JP2023119448A - シール装置および回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シール装置および回転機械において、圧力変動に拘わらずシール部材を円滑に作動させることで安定したシール性能を維持する。【解決手段】静止体と回転体との間に配置されて高圧側から低圧側への流体の流れを抑制するシール装置において、静止体に回転体の軸方向および径方向に移動自在に支持されるシール部材と、シール部材から回転体側に延出されるシールフィンと、静止体とシール部材における高圧側の端面との間に設けられる圧力調整空間部と、一端部が低圧側に連通して他端部が圧力調整空間部に連通する連通路と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、静止体と回転体との間で流体の漏洩を防止するシール装置、シール装置を備える回転機械に関するものである。

回転機械は、静止体であるケーシングの内部に回転体が回転自在に支持されて構成される。そして、シール装置は、ケーシングと回転体との間に設けられ、流体の軸方向の漏れ流れを防止する。シール装置は、一般的に、ラビリンスシールが適用される。ラビリンスシールは、ケーシングの内周部に設けられ、複数のシールフィンを有する。シール装置は、シールフィンと回転体との間に形成される隙間により圧力損失を発生させ、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は、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されたシール装置は、パッキンリングセグメントがパッキンリングホルダに軸方向および径方向に沿って移動自在に支持されると共に、パッキンリングセグメントが弾性体により高圧室側に付勢支持される。そして、高圧室側の圧力によりパッキンリングセグメントが径方向の内方に移動し、シールフィンと回転体との隙間が調整される。このとき、パッキンリングセグメントは、弾性体により高圧室側に付勢支持されており、パッキンリングホルダとの摺動抵抗が軽減される。

特開２０１７－０５７８４１号公報

従来のシール装置は、パッキンリングセグメントが弾性体により高圧室側に付勢支持されることで、パッキンリングホルダとの摺動抵抗を軽減している。この場合、弾性体によるパッキンリングセグメントの付勢力は一定であり、付勢力は高圧室側と低圧室側の差圧により設定される。ところが、高圧室側の圧力は、回転機械の運転状態に応じて変動する。そのため、高圧室側の圧力が変動すると、パッキンリングセグメントがパッキンリングホルダに押し付けられる押付力が変動し、パッキンリングセグメントとパッキンリングホルダとの摺動抵抗が変動する。すると、回転機械の運転状態に応じて、パッキンリングホルダに対してパッキンリングセグメントが円滑に作動せず、シール性能が低下してしまうおそれがある。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、圧力変動に拘わらずシール部材を円滑に作動させることで安定したシール性能を維持することが可能なシール装置および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開示のシール装置は、静止体と回転体との間に配置されて高圧側から低圧側への流体の流れを抑制するシール装置において、前記静止体に前記回転体の軸方向および径方向に移動自在に支持されるシール部材と、前記シール部材から前記回転体側に延出されるシールフィンと、前記静止体と前記シール部材における前記高圧側の端面との間に設けられる圧力調整空間部と、一端部が前記低圧側に連通して他端部が前記圧力調整空間部に連通する連通路と、を備える。

また、本開示の回転機械は、静止体と、前記静止体に回転自在に支持される回転体と、前記静止体と前記回転体との間に配置される前記シール装置と、を備える。

本開示のシール装置および回転機械によれば、圧力変動に拘わらずシール部材を円滑に作動させることで安定したシール性能を維持することができる。

図１は、蒸気タービンの内部構成を表す概略図である。 図２は、第１実施形態のシール装置を表す断面図である。 図３は、シール部材を表す図２のIII－III断面図である。 図４は、第１実施形態のシール装置を表す断面図である。 図５は、第１実施形態のシール装置を表す断面図である。 図６は、第１実施形態のシール装置を表す断面図である。 図７は、第１実施形態のシール装置を表す断面図である。

以下に図面を参照して、本開示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開示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。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

［第１実施形態］
＜蒸気タービン＞
図１は、蒸気タービンの内部構成を表す概略図である。

第１実施形態では、回転機械として、蒸気タービンを適用して説明する。但し、回転機械は、蒸気タービンに限定されるものではなく、静止体に対して回転体が回転自在に支持される構成であればよい。

図１に示すように、蒸気タービン（回転機械）１０は、ケーシング（静止体）１１と、ロータ（回転体）１２と、静翼１３と、動翼１４と、シール装置１５，１６とを備える。

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る。ロータ１２は、ケーシング１１に設けられた軸受２１，２２により軸心Ｏ１を中心として回転自在に支持される。静翼１３は、ケーシング１１の内周部にロータ１２の軸方向Ａに間隔を空けて複数固定される。動翼１４は、ロータ１２の外周部に軸方向Ａに間隔を空けて複数固定される。静翼１３は、ロータ１２の径方向Ｒに沿うと共に、ロータ１２の周方向に間隔を空けて配置される。動翼１４は、ロータ１２の径方向Ｒに沿うと共に、ロータ１２の周方向に間隔を空けて配置され、静翼１３と動翼１４は、軸方向Ａに交互に配置される。

ケーシング１１は、軸方向Ａの一端部に蒸気供給口２３が設けられる。蒸気供給口２３は、蒸気通路２４を通して静翼１３および動翼１４が配置される翼列部２５に連通される。翼列部２５は、排気室２６に連通する。ケーシング１１は、軸方向Ａの他端部に蒸気排出口２７が設けられる。蒸気排出口２７は、排気室２６に連通する。

シール装置１５は、軸方向Ａの一端部側で、ケーシング１１とロータ１２との間に配置される。シール装置１５は、ラビリンスシールであって、ケーシング１１の内周部に設けられる。シール装置１５は、シールフィンとロータ１２との間に形成される隙間により圧力損失を発生させ、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。シール装置１６も、シール装置１５と同様である。

高圧の蒸気Ｓは、蒸気供給口２３から蒸気通路２４を通して翼列部２５に供給される。蒸気Ｓが複数の静翼１３および複数の動翼１４を通過することで、各動翼１４を介してロータ１２が駆動回転する。ロータ１２は、図示しない発電機が連結されており、ロータ１２の駆動力により発電機が駆動する。各動翼１４を駆動した蒸気Ｓは、排気室２６を通して蒸気排出口２７から外部に排出される。

＜シール装置の構成＞
図２は、第１実施形態のシール装置を表す断面図、図３は、シール部材を表す図２のIII－III断面図である。

図２および図３に示すように、シール装置１５は、ケーシング（静止体）１１とロータ（回転体）１２との間に配置されて高圧側である高圧空間部ＨＰから低圧側である低圧空間部ＬＰへの蒸気（流体）Ｓの流れを抑制するものである。シール装置１５は、シール部材３１と、シールフィン３２と、圧力調整空間部３３と、連通路３４とを備える。

ケーシング１１は、シーリングホルダ４０が固定される。シーリングホルダ４０は、周方向Ｃに連続するリング形状をなす。但し、シーリングホルダ４０は、周方向に複数分割して構成してもよい。シーリングホルダ４０は、内周部に凹部４１が設けられる。凹部４１は、シーリングホルダ４０の内周面４０ａからロータ１２の径方向Ｒの外方に凹んで形成される。凹部４１は、周方向Ｃに連続するリング形状をなす。凹部４１は、底面４１ａと、高圧側側面４１ｂと、低圧側側面４１ｃとを有する。また、凹部４１は、高圧側側面４１ｂにおける径方向Ｒの内方から低圧空間部ＬＰ側に突出する高圧側突出部４２が設けられる。高圧側突出部４２は、内面４２ａと、高圧側側面４２ｂとを有する。また、凹部４１は、低圧側側面４１ｃにおける径方向Ｒの内方から高圧空間部ＨＰ側に突出する低圧側突出部４３が設けられる。低圧側突出部４３は、内面４３ａと、低圧側側面４３ｂとを有する。凹部４１は、高圧側突出部４２と低圧側突出部４３が設けられることで、Ｔ字断面形状をなす。

ケーシング１１は、シーリングホルダ４０の凹部４１にリテーナ４４が装着される。リテーナ４４は、静止体として機能する。リテーナ４４は、周方向Ｃに連続するリング形状をなす。但し、リテーナ４４は、周方向に複数分割して構成してもよい。リテーナ４４は、高圧側リテーナ４５と、低圧側リテーナ４６とを有する。高圧側リテーナ４５と低圧側リテーナ４６は、連結部４７により一体に連結される。

リテーナ４４は、高圧側リテーナ４５が高圧側突出部４２に支持され、低圧側リテーナ４６が低圧側突出部４３に支持される。すなわち、高圧側リテーナ４５は、Ｌ字断面形状をなし、外周面４５ａと、高圧側第１側面４５ｂと、係止面４５ｃと、高圧側第２側面４５ｄと、内周面４５ｅと、低圧側側面４５ｆとを有する。低圧側リテーナ４６は、Ｌ字断面形状をなし、外周面４６ａと、低圧側第１側面４６ｂと、係止面４６ｃと、低圧側第２側面４６ｄと、内周面４６ｅと、高圧側側面４６ｆとを有する。

リテーナ４４は、シーリングホルダ４０の凹部４１に配置される。高圧側リテーナ４５は、係止面４５ｃが高圧側突出部４２の内面４２ａに接触し、高圧側第２側面４５ｄが高圧側側面４２ｂに対向する。低圧側リテーナ４６は、係止面４６ｃが低圧側突出部４３の内面４３ａに接触し、低圧側第２側面４６ｄが低圧側側面４３ｂに対向する。そのため、リテーナ４４は、シーリングホルダ４０の凹部４１に配置されることで、ケーシング１１に位置決めされる。

シール部材３１は、リテーナ４４に支持される。シール部材３１は、周方向Ｃに連続するリング形状をなす。但し、シール部材３１は、リテーナ４４と同様に、周方向に複数分割して構成してもよい。シール部材３１は、リテーナ４４に軸方向Ａおよび径方向Ｒに沿って移動自在に支持される。シール部材３１は、支持部５１と、フィン取付部５２とを有する。支持部５１は、四角断面形状をなし、凹部４１の内部で高圧側リテーナ４５と低圧側リテーナ４６との間に配置される。支持部５１は、外周面５１ａと、高圧側端面５１ｂと、低圧側端面５１ｃとを有する。支持部５１は、高圧側端面５１ｂが高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆに対向し、接触可能である。また、支持部５１は、低圧側端面５１ｃが低圧側リテーナ４６の高圧側側面４６ｆに対向し、接触可能である。

フィン取付部５２は、支持部５１における径方向Ｒの内方に一体に設けられる。フィン取付部５２は、軸方向Ａに長い四角断面形状をなし、凹部４１の径方向Ｒの内方で、高圧側リテーナ４５および低圧側リテーナ４６の内周側に配置される。フィン取付部５２は、支持部５１からロータ１２側に延出される。フィン取付部５２は、高圧側外周面５２ａと、低圧側外周面５２ｂと、高圧側側面５２ｃと、低圧側側面５２ｄと、内周面５２ｅとを有する。

シールフィン３２は、シール部材３１におけるフィン取付部５２からロータ１２側に延出される。シールフィン３２は、軸方向Ａに間隔を空けて複数（本実施形態では、４個）設けられる。シールフィン３２は、周方向Ｃに連続して設けられる。シールフィン３２は、シール部材３１におけるフィン取付部５２の内周面５２ｅに固定される。但し、シールフィン３２の個数は、４個に限らず、シールする軸方向Ａの長さなどに応じて適宜設定すればよい。また、複数のシールフィン３２は、軸方向Ａに等間隔に配置したが、不等間隔に位置してもよい。

また、シール部材３１は、外周面５１ａ側にばね受部材４８が固定される。ばね受部材４８は、シーリングホルダ４０の凹部４１に配置される。ばね受部材４８は、軸方向Ａに長い矩形断面形状をなし、周方向Ｃに連続するリング形状をなす。但し、ばね受部材４８は、周方向に複数分割して構成してもよい。ばね受部材４８は、シール部材３１における支持部５１の外周面５１ａに形成された段付部５１ｄに固定される。ばね受部材４８は、外周面４８ａが凹部４１の底面４１ａに対向し、内周面４８ｂが低圧側リテーナ４６の外周面４６ａに対向して配置される。低圧側リテーナ４６とばね受部材４８との間に圧縮ばね（付勢部材）４９が配置される。圧縮ばね４９は、付勢力によりシールフィン３２がロータ１２から離間する径方向Ｒに、ばね受部材４８を介してシール部材３１を付勢する。

そのため、シール部材３１は、圧縮ばね４９の付勢力によりばね受部材４８が凹部４１の底面４１ａに接触する位置に位置決めされる。そして、シール部材３１は、高圧空間部ＨＰの蒸気Ｓが凹部４１内に侵入し、支持部５１の外周面５１ａ側に作用すると、圧縮ばね４９の付勢力に抗してシールフィン３２がロータ１２に接近する径方向Ｒに向け、リテーナ４４に対して移動可能となる。また、シール部材３１は、高圧側リテーナ４５と低圧側リテーナ４６の間に配置されるものの、両者の取付隙間の分だけ、リテーナ４４に対して軸方向Ａに移動自在に支持される。

圧力調整空間部３３は、シール部材３１の支持部５１に設けられる。具体的に、圧力調整空間部３３は、シール部材３１における支持部５１の高圧側端面５１ｂに設けられる。圧力調整空間部３３は、シール部材３１の高圧側端面５１ｂに凹みが設けられることで形成される。圧力調整空間部３３は、高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆに対向する。すなわち、圧力調整空間部３３は、シール部材３１の支持部５１における高圧側端面５１ｂと高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとが接触することで、両者の間に形成された空間部である。圧力調整空間部３３は、周方向Ｃに沿って設けられる。第１実施形態では、シール部材３１が周方向に２分割されていることから、圧力調整空間部３３は、周方向の各端部が閉塞される。但し、圧力調整空間部３３は、シール部材３１の周方向Ｃに連続していてもよいし、周方向に複数分割して設けられていてもよい。

連通路３４は、一端部が低圧側空間部ＬＰに連通し、他端部が圧力調整空間部３３に連通する。連通路３４は、軸方向Ａに沿って設けられると共に、周方向Ｃに間隔を空けて配置される。連通路３４は、軸方向Ａに沿う第１連通路３４ａと、径方向Ｒに沿う第２連通路３４ｂと、軸方向Ａに沿う第３連通路３４ｃとを有する。第１連通路３４ａは、一端部がフィン取付部５２の低圧側側面５２ｄに開口する。第３連通路３４ｃは、一端部が低圧側空間部ＬＰに開口する。第２連通路３４ｂは、一端部が第１連通路３４ａの他端部に連通し、他端部が第３連通路３４ｃの他端部に連通する。なお、連通路３４は、この構成に限定されるものではなく、例えば、低圧側空間部ＬＰと圧力調整空間部３３とを直線形状をなす１本または２本の流路により構成してもよい。

＜シール装置の作用＞
図２に示すように、蒸気タービン１０（図１参照）の起動前にて、高圧側空間部ＨＰと低圧側空間部ＬＰとの間に差圧はない。そのため、シール部材３１は、圧縮ばね４９の付勢力によりばね受部材４８が凹部４１の底面４１ａに接触する位置に位置決めされており、シールフィン３２の先端部とロータ１２の外周面との隙間が最大となっている。

蒸気タービン１０（図１参照）が起動すると、高圧側空間部ＨＰに高圧の蒸気Ｓが供給されることから、高圧側空間部ＨＰと低圧側空間部ＬＰとの間に差圧が発生する。このとき、高圧側空間部ＨＰの蒸気Ｓは、一部がシールフィン３２とロータ１２との隙間を通って低圧側空間部ＬＰに漏れる。また、蒸気Ｓは、一部がシーリングホルダ４０と高圧側リテーナ４５との間を通ってシール部材３１における支持部５１の外周面５１ａ側に侵入する。すると、シール部材３１は、高圧空間部ＨＰの蒸気Ｓにより径方向Ｒの内方に押圧され、圧縮ばね４９の付勢力に抗して径方向Ｒ内方へ移動する。すると、シールフィン３２の先端部とロータ１２の外周面との隙間が小さくなり、微小隙間により圧力損失が発生し、圧力損失により隙間を軸方向Ａに流れる蒸気Ｓの漏れ流れが抑制される。

このとき、リテーナ４４は、高圧側空間部ＨＰの高圧の蒸気Ｓが高圧側リテーナ４５の高圧側第１側面４５ｂに作用することで、蒸気Ｓの軸方向Ａの一方（図２の右方）に押圧される。また、シール部材３１は、高圧側空間部ＨＰの高圧の蒸気Ｓがシール部材３１の低圧側端面５１ｃに作用することで、蒸気Ｓの軸方向Ａの他方方（図２の左方）に押圧される。そのため、高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとシール部材３１の高圧側端面５１ｂとの押圧力が大きくなり、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのリテーナ４４に対する摺動抵抗が大きくなる。

第１実施形態では、低圧側空間部ＬＰの低圧の蒸気Ｓが連通路３４を通って圧力調整空間部３３に供給されている。すると、高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとシール部材３１の高圧側端面５１ｂに対して圧力調整空間部３３の圧力が作用するため、高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとシール部材３１の高圧側端面５１ｂとの押圧力が低減される。そのため、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのリテーナ４４に対する摺動抵抗が軽減されて小さくなる。その結果、シール部材３１は、高圧側空間部ＨＰと低圧側空間部ＬＰとの差圧に応じて径方向Ｒに円滑に移動することができる。

また、高圧側空間部ＨＰにおける蒸気Ｓが圧力変動すると、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との押圧力が変動する。このとき、高圧側空間部ＨＰと低圧側空間部ＬＰとの差圧分も変動する。つまり、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力は、高圧側空間部ＨＰの変動に応じて適切に調整される。その結果、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのリテーナ４４に対する摺動抵抗は、適切に調整されることとなる。

［第２実施形態］
図４は、第２実施形態のシール装置を表す断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図４に示すように、シール装置１５Ａは、シール部材３１と、シールフィン３２と、圧力調整空間部３３と、連通路３４とを備える。

ケーシング１１は、シーリングホルダ４０が固定され、シーリングホルダ４０は、凹部４１が設けられる。シーリングホルダ４０は、凹部４１にリテーナ４４が装着される。リテーナ４４は、高圧側リテーナ４５と低圧側リテーナ４６とが連結部４７により一体に連結されて構成される。シール部材３１は、シール部材３１は、リテーナ４４に軸方向Ａおよび径方向Ｒに沿って移動自在に支持される。シール部材３１は、径方向Ｒの内周部側に複数のシールフィン３２が設けられる。シール部材３１は、段付部５１ｄにばね受部材４８が固定される。低圧側リテーナ４６とばね受部材４８との間に圧縮ばね４９が配置される。圧縮ばね４９は、シール部材３１を径方向Ｒの外側に付勢する。

圧力調整空間部３３は、シール部材３１の高圧側端面５１ｂに凹みを形成して構成される。圧力調整空間部３３は、シール部材３１の支持部５１における高圧側端面５１ｂと高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとが接触することで密閉状態となる。連通路３４は、一端部が低圧側空間部ＬＰに連通し、他端部が圧力調整空間部３３に連通する。

シール部材３１と低圧側リテーナ４６との間に第１シール部６１が設けられる。シール部材３１は、支持部５１における低圧側端面５１ｃに第１溝部５１ｅが設けられる。第１溝部５１ｅは、周方向Ｃに沿って連続して設けられる。第１シール部６１は、中空のパイプ形状をなし、例えば、Ｏリングであり、周方向Ｃに連続するリング形状をなす。第１シール部６１は、第１溝部５１ｅに装着される。シール部材３１がリテーナ４４、つまり、高圧側リテーナ４５と低圧側リテーナ４６との間に装着されたとき、シール部材３１における第１溝部５１ｅに装着された第１シール部６１は、低圧側リテーナ４６の高圧側側面４６ｆに接触する。

蒸気タービン１０（図１参照）の起動時、高圧側空間部ＨＰの蒸気Ｓは、一部がシーリングホルダ４０の凹部４１に侵入し、高圧側リテーナ４５の高圧側第１側面４５ｂに作用すると共に、シール部材３１の低圧側端面５１ｃに作用する。そのため、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力が高くなる。しかし、低圧側空間部ＬＰの低圧の蒸気Ｓが連通路３４を通って圧力調整空間部３３に供給されるため、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力が低減される。そのため、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのリテーナ４４に対する摺動抵抗が軽減される。

このとき、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力は、低圧の蒸気Ｓが供給される圧力調整空間部３３の受圧面積に応じて変動する。すなわち、圧力調整空間部３３の受圧面積によっては、シール部材３１が高圧側リテーナ４５側に押し付けられる押圧力が大きくなり、シール部材３１の低圧側端面５１ｃと低圧側リテーナ４６の高圧側側面４６ｆとの間に隙間が形成され、凹部４１の高圧の蒸気Ｓがこの隙間を通って低圧側空間部ＬＰに漏れる可能性部ある。第２実施形態では、シール部材３１と低圧側リテーナ４６との間に第１シール部６１が設けられており、シール部材３１の低圧側端面５１ｃと低圧側リテーナ４６の高圧側側面４６ｆとの間の隙間からの高圧の蒸気Ｓの漏れが抑制される。

［第３実施形態］
図５は、第３実施形態のシール装置を表す断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に示すように、シール装置１５Ｂは、シール部材３１と、シールフィン３２と、圧力調整空間部３３と、連通路３４Ｂとを備える。

圧力調整空間部３３は、シール部材３１の高圧側端面５１ｂに凹みを形成して構成される。圧力調整空間部３３は、シール部材３１の支持部５１における高圧側端面５１ｂと高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとが接触することで密閉状態となる。連通路３４Ｂは、一端部が低圧側空間部ＬＰに連通し、他端部が圧力調整空間部３３に連通する。具体的に、連通路３４Ｂは、一端部が低圧側空間部ＬＰに連通する各シールフィン３２の間に形成された第１低圧空間部ＬＰ１に連通する。

連通路３４Ｂは、軸方向Ａに沿う第１連通路３４ａと、径方向Ｒに沿う第２連通路３４ｂと、軸方向Ａに沿う第３連通路３４ｃと、径方向Ｒに沿う第４連通路３４Ｄとを有する。第４連通路３４ｄは、一端部がフィン取付部５２の内周面５２ｅに開口する。シール部材３１は、ロータ１２に向けて４個のシールフィン３２が設けられており、シール部材３１とロータ１２との間に３個の空間部が区画される。第４連通路３４ｄは、低圧側空間部ＬＰに１番目に近いシールフィン３２と２番目に近いシールフィン３２との間の第１低圧側空間部ＬＰ１に開口する。

そして、第３連通路３４ｃは、一端部が低圧側空間部ＬＰに開口する。第２連通路３４ｂは、一端部が第１連通路３４ａの他端部に連通する。第１連通路３４ａは、一端部が第３連通路３４ｃの他端部に連通し、他端部が第４連通路３４ｄの他端部に連通する。なお、連通路３４Ｂは、この構成に限定されるものではなく、例えば、第１低圧側空間部ＬＰ１と圧力調整空間部３３とを直線形状をなす１本以上により構成してもよい。また、第４連通路３４ｄは、隣接するシールフィン３２の間の他の低圧側空間部に開口するように構成してもよい。

蒸気タービン１０（図１参照）の起動時、高圧側空間部ＨＰの蒸気Ｓは、一部がシーリングホルダ４０の凹部４１に侵入し、高圧側リテーナ４５の高圧側第１側面４５ｂに作用すると共に、シール部材３１の低圧側端面５１ｃに作用する。そのため、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力が高くなる。しかし、第１低圧側空間部ＬＰ１の低圧の蒸気Ｓが連通路３４Ｂを通って圧力調整空間部３３に供給されるため、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力が低減される。そのため、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのリテーナ４４に対する摺動抵抗が軽減される。

［第４実施形態］
図６は、第４実施形態のシール装置を表す断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、シール装置１５Ｃは、シール部材３１と、シールフィン３２と、圧力調整空間部３３と、連通路３４とを備える。

シール部材３１と高圧側リテーナ４５との間に２個の第２シール部６２が設けられる。２個の第２シール部６２は、径方向Ｒに間隔を空けて配置される。シール部材３１は、支持部５１における高圧側端面５１ｂに径方向Ｒに間隔を空けて２個の第２溝部５１ｆが設けられる。２個の第２溝部５１Ｆは、周方向Ｃに沿って連続して設けられる。２個の第２シール部６２は、四角断面形状をなし、周方向Ｃに連続するリング形状をなす。２個の第２シール部６２は、それぞれ第２溝部５１Ｆに装着される。

シール部材３１がリテーナ４４、つまり、高圧側リテーナ４５と低圧側リテーナ４６との間に装着されたとき、シール部材３１における各第２溝部５１ｆに装着された各第２シール部６２は、高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆに接触する。このとき、シール部材３１の高圧側端面５１ｂと高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとの間に隙間が形成され、この隙間は、径方向Ｒに間隔を空けて配置された各第２シール部６２により区画される。圧力調整空間部３３は、シール部材３１の高圧側端面５１ｂと高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆと各第２シール部６２とにより区画された空間部である。連通路３４は、一端部が低圧側空間部ＬＰに連通し、他端部が圧力調整空間部３３に連通する。

蒸気タービン１０（図１参照）の起動時、高圧側空間部ＨＰの蒸気Ｓは、一部がシーリングホルダ４０の凹部４１に侵入し、高圧側リテーナ４５の高圧側第１側面４５ｂに作用すると共に、シール部材３１の低圧側端面５１ｃに作用する。そのため、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力高くなる。しかし、低圧側空間部ＬＰの低圧の蒸気Ｓが連通路３４を通って圧力調整空間部３３に供給されるため、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力が低減される。そのため、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのリテーナ４４に対する摺動抵抗が軽減される。

このとき、高圧側リテーナ４５とシール部材３１との間の押圧力は、高圧空間部ＨＰに供給される高圧の蒸気Ｓの圧力に応じて変動する。そして、圧力調整空間部３３に供給された蒸気Ｓは、低圧である。シール部材３１の高圧側端面５１ｂと高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとの間に隙間があると、凹部４１の高圧の蒸気Ｓがこの隙間を通って圧力調整空間部３３に漏れる可能性部ある。第４実施形態では、シール部材３１と高圧側リテーナ４５との間に第２シール部６２を設けることで、圧力調整空間部３３をシールしており、シール部材３１の高圧側端面５１ｂと高圧側リテーナ４５の低圧側側面４５ｆとの間の隙間からの高圧の蒸気Ｓの漏れが抑制される。

［第５実施形態］
図７は、第５実施形態のシール装置を表す断面図である。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、シール装置１５Ｄは、シール部材３１と、シールフィン３２と、圧力調整空間部３３と、連通路３４とを備える。

ケーシング１１は、シーリングホルダ４０が固定され、シーリングホルダ４０は、内周部に凹部４１が設けられる。凹部４１は、シーリングホルダ４０の内周面４０ａからロータ１２の径方向Ｒの外方に凹んで形成される。凹部４１は、底面４１ａと、高圧側側面４１ｂと、低圧側側面４１ｃとを有する。凹部４１は、低圧側側面４１ｃにおける径方向Ｒの内方から高圧空間部ＨＰ側に突出する低圧側突出部４３が設けられる。低圧側突出部４３は、内面４３ａと、低圧側側面４３ｂとを有する。

シール部材３１は、シーリングホルダ４０の凹部４１に支持される。シール部材３１は、第１実施形態と同様であり、支持部５１と、フィン取付部５２とを有する。支持部５１は、四角断面形状をなし、外周面５１ａと、高圧側端面５１ｂと、低圧側端面５１ｃとを有する。支持部５１は、高圧側端面５１ｂが凹部４１の高圧側側面４１ｂに対向し、接触可能である。また、支持部５１は、低圧側端面５１ｃが凹部４１における低圧側突出部４３の低圧側側面４３ｂに対向し、接触可能である。フィン取付部５２は、支持部５１における径方向Ｒの内方に一体に設けられる。シールフィン３２は、シール部材３１におけるフィン取付部５２からロータ１２側に延出される。

シール部材３１は、外周面５１ａ側にばね受部材４８が固定される。ばね受部材４８は、シール部材３１における支持部５１の外周面５１ａに形成された段付部５１ｄに固定される。ばね受部材４８は、外周面４８ａが凹部４１の底面４１ａに対向し、内周面４８ｂが低圧側突出部４３は、内面４３ａに対向して配置される。低圧側突出部４３とばね受部材４８との間に圧縮ばね４９が配置される。圧縮ばね４９は、付勢力によりシールフィン３２がロータ１２から離間する径方向Ｒに、ばね受部材４８を介してシール部材３１を付勢する。

圧力調整空間部３３は、シール部材３１の支持部５１に設けられる。具体的に、圧力調整空間部３３は、シール部材３１における支持部５１の高圧側端面５１ｂに設けられる。圧力調整空間部３３は、シール部材３１の高圧側端面５１ｂに凹みが設けられることで形成される。圧力調整空間部３３は、シーリングホルダ４０の凹部４１における高圧側側面４１ｂに対向する。すなわち、圧力調整空間部３３は、シール部材３１の支持部５１における高圧側端面５１ｂと凹部４１における高圧側側面４１ｂとが接触することで、両者の間に形成された空間部である。連通路３４は、一端部が低圧側空間部ＬＰに連通し、他端部が圧力調整空間部３３に連通する。

蒸気タービン１０（図１参照）の起動時、高圧側空間部ＨＰの蒸気Ｓは、一部がシールフィン３２とロータ１２との隙間を通って低圧側空間部ＬＰに漏れる。また、蒸気Ｓは、一部がシーリングホルダ４０と高圧側リテーナ４５との間を通ってシール部材３１における支持部５１の外周面５１ａ側に侵入する。すると、シール部材３１は、高圧空間部ＨＰの蒸気Ｓにより径方向Ｒの内方に押圧され、圧縮ばね４９の付勢力に抗して径方向Ｒ内方へ移動する。すると、シールフィン３２の先端部とロータ１２の外周面との隙間が小さくなり、微小隙間により圧力損失が発生し、圧力損失により隙間を軸方向Ａに流れる蒸気Ｓの漏れ流れが抑制される。

このとき、高圧側空間部ＨＰの蒸気Ｓは、一部がシーリングホルダ４０の凹部４１に侵入し、シール部材３１の低圧側端面５１ｃに作用する。そのため、凹部４１の高圧側側面３１ｂに対するシール部材３１との間の押圧力が高くなる。しかし、低圧側空間部ＬＰの低圧の蒸気Ｓが連通路３４を通って圧力調整空間部３３に供給されるため、凹部４１の高圧側側面３１ｂに対するシール部材３１の押圧力が低減される。そのため、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのリテーナ４４に対する摺動抵抗が軽減される。その結果、シール部材３１は、高圧側空間部ＨＰと低圧側空間部ＬＰとの差圧に応じて径方向Ｒに円滑に移動することができる。

また、高圧側空間部ＨＰにおける蒸気Ｓが圧力変動すると、凹部４１の高圧側側面３１ｂに対するシール部材３１との押圧力が変動する。このとき、高圧側空間部ＨＰと低圧側空間部ＬＰとの差圧分も変動する。つまり、凹部４１の高圧側側面３１ｂに対するシール部材３１の押圧力は、高圧側空間部ＨＰの変動に応じて適切に調整される。その結果、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときの凹部４１のシーリングホルダ４０に対する摺動抵抗は、適切に調整されることとなる。

［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係るシール装置は、ケーシング（静止体）１１とロータ（回転体）１２との間に配置されて高圧側空間部ＨＰから低圧側空間部ＬＰへの蒸気（流体）Ｓの流れを抑制するシール装置１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄにおいて、ケーシング１１にロータ１２の軸方向Ａおよび径方向Ｒに移動自在に支持されるシール部材３１と、シール部材３１からロータ１２側に延出されるシールフィン３２と、ケーシング１１とシール部材３１における高圧側端面５１ｂとの間に設けられる圧力調整空間部３３と、端部が低圧側空間部ＬＰに連通して他端部が圧力調整空間部３３に連通する連通路３４，３４Ｂとを備える。

第１の態様に係るシール装置によれば、シール部材３１は、高圧側空間部ＨＰの蒸気Ｓの圧力によりケーシング１１に押し付けられ、径方向Ｒに移動するときの摺動抵抗が高くなる。しかし、低圧側空間部ＬＰの蒸気Ｓが連通路３４を通って圧力調整空間部３３に供給されるため、ケーシング１１に押し付けられるシール部材３１の押圧力が低減される。そのため、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのケーシング１１に対する摺動抵抗が軽減される。その結果、シール部材３１は、高圧側空間部ＨＰと低圧側空間部ＬＰとの差圧に応じて径方向Ｒに円滑に移動することができる。

また、高圧側空間部ＨＰの蒸気Ｓが圧力変動すると、ケーシング１１に対するシール部材３１の押圧力が変動する。このとき、高圧側空間部ＨＰと低圧側空間部ＬＰとの差圧分も変動するする。つまり、ケーシング１１に対するシール部材３１の押圧力は、高圧側空間部ＨＰの変動に応じて適切に調整される。そのため、シール部材３１が径方向Ｒに移動するときのケーシング１１に対する摺動抵抗は、適切に調整されることとなる。その結果、圧力変動に拘わらずシール部材３１を円滑に作動させることで、安定したシール性能を維持することができる。

第２の態様に係るシール装置は、圧力調整空間部３３がロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられ、連通路３４，３４Ｂは、ロータ１２の軸方向Ａに沿って設けられると共に、ロータ１２の周方向Ｃに間隔を空けて複数設けられる。これにより、低圧側空間部ＬＰの蒸気Ｓが連通路３４を通って圧力調整空間部３３に適切に供給されることとなり、全周にわたってシール部材３１の摺動抵抗を適切に調整することができる。

第３の態様に係るシール装置は、ケーシング１１にロータ１２の径方向Ｒの外方に凹む凹部４１を設け、シール部材３１は、凹部４１に配置される支持部５１と、支持部５１からロータ１２側に延出されるフィン取付部５２とを有し、圧力調整空間部３３は、支持部５１に設けられる。これにより、凹部４１に配置される支持部５１に圧力調整空間部３３を設けることで、凹部４１に対するシール部材３１の摺動抵抗を適切に軽減することができる。

第４の態様に係るシール装置は、ケーシング１１の凹部４１にリテーナ４４が装着され、シール部材３１は、支持部５１がリテーナ４４に支持される。これにより、リテーナ４４を用いることで、凹部４１に大きさや形状に拘わらず、ケーシング１１に対してシール部材３１を高精度に装着することができる。

第５の態様に係るシール装置は、連通路３４，３４Ｂの一端部がフィン取付部５２に開口することで、連通路３４，３４Ｂは、低圧側空間部ＬＰに連通する。これにより、低圧側空間部ＬＰの蒸気Ｓを連通路３４により適切に圧力調整空間部３３に供給することができる。

第６の態様に係るシール装置は、シールフィン３２がロータ１２の軸方向Ａに間隔を空けて複数設けられ、連通路３４Ｂは、一端部が複数のシールフィン３２の間の第１低圧側空間部ＬＰ１に連通する。これにより、圧力調整空間部３３に比較的高い蒸気Ｓを供給することで、シール部材３１の摺動抵抗の調整代を拡大することができる。

第７の態様に係るシール装置は、ケーシング１１（低圧側リテーナ４６）とシール部材３１における低圧側端面５１ｃとの間に第１シール部６１が設けられる。これにより、圧力調整空間部３３の受圧面積に拘わらず、ケーシング１１（低圧側リテーナ４６）とシール部材３１との隙間からの蒸気Ｓの漏れを抑制することができる。

第８の態様に係るシール装置は、ケーシング１１（高圧側リテーナ４５）とシール部材３１の高圧側端面５１ｂとの間で、圧力調整空間部３３におけるロータ１２の径方向Ｒの内方と外方にそれぞれ第２シール部６２が設けられる。これにより、ケーシング１１（低圧側リテーナ４６）とシール部材３１との隙間からの蒸気Ｓの漏れを抑制することができる。

第９の態様に係るシール装置は、シールフィン３２がロータ１２から離間する方向にシール部材３１を付勢する圧縮ばね（付勢部材）４９が設けられる。これにより、シールフィン３２を、ロータ１２から離間する離間位置と、ロータ１２名に接近するシール位置（接近位置）に適切に移動することができる。

第１０の態様に係る回転機械は、ケーシング（静止体）１１と、ケーシング１１に回転自在に支持されるロータ（回転体）１２と、ケーシング１１とロータ１２との間に配置されるシール装置１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄとを備える。これにより、圧力変動に拘わらずシール部材３１を円滑に作動させることで、安定したシール性能を維持することができ、性能の低下を抑制することができる。

１０ 蒸気タービン（回転機械）
１１ ケーシング（静止体）
１２ ロータ（回転体）
１３ 静翼
１４ 動翼
１５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１６ シール装置
３１ シール部材
３２ シールフィン
３３ 圧力調整空間部
３４，３４Ｂ 連通路
４０ シーリングホルダ（静止体）
４１ 凹部
４２ 高圧側突出部
４３ 低圧側突出部
４４ リテーナ（静止体）
４５ 高圧側リテーナ
４６ 低圧側リテーナ
４７ 連結部
４８ ばね受部材
４９ 圧縮ばね（付勢部材）
５１ 支持部
５２ フィン取付部
６１ 第１シール部
６２ 第２シール部
ＨＰ 高圧空間部
ＬＰ 低圧空間部
ＬＰ１ 第１低圧空間部
Ｓ 蒸気（流体）
Ａ 軸方向
Ｒ 径方向
Ｃ 周方向
Ｏ１ 軸心

Claims (10)

1. 静止体と回転体との間に配置されて高圧側から低圧側への流体の流れを抑制するシール装置において、
   前記静止体に前記回転体の軸方向および径方向に移動自在に支持されるシール部材と、
   前記シール部材から前記回転体側に延出されるシールフィンと、
   前記静止体と前記シール部材における前記高圧側の端面との間に設けられる圧力調整空間部と、
   一端部が前記低圧側に連通して他端部が前記圧力調整空間部に連通する連通路と、
   を備えるシール装置。
2. 前記圧力調整空間部は、前記回転体の周方向に沿って設けられ、前記連通路は、前記回転体の軸方向に沿って設けられると共に、前記回転体の周方向に間隔を空けて複数設けられる、
   請求項１に記載のシール装置。
3. 前記静止体は、前記回転体の径方向の外方に凹む凹部が設けられ、前記シール部材は、前記凹部に配置される支持部と、前記支持部から前記回転体側に延出されるフィン取付部とを有し、前記圧力調整空間部は、前記支持部に設けられる、
   請求項１または請求項２に記載のシール装置。
4. 前記静止体は、前記凹部に装着されるリテーナを有し、前記シール部材は、前記支持部が前記リテーナに支持される、
   請求項３に記載のシール装置。
5. 前記連通路は、一端部が前記フィン取付部に開口することで前記低圧側に連通する、
   請求項３または請求項４に記載のシール装置。
6. 前記シールフィンは、前記回転体の軸方向に間隔を空けて複数設けられ、前記連通路は、一端部が複数の前記シールフィンの間に連通する、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシール装置。
7. 前記静止体と前記シール部材における前記低圧側の端面との間に第１シール部が設けられる、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のシール装置。
8. 前記静止体と前記高圧側の端面との間で、前記圧力調整空間部における前記回転体の径方向の内方と外方にそれぞれ第２シール部が設けられる、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシール装置。
9. 前記シールフィンが前記回転体から離間する方向に前記シール部材を付勢する付勢部材が設けられる、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のシール装置。
10. 静止体と、
    前記静止体に回転自在に支持される回転体と、
    前記静止体と前記回転体との間に配置される請求項１から請求項９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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