JP2888655B2 - 軸流タービンの軸封装置 - Google Patents

軸流タービンの軸封装置

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JP2888655B2
JP2888655B2 JP3034657A JP3465791A JP2888655B2 JP 2888655 B2 JP2888655 B2 JP 2888655B2 JP 3034657 A JP3034657 A JP 3034657A JP 3465791 A JP3465791 A JP 3465791A JP 2888655 B2 JP2888655 B2 JP 2888655B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は軸流タービンの軸封装置
に係り、特に軸封装置を軸方向に移動させる駆動手段を
備えた軸流タービンの軸封装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般にガスタービンや蒸気タービン等の
高温媒体を使用するターボ機械の軸封装置には図1に示
したように複数歯数のラビリンスパッキンを車軸と対向
するようにパッキンセグメントに配設し、パッキンセグ
メントと車軸との間に微小間隙を形成した非接触式軸封
装置が使用されている。これは接触式軸封装置に使用さ
れるカーボンパッキン等の材料の使用限界が通常250
℃から300℃であるのに対して、非接触式軸封装置の
ラビリンスパッキンの材料である洋白またはクローム合
金鋼は最高600℃近くまで耐えられるからである。と
ころで、これらの非接触式軸封装置はその軸封性能がパ
ッキンの歯数、歯形状及び車軸との間隙によって大きく
左右され、一般にラビリンスパッキン形式の軸封装置の
漏洩量は次のマーチンの式(式1)で表わされる。
【0003】
【数1】 ここで、Gは漏洩量、Kは定数、kはパッキン形状によ
る流量係数、P1 は入口圧力、V1 は入口比容積、δe
は等価間隙、Dはパッキン内径、δa は軸方向間隙、δ
r は半径方向間隙、Zn はパッキン歯数、P2 は出力圧
力を示す。
【0004】また、一般にパッキンの歯数、歯形状はタ
ーボ機械の設計構造によって決定されるもので、経時的
に変化はしない。一方、車軸との間隙には半径方向間隙
と軸方向間隙があり、いずれも回転部と静止部の相対す
る部品の加工寸法及び据え付け位置によって決定される
が、ターボ機械の軸振動や熱膨張を考慮して所定の間隙
値に設定される。また、この設定間隙は以下の原因によ
り経時的に増大することが知られている。 (1)侵食 (2)腐食 (3)軸振動による接触摩耗 (4)温度変化による接触摩耗 このうち(1)及び(2)は比較的長期間にわたる変化
であるため定期的な点検により致命的な状態を回避でき
るのに対して(3)及び(4)は運転中の瞬間的な間隙
変化であるためその発生を未然に防止するために常時、
運転監視が必要である。
【0005】このため、一般的なターボ機械では振動監
視装置が備えられており、これにより車軸等の回転体の
アンバランスに起因したラビングが発生するのを未然に
防止することができる。しかし、起動時を含めた運転過
渡期では、ターボ機械の温度分布が非定常状態を示すの
で、車室と車軸各部の温度が経時的に変化し、軸封装置
部分の熱膨張量が定常状態を基準に考慮された設計状態
と相違し、その差が著しい場合には設計裕度を逸脱して
ラビングが発生するという問題がある。従来、この熱膨
張の監視計器として車室の伸び計及び車室と車軸間の伸
び差計が設置されることがあるが、軸流ターボ機械では
計測点が軸受部または軸端部のように限られており、タ
ーボ機械内部のすべての部分の軸方向間隙の裕度を精度
良く監視することが困難であった。そこで、この問題を
解決する手段として、半径方向間隙については従来より
特開昭62−248804号公報等に示された間隙調整
装置が提案されている。この間隙調整装置はパッキンセ
グメントを半径方向に移動させる構造であるため隔板の
軸封装置のように、軸受け部より遠く離れていて軸の振
れ回りや車室の変形が大きくなるため運転中の半径間隙
の増減が著しい部位には有効である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
グランドパッキン軸封装置は軸受部に近く配置されてい
るので、その半径方向の間隙変化は比較的小さいが、軸
封装置の前後差圧が大きいので限られた軸方向スペース
の中で多数のシールフィンを設置して高い軸封機能を確
保する必要がある。このため軸方向の間隙に対する設計
余裕が相対的に小さくなり、特に運転中において半径方
向移動より軸方向移動に注意しないとラビングが生じ、
シールフィンが摩耗し、軸封性能が低下するという問題
がある。
【0007】そこで、本発明の目的は上述した従来の技
術が有する問題点を解消し、ラビリンスパッキンの軸方
向間隙をターボ機械の熱膨張の過渡状態にあわせて変化
させ、常に所定の軸方向間隙を確保して軸封性能を維持
するとともに、ラビングの発生を防止する軸封装置を提
供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本願請求項1の軸流タービンの軸封装置は、ラビリン
スパッキンが内面に配設されたパッキンセグメントを車
軸の軸方向に移動可能に車室の一部に収容した軸流ター
ビンの軸封装置において、上記車室の各部の温度および
車軸の表面温度を計測する温度計測手段と、上記温度計
測手段が計測した温度から、上記車室および上記車軸の
熱伸縮と、上記ラビリンスパッキンの軸方向間隙とを算
出する演算器と、上記演算器が算出した上記ラビリンス
パッキンの軸方向間隙と所定の間隙許容値とを比較し、
アクチュエータを介して上記パッキンセグメントを上記
車軸の軸方向に移動させる制御手段と、を備えたことを
特徴とするものである。また、本願請求項2の軸流ター
ビンの軸封装置は、ラビリンスパッキンが内面に配設さ
れたパッキンセグメントを車室の一部に収容し、車軸パ
ッキンが車軸に垂直に配設された円盤の表裏面に設けら
れた軸流タービンの軸封装置において、上記パッキンセ
グメントを車室内に軸方向に配置されたバネで保持する
とともに、上記パッキンセグメントの一部にシール部材
を介装してパッキンセグメント収容部を2個の圧力室に
分離し、上記圧力室の1つと車軸高圧室と、及び他の圧
力室と上記円盤周縁のパッキン部中間室とをそれぞれ連
通する導孔をパッキンセグメント内に穿設し、上記パッ
キンセグメント収容部の圧力室間の差圧により上記パッ
キンセグメントを上記車軸の軸方向に移動させるように
したことを特徴とするものである。
【0009】また、第2の発明はラビリンスパッキンが
内面に配設されたパッキンセグメントを車室の一部に収
容した軸流タービンの軸封装置において、上記パッキン
セグメントを車室内に軸方向に配置されたバネで保持す
るとともに、上記パッキンセグメントの一部にシール部
材を介装してパッキンセグメント収容部を2個の圧力室
に分離し、これらの圧力室と車軸高圧室及び車軸パッキ
ン部とを連通する導孔をパッキンセグメント内に穿設
し、上記パッキンセグメント収容部の圧力室間の差圧に
より生じた車軸の軸方向作用力で上記パッキンセグメン
トを軸方向に移動させるようにしたことを特徴とするも
のである。
【0010】
【作用】第1の発明によれば、パッキンセグメントの軸
方向位置を検出する検出器を車室の一部に設けるととも
に、この検出器による軸方向位置と軸方向間隙許容値と
を比較し、この比較信号に応じてアクチュエータを作動
させて上記パッキンセグメントを軸方向に移動させるよ
うにしたので、アクチュエータの動作により正確にパッ
キンセグメントの軸方向間隙を制御することができる。
【0011】また、第2の発明によれば、パッキンセグ
メントを車室内に軸方向に配置されたバネで保持すると
ともに、上記パッキンセグメントの一部にシール部材を
介装してパッキンセグメント収容部を2個の圧力室に分
離し、これらの圧力室と車軸高圧室及び車軸パッキン部
とを連通する導孔をパッキンセグメント内に穿設し、上
記パッキンセグメント収容部の圧力室間の差圧により生
じた車軸の軸方向作用力で上記パッキンセグメントを軸
方向に移動させるようにしたので、車室内蒸気の差圧を
利用するのみで正確にパッキンセグメントの軸方向間隙
を制御することができる。
【0012】
【実施例】以下、第1の発明による軸封装置の一実施例
を図1及び図2を参照して説明する。図1は軸封装置の
部分断面を示しており、車軸1を覆うように設けられた
車室2の端部に位置し、パッキンセグメント3及び車軸
パッキン部4とから構成されている。パッキンセグメン
ト3は一体構造または組立構造からなる略円筒形状をな
し、車室2の端部に形成されたパッキン収容部5内に収
容され、車室2の端面に固着されたリング状のパッキン
カバー6にその端部が保持されている。また、図2に示
したように車室2内の所定位置にはパッキンセグメント
3を中心方向に付勢する押えバネ7が装着され、これに
よりパッキンセグメント3は半径方向にその位置が保持
されるが、運転時は車室側の熱膨張に伴い、車室内を半
径方向及び軸方向に移動する。
【0013】さらにパッキンカバー6の一部には複数個
のアクチュエータ8、8…が配設されている。各アクチ
ュエータ8は伸縮自在なロッド9を有するスライダー機
構を備え、ロッド9の先端はパッキンカバー6の一部を
貫通してパッキンセグメント3の端面に固着されてい
る。また、アクチュエータ8の一部には位置検出器10
が設けられており、この位置検出器10はロッドの移動
量を計測し、車室内のパッキンセグメント3の軸方向位
置を検出するようになっている。そしてこの位置信号は
制御部11に出力されるようになっている。
【0014】一方、車室2には温度計12、12…が取
り付けられており、複数の計測点での車室温度を連続的
に計測できるようになっており、その情報は逐次、演算
器13に出力される。この演算器13では車室温度情報
をもとに車軸1の軸方向間隙を算出し、この軸方向間隙
信号は比較器14に出力される。この比較器14では定
値発生器15からの間隙許容値との比較がなされ、その
偏差信号は制御部11に出力されてアクチュエータ8の
作動信号としてアクチュエータ8に出力され、ロッド9
の作動によりパッキンセグメント3を軸方向に所定量だ
け移動させることができる。
【0015】これに対し、車軸パッキン部4は車軸1の
一部に形成され、車軸本体から削り出すかあるいはリン
グ部材を嵌装させることにより角歯状の凹凸形状に形成
され、車軸側の熱膨張に伴ってその相対位置は移動す
る。また、車軸1は、軸受台16の中に設置されたスラ
スト軸受17によって軸方向位置が固定されている。し
たがって、車軸パッキン部4の軸方向間隙はスラスト軸
受17を基準点とした車軸の軸方向距離と車室の軸方向
距離との相対差として(式2)で求まる。 δa =Σ(Lr ×αr ×(tr −20)) −Σ(Lc ×αc ×(tc −20)) ……(式2) ここで、δa はパッキン部の軸方向間隙、Lは各部の軸
方向距離、αは材料によって決まる線膨張係数、tは各
部の温度、各記号添字rは車軸、cは車室を示す。車軸
の温度tr は回転体であるため表面温度の計測値ts
もとに(式4)の差分方程式を解いて得られる体積平均
温度が用いられる。すなわち、車軸の内部温度分布は過
渡状態において半径方向に熱流れが支配的であるので、
伝熱の式より(式3)が近似的に成立する。
【0016】
【数2】 ここで、Tは初期状態(一様均一温度状態)からの経過
時間、aは温度伝播率、rは半径位置を示す。
【0017】上式により、経過時間Pにおける温度分布
をもとに、更にそれから微小な時間ΔT経過した後の時
間P+1における温度分布tn (P+1) は次の様に表わさ
れる。 tn (P+1) =φ0 (tn+1 (P) −tn-1 (P) ) +φ1 (tn+1 (P) +tn+1 (P) )+(1−2φ1 )tn (P) =Cn +tn+1 (P) +Dn ×tn-1 (P) +En ×tn (P) ……(式4) ここで、tn-1 ,tn ,tn+1 はロータをn等分した円
環の隣あう温度、 φ0 =a×ΔT/2rΔr φ1 =a×ΔT/Δr2 Δrはロータ半径R0 の1/n また、体積平均温度ta (P) は次式のように示される。
【0018】
【数3】 上式は車軸の一様均一温度状態(例えば、長期間停止
後)のにおける表面温度とその後の表面温度の連続計測
により車軸の軸方向距離が精度良く算出できることを示
している。
【0019】一方、一般的に中小容量のターボ機械は1
本の車軸とこの車軸を覆う車室とから構成されており、
大容量機に比べてケーシングの構造が簡単で軸線に直角
な平面に対してほぼ対称な円環状をなしている。このた
め車軸と同じく(式3)から(式5)までが比較的精度
良く成立し、内面温度の連続的な計測により軸方向距離
が算出できる。また、中小容量のターボ機械は軸方向の
長さも比較的に短く、(式2)で求めた集合和に起因す
る誤差も少ない。したがって、図1に示したようにター
ボ機械各部に設置した温度計12とその計測値を基に上
記の演算を行なう演算器13によって各軸封装置におけ
る軸方向間隙δa を算出することができる。
【0020】さらにこの演算結果をパッキンの据え付け
時設定間隙と比較する比較器14によって求められる偏
差信号を、パッキンセグメント3に連結したアクチュエ
ータ8に出力し、偏差量に相当する距離だけパッキンセ
グメント3を軸方向に移動させることができる。上述の
ようにアクチュエータ8は油圧、空圧、蒸気圧、または
電力18等の外部駆動源によって作動するピストンまた
はスライダーと変位検出器とから構成されており、比較
器14からの偏差信号に対してパッキンセグメント3の
移動量が一致するようにアクチュエータを制御する制御
器11にフィードバック信号を与えることができる。以
上のように構成された軸封装置においては軸封装置の位
置における車室と車軸の軸方向距離が常に一定に保た
れ、運転状態に影響されずに必要な軸方向間隙を確保す
ることができる。
【0021】次に第2の発明についての一実施例を図3
を参照して説明する。本実施例において車軸パッキン部
20は車軸1に直交し、すなわち車軸中心に対して半径
方向に設置されており、この軸方向パッキンと対向する
ように微小間隙a,bをあけて構成された複数の歯数を
有するパッキンセグメント21とセグメントカバー22
とが静止部の車室内に収容されている。セグメントカバ
ー22はパッキンセグメント21の一部を構成する組立
て部品でその一面にはラビリンスパッキン23が配設さ
れており、取付けボルト24によりパッキンセグメント
21の一部にシム25を介在させて固着するようになっ
ている。パッキンセグメント21は外周円筒部26の内
側に円板部27が一体的に形成された断面形状が略T字
形をなしており、円板部27には複数歯数のラビリンス
パッキン23が配設されている。このパッキンセグメン
ト21は、一端が車室2の一部に形成された係止部に係
止される一方、他端はパッキンカバー28を被着してパ
ッキンセグメント収容部29内に収容されている。この
とき、パッキンセグメント21の左右の係止部の内径D
1 、D2 は異なるように設定されている。また、パッキ
ンセグメント21の軸方向の両端には所定のバネ定数を
有するバランスバネ30、30が装着され、これにより
パッキンセグメント21は両方のバネのつりあい位置で
静止保持されている。
【0022】一方、パッキンセグメント21の外周円筒
部26の外周面のほぼ中央部には凹部26aが形成され
ており、この凹部26aにはシールリング31が装着さ
れており、パッキンセグメント収容部28をD室とE室
とに分離している。また、パッキンセグメント21は、
このシールリング31または同じく外周部に設置された
図示しない板バネにより中心方向に押圧されており、D
室とE室とはともに密閉状態が保持されている。パッキ
ンセグメント21の内部にはパッキンが遮蔽すべき高圧
側A室と低圧側C室の中間に位置するB室からE室へ連
通するL字形をなす導孔32とA室からD室へ連通する
直線形をなす導孔33とが穿設されている。
【0023】このように構成されたパッキンセグメント
21の効果を以下に示す。図4は車軸1がパッキンセグ
メント21に対して、熱膨張差等によって軸方向に相対
的に移動した場合のB室の圧力変化を示したものであ
る。パッキン部の高圧側A室の圧力をPA 、低圧側C室
の圧力をPC とするとパッキン部中間のB室の圧力PB
は、上述の(式1)のP1 ,P2 に各々PA ,PB を代
入して求められる車軸パッキン部右側の漏洩量とP1
2 にPB ,PC を代入して求められる車軸パッキン部
左側の漏洩量とが等しいことから両者を逐次計算して求
めることができる。すなわち、車軸が図上で右方にaあ
るいは左方にbだけパッキンセグメント21に対して相
対的に移動すると、パッキンセグメント21がパッキン
部の右側または左側位置で接触し、漏洩蒸気が閉塞さ
れ、PB は、PA またはPC に等しくなる。また、車軸
の軸方向移動のない状態におけるPB をPBOとすると、
BOはPA とPC の平均値となる。このとき、上述のよ
うにパッキンセグメント21にはA室とD室及びB室と
E室とを連通する導孔32,33が設置されているの
で、連通した各室の圧力は等しくなる。すなわち、パッ
キンセグメント21の左右は異なる圧力であるためパッ
キンセグメント21には下記に示す軸方向の推力が作用
する。パッキンセグメント21の右方から作用する力F
R は FR =π/4×(D2 2 −D0 2 )×PA +π/4×(D3 2 −D2 2 )×PB ……(式6) パッキンセグメント21の左方から作用する力FL は FL =π/4×(D1 2 −D0 2 )+PC +π/4×(D3 2 −D1 2 )×PA ……(式7) ここで、D0 はパッキンセグメント内径、D1 は左側係
止部内径、D2 は右側係止部内径、D3 はパッキンセグ
メント外径を示す。パッキンセグメント21を移動させ
る力をFとすると、 F=FR −FL また、PB =PB0+ΔPB とすると PB0=(PA +PC )/2 であり、以上より F=(D3 2 −D2 2 )×ΔPB −(D0 2 −D1 2
2 2 /2+D3 2 /2)×(PA +PC ) となる。ここで、上述のパッキンセグメントの内径を D0 2 −D1 2 =D2 2 /2−D3 2 /2 となるように決めておくとF式の第2項は消えて F=(D3 2 −D2 2 )×ΔPB ……(式8) となる。
【0024】このパッキンセグメント21に作用する差
圧による力Fを図5に示す。これは車軸1が右方または
左方に移動した場合、パッキンセグメント21に右方ま
たは左方に移動させようとする力Fが発生することを示
している。車軸が軸方向にaまたはb移動してパッキン
と接触した位置における作用力Fa ,Fb は ΔPB =(PA −PC )/2 であるから、(式8)より Fa =Fb =(D3 2 −D2 2 )×(PA −PC )/2 となる。
【0025】ここで、パッキンセグメント収容部の左右
に装着されたバランスバネ30のバネ定数κを下式のよ
うに設定すると、パッキンセグメント21は車軸の移動
にともなって発生する(式8)の作用力Fによって図6
に示すように左右に摺動する。 κ=2Fa /a このとき、パッキンセグメント21を外周方向から押し
つけてD室及びE室の気密性を保持する力のために摺動
時に摩擦力によって、下式のような軸方向移動量の微少
なヒステリシスΔMが生じる。 ΔM=FP ×μ/κ ここで、FP はパッキンセグメント21を外周部からの
押圧力、μは摺動部の静摩擦係数を示している。上記Δ
Mはパッキンセグメント21の軸方向形状や、外周部に
設置されたシールリングの設置位置及びパッキンセグメ
ント21押えバネの押圧力を適正に設定することにより
パッキン部の間隙a,bに対して十分小さな値とするこ
とができる。この結果、図7に示すように車軸がパッキ
ンセグメント21に対して軸方向に移動した場合には、
パッキンセグメント21自身も上述の移動を伴い、パッ
キン軸方向間隙は車軸の移動量よりも極めて少なく抑え
られる。
【0026】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、第1の
発明によればパッキンセグメントの軸方向位置の検出結
果に応じてアクチュエータを作動させて上記パッキンセ
グメントを軸方向に移動させるようにすることにより、
また、第2の発明によれば、パッキンセグメント収容部
の圧力室間の差圧により生じた車軸の軸方向作用力で上
記パッキンセグメントを軸方向に移動させるようにした
ことにより正確にパッキンセグメントの軸方向間隙を制
御することができるので、パッキン部での接触による車
軸の振動や熱発生、漏洩蒸気の増大を防止し、高い軸封
性能を実現するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の発明による軸封装置の一実施例の制御系
統を示した縦断面図。
【図2】図1に示した軸封装置のII−II線断面図。
【図3】第2の発明による軸封装置の一実施例を示した
縦断面図。
【図4】第2の発明における車軸相対移動量と内部圧力
との関係を示した特性図。
【図5】第2の発明における車軸相対移動量とパッキン
セグメント作用力との関係を示した特性図。
【図6】第2の発明における車軸相対移動量とパッキン
セグメント移動量との関係を示した特性図。
【図7】第2の発明における車軸相対移動量とパッキン
セグメント間隙変化との関係を示した特性図。
【符号の説明】
1 車軸 2 車室 3,21 パッキンセグメント 4,20 車軸パッキン部 5,28 パッキンセグメント収容部 6,29 パッキンカバー 8 アクチュエータ 10 位置検出器 11 制御部 12 温度計 13 演算器 30 バネ 31 シールリング 32,33 導孔

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ラビリンスパッキンが内面に配設されたパ
    ッキンセグメントを車軸の軸方向に移動可能に車室の一
    部に収容した軸流タービンの軸封装置において、 上記車室の各部の温度および車軸の表面温度を計測する
    温度計測手段と、 上記温度計測手段が計測した温度から、上記車室および
    上記車軸の熱伸縮と、上記ラビリンスパッキンの軸方向
    間隙とを算出する演算器と、 上記演算器が算出した上記ラビリンスパッキンの軸方向
    間隙と所定の間隙許容値とを比較し、アクチュエータを
    介して上記パッキンセグメントを上記車軸の軸方向に移
    動させる制御手段と、 を備えたことを特徴とする軸流タービンの軸封装置。
  2. 【請求項2】ラビリンスパッキンが内面に配設されたパ
    ッキンセグメントを車室の一部に収容し、車軸パッキン
    が車軸に垂直に配設された円盤の表裏面に設けられた
    流タービンの軸封装置において、 上記パッキンセグメントを車室内に軸方向に配置された
    バネで保持するとともに、上記パッキンセグメントの一
    部にシール部材を介装してパッキンセグメント収容部を
    2個の圧力室に分離し、 上記圧力室の1つと車軸高圧室と、及び他の圧力室と上
    記円盤周縁のパッキン部中間室とをそれぞれ連通する導
    孔をパッキンセグメント内に穿設し、 上記パッキンセグメント収容部の圧力室間の差圧により
    上記パッキンセグメントを上記車軸の軸方向に移動させ
    るようにしたことを特徴とする軸流タービンの軸封装
    置。
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