JP6131177B2 - シール構造、及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械において相対回転する構造体間の隙間をシールするシール構造、及びこのシール構造を備える回転機械に関する。

蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械においては、静止側と回転側との間にできる隙間から蒸気などの作動流体が漏洩するのを防止するために、ラビリンスシールなどの非接触型のシール構造が用いられている。
ラビリンスシールとしては、回転機械の外郭をなすケーシングの内周に動翼に向かって伸びるシールフィン等のシール部材と、動翼の先端に設けられたステップ状のシュラウドとを有するステップ型のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

図７に示すように、ケーシング１０から延出する複数のシールフィン１７，１８，１９と、動翼５０の先端部に設けられたシュラウド５１に形成されたステップ部３と、を有するステップ型のラビリンスシール１０２は、前向きステップを形成する上流側キャビティ２５と、後ろ向きステップを形成する下流側キャビティ２６とで構成されている。

前向きステップを形成する上流側キャビティ２５内では、上流シールフィン１７とシュラウド５１のベース面４との間の上流間隙ｍＡを通り抜けたリークジェットＳＬが渦Ｂを形成しつつステップ部３の上流側の面に衝突することでリークジェットＳＬが偏向させられる。これにより、中間シールフィン１８とステップ部３の間の中間間隙ｍＢへのリークジェットＳＬ２の吹き抜けを抑制し、漏れ量を低減している。

特開２００６−１０４９５２号公報

一方、後ろ向きステップを形成する下流側キャビティ２６内では、中間間隙ｍＢを通り抜けたリークジェットＳＬ２の再付着点が不安定となりシール性能が不安定になる。特に、再付着点がシュラウド５１のベース面４に位置する場合には、下流間隙ｍＣを吹き抜けるリークジェットＳＬ３の流量が多くなり、漏れ量が増大する。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、静止側と回転側との間にできる隙間から漏洩するリークジェットを低減して、シール性能を安定させることができる回転機械を提供することにある。

本発明の第一の態様によれば、シール構造は、第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、前記第一構造体と第二構造体のうちの一方は、ベース面と、前記ベース面よりも他方側に突出するステップ面と、を有し、前記他方は、前記ステップ面に向かって延びて前記ステップ面との間で第一間隙を形成する第一フィンと、前記第一フィンの下流側にて前記ベース面に向かって延びて前記ベース面との間で第二間隙を形成する第二フィンと、前記第一フィンと前記第二フィンとの間のみに配置されて、前記第一間隙を通過したリーク流を、第一フィンに沿う第一渦と第二フィンに沿う第二渦とに分断する突部と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、第一間隙を通過したリーク流が、突部よって第一渦と第二渦とに分断され、リーク流がベース面に再付着することが抑制されて第二隙間へのリーク流の吹き抜けが低減される。これにより、シール性能を安定させることができる。

上記シール構造において、前記突部は、前記軸線方向において前記ステップ面の下流側端部と前記第二フィンとの間、かつ、前記径方向において前記ステップ面と前記他方との間に、周方向に延在して前記リーク流を再付着させる再付着縁を有する構成としてもよい。
上記構成によれば、第一間隙を通過したリーク流を突部の再付着縁に安定的に再付着させることができる。

上記シール構造において、前記突部は、前記第二フィンの上流側に接続され、前記他方と前記再付着縁との間に延在する円板面と、前記再付着縁と前記第二フィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の面である円筒面とを有し、周方向から見た形状が矩形状をなす部材であってよい。

上記シール構造において、前記突部は、前記第二フィンの上流側の面に接続され、前記再付着縁と前記第二フィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の部材としてもよい。

上記構成によれば、第一フィンの下流側の第一渦が大きくなり第一渦の渦度が低下して静圧が上昇することによって、第一フィンの前後の圧力差が小さくなる。これにより、更に漏れ量を低減することができる。

上記シール構造において、前記突起は、前記他方と前記再付着縁との間に延在する円板状の部材であってよい。
上記構成によれば、突部の下流側に渦が生成され、渦内のミキシングロスにより運動エネルギーが熱に散逸し、全圧損失が生じる。これにより、更に漏れ量を低減することができる。

また、本発明は、上記いずれかのシール構造を備える回転機械を提供する。

本発明によれば、第一間隙を通過したリーク流が突部よって第一渦と第二渦とに分断され、リーク流がベース面に再付着することが抑制されて第二隙間へのリーク流の吹き抜けが低減される。これにより、シール性能を安定させることができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの概略構成を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図であり、図１のＩの拡大断面図である。 本発明の第一実施形態のシール構造におけるリークジェットと渦の挙動を説明する概略図である。 本発明の第一実施形態のシール構造における下流シールフィンとベース面との間の下流間隙を通過するリークジェットの詳細説明図である。 本発明の第二実施形態のシール構造におけるリークジェットと渦の挙動を説明する概略図である。 本発明の第三実施形態のシール構造におけるリークジェットと渦の挙動を説明する概略図である。 従来の環状溝のシール構造におけるリークジェットと渦の挙動を説明する概略図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態の回転機械である蒸気タービンについて図面に基づき説明する。
図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、ケーシング１０（構造体）と、ケーシング１０の内方に回転自在に設けられ、動力を図示しない発電機等の機械に伝達する回転軸３０と、ケーシング１０に保持された静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼５０と、回転軸３０を軸回りに回転可能に支持する軸受部６０とを備えて大略構成されている。

蒸気Ｓは、図示しない蒸気供給源と接続された蒸気供給管２０を介して、ケーシング１０に形成された主流入口２１から導入され、蒸気タービン１の下流側に接続された蒸気排出管２２から排出される。
静翼４０及び動翼５０は軸線Ｏの径方向に延びるブレードであって、ケーシング１０は、動翼５０に対して軸線Ｏ回りに相対回転する構造体である。

ケーシング１０は、内部空間が気密に封止されていると共に、蒸気Ｓの流路とされている。このケーシング１０の内壁面には、回転軸３０が挿通されるリング状の仕切板外輪１１が強固に固定されている。
軸受部６０は、ジャーナル軸受装置６１及びスラスト軸受装置６２を備えており、回転軸３０を回転自在に支持している。

静翼４０は、ケーシング１０から内周側に向かって伸び、回転軸３０を囲繞するように放射状に多数配置される環状静翼群を構成しており、それぞれ上述した仕切板外輪１１に保持されている。

これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸３０の軸方向（以下、単に軸方向と呼ぶ）に間隔を空けて複数形成されており、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、下流側に隣接する動翼５０に流入させる。

動翼５０は、回転軸３０の回転軸本体３１の外周部に強固に取り付けられ、各環状静翼群の下流側において、放射状に多数配置されて環状動翼群を構成している。
これら環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。このうち、最終段における動翼５０の先端部は、回転軸３０の周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）に隣接する動翼の先端部同士と連結されておりシュラウド５１と呼ばれている。

図２に示すように、仕切板外輪１１の軸方向下流側には、仕切板外輪１１の内周部から拡径されケーシング１０の内周面を底面１３（対向面）とする円筒状の環状溝１２が形成されている。環状溝１２には、シュラウド５１が収容され、底面１３は、シュラウド５１と隙間Ｇｄを介して径方向に対向している。
シュラウド５１は、軸方向における中央部分が突出してステップ状に形成されたステップ部３を備えている。具体的には、シュラウド５１の径方向外周側の面は、ベース面４（先端面）と、ベース面４よりも径方向外周側に突出するステップ面５を構成するステップ部３と、を有している。

底面１３には、シュラウド５１に向けて径方向に延出する三つのシールフィン１７，１８，１９が設けられている。シールフィン１７，１８，１９は、それぞれシュラウド５１に向けて、底面１３から内周側に延出しており、周方向に延びている。

具体的には、上流シールフィン１７は、ステップ部３よりも上流側のベース面４に向けて突出している。中間シールフィン１８（第一フィン）は、ステップ部３のステップ面５に向けて突出している。下流シールフィン１９（第二フィン）は、ステップ部３よりも下流側のベース面４に向けて突出している。中間シールフィン１８は、上流シールフィン１７及び下流シールフィン１９よりも径方向の長さが短くなるように形成されている。
即ち、本実施形態のケーシング１０と動翼５０との間の隙間Ｇｄには、ステップ型のラビリンスシールであるシール構造２が設けられている。

これらシールフィン１７，１８，１９は、シュラウド５１と微小間隙ｍを径方向に形成している。以下、上流シールフィン１７とベース面４との間の間隙を上流間隙ｍＡ、中間シールフィン１８とステップ面５との間の間隙を中間間隙ｍＢ（第一間隙）、下流シールフィン１９とベース面４との間の間隙を下流間隙ｍＣ（第二間隙）と呼ぶ。

これら微小間隙ｍ（ｍＡ〜ｍＣ）の各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量や動翼５０の遠心伸び量等を考慮して、シールフィン１７，１８，１９と動翼５０とが接触することがない範囲で設定されている。
隙間Ｇｄには、環状溝１２、シュラウド５１、及びシールフィン１７，１８，１９によって上流側キャビティ２５と、下流側キャビティ２６とが形成される。シールフィン１７，１８，１９の軸線方向の位置は、これらキャビティ２５，２６内におけるリークジェットや渦の挙動に応じて適宜設定される。

下流シールフィン１９の上流側には、突起７（突部）が一体に取り付けられている。突起７は、周方向から見た断面形状が矩形状をなす中実の部材であり、下流シールフィン１９とともに周方向に延在している。
突起７は、下流シールフィン１９の上流側にて軸線方向に直交する円板面８と、円板面８と直交するとともに周方向に延在する、軸線と同心の円筒状の面である円筒面９と、を有している。円板面８と円筒面９とが交わる稜線は、再付着縁１５とされている。換言すれば、円板面８と円筒面９は、再付着縁１５の位置を確定するための面である。

円板面８は、軸線方向においてステップ面５の下流側端部と下流シールフィン１９との間に位置している。具体的には、後述する方法によって決定される再付着縁１５の位置に基づいて配置されている。
円筒面９は、径方向において、ステップ面５と環状溝１２の底面１３との間に位置している。具体的には、再付着縁１５の位置に基づいて配置されている。

ここで、上記の構成からなる蒸気タービン１の動作について説明する。
まず、図示しないボイラなどの蒸気供給源から蒸気供給管２０を介して、蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入する。
ケーシング１０の内部空間に流入した蒸気Ｓは、各段における環状静翼群と環状動翼群とを順次通過する。

各段の環状静翼群において蒸気Ｓは、静翼４０を通過しながらその周方向速度成分が増大する。この蒸気Ｓのうち大部分の蒸気ＳＭ（図２参照）は、動翼５０間に流入し、蒸気ＳＭのエネルギーが回転エネルギーに変換されて回転軸３０に回転が付与される。
一方、蒸気Ｓのうち一部（例えば、約数％）のリークジェットＳＬ（漏れ流、リーク流）は、静翼４０から流出した後、強い周方向成分を維持した状態（旋回流）で環状溝１２に流入する。

図３に示すように、リークジェットＳＬは、渦Ｂ１を形成しつつ、ステップ部３の上流側を向く面に衝突して偏向する。これにより、中間間隙ｍＢへのリークジェットＳＬの漏れ量が低減される。
中間間隙ｍＢを通過したリークジェットＳＬ２は、下流側に設けられた突起７の再付着縁１５に安定的に再付着する。即ち、リークジェットＳＬ２の再付着点が制御され、リークジェットＳＬと中間シールフィン１８と、円板面８とによって囲まれた空間に渦Ｂ３（第一渦）が形成されるとともに、リークジェットＳＬ２と円筒面９とベース面４とによって囲まれた空間に渦Ｂ４（第二渦）が形成される。換言すれば、リークジェットＳＬ２は、突起７によって中間シールフィン１８に沿う渦Ｂ３と、下流シールフィン１９に沿う渦Ｂ４とに分断される。
これにより、リークジェットＳＬ２が、底面１３や、ベース面４（ステップ部３）に再付着することが抑制される。
図４に示すように、渦Ｂ４は、下流シールフィン１９に衝突して下流間隙ｍＣを通過するリークジェットＳＬ３に対向する流れとなるため、リークジェットＳＬ３が低減される。

次に、再付着縁１５の位置の決定方法について説明する。
再付着縁１５の位置は、中間間隙ｍＢを通過したリークジェットＳＬ２が再付着しやすい位置に設定される。本実施形態の再付着縁１５は、径方向においてステップ面５よりもやや径方向外周側であって、軸線方向においてステップ面５の下流側端部と下流シールフィン１９の中間点付近に設定されている。

再付着縁１５の位置は、蒸気タービン１の仕様、例えば、シュラウド５１と底面１３との間隔、キャビティ２５，２６に流入する旋回流の流量などに応じて数値流体力学（ＣＦＤ，Computational Fluid Dynamics）を用いた解析などを用いて適宜計算される。

ところで、蒸気タービン１の運転時においては、蒸気タービン１を構成する各部の使用材質の違いや、各部がさらされている温度の違いなどにより、各部の伸び量に差異が生じている。これにより、回転軸３０・ケーシング１０間の軸線方向の相対位置が変化する。
再付着縁１５は、このような回転軸３０とケーシング１０間との間で相対位置が変化した場合においても再付着縁１５が、ステップ面５に対して径方向に対向する位置にならないように設定されている。換言すれば、突起７は、再付着縁１５が常にベース面４と径方向に対向するように設定されている。

上記実施形態によれば、中間間隙ｍＢを通過したリークジェットＳＬ２が、突起７の再付着縁１５に安定的に再付着する。即ち、リークジェットＳＬ２がベース面４に再付着することが抑制されて下流間隙ｍＣへのリークジェットＳＬ３の吹き抜けが低減されることで、シール性能を安定させることができる。特に、リークジェットＳＬ２が突起７の再付着縁１５に再付着することで形成される渦Ｂ４によってリークジェットＳＬ３の流量を低減することができる。

なお、本実施形態の円板面８は、その主面が軸線Ｏに直交するように形成されているが、再付着縁１５の位置を設定どおりに維持できればこの限りではない。例えば、円板面８は、径方向外周側に向かうに従って、上流側に傾斜するような形状としてもよい。
同様に、本実施形態の円筒面９も下流側に向かうに従って、径方向内周側に傾斜するような形状としてもよい。
また、突起７は中実とせず、中空構造としてもよい。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の蒸気タービンのシール構造を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態のシール構造２Ｂの突起７Ｂは、下流シールフィン１９の上流側の面１９ａから上流側に突出するとともに、周方向に延在する円筒状の部材である。換言すれば、突起７Ｂは、下流シールフィン１９の上流側の面１９ａに接続され、再付着縁１５と下流シールフィン１９との間に延在する軸線Ｏ（図１参照）と同心の円筒状の部材である。

中間間隙ｍＢを通過したリークジェットＳＬ２は、突起７Ｂの最上流側の端部である再付着縁１５に再付着し、中間シールフィン１８の下流側には、大きな渦Ｂ５が生成される。

上記実施形態によれば、中間シールフィン１８の下流側の渦Ｂ５が大きくなり渦Ｂ５の渦度が低下して静圧が上昇することによって、中間シールフィン１８の前後の圧力差が小さくなる。これにより、第一実施形態の蒸気タービン１の効果に加え、更に漏れ量を低減することができる。

（第三実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の蒸気タービンのシール構造を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図６に示すように、本実施形態のシール構造２Ｃの突起７Ｃは、中間シールフィン１８と下流シールフィン１９との間に配置され、環状溝１２の底面１３からシュラウド５１のベース面４に向けて径方向に延出する円板状の部材である。換言すれば、本実施形態の突起７Ｃは、環状溝１２の底面１３と再付着縁１５との間に延在する円板状の部材である。

中間間隙ｍＢを通過したリークジェットＳＬ２は、突起７Ｃの最上流側の端部である再付着縁１５に再付着し、突起７Ｃの下流側には更なる渦Ｂ６が生成される。

上記実施形態によれば、突起７Ｃの下流側に渦Ｂ６が生成され、渦内のミキシングロスにより運動エネルギーが熱に散逸し、全圧損失が生じる。これにより、第一実施形態の効果に加え、更に漏れ量を低減することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
例えば、上記各実施形態では、動翼５０の先端側（回転側）に設けられたシュラウド５１のステップ部３と、環状溝１２の底面１３（静止側）に設けられたシールフィン１７，１８，１９とでラビリンスシールを構成したが、これに限ることはない。例えば、回転側である動翼の側にシールフィンを設けるとともに、静止側である環状溝１２（ケーシング）にステップ部を設ける構成としてもよい。
また、動翼が設けられていない回転軸とケーシングとの間の隙間をシールするラビリンスシールに適用してもよい。例えば、タービン車室とローター間の軸封シールや、軸流圧縮機のブレード-ケーシング間のシール、遠心圧縮機ケーシング−インペラ間のシールなどに適用することができる。
換言すれば、上記各実施形態のシール構造は、第一構造体に隙間を介して径方向に対向するとともに、第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体と、第一構造体と第二構造体とのいずれか一方に設けられて、他方に向かって突出して他方との間に微小隙間を形成するとともに軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、を備える回転機械に適用が可能である。

１ 蒸気タービン（回転機械）
２，２Ｂ，２Ｃ シール構造
３ ステップ部
４ ベース面
５ ステップ面
７ 突起（突部）
８ 円板面
９ 円筒面
１０ ケーシング（第一構造体、第二構造体）
１１ 仕切板外輪
１２ 環状溝
１３ 底面
１５ 再付着縁
１７ 上流シールフィン
１８ 中間シールフィン（第一フィン）
１９ 下流シールフィン（第二フィン）
２５ 上流側キャビティ
２６ 下流側キャビティ
３０ 回転軸
３１ 軸本体
３２ ディスク
４０ 静翼（ブレード）
５０ 動翼（ブレード）
５１ シュラウド（第一構造体、第二構造体）
６０ 軸受部
６１ ジャーナル軸受装置
６２ スラスト軸受装置
Ｂ３ 渦（第一渦）
Ｂ４ 渦（第二渦）
Ｇｄ 隙間
ｍＡ 上流間隙
ｍＢ 中間間隙（第一間隙）
ｍＣ 下流間隙（第二間隙）
Ｏ 軸線
ＳＬ リークジェット（リーク流）

Claims (6)

1. 第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、
   前記第一構造体と第二構造体のうちの一方は、ベース面と、前記ベース面よりも他方側に突出するステップ面と、を有し、
   前記他方は、前記ステップ面に向かって延びて前記ステップ面との間で第一間隙を形成する第一フィンと、前記第一フィンの下流側にて前記ベース面に向かって延びて前記ベース面との間で第二間隙を形成する第二フィンと、
   前記第一フィンと前記第二フィンとの間のみに配置されて、前記第一間隙を通過したリーク流を、第一フィンに沿う第一渦と第二フィンに沿う第二渦とに分断する突部と、を備えることを特徴とするシール構造。
2. 前記突部は、前記軸線方向において前記ステップ面の下流側端部と前記第二フィンとの間、かつ、前記径方向において前記ステップ面と前記他方との間に、周方向に延在して前記リーク流を再付着させる再付着縁を有することを特徴とする請求項１に記載のシール構造。
3. 前記突部は、前記第二フィンの上流側に接続され、前記他方と前記再付着縁との間に延在する円板面と、前記再付着縁と前記第二フィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の面である円筒面とを有し、周方向から見た形状が矩形状をなす部材であることを特徴とする請求項２に記載のシール構造。
4. 前記突部は、前記第二フィンの上流側の面に接続され、前記再付着縁と前記第二フィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の部材であることを特徴とする請求項２に記載のシール構造。
5. 前記突部は、前記他方と前記再付着縁との間に延在する円板状の部材であることを特徴とする請求項２に記載のシール構造。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシール構造を備えることを特徴とする回転機械。

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