JPS6116208A - ラビリンスシ−ル装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、蒸気タービン等の回転流体機械に用いられる
ラビリンスシール装置に関する。

〔従来の技術〕

従来のラビリンスシール装置としては、第６１７１（第
７図のＶｌ−＼１１矢視断面図）および第７図（第６図
の＼“■−＼°■矢視断面図）に示すものや、第８図（
第９図の＼“■−＼・“■矢視断面図）および第９図（
第８図のＩＸ−ＩＸ矢視断面図）に示すものがあり、い
ずれも回転流体機械における静止体１と回転体２との間
に、全体としてリング状のラビリンスシール３が介装さ
れている。

そしてラビリンスシール３は、複数の円弧状シール片３
ａで構成され、各シール片３ａか板ハネとしての抑圧バ
ネ４で軸心方向へ押圧されることにより、シール片３ａ
相互か密着し合って、同シール片３ａと同ｒｉ：木２ど
の間に所定の微小隙間８が形成されるようになっている
。

したがって、シール片３ａの先端が回転体２に接触した
場合には、バネ４の押圧力に抗してシール片３ａが持ち
上げられ、その接触圧が軽減されるようになっている。

〔発明力惰イ決しようとする問題点〕

ところで上述のような従来のラビリンスシール装置では
、各シール片３ａと回転体２との微小隙間εは調節する
二とか゛できない。

そこで、十分なシール（幾能を持たせるため微小隙間ｇ
を極力小さく設定しておくと、前述のシール片３ａと回
転体２との接触が生じやすくなり、摩耗により微小隙間
ｇか拡大して、シール能力の低下を来たすという問題点
かある。

特に蒸気タービンの起動時の危険速度通過時の振動およ
び単室の過渡的熱変形がラビリンスシール３の回転体へ
の接触をもたらすような場合には、上述のシール能力の
低下が著しくなる。

また組立の際、回転体２とラビリンスシール３との間の
隙間を広げる必要があるので、シール性能を低下させる
おそれがあり、十分なシール性能を確保するためには、
ラビリンスシール３のフィンの列を増さなければならず
、これに伴い回転体２の軸方向の長さが長゛くなるとい
う問題点が生しる。

本発明は、これらの問題点の解決をはかろうとするもの
で、ラビリンスシールを半径方向に移動調整できるよう
にすることにより、たとえは回転体との接触を起こしや
すい起動時には、ラビリンスシールを回転体からやや遠
ざけて、前述の微小隙間を太きくし、冗常運転状態では
ラビリンスシールな回転体（−近づけ、上記微小隙間を
できるだけ小さくできるようにして、漏洩損失の防止を
はかり、かつラビリンスシール自体の摩耗も防止できる
ようにした、ラビリンスシール装置を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

このため本発明のラビリンスシール装置は、回転流木成
誠における回転体と同口転本の外側の静止体との間に所
要の微小隙間を形成すべく、同静止体の内周に沿い支持
バネを介して装着されたラビリンスシールをそなえ、同
ラビリンスシールが複数の円弧状シール片で構成されて
、ニス１らのシール片を半径方向に駆動することにより
上記微小隙間を調節しうる流体圧式駆動機構が設けられ
、同駆動機構が、上記シール片の外周面と」、記静止本
の内壁面とのＨ打に形成された加圧室と、」−配回転木
の回転作動に伴って高くなる敗械内部圧を上記加圧室へ
導入すべく」二記シールｊ旨こ形成された通孔とで構成
されていることを特徴としている。

〔作　用〕

−Ｌ述の本発明のラビリンスシール装置では、複数の円
弧状シールハに分割されたラビリンスシールが、各シー
ル片を流体圧式駆動機構ｔこよ１）半径方向へ駆動され
て、回転体との隙間を自由に調節できるようになってい
るので、初期振動および単室の過渡的熱変形によるシー
ルと回転体との接触を起こす恐れのある起動時には、シ
ールと回転体との隙間が十分に拡げられ、接触の起こる
恐れの少ない定常運転時には、上記隙間がでとるだけ小
さく調節される。

〔英施例〕

以−ト、図面により本発明の実施例について説明すると
、第１〜４図は本発明の第４実施例としてのラビリンス
シール装置を示すもので、第１図はその要部を示す断面
図（第２図のＩ−１矢視断面図）、ｉ２図は第１図の■
−■矢視断面図、第３図は第２図のＩ−１矢視断面図、
第４圓は」−記装置の作動ル、態の変化を示すグラフで
あり、第５図は本発明の第２実施例としてのラビリンス
シール装置の要部を示す横断面図である。

まず本発明の第１実施例について説明すると、第１〜３
図に示すように、タービンのごとき回転流体（（対酸に
おける静止体１と回転体２どの開に、複数の円弧状シー
ル片３’ａ１３　＋１．３　Ｃ，・・・に分割された全
能としてリング状のラビリンスシール３が、支持ハネ・
ｌａ、４１〕を介して装着されでおり、本装置では特に
静止体１とラビリンスシール３との間に各シール片３ａ
、３ｂ、・・を半径方向に駆動するための加圧室Ｓか形
成さノ１ている。

そして、各シール片３ａ、３ｂ、・・・には高圧側（第
１図のＰ０側）から低圧側（第１図のＰ、側）へ貫通す
る通孔６か設けられ、さらに加圧室５と通孔６の中間部
とを結ぶ通孔７か設けられている。

このようにして、加圧室５と通孔６，７により、シール
片３ａ、３ｂ、３ｃ、・・・を半径方向に駆動する流木
圧式駆動機構が構ｒＩｉ、されている。

なお、支持バネ４ａ、４ｂはラビリンスシール３を中立
位置に保持するものであるが、１個の支持バネでこの作
用を行なわせることもできる。

また支持ハネ４ａ、４ｂの装着位置については、各シー
ル片３ａ、３１〕、３ｃ、・・・の円周方向における中
央部あるいは両端部など適宜に定めることができる。

またラビリンスシール３には、静止体１とラビリンスシ
ール３との隙間ｇ′を部分的に小さくするための段差１
１が設けられていて、これ【こよりラビリンスシール３
に働く軸方向スラストの軽ｉ威がはがられている。

ところで、一般に回転流体機械内部の圧力は回転数の上
昇とともに高くなるが、本装置ではこの内部圧力を利用
して回転体２とラビリンスシール３との微小隙間８が制
御される。まず、回転体２が静止している時には、第１
図に示す支持バネ４ａ、４ｂの初期バネ力によって、ラ
ビリンスシール３は第１図に示す位置よｌ）も上方へ、
すなわち軸心とは逆の方向に押し上げられ。

ている。

次に、この回転流体機械が作動を開始して回転体２が回
り始めると、高圧側の圧力Ｐ。が上昇すると同時に、こ
の高圧側と通孔６，７によって連通している加圧室５の
圧力Ｐｐも上昇し、これによりラビリンスシール３は軸
心方向へ押し下げられようとする。

しかし、ラビリンスシール３は、支持バネ４ａ、４ｂの
初期バネ力に打ち勝つまでは動かず、加圧室５の圧力が
初期バネ力を超えると、＄１図および第２図に示すよう
に、ラビリンスシール３は軸心方向へ押し下げられる。

したがって、微小隙間ｇは初期の比較的大きな隙間から
図示のような十分に小さな隙間に変わる。

これらの動作により、回転体２とラビリンスシール３と
の接触が生じやすい回転体２の起動時には、微小隙間ｇ
を比較的大きく保つことができ、回転体２の振動が減少
する定常運転時には、微小隙間ｇを十分に小さく保つこ
とができる。

ところで、上記の機構だけでは次のような問題点を生じ
ることがある。すなわち、回転流体機械内部の圧力は、
回転体２の回転数の変化のみならず負荷率の変化によっ
ても変化する場合か多いので、負荷率が増大した場合、
高圧側の圧力Ｐ。か非常に大きくなり、それによって加
圧室５の圧力も増大して必要具」二にラビリンスシール
３が軸心方向へ押し下げられ、回転体２どの接触を起こ
す恐れがある。

そこで、本発明の実施例では、第１図および第２図に示
すように、ラビリンスシール３の内側にボケ７）溝８が
形成されるとともに、このポケット溝８を高圧側と連通
させる通孔９かラビリンスシール３に穿設されている。

ポケット溝８は、第２図に示すように、各シール片３　
ａｌ　３　ｂ＋　３　Ｃ＋・・・の内仙１中央部におい
て、円周方向の長さｐｌを持つように設けられている。

また、第１図に示すように、各シール片３ａ＋３ｂ＋３
ｃ＋・・・において、ポケノｌ溝８のある部分ではフィ
ン］（）は１個のみであるか、それ以外の部分では、第
３図に示すように、複数のフィン１０が設けられている
。

前述のように、加圧室５の圧力か上昇して、ラビリンス
シール３が軸心方向へ移動し、微小隙間８がある程度減
少すると、ポケット溝８内の圧力Ｐｌか１−昇するので
、これに伴いラビリンスシール３には軸心方向と逆向き
の押し上げ力か働き、この圧力Ｐ１による押し上げ力と
支持バネ４．ａ、４ｂの力との和か、加圧室５において
生じる軸心方向への力と対抗するようになり、したか゛
ってラビリンスシール３は必要以上に軸心方向へ押し下
げられることはない。これにより回転体２とラビリンス
シール３との接触が防止され、しかも微小隙間８は十分
に小さく保たれるのである。

以上のように本実施例においては、回転流体機械め停止
中や低回転時の場合、さらに定常運転時にあっても負荷
率か小さい場合には、回転ｔ４−２とラビリンスシール
３との微小隙間ｇが犬きく保たれるが、加圧室５のみな
らずポケット溝８をラビリンスシール３に設けることに
よって、回（体２の回転数ならびに負荷率の増大に関係
なく定常運転時において自動的に適切な微小隙間ｇが保
たれるのであり、回転体２とラビリンスシール３との無
用な接触が防止される。

なお、数式により本実施例が成立するための条件な求め
ると、次のようになる。

（１）微小隙間εとポケット溝８内の圧力Ｐ１との関係
今、低圧側の圧力を基準にしてＰ２＝Ｏ（ｋｇｕ＋／Ｃ
ｍ２）とする。

Ｐｏ；高圧側の圧力　　　　　　　（ｋｇｗ／ｃｍ２）
Ｐｌ；ポケット溝８の圧力　　　　（ｋｇｗ／ｃｍ２）
８　：隙間　　　　　　　　　　　（ｃ＋Ω）ρ１；ポ
ケット溝８の長さ　　　　（ｃｍ）ρ１；フィン溝１３
からの等価流入長さ　（Ｃｍ）Ａｏ；通孔９の等価面積
　　　　（ｃｍ”）とすると、ポケット溝８への流入量
と、それらからの流出量とのバランスから、 Ｐ１＝［（Ａｏ＋ｇ’Ｒｉ）”／ｆｇす１２＋（ＡＱ＋
ｇＮ　１）２１］　１　ｐ。

＝ＣｃｍＰｏ　　　　　　　　　　　　・・・（ａ）（
２）ラビリンスシール３の側面−１２の摩擦力と軸心方
向への所要押し下げ力（−Ｆ）との関係Ａｐ＝ｂ、・ρ
ｐ：加圧室の加圧面積　（Ｃｍ２）（第１図および第２
図参照） Ａ　Ｉ　”　ＣＡ　Ａ　Ｉ）　：ポケット溝８の面積（
Ｃｍ２）・・（ｂ）Ａｆ；ラビリンスシール３の下面の
面積　（Ｃｍ２）μ　；ラビリンスシール３と静止体１
との間の静止摩擦係数 Ａｓ；ラビリンスシール３側面の等価加圧面積（Ｃｍ２
）Ｐｐ＝（１−β）Ｐｏ−αＰ０；加圧室５の圧力（ｋ
ｇｕ＋／ｃ＋ｎ”）（第１図参照）　・・（Ｃ） Ｆｋｏ；初期バネ力　　　　　　　（ｋｇｕ＋）ｋ　；
バネ定数　　　　　　　　　（ｋｇｕ＋／ｃｍ）ｇｏ；
初期隙間　　　　　　　　　（Ｃ１ｎ）Ｐｒ；ラビリン
スシール３下面の平均圧力（ｋｇｕ＋／ｃ＋ｎ２）とし
て摩擦力と半径方向の押し下げ力および押しとげ力との
関係は、 μＡｓＰ−≦ｌ　ＡｐＰｐ−Ａ、Ｐｌ−ＡｆＰｆ−ｋ（
ｇｏ−ｇ）−Ｆｋｏ　ｌ・・・（ｄ） ただし、Ａ「’；Ａｐ−ｂＩＬ＝（１−ＣＡ）Ａｌｌ　
　・・（ｅ）（ｄ）式は（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）、（ｅ
）式によりμ・（ＡｓＺＡｐ）・ＡｐＰｏ ≦ｌＡｐαＰｏ　　ＣＡＡｐＣｃＰｏ　　（ｌ　　ＣＡ
）ＡｐＰｆ−ｋ（ｇｏ　ｇ’１−Ｆｋｏｌしたがって、 μ・（ＡｓＺＡｐ） ≦１α−ＣＡＣｃ−（１−ＣＡ）（Ｐｆ／Ｐｏ）　　ｌ
Ｆｋ、＋ｋ（ｓ。−［１）Ｉ／ＡｌｌＰｏ１・・・（ｆ
） この（ｆ）式が本実施例の成立するための条件である。

また、第・１図は、横軸に回転体２とラビリンスシール
３との隙間ｇをとり縦軸に正負の押し上げ力Ｆをとって
、ある圧力Ｐ。における押し上げ力Ｆと隙間ｇとの関係
を示すグラフであり、２点鎖線の曲線■はボケシト溝８
の圧力Ｐ１による押し上げ力Ａ、Ｐ、を示し、１点鎖線
の直線■は加圧室５の圧力ｐｌ＋による押し下げ力Ａ　
ｐ　Ｐ　１１を示し、破線の直線■はバネ力ｋ（ｇｏ　
　ｇ）で初期ハネ力Ｆｋｏ＝０の場合を示している。し
たがって実線の曲線Ｉ＋ｎ＋］ＩＩが上記の力の和を示
し、押し下げ力（−Ｆμ）との交点の島の値は、高圧側
の圧力かＰ。であるときの隙間ｇの値となる。また、上
流側の圧力Ｐ。

の増減に応じて実線で図示する曲線（Ｉ＋ＩＩ＋ＩＩ［
）の傾斜も増減する。したがって、回転体２とラビリン
スシール３との隙間ｇの値ｇａも変化するので、希望す
る隙間８と圧力との関係を与えることができる。

次に本発明の第２実施例について説明すると、第５図に
示すごとく、本実施例ぞは、前述の第１芙施例における
ボケシト溝８が、ラビリンスシール３の両端に設けられ
ている。

この第２実施例は、回転体２の直径か大きくて、各シー
ル片３ａ、３ｂ、３ｃ、・・・の長さが長くなる場合に
適用すると、安定した動作が期待できる。

また第５図の装置では板バネ４か加圧室５に設けられて
いるが、これにより十分な加圧力か得られ、さらにこの
板バネ４と支持バネ４ａ、４ｂとによって、ラビリンス
シール３全体の揺れが少なくなるので、ラビリンスシー
ル３か安定するという利点かある。

たたし、池に適当なシール保持機構があれば、この板ハ
ネ４は省略できる。

なお、図示はしていないか、次のような変形例ら考えら
れる。すなわち、ボケシト溝８の圧力源として（幾械の
外部または内部の特定の部分の流体を用い、静止体１を
貫通してラビリンスシール３の低圧側の密着面１２に至
る導管を設け、この途中に可変オリフィスを設けること
により、何らかの信号に応じてポケット溝８の圧力を制
御するようにしてもよい。この場合は、たとえば定格負
荷状態においても異常に振動が大きいときに、回転体２
とラビリンスシール３との隙間ｇを大とく保持すること
ができるので、自由度の高い隙間制御が可能となる。

また上述のような変形例では、圧力源としてラビリンス
シール３の高圧側よりも圧力の高い所をポケノート溝８
につなぐと、気体軸受の原理によって大きな押し」二げ
力か得られるため、回転体２とラビリンスシール３との
隙間ｇを、第１，２実施例の場合よりもはるかに小さく
できるので、漏れ損失をさらに減少させる利点がある。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明のラビリンスシール装置に
よれば、回転体とシールとの微小隙間を回転流体機械等
の運転状況に応して調節できるので、次のような利点が
得られる。

（１）回転流体機械の回転数上昇・下降の際の危険速度
通過時において回転体の振動が大きくなっても、回転体
とラビリンスシールとの接触が起こらないので、その接
触時に生じる回転体の曲がりや、それによる振動、シー
ルの摩耗等が回避される。

（２）回転流体機械の過渡的運転状態特に負荷率が低い
ときに、静止部に不均一な温度分布が生じて、その非軸
対称な変形による回転体との接触が起きやすく、（１）
項と同様な問題が生じるが、これも本発明の装置では隙
間ｇを大きく保持するので回避できる。

（３）　（２）項の好ましくない変形を生している状態
で、すでに圧力が上昇して隙間か小さくなった場合でも
、本発明の原理により円周上のどのシール片の隙間も回
転体に対して一定に保持されるので、全運転条件下で静
止部分の変形を考慮する必要がない。

（４）　（１）〜（３）項の効果によって全運転状態で
回転体とラビリンスシールとが接触することはなく、負
荷率の大きい状態で高いシール性能が得られるので、従
来のように回転体とラビリンスシールとの接触を回避す
るために、回転流体機械の組立てに際して回転体とラビ
リンスシールとの開に余分な隙間を与える必要がなくな
り、これによりラビリンスシールの漏れ損失が小さくな
って、機械の効率改善がはかれる。

（５）回転体が振動しながら回わった場合、回転体とラ
ビリンスシールとの隙間に不同を生じて不安定な振動を
助長するような力を生じる場合かあるが、本発明におい
ては隙間は一定に保持されるので、そのような心配かな
い。

（６）回転体とラビリンスシールとの間の微小隙間を調
節するために前述の実施例のように駆動源を流体機械内
部の流体の圧力を用いたものとすれば、全運転時を通じ
何ら外部からエネルギーや信号を供給する必要かなく、
また自動的に微小隙間が変更されるように調節しておく
ことか可能なので、自己完結型の制御かでと、したかっ
てメインテナンスフリーとなり、かつ信頼性および耐久
性が高くなる。

（７）回転流体機械内部の流体の圧力をラビリンスシー
ルの駆動源として利用できるので、シール温度が高温で
ある場合にも、特別の防熱等の保護手段を必要とせずに
シール駆動源が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明の第１実施例としてのラビリンスシ
ール装置を示すもので、第１図はその要部を示す断面図
（第２図のＩ−Ｉ矢視断面図）、第２図は第１図の■−
■矢視断面図、第３図は第２図の■−■矢視断面図、第
４図は上記装置の作動状態の変化を示すグラフであり、
第５図は本発明の第２実施例としてのラビリンスシール
装置の要部を示す横断面図であり、第６゜７図は従来の
ラビリンスシール装置の一例を示すもので、第６図はそ
の要部を示す断面図（第７図の＼７１−＼パ■矢視断面
図）、第７図は第６図の＼・“■−＼ｉＩＩ矢視断面図
であり、第８，９図は従来のラビリンスシール装置の他
の例を示すもので、第８図はその要部を示す断面図（第
９図の＼・“■−＼７］ＩＩ矢視断面図）、＠９図は第
８図の１Ｘ−ＩＸ矢視断面図である。 １・・回転流体機械の静止体、２・・回転体、３・・ラ
ビリンスシール、３ａ、３１ｇ３ｃ・・シール片、４・
・板バネ、４ａ、４ｂ・・支持バネ、５・・加圧室、６
．７・・通孔、８・・ポケット溝、９・・通孔、１０・
・フィン、１］・・段差、１２・・密着面、１３・・フ
ィン溝、ｇ・・微小隙間、ｇ′　・・隙間、Ｐ、・・高
圧側の圧力、Ｐｌ・・ポケット溝内の圧力、Ｐ２・・低
圧側の圧力、Ｐρ・・加圧室の圧力、１〕１・・ポケッ
ト溝の軸方向の長さ、ｂｈ・・静止体と回転体との距離
、ｂｒ・・ラビリンスシールの軸方向の長さ、β１〕「
・・高圧側から通孔までの距離、β１・・ポケット溝の
円周方向の長さ、ρｐ・・各シール片の外側の円周方向
の長さ。 復代理人　弁理士　　飯　沼　義　彦 第　１　区 ■１ 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 ■→ 第７図 り■ 第８図 ■１ 第９図 し■ 手続補正書 昭和６０年　９月２８Ｅ 昭和５９年特　許願　第１３６２９４号２　発明の名称 ラビリンスシール装置 ３　補正をする者 事件との関係　出願人 郵便番号　　　１００ 住所　　　　　東京都千代田区丸の内二丁目５番１号名
称（６２０）　　　三菱重工業株式会社４復代理人 郵便番号　　　１６０ 住所　　　　　東京都新宿区南元町５番地３号５　補正
命令の日イ］ ６　補正の対象 １　　　　　　明細書の発明の詳細な説明の欄。 ７　補正の内容 （１）明細書第１１頁の第３行、第５行および第６行に
それぞれ記載された［ｋＨＪを、いずれもｒｋ８Ｌｌと
訂正する。 （２）明細書第１２頁第５〜１４行に記載されたｒ　　
Ｐｐ＝（１−β）Ｐｏ二〇Ｐ　Ｏ：加圧室５の圧力（ｋ
Ｂｕ＋／ｃｔｏ”　）（第１図参照）　・・（ｃ） ａＡｓＰ、≦ｔＡｐＰｐ　　Ａ＋Ｐ１−Ａｒｐｒ　　ｋ
（ｇｏ　　ｇ）　　”’。１・・・（ｄ）」 を、次のとおり訂正する。 ［Ｐ１］＝（］−β）Ｐｏ＝ａＰｏ：加圧室５の圧力（
ｋＢｆ／ｃ＋ｏ２）（第１図参照）　・・（Ｃ） 一；摩擦力　　　　　　　　　（ｋｇｆ）Ｆｋｏ；初期
バネ力　　　　　　　（ｋｇｆ）ｋ　；バネ定数　　　
　　　　　　（ｋｇｆｌは）ｇｏ；初期隙間　　　　　
　　　　（ｃｌｏ）Ｐｆ；ラビリンスシール３下面の平
均圧力（ｋｇｆ／ｃｍ’）として摩擦力と半径方向の押
し下げ力および押し上げ力との関係は、 μＡｓＰｏ≦１ＡｐＰｐ　ＡＩＰ　１ＡｆＰｆ　ｋ（ｇ
ｏ−ｇ）　Ｆｋｏｌ・・・（ｄ）Ｊ （３）明細書第１３頁第１３行の「押し下げ力」を削除
する。 （４）明細書第１３頁第１４行の［（−Ｆμ月を、ｒ−
ＦＡＪと訂正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転流体機械における回転体と同回転体の外側の静止体
   との間に所要の微小隙間を形成すべく、同静止体の内周
   に沿い支持バネを介して装着されたラビリンスシールを
   そなえ、同ラビリンスシールが複数の円弧状シール片で
   構成されて、これらのシール片を半径方向に駆動するこ
   とにより上記微小隙間を調節しうる流体圧式駆動機構が
   設けられ、同駆動機構が、上記シール片の外周面と上記
   静止体の内壁面との間に形成された加圧室と、上記回転
   体の回転作動に伴って高くなる機械内部圧を上記加圧室
   へ導入すべく上記シール片に形成された通孔とで構成さ
   れていることを特徴とする、ラビリンスシール装置。