JP5315230B2 - シール装置 - Google Patents

Description

本発明は蒸気タービン又はガスタービン等の回転機械のシール装置に関する。

蒸気タービン又はガスタービン等の回転機械において、静止部と回転部（タービンロータ）の間隙を通る作動流体（蒸気やガス等）の漏れを防止するシール装置としては、その静止部及び回転部にシールリング及びシールフィンを取り付けたものがある。シール装置におけるシール間隙（シールリングとシールフィンの間隙）を小さくすると作動流体の漏えいが防止できるので、タービンの効率を向上させることができる。

シール間隙を小さくする技術としては、静止部及び回転部のシール部材のうち一方に切削性の良いアブレイダブル部材を使用しつつ他方のシール部材にシールフィンを取り付けることでシールフィンでアブレイダブル部材を切削可能な構成とし、２つのシール部材の間に適正なシール間隙が形成されるようにしたものがある（特許文献１参照）。

特開２００２−２２８０１３号公報

ところで、タービンの起動時及び停止時には、静止部と回転部の間にロータ軸方向の熱伸び差が生じる。これは、上記技術のようにアブレイダブル部材を使用する場合も同様で、アブレイダブル部材が切削される範囲が熱伸び差に付随してロータ軸方向に広くなるため、シール間隙がロータ軸方向に広がってしまう。

このようにアブレイダブル部材が切削される範囲が広がることを防ぐ方法としては、起動時及び停止時に静止部側のシール部材をロータ径方向の外側に一時的に移動することで、アブレイダブル部材の切削を抑制するものがある。しかし、この方法では起動時及び停止時の作動流体の漏れが増大するので、起動時及び停止時の効率が低下するとともに起動及び停止時間も長くなってしまう。

本発明の目的は、アブレイダブル部材を利用した回転機械のシール装置において、起動時及び停止時の効率向上とともに起動及び停止時間の短縮化を図ることにある。

本発明は、上記目的を達成するために、回転体と静止体の間に設置されるシール装置であって、前記回転体の外周に位置するように前記静止体に保持されたリング部材と、このリング部材又は前記回転体において前記リング部材と対向する部分のいずれか一方に取り付けられたシールフィンと、前記リング部材又は前記回転体のいずれか一方において前記シールフィンと対向する部分に設置されたアブレイダブル部材とを備え、前記リング部材は、前記回転体から伝達される力によって前記回転体の軸方向に移動可能に前記静止体に保持されているものとする。

本発明によれば、起動時及び停止時の熱伸び差によるアブレイダブル部材の切削が抑制されるので、起動時及び停止時の効率を向上できるとともに起動及び停止時間を短縮できる。

本発明の第１の実施の形態であるシール装置の概略図。 図１に示すシール装置におけるアブレイダブル部材付近の拡大図。 本発明の実施の形態に係る比較例におけるアブレイダブル部材付近の拡大図。 本発明の第２の実施の形態であるシール装置の概略図。 本発明の第３の実施の形態であるシール装置の概略図。 本発明の第４の実施の形態であるシール装置の概略図。 本発明の第５の実施の形態であるシール装置の概略図。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態であるシール装置の概略図であり、図２は図１に示すシール装置におけるアブレイダブル部材４付近の拡大図である。本実施の形態に係るシール装置は、図１に示すように、回転体であるタービンロータ１と静止体であるケーシング２の間に設置されており、リング部材１０と、シールフィン６と、シールフィン６と対向する部分に設置されたアブレイダブル部材４を備えている。

リング部材１０は、タービンロータ１を外周から取り囲む環状の部材であり、ケーシング２の内周側に設けた環状溝１１内に収納されている。リング部材１０におけるタービンロータ１の軸方向（以下において「ロータ軸方向」と称することがある）に位置する２つの面には、それぞれ、ロータ軸方向に伸縮するばね体３ａ，３ｂが取り付けられており、ばね体３ａ，３ｂは、環状溝１１内においてリング部材１０を支持している。すなわち、リング部材１０は、作用する力に応じてロータ軸方向に移動可能にばね体３ａ，３ｂによって保持されている。

タービンロータ１においてリング部材１０と対向する部分には、複数列のシールフィン６が取り付けられている。本実施の形態におけるシールフィン６は、タービンロータ１に取り付けられた動翼７の先端部（より具体的には、動翼７において、タービンロータ１の径方向（以下において「ロータ径方向」と称することがある）の最も外側に位置する面）に取り付けられている。

リング部材１０においてシールフィン６と対向する面（リング部材１０の内周面）には、切削性の良いアブレイダブル部材４が設置されている。アブレイダブル部材４は、図２に示すようにシールフィン６の形状に合わせて形成されている。このようにアブレイダブル部材４を設置すると、たとえタービンの運転中に何らかの要因でアブレイダブル部材４とシールフィン６が接触しても、シールフィン６によってアブレイダブル部材４が容易に切削されるので、曲がり変形に至るような発熱は生じない。そのため、アブレイダブル部材４を用いない従来のシール構造と比較して、シール間隙（アブレイダブル部材４とシールフィン６の間隙）を小さくすることができる。

ここで本実施の形態に係る効果の理解を容易にするための比較例について説明する。図３は、本発明の実施の形態の比較例におけるアブレイダブル部材４付近の拡大図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。

この比較例に係るシール装置は、上記の実施の形態と異なり、ロータ軸方向への移動が不可能なリング部材を備えている。このようなリング部材にシールフィン６の形状に対応したアブレイダブル部材４を設置して、タービンを起動又は停止させると、ケーシング２とタービンロータ１の熱伸び差に付随して、アブレイダブル部材４に対してシールフィン６がロータ軸方向に相対的に移動することになるので、アブレイダブル部材４がシールフィン６に切削されてしまう。そのため、図３に示すようにシール間隙がロータ軸方向に広がり、起動時及び停止時の効率が減少してしまうという課題があった。このようにシール間隙が広がることを防ぐ方法としては、起動時及び停止時にリング部材をロータ径方向の外側に一時的に移動するものがある。しかし、この方法では起動時及び停止時のシールができず作動流体の漏れが増大するので、起動時及び停止時の効率が低下するとともに起動及び停止時間も長くなってしまう。

これに対して、本実施の形態に係るシール装置は、ばね体３ａ，３ｂによってロータ軸方向に移動可能に保持されたリング部材１０を備えている。このようにリング部材１０をばね体３ａ，３ｂを介して支持すると、熱伸び差に付随してシールフィン６が移動しても、そのシールフィン６から作動流体の流れの層を介してアブレイダブル部材４に力が伝達されて、シールフィン６の移動に応じてリング部材１０がアブレイダブル部材４の形状を保持した状態でロータ軸方向に移動する。そのため、タービンの起動時及び停止時の熱伸び差が発生しても、アブレイダブル部材４がロータ軸方向に切削されることが抑制されるので、起動から定常運転を経て停止に至るまで一貫してシール間隙を小さく保持することができる。したがって、本実施の形態によれば、起動時及び停止時のタービン効率を向上できるとともに、タービンの起動及び停止の完了に要する時間を短縮することができる。また、本実施の形態によれば、切削されるアブレイダブル部材４が減少し、アブレイダブル部材４の設置範囲と劣化速度を抑制できるので、イニシャルコスト及びランニングコストを削減することができる。

なお、本実施の形態では、リング部材１０を２つのばね体３ａ，３ｂで支持したが、熱伸び差に応じたリング部材１０の位置制御が可能であれば、そのうちの一方のばね体を廃し、そのばね体を廃した側が自由端となるようにリング部材１０を支持しても良い。

図４は本発明の第２の実施の形態であるシール装置の概略図である。この図に示すシール装置は、シールフィン６が取り付けられたリング部材１０と、アブレイダブル部材４が設置された動翼７を備える点で先の実施の形態と異なる。このようにシールフィン６とアブレイダブル部材４を設置する対象を逆転させても、熱伸び差に応じてリング部材１０を移動させることができるので、第１の実施の形態と同様の効果を発揮することができる。

図５は本発明の第３の実施の形態であるシール装置の概略図である。この図に示すシール装置は、第１の実施の形態に係るばね体３ａ，３ｂに代えて、形状記憶合金３１ａ，３１ｂを介してリング部材１０を保持している点に特徴がある。

形状記憶合金３１ａ，３１ｂは、加熱されると記憶された縮んだ状態に変形するもので、雰囲気温度に応じて伸縮しリング部材１０をロータ軸方向に移動させる駆動手段として作用する。形状記憶合金３１ａ，３１ｂは、リング部材１０に作用する振動等を吸収する観点から、コイルばね状に形成することが好ましい。

環状溝１１内において形状記憶合金３１ａ，３１ｂが位置する部分には、形状記憶合金３１ａ，３１ｂを加熱する加熱手段として熱媒体供給管１５ａ，１５ｂが接続されている。熱媒体供給管１５ａ，１５ｂの他端は熱媒体の供給源と接続されており、その熱媒体によって形状記憶合金３１ａ，３１ｂの加熱が可能になっている。熱媒体供給管１５ａ，１５ｂ内を流通させる熱媒体としては例えばタービンロータ１の作動流体がある。すなわち、本実施の形態に係るシール装置の設置対象が蒸気タービンである場合には、作動流体である蒸気を流通させれば良い。また、熱媒体供給管１５ａ，１５ｂには、流量調節弁１６ａ，１６ｂが設置されている。流量調節弁１６ａ，１６ｂで熱媒体の流量を調節すると、形状記憶合金３１ａ，３１ｂの温度が調節でき、これらの長さを調節できるので、タービンロータ１とケーシング２の熱伸び差に応じてリング部材１０を所望の位置に移動させることができる。

上記のように構成されるシール装置において、流量調節弁１６ａ，１６ｂを適宜開閉してこれらの温度を調節して形状記憶合金３１ａ，３１ｂの長さを調節すると、タービンロータ１とケーシング２の熱伸び差に応じてリング部材１０をロータ軸方向に移動させることができる。したがって、本実施の形態によっても、起動時及び停止時のタービン効率を向上できるとともに、タービンの起動及び停止の完了に要する時間を短縮することができる。特に、本実施の形態のようにリング部材１０を移動させると、第１の実施の形態の場合と比較して、アブレイダブル部材４に作用する力を軽減することができるので、アブレイダブル部材４が切削される範囲をより小さくすることができる。

なお、本実施の形態では、リング部材１０を２つの形状記憶合金３１ａ，３１ｂで支持したが、熱伸び差に応じたリング部材１０の位置制御が可能であれば、そのうちの一方の形状記憶合金をばね体に代替しても良いし、ロータ軸方向の一方側が自由端となるようにリング部材１０を支持しても良い。

図６は本発明の第４の実施の形態であるシール装置の概略図である。この図に示すシール装置は、第３の実施の形態に係る形状記憶合金３１ａ，３１ｂに代えて、モータ３３でリング部材１０をロータ軸方向に移動している点に特徴がある。

この図に示すリング部材１０は、リング部材１０をロータ軸方向に付勢するばね体３ｂと、そのばね体３ｂの付勢力に対抗してリング部材１０を支持する支持部材３２によって支持されている。支持部材３２は、モータ３３（駆動装置）によって回転することでロータ軸方向に進退するねじ３４の先端部に固定されている。タービンロータ１とケーシング２の熱伸び差に応じてモータ３３を駆動させてねじ３４を進退させると、支持部材３２がロータ軸方向に移動して、リング部材１０がロータ軸方向に移動される。

上記のように構成されるシール装置においても、モータ３３を適宜駆動して支持部材３２の位置を調節すると、タービンロータ１とケーシング２の熱伸び差に応じてリング部材１０をロータ軸方向に移動させることができる。したがって、本実施の形態によって、起動時及び停止時のタービン効率を向上できるとともに、タービンの起動及び停止の完了に要する時間を短縮することができる。特に、本実施の形態のようにモータ３３によってリング部材１０を移動させると、第３の実施の形態の場合と比較して、熱伸び差に応じて正確にリング部材１０を移動させることができる。

図７は本発明の第５の実施の形態であるシール装置の概略図である。この図に示すシール装置は、制御装置２０を用いて熱伸び差に応じて自動的にリング部材１０をロータ軸方向に移動している点に特徴がある。

この図に示すシール装置は、タービンロータ１とケーシング２の熱伸び差を検出する熱伸び差検出センサ８（熱伸び差検出手段）と、形状記憶合金３１ａ，３１ｂを加熱冷却する加熱冷却装置９ａ，９ｂと、熱伸び差検出センサ８の検出値に基づいて加熱冷却装置９ａ，９ｂを制御する制御装置２０を備えている。

本実施の形態における熱伸び差検出センサ８は、図７に示すように環状溝１１の入口に設置されており、そこからタービンロータ１に取り付けられたシールフィン６までの距離に基づいて熱伸び差を検出している。例えば、熱伸び差がゼロのときのシールフィン６までの距離を基準とし、当該基準距離と実際の検出距離とを比較すれば熱伸び差を検出することができる。また、熱伸び差検出センサ８は、制御装置２０と接続されており、検出した熱伸び差を出力している。

加熱冷却装置９ａ，９ｂは、環状溝１１内において形状記憶合金３１ａ，３１ｂが位置する部分に設置されている。加熱冷却装置９ａ，９ｂは、制御装置２０と接続されており、制御装置２０からの制御信号に基づいて形状記憶合金３１ａ，３１ｂの加熱冷却を行っている。

上記のように構成されるシール装置において、熱伸び差検出センサ８によって熱伸び差が検出されたら、制御装置２０は、その熱伸び差をアブレイダブル部材４に対するシールフィン６の相対移動量とし、リング部材１０をロータ軸方向に移動することでその相対移動量が小さくなるように（例えば、ゼロに近づくように）加熱冷却装置９ａ，９ｂを制御する。この制御の具体例としては、熱伸び差検出センサ８の検出値（熱伸び差）ごとに相対移動量がゼロに近づくような加熱冷却装置９ａ，９ｂの目標出力をそれぞれ設定しておき、実際に検出された熱伸び差及びこれに対応する目標出力に基づいて形状記憶合金３１ａ，３１ｂを加熱又は冷却することで、相対移動量がゼロに近づくようにリング部材１０をロータ軸方向に移動する方法がある。このようにシール装置を構成すれば、タービンロータ１とケーシング２の熱伸び差に応じてリング部材１０をロータ軸方向に自動的に移動させることができる。したがって、本実施の形態においても、起動時及び停止時のタービン効率を向上できるとともに、タービンの起動及び停止の完了に要する時間を短縮することができる。

なお、形状記憶合金３１ａ，３１ｂの温度をさらに正確に制御することでリング部材１０の位置を正確に制御したい場合には、環状溝１１内における加熱冷却装置９ａ，９ｂの近傍又は形状記憶合金３１ａ，３１ｂ等に温度センサを設置し、当該温度センサの検出値を制御装置２０にフィードバックしながら加熱冷却装置９ａ，９ｂの出力を制御すれば良い。

また、本実施の形態では、形状記憶合金３１ａ，３１ｂの加熱手段として、加熱冷却装置９ａ，９ｂを用いたが、これに代えて第３の実施の形態に係る熱媒体供給管１５ａ，１５ｂを設置し、流量調節弁１６ａ，１６ｂを制御することで形状記憶合金３１ａ，３１ｂの長さを制御するようにしても良い。

さらに、上記各実施の形態では、動翼７の先端とケーシング２の間に設置されるシール装置を例に挙げて説明したが、この他にも、タービンロータ１のシャフトとケーシング２の間や、タービンロータ１のシャフトと静翼の間等、回転機械における回転体と静止体の間をシールするものであれば本発明の適用が可能であることは言うまでもない。

１ タービンロータ
２ ケーシング
３ ばね体
４ アブレイダブル部材
６ シールフィン
７ 動翼
９ 加熱冷却装置
１０ リング部材
１５ 熱媒体供給管
１６ 流量調節弁
２０ 制御装置
３１ 形状記憶合金
３２ 支持部材
３３ モータ（駆動装置）

Claims (2)

1. 回転体と静止体の間に設置されるシール装置であって、
   前記回転体の外周に位置するように前記静止体に保持されたリング部材と、
   このリング部材において前記回転体と対向する部分又は前記回転体において前記リング部材と対向する部分のいずれか一方に取り付けられたシールフィンと、
   前記リング部材又は前記回転体のいずれか一方において前記シールフィンと対向する部分に設置されたアブレイダブル部材とを備え、
   前記リング部材は、前記回転体から伝達される力によって前記回転体の軸方向に移動可能に前記静止体に保持されていることを特徴とするシール装置。
2. 回転体と静止体の間に設置されるシール装置であって、
   前記回転体の外周に位置するように前記静止体に保持されたリング部材と、
   このリング部材において前記回転体と対向する部分又は前記回転体において前記リング部材と対向する部分のいずれか一方に取り付けられたシールフィンと、
   前記リング部材又は前記回転体のいずれか一方において前記シールフィンと対向する部分に設置されたアブレイダブル部材と、
   前記リング部材を前記回転体の軸方向に移動可能に保持する弾性体とを備え、
   前記アブレイダブル部材は、前記シールフィンの形状に合わせて切削されており、
   前記回転体と前記静止体の熱伸び差に付随して、前記シールフィン及び前記アブレイダブル部材を介して前記回転体から前記リング部材に力が伝達されるとき、前記リング部材は、前記アブレイダブル部材の形状を保持した状態で前記回転体の軸方向に移動されることを特徴とするシール装置。

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