JP4387697B2 - 蒸気タービンシール装置およびそれを備えた蒸気タービン - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンの羽根先端部における蒸気の漏洩流れを低減するシール装置およびそれを用いた蒸気タービンに係り、特に蒸気中のドレン(凝縮水分)による侵食を抑え、かつ、間隙の調整・保守が容易な蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンに関する。
【0002】
【従来の技術】
蒸気タービンの仕事効率は、羽根(動翼)に流通する、すなわち、実際に羽根(動翼)を回転させる蒸気の量により影響される。逆に言えば、ダイアフラム外輪と羽根との間隙から漏洩する蒸気をいかに減少させるかというシール技術が蒸気タービンの性能を左右する。従って、羽根の回転に直接寄与しない蒸気流を調整するシール技術は、タービンの能力を向上するために重要な技術と位置付けられている。
【0003】
こうした蒸気タービン効率の向上を目的とした蒸気タービンシール技術としては、ダイアフラムとホイール(タービンシャフト)との間隙にハニカムセルを設けて作動流体の漏洩を防止する技術がある(例えば、特許文献1)。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−123803号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、地熱タービンに代表されるように蒸気の湿り度が大きい場合、長年のタービン運用により蒸気中のドレン(水分)によるシールリングホルダーの内面の侵食が進行し、シールリングホルダーとホイールとの間隙が大きくなり、性能の低下を引き起こすことが避けられない。
【0006】
従来構造のタービンにおいては、ダイアフラム内外輪全体を再製作して交換する必要があるため、この間隙を元の値に復旧することは困難である。
【0007】
また、シールリングホルダーを別構成の部材として固定手段によりダイアフラムに固定する方式も従来の蒸気タービンに使用されているが、別構成とするダイアフラム自体が大きな部材であるため、製作コストが高く、また取り外しおよび取り付けが容易でない。また、シールリングホルダーは回転構造物の外周に位置する部材であるため、回転構造物との芯出しを精度良く行う必要があり、この芯出し作業をタービン据付現場で行うには作業時間がかかり、また精度の面からも容易な作業とは言えなかった。
【0008】
本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、ダイアフラムと羽根との間隙の調整を容易にし、またメンテナンス性に優れ、耐食性に優れており、蒸気タービンの長期運用に当たってタービン効率を良好に維持することが可能な蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る蒸気タービンシール装置は、請求項1に記載したように、タービンホイールと、このタービンホイールに植設された羽根と、この羽根の先端部に設けられたシールフィンと、ダイアフラム外輪と、ダイアフラム内輪と、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪に挟持されたノズル翼とからなる蒸気タービンにおいて、前記ダイアフラム外輪から延設されたシールリングホルダーの内周面の前記羽根先端部と対向する部分に着脱可能なリングセグメントを設置し、前記シールフィンと前記リングセグメントとで形成される間隙を調整可能に設けるとともに、前記シールリングホルダー上流側内径をφA、前記リングセグメント内径をφB、前記シールリングホルダー下流側内径をφCとしたとき、φA<φB<φCとして作動流体の流れに従って上流側から下流側にかけて内径を増大するように構成したことを特徴とするものである。また、本発明に係る蒸気タービンシール装置は、請求項4に記載したように、タービンホイールと、このタービンホイールに植設された羽根と、この羽根の先端部に設けられたシールフィンと、ダイアフラム外輪と、ダイアフラム内輪と、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪に挟持されたノズル翼とからなる蒸気タービンにおいて、前記ダイアフラム外輪から延設されたシールリングホルダーの内周面の前記羽根先端部と対向する部分に着脱可能なリングセグメントを設置し、前記シールフィンと前記リングセグメントとで形成される間隙を調整可能に設けるとともに、前記リングセグメントと前記シールリングホルダーとの接続部分の作動流体上流側にドレン捕獲用の空隙を設けてドレンキャッチ空間部を形成し、このドレンキャッチ空間部を介して流通した水分をダイアフラム外輪の外部に排出するための、前記ドレンキャッチ空間部と前記ダイアフラム外輪の外部とを連通するドレン抜き穴を設けたことを特徴とするものである。
【0010】
また本発明に係る蒸気タービンは、請求項5に記載したように、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の蒸気タービンシール装置を備えたものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンについて図を参照して以下に説明する。
【0012】
図1に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第1の実施形態を示す。
【0013】
蒸気タービンにおける蒸気通路部の最小ユニットである1段落は、ノズル1と羽根(動翼)2とから構成されている。ノズル1はダイアフラム内輪3とダイアフラム外輪4により保持されている。ダイアフラム外輪4からは、シールリングホルダー5が延設されて、ホイール6の外周を包囲するように構成される。
【0014】
一方、羽根2はホイール6の外周に植え込まれて固定される。また羽根2の先端部には、シールリングホルダー5と羽根2の先端部との間隙からの蒸気漏洩を防止するためにシールフィン7が設けられる。
【0015】
更に、シールリングホルダー5には、羽根2の先端部のシールフィン7に対向する面に、シールリングホルダー5と別構造物のリングセグメント11が一体的に設置される。このリングセグメント11は、シールリングホルダー5の内周面に設けられたあり溝等の固定構造によりシールリングホルダー5に固定される。なお、リングセグメント11は通常シールリングホルダー5の内周の円周方向に4〜8分割されたパーツから構成され、これらのリングセグメント11がシールリングホルダー5の円周方向に沿って、それぞれシールリングホルダー5とリングセグメント11との間に設置される図示しない板ばね等によってシールフィン7の方向に付勢されつつ一体的に固定される。
【0016】
上流から流通した蒸気(矢印14)は、ノズル1を流通することにより膨張および加速され、羽根2を回転させて動力を発生する。一方、蒸気が凝縮した水分は遠心力によりホイール6の外周側に飛散し、矢印15に示すように漏洩蒸気流として、シールリングホルダー5とリングセグメント11との間隙を流れようとする。この凝縮した水分が集まり水流となり、壁面を流れる水脈により侵食が進行し、その結果として羽根2とシールリングホルダー5との間隙が拡大する。
【0017】
そこで、第1の実施形態の蒸気タービンシール装置は、シールリングホルダー5の内周面に別体構造のリングセグメント11を設置することにより、侵食より間隙が広くなった場合、侵食されたリングセグメント11を新品と交換することにより、簡単に間隙を元のクリアランスに戻すことができ、蒸気タービンの性能を回復することが可能である。
【0018】
リングセグメント11は、蒸気タービン本体に比較して小さい部材であるため、交換に要する費用は最小ですむ。また、シールリングホルダー5自体を交換する方式とした従来の蒸気タービンに比較して、部材コストが安く済む上、芯出しも容易であるので、作業時間の効率化が実現する。
【0019】
図2に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第2の実施形態を示す。
【0020】
タービン実機の組立においては、タービンロータの組み込み時に、羽根2のシールフィン7とリングセグメント11との間隙を適正値に調整する為に、リングセグメント11の内径を調整加工する。この調整加工の際に、シールリングホルダー5の内面とリングセグメント11の内面に、蒸気流れ方向に段差がつくことがある。このような段差があると、凝縮水分の下流側への流通が疎外され、この間隙に水分が滞留することによってシールフィン7の侵食や腐食を加速することとなる。
【0021】
そこで第2の実施形態の蒸気タービンシール装置においては、シールリングホルダー5上流側内径φAと、リングセグメント11内径φBと、シールリングホルダー5下流側内径φCを、この順に大きくする構成とする。
【0022】
すなわち第2の実施形態の蒸気タービンシール装置は、各構成要素の内径を水分の流れ方向の下流に行くに従って大きくするように構成した。すなわち、シールリングホルダー5上流側内径φA,リングセグメント11内径φB,シールリングホルダー5下流側内径φCが、φA<φB<φCの関係となるように設定したため、段差による水分の流通が疎外されることがなく、水分をスムーズに排出することが可能である。従って、羽根2の先端部での水分の滞留が効果的に防止されるため、シールフィン7およびシールリングホルダー5内面、リングセグメント11の内面の侵食を防止することが可能である。
【0023】
図3に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第3の実施形態を示す。
【0024】
蒸気タービンの運転中には、ノズル1と羽根(動翼)2で構成される通路部を流通する高温高圧の蒸気により蒸気タービンの構成部材が暖められて高温となる。しかしながら、通路部は回転部(ホイール側)と静止部(ノズル側)との材質の差による熱膨張係数や熱伝導率の違いにより、蒸気タービンの静止時と運転時とではノズル1と羽根2の相対的な位置はタービン軸方向に変化する。
【0025】
そこで第3の実施形態の蒸気タービンシール装置においては、リングセグメント11の内面及び、シールフィン7の先端に、タービン軸方向に沿って傾斜Sを設けたスラント構造としている。なお、一般に熱膨張によるホイール側の相対移動方向は矢印16に示す方向である。
【0026】
この第3の実施形態の蒸気タービンシール装置によれば、タービンの運転時には、図3に示すように、リングセグメント11及び、羽根先端のシールフィン7の先端が軸方向に同一方向の傾斜Sを設ける構成としたので、ホイール側が矢印16の方向、すなわちノズル1に近づく方向に相対的に移動したときに、運転中の羽根とセグメントとの間隙を小さく制御することが可能である。従って、タービンの運転中に、熱膨張による寸法の変化に追従して最小の間隙を保持するので、タービン効率を向上することが可能である。
【0027】
図4に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第4の実施形態を示す。
【0028】
この第4の実施形態の蒸気タービンシール装置において、リングセグメント11は、シールリングホルダー5に固定手段であるボルト17により一体的に固定される。このボルト17とシールリングホルダー5との間には調整シム18が装着される。
【0029】
この第4の実施形態の蒸気タービンシール装置によれば、調整シム18の枚数(厚さ)の調整により、リングセグメント11の内径の微妙な調整が可能となる。従って、シールフィン7とリングセグメント11との間隙の調整が極めて容易となる。
【0030】
この第4の実施形態の蒸気タービンシール装置のように、リングセグメント11の内径の調整が容易な構成とすることにより、タービンの運転中に侵食により間隙が増大した際にも、リングセグメント11及び他の構成部材を交換することなく、最適な間隙に容易に復旧することが可能であるため、メンテナンスコストが大幅に低減される。なお、第1の実施形態に示すようなあり溝と板ばねの組み合わせにボルト17のような固定手段を設けて、調整シム18を配して間隙の調整を行うように構成してもよい。
【0031】
図5に本発明に係る蒸気タービンシール装置の第5の実施形態を示す。
【0032】
第5の実施形態の蒸気タービンシール装置は、第4の実施形態と同様にシールリングホルダー5にリングセグメント11を配置する。また、羽根の先端にはシールフィン7が設置される。
【0033】
この第5の実施形態の蒸気タービンシール装置においては、リングセグメント11とシールリングホルダー5との接続部分に隙間を設け、水分をトラップするドレンキャッチ空間部19を設置する。さらにシールリングホルダー5には、シールリングホルダー5内面側とダイアフラム外輪4の外部とを連通する貫通孔であるドレン抜き穴21が設けられている。また、ドレンキャッチ空間部19は、水分を捕捉する目的上、蒸気流の上流側、すなわちシールフィン7の最前列シールフィン7aの先端側(ノズル1側)に設けられたことを特徴とする。
【0034】
このような構成とした蒸気タービンシール装置によれば、凝縮水分は最前列シールフィン7aにあたり、遠心力でホイール6外周方向に飛散し、予め設けられたドレンキャッチ空間部19で捕捉される。更に捕捉された水分は、外部と連通する貫通孔であるドレン抜き穴21を通って外部に排出される。従って、水分がシールフィン7とリングセグメント11とで構成される間隙に滞留することがなく、シールフィン7及びリングセグメント11の侵食が防止されるので、間隙の増大が最小限に抑えられ、タービン性能を長期間良好に維持することが可能である。
【0035】
また、第1の実施形態から第5の実施形態の蒸気タービンシール装置においては、リングセグメント11の内面に耐食性を有する材料を配する構成とすることが好ましい。この耐食性材料により、タービン運転時の水分により誘起される侵食を効果的に防止することが可能である。
【0036】
なお、これら第1の実施形態から第5の実施形態の蒸気タービンシール装置を設置した蒸気タービンは、作動効率が向上し、また耐食性に優れるため長期運用にも安定した性能を良好に維持する。従って、高効率で高信頼性の蒸気タービンを提供することが可能である。
【0037】
【発明の効果】
本発明の蒸気タービンシール装置およびそれを用いた蒸気タービンによれば、シールリングホルダー内面に、別体のリングセグメントを設け、壁面を水分がスムーズに通る構造としたため、シールリングホルダーの侵食が防止され、高効率で信頼性の高い蒸気タービンを提供することが可能である。また、リングセグメントが侵食した場合にも別体構造のリングセグメントを交換することにより、簡易および確実に復旧作業が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第1の実施形態を示す構造図。
【図2】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第2の実施形態を示す構造図。
【図3】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第3の実施形態を示す構造図。
【図4】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第4の実施形態を示す構造図。
【図5】本発明に係る蒸気タービンシール装置の第5の実施形態を示す構造図。
【符号の説明】
1 ノズル
2 羽根
3 ダイアフラム内輪
4 ダイアフラム外輪
5 シールリングホルダー
6 ホイール
7 シールフィン
7a 最前列フィン
11 リングセグメント
14 蒸気流(ノズル流通時)を示す矢印
15 漏洩蒸気流(水分)を示す矢印
16 ホイールの移動方向を示す矢印
17 ボルト
18 調整シム
19 ドレンキャッチ空間部
21 ドレン抜き穴
Claims (5)
- タービンホイールと、このタービンホイールに植設された羽根と、この羽根の先端部に設けられたシールフィンと、ダイアフラム外輪と、ダイアフラム内輪と、前記ダイアフラム外輪と前記ダイアフラム内輪に挟持されたノズル翼とからなる蒸気タービンにおいて、前記ダイアフラム外輪から延設されたシールリングホルダーの内周面の前記羽根先端部と対向する部分に着脱可能なリングセグメントを設置し、前記シールフィンと前記リングセグメントとで形成される間隙を調整可能に設けるとともに、前記シールリングホルダー上流側内径をφA、前記リングセグメント内径をφB、前記シールリングホルダー下流側内径をφCとしたとき、
φA<φB<φC
として作動流体の流れに従って上流側から下流側にかけて内径を増大するように構成したことを特徴とする蒸気タービンシール装置。 - 作動流体の上流側から下流側に沿って前記リングセグメントの内径が漸次的に増大するように、前記リングセグメント内周面に傾斜を設けたことを特徴とする請求項1記載の蒸気タービンシール装置。
- 前記リングセグメントを固定手段により前記シールリングホルダーに固定し、前記固定手段を調整することにより、前記動翼先端部のシールフィンとリングセグメントとの間隙が調整可能に設けたことを特徴とする請求項1記載の蒸気タービンシール装置。
- 前記リングセグメントが耐食性の材料で構成されたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の蒸気タービンシール装置。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の蒸気タービンシール装置を備えた蒸気タービン。
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