JP4668976B2 - 蒸気タービンのシール構造 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンのシール構造に関する。

ボイラ等の蒸気発生器が発生する蒸気でタービン（蒸気タービン）を回転して発電する発電プラントの場合、蒸気タービンは蒸気の流れの上流側から、高圧タービン、中圧タービン、及び低圧タービンが備わり、低圧タービンを回転させた蒸気は、排気室を経由して復水器に導入され、復水器で凝縮されて給水となり蒸気発生器に還流する。
このような発電プラントを構成する蒸気タービンは、ケーシングの内側に固定される静翼が、ロータと一体に回転する動翼と動翼の間に配置され、動翼と静翼とからなる段落が形成される。

そして、ケーシングの内部に導入された蒸気は、蒸気タービンのケーシングの内部を流れ、静翼と、ケーシングに回転自在に支持されるロータに固定される動翼との間を交互に通りながら膨張し、ロータを回転させる。そして、ロータの最も下流に備わる動翼、すなわち最終段の動翼を通過した蒸気は、ケーシングの外に排気されるように構成される。

このような蒸気タービンにおいては、蒸気が動翼を回転することでロータを回転することから、蒸気を効率よく使用するために、例えば静翼とロータなど、回転部と固定部との間に設けられるクリアランスからの蒸気の漏れをできるだけ少なくして、シール性能を向上するため、クリアランスを最小に保持することが要求される。しかしながら、回転部と固定部の間のクリアランスを最小にすると、回転部と固定部の接触が多くなり、その摩擦発熱で回転接触部が高温になる。回転接触部が摩擦発熱により高温になる場合には、回転周方向に不均一な温度分布を生じて、これによりロータ軸の熱曲がりを生じ、回転部に振動が発生したり、さらには、振動の振幅が大きな場合には蒸気タービンを停止せざるを得ないといった由々しき問題を生じる。

このような問題に対応するため、従来、ロータなどの回転部と静翼などの固定部との間に、フィン（シールフィン）を有するラビリンスシール装置を備え、さらにフィンと対向する位置に切削性に優れる部材（アブレイダブル材）を用いたシール構造の技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示される技術によると、フィンとアブレイダブル材との間のクリアランスが最小になるように設計した場合に、何らかの原因によってフィンとアブレイダブル材とが接触しても、フィンによってアブレイダブル材が切削されるため、フィンとアブレイダブル材との接触による摩擦熱の発生を抑制できる。そして、例えばロータが高温になることで発生する、ロータ軸の不均一な熱曲がりによる軸振動を抑制できる。

また、回転部への伝熱を抑制するように、断熱層を備えるシール構造の技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示される技術によると、例えば回転部に備わるフィンと、回転部の間に断熱層を備えることで、回転部と固定部の接触によって発生する摩擦熱が回転部に伝熱することを抑制し、ロータ軸の不均一な熱曲がりによる軸振動を抑制できる。
特開２００２−２２８０１３号公報（図１参照） 特開２００７−１６７０４号公報（図１参照）

しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示される技術によっても、回転部が長時間連続して回転していると、摩擦熱が徐々に蓄熱されて、アブレイダブル材や断熱層が高温になり、蓄熱された熱が回転部にゆっくりと伝熱して回転部が次第に高温になり、ロータ軸の不均一な熱曲がりによる軸振動が発生するという問題がある。

そこで、本発明は、回転部が長時間連続して回転しても、回転部の温度上昇を抑制できる蒸気タービンのシール構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、通気性金属からなる通気性スペーサを用いた、蒸気タービンのシール構造とする。

本発明によると、回転部が長時間連続して回転しても、回転部の温度上昇を抑制できる蒸気タービンのシール構造を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
図１は、本実施形態に係る蒸気タービンを備える発電プラントの概略系統図である。図１に示すように、発電プラント１は、ボイラ１０と、蒸気タービン２（高圧タービン１２、中圧タービン１４、及び低圧タービン１６）、発電機１８、復水器２０などを備えている。そして、低圧タービン１６のロータ２ａは発電機１８の駆動軸２２に連結され、低圧タービン１６の回転によって発電機１８が駆動され発電される構成である。

ボイラ１０は蒸気発生器であって、再熱器２４が収納されており、配管２６を介して高圧タービン１２の入口側に接続されている。高圧タービン１２の出口側は配管２８を介してボイラ１０の再熱器２４に接続される。再熱器２４は配管３０を介して中圧タービン１４の入口側に接続され、中圧タービン１４の出口側は配管３２を介して低圧タービン１６の入口側に接続されている。

配管２６と配管３０には調節弁Ｂが備わり、それぞれ、高圧タービン１２及び中圧タービン１４に流入する蒸気Ｓｔの量を制御するための制御弁として機能する。これらの調節弁Ｂは、制御装置５４によって制御され、高圧タービン１２及び中圧タービン１４に流入する蒸気Ｓｔの量が制御される。

ボイラ１０で発生した蒸気Ｓｔは、高圧タービン１２、中圧タービン１４を介して低圧タービン１６に流入し、低圧タービン１６に備わるロータ２ａを回転させる。ロータ２ａを回転して低圧タービン１６から排気された蒸気Ｓｔは、排気室３を介して復水器２０で凝縮されて水（給水）となった後、給水加熱器２１に送り込まれて、給水加熱器２１で加熱され、更に他の給水加熱器(図示省略)や高圧給水ポンプ（図示省略）などを経由して蒸気発生器であるボイラ１０に再度導入される。

図２の（ａ）は、蒸気タービンの一部構成図、（ｂ）は、図２の（ａ）のＸ部拡大図、図３は、図２の（ｂ）におけるＹ部拡大図である。
なお、図１に示す高圧タービン１２、中圧タービン１４、及び低圧タービン１６は蒸気タービン２で構成されることから、本発明は、高圧タービン１２、中圧タービン１４、及び低圧タービン１６に適用できる。
図２の（ａ）に示すように、蒸気タービン２には、複数の動翼２ｂが周方向に固定されるロータ２ａが備わる。さらに、ロータ２ａ及び動翼２ｂを内包するケーシング２ｄと、ケーシング２ｄにノズルダイヤフラム外輪側３ｂを介して設けられる静翼２ｃが備わる。動翼２ｂと静翼２ｃは、ロータ２ａの軸方向に対して交互に配置され、段落が形成される。
ボイラ１０（図１参照）で発生した蒸気Ｓｔはケーシング２ｄに流入すると、静翼２ｃと動翼２ｂの間を交互に通りながら膨張し、ロータ２ａを回転させる。そして、ロータ２ａの最も下流に備わる動翼２ｂ、すなわち最終段の動翼２ｂを通過した蒸気Ｓｔはケーシング２ｄの外部に排気されるように構成される。

このように構成される蒸気タービン２においては、ケーシング２ｄの内部を流れる蒸気Ｓｔで効率よく動翼２ｂを回転するため、回転部であるロータ２ａ、及び動翼２ｂなどと、固定部であるケーシング２ｄ、及び静翼２ｃなどの間のシール性能を向上し、回転部と固定部の間に形成されるクリアランスから漏れる蒸気（漏れ蒸気）の量を抑制することが要求される。

例えば、ロータ２ａと、静翼２ｃの先端に備わるノズルダイヤフラム内輪側３ａの間には、ロータ２ａの回転運動を許容するためのクリアランスが設けられているが、このクリアランスは静翼２ｃに流入する蒸気Ｓｔの漏れ蒸気の原因ともなる。この漏れ蒸気の量を抑制するため、ノズルダイヤフラム内輪側３ａのロータ２ａ近傍には、一般にラビリンスシール装置３ｃなどのシール装置を備え、ロータ２ａと静翼２ｃの間のクリアランスを小さくしてシール性能を向上し、漏れ蒸気の量を抑制している。

図２の（ｂ）は、図２の（ａ）におけるＸ部拡大図であって、ラビリンスシール装置の一例を示す図である。図２の（ｂ）に示すように、ノズルダイヤフラム内輪側３ａには複数のシールフィン３ｃ２を備えたシール静止体３ｃ１が嵌合固定される。シール静止体３ｃ１には、所定間隔で溝３ｃ３を設け、この溝３ｃ３にシールフィン３ｃ２をコーキングして固定する。さらに、ロータ２ａにも所定間隔で溝２ａ２を設け、この溝２ａ２にシールフィン２ａ１をコーキングして固定する。そして、シールフィン３ｃ２とシールフィン２ａ１が、ロータ２ａの軸方向に交互に重なり合うように配置する。
このようにして、シール静止体３ｃ１、シールフィン３ｃ２及びシールフィン２ａ１からなるラビリンスシール装置３ｃが形成される。

従来、シールフィン３ｃ２とロータ２ａ、及びシールフィン２ａ１とシール静止体３ｃ１は非接触である。したがって、シールフィン３ｃ２とロータ２ａの間、及びシールフィン２ａ１とシール静止体３ｃ１の間には接触を防止するため、十分なクリアランスが形成され、ロータ２ａの回転運動が許容されている。しかしながら、これらのクリアランスにおける漏れ蒸気によって蒸気漏洩損失が発生し、蒸気タービン２（図１参照）のタービン効率が低下する。
そこで、本実施形態においては、シールフィン３ｃ２とロータ２ａの間、及びシールフィン２ａ１とシール静止体３ｃ１の間に、通気性金属からなる通気性スペーサ（スペーサ）４を備えることを特徴とする。

図２の（ｂ）に示すラビリンスシール装置３ｃにおいては、ロータ２ａの、シール静止体３ｃ１に固定されるシールフィン３ｃ２に対向する位置に通気性スペーサ４を備えるとともに、シール静止体３ｃ１の、ロータ２ａに固定されるシールフィン２ａ１に対向する位置にも通気性スペーサ４を備える構成とする。
この構成によって、シールフィン３ｃ２に対向するロータ２ａ（回転部）、及びケーシング２ｄのノズルダイヤフラム内輪側３ａに嵌合固定され、シールフィン２ａ１に対向するシール静止体３ｃ１（固定部）の両方に、通気性金属からなる通気性スペーサ４が備わるシール構造になる。
なお、通気性スペーサ４をロータ２ａ、及びシール静止体３ｃ１に備える方法は限定されるものではなく、例えばロウ付けなどによって固定して備えればよい。
また、ロータ２ａにおいては通気性スペーサ４を、シールフィン３ｃ２の先端に対向するロータ２ａの外周に沿って備える。

通気性金属は、多孔質金属の空間部（ポア）が連結していて、内部を気体が通気できる金属素材である。そして、シールフィン３ｃ２の先端が通気性スペーサ４に接触可能とすることで、最小のクリアランスが構成可能となり、シールフィン３ｃ２とロータ２ａのシール性能を向上することができる。

シールフィン３ｃ２とロータ２ａの間、及びシールフィン２ａ１とシール静止体３ｃ１の間のクリアランスを無くして、もしくは小さくしてシール性能を向上するために、シールフィン３ｃ２の先端に対向するロータ２ａ、及びシールフィン２ａ１に対向するシール静止体３ｃ１に、例えばアブレイダブル材など切削性に優れた素材からなるスペーサを備えることは、前記のように公知の技術である。しかしながらこの技術では、例えばロータ２ａと一体に回転するスペーサとシールフィン３ｃ２との摩擦による摩擦熱がロータ２ａに伝熱して、ロータ２ａが高温になる。結局、ロータ２ａの、例えば不均一な温度分布による熱曲がりなどの熱変形によって、軸振動が発生するなどの問題が発生する可能性がある。

シールフィン３ｃ２とロータ２ａの間、及びシールフィン２ａ１とシール静止体３ｃ１の間に断熱部材を備える技術も公知であるが、この技術では、ロータ２ａが長時間連続して回転し、ロータ２ａと一体に回転するスペーサとシールフィン３ｃ２が長時間接触していると、例えばシールフィン３ｃ２とスペーサとの摩擦熱が徐々に蓄熱されて断熱層が高温になる。そして、断熱層の熱がロータ２ａに伝熱してロータ２ａが高温になり、不均一な温度分布による熱曲がりなどの熱変形が発生する。

これに対して、図３に示すように、通気性金属からなる通気性スペーサ４の内部には極微量の蒸気Ｓｔが通気する。
そして、通気性スペーサ４の内部を通気する蒸気Ｓｔによって、通気性スペーサ４は均一に、蒸気Ｓｔと同等の温度に保たれる。すなわち、通気性スペーサ４は、蒸気Ｓｔより高温になることがない。
通気性スペーサ４の通気量は、シール性に影響がない程度の通気量であって、かつ通気性スペーサ４が均一に、蒸気Ｓｔと同等の温度に保たれる通気量とすればよい。通気性スペーサ４を形成する通気性金属の通気量は極微量であり、ポアの配置密度や大きさによって決まる通気性金属の特性値であることから、シール性に影響がなく、かつ通気性スペーサ４を蒸気Ｓｔと同等の温度に均一に保つ効果が期待できる通気量が確保できる通気性金属を使用して、通気性スペーサ４を形成すればよい。
このように通気性スペーサ４の温度を蒸気Ｓｔと同等に均一に保つことで、ロータ２ａが長時間連続して回転し、例えばシールフィン３ｃ２と、ロータ２ａと一体に回転する通気性スペーサ４とが長時間接触する場合であっても、通気性スペーサ４の温度が蒸気Ｓｔより高温にならない。したがって、ロータ２ａの温度が蒸気Ｓｔより高温になることを抑制できるという優れた効果を奏する。ロータ２ａは、蒸気Ｓｔの温度に対して耐熱性をもって設計されることから、ロータ２ａの温度が蒸気Ｓｔの温度に保たれていれば、例えば過大な熱応力や熱曲がりなどの熱変形が発生することはなく、蒸気タービン２（図１参照）の運転に支障をきたすことはない。

ここで、図２の（ｂ）に示すラビリンスシール装置３ｃにおいては、ロータ２ａの側、もしくはシール静止体３ｃ１の側のどちらか一方にのみ通気性スペーサ４を備える構成であってもよい。

なお、通気性スペーサ４を通気する蒸気Ｓｔの量は、シールフィン３ｃ２とロータ２ａとの間に設けられるクリアランスから漏れ出る量に比べて微量であることから、蒸気タービン２（図１参照）のタービン効率には影響しない。

以上、ラビリンスシール装置３ｃに通気性スペーサ４を備える本実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ラビリンスシール装置３ｃには、図２の（ｂ）に示す形状のほか、ハイロー型のラビリンスシール装置などもある。そして、ハイロー型のラビリンスシール装置にも本発明を適用できる。図４は、ハイロー型のラビリンスシール装置を示す図であって、（ａ）は、シール静止体にシールフィンが備わる形態を示す図、（ｂ）は、ロータにシールフィンが備わる形態を示す図である。

図４の（ａ）に示すように、ハイロー型のラビリンスシール装置３ｃは、ノズルダイヤフラム内輪側３ａに、複数のシールフィン３ｃ４を備えたシール静止体３ｃ１が嵌合固定されており、ロータ２ａの外周部に複数の凸部２ａ３が形成されている。そして、シールフィン３ｃ４は、ロータ２ａの凸部２ａ３とその間に形成される凹部２ａ４に対向して配置されている。
そして、図４の（ａ）に示すように、シールフィン３ｃ４に対向してロータ２ａに形成される凸部２ａ３、及び凹部２ａ４に通気性スペーサ４が備わる構成とする。このように通気性スペーサ４を備えることで、シールフィン３ｃ４とロータ２ａの間のシール性能を向上することができる。
なお、図４の（ａ）に示すハイロー型のラビリンスシール装置３ｃにおいては、ロータ２ａの凸部２ａ３、又は凹部２ａ４のどちらか一方に通気性スペーサ４を備える構成としてもよい。

また、図４の（ｂ）に示すように、ロータ２ａの外周部にシールフィン２ａ５が備わった形状のハイロー型のラビリンスシール装置３ｃもある。この場合、シール静止体３ｃ１には、シールフィン２ａ５に対向するように凹部と凸部が形成される。そして、図４の（ｂ）に示すように、シール静止体３ｃ１の凹部と凸部に通気性スペーサ４が備わる構成とすればよい。または、シール静止体３ｃ１の凸部と凹部のどちらか一方に通気性スペーサ４を備える構成とすればよい。

以上、図２の（ａ）に示すように、静翼２ｃとロータ２ａとの間に備わるラビリンスシール装置３ｃに通気性スペーサ４を備える構成について説明したが、動翼２ｂの先端に通気性スペーサ４を備えてもよい。
図５は、動翼の先端を示す概略図である。図５に示すように、動翼２ｂの先端には、ノズルダイヤフラム外輪側３ｂとのクリアランスを小さくするためのカバー２ｇが備わり、ノズルダイヤフラム外輪側３ｂには、カバー２ｇに対向するようにシールフィン３ｂ１が備わる。
そして、カバー２ｇには、シールフィン３ｂ１に対向するように、通気性スペーサ４が備わる構成とする。
このように構成することで、動翼２ｂが回転して、シールフィン３ｂ１と通気性スペーサ４とが接触して、摩擦熱で通気性スペーサ４が高温になっても、通気性スペーサ４の内部を通気する蒸気Ｓｔによって、通気性スペーサ４は蒸気Ｓｔより高温にはならない。したがって、動翼２ｂも蒸気Ｓｔより高温にならないという効果を奏する。

さらには、動翼の先端にシールフィンが備わる形態であってもよい。図６は動翼の先端にシールフィンが備わる形態を示す図、図７は、ノズルダイヤフラム外輪側と動翼の先端の両側にシールフィンが備わる形態を示す図である。
例えば図６に示すように、シールフィン２ｂ１は、動翼２ｂの先端（カバー２ｇ）に備わる構成であってもよい。このように構成した場合、通気性スペーサ４は、ノズルダイヤフラム外輪側３ｂの、シールフィン２ｂ１の先端に対向する位置に備わる。
さらに、図７に示すようにノズルダイヤフラム外輪側３ｂにシールフィン３ｂ２が備わり、動翼２ｂの先端にシールフィン２ｂ２が備わる構成であってもよい。このように構成した場合、通気性スペーサ４は、ノズルダイヤフラム外輪側３ｂと動翼２ｂの先端（カバー２ｇ）の両側に備わる。
なお、ノズルダイヤフラム外輪側３ｂにシールフィン３ｂ２が備わり、動翼２ｂの先端（カバー２ｇ）にシールフィン２ｂ２が備わる構成のとき、通気性スペーサ４はノズルダイヤフラム外輪側３ｂと動翼２ｂの先端（カバー２ｇ）のどちらか一方に備わる構成であってもよい。

その他、ロータ２ａ（図２の（ａ）参照）などの回転部と、ケーシング２ｄ（図１参照）などの固定部とが接する箇所に、通気性スペーサ４を備えることができる。そして、回転部を蒸気より高温にすることなく、シール性能を向上することができる。

なお、前記したいずれの構成においても、通気性スペーサ４の通気量は、シール性能と冷却性能を考慮して、適宜設定される。

本実施形態に係る蒸気タービンを備える発電プラントの概略系統図である。 （ａ）は、蒸気タービンの一部構成図、（ｂ）は、図２の（ａ）のＸ部拡大図である。 図２の（ｂ）におけるＹ部拡大図である。 ハイロー型のラビリンスシール装置を示す図であって、（ａ）は、シール静止体にシールフィンが備わる形態を示す図、（ｂ）は、ロータにシールフィンが備わる形態を示す図である。 動翼の先端を示す概略図である。 動翼の先端にシールフィンが備わる形態を示す図である。 ノズルダイヤフラム外輪側と動翼の先端の両側にシールフィンが備わる形態を示す図である。

符号の説明

１ 発電プラント
２ 蒸気タービン
２ａ ロータ（回転部）
２ａ１、２ａ５、２ｂ１、２ｂ２、３ｂ１、３ｂ２、３ｃ２、３ｃ４ シールフィン
２ｂ 動翼（回転部）
２ｃ 静翼（固定部）
２ｄ ケーシング（固定部）
２ｇ カバー
３ｃ ラビリンスシール装置
３ｃ１ シール静止体
４ 通気性スペーサ（スペーサ）
Ｓｔ 蒸気

Claims (3)

1. 蒸気タービンのロータ及び前記ロータと一体に回転する部材からなる回転部と、
   前記回転部を内包するケーシング及び前記ケーシングに固定される部材からなる固定部と、の両方またはいずれか一方に、複数のシールフィンを備える蒸気タービンのシール構造であって、
   前記シールフィンに対向する前記回転部及び前記シールフィンに対向する前記固定部に前記シールフィンと対向するように、通気性金属からなるスペーサが備わり、
   前記スペーサの内部に、当該スペーサの温度を前記ケーシング内を流れる蒸気と同等の温度に保てる量の前記蒸気を通気させることを特徴とする蒸気タービンのシール構造。
2. 前記ケーシングに固定される部材は、前記ケーシングに備わる静翼であって、
   前記シールフィンは、前記静翼の先端と、前記ロータの前記静翼の先端に対向する位置と、の両方またはいずれか一方に備わり、
   前記シールフィンに対向する前記ロータ及び前記シールフィンに対向する前記静翼の先端に前記シールフィンと対向するように、前記通気性金属からなるスペーサが備わることを特徴とする請求項１に記載の蒸気タービンのシール構造。
3. 前記ロータと一体に回転する部材は、前記ロータに備わる動翼であって、
   前記シールフィンは、前記ケーシングの前記動翼の先端に対向する位置と、前記動翼の先端と、の両方またはいずれか一方に備わり、
   前記シールフィンに対向する前記動翼の先端及び前記シールフィンに対向する前記ケーシングに前記シールフィンと対向するように、前記通気性金属からなるスペーサが備わることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蒸気タービンのシール構造。

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