JP5578903B2 - シール機構及び蒸気タービン - Google Patents

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Description

本発明は、蒸気タービンのロータ軸等に適用されて好適であり、固有振動数の設定が容易で、ロータ軸系との共振を容易に回避できるシール機構、及び該シール機構を備えた蒸気タービンに関する。
蒸気タービンは、外部車室の内部に内部車室が設けられ、中心部にロータが回転自在に支持されている。このロータに複数の動翼が設定された間隔で固定され、内部車室に固定された翼環リングに複数の静翼が固定されている。こうして、動翼と静翼とが交互にかつ多段に配置された蒸気通路が形成されている。外部車室及び内部車室に蒸気入口部が設けられ、該蒸気入口部から内部車室内に入った蒸気は、該蒸気通路を通り、ロータを回転させ、該ロータに連結された発電機を駆動する。
ロータは、外部車室の外側にある軸受部で回転自在に支持され、該軸受部は、コンクリート等でつくられた基礎台上に固定されている。該軸受部と外部車室との間のロータ軸には、蒸気漏れを防ぐグランド部（軸封部）が設けられ、該グランド部は、前記軸受部に連結部を介して支持されている。グランド部には、通常、ロータの回転に供された後で、内部車室から排出された低圧のシール蒸気が供給される。
また、外部車室とグランド部との間から蒸気が漏洩するのを防止するため、外部車室とグランド部との間に、ロータ軸を囲むように、円筒状の蛇腹状ベローズが架設されている。該蛇腹状ベローズは、熱膨脹や圧力による外部車室とグランド部との間の相対変位を吸収可能になっている。
特許文献１には、外部車室とグランド部との間に蛇腹状ベローズが配設されたシール機構が開示されている。以下、特許文献１に開示されたシール機構を図４及び図５により説明する。図４に示すシール機構１００Ａは、二重層構造の円筒状の蛇腹状ベローズ１０２が、図示省略のロータ軸の周囲に該ロータ軸を囲むように配置されている。該蛇腹状ベローズ１０２は、図示省略の外部車室と連結したリング状の端板１１２と、図示省略のグランド部と連結したリング状の端板１１４との間に架設され、外部車室とグランド部との間を気密シールして、蒸気漏れを防止している。
原子力発電プラントに組み込まれた蒸気タービンにおいては、安全性の観点から、前述の二重構造の蛇腹状ベローズが採用されている。
蛇腹状ベローズ１０２は、二つの円筒を重ねて内側から圧力をかけて成形し、平面部１０４を除き蛇腹状になった内層ベローズ１０２ａと外層ベローズ１０２ｂとから構成されている。平面部１０４の外表面にはリング状のリブ１０６が固着され、リブ１０６の外壁に設けられた穴におもり１０８が挿入固定されている。このリブ１０６及びおもり１０８で振動調整手段が構成されている。おもり１０８の数又は質量を調整することで、蛇腹状ベローズ１０２の固有振動数を調整し、蛇腹状ベローズ１０２とロータとの共振を回避している。
図５は、特許文献１に開示された蛇腹状ベローズの別の構成例である。図５において、このシール機構１００Ｂは、前記振動調整手段を具備していない二重層構造の蛇腹状ベローズ１０２と、この蛇腹状ベローズ１０２の外側に配設されたベローズ１１６とで構成されている。ベローズ１１６の両端は、夫々支持部材１１８を介して端板１１２又は端板１１４に連結されている。このベローズ１１６を設けることで、シール機構１００Ｂの固有振動数を調整可能にしている。
特開２００９−２３５９７１号公報
蒸気タービンのグランド部に設けられる蛇腹状ベローズは、柔軟性をもつ蛇腹部により固有振動数が決まる。特許文献１に開示されたシール機構１００Ａ及び１００Ｂは、内層ベローズ１０２ａと外層ベローズ１０２ｂとの間の隙間はほとんどなく、密着した構造となっている。そのため、製作時の密着度合いの差により、固有振動数がばらつき、要求される固有振動数に設定するのが容易でなく、タービンロータとの共振回避のための固有振動数の設定が困難になるという問題がある。
従って、蛇腹状ベローズを設置した後で、１台毎に固有振動数を確認するための加振試験を行なう必要がある。また、場合によっては、固有振動数を再調整する必要が生じたり、あるいは蛇腹状ベローズを再製作せざるを得ない事態が生じ、そのため、蛇腹状ベローズの設置に余分な手間と時間がかかるという問題がある。
これを回避するため、特許文献１のシール機構１００Ａでは、リブ１０６とおもり１０８とからなる振動調整手段を設けて、シール機構１００Ａの固有振動数を調整しているが、該振動調整手段を設けるための手間とコストが余分にかかっている。
また、シール機構１００Ｂでは、二重構造の蛇腹状ベローズ１０２の外側に、第３のベローズ１１６を設けて、固有振動数を調整しているが、ベローズ１１６と支持部材１１８とを二つ割りにして蛇腹状ベローズ１０２の外側に取り付ける必要があり、このために余分な手間と時間がかかるという問題がある。
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、余分な手間とコストを要せず、被シール軸体を囲むように設けられる蛇腹状ベローズの固有振動数の調整が容易なシール機構を実現することを目的とする。
かかる目的を達成するため、本発明のシール機構は、被シール軸体を囲む筒状の蛇腹状ベローズで構成され、該蛇腹状ベローズの両端が該被シール軸体の周囲に配置された支持部材に接続され、該支持部材間の相対変位を許容しながら被シール軸体の周囲を気密シールするシール機構において、
前記シール機構は、被シール軸体を囲む外側蛇腹状ベローズと、該外側蛇腹状ベローズと同心状となるように外側蛇腹状ベローズの内側に入れ子状に設けられた内側蛇腹状ベローズと、前記支持部材の互いに対面する端部に取り付けられて、前記被シール軸体を取り巻く一対の間隔形成用リング状端板とからなり、
前記外側蛇腹状ベローズ及び内側蛇腹状ベローズは、夫々曲折された単一の板状体から成されているとともに、
前記外側蛇腹状ベローズの一端が一方の間隔形成用リング端板の外縁端に接続され且つ該外側蛇腹状ベローズの他端が他方の間隔形成用リング端板の外縁端に接続されていると共に、
前記内側蛇腹状ベローズの一端が該一方の間隔形成用リング端板の内縁端に接続され且つ内側蛇腹状ベローズの他端が他方の間隔形成用リング部材の内縁端に接続されて、
前記一対の間隔形成用リング状端板は、外側蛇腹状ベローズと内側蛇腹状ベローズの両端をシールして外側蛇腹状ベローズと内側蛇腹状ベローズとが互いに非接触状態で配置されているものである。
本発明のシール機構では、外側蛇腹状ベローズと内側蛇腹状ベローズとが、非接触状態で配置され、両蛇腹状ベローズの密着度合いを考慮する必要がないため、シール機構の固有振動数の算出が容易になる。そのため、シール機構の固有振動数の設定が容易になるので、固有振動数の調整に余分な手間とコストを要しない。そのため、１台毎に固有振動数を確認するための加振試験を行なう必要がなくなり、試験に要するコストを低減できると共に、蛇腹状ベローズを再製作する手間とコストを無くすことができる。
また、特許文献１に開示されたシール機構のように、振動調整のための特別な手段を必要とせず、特許文献１の二重層構造の蛇腹状ベローズと同等のシール性能をもつ。
また、外側蛇腹状ベローズの内側に内側蛇腹状ベローズを入れ子状に設置するため、図５に示すように、蛇腹状ベローズ１０２の外側に二つ割りした蛇腹状ベローズを取り付ける場合より、製作が容易である。
本発明のシール機構において、支持部材の互いに対面する端部に、被シール軸体を取り巻く間隔形成用リング部材が設けられ、外側蛇腹状ベローズが該間隔形成用リング部材の外縁端に接続されていると共に、内側蛇腹状ベローズが該間隔形成用リング部材の内縁端に接続されているとよい。
このように、外側蛇腹状ベローズ及び内側蛇腹状ベローズを、この間隔形成用リング部材を介して支持部材に取り付けることにより、両蛇腹状ベローズを互いの間隔を空けて、非接触状態で支持部材に取り付けるのが容易になる。
また、本発明のシール機構を蒸気タービンのグランド部に適用するとよい。即ち、被シール軸体が蒸気タービンのロータ軸であって、支持部材が外部車室及びグランド部であり、外側蛇腹状ベローズ及び内側蛇腹状ベローズが外部車室とグランド部との間に気密を保持して架設され、外部車室とグランド部間のロータ軸の周囲を気密シールするようにする。これによって、簡素かつ低コストで、シール機構の固有振動数の調整が容易になるので、ロータ軸との共振回避が容易になる。
また、本発明のシール機構において、外側蛇腹状ベローズ及び内側蛇腹状ベローズは、それらが要求された固有振動数及び環境条件に適合するように、板厚、山数、ピッチ幅又は材質が選択されるようにするとよい。
このように、板厚、山数、ピッチ幅又は材質を選択することで、要求された固有振動数に設定するのがさらに容易になり、また、環境条件に合った強度や耐久性能等を付与できる。
また、本発明の蒸気タービンは、外部車室と、該外部車室の内部に設けられた内部車室と、該内部車室の内部に配置されたロータと、該ロータに軸方向に設定間隔で固定された複数の動翼と、内部車室の内部に各動翼間に位置するように固定された複数の静翼と、外部車室の外側に設けられロータ軸を回転自在に支持する軸受部と、該ロータ軸が外部車室を貫通する部位に設けられ蒸気漏れを防ぐグランド部と、を備えた蒸気タービンにおいて、外部車室とグランド部との間に前記いずれかの構成を有するシール機構を設けたものである。
本発明のシール機構を蒸気タービンのロータ軸に適用することにより、外部車室とグランド部との間から蒸気が漏れるのを確実に防止できると共に、簡素かつ低コストな構成で、シール機構とロータ軸との共振を回避できる。
本発明のシール機構によれば、被シール軸体を囲む筒状の蛇腹状ベローズで構成され、該蛇腹状ベローズの両端が該被シール軸体の周囲に配置された支持部材に接続され、該支持部材間の相対変位を許容しながら被シール軸体の周囲を気密シールするシール機構において、前記蛇腹状ベローズが、外側蛇腹状ベローズと、被シール軸体を中心に該外側蛇腹状ベローズと同心状となるように外側蛇腹状ベローズの内側に入れ子状に設けられた内側蛇腹状ベローズとからなり、外側蛇腹状ベローズ及び内側蛇腹状ベローズは、夫々単一の板状体を曲折して構成され、外側蛇腹状ベローズと内側蛇腹状ベローズとは互いに非接触状態で配置されているので、簡素かつ低コストな手段で固有振動数の調整が可能になり、被シール軸体との共振を回避できる。また、従来の二重層構造の蛇腹状ベローズと同等の耐久性をもち、長寿命化を達成できる。
また、本発明の蒸気タービンは、外部車室と、該外部車室の内部に設けられた内部車室と、該内部車室の内部に配置されたロータと、該ロータに軸方向に設定間隔で固定された複数の動翼と、内部車室の内部に各動翼間に位置するように固定された複数の静翼と、外部車室の外側に設けられロータ軸を回転自在に支持する軸受部と、該ロータ軸が外部車室を貫通する部位に設けられ蒸気漏れを防ぐグランド部と、を備えた蒸気タービンにおいて、前記構成のシール機構を備えているので、外部車室とグランド部との間の蒸気漏れを確実に防止できると共に、簡素かつ低コストな手段でロータ軸とシール機構との共振を回避できる。
本発明のシール機構を蒸気タービンに適用した第１実施形態に係る蒸気タービンロータ周辺の断面図である。 前記実施形態のシール機構を示す断面図である。 本発明のシール機構の第２実施形態を示す断面図である。 従来のシール機構の断面図である。 従来の別なシール機構を示す断面図である。
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この考案の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。
（実施形態１）
本発明のシール機構を低圧蒸気タービンに適用した第１実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。まず、図１により、低圧蒸気タービン１０の蒸気排気側の構成を説明する。図１において、ロータ２０を囲むように外部車室１２が設けられている。外部車室１２では、フローガイド１６が、ロータ２０を回転させた後の低圧蒸気ｓを排気させる排気室１４を形成している。フローガイド１６は支持部材１８に取り付けられている。
ロータ２０には、最終段の動翼を構成するディスク２２とブレード２４とがロータ２０に一体に形成されている。該最終段動翼の直上流側には、内部車室（図示省略）に固定された図示省略の最終静翼が設けられている。ロータ２０から一体に延設されたロータ軸２６は、外部車室１２の外側で軸受箱２８の内部に設けられた軸受パッド（図示省略）によって回転自在に支持されている。軸受箱２８はコンクリート等でつくられた基礎台３０上に固定されている。
外部車室１２と軸受箱２８との間には、ロータ軸２６と外部車室１２との隙間から蒸気が漏れるのを防止するためのグランド部（軸封部）３２が設けられている。通常、グランド部３２には、排気室１４を流れる低圧の排気蒸気の一部がシール蒸気として供給され、グランド部での蒸気漏れを防止している。グランド部３２のケーシング３４は連結部３６を介して軸受箱２８と連結されている。グランド部３２の内部には、ロータ軸２６に接する部分にラビリンスシール３８が設けられ、ロータ軸２６との隙間から蒸気が漏れるのを防止している。
外部車室１２の支持部材１８に連結された遮蔽壁１９とグランド部３２のケーシング３４との間の領域を密閉してこの領域から蒸気が漏れるのを防ぐため、本実施形態に係るシール機構４０Ａが設けられている。以下、このシール機構４０Ａの構成を図２により説明する。
図２において、遮蔽壁１９のグランド部３２側に面する面に、リング状の端板４２が溶接又はボルト結合によって気密を保持して固設されている。また、グランド部３２のケーシング３４の遮蔽壁１９側に面する面に、リング状の端板４４が溶接又はボルト結合によって固設されている。図２に示すように、これら端板は、長方形の断面を有している。
これら端板間に、外側蛇腹状ベローズ４６と内側蛇腹状ベローズ４８が装着されている。これら２個の蛇腹状ベローズは、夫々金属からなる単一の板状体を蛇腹状に曲折成形したものである。外側蛇腹状ベローズ４６の両端は、夫々端板４２又は端板４４の外縁端に気密に溶着されている。また、内側蛇腹状ベローズ４８の両端は、夫々端板４２又は端板４４の内縁端に気密に溶着されている。そして、外側蛇腹状ベローズ４６の内側端と内側蛇腹状ベローズ４８の外側端とは、互いに接触しないように、高さ方向に間隔Ｃ１が設けられている。間隔Ｃ１は、シール機構４０Ａが振動しても接触しないように、０．１ｍｍ以上の間隔を有している。
本実施形態によれば、外側蛇腹状ベローズ４６と内側蛇腹状ベローズ４８とが常に接触しない間隔をもって配置されているので、従来のように、密着度合いの差による固有振動数のばらつきが生じない。そのため、ロータ軸２６に取り付け後のシール機構４０Ａの固有振動数の設定が容易になる。そのため、シール機構４０Ａとロータ軸２６との共振を容易に回避できる。また、特許文献１に開示されたシール機構のように、固有振動数を調整するための特別の手段を必要としないので、製作コストを増加させることがない。
また、外側蛇腹状ベローズ４６及び内側蛇腹状ベローズ４８が端板４２及び４４に気密状態を保って接続されているので、従来の二重構造の蛇腹状ベローズと同等の蒸気漏れ防止効果を得ることができる。
また、外側蛇腹状ベローズ４６の両端は端板４２及び４４の外縁端に接続され、内側蛇腹状ベローズ４８の両端が端板４２及び４４の内縁端に接続され、両蛇腹状ベローズが端板４２、４４を介して遮蔽壁１９及びケーシング３４に固着されているので、両蛇腹状ベローズの位置決めが容易になり、両蛇腹状ベローズを非接触状態で取り付けるのが容易である。
このように、シール機構４０Ａの固有振動数の設定が容易になるため、再製作の必要がなくなると共に、シール機構４０Ａのロータ軸２６への取り付け後、１台毎に加振試験をする必要がなくなり、加振試験に要するコストをなくすことができる。
（実施形態２）
次に、本発明のシール機構の第２実施形態を図３により説明する。前記第１実施形態は、外側蛇腹状ベローズ４６と内側蛇腹状ベローズ４８の板厚、山数、山高、ピッチ幅、及び材質が同一であったが、本実施形態のシール機構４０Ｂは、内側蛇腹状ベローズ４８に対して、山数、山高、ピッチ幅及び材質を異ならせた外側蛇腹状ベローズ５０を用いている。その他の構成は、両蛇腹状ベローズの取り付け方法も含めて、第１実施形態と同一であり、本実施形態も第１実施形態と同様に、低圧蒸気タービン１０のロータ軸２６に適用されたものである。
即ち、外側蛇腹状ベローズ５０の山高Ｈ１及びピッチ幅Ｐ１は、内側蛇腹状ベローズ４８の山高Ｈ２及びピッチ幅Ｐ２に対して、Ｐ２＜Ｐ１、Ｈ１＜Ｈ２の関係にあり、外側蛇腹状ベローズ５０の山高は内側蛇腹状ベローズ４８の山高より低くなっている。また、外側蛇腹状ベローズ５０の下端と内側蛇腹状ベローズ４８の上端との間の間隔Ｃ２は、第１実施形態の間隔Ｃ１より大きくなっている。さらに、高温環境にある内側蛇腹状ベローズ４８の材質は耐熱性が優れたステンレス鋼（ＳＵＳ３１０又はＳＵＳ４１０）を用い、外側蛇腹状ベローズ５０の材質は、耐食性が優れたクロム鋼（ＳＣｒ）を用いている。
このように、本実施形態では、外側蛇腹状ベローズ５０と内側蛇腹状ベローズ４８とを、夫々の要求条件及び使用環境に合わせて、夫々の仕様を変えることにより、固有振動数の設定がさらに容易になると共に、シール機構４０Ｂの長寿命化を達成できる。なお、本実施形態において、さらに、外側蛇腹状ベローズ５０の板厚を変えるようにしてもよい。
本発明によれば、被シール軸体に対するシール性能を維持しながら、固有振動数の設定が容易で、被シール軸体との共振を容易に回避でき、例えば、蒸気タービンのロータ軸のグランド部のシールに好適なシール機構を実現できる。
１０ 低圧蒸気タービン
１２ 外部車室
１４ 排気室
１６ フローガイド
１８ 支持部材
１９ 遮蔽壁
２０ ロータ
２２ ディスク
２４ ブレード
２６ ロータ軸
２８ 軸受箱
３０ 基礎台
３２ グランド部
３４ ケーシング
３６ 連結部
３８ ラビリンスシール
４０Ａ、４０Ｂ シール機構
４２，４４ 端板
４６，５０ 外側蛇腹状ベローズ
４８ 内側蛇腹状ベローズ
Ｃ１、Ｃ２ 間隔
Ｈ１、Ｈ２ 山高
Ｐ１、Ｐ２ ピッチ幅
ｓ 低圧蒸気

Claims (4)

  1. 被シール軸体を囲む筒状の蛇腹状ベローズで構成され、該蛇腹状ベローズの両端が該被シール軸体の周囲に配置された支持部材に接続され、該支持部材間の相対変位を許容しながら被シール軸体の周囲を気密シールするシール機構において、
    前記シール機構は、被シール軸体を囲む外側蛇腹状ベローズと、該外側蛇腹状ベローズと同心状となるように外側蛇腹状ベローズの内側に入れ子状に設けられた内側蛇腹状ベローズと、前記支持部材の互いに対面する端部に取り付けられて、前記被シール軸体を取り巻く一対の間隔形成用リング状端板とからなり、
    前記外側蛇腹状ベローズ及び内側蛇腹状ベローズは、夫々曲折された単一の板状体から成されているとともに、
    前記外側蛇腹状ベローズの一端が一方の間隔形成用リング端板の外縁端に接続され且つ該側蛇腹状ベローズの他端が他方の間隔形成用リング端板の外縁端に接続されていると共に、
    前記内側蛇腹状ベローズの一端が該一方の間隔形成用リング端板の内縁端に接続され且つ内側蛇腹状ベローズの他端が他方の間隔形成用リング部材の内縁端に接続されて、
    前記一対の間隔形成用リング状端板は、外側蛇腹状ベローズと内側蛇腹状ベローズの両端をシールして外側蛇腹状ベローズと内側蛇腹状ベローズとが互いに非接触状態で配置されていることを特徴とするシール機構。
  2. 前記被シール軸体が蒸気タービンのロータ軸であって、前記支持部材が外部車室及びグランド部であり、
    前記外側蛇腹状ベローズ及び内側蛇腹状ベローズが外部車室とグランド部との間に気密を保持して架設され、外部車室とグランド部間のロータ軸の周囲を気密シールするものであることを特徴とする請求項１に記載のシール機構。
  3. 前記外側蛇腹状ベローズ及び内側蛇腹状ベローズは、それらが要求された固有振動数及び環境条件に適合するように、板厚、山数、ピッチ幅又は材質が選択されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシール機構。
  4. 外部車室と、該外部車室の内部に設けられた内部車室と、該内部車室の内部に配置されたロータと、該ロータに軸方向に設定間隔で固定された複数の動翼と、内部車室の内部に各動翼間に位置するように固定された複数の静翼と、外部車室の外側に設けられロータ軸を回転自在に支持する軸受部と、該ロータ軸が外部車室を貫通する部位に設けられ蒸気漏れを防ぐグランド部と、を備えた蒸気タービンにおいて、
    前記外部車室とグランド部との間に請求項１〜３のいずれかの項に記載のシール機構を設けたことを特徴とする蒸気タービン。
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