JPH06280504A - 流体シール構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、回転体である動翼先端部とそ
の外周の静止壁との間隙部において、液体である水分が
動翼先端部に直接触れることなく通過可能にし、気体で
ある蒸気の通過は極力防止できるような流体シール構造
を提供するにある。 【構成】タービン動翼とその外周部を覆う円筒状の静止
体の内周壁との間の空間部において、動翼先端部と対向
して該静止体の内周壁にシールフィンを設け、シールフ
ィンを一周以上のスパイラル状のループを形成するよう
に構成する。 【効果】本発明によれば、回転体である動翼先端部とそ
の外周の静止壁との間隙部において、液体である水分が
動翼先端部に直接触れることなく通過可能にし、これに
より、水膜との接触による動翼先端部の侵食の心配がな
く、かつ、気体である蒸気の通過は極力防止できるよう
な流体シール構造を提供することができ、信頼性，性能
ともに優れた蒸気タービンを提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転体と静止体の間に
形成される通路に流体を流す軸流流体機械装置に係り、
特に蒸気タービンやガスタービン等の軸流流体機械の動
翼先端部と外周部に位置する静止壁の間の作動流体の漏
れ流れを低減するために該静止体の内周壁に設けられた
シールフィンから成る流体シール構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、回転体と静止体の間隙から流
体が漏れ流れることを防止する目的で、ラビリンスシー
ルがよく用いられている。蒸気タービンに用いられる場
合の一例を図２に示す。

【０００３】図２は静翼２と動翼１からなる低圧蒸気タ
ービンの最終段を示している。図において、静翼２を出
た蒸気流はおおむね動翼１を通過し、流体エネルギーが
回転エネルギーに変換されるが、一部は動翼先端部と静
止体の内周壁の間を漏れ流れとして通過する。この部分
の漏れ流れを防止するためのラビリンスシールの構造
は、動翼１先端部の外周部に位置し、静翼保持リング３
と一体成形あるいは一体形に組み立てられた棚リング４
にシールフィン７が取り付けられ、一方、動翼先端部に
は動翼カバー６が設けられ、シールフィン７と動翼カバ
ー６の間隙が極力小さくなるようにして構成されてい
る。

【０００４】また、シールフィン７は、図２では二対の
シールフィンを示してあるが、それ以上多数のシールフ
ィンを設け漏れ流れ防止効果の向上を図ったものもある
が、いずれの場合もそれぞれのシールフィンは、通常円
周方向にわたり互いに独立したリングとなるように形成
されている。

【０００５】さて、通常の低圧蒸気タービンの最終段の
多くは、湿り蒸気状態の蒸気中で運転されることはよく
知られている。この場合、湿り蒸気中の水分の多くは静
翼２で捕集されるが、図２の部分の拡大図である図３に
示すように、捕集された水分の一部は静翼２の外周すな
わち、静翼保持リング３の内周壁に集合し、水膜８を形
成することもよく知られている。静翼保持リング３の内
周壁に集合した水膜８は通常は棚リング４及び案内リン
グ５の内周部を経て流下し、図示しない排気室に排出さ
れる。

【０００６】しかしながら、前述のように、蒸気の漏れ
流れを防止するために棚リング４内周部にはシールフィ
ン７が設けられているため、流下してきた水膜はこの部
分で堰き止められることになる。タービンの運転に伴い
水膜は静翼保持リング３から連続して流下してくるか
ら、やがて水分はシールフィン７を乗り越えて、すなわ
ち、シールフィン７と動翼カバー６との間隙を通過して
下流側へ流下することになる。

【０００７】この時、シールフィン７により水膜は堰き
止められたことにより盛り上がり、回転中の動翼の先端
部または動翼カバーと接触することがある。動翼は非常
に高速で回転しており、水膜との速度差が大きいことか
ら動翼の先端部または動翼カバーが水による侵食を受け
るという問題が生ずる。

【０００８】このような問題に対する従来技術は、例え
ば特願昭61−241366号においては、シールフィン７の棚
リング４側のつけ根部に水分が軸方向に通過できるよう
な開口部またはスリットを設けている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来技術では開口部から水分とともに蒸気も合わせ
て通過してしまうので、本来の蒸気の漏れ流れの防止の
効果が大幅に減少してしまうという欠点があった。

【００１０】そこで、本発明の目的は、回転体である動
翼先端部とその外周の静止壁との間隙部において、液体
である水分が動翼先端部に直接触れることなく通過可能
にし、気体である蒸気の通過は極力防止できるような流
体シール構造を提供するにある。また、この課題をより
一般的な課題として拡張して考えれば、本発明の目的
は、回転体と静止体との間隙部において、液体が回転体
に直接触れることなく通過可能にし、気体の通過は極力
防止できるような流体シール構造を提供するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明においては、略円
筒状の外周面を持つ回転体とその外周部を覆う円筒状の
静止体の内周壁との間の空間部から、作動流体が漏れ流
れることを低減する目的で、該静止体の内周部にシール
フィンを設けたものにおいて、該シールフィンを一周以
上のスパイラル状のループを形成するように構成するこ
とによって液体の通過を可能とし、気体の漏れ流れを防
止する。

【００１２】具体的にタービンに適用する場合において
は、タービン動翼とその外周部を覆う円筒状の静止体の
内周壁との間の空間部から、作動流体が動翼の上流側か
ら下流側に向かって漏れ流れることを低減する目的で、
動翼先端部と対向して該静止体の内周壁にシールフィン
を設けたものにおいて、該シールフィンを一周以上のス
パイラル状のループを形成するように構成することによ
り、静止体の内周壁に付着した水分が上流側から下流側
に向かって動翼先端部に直接触れることなく通過するこ
とを可能にし、気体については通常のラビリンスシール
の効果により漏れ流れを防止する。

【００１３】

【作用】略円筒状の外周面を持つ回転体とその外周部を
覆う円筒状の静止体の内周壁との間の空間部に存在する
流体である気体と液体の挙動について考えるとまず、気
体については粘性によって回転体の回転に伴ってその回
転方向と同じ方向の旋回流れが生ずる。さらにこの気体
の旋回流れに伴い、静止体の内周壁に付着している液体
にも粘性により旋回流れを生じることになる。この回転
体回転方向と同方向の円周方向速度を持った液体の流れ
は、スパイラル状シールフィンの入口部からスパイラル
状のシールフィン間流路に導かれ円周方向に旋回しなが
らスパイラル状シールフィンの出口部から排出されるこ
とになる。

【００１４】ここで、液体はシールフィンの出口部から
順次排出され、かつ旋回流れによって発生する遠心力に
より静止体の内周壁に押しつけられるので、回転体外周
面に直接接触することなく流下する。なお、シールフィ
ンの先端と回転体外周面との間隙を通過する気体につい
ては、スパイラル状ではない通常のシールフィンが設け
られている場合とほぼ同様にラビリンスシールとしての
作用効果が生じ、漏れ流れの防止が図れる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面によっ
て説明する。

【００１６】図１は、本発明になる低圧蒸気タービンの
最終段落の部分を示す斜視図であって、図示しない動翼
の外周部に対向する静止体である棚リング４とそれに続
く案内リング５、及び棚リング４に取り付けられている
シールフィン７が示されている。

【００１７】また、図４は図１のシールフィン７のみを
示した斜視図である。図１，図４に示したように、シー
ルフィン７は棚リング４の内周部においてスパイラル状
に形成されている。なお、図１，図４ではシールフィン
７は円周方向にわたり切れ目のないスパイラルを形成す
るように示してあるが、円周方向にわたり分割されたシ
ールフィン片を順次円周方向に組立て、全体としてスパ
イラル状のシールフィン７を形成してもよいことはもち
ろんである。

【００１８】さて次に、棚リング４の内周部に付着して
いる水分がある場合、動翼の回転によって水分がどのよ
うな運動を示すかを簡単に説明する。図５は、低圧蒸気
タービンの最終段落の軸方向上流側からみた正面図であ
って、動翼１，棚リング４及び棚リング４に取り付けら
れたシールフィン７が示されている。動翼１の先端部に
は動翼カバー６が設けられ、動翼の外周部における略円
筒状の面が形成されている。動翼１の回転方向を矢符号
９で表す。

【００１９】図６は、図５の部分の拡大図であって、図
５に示した各構成部分に加えて棚リング４の内周部に付
着している水分の水膜８が示されている。動翼カバー６
の外周部と棚リング４の内周部の間に存在する流体であ
る蒸気と水の挙動について考えるとまず、蒸気について
は粘性によって動翼の回転に伴って動翼の回転方向９と
同じ方向の旋回流れが生ずる。さらにこの蒸気の旋回流
れに伴い、棚リング４の内周部に付着している水分も粘
性により旋回流れを生じることになる。旋回流れによっ
て発生する遠心力により水膜８は棚リング４の内周壁に
押しつけられるが、いずれにしても動翼回転方向と同方
向の円周方向速度を持った水分の流れが生ずることにな
る。

【００２０】次に、図７は図５のＡ−Ａ矢視平面図を示
す。矢符号１０で示す動翼回転方向と同方向の円周方向
速度を持った水分の流れは、スパイラル状シールフィン
７の入口部１１からスパイラル状のシールフィン間流路
に導かれ円周方向に旋回しながらスパイラル状シールフ
ィン７の出口部１２から排出される。ここで、水膜８は
シールフィン７の出口部１２から順次排出され、かつ旋
回流れによって発生する遠心力により棚リング４の内周
壁に押しつけられるので、水膜８が動翼１の先端部に直
接接触し、動翼カバー６を侵食するというような問題が
なくなる。

【００２１】かくして、静翼２で捕集され、静翼保持リ
ング３及び棚リング４の内周壁を流下してきた水分は、
スパイラル状のシールフィン７で形成されるスパイラル
状通路を通過するうちに、動翼１の先端部に直接接触す
ることなくタービン軸方向下流側に排出されることにな
る。なお、シールフィン７の先端と動翼カバー６の外周
面との間隙を通過する蒸気については、スパイラル状で
はない通常のシールフィンが設けられている場合とほぼ
同様にラビリンスシールとしての作用効果が生じ、漏れ
流れの防止が図れる。

【００２２】スパイラル状のシールフィン７は図１，図
７等では二周のループを形成するものとして示したが、
例えば図８に三周のループを形成するものを示したよう
に、一周以上であればいくらでもよい。ただし、他の条
件が同じであればスパイラル状のループの数が多いほど
蒸気をシールする効果が大きいことは、スパイラル状で
はない通常のシールフィンのリング数を多くした方がシ
ール効果が大きいのと同様である。

【００２３】また、以上の説明ではシールフィン７は滑
らかなスパイラル状に形成されるものとして示したが、
棚リング４の内周壁の水分を順次軸方向下流側に流下さ
せるという目的に鑑みると、図９，図１０に示すよう
に、シールフィン７は円周方向の大部分にわたって従来
どおりスパイラル状ではなく形成するが、円周方向の一
箇所で一つのシールフィンから他のシールフィンに接続
して擬似的なスパイラル状通路を形成するものであって
もよい。

【００２４】ただし、この場合擬似的なスパイラル状通
路の入口部１１は、動翼１の回転に伴って棚リング４の
内周壁を旋回している水分をスパイラル状通路に導くた
めには、少なくとも最も上流に位置するシールフィンよ
りも軸方向上流側に突きでるように形成する必要があ
る。

【００２５】以上の本発明では、スパイラル状シールフ
ィン一周以上何周であれ、連続した一つのスパイラルか
らなっており、この状態を一重スパイラルと呼ぶことに
すれば、本発明では一重スパイラルに限定して説明した
が、これに限定されるものではなく、図１１に示すよう
に異なるスパイラル７ａ，７ｂが軸方向に微小距離だけ
ずれて重なった多重スパイラルとしてもよい。

【００２６】以上、回転体である動翼先端部とそれと対
向する外周の静止壁との間隙部において、液体である水
分は動翼先端部に直接接触することなくタービン軸方向
下流側通過することを可能にし、気体である蒸気の通過
は極力防止できるような流体シール構造を提供するとい
う本発明の目的は達成できたが、回転体と静止体との間
隙部において、液体の通過は許容し、気体の通過は極力
防止できるような流体シール構造を提供するという、よ
り一般的な目的に対しては、本実施例の動翼を円筒状外
周面を持った回転体におきかえて考えればよい。

【００２７】また、相対的な関係として、上述の説明で
回転体として説明したものが静止体、静止体として説明
したものが回転体と置き換えて、すなわち、静止円筒体
とその外部を回転する回転円筒体の関係として考えても
本発明の趣旨を損なうことはない。むしろ、静止円筒体
の外部を回転円筒体が回転する場合の方が回転円筒体の
内周部に付着した水分に直接旋回力が加わるのでより大
きな旋回速度が与えられることになる。

【００２８】なお、スパイラル状に形成されたシールフ
ィンの巻き方向は、水分がシールフィン間流路を旋回し
ながらタービンの上流側から下流側へと流下するような
方向に限定して示したが、回転体と静止体との間隙部に
おいて、液体の通過は許容し、気体の通過は極力防止で
きるような流体シール構造を提供するという、より一般
的な目的に拡張して考えれば、シールフィンの巻き方向
は逆でもよく、図７に対応して図１２に示すような巻き
方向であってもよい。ただし、この場合、液体の流れは
下流側から上流側へと向かう軸方向成分を持ち、気体と
は逆の軸方向流れを持つことになる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、回転体である動翼先端
部とその外周の静止壁との間隙部において、液体である
水分が動翼先端部に直接触れることなく通過可能にし、
これにより、水膜との接触による動翼先端部の侵食の心
配がなく、かつ、気体である蒸気の通過は極力防止でき
るような流体シール構造を提供することができ、信頼
性，性能ともに優れた蒸気タービンを提供することがで
きる。また、より一般的には、回転体と静止体との間隙
部において、液体が回転体に直接触れることなく通過可
能にし、気体の通過は極力防止できるような流体シール
構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のタービン動翼先端部流体シール構造を
示す部分の斜視図。

【図２】静翼と動翼からなり、流体シール構造を含むタ
ービン段落を示す側面図。

【図３】図２の壁面に付着した水膜を含む部分の拡大
図。

【図４】本発明の流体シール構造のシールフィンを示す
斜視図。

【図５】タービン段落を軸方向上流側から見た正面図。

【図６】図５の壁面に付着した水膜を含む部分の拡大
図。

【図７】図５の回転体部分を除いたＡ−Ａ方向矢視平面
図。

【図８】図７の他の変形例を示す平面図。

【図９】図７の他の変形例を示す平面図。

【図１０】図７の他の変形例を示す平面図。

【図１１】図７の他の変形例を示す平面図。

【図１２】図７の他の変形例を示す平面図。

【符号の説明】

１…動翼、２…静翼、３…静翼リング、４…棚リング、
５…案内リング、６…動翼カバー、７…シールフィン、
８…水膜、９，１０…矢符号、１１…シールフィン入口
部、１２…シールフィン出口部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 武 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 矢野 晋嗣 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略円筒状の外周面を持つ回転体とその外周
   部を覆う円筒状の静止体の内周壁との間の空間部から、
   作動流体が漏れ流れることを低減する目的で、該静止体
   の内周部にシールフィンを設けたものにおいて、該シー
   ルフィンを一周以上のスパイラル状のループを形成する
   ように構成することによって液体の通過を可能とし、気
   体の漏れ流れを防止することを特徴とする流体シール構
   造。
2. 【請求項２】略円筒状の外周面を持つ静止体とその外周
   部を覆う円筒状の回転体の内周壁との間の空間部から、
   作動流体が漏れ流れることを低減する目的で、該回転体
   の内周部にシールフィンを設けたものにおいて、該シー
   ルフィンを一周以上のスパイラル状のループを形成する
   ように構成することによって液体の通過を可能とし、気
   体の漏れ流れを防止することを特徴とする流体シール構
   造。
3. 【請求項３】タービン動翼とその外周部を覆う円筒状の
   静止体の内周壁との間の空間部から、作動流体が動翼の
   上流側から下流側に向かって漏れ流れることを低減する
   目的で、動翼先端部と対向して該静止体の内周壁にシー
   ルフィンを設けたものにおいて、該シールフィンを一周
   以上のスパイラル状のループを形成するように構成した
   ことを特徴とする流体シール構造。
4. 【請求項４】請求項３において、動翼の回転により発生
   する、動翼と静止体の内周壁との間の流体のつれ周り
   （旋回流）を利用して、動翼の上流側の該静止外周壁の
   内周部に付着した水分がスパイラル状にしたシールフィ
   ンによって形成されたシールフィン間流路に導かれるよ
   うにし、該水分を動翼の上流側の外周壁から下流側の外
   周壁へと排出することを特徴とする流体シール構造。
5. 【請求項５】請求項１〜請求項４において、スパイラル
   状に形成されたシールフィンの巻き方向に関して、液体
   流れの回転体軸方向成分が回転体の回転方向に対して右
   ねじの進む方向となるような巻き方向、あるいは回転方
   向に関して左ねじの進む方向となるような巻き方向にす
   ることを特徴とする流体シール構造。
6. 【請求項６】請求項１〜請求項４において、スパイラル
   状に形成されたシールフィンの巻き方向を変えることに
   よって作動流体の回転体軸方向成分に関して気体と液体
   の流れ方向が同じ、または逆になるよう構成したことを
   特徴とする流体シール構造。
7. 【請求項７】請求項１〜請求項４において、シールフィ
   ンを複数のすなわち多重のスパイラル状に形成したこと
   を特徴とする流体シール構造。