JPH08338537A

JPH08338537A - ラビリンスシール

Info

Publication number: JPH08338537A
Application number: JP14360995A
Authority: JP
Inventors: Yoshiichi Ikeda; 田宣一池; Tatsuo Yamashita; 下達雄山; Toshio Hirano; 野俊夫平
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1995-06-09
Publication date: 1996-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】ラビリンスシール本来の目的である流体のシ
ール効果を損なうことなく、自励振動を抑制することが
できるラビリンスシールを提供する。【構成】回転式流体機械を構成する回転部１とこれを
包囲する静止部６との間に静止部内を高圧部と低圧部と
に区画するラビリンスシール２０が配置されている。ラ
ビリンスシール２０は静止部６に固着されたシール本体
２１と、シール本体２１から回転部側に突出して回転部
１との間に絞り部２３を形成するとともに複数のチャン
バ２４を形成する複数のラビリンスフィン２２を備えて
いる。シール本体２１には高圧部からチャンバ２４ａに
向かって流体を導く通路２５が形成され、通路２５のチ
ャンバ側吹出口２６は流体の流れ方向上流側に向かって
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸気タービン、ガスタ
ービン、圧縮機などの回転式流体機械において、内部の
高圧流体をシールするために広く用いられているラビリ
ンスシールに係り、とりわけこれら回転式流体機械の軸
系の自励振動を防止する手段を備えたラビリンスシール
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２２および図２３に、ラビリンスシー
ルを備えた回転式流体機械の一例として蒸気タービンが
示されている。

【０００３】図２２および図２３において、回転部１に
は動翼２が回転部１を中心として多数配置され、これら
の動翼２はシュラウド３によって周方向に連結されてい
る。また静翼４が、ノズルダイアフラム５を介して動翼
２と向き合うように、静止部６の内部に配置されてい
る。これら動翼２と静翼４とを軸方向に多数並べて段落
を構成することにより、この段落を蒸気が通過するにつ
れて、各段落ごとにエンタルピが降下し、この降下分が
動力に変換されている。

【０００４】このように各段落で圧力が降下し、そのエ
ンタルピ差が有効に動力に変換されるためには、各段落
間の蒸気の漏れが完全に遮断されている必要がある。し
かしながら実際には、ノズルダイアフラム５と回転部１
との間、またはシュラウド３と静止部６との間を通っ
て、圧力の低い側へと蒸気が漏れてしまうことがあり、
さらには、静止部６を回転部１が貫通する部分であるグ
ランド部７ａ，７ｂからも、圧力の低い側へと蒸気が漏
れてしまうことがある。

【０００５】このような漏れはタービンの効率を低下さ
せる原因となるため、蒸気の漏れをできる限り小さくす
る必要がある。そこで、上記の各部材間にはラビリンス
シールが配置され、上記の漏れを効率よく抑制してい
る。

【０００６】ラビリンスシールには、シール本体から回
転部側に向かって回転部表面に極めて近接した部分まで
突出する環状の歯（ラビリンスフィン２２）が備えられ
ており、このラビリンスフィン２２は、回転部１を取り
囲むように配置されており、このラビリンスフィン２２
と回転部１の外周面によって、絞り部２３とチャンバ２
４が形成されている。蒸気はチャンバ２４で膨脹し、絞
り部２３で絞られ、この繰り返しによって、作動流体の
漏洩を抑制している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、ラビリ
ンスシールは作動流体の漏洩を有効に抑制する。しか
し、近年のターボ式流体機械の高性能化に伴って、回転
部が自励振動の発生箇所となっていることが指摘されて
いる。この種の自励振動は、蒸気タービンにおいては、
スチームホワールとして知られており、蒸気条件の高圧
化にともなって問題となってきている。

【０００８】この自励振動は、ラビリンスシールを通過
する流体の流れが旋回成分を持ち、その結果としてチャ
ンバ内の周方向の圧力分布が不均一になることによっ
て、回転部の振れ回り振動が助長されて発生する。

【０００９】図２４において、回転部１が振れ回ってい
るとき、すなわち、回転部１の回転軸中心１ａと実際の
回転中心１ｂとが異なっている場合における、ラビリン
スシールにより形成されたチャンバ内の圧力分布１５が
示されている。ここで、流体の流れに旋回成分がある
と、圧力のピークは回転部１の振れ回り方向に対して遅
れ方向に位置し、この不均一に分布する圧力が回転部１
に作用する力は、回転部１の振れ回り方向の力Ｆｙと、
Ｆｙと直交する方向の力Ｆｘとに分解することができ
る。このような圧力のピークが発生した場合は、回転部
１は常に振れ回り方向にＦｙなる力で押され、前述した
ように回転部１の振れ回りが助長され、自励振動が発生
する。

【００１０】ラビリンスシールに入る流体の流れに旋回
成分が存在するのは、ターボ式流体機械においては避け
られない。例えば、蒸気タービンでは、ラビリンスシー
ル入口より高圧の上流側に配置されているタービン段落
を通過することによって、流れには必然的に旋回成分が
存在することになるし、また回転部の外周面との摩擦に
よっても、流れに旋回成分が与えられることになる。

【００１１】この旋回成分を除去することができれば、
この自励振動を抑制することが可能となる。旋回成分除
去手段としては、チャンバ内に旋回防止板を設置する方
法などが従来から知られている。一例として、これらの
旋回防止板や転向板を使った従来の手段における流れの
様子を図２５（ａ）（ｂ）に示す。図２５（ａ）におい
て、右上側が静止部側、左下側が回転部側となり、左上
側が上流側、右下側が下流側となる。また、図２５
（ｂ）は吹き抜け部分の流れの様子を示しており、左側
が上流側、右側が下流側となる。図２５（ａ）は旋回防
止板１６が設置された場合の流れの方向を矢印で示した
ものであり、矢印の大きさは流速を示している。この方
法によれば、旋回防止板１６が取り付けられている静止
部側の領域では旋回流は除去される。しかしながら図２
５（ｂ）に示すように、旋回防止板１６と回転部１とで
形成される間隙から流体は漏れてしまい、最も重要な回
転部１の表面の旋回流は除去できない。このように従来
の手段では、不安定性に深く関与する回転部表面付近の
流れの旋回成分を除去することはできない。

【００１２】このように、従来からラビリンスシール内
の旋回成分を除去することにより自励振動を抑制する手
段が種々考えられてきたが、いまだ完全といえる解決策
はみいだされておらず、さらなる改善が望まれている。

【００１３】本発明は、このような点を考慮してなされ
たものであり、ラビリンスシール本来の目的である流体
のシール効果を損なうことなく、自励振動を抑制するこ
とができるラビリンスシールを提供することを目的とす
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
回転式流体機械を構成する回転部とこれを包囲する静止
部との間に配置され、静止部内を高圧部と低圧部とに区
画するラビリンスシールであって、静止部に固着された
シール本体と、このシール本体から回転部側に突出して
回転部との間に絞り部を形成するとともに複数のチャン
バを形成する複数のラビリンスフィンとを備え、シール
本体には高圧部からチャンバに向かって流体を導く通路
が形成され、この通路のチャンバ側吹出口は流体の流れ
方向上流側に向かっていることを特徴とするラビリンス
シールである。

【００１５】請求項８記載の発明は、回転式流体機械を
構成する回転部とこれを包囲する静止部との間に配置さ
れ、静止部内を高圧部と低圧部とに区画するラビリンス
シールであって、前記静止部から回転部側に突出して回
転部との間に絞り部を形成するとともに複数のチャンバ
を形成する複数のラビリンスフィンを備え、ラビリンス
シール入口および出口およびチャンバ内のうち少なくと
も１つに、障害物を設けたことを特徴とするラビリンス
シールである。

【００１６】請求項１３記載の発明は、回転式流体機械
を構成する回転部とこれを包囲する静止部との間に配置
され、静止部内を高圧部と低圧部とに区画するラビリン
スシールであって、静止部に設けられたシール本体と、
このシール本体から回転部側に突出して回転部との間に
絞り部を形成するとともに複数のチャンバを形成する複
数のラビリンスフィンと、静止部とシール本体との間に
介在され、シール本体を支持するとともに所定の剛性係
数ｋ₁および減衰係数ｃ₁を有する支持手段を備えたこ
とを特徴とするラビリンスシールである。

【００１７】

【作用】請求項１記載の発明によれば、静止部に固着さ
れたシール本体に高圧部からチャンバに向かって形成さ
れた通路に流体が導かれ、この流体は通路のチャンバ側
吹出口から上流側に向かって吹き出される。これによっ
て、ラビリンスシール入口から流入する流体がせき止め
られる。

【００１８】請求項８記載の発明によれば、ラビリンス
シール入口および出口およびチャンバ内のうち少なくと
も１つに設けられた障害物によって、ラビリンスシール
入口もしくは出口またはチャンバ内に存在する流体の流
れの旋回成分が減衰または消滅する。

【００１９】請求項１３記載の発明によれば、静止部と
シール本体との間に介在され、シール本体を支持すると
ともに所定の剛性係数ｋ₁および減衰係数ｃ₁を有する
支持手段によって、回転体が流体から受ける力の変動幅
が最小限に抑制され、これによって、回転体の自励振動
の発生原因となるチャンバ内の流体から回転体が受ける
回転体の振れ回り方向の力が、消滅または減少する。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て３通りに分けて説明する。第１実施例まず、第１実施例について説明する。図１乃至図８は本
発明の第１実施例を示す図である。図１に示すように、
ラビリンスシール２０は、回転式流体機械を構成する回
転部１とこの回転部１を包囲する静止部６との間に配置
されている。このラビリンスシール２０によって、静止
部６内は高圧部（図１左側）と低圧部（図１右側）とに
区画されている。ここで、Ｆ₁は高圧流体の流れを示し
ており、高圧部側からラビリンスシール２０内を通過し
低圧側へと抜けてゆく。

【００２１】ラビリンスシール２０は、静止部６に固着
されたシール本体２１と、シール本体２１から回転部１
側に突出した複数のラビリンスフィン２２を備えてい
る。これによって、複数のラビリンスフィン２２の先端
と回転部１の外周面との間に複数の絞り部２３が形成さ
れている。また、互いに隣接するラビリンスフィン２２
と、シール本体２１と、回転部１の外周面とに囲まれた
部分に複数のチャンバ２４が形成されている。

【００２２】シール本体２１は、その高圧部側において
上部が削り取られたような形状をしており、この削り取
られた部分と静止部６の内周面によって空間２７が形成
されている。なお、この空間２７は静止部６の内周面を
削り取ることによって形成してもよい。また、図１およ
び図２に示すように、シール本体２１には、高圧部の一
部を成す空間２７に連通するとともに、最も上流側に位
置するチャンバ２４ａに向かって空間２７から高圧流体
を導く通路２５が形成されている。この通路２５は円筒
形状で形成されており、その中心軸は回転部１の回転軸
中心線１ａに対してαなる角度を有して傾斜している。
これによって、通路２５のチャンバ２４ａ側吹出口２６
は、角度αで上流側に向かっている。なお、図１および
図２においては、通路２５はその中心軸が直線の円筒形
状で形成されているが、通路２５はその途中が曲がって
いてもよいが、チャンバ２４ａ側吹出口２６は、常に回
転部１方向であってかつ上流側に向かっていることが肝
要である。

【００２３】また、通路２５および吹出口２６の中心軸
は図１および図２に示すように回転部１の回転軸中心線
に対してαなる角度を有して傾斜させるとともに、さら
に図３に示すように、回転部１の回転軸中心線１ａ方向
に対してβなる角度をつけて形成してもよい。これによ
って、通路２５の吹出口２６は上流側に向かうととも
に、回転部１の回転方向Ｒと逆の方向に向かって形成さ
れることになる。

【００２４】また、通路２５は、１のチャンバ内に複数
設けるのが好ましい。この場合、それぞれの通路２５に
対応して設けられた複数の吹出口２６は、形成された吹
出口２６の数に対応してシール本体２１の内周を等分し
た位置に配置されている。すなわち図２および図３に示
されるように、吹出口２６は等間隔で配置される。例え
ば吹出口２６が偶数個形成される場合には、一の吹出口
２６の回転部１の回転軸中心に対する対称位置には、他
の吹出口２６が形成されることになる。

【００２５】また、図４に示すように、シール本体２１
には通路２５に加えて、異なるチャンバ間を連通する追
加通路２８をさらに形成してもよい。この場合は、下流
側のチャンバ側の開口が吹出口２６ａとなる。なお、図
５において、追加通路２８は隣接するチャンバ間を連通
しているが、吹出口２６ａを有する追加通路を離れたチ
ャンバ間に設けてもよい。

【００２６】また、それぞれの吹出口２６ａは、上流側
に向かうとともに、回転部１の回転方向Ｒと逆の方向に
向かって形成されているのが好ましい。この場合も、追
加通路２８の吹出口２６ａは、１のチャンバ内に複数設
けるのが好ましく、形成された吹出口２６ａの数に対応
してシール本体２１の内周を等分した位置に配置するこ
とが好ましい。この場合、各チャンバ内に設けられる吹
出口２６，２６ａの数は同数であることが望ましい。

【００２７】このように、各チャンバ内にそれぞれ同数
の複数の吹出口２６，２６ａが形成される場合、各チャ
ンバ内に形成される吹出口２６，２６ａは、図５に示す
ように、シール本体２１の内周方向にずらして配置され
るのが望ましい。すなわち、各チャンバ内に形成される
吹出口２６，２６ａは、下流側に行くにしたがってシー
ル本体２１の内周方向であって、回転部１の回転方向Ｒ
と逆の方向に、寸法ｘずつ、徐々にずらして配置される
のが望ましい。寸法ｘは、後述するように設計条件にあ
わせて各チャンバ内の圧力分布（図６参照）のそれぞれ
を適当に打ち消すような値に設定される。

【００２８】また、ラビリンスフィン２２の突出方向
は、回転部１の回転軸中心線に対して垂直方向に限定さ
れるものではなく、図７に示すように、ラビリンスフィ
ン２２は、その先端が上流側を向くように、回転部１の
回転軸中心線に対してθなる角度で傾いて設けてもよ
い。この場合は、吹出口２６はチャンバ内における下流
側のラビリンスフィンの近傍に形成される。

【００２９】次に、このような構成からなる本実施例の
作用について説明する。図１において、ラビリンスシー
ル２０の高圧側の流体は空間２７に導かれ、通路２５を
通って吹出口２６からチャンバ２４ａ内に吹き出され
る。ここで、吹出口２６は上流側に向かっているため、
流体は、上流側に向けて、すなわち最も上流側に位置す
るラビリンスフィン２２ａの先端部分に向けて、絞り部
２３ａから流入する流体に対して吹き付けられる。

【００３０】このため、絞り部２３ａから流入する流体
をせき止めることができ、ラビリンスシール２０を通過
する流体の漏れ量を著しく減少させることができる。ま
た同時に、ラビリンスシール２０の最も上流側に位置す
る絞り部２３ａより流入する流体の旋回成分を除去する
ことができる。これによって、チャンバ２４内の周方向
圧力の不均一は減少し、自励振動の発生を防止すること
ができる。

【００３１】また、図３に示すように、吹出口２６は、
上流側のみならず回転部１の回転方向Ｒと逆の方向にも
向いているため、高圧側の流体は吹出口２６から上流側
かつ回転部１の回転方向Ｒとは逆の方向に向かって吹き
出される。この吹き出された流体は絞り部２３ａから流
入しようとする流体と合流する。

【００３２】このため、ラビリンスシール内に流入する
流体は、回転部１の回転方向の強い旋回成分をもってい
るが、吹出口２６からの流体と合流することによって旋
回成分が打ち消され、絞り部２３ａよりも下流側では回
転部１の回転方向と逆の方向の旋回成分を持つことにな
る。

【００３３】ここで、適切な逆方向の旋回成分を発生さ
せるためには以下の事項が考慮される。回転部１の回転
数をω［ｒｐｍ］、回転部１の半径をＲ［ｍ］とする
と、絞り部２３ａにおける流体の流れの旋回成分は回転
部１の周速の半分であるとして次式で概算出来る。

【００３４】

【数２】一方、通路２５から流出する流体の速度ｖ［ｍ／ｓ］
は、密度をρ［ｋｇ／ｍ³］とすると次式で概算でき
る。

【００３５】

【数３】図３によれば、通路２５はその吹出口２６が回転方向と
逆方向を向くように形成されているが、ここで、通路２
５の中心軸と回転部１の回転軸中心とのなす角をβ［ｒ
ａｄ］とすると、吹き出し流れによって発生する逆旋回
成分は次式で表わされる。ｖsin β ………（３）ここで、（１）式の値より（３）式の値の方が大きくな
るように、吹出口２６における流体の流入圧力Ｐ_H，絞
り部２３ａにおける圧力Ｐ_L，βを設計すれば、吹き出
し流れによって形成される逆旋回成分の方が、もともと
流体が有している回転方向の旋回成分よりも大きくな
り、これによって回転方向の旋回成分を打ち消す効果が
増大する。

【００３６】また、図２または図３に示すように、１つ
のチャンバ内に２以上の通路２５が形成されそれぞれの
通路２５の吹出口２６がその数に対応してシール本体２
１の内周を等分した位置に配置されているため、流体は
それぞれの吹出口２６から同じように吹き出される。

【００３７】この場合、吹出口からの流体によって発生
するチャンバ２４内の圧力分布は周方向について略均等
となるので、吹出口２６から流体を吹き出すことによっ
て、新たに、チャンバ２４内に圧力不均一を生じさせる
ことはない。とりわけ、吹出口２６が１つのチャンバ内
に偶数個形成された場合は、各吹出口２６が回転部１の
回転軸中心に対して対称に配置されることとなるので、
チャンバ４内の圧力は周方向に対して対称となり、さら
に好ましい効果が得られることとなる。

【００３８】さらに、図４に示す実施例においては、シ
ール本体２１に異なるチャンバ間を連通する追加通路２
８がチャンバ２４ａよりも下流側のチャンバに形成され
ているため、追加通路２８の吹出口２６ａからも流体が
吹き出される。

【００３９】これによって、下流側のチャンバにおいて
も旋回流の除去及び流体の漏れ流れの減少を図ることが
できる。

【００４０】また、図５に示す実施例においては、隣り
合うチャンバの吹出口のうち上流側のチャンバの吹出口
と、下流側のチャンバの吹出口とは、各チャンバ内の圧
力分布のピークを打ち消すように、吹出口の位置を設計
条件にあわせて寸法ｘずつずらして配置されているた
め、図６に示すような各チャンバ内の圧力のピークがそ
れぞれ打ち消され、周方向の圧力不均一を緩和すること
ができる。

【００４１】なお、寸法ｘについては以下の事項を考慮
して設定することが肝要である。すなわち、図６（ａ）
（ｂ）（ｃ）にはラビリンスシール内の流体の流れの圧
力分布が示されており、このうち図６（ｂ）、図６
（ｃ）には、図６（ａ）の矢印で示す箇所の周方向圧力
分布が示されている。図６（ｂ）（ｃ）において、Ｏは
回転部１の回転軸中心であり、ｅの長さだけ静止部６の
内周の中心軸Ｏ′から偏心している。回転部１はＲの方
向に回転しており、さらに回転部１はＴの方向に振れ周
っている。このときの周方向圧力分布は図のように均一
ではなく、一部分にピークのある分布となっている。図
６（ａ）はこの周方向圧力分布のピークを、回転部１の
周りの逆回転方向の螺旋状の線で示している。このよう
に回転部１の周りを流れる流体の周方向圧力分布は、軸
方向下流に行くに従い螺旋状に逆回転方向にずれてい
く。このことを考慮することによって、寸法ｘを最適な
値に設定することができる。

【００４２】また、図７及び図８に示す実施例におい
て、ラビリンスフィン２２ｃ，２２ｄの先端が上流側を
向くように回転部１の回転軸中心線に対して傾いて設け
られており、吹出口２６はチャンバ２４ｃ内における下
流側のラビリンスフィン２２ｄの近傍に形成されてい
る。このため、通路２５の吹出口２６から流出した高圧
流体はラビリンスフィン２２ｄに沿って上流の方に逆流
するように吹き出される。ここで、図８に示すように、
吹き出された流体は絞り部２３ｄに吹きつけられ、絞り
部２３ｃが境界となって上流側から下流側への流体の流
れが遮断される。

【００４３】これによって上流側の旋回成分のある流れ
Ｆは、絞り部２３ｄから漏れ出なくなる。絞り部２３ｄ
より流出するのは吹出口２６より流れ出た旋回成分のな
い流れであるので、絞り部２３ｄを境界として、この部
分から下流側の流体の流れには旋回成分が除去されるこ
とになる。

【００４４】なお、上述したような効果を得るには、図
８に示す吹出口における流体の流入圧力Ｐ_Hが、絞り部
２３ｃにおける圧力Ｐ_Lよりも高くなるように、空間２
７、通路２５、吹出口２６等を設計することが肝要であ
る。第２実施例次に、第２実施例について説明する。図９乃至図１３は
本発明の第２実施例を示す図である。図９には、ラビリ
ンスシールが配置された回転式流体機械の一例である蒸
気タービンのタービン段落とグランド部の断面が示され
ている。図９において、回転部１に取り付けられた動翼
２と、静止部６に取り付けられた静翼４とによってター
ビン段落が構成されタービン段落には２つのラビリンス
シール２０ａ，２０ｂが配置されている。

【００４５】図９において、静翼４と回転部１との間に
配置されたラビリンスシール２０ａはノズルパッキン、
動翼２と静止部６との間に配置されたラビリンスシール
２０ｂはチップフィンとそれぞれ呼ばれる。

【００４６】また、グランド部７には、静止部６と回転
部１との間にラビリンスシール２０ｃが配置されてお
り、これはグランドパッキンと呼ばれる。

【００４７】図９に示すように、各ラビリンスシール２
０ａ，２０ｂ，２０ｃは各々ラビリンスフィン２２を備
えており、互いに隣接するラビリンスフィン２２間に複
数のチャンバ２４が形成されている。

【００４８】各ラビリンスシール２０ａ，２０ｂ，２０
ｃの入口側には入口側障害物３０ｂが配置され、チャン
バ２４内にはチャンバ内障害物３０ａが配置され、また
各ラビリンスシール２０ａ，２０ｂ，２０ｃの出口側に
は出口側障害物３０ｃが配置されている。なお、図９に
おいて、グランド部７に配置されたラビリンスシール２
０ｃには、入口側障害物３０ｂが設けられていないがこ
れに限定されるものではなく、入口側障害物３０ｂを設
けてもよい。すなわち、障害物３０ａ，３０ｂ，３０ｃ
は、設計条件に応じてその配置部位を変更することが可
能である。

【００４９】次に、図９、図１０及び図１３を参照し
て、障害物３０ａ，３０ｂ，３０ｃの配置方法を詳述す
る。なお、以下、ラビリンスシール２０ａが配置されて
いるノズルパッキン部を例にとって障害物の配置方法を
説明するが、その他のラビリンスシール２０ｂ，２０ｃ
が配置されている部位においても障害物の配置方法は略
同一である。

【００５０】図９の右側に示すように、静翼４の回転部
１側の端部である静翼先端部４ａには、３つのラビリン
スフィン２２が設けられている。この３つのラビリンス
フィン２２と回転部１の外周表面とによって２つのチャ
ンバ２４が形成されている。また、静翼先端部４ａの左
側には入口側障害物３０ｂが、右側には出口側障害物３
０ｃがそれぞれ配置されている。また、２つのチャンバ
２４の静翼先端部４ａ側には、チャンバ内障害物３０ａ
がそれぞれ配置されている。なお、図９においては、障
害物３０ａ、３０ｂ、３０ｃは静翼先端部４ａに固定配
置されているが、これに限定されるものではなく、回転
部１の外周表面上に固定配置してもよい。

【００５１】図１０は、図９に示すチャンバ内障害物３
０ａの配置状態を示している。図１０において、チャン
バ２４内に静翼先端部４ａの内周面に係止された多孔質
体３１が設けられ、この多孔質体３１によりチャンバ内
障害物３０ａが構成されている。このようにチャンバ２
４内に多孔質体３１を配置する場合、多孔質体３１は、
図１０に示すようにチャンバ２４内の空間のできるだけ
多くの部分を満たすように配置され、多孔質体３１と回
転部１の外周表面との間の空間、および多孔質体３１と
その両側のラビリンスフィン２２との間の空間ができる
だけ狭くなるようになっている。

【００５２】また、図９に示すように、ラビリンスシー
ル２０ａの入口側または出口側に多孔質体３１を配置す
る場合には、多孔質体３１とその対向面である回転部１
の外周表面との間の空間ができるだけ狭くなるようにす
るのが好ましい。

【００５３】また、流体の流れの旋回成分の減衰効果向
上の観点から、多孔質体３１は、前述した半径方向ばか
りでなく、図１３に示すように円周方向についてもでき
るだけ広範囲にわたって配置されることが好ましい。図
１３には、チャンバ２４内に多孔質体３１を配置する際
の円周方向の配置状況が示されている。すなわち，多孔
質体３１をリング状に形成して、図１３（ａ）に示すよ
うに円周方向に連続的に配置してもよく、図１３（ｂ）
に示すように多孔質体３１からなるリング状体の一部を
数箇所で削除して円周方向に断続的に配置してもよい。
図１３（ｂ）に示すように断続的な配置を行う場合で
も、多孔質体３１は、円周方向についてできるだけ広範
囲にわたって配置することが好ましい。

【００５４】また、多孔質体３１に替えて、図１１及び
図１２に示すようなチャンバ内障害物３０ａを配置して
もよい。すなわち、図１１に示すように、チャンバ内障
害物３０ａを細い針金をまるめた網状体３２によって構
成してもよい。この場合、網状体３２の針金の一端は静
翼先端部４ａの内周面に植え込まれる。また、図１２に
示すように、チャンバ内障害物３０ａをブラシ状体３３
によって構成してもよい。このブラシ状体３３は、細い
棒状体を静翼先端部４ａの内周の半径方向に向きを揃え
て任意の間隔で静翼先端部４ａの内周面に植え込み、林
立させるようにして形成されている。なお、網状体３２
及びブラシ状体３３は、必ずしも静翼先端部４ａの内周
面に直接植え込む必要はなく、リング状の基材に網状体
３２及びブラシ状体３３を植え込んで、静翼先端部４ａ
の内周、または回転部１の外周表面に装着してもよい。

【００５５】次に、このような構成からなる本実施例の
作用について説明する。本実施例によれば、図９乃至図
１３に示された障害物３０ａ，３０ｂ，３０ｃによっ
て、それぞれラビリンスシール２０の入口、出口、およ
びチャンバ２４内部に存在する流体の旋回流が減衰また
は消滅する。これによって、回転部１の自励振動発生原
因となり得る回転部１が流体から受ける流体力を除去あ
るいは減少させることができる。

【００５６】このことによって、本実施例は従来技術に
対して以下の利点を有することになる。すなわち、板状
の障害物を使用する従来の技術では旋回流をせき止める
かあるいは流れの方向を変える必要があるので、円滑な
流れの偏向を行うためには流体力学的形状の最適化設計
が必要となるが、上記のような材料を使用して障害物を
ラビリンスシール２０の前記した入口側、チャンバ２４
内，出口側の各空間に配置固定すれば、容易に漏れ流れ
の旋回流を減衰あるいは消滅する作用を得られる。

【００５７】また、従来の板状の障害物では運転中に回
転部１と板状の障害物が接触した場合、局部的な接触に
より大きな摩擦が生じるため局所的な発熱を伴い、回転
部１の熱曲がりを生じ、回転部１の振動変化あるいは損
傷の原因となる。これに対して、本実施例では障害物を
前述した多孔質体３１、網状体３２またはブラシ状体３
３によって構成しているため、材料が押しつけ力に対し
て比較的脆弱である。このため、回転部と障害物が接触
した場合には、従来の板状障害物と比較して接触部位の
障害物の摩耗あるいは変形が容易に発生するため、局所
的な発熱を低減することができ、上述した回転部１に対
する影響を低減することができる。

【００５８】また、図１３（ｂ）に示すように，障害物
が円周方向に断続的に配置された場合には、障害物と、
互いに隣接するラビリンスフィン２２とによってサブチ
ャンバ３５が形成される。

【００５９】このため，流体の流れの旋回成分は、チャ
ンバ内障害物３０ａの内部を周方向に通過してゆきなが
ら減衰してゆき、サブチャンバ３５に流出する。このと
き、さらに旋回成分は隣の障害物３０ａへと入っていこ
うとするが、このときに障害物３０ａの側面で旋回流が
乱れるため、さらに旋回成分を減少させることができ
る。第３実施例次に、第３実施例について説明する．図１４乃至図２１
は本発明の第３実施例を示す図である。図１４（ａ）に
は、グランド部７の断面が示されており、回転部１と静
止部６との間に、支持部４０に支持されたシール本体２
１と、このシール本体２１から回転部１側へ突出するラ
ビリンスフィン２２とを備えたラビリンスシール２０が
配置されている。図１４（ａ）に模式的に示された支持
部４０は、具体的には後述するように図１９乃至図２１
に示されるようなもので構成されている。

【００６０】また図１４（ｂ）には、軸方向（図１４
（ｂ）におけるｚ方向）から見たグランド部が模式的に
示されている。ここで、図１４（ｂ）において、ｍはラ
ビリンスシール２０の重量、ｋ₁は支持部４０の剛性係
数、ｃ₁は支持部４０の減衰係数をそれぞれ表してい
る。また、ｋはラビリンスシール２０と回転部１との間
に介在する流体をばねとみなして、この流体から受ける
力ｆの変動成分を表わしている。

【００６１】また、ｘは回転部１の回転軸中心線１ａの
変位を、ｙはラビリンスシール２０の変位をそれぞれ表
している。なお、ｄｙ／ｄｔおよびｄ²ｙ／ｄｔ²は、
それぞれラビリンスシール２０の速度、加速度を表して
いる。なお、図１４（ｂ）において、下向きがｘおよび
ｙの正方向である。

【００６２】次に、支持部４０の剛性係数ｋ₁および減
衰係数ｃ₁の最適値を決定する方法について図１４
（ａ），図１４（ｂ）を参照しながら説明する。

【００６３】ラビリンスシール２０が、支持部４０から
受ける力は、剛性項が−ｋ₁ｙ、減衰項が−ｃ₁（ｄｙ
／ｄｔ）、流体から受ける力は−ｋ（ｙ−ｘ）なので、
ラビリンスシール２０に関する運動方程式は、

【００６４】

【数４】である。ここで、回転部１が振幅Ｘ、角振動数ωで振動
しているとして、ｘ＝Ｘcos ωｔ＝Ｒｅ（Ｘｅ^ｉωｔ）とおく。ただしｉは虚数単位、Ｒｅ（）は複素数の実部
を示す。運動方程式を解くと、

【００６５】

【数５】となるので、回転部１に作用する流体力ｆは、

【００６６】

【数６】と表すことができる。ラビリンスシール２０の振動振幅
Ｙ、回転部１に作用する流体力の変動幅Ｆは、

【００６７】

【数７】となる。図１５および図１６は、それぞれ支持部４０の
剛性係数ｋ₁、減衰係数ｃ₁を一定として、回転部１の
角振動数ωを変化させた場合のラビリンスシール２０の
振動振幅Ｙおよび流体力の変動幅Ｆの変化を示したもの
である。ここで図中の実線で示された曲線はｃ₁＝０の
場合、破線で示された曲線はｃ₁が比較的小の場合、一
点鎖腺で示された曲線はｃ₁が比較的大の場合を、それ
ぞれ示している。ここでω₁，ω₂をそれぞれ

【００６８】

【数８】とすると、図１５から、ω＝ω₁付近でＦは最小になる
ことがわかる。自励振動が発生しているときの流体によ
る励振力の周波数成分は、回転部系の固有振動数ω_nと
一致するため、Ｆが最小になる角振動数がω_nと一致す
るように、支持部の剛性係数ｋ₁、減衰係数ｃ₁を調整
することにより、回転部１に作用する流体力を最小に
し、自励振動を抑制することができる。ここで、ω＝ω
_nとして、

【００６９】

【数９】を計算し、ｋ₁を変化させたときのＦの増減を調べると
図１７に示すように

【００７０】

【数１０】のときに、Ｆは最小となる。つまり、減衰係数ｃ₁を決
めると、ω＝ω_nでＦを最小にする弾性係数ｋ₁の値を
決めることができる。このときのＦの最小値をＦ_minと
すると、ｋ₁，Ｆ_minはｃ₁の関数となる。また、ラビ
リンスシール２０の振幅Ｙは図１６に示すように、ω＝
ω₂＝（ｋ＋ｋ₁／ｍ）^1/2で最大となる。そのときの
Ｙの値をＹ_maxとすると、Ｙ_maxもｃ₁の関数となる。
Ｙ_maxが大きいと、ラビリンスシールと回転部１の間隙
を大きくしなければならず、シール性能が落ちるため、
Ｙ_maxも小さくする必要がある。

【００７１】減衰係数ｃ₁を小さくするとＦ_minの値を
小さくすることができるが同時にＹ_maxも大きくなって
しまう。Ｆ_min，Ｙ_maxを共に小さく抑えたいので、評
価関数として

【００７２】

【数１１】を考え、ｃ₁によるＪの変化を調べ、Ｊを最小にするｃ
₁を最適値とする。ただし、ε₁，ε₂はそれぞれＦ
_min，Ｙ_maxに対する重みである。図１８は、支持部の
減衰係数ｃ₁とＪ，Ｆ_min／ε₁，Ｙ_max／ε₂の関係
を示したものである。ここで、図中実線はｃ₁をパラメ
ータとしたときのＪの変化を、一点鎖線はｃ₁をパラメ
ータとしたときのＦ_min／ε₁の変化を、破線はｃ₁を
パラメータとしたときのＹ_max／ε₂の変化をそれぞれ
示している。この図１８に示すように支持部４０の減衰
係数ｃ₁に対して、Ｆ_minは単調増加、Ｙ_maxは単調減
少であるが、両者の重み付けの和であるＪに関しては最
小値を求めることができるので、そのときの支持部の減
衰係数ｃ₁の値を最適値とする。最適なｃ₁から、最適
なｋ₁を計算することができる。

【００７３】このようにして、支持部４０の剛性係数お
よび減衰係数を決めることにより、回転部１が流体から
受ける力の軸系固有振動数成分を除去あるいは減少させ
ることができるので、シール部を通過する流体から受け
る力による回転部１の自励振動を抑制することができ
る。

【００７４】次に、図１４において示された支持部４０
の具体的な構造について図１９乃至図２１により説明す
る。図１９には、支持部４０として積層板ばね４１を用
いた構造が示されている。静止部６の内周面には積層板
ばね４１を取りつけるために、積層板ばね４１の形状に
対応した８つのくさび状の溝４２が形成されている。積
層板ばね４１はその両端部で溝部に取りつけられてお
り、それぞれの積層板ばね４１には、円周方向の４分の
１づつを受けもち回転部１をとりかこむように分割され
た状態で配置されたラビリンスシール２０が係止されて
いる。なお、図１９において、ラビリンスシール２０は
４分割されて配置されているが、これに限定されるもの
ではなく、これよりも細かく分割してもかまわない。こ
の場合積層板ばね４１は、ラビリンスシールを分割した
数に対応して設けられる。

【００７５】また、図２０には、支持部４０として係止
手段５４とスクイズフィルムダンパ５０とを用いた構造
例が示されている。係止手段５４は、適当な弾性を有す
るもので構成されていれば何でもよい。例えば、コイル
スプリング、積層板ばねのようなものであってもよい。
また、ここでスクイズフィルムダンパ５０とは、シール
本体２１と、シール本体の静止部６側に形成された溝に
挿入されたオイルシールとによって囲まれた空間に給油
口５２から供給される粘性の高い流体によって、スクイ
ズフィルム５１と呼ばれる液膜を形成させたものであ
る。

【００７６】また、図２１には、支持部４０として変形
自在な密閉容器６０を用いた構造が示されている。密閉
容器６０の内部には圧縮性流体が封入されている。また
密閉容器６０には細い管６２が取りつけられており、こ
の管６２を介して密閉容器６０は、密閉容器６０より十
分に大きい内容積を有する静止部６側に形成された密閉
室６１に連通している。また、図２０と同様に図２１に
おいてもラビリンスシールは円周方向に４分割されて配
置されているが、これに限定されるものではなく、これ
よりも細かく分割してもかまわない。この場合もやはり
同様に、密閉容器６０、密閉室６１、管６２はラビリン
スシールを分割した数に対応して設けられる。

【００７７】次に、このような構成からなる本実施例の
作用について説明する。図１９に示す実施例において
は、支持部４０として、積層板ばね４１が用いられてい
る。積層板ばね４１は、板を重ねたもので変形すると隣
り合った板との接触面で摩擦が発生するため、ばねの効
果と共に減衰の効果も持っている。このため、板の厚
さ、枚数、表面荒さを前述した計算手法により、最適な
剛性ｋ₁、減衰係数ｃ₁を設定することにより、回転部
１が流体から受ける力の軸系固有振動数成分を除去ある
いは減少させることができるので、シール部を通過する
流体から受ける力による回転部１の自励振動を抑制する
ことができる。

【００７８】図２０に示す実施例においては、係止手段
５４とスクイズフィルムダンパ５０によりラビリンスシ
ール２０を支持する支持部４０が構成されている。この
ため、ラビリンスシール２０が振動しラビリンスシール
２０と静止部６の間隙が変化すると、スクイズフィルム
５１にスクイズ効果と呼ばれる間隙の変化する速度に比
例した圧力が発生するため、減衰装置として作用する。
その間隙を大きくすると減衰係数は小さくなり、スクイ
ズフィルム５１の軸方向の幅を大きくすると減衰係数は
大きくなるので、これらの値を調整することにより、最
適な減衰を得ることができる。

【００７９】図２１に示す実施例においては、その中に
圧縮性流体が封入されているとともに管６２を介して密
閉室６１に連通する密閉容器６０によって、ラビリンス
シール２０を支持する支持部４０が構成されている。こ
のためラビリンスシール２０が静止部６の方へ動くと、
密閉容器６０は容積が小さくなるので、密閉容器内の圧
力は上昇し、また、中の流体の一部は細い管６２を通っ
て密閉室６１へ流れ、その際に管路抵抗を受ける。容積
変化による圧力変化は弾性力として、管路抵抗は減衰力
として作用する。中に封入する流体の種類および圧力、
細い管の径および長さを前述した計算手法によって、剛
性係数ｋ₁，減衰係数ｃ₁が最適な値となるように設定
することによって自励振動を最小とするような特性を持
ったラビリンスシール支持部４０を構成することができ
る。

【００８０】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、高圧流体
ををラビリンスチャンバ内へ上流側に逆流する方向に吹
き出すことにより、ラビリンスシール絞り部を通ってき
た漏れ流れに存在する旋回流が除去されるので、自励振
動が抑制される。同時に漏れ流れを吹き出し流れでせき
止め、漏れ流れの流量を大幅に減少させることが出来る
ので、シール効率が向上する。

【００８１】また、請求項８記載の発明によれば、障害
物をラビリンスシールの入口、各チャンバ内部、出口の
空間に配置することにより、ラビリンスシール間隙部を
通ってきた漏れ流れに存在する旋回流が減衰あるいは消
去されるので、流体力によって発生する自励振動を抑制
することができる。

【００８２】また、請求項１３記載の発明によれば、剛
性係数および減衰係数を最適な値に設定したラビリンス
シールの支持部を設けることにより、ラビリンスチャン
バで回転軸が流体から受ける力の変動を除去あるいは減
少させることができ自励振動を抑制することができる。
すなわち、本願発明によれば、流体力によって発生する
回転部の自励振動を抑制することができ、回転式流体機
械の運転の信頼性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】主として請求項１記載のラビリンスシールの一
実施例の断面図。

【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図。

【図３】主として請求項３記載のラビリンスシールの一
実施例であって、図２と略同一部分を示したもの。

【図４】主として請求項４記載のラビリンスシールの一
実施例を示した図。

【図５】主として請求項６記載のラビリンスシールの一
実施例であって、図２と略同一部分を示したもの。

【図６】ラビリンスシールを通過する流体の圧力分布を
示す図。

【図７】主として請求項７記載のラビリンスシールの一
実施例を示す図。

【図８】図７記載のラビリンスシール内での流体の流れ
を示す模式図。

【図９】主として請求項８記載の障害物の配置を示す
図。

【図１０】多孔質体障害物をチャンバ内に配置した状態
を示す図。

【図１１】網状体障害物をチャンバ内に配置した状態を
示す図。

【図１２】ブラシ状体障害物をチャンバ内に配置した状
態を示す図。

【図１３】障害物の全体的形状を示す斜視図。

【図１４】請求項１３および１７記載の発明の一実施例
を示す図であって、最適な剛性係数及び減衰係数を計算
する上での変数及び定数の概念を示す模式図。

【図１５】周波数と流体力の変動幅との関係を示す図。

【図１６】周波数とラビリンスシールの振幅との関係を
示す図。

【図１７】支持部の剛性係数と流体力の変動幅との関係
を示す図。

【図１８】支持部の減衰係数と評価関数との関係を示す
図。

【図１９】請求項１４記載の支持体の一実施例を示す
図。

【図２０】請求項１５記載の支持体の一実施例を示す
図。

【図２１】請求項１６記載の支持体の一実施例を示す
図。

【図２２】従来の蒸気タービンの構成図。

【図２３】従来の蒸気タービンの構成図。

【図２４】回転部まわりの圧力分布を示す図。

【図２５】旋回防止板が設けられた従来のラビリンスシ
ール内の流体の流れを示す図。

【符号の説明】

１回転部２動翼３シュラウド４静翼５ノズルダイヤフラム６静止部７グランド部８軸受９ルートフィン１０チップフィン１１グランドフィン１２最終段動翼１３ノズルパッキン１４グランドパッキン１５圧力分布２０ラビリンスシール２１シール本体２２ラビリンスフィン２３絞り部２４チャンバ２５通路２６吹出口２７空間２８追加通路３０障害物３１多孔質体障害物３２網状体障害物３３ブラシ状体障害物３５サブチャンバ４０支持部４１積層板ばね４２溝５０スクイズフィルムダンパ５１スクイズフィルム５２給油口５３オイルシール５４係止手段６０密閉容器６１密閉室６２管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転式流体機械を構成する回転部とこれを
包囲する静止部との間に配置され、静止部内を高圧部と
低圧部とに区画するラビリンスシールにおいて、前記ラビリンスシールは静止部に固着されたシール本体
と、このシール本体から回転部側に突出して回転部との間に
絞り部を形成するとともに複数のチャンバを形成する複
数のラビリンスフィンと、を備え、前記シール本体には前記高圧部から前記チャンバに向か
って流体を導く通路が形成され、この通路のチャンバ側
吹出口は流体の流れ方向上流側に向かっていることを特
徴とするラビリンスシール。
【請求項２】前記吹出口は、最も上流側に位置するチャ
ンバに形成されたことを特徴とする、請求項１記載のラ
ビリンスシール。
【請求項３】前記吹出口は、前記回転部の回転方向と逆
の方向に向かって形成されたことを特徴とする、請求項
１または２記載のラビリンスシール。
【請求項４】前記シール本体に異なるチャンバ間を連通
する追加通路がさらに形成され、前記追加通路の吹出口
は前記上流側に向かっていることを特徴とする、請求項
１乃至３のいずれか記載のラビリンスシール。
【請求項５】１のチャンバに対して前記吹出口が２以上
形成されており、それぞれ吹出口はその数で前記シール
本体の内周を等分した位置に配置されたことを特徴とす
る、請求項１乃至４のいずれか記載のラビリンスシー
ル。
【請求項６】各チャンバに対して前記吹出口が２以上形
成され、それぞれ吹出口はその数で前記シール本体の内
周を等分した位置に配置されており、隣り合うチャンバ
の吹出口のうち上流側のチャンバの吹出口と、下流側の
チャンバの吹出口とは互いにずれて配置されていること
を特徴とする、請求項１乃至５のいずれか記載のラビリ
ンスシール。
【請求項７】前記ラビリンスフィンは、その先端が上流
側を向くように前記回転部の回転軸中心線に対して傾い
て設けられており、前記吹出口は前記チャンバ内におけ
る下流側のラビリンスフィンの近傍に形成されたことを
特徴とする、請求項１乃至６のいずれか記載のラビリン
スシール。
【請求項８】回転式流体機械を構成する回転部とこれを
包囲する静止部との間に配置され、静止部内を高圧部と
低圧部とに区画するラビリンスシールにおいて、前記静止部から回転部側に突出して回転部との間に絞り
部を形成するとともに複数のチャンバを形成する複数の
ラビリンスフィンを備え、前記ラビリンスシールの入口および出口および前記ラビ
リンスシールのチャンバ内のうち少なくとも１つに、障
害物を設けたことを特徴とするラビリンスシール。
【請求項９】前記障害物は多孔質体によって構成されて
いることを特徴とする、請求項８記載のラビリンスシー
ル。
【請求項１０】前記障害物は網状体によって構成されて
いることを特徴とする、請求項８記載のラビリンスシー
ル。
【請求項１１】前記障害物は前記回転部の半径方向に配
置されたブラシ状体によって構成されていることを特徴
とする、請求項８記載のラビリンスシール。
【請求項１２】前記障害物を周方向全周にわたって配置
したことを特徴とする、請求項８乃至１１のいずれか記
載のラビリンスシール。
【請求項１３】回転式流体機械を構成する回転部とこれ
を包囲する静止部との間に配置され、静止部内を高圧部
と低圧部とに区画するラビリンスシールにおいて、前記ラビリンスシールは静止部に設けられたシール本体
と、このシール本体から回転部側に突出して回転部との間に
絞り部を形成するとともに複数のチャンバを形成する複
数のラビリンスフィンと、静止部とシール本体との間に介在され、前記シール本体
を支持するとともに所定の剛性係数ｋ₁および減衰係数
ｃ₁を有する支持手段と、を備えたことを特徴とするラ
ビリンスシール。
【請求項１４】前記支持手段は、積層板ばねによって構
成されていることを特徴とする、請求項１３記載のラビ
リンスシール。
【請求項１５】前記支持手段は、スクイズフィルムダン
パによって構成されていることを特徴とする、請求項１
３記載のラビリンスシール。
【請求項１６】前記支持手段は、前記静止部に形成され
た管を介して密閉室と連通するとともにその内部に圧縮
性流体が封入されている変形自在の密閉容器によって構
成されていることを特徴とする、請求項１３記載のラビ
リンスシール。
【請求項１７】前記支持手段の剛性係数ｋ₁および減衰
係数ｃ₁を、次式によって表される評価関数Ｊの値を最
小にするように定めたことを特徴とする、請求項１３か
ら１６いずれか記載のラビリンスシール。【数１】