JP7445495B2 - ラビリンスシール及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、ラビリンスシール及びガスタービンに関する。

ガスタービンなどの回転機械では、回転体と静止体の間を気体が通過して漏れ出さないように、回転体と静止体の間にラビリンスシールが設けられる場合がある。ラビリンスシールは、回転体側の部材及び静止体側の部材のうちの一方に設けられて他方に向かって延びるシールフィンを備えるものがある（特許文献１参照）。シールフィンを用いることで、回転体側の部材と静止体側の部材との間の隙間（以下、「対向隙間」と称する）を小さくできる結果、気体の漏れ量を抑制することができる。

特開２０１９－４９３４６号公報

しかしながら、シールフィンを備えるラビリンスシールでは、回転体が回転することによって、シールフィンの先端は対向する面に接触し摩耗する。その結果、対向隙間は徐々に拡大してゆき、シールフィンによる気体の漏れ量を抑制する効果が次第に低下してゆく。すなわち、シールフィンを用いて対向間隔を小さくすることによる漏れ量の抑制には限界がある。

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、出口部分で気体の漏れ量を効果的に抑制できるラビリンスシール及びガスタービンを提供することを目的としている。

本発明の一態様に係るラビリンスシールは、第１部材と、前記第１部材に対向する第２部材と、を備え、前記第１部材は、軸方向に間隔をおいて配置され、前記第２部材に向かって延びる複数のシールフィンと、最も下流側のシールフィンよりも下流側に位置し、前記第２部材に向かって延び、最も下流側のシールフィンの先端よりも半径方向において前記第２部材側に先端が位置する下流壁面と、前記下流壁面の先端から軸方向下流側に向かって延びる第１出口面と、を有し、前記第２部材は、前記第１出口面に対向し、前記第１出口面との間に半径方向の隙間が形成される第２出口面と、前記第２出口面よりも軸方向上流側で前記第２出口面に隣接し、前記第１部材とは反対側の方向に向かって窪んだキャビティ面と、を有する。

この構成によれば、最も下流側のシールフィンを通過した気体は、下流壁面に衝突した後、下流壁面に沿って流れ、さらにキャビティ面に沿って流れる。これにより、最も下流側のシールフィン、下流壁面、及び、キャビティ面で囲まれた下流空間に渦が発生する。その結果、下流空間の出口にあたる第１下流面と第２下流面との間の隙間寸法が多少大きくとも、第１下流面と第２下流面との隙間から気体が流れ出るのを抑制することができる。したがって、上記のラビリンスシールによれば、出口部分で気体の漏れ量を効果的に抑制することができる。

本発明の一態様に係るガスタービンは、上記のラビリンスシールを備えている。

本発明によれば、出口部分で気体の漏れ量を効果的に抑制できるラビリンスシール及びガスタービンを提供することができる。

図１は、第１実施形態に係るラビリンスシールの断面図である。 図２は、第２実施形態に係るラビリンスシールの断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について説明する。はじめに、第１実施形態に係るラビリンスシール１００について説明する。

図１は、第１実施形態に係るラビリンスシール１００の断面図である。ラビリンスシール１００は、ガスタービンなどの回転機械に設けられる。より具体的には、ラビリンスシール１００は、ケーシングなどの静止体とシャフトなどの回転体との間に設けられる。したがって、ラビリンスシール１００は環状に形成されている。

図１の紙面左右方向がラビリンスシール１００の軸方向であり、紙面上下方向がラビリンスシール１００の半径方向である。また、紙面上方がラビリンスシール１００の半径方向外方であり、紙面下方がラビリンスシール１００の半径方向内方である。さらに、図１において、紙面左側が高圧側であり、紙面右側が低圧側である。すなわち、気体は紙面左側から紙面右側に向かって流れようとし、紙面左側が気体の上流側となり、紙面右側が気体の下流側となる。

図１に示すように、本実施形態に係るラビリンスシール１００は、第１部材１０と、第２部材２０と、を備えている。本実施形態では、第１部材１０は回転体の外周部分に設けられており、第２部材２０は静止体の内周部分に設けられている。以下、第１部材１０及び第２部材２０について順に説明する。

＜第１部材＞
第１部材１０は、前述のとおり回転体の外周部分に設けられており、円筒状の形状を有している。第１部材１０は、入口面１１と、傾斜面１２と、下流壁面１３と、第１出口面１４と、複数のシールフィン１５とを有している。

入口面１１は、第１部材１０の最も上流側に位置する部分であって、最も上流側のシールフィン１５よりもさらに上流側に位置している。本実施形態の入口面１１は、軸方向に対して平行に延びている。つまり、入口面１１は、軸方向において半径方向位置が一定となるように形成されている。

傾斜面１２は、入口面１１よりも下流側で入口面１１と隣接する部分である。本実施形態では、傾斜面１２は下流側の部分が上流側の部分よりも半径方向外方側に位置するように傾斜している。なお、本実施形態の傾斜面１２は断面視において一直線状に傾斜しているが、階段状に傾斜していてもよい。また、傾斜面１２は断面視において曲線形状であってもよく、直線形状と組み合わせた形状であってもよい。

下流壁面１３は、傾斜面１２よりも下流側で傾斜面１２と隣接する部分である。本実施形態の下流壁面１３は、傾斜面１２から続く基端部分が湾曲しており、先端部分は第２部材２０に向かって延びている。また、下流壁面１３の先端は、最も下流側のシールフィン１５の先端よりも半径方向において第２部材２０側（本実施形態では半径方向外方側）に位置している。さらに、下流壁面１３と最も下流側のシールフィン１５との間の軸方向距離は、隣り合うシールフィン１５の間の軸方向距離に等しい。

第１出口面１４は、下流壁面１３よりも下流側で下流壁面１３と隣接する部分である。第１出口面１４は、第１部材１０の最も下流側に位置している。本実施形態の第１出口面１４は、軸方向において半径方向位置が一定となるように形成されている。つまり、第１出口面１４は、下流壁面１３の先端から軸方向下流側に向かって延びている。ただし、第１出口面１４は、軸方向において半径方向位置が一定でなくてもよい。また、本実施形態では、下流壁面１３と第１出口面１４とがなす角は９０°よりも小さい。

シールフィン１５は、第１部材１０から第２部材２０に向かって延び、第２部材２０との間には半径方向の隙間が形成されている。各シールフィン１５は、傾斜面１２に設けられており、軸方向に等間隔に配置されている。シールフィン１５は半径方向に延びていてもよく、半径方向に対して傾斜する方向に延びていてもよい。

シールフィン１５の先端は断面視において鋭角に形成されているが、シールフィン１５の先端の形状はこれに限定されない。また、本実施形態の各シールフィン１５は、互いに同じ形状で、かつ、同じ大きさに形成されている。ただし、シールフィン１５の形状及び大きさは特に限定されない。さらに、本実施形態の第１部材１０は４つのシールフィン１５を有しているが、第１部材１０が有するシールフィン１５の数は特に限定されない。

なお、シールフィン１５と第２部材２０との間の半径方向における隙間寸法に比べて、第１出口面１４と第２部材２０（第２出口面２２）との間の半径方向における隙間寸法は大きい。

＜第２部材＞
第２部材２０は、第１部材１０と対向する部材である。第２部材２０は、静止体の内周部分に設けられており、円筒状の形状を有している。第２部材２０は、複数のステップ面２１と、第２出口面２２と、キャビティ面２３と、を有している。

ステップ面２１は、前述したシールフィン１５に対応して配置されている。そのため、各ステップ面２１は、各シールフィン１５に対向している。各ステップ面２１は、シールフィン１５との間に半径方向の隙間が形成されている。また、本実施形態の第２部材２０は、シールフィン１５と同じ数である４つのステップ面２１を有している。ただし、第２部材２０が有するステップ面２１の数は特に限定されない。

また、各ステップ面２１は、軸方向に対して平行に延びている。つまり、各ステップ面２１は、軸方向において半径方向位置が一定となるように形成されている。さらに、各ステップ面２１は、配置されている位置が下流側であるほど半径方向外方側に位置している。したがって、複数のステップ面２１全体としては、下流側に向かうにしたがって半径方向外方側に位置するように傾斜している。

第２出口面２２は、第２部材２０の最も下流側に位置している。第２出口面２２は、第１出口面１４と対向している。また、第１出口面１４と第２出口面２２との間には隙間が形成されている。ただし、前述のとおり、シールフィン１５と第２部材２０との間の半径方向における隙間寸法に比べて、第１出口面１４と第２出口面２２との間の半径方向における隙間寸法は大きい。

本実施形態の第２出口面２２は、軸方向において半径方向位置が一定となるように形成されている。そのため、第１部材１０と第２部材２０の軸方向における相対位置が多少ずれたとしても、第１出口面１４と第２出口面２２との間の半径方向の隙間寸法は変動せずに一定のまま維持される。

キャビティ面２３は、最も下流側のステップ面２１に接続されている。また、キャビティ面２３は、第２出口面２２よりも上流側で第２出口面２２に隣接している。つまり、キャビティ面２３は、最も下流側のステップ面２１と第２出口面２２の間に位置している。キャビティ面２３は、第１部材１０とは反対側の方向（本実施形態では半径方向外方）に向かって窪んでいる。つまり、キャビティ面２３の底部分は、第１部材１０から見て第２出口面２２よりも遠くに位置している。

本実施形態のキャビティ面２３は断面視において湾曲しているが、断面視において直線の辺をつなげたような形状など、他の形状を有していてもよい。また、最も下流側のステップ面２１の下流側端部からキャビティ面２３の底部分までの半径方向距離は、最も下流側のシールフィン１５の半径方向寸法よりも大きい。さらに、第２出口面２２とキャビティ面２３との境界は、下流壁面１３と第１出口面１４との境界よりも軸方向下流側に位置している。

なお、第２部材２０は、各シールフィン１５をそれぞれ基準としたとき、そのシールフィン１５よりも下流側に位置する第２部材２０の部分が、そのシールフィン１５と軸方向視において重複しないように形成されている。例えば、最も上流側のシールフィン１５を基準としたとき、最も上流側のシールフィン１５よりも下流側に位置する第２部材２０の部分は、最も上流側に位置するシールフィン１５よりも半径方向外方側に位置しており、軸方向視において最も上流側のシールフィン１５とその下流側に位置する第２部材２０の部分は重複していない。そのため、第１部材１０を構成する部分と第２部材２０を構成する部分を接触させることなく、軸方向に回転体を静止体に挿入して両者を組み付けることができる。

＜気体の流れ＞
次に、第１部材１０と第２部材２０の間を通過しようとする気体の流れについて説明する。ここで、最も下流側のシールフィン１５、下流壁面１３、及び、キャビティ面２３で囲まれた空間３０を「下流空間」と呼ぶとする。そうすると、下流空間３０の入口である下流側のシールフィン１５と第２部材２０の間の隙間を通過した空気は軸方向に沿って流れた後、下流壁面１３に衝突する。その後、気体は、半径方向外方に向かう流れと、半径方向内方に向かう流れに分かれる。

半径方向下方に向かって流れた気体は、最も下流側のシールフィン１５の先端よりも半径方向内方側の領域で第１渦V1を形成する。一方、半径方向上方に向かって流れた気体は、下流壁面１３に沿って流れた後、下流空間３０の出口である第１出口面１４と第２出口面２２の間を越えて、キャビティ面２３に沿って流れる。これにより、気体は、最も下流側のシールフィン１５の先端よりも半径方向外方側の領域で大きな第２渦V２を形成する。その結果、下流空間３０の出口を通過する空気の流れ（図１の破線の矢印）が抑制され、ラビリンスシール１００の出口部分で気体の漏れ量を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態では、第２出口面２２とキャビティ面２３との境界は、下流壁面１３と第１出口面１４との境界よりも軸方向下流側に位置している。さらに、下流壁面１３と第１出口面１４とがなす角は９０°よりも小さい。そのため、下流壁面１３に沿って、半径方向外方に向かって流れた気体は、第１出口面１４から剥離しやすくなる。その結果、下流空間３０の出口における流路面積は実質的に小さくなり、下流空間３０の出口を通過する空気の流れが一層抑制される。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係るラビリンスシール２００について説明する。図２は、第２実施形態に係るラビリンスシール２００の断面図であり、第１実施形態の図１に相当する。なお、図２に示す構成要素のうち、図１に示す構成要素と同じ又は対応するものには同じ符号を付し、既に説明した構成要素については説明を省略する。

第１実施形態に係るラビリンスシール１００は、第１部材１０が回転体の外周部分に設けられ、第２部材２０が静止体の内周部分に設けられていたのに対し、第２実施形態に係るラビリンスシール２００は、第１部材１０が静止体の内周部分に設けられており、第２部材２０が回転体の外周部分に設けられている点で、両者は相違する。

本実施形態に係るラビリンスシール２００では、第１実施形態の場合とは異なり、傾斜面１２は下流側の部分が上流側の部分よりも半径方向下方側に位置するように傾斜している。また、複数のステップ面２１は、全体として下流側に向かうにしたがって半径方向外方側に位置するように傾斜している。

ただし、本実施形態においても、第１部材１０は下流壁面１３を有し、第２部材２０はキャビティ面２３を有している。そのため、気体は、下流空間３０において、最も下流側のシールフィン１５の先端よりも半径方向内方側の領域で大きな第２渦V２を形成する。その結果、下流空間３０の出口を通過する空気の流れ（図２の破線の矢印）が抑制され、ラビリンスシール１００の出口部分で気体の漏れ量を効果的に抑制することができる。

（作用効果）
以上、第１実施形態及び第２実施形態に係るラビリンスシールについて説明した。上記のとおり、実施形態に係るラビリンスシールは、第１部材と、前記第１部材に対向する第２部材と、を備え、前記第１部材は、軸方向に間隔をおいて配置され、前記第２部材に向かって延びる複数のシールフィンと、最も下流側のシールフィンよりも下流側に位置し、前記第２部材に向かって延び、最も下流側のシールフィンの先端よりも半径方向において第２部材側に先端が位置する下流壁面と、前記下流壁面の先端から軸方向下流側に向かって延びる第１出口面と、を有し、前記第２部材は、前記第１出口面に対向し、前記第１出口面との間に半径方向の隙間が形成される第２出口面と、前記第２出口面よりも軸方向上流側で前記第２出口面に隣接し、前記第１部材とは反対側の方向に向かって窪んだキャビティ面と、を有する。

この構成によれば、最も下流側のシールフィンを通過した気体は、下流壁面に衝突した後、下流壁面に沿って流れ、さらにキャビティ面に沿って流れる。これにより、最も下流側のシールフィン、下流壁面、及び、キャビティ面で囲まれた下流空間に渦が発生する。その結果、下流空間の出口にあたる第１下流面と第２下流面との間の隙間寸法が多少大きくとも、第１下流面と第２下流面との隙間から気体が流れ出るのを抑制することができる。したがって、上記のラビリンスシールによれば、出口部分で気体の漏れ量を効果的に抑制することができる。

また、実施形態に係るラビリンスシールでは、前記キャビティ面は断面視において湾曲している。

この構成によれば、キャビティ面に沿って気体が滑らかに流れるため、上記の下流空間においてより強い渦を発生することができ、ひいてはラビリンスシールの出口部分で気体の漏れ量をより効果的に抑制することができる。

また、実施形態に係るラビリンスシールでは、前記第２出口面と前記キャビティ面との境界は、前記下流壁面と前記第１出口面との境界よりも軸方向下流側に位置している。

この構成によれば、下流壁面に沿って、半径方向外方に向かって流れた気体は、第１出口面から剥離しやすくなる。その結果、下流空間の出口を通過する空気の流れを一層抑制することができ、ラビリンスシールの出口部分で気体の漏れ量をより効果的に抑制することができる。

また、実施形態に係るラビリンスシールでは、前記下流壁面と前記第１出口面とがなす角は９０°よりも小さい。

この構成の場合も、下流壁面に沿って、半径方向外方に向かって流れた気体は、第１出口面から剥離しやすくなる。その結果、下流空間の出口を通過する空気の流れを一層抑制することができ、ラビリンスシールの出口部分で気体の漏れ量をより効果的に抑制することができる。

また、実施形態に係るラビリンスシールでは、前記第２部材は、各シールフィンに対向する面を有し、最も下流側のシールフィンに対向する第２部材の面の下流側端部から前記キャビティ面の底部分までの半径方向距離は、最も下流側のシールフィンの半径方向寸法よりも大きい。

この構成によれば、気体の流れがキャビティ面によって大きく偏向されるため、下流空間においてより強い渦を発生することができ、ひいてはラビリンスシールの出口部分で気体の漏れ量をより効果的に抑制することができる。

また、実施形態に係るガスタービンは、上述したラビリンスシールを備えている。

１０ 第１部材
１３ 下流壁面
１４ 第１出口面
１５ シールフィン
２０ 第２部材
２２ 第２出口面
２３ キャビティ面
１００、２００ ラビリンスシール

Claims (6)

1. 第１部材と、
   前記第１部材に対向する第２部材と、を備え、
   前記第１部材は、
   軸方向に間隔をおいて配置され、前記第２部材に向かって延びる複数のシールフィンと、
   最も下流側のシールフィンよりも下流側に位置し、前記第２部材に向かって延び、最も下流側のシールフィンの先端よりも半径方向において前記第２部材側に先端が位置する下流壁面と、
   前記下流壁面の先端から軸方向下流側に向かって延びる第１出口面と、を有し、
   前記第２部材は、
   前記第１出口面に対向し、前記第１出口面との間に半径方向の隙間が形成される第２出口面と、
   前記第２出口面よりも軸方向上流側で前記第２出口面に隣接し、前記第１部材とは反対側の方向に向かって窪んだキャビティ面と、を有する、ラビリンスシール。
2. 前記キャビティ面は断面視において湾曲している、請求項１に記載のラビリンスシール。
3. 前記第２出口面と前記キャビティ面との境界は、前記下流壁面と前記第１出口面との境界よりも軸方向下流側に位置している、請求項１又は２に記載のラビリンスシール。
4. 前記下流壁面と前記第１出口面とがなす角は９０°よりも小さい、請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載のラビリンスシール。
5. 前記第２部材は、各シールフィンに対向する面を有し、
   最も下流側のシールフィンに対向する第２部材の面の下流側端部から前記キャビティ面の底部分までの半径方向距離は、最も下流側のシールフィンの半径方向寸法よりも大きい、請求項１乃至４のうちいずれか一の項に記載のラビリンスシール。
6. 請求項１乃至５のうちいずれか一の項に記載のラビリンスシールを備えたガスタービン。
   

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