JP2019178700A

JP2019178700A - 回転機械

Info

Publication number: JP2019178700A
Application number: JP2018066990A
Authority: JP
Inventors: 西本　慎; Shin Nishimoto; 西本　　慎; 古庄　達郎; Tatsuro Kosho; 達郎古庄; 上原　秀和; Hidekazu Uehara; 秀和上原; 亜積吉田; Azumi Yoshida; 昴平尾▲崎▼; Kohei Ozaki
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-10-17
Also published as: WO2019187330A1

Abstract

【課題】回転機械において、静止体と回転体との間でシールフィンにより囲まれるキャビティの形状を最適化することでシール性能の向上を図る。【解決手段】ロータ１２の外周部に軸方向に交互に設けられる小径部３１及び大径部３２と、シール装置１６（ラビリンスシール３５）の内周部に軸方向に所定間隔をあけて交互に設けられて小径部３１の径方向に対向する長尺フィン３３及び大径部３２の径方向に対向する短尺フィン３４とを備え、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側におけるラビリンスシール３５の内径を、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側におけるラビリンスシール３５の内径より大きく設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、静止側と回転側との間で流体の漏えいを防止するシール装置が配置される回転機械に関するものである。

例えば、蒸気タービンは、ケーシング内にロータが軸受により回転自在に支持され、ロータに複数段の動翼が固定される一方、ケーシングに複数段の静翼が固定されて構成されている。そして、蒸気がケーシングの供給口から供給され、複数の動翼と静翼を通過することで、各動翼を介してロータが駆動回転し、排出口から外部に排出される。

このような蒸気タービンでは、ケーシングとロータとの間における蒸気の軸方向の漏れ流れを防止するため、ケーシングとロータとの間にシール装置が設けられている。そして、シール装置としては、一般的にラビリンスシールが適用されている。ラビリンスシールは、ケーシングの内面に複数のシールフィンが設けられて構成されている。各シールフィンとロータとの間に隙間を形成することで圧力損失を発生させ、この圧力損失により軸方向における流体の漏れ流れを抑制する。このようなシール装置として、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載されたラビリンスシールは、外周に凸部及び凹部が形成された回転体と、内周にフィン状シール部材が設けられたシールリングとを互いに対峙するように配置するものである。

特開平１１−３０３３８号公報

上述した特許文献１に記載されたラビリンスシールでは、シールリングにおける長尺のシールフィンの先端が回転体の凹部に対峙し、短尺のシールフィンの先端が回転体の凸部に対峙している。そのため、流体がシールリングと回転体との間を高圧側から低圧側に向けて軸方向に流れるとき、長尺のシールフィンの先端と回転体の凹部との隙間を通過した流体が、回転体の凸部の壁面により径方向の外側に流れ、凸部から剥離するときに渦流が形成され、短尺のシールフィンの先端と回転体の凸部との隙間に発生する縮流により低圧側への流体の漏えいを抑制する。ところが、このとき、長尺のシールフィンと短尺のシールフィンとの間で形成された渦流は、シールリングの内周面に接触することで流速が低下し、短尺のシールフィンの先端と回転体の凸部との隙間からの流体の漏えいを十分に抑制することができないおそれがある。

本発明は上述した課題を解決するものであり、静止体と回転体との間でシールフィンにより囲まれるキャビティの形状を最適化することでシール性能の向上を図る回転機械を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の回転機械は、回転体と静止体との間に流体の軸方向流れを抑制するシール装置が配置される回転機械において、前記回転体の外周部に軸方向に交互に設けられる小径部及び大径部と、前記シール装置の内周部に軸方向に所定間隔をあけて交互に設けられて前記小径部の径方向に対向する長尺フィン及び前記大径部の径方向に対向する短尺フィンと、を備え、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側における前記シール装置の内径が、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの下流側における前記シール装置の内径より大きく設定される、ことを特徴とするものである。

従って、静止体に対して回転体が回転するとき、両者の間に流れる流体は、小径部の外周面と長尺フィンの先端との隙間を通って流れ、大径部の壁面に衝突して径方向の外側に流れる。この径方向の外側に流れる流体は、大径部の外周面から剥離するときに渦流を形成するため、短尺フィンの先端と大径部の外周面との隙間の近傍に縮流が生成され、大径部の外周面と短尺フィンの先端との隙間からの流体の漏えいが抑制される。このとき、短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側におけるシール装置の内径が大きく設定されることから、流体が静止体の内周面に接触しにくくなって渦流の形成を阻害することがなく、大径部の外周面と短尺フィンの先端との隙間からの流体の漏えいを適切に抑制することができる。その結果、静止体と回転体との間でシールフィンにより囲まれるキャビティの形状を最適化することでシール性能の向上を図ることができる。

本発明の回転機械では、前記シール装置の内周部で前記長尺フィンと前記短尺フィンとの間に凹部形状をなすキャビティが設けられ、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側における第１キャビティの径方向長さが、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの下流側における第２キャビティの径方向長さより大きいことを特徴としている。

従って、短尺フィンより上流側の第１キャビティの径方向長さを短尺フィンより下流側の第２キャビティの径方向長さより大きく設定することから、第１キャビティ内を径方向の外側に流れる流体が第１キャビティの底面に接触しにくくなって適切に渦流を形成することができ、大径部の外周面と短尺フィンの先端との隙間からの流体の漏えいを適切に抑制することができる。

本発明の回転機械では、前記第１キャビティは、軸方向に沿う湾曲形状をなすことを特徴としている。

従って、第１キャビティが軸方向に沿う湾曲形状をなすことから、第１キャビティ内を径方向の外側に流れる流体が湾曲形状をなす第１キャビティの底面に沿って流れることで、渦流を適切に形成することができる。

本発明の回転機械では、前記第１キャビティの径方向長さＤ１と前記第２キャビティの径方向長さＤ２との差の径方向長さＤａは、
Ｗ・（１／３）＜Ｄａ＜Ｗ・２
に設定されることを特徴としている。

従って、第１キャビティの径方向長さを最適な範囲に設定することから、第１キャビティを流れる流体により渦流を適切に形成することができる。

本発明の回転機械では、前記第１キャビティの径方向長さＤ１と前記第２キャビティの径方向長さＤ２との差の径方向長さＤａは、
Ｗ・（１／３）＜Ｄａ＜Ｗ・（２／３）
に設定されることを特徴としている。

本発明の回転機械では、前記第１キャビティの径方向長さＤ１と前記大径部の径方向長さＤ３の合計値に対する前記第１キャビティの径方向長さＤ１の割合は、
Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ３）＞１／２
に設定されることを特徴としている。

従って、第１キャビティの径方向長さと大径部の径方向長さの関係を最適な範囲に設定することから、第１キャビティを流れる流体により渦流を適切に形成することができる。

本発明の回転機械によれば、静止体と回転体との間でシールフィンにより囲まれるキャビティの形状を最適化することでシール性能の向上を図ることができる。

図１は、本実施形態のシール装置を表す断面図である。図２は、シール装置を表す概略斜視図である。図３は、シール装置の寸法関係を説明するための概略図である。図４は、本実施形態のシール装置の第１変形例を表す断面図である。図５は、本実施形態のシール装置の第２変形例を表す断面図である。図６は、本実施形態の回転機械としての蒸気タービンを表す概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る回転機械の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、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て構成するものも含むものである。

図６は、本実施形態の回転機械としての蒸気タービンを表す概略図である。

本実施形態では、本発明の回転機械として、蒸気タービンを例に挙げて説明する。図６に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング１１と、ロータ（回転軸）１２と、静翼１３と、動翼１４と、軸受１５と、シール装置１６とを備えている。

ケーシング１１は、中空形状をなし、内部にロータ１２が水平方向に沿って配置されている。静翼１３は、ケーシング１１の内周部にロータ１２の軸方向に所定間隔を空けて複数固定されている。ロータ１２は、外周部に軸方向に所定間隔を空けて複数のロータディスク２１が固定されており、動翼１４は、各ロータディスク２１の外周部に複数固定されている。各静翼１３と各動翼１４は、ロータ１２の軸方向に沿って交互に配置されている。

また、ロータ１２は、軸方向の各端部が軸受１５により回転自在に支持されている。ロータ１２は、軸方向の各端部とケーシング１１との間にシール装置１６が設けられている。各シール装置１６は、各軸受１５よりも内部側、つまり、静翼１３及び動翼１４側に配置されている。

ケーシング１１は、軸方向の一端部側に蒸気供給口２２が設けられ、蒸気供給口２２は、蒸気通路２３を通して各静翼１３及び各動翼１４が配置される車室２４に連通されている。そして、車室２４は、排気室２５を通して蒸気排出口２６に連通されている。

そのため、蒸気が蒸気供給口２２から蒸気通路２３を通して車室２４に供給されると、この蒸気が複数の静翼１３及び複数の動翼１４を通過することで、各動翼１４を介してロータ１２が駆動回転し、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。その後、動翼１４を駆動した蒸気は、排気室２５を通して蒸気排出口２６から排出される。

ここで、上述したシール装置１６について詳細に説明する。図１は、本実施形態のシール装置を表す断面図、図２は、シール装置を表す概略斜視図、図３は、シール装置の寸法関係を説明するための概略図である。

本実施形態の回転機械としての蒸気タービン１０は、回転体としてのロータ１２と、静止体としてのケーシング１１と、ロータ１２とケーシング１１との間に設けられるシール装置１６とを有している。シール装置１６は、ロータ１２とケーシング１１との間に設けられ、ケーシング１１の内部から外部へ流れる蒸気（流体）の軸方向流れを抑制するものである。なお、図１から図３に図示するシール装置１６は、蒸気タービン１０における蒸気供給口２２側に配置されるものを表している。

図１及び図２に示すように、シール装置１６は、ケーシング１１とロータ１２との間に設けられ、このケーシング１１とロータ１２との間をロータ１２の軸方向に沿って高圧側Ｈから低圧側Ｌに流れる蒸気Ｓの流れ（漏えい）を抑制するものである。

蒸気タービン１０は、ロータ１２側に複数の小径部３１及び複数の大径部３２が設けられる。シール装置１６は、ケーシング１１側に複数の長尺フィン３３及び複数の短尺フィン３４が設けられる。各小径部３１と各長尺フィン３３が径方向に対向し、各大径部３２と各短尺フィン３４が径方向に対向している。本実施形態では、ケーシング１１側にシール装置１６を構成するラビリンスシール３５が設けられ、このラビリンスシール３５に長尺フィン３３と短尺フィン３４が設けられている。

ロータ１２は、外周部における軸方向の端部に小径部３１と大径部３２が軸方向に沿って交互に設けられている。この場合、ロータ１２は、中心線Ｏに対して所定の外径Ｄを有する基準外周位置Ｐ１が設定され、基準外周位置Ｐ１を基準として小径部３１と大径部３２の径方向位置が設定されている。ここで、本実施形態では、小径部３１と大径部３２は、軸方向における長さが同様であり、基準外周位置Ｐ１に対する径方向の長さが同様であるが、小径部３１と大径部３２における軸方向における長さが異なっていたり、基準外周位置Ｐ１に対する径方向の長さが異なっていたりしてもよい。ロータ１２は、小径部３１を形成する第１外周面４１と、大径部３２を形成する第２外周面４２と、第２外周面４２に対して軸方向の一方側に設けられる第１壁面４３と、第２外周面４２に対して軸方向の他方側に設けられる第２壁面４４とを有している。第１外周面４１と第２外周面４２は、周方向に連続し、中心線Ｏに対して平行をなし、周方向で外径が一定となっている。また、第１壁面４３と第２壁面４４は、周方向に連続し、中心線Ｏに対して直角をなし、軸方向の位置が一定となっている。

ラビリンスシール３５は、リング形状をなし、ケーシング１１の内周面に固定されている。ラビリンスシール３５は、内周部にロータ１２の軸方向に所定間隔をあけて長尺フィン３３と短尺フィン３４が交互に設けられている。ラビリンスシール３５は、長尺フィン３３の先端部がロータ１２の小径部３１に対して径方向の外側に対向し、短尺フィン３４の先端部がロータ１２の大径部３２に対して径方向の外側に対向している。この場合、ラビリンスシール３５は、ロータ１２の基準外周位置Ｐ１に対して所定の径方向隙間Ｇを有する基準内周位置Ｐ２が設定されている。

ここで、長尺フィン３３と短尺フィン３４は、軸方向に等間隔で設けられており、ロータ１２の中心線Ｏに向けて延出された先細形状をなしており、短尺フィン３４に対して長尺フィン３３の径方向長さが長くなっている。つまり、長尺フィン３３は、短尺フィン３４よりも先端部が中心線Ｏ側に延出している。なお、長尺フィン３３と短尺フィン３４は、軸方向に等間隔に設けなくてもよい。また、そして、長尺フィン３３は、先端部と小径部３１の第１外周面４１との間に所定隙間が確保され、短尺フィン３４は、先端部とロータ１２の大径部３２の第２外周面４２との間に所定隙間が確保されている。本実施形態にて、ケーシング１１の内部の蒸気Ｓが高圧側Ｈから低圧側Ｌに流れる構成に対して、長尺フィン３３、短尺フィン３４、長尺フィン３３、短尺フィン３４、長尺フィン３３の順に配置されている。但し、ケーシング１１の内部の蒸気Ｓが高圧側Ｈから低圧側Ｌに流れる構成に対して、短尺フィン３４から始まってもよいし、短尺フィン３４で終わってもよい。長尺フィン３３は、高圧側Ｈに対向する第１シール面５１と、低圧側Ｌに対向する第２シール面５２とを有している。短尺フィン３４は、高圧側Ｈに対向する第１シール面５３と、低圧側Ｌに対向する第２シール面５４とを有している。各第１シール面５１，５３と各第２シール面５２，５４は、それぞれ周方向に連続し、中心線Ｏに対して直角をなし、軸方向の位置が一定となっている。

また、ラビリンスシール３５は、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側（高圧側Ｈ）における内径が、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側（低圧側Ｌ）における内径より大きく設定されている。即ち、ラビリンスシール３５は、内周部で長尺フィン３３と短尺フィン３４との間に凹部形状をなすキャビティ５５，５６が設けられている。第１キャビティ５５は、短尺フィン３４より高圧側Ｈに設けられ、第２キャビティ５６は、短尺フィン３４より低圧側Ｌに設けられている。

そして、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側（高圧側Ｈ）における第１キャビティ５５の径方向長さが、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側（低圧側Ｌ）における第２キャビティ５６の径方向長さより大きく設定されている。即ち、第１キャビティ５５は、第２シール面５２と第１シール面５３と第１底面５７により構成され、第２キャビティ５６は、第２シール面５４と第１シール面５１と第２底面５８により構成されている。第１底面５７と第２底面５８は、周方向に連続し、中心線Ｏに対して平行をなし、周方向で内径が一定となっている。第１底面５７の内径は、第２底面５８の内径より大きい寸法となっている。そのため、第１底面５７（または、第２底面５８）から先端部までの長尺フィン３３の径方向長さは、第１底面５７（または、第２底面５８）から先端部までの短尺フィン３４の径方向長さより長くなっている。

図３に示すように、短尺フィン３４の先端から第１底面５７までの径方向長さを第１キャビティ５５の径方向長さＤ１と規定し、短尺フィン３４の先端から第２底面５８までの径方向長さを第２キャビティ５６の径方向長さＤ２と規定し、第１キャビティ５５の径方向長さＤ１と第２キャビティ５６の径方向長さＤ２との差は、径方向長さＤａとなる。また、第１キャビティ５５の軸方向長さをＷと規定する。すると、第１キャビティ５５の径方向長さＤ１と第２キャビティ５６の径方向長さＤ２との差の径方向長さＤａは、第１キャビティ５５の軸方向長さＷにおける１／３から２の範囲に設定されることが好ましい。
Ｗ・（１／３）＜Ｄａ＜Ｗ・２
また、更に好ましくは、径方向長さＤａは、第１キャビティ５５の軸方向長さＷにおける１／３から２／３の範囲に設定される。
Ｗ・（１／３）＜Ｄａ＜Ｗ・（２／３）

また、小径部３１に対する大径部３２の径方向長さをＤ３と規定する。すると、第１キャビティ５５の径方向長さＤ１と大径部３２の径方向長さＤ３の合計値に対する第１キャビティ５５の径方向長さＤ１の割合は、１／２（５０％）より大きく設定されることが好ましい。
Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ３）＞１／２

そのため、図１に示すように、ケーシング１１に対してロータ１２が回転するとき、高圧側Ｈから低圧側Ｌに軸方向に流れる蒸気Ｓは、小径部３１の第１外周面４１と長尺フィン３３の先端との隙間を通って流れ、大径部３２の第１壁面４３に衝突して径方向の外側に流れる。この径方向の外側に流れる蒸気Ｓは、大径部３２の第１壁面４３から剥離するときに第１キャビティ５５内で渦流を形成する。この蒸気Ｓの渦流は、短尺フィン３４の先端と大径部３２の第２外周面４２との隙間の近傍に縮流を生成し、大径部３２の第２外周面４２と短尺フィン３４の先端との隙間から第２キャビティ５６側への蒸気Ｓの漏えいが抑制される。

このとき、短尺フィン３４より高圧側Ｈの第１キャビティ５５の径方向長さＤ１が、低圧側Ｌの第２キャビティ５６の径方向長さＤ２より大きく設定されていることから、大径部３２の第１壁面４３から剥離して径方向の外側に流れる蒸気Ｓが第１キャビティ５５の第１底面５７に接触しにくくなり、ここでの渦流の形成を阻害しない。そのため、短尺フィン３４の先端と大径部３２の第２外周面４２との隙間の近傍での縮流を適切に生成し、この隙間から第２キャビティ５６への蒸気Ｓの漏えいが適切に抑制される。

また、短尺フィン３４より低圧側Ｌの第２キャビティ５６の径方向長さが、高圧側Ｈの第１キャビティ５５の径方向長さより小さく設定されていることから、第２キャビティ５６の容積を小さくすることができる。そのため、短尺フィン３４の先端と大径部３２の第２外周面４２との隙間から第２キャビティ５６へ流れる蒸気Ｓの速度が低下することがなく、蒸気Ｓが所定の速度をもって長尺フィン３３の第１シール面５１に衝突し、小径部３１の外側の空間で適切な渦流が生成される。すると、この蒸気Ｓの渦流は、長尺フィン３３の先端と小径部３１の第１外周面４１との隙間の近傍に縮流を生成し、小径部３１の第１外周面４１と長尺フィン３３の先端との隙間から第１キャビティ５５側への蒸気Ｓの漏えいが抑制される。一方、第２キャビティ５６の容積を大きくすると、短尺フィン３４の先端と大径部３２の第２外周面４２との隙間から第２キャビティ５６へ流れる蒸気Ｓの速度が低下するだけでなく、第２底面５８側にも多く流れてしまい、小径部３１の外側の空間で適切な渦流を生成することができず、小径部３１の第１外周面４１と長尺フィン３３先端との隙間から第１キャビティ５５側への蒸気Ｓの漏えいを抑制できなくなる。

なお、上述の説明では、第２シール面５２と第１シール面５３と第１底面５７により第１キャビティ５５を構成したが、この構成に限定されるものではない。図４は、本実施形態のシール装置の第１変形例を表す断面図、図５は、本実施形態のシール装置の第２変形例を表す断面図である。

本実施形態のシール装置の第１変形例において、図４に示すように、ラビリンスシール３５は、内周部にロータ１２の軸方向に所定間隔をあけて長尺フィン３３と短尺フィン３４が交互に設けられており、長尺フィン３３の先端部がロータ１２の小径部３１に対して径方向の外側に対向し、短尺フィン３４の先端部がロータ１２の大径部３２に対して径方向の外側に対向している。長尺フィン３３は、高圧側Ｈに対向する第１シール面５１と、低圧側Ｌに対向する第２シール面５２とを有している。短尺フィン３４は、高圧側Ｈに対向する第１シール面５３と、低圧側Ｌに対向する第２シール面５４とを有している。

また、ラビリンスシール３５は、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側（高圧側Ｈ）における内径が、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側（低圧側Ｌ）における内径より大きく設定されている。即ち、ラビリンスシール３５は、内周部で長尺フィン３３と短尺フィン３４との間に凹部形状をなすキャビティ６１，５６が設けられている。第１キャビティ６１は、短尺フィン３４より高圧側Ｈに設けられ、第２キャビティ５６は、短尺フィン３４より低圧側Ｌに設けられている。

そして、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側（高圧側Ｈ）における第１キャビティ６１の径方向長さが、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側（低圧側Ｌ）における第２キャビティ５６の径方向長さより大きく設定されている。即ち、第１キャビティ６１は、第２シール面５２と第１シール面５３と第１湾曲底面６２により構成され、第２キャビティ５６は、第２シール面５４と第１シール面５１と第２底面５８により構成されている。第１湾曲底面６２は、軸方向に沿う湾曲形状をなし、内径が第２底面５８の内径より大きい寸法となっている。

また、本実施形態のシール装置の第２変形例において、図５に示すように、ラビリンスシール３５は、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側（高圧側Ｈ）における内径が、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側（低圧側Ｌ）における内径より大きく設定されている。即ち、ラビリンスシール３５は、内周部で長尺フィン３３と短尺フィン３４との間に凹部形状をなすキャビティ６５，５６が設けられている。第１キャビティ６５は、短尺フィン３４より高圧側Ｈに設けられ、第２キャビティ５６は、短尺フィン３４より低圧側Ｌに設けられている。

そして、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側（高圧側Ｈ）における第１キャビティ６５の径方向長さが、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側（低圧側Ｌ）における第２キャビティ５６の径方向長さより大きく設定されている。即ち、第１キャビティ６５は、第２シール面５２と第１シール面５３と第１底面６６と２個の第１湾曲面６７により構成され、第２キャビティ５６は、第２シール面５４と第１シール面５１と第２底面５８により構成されている。第１底面６６は、内径が第２底面５８の内径より大きい寸法となっている。

なお、各変形例では、第１キャビティの一部または全部を湾曲形状としたが、第２キャビティの一部または全部を湾曲形状としてもよい。

このように本実施形態の回転機械にあっては、ロータ１２の外周部に軸方向に交互に設けられる小径部３１及び大径部３２と、シール装置１６（ラビリンスシール３５）の内周部に軸方向に所定間隔をあけて交互に設けられて小径部３１の径方向に対向する長尺フィン３３及び大径部３２の径方向に対向する短尺フィン３４とを備え、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側におけるラビリンスシール３５の内径を、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側におけるラビリンスシール３５の内径より大きく設定している。

従って、ケーシング１１に対してロータ１２が回転するとき、両者の間に流れる蒸気Ｓは、小径部３１の第１外周面４１と長尺フィン３３の先端との隙間を通って低圧側Ｌに流れ、大径部３２の第１壁面４３に衝突して径方向の外側に流れる。この径方向の外側に流れる蒸気Ｓは、大径部３２の第２外周面４２から剥離するときに渦流を形成するため、短尺フィン３４の先端と大径部３２の第２外周面４２との隙間の近傍に縮流が生成され、大径部３２の第２外周面４２と短尺フィン３４の先端との隙間からの蒸気Ｓの漏えいが抑制される。このとき、短尺フィン３４より上流側におけるラビリンスシール３５の内径が大きく設定されることから、蒸気Ｓがラビリンスシール３５の内周面に接触しにくくなって渦流の形成を阻害することがなく、大径部３２の第２外周面４２と短尺フィン３４の先端との隙間からの蒸気Ｓの漏えいを適切に抑制することができる。その結果、ケーシング１１とロータ１２との間で各フィン３３，３４により囲まれる第１キャビティ５５（６１，６５）の形状を最適化することでシール性能の向上を図ることができる。

本実施形態の回転機械では、ラビリンスシール３５の内周部で長尺フィン３３と短尺フィン３４との間に凹部形状をなすキャビティ５５（６１，６５）を設け、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの上流側における第１キャビティ５５（６１，６５）の径方向長さを、短尺フィン３４より蒸気Ｓの軸方向流れの下流側における第２キャビティ５６の径方向長さより大きくしている。従って、第１キャビティ５５（６１，６５）内を径方向の外側に流れる蒸気Ｓが第１キャビティ５５（６１，６５）の第１底面５７に接触しにくくなって適切に渦流を形成することができ、大径部３４の第２外周面４２と短尺フィン３４の先端との隙間からの蒸気Ｓの漏えいを適切に抑制することができる。

本実施形態の回転機械の第１変形例では、第１キャビティ６１を軸方向に沿う湾曲形状としている。従って、第１キャビティ６１内を径方向の外側に流れる蒸気Ｓが湾曲形状をなす第１キャビティ６１の第１湾曲底面６２に沿って流れることで、渦流を適切に形成することができる。

本実施形態の回転機械では、第１キャビティ５５（６１，６５）の径方向長さと第２キャビティ５６の径方向長さとの差の径方向長さを、第１キャビティ５５（６１，６５）の軸方向長さの１／３から２の範囲に設定している。また、好ましくは、第１キャビティ５５（６１，６５）の径方向長さと第２キャビティ５６の径方向長さとの差の径方向長さを、第１キャビティ５５（６１，６５）の軸方向長さの１／３から２／３の範囲に設定する。従って、第１キャビティ５５（６１，６５）を流れる蒸気Ｓにより渦流を適切に形成することができる。

本実施形態の回転機械では、第１キャビティ５５（６１，６５）の径方向長さと大径部３２の径方向長さの合計値に対する第１キャビティ５５（６１，６５）の径方向長さの割合を、１／２より大きく設定している。従って、第１キャビティ５５（６１，６５）を流れる蒸気Ｓにより渦流を適切に形成することができる。

また、本実施形態の回転機械にあっては、中空形状をなすケーシング１１と、動翼１４が固定されてケーシング１１内に回転自在に支持されるロータ１２と、ケーシング１１とロータ１２における軸方向の端部との間に配置されるシール装置１６とを備えている。

なお、上述した実施形態では、ケーシング１１の内周部にラビリンスシール３５を固定し、ラビリンスシール３５の内周部に長尺フィン３３及び短尺フィン３４と第１キャビティ５５（６１，６５）及び第２キャビティ５６を一体に設けたが、この構成に限定されるものではない。例えば、ラビリンスシール３５の内周部に長尺フィン３３及び短尺フィン３４を別部材として設けてもよい。また、ケーシング１１の内周部に長尺フィン３３及び短尺フィン３４を固定すると共に、第１キャビティ５５（６１，６５）及び第２キャビティ５６を形成してもよい。

また、上述した実施形態では、ケーシング１１の内周部に固定されたラビリンスシール３５に３個の長尺フィン３３と２個の短尺フィン３４を設けたが、その数はロータ１２の径やシールする軸方向の距離に応じて適宜設定すればよいものである。

また、上述した実施形態では、本発明の回転機械を蒸気タービン１０とし、ロータ１２とケーシング１１との間にシール装置１６を設けたが、この構成に限定されるものではない。例えば、シール装置をロータ１２と静翼１３との間に設けたり、シーシング１１と動翼１４との間に設けたりしてもよい。

また、上述した実施形態では、本発明の回転機械を蒸気タービン１０に適用し、ケーシング１１とロータ１２の軸端部に配置されるシール装置１６として説明したが、本実施形態で説明した蒸気タービン１０に限定されるものではない。例えば、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとを備える蒸気タービンの場合、本発明のシール装置を各タービンの間に配置されるシール装置に適用してもよい。また、本発明のシール装置は、蒸気タービンに限らず、圧縮機や排気タービンなど、作動時に内部の圧力が外部の圧力より高くなる回転機械に適用してもよい。

１０蒸気タービン
１１ケーシング（静止体）
１２ロータ（回転体、回転軸）
１３静翼
１４動翼
１５軸受
１６シール装置
３１小径部
３２大径部
３３長尺フィン
３４短尺フィン
３５ラビリンスシール
４１第１外周面
４２第２外周面
４３第１壁面
４４第２壁面
５１，５３第１シール面
５２，５４第２シール面
５５，６１，６５第１キャビティ
５６第２キャビティ
５７，６６第１底面
５８第２底面
６２第１湾曲底面
６７第１湾曲面

Claims

回転体と静止体との間に流体の軸方向流れを抑制するシール装置が配置される回転機械において、
前記回転体の外周部に軸方向に交互に設けられる小径部及び大径部と、
前記シール装置の内周部に軸方向に所定間隔をあけて交互に設けられて前記小径部の径方向に対向する長尺フィン及び前記大径部の径方向に対向する短尺フィンと、
を備え、
前記短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側における前記シール装置の内径が、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの下流側における前記シール装置の内径より大きく設定される、
ことを特徴とする回転機械。
前記シール装置の内周部で前記長尺フィンと前記短尺フィンとの間に凹部形状をなすキャビティが設けられ、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側における第１キャビティの径方向長さが、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの下流側における第２キャビティの径方向長さより大きいことを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
前記第１キャビティは、軸方向に沿う湾曲形状をなすことを特徴とする請求項２に記載の回転機械。
前記第１キャビティの径方向長さＤ１と前記第２キャビティの径方向長さＤ２との差の径方向長さＤａは、
Ｗ・（１／３）＜Ｄａ＜Ｗ・２
に設定されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転機械。
前記第１キャビティの径方向長さＤ１と前記第２キャビティの径方向長さＤ２との差の径方向長さＤａは、
Ｗ・（１／３）＜Ｄａ＜Ｗ・（２／３）
に設定されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転機械。
前記第１キャビティの径方向長さＤ１と前記大径部の径方向長さＤ３の合計値に対する前記第１キャビティの径方向長さＤ１の割合は、
Ｄ１／（Ｄ１＋Ｄ３）＞１／２
に設定されることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の回転機械。