特許 6296649 シール構造、及び回転機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6296649

(24)【登録日】2018年3月2日

(45)【発行日】2018年3月20日

(54)【発明の名称】シール構造、及び回転機械

(51)【国際特許分類】

   F01D 11/08 20060101AFI20180312BHJP

   F01D 5/20 20060101ALI20180312BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20180312BHJP

   F01D 11/02 20060101ALI20180312BHJP

   F16J 15/447 20060101ALI20180312BHJP

【ＦＩ】

   F01D11/08

   F01D5/20

   F01D25/00 M

   F01D11/02

   F16J15/447

【請求項の数】3

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-42142(P2014-42142)

(22)【出願日】2014年3月4日

(65)【公開番号】特開2015-169077(P2015-169077A)

(43)【公開日】2015年9月28日

【審査請求日】2016年2月2日

(73)【特許権者】

【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】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100126893

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 哲男

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(72)【発明者】

【氏名】松本 和幸

(72)【発明者】

【氏名】桑村 祥弘

(72)【発明者】

【氏名】大山 宏治

(72)【発明者】

【氏名】田中 良典

【審査官】 齊藤 公志郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０６８２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０１９５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９９８６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２９１９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２２８０１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２０９９８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ５／０２

Ｆ０１Ｄ １１／００−２４

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ１６Ｊ １５／４４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線回りに回転するロータの外周面と、前記ロータを径方向外周側から囲うように配置されたステータの内周面との間の間隙をシールするシール構造であって、
前記ロータの外周面と前記ステータの内周面のうちの一方に軸線方向に並べて設けられ、前記ロータの軸線方向の上流側を向く段差面と、を有して他方側に突出する複数のステップ部と、
前記他方に設けられ、各々の前記ステップ部の周面に向けて延出し、対応するステップ部の周面との間に微小隙間を形成するシールフィンと、を有し、
前記シールフィンは、径方向において前記他方から所定距離の領域よりさらに前記一方側の先端近傍が、上流側に向けて傾斜し、かつ、前記所定距離の領域に突起物が形成されておらず、
前記微小隙間をＨとし、
前記シールフィンと、前記ステップ部の前記軸線方向上流側における段差面との間の距離をＬとすると、全ての前記ステップ部及び全ての前記シールフィンにおいて、以下の式を満足することを特徴とするシール構造。
１．８＜Ｌ／Ｈ＜２．２

【請求項2】

前記シールフィンの角度は、径方向において前記他方から所定距離の領域まで連続的に変化していることを特徴とする請求項１に記載のシール構造。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のシール構造を備えることを特徴とする回転機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロータとステータとの間の間隙をシールするシール構造、及び回転機械に関する。

【背景技術】

【0002】

周知のように、回転機械である蒸気タービンの一種として、ケーシングと、ケーシングの内部に回転自在に設けられた軸体（ロータ）と、ケーシングの内周部に固定配置された複数の静翼と、これら複数の静翼の下流側において軸体に放射状に設けられた複数の動翼とを備えたものがある。このような蒸気タービンのうち衝動タービンの場合は、蒸気（流体）の圧力エネルギーを静翼によって速度エネルギーに変換し、この速度エネルギーを動翼によって回転エネルギー（機械エネルギー）に変換している。また、反動タービンの場合は、動翼内でも圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、蒸気が噴出する反動力により回転エネルギー（機械エネルギー）に変換される。

【0003】

この種の蒸気タービンでは、動翼の先端部と、動翼を囲繞して蒸気の流路を形成するケーシングとの間に径方向の間隙が形成され、また、静翼の先端部と軸体との間にも径方向の間隙が形成されているのが通常である。しかし、動翼先端部とケーシングとの間隙を下流側に通過する漏洩蒸気は、動翼に対して回転力を付与しない。また、静翼先端部と軸体との間隙を下流側に通過する漏洩蒸気は、その圧力エネルギーが静翼によって速度エネルギーに変換されないため、下流側の動翼に対して回転力をほとんど付与しない。したがって、蒸気タービンの性能向上のためには、間隙を通過する漏洩蒸気の流量（漏洩流量）を低減することが重要となる。

【0004】

従来では、例えば特許文献１のように、動翼の先端部に、軸方向上流側から下流側に向かって高さが次第に高くなる複数のステップ部を設け、ケーシングに、各ステップ部に向けて延出する複数のシールフィンを設け、各ステップ部と各シールフィンの先端との間に微小隙間を形成した構造のタービンが提案されている。
このタービンでは、上流側から間隙に入り込んだ流体がステップ部の段差面に衝突することで、段差面の上流側に主渦が発生し、段差面の下流側（微小隙間の上流側近傍）に剥離渦が発生する。そして、微小隙間の上流側近傍に生じる剥離渦によって、微小隙間を通り抜ける漏れ流れの低減化が図られている。すなわち、動翼の先端部とケーシングとの間隙を通過する漏洩流体の流量の低減化が図られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−０８０４５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、蒸気タービンの性能向上に対する要望は強く、したがって漏洩流量をさらに低減化することが求められている。

【0007】

本発明は、ロータとステータとの間の間隙をシールするシール構造において、漏洩流量をより低減化した高性能なシール構造、及び回転機械を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第一の態様によれば、シール構造は、軸線回りに回転するロータの外周面と、前記ロータを径方向外周側から囲うように配置されたステータの内周面との間の間隙をシールするシール構造であって、前記ロータの外周面と前記ステータの内周面のうちの一方に軸線方向に並べて設けられ、前記ロータの軸線方向の上流側を向く段差面と、を有して他方側に突出する複数のステップ部と、前記他方に設けられ、各々の前記ステップ部の周面に向けて延出し、対応するステップ部の周面との間に微小隙間を形成するシールフィンと、を有し、前記シールフィンは、径方向において前記他方から所定距離の領域よりさらに前記一方側の先端近傍が、上流側に向けて傾斜し、かつ、前記所定距離の領域に突起物が形成されておらず、前記微小隙間をＨとし、前記シールフィンと、前記ステップ部の前記軸線方向上流側における段差面との間の距離をＬとすると、全ての前記ステップ部及び全ての前記シールフィンにおいて、以下の式を満足する。
１．８＜Ｌ／Ｈ＜２．２

【0009】

このような構成によれば、従来の場合と同様に、上流側から間隙に入り込んだ流体が各々のステップ部の段差面に衝突することで、段差面の上流側には主渦が発生する。また、各々のステップ部の段差面と周面との角部（エッジ）において主渦から一部の流れが剥離することにより、段差面の下流側に位置する各々のステップ部の周面上には、主渦と反対方向に回る剥離渦が発生する。この剥離渦は、シールフィンの先端からステップ部の周面に向かうダウンフローを生じさせるため、剥離渦がシールフィンの先端とステップ部との間の微小隙間を通過する流体を低減する縮流効果を奏する。

【0010】

そして、シールフィン上において他方側から一方側に向かって流れる流体が、シールフィンの先端近傍の傾斜により上流側に戻されつつ、微小隙間を通り抜けることによって、流体がシールフィンの先端近傍を迂回するように流れる。この流体の流れと剥離渦とにより、縮流効果を強め、漏洩流量を低減することができる。

【0012】

このような構成によれば、後述するシミュレーション結果に示すように、剥離渦による縮流効果がより高くなり、漏洩流量をさらに低減することができる。

【0013】

上記シール構造において、前記シールフィンの角度は、径方向において前記他方から所定距離の領域まで連続的に変化している構成としてもよい。

【0014】

このような構成によれば、発生した主渦や剥離渦の流れがシールフィンによって阻害されにくくなるため、シールフィンの先端部近傍の傾斜の効果をより強めることができる。

【0015】

また、本発明は上記いずれかのシール構造を備える回転機械を提供する。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、ロータの外周面と、ロータを径方向外周側から囲うように配置されたステータの内周面との間の間隙をシールするシール構造において、縮流効果を強め、漏洩流量を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態の蒸気タービンの概略構成断面図である。

【図2】本発明の実施形態を示す図であって、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。

【図3】本発明の実施形態を示す図であって、図２のシールフィンを示す拡大断面図である。

【図4】本発明の実施形態の蒸気タービンの作用説明図である。

【図5】微小隙間を流れる蒸気の挙動を説明する図であり、（ａ）は本発明の実施形態のシールフィンにおける蒸気の挙動を、（ｂ）は従来の傾斜の無いシールフィンにおける蒸気の挙動を説明する図である。

【図6】距離Ｌと微小隙間Ｈとの縦横比Ｌ／Ｈと、微小隙間Ｈを通過する蒸気の流量係数Ｃｄとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態の回転機械である蒸気タービンについて図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、ケーシング１０（ステータ）と、ケーシング１０の内方に回転自在に設けられ、動力を図示しない発電機等の機械に伝達する回転軸３０と、ケーシング１０に保持された静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼５０と、回転軸３０を軸回りに回転可能に支持する軸受部６０とを備えて大略構成されている。

【0019】

蒸気Ｓは、図示しない蒸気供給源と接続された蒸気供給管２０を介して、ケーシング１０に形成された主流入口２１から導入され、蒸気タービン１の下流側に接続された蒸気排出管２２から排出される。

【0020】

ケーシング１０は、内部空間が気密に封止されていると共に、蒸気Ｓの流路とされている。このケーシング１０の内壁面には、回転軸３０が挿通されるリング状の仕切板外輪１１が強固に固定されている。
軸受部６０は、ジャーナル軸受装置６１及びスラスト軸受装置６２を備えており、回転軸３０を回転自在に支持している。

【0021】

静翼４０は、ケーシング１０から内周側に向かって伸び、回転軸３０を囲繞するように放射状に多数配置される環状静翼群を構成しており、それぞれ上述した仕切板外輪１１に保持されている。

【0022】

これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸３０の軸方向（以下、単に軸方向と呼ぶ）に間隔を空けて複数形成されており、蒸気の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、下流側に隣接する動翼５０に流入させる。

【0023】

動翼５０は、回転軸３０の回転軸本体３１の外周部に強固に取り付けられ、各環状静翼群の下流側において、放射状に多数配置されて環状動翼群を構成している。
これら環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。このうち、最終段における動翼５０の先端部は、回転軸３０の周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）に隣接する動翼５０の先端部同士と連結されておりシュラウド５１（ロータ）と呼ばれている。

【0024】

図２に示すように、動翼５０の先端部をなすシュラウド５１は、ケーシング１０の仕切板外輪１１との間に径方向の間隙を介して対向配置されている。そして、シュラウド５１とケーシング１０の仕切板外輪１１との間には、シール構造２が設けられている。以下、シール構造２の構成要素について詳細に説明する。

【0025】

シュラウド５１には、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）を有して仕切板外輪１１側に突出する三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）が、軸方向に並べて設けられている。
動翼５０から三つのステップ部５２Ａ〜５２Ｃの外周面（周面）５４Ａ〜５４Ｃ（５４）に至る三つのステップ部５２Ａ〜５２Ｃの突出高さは、軸方向の上流側から下流側に向かうにしたがって漸次高くなるように設定されている。これにより、各々のステップ部５２の段差面５３は、軸方向の上流側に向いている。また、本実施形態では、各々のステップ部５２の段差面５３が径方向に平行しており、三つの段差面５３Ａ〜５３Ｃの高さが同一に設定されている。さらに、本実施形態では、各々のステップ部５２の外周面５４が軸方向に平行している。

【0026】

一方、仕切板外輪１１には、シュラウド５１に対応する部位に周方向に延びる環状溝１２が形成されており、本実施形態では、環状溝１２が仕切板外輪１１の内周面から径方向外側に窪んで形成されている。前述したシュラウド５１は、この環状溝１２内に入り込むように配されている。
そして、前述した三つのステップ部５２Ａ〜５２Ｃに対向するように径方向内側に向く環状溝１２の底部には、三つの環状凹部１３（１３Ａ〜１３Ｃ、内周面）が軸方向に並べて形成されている。三つの環状凹部１３Ａ〜１３Ｃは、上流側から下流側に向かって、段差により漸次拡径して形成されている。

【0027】

また、軸方向に隣り合う二つの環状凹部１３，１３の境界に位置する各々のケーシング側端縁部１４には、シュラウド５１に向けて径方向内側に延出するシールフィン５（５Ａ〜５Ｃ）が設けられている。これらケーシング側端縁部１４及びシールフィン５の軸方向位置は、各々のステップ部５２の外周面５４に対向するように設定されている。具体的に説明すれば、三つのシールフィン５Ａ〜５Ｃは、軸方向に間隔をあけて配列され、三つのステップ部５２Ａ〜５２Ｃに１：１で対応するように設けられている。そして、本実施形態では、三つのシールフィン５Ａ〜５Ｃが軸方向に等間隔で配列されている。

【0028】

各々のステップ部５２の外周面５４と各々のシールフィン５の先端との間には、径方向の微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）が画成されている。微小隙間Ｈの各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量、動翼５０の遠心伸び量等を考慮した上で、両者が接触しない安全な範囲で、最小のものに設定されている。そして、本実施形態では、三つの微小隙間Ｈ１〜Ｈ３の寸法が同一に設定されている。

【0029】

そして、以上のようにシールフィン５が設けられることで、シュラウド５１と仕切板外輪１１との間には、三つのキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）が軸方向に配列して形成されている。各々のキャビティＣは、各々のステップ部５２に対応するシールフィン５と、このシールフィン５に対して軸方向上流側に対向する隔壁との間に形成されている。
なお、各キャビティＣの径方向寸法Ｄと軸方向寸法Ｗとの比Ｄ／Ｗ（キャビティの縦横比Ｄ／Ｗ）は、後述するように、同一のキャビティＣ内に発生する剥離渦ＳＶの大きさが主渦ＭＶよりも小さくなるように、１．０に近くなるように設定されることが好ましい（図４参照）。

【0030】

図３に示すように、本実施形態のシールフィン５は、径方向における環状凹部１３から所定距離の領域Ｒ１よりさらにシュラウド５１側の先端近傍が、上流側に向けて傾斜している。即ち、本実施形態のシールフィン５は、シールフィン５の先端近傍だけが部分的に曲げられており、先端部近傍に上流側に傾斜する折曲部１９が形成されている。

【0031】

また、シールフィン５と、それに対応するステップ部５２の軸方向上流側における段差面５３との間の距離（各々の微小隙間Ｈから上流側の段差面５３に至る各々のステップ部５２の外周面５４の長さ寸法）をＬとすると、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、以下の式（１）を満足して形成されている。
１．２５＜Ｌ／Ｈ＜２．７５・・・ （１）
即ち、距離Ｌは微小隙間Ｈの２倍程度に設定されている。

【0032】

また、シールフィン５全体の角度は、径方向において環状凹部１３から所定距離の領域Ｒ１まで連続的に変化している。即ち、シールフィン５の径方向における領域Ｒ１においては、シールフィン５には突起物は形成されていない。

【0033】

ここで、上記の構成からなる蒸気タービン１の動作について説明する。
まず、図示しないボイラなどの蒸気供給源から蒸気供給管２０を介して、蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入する。
ケーシング１０の内部空間に流入した蒸気Ｓは、各段における環状静翼群と環状動翼群とを順次通過する。この際には、圧力エネルギーが静翼４０によって速度エネルギーに変換され、静翼４０を経た蒸気Ｓのうちの大部分が同一の段を構成する動翼５０間に流入し、動翼５０により蒸気Ｓの速度エネルギー・圧力エネルギーが回転エネルギーに変換されて、軸体３０に回転が付与される。一方、蒸気Ｓのうちの一部（例えば、数％）は、静翼４０から流出した後、環状溝１２内（動翼５０のシュラウド５１とケーシング１０の仕切板外輪１１との間隙）に流入する、いわゆる、漏洩蒸気となる。

【0034】

図４に示すように、環状溝１２内に流入した蒸気Ｓは、まず、第一キャビティＣ１に流入すると共に一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに衝突して、上流側に戻るように流れる。これにより、第一キャビティＣ１内には、反時計回り（第一回転方向）に回る主渦ＭＶ１が発生する。
その際、特に一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａと外周面５４Ａとの角部（エッジ）において、主渦ＭＶ１から一部の流れが剥離されることで、一段目のステップ部５２Ａの外周面５４Ａ上には、主渦ＭＶ１と反対の時計回り（第二回転方向）に回る剥離渦ＳＶ１が発生する。

【0035】

この剥離渦ＳＶ１は、一段目のステップ部５２Ａとシールフィン５Ａとの間の第一微小隙間Ｈ１の上流側近傍に位置している。特に、剥離渦ＳＶ１のうち径方向内側に向かうダウンフローが第一微小隙間Ｈ１の直前で生じるため、第一キャビティＣ１から第一微小隙間Ｈ１を通って下流側の第二キャビティＣ２に流入する漏れ流れを低減する縮流効果が、上記剥離渦ＳＶ１によって得られる。

【0036】

蒸気Ｓが、第一キャビティＣ１から第一微小隙間Ｈ１を通り抜けて第二キャビティＣ２内に流入すると、第二キャビティＣ２内には第一キャビティＣ１の場合と同様に主渦ＭＶ２が発生するとともに、剥離渦ＳＶ２が発生する。
さらに、蒸気Ｓが第二微小隙間Ｈ２を通過して第三キャビティＣ３内に流入すると、第一、第二キャビティＣ１，Ｃ２の場合と同様に、第三キャビティＣ３内には、主渦ＭＶ３が発生するとともに、剥離渦ＳＶ３が発生する。

【0037】

図５（ａ）に示すように、シールフィン５上において径方向外周側から径方向内周側に向かって流れる蒸気Ｓは、シールフィンの先端近傍の折曲部１９の傾斜により上流側に戻されつつ、微小隙間Ｈを通り抜けることによって、蒸気Ｓがシールフィン５の先端近傍を迂回するように流れる。この蒸気Ｓの流れと剥離渦ＳＶとにより、縮流効果が強まり、擬似的な隙間Ｖ１が小さくなるため、漏洩流量を低減することができる。

【0038】

一方、図５（ｂ）に示すように、従来の傾斜の無いシールフィン１０５の場合、シールフィン１０５上において径方向外周側から径方向内周側に向かって流れる蒸気Ｓは、迂回量が小さいため、本実施形態のシールフィン５と比較すると擬似的な隙間Ｖ２は大きく、漏洩流量は、本実施形態のシール構造よりも大きくなる。

【0039】

上記実施形態によれば、シールフィン５上において上流側から下流側に向かって流れる蒸気Ｓが、シールフィン５の先端近傍の傾斜により上流側に戻されつつ、微小隙間Ｈを通り抜けることによって、蒸気Ｓがシールフィン５の先端近傍を迂回するように流れる。この蒸気Ｓの流れと剥離渦ＳＶとにより、縮流効果を強め、漏洩流量を低減することができる。

【0040】

また、微小隙間をＨとし、シールフィン５と、ステップ部５２の軸方向上流側における段差面５３との間の距離をＬとすると、数式１．８＜Ｌ／Ｈ＜２．２を満たすように設定した。これにより、後述するシミュレーション結果に示すように、剥離渦ＳＶによる縮流効果がより高くなり、漏洩流量をさらに低減することができる。

【0041】

また、シールフィン５の全体の角度が、径方向において環状凹部１３から所定距離の領域Ｒ１まで連続的に変化していることにより、発生した主渦ＭＶや剥離渦ＳＶの流れがシールフィン５によって阻害されにくくなるため、シールフィン５の先端部近傍の傾斜の効果をより強めることができる。

【0042】

なお、上述した効果は、図６に示すように、発明者が実施した実験の結果からも明らかである。
図６に示すグラフは、ステップ部５２における縦横比Ｌ／Ｈと、対応する微小隙間Ｈを通過する蒸気Ｓの流量係数Ｃｄとの関係について実験した結果である。このグラフでは、流量係数Ｃｄが小さいほど、微小隙間Ｈを通過する蒸気Ｓの流量が小さいことを示している。
このグラフによれば、微小隙間Ｈについて、流量係数Ｃｄを最小とする縦横比Ｌ／Ｈの最適値が存在することが分かる。微小隙間Ｈにおける縦横比Ｌ／Ｈの最適値は２．０である

【0043】

以上、本発明の詳細について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

【符号の説明】

【0044】

１ 蒸気タービン
２ シール構造
５（５Ａ〜５Ｃ） シールフィン
１０ ケーシング（ステータ）
１１ 仕切板外輪
１２ 環状溝
１３（１３Ａ〜１３Ｃ） 環状凹部（内周面）
１４ 端縁部
１８ 折曲点
１９ 折曲部
２０ 蒸気供給管
２１ 主流入口
２２ 蒸気排出管
３０ 回転軸
３１ 回転軸本体
４０ 静翼
５０ 動翼
５１ シュラウド（ロータ）
５２（５２Ａ〜５２Ｃ） ステップ部
５３（５３Ａ〜５３Ｃ） 段差面
５４（５４Ａ〜５４Ｃ） 外周面
６０ 軸受部
６１ ジャーナル軸受装置
６２ スラスト軸受装置
Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３） キャビティ
Ｄ 径方向寸法
Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３） 微小隙間
Ｌ 距離
ＭＶ 主流
Ｓ 蒸気
ＳＶ 剥離流
Ｗ 軸方向寸法

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】