JPH11148308A - 軸流タービンのためのシュラウドバンド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 ターボ機械の円錐状の輪郭５１を備えた
ステータ８と回転羽根との間の隙間をシールするための
装置では、回転羽根Ｌａ３がその羽根端部に環状のシュ
ラウド板１６を備えている。このシュラウド板はステー
タ内のキャビティ内へ突入しており、かつ半径方向隙間
を形成しつつ、シールストリップ１７を備えたステータ
と対向してシールを生じる。ラビリンス入口４０ではキ
ャビティがその半径方向の広がりにおいて、互いに軸方
向にオフセットした少なくとも２つのキャビティに分割
されている。シュラウド板１６が段状に形成されてお
り、かつステータと対向して少なくとも２つの絞り箇所
を形成している。 【効果】 シールが新しい場合には小さな隙間しか生じ
ない。その上、隙間流れが主流内へ良好に導入される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はターボ機械の、円錐
状の輪郭を備えたステータと回転羽根との間の隙間をシ
ールするための装置であって、回転羽根が羽根端部に環
状のシュラウド板を備えており、このシュラウド板が、
ステータ内のキャビティ内へ突入しており、かつ半径方
向の隙間を形成しつつ、シールストリップを備えたステ
ータと対向してシールを形成している形式のものに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】この種の装置は公知である。この装置は
半径方向隙間だけを備えたなめらかな又は段付きのハー
フラビリンスを形成している。この種のシールは本明細
書に添付された図２に示されている。

【０００３】この種の隙間シールは効率が良くかつ信頼
性が大きいため復水蒸気タービンの最後から二番目の段
の回転羽根でも使用される。この場合、機械的な要求は
周速度が極めて高く４５０ｍ／ｓｅｃ、他面において熱
的条件がほぼ９０℃であるのが相当である。問題なのは
ジオメトリに関する要求である。要するに、一面におい
てはケーシング壁内の公知シール装置の深すぎるキャビ
ティを生じるほど円錐度が強すぎること、他面において
は上述のハーフラビリンスを備えたキャビティの広すぎ
る幅を生じるほどロータとケーシングとの間の膨張差が
大きいことが問題である。

【０００４】−シールの入口領域内にその際形成される
大きなキャビティは、羽根通路内の主流と流れ材料（fl
ow material）との側方向交換（ｃｒｏｓｓ ｅｘｃｈ
ａｎｇｅ）を生じるという不都合を招く。この側方向交
換は羽根リーディングエッジを含む平面内における２つ
の隣合う羽根の間の圧力差の極めて大きな変動により促
進される。さらに、この領域内では主流とシュラウドバ
ンドの側壁とによって強い渦が活発となる。

【０００５】−ケーシングに備えられていて、回転する
シュラウドバンドに対向してシールを形成するシールス
トリップを備えたハーフラビリンスの有効性はわずかで
ある。このことは、あらかじめ与えられた条件において
運転隙間が自由なチャンバ高さのほぼ１／３の大きさを
有しなければならないことに起因する。それゆえ、複数
のシールストリップを設けても、１つだけの場合に比し
て著しくは効果的でない。

【０００６】−最後に、シールの出口領域内の大きなキ
ャビティも羽根通路内の主流との不所望な側方向の交換
を許容する。その理由は、この場合も２つの隣合う羽根
先端の間の圧力差が大きな変動を受けるからである。そ
の上この領域内では、主流の案内が完全に失われる。

【０００７】−さらに、このシールでは、外側に位置す
るシールストリップの後方に形成される大きな渦室が出
口側の隙間流れの大きな散逸を生じる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記問題点に対処すべ
く本発明の課題とするところは、新しいシュラウドバン
ドジオメトリを有する冒頭に記載した形式の羽根におい
て、すべての周辺条件を満足させることで効率の改善を
もたらすシールを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題は本発明によれ
ば、請求項１に記載したように、ラビリンス入口のとこ
ろではキャビティがその半径方向の広がりにおいて、互
いに軸方向にオフセットした少なくとも２つのキャビテ
ィに分割されており、かつ、シュラウド板が段状に形成
されていると共にステータに対向して少なくとも２つの
絞り箇所を形成しており、その場合、シールストリップ
が渦室を閉鎖しつつそれぞれ１つの段部へ作用している
ことにより解決される。

【００１０】

【発明の効果】本発明の利点は特に、シールが新しい場
合には小さな隙間しか生じないことにある。その上、隙
間流れが主流内へ良好に導入される。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、軸流式復水蒸気タービンの
最後から二番目の段について本発明の１実施例を図面に
示して説明する。

【００１２】図面には本発明の理解のために重要なエレ
メントだけが示されている。作動媒体の流れ方向は矢印
で示されている。

【００１３】図１によれば、低圧羽根配列のそれぞれ１
つの案内羽根列Ｌｅと１つの回転羽根列Ｌａとから成る
中間の３つの段が示されている。この場合、案内羽根Ｌ
ｅ３と回転羽根Ｌａ３とから成る段は最後から二番目の
段に相応している。基部２１でロータ９の旋削部内に挿
入された回転羽根Ｌａはその羽根端部にシュラウド板１
６を備えている。このシュラウド板の半径方向外側の輪
郭は回転羽根列ごとにジオメトリ的に種々異なって段付
けされている。これらのシュラウド板はそれらの段部
で、ステータ９内に適当な形式で配置されたシールスト
リップ１７と対向してラビリンスシール１５を形成しつ
つシールを生じている。基部１３によりステータ８の旋
削部内に挿入された案内羽根Ｌｅはその羽根端部にシュ
ラウド板２０を備えている。これらのシュラウド板はロ
ータ９に適当形式で配置されたシールストリップと対向
してラビリンスシール１９を形成しつつシールを生じて
いる。

【００１４】通流される通路５０は出発位置として、ス
テータ８のところで円錐状に延びる外輪郭５１と、ロー
タ９のところで円筒状に延びる内輪郭１１とを有してい
る。しかし、しかし、これらのことは必ずしも必要でな
い。壁の実際の延びに無関係に、いかなる場合でも、回
転羽根ブレードの領域内の流れを制限する外輪郭１０
は、回転羽根Ｌａの、通路に面したシュラウド板１６に
よって形成される。シュラウド板１６，２０のすぐ上流
にはラビリンス入口４０を成す軸方向隙間１８が存在し
ている。これらのシュラウド板１６，２０のすぐ下流に
はラビリンス出口４２を成す軸方向隙間２６が存在して
いる。一般に、前述の流れ隙間は他面において羽根配列
が存在しない平面内への流れの案内を受け持つステータ
部分によって制限されている。

【００１５】図２には、冒頭に記載した公知技術に対応
する、回転羽根列Ｌａ３のシュラウド板シールが示され
ている。このシュラウド板シールは、主として全羽根幅
にわたり延びるシュラウド板１６Ａから成っており、こ
のシュラウド板は、その外周とステータ８Ａ内でかしめ
固定された４つのシールストリップ１７Ａとによって、
純粋に半径方向の隙間を備えたハーフラビリンスを形成
している。大容積を有するラビリンス入口４０Ａと、不
利に形成されたラビリンス出口４２Ａとが見られる。ブ
リード内へ開口する場合の通路壁が符号５４により図示
されている。

【００１６】図３が示すように、本発明によればシュラ
ウドバンドのジオメトリ並びにステータ内のその埋込み
が３重に改善される。

【００１７】流れ材料の側方向交換及び渦の強さを軽減
するために、ラビリンス入口のところで半径方向に向い
た１つのキャビティがその半径方向の延びにおいて、互
いに軸方向にオフセットした２つのキャビティに分割さ
れており、要するに、例えばジグザク形状に形成されて
いる。このことのために、ステータの旋削部の輪郭は、
まず材料の内部へ延び、次いで、キャビティ内に突入し
た鋸歯状突起部４１を形成しつつ軸方向で外側へ延びて
いる。この輪郭に相応してシュラウド板１６が形成され
る。シュラウド板は鋸歯状突起部の形状に適合したリセ
ス４３を備えている。リセスの軸方向に延びる部分の直
径は、組立時及び運転中にシュラウド板とステータとが
接触しないように寸法決めされている。図２との比較に
おいて、運転位置でステータとシュラウド板との間の著
しく小さな流れ隙間１８が調整されることが示されてい
る。これに応じて、隙間質量流れは本発明の手段により
著しく減少する。

【００１８】さらに、公知のハーフラビリンスがフルラ
ビリンスに置換えられている。このことのために、シュ
ラウド板の外周が段付けされており、かつたった２つの
絞り箇所を備えている。ステータ内にかしめ固定されて
いてそれぞれ１つの段部上で作用する２つのシールスト
リップ１７が、良好に機能する渦室２２を制限してい
る。絞り箇所が半径方向でオフセットしていることによ
って、これらの絞り箇所は互いに影響しない。このフル
ラビリンスによって、隙間質量流れのさらなる削減が得
られる。

【００１９】主流内へのラビリンス質量流れの再流入の
改善のために第３の手段が役立てられる。このことのた
めに、ラビリンス出口４２のところではキャビティが半
径方向で許容される最低寸法まで縮小されている。隙間
流れはただちに、一般のキャビティに対比して外向きに
屈曲したステータ壁によって受け取られる。このことに
より、流れ材料の有害な側方向交換が著しく軽減され、
かつ高エネルギッシュな隙間流れの不要な散逸が著しく
回避される。その上さらに、ステータ壁が屈曲している
ことにより、主流のトータル圧力プロフィールが有利に
影響される。

【００２０】このことのために、通路５０の流れ制限壁
は直に回転羽根Ｌａ３の出口に屈曲角Ａを有している。
この屈曲角は、回転羽根からの流出媒体流がトータル圧
力及び流出角に関して均一化されるような大きさで形成
されている。図示の例ではこのことは、図示の屈曲角Ａ
がプラスとして規定されることを意味している。屈曲し
た壁部分は半径方向外向きに延びており、要するにこの
壁部分は図示されていない機械軸線から離反する方向に
向いている。この構成により、スペーシングに依存した
圧力場により誘発されて羽根の特別敏感な吸込側におけ
る剥離の原因となる、流れ材料の側方向交換が減少す
る。

【００２１】屈曲角の選択は次の事項を考慮して行われ
る。すなわち、回転羽根の出口には円筒部におけるスワ
ールに起因する拡散する流れが存在する。流れは少なく
とも半径方向外側区域内では半径方向内側のロータ区域
内に比して著しく高いエネルギを有しており、このこと
が、半径方向外側区域内で著しく高いトータル圧力の形
で現れる。屈曲角のアイデアは、羽根全高にわたるトー
タル圧力及び流出媒体流の非均一性を可能な限りわずか
にすることにある。半径方向の平衡のための等式が教え
るところは、このことが第１に流線の子午線曲率を介し
て得られることにある。要するにこのことは屈曲角の適
合により一次的に影響されなければならない。通路の円
錐状の輪郭に対する適当な屈曲角Ａがいかなる場合でも
外向きに開いている場合にのみ、外側の流れ制限壁にお
ける均一なトータル圧力分布が得られる。その場合、こ
の領域内に所望のトータル圧力軽減が得られる。

【００２２】この屈曲角のアイデアの完全な実現は、あ
る程度の領域にわたる流れのスムーズな案内を前提とす
る。このことは、羽根スペーシングにより分割された、
回転羽根出口と案内羽根入口との間の間隔の半分に相応
する距離内で、羽根の回転に由来する流れ非均一性が徐
々に失われるという認識から行われる。

【００２３】有利には、さらに下流で図示されていない
次の段の少なくともほぼ案内羽根の入口領域内で壁が半
径方向内向きの屈曲角Ｂを備える。

【００２４】下流に位置する案内羽根の基部領域内でこ
の屈曲角Ｂを備えた壁は、対向屈曲角に続いて再び半径
方向に内側へ延びており、その結果、案内羽根基部とこ
れに続く回転羽根シュラウド板との間で軸方向隙間１８
により中断されている合成された流れ制限壁は、この流
れ制限壁に続く段の少なくともほぼ回転羽根入口の平面
内に、元の直線的な通路輪郭と共通の１つの点Ｐを有し
ている。この事情は図３において、キャビティの上流に
位置する壁と、それの手前に位置する案内羽根基部の、
場合により流れ制限部分であることのできる壁とによっ
て図示されている。

【００２５】上流の壁における対向屈曲角は下流のラビ
リンスを介してマイナス圧力を上昇せしめ、もしくはプ
ラス圧力を降下せしめ、このことが隙間質量流れのさら
なる減少をもたらす。

【００２６】次に説明する実施例では図３でと同じ機能
を有するエレメントは同じ記号で示される。

【００２７】図４に示す解決手段では、シュラウドバン
ドが図２及び図３における円錐度と同じほぼ２５°の円
錐度を有している。ラビリンス入口ではキャビティがそ
の半径方向の延びにおいて、軸方向で互いにオフセット
した３つのキャビティ４０ａ，４０ｂ，４０ｃに分割さ
れている。ラビリンス出口には、ステータ内にかしめら
れた３つのシールストリップ１７が配置されている。

【００２８】主流内へのラビリンス質量流れの再流入を
改善するために、この場合も、ラビリンス出口４２のと
ころのキャビティが最後のシールストリップ１７の直後
で半径方向で許容される最小値まで減少している。一般
に、この最小値は前方のキャビティ内でも生じる。この
ことのためにシュラウド板１６が段状に形成されてい
る。その第１の部分でほぼ水平に延びていて次いで湾曲
しているシールストリップ５２によって個々のキャビテ
ィがシールされる。これらのシールストリップ５２は有
利にはその水平に延びる部分で、軸方向に延びるケーシ
ング部分内へかしめ固定されている。その他の固定形式
及びジオメトリも可能であるのはもちろんである。

【００２９】図４はシュラウド板を通常運転位置で示
す。前方のシールストリップ５２は水平に向いたシュラ
ウド板段部のフロントエッジに作用している。後方のシ
ールストリップ１７は水平に向いた最後のシュラウド板
段部に作用している。

【００３０】図５には若干縮小寸法でシュラウド板がそ
の両極端位置で、要するに機械の始動時及び停止時に生
じる一時的な位置で示されている。これから分かるよう
に、一点鎖線で示す位置ではシールストリップ５２は軸
方向に向いた段部と半径方向に向いた段部との交点でシ
ュラウド板に係合している。特にこのことを容易にする
ために、半径方向の段部が流れ方向に対して斜めに形成
されている。その上、シールストリップの湾曲は、シュ
ラウド板がさらに極端な位置を占めるような場合に問題
なく逃げることを許容する。この位置ではさらに最前端
のシールストリップ１７が、水平に向いた後方のシュラ
ウド板部分と対向してしてシールを生じる。破線で示す
位置では、シールストリップ５２はもはやシュラウド板
に係合しない。この場合には最後のシールストリップ１
７がシールを生じ、かつこれにより、コントロールされ
ない作動媒体が隙間４２を通って流れるのを阻止する。

【００３１】図６は蒸気タービンの低圧部分のフロント
段内で使用されるような、わずかにほぼ１０°の円錐度
を有するシュラウド板における解決手段を示す。キャビ
ティはこの場合２つの部分キャビティ４０ａ，４０ｃに
分割されている。これらの部分キャビティは、それらの
第１の部分内で、ほぼ水平に延びていて次いで湾曲した
１つのシールストリップ５２によって分割されている。
このシールストリップは１回段付けされたシュラウド板
１６へ作用している。他のシールストリップ１７は、極
端な位置でもシールストリップ５２又はシールストリッ
プ１７の少なくとも１つが作用するように配置されてい
る。

【００３２】最後に図７は、蒸気タービンの後方の低圧
段で使用されるような、ほぼ４５°の円錐度を有するシ
ュラウド板における新しい解決手段を示す。これから分
かるように、この種の極端な通路開口でも図７にもとづ
く解決手段が問題なく援用される。その上、この解決手
段は、上述の半径方向で内側に向いていてそれ自体は流
れ技術的に有害な、入口の屈曲角Ｂが回避されるという
利点を有している。要するにこの場合、シュラウドバン
ド輪郭はグローバルに与えられた通路輪郭に相応してい
る。

【００３３】これまで図示しかつ記載したすべての解決
手段が公知技術に対比して有する利点は、段付け及び特
に傾斜して延びる半径方向部分が設けられていることに
より、著しく長いシール長さが供用されることにある。
その上、少なくとも図４、図６及び図７にもとづくシュ
ラウド板はわずかなシュラウド板質量を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】シュラウド板を備えた低圧蒸気タービンの部分
縦断面図である。

【図２】公知技術にもとづくシュラウド板シールを備え
た最後から二番目の段の回転羽根先端の部分縦断面図で
ある。

【図３】本発明の１実施例にもとづくシュラウド板シー
ルを備えた最後から二番目の段の回転羽根先端の部分縦
断面図である。

【図４】本発明の別の実施例にもとづくシュラウド板を
備えた最後から二番目の段の回転羽根の部分縦断面図で
ある。

【図５】図４に示すシュラウド板を両極端位置で示す図
である。

【図６】本発明のさらに別の実施例のシュラウド板を備
えた弱い円錐度を有する段の回転羽根先端の部分縦断面
図である。

【図７】本発明のさらに別の実施例のシュラウド板を備
えた強い円錐度を有する段の回転羽根先端の部分縦断面
図である。

【符号の説明】

８ ステータ、 ９ ロータ、 １０ ステータ側の流
れ制限壁、 １１ ロータ側の流れ制限壁、 １３ 案
内羽根の基部、 １５ 回転羽根のラビリンス、 １６
回転羽根のシュラウド板、 １７ シールストリッ
プ、 １８ 軸方向隙間、 １９ 案内羽根のラビリン
ス、 ２０ 案内羽根のシュラウド板、２１ 回転羽根
の基板、 ２２ 渦室、 ４０ ラビリンス入口、 ４
０ａ，４０ｂ，４０ｃ キャビティ、 ４１ 鋸歯状突
起、 ４２ ラビリンス出口、４３ リセス、 ５０
通路、 ５１ 外側の通路輪郭、 ５２ 水平なシール
ストリップ、 ５４ ブリード時の通路輪郭、 Ａ 回
転羽根の後方の外向きの屈曲角、 Ｂ 回転羽根の前方
の外向きの屈曲角、 Ｌａ．Ｌａ３ 回転羽根、Ｌｅ，
Ｌｅ３ 案内羽根、 Ｐ 直な外側通路輪郭

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ターボ機械の、円錐状の輪郭（５１）を
   備えたステータ（８）と回転羽根との間の隙間をシール
   するための装置であって、回転羽根（Ｌａ３）が羽根端
   部に環状のシュラウド板（１６）を備えており、このシ
   ュラウド板が、ステータ内のキャビティ内へ突入してお
   り、かつ半径方向の隙間を形成しつつ、シールストリッ
   プ（１７）を備えたステータと対向してシールを形成し
   ている形式のものにおいて、ラビリンス入口（４０）の
   ところではキャビティがその半径方向の広がりにおい
   て、互いに軸方向にオフセットした少なくとも２つのキ
   ャビティに分割されており、かつ、シュラウド板（１
   ６）が段状に形成されていると共にステータに対向して
   少なくとも２つの絞り箇所を形成しており、その場合、
   シールストリップ（１７）が渦室（２２）を閉鎖しつつ
   それぞれ１つの段部へ作用していることを特徴とする軸
   流タービンのためのシュラウドバンド。
2. 【請求項２】 ラビリンス入口（４０）のところではス
   テータ（８）内のキャビティの輪郭がまず材料内部へ延
   びており、次いでキャビティ内へ突入した鋸歯状突起
   （４１）を形成しつつ軸方向で外方へ向けられており、
   かつ、シュラウド板（１６）がこの鋸歯状突起（４１）
   の形状に適合するリセス（４３）を備えている請求項１
   記載の装置。
3. 【請求項３】 シュラウド板（１６）が段状に形成され
   ており、その場合、それぞれの段部に、ほぼ水平に延び
   ていて湾曲した少なくとも１つのシールストリップ（５
   ２）が作用している請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】 シュラウド板段部の半径方向外向きの面
   が流れ方向に対して斜めに形成されている請求項３記載
   の装置。
5. 【請求項５】 キャビティ（４２）がラビリンス出口の
   ところでは、最小値を有する狭い隙間の形成のために半
   径方向に縮小されている請求項１記載の装置。
6. 【請求項６】 シュラウド板の内側の流れ制限壁が、直
   に羽根ブレードのトレーリングエッジのところで半径方
   向外側へ向いた屈曲角（Ａ）を有している請求項１記載
   の装置。
7. 【請求項７】 通路（５０）の流れ制限壁が、直にラビ
   リンス入口（４０）のところで半径方向で内側へ向いた
   屈曲角（Ｂ）を有している請求項１記載の装置。