JP4598583B2 - 蒸気タービンシール装置 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンのノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部との間からの蒸気漏れを少なくする蒸気タービンシール装置に関する。

従来の蒸気タービンシール装置には、静止部側に複数のシールフィンを設け、このシールフィンをロータ表面に半径方向の間隔を開けて対向して配置するとともに、シールフィンが対向するロータ表面部分に凹凸部を形成し、その凹凸部に合わせてシールフィン長さを変えたものが知られている。これは、ハイロー型ラビリンスシール装置と呼ばれているものがあり、シールフィンとロータ凹凸部との半径方向の間隙を可能な限り微小に設定するか、シールフィンを多数設けて蒸気通過距離を長くすることで、蒸気漏洩損失低減とそれによるタービン効率向上を図っている。

また、コーキングシールと呼ばれる埋め込み型のシール技術がある。これは、静止部或いは回転部に所定間隔で複数の溝を設け、この溝にシールフィンをコーキングして固定するものであり、コーキングシールにはスタッガード型とダブルストリップ型とがある。スタッガード型は、静止部側のシールフィンと回転部側のシールフィンをロータ軸方向にずらしかつ交互に重なり合う形で配置したものであり、ダブルストリップ型は、静止部側のシールフィンと回転部側のシールフィンを半径方向に一定間隙を設けて配置したものである。このようなコーキングシールは、シールフィン自体が極めて薄く、放熱性が良いため、ロータの熱変形による過大な軸振動（ラビング振動）が起こりにくいという利点がある。

更に、静止部と回転部のそれぞれにシールフィンを設け、静止部側のシールフィンと回転部側のシールフィンとをロータ軸方向にずらしかつ交互に重なり合う形で配置したシール装置のシール性能を向上する技術として、特開２００３−２０１８０６号公報に記載のシール装置がある。これは、静止部側である静翼ダイアフラム外輪に備えられるシールフィンに突き出し板を周方向に複数個設けたものであり、流体を突き出し板に衝突させて剥離渦を発生させ、シールフィンと回転部側である動翼シュラウドとの隙間を流れる流体の流動圧損を増大させることで、流体漏れを低減している。

特開２００３−２０１８０６号公報

従来のハイロー型ラビリンスシール装置においては、タービン非運転時と定常運転時の間に大きな温度差がある場合、静止部での熱膨張量と回転部での熱膨張量との差が発生するため、ロータ突部とシールフィンが接触し、この接触部位での温度上昇、熱膨張によりロータの円周上の一部が凸に変形する可能性がある。この場合、さらに接触が強まるとともにロータの局部熱伸びも肥大化し、最終的にラビング振動と呼ばれる過大な軸振動が発生する。ラビング振動が発生した場合、タービンの運転を停止しなくてはならない上、最悪の場合、接触部での熱応力によるひずみによりタービンロータが変形してしまうといった問題があった。

スタッガード型のコーキングシール装置は、回転部側のシールフィンと静止部とが接触した場合、シールフィンは一時的に温度上昇するが、シールフィン自体が極めて薄くかつロータ自体が高速回転しているため、蒸気の流れによりシールフィンは冷却されロータ内部への入熱は低く抑えられる。そのためハイロー型ラビリンスシール装置でみられるような、ロータへの局部的入熱による熱伸びや、ラビング振動は発生しない。しかし、回転部側のシールフィンとロータとの間隙を小さくとり過ぎた場合、今度はそのシールフィンとロータ間での接触が発生し、上述したようなロータへの局部的入熱による熱伸びや、ラビング振動が発生するという問題があった。

また、スタッガード型のコーキングシール装置においては、静止部と回転部のロータ軸方向の熱伸び差によりシールフィン同士が接触した場合、シールフィン自体が変形し、シール間隙が広がることによりシール性能が劣化してしまうという問題もあった。

ダブルストリップ型のコーキングシール装置は、静止部と回転部の熱伸び差によってロータ軸方向のずれが生じた場合でも、シールフィン同士が接触する可能性は無い。しかし、ダブルストリップ型では、対向するシールフィンの軸方向の間隔が常に一定距離に保たれていればシール性能は高いが、蒸気タービンが起動から定常運転に入るまでには静止部とロータ（回転部）間で温度差が生じ、そのため軸心方向へも熱伸び差が生じてしまう。シールフィン同士の軸方向の間隔に変化が生じた場合、このシール装置ではシール性能が大きく低下してしまうといった問題があった。

特開２００３−２０１８０６号公報に記載のシール装置は、シールフィンに設けた突き出し板に流体を衝突させて剥離渦を発生させ、流体の流動圧損を増大させることで、流体漏れを低減している。しかし、このシール装置の構成では、スタッガード型のコーキングシール装置の場合と同様、静止部と回転部のロータ軸方向の熱伸び差によりシールフィン同士が接触する可能性があり、その場合、シールフィンが破損し、事故につながるという問題がある。

本発明の目的は、蒸気漏れを防止するためタービンロータ近傍に設けられた蒸気タービンシール装置において、シールフィンとロータ或いはシールフィン同士の接触を回避し、ラビング振動の発生やシールフィンの変形を防止し、かつ静止部と回転部のロータ軸方向の熱伸び差による蒸気漏洩損失を低減し、シール性能の向上が図れる蒸気タービンシール装置を提供することにある。

上記目的を解決するために、本発明は次の構成を採用する。

まず、第１の本発明は、蒸気タービンのノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部との間からの蒸気漏れを少なくするため、前記ノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部とに配置される蒸気タービンシール装置において、前記ノズルダイヤフラム内輪側に半径方向に突出する複数の第１シールフィンを設けるとともに、前記ロータ外周部に半径方向に突出する複数の第２シールフィンを設け、前記複数の第２シールフィンに、前記ロータの回転によってロータ回転軸方向への流れを生じさせ、前記第１シールフィンと第２シールフィンとの間を漏れてくる流れを妨げる構造物を形成して、前記構造物が、前記第２シールフィンの相対する２表面について、下流側の表面より上流側の表面の方が表面粗さを細かくした構成とする。

また、第２の本発明は、蒸気タービンのノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部との間からの蒸気漏れを少なくするため、前記ノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部とに配置される蒸気タービンシール装置において、前記ノズルダイヤフラム内輪側に半径方向に突出する複数の第１シールフィンを設けるとともに、前記ロータ外周部に、半径方向に突出しかつ前記複数の第１シールフィンに対して半径方向に隙間をあけて位置する複数の第２シールフィンを設け、前記複数の第２シールフィンに、前記ロータの回転によってロータ回転軸方向への流れを生じさせ、前記第１シールフィンと第２シールフィンとの間を漏れてくる流れを妨げる構造物を形成して、前記構造物が、前記第２シールフィンの相対する２表面について、下流側の表面より上流側の表面の方が表面粗さを細かくした構成とする。

更に、上記第第２シールフィンは、好ましくは、ロータに所定の間隔で複数の溝を設け、これら複数の溝に、上記構造物を形成した複数の第２シールフィンをコーキングして固定したものである。また、上記第第２シールフィンは、複数の第２シールフィンをロータからの削り出しにより形成し、更にこの複数の第２シールフィンの削り出しにより上記構造物を作成したものであってもよい。

本発明によれば次の効果が得られる。

（１）静止部（ノズルダイヤフラム内輪側）と回転部（ロータ側）のロータ軸方向の熱伸び差による蒸気漏洩損失を低減し、シール性能の向上が図れ、その結果、タービン効率を向上できる。

（２）シールフィンとロータ或いはシールフィン同士の接触を回避し、ラビング振動の発生やシールフィンの変形を防止することができる。

（３）ダブルストリップ型の弱点である静止部と回転部のロータ軸方向の熱伸び差による蒸気漏洩損失を低減し、シール性能の向上が図れ、その結果、タービン効率を向上できる。

（４）シール装置１機当たりのシール性能が向上するので、ロータ回転軸方向に沿って配置されるシール装置数を削減できる。

（５）シール装置数を削減できるので、ロータ軸長及びケーシング部軸方向長さを短縮できる。

（６）シール装置数を削減でき、ロータ軸長及びケーシング部軸方向長さを短縮できるので、ロータ及びケーシング製作に伴う材料コスト、加工コストを削減できる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

まず、本発明の理解を容易にするため、従来の技術及びその問題点を図面を用いて説明する。

図１３は蒸気タービンの構成図である。図１３において、１０１はタービンロータ、１０２は動翼、１０３は内部ケーシング、１０４ａはノズルダイヤフラム内輪側、１０４ｂはノズルダイヤフラム外輪側、１０５は静翼を各々示す。蒸気タービンは、タービンロータ１０１の周方向に配置された動翼１０２と、内部ケーシング１０３にノズルダイヤフラム外輪側１０４ｂを介して設けられた静翼１０５とを交互に配置し、更にこの動翼１列と静翼１列とで形成されるタービン段落１段を複数段設けることにより構成されている。そして、タービン内に引き込んだ蒸気を静翼１０５にて膨張・高速化させた後、動翼１０２の部分に流入させることによりタービンロータ１０１の回転運動としている。

タービンロータ１０１と静翼１０５のノズルダイヤフラム内輪側１０４ａの間には、タービンロータ１０１の回転運動を許容するための間隙が設けられているが、この間隙は静翼１０５に流入する蒸気の漏れの原因ともなっていた。このような漏れはタービン効率低下の原因となるため、静翼１０５のノズルダイヤフラム内輪側１０４ａのタービンロータ近傍には、一般にシール装置と呼ばれる蒸気漏れを防止するための部位が設けられている。

図１４は従来のシール装置の代表例を示す構成図であり、ハイロー型のラビリンスシール装置を示す図である。図１４において、ノズルダイヤフラムノズルダイヤフラム内輪側１０４ａに複数のシールフィン１０７を備えたシール静止体１０６が嵌合固定されており、ロータ１０１の外周部に複数の凸部１０８が形成されている。シールフィン１０７はロータ突部１０８とその間の凹部底面とに半径方向の間隔を開けて対向して配置されている。このようにタービンロータ１０１と非接触構造を有するシール装置をラビリンスシールと呼んでおり、蒸気タービンにおいて広く用いられてきたシール装置である（以下、従来技術１という）。この従来技術１においては、各シールフィン１０７とタービンロータ１０１間の間隙を可能な限り微小に設定するか、若しくはシールフィン１０７を多数設け、蒸気通過距離を長くすることで、シールフィン１０７とタービンロータ１０１間の隙間から漏れ出る蒸気量を少なくし、蒸気漏洩損失低減とそれによるタービン効率向上を図っている。

しかし、従来技術１においては、タービン非運転時と定常運転時の間に大きな温度差がある場合、静止部での熱膨張量と回転部での熱膨張量との差が発生するため、ロータ突起部１０８とシールフィン１０７が流れ方向に重なり、接触してしまう可能性があった。ロータ突起部１０８とシールフィン１０７が接触した場合、タービンロータ接触部位での温度上昇、熱膨張によりロータ１０１の円周上の一部が凸に変形する。その場合、さらに接触が強まるとともにロータ１０１の局部熱伸びも肥大化し、最終的にラビング振動と呼ばれる過大な軸振動が発生する。ラビング振動が発生した場合、タービンの運転を停止しなくてはならない上、最悪の場合、接触部での熱応力によるひずみによりタービンロータ１０１が変形してしまうといった問題があった。

このような問題の解決方法として、コーキングシールと呼ばれるロータ埋め込み型シール技術がある。コーキングシールには大きく分けてスタッガード型コーキングシール（以下、従来技術２という）とダブルストリップ型コーキングシール（以下、従来技術３という）とがある。

図１５に従来技術２の代表例を示す。従来技術２では、ノズルダイヤフラム内輪側のシール静止体１０６に所定間隔で溝を設け、この溝にシールフィン１０７Ａをコーキングして固定するとともに、ロータ１０１にも所定間隔で溝を設け、この溝にシールフィン１０９をコーキングして固定し、かつシールフィン１０７Ａとシールフィン１０９をロータ軸方向にずらしかつ交互に重なり合う形で配置する。

このシール装置において、タービンロータ１０１に埋め込まれたシールフィン１０９とシール静止体１０６とが接触した場合、シールフィン１０９は一時的に温度上昇する。しかし、シールフィン自体が極めて薄く、またタービンロータ１０１自体が高速回転しているため、蒸気の流れによりシールフィン１０９は冷却されタービンロータ１０１内部への入熱は低く抑えられる。そのため従来技術１でみられるような、ロータ１０１への局部的入熱のよる熱伸びや、ラビング振動は発生しない。

しかし、従来技術２においては、静止部と回転部の軸方向の熱伸び差によりシールフィン１０７Ａとシールフィン１０９が接触した場合、シールフィン自体が変形し、シール間隙が広がることによりシール性能が劣化してしまう。また、シールフィン１０７Ａとタービンロータ１０１との間隙を小さくとりすぎた場合、今度はシールフィン１０７Ａとロータ１０１間での接触が発生し、従来技術１で見られたロータ１０１への局部的入熱による熱伸びや、ラビング振動が発生するという問題があった。

このような問題を解決するために従来技術３が提案されている。図１６に従来技術３の代表例を示す。従来技術３では、ノズルダイヤフラム内輪側のシール静止体１０６に所定間隔で溝を設け、この溝にシールフィン１０７Ａをコーキングして固定するとともに、ロータ１０１にも所定間隔で溝を設け、この溝にシールフィン１０９をコーキングして固定し、かつシールフィン１０７Ａとシールフィン１０９とを半径方向に一定間隙を設けて配置する。また、図示の例では、シールフィン１０７Ａとシールフィン１０９とではピッチ間隔を違えている。

このシール装置では、静止部と回転部の熱伸び差によって軸心方向のずれが生じた場合でも、シールフィン同士が接触する可能性は無く、更にシール性能を上げるためシールフィン枚数を増やすことも可能である。

従来技術３においては、対向するシールフィン１０７Ａ，１０９の軸方向の間隔が常に一定距離に保たれていればシール性能は高い。しかし、蒸気タービンが起動から定常運転に入るまでにはケーシング（静止部）とロータ１０１（回転部）間で温度差が生じ、そのため軸心方向へも熱伸び差が生じてしまう。シールフィン同士の軸方向の間隔に変化が生じた場合、このシール装置ではシール性能が大きく低下してしまうといった問題があった。また、軸方向の熱伸び差による性能低下を補うため、多数のシールフィンを配置するという方法もある。しかし、シールフィンがある数を超えると吹き抜けを起こしてしまうため、配置するシールフィン枚数にも限界があった。この吹き抜けとは、一つのシールフィンを通り抜けた流体が完全に熱エネルギーに散逸せずに膨張室を通り過ぎて次の膨張室に流れ込む流体の運動エネルギー、すなわち次段への運動エネルギーの持ち越し現象のことをいう。この吹き抜けの増加はシール性能を悪化させてしまう。

本発明は、上記したような問題点を解決するものでる。

図１は本発明の第１の実施例である蒸気タービンシール装置を備えた蒸気タービンの構成図を示す。図１において、１はロータ、２は動翼、３は内部ケーシング、４ａはノズルダイヤフラム内輪側、４ｂはノズルダイヤフラム外輪側、５は静翼、１０は外部ケーシング、１１は蒸気入口部位を各々示す。
蒸気タービンは、タービンロータ１の周方向に配置された動翼２と、内部ケーシング３にノズルダイヤフラム外輪側４ｂを介して設けられた静翼５とを交互に配置し、更にこの動翼１列と静翼１列とで形成されるタービン段落１段を複数段設けることにより構成されている。そして、タービン内に引き込んだ蒸気を静翼５にて膨張・高速化させた後、動翼２の部分に流入させることによりタービンロータ１の回転運動としている。

図２は図１のＡ−Ａ部詳細図であって、本発明の第１の実施例におけるシール装置の構成を示す図である。図示のものはダブルストリップ型のコーキングシール装置に本発明を適用したものである。

図２において、ノズルダイヤフラム内輪側のシール静止体６に所定間隔で複数の溝を設け、この複数の溝に複数のシールフィン７をコーキングして固定するとともに、ロータ１にも所定間隔で複数の溝を設け、この複数の溝に複数のシールフィン９をコーキングして固定し、かつシールフィン７とシールフィン９とを半径方向に一定間隙を設けて配置する。また、図示の例では、複数のシールフィン７と複数のシールフィン９とではそれぞれのロータ軸方向のピッチ間隔を違えている。

ロータ１側のシールフィン９の表面には半径方向に伸びる凹凸部１２を周方向に離散的に、所定間隔を開けて形成している。凹凸部１２の最適な個数は、漏れ速度とシールフィン９相互の間隔（ロータ軸方向の間隔）、シールフィン７とシールフィン９との間隙（ロータ軸方向及び半径方向の間隔）、及びタービンロータ１の回転数などから決定される。ここで重要なことは、凹凸部１２は周方向に離散的に設置する点である。凹凸部１２は、吹き抜け流れをかく乱する速度成分、タービンロータ１の回転軸に対し半径方向外向きの速度成分を誘起する構造であればよい。なお、図中の１３はタービン内の蒸気流れ方向、１４はタービンロータ１の回転方向を示す。

図３は図２に示すロータ１側のシールフィンの詳細図である。本実施例において、タービンロータ１の表面に埋め込まれているシールフィン９の片側の表面は、タービンロータ１の回転方向１４に対して鉛直方向に、つまり放射状に（半径方向に）、所定間隔を開けて複数の凹部１５ａ及び凸部１５ｂを交互に形成した構成となっている。凹部１５ａ及び凸部１５ｂはシールフィン９の反対側の表面では凸部及び凹部となっており、それぞれ、上記の凹凸部１２を構成している。また、その結果、シールフィン９の反対側の表面も、同様に凹部及び凸部を交互に放射状に形成した構成となっている。

以上のように形成された凹部１５ａ及び凸部１５ｂでは、タービンロータ１が回転することにより、タービンロータ１の外周部にある流体が凹部１５ａ及び凸部１５ｂのそれぞれのスロープ（傾斜部）１６により凹部１５ａの凹面部分及び凸部１５ｂの凸面部分に流れ１７となって誘導され、回転軸に対し半径方向外向きの流れ成分が形成される。この凹面部分及び凸面部分に沿う外向き半径方向成分１７が、タービンロータ１、シール静止体６、シールフィン７，９から構成されるシール構造の吹き抜け速度を減少させて、その結果、シール性能を向上させるという効果が奏される。

図４は、本実施例によるシール装置の流線の模式図である。タービンロータ１に、図３で示した凹凸部１２（凹部１５ａ、凸部１５ｂ）を形成したシールフィン９を設けることにより、ロータ回転軸に対し半径方向外向きの流れ成分１７が形成される。半径方向外向きの流れ１７は、シールフィン７前後の静圧力比Ｐ１／Ｐ２により生じた漏れ流れ１８を半径方向外向きに転向させる。これにより生じた漏れ流れ１９は、従来の漏れ流れ１８と較べて、より多くの流量が下流側のシールフィン７ｂに衝突し、より多くの流量がシールフィン７，７ｂ，９，９ｂにより形成される膨張室２０内に留まり、流れの運動エネルギーを熱エネルギーに散逸することができる。

したがって、本実施例によれば、漏れ流れ１８を半径方向外向きに転向させて、膨張室２０内に大きな運動エネルギー散逸効果を持つ三次元的、かつ非定常な渦を発生させることにより、シールフィン７とシールフィン９とを半径方向に一定間隙を設けて配置したダブルストリップ型の弱点である静止部（ノズルダイヤフラム内輪側）と回転部（ロータ側）のロータ軸方向の熱伸び差による吹き抜け量（蒸気漏洩損失）を大きく低減することができ、シール性能を向上させることができる。また、本実施例によれば、シールフィン間隔を変えずに吹き抜けを小さくできるため、シール性能をより向上させることができる。

また、シールフィン７とシールフィン９とを半径方向に一定間隙を設けて配置したダブルストリップ型であるため、確実にシールフィンとロータ或いはシールフィン同士の接触を回避し、ラビング振動の発生やシールフィンの変形を防止することができる。

また、シール装置１機当たりのシール性能が向上するので、ロータ回転軸方向に沿って配置されるシール装置数を削減できる。また、シール装置数を削減できるので、ロータ軸長及びケーシング部軸方向長さを短縮でき、その結果、ロータ及びケーシング製作に伴う材料コスト、加工コストを削減できる。

図５は本発明の第２の実施例における蒸気タービンシール装置のシールフィンの詳細を示す図である。図示のものもダブルストリップ型のコーキングシール装置に本発明を適用したものである。なお、以下の説明において第１の実施例と同等の部材には同一の符号を付し、その部分の説明を省略する。

本実施例において、タービンロータ１の表面に埋め込まれているシールフィン９の片側（図示の例では上流側）の表面は、タービンロータ１の半径から円周方向へと湾曲する翼形状を持つ複数の翼部２１を所定間隔を開けて形成した構成となっている。

以上のように形成された翼部２１では、タービンロータ１が回転することにより、タービンロータ１の外周部にある流体が、翼部２１の翼形状に沿った流れ１７となって誘導され、回転軸に対し半径方向外向きの流れ成分が形成される。この翼形状に沿う半径方向外向きの流れ成分１７が、タービンロータ１、シール静止体６、シールフィン７，９から構成されるシール構造の吹き抜け速度を減少させて、その結果、シール性能を向上されるという効果が奏される。

図６は、本実施例によるシール装置の流線の模式図である。タービンロータ１に、図５で示した翼部２１を数するシールフィン９を設けることにより、ロータ回転軸に対し半径方向外向きの流れ成分１７が形成される。半径方向外向きの流れ１７は、シールフィン７前後の静圧力比Ｐ１／Ｐ２により生じた漏れ流れ１８を半径方向外向きに転向させる。これにより生じた漏れ流れ１９は、従来の漏れ流れ１８と較べて、より多くの流量が下流側のシールフィン７ｂに衝突し、より多くの流量がシールフィン７，７ｂ，９，９ｂにより形成される膨張室２０内に留まり、流れの運動エネルギーを熱エネルギーに散逸することができる。

したがって、本実施例によれば、漏れ流れ１８を半径方向外向きに転向させて、膨張室２０内に大きな運動エネルギー散逸効果を持つ三次元的、かつ非定常な渦を発生させることにより、シールフィン７とシールフィン９とを半径方向に一定間隙を設けて配置したダブルストリップ型の弱点である静止部（ノズルダイヤフラム内輪側）と回転部（ロータ側）のロータ軸方向の熱伸び差による吹き抜け量（蒸気漏洩損失）を大きく低減することができ、シール性能を向上させることができる。また本実施例によれば、シールフィン間隔を変えずに吹き抜けを小さくできるため、シール性能をより向上させることができる。

また、確実にシールフィンとロータ或いはシールフィン同士の接触を回避し、ラビング振動の発生やシールフィンの変形を防止することができるなど、実施例１と同様の効果が得られる。

図７は本発明の第３の実施例にける蒸気タービンシール装置のシールフィンの詳細を示す図である。図示のものもダブルストリップ型のコーキングシール装置に本発明を適用したものである。なお、以下の説明において第１の実施例と同等の部材には同一の符号を付し、その部分の説明を省略する。

本実施例において、タービンロータ１の表面に埋め込まれているシールフィン９の片側（図示の例では上流側）の表面は、タービンロータ１の回転方向１４に対して鉛直方向に、つまり放射状（半径方向）に、溝部２２を形成した構成となっている。本実施例では、溝部２２はシールフィン素材の打ち出しにより形成されている。その結果、シールフィン９の反対側の表面では溝部２２に対応した位置に半径方向に伸びる放射状の凸部２２ａが形成されている。

以上のように形成された溝部２２では、タービンロータ１が回転することにより、タービンロータ１の外周部にある流体が溝部２２のスロープ（傾斜部）１６により溝内部に流れ１７となって誘導され、回転軸に対し半径方向外向きの流れ成分が形成される。この溝内部に沿う半径方向外向きの流れ成分１７が、タービンロータ１、シール静止体６、シールフィン７，９から構成されるシール構造の吹き抜け速度を減少させて、その結果、シール性能を向上されるという効果が奏される。シールフィン９の反対側の表面に形成された凸部２２ａについても同様である。

図８は、本実施例によるシール装置の流線の模式図である。タービンロータ１に、図７で示した溝部２２及び凸部２２ａを形成したシールフィン９を設けることにより、ロータ回転軸に対し半径方向外向きの流れ成分１７が形成される。半径方向外向きの流れ１７は、シールフィン７前後の静圧力比Ｐ１／Ｐ２により生じた漏れ流れ１８を半径方向外向きに転向させる。これにより生じた漏れ流れ１９は、従来の漏れ流れ１８と較べて、より多くの流量が下流側のシールフィン７ｂに衝突し、より多くの流量がシールフィン７，７ｂ，９，９ｂにより形成される膨張室２０内に留まり、流れの運動エネルギーを熱エネルギーに散逸することができる。

したがって、本実施例によれば、漏れ流れ１８を半径方向外向きに転向させて、膨張室２０内に大きな運動エネルギー散逸効果を持つ三次元的、かつ非定常な渦を発生させることにより、シールフィン７とシールフィン９とを半径方向に一定間隙を設けて配置したダブルストリップ型の弱点である静止部（ノズルダイヤフラム内輪側）と回転部（ロータ側）のロータ軸方向の熱伸び差による吹き抜け量（蒸気漏洩損失）を大きく低減することができ、シール性能を向上させることができる。また本実施例によれば、シールフィン間隔を変えずに吹き抜けを小さくできるため、シール性能をより向上させることができる。

また、確実にシールフィンとロータ或いはシールフィン同士の接触を回避し、ラビング振動の発生やシールフィンの変形を防止することができるなど、実施例１と同様の効果が得られる。

図９は本発明の第４の実施例における蒸気タービンシール装置のシールフィンの詳細を示す図である。図示のものもダブルストリップ型のコーキングシール装置に本発明を適用したものである。なお、以下の説明において第１の実施例と同等の部材には同一の符号を付し、その部分の説明を省略する。

本実施例において、タービンロータ１の表面に埋め込まれているシールフィン９の片側（図示の例では上流側）の表面２３ａに半径方向に伸びる放射状の溝部２２を設け、シールフィン９の反対側の表面２３ｂの溝部２２に対応した位置に半径方向に伸びる放射状の凸部２２ａを形成している。また、シールフィン９の表面粗さが、シールフィン７，９の半径方向の隙間を漏れてくる蒸気流れに対して上流側に位置するシールフィン９の表面２３ａの表面粗さが、下流側に位置するシールフィン９の表面２３ｂの表面粗さに対して、より細かくなる構成となっている。つまり、シールフィン９の上流側の表面２３ａは、細かな表面加工を施したシールフィン表面であり、下流側（反対側）の表面２３ｂは、粗い表面加工を施したシールフィン表面である。

以上のように形成された溝部２２及び凸部２２ａと表面粗さの異なる構成では、タービンロータ１が回転することにより、タービンロータ１の外周部にある流体が流れ１７となって誘導され、回転軸に対し半径方向外向きの流れ成分が形成される。また、その流速は、表面粗さが粗い下流側表面２３ｂでは、表面粗さが細かい上流側表面２３ａに較べ大きくなる。この半径方向外向きの流速の違いは、タービンロータ１、シール静止体６、シールフィン７，９から構成されるシール構造の吹き抜け流れと逆方向の流れとなって誘起され、その結果、前記流れ速度を減少させてシール性能を向上されるという効果が奏される。

図１０は、本実施例によるシール装置の流線の模式図である。タービンロータ１に、図９で示した溝部２２及び表面２３ａ，２３ｂの異なる表面粗さを形成したシールフィン９を設けることにより、ロータ回転軸に対し半径方向外向きの流れ成分２４ａ，２４ｂが形成される。半径方向外向きの流れ２４ａ，２４ｂは、シールフィン７前後の静圧力比Ｐ１／Ｐ２により生じた漏れ流れ１８に対し、反対方向の軸方向流れ２５を生じさせる。これにより、より多くの流量がシールフィン７，７ｂ，９，９ｂにより形成される膨張室２０内に留まり、流れの運動エネルギーを熱エネルギーに散逸することができる。

したがって、本実施例によれば、漏れ流れ１８に対して軸方向反対側に流れを転向させることにより、シールフィン７とシールフィン９とを半径方向に一定間隙を設けて配置したダブルストリップ型の弱点である静止部（ノズルダイヤフラム内輪側）と回転部（ロータ側）のロータ軸方向の熱伸び差による吹き抜け量（蒸気漏洩損失）を大きく低減することができ、シール性能を向上させることができる。また本実施例によれば、シールフィン間隔を変えずに吹き抜けを小さくできるため、シール性能をより向上させることができる。

また、確実にシールフィンとロータ或いはシールフィン同士の接触を回避し、ラビング振動の発生やシールフィンの変形を防止することができるなど、実施例１と同様の効果が得られる。

図１１は本発明の第５の実施例における蒸気タービンシール装置のシールフィンの詳細を示す図である。図示のものもダブルストリップ型のコーキングシール装置に本発明を適用したものである。なお、以下の説明において第１の実施例と同等の部材には同一の符号を付し、その部分の説明を省略する。

本実施例において、タービンロータ１の表面に埋め込まれているシールフィン９に半径方向の切り欠き部２６を放射状に複数個設けるとともに、その切り欠き部２６の相対する縁部の一方或いは両方をロータ軸方向に押し広げ、その間に間隙を持たせた構成となっている。

以上のように形成されたシールフィン９では、タービンロータ１が回転することにより、タービンロータ１、シール静止体６、シールフィン７，９から構成されるシール構造の吹き抜け流れと逆方向の流がれ２７が誘起され、その結果、前記流れ速度を減少させてシール性能を向上されるという効果が奏される。

図１２は、本実施例によるシール装置の流線の模式図である。タービンロータ１に、図１１で示した切り欠き部２６を有するシールフィン９を設けることにより、タービンロータ１が回転することによって、シールフィン７前後の静圧力比Ｐ１／Ｐ２により生じた漏れ流れ１８に対して軸方向反対側の流れ２５を生じさせる。これにより、より多くの流量がシールフィン７，７ｂ，９，９ｂにより形成される膨張室２０内に留まり、流れの運動エネルギーを熱エネルギーに散逸することができる。

したがって、本実施例によれば、漏れ流れ１８に対して軸方向反対側に流れを転向させることにより、シールフィン７とシールフィン９とを半径方向に一定間隙を設けて配置したダブルストリップ型の弱点である静止部（ノズルダイヤフラム内輪側）と回転部（ロータ側）のロータ軸方向の熱伸び差による吹き抜け量（蒸気漏洩損失）を大きく低減することができ、シール性能を向上させることができる。また本実施例によれば、シールフィン間隔を変えずに吹き抜けを小さくできるため、シール性能をより向上させることができる。

また、確実にシールフィンとロータ或いはシールフィン同士の接触を回避し、ラビング振動の発生やシールフィンの変形を防止することができるなど、実施例１と同様の効果が得られる。

なお、以上の実施例は、本発明をシールフィン７とシールフィン９とを半径方向に一定間隙を設けて配置したダブルストリップ型のシール装置に適用した場合のものであるが、静止部側のシールフィンと回転部側のシールフィンをロータ軸方向にずらしかつ交互に重なり合う形で配置したスタッガード型のシール装置に本発明を適用してもよい。この場合も、回転部側のシールフィンを上記実施例１〜５のような構成とし、ロータの回転によってロータ半径方向外向きの流れ或いはロータ回転軸方向への流れを生じさせ、シールフィン間を漏れてくる流れを妨げることにより、静止部（ノズルダイヤフラム内輪側）と回転部（ロータ側）のロータ軸方向の熱伸び差による蒸気漏洩損失を低減し、シール性能の向上が図れる。また、このようにシール性能の向上が図れるため、シールフィンとロータとの間隙或いはシールフィン同士の間隙を従来より長い距離にすることができ、これによりシールフィンとロータ或いはシールフィン同士の接触を回避し、ラビング振動の発生やシールフィンの変形を防止することができる。

本発明のシール装置を備えた蒸気タービンの構成を示す図である。 本発明の第１の実施例におけるシール装置の構成を示す図である。 ロータ側のシールフィンの詳細図である。 本発明の第１の実施例によるシール装置の流線の模式図である。 本発明の第２の実施例における蒸気タービンシール装置のシールフィンの詳細を示す図である。 本発明の第２の実施例によるシール装置の流線の模式図である。 本発明の第３の実施例における蒸気タービンシール装置のシールフィンの詳細を示す図である。 本発明の第３の実施例によるシール装置の流線の模式図である。 本発明の第４の実施例における蒸気タービンシール装置のシールフィンの詳細を示す図である。 本発明の第４の実施例によるシール装置の流線の模式図である。 本発明の第５の実施例における蒸気タービンシール装置のシールフィンの詳細を示す図である。 本発明の第５の実施例によるシール装置の流線の模式図である。 従来の蒸気タービンの構成を示す図である。 従来のシール装置であってハイロー型のラビリンスシール装置を示す図である。 従来の他のシール装置であってスタッガード型のコーキングシール装置を示す図である。 従来の更に他のシール装置であってダブルストリップ型のコーキングシール装置を示す図である。

符号の説明

１…ロータ
２…動翼
３…内部ケーシング
４ａ…ノズルダイヤフラム内輪側
４ｂ…ノズルダイヤフラム外輪側
５…静翼
６…シール静止体
７…シールフィン
９…シールフィン
１０…外部ケーシング
１１…蒸気入口部位
１２…シールフィン凹凸部
１３…蒸気流れ方向
１４…タービンロータ回転方向
１５ａ…シールフィン凹部
１５ｂ…シールフィン凸部
１６…スロープ
１７…半径方向外向き流れ
１８…吹き抜け流れ
１９…漏れ流れ
２０…膨張室
２１…翼部
２２…溝部
２３ａ…細表面加工シールフィン表面
２３ｂ…粗表面加工シールフィン表面
２４ａ，２４ｂ…半径方向外向き流れ
２５…軸流方向流れ
２６…シールフィン切り欠き部
２７…軸流方向流れ

Claims (4)

1. 蒸気タービンのノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部との間からの蒸気漏れを少なくするため、前記ノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部とに配置される蒸気タービンシール装置において、
   前記ノズルダイヤフラム内輪側に半径方向に突出する複数の第１シールフィンを設けるとともに、前記ロータ外周部に半径方向に突出する複数の第２シールフィンを設け、
   前記複数の第２シールフィンに、前記ロータの回転によってロータ回転軸方向への流れを生じさせ、前記第１シールフィンと第２シールフィンとの間を漏れてくる流れを妨げる構造物を形成して、
   前記構造物が、前記第２シールフィンの相対する２表面について、下流側の表面より上流側の表面の方が表面粗さを細かくした構成であることを特徴とする蒸気タービンシール装置。
2. 蒸気タービンのノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部との間からの蒸気漏れを少なくするため、前記ノズルダイヤフラム内輪側とロータ外周部とに配置される蒸気タービンシール装置において、
   前記ノズルダイヤフラム内輪側に半径方向に突出する複数の第１シールフィンを設けるとともに、前記ロータ外周部に、半径方向に突出しかつ前記複数の第１シールフィンに対して半径方向に隙間をあけて位置する複数の第２シールフィンを設け、
   前記複数の第２シールフィンに、前記ロータの回転によってロータ回転軸方向への流れを生じさせ、前記第１シールフィンと第２シールフィンとの間を漏れてくる流れを妨げる構造物を形成して、
   前記構造物が、前記第２シールフィンの相対する２表面について、下流側の表面より上流側の表面の方が表面粗さを細かくした構成であることを特徴とする蒸気タービンシール装置。
3. 請求項１又は２に記載の蒸気タービンシール装置において、前記ロータに所定の間隔で複数の溝を設け、これら複数の溝に、前記構造物を形成した複数の第２シールフィンをコーキングして固定したことを特徴とする蒸気タービンシール装置。
4. 請求項１又は２に記載の蒸気タービンシール装置において、前記複数の第２シールフィンをロータからの削り出しにより形成し、更にこの複数の第２シールフィンの削り出しにより前記構造物を作成したことを特徴とする蒸気タービンシール装置。

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