JP6163059B2 - シール装置及びシール装置の製造方法、流体機械 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、シール装置及びシール装置の製造方法、流体機械に関する。

発電プラントに使用される蒸気タービンやガスタービンの仕事効率は、タービン動翼を回転させて動力（回転トルク）を発生させる流体量に影響している。つまり、タービンの静止部と回転部との隙間から漏出する流体を如何に低減させるかのシール技術がタービン性能を左右する。このため、動力発生に寄与しない流体の漏出を抑制するシール技術は、タービンの性能を向上させる重要な技術として位置付けられている。

このように、仕事効率向上にとって重要な技術として位置付けられているシール技術を組み込んだ蒸気タービンには、例えば図６に示すものがある。

この蒸気タービン１００は、タービンロータ１０１に複数枚のタービン動翼１０２が周方向に設けられて構成された回転部１０３と、タービン動翼１０２へ蒸気を案内するタービンノズル１０４がダイアフラム内輪１０５及びダイアフラム外輪１０６に支持されて構成された静止部１０７と、を有している。

タービン動翼１０２とタービンノズル１０４とは対をなしてタービン段落を構成し、このタービン段落がタービンロータ１０１の軸方向に複数段に亘って配列されている。尚、ダイアフラム外輪１０６はタービンケーシング１０８に係合されている。

上述の回転部１０３と静止部１０７とは隙間１０９を設けて配置され、この隙間１０９からの蒸気の漏出が、シールフィン１１１を備えたシール装置１１０によって封止される。つまり、タービン動翼１０２のシュラウド１１２に設けられたシールフィン１１１が、タービン動翼１０２のシュラウド１１２とダイアフラム外輪１０６との隙間１０９からの蒸気の漏出を封止している。また、ダイアフラム内輪１０５に設けられたシールフィン１１１が、ダイアフラム内輪１０５とタービンロータ１０１との隙間１０９からの蒸気の漏出を封止している。

尚、静止部１０７と回転部１０３との隙間１０９にシール装置１１０を設けた技術については、数多くの発明が開示されている。

図６に示すシール装置１１０は、蒸気タービンやガスタービン等の流体機械に従来から数多く使用されてきたが、運転中に発生する振動等によって、静止部１０７としてのタービンノズル１０４、及びこのタービンノズル１０４を支持するダイアフラム内外輪１０５、１０６と、回転部１０３としてのタービンロータ１０１、タービン動翼１０２及びシュラウド１１２とが接触し、シールフィン１１１の一部が折損もしくは減耗し、蒸気等の漏出を確実に封止することに限界があった。

このような状況の下、最近のシール装置１１０では、回転部１０３または静止部１０７のうち、シールフィン１１１に対峙するいずれか一方の基材に、被削性に富むアブレイダブル層（不図示）を被覆させた技術が提案されている。

特開２００１−１２３８０３号公報 特開２００５−２２０８７９号公報 特開２００７−１７０３０２号公報

ところで、前記アブレイダブル層は、コーティング材中にプラスチックやグラファイトなどの強度の低い物質を分散させてあたかもスポンジのような層になっているものや、ＢＮ（ベントナイト）のような固体潤滑剤を分散させたものがあり、いずれも被削性を確保している。

このため、アブレイダブル層は、蒸気タービン１００の運転中に、振動等によってシールフィン１１１と静止部１０７または回転部１０８とが接触しても、シールフィン１１１の折損を防止できるものの、蒸気中に含まれる酸化スケール等の異物で侵食・減肉する挙動が発生する恐れがある。

本発明が解決しようとする課題は、流体の漏出封止に関する信頼性を向上できるシール装置及びシール装置の製造方法、流体機械を提供することである。

本実施形態に係るシール装置は、隙間を設けて配置された回転部と静止部のうち、いずれ
か一方にシールフィンを備えて、前記隙間からの流体の漏出を封止するシール装置におい
て、前記シールフィンに対峙する前記回転部または前記静止部の基材にアブレイダブル層
が設けられ、このアブレイダブル層は、未溶融母材の内部に固体潤滑剤を内包させて構成
され、前記固体潤滑剤の割合を調整して、アブレイダブル層中の固体潤滑剤の分散率を調整したものである。

本実施形態のシール装置を示す図。 本実施形態のシール装置を静止部に適用した具体例を示す図。 本実施形態のシール装置を回転部に適用した具体例を示す図。 本実施形態のシール装置をシュラウドおよびシールフィンに適用した具体例を示す図。 従来の蒸気タービンにおけるシール装置を、タービン動翼及びタービンノズル等と共に示す部分断面図。

以下、実施形態のシール装置及びシール装置の製造方法、流体機械を図面を参照して説明する。

（実施形態）
図１は第１の実施形態のシール装置を示す図である。シール装置は、図示しないシールフィンに対峙する回転部と静止部のうち、いずれか一方の基材３０にアブレイダブル層３１が設けられている。アブレイダブル層３１は、未溶融母材３４の内部に固体潤滑剤３３を内包させる構成である。未溶融母材３４は、固体潤滑剤３３よりも強度の高い金属材料であればよく、例えば、リン青銅などの銅系合金、アルミやＣｕＡｌなどのアルミ系合金、ホワイトメタルなどのすず系合金などの軟質な金属であってもよいし、（ニッケル基合金、コバルト基合金、高クロム系合金）などの硬質な金属であってもよい。

被削性と、耐食性の双方に優れたアブレイダブル層３１を形成するために、コールドスプレー法と呼ばれる成膜技術を適用する。本手法は空気、窒素またはヘリウム等の圧縮気体により、数10μmオーダーの金属微粒子を亜音速から超音速レベルにまで加速し、固相状態のまま基材に衝突させることにより皮膜を形成させる技術である。本手法は、粒子を溶融させることなく固相状態のまま成膜する点で、従来のガス炎・プラズマ溶射と決定的に異なる。

コールドスプレー法で施工することにより、アブレイダブル層３１は、未溶融母材３４の内部に固体潤滑剤３３を内包させる構成となる。

図２は第１の実施形態のシール装置を静止部３２に適用した具体例を示す図である。回転部３５を、タービン動翼の先端に設置されたシュラウド３７とし、このシュラウド３７に設けられたシールフィン３６に対峙する静止部３２をダイアフラム外輪とし、このダイアフラム外輪の基材３０にアブレイダブル層３１が設けられている。

図３は本実施形態のシール装置を回転部３５に適用した具体例を示す図である。静止部３２をタービンノズルを支持するダイアフラム内輪とし、このダイアフラム内輪に設けられたシールフィン３６に対峙する回転部３５をタービンロータまたは低圧タービンロータとし、このタービンロータまたは低圧タービンロータの基材３０にアブレイダブル層３１が設けられている。

図４は本実施形態のシール装置をシュラウド３７およびシールフィン３６に適用した具体例を示す図である。回転部３５であるタービン動翼のシュラウド３７をアブレイダブル層で形成し、このシュラウド３７に設けたシールフィン３６に対峙する静止部３２をダイアフラム外輪としている。

ここで、静止部３２又は回転部３５の基材３０は、マルテンサイトまたはベイナイト組成の鉄基合金である。

また、アブレイダブル層３１の固体潤滑剤３３は、未溶融母材より高度が低い材料が選択され、被削性に優れる。例えば、ＮｉＣｒＡｌ合金及びＢＮからなる組成物、またはＮｉＣｒＦｅＡｌ合金及びＢＮからなる組成物である。

アブレイダブル層３１の固体潤滑剤３３の割合を任意に調整し、アブレイダブル層３１中の固体潤滑剤３３の分散率を調整することにより、アブレイダブル層３１の強度を特徴付ける未溶融母材３４同士の結合率を変化させ、被削性を調整することができる。

本実施形態によれば、コールドスプレー法で施工するアブレイダブル層３１は未溶融なため、バルク金属の特性を反映したアブレイダブル層を形成でき、ニッケル基合金に代表される高温特性や酸化特性に優れた層を形成することができる。

また、材料が溶融した後に形成されるアブレイダブル層は、材料および固体潤滑剤の高温溶融時の挙動が被削性に大きな影響を与え、被削性の調整が困難であったが、本実施形態のアブレイダブル層では、未溶融なアブレイダブル材で構成されているため、固体潤滑剤の配合割合を調整することで、容易な被削性を調整することができる。

従来のアブレイダブルシール装置では、蒸気中に含まれる酸化スケール等の異物により、アブレイダブル層が侵食されることがあり、適用困難な部位があった。しかし、本実施形態のシール装置は、（被削性を容易に調整できるため、適用の範囲が広く、タービンの更なる効率向上が見込める。

以上述べた実施形態によれば、流体の漏出封止に関する信頼性を向上できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

３０ 基材
３１ アブレイダブル層
３２ 静止部
３３ 固体潤滑剤
３４ 未溶融母材
３５ 回転部
３６ シールフィン
３７ シュラウド

Claims (6)

1. 隙間を設けて配置された回転部と静止部のうち、いずれか一方にシールフィンを備えて、前記隙間からの流体の漏出を封止するシール装置において、
   前記シールフィンに対峙する前記回転部または前記静止部の基材にアブレイダブル層が設けられ、
   このアブレイダブル層は、未溶融母材の内部に固体潤滑剤を内包させて構成され、前記固体潤滑剤の割合を調整して、アブレイダブル層中の固体潤滑剤の分散率を調整したシール装置。
2. 前記未溶融母材は、固体潤滑剤よりも強度の高い金属材料である請求項１に記載のシール装置。
3. 前記未溶融母材は、銅系合金、アルミ系合金、すず系合金のいずれかである請求項１に記載のシール装置。
4. 前記アブレイダブル層は、コールドスプレー法を用いて形成させた請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシール装置。
5. 隙間を設けて配置された回転部と静止部のうち、いずれか一方にシールフィンを備えて、前記隙間からの流体の漏出を封止するシール装置の製造方法において、
   前記シールフィンに対峙する前記回転部または前記静止部の基材にコールドスプレー法を用いてアブレイダブル層を設けることにより、未溶融母材の内部に固体潤滑剤を内包させ、
   前記固体潤滑剤の割合を調整して、アブレイダブル層中の固体潤滑剤の分散率を調整するシール装置の製造方法。
6. タービンロータに複数枚のタービン動翼が周方向に設けられて構成された回転部と、前記タービン動翼へ作動流体を案内するタービンノズルがダイアフラム内輪及びダイアフラム外輪に支持されて構成された静止部と、を有する流体機械おいて、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシール装置を備えた流体機械。

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