり、ロータの偏心により接触する可能が生じる。回転接触した場合、高速
接触による発熱でフィン８の変形もしくは損傷に到り、タービンに大きなダメージを及ぼ
すことになる。さらに、フィン８の変形により間隙が大きくなり、漏洩流量が増加し、タ
ービン出力の低下を招くことになる。

よって凸部１４とフィン８との接触を防ぐために、両者の間隔Ｗを離すのが好ましいが
、Ｗの距離を離した場合でも、θ≧tan^-1 (Ｈ/Ｗ) の関係を満たしていれば、上流から下
流に上昇する斜面をもつ凸部１４により斜面方向に流れの向きが変わり、フィン８に衝突
することで、内径方向への流れが生じ、間隙の流れを効果的に縮流させることができる。

（実施形態３）
図６を用いて実施形態３を説明する。実施形態１で示した、回転部凸部１５に位置する
フィン８の上流側に設置した上流から下流に上昇する斜面をもつ凸部６が、フィン８の下
流側に設置されていることを特徴とする。図６では、回転部凸部の外周面上を流れる流体
はフィン８の間隙を通過するが、フィン８の間隙を通過した流体は、フィンの下流側に設
置されている上流から下流に上昇する斜面をもつ凸部６により、斜面方向に流れの向きが
変わり、外径方向（図では上方側）に向かって流れ、それが流体抵抗になり、フィン８の
間隙を通過する流体の速度を減速させることができる。本実施形態の構造とすることで、
シール部における漏洩流量を低減することでタービン効率を向上させることができる。

次に、回転部凸部１５に位置するフィン８の下流側に設置した凸部６が、快削材で形成
されていることを特徴とする。

快削材は、高速接触に対して非発熱状態に維持される材質である。このため、本実施形
態のように上流から下流に上昇する斜面をもつ凸部６に快削材を用いることで、上述のよ
うに高速回転で接触した際にもフィン８の損傷を防ぎ、タービンに大きなダメージを回避
できる。さらに、フィン８の変形を防止し、タービン出力の低下を防止できる。

（実施形態４）
図７〜８を用いて実施形態４を説明する。回転部であるロータ１３の外周面の軸方向に
沿って環状凹凸部を形成したロータと、前記ロータ１３に対向する静止部の内周面に沿っ
て円環状に複数個配列されたフィン４とを備えたシール装置において、前記回転部凹部３
３にフィン７が向かい合い、前記ロータの凸部１５にフィン８が向かい合い、回転部凸部
１５に向かい合うフィン８の上流側の縁１２において、縁１２は上流から下流に上昇する
斜面を有することを特徴とする。

図７に示す通り、回転部凸部１５に向かう流体はフィン８上流側の縁１２により斜面方
向に流れの向きが変わり、フィン８の間隙よりも上部に衝突する。その後、一部の流体は
フィン８に沿って図の内径方向（図では下方側）に向かって流れ、ロータの凸部１５表面
上に衝突し、フィン８の間隙を通過するが、残りの流体はフィン８に沿って図の外径方向
（図では上方側）に向かって流れ、静止部１１の内周面上、フィン７、回転部凸部外周面
上の順に衝突し、渦３５を形成する。この際、渦３５と逆回転の強力な渦３６が狭い空間
に発生する。これにより間隙を通過する流れは強く圧縮されて、間隙より狭い状態で漏洩
流体が通過することになる。更に、ロータ外周面の凸部１５と静止部１１の内周面からの
フィン８との間隙を小さくすることがないため、上述にようにロータの軸方向における伸
び差による接触の可能性がより減少し、内径方向への流れを発生させることで漏洩流体を
縮流させることができる。

次に、図８に本実施形態の回転部凸部１５とフィン８との関係について記載する。上流
から下流に上昇する斜面を有する縁１２の上昇開始位置から上昇終点位置までの高さをｄ
、ロータ１３外周面の環状凸部１５と静止部１１の内周面のフィン８との間隙をＨ、前記
斜面をもつ縁１２の上昇開始位置から前記フィン８先端位置までの軸方向距離をＷ、前記
回転部凸部１５の外周面上から上流側に下降する角度をθとするとき、θ≧ tan^-1 ｛ (
ｄ+Ｈ)/Ｗ｝の関係を満たしていることを特徴とする。

θ≧ tan^-1 ｛ (ｄ+Ｈ)/Ｗ｝の関係を満たしていれば、上流から下流に上昇する斜面
をもつ縁１２により斜面方向に流れの向きが変わり、フィン８に衝突することで、内径方
向への流れが生じ、間隙の流れを効果的に縮流させることができる。これにより、ロータ
外周面の凸部１５と静止部内周面のフィン８との間隙を小さくすることがないため、ロー
タの軸方向における伸び差により接触する可能性がより減少し、更に、内径方向への流れ
をより効果的に発生させることができるため、漏洩流量を低減できる。

続いて、０．５×Ｈ≦ｄの関係を満たしていることを特徴とする。実施形態１に記載の
hと同様に、ｄが０．５×Ｈ以下では、漏洩流量の低減が少なくなる。上流から下流に上
昇する斜面をもつ縁１２の高さｄが低い場合は、回転部凸部外周面上を流れる流体は、上
流から下流に上昇する斜面をもつ縁１２により斜面方向に流れの向きが変わっても、外径
方向に対して十分な高さではないためフィン８に衝突せずにフィン８の間隙を通過する。
このため、漏洩流量の低減とはならない。一方、dを０．５×Ｈ以上にすることで、上流
から下流に上昇する斜面をもつ縁１２により斜面方向に流れの向きが変わり、フィン８に
衝突し、内径方向への流れが生じ、間隙の流れを効果的に縮流させることができる。
なお、第１から第４実施形態においては、ロータ流体を上昇させる凸部を回転部凸部に

（第５実施形態）
図９を用いて実施形態５を説明する。回転部であるロータ１３の外周面にフィン４が複
数個配列されたロータと、前記ロータ１３に対向する静止部１１の内周面に沿って環状凹
凸部を形成する静止部とを備えたシール装置において、前記静止部１１の凹部３４にフィ
ン４と、前記静止部１１の凸部２にフィン４が位置され、前記静止部１１の凸部２に位置
するフィン４の上流側に、前記静止部１１の凸部２の外周面上の凸部３を設置し、上流か
ら下流に上昇する斜面を有することを特徴とする。静止部１１に上述した実施形態１〜４
までの構造を適用しても同様の効果が得られ、漏洩量を抑制し、タービン効率を向上させ
ることができる。

なお、以上第１から第５実施形態において、回転部凸部または静止部凸部に対向するフ
ィンは図では１つの場合を説明したが、２つ以上ある場合でも本発明を適用することがで
きる。

７，８・・・フィン、１０・・・渦、１１・・・静止部、１２・・・縁、１４・・・上流
から下流に上昇する斜面を有する凸部、１５・・・回転部凸部、３１・・・ロータ、３３
・・・回転部凹部、３４・・・静止部凹部、３５、３６・・・渦

Claims

軸流タービンのロータに植設される動翼の外周面の軸方向に沿って環状の回転部凹部と回
転部凸部とが交互に並ぶよう形成され、前記回転部凹部、前記回転部凸部に対向し静止部
の内周面に沿って円環状に複数個配列されたフィンを備えた軸流タービンシール装置にお
いて、
前記フィンのうち、前記回転部凸部に対向するフィンの上流側または下流側であって、前
記回転部凸部の外周面上に設けられ、上流から下流に上昇する斜面を有する凸部を有する
ことを特徴とする軸流タービンシール装置。
前記回転部凸部の外周面上に設けられる凸部における上流から下流に上昇する斜面の高さ
をｈ、ロータ外周面の回転部凸部と静止部内周面のフィンとの間隙をＨとするとき、
０．５×Ｈ≦ｈ≦ｄ
の関係を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービンシール装置。
前記回転部凸部の外周面上に設けられる凸部が前記フィンの上流側に位置する場合、上流
から下流に上昇する斜面の高さをｈ、ロータ外周面の環状凸部と静止部内周面のフィンと
の間隙をＨ、前記斜面の上昇開始位置から前記フィン位置までの軸方向距離をＷ、前記ロ
ータの凸部外周面上から上昇する前記斜面の角度をθとするとき、
θ≧tan^-1 (Ｈ/Ｗ)
の関係を満たしていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流タービンシール装
置。
前記回転部凸部に位置する上流から下流に上昇する斜面をもつ凸部が、快削材で形成され
ることを特徴とする請求項１に記載の軸流タービンシール装置。
軸流タービンのロータに植設される動翼の外周面の軸方向に沿って環状の回転部凹部と回
転部凸部とが交互に並ぶよう形成され、前記回転部凹部、回転部凸部に対向し静止部の内
周面に沿って円環状に複数個配列されたフィンとを備えた軸流タービンシール装置におい
て、
前記回転部凸部における前記フィンの上流側の縁において、上流から下流に上昇する斜面
を有することを特徴とする軸流タービンシール装置。
上流から下流に上昇する斜面を有する縁の斜面の高さをd、ロータ外周面の環状凸部と静
止部内周面のフィンとの間隙をＨ、前記斜面をもつ縁の上昇開始位置から前記フィン先端
位置までの軸方向距離をＷ、前記回転部凸部の外周面上から上流側に下降する角度をθと
するとき、
θ≧ tan^-1 ｛ (ｄ＋Ｈ)/Ｗ｝
の関係を満たしていることを特徴とする請求項５に記載の軸流タービンシール装置。
上流から下流に上昇する斜面の高さをd、ロータ外周面の環状凸部と静止部内周面のフィ
ンとの間隙をＨとするとき、
０．５×Ｈ≦ｄ
の関係を満たしていることを特徴とする請求項６に記載の軸流タービンシール装置。
軸流タービンのロータの外周面に対向する静止部の内周面に沿って形成される環状の静止
部凹部と静止部凸部とが交互に並ぶように形成された静止部と、前記静止部凹部と前記静
止部凸部とに対向し、ロータの外周面に沿って円環状に複数配列されたフィンとを備えた
軸流タービンシール装置において、
前記静止部凸部に対向するフィンの上流または下流であって、前記静止部凸部の外周面上
に設けられ、上流から下流に上昇する斜面を有する凸部を有することを特徴とする軸流タ
ービンシール装置。
軸流タービンのロータの外周面に対向する静止部の内周面に沿って形成される環状の静止
部凹部と静止部凸部とが交互に並ぶように形成された静止部と、前記静止部凹部と前記静
止部凸部とに対向し、ロータの外周面に沿って円環状に複数配列されたフィンとを備えた
軸流タービンシール装置において、
前記静止部凸部における前記フィンの上流側の縁において、上流から下流に上昇する斜面
を有することを特徴とする軸流タービンシール装置。