JP2011163421A - ターボ機械用ラビリンスシール装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構造で、溝部内の旋回流を効果的に低減でき、ロータの不安定振動を抑制できるターボ機械用ラビリンスシール装置を提供する。
【解決手段】回転羽根車を有するロータ3とロータを支持するステータ5との間の間隙部に設けられ、ステータ5に支持される外周側リング部12と、内周側に複数の櫛歯16が設けられた内周側リング部13とを有するシールリング10を備えるターボ機械用ラビリンスシール8であって、ロータ半径方向に沿って設けられ、櫛歯間に構成される溝部17と内周側リング部の外周側とに連通する抽気スリット19と、内周側リング部13の外周面に設けられた凸部20とを備え、凸部20は、抽気スリット19のロータ回転方向下流側の、ほぼ抽気スリット19に隣接する位置に設ける。
【選択図】 図2
【解決手段】回転羽根車を有するロータ3とロータを支持するステータ5との間の間隙部に設けられ、ステータ5に支持される外周側リング部12と、内周側に複数の櫛歯16が設けられた内周側リング部13とを有するシールリング10を備えるターボ機械用ラビリンスシール8であって、ロータ半径方向に沿って設けられ、櫛歯間に構成される溝部17と内周側リング部の外周側とに連通する抽気スリット19と、内周側リング部13の外周面に設けられた凸部20とを備え、凸部20は、抽気スリット19のロータ回転方向下流側の、ほぼ抽気スリット19に隣接する位置に設ける。
【選択図】 図2
Description
本発明はターボ機械に用いられるラビリンスシール装置に関する。
ターボ機械は主に、回転羽根車を有するロータと、ロータを内包し、作動流体が流れる流路を形成するステータとで構成される。ステータとロータとの間には間隙が存在し、この間隙から作動流体の漏れ流れが発生し、漏れた作動流体はターボ機械がなす仕事に寄与せず、ターボ機械の効率を低下させる。そこで、作動流体の流体漏洩を低減するために、ロータとステータとの間の間隙部に櫛歯構造のラビリンスシール装置が使用されることが多い。
ところで、ロータが高速で回転すると、ラビリンスシールの櫛歯間に構成される溝部内では、流体のつれまわり効果により漏れ流体の旋回流が発生し、それによりロータに不安定振動が発生することがある。この不安定振動を防止するためには、上記溝部における漏れ流体の旋回流速を低減することが有効である。そこで、例えば特開平7−19005号公報の図1に開示されているように、ラビリンスシールのシールリングに、ラビリンスシールの上流側第1番目の溝部とシールリング外周部とを連通させる透孔を穿ち、透孔は半径方向に対して傾斜して形成する構造が考案されている。本構造では、シールリング外周部と溝部との差圧により、シールリング外周部の漏れ流体が、透孔を介して溝部内の旋回流と逆向きに溝部へと流入し、溝部内の旋回流速を低減するとされている。
しかし、従来の構造では、シールリング外径部と溝部との差圧は、上流側第1番目の櫛歯を漏れ流体が通過する際の圧力損失のみによって得られる。一方、漏れ流れが透孔を通過する際にも圧力損失が発生するため、溝部内の旋回流の動圧に抗するだけの十分な噴流が得られない可能性がある。
そこで、本発明の目的は、ラビリンスシールの櫛歯間に構成された溝部内に溝部内の旋回流の動圧に抗するのに十分な漏れ流れを導入でき、溝部内の旋回流の発生を抑制して、ロータの不安定振動を抑制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、回転羽根車を有するロータと、ロータを支持するステータとの間の間隙部に設けられ、ステータに支持される外周側リング部と、内周側に複数の櫛歯が設けられた内周側リング部とを有するシールリングを備えるターボ機械用ラビリンスシール装置において、ロータ半径方向に沿って設けられ、櫛歯間に構成される溝部と内周側リング部の外周側とに連通する抽気スリットと、内周側リング部の外周面に設けられた凸部とを備え、凸部は、抽気スリットのロータ回転方向下流側の、ほぼ抽気スリットに隣接する位置に設けたことを特徴とするものである。
本発明によれば、シールリングの抽気スリットのロータ回転方向下流側に隣接する位置に旋回流を遮る凸部を設けたことにより、内周側リング部の外周に発生する旋回流が凸部に衝突し、抽気スリット外周部の静圧が上昇する。このため、抽気スリット外周部と溝部との差圧が増大し、抽気スリット外周部の流体を効果的に溝部へと導入できる。よって、ラビリンスシールの櫛歯間に構成された溝部内に、溝部内の旋回流の動圧に抗するのに十分な漏れ流れを導入でき、溝部内の旋回流の発生を抑制して、ロータの不安定振動を抑制できる。
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。なお、各図面を通し、同等の構成要素には同一の符号を付してある。
本発明の第1の実施例に係るターボ機械の要部断面図を図1に、本発明の第1の実施例に係るラビリンスシール装置の軸方向断面図を図2に、図2に示したラビリンスシール装置の軸直角断面図を図3に示す。
図1に示すように、本発明のターボ機械1は、回転羽根車2を有するロータ3と、ロータ3を内包して支持し、作動流体が流れる作動流体流路4を形成するステータ5を備える。ステータ5の内周側には作動流体を加速させるノズル6が固定されている。
ステータ5とロータ3との間には間隙が形成されており、この間隙から作動流体の漏洩が発生する。作動流体の漏洩を抑制するため、回転羽根車2とステータ5との間や、ノズル6の内周側に設けられた内周側ダイアフラム7とロータ3との間、ステータ5とロータ3との間の間隙部に櫛歯構造のラビリンスシール8が設けられている。
ステータ5とロータ3との間の間隙部を流れる漏れ流れには、ロータ3による流体のつれまわり効果などにより、ロータ回転方向9(以下、単に回転方向と記す)へ旋回流が発生する。
図2に示すように、ラビリンスシール8は、ステータ5(破線にて図示)に支持されるシールリング部10と、シールリング部10に固定される櫛歯部11とを有する。シールリング部10は、ステータ5に形成された固定溝14に嵌め込まれる外周側リング部12と、ステータ5とロータ3との間の間隙部15に位置し、櫛歯16が設けられる内周側リング部13とを有する。外周側リング部12をステータ5に形成された固定溝14にロータ周方向に嵌め込むことによって、シールリング部10はステータ5に支持されている。
内周側リング部13の内周面には櫛歯16がロータ軸方向に複数枚設けられ、櫛歯16間に溝部17を形成する。ラビリンスシール装置では、ロータ3とステータ5との間の間隙部15を流れる作動流体の漏れ流れ18が櫛歯16先端の細隙部を通過する際に発生する圧力損失により、漏れ流量が低減される。
本実施例では、内周側リング部13に、内周側リング部13の作動流体流れ方向上流側(以下、単に上流側と記載する)端面から、上流側から第1番目の溝部17に至る位置まで軸方向に抽気スリット19が設けられている。抽気スリット19は、ロータ半径方向に沿って設けられ、内周側リング部13の内周側と外周側とに連通している。
漏れ流体が櫛歯16を通過する際に発生した圧力損失により、上流側から第1番目の溝部17内の圧力は、内周側リング部13の外周部の圧力より低くなっている。そのため、内周側リング部13の外周部の漏れ流体が抽気スリット19を介して溝部17に導入される。
しかしながら、漏れ流れが抽気スリット19を通過する際にも圧力損失が発生するため、単に抽気スリット19を設けただけでは溝部内に旋回流の動圧に抗するだけの十分な噴流が導入しにくく、十分ではない。
そこで、本実施例では、内周側リング部13の外周部に発生する漏れ流体の旋回流を遮り、外周部の静圧を回復させるための凸部20を、内周側リング部13外周面の抽気スリット19のロータ回転方向下流側に隣接する位置に設けている。
凸部20は、ロータ軸方向長さは抽気スリット19と略同じ長さとする。また凸部20の軸方向の配置位置は、抽気スリット19と連通する溝部17の外径側位置に重なるように設ければ良い。なお、凸部20のロータ軸方向長さは、長い程より確実な効果が期待できるが、溝部17のロータ軸方向幅以上あれば効果が期待できる。
図3に示すように、本実施例では、凸部20は、板状部材で構成されている。凸部20は、ロータ3の回転方向9に沿って周方向に抽気スリット19,凸部20の順番で設けられている。より具体的には、凸部20は、周方向において抽気スリット19のロータ回転方向9下流側の、ほぼ抽気スリット19に隣接する位置に設けられている。なお、凸部20を設ける位置は、抽気スリット19に近い程、より良い効果が期待できる。しかしながら、旋回流速が一定程度以上速ければ、抽気スリット19に略隣接する位置、即ち、抽気スリット19から周方向下流側に、抽気スリット19から凸部20の高さ程度以下の距離を離して設けても良い。
本実施例では、ラビリンスシール8は、円周方向に4分割されたセグメント構造を有する。抽気スリット19は、各セグメント23の回転方向下流側の周方向端面21に設けられている。
本実施例では凸部20は、シールリングと別部材の板状部材である。凸部20は、抽気スリット19が設けられた周方向端面21に隣接するセグメント23の、抽気スリット19と対向する、回転方向上流側の周方向端面22に沿って、内周側リング部13の外周面に半径方向外周側に凸するように据え付けられる。
このような構造によれば、分割されたセグメント部品の周方向端面に切り込み加工を施し、各セグメントを周方向に連接するだけで抽気スリット19を容易に形成可能である。
なお、ラビリンスシール8の円周方向分割数は任意であり、セグメント数は4つに限定するものではない。
なお、ラビリンスシール8の円周方向分割数は任意であり、セグメント数は4つに限定するものではない。
本実施例の構造によれば、抽気スリット19は加工が容易であり、凸部20は板状部材を設けて形成するだけの簡単な構造であるので、製作性がよく経済性に優れる。
また、本実施例の構造によれば、シールリング部10の内周側リング部13の外周部に発生する旋回漏れ流れ24は、旋回抑止手段である凸部20に衝突して旋回流が遮られ、抽気スリット19の外周部の圧力が増加する。そのため、抽気スリット19の外周側と内周側の溝部17との間で差圧が増大し、凸部20に衝突して無旋回となった漏れ流れをより効果的に抽気スリット19を介して溝部17に導くことができ、溝部内に旋回流の動圧に抗するだけの十分な噴流25を得ることができる。
ところで、抽気スリット等による噴流を溝部内の旋回流と対向するように上流側に傾斜させて発生させた場合、本発明で用いるシール外周側と溝部との差圧では、溝部内の旋回動圧に打ち勝って噴流を発生することは難しいと考えられる。
一方、本実施例の抽気スリット19はロータ半径方向に沿って設けられており、噴流25は、抽気スリット19を通過することによってロータ半径方向に沿って溝部17に吹き出される。本実施例では、抽気スリット19はロータ半径方向に沿って設けているので、噴流25の速度ベクトルと旋回流の速度ベクトルが対向することなく、溝部内の旋回動圧の影響を抑えてより確実に噴流を発生させることができる。溝部内を周方向に旋回する漏れ流れ23がこの噴流25と衝突することによって旋回速度成分が打ち消され、溝部17内の旋回流が抑制される。よって、溝部17内の旋回流を抑制できるので、溝部17内の旋回流の発生を抑制してロータ3の不安定振動を抑制できる。
本発明の第2の実施例について説明する。図4は、本発明の第2の実施例に係るラビリンスシール装置の軸直角断面図である。
本実施例の構造において、図2および図3に示した第1の実施例と異なる部分は、凸部20の構造であって、板状部材の代わりに、凸部の外径値が回転方向上流側から下流側に向かって徐々に減少し、勾配を有するように凸部20を形成した点である。本実施例の凸部は、内周側リング部13と一体成型しても良いし、別部材としてもよい。
本実施例によれば、第1の実施例と同様に、内周側リング部13の外周部を旋回する漏れ流体が、各セグメントの凸部20に衝突して圧力を増し、抽気スリット19を介して溝部17に導くことができる。
さらに、本実施例では、凸部20の外径値が回転方向上流側から下流側に向かって徐々に減少するように構成しているので、凸部20に衝突した後の漏れ流体の流れの乱れが小さくなり、回転方向下流の凸部で静圧上昇を十分に得るための旋回流が確保できる。よって、本実施例によれば実施例1と比較して、外周部と内周部との差圧をより大きく確保でき、内周側リング部13の外周側を旋回する漏れ流体をより効果的に溝部17内に導いて吹き出すことができ、より確実に溝部17内の旋回流の発生を抑制してロータ3の不安定振動を抑制できる。
本発明の第3の実施例について説明する。図5は、本発明の第3の実施例に係るラビリンスシール装置の軸直角断面図である。本実施例は、前述した第2の実施例の応用例である。
本実施例の構造において、図4に示した第2の実施例と異なる部分は、凸部20の回転方向上流側端面27が、半径方向に対して、反回転方向側に傾斜している点である。
本実施例によれば、抽気スリット入口の流路形状がくさび形となるため、漏れ流れの旋回流による圧力上昇を大きくでき、実施例2と比較してより確実に漏れ流れを溝部17に導いて吹き出すことができ、より確実に溝部17内の旋回流の発生を抑制してロータ3の不安定振動を抑制できる。
本発明の第4の実施例について説明する。本実施例は、先に説明した第1の実施例の応用例である。図6は、本発明の第4の実施例に係るラビリンスシール装置の軸方向断面図である。
本実施例の構造において、第1の実施例と異なる部分は、抽気スリット19の代わりに、上流側の内周側リング部13外周側から、櫛歯部11の上流側から2番目の溝部へと連通する抽気スリット28を設けた点である。
第1の実施例と同様に内周側リング部13の外周を旋回する漏れ流体は、凸部20に衝突して圧力上昇する。また、上流側から1番目の溝部17aと比較して、2番目以降の溝部17b内の漏れ流体はさらに圧力が低下しており、内周側リング部13の外周部との差圧が1番目の溝部17aより大きい。よって、1番目の溝部と連通する抽気スリットを有する実施例1の態様と比較して、本実施例は、より内周側リング部13の外周部と溝部内との圧力差をより大きくでき、より確実に内周側リング部13外周側の漏れ流体を溝部内に導入して、溝部17内の旋回流の発生を抑制して不安定振動を抑制できる。
なお、本実施例では抽気スリット28は、櫛歯部11の上流側から2番目の溝部と連通しているが、上流側から3番目以降の溝部と連通していてもよい。
溝部内の旋回流速低減による軸振動安定化効果は上流側第1番目の溝部が最も大きく、下流側に行くに従って徐々に減少するが、上流側第2番目の溝部の旋回流を低減することによっても十分な軸振動安定化効果が得られる。
なお、本発明におけるラビリンスシール8のロータ3形状は図7のようなストレート形状だけでなく、段付形状としてもよく、ロータ3側にラビリンスシール8が形成されていてもよい。また、抽気スリット19を本発明のターボ機械1の全てのラビリンスシール8に設けてもよく、その一部に設けてもよい。抽気スリット19は複数の溝に跨っていてもよいものである。
1 ターボ機械
2 回転羽根車
3 ロータ
4 作動流体流路
5 ステータ
6 ノズル
7 内周側ダイアフラム
8 ラビリンスシール
9 ロータの回転方向
10 シールリング部
11 櫛歯部
12 外周側リング部
13 内周側リング部
14 固定溝
15 間隙部
16 櫛歯
17 溝部
18 漏れ流体
19,28 抽気スリット
20 凸部
21,22 周方向端面
23 セグメント
24 旋回漏れ流れ
25 噴流
26 漏れ流れ
27 凸部回転方向上流側端面
2 回転羽根車
3 ロータ
4 作動流体流路
5 ステータ
6 ノズル
7 内周側ダイアフラム
8 ラビリンスシール
9 ロータの回転方向
10 シールリング部
11 櫛歯部
12 外周側リング部
13 内周側リング部
14 固定溝
15 間隙部
16 櫛歯
17 溝部
18 漏れ流体
19,28 抽気スリット
20 凸部
21,22 周方向端面
23 セグメント
24 旋回漏れ流れ
25 噴流
26 漏れ流れ
27 凸部回転方向上流側端面
Claims (5)
- 回転羽根車を有するロータと該ロータを支持するステータとの間の間隙部に設けられ、前記ステータに支持される外周側リング部と、内周側に複数の櫛歯が設けられた内周側リング部とを有するシールリングを備えるターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
前記ロータ半径方向に沿って設けられ、前記櫛歯間に構成される溝部と前記内周側リング部の外周部とに連通する抽気スリットと、
前記内周側リング部の外周面に設けられた凸部とを備え、
前記凸部は、ロータ周方向において、前記抽気スリットの前記ロータ回転方向下流側の、ほぼ前記抽気スリットに隣接する位置に設けられ、ロータ軸方向において、前記抽気スリットと連通する前記溝部の外径側位置に重なるように設けられていることを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。 - 請求項1記載のターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
前記シールリングは、周方向に複数分割されたセグメント構造を有し、
前記抽気スリットは、前記セグメントの周方向端面に設けられ、
前記凸部は、前記セグメントに据え付けられた板状部材であることを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。 - 請求項1記載のターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
前記シールリングは、周方向に複数分割されたセグメント構造を有し、
前記凸部は、外径値が回転方向上流側から下流側に向かって徐々に減少する勾配を有することを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。 - 請求項3記載のターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
前記凸部の回転方向上流側端面は、ロータ半径方向に対して、ロータ回転方向反対側に傾斜していることを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。 - 請求項1記載のターボ機械用ラビリンスシール装置であって、
前記抽気スリットは、外周側開口部と前記間隙部を流れる流体の流れ方向下流側第2番目以降の前記溝部とを連通していることを特徴とするターボ機械用ラビリンスシール装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010026056A JP2011163421A (ja) | 2010-02-09 | 2010-02-09 | ターボ機械用ラビリンスシール装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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JP2010026056A Pending JP2011163421A (ja) | 2010-02-09 | 2010-02-09 | ターボ機械用ラビリンスシール装置 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2011163421A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014139436A (ja) * | 2013-01-21 | 2014-07-31 | General Electric Co <Ge> | スワール阻止シールを有するターボ機械 |
JP2015048771A (ja) * | 2013-09-02 | 2015-03-16 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | 流体機械 |
CN105927291A (zh) * | 2016-06-21 | 2016-09-07 | 周惠 | 节流膨胀式密集齿汽封 |
CN110439631A (zh) * | 2019-08-21 | 2019-11-12 | 沈阳航空航天大学 | 一种可主动间隙控制的迷宫密封结构 |
CN112832872A (zh) * | 2021-02-03 | 2021-05-25 | 东方电气集团东方汽轮机有限公司 | 一种用于汽轮机的引流回旋式汽封 |
-
2010
- 2010-02-09 JP JP2010026056A patent/JP2011163421A/ja active Pending
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