JPS6350607A - ラビリンスシ−ル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野〉 本発明は蒸気タービンのロータ周囲に生起する蒸気の旋
回流によりロータの不安定現象が生じるのを抑制するの
に好適なラビリンスシール装置に関する。

（従来の技術） 軸流ターボ成域の代表的な地位を占める蒸気タービンは
第６図に示すように、動翼と静翼とからなる多数の段落
をロータの軸方向に配して構成される。

すなわち、図において符号１は蒸気タービンの回転体の
中心的な要素であるロータを示しており、このロータ１
は両端を軸受２によって回転自在に支承されており、こ
の軸受２の間に位置するロータ１の軸方向に沿って多数
の動翼３がディスク４を介して設けられ、さらにこれら
の動翼３は円周方向にシュラウド５により連結されてい
る。

一方、符号６は上記した回転体の周囲にあって高温、高
圧の蒸気をその内部に閉じ込めてあくためのケーシング
であり、このケーシング６の内面からロータ１に向かっ
て延在する多数の静翼７がノズルダイアフラム８を介し
て設けられ、動翼３と対をなして一つづつ独立した段落
を構成し、蒸気の有する熱エネルギーを機械的エネルギ
ーに変換して動力として取出すようになっている。

また、このエネルギーの変換が効率よく行なわれるには
、各段落の間で高い圧力の蒸気が上り圧力の低い側へ漏
洩するのを食い止めなければならない。このためには静
止体と回転体との間隙を適当なパツキンを用いて封する
が、多くの場合ラビリンス構造のパツキン、すなわちパ
ツキンリング９にシールフィン１０を多数並べて迷路状
に連続したチャンバー１１を構成するようにしたものが
用いられる。なお、第５図に示されるようにこのシール
装置は各段落に設けられるものと、ロータ１がケーシン
グ６を貫く部分、つまりグランド部に設けられるものが
おる。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、近年、このような蒸気タービンにおいて、上
記条件をざらに高温、高圧化し、効率の限界に挑もうと
する試みがおる。こうした場合、回転体と静止体とのシ
ール間隙はより狭い間隙として漏洩蒸気量の減少を図る
のが常であり、間隙が狭くなればなる程別の問題を派生
する。すなわち、代表的な問題はロータ１の周囲に生起
する蒸気の旋回流により生じるスチームホワールと呼ば
れる現象である。この現象が発生するとロータ１を中心
とする回転体がその回転体の系の固有な撮動サイクルで
大きく振れ回り、機械としての安定性をなくしてしまう
ことになる。

以下、このスチームホワール現象をより詳しく説明する
。すなわち、一般に、ロータ１は成域組立時等の静止時
と、運転時（細かく分けると低速回転時、高速回転時が
ある）とで軸受２に供給される潤滑油の油膜力やケーシ
ング６の熱的な影響などにより静止体を基準としてみた
回転中心が一定してなく、シール装置の部分でも第７図
に示されるようにシールフィン１０の中心Ｏに対してロ
ータ１の中心Ｏが偏心ｌｅだけずれて回転する。

この場合、隣接するシールフィン１０の間に形成される
チャンバー１１内の円周方向の圧力分布は偏心方向に最
大の値を示す左右対象な圧力分布が現われ、この圧力分
布を積分することで各チャンバー１１内で生ずる力、つ
まりロータ１への作用力が求められる、この作用力Ｐと
すると、ロータ１に対して偏心方向と対向する方向から
作用力Ｐが加わり、ロータ１の偏心ｍｅを小さくするよ
うに動く。

しかしながら、シール装置に流入する蒸気の流れが静翼
６の影響やロータ１の回転力等で偏向され、ロータ１の
回転と同一方向の旋回流Ｗとして流入すると第８図に示
される如くチャンバー１１内の最大の圧力位置は、シー
ルの最小間隙点に対し回転上流側へと変化する。このた
めロータ１への作用力は上述の偏向方向に対向する作用
力Ｐとともに直角方向の作用力Ｑも生じる。そして、こ
の作用力Ｑがロータ１の撮れ回り方向と一致した場合］
辰撮力として不安定１辰動を引き起こす力となる。この
シール装置内で生じる作用力は上述のようにシール部の
圧力差等の使用条件とともに蒸気の旋回流Ｗの方向に大
きく影響する。

かかるロータ１の不安定現象に対処する方法として、た
とえば特開昭５８−２２２９０２号公報にはロータ１の
回転方向に対して逆向きのベーンを、あるいは特公昭５
８−３８６６６号公報にみられるようにシール装置内に
は仕切板を設けて旋回流Ｗが生じるのを防止する方法が
知られている。

しかし、特開昭５８−２２２９０２号公報における方法
では、シール装置以外にベーンを設けることで有効シー
ル域が減少する難点があり、さらにラビリンスシール装
置においては、シールフィン１０とロータ１との間隙を
流れる蒸気がチャンバー１１内で膨張するまでに至らず
、流れの滞留域あるいは過流域にある蒸気に対してベー
ンおよび仕切板が旋回流の発生を食い止めるように働き
かけることができない等の問題があり、充分な改善効果
が得られていない。

したがって、本発明の目的はチャンバー内の流れの滞留
域あるいは過流域におる蒸気に触きかけて旋回流の発生
を効果的に防止することのできる改良されたラビリンス
シール装置を提供することにある。

［発明の構成〕 （問題点を解決するための手段） 本発明によるラビリンスシール装置は、蒸気が流れる方
向でみて最初の段のチャンバー内に円周方向にその内部
を区分する複数のプレートを設けるとともに、この仕切
られたチャンバーのそれぞれを蒸気流の上流側と連通さ
せるスリットもしくは貫通孔を穿つようにしたことを特
徴とするものである。

（作用） 上記の技術的手段は次のように作用する。すなわち、第
７図に示されるようにロータ１がシール装置内において
偏心量ｅだけ偏心して回転し、かつそこに流入する蒸気
流がロータ１の回転方向と同一方向の旋回成分を持って
流入すると、蒸気力によってはロータ１に必る作用力が
生じる。この作用力はロータ１とシールフィン１０とが
つくる最小間隙点に対しロータ１の回転方向と同一方向
にロータ１を振動させる直角方向の作用力Ｑとして働く
。この作用力Ｑの大きさはロータ１の偏心ｌｅも関与し
、次式で示す値となることが知られている。

Ｑ＝ムに＋−ｅ・・・・・・・・・（１）ここに、ｅ＝
ロータの偏心量 に＝剛性係数 またに＋＝Ｃ−３！ｎαビ−−−−−−−−（２＞ここ
に、α１＝ロータ軸心と蒸気の流入角Ｃ＝比例定数 ｉ＝シール段数 すなわち、効果的に蒸気の流れを整流することが必要で
おる。

しかしながら、蒸気流を整流するプレートを取付可能な
チャンバ一部は蒸気の流れの滞留域おるいは過硫酸で市
って、整流効果が少ない。そこで、本発明においては、
チャンバー内を分割するプレートを設けるとともに、上
流側のシールフィンにスリットを切り、プレートに沿っ
た蒸気の流れをつくり出すものである。しかも、蒸気の
流入方向はシールの前段での流れが次の段の流れを決め
ることからシールの最初の段あるいは次の段まで整流す
れば充分である。

このスリットを切ったシール段においては、蒸気の流入
量が増加し、圧力が上昇するが、後流側のシールフィン
および次段のシールにはその影響が及ばず、流入方向の
み変えられるものでおる。

なあ、プレートの取付角度は回転方向に対して蒸気流が
対向する角度とすることによりロータへの励撮力を抑制
する力として作用させることもできる。

すなわち、前５＝の（２）式において、α、　＜Ｑとす
ることによりＱ＜０となり、従来励撮力として加わって
いた力が撮動を抑制する力として働く。

ただし、αｌはプレート枚数、スリットの幅によっても
値が変わるが、プレートの取付角度βについては α１＝ＣＯ−Ｂ・・・・・・・・・（３）ここに、Ｃｏ
＝比例定数 ただし、Ｏ＜Ｃｏ＜１ となる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を第１図、第２図および第３図
を参照して説明する。

第１図なおいて、ロータ１の表面にはステップ状に凹条
部１２と凸条部１３とが形成され、この凹条部１２およ
び凸条部１３に向がってシールフィン１４が静止体、た
とえばノズルダイアフラム８の内面に支持されたパツキ
ンリング１５がら各々延在させて迷路状に連なるチャン
バー１６を構成し、シール装置が形成される。このシー
ル装置に対して本発明は最初の段のチャンバー１６内に
第２図に示される如く円周方向にその内部を区分する複
数のプレート１７が設けられる。このプレート１７の取
付力は第３図に示されるようにロータ１の回転方向Ｕに
対して蒸気流と対向する角度βとする。この角度βの決
定においては蒸気圧力、ロータ１の回転数、シール形状
などを考慮して決める必要があり、−律の値とすること
はできないが、０〜６０度範囲で決定する。

また、分割されたチャンバー１６のそれぞれを蒸気流の
上流側と連通させるスリット１８が設けられる。このス
リット１８はプレート１７が上流側のシールフィン１４
と接している位置に近接して９５２Ｇブられる。

なお、第１図中符号１９はスプリングを示している。

上記構成において、上記はロータ１の軸心と角度αだけ
偏向して流れるが、スリット１８を通ってチャンバー１
６内に導かれると、そこでプレート１７により反転させ
られ、プレート１７に沿った流れに整流される。続いて
、この蒸気はロータ１とシールフィン１４との間の間隙
を流れて次段のチャンバー１６へと流れ、そこでシール
装置を通過する蒸気の主流と合流し、ざらに後段のチャ
ンバー１６に向かって流れる。第４図は以上の蒸気の流
れを模して描かれてものを示している。

すなわち、スリット１８の幅およびプレート１７の枚数
を使用条件との見合いで適切に設定することにより第２
段以降のシールに流入する角度α１をロータ１の回転方
向に対して逆向きとなるように与えることで、シール装
置内の圧力分布を変えることが可能である。したがって
、ロータ１の作用していた力が励ｔｉ力としてではなく
、振動を抑制する力として働き、これによりスチームホ
ワール現象の発生が防止される。

一方、第５図は上記実施例の場合よりも旋回流が大きな
場合において充分な整流効果を与え、かつ蒸気の漏洩量
が増加するのを防止するのに好適な実施例を示している
。

すなわち、ここでプレート１７は最初の段のチャンバー
１６と次の段との２か所に設けられる。

また、それぞれ上流側のシールフィン１０には貫通孔１
９が穿たれている。

本実施例では、整流効果は上記実施例以上に確実になも
のとなり、スチームホワール現象を防止しするうえでよ
り有力な手段となる。

なお、上記各実施例のスリット１８および貫通孔１９は
、シール機能上は間隙面積の増加を招き不利にみられる
が、シール装置の漏洩特性に影響を及ぼすシールの最終
段またはその直前の段ではないこと、ざらには不安定振
動を抑制することで、ロータ１とシールフィン１４との
全体の間隙を従来以上に狭くすることができるため、不
利を補って余りあるものとすることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、蒸気が流入する方向でみ
た最初の段のチャンバー内に円周方向にその内部を区分
する複数のプレートを設けるとともに、この仕切られた
チャンバーのそれぞれを蒸気流の上流側と連通させるス
リットもしくは貫通孔を穿つようにしているので、滞留
域あるいは過したがって、本発明によれば蒸気の旋回流
により生じていたロータの不安定現象がなくなるという
優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は本発明によるラビリンス
シール装置の一実施例を示す断面図、正面図、および展
開図、第４図は蒸気の流動状態を示す説明図、第５図は
本発明の他の実施例を示す展開図、第６図は従来の蒸気
タービンの要部を示す断面図、第７図および第８図は旋
回流によって引き起こされるロータの不安定現象を説明
するための図である。 １・・・・・・・・・ロータ １２・・・・・・・・・凹条部 １３・・・・・・・・・凸条部 １４・・・・・・・・・シールフィン １５・・・・・・・・・パツキンリング１６・・・・・
・・・・チャンバー １７・・・・・・・・・プレート １８・・・・・・・・・スリット １９・・・・・・・・・貫通孔 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　三俣弘文 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロータの軸方向に凹条部と凸条部とを交互に連ね
   て設け、これらの凹条部および凸条部に向けて静止体の
   内面に支持されたパッキンリングからシールフィンを各
   々延在させて各シールフィン間にチャンバーを形成して
   なるラビリンスシール装置において、蒸気がながれる方
   向でみて最初の段の前記チャンバー内に円周方向にその
   内部を区分する複数のプレートを設けるとともに、この
   仕切られたチャンバーのそれぞれを蒸気流の上流側と連
   通させるスリットもしくは貫通孔を穿つようにしたこと
   を特徴とするラビリンスシール装置。
2. （２）プレートがロータの回転方向に対して蒸気流と対
   向する向きに傾けて設けられていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のラビリンスシール装置。