JPS6259208B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は蒸気タービン等に用いられるラビリン
スパツキンに関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般にタービンのタービン作動流体、例えば蒸
気の漏洩防止のために各種パツキンが用いられて
いる。例えば蒸気タービンのタービンロータとケ
ーシングとの隙間等で生じるロータ軸線方向に沿
つた蒸気の漏洩通路からの漏洩を防止するために
用いられるものにラビリンスパツキンがある。こ
のラビリンスパツキンは、タービンロータの表面
にタービンロータの軸と同軸の円周溝が多数設け
られ、ケーシングに一端が固定されたパツキンフ
インの他端が自由端として溝が設けられたタービ
ンロータ表面に近接するように設けられている。
このパツキンフインはタービンロータ軸方向に複
数個設けられ、タービンロータとケーシングとの
隙間に狭部、拡大部を多数形成する。

このようにラビリンスパツキンが設けられてい
ると、漏洩する蒸気が狭部にて絞られ、拡大部に
て速度が減殺されることを繰返し、蒸気の漏洩が
防止される。

しかしながら、蒸気タービン作動流体には例え
ば566℃246Kg／cm²程度の高温高圧蒸気を用いるの
で、蒸気タービン作動時の温度上昇に伴ない、ケ
ーシングとタービンロータとの隙間等の漏洩通路
が熱膨張により広がつてしまい、漏洩蒸気量が増
加してしまうという問題点があつた。このような
漏洩蒸気の増加は圧力損失をもたらし蒸気タービ
ンの効率を低下させてしまうという問題点もあつ
た。このような熱膨張による蒸気の漏洩は高効率
化のための蒸気の高温高圧化に伴ない顕著なもの
となつてきた。

以上のような漏洩を防止するためには、パツキ
ンフインとロータとの間隔の縮少、パツキンフイ
ンの数の増加等の方法が考えられるが、前者はラ
ビングという運転上のトラブル、後者はスパンの
増長につながり、これに伴いタービンロータが長
くなる等の問題があるため、おのずから限界があ
り、漏洩蒸気量の減少は非常に難かしい問題であ
つた。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、
タービン作動流体の漏洩を減少し、タービン効率
を向上するラビリンスパツキンを提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

本発明のラビリンスパツキンは、タービンロー
タとケーシングの隙間、タービンロータとノズル
ダイヤフラムの内輪との隙間、ケーシングと動翼
との隙間等のタービン作動流体の漏洩通路に狭
部、拡大部を形成するようにバイメタルからなる
パツキンフインが設けられている。このバイメタ
ルからなるパツキンフインは、高圧側が凹面で低
圧側が凸面であり、タービン作動時の高温環境
で、この漏洩通路を狭くする方向に変位するよう
に構成されている。

タービン作動流体としては蒸気、高温燃焼ガス
等の高温高圧の流体を用いるので、タービン作動
時の温度上昇に伴なうケーシング、タービンロー
タ等の熱膨張により前述の漏洩通路の隙間が広が
るが、本発明によればパツキンフインがバイメタ
ル効果によりこの漏洩通路を狭くするように変位
するので、熱膨張による漏洩通路の広がりによる
タービン作動流体の漏洩量の増加を防止すること
ができる。

〔発明の実施例〕

実施例 １ 本発明を蒸気タービンのタービンロータとケー
シングとの隙間からの蒸気漏洩の防止に用いた実
施例―１を示す。第１図に蒸気タービンの部分断
面図を示し、第２図に第１図中要部ａの拡大図を
示す。

タービンロータ１の表面には、タービンロータ
１の回転軸と同軸の円周溝２が軸方向に複数個設
けられている。またケーシング３には円弧状のパ
ツキンリング４が、例えばバネ等の伸縮可能な固
定部材５にて固定され、このようなパツキンリン
グ３は複数個組合わせられ、円環状に構成されて
いる。このパツキンリング３のタービンロータ１
に対向する表面にはパツキンフイン６がタービン
ロータ１軸線方向にそつて複数個設けられてお
り、このパツキンフイン６の一端はパツキンリン
グ４に固定され、他端は自由端として、タービン
ロータ１の円周溝２が設けられた表面に近接する
ように設けられている。従つてパツキンフイン６
の自由端とタービンロータ１表面との隙間で漏洩
通路の狭部を構成し、隣りあうパツキンフイン６
の間が拡大部となり、この狭部、拡大部のくり返
しにより蒸気の漏洩を防ぐことになる。

このパツキンフイン６は２枚の熱膨張係数の異
なる板材が接合された板状のバイメタルからな
る。例えば低熱膨張係数を有する板材８として13
％Cr―Feのフエライト系ステンレス鋼、高熱膨
張係数を有する板材７として18％Ni―12％Cr―
Feのオーステナイト系ステンレス鋼を用い、こ
のパツキンフイン６は高熱膨張係数を有する板材
７側から低熱膨張係数を有する板材８側に向かつ
て凸となるように湾曲している。

以上のように構成された蒸気タービンにおいて
は、高温蒸気によりタービンロータ１及びケーシ
ング３ともに熱膨張を生じ、タービンロータ１と
ケーシング３との隙間が広がるが、バイメタル効
果によりパツキンフイン６がこの隙間を狭くする
方向に変位するので、前記隙間の広がりをうちけ
すことができ、パツキンフイン６の自由端の先端
とタービンロータ１表面との間隔が広がることが
ない。よつてこの間隔の広がりによる漏洩蒸気量
の増加を防止することができるので、蒸気タービ
ン効率が向上される。

またこの隙間の制御はバイメタル効果による変
位量を調整することにより行なうことができるの
で、部品数を増加することなく漏洩蒸気量を減少
することができる。また設計時には熱膨張による
隙間の広がりをパツキンフインのバイメタル効果
による変位とを考慮すれば良いので比較的容易に
寸法精度等を得ることができ、設計上非常に有効
である。

近年熱効率向上を目的とし、蒸気の高温・高圧
化の傾向にあるが、高温となるにつれこの熱膨張
により間隙の広がりが顕著になるので、本発明の
間隙の広がりを防止する効果は非常に有効とな
り、タービンの効率の向上につながる。また高
温・高圧化に伴ないタービンロータ、ケーシング
等の材料に従来の鉄基フエライト系鋼にかえて鉄
基オーステナイト鋼の使用が検討されているが、
前者の熱膨張係数約12.5×10^-6／℃に比べ後者は
約18.5×10^-6／℃と1.5倍も大きい。よつて熱膨
張による隙間の広がりも顕著となるのが、本発明
のごとくパツキンフイン６自体にパイメタル効果
をもたせることにより、パツキンフイン６の長さ
の変位量を大きくとることが可能であるので、本
発明の効果は特に有効となる。

またパツキンリング４は伸縮可能な固定部材５
にて固定されているので、何らかの原因でパツキ
ンフイン６がタービンロータに接触した場合この
固定部材５が縮み、パツキンフイン６とタービン
ロータ１との接触を緩和することができ、この接
触によるタービンロータ１の損傷を防止すること
ができる。さらに湾曲しているパツキンフイン６
自体がバネ効果を有するので、このような接触が
おこつた場合速やかにパツキンフイン６が縮み、
タービンロータ１の損傷を防止することができ
る。またパツキンフイン６の先端に摩耗しやすい
材料を設けておけばさらにこの損傷を防止するこ
とができる。

パツキンフイン８のパツキンリング４への固定
方法は、植込み、ボルト止め、溶接、ピン止め、
カシメなどの一般の固定方法でよい。さらにパツ
キンフイン６の凹面を高圧側Ａ、凸面を低圧側Ｂ
に位置するように設ければ高圧の蒸気によりパツ
キンフイン６が押され、パツキンフイン６は蒸気
漏洩通路を狭くする方向に変位するので、さらに
蒸気の漏洩量を減少することができる。

またパツキンフインを構成するバイメタルに用
いる熱膨張係数の異なる板材の材料、形状、板厚
等は、タービンの大きさ、使用材料等により適宜
選択し、パツキンフインがタービンロータに接触
しラビングをおこさない程度に設計することが必
要である。またラビングを生じた際、速かに摩耗
するように、タービンロータの材料よりも軟かい
材料を用いることが好ましい。さらにラビリンス
パツキンを設ける場所の温度条件によつても材料
はかえることができ、例えば比較的低温のところ
では黄銅等の材料を用いることもできる。

この実施例に示したパツキンフインの形状以外
でも、高温環境で蒸気の漏洩通路を狭くする方向
に変位するパイメタルで構成されたパツキンフイ
ンを用いれば本発明の効果が得られることは言う
までもない。例えば、くの字状に曲げられたバイ
メタルを用いてもよいし、一部に湾曲状部を有す
る形状のバイメタルでもよい。また湾曲状部を複
数個有する形状でもよい。このように複数個の湾
曲状部を設けることによりパツキンフインの変位
量を大きくすることもできる。また湾曲させなく
ても、高熱膨張率側がパツキンリングに近づくよ
うに斜めにバイメタルを植込んだ形状のパツキン
フインでも同様の効果を得る。

またバイメタルを構成する板材の板厚も一様で
ある必要はなく、例えば先端に近づくにつれ板厚
が薄くなるように構成してもよい。このように構
成すれば、パツキンフインがタービンロータに接
触した場合、摩耗しやすいので、タービンロータ
の損傷を防止できる。さらに２枚の板の接合に限
らず複数枚の接合によるものでもよい。この場合
各々の板材を接合する際に、パツキンフインの自
由端となる一端をそろえずに互いにずらすように
接合すれば、蒸気漏洩通路の広狭を増やすことが
でき実質的にパツキンフインの数を増加したこと
になりラビリンスパツキンの効果をさらに有効と
することができる。

実施例 ２ 第３図に４枚の板材を用いてパツキンフインを
構成した本発明の実施例―２を概略的に示す。

高熱膨張係数を有する板材７，７′と低熱膨張
係数８，８′を交互に接合してパツキンフイン６
を構成し、パツキンフイン６は高熱膨張係数を有
する板材７′から低熱膨張係数を有する板材８に
むかう方向に凸となるようにくの字状に湾曲して
いる。さらに板材７，８の接合体と板材７′，
８′の接合体とはパツキンフイン６の先端で互い
にずれるように接合され、パツキンフイン６の一
端はパツキンリング４に固定され他端はタービン
ロータ１に近接するように設けられている。第３
図には概略的に示したが、他の構成は第１図及び
第２図に示した実施例と同様である。このように
構成することにより前述のような漏洩蒸気量を減
少する効果、及びパツキンフイン６自体にもたせ
るバネ効果等の効果等に加え、さらに一枚のパツ
キンフイン６で狭部Ｃ，C′を２ケ所設けること
ができ、実質的にパツキンフイン６の数を増やし
たのと同等の効果を得ることができる。

以上の実施例ではパツキンリングにパツキンフ
インを接合した場合を説明したが、直接ケーシン
グにパツキンフインを設けてもよい。このように
直接ケーシングにパツキンフインを設けた場合で
も、前述のようにパツキンフイン自体にバネ効果
をもたせることができるので、パツキンリングを
伸縮可能な固定部材で固定したのと同等の効果を
得ることができる。さらに本発明では漏洩通路の
広がりを防止できるので、蒸気漏洩減少のために
設けられているタービンロータ表面の円周溝の深
さを小さく又はなくしてしまうことが可能であ
る。この円周溝は熱応力の集中、蒸気留が起こり
易く応力腐食割れ、腐食疲労などのタービンロー
タの環境破壊の一因となり、このように円周溝を
小さく又はなくすことにより、このようなタービ
ンロータの環境破壊の一因を除去することがで
き、タービンの信頼性を向上することができる。

また、タービンロータとケーシングとの隙間か
らの蒸気漏洩を防止する他にケーシングと動翼と
の隙間、ノズルダイヤフラムとタービンロータと
の隙間等のタービンロータ軸線方向の蒸気漏洩通
路からの蒸気漏洩を防止するために用いてもよ
い。

実施例 ３ 動翼９とケーシング３との隙間からの蒸気漏洩
を防止するためにラビリンスパツキンを用いた本
発明の実施例―３を第４図に概略的に示す。

ケーシング３には高熱膨張係数を有する板材７
と低熱膨張係数を有する板材８が接合されてなる
パツキンフイン６が固定されており、動翼９の回
転軸方向に複数個設けられている。このパツキン
フイン６は先端が細くなるように構成され、この
先端が動翼４に近接され、パツキンフイン６は板
材７から板材８に向かう方向に凸となるように湾
曲している。

このように構成されたラビリンスパツキンで
は、タービン作動時の温度上昇に伴なう熱膨張に
よる隙間の広がりを、パツキンフイン６のバイメ
タル効果により打消すことができるので、漏洩蒸
気量を減少することができる。またパツキンフイ
ン６はバネ効果を有するので、何らかの原因でパ
ツキンフイン６が動翼９に接触した場合でもこの
接触を緩和することができ、動翼９に損傷を与え
るのを防止できる。またパツキンフイン６の先端
が細くなつているため摩耗しやすく、接触した場
合でもパツキンフイン６が速やかに摩耗し動翼９
に損傷を与えるのを防止できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、熱膨張に
よるタービン作動流体の漏洩通路の拡張に伴なう
作動流体の漏洩の増加を防止することができるの
で、タービン効率を向上することができる。した
がつて大幅な燃料費の節約等の利点も生じ非常に
有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を説明するための蒸気
タービンの部分断面図、第２図は第１図中要部ａ
の拡大断面図、第３図及び第４図は本発明の他の
実施例を示す断面概略図。 ６…パツキンフイン、７，７′…高熱膨張係数
を有する板材、８，８′…低熱膨張係数を有する
板材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ タービン作動流体の漏洩通路に狭部及び拡大
   部を形成するように設けられたパツキンフインを
   具備するラビリンスパツキンにおいて、前記パツ
   キンフインが高圧側が凹面で低圧側が凸面であ
   り、タービン作動時の高温環境で漏洩通路を狭く
   する方向に変位するバイメタルからなることを特
   徴とするラビリンスパツキン。