JPH04272405A - 軸流タービンの軸封装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は軸流タービンの軸封装置
に係り、特に軸封装置を軸方向に移動させる駆動手段を
備えた軸流タービンの軸封装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にガスタービンや蒸気タービン等の
高温媒体を使用するターボ機械の軸封装置には図１に示
したように複数歯数のラビリンスパッキンを車軸と対向
するようにパッキンセグメントに配設し、パッキンセグ
メントと車軸との間に微小間隙を形成した非接触式軸封
装置が使用されている。これは接触式軸封装置に使用さ
れるカーボンパッキン等の材料の使用限界が通常２５０
℃から３００℃であるのに対して、非接触式軸封装置の
ラビリンスパッキンの材料である洋白またはクローム合
金鋼は最高６００℃近くまで耐えられるからである。と
ころで、これらの非接触式軸封装置はその軸封性能がパ
ッキンの歯数、歯形状及び車軸との間隙によって大きく
左右され、一般にラビリンスパッキン形式の軸封装置の
漏洩量は次のマーチンの式（式１）で表わされる。

【０００３】

【数１】 ここで、Ｇは漏洩量、Ｋは定数、ｋはパッキン形状によ
る流量係数、Ｐ１　は入口圧力、Ｖ１　は入口比容積、
δｅ　は等価間隙、Ｄはパッキン内径、δａ　は軸方向
間隙、δｒ　は半径方向間隙、Ｚｎ　はパッキン歯数、
Ｐ２　は出力圧力を示す。

【０００４】また、一般にパッキンの歯数、歯形状はタ
ーボ機械の設計構造によって決定されるもので、経時的
に変化はしない。一方、車軸との間隙には半径方向間隙
と軸方向間隙があり、いずれも回転部と静止部の相対す
る部品の加工寸法及び据え付け位置によって決定される
が、ターボ機械の軸振動や熱膨張を考慮して所定の間隙
値に設定される。また、この設定間隙は以下の原因によ
り経時的に増大することが知られている。 （１）侵食 （２）腐食 （３）軸振動による接触摩耗 （４）温度変化による接触摩耗 このうち（１）及び（２）は比較的長期間にわたる変化
であるため定期的な点検により致命的な状態を回避でき
るのに対して（３）及び（４）は運転中の瞬間的な間隙
変化であるためその発生を未然に防止するために常時、
運転監視が必要である。

【０００５】このため、一般的なターボ機械では振動監
視装置が備えられており、これにより車軸等の回転体の
アンバランスに起因したラビングが発生するのを未然に
防止することができる。しかし、起動時を含めた運転過
渡期では、ターボ機械の温度分布が非定常状態を示すの
で、車室と車軸各部の温度が経時的に変化し、軸封装置
部分の熱膨張量が定常状態を基準に考慮された設計状態
と相違し、その差が著しい場合には設計裕度を逸脱して
ラビングが発生するという問題がある。従来、この熱膨
張の監視計器として車室の伸び計及び車室と車軸間の伸
び差計が設置されることがあるが、軸流ターボ機械では
計測点が軸受部または軸端部のように限られており、タ
ーボ機械内部のすべての部分の軸方向間隙の裕度を精度
良く監視することが困難であった。そこで、この問題を
解決する手段として、半径方向間隙については従来より
特開昭６２−２４８８０４号公報等に示された間隙調整
装置が提案されている。この間隙調整装置はパッキンセ
グメントを半径方向に移動させる構造であるため隔板の
軸封装置のように、軸受け部より遠く離れていて軸の振
れ回りや車室の変形が大きくなるため運転中の半径間隙
の増減が著しい部位には有効である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
グランドパッキン軸封装置は軸受部に近く配置されてい
るので、その半径方向の間隙変化は比較的小さいが、軸
封装置の前後差圧が大きいので限られた軸方向スペース
の中で多数のシールフィンを設置して高い軸封機能を確
保する必要がある。このため軸方向の間隙に対する設計
余裕が相対的に小さくなり、特に運転中において半径方
向移動より軸方向移動に注意しないとラビングが生じ、
シールフィンが摩耗し、軸封性能が低下するという問題
がある。

【０００７】そこで、本発明の目的は上述した従来の技
術が有する問題点を解消し、ラビリンスパッキンの軸方
向間隙をターボ機械の熱膨張の過渡状態にあわせて変化
させ、常に所定の軸方向間隙を確保して軸封性能を維持
するとともに、ラビングの発生を防止する軸封装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明はラビリンスパッキンが内面に配設された
パッキンセグメントを車室の一部に収容した軸流タービ
ンの軸封装置において、上記パッキンセグメントの軸方
向位置を検出する検出器を車室の一部に設けるとともに
、この検出器による軸方向位置と軸方向間隙許容値とを
比較し、この比較信号に応じてアクチュエータを作動さ
せて上記パッキンセグメントを軸方向に移動させるよう
にしたことを特徴とするものである。

【０００９】また、第２の発明はラビリンスパッキンが
内面に配設されたパッキンセグメントを車室の一部に収
容した軸流タービンの軸封装置において、上記パッキン
セグメントを車室内に軸方向に配置されたバネで保持す
るとともに、上記パッキンセグメントの一部にシール部
材を介装してパッキンセグメント収容部を２個の圧力室
に分離し、これらの圧力室と車軸高圧室及び車軸パッキ
ン部とを連通する導孔をパッキンセグメント内に穿設し
、上記パッキンセグメント収容部の圧力室間の差圧によ
り生じた車軸の軸方向作用力で上記パッキンセグメント
を軸方向に移動させるようにしたことを特徴とするもの
である。

【００１０】

【作用】第１の発明によれば、パッキンセグメントの軸
方向位置を検出する検出器を車室の一部に設けるととも
に、この検出器による軸方向位置と軸方向間隙許容値と
を比較し、この比較信号に応じてアクチュエータを作動
させて上記パッキンセグメントを軸方向に移動させるよ
うにしたので、アクチュエータの動作により正確にパッ
キンセグメントの軸方向間隙を制御することができる。

【００１１】また、第２の発明によれば、パッキンセグ
メントを車室内に軸方向に配置されたバネで保持すると
ともに、上記パッキンセグメントの一部にシール部材を
介装してパッキンセグメント収容部を２個の圧力室に分
離し、これらの圧力室と車軸高圧室及び車軸パッキン部
とを連通する導孔をパッキンセグメント内に穿設し、上
記パッキンセグメント収容部の圧力室間の差圧により生
じた車軸の軸方向作用力で上記パッキンセグメントを軸
方向に移動させるようにしたので、車室内蒸気の差圧を
利用するのみで正確にパッキンセグメントの軸方向間隙
を制御することができる。

【００１２】

【実施例】以下、第１の発明による軸封装置の一実施例
を図１及び図２を参照して説明する。図１は軸封装置の
部分断面を示しており、車軸１を覆うように設けられた
車室２の端部に位置し、パッキンセグメント３及び車軸
パッキン部４とから構成されている。パッキンセグメン
ト３は一体構造または組立構造からなる略円筒形状をな
し、車室２の端部に形成されたパッキン収容部５内に収
容され、車室２の端面に固着されたリング状のパッキン
カバー６にその端部が保持されている。また、図２に示
したように車室２内の所定位置にはパッキンセグメント
３を中心方向に付勢する押えバネ７が装着され、これに
よりパッキンセグメント３は半径方向にその位置が保持
されるが、運転時は車室側の熱膨張に伴い、車室内を半
径方向及び軸方向に移動する。

【００１３】さらにパッキンカバー６の一部には複数個
のアクチュエータ８、８…が配設されている。各アクチ
ュエータ８は伸縮自在なロッド９を有するスライダー機
構を備え、ロッド９の先端はパッキンカバー６の一部を
貫通してパッキンセグメント３の端面に固着されている
。また、アクチュエータ８の一部には位置検出器１０が
設けられており、この位置検出器１０はロッドの移動量
を計測し、車室内のパッキンセグメント３の軸方向位置
を検出するようになっている。そしてこの位置信号は制
御部１１に出力されるようになっている。

【００１４】一方、車室２には温度計１２、１２…が取
り付けられており、複数の計測点での車室温度を連続的
に計測できるようになっており、その情報は逐次、演算
器１３に出力される。この演算器１３では車室温度情報
をもとに車軸１の軸方向間隙を算出し、この軸方向間隙
信号は比較器１４に出力される。この比較器１４では定
値発生器１５からの間隙許容値との比較がなされ、その
偏差信号は制御部１１に出力されてアクチュエータ８の
作動信号としてアクチュエータ８に出力され、ロッド９
の作動によりパッキンセグメント３を軸方向に所定量だ
け移動させることができる。

【００１５】これに対し、車軸パッキン部４は車軸１の
一部に形成され、車軸本体から削り出すかあるいはリン
グ部材を嵌装させることにより角歯状の凹凸形状に形成
され、車軸側の熱膨張に伴ってその相対位置は移動する
。また、車軸１は、軸受台１６の中に設置されたスラス
ト軸受１７によって軸方向位置が固定されている。した
がって、車軸パッキン部４の軸方向間隙はスラスト軸受
１７を基準点とした車軸の軸方向距離と車室の軸方向距
離との相対差として（式２）で求まる。 　　　　　　δａ　＝Σ（Ｌｒ　×αｒ　×（ｔｒ　−
２０））　　　　　　　　　　　　−Σ（Ｌｃ　×αｃ
　×（ｔｃ　−２０））　　　　　　　　　　……（式
２）　　ここで、δａ　はパッキン部の軸方向間隙、Ｌ
は各部の軸方向距離、αは材料によって決まる線膨張係
数、ｔは各部の温度、各記号添字ｒは車軸、ｃは車室を
示す。車軸の温度ｔｒ　は回転体であるため表面温度の
計測値ｔｓ　をもとに（式４）の差分方程式を解いて得
られる体積平均温度が用いられる。すなわち、車軸の内
部温度分布は過渡状態において半径方向に熱流れが支配
的であるので、伝熱の式より（式３）が近似的に成立す
る。

【００１６】

【数２】 ここで、Ｔは初期状態（一様均一温度状態）からの経過
時間、ａは温度伝播率、ｒは半径位置を示す。

【００１７】上式により、経過時間Ｐにおける温度分布
をもとに、更にそれから微小な時間ΔＴ経過した後の時
間Ｐ＋１における温度分布ｔｎ　（Ｐ＋１）　は次の様
に表わされる。 　　ｔｎ　（Ｐ＋１）　＝φ０　（ｔｎ＋１　（Ｐ）　
−ｔｎ−１　（Ｐ）　）　　　　　　　　　　　　　　
＋φ１　（ｔｎ＋１　（Ｐ）　＋ｔｎ＋１　（Ｐ）　）
＋（１−２φ１　）ｔｎ　（Ｐ）　　　　　　　　　　
　　　　　＝Ｃｎ　＋ｔｎ＋１　（Ｐ）　＋Ｄｎ　×ｔ
ｎ−１　（Ｐ）　＋Ｅｎ　×ｔｎ　（Ｐ）　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　……（式４）　　ここで、ｔｎ−１　，ｔｎ　，
ｔｎ＋１　はロータをｎ等分した円環の隣あう温度、 φ０　＝ａ×ΔＴ／２ｒΔｒ φ１　＝ａ×ΔＴ／Δｒ２　 Δｒはロータ半径Ｒ０　の１／ｎ また、体積平均温度ｔａ　（Ｐ）　は次式のように示さ
れる。

【００１８】

【数３】 上式は車軸の一様均一温度状態（例えば、長期間停止後
）のにおける表面温度とその後の表面温度の連続計測に
より車軸の軸方向距離が精度良く算出できることを示し
ている。

【００１９】一方、一般的に中小容量のターボ機械は１
本の車軸とこの車軸を覆う車室とから構成されており、
大容量機に比べてケーシングの構造が簡単で軸線に直角
な平面に対してほぼ対称な円環状をなしている。このた
め車軸と同じく（式３）から（式５）までが比較的精度
良く成立し、内面温度の連続的な計測により軸方向距離
が算出できる。また、中小容量のターボ機械は軸方向の
長さも比較的に短く、（式２）で求めた集合和に起因す
る誤差も少ない。したがって、図１に示したようにター
ボ機械各部に設置した温度計１２とその計測値を基に上
記の演算を行なう演算器１３によって各軸封装置におけ
る軸方向間隙δａ　を算出することができる。

【００２０】さらにこの演算結果をパッキンの据え付け
時設定間隙と比較する比較器１４によって求められる偏
差信号を、パッキンセグメント３に連結したアクチュエ
ータ８に出力し、偏差量に相当する距離だけパッキンセ
グメント３を軸方向に移動させることができる。上述の
ようにアクチュエータ８は油圧、空圧、蒸気圧、または
電力１８等の外部駆動源によって作動するピストンまた
はスライダーと変位検出器とから構成されており、比較
器１４からの偏差信号に対してパッキンセグメント３の
移動量が一致するようにアクチュエータを制御する制御
器１１にフィードバック信号を与えることができる。以
上のように構成された軸封装置においては軸封装置の位
置における車室と車軸の軸方向距離が常に一定に保たれ
、運転状態に影響されずに必要な軸方向間隙を確保する
ことができる。

【００２１】次に第２の発明についての一実施例を図３
を参照して説明する。本実施例において車軸パッキン部
２０は車軸１に直交し、すなわち車軸中心に対して半径
方向に設置されており、この軸方向パッキンと対向する
ように微小間隙ａ，ｂをあけて構成された複数の歯数を
有するパッキンセグメント２１とセグメントカバー２２
とが静止部の車室内に収容されている。セグメントカバ
ー２２はパッキンセグメント２１の一部を構成する組立
て部品でその一面にはラビリンスパッキン２３が配設さ
れており、取付けボルト２４によりパッキンセグメント
２１の一部にシム２５を介在させて固着するようになっ
ている。パッキンセグメント２１は外周円筒部２６の内
側に円板部２７が一体的に形成された断面形状が略Ｔ字
形をなしており、円板部２７には複数歯数のラビリンス
パッキン２３が配設されている。このパッキンセグメン
ト２１は、一端が車室２の一部に形成された係止部に係
止される一方、他端はパッキンカバー２８を被着してパ
ッキンセグメント収容部２９内に収容されている。この
とき、パッキンセグメント２１の左右の係止部の内径Ｄ
１　、Ｄ２　は異なるように設定されている。また、パ
ッキンセグメント２１の軸方向の両端には所定のバネ定
数を有するバランスバネ３０、３０が装着され、これに
よりパッキンセグメント２１は両方のバネのつりあい位
置で静止保持されている。

【００２２】一方、パッキンセグメント２１の外周円筒
部２６の外周面のほぼ中央部には凹部２６ａが形成され
ており、この凹部２６ａにはシールリング３０が装着さ
れており、パッキンセグメント収容部２８をＤ室とＥ室
とに分離している。また、パッキンセグメント２１は、
このシールリング３１または同じく外周部に設置された
図示しない板バネにより中心方向に押圧されており、Ｄ
室とＥ室とはともに密閉状態が保持されている。パッキ
ンセグメント２１の内部にはパッキンが遮蔽すべき高圧
側Ａ室と低圧側Ｃ室の中間に位置するＢ室からＥ室へ連
通するＬ字形をなす導孔３２とＡ室からＤ室へ連通する
直線形をなす導孔３３とが穿設されている。

【００２３】このように構成されたパッキンセグメント
２１の効果を以下に示す。図４は車軸１がパッキンセグ
メント２１に対して、熱膨張差等によって軸方向に相対
的に移動した場合のＢ室の圧力変化を示したものである
。パッキン部の高圧側Ａ室の圧力をＰＡ　、低圧側Ｃ室
の圧力をＰＣ　とするとパッキン部中間のＢ室の圧力Ｐ
Ｂ　は、上述の（式１）のＰ１　，Ｐ２　に各々ＰＡ　
，ＰＢ　を代入して求められる車軸パッキン部右側の漏
洩量とＰ１　，Ｐ２　にＰＢ　，ＰＣ　を代入して求め
られる車軸パッキン部左側の漏洩量とが等しいことから
両者を逐次計算して求めることができる。すなわち、車
軸が図上で右方にａあるいは左方にｂだけパッキンセグ
メント２１に対して相対的に移動すると、パッキンセグ
メント２１がパッキン部の右側または左側位置で接触し
、漏洩蒸気が閉塞され、ＰＢ　は、ＰＡ　またはＰＣ　
に等しくなる。また、車軸の軸方向移動のない状態にお
けるＰＢ　をＰＢＯとすると、ＰＢＯはＰＡ　とＰＣ　
の平均値となる。このとき、上述のようにパッキンセグ
メント２１にはＡ室とＤ室及びＢ室とＥ室とを連通する
導孔３２，３３が設置されているので、連通した各室の
圧力は等しくなる。すなわち、パッキンセグメント２１
の左右は異なる圧力であるためパッキンセグメント２１
には下記に示す軸方向の推力が作用する。パッキンセグ
メント２１の右方から作用する力ＦＲ　は 　　　　　　ＦＲ　＝π／４×（Ｄ２　２　−Ｄ０　２
　）×ＰＡ　　　　　　　　　　　　　＋π／４×（Ｄ
３　２　−Ｄ２　２　）×ＰＢ　　　　　　　　　……
（式６）パッキンセグメント２１の左方から作用する力
ＦＬ　は　　　　　　ＦＬ　＝π／４×（Ｄ１　２　−
Ｄ０　２　）＋ＰＣ　　　　　　　　　　　　　＋π／
４×（Ｄ３　２　−Ｄ１　２　）×ＰＡ　　　　　　　
　　……（式７）ここで、Ｄ０　はパッキンセグメント
内径、Ｄ１　は左側係止部内径、Ｄ２　は右側係止部内
径、Ｄ３　はパッキンセグメント外径を示す。パッキン
セグメント２１を移動させる力をＦとすると、 Ｆ＝ＦＲ　−ＦＬ　 また、ＰＢ　＝ＰＢ０＋ΔＰＢ　とするとＰＢ０＝（Ｐ
Ａ　＋ＰＣ　）／２ であり、以上より Ｆ＝（Ｄ３　２　−Ｄ２　２　）×ΔＰＢ　−（Ｄ０　
２　−Ｄ１　２　−Ｄ２　２　／２＋Ｄ３　２　／２）
×（ＰＡ　＋ＰＣ　）となる。ここで、上述のパッキン
セグメントの内径をＤ０　２　−Ｄ１　２　＝Ｄ２　２
　／２−Ｄ３　２　／２となるように決めておくとＦ式
の第２項は消えてＦ＝（Ｄ３　２　−Ｄ２　２　）×Δ
ＰＢ　　　　　　　　　……（式８）となる。

【００２４】このパッキンセグメント２１に作用する差
圧による力Ｆを図５に示す。これは車軸１が右方または
左方に移動した場合、パッキンセグメント２１に右方ま
たは左方に移動させようとする力Ｆが発生することを示
している。車軸が軸方向にａまたはｂ移動してパッキン
と接触した位置における作用力Ｆａ　，Ｆｂ　はΔＰＢ
　＝（ＰＡ　−ＰＣ　）／２ であるから、（式８）より Ｆａ　＝Ｆｂ　＝（Ｄ３　２　−Ｄ２　２　）×（ＰＡ
　−ＰＣ　）／２となる。

【００２５】ここで、パッキンセグメント収容部の左右
に装着されたバランスバネ３０のバネ定数κを下式のよ
うに設定すると、パッキンセグメント２１は車軸の移動
にともなって発生する（式８）の作用力Ｆによって図６
に示すように左右に摺動する。 κ＝２Ｆａ　／ａ このとき、パッキンセグメント２１を外周方向から押し
つけてＤ室及びＥ室の気密性を保持する力のために摺動
時に摩擦力によって、下式のような軸方向移動量の微少
なヒステリシスΔＭが生じる。 ΔＭ＝ＦＰ　×μ／κ ここで、ＦＰ　はパッキンセグメント２１を外周部から
の押圧力、μは摺動部の静摩擦係数を示している。上記
ΔＭはパッキンセグメント２１の軸方向形状や、外周部
に設置されたシールリングの設置位置及びパッキンセグ
メント２１押えバネの押圧力を適正に設定することによ
りパッキン部の間隙ａ，ｂに対して十分小さな値とする
ことができる。この結果、図７に示すように車軸がパッ
キンセグメント２１に対して軸方向に移動した場合には
、パッキンセグメント２１自身も上述の移動を伴い、パ
ッキン軸方向間隙は車軸の移動量よりも極めて少なく抑
えられる。

【００２６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、第１の
発明によればパッキンセグメントの軸方向位置の検出結
果に応じてアクチュエータを作動させて上記パッキンセ
グメントを軸方向に移動させるようにすることにより、
また、第２の発明によれば、パッキンセグメント収容部
の圧力室間の差圧により生じた車軸の軸方向作用力で上
記パッキンセグメントを軸方向に移動させるようにした
ことにより正確にパッキンセグメントの軸方向間隙を制
御することができるので、パッキン部での接触による車
軸の振動や熱発生、漏洩蒸気の増大を防止し、高い軸封
性能を実現するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明による軸封装置の一実施例の制御系
統を示した縦断面図。

【図２】図１に示した軸封装置のＩＩ−ＩＩ線断面図。

【図３】第２の発明による軸封装置の一実施例を示した
縦断面図。

【図４】第２の発明における車軸相対移動量と内部圧力
との関係を示した特性図。

【図５】第２の発明における車軸相対移動量とパッキン
セグメント作用力との関係を示した特性図。

【図６】第２の発明における車軸相対移動量とパッキン
セグメント移動量との関係を示した特性図。

【図７】第２の発明における車軸相対移動量とパッキン
セグメント間隙変化との関係を示した特性図。

【符号の説明】

１　　車軸 ２　　車室 ３，２１　　パッキンセグメント ４，２０　　車軸パッキン部 ５，２８　　パッキンセグメント収容部６，２９　　パ
ッキンカバー ８　　アクチュエータ １０　　位置検出器 １１　　制御部 １２　　温度計 １３　　演算器 ３０　　バネ ３１　　シールリング ３２，３３　　導孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ラビリンスパッキンが内面に配設されたパ
   ッキンセグメントを車室の一部に収容した軸流タービン
   の軸封装置において、上記パッキンセグメントの軸方向
   位置を検出する検出器を車室の一部に設けるとともに、
   この検出器による軸方向位置と軸方向間隙許容値とを比
   較し、この比較信号に応じてアクチュエータを作動させ
   て上記パッキンセグメントを軸方向に移動させるように
   したことを特徴とする軸流タービンの軸封装置。
2. 【請求項２】ラビリンスパッキンが内面に配設されたパ
   ッキンセグメントを車室の一部に収容した軸流タービン
   の軸封装置において、上記パッキンセグメントを車室内
   に軸方向に配置されたバネで保持するとともに、上記パ
   ッキンセグメントの一部にシール部材を介装してパッキ
   ンセグメント収容部を２個の圧力室に分離し、これらの
   圧力室と車軸高圧室及び車軸パッキン部とを連通する導
   孔をパッキンセグメント内に穿設し、上記パッキンセグ
   メント収容部の圧力室間の差圧により生じた車軸の軸方
   向作用力で上記パッキンセグメントを軸方向に移動させ
   るようにしたことを特徴とする軸流タービンの軸封装置
   。