JPS6259209B2 - - 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
ンフインとタービン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につなが
りタービンロータ等の損傷の問題があり、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れめ、おのずから限
界があり、漏洩蒸気量の減少は非常に難しいもの
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
を向上し、さらにタービンロータ等に損傷を与え
るのを防止した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。さらにパツキンフインの先端
は摩耗性材料からなる。この摩耗性材料は板材と
してパツキンフインに接合してもよいし、パツキ
ンフインの先端にのみ設けてもよい。

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。また何らかの原因でパツキンフインの
先端が例えばタービンロータ等に接触した場合で
も、摩耗性材料が設けてあるので、すみやかにパ
ツキンフインの方が摩耗してしまうのでタービン
ロータ，動翼等に損傷を与えることがない。

〔発明の実施例〕

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、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，摩耗性材料からなる板材９として例えば
Cuがこの順に接合されてなる接合板からなる。
形状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へむかつて凸となるように湾
曲しており、タービンロータ１の表面にもつとも
近接しているのは摩耗性材料からなる板材９にな
る。各板材７，８，９の板厚及びパツキンフイン
６の湾曲の度合は、タービン作動時の高温環境下
でパツキンフイン６の先端がタービンロータ１表
面に接触せずかつ漏洩通路の間隔を広げないよう
に適宜設計時に設定する。

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表面との間隙が広がることが
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
の傾向があるが、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自体にバ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
の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１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の先端が摩耗性材料で
あ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１に接触した場合パツキンフイン６が
速やかに摩耗するのでタービンロータ１の損傷を
防止することができる。

パツキンフイン６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６を高圧環境下におく場合
ある程度の強度をもたせかつ、タービンロータ１
に接触した場合タービンロータ１に損傷を与えな
い程度の摩耗性をもたせることが必要であるが、
この実施例においては、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によりこの強
度をもたせ、摩耗性材料９によりこの摩耗性をも
たせることができ、強度及び摩耗性を同時に満足
することができる。

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
に変位するバ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。

パツキンフインを構成する各板材の接合順は第
１図及び第２図に示した実施例に限るものではな
い。本発明の他の実施例を第３図に概略的に示
す。第３図に示す実施例では摩耗性材料からなる
板材９を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とではさむように接合し、パ
ツキンフイン６を構成している。さらにパツキン
フイン６の形状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の方向へ凸となる
ようにくの字状に湾曲しており、先端では摩耗性
材料からなる板材９が突出するように先端にむか
つて細くなるようにテーパ状とされている。他の
構成は第１図及び第２図に示した実施例と同じと
し、パツキンリング４にパツキンフイン６が接合
され、タービンロータ１表面にパツキンフイン６
の先端が近接された構造をとる。

第３図に示す実施例でも第１図及び第２図に示
した実施例と同様な効果を得ることはいうまでも
ないが、先端においてテーパ状とされていること
によりパツキンフイン６が摩耗しやすくタービン
ロータ１への損傷を防止する効果がさらに増加す
る。

またパツキンフインの先端において各板材をそ
ろえずに接合すればパツキンフインの数を増加せ
ずに狭部の数を増加することができ、ラビリンス
パツキンのシール効果をさらに増すことができ
る。第４図に先端において板材をそろえずに接合
した本発明の実施例を概略的に示す。この実施例
のパツキンフイン６では摩耗性材料からなる板材
９を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とではさむように接合され、パツ
キンフイン６の先端において摩耗性材料からなる
板材９が突出するように接合されている。このパ
ツキンフイン６は高熱膨張係数を有する板材７が
パツキンリング４に近くなるように斜めにパツキ
ンリング４に接合されており、先端がタービンロ
ータ１に近接するように構成されている。このよ
うな構成にすることで、低熱膨張係数を有する板
材８の先端と、摩耗性材料からなる板材９の先端
とで、狭部Ｃ，C′を構成することができ、一枚
のパツキンフイン６で２ケ所の狭部を構成するこ
とになりシール効果が増大する。他の構成は第１
図及び第２図に示した実施例と同様とし、この実
施例と同等の効果を得ることはいうまでもない。

以上の実施例では摩耗性材料からなる板材を用
いてパツキンフインの先端を摩耗性としたが、パ
ツキンフインの先端のみに摩耗性材料を設けても
よい。製造上は板材を用いて構成した方が容易で
ある。

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波の深
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、腐食波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。

動翼１０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
本発明の他の実施例を第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と摩耗性材料から
なる板材９と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１０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はもつ
とも動翼１０に近接するのが摩耗性材料からなる
板材９となるように構成され、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１０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１０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
先端が摩耗性材料であるので、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１０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。またパツキンフインがタービンロー
タ等に接触した場合でも、タービンロータ等に損
傷を与えることがないのでタービン運転において
も非常に有効である。

【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
の拡大図、第３図乃至第５図は本発明の実施例を
示す断面概略図。 ６…パツキンフイン、７…高熱膨張係数を有す
る板材、８…低熱膨張係数を有する板材、９…摩
耗性材料からなる板材。

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り、前記パ
   ツキンフインの先端が摩耗性材料からなることを
   特徴とするラビリンスパツキン。