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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-178700(P2019-178700A)
(43)【公開日】2019年10月17日
(54)【発明の名称】回転機械
(51)【国際特許分類】
   F16J 15/447 20060101AFI20190920BHJP
【FI】
   F16J15/447
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2018-66990(P2018-66990)
(22)【出願日】2018年3月30日
(71)【出願人】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】西本 慎
(72)【発明者】
【氏名】古庄 達郎
(72)【発明者】
【氏名】上原 秀和
(72)【発明者】
【氏名】吉田 亜積
(72)【発明者】
【氏名】尾▲崎▼ 昴平
【テーマコード(参考)】
3J042
【Fターム(参考)】
3J042AA04
3J042BA03
3J042CA10
3J042CA15
3J042CA17
3J042DA13
(57)【要約】
【課題】回転機械において、静止体と回転体との間でシールフィンにより囲まれるキャビティの形状を最適化することでシール性能の向上を図る。
【解決手段】ロータ12の外周部に軸方向に交互に設けられる小径部31及び大径部32と、シール装置16(ラビリンスシール35)の内周部に軸方向に所定間隔をあけて交互に設けられて小径部31の径方向に対向する長尺フィン33及び大径部32の径方向に対向する短尺フィン34とを備え、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側におけるラビリンスシール35の内径を、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側におけるラビリンスシール35の内径より大きく設定する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転体と静止体との間に流体の軸方向流れを抑制するシール装置が配置される回転機械において、
前記回転体の外周部に軸方向に交互に設けられる小径部及び大径部と、
前記シール装置の内周部に軸方向に所定間隔をあけて交互に設けられて前記小径部の径方向に対向する長尺フィン及び前記大径部の径方向に対向する短尺フィンと、
を備え、
前記短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側における前記シール装置の内径が、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの下流側における前記シール装置の内径より大きく設定される、
ことを特徴とする回転機械。
【請求項2】
前記シール装置の内周部で前記長尺フィンと前記短尺フィンとの間に凹部形状をなすキャビティが設けられ、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側における第1キャビティの径方向長さが、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの下流側における第2キャビティの径方向長さより大きいことを特徴とする請求項1に記載の回転機械。
【請求項3】
前記第1キャビティは、軸方向に沿う湾曲形状をなすことを特徴とする請求項2に記載の回転機械。
【請求項4】
前記第1キャビティの径方向長さD1と前記第2キャビティの径方向長さD2との差の径方向長さDaは、
W・(1/3)<Da<W・2
に設定されることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の回転機械。
【請求項5】
前記第1キャビティの径方向長さD1と前記第2キャビティの径方向長さD2との差の径方向長さDaは、
W・(1/3)<Da<W・(2/3)
に設定されることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の回転機械。
【請求項6】
前記第1キャビティの径方向長さD1と前記大径部の径方向長さD3の合計値に対する前記第1キャビティの径方向長さD1の割合は、
D1/(D1+D3)>1/2
に設定されることを特徴とする請求項2から請求項5のいずれか一項に記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、静止側と回転側との間で流体の漏えいを防止するシール装置が配置される回転機械に関するものである。
【背景技術】
【0002】
例えば、蒸気タービンは、ケーシング内にロータが軸受により回転自在に支持され、ロータに複数段の動翼が固定される一方、ケーシングに複数段の静翼が固定されて構成されている。そして、蒸気がケーシングの供給口から供給され、複数の動翼と静翼を通過することで、各動翼を介してロータが駆動回転し、排出口から外部に排出される。
【0003】
このような蒸気タービンでは、ケーシングとロータとの間における蒸気の軸方向の漏れ流れを防止するため、ケーシングとロータとの間にシール装置が設けられている。そして、シール装置としては、一般的にラビリンスシールが適用されている。ラビリンスシールは、ケーシングの内面に複数のシールフィンが設けられて構成されている。各シールフィンとロータとの間に隙間を形成することで圧力損失を発生させ、この圧力損失により軸方向における流体の漏れ流れを抑制する。このようなシール装置として、例えば、下記特許文献1に記載されたものがある。この特許文献1に記載されたラビリンスシールは、外周に凸部及び凹部が形成された回転体と、内周にフィン状シール部材が設けられたシールリングとを互いに対峙するように配置するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平11−30338号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述した特許文献1に記載されたラビリンスシールでは、シールリングにおける長尺のシールフィンの先端が回転体の凹部に対峙し、短尺のシールフィンの先端が回転体の凸部に対峙している。そのため、流体がシールリングと回転体との間を高圧側から低圧側に向けて軸方向に流れるとき、長尺のシールフィンの先端と回転体の凹部との隙間を通過した流体が、回転体の凸部の壁面により径方向の外側に流れ、凸部から剥離するときに渦流が形成され、短尺のシールフィンの先端と回転体の凸部との隙間に発生する縮流により低圧側への流体の漏えいを抑制する。ところが、このとき、長尺のシールフィンと短尺のシールフィンとの間で形成された渦流は、シールリングの内周面に接触することで流速が低下し、短尺のシールフィンの先端と回転体の凸部との隙間からの流体の漏えいを十分に抑制することができないおそれがある。
【0006】
本発明は上述した課題を解決するものであり、静止体と回転体との間でシールフィンにより囲まれるキャビティの形状を最適化することでシール性能の向上を図る回転機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の目的を達成するための本発明の回転機械は、回転体と静止体との間に流体の軸方向流れを抑制するシール装置が配置される回転機械において、前記回転体の外周部に軸方向に交互に設けられる小径部及び大径部と、前記シール装置の内周部に軸方向に所定間隔をあけて交互に設けられて前記小径部の径方向に対向する長尺フィン及び前記大径部の径方向に対向する短尺フィンと、を備え、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側における前記シール装置の内径が、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの下流側における前記シール装置の内径より大きく設定される、ことを特徴とするものである。
【0008】
従って、静止体に対して回転体が回転するとき、両者の間に流れる流体は、小径部の外周面と長尺フィンの先端との隙間を通って流れ、大径部の壁面に衝突して径方向の外側に流れる。この径方向の外側に流れる流体は、大径部の外周面から剥離するときに渦流を形成するため、短尺フィンの先端と大径部の外周面との隙間の近傍に縮流が生成され、大径部の外周面と短尺フィンの先端との隙間からの流体の漏えいが抑制される。このとき、短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側におけるシール装置の内径が大きく設定されることから、流体が静止体の内周面に接触しにくくなって渦流の形成を阻害することがなく、大径部の外周面と短尺フィンの先端との隙間からの流体の漏えいを適切に抑制することができる。その結果、静止体と回転体との間でシールフィンにより囲まれるキャビティの形状を最適化することでシール性能の向上を図ることができる。
【0009】
本発明の回転機械では、前記シール装置の内周部で前記長尺フィンと前記短尺フィンとの間に凹部形状をなすキャビティが設けられ、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの上流側における第1キャビティの径方向長さが、前記短尺フィンより流体の軸方向流れの下流側における第2キャビティの径方向長さより大きいことを特徴としている。
【0010】
従って、短尺フィンより上流側の第1キャビティの径方向長さを短尺フィンより下流側の第2キャビティの径方向長さより大きく設定することから、第1キャビティ内を径方向の外側に流れる流体が第1キャビティの底面に接触しにくくなって適切に渦流を形成することができ、大径部の外周面と短尺フィンの先端との隙間からの流体の漏えいを適切に抑制することができる。
【0011】
本発明の回転機械では、前記第1キャビティは、軸方向に沿う湾曲形状をなすことを特徴としている。
【0012】
従って、第1キャビティが軸方向に沿う湾曲形状をなすことから、第1キャビティ内を径方向の外側に流れる流体が湾曲形状をなす第1キャビティの底面に沿って流れることで、渦流を適切に形成することができる。
【0013】
本発明の回転機械では、前記第1キャビティの径方向長さD1と前記第2キャビティの径方向長さD2との差の径方向長さDaは、
W・(1/3)<Da<W・2
に設定されることを特徴としている。
【0014】
従って、第1キャビティの径方向長さを最適な範囲に設定することから、第1キャビティを流れる流体により渦流を適切に形成することができる。
【0015】
本発明の回転機械では、前記第1キャビティの径方向長さD1と前記第2キャビティの径方向長さD2との差の径方向長さDaは、
W・(1/3)<Da<W・(2/3)
に設定されることを特徴としている。
【0016】
従って、第1キャビティの径方向長さを最適な範囲に設定することから、第1キャビティを流れる流体により渦流を適切に形成することができる。
【0017】
本発明の回転機械では、前記第1キャビティの径方向長さD1と前記大径部の径方向長さD3の合計値に対する前記第1キャビティの径方向長さD1の割合は、
D1/(D1+D3)>1/2
に設定されることを特徴としている。
【0018】
従って、第1キャビティの径方向長さと大径部の径方向長さの関係を最適な範囲に設定することから、第1キャビティを流れる流体により渦流を適切に形成することができる。
【発明の効果】
【0019】
本発明の回転機械によれば、静止体と回転体との間でシールフィンにより囲まれるキャビティの形状を最適化することでシール性能の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1図1は、本実施形態のシール装置を表す断面図である。
図2図2は、シール装置を表す概略斜視図である。
図3図3は、シール装置の寸法関係を説明するための概略図である。
図4図4は、本実施形態のシール装置の第1変形例を表す断面図である。
図5図5は、本実施形態のシール装置の第2変形例を表す断面図である。
図6図6は、本実施形態の回転機械としての蒸気タービンを表す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る回転機械の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
【0022】
図6は、本実施形態の回転機械としての蒸気タービンを表す概略図である。
【0023】
本実施形態では、本発明の回転機械として、蒸気タービンを例に挙げて説明する。図6に示すように、蒸気タービン10は、ケーシング11と、ロータ(回転軸)12と、静翼13と、動翼14と、軸受15と、シール装置16とを備えている。
【0024】
ケーシング11は、中空形状をなし、内部にロータ12が水平方向に沿って配置されている。静翼13は、ケーシング11の内周部にロータ12の軸方向に所定間隔を空けて複数固定されている。ロータ12は、外周部に軸方向に所定間隔を空けて複数のロータディスク21が固定されており、動翼14は、各ロータディスク21の外周部に複数固定されている。各静翼13と各動翼14は、ロータ12の軸方向に沿って交互に配置されている。
【0025】
また、ロータ12は、軸方向の各端部が軸受15により回転自在に支持されている。ロータ12は、軸方向の各端部とケーシング11との間にシール装置16が設けられている。各シール装置16は、各軸受15よりも内部側、つまり、静翼13及び動翼14側に配置されている。
【0026】
ケーシング11は、軸方向の一端部側に蒸気供給口22が設けられ、蒸気供給口22は、蒸気通路23を通して各静翼13及び各動翼14が配置される車室24に連通されている。そして、車室24は、排気室25を通して蒸気排出口26に連通されている。
【0027】
そのため、蒸気が蒸気供給口22から蒸気通路23を通して車室24に供給されると、この蒸気が複数の静翼13及び複数の動翼14を通過することで、各動翼14を介してロータ12が駆動回転し、このロータ12に連結された図示しない発電機を駆動する。その後、動翼14を駆動した蒸気は、排気室25を通して蒸気排出口26から排出される。
【0028】
ここで、上述したシール装置16について詳細に説明する。図1は、本実施形態のシール装置を表す断面図、図2は、シール装置を表す概略斜視図、図3は、シール装置の寸法関係を説明するための概略図である。
【0029】
本実施形態の回転機械としての蒸気タービン10は、回転体としてのロータ12と、静止体としてのケーシング11と、ロータ12とケーシング11との間に設けられるシール装置16とを有している。シール装置16は、ロータ12とケーシング11との間に設けられ、ケーシング11の内部から外部へ流れる蒸気(流体)の軸方向流れを抑制するものである。なお、図1から図3に図示するシール装置16は、蒸気タービン10における蒸気供給口22側に配置されるものを表している。
【0030】
図1及び図2に示すように、シール装置16は、ケーシング11とロータ12との間に設けられ、このケーシング11とロータ12との間をロータ12の軸方向に沿って高圧側Hから低圧側Lに流れる蒸気Sの流れ(漏えい)を抑制するものである。
【0031】
蒸気タービン10は、ロータ12側に複数の小径部31及び複数の大径部32が設けられる。シール装置16は、ケーシング11側に複数の長尺フィン33及び複数の短尺フィン34が設けられる。各小径部31と各長尺フィン33が径方向に対向し、各大径部32と各短尺フィン34が径方向に対向している。本実施形態では、ケーシング11側にシール装置16を構成するラビリンスシール35が設けられ、このラビリンスシール35に長尺フィン33と短尺フィン34が設けられている。
【0032】
ロータ12は、外周部における軸方向の端部に小径部31と大径部32が軸方向に沿って交互に設けられている。この場合、ロータ12は、中心線Oに対して所定の外径Dを有する基準外周位置P1が設定され、基準外周位置P1を基準として小径部31と大径部32の径方向位置が設定されている。ここで、本実施形態では、小径部31と大径部32は、軸方向における長さが同様であり、基準外周位置P1に対する径方向の長さが同様であるが、小径部31と大径部32における軸方向における長さが異なっていたり、基準外周位置P1に対する径方向の長さが異なっていたりしてもよい。ロータ12は、小径部31を形成する第1外周面41と、大径部32を形成する第2外周面42と、第2外周面42に対して軸方向の一方側に設けられる第1壁面43と、第2外周面42に対して軸方向の他方側に設けられる第2壁面44とを有している。第1外周面41と第2外周面42は、周方向に連続し、中心線Oに対して平行をなし、周方向で外径が一定となっている。また、第1壁面43と第2壁面44は、周方向に連続し、中心線Oに対して直角をなし、軸方向の位置が一定となっている。
【0033】
ラビリンスシール35は、リング形状をなし、ケーシング11の内周面に固定されている。ラビリンスシール35は、内周部にロータ12の軸方向に所定間隔をあけて長尺フィン33と短尺フィン34が交互に設けられている。ラビリンスシール35は、長尺フィン33の先端部がロータ12の小径部31に対して径方向の外側に対向し、短尺フィン34の先端部がロータ12の大径部32に対して径方向の外側に対向している。この場合、ラビリンスシール35は、ロータ12の基準外周位置P1に対して所定の径方向隙間Gを有する基準内周位置P2が設定されている。
【0034】
ここで、長尺フィン33と短尺フィン34は、軸方向に等間隔で設けられており、ロータ12の中心線Oに向けて延出された先細形状をなしており、短尺フィン34に対して長尺フィン33の径方向長さが長くなっている。つまり、長尺フィン33は、短尺フィン34よりも先端部が中心線O側に延出している。なお、長尺フィン33と短尺フィン34は、軸方向に等間隔に設けなくてもよい。また、そして、長尺フィン33は、先端部と小径部31の第1外周面41との間に所定隙間が確保され、短尺フィン34は、先端部とロータ12の大径部32の第2外周面42との間に所定隙間が確保されている。本実施形態にて、ケーシング11の内部の蒸気Sが高圧側Hから低圧側Lに流れる構成に対して、長尺フィン33、短尺フィン34、長尺フィン33、短尺フィン34、長尺フィン33の順に配置されている。但し、ケーシング11の内部の蒸気Sが高圧側Hから低圧側Lに流れる構成に対して、短尺フィン34から始まってもよいし、短尺フィン34で終わってもよい。長尺フィン33は、高圧側Hに対向する第1シール面51と、低圧側Lに対向する第2シール面52とを有している。短尺フィン34は、高圧側Hに対向する第1シール面53と、低圧側Lに対向する第2シール面54とを有している。各第1シール面51,53と各第2シール面52,54は、それぞれ周方向に連続し、中心線Oに対して直角をなし、軸方向の位置が一定となっている。
【0035】
また、ラビリンスシール35は、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側(高圧側H)における内径が、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側(低圧側L)における内径より大きく設定されている。即ち、ラビリンスシール35は、内周部で長尺フィン33と短尺フィン34との間に凹部形状をなすキャビティ55,56が設けられている。第1キャビティ55は、短尺フィン34より高圧側Hに設けられ、第2キャビティ56は、短尺フィン34より低圧側Lに設けられている。
【0036】
そして、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側(高圧側H)における第1キャビティ55の径方向長さが、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側(低圧側L)における第2キャビティ56の径方向長さより大きく設定されている。即ち、第1キャビティ55は、第2シール面52と第1シール面53と第1底面57により構成され、第2キャビティ56は、第2シール面54と第1シール面51と第2底面58により構成されている。第1底面57と第2底面58は、周方向に連続し、中心線Oに対して平行をなし、周方向で内径が一定となっている。第1底面57の内径は、第2底面58の内径より大きい寸法となっている。そのため、第1底面57(または、第2底面58)から先端部までの長尺フィン33の径方向長さは、第1底面57(または、第2底面58)から先端部までの短尺フィン34の径方向長さより長くなっている。
【0037】
図3に示すように、短尺フィン34の先端から第1底面57までの径方向長さを第1キャビティ55の径方向長さD1と規定し、短尺フィン34の先端から第2底面58までの径方向長さを第2キャビティ56の径方向長さD2と規定し、第1キャビティ55の径方向長さD1と第2キャビティ56の径方向長さD2との差は、径方向長さDaとなる。また、第1キャビティ55の軸方向長さをWと規定する。すると、第1キャビティ55の径方向長さD1と第2キャビティ56の径方向長さD2との差の径方向長さDaは、第1キャビティ55の軸方向長さWにおける1/3から2の範囲に設定されることが好ましい。
W・(1/3)<Da<W・2
また、更に好ましくは、径方向長さDaは、第1キャビティ55の軸方向長さWにおける1/3から2/3の範囲に設定される。
W・(1/3)<Da<W・(2/3)
【0038】
また、小径部31に対する大径部32の径方向長さをD3と規定する。すると、第1キャビティ55の径方向長さD1と大径部32の径方向長さD3の合計値に対する第1キャビティ55の径方向長さD1の割合は、1/2(50%)より大きく設定されることが好ましい。
D1/(D1+D3)>1/2
【0039】
そのため、図1に示すように、ケーシング11に対してロータ12が回転するとき、高圧側Hから低圧側Lに軸方向に流れる蒸気Sは、小径部31の第1外周面41と長尺フィン33の先端との隙間を通って流れ、大径部32の第1壁面43に衝突して径方向の外側に流れる。この径方向の外側に流れる蒸気Sは、大径部32の第1壁面43から剥離するときに第1キャビティ55内で渦流を形成する。この蒸気Sの渦流は、短尺フィン34の先端と大径部32の第2外周面42との隙間の近傍に縮流を生成し、大径部32の第2外周面42と短尺フィン34の先端との隙間から第2キャビティ56側への蒸気Sの漏えいが抑制される。
【0040】
このとき、短尺フィン34より高圧側Hの第1キャビティ55の径方向長さD1が、低圧側Lの第2キャビティ56の径方向長さD2より大きく設定されていることから、大径部32の第1壁面43から剥離して径方向の外側に流れる蒸気Sが第1キャビティ55の第1底面57に接触しにくくなり、ここでの渦流の形成を阻害しない。そのため、短尺フィン34の先端と大径部32の第2外周面42との隙間の近傍での縮流を適切に生成し、この隙間から第2キャビティ56への蒸気Sの漏えいが適切に抑制される。
【0041】
また、短尺フィン34より低圧側Lの第2キャビティ56の径方向長さが、高圧側Hの第1キャビティ55の径方向長さより小さく設定されていることから、第2キャビティ56の容積を小さくすることができる。そのため、短尺フィン34の先端と大径部32の第2外周面42との隙間から第2キャビティ56へ流れる蒸気Sの速度が低下することがなく、蒸気Sが所定の速度をもって長尺フィン33の第1シール面51に衝突し、小径部31の外側の空間で適切な渦流が生成される。すると、この蒸気Sの渦流は、長尺フィン33の先端と小径部31の第1外周面41との隙間の近傍に縮流を生成し、小径部31の第1外周面41と長尺フィン33の先端との隙間から第1キャビティ55側への蒸気Sの漏えいが抑制される。一方、第2キャビティ56の容積を大きくすると、短尺フィン34の先端と大径部32の第2外周面42との隙間から第2キャビティ56へ流れる蒸気Sの速度が低下するだけでなく、第2底面58側にも多く流れてしまい、小径部31の外側の空間で適切な渦流を生成することができず、小径部31の第1外周面41と長尺フィン33先端との隙間から第1キャビティ55側への蒸気Sの漏えいを抑制できなくなる。
【0042】
なお、上述の説明では、第2シール面52と第1シール面53と第1底面57により第1キャビティ55を構成したが、この構成に限定されるものではない。図4は、本実施形態のシール装置の第1変形例を表す断面図、図5は、本実施形態のシール装置の第2変形例を表す断面図である。
【0043】
本実施形態のシール装置の第1変形例において、図4に示すように、ラビリンスシール35は、内周部にロータ12の軸方向に所定間隔をあけて長尺フィン33と短尺フィン34が交互に設けられており、長尺フィン33の先端部がロータ12の小径部31に対して径方向の外側に対向し、短尺フィン34の先端部がロータ12の大径部32に対して径方向の外側に対向している。長尺フィン33は、高圧側Hに対向する第1シール面51と、低圧側Lに対向する第2シール面52とを有している。短尺フィン34は、高圧側Hに対向する第1シール面53と、低圧側Lに対向する第2シール面54とを有している。
【0044】
また、ラビリンスシール35は、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側(高圧側H)における内径が、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側(低圧側L)における内径より大きく設定されている。即ち、ラビリンスシール35は、内周部で長尺フィン33と短尺フィン34との間に凹部形状をなすキャビティ61,56が設けられている。第1キャビティ61は、短尺フィン34より高圧側Hに設けられ、第2キャビティ56は、短尺フィン34より低圧側Lに設けられている。
【0045】
そして、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側(高圧側H)における第1キャビティ61の径方向長さが、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側(低圧側L)における第2キャビティ56の径方向長さより大きく設定されている。即ち、第1キャビティ61は、第2シール面52と第1シール面53と第1湾曲底面62により構成され、第2キャビティ56は、第2シール面54と第1シール面51と第2底面58により構成されている。第1湾曲底面62は、軸方向に沿う湾曲形状をなし、内径が第2底面58の内径より大きい寸法となっている。
【0046】
また、本実施形態のシール装置の第2変形例において、図5に示すように、ラビリンスシール35は、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側(高圧側H)における内径が、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側(低圧側L)における内径より大きく設定されている。即ち、ラビリンスシール35は、内周部で長尺フィン33と短尺フィン34との間に凹部形状をなすキャビティ65,56が設けられている。第1キャビティ65は、短尺フィン34より高圧側Hに設けられ、第2キャビティ56は、短尺フィン34より低圧側Lに設けられている。
【0047】
そして、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側(高圧側H)における第1キャビティ65の径方向長さが、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側(低圧側L)における第2キャビティ56の径方向長さより大きく設定されている。即ち、第1キャビティ65は、第2シール面52と第1シール面53と第1底面66と2個の第1湾曲面67により構成され、第2キャビティ56は、第2シール面54と第1シール面51と第2底面58により構成されている。第1底面66は、内径が第2底面58の内径より大きい寸法となっている。
【0048】
なお、各変形例では、第1キャビティの一部または全部を湾曲形状としたが、第2キャビティの一部または全部を湾曲形状としてもよい。
【0049】
このように本実施形態の回転機械にあっては、ロータ12の外周部に軸方向に交互に設けられる小径部31及び大径部32と、シール装置16(ラビリンスシール35)の内周部に軸方向に所定間隔をあけて交互に設けられて小径部31の径方向に対向する長尺フィン33及び大径部32の径方向に対向する短尺フィン34とを備え、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側におけるラビリンスシール35の内径を、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側におけるラビリンスシール35の内径より大きく設定している。
【0050】
従って、ケーシング11に対してロータ12が回転するとき、両者の間に流れる蒸気Sは、小径部31の第1外周面41と長尺フィン33の先端との隙間を通って低圧側Lに流れ、大径部32の第1壁面43に衝突して径方向の外側に流れる。この径方向の外側に流れる蒸気Sは、大径部32の第2外周面42から剥離するときに渦流を形成するため、短尺フィン34の先端と大径部32の第2外周面42との隙間の近傍に縮流が生成され、大径部32の第2外周面42と短尺フィン34の先端との隙間からの蒸気Sの漏えいが抑制される。このとき、短尺フィン34より上流側におけるラビリンスシール35の内径が大きく設定されることから、蒸気Sがラビリンスシール35の内周面に接触しにくくなって渦流の形成を阻害することがなく、大径部32の第2外周面42と短尺フィン34の先端との隙間からの蒸気Sの漏えいを適切に抑制することができる。その結果、ケーシング11とロータ12との間で各フィン33,34により囲まれる第1キャビティ55(61,65)の形状を最適化することでシール性能の向上を図ることができる。
【0051】
本実施形態の回転機械では、ラビリンスシール35の内周部で長尺フィン33と短尺フィン34との間に凹部形状をなすキャビティ55(61,65)を設け、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの上流側における第1キャビティ55(61,65)の径方向長さを、短尺フィン34より蒸気Sの軸方向流れの下流側における第2キャビティ56の径方向長さより大きくしている。従って、第1キャビティ55(61,65)内を径方向の外側に流れる蒸気Sが第1キャビティ55(61,65)の第1底面57に接触しにくくなって適切に渦流を形成することができ、大径部34の第2外周面42と短尺フィン34の先端との隙間からの蒸気Sの漏えいを適切に抑制することができる。
【0052】
本実施形態の回転機械の第1変形例では、第1キャビティ61を軸方向に沿う湾曲形状としている。従って、第1キャビティ61内を径方向の外側に流れる蒸気Sが湾曲形状をなす第1キャビティ61の第1湾曲底面62に沿って流れることで、渦流を適切に形成することができる。
【0053】
本実施形態の回転機械では、第1キャビティ55(61,65)の径方向長さと第2キャビティ56の径方向長さとの差の径方向長さを、第1キャビティ55(61,65)の軸方向長さの1/3から2の範囲に設定している。また、好ましくは、第1キャビティ55(61,65)の径方向長さと第2キャビティ56の径方向長さとの差の径方向長さを、第1キャビティ55(61,65)の軸方向長さの1/3から2/3の範囲に設定する。従って、第1キャビティ55(61,65)を流れる蒸気Sにより渦流を適切に形成することができる。
【0054】
本実施形態の回転機械では、第1キャビティ55(61,65)の径方向長さと大径部32の径方向長さの合計値に対する第1キャビティ55(61,65)の径方向長さの割合を、1/2より大きく設定している。従って、第1キャビティ55(61,65)を流れる蒸気Sにより渦流を適切に形成することができる。
【0055】
また、本実施形態の回転機械にあっては、中空形状をなすケーシング11と、動翼14が固定されてケーシング11内に回転自在に支持されるロータ12と、ケーシング11とロータ12における軸方向の端部との間に配置されるシール装置16とを備えている。
【0056】
従って、ケーシング11に対してロータ12が回転するとき、両者の間に流れる蒸気Sは、小径部31の第1外周面41と長尺フィン33の先端との隙間を通って低圧側Lに流れ、大径部32の第1壁面43に衝突して径方向の外側に流れる。この径方向の外側に流れる蒸気Sは、大径部32の第2外周面42から剥離するときに渦流を形成するため、短尺フィン34の先端と大径部32の第2外周面42との隙間の近傍に縮流が生成され、大径部32の第2外周面42と短尺フィン34の先端との隙間からの蒸気Sの漏えいが抑制される。このとき、短尺フィン34より上流側におけるラビリンスシール35の内径が大きく設定されることから、蒸気Sがラビリンスシール35の内周面に接触しにくくなって渦流の形成を阻害することがなく、大径部32の第2外周面42と短尺フィン34の先端との隙間からの蒸気Sの漏えいを適切に抑制することができる。その結果、ケーシング11とロータ12との間で各フィン33,34により囲まれる第1キャビティ55(61,65)の形状を最適化することでシール性能の向上を図ることができる。
【0057】
なお、上述した実施形態では、ケーシング11の内周部にラビリンスシール35を固定し、ラビリンスシール35の内周部に長尺フィン33及び短尺フィン34と第1キャビティ55(61,65)及び第2キャビティ56を一体に設けたが、この構成に限定されるものではない。例えば、ラビリンスシール35の内周部に長尺フィン33及び短尺フィン34を別部材として設けてもよい。また、ケーシング11の内周部に長尺フィン33及び短尺フィン34を固定すると共に、第1キャビティ55(61,65)及び第2キャビティ56を形成してもよい。
【0058】
また、上述した実施形態では、ケーシング11の内周部に固定されたラビリンスシール35に3個の長尺フィン33と2個の短尺フィン34を設けたが、その数はロータ12の径やシールする軸方向の距離に応じて適宜設定すればよいものである。
【0059】
また、上述した実施形態では、本発明の回転機械を蒸気タービン10とし、ロータ12とケーシング11との間にシール装置16を設けたが、この構成に限定されるものではない。例えば、シール装置をロータ12と静翼13との間に設けたり、シーシング11と動翼14との間に設けたりしてもよい。
【0060】
また、上述した実施形態では、本発明の回転機械を蒸気タービン10に適用し、ケーシング11とロータ12の軸端部に配置されるシール装置16として説明したが、本実施形態で説明した蒸気タービン10に限定されるものではない。例えば、高圧タービンと中圧タービンと低圧タービンとを備える蒸気タービンの場合、本発明のシール装置を各タービンの間に配置されるシール装置に適用してもよい。また、本発明のシール装置は、蒸気タービンに限らず、圧縮機や排気タービンなど、作動時に内部の圧力が外部の圧力より高くなる回転機械に適用してもよい。
【符号の説明】
【0061】
10 蒸気タービン
11 ケーシング(静止体)
12 ロータ(回転体、回転軸)
13 静翼
14 動翼
15 軸受
16 シール装置
31 小径部
32 大径部
33 長尺フィン
34 短尺フィン
35 ラビリンスシール
41 第1外周面
42 第2外周面
43 第1壁面
44 第2壁面
51,53 第1シール面
52,54 第2シール面
55,61,65 第1キャビティ
56 第2キャビティ
57,66 第1底面
58 第2底面
62 第1湾曲底面
67 第1湾曲面
図1
図2
図3
図4
図5
図6