JP6584617B2 - 回転機械 - Google Patents

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Description

本開示は回転機械に関する。
ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機及び発電機のような回転機械は、通常、回転部材と静止部材との間の隙間における流体の流れを制限可能なシール装置を備えている。
この種のシール装置として、例えば特開２０１４−６６１３４号公報が開示する回転機械のシール装置は、接触型シールと、接触型シールの上流に設けられた旋回流抑制部とを有している。旋回流抑制部は、例えばハニカムシールからなり、接触型シールに旋回流が衝突又は通過することを抑制する機能を有し、これにより接触型シールの損傷が防止される。
特開２０１４−６６１３４号公報が開示する回転機械では、接触型シールの上流に旋回流抑制部を設けたことで、接触型シールの信頼性が確保されているが、信頼性の更なる向上が望まれている。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、制限すべき流体の流れが旋回成分を含んでいたとしても、高い信頼性を有するシール装置を備える回転機械を提供することにある。
（１）本発明の少なくとも一参考実施形態に係る回転機械は、
少なくとも１つの静止部材と、
前記少なくとも１つの静止部材に対し相対回転可能に設けられた少なくとも１つの回転部材と、
前記少なくとも１つの静止部材と前記少なくとも１つの回転部材との間の隙間における流体の流れを制限可能なシール装置とを備え、
前記シール装置は、
前記少なくとも１つの静止部材に取り付けられた圧損体と、
前記少なくとも１つの回転部材から前記圧損体に向けて突出し、前記圧損体と第１の隙間を存して対向する第１非接触型シールと、
前記少なくとも１つの静止部材から前記少なくとも１つの回転部材に向けて突出する第２非接触型シールであって、前記少なくとも１つの回転部材と第２の隙間を存して対向し、前記流体の流れ方向にて前記圧損体の何れか一方の側に位置する第２非接触型シールと、
前記少なくとも１つの静止部材から前記少なくとも１つの回転部材に向けて突出し、前記流体の流れ方向にて前記圧損体及び前記第２非接触型シールの下流側に位置する接触型シールと、
を有する。
上記構成（１）の回転機械では、静止部材から第２非接触型シールが突出しており、第１非接触型シールと第２非接触型シールとの間にて流れの一部が環流する。すなわち、例えば第２非接触型シールが第１非接触型シールの下流に位置している場合、流体の流れの一部が第２非接触型シールに衝突し、第１非接触型シールに向かって流れる。
このように、流体の流れの一部が環流して渦を形成することで、流体の流れが静止部材と接触する距離が長くなり、静止部材との摩擦によって、流体の流れの旋回成分が低減される。この結果、接触型シールに衝突又は接触型シールを通過する流体の流れの旋回成分が低減され、接触型シールの信頼性が高くなる。
（２）幾つかの参考形態では、上記構成（１）において、
前記少なくとも１つの回転部材と前記少なくとも１つの静止部材との間の隙間は、前記回転部材の回転軸に沿って延びる軸方向隙間を含み、
前記第１非接触型シール及び前記第２非接触型シールは前記軸方向隙間に配置され、
前記回転軸の径方向にて、前記第１の隙間の位置は前記第２の隙間の位置と異なる。
上記構成（２）の回転機械では、第１の隙間と第２の隙間の径方向位置が異なるので、流体の流れが第１の隙間と第２の隙間を真っ直ぐに通過することができない。このため、第１非接触型シールと第２非接触型シールとの間にて、より多くの流体を環流させて渦を形成することができ、流体の流れの旋回成分をより一層低減させることができる。
（３）幾つかの参考形態では、上記構成（２）において、
前記少なくとも１つの回転部材と前記少なくとも１つの前記静止部材との間の隙間は、前記回転部材の回転軸の径方向に延び且つ前記流体の流れ方向にて前記軸方向隙間よりも上流に位置する空洞を含み、
前記シール装置は、
前記回転軸の周方向に配列された状態で前記空洞内に配置された複数の壁であって、それぞれ前記回転軸の周方向と交差する複数の壁を更に有する。
上記構成（３）では、空洞内で流体の流れに環流が生じて渦が形成される。そして、流体が空洞に配置された複数の壁に衝突することによって、流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。このため、接触型シールに衝突又は接触型シールを通過する流体の流れの旋回成分が更に低減され、接触型シールの信頼性が更に高くなる。
（４）幾つかの参考形態では、上記構成（３）において、
前記複数の壁は、前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁に形成された複数の溝の壁面によって形成されている。
上記構成（４）では、静止部材の壁に形成された複数の溝の壁面によって、流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。
（５）幾つかの参考形態では、上記構成（４）において、
前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁は前記回転軸の径方向に延び、
前記複数の溝の各々は、前記回転軸の径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
上記構成（５）では、回転軸の径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている複数の溝によって流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。また、傾斜又は湾曲している複数の溝によれば、流体の流れに逆旋回成分を生成することによって、旋回成分を低減させることができる。
（６）幾つかの参考形態では、上記構成（４）において、
前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁は前記回転軸の軸方向に延び、
前記複数の溝の各々は、前記回転軸の軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
上記構成（６）では、回転軸の軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている複数の溝によって流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。また、傾斜又は湾曲している複数の溝によれば、逆旋回成分を生成することによって、旋回成分を低減させることができる。
（７）幾つかの参考形態では、上記構成（３）において、
前記複数の壁は、前記空洞内に配置された複数のジャマ板の壁面によって形成されている。
上記構成（７）によれば、空洞内に配置された複数のジャマ板によって、流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。
（８）幾つかの参考形態では、上記構成（７）において、
前記複数のジャマ板の各々は、前記回転軸の径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
上記構成（８）によれば、回転軸の径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている複数のジャマ板によって流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。また、傾斜又は湾曲している複数のジャマ板によれば、逆旋回成分を生成することによって、旋回成分を低減させることができる。
（９）幾つかの参考形態では、上記構成（７）において、
前記複数のジャマ板の各々は、前記回転軸の軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
上記構成（９）では、回転軸の軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている複数のジャマ板によって流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。また、傾斜又は湾曲している複数のジャマ板によれば、逆旋回成分を生成することによって、旋回成分を低減させることができる。
（１０）幾つかの参考形態では、上記構成（１）乃至（９）の何れか１つにおいて、
前記流体に旋回成分を付与可能な旋回成分付与装置を更に備え、
前記少なくとも１つの回転部材と前記少なくとも１つの静止部材との間の隙間は、前記回転部材の回転軸に沿って延びる軸方向隙間、及び、前記回転部材の回転軸の径方向に延び且つ前記流体の流れ方向にて前記軸方向隙間よりも上流に位置する空洞を含み、
前記空洞は、前記旋回成分付与装置によって旋回成分が付与された前記流体が流動可能な前記回転軸の軸方向に延びる主流路に開口する開口を有し、
前記開口の幅が前記空洞の幅よりも狭くなるように、前記少なくとも１つの静止部材及び前記少なくとも１つの回転部材のうち一方は、前記回転軸の径方向に延びる壁、及び、前記壁から前記回転軸の軸方向に延び、前記開口の幅を規定する突出部を有する。
上記構成（１０）では、突出部によって空洞の開口の幅を調整することができ、主流路から空洞に流入する流体の流量を調整することができる。これにより、開口近傍における、主流路から空洞内に流入した流体の流れと、空洞内の環流との混合状態を調整することができる。そして、混合状態を調整することで、流体の流れに含まれる旋回成分を低減させることができる。
（１１）幾つかの参考形態では、上記構成（１０）において
前記突出部の前記空洞側の面は、前記回転軸の軸方向に対し傾斜している。
上記構成（１１）では、突出部の空洞側の面を傾斜させることで、空洞内の環流と、主流路から開口に流入した流体の流れとの混合状態を調整することができ、流体の流れに含まれる旋回成分を低減させることができる。
（１２）幾つかの実施形態では、上記構成（１０）又は（１１）において、
前記突出部の先端側には、前記回転軸の周方向に配列された複数の凹部が形成され、前記複数の凹部により前記開口の幅が前記回転軸の周方向に変化している。
上記構成（１２）によれば、突出部の複数の凹部により開口幅を変化させることで、主流路から空洞への流体の流入量を調整することができる。これにより、空洞内の環流と、主流路から開口に流入した流体の流れとの混合状態を調整することができ、流体の流れに含まれる旋回成分を低減させることができる。
（１３）幾つかの参考形態では、上記構成（１）乃至（１２）の何れか１つにおいて、
前記シール装置は、前記少なくとも１つの静止部材に設けられ、前記少なくとも１つの静止部材と前記少なくとも１つの回転部材との間の隙間における前記流体の流れ方向にて前記圧損体よりも上流の部分に、前記流体の旋回成分を低減するための流体を供給可能な少なくとも１つの旋回成分抑制流路を更に有する。
上記構成（１３）によれば、旋回成分抑制流路から圧損体よりも上流に供給された流体により、接触型シールに衝突又は接触型シールを通過する流体の旋回成分を低減させることができる。
（１４）幾つかの参考形態では、上記構成（１）乃至（１３）の何れか１つにおいて、
前記圧損体はハニカムシールであり、
前記第１非接触型シール及び前記第２非接触型シールはそれぞれフィンシールであり、
前記接触型シールは、前記回転部材の回転軸の周方向に配列された複数の薄板を有する。
上記構成（１４）の回転機械では、圧損体としてのハニカムシールによって、流体の流れに含まれる旋回成分が効率的に低減されるのに加え、フィンシールによって流体の流れを環流させて渦を形成することによって、旋回成分が更に低減される。
（１５）本発明の少なくとも一参考形態に係る回転機械は、
少なくとも１つの静止部材と、
前記少なくとも１つの静止部材に対し相対回転可能に設けられた少なくとも１つの回転部材と、
前記少なくとも１つの静止部材と前記少なくとも１つの回転部材との間の隙間における流体の流れを制限可能なシール装置と、
前記流体の流れ方向にて前記シール装置よりも上流に配置され、前記流体に旋回成分を付与可能な旋回成分付与装置とを備え、
前記少なくとも１つの静止部材と前記少なくとも１つの回転部材との間の隙間は、前記旋回成分付与装置によって旋回成分が付与された前記流体が流動可能な主流路に開口する空洞を含み、
前記シール装置は、
前記少なくとも１つの静止部材に取り付けられ、前記流体の流れ方向にて前記空洞よりも下流に位置する圧損体と、
前記少なくとも１つの回転部材から前記圧損体に向けて突出し、前記圧損体と第１の隙間を存して対向する第１非接触型シールと、
前記少なくとも１つの静止部材から前記少なくとも１つの回転部材に向けて突出し、前記流体の流れ方向にて前記圧損体及び前記第１非接触型シールの下流側に位置する接触型シールと、
前記少なくとも１つの静止部材に設けられ、前記空洞に前記流体の旋回成分を低減するための流体を供給可能な少なくとも１つの旋回成分抑制流路と、
を有する。
上記構成（１５）によれば、旋回成分抑制流路を通じて空洞に供給された流体が、主流路から空洞への流体の流入を阻止することで、又は、主流路から空洞に流入した流体と混合されることで、流体の流れに含まれる旋回成分を低減させることができる。
（１ｄ）また、本発明の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
少なくとも１つの静止部材と、
前記少なくとも１つの静止部材に対し相対回転可能に設けられた少なくとも１つの回転部材と、
前記少なくとも１つの静止部材と前記少なくとも１つの回転部材との間の隙間における流体の流れを制限可能なシール装置と、
前記流体に旋回成分を付与可能な旋回成分付与装置と、を備え、
前記少なくとも１つの回転部材と前記少なくとも１つの静止部材との間の隙間は、前記回転部材の回転軸に沿って延びる軸方向隙間、及び、前記回転部材の回転軸の径方向に延び且つ前記流体の流れ方向にて前記軸方向隙間よりも上流に位置する空洞を含み、
前記空洞は、前記旋回成分付与装置によって旋回成分が付与された前記流体が流動可能な前記回転軸の軸方向に延びる主流路に開口する開口を有し、
前記開口の幅が前記空洞の幅よりも狭くなるように、前記少なくとも１つの静止部材及び前記少なくとも１つの回転部材のうち一方は、前記回転軸の径方向に延びる壁、及び、前記壁から前記回転軸の軸方向に延び、前記開口の幅を規定する突出部を有する。
（２ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（１ｄ）において、
前記少なくとも１つの回転部材と前記少なくとも１つの前記静止部材との間の隙間は、前記回転部材の回転軸に沿って延びる軸方向隙間と、前記回転部材の回転軸の径方向に延び且つ前記流体の流れ方向にて前記軸方向隙間よりも上流に位置する空洞を含み、
前記シール装置は、
前記回転軸の周方向に配列された状態で前記空洞内に配置された複数の壁であって、それぞれ前記回転軸の周方向と交差する複数の壁を有する。
（３ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（２ｄ）において、
前記複数の壁は、前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁に形成された複数の溝の壁面によって形成されている。
（４ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（３ｄ）において、
前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁は前記回転軸の径方向に延び、
前記複数の溝の各々は、前記回転軸の径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
（５ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（３ｄ）において、
前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁は前記回転軸の軸方向に延び、
前記複数の溝の各々は、前記回転軸の軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
（６ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（２ｄ）において、
前記複数の壁は、前記空洞内に配置された複数のジャマ板の壁面によって形成されている。
（７ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（６ｄ）において、
前記複数のジャマ板の各々は、前記回転軸の径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
（８ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（６ｄ）において、
前記複数のジャマ板の各々は、前記回転軸の軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
（９ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（１ｄ）乃至（８ｄ）の何れかの１つにおいて、
前記突出部の前記空洞側の面は、前記回転軸の軸方向に対し傾斜している。
（１０ｄ）幾つかの実施形態では、上記構成（１ｄ）乃至（９ｄ）の何れか１つにおいて、
前記突出部の先端側には、前記回転軸の周方向に配列された複数の凹部が形成され、前記複数の凹部により前記開口の幅が前記回転軸の周方向に変化している。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、制限すべき流体の流れが旋回成分を含んでいたとしても、高い信頼性を有するシール装置を備える回転機械が提供される。
本発明の一実施形態に係るガスタービンの構成を概略的に示す図である。 図１中のタービンの一部の構成を概略的に示す図である。 図２の領域ＩＩＩを拡大して概略的に示す断面図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 図５〜図７、図１０及び図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う内側隔壁部の一部の概略的な断面を、旋回成分付与装置とともに概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図１３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図１３に相当する図である。 空洞を区画する内側隔壁部の壁であって、径方向内側に向いた壁を、圧損体としてのハニカムシールとともに展開して概略的に示す図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図１６に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図１６に相当する図である。 図１０のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う内側隔壁部及び筒部の一部の概略的な断面を示す図である。 図１２のＸＸ−ＸＸ線に沿う内側隔壁部の一部の概略的な断面を示す図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する図である。 図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線に沿う内側隔壁部の一部の概略的な断面を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービン１の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１は、圧縮機（圧縮部）２、燃焼器（燃焼部）３、及び、タービン（タービン部）４を備えており、例えば発電機６等の外部機器を駆動するものである。
圧縮機２は、外部の空気である大気を吸入して圧縮し、圧縮された空気を燃焼器３に供給するものである。
燃焼器３は、圧縮機２により圧縮された空気を用いて、外部から供給された燃料を燃焼させることにより、高温ガス（燃焼ガス）を生成するものである。
これら圧縮機２及び燃焼器３の具体的な構成は、それぞれ公知の構成を採用することが可能であり、特に限定されるものではない。
タービン４は、燃焼器３により生成された高温ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、発生した回転駆動力を圧縮機２及び外部機器に出力するものである。
タービン４は、車室（ケーシング）８内に回転可能に配置されたロータ１０を有し、ロータ１０は圧縮機２及び外部機器の回転軸に連結されている。またタービン４は、ロータ１０の回転軸ＣＬの軸方向（以下、単に軸方向ともいう。）に配列された複数段の静翼列及び動翼列を有し、各静翼列は車室８に固定され、各動翼列はロータ１０に固定される。静翼列は、ロータ１０の回転軸ＣＬの周方向（以下、単に周方向ともいう。）に配列された複数の静翼からなり、各動翼列は、周方向に配列された複数の動翼からなる。
図２は、タービン４の一部の構成を概略的に示す図である。図２には、複数の静翼及び動翼のうち、１段目の静翼１２と、１段目の動翼１４が示されている。
車室８は、ロータ１０を囲む筒形状のインナケーシング８ａと、インナケーシング８ａを囲む筒形状のアウタケーシング８ｂとからなり、インナケーシング８ａはアウタケーシング８ｂによって支持されている。インナケーシング８ａは、静翼１２及び動翼１４を囲んでおり、インナケーシング８ａには、動翼１４と対向する領域に複数の分割環１６が固定されている。
動翼１４は、翼部１４ａと、ロータ１０の回転軸ＣＬの径方向（以下、単に径方向ともいう。）にて翼部１４ａの一端側に連なるプラットフォーム１４ｂと、プラットフォーム１４ｂの径方向内側に連なる翼根部１４ｃを有する。ロータ１０は、相互に同軸に一体に連結されたロータディスク１８及び筒形状のシャフト１９を含んでおり、動翼１４の翼根部１４ｃは、ロータディスク１８の外周側に取り付けられている。
静翼１２は、翼部１２ａと、径方向にて翼部１２ａの両側にそれぞれ連なるプラットフォーム１２ｂ，１２ｃを有し、外側のプラットフォーム１２ｂはインナケーシング８ａに固定され、内側のプラットフォーム１２ｃは、ロータ１０を囲む筒形状の外側隔壁部２０に固定されている。
静翼のプラットフォーム１２ｂ，１２ｃ、動翼のプラットフォーム１４ｂ及び分割環１６は、筒形状の燃焼ガス流路２２を形成しており、燃焼ガス流路２２には燃焼器３から高温ガスが供給される。動翼１４の翼部１４ａ及び静翼１２の翼部１２ａは燃焼ガス流路２２に配置されている。
外側隔壁部２０の径方向内側には、ロータ１０を囲む筒形状の内側隔壁部２４が固定され、内側隔壁部２４は外側隔壁部２０とロータ１０との間に位置している。外側隔壁部２０及び内側隔壁部２４は、車室８に対し固定されている。
また、車室８内には、圧縮空気供給路２６が設けられている。圧縮空気供給路２６は、内側隔壁部２４を貫通して延びており、内側隔壁部２４と外側隔壁部２０との間に区画された第１空間２８からロータ１０を囲む環状の第２空間（回転軸囲繞空間）３０まで延びている。
第１空間２８には、圧縮機２から抽気された圧縮空気が供給され、圧縮空気は、第２空間３０に流入する。第２空間３０には、ロータ１０の外周面及びロータディスク１８の側面が面している。
ロータディスク１８には、それぞれ径方向に延びる複数の径方向孔３２が周方向に相互に離間して形成されており、各径方向孔３２は第２空間３０に開口している。従って第２空間３０は各径方向孔３２に連通しており、径方向孔３２を通じて圧縮空気が動翼１４に供給され、圧縮空気により動翼１４が冷却される。つまり、圧縮空気の一部は冷却空気として使用されている。
また、ロータディスク１８には、ロータディスク１８を軸方向にそれぞれ貫通する複数の軸方向孔３４が周方向に相互に離間して形成されている。各軸方向孔３４は第２空間３０に開口しており、第２空間３０は軸方向孔３４に連通している。従って、軸方向孔３４を通じて、圧縮空気が次段の動翼列の動翼に供給される。
ここで、ガスタービン１の作動中、径方向孔３２及び軸方向孔３４は第２空間３０に対し相対的に回転するため、第２空間３０から径方向孔３２及び軸方向孔３４に圧縮空気が流入する際、圧縮空気とロータディスク１８との間の回転方向での速度差に応じて、圧力損失（流入損失／ポンピングロス）が生じてしまう。このような圧力損失を抑えるために、第２空間３０に供給される圧縮空気に回転方向の速度（旋回成分）を付与することが行われている。
そのために、タービン４は、旋回成分付与装置３６を有している。旋回成分付与装置３６は、例えば、ＴＯＢＩノズル（接線方向オンボード噴射ノズル）によって構成される。ＴＯＢＩノズルは、内側隔壁部２４に取り付けられ、圧縮空気供給路２６はＴＯＢＩノズルを通って延びている。
一方、第２空間３０と燃焼ガス流路２２との間には、環状の隙間（リム隙間）４０が延在している。リム隙間４０は、静止部材である内側隔壁部２４及び外側隔壁部２０と、静止部材に対し相対回転可能な回転部材であるロータディスク１８との間に存在し、静翼１２と動翼１４との間の隙間を通じて、燃焼ガス流路２２と連通している。従って、圧縮空気の一部は、リム隙間４０を通って燃焼ガス流路２２に向けて流れ、この圧縮空気によって、静翼１２と動翼１４との間の隙間がシールされる。つまり圧縮空気の一部は、シール空気として利用されている。
ここで、タービン４には、静止部材と回転部材との間の隙間であるリム隙間４０を流れる空気の流量を制限するためのシール装置４２が設けられている。
図３は、図２の領域ＩＩＩを拡大して概略的に示す断面図である。図４〜図１２及び図２２は、幾つかの実施形態に係るタービンの図３に相当する断面図である。図３〜図１２及び図２２に示したように、シール装置４２は、圧損体４６、第１非接触型シール４８、第２非接触型シール５０、及び、接触型シール５２を備えている。
圧損体４６は、静止部材である内側隔壁部２４に取り付けられており、リム隙間４０に面している。圧損体４６は、圧損体４６に沿って流れる空気の旋回成分を抑制する機能を有する。
第１非接触型シール４８は、回転部材であるロータディスク１８から圧損体４６に向けて突出し、圧損体４６と第１の隙間Ｇ１を存して対向する。
第２非接触型シール５０は、静止部材である内側隔壁部２４から回転部材であるロータディスク１８に向けて突出し、ロータディスク１８と第２の隙間Ｇ２を存して対向する。第２非接触型シール５０は、空気の流れ方向にて圧損体４６の上流側又は下流側の何れか一方の側に位置している。
接触型シール５２は、静止部材である内側隔壁部２４から回転部材であるロータディスク１８に向けて突出し、流体の流れ方向にて圧損体４６及び第２非接触型シール５０の下流側に位置している。
上記構成によれば、静止部材である内側隔壁部２４から第２非接触型シール５０が突出しており、第１非接触型シール４８と第２非接触型シール５０との間にて流れの一部が環流する。すなわち、図３、図５〜図１２及び図２２に示すように、第２非接触型シール５０が第１非接触型シール４８の下流に位置している場合、空気の流れの一部が第２非接触型シール５０に衝突し、第１非接触型シール４８に向かって流れる。また、図４に示すように、第２非接触型シール５０が第１非接触型シール４８の上流に位置している場合、空気の流れの一部が第１非接触型シール４８に衝突し、第２非接触型シール５０に向かって流れる。
このように、流体としての空気の流れの一部が環流して渦を形成することで、流体の流れが静止部材である内側隔壁部２４と接触する距離が長くなり、静止部材との摩擦によって、流体の流れの旋回成分が低減される。この結果、接触型シール５２に衝突又は接触型シール５２を通過する流体の流れの旋回成分が低減され、接触型シール５２の信頼性が高くなる。
幾つかの実施形態では、図３〜図１２及び図２２に示すように、リム隙間４０は、軸方向に沿って延びる軸方向隙間４０ａを含む。第１非接触型シール４８及び第２非接触型シール５０は軸方向隙間４０ａに配置され、径方向にて、第１の隙間Ｇ１の位置は第２の隙間Ｇ２の位置と異なる。
上記構成では、第１の隙間Ｇ１と第２の隙間Ｇ２の径方向位置が異なるので、流体の流れが第１の隙間Ｇ１と第２の隙間Ｇ２を軸方向に真っ直ぐに通過することができない。このため、第１非接触型シール４８と第２非接触型シール５０との間にて、より多くの流体を環流させて渦を形成することができ、流体の流れの旋回成分をより一層低減させることができる。
幾つかの実施形態では、図３〜図１２、図２１及び図２２に示すように、ロータディスク１８は、円盤形状のディスク本体１８ａと、ディスク本体１８ａから軸線方向に延びる筒部１８ｂとを有する。筒部１８ｂの外周面は、内側隔壁部２４の内周面と対向し、筒部１８ｂと内側隔壁部２４との間に軸方向隙間４０ａが形成される。
幾つかの実施形態では、図３〜図１２及び図２２に示すように、圧損体４６はハニカムシールであり、第１非接触型シール４８及び第２非接触型シール５０はそれぞれフィンシールである。接触型シール５２は、リーフシール（登録商標）と称される接触型シール（リーフ型シール）であり、周方向に配列された複数の薄板５２ａを有する。
上記構成では、圧損体４６としてのハニカムシールによって、流体の流れに含まれる旋回成分が効率的に低減されるのに加え、フィンシールによって流体の流れを環流させて渦を形成することによって、旋回成分が更に低減される。
なお、リーフ型シールの場合、タービン４の作動中、薄板５２ａは動圧効果によって回転部材から離れ、薄板５２ａと回転部材との間に微小な隙間が生じるが、タービン４の停止中には薄板５２ａは回転部材に当接する。このため、リーフ型シールを接触型シールの一種類として取り扱う。
幾つかの実施形態では、第１非接触型シール４８としてのフィンシールは回転部材としてのロータディスク１８と一体に形成され、周方向に延びて環板形状を有する。また、第２非接触型シール５０としてのフィンシールは、静止部材としての内側隔壁部２４に一体に形成され、周方向に延びて環板形状を有する。
幾つかの実施形態では、接触型シール５２はブラシシールである。
幾つかの実施形態では、圧損体４６は、周方向に配列され、それぞれ周方向に交差するように配置された複数の板によって構成される。
幾つかの実施形態では、第１非接触型シール４８と第２非接触型シール５０との間隔ｄ１（図３参照）は、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。間隔ｄ１が５ｍｍ以上１５ｍｍ以下であれば、特に高圧環境となる圧縮機（圧縮部）２下流側とタービン（タービン部）４上流側の間で、軸方向の熱伸びによる第１非接触型シール４８と第２非接触型シール５０との接触を確実に防止することができる。
幾つかの実施形態では、第１非接触型シール４８と第２非接触型シール５０との間隔ｄ１（図３参照）は、１ｍｍ以上２５ｍｍ以下である。間隔ｄ１が１ｍｍ以上２５ｍｍ以下であれば、圧縮機（圧縮部）２下流側とタービン（タービン部）４上流側の広い範囲で、軸方向の熱伸びによる第１非接触型シール４８と第２非接触型シール５０との接触を確実に防止することができる。
幾つかの実施形態では、接触型シール５２と、第１非接触型シール４８及び第２非接触型シール５０のうち接触型シール５２に近い方との間隔ｄ２（図３参照）の大きさは、ｄ１と等しい範囲、又は、それよりも大きい範囲に入っている。
また、第２非接触型シール５０の両側の空間のアスペクト比ａ１／ｄ１又はアスペクト比ａ２／ｄ２は０．５〜２である（図３参照）。なお、ａ１，ａ２は、第２非接触型シール５０の両側の空間の径方向の高さである。
幾つかの実施形態では、図５〜図１１に示すように、リム隙間４０は、径方向に延び且つ流体の流れ方向にて軸方向隙間４０ａよりも上流に位置する空洞４０ｂを含む。シール装置４２は、周方向に配列された状態で空洞４０ｂ内に配置された複数の壁５４を更に有する。複数の壁５４は、それぞれ回転軸ＣＬの周方向と交差するように広がっている。
上記構成では、空洞４０ｂ内で流体の流れに環流が生じて渦が形成される。そして、流体が空洞４０ｂに配置された複数の壁５４に衝突することによって、流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。このため、接触型シール５２に衝突又は接触型シール５２を通過する流体の流れの旋回成分が更に低減され、接触型シール５２の信頼性が更に高くなる。
幾つかの実施形態では、空洞４０ｂでの静止部材と回転部材との間隔は、軸方向隙間４０ａでの静止部材と回転部材との間隔よりも大である。
幾つかの実施形態では、図５〜図１１に示すように、複数の壁５４は、空洞４０ｂを区画する静止部材としての内側隔壁部２４の壁に形成された複数の溝５６の壁面によって形成されている。
上記構成では、静止部材の壁に形成された複数の溝５６の壁面によって、流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。
図１３は、図５〜図７、図１０及び図１１のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う内側隔壁部２４の一部の概略的な断面を、旋回成分付与装置３６とともに概略的に示す図である。図１４及び図１５は、幾つかの実施形態に係るタービンの図１３に相当する断面図である。
幾つかの実施形態では、図５〜図７、図１０及び図１１に示すように、空洞４０ｂを区画する静止部材の壁は径方向に延び、複数の溝５６の各々は、図１３、図１４及び図１５にそれぞれ示すように、径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
上記構成では、径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている複数の溝５６によって流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。また、図１４及び図１５に示すように、傾斜又は湾曲している複数の溝５６によれば、流体の流れに逆旋回成分を生成することによって、旋回成分を低減させることができる。
幾つかの実施形態では、複数の溝５６は、軸方向隙間４０ａと軸方向に対向する内側隔壁部２４の端壁に形成されている。
図１６は、空洞４０ｂを区画する内側隔壁部２４の壁であって、径方向内側に向いた壁を、圧損体４６としてのハニカムシールとともに展開して概略的に示す図である。図１７及び図１８は、幾つかの実施形態に係るタービンの図１６に相当する図である。
幾つかの実施形態では、図８及び図９に示すように、複数の溝５６が形成される静止部材の壁は軸方向に延び、図１６、図１７及び図１８にそれぞれ示すように、複数の溝５６の各々は、軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
上記構成では、軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている複数の溝５６によって流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。また、図１７及び図１８に示すように、傾斜又は湾曲している複数の溝５６によれば、流体の流れに逆旋回成分を生成することによって、旋回成分を低減させることができる。
幾つかの実施形態では、図５〜図１１に示すように、複数の壁５４は、空洞４０ｂ内に配置された複数のジャマ板５８の壁面によって形成されている。
上記構成では、空洞４０ｂ内に配置された複数のジャマ板５８によって、流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。
幾つかの実施形態では、上述した複数の溝５６の場合と同様に、複数のジャマ板５８の各々は、径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
上記構成では、径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている複数のジャマ板５８によって流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。また、傾斜又は湾曲している複数のジャマ板５８によれば、逆旋回成分を生成することによって、旋回成分を低減させることができる。
幾つかの実施形態では、上述した複数の溝５６の場合と同様に、複数のジャマ板５８の各々は、軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている。
上記構成では、径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている複数のジャマ板５８によって流体の流れに含まれる旋回成分が低減される。また、傾斜又は湾曲している複数のジャマ板５８によれば、逆旋回成分を生成することによって、旋回成分を低減させることができる。
幾つかの実施形態では、空洞４０ｂは、第２空間３０に開口する開口を有している。第２空間３０は、旋回成分付与装置３６によって旋回成分が付与された流体が流動可能な軸方向に延びる流路（主流路）である。図６、図７、図９及び図１０に示すように、空洞４０ｂの開口の幅が空洞４０ｂの幅よりも狭くなるように、静止部材としての内側隔壁部２４又は回転部材であるロータディスク１８は、径方向に延びる壁、及び、壁から軸方向に延び、空洞４０ｂの開口の幅を規定する突出部６０を有する。
上記構成では、突出部６０によって空洞４０ｂの開口の幅を調整することができ、第２空間３０から空洞４０ｂに流入する流体の流量を調整することができる。これにより、開口近傍における、第２空間３０から空洞４０ｂ内に流入した流体の流れと、空洞４０ｂ内の環流との混合状態を調整することができる。そして、混合状態を調整することで、流体の流れに含まれる旋回成分を低減させることができる。
幾つかの実施形態では、図１１に示すように、突出部６０の空洞４０ｂ側の面は、軸方向に対し傾斜した傾斜面６０ａによって構成されている。
上記構成では、傾斜面６０ａを設けたことにより、空洞４０ｂ内の環流と、第２空間３０から開口に流入した流体の流れとの混合状態を調整することができ、流体の流れに含まれる旋回成分を低減させることができる。
図１９は、図１０のＸＩＸ−ＸＩＸ線に沿う内側隔壁部２４の一部の概略的な断面を示している。幾つかの実施形態では、図１０及び図１１に示すように、突出部６０の先端側には、回転軸の周方向に配列された複数の凹部６０ｂが形成され、複数の凹部６０ｂにより開口の幅が周方向に変化している。
上記構成では、突出部６０の複数の凹部６０ｂにより開口幅を変化させることで、第２空間３０から空洞４０ｂへの流体の流入量を調整することができる。これにより、空洞４０ｂ内の環流と、第２空間３０から開口に流入した流体の流れとの混合状態を調整することができ、流体の流れに含まれる旋回成分を低減させることができる。
図２０は、図１２のＸＸ−ＸＸ線に沿う内側隔壁部２４の一部の概略的な断面を示している。図１２及び図２０に示したように、幾つかの実施形態では、静止部材としての内側隔壁部２４に設けられた少なくとも１つの旋回成分抑制流路６２を有する。旋回成分抑制流路６２は、リム隙間４０における圧損体４６よりも上流に、例えば空洞４０ｂに、流体の旋回成分を低減するための流体（旋回成分抑制流体）を供給可能に構成されている。
上記構成では、旋回成分抑制流路６２を通じて空洞４０ｂに供給された流体が、第２空間３０から空洞４０ｂへの流体の流入を阻止することで、又は、第２空間３０から空洞４０ｂへ流入した流体と混合されることで、軸方向隙間４０ａに流入する流体の流れに含まれる旋回成分を低減させることができる。
幾つかの実施形態では、旋回成分抑制流路６２は、静止部材としての内側隔壁部２４に取り付けられた複数のジャンパチューブ６４によって構成される。複数のジャンパチューブ６４は、周方向に相互に離間して配置され、ジャンパチューブ６４の出口は、軸方向にて軸方向隙間４０ａと対向する。
幾つかの実施形態では、旋回成分抑制流路６２は、第２空間３０から空洞４０ｂへ流入する流体の旋回成分とは逆方向の逆旋回成分をもった流体を空洞４０ｂに供給するように構成される。そのために例えば、旋回成分抑制流路６２の出口側、例えば複数のジャンパチューブ６４の出口側は、軸方向に対し傾斜して又は徐々に逸れるよう湾曲して配置される。
幾つかの実施形態では、旋回成分抑制流路６２は、第１空間２８と空洞４０ｂとの間を延びている。
幾つかの実施形態では、旋回成分抑制流路６２を有している場合、図２１に示したようシール装置４２は第２非接触型シール５０を有していなくてもよい。
幾つかの実施形態では、図３、図５〜図１２及び図２２に示すように、ロータディスク１８の筒部１８ｂの外周面には、第２非接触型シール５０と接触型シール５２の間に段差が設けられている。つまり、軸方向隙間４０ａを区画する回転部材の壁面に段差が設けられている。そして、接触型シール５２と接触する筒部１８ｂの部分の径方向位置は、第２の隙間Ｇ２の径方向位置とは異なっている。
上記構成では、回転部材の壁面に、第２非接触型シール５０と接触型シール５２の間にて段差が設けられ、接触型シール５２と接触する回転部材の部分の径方向位置が、第２の隙間Ｇ２の径方向位置と異なることで、第２非接触型シール５０と接触型シール５２の間にて渦を発生させることができる。これにより、流体の流れが静止部材である内側隔壁部２４と接触する距離が長くなり、静止部材との摩擦によって、流体の流れの旋回成分が低減される。この結果、接触型シール５２に衝突又は接触型シール５２を通過する流体の流れの旋回成分が低減され、接触型シール５２の信頼性が高くなる。
幾つかの実施形態では、図３、図５〜図１２、図２１及び図２２に示すように、流体の流れ方向にて接触型シール５２の上流側に、静止部材としての内側隔壁部２４から回転部材としてのロータディスク１８の筒部１８ｂに向かって突出するバンク６６が設けられている。バンク６６は、接触型シール５２の隣に位置している。バンク６６の上流側の面は、接触型シール５２の上流側での流路面積が流れ方向にて徐々に縮小するように、径方向に対し傾斜している。
上記構成では、流体の流れがバンク６６と接触することで、摩擦によって流体の流れの旋回成分が低減される。この結果、接触型シール５２に衝突又は接触型シール５２を通過する流体の流れの旋回成分が低減され、接触型シール５２の信頼性が高くなる。
幾つかの実施形態では、図３、図５〜図１２及び図２２に示すように、第２非接触型シール５０と接触型シール５２との間に位置して、内側隔壁部２４には環形状の凹部６８が形成されている。凹部６８は、軸方向隙間４０ａに向かって開口し、軸方向隙間４０ａの流路面積を、第２の隙間Ｇ２に比べ、回転部材の径方向に拡大している。
幾つかの実施形態では、図３、図５〜図１２及び図２２に示すように、流体の流れ方向にて下流側の凹部６８の壁面は、バンク６６によって構成されている。
幾つかの実施形態では、図２２及び図２３に示すように、凹部６８内には、凹部６８を周方向に区画する複数の隔壁７０が配置されている。隔壁７０は、内側隔壁部２４と一体に形成されている。
上記構成では、接触型シール５２の上流側に凹部６８を設け、凹部６８内に隔壁７０を設けることによって、旋回成分を含む流体の流れが凹部６８の壁面に対して接触する面積を増大させることができる。そして、凹部６８の壁面に対する接触面積の増大による抵抗の増大によって、流体の旋回成分をより減衰させることができる。
本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態において、静止部材としての内側隔壁部２４は複数の部材によって構成されていてもよい。また、回転部材としてのロータディスク１８も複数の部材によって構成されていてもよい。
そして、シール装置４２が適用される隙間は、リム隙間４０に限定されることはなく、タービン４に含まれる静止部材と回転部材との間の他の隙間であってもよい。
更に、シール装置４２が適用される回転機械は、ガスタービンに限定されることはなく、蒸気タービン、圧縮機、及び、発電機等であってもよい。
１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
６ 発電機
８ 車室
８ａ インナケーシング
８ｂ アウタケーシング
１０ ロータ
１２ 静翼
１２ａ 翼部
１２ｂ プラットフォーム
１２ｃ プラットフォーム
１４ 動翼
１４ａ 翼部
１４ｂ プラットフォーム
１４ｃ 翼根部
１６ 分割環
１８ ロータディスク
１８ａ ディスク本体
１８ｂ 筒部
１９ シャフト
２０ 外側隔壁部
２２ 燃焼ガス流路
２４ 内側隔壁部
２６ 圧縮空気供給路
２８ 第１空間
３０ 第２空間（主流路）
３２ 径方向孔
３４ 軸方向孔
３６ 旋回成分付与装置
４０ リム隙間
４０ａ 軸方向隙間
４０ｂ 空洞
４２ シール装置
４６ 圧損体
４８ 第１非接触型シール
５０ 第２非接触型シール
５２ 接触型シール
５２ａ 薄板
５４ 壁
５６ 溝
５８ ジャマ板
６０ 突出部
６０ａ 傾斜面
６０ｂ 凹部
６２ 旋回成分抑制流路
６４ ジャンパチューブ
６６ バンク
６８ 凹部
７０ 隔壁
Ｇ１ 第１の隙間
Ｇ２ 第２の隙間

Claims (10)

  1. 少なくとも１つの静止部材と、
    前記少なくとも１つの静止部材に対し相対回転可能に設けられた少なくとも１つの回転部材と、
    前記少なくとも１つの静止部材と前記少なくとも１つの回転部材との間の隙間における流体の流れを制限可能なシール装置と、
    前記流体に旋回成分を付与可能な旋回成分付与装置と、を備え、
    前記少なくとも１つの回転部材と前記少なくとも１つの静止部材との間の隙間は、前記回転部材の回転軸に沿って延びる軸方向隙間、及び、前記回転部材の回転軸の径方向に延び且つ前記流体の流れ方向にて前記軸方向隙間よりも上流に位置する空洞を含み、
    前記空洞は、前記旋回成分付与装置によって旋回成分が付与された前記流体が流動可能な前記回転軸の軸方向に延びる主流路に開口する開口を有し、
    前記開口の幅が前記空洞の幅よりも狭くなるように、前記少なくとも１つの静止部材及び前記少なくとも１つの回転部材のうち一方は、前記回転軸の径方向に延びる壁、及び、前記壁から前記回転軸の軸方向に延び、前記開口の幅を規定する突出部を有する
    ことを特徴とする回転機械。
  2. 前記少なくとも１つの回転部材と前記少なくとも１つの前記静止部材との間の隙間は、前記回転部材の回転軸に沿って延びる軸方向隙間と、前記回転部材の回転軸の径方向に延び且つ前記流体の流れ方向にて前記軸方向隙間よりも上流に位置する空洞を含み、
    前記シール装置は、
    前記回転軸の周方向に配列された状態で前記空洞内に配置された複数の壁であって、それぞれ前記回転軸の周方向と交差する複数の壁を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
  3. 前記複数の壁は、前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁に形成された複数の溝の壁面によって形成されている
    ことを特徴とする請求項２に記載の回転機械。
  4. 前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁は前記回転軸の径方向に延び、
    前記複数の溝の各々は、前記回転軸の径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている
    ことを特徴とする請求項３に記載の回転機械。
  5. 前記空洞を区画する前記少なくとも１つの静止部材の壁は前記回転軸の軸方向に延び、
    前記複数の溝の各々は、前記回転軸の軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている
    ことを特徴とする請求項３に記載の回転機械。
  6. 前記複数の壁は、前記空洞内に配置された複数のジャマ板の壁面によって形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転機械。
  7. 前記複数のジャマ板の各々は、前記回転軸の径方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている
    ことを特徴とする請求項６に記載の回転機械。
  8. 前記複数のジャマ板の各々は、前記回転軸の軸方向に対し平行、傾斜又は徐々に逸れるように湾曲しながら延びている
    ことを特徴とする請求項６に記載の回転機械。
  9. 前記突出部の前記空洞側の面は、前記回転軸の軸方向に対し傾斜している
    ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の回転機械。
  10. 前記突出部の先端側には、前記回転軸の周方向に配列された複数の凹部が形成され、前記複数の凹部により前記開口の幅が前記回転軸の周方向に変化している
    ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の回転機械。
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