JP2014152696A - ラビリンスシール装置、およびそれを用いたターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】
ラビリンスシール入口の回転方向流れをより効果的に低減し、回転軸の不安定振動を抑制できると共に、回転軸との接触による振動発生やシールフィンの摩耗を低減できるラビリンスシール装置を提供する。
【解決手段】
回転体の外周面に設けられ、回転体半径方向外周側に突出するシールフィン１１と、回転体を内包する静止体に、シールフィンに対向するように固定されたシールリング１３とを有するラビリンスシール装置１であって、シールリングの内周面に形成され、シールリング半径方向内周側に突出する凸部１４と、該凸部の半径方向および周方向に複数設けられ、凸部の軸方向両側壁面を貫通し、孔内を通過する漏れ流れの回転体回転方向の速度成分を減じる整流孔１５と、凸部の内周面に対向して設けられたシールフィン１１とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は蒸気タービン等の高速，高圧ターボ機械に好適なラビリンスシール装置に関する。

蒸気タービン等のターボ機械では、回転軸を収めたケーシングから作動流体が回転軸に沿って漏れることを防止するために、回転軸とケーシングとの間にラビリンスシールが設けられることが多い。

ラビリンスシールは、一般的に、回転軸の軸方向に複数のシールフィンを有しており、これらのフィンとフィンの間に回転軸の外周に沿うように圧損用空隙が形成されている。
ラビリンスシールは、この圧損用空隙により、シール内を流下する漏れ流れに圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮するようになっている。

こうしたラビリンスシールでは、シール内の漏れ流れにより回転軸の不安定振動が発生する可能性がある。具体的には、ラビリンスシール内の漏れ流れは、回転軸の回転によるつれ回り効果により、回転軸の回転と同方向の回転方向流れを伴う。この回転方向流れは、振動変位した回転軸に対して回転方向上流側に高圧部を形成し非対称圧力分布を発生させる。回転軸の回転速度が速いほど回転方向流れの流速が大きくなるが、前記圧力分布は回転軸の振動変位に対して直角方向の流体力を流速に応じた強さで発生させる。

このため蒸気タービンなどの高圧ターボ機械では、高速回転時に回転軸の振動変位に対して直角方向に働く流体力が回転軸を回転方向に振れ回らせるように作用する。その結果、回転軸の振動安定性が低下して不安定振動が発生する可能性がある。

このようなラビリンスシールに関する回転軸の不安定振動は、回転方向流れを抑えることで解消することができる。回転方向流れを抑える技術としては、例えば特許文献１に開示の技術が知られている。

特許文献１のラビリンスシールでは、ラビリンスシール入口の回転体、静止体どちらかにらせん状のスリットを設け、スリットを通過する漏れ流れによって回転方向流れに対向する流れを発生させ，回転方向流れを抑制している。

特開平1-170702号公報

上述した特許文献１に開示されたラビリンスシール構造では、溝を流れる漏れ流れによって、回転方向に対向する流れを発生させ、回転方向流れを抑制しているが、溝以外の部分にも漏れ流れが発生するため、一部の漏れ流れのみで回転方向流れを抑制している。より多くの漏れ流れを利用して回転方向に対向する流れを発生させるには、回転体、静止体間の隙間を狭くする必要があり、回転体と静止体が接触し、振動発生や、シールフィンが摩耗する恐れがある。

そこで、本発明の目的は、ラビリンスシール入口の回転方向流れをより効果的に低減し、回転軸の不安定振動を抑制できると共に、回転軸との接触による振動発生やシールフィンの摩耗を低減できるラビリンスシール装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、回転体の外周面に設けられ、回転体半径方向外周側に突出するシールフィンと、回転体を内包する静止体に、シールフィンに対向するように固定されたシールリングとを有するラビリンスシール装置において、シールリング内周面に形成され、回転体半径方向内周側に突出する凸部と、凸部の半径方向および周方向に連続して設けられ、凸部の軸方向両側壁面を貫通し、孔内を通過する漏れ流れの回転体回転方向の速度成分を減じる整流孔と、凸部の内周面に対向して設けられたシールフィンとを有することを特徴とする。

本発明のラビリンスシール装置によれば、ラビリンスシールに流入する回転方向流れを抑制し、回転軸の不安定振動を抑制すると共に、回転体との接触による振動発生やシールフィンの摩耗を低減できるラビリンスシール装置を提供することができる。

蒸気タービンの要部を概略的に示した断面図である。 ラビリンスシールのチャンバー内圧力分布を示す模式図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。 本発明の第１の実施例に係る整流孔の軸方向直角断面の拡大図である。 本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの周方向展開図である。 本発明の第２の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。

以下に、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例について図面を用いて説明する。本実施例は、本発明を蒸気タービンに用いるラビリンスシール装置に適用した例である。

まず、本発明が適用される蒸気タービンの要部構造について説明する。

図１は、本発明が適用される蒸気タービンの要部構造の一例を概略的に示した断面図である。図１において、２は回転軸、３はケーシング、４はノズルダイヤフラム内輪、５はダイヤフラムパッキン、６はチップフィン、７はノズルダイヤフラム外輪、８は動翼、９はノズル、１０はシャフトパッキンを各々示す。

蒸気タービン１は、主に動翼８と共に回転体を構成する回転軸２と、静止体であり、回転軸２を内包・保持するとともに作動流体である蒸気１６の流路を形成するケーシング３とを備える。回転軸２には、周方向に複数枚の動翼８が固定されており、動翼８の蒸気流れ方向上流側に対向するようにノズル９が周方向に複数枚ケーシング３に固定されている。ケーシング３の内周側に環状のノズルダイヤフラム外輪７が固定され、ノズルダイヤフラム外輪７の内周側にノズル９の外周側先端が固定されている。一方、ノズル９の内周側先端は環状のノズルダイヤフラム内輪４で固定されている。

蒸気タービンでは、動翼８と上流側に対向して設置されるノズル９とで段落が形成され、その段落が回転軸２の軸方向に複数段設置される。

作動流体である蒸気１６は、ノズル９を通過する際に加速されて動翼８に送られ、動翼８で速度エネルギーから運動エネルギーに変換されて回転軸２が回転する。回転軸２は図示しない発電機と接続されており、電気エネルギーとして出力が取り出される。

回転体である回転軸２と静止体であるケーシング３との間には、回転軸２の回転を妨げないように間隙が設けられている。そして、この間隙において、高圧側から低圧側に向かって蒸気１６の一部が漏れ流れとなって流出するが、この漏れ出た蒸気は、回転軸２の回転運動に有効に活用されないため、蒸気タービン効率低下の一因となる。

そこで、回転体である回転軸２と静止体であるケーシング３との間隙部には、蒸気が流出するのを防ぐため、ラビリンスシール等のシール装置が設けられている。例えば、ノズル９の内周側に設けられたノズルダイヤフラム内輪４と回転軸２との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐダイヤフラムパッキン５、動翼８とケーシング３との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐチップフィン６、回転軸２とケーシング３との間隙からの蒸気の漏洩を防ぐシャフトパッキン１０にラビリンスシールが使用されている。

ラビリンスシールは、回転体または静止体の少なくともいずれか一方に、回転体半径方向に突出する複数のシールフィンを有している。回転体軸方向に沿って複数設けられたこれらのシールフィン間に回転軸２の外周に沿うようにリング状の圧損用空隙（チャンバー１２）が形成されている。ラビリンスシールは、この圧損用空隙により、シール内を流下する漏れ流れに圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮する。しかしながら、従来のラビリンスシールでは以下のような課題がある。

図２にラビリンスシールのチャンバー内の圧力分布を説明する模式図を示す。図２に示すように、一般的に蒸気タービン等の軸流ターボ機械では、回転軸２が回転することにより、漏れ流れが回転軸２の回転方向Ｒに旋回して、回転方向流れＲＳが生じる。回転軸２が一方向に偏心（振動変位）すると、チャンバー１２が変位方向で狭まる。回転方向流れＲＳは回転軸２の変位方向の上流側で流れが堰き止められ、高圧部を発生させる。この非対称圧力分布によって流体力が発生し、回転軸２が回転方向Ｒに押される。これを繰り返すことにより、回転軸２が振れ回り不安定振動を起こす。

以上のような従来のラビリンスシールの課題を踏まえて、本実施例のラビリンスシールについて図３ないし５を用いて説明する。

本実施例は、本発明を蒸気タービンに用いるラビリンスシールに適用した例のうちダイヤフラムパッキン５に使用されるラビリンスシールに適用した例である。

図３は、第１の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。図４は、本発明の第１の実施例に係るラビリンスシールの軸方向断面図である。図５は、図３に示したラビリンスシールの周方向展開図である。

ラビリンスシールでは図３に示すように、円環状のノズルダイヤフラム内輪４の内周側にシールリング１３が設けられている。シールリング１３は、回転軸２の周りにリング状に組み立てられた部材である。このシールリング１３の内周面には、回転軸半径方向内周側に向かって突出する凸部１４が形成されている。凸部１４は、シールリング１３の内周面に沿って、シールリング周方向に延伸して円環状に形成されている。この凸部１４が、回転軸２の軸方向に沿って複数段設けられている。

一方、回転軸２には、回転軸２の半径方向外周側に向かって突出するシールフィン１１が設けられている。シールフィン１１は、回転軸２の外周面に沿って回転軸周方向に延伸して円環状に形成されている。シールフィン１１は、シールリング１３に対向するように、軸方向に沿って複数本設けられている。これらのシールフィン１１のうちの複数本は、凸部１４に対向して設けられている。シールフィン１１は、シールフィン１１の先端とシールリング１３との間が等しい間隙となる様、凸部１４に合わせてシールフィン１１の長さを変えている。

軸方向に複数本設けられたシールフィン１１の間には回転軸２の周方向に沿ってリング状のチャンバー１２が形成されている。図３において、符号ＬＳを付した矢印は、漏れ流れの流れ方向を表す。回転軸２とシールリング１３の間を流れる漏れ流れは、チャンバー１２を通過する度に圧力損失を生じるため、下流側への流れが抑制される。

本実施例ではシールリング１３に設けた凸部１４のうち、漏れ流れ方向最上流側に設けられた第１段目の凸部１４に、凸部１４を回転軸方向に貫通する整流孔１５が複数設けられている。また、回転軸２側に設けたシールフィン１１のうち、漏れ流れ方向最上流側の第1段目のシールフィン１１は、第１段目の凸部１４の内周面に対向するように設けられている。

図４は、凸部１４に設けられた整流孔１５の一部を拡大した拡大図である。図４に示したように、第１段目の凸部１４は、回転軸方向から見てハニカム構造を有しており、六角形状の整流孔１５が周方向ｃおよび半径方向ｒに複数設けられている。これらの整流孔１５は、周方向ｃおよび半径方向ｒに略隣接するように連続して設けられている。

整流孔１５が凸部１４を貫通する方向を図５に示す。整流孔１５は、凸部１４の回転軸方向の両側壁面を貫通しており、孔が延伸する方向は、回転軸の回転方向と対向するように、漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸２の軸方向に対して回転方向Ｒと逆方向に傾斜している。

次に本発明の作用効果について図５を用いて説明する。

図５に示すように、本実施例では、ラビリンスシールの漏れ流れ方向最上流側より流入する回転方向流れＲＳを伴った漏れ流れが、整流孔１５を通過し、凸部１４の下流側に向かって、回転方向Ｒと反対方向の速度成分を持って噴出される。よって、回転方向流れＲＳを伴った漏れ流れが、整流孔１５を通過することで回転方向Ｒと反対方向の流れを伴った流れに変換される。漏れ流れが整流孔１５によって流れの方向を変換されることで、不安定振動の原因である回転方向流れＲＳの回転方向速度成分が減じられるため、回転方向流れによって生じる不安定振動を抑制することができる。

また、本実施例では、軸方向に連通する整流孔１５を凸部１４に複数設けた構造とし、整流孔１５を有する凸部１４に対向する回転軸２側にシールフィン１１を設けることで、回転軸２との接触面積を少なくできる。

凸部１４は周方向および半径方向に複数整流孔１５が設けられた多孔質構造体で構成されているため、比較的快削性であることで、シールフィン接触時に少ない抵抗かつ短時間で凸部１４が削れるため、振動発生やシールフィンの摩耗などのリスクを低減することができる。接触時のリスク低減により、整流孔を有する凸部、シールフィン間の隙間を少なくし、従来構造以上の漏れ流れを整流孔１５に流入させることができる。

これらにより、本発明のラビリンスシールは、回転方向流れＲＳを効果的に抑制しつつ、接触時の振動発生やシールフィンの摩耗などのリスクを低減することができる。

なお、本実施例の凸部では整流孔１５を図４の様に、六角形状とするハニカム構造としていたが、整流孔１５の断面形状は、三角形や四角形、円形などの形状にしてもよい。また、整流孔１５の孔は均一の大きさでなくてもよい。また、整流孔１５の孔の寸法の軸方向分布は一定でなくてもよい。高圧側から低圧側に向かって末窄まりや、末広がりにしてもよい。

また、整流孔１５は回転方向Ｒの反対方向に傾けていなくてもよい。回転方向流れＲＳが軸方向流れになるように整流孔１５を設けてもよい。また、高圧側であるほど不安定振動に対する回転方向流れの影響が大きいため、最も高圧側に設けられた第１段目の凸部１４に、整流孔１５を設けていたが、第２段目以降に設けてもよい。

また、本実施例は、本発明をダイヤフラムパッキン５に使用されるラビリンスシール装置に適用した例を用いて説明したが、シャフトパッキン１０、チップフィン６にラビリンスシール装置を使用する場合にも同様に適用することができる。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。図６は、本発明の第２の実施例に係るラビリンスシール１を示す構成図の例である。第１の実施例と同等の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

前述した第１の実施例では、回転体とケーシングが接触するのを防ぐため、シールリング、シールフィン間の間隙をあけている。一方、本実施例では、整流孔１５及び凸部１４を含むシールリング１３の内周側表面にアブレイダブル層１７を設けることにより、間隙が非常に小さくなるようにしている。本実施例では、回転軸とケーシングの半径方向の熱伸び差などで、シールフィン１１が整流孔１５に接触する前にアブレイダブル層１７に接触する。アブレイダブル層１７に接触しても、振動発生や、シールフィンの摩耗は発生しない。

図６に示すように整流孔１５は複数の孔で構成されているため、シールリング１３にアブレイダブル層１７のコーティングを施した場合でも、コーティングの厚さ以上の高さがあるため流路を確保できる。

また、整流孔１５、シールフィン１１間の隙間を第１の実施例より小さくでき、より効果的に整流孔に漏れ流れを通過させることができる。本実施例の構造によっても、回転方向流れＲＳを効果的に抑制しつつ、接触時の振動発生やシールフィンの摩耗を抑えることができる。

また、加えて、本実施例はシール性に大きく影響する回転体、ケーシング間の間隙を狭め、漏れにくくさせているため、漏れ量を効果的に低減することができる。したがって、本実施例は、シール性を確保しつつ、第１の実施例と同様に回転方向流れＲＳを効果的に抑制しつつ、接触時のリスクを低減することができる。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な形状例が含まれる。また、上記した各実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、上記した各実施例は、蒸気タービンの例で説明したが、これに限られず、その他のターボ機械、例えば遠心圧縮機等にも適用可能である。

１ 蒸気タービン
２ 回転軸
３ ケーシング
４ ノズルダイヤフラム内輪
５ ダイヤフラムパッキン
６ チップフィン
７ ノズルダイヤフラム外輪
８ 動翼
９ ノズル
１０ シャフトパッキン
１１ シールフィン
１２ チャンバー
１３ シールリング
１４ 凸部
１５ 整流孔
１６ 蒸気
１７ アブレイダブル層
ＬＳ 漏れ流れ
ＲＳ 回転方向流れ
Ｒ 回転方向

Claims (10)

1. 回転体の外周面に設けられ、回転体半径方向外周側に突出するシールフィンと、前記回転体を内包する静止体に、前記シールフィンに対向するように固定されたシールリングとを有するラビリンスシール装置であって、
   前記シールリングの内周面に形成され、シールリング半径方向内周側に突出する凸部と、
   該凸部の半径方向および周方向に複数設けられ、前記凸部の回転体軸方向両側壁面を貫通し、孔内を通過する漏れ流れの回転体回転方向の速度成分を減じる整流孔と、
   前記凸部の内周面に対向して設けられた前記シールフィンとを有することを特徴とするラビリンスシール装置。
2. 請求項１記載のラビリンスシール装置であって、
   前記整流孔は、漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸の軸方向に対して回転方向と逆方向に傾斜して延伸している、または漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸方向に沿って延伸していることを特徴とするラビリンスシール装置。
3. 請求項１または２記載のラビリンスシーツ装置であって、
   前記凸部は、回転軸方向に複数段設けられ、
   前記整流孔は、漏れ流れ方向最上流側の前記凸部に設けられていることを特徴とするラビリンスシール。
4. 請求項１ないし３のいずれか1項に記載のラビリンスシール装置であって、
   前記凸部は、回転軸方向からみてハニカム構造を有することを特徴とするラビリンスシール装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか1項に記載のラビリンスシール装置であって、
   前記シールリング及び前記凸部の内周側表面にアブレイダブル層を設けたことを特徴とするラビリンスシール装置。
6. 回転体と、該回転体を内包する静止体と、前記回転体と前記静止体との間に設けられたラビリンスシール装置とを備え、
   前記ラビリンスシール装置は、前記回転体の外周面に設けられ、回転体半径方向外周側に突出するシールフィンと、前記回転体を内包する静止体に、前記シールフィンに対向するように固定されたシールリングとを有するターボ機械であって、
   前記ラビリンスシール装置は、
   前記シールリングの内周面に形成され、シールリング半径方向内周側に突出する凸部と、
   該凸部の半径方向および周方向に複数設けられ、前記凸部の回転体軸方向両側壁面を貫通し、孔内を通過する漏れ流れの回転体回転方向の速度成分を減じる整流孔と、
   前記凸部の内周面に対向して設けられた前記シールフィンと、を有することを特徴とするターボ機械。
7. 請求項６記載のターボ機械であって、
   前記整流孔は、漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸の軸方向に対して回転方向と逆方向に傾斜して延伸している、または漏れ流れ方向上流側から下流側に向かって、回転軸方向に沿って延伸していることを特徴とするターボ機械。
8. 請求項６または７記載のターボ機械であって、
   前記ラビリンスシール装置は、前記凸部を、回転軸方向に複数段有し、回転軸方向に複数段設けられた前記凸部のうち、漏れ流れ方向最上流側の前記凸部に前記整流孔を有することを特徴とするターボ機械。
9. 請求項６ないし８のいずれか1項に記載のターボ機械であって、
   前記凸部は、回転体軸方向からみてハニカム構造を有することを特徴とするターボ機械。
10. 請求項６ないし９のいずれか1項に記載のターボ機械であって、
    前記シールリング及び前記凸部の内周側表面にアブレイダブル層を設けたことを特徴とするターボ機械。