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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dichtungsstruktur, die einen Zwischenraum zwischen einem Rotor und einem Stator abdichtet, und eine Rotationsmaschine, die dazwischen vorgesehen ist.
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Die Priorität der am 4. März 2014 eingereichten
japanischen Patentanmeldung Nr.: 2014-042 142 wird hiermit beansprucht, deren Inhalt hiermit durch Querverweis aufgenommen ist.
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Stand der Technik
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Wie es allgemein bekannt ist, gibt es als eine Art Dampfturbine, die eine Rotationsmaschine ist, eine Rotationsmaschine die ein Gehäuse, einen Wellenkörper (Rotor), der innerhalb des Gehäuses drehbar vorgesehen ist, eine Vielzahl von Leitschaufeln, die am Innenumfang des Gehäuses fest befestigt ist, und eine Vielzahl von Schaufeln, die radial am Wellenkörper auf einer stromabwärtigen Seite der Vielzahl von Leitschaufeln vorgesehen ist, aufweist. Im Falle einer Impulsturbine unter solchen Dampfturbinen wird durch die Leitschaufeln Druckenergie von Dampf (Fluid) in kinetische Energie umgewandelt und die kinetische Energie wird durch die Schaufeln in Rotationsenergie (mechanische Energie) umgewandelt. Des Weiteren, im Falle einer Reaktionsturbine, wird ebenfalls durch die Schaufeln Druckenergie in kinetische Energie umgewandelt und die kinetische Energie wird durch die Reaktionskraft durch das Ausstoßen von Dampf in Rotationsenergie (mechanische Energie) umgewandelt.
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Bei dieser Art von Dampfturbine ist ein Zwischenraum zwischen einem Spitzenabschnitt der Schaufeln und dem Gehäuse in Radialrichtung ausgebildet, der einen Strömungspfad des Dampfes durch umgeben der Schaufeln bildet. Darüber hinaus ist auch ein Zwischenraum zwischen dem Spitzenabschnitt der Leitschaufeln und dem Wellenkörper in Radialrichtung ausgebildet. Der Leckagedampf jedoch, der durch den Zwischenraum zwischen dem Spitzenabschnitt der Schaufeln und dem Gehäuse in Richtung der stromabwärtigen Seite strömt, bringt keine Rotationskraft auf die Schaufeln auf. Des Weiteren, da keine Druckenergie des Leckagedampfs, der durch den Zwischenraum zwischen den Leitschaufeln und dem Wellenkörper in Richtung stromabwärtige Seite strömt, durch die Leitschaufeln in kinetische Energie umgewandelt wird, wird eine Rotationskraft nur schwer auf die Schaufeln, die auf der stromabwärtigen Seite angeordnet sind, ausgeübt. Daher, um die Leistung einer Gasturbine zu steigern, ist es wichtig, eine Strömungsmenge des Leckagedampfs (Leckagedurchfluss), der durch den Zwischenraum strömt, zu reduzieren.
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Herkömmlicherweise wurde wie in Patentdokument 1 beispielsweise offenbart, eine Turbine vorgeschlagen, die einen Aufbau aufweist, bei dem eine Vielzahl von Stufenabschnitten an einem Spitzenabschnitt der Schaufel gebildet sind, deren Höhe sich graduell von einer stromaufwärtigen Seite in Richtung stromabwärtige Seite hin in einer axialen Richtung erhöht, eine Vielzahl von Dichtungsrippen an einem Gehäuse ausgebildet ist, die sich jeweils in Richtung der Stufenabschnitte erstrecken, und ein kleiner Zwischenraum ist zwischen jedem Stufenabschnitt und dem jeweiligen Spitzenabschnitt ausgebildet.
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In dieser Turbine wird dadurch ein Hauptwirbel an der stromaufwärtigen Seite einer gestuften Oberfläche erzeugt, dass ein Fluid, das von der stromaufwärtigen Seite in den Zwischenraum einströmt, mit der gestuften Oberfläche des Stufenabschnitts zusammen stößt. Des Weiteren wird ein Trennwirbel an der stromabwärtigen Seite der gestuften Oberfläche (in der Nähe der stromaufwärtigen Seite des kleinen Zwischenraums) gebildet. Eine Reduktion des Leckagedurchflusses, der durch den kleinen Zwischenraum strömt, wird durch den Trennwirbel erzielt, der in der Nähe von der stromaufwärtigen Seite des kleinen Zwischenraums erzeugt wird. D. h., eine Reduktion des Durchflusses des Leckagefluids, das durch den Zwischenraum zwischen dem Spitzenabschnitt der Schaufeln und dem Gehäuse strömt, wird erzielt.
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[Stand der Technik Dokumente]
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[Patentdokumente]
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- [Patentdokument 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung, Erstveröffentlichung Nr.: 2011-080452
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Probleme, die durch die Erfindung zu lösen sind
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Allerdings gibt es eine starke Nachfrage die Leistung von Dampfturbinen zu verbessern, und daher wurde eine weitere Verringerung des Leckagedurchflusses gefordert.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochleistungs-Dichtungsstruktur für eine Dichtungsstruktur, die den Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator abdichtet, bereitzustellen, bei der der Leckagedurchfluss weiter reduziert ist, und eine Rotationsmaschine bereitzustellen, die mit dieser versehen ist.
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Mittel zum Lösen des Problems
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Der erste Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Dichtungsstruktur bereit, die einen Zwischenraum zwischen einer Außenumfangsfläche eines Rotors, der um eine Achse desselben rotiert, und einer Innenumfangsfläche eines Stators, der so angeordnet ist, dass er den Rotor von einer Außenumfangsseite dessen her in einer radialen Richtung des Rotors umgibt, abdichtet, wobei die Dichtungsstruktur aufweist: eine Vielzahl von Stufenabschnitten, die auf einer ersten Oberfläche, die die Außenumfangsfläche des Rotors oder die Innenumfangsfläche des Stators ist, so vorgesehen ist, dass sie in axialer Richtung angeordnet sind und eine gestufte Oberfläche aufweisen, die in einer axialen Richtung des Rotors einer stromaufwärtigen Seite zugewandt sind, und die von der ersten Oberfläche zu einer zweiten Oberfläche, die die andere der Außenumfangsfläche des Rotors oder der Innenumfangsfläche des Stators ist, abstehen, und eine Dichtungsrippe, die auf der zweiten Oberfläche vorgesehen ist und sich in Richtung einer Umfangsfläche jedes der Stufenabschnitte erstreckt, und die einen kleinen Zwischenraum zwischen einer entsprechenden Umfangsfläche der Stufenabschnitte bildet, wobei ein Abschnitt in der Nähe einer Spitze der Dichtungsrippe in radialer Richtung in Richtung der stromaufwärtigen Seite geneigt ist, wobei der Abschnitt in der Nähe der Spitze an der ersten Oberflächenseite über einen Bereich von der zweiten Oberfläche bis hin zu einem vorbestimmten Abstand von der zweiten Oberfläche hinaus positioniert ist.
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Gemäß der obigen Struktur wird gleich wie bei der herkömmlichen Technik ein Hauptwirbel an der stromaufwärtigen Seite der gestuften Oberfläche durch Aufprall eines Fluids, das in den Zwischenraum von der stromaufwärtigen Seite her einströmt, an der gestuften Oberfläche jedes der Stufenabschnitte erzeugt. Auch eine Trennwirbel, der in einer entgegengesetzten Richtung als der Hauptwirbel rotiert, wird an einer Umfangsfläche jedes der Stufenabschnitte, die an der stromabwärtigen Seite der gestuften Oberflächen angeordnet ist, erzeugt, durch Trennung eines Teils der Strömung des Hauptwirbels an einem Eckbereich (Kante), der durch die gestufte Oberfläche und die Umfangsfläche jedes der Stufenabschnitte ausgebildet ist. Der Trennungswirbel erzeugt von einer Spitze der Dichtungsrippe aus eine Abwärtsströmung in Richtung der Umfangsfläche des Stufenabschnitts, weshalb der Trennungswirbel einen Kontraktionseffekt ausübt, der die Menge an Fluid, das durch den kleinen Zwischenraum zwischen der Spitze der Dichtrippen und der Stufenabschnitte strömt, reduziert.
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Das Fluid, das von einer Seite der Dichtungsrippe zu der anderen Seite strömt, strömt durch den kleinen Zwischenraum, während es durch eine Flanke in der Nähe der Spitze der Dichtungsrippe zu der stromaufwärtigen Seite zurückgeführt wird, wodurch das Fluid so strömt, dass es die Umgebung der Spitze der Dichtungsrippe umgeht. Als Ergebnis der Strömung dieses Fluids und des Trennungswirbels wird der Kontraktionseffekt verbessert und der Leckagedurchfluss kann verringert werden.
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In der obigen Dichtungsstruktur, wenn der kleine Zwischenraum als H definiert ist und ein Abstand zwischen der Dichtungsrippe und der gestuften Oberfläche an der stromaufwärtigen Seite des Stufenabschnitts in axialer Richtung als L definiert ist, weist die Dichtungsstruktur einen Aufbau auf, der den folgenden Ausdruck erfüllt 1,8 < L/H < 2,2.
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Gemäß einem solchen Aufbau können der Kontraktionseffekt weiter verbessert und der Leckagedurchfluss weiter reduziert werden, wie es in den später beschriebenen Simulationsergebnissen gezeigt ist.
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In der obigen Dichtungsstruktur kann ein Winkel der Dichtungsrippe in radialer Richtung in einem Bereich, von der zweiten Oberfläche bis hin zu einem vorbestimmten Abstand von der zweiten Oberfläche, kontinuierlich variieren.
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Gemäß eines solchen Aufbaus kann die Wirkung der Flanke in der Nähe der Spitze der Dichtungsrippe weiter verbessert werden, da die Strömungen des erzeugten Hauptwirbels und des Trennungswirbels weniger wahrscheinlich durch die Dichtungsrippe gehemmt werden.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Rotationsmaschine einschließlich einer der vorstehend beschriebenen Dichtungsstrukturen bereit.
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Wirkungen der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung, die mit einer Dichtungsstruktur versehen ist, die einen Zwischenraum zwischen einer Außenumfangsfläche eines Rotors und einer Innenumfangsfläche eines Stators, der so angeordnet ist, dass er den Rotor von einer Außenumfangsseite dessen her in einer radialen Richtung umgibt, abdichtet, verstärkt den Kontraktionseffekt und kann den Leckagedurchfluss reduzieren.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Dampfturbine einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Ansicht des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils I der 1.
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3 ist eine Ansicht des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die eine Dichtungsrippe der 2 zeigt.
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4 ist ein Betriebserläuterungsdiagramm der Dampfturbine einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5A ist eine Ansicht, die das Strömungsverhalten eines Dampf erklärt, der durch einen kleinen Zwischenraum strömt, und ist eine Ansicht, welche das Strömungsverhalten von Dampf an der Dichtungsrippe des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erklärt.
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5B ist eine Ansicht, die das Strömungsverhalten von Dampf erklärt, der durch einen kleinen Zwischenraum strömt, und ist eine Ansicht, die das Strömungsverhalten von Dampf an der Dichtungsrippe erklärt, die wie bei der herkömmlichen Technik keine Flanke aufweist.
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6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem horizontalen zu vertikalen Verhältnis L/H eines Abstands L zu dem kleinen Zwischenraum H und eines Strömungskoeffizient Cd des Dampfs, der durch den kleinen Zwischenraum H strömt, zeigt.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Im Folgenden wird eine Dampfturbine, die eine Rotationsmaschine einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, mit Bezug auf die Zeichnungen im Detail erläutert.
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Wie in 1 gezeigt, ist eine Dampfturbine 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem Gehäuse 10 (einen Stator), einer rotierenden Welle 30, die drehbar innerhalb des Gehäuses 10 vorgesehen ist und Leistung an eine Maschine, wie beispielsweise einen Generator (nicht dargestellt), überträgt, eine Leitschaufel 40, die in dem Gehäuse 10 aufgenommen ist, eine Schaufel, die auf der Drehwelle 30 vorgesehen ist und einen Lagerabschnitt 60, der die Drehwelle 30 um eine Achse drehbar lagert, versehen.
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Dampf S wird über eine Dampfzufuhrleitung 20, die mit einer Dampfversorgungsquelle (nicht gezeigt) verbunden ist, von einem Hauptströmungseinlass 21, der in dem Gehäuse 10 ausgebildet ist, eingeleitet und wird von einer Dampfabgabeleitung 22, die mit einer stromabwärtigen Seite der Dampfturbine 1 verbunden ist, abgeführt.
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Das Gehäuse 10 ist als ein Strömungspfad des Dampf S ausgebildet und ein Innenraum des Gehäuses ist hermetisch abgedichtet. An einer Innenwandfläche des Gehäuses 10 ist ein Trennplattenaußenring 11, der eine Ringform aufweist und in den die Drehwelle 30 eingefügt ist, fest fixiert.
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Der Lagerabschnitt 60 ist mit einer Radiallagervorrichtung 61 und einer Axiallagervorrichtung 62 versehen und lagert die Drehwelle 30 drehbar.
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Die Leitschaufel 40 erstreckt sich zu einer Innenumfangsseite des Gehäuses 10 und bildet eine ringförmige Leitschaufelgruppe, in der eine Vielzahl von Leitschaufeln radial angeordnet ist, um die Drehwelle 30 zu umgeben. Jede der Vielzahl von Leitschaufeln 40 ist in dem Trennplattenaußenring 11 gehalten.
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Eine Vielzahl von ringförmigen Leitschaufelgruppen einschließlich der Vielzahl an Leitschaufeln 40 ist in Abständen in axialer Richtung der Drehwelle 30 (im Folgenden einfach als ”axiale Richtung” bezeichnet) angeordnet. Die Vielzahl von Leitschaufeln 40 wandelt die Druckenergie des Dampfs in kinetische Energie um und ist dazu eingerichtet, es dem Dampf zu ermöglichen, in die Schaufel 50, die angrenzend dazu in stromabwärtiger Richtung angeordnet ist, zu strömen.
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Die Schaufel 50 ist fest an einem Außenumfangsabschnitt des Drehwellenhauptkörpers 31 der Drehwelle 30 angebracht und bildet eine ringförmige Schaufelgruppe, in der eine Vielzahl von Schaufeln radial an der stromabwärtigen Seite jeder ringförmigen Leitschaufelgruppe angeordnet ist.
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Diese ringförmige Leitschaufelgruppe und die ringförmige Schaufelgruppe sind jeweils ein Satz pro Stufe. Ein Spitzenabschnitt der Schaufel 50 ist in der letzten Stufe unter den Stufen mit einem Spitzenabschnitt der Schaufel 50, der in einer Umfangsrichtung der Drehwelle 30 (im Folgenden einfach als ”Umfangsrichtung” bezeichnet) benachbart ist, verbunden und wird als eine Abdeckung 51 (Rotor) bezeichnet.
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Wie in 2 gezeigt, ist die Abdeckung 51, die den Spitzenabschnitt der Schaufel 50 bildet, so angeordnet, dass es dem Gehäuse mit einem Zwischenraum in radialer Richtung dazwischen zugewandt ist und der Trennplattenaußenring 11 des Gehäuses 10 dazwischen angeordnet ist. Ebenfalls ist eine Dichtungsstruktur 2 zwischen der Abdeckung 51 und dem Trennplattenaußenring 11 des Gehäuses 10 vorgesehen. Im folgenden werden die Komponenten der Dichtungsstruktur 2 im Detail beschrieben.
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Die Abdeckung 51 umfasst drei Stufenabschnitte 52 (52A bis 52C), von denen jeder eine gestufte Oberfläche 53 (53A bis 53C) aufweist und in Richtung des Teilungsplattenaußenrings 11 vorsteht, wobei die drei Stufenabschnitte in axialer Richtung angeordnet sind.
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Die Vorsprungshöhe der drei Stufenabschnitte 52A bis 52C, von der Schaufel 50 zu einer Außenumfangsfläche (Umfangsfläche) 54A bis 54C (54) der drei Stufenabschnitte 52A bis 52C, ist so ausgebildet, dass sie von der stromaufwärtigen Seite her in axialer Richtung zur stromabwärtigen Seite hin allmählich zunimmt. Dementsprechend ist die gestufte Oberfläche 53 jedes der Stufenabschnitte 52 der stromaufwärtige Seite in axialer Richtung zugewandt. Auch in der vorliegenden Ausführungsform ist die gestufte Oberfläche 53 jedes der Stufenabschnitte 52 parallel zu der radialen Richtung und die drei gestuften Oberflächen 53A bis 53C sind so eingerichtet, dass sie die gleiche Höhe aufweisen. Außerdem ist in der vorliegenden Ausführungsform die Außenumfangsfläche 54 jedes der Stufenabschnitte 52 parallel zur Achsrichtung.
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In dem Trennplattenaußenring 11 ist eine ringförmige Nut 12, die sich in Umfangsrichtung erstreckt, in einem Abschnitt ausgebildet, der der Abdeckung 51 entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform ist die ringförmige Nut 12 derart ausgebildet, dass sie radial außerhalb einer Innenumfangsfläche des Trennplattenaußenrings 11 eingebracht ist. Die Abdeckung 51 ist derart angeordnet, dass sie in die ringförmige Nut 12 eindringt.
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Ein Bodenabschnitt der ringförmigen Nut 12 weist radial nach innen, um den drei Stufenabschnitte 52A bis 52C zugewandt zu sein und bildet drei Ringausnehmungen 13 (13A bis 13C, die Innenumfangsfläche), die in axialer Richtung angeordnet sind. Die drei Ringausnehmungen 13A bis 13C sind so ausgebildet, dass sie sich allmählich, schrittweise radial von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite vergrößern.
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Dichtungsrippen 5 (5A bis 5C), die sich radial nach innen in Richtung der Abdeckung 51 erstrecken, sind an jedem der gehäuseseitigen Randabschnitte 14, die an einer Grenze von zwei Ringausnehmungen 13, 13, die in axialer Richtung zueinander benachbart sind, vorgesehen sind, vorgesehen. Eine axiale Position der gehäuseseitigen Randabschnitte 14 und Dichtungsrippen 5 ist so eingerichtet, dass sie einer Außenumfangsfläche 54 von jedem der Stufenabschnitte 52 zugewandt sind. Insbesondere sind die drei Dichtungsrippen 5A bis 5C in axialer Richtung in Abständen angeordnet und sind so vorgesehen, dass jeweils zu eine einem der drei Stufenabschnitte 52A bis 52C korrespondiert. In der vorliegenden Ausführungsform sind die drei Dichtungsrippen 5A bis 5C in axialer Richtung in gleichen Abständen angeordnet.
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Ein kleiner Zwischenraum H (H1 bis H3) ist in radialer Richtung zwischen der Außenumfangsfläche 54 jedes der Stufenabschnitte 52 und der Spitze jeder der Dichtungsrippen 5 definiert. Jede Dimension des kleinen Zwischenraums H ist auf ein Minimum eingestellt, unter Berücksichtigung einer Größe der Wärmeausdehnung des Gehäuses 10 und der Schaufeln 50, einer Größe der zentrifugalen Ausdehnung der Schaufeln 50 und dergleichen. Und ist auf einen sicheren Bereich eingestellt, in dem das Gehäuse und die Schaufeln einander nicht berühren. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Größe der drei kleinen Zwischenräume H1 bis H3 gleich.
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Drei Hohlräume C (C1 bis C3) sind zwischen der Abdeckung 51 und dem Teilungsplattenaußenring 11 und den Dichtungsrippen 5, die in axialer Richtung angeordnet sind, ausgebildet. Jeder der Hohlräume C ist zwischen den Dichtungsrippen 5, die jeweils einem der Stufenabschnitte 52 entsprechen, und einer Trennwand, die der stromaufwärtigen Seite in axialer Richtung in Bezug auf die Dichtungsrippe 5 zugewandt ist, ausgebildet.
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Darüber hinaus ist ein Verhältnis D/W einer radialen Größe D zu einer axialen Größe W jedes Hohlraums C (vertikales zu horizontales Verhältnis D/W des Hohlraums), wie später im Detail beschrieben, bevorzugt auf einen Wert in der Nähe von 1,0 eingestellt, sodass eine Größe des Trennungswirbels, der in dem gleichen Hohlraum C erzeugt wird, kleiner ist als die Größe eines Hauptwirbels MV (siehe 4).
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Wie in 3 gezeigt, ist ein Abschnitt in der Nähe einer Spitze der Dichtungsrippe 5 des vorliegenden Ausführungsbeispiels in radialer Richtung, die auf der Abdeckungsseite hinter einem Bereich R1 positioniert ist, von der Ringausnehmung 13 bis auf einen vorbestimmten Abstand in Richtung der stromaufwärtigen Seite geneigt. In anderen Worten, die Dichtungsrippe 5 der vorliegenden Erfindung ist nur in der Nähe der Spitze der Dichtungsrippe teilweise gebogen und ein gebogener Abschnitt 19, der in Richtung der stromaufwärtigen Seite geneigt ist, ist in der Nähe des Spitzenbereichs ausgebildet.
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Wenn ein Abstand zwischen der Dichtungsrippe 5 und der gestuften Oberfläche 53 an der stromaufwärtigen Seite in axialer Richtung des Stufenabschnitts 52, das dazu korrespondiert, (eine Länge der Außenumfangsfläche 54 jedes der Stufenabschnitte 52 von jedem der kleinen Zwischenräume H bis zur Stufenfläche 53 auf der stromaufwärtigen Seite) ist als L definiert, wobei mindestens einer der Abstände L so ausgebildet ist, dass er dem folgenden Ausdruck (1) genügt. 1,25 < L/H < 2,75 (1)
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Das heißt, der Abstand L ist so eingestellt, dass er im Wesentlichen zweimal die Größe des kleinen Zwischenraums H ist.
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Der Winkel der gesamten Dichtungsrippe 5 variiert kontinuierlich in radialer Richtung in dem Bereich R1, von der Ringausnehmung 13 bis hin auf den vorbestimmten Abstand. D. h., es ist kein Vorsprung auf der Dichtungsrippe 5 im Bereich R1 in radialer Richtung der Dichtungsrippe 5 ausgebildet.
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Hier wird der Betrieb der Dampfturbine 1, die die obige Struktur aufweist, beschrieben. Zunächst strömt der Dampf S von der Dampfzufuhrquelle, wie einem Boiler (nicht dargestellt), über die Dampfzufuhrleitung 20 in den Innenraum des Gehäuses 10. Der Dampf S, der in den Innenraum des Gehäuses 10 geströmt ist, strömt der Reihe nach durch die ringförmige Leitschaufelgruppe und die ringförmige Schaufelgruppe in jeder Stufe. Zu diesem Zeitpunkt wird die Druckenergie durch die Leitschaufeln 40 in kinetische Energie umgewandelt, der Großteil des Dampfes S, der durch die Leitschaufeln 40 geströmt ist, strömt zwischen den Schaufeln 50 der gleichen Stufe, womit die kinetische Energie und die Druckenergie des Dampfes S durch die Schaufeln 50 in eine Rotationsenergie umgewandelt wird, und die Drehwelle 30 wird in Rotation versetzt. Andererseits, ein Teil des Dampfes S (beispielsweise einige Prozent) strömt in die ringförmige Nut 12 (Zwischenraum zwischen der Abdeckung 51 der Schaufeln 50 und dem Teilungsplattenaußenring 11 des Gehäuses 10), nachdem er von den Leitschaufeln 40 ausströmt, und wird ein sogenannter Leckagedampf.
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Wie in 4 gezeigt, der Dampf S, der in die ringförmige Nut 12 eingeströmt ist, prallt zuerst mit der gestuften Oberfläche 53A des Stufenabschnitts 52A der ersten Stufe zusammen und strömt in einen ersten Hohlraum C1, und strömt dabei derart, dass er zu der stromaufwärtigen Seite zurückkehrt. Als Ergebnis wird in dem ersten Hohlraum C1 ein Hauptwirbel MV1 erzeugt, der in entgegengesetztem Uhrzeigersinn (erste Drehrichtung) rotiert.
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Zu dieser Zeit wird, da ein Teil der Strömung von dem Hauptwirbel MV1 abgetrennt wird, insbesondere an dem Eckabschnitt (Kante), der durch die gestufte Oberfläche 53A des Stufenabschnitts 52A der ersten Stufe und der Außenumfangsfläche 54A ausgebildet ist, ein Trennungswirbel SV1 an der Außenumfangsfläche 54A des Stufenabschnitts 52A der ersten Stufe erzeugt, der im Uhrzeigersinn (zweite Drehrichtung), die eine entgegengesetzte Richtung zu der Richtung des Hauptwirbel ist, rotiert.
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Der Trennungswirbel SV1 ist in der Nähe der stromaufwärtigen Seite des ersten kleinen Zwischenraums H1 positioniert, der zwischen dem Stufenabschnitt 52A der ersten Stufe und der Dichtungsrippe 5A angeordnet ist. Insbesondere, da eine Abwärtsströmung des Trennungswirbels SV1, die zu der radialen Innenseite hin gerichtet ist, erst kurz vor dem ersten kleinen Zwischenraum H1 erzeugt wird, kann der Kontraktionseffekt, der den Leckagedurchfluss, der in den zweiten Hohlraum C2, der an der stromabwärtigen Seite des ersten Hohlraums C1 angeordnet ist, durch den ersten kleinen Zwischenraum H1 einströmt, verringert, durch den Trennungswirbel SV1 erzielt werden.
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Wenn der Dampf S aus dem ersten Hohlraum C1 in den zweiten Hohlraum C2 strömt, nachdem er durch den ersten kleinen Zwischenraum H1 geströmt ist, wird ein Hauptwirbel MV2 in dem zweiten Hohlraum C2 erzeugt, gleich wie in dem Fall des ersten Hohlraums C1, und eine Trennungswirbel SV2 wird ebenfalls erzeugt.
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Wenn ferner der Dampf S, nachdem er durch einen zweiten kleinen Zwischenraum H2 geströmt ist, in den dritten Hohlraum C3 strömt, wird gleich wie in den Fällen der ersten und zweiten Hohlräume C1, C2, ein Hauptwirbel MV3 in dem dritten Hohlraum C3 erzeugt, sowie ein Trennungswirbel SV3.
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Wie in 5A gezeigt, strömt der Dampf S, der von der radialen Außenumfangsflächenseite in Richtung der radialen Innenumfangsflächenseite an den Dichtungsrippen 5 strömt, durch den kleinen Zwischenraum H, während er durch die Flanke des gebogenen Abschnitts 19, der in der Nähe der Spitze der Dichtungsrippen 5 vorgesehen ist, zu der stromaufwärtigen Seite zurückgeführt wird, wodurch der Dampf S so strömt, dass er die Umgebung der Spitze der Dichtungsrippen 5 umgeht. Die Strömung des Dampfes S und der Trennungswirbel SV erhöhen den Kontraktionseffekt und der pseudo-Zwischenraum V1 wird reduziert, wodurch der Leckagedurchfluss reduziert werden kann.
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Andererseits, wie in 5B gezeigt, im Falle von Dichtungsrippen 105 ohne Flanken, wie in der herkömmlichen Technik, ist eine Umgehungsdampfmenge S, die von der radialen Außenumfangsflächenseite her in Richtung der radialen Innenumfangsflächenseite an den Dichtungsrippen 105 strömt, klein, wodurch ein pseudo-Zwischenraum V2 groß ist, wenn verglichen mit den Dichtungsrippen 5 des vorliegenden Ausführungsbeispiels, womit der Leckagedurchfluss größer ist als in der Dichtungsstruktur der vorliegenden Ausführungsform.
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Gemäß der obigen Ausführungsform strömt der Dampf S, der von der stromaufwärtigen Seite zu der stromabwärtigen Seite strömt, durch den kleinen Zwischenraum H, während er durch die Flanke in der Nähe der Spitze der Dichtungsrippen 5 zu der stromaufwärtigen Seite zurückgeführt wird. Als Ergebnis strömt der Dampf S derart, dass er die Umgebung der Spitze der Dichtungsrippen 5 umgeht. Die Strömung des Dampfes S und der Trennungswirbel SV erhöhen den Kontraktionseffekt und der Leckagedurchfluss kann reduziert werden.
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Auch wenn der kleine Zwischenraum als H definiert ist und der Abstand zwischen der Dichtungsrippe 5 und der gestuften Oberfläche 53 an der stromaufwärtigen Seite des Stufenabschnitts 52 in axialer Richtung als L definiert ist, ist L/H eingestellt um den Ausdruck 1,8 < L/H < 2,2 zu erfüllen. Somit wird, wie in den Simulationsergebnissen gezeigt, die später beschrieben werden, der Kontraktionseffekt des Trennungswirbels SV weiter verbessert und der Leckagedurchfluss kann weiter reduziert werden.
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Da der Winkel der gesamten Dichtungsrippe 5 in radialer Richtung in dem Bereich R1, von der ringförmigen Ausnehmung 13 bis hin zu dem vorbestimmten Abstand kontinuierlich variiert, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Strömungen des erzeugten Hauptwirbels MV und des Trennungswirbels SV durch die Dichtungsrippe 5 gehemmt werden. Dementsprechend kann die Wirkung der Flanke in der Nähe der Spitze der Dichtungsrippe 5 weiter verbessert werden.
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Im Übrigen ist der obige Effekt, wie in 6 gezeigt, aus den Ergebnissen der von den Erfindern durchgeführten Experimenten ersichtlich.
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Der in 6 gezeigte Graph ist ein Ergebnis von Experimenten in Bezug auf eine Beziehung zwischen einem horizontal zu vertikal Verhältnis L/H in dem Stufenabschnitt 52 und des Strömungskoeffizienten Cd des Dampfs D, der durch den entsprechenden kleinen Zwischenraum H strömt. Der Graph zeigt an, dass je kleiner der Strömungskoeffizient Cd ist, desto kleiner ist der Strömungsdurchfluss des Dampfes S, der durch den kleinen Zwischenraum H strömt.
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Gemäß diesem Diagramm ist es ersichtlich, dass der optimale Wert des horizontal zu vertikal Verhältnisses L/H, in dem der Strömungskoeffizient Cd minimal wird, in dem kleinen Zwischenraum H vorhanden ist. Der optimale Wert des horizontal zu vertikal Verhältnisses L/H in dem kleinen Zwischenraum H ist 2,0.
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Gemäß dem obigen wurde die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und verschiedene Modifikationen können ohne Abweichen vom Umfang der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dampfturbine
- 2
- Dichtungsstruktur
- 5 (5A bis 5C)
- Dichtungsrippe
- 10
- Gehäuse (Stator)
- 11
- Trennungsplattenaußenring
- 12
- Ringförmige Nut
- 13 (13A bis 13C)
- Ringausnehmung (innere Umfangsfläche)
- 14
- Randbereich
- 18
- Biegepunkt
- 19
- Biegeabschnitt
- 20
- Dampfzufuhrleitung
- 21
- Hauptstromeinlass
- 22
- Dampfabgabeleitung
- 30
- Drehwelle
- 31
- Drehwellenhauptkörper
- 40
- Leitschaufel
- 50
- Schaufel
- 51
- Abdeckung (Rotor)
- 52 (52A bis 52C)
- Stufenabschnitt
- 53 (53 bis 53C)
- Gestufte Oberfläche
- 54 (54A bis 54C)
- Außenumfangsfläche
- 60
- Lagerabschnitt
- 61
- Radiallagervorrichtung
- 62
- Axiallagervorrichtung
- C (C1 bis C3)
- Hohlraum
- D
- Größe in radialer Richtung
- H (H1 bis H3)
- Kleiner Zwischenraum
- L
- Abstand
- MV
- Hauptströmung
- S
- Dampf
- SV
- Trennungsströmung
- W
- Größe in axialer Richtung
