KR102095667B1 - 시일 장치 및 회전 기계 - Google Patents

Abstract

본원 발명에 관한 시일 장치(50)는, 로터의 외주면과, 스테이터의 내주면 사이의 간극을 시일하는 시일 장치(50)이며, 상기 스테이터에 설치되어, 상기 로터에 대향하는 면에 볼록부(56A)와 오목부(56B)가 축선 방향(Da)으로 교대로 형성된 쾌삭재(56)를 갖는 시일 링(51)과, 상기 로터의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 돌출되는 복수의 직경 방향 핀(52)과, 상기 로터의 외주면으로부터, 상기 시일 링(51)의 쾌삭재(56)에 있어서의 상기 축선 방향(Da)의 양단을 향해 당해 양단의 외측으로부터 비스듬히 돌출되는 경사 방향 핀(55)을 구비한다.

Description

시일 장치 및 회전 기계

본 발명은, 시일 장치 및 회전 기계에 관한 것이다.

본원은, 2016년 2월 16일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2016-027004호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

증기 터빈, 가스 터빈, 축류 압축기 등의 회전 기계에서는, 압력 손실의 하나로서, 동익의 선단과 이 선단에 근접하여 대향하는 스테이터의 내주면 사이를, 증기나 가스 등의 동작 유체가 누설되어 빠져나가 버림으로써 발생하는 손실이 있다. 이 손실을 저감시켜 터빈 효율을 향상시키기 위해 동익의 선단과 스테이터 사이에 시일 장치를 설치하고 있다. 이러한 시일 장치로서는, 예를 들어 동익과 스테이터가 접촉한 경우라도, 어느 부재도 손상시키지 않는 어브레이더블 시일이 있다.

특허문헌 1에서는, 컴프레서 임펠러와, 어브레이더블 시일이 설치된 시일 장치가 개시되어 있다. 이 시일 장치에서는, 어브레이더블 시일이 컴프레서 임펠러와 대향하는 환각 영역에 설치되어 있다. 컴프레서 임펠러의 블레이드는, 어브레이더블 시일에 대해 경사 방향으로 돌출되어 배치되어 있다.

일본 특허 공개 제2011-153570호 공보

그러나 특허문헌 1에 기재된 시일 장치가 설치된 회전 기계에서는, 운전 중에, 회전축의 축선 방향으로의 열연신이나 회전축의 직경 방향으로의 편심이 발생하는 경우가 있다. 열연신이나 직경 방향으로의 편심이 발생하면, 컴프레서 임펠러의 블레이드에 의해 어브레이더블 시일이 깎인다. 이와 같이 어브레이더블 시일이 깎이면 블레이드와 어브레이더블 시일 사이의 간극이 커져, 시일성이 저하되어 버린다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 축선 방향의 열연신 및 직경 방향으로의 편심에 의해 시일성이 저하되어 버리는 것을 억제하는 것이 가능한 시일 장치 및 회전 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 이하의 수단을 제안하고 있다.

본 발명의 제1 양태에 있어서의 시일 장치는, 축선 주위로 회전하는 로터의 외주면과, 당해 외주면을 외주측으로부터 덮는 스테이터의 내주면 사이의 간극을 시일하는 시일 장치이며, 상기 스테이터에 설치되어, 상기 로터에 대향하는 면에 볼록부와 오목부가 축선 방향으로 교대로 형성된 쾌삭재를 갖는 시일 링과, 상기 시일 링의 쾌삭재에 있어서의 볼록부 또는 오목부에 대응하는 축선 방향 위치에서, 상기 로터의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 돌출되는 복수의 직경 방향 핀과, 상기 로터의 외주면으로부터, 상기 시일 링의 쾌삭재에 있어서의 상기 축선 방향의 양단을 향해 당해 양단의 외측으로부터 비스듬히 돌출되는 경사 방향 핀을 구비한다.

이러한 구성에 의하면, 로터의 축선 방향으로의 열연신이나 직경 방향으로의 편심 등에 의해, 직경 방향 핀과 쾌삭재 사이의 간극이 커졌다고 해도, 경사 방향 핀과 쾌삭재 사이의 간극의 거리를 유지할 수 있다. 그 때문에, 동익의 선단면과 시일 링의 내주면 사이의 시일성을 유지할 수 있다.

본 발명의 제2 양태에 있어서의 시일 장치에서는, 제1 양태에 있어서, 상기 시일 링의 상기 축선 방향의 양단에 설치된 볼록부 또는 오목부에 있어서의 상기 쾌삭재의 두께가, 그 외의 볼록부 또는 오목부에 있어서의 상기 쾌삭재의 두께보다 두꺼워도 된다.

이러한 구성에 의하면, 직경 방향 핀의 선단의 직경 방향의 위치보다 직경 방향 외주측에 선단을 갖는 경사 방향 핀과, 시일 링이 접촉하는 것을 피할 수 있다. 따라서, 경사 방향 핀 및 시일 링이 파손되는 것을 피할 수 있다.

본 발명의 제3 양태에 있어서의 시일 장치에서는, 제1 양태 또는 제2 양태에 있어서, 상기 쾌삭재의 상기 경사 방향 핀과 대향하는 면이, 상기 경사 방향 핀을 향해 볼록한 곡면이어도 된다.

이러한 구성에 의하면, 경사 방향 핀과 쾌삭재가 접촉하였을 때의 접촉 저항을 저감시킬 수 있다. 그 때문에, 경사 방향 핀의 연장 방향으로부터 경사 방향 핀이 쾌삭재에 접촉한 경우라도, 경사 방향 핀이 안정적으로 쾌삭재를 삭감할 수 있어, 시일성이 저하되는 것을 피할 수 있다.

본 발명의 제4 양태에 있어서의 시일 장치에서는, 제1 양태 내지 제3 양태에 있어서, 상기 경사 방향 핀의 선단의 상기 축선 방향의 위치가, 상기 시일 링과 겹쳐 있지 않은 구성이어도 된다.

이러한 구성에 의하면, 직경 방향으로 로터가 편심된 경우에, 경사 방향 핀의 선단이 시일 링과 접촉하는 것을 피할 수 있다. 따라서, 경사 방향 핀 및 시일 링이 파손되는 것을 피할 수 있다.

본 발명의 제5 양태에 있어서의 시일 장치에서는, 제1 양태 내지 제4 양태에 있어서, 상기 경사 방향 핀의 선단의 상기 직경 방향의 위치가, 상기 축선 방향의 양단에 설치된 볼록부 또는 오목부에 있어서의 상기 쾌삭재와 축선 방향으로 겹치는 위치에 있는 구성이어도 된다.

이러한 구성에 의하면, 축선 방향으로 로터가 열연신한 경우라도, 경사 방향 핀의 선단과 쾌삭재가 접촉하여, 동익의 선단면과 시일 링의 내주면 사이의 시일성을 유지할 수 있다.

본 발명의 제6 양태에 있어서의 시일 장치에서는, 제1 양태 내지 제5 양태에 있어서, 상기 경사 방향 핀이 복수 있고, 상기 축선 방향에 대향하지 않는 방향으로 경사지는 2개의 경사 방향 핀의 사이에, 시일 부재가 배치되어 있어도 된다.

이러한 구성에 의하면, 경사 방향 핀을 도입한 것에 수반해 형성되는 인접하는 시일 링 사이의 축선 방향의 간극에 있어서도, 동익의 선단면과 시일 링의 내주면 사이의 시일성을 유지할 수 있다.

본 발명의 제7 양태에 있어서의 회전 기계는, 축선 주위로 회전하는 로터와, 상기 로터의 직경 방향의 외측으로부터 덮는 스테이터와, 제1 양태 내지 제6 양태 중 어느 하나에 기재된 시일 장치를 구비한다.

이러한 구성에 의하면, 로터의 외주면과 스테이터의 내주면 사이의 간극 시일성의 저하를 억제하고, 누설 손실을 저감시켜 터빈 효율을 높일 수 있다.

본 발명에 따르면, 축선 방향의 열연신 및 직경 방향으로의 편심에 의해 시일 장치 및 회전 기계의 시일성이 저하되어 버리는 것을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 회전 기계의 전체 구성을 도시하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태의 시일 장치를 도시하는 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태의 시일 장치의 주요부 확대도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태의 시일 장치에 있어서, 직경 방향 핀과 경사 방향 핀이 축선 방향으로 이동한 상태를 도시하는 주요부 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태의 시일 장치에 있어서, 직경 방향 핀과 경사 방향 핀이 직경 방향으로 이동한 상태를 도시하는 주요부 확대도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태의 시일 장치에 있어서, 직경 방향 핀과 경사 방향 핀이 축선 방향 및 직경 방향으로 이동한 상태를 도시하는 주요부 확대도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태의 시일 장치의 주요부 확대도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태의 시일 장치의 변형예의 주요부 확대도이다.

《제1 실시 형태》

이하, 본 발명에 관한 제1 실시 형태의 회전 기계에 대해 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 회전 기계는, 증기 터빈(100)이다. 증기 터빈(100)은, 증기(S)의 에너지를 회전 동력으로 하여 취출하는 외연 기관이며, 발전소에 있어서의 발전기 등에 사용된다. 증기 터빈(100)은, 케이싱(10)과, 로터(20)와, 정익(30)과, 베어링부(40)와, 시일 장치(50)를 구비하고 있다. 본 명세서에서는, 케이싱(10)과 정익(30)을 합친 것을 스테이터라고 한다. 로터(20)의 직경 방향 외측에 배치되는 부재가 스테이터이고, 케이싱(10) 및 정익(30)은 스테이터의 일부이다.

케이싱(10)은, 내부의 공간이 기밀하게 밀봉되어 있음과 함께, 증기(S)의 유로가 내부에 형성되어 있다. 케이싱(10)은, 로터(20)의 직경 방향(Dr)의 외측으로부터 로터(20)를 덮고 있다.

로터(20)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 케이싱(10)을 관통하도록 축선(O)을 따라 연장되어 축선(O) 주위로 회전한다. 로터(20)는, 동익(21)이 설치되어 있다. 로터(20)는, 동익(21)이 설치된 중간 부분이 케이싱(10)의 내부에 수용되어 있다. 로터(20)는, 그 양단부가, 케이싱(10)의 외부로 돌출되어 있다. 로터(20)는, 케이싱(10)으로부터 외측으로 돌출된 양단부가, 베어링부(40)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.

동익(21)은, 로터(20)의 주위 방향으로 복수 나열되어 배치되어 있다. 복수의 동익(21)은, 환상을 이루어 로터(20)의 외주면에 설치되어 있다. 동익(21)은, 로터(20)의 축선 방향(Da)으로 흐르는 증기(S)의 압력을 받아 축선(O) 주위로 로터(20)를 회전시킨다. 동익(21)은, 직경 방향(Dr)의 외측을 향하는 선단면(21a)이, 후술하는 시일 장치(50)에 있어서의 시일 링(51)의 직경 방향(Dr)의 내측을 향하는 내주면과 대향하고 있다.

정익(30)은, 로터(20)의 주위 방향을 따라 배열되어 케이싱(10)의 내측을 향하는 면에 복수 설치되어 있다. 정익(30)은, 로터(20)와 직경 방향(Dr)으로 간격을 두고 배치되어 있다.

정익(30)은, 동익(21)과 축선 방향(Da)으로 간격을 두고 배치되어 있다.

베어링부(40)는, 로터(20)를 축선(O) 주위로 회전 가능하게 지지하고 있다. 베어링부(40)는, 로터(20)의 양단부에 각각 설치된 저널 베어링(41)과, 로터(20)의 일단부측에 설치된 스러스트 베어링(42)을 구비하고 있다.

시일 장치(50)는, 축선(O) 주위로 회전하는 로터(20)의 외주면과, 외주면을 로터(20)의 직경 방향(Dr)의 외측으로부터 덮는 스테이터의 내주면 사이의 간극을 시일하고 있다. 본 실시 형태의 시일 장치(50)는, 동익(21)의 선단면(21a)과, 시일 링(51)의 내주면 사이의 간극을 시일하고 있다. 동익(21)의 선단면(21a)은, 로터(20)의 외주면의 일부에 대응한다.

시일 장치(50)는, 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 쾌삭재(56)를 갖는 시일 링(51)과, 직경 방향 핀(52)과, 경사 방향 핀(55)을 구비하고 있다. 즉, 본 실시 형태의 시일 장치(50)는, 어브레이더블 시일의 일종이다. 직경 방향 핀(52)은, 긴 핀(53)과, 짧은 핀(54)으로 이루어진다.

시일 링(51)은, 주위 방향으로 분할 가능한 링형의 부재이다. 시일 링(51)은, 축선(O) 주위로 회전하는 로터(20)의 외주면을 직경 방향(Dr)의 외측으로부터 덮고 있다. 본 실시 형태의 시일 링(51)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 동익(21)의 선단의 선단면(21a)을 직경 방향(Dr)의 외측으로부터 덮고 있다. 시일 링(51)의 내주면에는, 직경 방향(Dr)의 내측으로 돌출되는 볼록부(51A)와, 직경 방향(Dr)의 외측으로 오목하게 들어가는 오목부(51B)가 축선(O)의 연장되는 축선 방향(Da)에 인접하여 배치되어 있다. 볼록부(51A) 및 오목부(51B)는, 축선 방향(Da)으로 교대로 나열되어 복수 배치되어 있다.

시일 링(51)의 내주면에는, 쾌삭재(56)가 설치되어 있다. 쾌삭재(56)는, 시일 링(51)의 볼록부(51A) 및 오목부(51B)를 덮도록 설치되고, 시일 링(51)의 볼록부(51A)에 따른 볼록부(56A)와, 시일 링(51)의 오목부(51B)에 따른 오목부(56B)를 갖는다. 쾌삭재(56)는, 직경 방향 핀(52) 및 경사 방향 핀(55)보다 피삭성이 우수한 재료가 케이싱(10)의 내주면에 용사됨으로써, 층형을 이루어 형성되어 있다.

쾌삭재(56)의 두께는, 쾌삭재(56)의 축선 방향(Da)의 양단에 설치된 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)를 제외하고, 원칙적으로 일정해지도록 형성되어 있다. 축선 방향(Da)의 양단에 설치된 쾌삭재(56)의 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)의 두께 D는, 그 외의 볼록부(56A) 및 오목부(56B)의 두께 d보다 두껍게 형성되어 있다.

쾌삭재(56)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 짧은 핀(54)의 정상면(54a)과 대향하는 짧은 대향면(56a)과, 긴 핀(53)의 정상면(53a)과 대향하는 긴 대향면(56b)과, 짧은 대향면(56a)과 긴 대향면(56b)을 연결하는 경사면(56c)과, 시일 링(51)의 양단에 연결되는 단부면(56d)을 갖고 있다.

짧은 대향면(56a)은, 쾌삭재(56)의 볼록부(56A)의 직경 방향(Dr)의 내측을 향하는 면이다. 짧은 대향면(56a)은, 축선 방향(Da)에 인접하는 경사면(56c)의 직경 방향(Dr)의 내측의 단부를 연결하는 면이다. 짧은 대향면(56a)은, 짧은 핀(54)의 선단에 대해 직경 방향(Dr)으로 미소한 간극을 마련한 위치에 형성되어 있다.

긴 대향면(56b)은, 쾌삭재(56)의 오목부(56B)의 직경 방향(Dr)의 내측을 향하는 면이다. 긴 대향면(56b)은, 축선 방향(Da)에 인접하는 경사면(56c)의 직경 방향(Dr)의 외측의 단부를 연결하는 면이다. 긴 대향면(56b)은, 긴 핀(53)의 선단에 대해, 직경 방향(Dr)으로 미소한 간극을 마련한 위치에 형성되어 있다.

경사면(56c)은, 축선 방향(Da)을 포함하는 방향을 향해 긴 핀(53)과 대향하고 있다. 여기서, 축선 방향(Da)을 포함하는 방향이라 함은, 축선 방향(Da)의 성분을 포함하는 방향이다. 본 실시 형태의 축선 방향(Da)을 포함하는 방향이라 함은, 축선 방향(Da) 및 직경 방향(Dr)에 대해 경사 하측 방향이다. 경사면(56c)은, 긴 핀(53)의 축선 방향(Da)을 향하는 면인 측면과 대향하는 면이다. 경사면(56c)은, 짧은 대향면(56a)과 긴 대향면(56b)을 연결하는 면이다. 경사면(56c)은, 직경 방향(Dr)의 외측으로부터 내측을 향함에 따라서 긴 핀(53)의 측면으로부터 이격되도록 경사져 있다. 경사면(56c)은, 긴 핀(53)의 축선 방향(Da)의 중심 위치로부터 이격되도록 경사져 있다. 즉, 경사면(56c)은, 요철 형상의 오목 부분이 직경 방향(Dr)의 내측을 향함에 따라서 확대되도록 경사져 있다. 따라서, 경사면(56c)은, 긴 핀(53)을 사이에 두고 배치된 1세트의 경사면은, 상이한 방향을 향해 경사져 있다.

단부면(56d)은, 쾌삭재(56)의 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)로부터 시일 링(51)의 축선 방향(Da)의 측면(51d)에 연결되는 면이다. 단부면(56d)은, 경사 방향 핀(55)의 선단에 대해 볼록한 곡면이며, 경사 방향 핀(55)이 연장되는 방향으로 미소한 간극을 마련한 위치에 형성되어 있다. 단부면(56d)이 경사 방향 핀(55)에 대해 볼록한 곡면이므로, 경사 방향 핀(55)은 단부면(56d)에 대해 직교하는 방향으로부터 접촉한다.

직경 방향 핀(52)은, 로터(20)의 외주면으로부터 직경 방향(Dr) 외측으로 돌출되어 있다. 직경 방향 핀은, 긴 핀(53)과 짧은 핀(54)으로 이루어진다.

긴 핀(53)은, 축선 방향(Da)의 오목부(56B)에 대응하는 위치에서, 로터(20)의 외주면인 동익(21)의 선단면(21a)으로부터 직경 방향(Dr)의 외측으로 돌출되어 있다. 긴 핀(53)은, 동익(21)의 선단면(21a)을 따라 주위 방향으로 연장되어 있는 시일 핀이다. 긴 핀(53)은, 직경 방향(Dr)의 외측을 향하는 면인 선단의 정상면(53a)이 쾌삭재(56)에 대해 간극을 두도록 돌출되어 있다. 긴 핀(53)은, 축선 방향(Da)으로 이격되어 복수 배치되어 있다. 긴 핀(53)은, 인접하는 짧은 핀(54)의 사이이며, 1개소의 오목부(56B)의 위치에 대응하여 1개 배치되어 있다. 긴 핀(53)은, 축선 방향(Da)의 양측에 배치된 2개의 짧은 핀(54)의 중간에 배치되어 있다.

짧은 핀(54)은, 축선 방향(Da)의 볼록부(56A)에 대응하는 위치에서, 로터(20)의 외주면인 동익(21)의 선단면(21a)으로부터 직경 방향(Dr)의 외측으로 돌출되어 있다. 짧은 핀(54)은, 직경 방향(Dr)의 외측을 향하는 면인 선단의 정상면(54a)이 쾌삭재(56)에 대해 간극을 두도록 돌출되어 있다. 짧은 핀(54)은, 동익(21)의 선단면(21a)을 따라 주위 방향으로 연장되어 있는 시일 핀이다. 짧은 핀(54)은, 축선 방향(Da)으로 이격되어 복수 배치되어 있다. 복수의 짧은 핀(54)은, 축선 방향(Da)에 대해 등간격으로 배치되어 있다.

경사 방향 핀(55)은, 로터(20)의 외주면으로부터, 시일 링(51)의 쾌삭재(56)에 있어서의 축선 방향(Da)의 양단을 향해, 외측으로부터 비스듬히 돌출되어 있다. 즉, 하나의 시일 링(51)을 향해 한 쌍의 경사 방향 핀(55)이, 시일 링(51)의 축선 방향(Da)의 양단을 향해 경사져 설치되어 있다. 경사 방향 핀(55)은, 경사 방향 핀(55)의 선단면(55a)이 쾌삭재(56)에 대해 간극을 두도록 돌출되어 있다.

경사 방향 핀(55)의 선단의 직경 방향(Dr)의 위치는, 짧은 핀(54)의 선단의 직경 방향(Dr)의 위치보다 시일 링(51)측에 있다. 또한 경사 방향 핀(55)의 선단의 직경 방향(Dr)의 위치는, 축선 방향(Da)의 양단에 설치된 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)에 있어서의 쾌삭재(56)와 축선 방향(Da)으로 겹치는 위치에 있다. 즉, 경사 방향 핀(55)의 선단의 직경 방향(Dr)의 위치는, 축선 방향(Da)의 양단에 설치된 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)에 있어서의 쾌삭재(56)의 동익(21)측의 면의 직경 방향(Dr)의 위치보다 시일 링(51)측에 있고, 축선 방향(Da)의 양단에 설치된 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)에 있어서의 쾌삭재(56)의 시일 링(51)측의 면의 직경 방향(Dr)의 위치보다 동익(21)측에 있다.

상술한 바와 같이, 축선 방향(Da)의 양단에 설치된 쾌삭재(56)의 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)의 두께 D는, 그 외의 볼록부(56A) 및 오목부(56B)의 두께 d보다 두꺼워, 로터(20)에 열연신 및 편심 등이 발생해도 경사 방향 핀(55)이 시일 링(51)과 접촉하지 않도록 설계되어 있다.

경사 방향 핀(55)의 선단의 축선 방향(Da)의 위치는, 시일 링(51)의 축선 방향(Da)의 위치와 겹치지 않는 위치이다. 즉, 시일 링(51)의 측면(51d)보다 시일 링(51)의 축선 방향(Da) 외측에, 경사 방향 핀(55)의 선단이 배치되어 있다. 그 때문에, 로터(20)에 편심 등에 의해 경사 방향 핀(55)이 직경 방향(Dr)으로 이동해도, 경사 방향 핀(55)의 선단과 시일 링(51)이 접촉하는 것을 피할 수 있다.

상기한 바와 같은 시일 장치(50)에서는, 동익(21)의 선단면(21a)에 설치된 복수의 직경 방향 핀(52)과 한 쌍의 경사 방향 핀(55)이, 시일 링(51)의 내주면을 덮는 쾌삭재(56)와의 사이에 미소한 간극을 형성하고 있다. 그 때문에, 동익(21)의 선단면(21a)과 시일 링(51)의 내주면 사이의 간극을 시일할 수 있어, 이 간극으로부터의 축선 방향(Da)으로의 누설을 억제할 수 있다.

또한, 증기 터빈(100)이 운전되면, 로터(20)에 열연신이 발생함으로써 로터(20)와 스테이터의 축선 방향(Da)의 위치 관계가 어긋나거나, 로터(20)가 편심됨으로써 로터(20)와 스테이터의 직경 방향(Dr)의 위치 관계가 어긋나는 경우가 있다. 어느 경우에 있어서도, 본 실시 형태에 있어서의 시일 장치(50)는, 높은 시일성을 확보할 수 있다. 이하, 각각의 경우로 나누어 구체적으로 설명한다.

먼저, 도 4에 도시한 바와 같이, 로터(20)에 열연신이 발생하면, 직경 방향 핀(52)(긴 핀(53) 및 짧은 핀(54)) 및 경사 방향 핀(55)의 축선 방향(Da)의 위치가 변화된다. 상기한 바와 같이, 본 실시 형태의 시일 장치(50)에서는, 경사 방향 핀(55)의 선단의 선단면(55a)의 직경 방향(Dr)의 위치가, 볼록부(51A)의 직경 방향(Dr)을 향하는 면과, 쾌삭재(56)의 짧은 대향면(56a) 사이에 배치되어 있다. 그 때문에, 짧은 핀(54)의 축선 방향(Da)의 위치가 짧은 대향면(56a)의 축선 방향(Da)의 위치와 겹치지 않는 위치까지 어긋난 경우에, 쾌삭재(56)와 경사 방향 핀(55)이 접촉한다. 따라서, 짧은 핀(54)의 축선 방향(Da)의 위치가 짧은 대향면(56a)에 대해 크게 어긋나 버려도, 깎인 쾌삭재(56)와 경사 방향 핀(55)에 의해, 동익(21)의 선단면(21a)과 시일 링(51) 사이의 간극이 커져 버리는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 열연신에 의해 짧은 핀(54)의 위치가 어긋나도 시일성이 저하되어 버리는 것을 억제할 수 있다.

또한, 경사 방향 핀(55)의 선단면(55a)과 대향하는 단부면(56d)이, 경사 방향 핀(55)의 선단면(55a)을 향해 볼록한 곡면이다. 그 때문에, 경사 방향 핀(55)이 축선 방향(Da)으로 이동하여 단부면(56d)과 접촉한 경우의 저항을 저감시킬 수 있다. 따라서, 경사 방향 핀(55)이 축선 방향(Da)으로 이동한 경우에, 쾌삭재(56)를 경사 방향 핀(55)에 의해 안정적으로 깎을 수 있다. 이에 의해, 쾌삭재(56)와 접촉하고 있는 경사 방향 핀(55)에 의해, 경사 방향 핀(55)과 쾌삭재(56) 사이의 간극이 커져 버리는 것을 안정적으로 억제할 수 있다.

다음으로, 도 5에 도시한 바와 같이, 로터(20)가 편심되면, 직경 방향 핀(52)(긴 핀(53) 및 짧은 핀(54)) 및 경사 방향 핀(55)의 직경 방향(Dr)의 위치가 변화된다. 로터(20)의 편심은, 계속적인 회전에 수반하여 서서히 발생하는 경우와, 돌발적인 사상에 의해 돌연 발생하는 경우가 있다. 본 실시 형태의 시일 장치(50)에서는, 경사 방향 핀(55)의 선단의 선단면(55a)의 축선 방향(Da)의 위치가, 시일 링(51)의 축선 방향(Da)과 겹치지 않는 위치에 설치되어 있다. 그 때문에, 경사 방향 핀(55)의 직경 방향(Dr)의 위치가 변화되어도 시일 링(51)과 접촉하는 일은 없다.

또한 긴 핀(53) 및 짧은 핀(54)의 직경 방향(Dr)의 위치가 변화되면, 긴 핀(53) 및 짧은 핀(54)과 쾌삭재(56)가 접촉한다. 그 때문에, 깎인 쾌삭재(56)와 긴 핀(53) 및 짧은 핀(54)에 의해, 동익(21)의 선단면(21a)과 시일 링(51) 사이의 간극이 커져 버리는 것을 억제할 수 있다. 또한 경사 방향 핀(55)의 선단면(55a)의 직경 방향의 위치가 변화되어도, 경사 방향 핀(55)의 선단면(55a)과 쾌삭재(56) 사이의 간극의 간격은 변화되지 않는다. 그 때문에, 경사 방향 핀(55)과 쾌삭재(56) 사이의 간극이 커져 버리는 일도 없다.

마지막으로, 도 6에 도시한 바와 같이, 로터(20)의 열연신과 로터(20)의 편심이 모두 발생한 경우, 직경 방향 핀(52)(긴 핀(53) 및 짧은 핀(54)) 및 경사 방향 핀(55)의 축선 방향(Da) 및 직경 방향(Dr)의 위치가 변화된다. 본 실시 형태의 시일 장치(50)에서는, 시일 링(51)의 축선 방향(Da)의 양단에 설치된 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)에 있어서의 쾌삭재(56)의 두께 D가, 그 외의 볼록부(56A) 또는 오목부(56B)에 있어서의 쾌삭재(56)의 두께 d보다 두껍다. 그 때문에, 선단면(55a)의 직경 방향(Dr)의 위치가, 짧은 핀(54)의 정상면(54a)의 위치보다 외주측에 있는 경사 방향 핀(55)에 의해 쾌삭재(56)가 깎여도, 경사 방향 핀(55)과 시일 링(51)이 접촉하는 것을 피할 수 있다.

또한 긴 핀(53), 짧은 핀(54) 및 경사 방향 핀(55) 각각은, 쾌삭재(56)를 깎기 때문에, 각각의 정상면과 쾌삭재(56) 사이의 간극이 커지는 일은 없다. 그 때문에, 로터(20)의 열연신과 로터(20)의 편심이 모두 발생한 경우라도, 시일성이 저하되어 버리는 것을 억제할 수 있다.

이러한 시일 구상을 사용한 증기 터빈(100)에 의하면, 동익(21)의 선단면(21a)과 스테이터의 내주면 사이의 간극의 시일성의 저하를 억제하고, 누설 손실을 저감시켜 터빈 효율을 높일 수 있다.

《제2 실시 형태》

다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여 제2 실시 형태의 시일 장치에 대해 설명한다.

제2 실시 형태에 있어서는 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다. 이 제2 실시 형태의 시일 장치는, 경사 방향 핀이 복수 있고, 축선 방향에 대향하지 않는 방향으로 경사지는 2개의 경사 방향 핀의 사이에 시일 부재가 배치되어 있는 점에 대해, 제1 실시 형태와 상이하다. 즉, 축선 방향으로 배열되는 복수의 시일 링의 사이에, 시일 부재가 설치되어 있는 점에 대해, 제1 실시 형태와 상이하다.

시일 부재에는, 증기 터빈 등에 있어서 증기의 누설을 방지하기 위해 사용되고 있는 공지의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 시일 부재로서, 시일 링을 단독으로 사용하거나, 래비린스 시일을 사용하거나 할 수 있다.

도 7에 도시한 바와 같이 제2 실시 형태의 시일 장치(50A)에 있어서, 경사 방향 핀(55)의 선단면(55a)의 직경 방향의 위치를 쾌삭재(56)에 근접시키기 위해, 경사 방향 핀(55)은 동익(21)의 선단면(21a)으로부터 돌출되는 돌출부(21A)에 형성된다. 돌출부(21A)는, 인접하는 시일 링(51)의 사이에 설치된다. 즉, 돌출부(21A)는, 축선 방향(Da)에 대향하지 않는 방향으로 경사지는 2개의 경사 방향 핀(55)의 사이에 설치된다. 그 때문에, 돌출부(21A)의 폭만큼 인접하는 시일 링(51)의 사이에 간극이 있다. 도 7에 도시한 제2 실시 형태의 시일 장치(50A)에서는, 이 간극에 시일 부재로서 단독의 시일 링(60)이 설치되어 있다. 단독의 시일 링(60)의 선단면(60a)은, 돌출부(21A)의 정상면(21Aa)에 대향하고, 돌출부(21A)의 정상면(21Aa)과 근접하는 위치에 배치되어 있다.

상기한 바와 같은 제2 실시 형태의 시일 장치(50A)에 의하면, 단독의 시일 링(60)과 돌출부(21A)에 의해, 동익(21)의 선단면(21a)과 스테이터의 내주면 사이의 간극 시일성의 저하를 더 억제할 수 있다. 즉, 이러한 시일 장치(50A)를 구비하는 증기 터빈의 누설 손실을 저감시켜, 터빈 효율을 높일 수 있다.

또한, 제2 실시 형태의 시일 장치의 변형예로서, 도 8에 도시한 바와 같이, 인접하는 시일 링(51)의 축선 방향(Da) 사이의 간극에 래비린스 시일(61)을 설치해도 된다. 도 8에 도시한 래비린스 시일(61)은, 동익(21)으로부터 외주 방향으로 돌출되는 돌출부(21A)와, 돌출부(21A)와 대향하는 지지부(62)와, 지지부(62)로부터 돌출부(21A)를 향해 돌출되는 시일 핀(63)을 갖는다. 돌출부(21A)의 정상면에는, 볼록부(21AA)와 오목부(21AB)가 형성되고, 요철 형상을 형성하고 있다. 시일 핀(63)은, 돌출부(21A)의 오목부(21AB)와 축선 방향(Da)에 대응하는 위치에 설치된 긴 시일 핀(64)과, 돌출부(21A)의 볼록부(21AA)와 축선 방향(Da)에 대응하는 위치에 설치된 짧은 시일 핀(65)으로 이루어진다. 시일 핀(63)의 선단의 직경 방향(Dr)의 위치는, 돌출부(21A)의 정상면(21Aa)과 간극을 둔 위치에 있다.

상기한 바와 같은 제2 실시 형태의 시일 장치(50A)에 의하면, 시일 핀(63)과 돌출부(21A)에 의해, 동익(21)의 선단면(21a)과 스테이터의 내주면 사이의 간극 시일성의 저하를 더 억제할 수 있다. 또한 돌출부(21A)의 볼록부(21AA) 및 오목부(21AB)와, 시일 핀(63)을 구성하는 긴 시일 핀(64) 및 짧은 시일 핀(65)에 의해, 증기의 유로의 단면 형상이 사행한 빗살 형상으로 되어 있기 때문에, 더욱 증기의 누설을 방지할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명하였지만, 각 실시 형태에 있어서의 각 구성 및 그것들의 조합 등은 일례이며, 본 발명의 취지로부터 일탈하지 않는 범위 내에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 그 외의 변경이 가능하다. 또한, 본 발명은 실시 형태에 의해 한정되지 않고, 청구범위에 의해서만 한정된다.

시일 장치(50)는, 증기 터빈(100)에 한정되는 것은 아니다. 시일 장치(50)는, 예를 들어 가스 터빈이나 압축기 등의 회전 기계에 적용할 수 있다.

또한, 본 실시 형태에서는, 쾌삭재(56)가, 긴 핀(53)의 측면으로부터 이격되도록 경사진 경사면(56c)을 갖고 있었지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 짧은 대향면(56a)과 긴 대향면(56b)을 연결하는 면이 경사져 있지 않고, 동익(21)의 선단면(21a)에 대해 수직인 면이어도 된다.

또한, 본 실시 형태에서는, 쾌삭재(56)의 볼록부(55A) 및 오목부(56B)는, 시일 링(51)의 볼록부(51A) 및 오목부(51B)를 반영하여 설치되어 있지만, 시일 링(51)의 내주면을 평탄면으로 하고, 그 평탄면 상에 용사에 의해 쾌삭재(56)의 볼록부(56A) 및 오목부(56B)를 설치해도 된다.

본 발명에 따르면, 축선 방향의 열연신 및 직경 방향으로의 편심에 의해 시일 장치 및 회전 기계의 시일성이 저하되어 버리는 것을 억제할 수 있다.

100 : 증기 터빈
Da : 축선 방향
Dr : 직경 방향
S : 증기
O : 축선
10 : 케이싱
20 : 로터
21 : 동익
21a : 선단면
21A : 돌출부
30 : 정익
40 : 베어링부
41 : 저널 베어링
42 : 스러스트 베어링
50, 50A, 50B : 시일 장치
51 : 시일 링
51A, 56A, 21AA : 볼록부
51B, 56B, 21AB : 오목부
51d : 측면
52 : 직경 방향 핀
53 : 긴 핀
54 : 짧은 핀
55 : 경사 방향 핀
56 : 쾌삭재
56a : 짧은 대향면
56b : 긴 대향면
56c : 경사면
56d : 단부면
60 : 단독 시일 링
61 : 래비린스 시일
62 : 지지부
63 : 시일 핀
64 : 긴 시일 핀
65 : 짧은 시일 핀

Claims (17)

1. 축선 주위로 회전하는 로터의 외주면과, 당해 외주면을 외주측으로부터 덮는 스테이터의 내주면 사이의 간극을 시일하는 시일 장치이며,
   상기 스테이터에 설치되어, 상기 로터에 대향하는 면에 볼록부와 오목부가 축선 방향으로 교대로 형성된 쾌삭재를 갖는 시일 링과,
   상기 시일 링의 쾌삭재에 있어서의 볼록부 또는 오목부에 대응하는 축선 방향 위치에서, 상기 로터의 외주면으로부터 직경 방향 외측으로 돌출되는 복수의 직경 방향 핀과,
   상기 로터의 외주면으로부터, 상기 시일 링의 쾌삭재에 있어서의 상기 축선 방향의 양단을 향해 당해 양단의 외측으로부터 비스듬히 돌출되는 경사 방향 핀을 구비하고,
   상기 쾌삭재의 상기 경사 방향 핀과 대향하는 면이, 상기 경사 방향 핀을 향해 볼록한 곡면인, 시일 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시일 링의 상기 축선 방향의 양단에 설치된 볼록부 또는 오목부에 있어서의 상기 쾌삭재의 두께가, 그 외의 볼록부 또는 오목부에 있어서의 상기 쾌삭재의 두께보다 두꺼운, 시일 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 경사 방향 핀의 선단의 상기 축선 방향의 위치가, 상기 시일 링과 겹쳐 있지 않은, 시일 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 경사 방향 핀의 선단의 상기 직경 방향의 위치가, 상기 축선 방향의 양단에 설치된 볼록부 또는 오목부에 있어서의 상기 쾌삭재와 축선 방향으로 겹치는 위치에 있는, 시일 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 경사 방향 핀의 선단의 상기 직경 방향의 위치가, 상기 축선 방향의 양단에 설치된 볼록부 또는 오목부에 있어서의 상기 쾌삭재와 축선 방향으로 겹치는 위치에 있는, 시일 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 경사 방향 핀이 복수 있고,
   상기 축선 방향에 대향하지 않는 방향으로 경사지는 2개의 상기 경사 방향 핀의 사이에, 시일 부재가 배치되어 있는, 시일 장치.
7. 제3항에 있어서,
   상기 경사 방향 핀이 복수 있고,
   상기 축선 방향에 대향하지 않는 방향으로 경사지는 2개의 상기 경사 방향 핀의 사이에, 시일 부재가 배치되어 있는, 시일 장치.
8. 축선 주위로 회전하는 로터와,
   상기 로터의 직경 방향의 외측으로부터 덮는 스테이터와,
   제1항 또는 제2항에 기재된 시일 장치를 구비하는, 회전 기계.
9. 축선 주위로 회전하는 로터와,
   상기 로터의 직경 방향의 외측으로부터 덮는 스테이터와,
   제3항에 기재된 시일 장치를 구비하는, 회전 기계.
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