JP5643245B2 - ターボ機械 - Google Patents

Description

本発明はターボ機械に係り、特に高速回転時におけるロータの不安定振動の防止に好適なラビリンスシールを有するターボ機械に関する。

蒸気タービンなどのターボ機械は主に、ロータやロータに固定された回転羽根車等からなる回転体と、ケーシングやノズル等からなり、ロータを保持し、作動流体の流路を形成するステータとで構成される。ステータと回転体との間には間隙があり、この間隙からの作動流体の漏洩を低減するために櫛歯構造のラビリンスシールが使用されることが多い。

ロータが高速回転すると、ラビリンスシールの櫛歯間に構成される溝部に漏れ流れの旋回流が発生する。この旋回流とロータ振動との相互作用により発生する流体力により、ロータに不安定振動が発生する可能性がある。不安定振動を防止するためには、上記溝部における旋回流を抑制することが有効であり、例えば特許文献１の図１に開示されているように、ラビリンスシールの外部上流側に放射状溝を設置してラビリンスシール入口の旋回流を抑制する構造が考案されている。

特開平３−２８８０６８号公報

ターボ機械では、運転時の温度上昇によりロータとステータとの間に軸方向の熱伸び差が発生する。そのため、ラビリンスシールにおいては、熱伸び差によってロータとステータ（ラビリンスシール部）が接触しないように、軸方向に十分な空間を確保する必要がある。一方、コスト低減やロータの振動安定性確保のためにロータ軸長をなるべく短くしたいという要求がある。

ラビリンスシールの外部に旋回流抑制のための放射状溝や案内羽根を設置すると、ロータとステータとの間の接触を防止するためのスペースを確保するためにロータの軸長が長くなるという課題がある。

一方、ロータの軸長増加を抑制するためにラビリンスシールの櫛歯数を削減してラビリンスシールの軸長を短縮すると、シール性能が低下するという課題がある。

そこで、本発明の目的は、ロータの軸長増加、ラビリンスシールのシール性能低下を招くことなくロータの不安定振動を抑制するターボ機械を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係るターボ機械は、回転体と、回転体の周囲に設けられたステータと、回転体とステータとの間の間隙部に設けられた櫛歯構造のラビリンスシールとを備え、ラビリンスシールは、回転体に軸方向に沿って複数設けられ、回転体からステータ側に向かって突出する突出高さの異なる櫛歯と、櫛歯に対向するステータに形成された凹凸構造とにより構成されたハイロー型のラビリンスシールであり、ラビリンスシールの流体入口部の櫛歯に対向する位置、すなわち、ラビリンスシールの流体入口部の櫛歯と互いに正面同士になるような位置で、ステータの凹凸構造の凹部に固定された旋回防止フィンとを備える。

ラビリンスシールにおいて、ロータ側に櫛歯を形成し、櫛歯に対向するステータ側のラビリンスシールの流体入口部に旋回防止フィンを設けることにより、ラビリンスシールの内部に旋回防止フィンを形成できる。これにより櫛歯を削減せず、また、旋回防止フィンのための接触防止スペースを確保する必要もない。

よって、本発明によれば、ロータ軸長増加、シール性能低下を招くことなくロータの不安定振動を抑制できる。

本発明の第１の実施例に係るターボ機械の要部を概略的に示した断面図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの流体入口部を軸方向から見た軸直角方向断面図である。 図２に示したラビリンスシールのステータ側の構造を示す展開図である。 本発明の第２の実施例に係るラビリンスシールの流体入口部の軸直角方向断面図である。 本発明の第３の実施例に係るラビリンスシールの展開図である。 本発明の参考例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。 本発明の第４の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例を図１乃至図４を用いて説明する。

本発明の第１の実施例に係るターボ機械の要部を概略的に示した断面図を図１に、本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図を図２に、本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの流体入口部を軸方向から見た軸直角方向断面図を図３に、図２に示したラビリンスシールのステータ側の構造を示す展開図を図４に示す。

まず、本発明が適用されるターボ機械の一例を図１に基づいて説明する。なお、図１は、ターボ機械の要部を概略的に表したものであって、詳細な構造については図示を省略している。

図１に示すように、ターボ機械１は、ロータ３およびロータ３に固定された回転羽根車２を有する回転体と、ケーシングおよびケーシングに固定されたノズル等を有し、ロータ３を保持し、作動流体が流れる流路４を形成するステータ５とで主に構成されている。なお、符号１６で示した矢印は、作動流体の流れ方向を表す。

ロータの回転を阻害しないように、ステータ５とロータ３との間には間隙が設けられている。この間隙から作動流体が漏洩すると、ターボ機械の性能の低下につながる。そこで、作動流体の漏洩を低減するために、ロータ３とステータ５との間、回転羽根車２とステータ５との間、ノズル１８とロータ３との間等の間隙部に櫛歯構造のラビリンスシール６が設けられている。

本実施例に係るラビリンスシールの構造を図２に基づいて説明する。図２に示すように、ラビリンスシール６のロータ３側には突出高さの異なる櫛歯７がロータ軸方向に沿って複数設けられており、ロータ３の櫛歯７に対向するステータ５には凹凸が形成され、所謂ハイロー型のラビリンスシールを形成している。このため、ロータ３側の櫛歯７とステータ５側の凹凸構造との間の間隙部１１を漏えいする漏れ流れ８はロータ半径方向に湾曲しながら流れるため、流れ損失が大きくなり、良好なシール性能が得られる。

ラビリンスシール６を通過する漏れ流れ８には、ロータ３による流体のつれまわり効果などにより、ロータ３の回転方向に旋回する旋回流が発生する。そこで本実施例では、ラビリンスシール６のラビリンスシール入口部９に設置された櫛歯７に対向した位置のステータ５に例えば削り出し加工などにより旋回防止フィン１２が形成されている。この旋回防止フィン１２は、凹凸構造のステータの凹部に形成する。

旋回防止フィン１２は薄い平板からなり、図３に示すように、ラビリンスシール入口部９に、ラビリンスシール６の円周方向に沿って複数枚、放射状に配置されている。また図４に示すように、旋回防止フィンは、フィンの長手方向とロータの軸方向とが平行になるようにロータの軸方向に沿って配置されている。

図３に示すように、ロータ３は符号１３で示した矢印の方向に回転するが、このロータ３の回転に伴って、ラビリンスシール６を通過する漏れ流れにも同方向に旋回する流れが発生する。しかしながら、周方向に旋回防止フィン１２を設置することで、ラビリンスシール入口部９における旋回流れを阻害するため、旋回流れを効果的に抑制でき、ロータ３の不安定振動を防止することができる。

また、ロータ３とステータ５の軸方向熱伸び差により、ステータ５に対してロータ３が相対的に軸方向に移動しても、旋回防止フィン１２とロータ３は接触しないので、ロータ３とステータ５の熱伸び差による接触を回避するための新たなスペースを設ける必要が無く、ロータ３の軸長増加を防止できる。

なお、図４に示す旋回防止フィン１２は平板であるが、これを曲面で構成しても良い。

次に本発明の第２の実施例を説明する。

本発明の第２の実施例に係るラビリンスシールの入口部の軸直角方向断面図を図５に示す。本実施例が実施例１と異なる点は、ステータ５側の櫛歯７に対向する部位を円周方向に分割されたセグメント１４からなる環状の部材で構成し、セグメント間に旋回防止フィン１２を設置し、隣接するセグメントで旋回防止フィン１２を挟むように支持した点にある。

本実施例によれば、旋回防止フィン１２を構成する平板をセグメント１４間に設置して固定するだけで良いので、例えば削り出し加工などと比較して旋回防止フィン１２を容易に形成可能である。なお、図５ではステータを円周方向に２４分割しているが、分割数を変更しても良い。

本発明の第３の実施例について説明する。

本実施例に係るラビリンスシール６の展開図を図６に示す。本実施例が実施例１と異なる点は、旋回防止フィン１２の半径方向軸回りの取付角を流体の旋回流入方向１５の反対方向に傾けたことであり、流体の旋回流をより効果的に抑制可能である。

漏れ流れは、ロータ３の回転に伴って、回転軸方向に対してある程度の角度を有してラビリンスシールに流入してくる。そこで本実施例では、流入してくる漏れ流れに対して旋回防止フィン１２がなるべく対向するようにすることで、より効果的に漏れ流れの旋回を防止することができる。そのため、本実施例では、旋回防止フィン１２をラビリンスシールの入口側から出口側に向かって、ロータ回転方向反対側に傾けて配置している。
＜参考例＞
本発明の参考例について説明する。

本参考例に係るラビリンスシール６の軸方向断面図を図７に示す。本参考例が実施例１と主に異なる点は、ラビリンスシール６が、ロータ３側の櫛歯７の突出高さが一定で、かつ櫛歯７に対向するステータ５に凹凸を形成しない所謂ストレート型のラビリンスシールであり、ステータ５のラビリンスシール入口部９に相当する箇所を切り欠き、この切り欠き部に旋回防止フィン１２を形成した点である。本参考例は、ハイロー型のラビリンスシールと比較するとシール性能は劣るが、ラビリンスシールをより簡単に形成可能である。

本発明の第４の実施例について説明する。

本実施例に係るラビリンスシール６の軸方向断面図を図８に示す。本実施例ではラビリンスシール６を連続して２個配置しており、それぞれのラビリンスシール６のラビリンスシール入口部９に旋回防止フィン１２を設置している。このように複数のラビリンスシール６を連続して配置する場合にはそれぞれのラビリンスシール入口部９に旋回防止フィン１２を設置すると旋回流れをより効果的に抑制できるが、必ずしも全てのラビリンスシール６に旋回防止フィン１２を設置しなくても良い。

１ ターボ機械
２ 回転羽根車
３ ロータ
４ 流路
５ ステータ
６ ラビリンスシール
７ 櫛歯
８ 漏れ流れ
９ ラビリンスシール入口部
１１ 間隙部
１２ 旋回防止フィン
１４ セグメント
１５ 旋回流入方向

Claims (4)

1. 回転体と、
   前記回転体の周囲に設けられたステータと、
   前記回転体と前記ステータとの間の間隙部に設けられた櫛歯構造のラビリンスシールとを備えたターボ機械であって、
   前記ラビリンスシールは、
   前記回転体に軸方向に沿って複数設けられ、前記回転体から前記ステータ側に向かって突出する突出高さの異なる櫛歯と、前記櫛歯に対向する前記ステータに形成された凹凸構造とにより構成されたハイロー型のラビリンスシールであり、
   前記ラビリンスシールの流体入口部の前記櫛歯と互いに正面同士になるような位置で、前記ステータの凹凸構造の凹部に固定された旋回防止フィンと
   を備えることを特徴とするターボ機械。
2. 前記ステータは、前記櫛歯の対向する位置に設けられ、周方向に分割されたセグメントからなる環状の部材を有し、
   前記旋回防止フィンは、周方向に隣接する前記セグメント間に設けられ、隣接する前記セグメントに挟持されることを特徴とする請求項１記載のターボ機械。
3. 前記旋回防止フィンの半径方向軸回りの取付角を前記ラビリンスシール入口から出口側に向かって、前記回転体の回転方向反対側に傾けたことを特徴とする請求項１のターボ機械。
4. 前記ラビリンスシールは、突出高さが異なる複数種類の櫛歯を有することを特徴とする請求項１のターボ機械。