JP7519201B2 - 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、回転体と静止体の隙間にシールフィンなどの障害物を設けて気体の流れをせき止めることに加え、内部に気体の渦が発生する構造とするのが有効である。渦を発生させることで、気体が軸方向に一層流れにくくなり、気体の漏れ量を抑制することができる。

下記の特許文献１に記載のラビリンスシールでは、第１部材（回転体又は静止体）に複数のシールフィンが設けられており、第１部材に対向する第２部材（回転体又は静止体）に小さな突起が複数設けられている。これらの突起は、軸方向において隣り合うシールフィンの間にそれぞれ配置されている。つまり、シールフィンと突起は互い違いに配置されている。ラビリンスシールをこのように構成することで、シールフィンをすり抜けた気体が突起に衝突して渦が発生し、漏れ量を抑制することができる。

特開２０１９－４９３４６号公報

ここで、特許文献１の第１部材に第２部材（一方が回転体で他方が静止体）を組付ける場合、例えば軸方向から第２部材を第１部材に挿入できれば、組付けを容易に行うことができる（特許文献１の図４の場合）。ただし、軸方向から第２部材を第１部材に挿入できるようにするには、挿入時にシールフィンと突起が接触しないようにラビリンスシールを構成する必要がある。つまり、シールフィンの高さを低くするか、突起の高さを低くする必要がある。

ところが、シールフィンの高さを低くすると気体がシールフィンをすり抜けて下流側に流れやすくなる一方、突起の高さを低くすると強い渦を発生させることができなくなる。つまり、どちらを選択しても問題は残る。このように、軸方向から回転体を静止体に挿入する組付けに対応可能なラビリンスシールでは、その形状が制限されてしまうため、気体の漏れ量を効果的に抑制することは容易ではなかった。

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、軸方向から回転体を静止体に挿入する組付けに対応可能であって、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、軸方向に間隔をおいて配置された複数のシールフィンを有する第１部材と、前記第１部材に対向し、各シールフィンとの間に半径方向の隙間が形成された第２部材と、を備え、前記第２部材は、各シールフィンをそれぞれ基準としたとき、当該シールフィンの下流側に位置する前記第２部材の部分が、軸方向視において当該シールフィンと重複しないように形成されており、前記第２部材は、最も上流側のシールフィンよりも上流側に位置し、前記第１部材との間に半径方向の隙間が形成される入口壁を有している。

この構成によれば、例えば、回転体に第１部材を設け、静止体に第２部材を設けた場合、組付け時において回転体を上流側に向かって静止体に挿入すれば、第１部材を構成する部分と第２部材を構成する部分が接触することはない。また、入口壁と第１部材との間の隙間を通過した気体は、最も上流側のシールフィンに衝突した後に当該シールフィンに沿って流れる。これにより、入口壁と最も上流側のシールフィンの間の空間に気体の大きな渦が発生し、軸方向への流れが抑制される。しかも、入口壁と第１部材との間の隙間を不要に大きくすることなく組み付けることができる。よって、上記のラビリンスシールは、軸方向から回転体を静止体に挿入する組付けに対応可能であって、気体の漏れ量を効果的に抑制することができる。

また、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、軸方向から回転体を静止体に挿入する組付けに対応可能であって、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、出口面１３と、複数のシールフィン１４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１４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よりも後流側で入口面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に形成されていてもよく、直線と曲線を組み合わせた形状に形成されていてもよい。

出口面１３は、傾斜面１２よりも後流側で傾斜面１２と隣接する部分である。出口面１３は、第１部材１０の最も後流側に位置しており、最も下流側のシールフィン１４よりもさらに下流側に位置している。本実施形態の出口面１３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。ただし、出口面１３は、軸方向において半径方向位置が一定でなくてもよい。

シールフィン１４は、第１部材１０から第２部材２０に向かって延びる部分である。シールフィン１４と第２部材２０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１４は、傾斜面１２に設けられている。シールフィン１４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。各シールフィン１４は、軸方向に間隔をおいて配置されている。本実施形態では、各シールフィン１４は軸方向に等間隔に配置されている。

シールフィン１４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１４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１４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１４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１４を有しているが、第１部材１０が有するシールフィン１４の数は特に限定されない。

＜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、入口壁２２と、を有している。

ステップ面２１は、前述したシールフィン１４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１４に対向している。各ステップ面２１は、シールフィン１４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１４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。

入口壁２２は、最も上流側のステップ面２１に設けられており、最も上流側のシールフィン１４よりもさらに上流側に位置している。本実施形態では、入口壁２２は第１部材１０の入口面１１に対向する位置に配置されている。また、入口壁２２は、第１部材１０（入口面１１）との間に半径方向の隙間が形成されている。

なお、前述のとおり、入口面１１は軸方向において半径方向位置が一定である。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、入口壁２２と入口面１１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。

また、入口壁２２と第１部材１０（入口面１１）との間の半径方向の隙間寸法は、シールフィン１４と第２部材２０（ステップ面２１）との間の半径方向の隙間寸法よりも大きい。ただし、入口壁２２の半径方向寸法は、入口壁２２よりも下流側で入口壁２２と隣接する領域における第１部材１０（入口面１１）と第２部材２０（最も上流側のステップ面２１）との間の半径方向距離の３分の２以上である。入口壁２２をこのように構成するのは、後述する気体の流れに起因している。

ここで、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。まず、入口壁２２と最も上流側のシールフィン１４との間の空間３０を「第１空間」と呼ぶとすると、第１空間３０の気体の入口は、入口壁２２と第１部材１０の間の半径方向の隙間であり、第１空間３０の半径方向内方側に位置している。一方、第１空間３０の気体の出口は、最も上流側のシールフィン１４と第２部材２０の間の半径方向の隙間であり、第１空間３０の半径方向外方側に位置している。

このように、第１空間３０における気体の入口と出口は第１空間３０の中央を挟んで反対側に位置しており、出口は入口から最も遠くに位置している。そして、図１に示すように、第１空間３０の入口である入口壁２２と第１部材１０の間を通過した気体は軸方向に沿って流れた後、シールフィン１４に衝突する。その後、気体はシールフィン１４に沿って流れ、第１空間３０内に大きな渦が発生する。この渦が気体の主流となって、第１空間３０の出口を通過する気体の流れ（図２の破線の矢印）を抑制することができる。

気体の流れは以上のとおりであり、前述のように入口壁２２の半径方向寸法は、入口面１１と最も上流側のステップ面２１との間の半径方向距離の３分の２以上である。このように構成することにより、入口壁２２と第１部材１０の間を通過する気体を軸方向に指向させ、ひいては第１空間３０で渦を発生させることができる。

また、入口壁２２は、最も上流側のシールフィン１４と軸方向に所定の間隔をあけて配置されている。本実施形態では、入口壁２２と最も上流側のシールフィン１４との間の軸方向距離は、隣り合うシールフィン１４の間の軸方向距離に等しい。このように構成することにより、後述するように入口壁２２と最も上流側のシールフィン１４との間に気体の渦を効率よく発生させることができる。ただし、入口壁２２と最も上流側のシールフィン１４との間の軸方向距離は、隣り合うシールフィン１４の間の軸方向距離と異なっていてもよい。

また、第２部材２０は、各シールフィン１４をそれぞれ基準としたとき、そのシールフィン１４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１４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１４を基準としたとき、最も上流側のシールフィン１４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１４よりも半径方向外方側に位置している。そのため、軸方向視において、最も上流側のシールフィン１４よりも下流側に位置する第２部材２０の部分は、最も上流側のシールフィン１４と重複しない。この点は、いずれのシールフィン１４を基準としても同じである。

本実施形態の第２部材２０は、このように構成されているため、軸方向に静止体に回転体を挿入することで両者を組み付ける場合、ここでは第１部材１０を上流側に向かって第２部材２０に挿入する場合（図１中の白抜き矢印参照）、第１部材１０を構成する部分と第２部材２０を構成する部分が接触することはない。したがって、本実施形態に係るラビリンスシール１００は、軸方向から回転体を静止体に挿入する組付けに対応可能である。

（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２部材２０が有する入口壁２２は、最も上流側のシールフィン１４よりもさらに上流側に位置し、第１部材１０との間に半径方向の隙間が形成されている。そのため、第１空間３０内に大きな気体の渦が発生し、第１空間３０から気体が流れ出るのを抑制することができる。

また、本実施形態においても、第２部材２０は、各シールフィン１４をそれぞれ基準としたとき、当該シールフィン１４よりも下流側に位置する第２部材２０の部分が、軸方向視において当該シールフィン１４と重複しないように形成されている。そのため、軸方向に静止体に回転体を挿入することで両者を組み付ける場合、ここでは第２部材２０を下流側に向かって第１部材１０に挿入する場合（図２中の白抜き矢印参照）、第１部材１０を構成する部分と第２部材２０を構成する部分が接触することはない。

（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、軸方向に間隔をおいて配置された複数のシールフィンを有する第１部材と、前記第１部材に対向し、各シールフィンとの間に半径方向の隙間が形成された第２部材と、を備え、前記第２部材は、各シールフィンをそれぞれ基準としたとき、当該シールフィンよりも下流側に位置する前記第２部材の部分が、軸方向視において当該シールフィンと重複しないように形成されており、前記第２部材は、最も上流側のシールフィンよりも上流側に位置し、前記第１部材との間に半径方向の隙間が形成される入口壁を有している。

この構成によれば、例えば、回転体に第１部材を設け、静止体に第２部材を設けた場合、組付け時において回転体を上流側に向かって静止体に挿入すれば、第１部材を構成する部分と第２部材を構成する部分が接触することはない。また、入口壁と第１部材との間の隙間を通過した気体は、最も上流側のシールフィンに衝突した後に当該シールフィンに沿って流れる。これにより、入口壁と最も上流側のシールフィンの間の空間に気体の大きな渦が発生し、軸方向への流れが抑制される。しかも、入口壁と第１部材との間の隙間も不要に大きくする必要もない。よって、実施形態に係るラビリンスシールは、軸方向から回転体を静止体に挿入する組付けに対応可能であって、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、前記第１部材は、前記入口壁に対向する部分に入口面を有し、前記入口面は、半径方向位置が一定となるように形成されている。

この構成によれば、第１部材と第２部材の軸方向における相対位置が多少ずれても、入口壁と入口面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、前記入口壁と前記入口面との間の半径方向の隙間寸法は、前記各シールフィンと前記第２部材との間の半径方向の隙間寸法よりも大きい。

この構成によれば、運転時における入口壁及び入口面の摩耗が大幅に低減されるため、性能の低下を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、前記入口壁の半径方向寸法は、前記入口壁よりも下流側で前記入口壁と隣接する領域における前記第１部材と前記第２部材との間の半径方向距離の３分の２以上である。

この構成によれば、入口壁と最も上流側のシールフィンとの間に気体の渦を効率よく発生させることができる。

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
１１ 入口面
１２ 傾斜面
１４ シールフィン
２０ 第２部材
２１ ステップ面
２２ 入口壁
１００、２００ ラビリンスシール

Claims (4)

1. 軸方向に間隔をおいて配置された複数のシールフィンを有する第１部材と、
   前記第１部材に対向し、各シールフィンとの間に半径方向の隙間が形成された第２部材と、を備え、
   前記第２部材は、各シールフィンをそれぞれ基準としたとき、当該シールフィンよりも下流側に位置する前記第２部材の部分が、軸方向視において当該シールフィンと重複しないように形成されており、
   前記第２部材は、最も上流側のシールフィンよりも上流側に位置し、前記第１部材との間に半径方向の隙間が形成される入口壁を有しており、
   前記入口壁の半径方向寸法は、前記入口壁よりも下流側で前記入口壁と隣接する領域における前記第１部材と前記第２部材との間の半径方向距離の３分の２以上である、ラビリンスシール。
2. 前記第１部材は、前記入口壁に対向する部分に入口面を有し、
   前記入口面は、半径方向位置が一定となるように形成されている、請求項１に記載のラビリンスシール。
3. 前記入口壁と前記入口面との間の半径方向の隙間寸法は、前記各シールフィンと前記第２部材との間の半径方向の隙間寸法よりも大きい、請求項２に記載のラビリンスシール。
4. 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を備えたガスタービン。

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