JP4115344B2

JP4115344B2 - 継手部シール構造及びそれを用いた回転機械

Info

Publication number: JP4115344B2
Application number: JP2003174293A
Authority: JP
Inventors: 恵三田中; 隆中野; 廣和白井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-06-19
Filing date: 2003-06-19
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: JP2005009577A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、継手部シール構造に関するものであり、シール性を改善する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、このような継手部として、回転機械の一種である例えば蒸気タービンの上下車室のケーシングを接合する水平継手面のシールについて多くは、ボルトの締め付け力に頼っている。そして、ボルトのない箇所でのシールの完全さは無かったのが現状である。
【０００３】
ところで、軸線方向に複数の翼列を配置した軸流タービンにあっては、まずその初段翼に作動流体（作動媒体）を吹き付ける必要がある。作動流体を誘導する仕組みとしては、「スクロール」（或いはノズル室若しくはダミーリング）と称される円環形の誘導路（作動媒体導入部）を用いる場合がある。スクロールの構造例は特許文献１や特許文献２に見ることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−６６０１６号公報
【特許文献２】
特開平６−５８１０３号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなスクロールを上下車室の両ケーシングに渡って設ける場合は、水平継手面のシール性が特に問題となる。つまり、水平継手面の平面度を確保し、ボルトの締め付けを十分に行うとしても、内側（ハブ側）にはボルトを配置できないので、その部分には締め付け力が届きにくい。そして、水平継手面が万一にも変形したりすると、そこに口開きが生じ、スクロール内の蒸気等の作動流体が、差圧により例えば車室内部にリークしてしまう恐れがある。
【０００５】
本発明は、このような問題点に鑑み、ボルトの締め付け力が期待できない嵌合部や水平継手面等のシール性を確保し、性能向上を図ることが可能な継手部シール構造及びそれを用いた回転機械を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の継手部シール構造は、端面を有するシール溝を継手面に備え、該シール溝に細長棒状のシール部材を前記シール溝に沿わせて填め込んで該継手面をシールする継手部シール構造において、前記シール溝の端面部を前記シール溝の長手方向に対して直角方向に広げられた構成として、前記シール部材の端面よりも前記シール溝の端面を広げることで、前記シール部材の端面の広さと同等以上の平面部を前記シール溝の端面に確保するとともに、前記シール部材の端面を平面として、前記シール部材及び前記シール溝それぞれの平面同士を当接させ、前記シール部材を、前記継手面を形成する部材よりも、線膨張係数の大きい素材によって形成して、前記シール部材の長手方向における前記シール部材と前記シール溝との熱伸び差により、前記シール部材の端面を前記シール溝の端面に押圧させて密着させることを特徴とする。
【０００９】
また、前記シール部材の端面と前記シール溝の端面との間に、溝端リーク防止部材を設置したことを特徴とする
【００１０】
また、作動媒体導入部が水平継手面を貫通する回転機械であって、前記水平継手面に前記いずれかの継手部シール構造を用いた回転機械とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の継手部シール構造が適用可能なスクロールの正面図であり、図２は、このスクロールを軸流タービンの初段翼に組み合わせた状況を示す概略部分断面図である。図２には、軸流タービン１の構成要素のうち、初段翼である初段静翼２と、それに続く初段動翼３が図示されている。初段静翼２の前面には、スクロール１０が配置されている。本例では、初段静翼２がスクロール１０の出口部１２の内部に形成されている。
【００１２】
スクロール１０は、次のような形状を有する。まず、正面形状は円環形である。この円環形状の１箇所に、蒸気通路貫通部である入口部１１が設けられている。入口部１１は、スクロール１０に対し、接線をなすように配置されており、このため、作動流体はスクロール１０に接線方向から流入し、スクロール１０の中で旋回する。
【００１３】
スクロール１０の断面は、図２に見られるように円形とし、スクロール１０内の二次流れを抑制する。軸流タービン１の軸線方向において、スクロール１０の断面中心と整列する位置に、出口部１２が設けられている。またスクロール１０の断面中心と、初段静翼２及び初段動翼３の高さ方向の中心とは、軸流タービン１のラジアル方向に関し同一レベルにあり、出口部１２，初段静翼２，及び初段動翼３は一直線に並ぶ。出口部１２は、正面形状が円弧状であり、初段静翼２の全周にわたり、作動流体を供給するようになっている。
【００１４】
なお、スクロール１０の断面形状や、入口部１１の配置，出口部１２の構成等は、本例のものに限定されるものでは勿論なく、様々な例が考えられる。
【００１５】
軸流タービン１の動作は次のとおりである。入口部１１に作動流体が送り込まれると、作動流体はスクロール１０の内部を図１において反時計回りに旋回する。作動流体は旋回しつつ出口部１２から噴出する。作動流体は流れを所定速度，所定圧力，及び所定方向に整えられ、初段動翼３の各翼片に吹き付けられる。
【００１６】
さて、図２で示した断面が水平継手面であるとすると、図３に示すように、スクロール１０が内包されるケーシング４の水平継手面４ａは、外側（チップ側）でボルト５により締め付けられることとなる。ところがこれだけでは、上述したように、ボルトの締め付け力が内側（ハブ側）に届きにくいので、ここでのシール性が問題となる。
【００１７】
そこで、同図に更に示すように、水平継手面４ａには、スクロール１０を取り囲むようにして、シール材用のシール溝６が設けられている。このシール溝６に後述するシール材（弾力性を有する）を填め込み、水平継手面４ａをこれに相対する継手面と共にボルト５で締め付けることにより、シール材を挟み込んでシール性を確保するものである。
【００１８】
但し、スクロール１０には出口部１２が設けられているため、シール溝６はスクロール１０断面の全周に渡って取り囲むことはできず、シール溝６の全体はこの出口部１２付近が開いたＣ形状（部分円弧状）となっている。勿論、この形状に限定されるものではなく、例えば矩形に近い形状としても良いし、その他、先端を出口部１２に沿って延ばした形状とすると、シール性は更に良くなる。ただ、シール溝やシール材の加工性を考えると、同図のようなＣ形状（部分円弧状）とするのが一般的である。何れにせよ、端部のある形状が特徴となっている。
【００１９】
図４は、シール溝にシール材を填め込んでシールする様子を示す図であり、水平継手面に設けられたシール溝６の一端付近を拡大して示している。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は縦断面図、同図（ｃ）は横断面図となっている。シール溝６には、全体がこれと同様のＣ形状となっているシール材７が、同図に示すように填め込まれている。なお、シール溝６の他端も同様の構成となっている。
【００２０】
そして、同図（ｂ），（ｃ）に示すように、車室下側のケーシング４と、これに相対する車室上側のケーシング８との間に、シール材７を挟み込み、シールする構成である。また、ここでは同図（ｃ）のように、断面がＥ型のシール材７を使用した様子を示しているが、これに限らず断面がＣ型やＯ型のシール材を用いても良い。
【００２１】
ここでシール溝６は、水平継手面４ａをエンドミルで切削加工することにより設けられるため、同図（ａ）に示すように、端面はエンドミル側面の形状に則した曲面Ｒとなる。さらには、同図（ｂ）に示すように、シール溝６の端面下部にエンドミル先端角部の形状に則した曲面ｒが形成される。このため、シール材７の端面がシール溝６の端面に完全に当接することはなく、端面同士に隙間が生じる。
【００２２】
このような隙間が生じると、同図（ａ），（ｃ）に矢印Ａで示すように、作動流体がシール材７の端部に回り込み、隙間を通ってリークするといった、いわゆる回り込みリークが発生する恐れがある。そこで、このような回り込みリークを防止するため、シール溝６端面の平面部を確保し、シール材７の端面を平面に加工して、これら平面同士を完全に当接させる必要がある。若しくは、以下の例では説明しないが、シール溝６端面を曲面のままで平面とせず、シール材７の端面をシール溝６の端面に沿うような形状に加工し、当接させるようにしても良い。
【００２３】
図５は、シール溝端面の平面部を確保して回り込みリークを防止した様子を示す図である。同図（ａ）は平面図、同図（ｂ），（ｃ）は縦断面図となっている。ここではまず、同図（ａ）に示すように、エンドミルでシール溝６を加工する際に、端部において加工範囲をシール溝の長手方向に対して左右（直角方向）に広げ、曲面Ｒの位置をシール材７の配置部分から外れるようにして、同時に端面の平面部ｆをシール溝の全幅に渡って確保している。また、同図（ｂ）に示すように、シール溝６の端面下部に形成された曲面ｒに沿うように、現合にてシール材７端面下部を削除している。
【００２４】
或いは、シール溝６の端部のみ小径エンドミルで加工することにより、上記曲面Ｒを小さくすることができるとともに、同図（ｃ）に示すように、シール溝６の端面下部に形成されていた曲面ｒが削除され、端面の平面部ｆをシール溝の下端まで確保することができる。こうすれば、曲面ｒに沿うようにシール材７端面下部を削除する必要がなくなる。以上のような方法により、シール材７の端面がシール溝６の端面に完全に当接可能となるようにしている。
【００２５】
さらに、ケーシング４（及びケーシング８）とシール材７との線膨張係数の違いを利用し、熱伸び差によりシール材７の端面をシール溝６の端面に押圧，密着させるようにしている。具体的には、例えば耐熱合金より成るケーシングと、耐熱性，弾力性を有する金属より成るシール材との、それぞれの線膨張係数から、約５００℃での熱伸びを計算して比較すると、熱伸び差は約１ｍｍになる。
【００２６】
このように、材料（線膨張係数），温度，及び長さを適宜選択することにより、所望の熱伸び差とすることができる。これにより、端面を効果的に密着させる力が得られ、端面のシール性を高めることができるので、上述したような回り込みリークを確実に防止することが可能となる。また、常温においてシール材端面とシール溝端面とのクリアランスを現合により０としておけば、熱伸びによる密着性が更に高くなる。また、更には常温時クリアランスを設け、緩やかな接触とすることも可能である。その他、シール材の端部を長手方向に弾力性のある構造としておけば、熱伸びを利用せずとも端部のシール性を確保することができる。
【００２７】
なお、本発明の継手部シール構造は、これまで述べてきたようなスクロール付近での使用に限定されるものでは勿論ない。例えば図６に示すように、車室のケーシング９の水平継手面９ａ上で内側（ハブ側）に、軸方向に渡ってシール溝２１を設け、これにシール材２２を填め込んだ構成とすることもできる。このとき、シール範囲を十分にカバーし、また効果的な熱伸びが得られるように、シール材２２の長さを適宜設定しておくことにより、矢印Ｂで示したような、各ボルト２０間での車室内からの流体のリークを防ぐことができる。シール溝２１及びシール材２２の各端部の構成は、上記シール溝６及びシール材７の場合と同様である。
【００２８】
また、図７に示すように、ケーシング９内壁に突設する嵌合部９ｂに、翼環（又は翼列）２３が嵌合する場合、その嵌合面２３ａにシール溝２４を設け、これにシール材２５を填め込んだ構成とすることもできる。これにより、矢印Ｃで示したような、嵌合部におけるガスのリークを防ぐことができる。シール溝２４及びシール材２５の各端部の構成は、上記シール溝６及びシール材７の場合と同様である。その他、本発明の継手部シール構造は、タービン内部のあらゆるリーク箇所、及びタービン外部の様々なシール箇所に適用可能であり、性能向上に大きく寄与することができる。
【００２９】
図８，図９は、通常の溝に溝端リーク防止部材を設けた様子を模式的に示す図である。本例では、通常の溝であっても、シール部材の端面とシール溝の端面とが密着し、リークしないことを可能とするために、シール材７とシール溝６端面との間の溝部に溝端リーク防止部材３１を設置している。図８は、シール溝６に溝端リーク防止部材３１を自由に置いた場合であり、図９は、シール溝６の端部側に溝端リーク防止部材３１を押し付けた場合である。図９においては、シール溝６に溝端リーク防止部材３１を溶接することも可能である。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ボルトの締め付け力が期待できない嵌合部や水平継手面等のシール性を確保し、性能向上を図ることが可能な継手部シール構造及びそれを用いた回転機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の継手部シール構造が適用可能なスクロールの模式的な正面図。
【図２】スクロールをタービンの初段翼に組み合わせた状況を模式的に示す断面図。
【図３】スクロールの水平継手面を模式的に示す図。
【図４】シール溝にシール材を填め込んでシールする様子を模式的に示す図。
【図５】シール溝端面の平面部を確保して回り込みリークを防止した様子を模式的に示す図。
【図６】水平継手面上でハブ側を軸方向に渡ってシールする様子を模式的に示す図。
【図７】ケーシングに嵌合する翼環の嵌合面をシールする様子を模式的に示す図。
【図８】通常の溝に溝端リーク防止部材を設けた様子を模式的に示す図。
【図９】通常の溝に溝端リーク防止部材を設けた様子を模式的に示す図。
【符号の説明】
１軸流タービン
２初段静翼
３初段動翼
４，８，９ケーシング
５，２０ボルト
６，２１，２４シール溝
７，２２，２５シール材
１０スクロール
１１入口部（蒸気通路貫通部）
１２出口部
２３翼環（又は翼列）
３１溝端リーク防止部材

Claims

端面を有するシール溝を継手面に備え、該シール溝に細長棒状のシール部材を前記シール溝に沿わせて填め込んで該継手面をシールする継手部シール構造において、
前記シール溝の端面部を前記シール溝の長手方向に対して直角方向に広げられた構成として、前記シール部材の端面よりも前記シール溝の端面を広げることで、前記シール部材の端面の広さと同等以上の平面部を前記シール溝の端面に確保するとともに、前記シール部材の端面を平面として、前記シール部材及び前記シール溝それぞれの平面同士を当接させ、
前記シール部材を、前記継手面を形成する部材よりも、線膨張係数の大きい素材によって形成して、前記シール部材の長手方向における前記シール部材と前記シール溝との熱伸び差により、前記シール部材の端面を前記シール溝の端面に押圧させて密着させることを特徴とする継手部シール構造。
前記シール溝は、前記水平継手面をエンドミルで切削加工して設けられ、その端部において加工範囲をシール溝の長手方向に対して直角方向に広げ、前記シール溝の端面における平面部がシール溝の全幅に渡って確保されていることを特徴とする請求項１に記載の継手部シール構造。
前記シール部材の端面と前記シール溝の端面との間に、溝端リーク防止部材を設置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の継手部シール構造。
作動媒体導入部が水平継手面を貫通する回転機械であって、
前記水平継手面に請求項１〜請求項３のいずれかに記載の継手部シール構造を用いたことを特徴とする回転機械。