JP2014125986A - シール装置、およびそれを用いた回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時の寸法公差に余裕を持たせながら、突合せ面全体が隙間を持つことによる作動流体の吹き抜け状態の回避できるシールリングに対して、有効シールフィンの枚数の低下を極力小さくすることにより、不要な漏れを低減し、タービンプラント効率を向上させることができる回転機械のシールリングを提供する。
【解決手段】環状のシールリング１０と、シールリングの内周面に軸方向に複数設けられたシールフィン１２とを備え、シールリングは環状に連なる複数のセグメント体７a、７bで構成される回転機械のシール装置において、セグメント体７a、７bの隣り合うセグメント体と対向する周方向端部に、半径方向から見て階段状に形成された連続する段差からなるセグメント体接合構造を形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、回転機械における作動流体の漏洩を防止するためのシール装置に関する。

蒸気タービンやガスタービンなどの大型回転機械では、作動流体を密封するために、一般に回転体の周囲をケーシングで取り囲んだ構造をとる。ただし、組み立て上の都合により、通常ケーシングは上下半割り状態で製造され、回転体を内部に挟み込んだ後、組み上げられる。またその際、上下半ケーシングの合わせ面部分は、通常、一部分が外側に突き出たフランジ構造を成しており、そのフランジ部を貫通して締め付けられたボルトにより、内部の気密性が保持される。

ところで、一般的に回転体と静止体との間には隙間が存在するが、この隙間から作動流体が漏れるとエネルギーの損失に繋がるため、漏れを最小限にするためのシール機構が用いられる。このシール機構も組み上げられた状態ではリング状をしているが、組み上げ前は2分割や4分割などされたセグメント体からなるセグメント構造となっている。しかしながらケーシングの場合とは異なり、内部スペースやコスト上の問題から、それらをボルト締結することなく平滑な合わせ面を付き合わせただけで組み上げられることが一般的である。

ところが、蒸気タービンやガスタービンなどで高温の作動流体下で使用された場合、運転時には製造・組立て時とは異なる大きな熱変形を受けるため、この変形量を考慮した寸法で個々のセグメント体を製造する必要が生じる。しかし、運転時の熱分布を正確に予測し、かつ予測値から求めた通りの寸法で分割された個々のシールリングを製作することは非常に困難であるため、通常はある程度の公差を許容した設計としている。したがって実際には隣り合うセグメント体の接合部には隙間が存在しており、隙間からの吹き抜けによる漏れによりエネルギーの損失を生じさせていると考えられる。

この対策として、例えば特開２００８−２９８２８６号公報（特許文献１）では、シールリング付き合わせ面の一方を凸形状に、またもう一方を凹形状にして、嵌め合わせる構造を提案している。この構造により、製造時の寸法公差に余裕を持たせながら、突合せ面全体が隙間を持つことによる作動流体の吹き抜け状態の回避を実現している。さらに特開２０１２−９２８２９号公報（特許文献２）では同様の機構をシールリング突合せ面の半径方向にも適用した構造を提案している。

特開２００８−２９８２８６号公報 特開２０１２−９２８２９号公報

確かに、前記特許文献１または２を用いることにより、作動流体の吹き抜け状態を回避できるが、突き合わせ面の隙間部分ではオーバラップする軸方向の有効シールフィン枚数が最大で設計値の1/3程度まで低下する箇所が生じうる。そしてこの低下量は、凹凸の段数を増加させても改善しない。

ところで、通常シール装置には複数のシールフィンが備え付けられており、それらフィンの間で作られた空間とフィンの先端部の極狭い隙間との間を作動流体が通過する間に断熱膨張・圧縮を繰り返し、適度に損失を発生させながら徐々に圧力を低下させることにより通過流量の低減を図っている。有効シールフィンの枚数の低下は直接的な漏れ量の増加を招くだけではなく、局所的に大きな圧力低下が起こる箇所が生じる。大きな圧力の低下があると、作動流体が過剰に断熱膨張して大きな静温低下が起き、熱ひずみの原因となる不均一な温度分布を生じさせる可能性が高くなる。

そこで本発明の目的は、製造時の寸法公差に余裕を持たせながら、セグメント体の接合部全体が隙間を持つことによる作動流体の吹き抜け状態を回避できるシールリングに対して、有効シールフィンの枚数の低下を極力小さくすることにより、不要な漏れを低減し、タービンプラント効率を向上させることができる回転機械のシール装置を提供することにある。

上記目的は、環状のシールリングと、該シールリングの内周面に軸方向に複数設けられたシールフィンとを備え、シールリングは環状に連なる複数のセグメント体で構成される、回転機器のシール装置において、セグメント体の隣り合うシールセグメント体と接合する周方向端部に、半径方向から見て階段状に形成された連続する段差からなる接合構造を設けることにより達成される。

本発明によれば、製造時の寸法公差に余裕を持たせながら、セグメント体の接合部全体が隙間を持つことによる作動流体の吹き抜け状態を回避するだけでなく、シールフィンのオーバーラップを全領域に渡って設計値に近づけることができるので、計画値に限りなく近い高いシール性能を発揮させることができ、不要な漏れを低減し、タービンプラント効率を向上させることができる。

一般的なタービン段落の基本構造を模式的に表す断面図である。 一般的な２分割型シールリングを軸方向から見た場合の模式図である。 一般的な４分割型シールリングを軸方向から見た場合の模式図である。 本発明の第1の実施例を模式的に示した斜視図である。 従来のシールリング端部を半径方向外側から見た模式図である。 本発明の第1の実施例に係るシールリングの周方向端部を半径方向外側から見た模式図である。 本発明の第1の実施例に係るシールリングの周方向端部を半径方向外側から見た模式図である。 本発明の第２の実施例に係るシールリングの周方向端部を半径方向外側から見た模式図である。

以下、本発明のシール装置を実施するための形態について、適宜図を参照して詳細に説明する。

本発明の第１の実施例について説明する。本発明の理解を容易にするため、最初に一般的な回転機械（蒸気タービンの例）とシール装置の基本構造について図１から図３を用いて説明した後、本実施例に係るシール装置の構造について図４を用いて説明する。そして更に、図５と図６を用いてシールリング構造に関する従来技術と本発明との差異を詳細に説明する。

図１は一般的な蒸気タービン段落の基本構造を模式的に表した断面図である。ここで、ロータ１に連結された動翼２と、ダイヤフラム外輪４ｂおよび内輪４ａとの間に取り付けられた静翼３とで成る一組の構成要素を段落と呼び、通常は、その段落をロータ１の軸方向に複数組備えてタービン段落全体を構成する。そしてタービン段落の周囲を１重あるいは多重のケーシングで取り囲む構造にすることにより、タービン内部の機密性を保持している。
また、ロータと静止体との間の隙間からの作動流体の漏洩防止のために、通常、ラビリンスシール等のシール装置９が用いられる。図１の例では、シール装置９は、ダイヤフラム内輪４ａの内周側と、ロータ１の軸端部のシールホルダ６の内周側に用いられている。

回転体であるロータの周囲に配置されるシール装置９は環状のシールリング１０からなる。そしてシールリング１０は通常セグメント体を環状に連ねて配置して構成される。

図２は、一般的な２分割型シールリングをロータ１の回転軸方向から見た場合の模式図である。シールリング１０は、二つの半環状のセグメント体７ａ、７ｂからなる。各セグメント体７ａ、７ｂの軸方向側面は、通常凹凸形状を有しており、この凹凸をダイヤフラム内輪４ａや軸端部のシールホルダ６に嵌め合わせてシールリング１０が保持される。また、各セグメント体７ａ、７ｂの周方向端部は、一般的には平滑な平面に形成されており、セグメント体７ａ、７ｂの接合部１１で対向する周方向端部同士をつき合わせることにより環状のシールリング１０を成す。

図３は、一般的な４分割型シールリングをロータ１の回転軸方向から見た場合の模式図である。４分割型シールリングは、図２に示した２分割型シールリングをさらに２分割したものである。４分割型シールリングは、セグメント体７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの４つからなり、これらを円環状に配置して環状のシールリング１０を構成する。

ところで背景技術で述べたように、このようなシール装置を高温の作動流体下で使用した場合は、運転時の熱ひずみ量を考慮した寸法でシールリングを製造する必要が生じる。しかし、運転時の熱分布を正確に予測し、かつ予測値から求めた通りの寸法でシールリングを製作することは非常に困難であるため、通常はある程度の公差を許容した設計としている。したがって実際には隣り合うセグメント体の間、例えば図２において、セグメント体７ａとセグメント体７ｂの対向する周方向端部の突合せ面間には隙間が存在し、その隙間を吹き抜けた漏れによりエネルギーの損失を生じさせていると考えられる。

特に図１で例示しているように、ロータ１の軸端部ではシール装置９を多段に配置して徐々に減圧し、外部との大きな圧力差を解消することにより漏れ量を低減している。しかし多段に設けたシール装置９おいて、シールリング１０をなすセグメント体間の接合部位置は各シールリングで通常揃っている。そのため、セグメント体の平面形状をした突合せ面で隙間流れが生じた場合、シール装置の複数段に渡って吹き抜けが生じ、その両端で生じる大きな圧力差（または圧力比）により漏れ量が想定以上に増加する恐れが生じる。

更にこの大きな圧力差（または圧力比）により作動流体が大きく断熱膨張・静温降下した場合は、局所的な熱ひずみも助長されるため、より一層漏れ量が増加する恐れが生じる。

この対策として、周方向に隣り合うセグメント体の対向する突合せ面の一方を凸形状に、またもう一方を凹形状にして嵌め合わせる構造が提案されている。確かにこの構造により、製造時の寸法公差に余裕を持たせながら、接合部全体が隙間を持つことによる作動流体の吹き抜け状態を回避できる。しかしこれでもなお接合部の隙間部分では、軸方向の有効シールフィン枚数が最大で設計値の１／３程度まで低下する箇所が生じうる。そしてこの低下量は、凹凸の段数を増加させても改善しない。

また、有効シールフィンの枚数の低下は直接的な漏れ量の増加を招くだけではなく、局所的に大きな圧力低下が起こる箇所が生じる。大きな圧力の低下があると、作動流体が過剰に断熱膨張して大きな静温低下が起き、更なる熱ひずみの原因となる不均一な温度分布を生じさせる可能性が高くなる。

本発明は、上記したような問題点を解決するものでる。

本発明の第１の実施例を、図４を用いて説明する。図４は、本発明に係る第１の実施例を模式的に示した斜視図であり、シールリング１０の任意の接合部１１の近傍（部分表示）をリング内周側から見た斜視図である。なお符号１１で示した円形の点線は、図４の構造が図２で示した２分割型のシールリングの接合部１１または、図３に示した４分割型シールリングに適用した例であることを示している。

セグメント体７ａ、７ｂの内周面には半径方向に突起するシールフィン１２がロータの回転軸方向に複数設けられており、フィンとフィンの間には半径方向にやや広い空間が形成されている。この複数のシールフィン１２とその間の空間によりシール装置としての効果を発揮している。

本実施例のシールリング１０では、組立て時に嵌合するように、対向するセグメント体７ａ、７ｂの周方向端部が階段状の段差を有するように形成されている。セグメント体７ｂの周方向端部には、隣り合うセグメント体７ａと接合する接合構造が形成されている。そして接合構造として回転軸方向に平行な軸方向面８ａと軸方向に対して垂直な周方向面８ｂを回転軸方向に交互に設けてなる階段状の段差が形成されている。階段状の段差は、セグメント体の回転軸方向の一端から他方の端まで連続して形成されている。

一方、対向するセグメント体７ａの周方向端部にも、セグメント体７ｂの周方向端部と噛み合うように接合構造が形成されている。この接合構造も軸方向に平行な軸方向面と軸方向に垂直な周方向面を軸方向に交互に設けてなる階段状の段差が形成されている。

図４の例では段差が３段の場合を示したが、実際の製造に当たってはこの限りではない。また、軸方向あるいは周方向の段差の切り込み長さも同一である必要はなく、熱歪みや製造時公差を考慮しても、嵌合した際に軸方向にシールフィンの重なりが得られる程度の寸法であれば良い。そしてこのような構成にすることにより、製造時の寸法公差に余裕を持たせながら、突合せ面全体が隙間を持つことによる作動流体の吹き抜け状態を回避できることが分かるが、これについては次に説明する。

次に図５と図６を用いて、シールリング１０の接合部１１の構造に関する従来技術と本実施例との差異を詳細に説明する。図５は、従来技術である凹凸形状を持つシールリングの接合部を半径方向外側から見た図である。また図６は、本発明に係る第１の実施例を示すシールリングの接合部を半径方向外側から見た図である。ここで図５および図６の実線はシールフィン１２の頭頂部を、また符合２０を付した矢印は作動流体の流れの一部を表している。図５では、セグメント体７ａの周方向端部とセグメント体７ｂの周方向端部との間に形成された間隙部１３において、オーバーラップするシールフィンからなる有効シール枚数が計画（全シールフィン枚数）の１／３に低下した部分を作動流体が通過している様子を示している。そしてこの低下量は、凹凸の段数を増加させても改善しない。

一方で本発明のシールリングでは、セグメント体７ａとセグメント体７ｂの間の間隙部１３において、図６に示すように、例えば軸方向３段等分割の階段形状の時でオーバーラップする有効シール枚数は計画（全シールフィン）の２／３までにしか低下しない。そして原理的には、段数の増加と共に有効シール枚数の低下量も小さくなる。例えば４段等分割では、有効シール枚数は計画の３／４、５段等分割では計画の４／５、Ｎ段では計画のＮ−１／Ｎの有効シール枚数を確保できることになる。

以上、本実施例のシールリング構造によれば、製造時の寸法公差に余裕を持たせながら、突合せ面全体が隙間を持つことによる作動流体の吹き抜け状態を回避するだけでなく、シールフィンのオーバーラップを全領域に渡って設計値に近づけることができるので、計画値に限りなく近い高いシール性能を発揮させることができる。それにより不要な漏れを低減し、タービンプラント効率を向上させることができる。

なお、本実施例は、図２または３に示した２分割型もしくは４分割型シールリングに限定されるものではなく、複数分割されているシールリングに適用可能である。

また、蒸気タービンのみならず、ガスタービン等のその他の回転機械にも適用可能である。

次に、本発明の第２の実施例について図７および図８を用いて説明する。説明を容易にするため、図７により実施例１における課題を指摘し、その上で改良構造（第２の実施例）を、図８を用いて説明する。

図７は、本発明に係る第１の実施例を示すシールリング端部を半径方向外側から見た図である。実線はシールフィン１２の頭頂部を、点線はシールリングの周方向端部でフィン同士の間の低い部分を、また符合２０ａを付した矢印は作動流体の流れの一部を表す。各セグメント体７ａ、７ｂの側面には軸方向圧力差によるスラスト力が加わっている。そのため周方向端部１４の階段状に形成された段差の周方向面の何れかでセグメント体７ａ、７ｂが接触する。その位置を図７では符号３０で示した。図７に示すように、階段状端部の段差の周方向面の何れかでセグメント体７ａ、７ｂが接触する実施例１の構造により、隙間部１３からの作動流体の吹き抜けを回避でき、更に有効フィン枚数を高い状態に保つことが可能である。しかしながら周方向端部１４では、フィンとフィンとの間はフィンの有る部分に比べ半径方向にやや広い空間が存在する。そのやや広い空間を通って作動流体が漏洩する可能性が僅かながら存在する。その様子を矢印２０ａで示した。

図８は、本発明に係る第２の実施例を示すシールリング端部を半径方向外側から見た図である。実線はシールフィン１２の頭頂部を表している。また本実施例では、各セグメント体７ａ、７ｂの周方向端部において、フィンとフィンとの間をシールフィン先端部と同程度の半径高さ位置になるように加工し、漏洩流体がフィン間を周方向に流れるのを塞ぐ
堰１５を設けている。これにより周方向端部でフィン間に半径方向に広い空間は存在しなくなり、不用な漏洩は確実に低減できる。ここで符号２０を付した矢印は作動流体の流れの一部を表しており、作動流体が簡単に素通りできる広い流路が無い様子を示している。なお、階段状接合部の軸方向寸法を調整すれば比較的簡単に接地側面位置３０をあらかじめ決めることができるので、図７の２０ａで示した漏洩ルートもある程度事前予測が可能である。そのため、実際には接合部全体の端部高さを調整する必要はなく、想定ルート上で半径方向の空間が広い箇所のみ加工して堰１５を設けても良い。

したがって、本実施例のシールリング構造によれば、製造時の寸法公差に余裕を持たせながら、突合せ面全体が隙間を持つことによる作動流体の吹き抜け状態を回避するだけでなく、より一層、計画値に近い高いシール性能を発揮させることができる。それにより不要な漏れを低減し、タービンプラント効率を向上させることができる。

１ ロータ
２ 動翼
３ 静翼
４a ダイヤフラム内輪
４b ダイヤフラム外輪
５ 内部ケーシング
６ シールホルダ
７a,b,c,d セグメント体
９ シール装置
１０ シールリング
１２ シールフィン
１５ 堰

Claims (4)

1. 環状のシールリングと、該シールリングの内周面に軸方向に複数設けられたシールフィンとを備え、前記シールリングは環状に連なる複数のセグメント体で構成される、回転機械のシール装置であって、
   前記セグメント体の隣り合うシールセグメント体と対向する周方向端部に、半径方向から見て階段状に形成された連続する段差からなるセグメント体接合構造を有することを特徴とするシール装置。
2. 前記セグメント体接合構造は、軸方向に延伸する軸方向面と、周方向に延伸する周方向面をシールリングの軸方向の一端から他端に向かって交互に設けて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 前記セグメント体の周方向端部の前記シールフィン間に、シールフィン先端部と同程度の半径高さの堰を有することを特徴とする請求項１または２に記載のシール装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか1項に記載のシール装置を回転軸と静止体との間に備えることを特徴とする回転機械。