JP2019085958A - シール装置及びこのシール装置を備える回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】一方が他方の内部に含まれる筒状部材間の空間を隔壁によって筒状部材の軸方向に分割した複数の区画に対して、筒状部材の変形形状が互いに異なる場合でも、隔壁を介して隣り合う区画間のシールを維持するシール装置及びこのシール装置を備える回転機械を提供する。【解決手段】シール装置は、第１隔壁部及び第２隔壁部のいずれか一方に配置される第１押し付け部材と、径方向隙間に設けられるとともに、第１押し付け部材によって、径方向に第１隔壁部及び第２隔壁部のいずれか他方に向かって押し付けられる第１シール部材とを備え、第１シール部材は、第１隔壁部及び第２隔壁部のいずれか他方に形成される凹部に挿入可能に構成されるか、又は、第１隔壁部及び第２隔壁部のいずれか他方に形成される凸部を受け入れ可能に構成される。【選択図】図３

Description

本開示は、シール装置及び回転機械に係り、特に、一方が他方の内部に含まれる筒状部材間の空間を隔壁によって筒状部材の軸方向に分割した複数の区画のうち、隔壁を介して隣り合う区画間をシールするシール装置及びこのシール装置を備える回転機械に関する。

従来の蒸気タービンの低圧車室の構造が特許文献１に記載されている。この低圧車室において、内部車室と翼環との間の空間が、翼環と内部車室との間を延びる隔壁によって複数の抽気室に分割されている。蒸気入口とその両隣の抽気室とを隔てる隔壁には、蒸気入口と抽気室とをシールするシール装置が設けられている。

図１３にこのシール装置の構成を示す。翼環１０８から内部車室１０１に向かって延びる隔壁１０２の上端に嵌合部１０７が設けられている。嵌合部１０７は、内部車室１０１から隔壁１０２に向かって突出するように内部車室１０１の内周面に沿って設けられた突出部１０３が挿入される溝部１０４を有している。シール装置１００は、嵌合部１０７の内部に設けられたシールリング１０５と、溝部１０４内に挿入された突出部１０３にシールリング１０５を当接させる板ばね１０６とを備えている。シールリング１０５が突出部１０３に当接することにより、隔壁１０２によって隔てられる蒸気入口と抽気室との間がシールされる。

特許第３６２６８４６号公報

蒸気タービンの稼働中、蒸気によって加熱されて内部車室１０１及び翼環１０８は熱膨張するが、互いの変形形状が異なると、突出部１０３と嵌合部１０７との間の距離が周方向で異なるようになる。突出部１０３と嵌合部１０７との間の距離が大きい部分では、シール装置１００において突出部１０３及びシールリング１０５それぞれの接触面が互いに平坦であるため、突出部１０３とシールリング１０５との間に、軸方向に延びる隙間が生じてしまい、隔壁１０２によって隔てられる蒸気入口と抽気室との間のシールを維持することが困難になるといった課題があった。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも１つの実施形態は、一方が他方の内部に含まれる筒状部材間の空間を隔壁によって筒状部材の軸方向に分割した複数の区画に対して、筒状部材の変形形状が互いに異なる場合でも、隔壁を介して隣り合う区画間のシールを維持するシール装置及びこのシール装置を備える回転機械を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係るシール装置は、
第１筒状部材の内周面と、前記第１筒状部材の内部に含まれる第２筒状部材の外周面との間の空間を隔壁によって前記第１筒状部材及び前記第２筒状部材の軸方向に分割した複数の区画のうち、前記隔壁を介して隣り合う区画間をシールするシール装置であって、
前記隔壁は、
前記第１筒状部材の前記内周面から前記第２筒状部材の前記外周面に向かって延びるとともに周方向に沿って設けられた第１隔壁部と、
前記第２筒状部材の前記外周面から前記第１筒状部材の前記内周面に向かって延びるとともに前記周方向に沿って設けられた第２隔壁部と
を備え、
前記第１隔壁部と前記第２隔壁部との間には、前記第１筒状部材と前記第２筒状部材とが径方向に間隔をあけるようにして径方向隙間が形成され、
前記シール装置は、
前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部のいずれか一方に配置される第１押し付け部材と、
前記径方向隙間に設けられるとともに、前記第１押し付け部材によって、前記径方向に前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部のいずれか他方に向かって押し付けられる第１シール部材と
を備え、
前記第１シール部材は、前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部の前記いずれか他方に形成される凹部に挿入可能に構成されるか、又は、前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部のいずれか他方に形成される凸部を受け入れ可能に構成される。

上記（１）の構成によると、第１隔壁部及び第２隔壁部のいずれか一方に配置される第１押し付け部材が、径方向に第１隔壁部及び第２壁部のいずれか他方に向かって第１シール部材を押し付けることにより、第１シール部材が、第１隔壁部及び第２隔壁部のいずれか他方に形成される凹部に挿入されるか、又は、第１隔壁部及び第２隔壁部のいずれか他方に形成される凸部を受け入れる。この構成により、第１筒状部材及び第２筒状部材それぞれの変形形状が互いに異なり、第１隔壁部と第２隔壁部との間の距離が周方向に異なる場合でも、第１シール部材と凹部又は凸部との間の密着が維持されるか、又は、それらの間に形成される隙間が軸方向に関して曲がりくねることにより、その隙間を流れる流体の抵抗が大きくなって、その隙間を流れる流体の流量が低減される。その結果、第１筒状部材及び第２筒状部材それぞれの変形形状が互いに異なる場合でも、隔壁を介して隣り合う区画間のシールを維持することができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記第１筒状部材及び前記第２筒状部材の軸方向に前記第１隔壁部と前記第２隔壁部とが間隔をあけるようにして、前記第１隔壁部と前記第２隔壁部との間に軸方向隙間が形成され、
前記シール装置は、
前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部の前記いずれか一方に配置される第２押し付け部材と、
前記軸方向隙間に設けられるとともに、前記第２押し付け部材によって、前記軸方向に前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部の前記いずれか他方に向かって押し付けられて該他方に当接する第２シール部材と
をさらに備える。

上記（２）の構成によると、隔壁を介して隣り合う区画は径方向隙間及び軸方向隙間を介して連通するが、第１シール部材による径方向隙間のシールが不完全であったとしても、第２シール部材が第１隔壁部及び第２隔壁部のいずれかに当接することにより軸方向隙間をシールできるので、隔壁を介して隣り合う区画間のシール性能をさらに向上することができる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記複数の区画内の圧力は互いに異なり、
前記第２シール部材は、前記第１隔壁部又は前記第２隔壁部の両側の区画のうち圧力が低い方の区画に面する前記第１隔壁部又は前記第２隔壁部の面に当接する。

上記（３）の構成によると、隔壁を介して隣り合う区画の圧力が異なる場合、第１隔壁部及び第２隔壁部は、圧力の高い区画から圧力の低い区画に向かって力を受ける。第２シール部材が、圧力の低い方の区画に面する第１隔壁部又は第２隔壁部の面に当接すれば、第１隔壁部及び第２隔壁部が受ける圧力差に起因する力と合わせることにより、第２シール部材が第１隔壁部又は第２隔壁部の面に当接する力が強まるので、軸方向隙間のシール性能を向上でき、ひいては、隔壁を介して隣り合う区画間のシール性能をさらに向上することができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（２）または（３）の構成において、
前記第１シール部材は、前記周方向に対して分割された複数の第１シール分割体を含み、
前記第２シール部材は、前記周方向に対して分割された複数の第２シール分割体を含み、
前記第１筒状部材及び前記第２筒状部材の前記軸方向に見た場合に、隣り合う第１シール分割体同士の第１隣接位置と、隣り合う第２シール分割体同士の第２隣接位置とがいずれも前記周方向にずれている。

上記（４）の構成によると、隣り合う第１シール分割体間を流体が通り抜けたとしても、通り抜けた流体の大部分は、第２シール部材に対して第２隣接位置とはずれた位置で第２シール分割体に衝突して流れの抵抗を受けることにより、隣り合う第２シール分割体間を通り抜けにくくなるので、隔壁を介して隣り合う区画間のシール性能を向上することができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記第１筒状部材及び前記第２筒状部材の前記軸方向に見た場合に、前記第１隣接位置はいずれも、隣り合う前記第２隣接位置間の略中央に位置し、前記第２隣接位置はいずれも、隣り合う前記第１隣接位置間の略中央に位置する。

上記（５）の構成によると、隣り合う第１シール分割体間を通り抜けた流体が衝突する第２シール分割体の位置と第２隣接位置との距離が大きくなることにより、流体が、隣り合う第１シール分割体間を通り抜けた後に隣り合う第２シール分割体間を通り抜けることがさらに困難になるので、隔壁を介して隣り合う区画間のシール性能をさらに向上することができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（４）または（５）の構成において、
前記第１筒状部材はその外周面上に、前記第１筒状部材が支持される際に支持される部分である被支持部材を有し、
前記被支持部材の近傍に対応する位置にある前記第２シール分割体の前記周方向の幅は、その他の場所にある前記第２シール分割体の前記幅よりも小さい。

第１筒状部材全体が熱膨張する際、第１筒状部材が支持される際の支持される部分である被支持部材が設けられた位置は、剛性が高いことに起因して熱膨張が小さいものの、周方向にうねりが発生しやすい。上記（６）の構成によると、うねりの発生しやすい位置にある第２シール分割体の周方向の幅が、その他の場所にある第２シール分割体の幅よりも小さいことにより、第２シール分割体がうねりに細かく追従できるようになる。その結果、うねりの発生しやすい位置で、隣り合う第２シール分割体間の隙間が大きくなるのを抑制できるので、隔壁を介して隣り合う区画間のシール性能をさらに向上することができる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（６）のいずれかの構成において、
前記第１シール部材が、前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部の前記いずれか他方に形成される凹部に挿入可能に構成される場合、
前記凹部の表面は、前記凹部が形成される前記第１隔壁部又は前記第２隔壁部のうち前記凹部以外の部分を形成する材料よりも硬度が高くなるように形成されている。

上記（７）の構成によると、第１シール部材が当接する可能性のある凹部の表面は、凹部が形成される第１隔壁部又は第２隔壁部のうち凹部以外の部分を形成する材料よりも硬度が高いので、流体によるエロージョンの発生を他の部分よりも抑制することができる。

（８）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（６）のいずれかの構成において、
前記第１シール部材が、前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部のいずれか他方に形成される凸部を受け入れ可能に構成される場合、
前記凸部の少なくとも表面は、前記凸部が形成される前記第１隔壁部又は前記第２隔壁部のうち前記凸部以外の部分を形成する材料よりも硬度が高くなるように形成されている。

上記（８）の構成によると、第１シール部材に当接する可能性のある凸部の少なくとも表面は、凸部が形成される第１隔壁部又は第２隔壁部のうち凸部以外の部分を形成する材料よりも硬度が高いので、流体によるエロージョンの発生を他の部分よりも抑制することができる。

（９）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（８）のいずれかの構成において、
前記第１筒状部材は、蒸気タービンの内部車室であり、
前記第２筒状部材は、蒸気タービンの翼環である。

上記（９）の構成によると、蒸気タービンでは、内部車室と翼環とが熱膨張する際に互いの変形形状が異なり、第１隔壁部と第２隔壁部との間の距離が周方向に異なる場合でも、第１シール部材と凹部又は凸部との間の密着が維持されるか、又は、それらの間に形成される隙間が内部車室及び翼環の軸方向に関して曲がりくねることにより、その隙間を流れる流体の抵抗が大きくなって、その隙間を流れる流体の流量が低減される。その結果、内部車室及び翼環それぞれの変形形状が互いに異なる場合でも、隔壁を介して隣り合う区画間のシールを維持することができる。

（１０）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る回転機械は、
上記（１）〜（９）のいずれかのシール装置を備える。

上記（１０）の構成によると、回転機械において、第１筒状部材及び第２筒状部材それぞれの変形形状が互いに異なる場合でも、隔壁を介して隣り合う区画間のシールを維持することができる。

この発明の少なくとも１つの実施形態によれば、第１筒状部材及び第２筒状部材それぞれの変形形状が異なり、第１隔壁部と第２隔壁部との間の距離が周方向に異なる場合でも、第１シール部材と凹部又は凸部との間の密着が維持されるか、又は、それらの間に形成される隙間が第１筒状部材及び第２筒状部材の軸方向に関して曲がりくねることにより、その隙間を流れる流体の抵抗が大きくなって、その隙間を流れる流体の流量が低減される。その結果、第１筒状部材及び第２筒状部材それぞれの変形形状が互いに異なる場合でも、隔壁を介して隣り合う区画間のシールを維持することができる。

一実施形態に係る蒸気タービンの低圧車室の部分断面図である。 蒸気タービンの内部車室及び翼環が熱膨張する形態を説明するための模式図である。 一実施形態に係るシール装置の断面図である。 一実施形態に係るシール装置の主要部分の拡大断面図である。 別の実施形態に係るシール装置の断面図である。 さらに別の実施形態に係るシール装置の断面図である。 さらにまた別の実施形態に係るシール装置の断面図である。 一実施形態に係るシール装置の第１シール部材が挿入される凹部の拡大断面図である。 一実施形態に係るシール装置の第１シール部材が受け入れる凸部の拡大断面図である。 第１隔壁部を取り除いた状態での、一実施形態に係るシール装置の部分正面図である。 一実施形態に係るシール装置において、隣り合う第１シール分割体間を通り抜ける蒸気の流れを説明するための図である。 一実施形態に係るシール装置の第２シール部材の部分平面図である。 従来のシール装置の構成を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

本発明のいくつかの実施形態に係るシール装置を、蒸気タービンの低圧車室における隣り合う抽気室間をシールするものを例にして説明する。ただし、本発明に係るシール装置は、蒸気タービンの低圧車室における隣り合う抽気室間をシールするものに限定されない。

図１に、一実施形態に係る蒸気タービンの低圧車室の部分断面図を示す。この蒸気タービンの低圧車室は、円筒状の外部車室１と、外部車室１の内部に含まれる円筒状の内部車室２と、内部車室２の内部に含まれる円筒状の翼環３とを備えている。翼環３の内部には、ロータ４が回転可能に設けられている。翼環３には、その内周面３ａからロータ４に向かって延びるように静翼５が設けられ、ロータ４には、その外周面４ｂから翼環３に向かって延びるように動翼６が設けられ、静翼５及び動翼６はロータ４の軸方向に互い違いに配置されている。

以下の説明では、単に「軸方向」と言う場合、内部車室２及び翼環３の軸方向を意味し、単に「周方向」と言う場合、内部車室２及び翼環３の周方向を意味するものとする。
内部車室２の内周面２ａと翼環３の外周面３ｂとの間の空間は、隔壁１０によって、軸方向に複数の区画、すなわち複数の抽気室１３に分割されている。隔壁１０は、内部車室２の内周面２ａから翼環３の外周面３ｂに向かって延びるとともに周方向に沿って設けられた第１隔壁部１１と、翼環３の外周面３ｂから内部車室２の内周面２ａに向かって延びるとともに周方向に沿って設けられた第２隔壁部１２とを備えている。隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間は、後述するシール装置１５（図３参照）によってシールされている。

低圧車室に入った蒸気流Ｖは、翼環３内で動翼６に対して仕事をすることによってロータ４を回転させる。蒸気は、翼環３内を低圧車室の両端側に向かって流れて動翼６に対して仕事をするに従い、温度及び圧力が低下していく。蒸気が翼環３内を低圧車室の両端側に向かって流れるに従い、蒸気の一部が各抽気室１３に流入する。このため、各抽気室１３内の温度及び圧力は互いに異なり、各抽気室１３は、低圧車室の両端側に向かうに従い、温度及び圧力が低くなる。

低圧車室内を蒸気が流れることにより、内部車室２及び翼環３が加熱されて熱膨張する。図２に、内部車室２及び翼環３それぞれの熱膨張による変形の形態を模式的に示す。内部車室２の外周面２ｂには、内部車室２が支持される際に支持される部分である被支持部材９が設けられている。被支持部材９が設けられている部分では内部車室２の剛性が高いため、被支持部材９が設けられている部分の近傍は熱膨張が小さいのに対し、その他の部分では熱膨張が大きくなるので、被支持部材９が設けられている部分の近傍よりも大きく変形する。また、被支持部材９が、図示しない被支持部材に支持されると、被支持部材９と被支持部材との接触面における摩擦力によって内部車室２の熱膨張が拘束されるので、被支持部材９が設けられている部分の近傍の熱膨張がその他の部分の熱膨張よりも小さくなる。その結果、内部車室２は、破線で描かれた楕円形状に変形する傾向がある。一方、翼環３は、軸方向の長さが短く、翼環３全体の温度の分布が小さいので一様に熱膨張する結果、一点鎖線で描かれた円形状に変形する傾向がある。すなわち、内部車室２及び翼環３は互いに異なるように変形する傾向がある。

内部車室２及び翼環３それぞれの変形形状がこのように互いに異なる場合、被支持部材９が設けられている部分から離れた位置、例えば、破線の四角で囲まれた領域Ｅは、内部車室２及び翼環３の変形前に比べて、内部車室２と翼環３との間の距離が大きく増加する。内部車室２と翼環３との間の距離が大きくなると、第１隔壁部１１と第２隔壁部１２と（図１参照）の間の距離も大きくなり、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３（図１参照）間のシールに影響を与えるが、この点については後述する。

次に、シール装置１５のいくつかの実施形態について説明する。
図３に示されるように、第２隔壁部１２は、その上端に沿って設けられた嵌合部２０を備えている。嵌合部２０は、第１隔壁部１１が挿入可能に構成された溝部２１を有している。第１隔壁部１１が溝部２１に挿入された状態で、第１隔壁部１１及び第２隔壁部１２の径方向に第１隔壁部１１と溝部２１の底面２１ａとが間隔をあけるようにして、第１隔壁部１１と溝部２１の底面２１ａとの間に径方向隙間７が形成されている。また、第１隔壁部１１が溝部２１に挿入された状態で、軸方向に第１隔壁部１１と溝部２１の側面２１ｂとが間隔をあけるようにして、第１隔壁部１１と溝部２１の側面２１ｂとの間に軸方向隙間８が形成されている。

嵌合部２０には、溝部２１よりも第２隔壁部１２側に溝部２１に沿って延びる第１空洞部２２が形成されている。溝部２１と第１空洞部２２とは、第１空洞部２２の第１隔壁部１１側の面である上面２２ａに形成された開口部２３を介して連通している。第１空洞部２２の第２隔壁部１２側の面である底面２２ｂには、第２隔壁部１２に向かって窪むとともに第１空洞部２２に沿って延びるように、空洞溝部２４が設けられている。

シール装置１５は、空洞溝部２４内に空洞溝部２４に沿って設けられた第１押し付け部材２５、具体的には、板ばね２５ａと、第１空洞部２２内に設けられた複数の第１シール分割体２６ａを含む第１シール部材２６とを備えている。複数の第１シール分割体２６ａは第１空洞部２２内で隣接し、各第１シール分割体２６ａは、その一部が開口部２３を通って溝部２１内へ突出可能になっている。各第１シール分割体２６ａは板ばね２５ａによって第１隔壁部１１に向かって押し付けられる。尚、第１押し付け部材２５は、板ばね２５ａに限定するものではなく、スプリングやゴムのようなその他の任意の弾性部材でもよく、若しくは、蒸気や油圧等に起因する任意の力で各第１シール分割体２６ａを第１隔壁部１１に向かって押し付けることができる任意の装置であってもよい。

第１シール分割体２６ａの第２隔壁部１２側の基端部２６ａ２は、開口部２３を通り抜けられないサイズ及び形状であり、第１シール分割体２６ａが板ばね２５ａによって第１隔壁部１１に向かって押し付けられても基端部２６ａ２が第１空洞部２２の上面２２ａに当接して、それ以上、第１隔壁部１１に向かって移動できないようになっている。基端部２６ａ２には、板ばね２５ａの一端が挿入されるように窪んだ凹部２６ａ３が形成されている。

第１シール分割体２６ａの第１隔壁部１１側の先端部２６ａ１は、第１隔壁部１１に向かって、溝部２１が延びる方向に対して垂直な方向（図３では左右の方向）に幅が狭くなる形状を有している。第１隔壁部１１の下端面１１ａには、先端部２６ａ１が挿入され得るように先端部２６ａ１の形状に対応した形状を有する凹部１６が形成されている。板ばね２５ａによって第１シール分割体２６ａが第１隔壁部１１に向かって押し付けられると、先端部２６ａ１が凹部１６に挿入される。先端部２６ａ１及び凹部１６は、互いに対応する形状を有しているので、両者の間に隙間が形成されないように先端部２６ａ１が凹部１６に挿入される。これにより、径方向隙間７がシール装置１５によってシールされるので、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間がシールされる。

上述したように、蒸気タービンの稼働中に内部車室２及び翼環３（図１参照）が熱膨張する際にそれぞれの変形形状が互いに異なる場合には、第１隔壁部１１と第２隔壁部１２との間の距離が周方向に局所的に大きくなる部分が生じる。第１隔壁部１１と第２隔壁部１２との間の距離が局所的に大きな部分では、板ばね２５ａが第１シール分割体２６ａを第１隔壁部１１に向かって押し付けても、先端部２６ａ１と凹部１６との間に隙間が形成されることがある。しかしながら、先端部２６ａ１が凹部１６内に挿入された状態であれば、図４に示されるように、径方向隙間７を蒸気が通り抜ける際に、蒸気は、凹部１６内において先端部２６ａ１を通り越すようにして、先端部２６ａ１と凹部１６との間に形成された隙間２８を流れるので、すなわち、軸方向に関して曲がりくねるように流れるので（破線矢印Ａ）、軸方向に真っ直ぐに延びる隙間を通る場合に比べて蒸気の流れ抵抗又は圧力損失が大きくなって、径方向隙間７を通り抜ける蒸気の流量が低減される。その結果、内部車室２及び翼環３がそれぞれ異なるように変形した場合でも、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間のシール性能の低下を抑制することができる。

このように、内部車室２及び翼環３それぞれの変形形状が互いに異なり、第１隔壁部１１と第２隔壁部１２との間の距離が周方向に異なる場合でも、第１シール部材２６と凹部１６との間の密着が維持されるか、又は、それらの間に形成される隙間２８が軸方向に関して曲がりくねることにより、その隙間２８を流れる蒸気の抵抗が大きくなって、その隙間２８を流れる蒸気の流量が低減される。その結果、内部車室２及び翼環３それぞれの変形形状が異なる場合でも、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間のシールを維持することができる。

先端部２６ａ１と凹部１６との間に隙間２８が形成されていても先端部２６ａ１が凹部１６内に挿入された状態であれば、径方向隙間７を流れる流体の流量を低減する効果があるため、図５に示されるように、先端部２６ａ１及び凹部１６が互いに対応する形状でなくても、同様の効果を得ることができる。

図３に示されるように、一実施形態では、シール装置１５は、軸方向隙間８をシールする第２シール部材３６を備えてもよい。嵌合部２０には、溝部２１よりも第１隔壁部１１とは反対側に溝部２１に沿って延びる第２空洞部３２が形成されている。第２空洞部３２内に、第２空洞部３２に沿って設けられた第２押し付け部材３５、具体的には、板ばね３５ａが設けられている。第２空洞部３２内には、板ばね３５ａによって第１隔壁部１１に向かって押し付けられる複数の第２シール分割体３６ａを含む第２シール部材３６が設けられている。複数の第２シール分割体３６ａは第２空洞部３２内で隣接し、各第２シール分割体３６ａはその一部が、第２空洞部３２が溝部２１に対して開口する開口部３３を通って溝部２１内へ突出可能になっている。各第２シール分割体３６ａは板ばね３５ａによって第１隔壁部１１に向かって押し付けられる。尚、第２押し付け部材３５は、板ばね３５ａに限定するものではなく、第１押し付け部材２５と同様に、スプリングやゴムのようなその他の任意の弾性部材でもよく、若しくは、蒸気や油圧等に起因する任意の力で第２シール分割体３６ａを第１隔壁部１１に向かって押し付けることができる任意の装置であってもよい。

板ばね３５ａが当接する第２シール分割体３６ａの基端部３６ａ２は、開口部３３を通り抜けられないサイズ及び形状であり、第２シール分割体３６ａが板ばね３５ａによって第１隔壁部１１に向かって押し付けられても、開口部３３に隣接する第２空洞部３２の側面３２ｃに基端部３６ａ２が当接して、それ以上、第１隔壁部１１に向かって移動できないようになっている。

シール装置１５が第２シール部材３６も備える実施形態では、上述のように、第１シール分割体２６ａの先端部２６ａ１と凹部１６との間に隙間２８（図４参照）が形成されて蒸気が径方向隙間７を通ってリークした場合でも、第２シール部材３６が軸方向隙間８をシールすることにより、蒸気が軸方向隙間８を通ってリークするのを防止又は低減するので、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間のシール性能をさらに向上することができる。

尚、第２シール分割体３６ａ（図１０参照）は、第２シール分割体３６ａが当接する第１隔壁部１１の両側の抽気室１３，１３（図１参照）のうち圧力が低い方の抽気室に面する第１隔壁部１１の面に当接するように配置されることが好ましい。第１隔壁部１１は、圧力の高い抽気室から圧力の低い抽気室に向かって力を受ける。第２シール分割体３６ａが、圧力の低い方の抽気室に面する第１隔壁部１１の面に当接すれば、第１隔壁部１１が受ける圧力差に起因する力と合わせることにより、第２シール分割体３６ａが第１隔壁部１１の面に当接する力が強まるので、軸方向隙間８のシール性能を向上でき、ひいては、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間のシール性能をさらに向上することができる。

シール装置１５が第２シール部材３６も備える実施形態では、第１シール部材２６が径方向隙間７をシールするとともに第２シール部材３６が軸方向隙間８をシールするように、２段階のシールを行うので、第１シール分割体２６ａは図３の形態に限定するものではない。例えば、図６に示されるように、第１シール分割体２６ａの先端部２６ａ１は平坦であり、第１隔壁部１１の下端面１１ａには凹部が形成されずに平坦であり、平坦な先端部２６ａ１が平坦な下端面１１ａに当接することにより、第１シール部材２６が径方向隙間７をシールする形態であってもよい。

図７には、さらに別の実施形態に係るシール装置１５が示されている。第１シール部材２６を構成する各第１シール分割体２６ｂは、第１シール分割体２６ａと異なり、その先端部２６ｂ１に凹部４６が形成されている。また、第１隔壁部１１の下端面１１ａには、第１シール分割体２６ｂに向かって突出するとともに凹部４６内に受け入れ可能に構成された凸部４７が形成されている。図７では、凹部４６と凸部４７とは対応する形状になっているが、図５に関して上述したように、互いに対応する形状でなくてもよく、板ばね２５ａが第１シール分割体２６ｂを第１隔壁部１１に向かって押し付けることによって、凸部４７が凹部４６内に挿入するように構成されていればよい。

図７の実施形態でも、凸部４７が凹部４６内に挿入されて、凹部４６と凸部４７との間の密着が維持されるか、又は、それらの間に形成される隙間が軸方向に関して曲がりくねることにより、その隙間を流れる蒸気の抵抗が大きくなって、その隙間を流れる蒸気の流量が低減される。その結果、内部車室２及び翼環３それぞれの変形形状が異なり、第１隔壁部１１と第２隔壁部１２との間の距離が周方向に異なる場合でも、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間のシールを維持することができる。

図８に示されるように、一実施形態では、凹部１６の表面１６ａは、凹部１６が形成される第１隔壁部１１のうち凹部１６以外の部分を形成する材料よりも硬度が高い高硬度部分２７を有してもよい。先端部２６ａ１と凹部１６との間に形成された隙間２８（図４参照）を蒸気が通り抜けることにより、凹部１６の表面に水滴が付着する場合があるが、表面１６ａにそのような高硬度部分２７を設けることにより、蒸気又は水滴によるエロージョンの発生を他の部分よりも抑制することができる。

図９に示されるように、一実施形態では、凸部４７の表面４７ａは、凸部４７が形成される第１隔壁部１１のうち凸部４７以外の部分を形成する材料よりも硬度の高い高硬度部分２７を設けてもよい。又は、図示しないが、凸部４７全体がそのような高硬度部分２７で形成してもよい。凸部４７と凹部４６との間に形成された隙間を蒸気が通り抜けることにより、凸部４７の表面に水滴が付着する場合があるが、少なくとも表面４７ａにそのような高硬度部分２７を設けることにより、蒸気又は水滴によるエロージョンの発生を他の部分よりも抑制することができる。

高硬度部分２７は、凹部１６又は凸部４７が形成される第１隔壁部１１のうち凹部１６又は凸部４７以外の部分を形成する材料とは異なる材料から形成された部分であってもよく、または、第１隔壁部１１を形成する材料と同じであっても、表面１６ａ及び４７ａに硬化処理を施すことにより高硬度部分２７を形成してもよい。硬化処理としては、例えば、窒化処理、耐食性の優れた材料の張り付け又は肉盛溶接、ステライト又はステンレス肉盛溶接、ステライト板又はステンレス板の溶接取付等であってもよい。

上記いくつかの実施形態に係るシール装置１５では、第１シール部材２６が設けられた嵌合部２０が第２隔壁部１２の上端に設けられ、第１隔壁部１１の下端面１１ａに凹部１６又は凸部４７が設けられていたが、この形態に限定するものではない。第１シール部材２６が設けられた嵌合部２０が第１隔壁部１１の下端に設けられ、第２隔壁部１２の上端面に凹部１６又は凸部４７が設けられてもよい。後者の実施形態において第２シール部材３６が設けられる場合、各第２シール分割体３６ａは第２隔壁部１２に当接されることにより軸方向隙間８をシールするようになる。

図１０に示されるように、複数の第１シール分割体２６ａが第１空洞部２２（図３参照）内で周方向に隣接するように設けられるとともに、複数の第２シール分割体３６ａが第２空洞部３２（図３参照）内で周方向に隣接するように設けられている。各第１シール分割体２６ａ及び各第２シール分割体３６ａはそれぞれ、第１隔壁部１１（図３参照）に向かって移動可能に設けられているので、隣り合う第１シール分割体２６ａ，２６ａ間と、隣り合う第２シール分割体３６ａ，３６ａ間とはそれぞれ、完全にシールされているわけではない。このため、各間を蒸気が通ってリークする場合がある。

そこで、このような蒸気のリークを低減するために、一実施形態では、軸方向に見た場合、隣り合う第１シール分割体２６ａ，２６ａ同士の第１隣接位置４１と、隣り合う第２シール分割体３６ａ，３６ａ同士の第２隣接位置４２とがいずれも周方向にずれている。このような形態の場合、図１１（ａ）及び（ｂ）に示されるように、隣り合う第１シール分割体２６ａ，２６ａ間を蒸気が通り抜けた（矢印Ｂ）としても、通り抜けた蒸気の大部分は、第２シール部材３６に対して第２隣接位置４２からずれた位置で第２シール分割体３６ａに衝突して（矢印Ｃ）流れの抵抗を受けることにより、隣り合う第２シール分割体３６ａ，３６ａ間を通り抜けにくくなるので、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間のシール性能を向上することができる。

尚、第１隣接位置４１と第２隣接位置４２とがいずれも周方向にずれている形態に関し、図１０に示されるように、軸方向に見た場合、第１隣接位置４１はいずれも、隣り合う第２隣接位置４２，４２間の略中央に位置し、第２隣接位置４２はいずれも、隣り合う第１隣接位置４１，４１間の略中央に位置することが好ましい。このような構成によると、隣り合う第１シール分割体２６ａ，２６ａ間を通り抜けた流体が衝突する第２シール分割体３６ａの位置と第２隣接位置との距離Ｌ（図１１（ｂ）参照）が大きくなる。これにより、蒸気が、隣り合う第１シール分割体２６ａ，２６ａ間を通り抜けた後に、隣り合う第２シール分割体３６ａ，３６ａ間を通り抜けることがさらに困難になるので、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間のシール性能をさらに向上することができる。尚、「略中央」とは、完全に中央でなくてもよく、第１隣接位置４１が軸方向に見た場合に第２隣接位置４２からできるだけ離れ、第２隣接位置４２が軸方向に見た場合に第１隣接位置４１からできるだけ離れた状態を意味する。

図２に示されるように、被支持部材９が設けられている部分の近傍、すなわち、一点鎖線の四角で囲まれた領域Ｆでは、上述したように内部車室２の熱膨張が小さいものの、領域Ｆ以外の部分と比べて、周方向にうねりが生じやすい。内部車室２に周方向のうねりが生じると、図３に示されるように、第１隔壁部１１にもうねりが伝わり、第１隔壁部１１に当接する第２シール部材３６の各第２シール分割体３６ａにもうねりの影響が伝わる。各第２シール分割体３６ａにそのようなうねりの影響が伝わると、隣り合う第２シール分割体３６ａ，３６ａ間の隙間が大きくなって、蒸気のリーク量が増加してしまう可能性がある。

そこで、図１２に示されるように、一実施形態では、被支持部材９が設けられている部分の近傍に対応する位置にある第２シール分割体３６ａの周方向の幅Ｗを、その他の場所にある第２シール分割体３６ａの幅Ｗ’よりも小さくしている。このような構成により、各第２シール分割体３６ａが内部車室２のうねりに細かく追従できるようになる。その結果、うねりの発生しやすい位置で、各第２シール分割体３６ａがうねりに細かく追従して、隣り合う第２シール分割体３６ａ，３６ａ間の隙間が大きくなるのを抑制できるので、隔壁１０を介して隣り合う抽気室１３，１３間のシール性能をさらに向上することができる。

尚、被支持部材９が設けられている部分の近傍とは、周方向に関して被支持部材９に近い領域を意味し、具体的には、翼環３の中心Ｃと被支持部材９とを結ぶ線分ＬＳの周方向の両側で線分ＬＳと中心角４５°を形成する領域Ｒ_１、好ましくは、中心角３０°を形成する領域Ｒ_２、さらに好ましくは２０°を形成する領域Ｒ_３を意味する。

上述したいくつかの実施形態では、蒸気タービンの低圧車室における隣り合う抽気室１３，１３間をシールするシール装置１５について説明したが、この形態に限定するものではない。シール装置１５は、蒸気タービンの高圧車室又は中圧車室やガスタービンのような、第１筒状部材と、第１筒状部材の内部に含まれる第２筒状部材と、第２筒状部材の内部に回転可能に収容されるロータとを備える回転機械において、第１筒状部材の内周面と第２筒状部材の外周面との間の空間を隔壁によって第１筒状部材及び第２筒状部材の軸方向に分割した複数の区画のうち、隔壁を介して隣り合う区画間をシールするものであってもよい。尚、上述したいくつかの実施形態をこの記載の各構成要件と対応させると、第１筒状部材が内部車室２に相当し、第２筒状部材が翼環３に相当し、隔壁が隔壁１０に相当し、区画が抽気室１３に相当する。

１ 外部車室
２ 内部車室（第１筒状部材）
２ａ （内部車室の）内周面
２ｂ （内部車室の）外周面
３ 翼環（第２筒状部材）
３ａ （翼環の）内周面
３ｂ （翼環の）外周面
４ ロータ
５ 静翼
６ 動翼
７ 径方向隙間
８ 軸方向隙間
９ 被支持部材
１０ 隔壁
１１ 第１隔壁部
１１ａ （第１隔壁部の）下端面
１２ 第２隔壁部
１３ 抽気室（区画）
１５ シール装置
１６ 凹部
１６ａ （凹部の）表面
２０ 嵌合部
２１ 溝部
２１ａ （溝部の）底面
２１ｂ （溝部の）側面
２２ 第１空洞部
２２ａ （第１空洞部の）上面
２２ｂ （第１空洞部の）底面
２３ 開口部
２４ 空洞溝部
２５ 第１押し付け部
２５ａ 板ばね
２６ 第１シール部材
２６ａ 第１シール分割体
２６ａ１ （第１シール分割体の）先端部
２６ａ２ （第１シール分割体の）基端部
２６ａ３ 凹部
２６ｂ 第１シール分割体
２６ｂ１ （第１シール分割体の）先端部
２７ 高硬度部分
２８ 隙間
３２ 第２空洞部
３２ｃ （第２空洞部の）側面
３３ 開口部
３５ 第２押し付け部材
３５ａ 板ばね
３６ 第２シール部材
３６ａ 第２シール分割体
３６ａ２ （第２シール分割体の）基端部
４１ 第１隣接位置
４２ 第２隣接位置
４６ 凹部
４７ 凸部
１００ シール装置
１０１ 内部車室
１０２ 隔壁
１０３ 突出部
１０４ 溝部
１０５ シールリング
１０６ 板ばね
１０７ 嵌合部
１０８ 翼環

Claims (10)

1. 第１筒状部材の内周面と、前記第１筒状部材の内部に含まれる第２筒状部材の外周面との間の空間を隔壁によって前記第１筒状部材及び前記第２筒状部材の軸方向に分割した複数の区画のうち、前記隔壁を介して隣り合う区画間をシールするシール装置であって、
   前記隔壁は、
   前記第１筒状部材の前記内周面から前記第２筒状部材の前記外周面に向かって延びるとともに周方向に沿って設けられた第１隔壁部と、
   前記第２筒状部材の前記外周面から前記第１筒状部材の前記内周面に向かって延びるとともに前記周方向に沿って設けられた第２隔壁部と
   を備え、
   前記第１隔壁部と前記第２隔壁部との間には、前記第１筒状部材と前記第２筒状部材とが径方向に間隔をあけるようにして径方向隙間が形成され、
   前記シール装置は、
   前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部のいずれか一方に配置される第１押し付け部材と、
   前記径方向隙間に設けられるとともに、前記第１押し付け部材によって、前記径方向に前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部のいずれか他方に向かって押し付けられる第１シール部材と
   を備え、
   前記第１シール部材は、前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部の前記いずれか他方に形成される凹部に挿入可能に構成されるか、又は、前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部のいずれか他方に形成される凸部を受け入れ可能に構成されるシール装置。
2. 前記第１筒状部材及び前記第２筒状部材の軸方向に前記第１隔壁部と前記第２隔壁部とが間隔をあけるようにして、前記第１隔壁部と前記第２隔壁部との間に軸方向隙間が形成され、
   前記シール装置は、
   前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部の前記いずれか一方に配置される第２押し付け部材と、
   前記軸方向隙間に設けられるとともに、前記第２押し付け部材によって、前記軸方向に前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部の前記いずれか他方に向かって押し付けられて該他方に当接する第２シール部材と
   をさらに備える、請求項１に記載のシール装置。
3. 前記複数の区画内の圧力は互いに異なり、
   前記第２シール部材は、前記第１隔壁部又は前記第２隔壁部の両側の区画のうち圧力が低い方の区画に面する前記第１隔壁部又は前記第２隔壁部の面に当接する、請求項２に記載のシール装置。
4. 前記第１シール部材は、前記周方向に対して分割された複数の第１シール分割体を含み、
   前記第２シール部材は、前記周方向に対して分割された複数の第２シール分割体を含み、
   前記第１筒状部材及び前記第２筒状部材の前記軸方向に見た場合に、隣り合う第１シール分割体同士の第１隣接位置と、隣り合う第２シール分割体同士の第２隣接位置とがいずれも前記周方向にずれている、請求項２または３に記載のシール装置。
5. 前記第１筒状部材及び前記第２筒状部材の前記軸方向に見た場合に、前記第１隣接位置はいずれも、隣り合う前記第２隣接位置間の略中央に位置し、前記第２隣接位置はいずれも、隣り合う前記第１隣接位置間の略中央に位置する、請求項４に記載のシール装置。
6. 前記第１筒状部材はその外周面上に、前記第１筒状部材が支持される際に支持される部分である被支持部材を有し、
   前記被支持部材の近傍に対応する位置にある前記第２シール分割体の前記周方向の幅は、その他の場所にある前記第２シール分割体の前記幅よりも小さい、請求項４または５に記載のシール装置。
7. 前記第１シール部材が、前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部の前記いずれか他方に形成される凹部に挿入可能に構成される場合、
   前記凹部の表面は、前記凹部が形成される前記第１隔壁部又は前記第２隔壁部のうち前記凹部以外の部分を形成する材料よりも硬度が高くなるように形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシール装置。
8. 前記第１シール部材が、前記第１隔壁部及び前記第２隔壁部のいずれか他方に形成される凸部を受け入れ可能に構成される場合、
   前記凸部の少なくとも表面は、前記凸部が形成される前記第１隔壁部又は前記第２隔壁部のうち前記凸部以外の部分を形成する材料よりも硬度が高くなるように形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のシール装置。
9. 前記第１筒状部材は、蒸気タービンの内部車室であり、
   前記第２筒状部材は、蒸気タービンの翼環である、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシール装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のシール装置を備える回転機械。

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