特許 6344735 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】6344735

(24)【登録日】2018年6月1日

(45)【発行日】2018年6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】

   F16J 15/447 20060101AFI20180611BHJP

   F01D 11/02 20060101ALI20180611BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/447

   F01D11/02

【請求項の数】10

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-15879(P2014-15879)

(22)【出願日】2014年1月30日

(65)【公開番号】特開2015-140916(P2015-140916A)

(43)【公開日】2015年8月3日

【審査請求日】2016年5月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(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】西川 豊治

(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

(72)【発明者】

【氏名】西本 慎

(72)【発明者】

【氏名】松本 和幸

(72)【発明者】

【氏名】上原 秀和

【審査官】 谷口 耕之助

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００７２４８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１１／１２２０９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１２４５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０９４３８４９（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０２８８３６０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｊ １５／４４７

Ｆ０１Ｄ １１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、
前記第一構造体と前記第二構造体の一方に形成された前記軸線に対して平行な同一径の円筒形状の周面と、
前記第一構造体と前記第二構造体の他方に形成された前記軸線に対して平行な第二周面と、
前記第二周面に設けられて、前記周面に向かって突出して前記周面との間にクリアランスを形成するとともに前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、
前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間に、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリーク流が再付着する再付着縁を形成するとともに、前記再付着縁に再付着した後の流れを前記上流側のシールフィンに戻す前記第二周面と、前記第二周面に沿う流れを前記周面に戻す前記上流側のシールフィンとに囲まれ、前記上流側のシールフィンに沿って前記周面に向かって流れる渦が生成される第一キャビティ、及び、下流側のシールフィンに衝突して前記クリアランスに向かって流れることで前記クリアランスに対して縮流効果を生じる流れが生成される第二キャビティを形成する突部と、を備え、
前記シールフィンの前記軸線方向の幅は、前記突部の前記軸線方向の幅よりも小さく、
前記複数のシールフィンの前記間隔をＬ１、前記突部の軸線方向の幅をＬ２とすると、比Ｌ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であり、前記第二キャビティの前記シールフィン先端からの径方向の深さをＨ２とすると、比Ｈ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であることを特徴とするシール構造。

【請求項2】

前記突部は、前記シールフィンの上流側に接続され、前記第二周面と前記再付着縁との間に延在する円板面と、前記再付着縁と前記シールフィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の面である円筒面とを有し、周方向から見た断面形状が矩形状をなす部材であ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】

前記突部の再付着縁は、前記円筒面から前記周面に向かって突出するとともに周方向に延在する突条であることを特徴とする請求項２に記載のシール構造。

【請求項4】

前記突部は、前記シールフィンの上流側の面に接続され、前記再付着縁と前記シールフィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の部材であり、前記突部と前記第二周面との間に渦が形成される第三キャビティを形成す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5】

第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、
前記第一構造体と前記第二構造体の一方に形成された前記軸線に対して平行な周面と、
前記第一構造体と前記第二構造体の他方に形成された前記軸線に対して平行な第二周面と、
前記第二周面に設けられて、前記周面に向かって突出して前記周面との間にクリアランスを形成するとともに前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、
前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間に、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリーク流が再付着する再付着縁を形成するとともに、前記再付着縁に再付着した後の流れを前記上流側のシールフィンに戻す前記第二周面と、前記第二周面に沿う流れを前記周面に戻す前記上流側のシールフィンとに囲まれ、前記上流側のシールフィンに沿って前記周面に向かって流れる渦が生成される第一キャビティ、及び、下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる流れが生成される第二キャビティを形成する突部と、を備え、
前記突部は、前記シールフィンの上流側に接続され、前記第二周面と前記再付着縁との間に延在する円板面と、前記再付着縁と前記シールフィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の面である円筒面とを有し、周方向から見た断面形状が矩形状をなす部材であり、
前記突部の再付着縁は、前記円筒面から前記周面に向かって突出するとともに周方向に延在する突条であり、
前記複数のシールフィンの前記間隔をＬ１、前記突部の軸線方向の幅をＬ２とすると、比Ｌ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であり、前記第二キャビティの前記シールフィン先端からの径方向の深さをＨ２とすると、比Ｈ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であることを特徴とするシール構造。

【請求項6】

第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、
前記第一構造体と前記第二構造体の一方に形成された前記軸線に対して平行な周面と、
前記第一構造体と前記第二構造体の他方に形成された前記軸線に対して平行な第二周面と、
前記第二周面に設けられて、前記周面に向かって突出して前記周面との間にクリアランスを形成するとともに前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、
前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間に、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリーク流が再付着する再付着縁を形成するとともに、前記再付着縁に再付着した後の流れを前記上流側のシールフィンに戻す前記第二周面と、前記第二周面に沿う流れを前記周面に戻す前記上流側のシールフィンとに囲まれ、前記上流側のシールフィンに沿って前記周面に向かって流れる渦が生成される第一キャビティ、及び、下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる流れが生成される第二キャビティを形成する突部と、を備え、
前記突部は、前記シールフィンの上流側の面に接続され、前記再付着縁と前記シールフィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の部材であり、前記突部と前記第二周面との間に渦が形成される第三キャビティを形成し、
前記複数のシールフィンの前記間隔をＬ１、前記突部の軸線方向の幅をＬ２とすると、比Ｌ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であり、前記第二キャビティの前記シールフィン先端からの径方向の深さをＨ２とすると、比Ｈ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であることを特徴とするシール構造。

【請求項7】

前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間において、前記第二周面上であって、前記軸線方向において前記上流側のシールフィンと前記再付着縁との間に、前記周面に向かって突出するとともに周方向に延在し、前記第三キャビティに生成される渦の生成を促進する第二突条部が形成されていることを特徴とする請求項４又は請求項６に記載のシール構造。

【請求項8】

第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、
前記第一構造体と前記第二構造体の一方に形成された前記軸線に対して平行な周面と、
前記第一構造体と前記第二構造体の他方に形成された前記軸線に対して平行な第二周面と、
前記第二周面に設けられて、前記周面に向かって突出して前記周面との間にクリアランスを形成するとともに前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、
前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間に、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリーク流が再付着する再付着縁を形成するとともに、前記再付着縁に再付着した後の流れを前記上流側のシールフィンに戻す前記第二周面と、前記第二周面に沿う流れを前記周面に戻す前記上流側のシールフィンとに囲まれ、前記上流側のシールフィンに沿って前記周面に向かって流れる渦が生成される第一キャビティ、及び、下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる流れが生成される第二キャビティを形成する突部と、を備え、
前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間において、前記周面の面上であって、前記軸線方向において前記上流側のシールフィンと前記再付着縁との間に、前記第二周面に向かって突出するとともに周方向に延在し、前記第二キャビティに前記下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる渦が生成される第三突条部が形成されており、
前記複数のシールフィンの前記間隔をＬ１、前記突部の軸線方向の幅をＬ２とすると、比Ｌ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であり、前記第二キャビティの前記シールフィン先端からの径方向の深さをＨ２とすると、比Ｈ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であることを特徴とするシール構造。

【請求項9】

前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間において、前記周面の面上であって、前記軸線方向において前記上流側のシールフィンと前記再付着縁との間に、前記第二周面に向かって突出するとともに周方向に延在し、前記第二キャビティに前記下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる渦が生成される第三突条部が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシール構造。

【請求項10】

請求項１から請求項９のいずれか一項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、蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械において相対回転する構造体間の隙間をシールするシール構造、及びこのシール構造を備える回転機械に関する。

【背景技術】

【0002】

蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械においては、静止側と回転側との間にできる隙間から蒸気などの作動流体が漏洩するのを防止するために、ラビリンスシールなどの非接触型のシール構造が用いられている（例えば、特許文献１参照）。ラビリンスシールとしては、直通型とステップ型（階段型）のものが知られている。

【0003】

直通型ラビリンスシールは、動翼の先端に設けられ、回転機械の外郭をなすケーシングの内周面と平行となるように形成されたシュラウドと、ケーシングの内周面に動翼に向かって伸びるシールフィンとを有し、上流側から下流側までが通して見えるような構造を持つシール構造である。
ステップ型ラビリンスシールは、特許文献１に開示されているように、ケーシングの内周面に動翼に向かって伸びるシールフィンと、動翼の先端に設けられたステップ状のシュラウドとを有するシール構造である。
シールフィンの数、及びシールフィンの先端とシュラウドの外周面との間の間隙（フィンクリアランス）の寸法が同じである場合、ステップ型ラビリンスシールの方が直線型と比較してシール性能が高いと言われている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平２−２４５５８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、ステップ型の場合、回転側と静止側の伸び差が発生した場合、ステップとシールフィンとが接触する可能性があるという課題がある。また、ステップ型は直通型と比較して製造コストが高いという課題がある。

【0006】

ところで、直通型ラビリンスシールがステップ型と比較して性能が劣る要因として、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリークジェット（漏れ流、リーク流）が、大きな運動エネルギーを持ったまま、下流側のシールフィンのクリアランスに到達する吹き抜け効果が考えられる。吹き抜けが増加することによってシール性能が悪化するため、吹き抜けを抑制する構造を有する直通型ラビリンスシールが望まれている。

【0007】

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、静止側と回転側との間にできる隙間から漏洩するリークジェットを低減して、シール性能を安定させることができる回転機械を提供することにある。

【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、第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、前記第一構造体と前記第二構造体の一方に形成された前記軸線に対して平行な同一径の円筒形状の周面と、前記第一構造体と前記第二構造体の他方に形成された前記軸線に対して平行な第二周面と、前記第二周面に設けられて、前記周面に向かって突出して前記周面との間にクリアランスを形成するとともに前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間に、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリーク流が再付着する再付着縁を形成するとともに、前記再付着縁に再付着した後の流れを前記上流側のシールフィンに戻す前記第二周面と、前記第二周面に沿う流れを前記周面に戻す前記上流側のシールフィンとに囲まれ、前記上流側のシールフィンに沿って前記周面に向かって流れる渦が生成される第一キャビティ、及び、下流側のシールフィンに衝突して前記クリアランスに向かって流れることで前記クリアランスに対して縮流効果を生じる流れが生成される第二キャビティを形成する突部と、を備え、前記シールフィンの前記軸線方向の幅は、前記突部の前記軸線方向の幅よりも小さく、前記複数のシールフィンの前記間隔をＬ１、前記突部の軸線方向の幅をＬ２とすると、比Ｌ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であり、前記第二キャビティの前記シールフィン先端からの径方向の深さをＨ２とすると、比Ｈ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であることを特徴とする。

【0009】

上記構成によれば、クリアランスを通過したリーク流れが、突部の再付着縁に安定的に再付着する。再付着によりリーク流を拡散させることで、リーク流の運動エネルギーを損失させることができる。また、第一キャビティに生成される渦によって、リーク流の拡散の効果を増大させることができる。また、第二キャビティに生成される流れが起こす縮流の効果と運動エネルギー損失の効果によって、クリアランスを通過するリーク流を低減することができる。即ち、第一構造体と第二構造体との間の隙間から漏洩するリーク流を低減して、シール性能を安定させることができる。
また、第一構造体と第二構造体のうち他方を軸線に対して平行な面とすることによって、第一構造体と第二構造体との間に伸び差が発生した場合においても、第一構造体と第二構造体とが接触することがない。

【0010】

上記シール構造において、前記突部は、前記シールフィンの上流側に接続され、前記一方と前記再付着縁との間に延在する円板面と、前記再付着縁と前記シールフィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の面である円筒面とを有し、周方向から見た断面形状が矩形状をなす部材である構成としてもよい。

【0011】

上記構成によれば、再付着縁の位置が固定されてリーク流の再付着点を安定させることができる。

【0012】

上記シール構造において、前記突部の再付着縁は、前記円筒面から前記周面に向かって突出するとともに周方向に延在する突条としてもよい。

【0013】

上記構成によれば、再付着縁が突条とされていることによって、第一キャビティに生成される渦と第二キャビティに生成される流れが安定して形成される。これにより、リーク流の低減効果を促進させることができる。

【0014】

上記シール構造において、前記突部は、前記シールフィンの上流側の面に接続され、前記再付着縁と前記シールフィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の部材であり、前記突部と前記一方の面との間に渦が形成される第三キャビティを形成する構成としてもよい。
上記構成によれば、突部の体積を低減してシールフィンの軽量化が可能となる。

【0015】

上記シール構造において、前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間において、前記一方の面上であって、前記軸線方向において前記上流側のシールフィンと前記再付着縁との間に、前記他方に向かって突出するとともに周方向に延在し、前記第三キャビティに生成される渦の生成を促進する第二突条部が形成されている構成としてもよい。

【0016】

上記構成によれば、一方の面上に第二突条部が設けられていることによって、第三キャビティに生成される渦の生成を促進させることができる。

【0017】

上記シール構造において、前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間において、前記他方の面上であって、前記軸線方向において前記上流側のシールフィンと前記再付着縁との間に、前記一方に向かって突出するとともに周方向に延在し、前記第二キャビティに前記下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる渦が生成される突条部が形成されている構成としてもよい。

【0018】

上記構成によれば、リーク流の吹き抜けを防止するとともに、第二キャビティに生成される渦によって、運動エネルギーの散逸が促進されるとともに、縮流が強まり、リーク流の流量をより低減することができる。

【0019】

本発明の第二の態様によれば、シール構造は、第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、前記第一構造体と前記第二構造体の一方に形成された前記軸線に対して平行な周面と、前記第一構造体と前記第二構造体の他方に形成された前記軸線に対して平行な第二周面と、前記第二周面に設けられて、前記周面に向かって突出して前記周面との間にクリアランスを形成するとともに前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間に、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリーク流が再付着する再付着縁を形成するとともに、前記再付着縁に再付着した後の流れを前記上流側のシールフィンに戻す前記第二周面と、前記第二周面に沿う流れを前記周面に戻す前記上流側のシールフィンとに囲まれ、前記上流側のシールフィンに沿って前記周面に向かって流れる渦が生成される第一キャビティ、及び、下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる流れが生成される第二キャビティを形成する突部と、を備え、前記突部は、前記シールフィンの上流側に接続され、前記他方と前記再付着縁との間に延在する円板面と、前記再付着縁と前記シールフィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の面である円筒面とを有し、周方向から見た断面形状が矩形状をなす部材であり、前記突部の再付着縁は、前記円筒面から前記周面に向かって突出するとともに周方向に延在する突条であり、前記複数のシールフィンの前記間隔をＬ１、前記突部の軸線方向の幅をＬ２とすると、比Ｌ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であり、前記第二キャビティの前記シールフィン先端からの径方向の深さをＨ２とすると、比Ｈ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であることを特徴とする。
本発明の第三の態様によれば、シール構造は、第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、前記第一構造体と前記第二構造体の一方に形成された前記軸線に対して平行な周面と、前記第一構造体と前記第二構造体の他方に形成された前記軸線に対して平行な第二周面と、前記第二周面に設けられて、前記周面に向かって突出して前記周面との間にクリアランスを形成するとともに前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間に、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリーク流が再付着する再付着縁を形成するとともに、前記再付着縁に再付着した後の流れを前記上流側のシールフィンに戻す前記第二周面と、前記第二周面に沿う流れを前記周面に戻す前記上流側のシールフィンとに囲まれ、前記上流側のシールフィンに沿って前記周面に向かって流れる渦が生成される第一キャビティ、及び、下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる流れが生成される第二キャビティを形成する突部と、を備え、前記突部は、前記シールフィンの上流側の面に接続され、前記再付着縁と前記シールフィンとの間に延在する前記軸線と同心の円筒状の部材であり、前記突部と前記他方の面との間に渦が形成される第三キャビティを形成し、前記複数のシールフィンの前記間隔をＬ１、前記突部の軸線方向の幅をＬ２とすると、比Ｌ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であり、前記第二キャビティの前記シールフィン先端からの径方向の深さをＨ２とすると、比Ｈ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であることを特徴とする。
本発明の第四の態様によれば、シール構造は、第一構造体と、前記第一構造体に径方向に対向するとともに前記第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体との間の隙間をシールするシール構造であって、前記第一構造体と前記第二構造体の一方に形成された前記軸線に対して平行な周面と、前記第一構造体と前記第二構造体の他方に形成された前記軸線に対して平行な第二周面と、前記第二周面に設けられて、前記周面に向かって突出して前記周面との間にクリアランスを形成するとともに前記軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間に、上流側のシールフィンのクリアランスを通過したリーク流が再付着する再付着縁を形成するとともに、前記再付着縁に再付着した後の流れを前記上流側のシールフィンに戻す前記第二周面と、前記第二周面に沿う流れを前記周面に戻す前記上流側のシールフィンとに囲まれ、前記上流側のシールフィンに沿って前記周面に向かって流れる渦が生成される第一キャビティ、及び、下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる流れが生成される第二キャビティを形成する突部と、を備え、前記軸線方向に隣り合う一対の前記シールフィンの間において、前記周面の面上であって、前記軸線方向において前記上流側のシールフィンと前記再付着縁との間に、前記他方に向かって突出するとともに周方向に延在し、前記第二キャビティに前記下流側のシールフィンのクリアランスに対して縮流効果を生じる渦が生成される第三突条部が形成されており、前記複数のシールフィンの前記間隔をＬ１、前記突部の軸線方向の幅をＬ２とすると、比Ｌ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であり、前記第二キャビティの前記シールフィン先端からの径方向の深さをＨ２とすると、比Ｈ２／Ｌ１は、０．０５〜０．３であることを特徴とする。
また、本発明は上記いずれかのシール構造を備えた回転機械を提供する。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、第一構造体と第二構造体との間の隙間から漏洩するリーク流を低減して、シール性能を安定させることができる。また、第一構造体と第二構造体との間に伸び差が発生した場合においても、第一構造体と第二構造体とが接触することがない。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの概略構成を示す断面図である。

【図2】本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図であり、図１のＩの拡大断面図である。

【図3】本発明の第一実施形態のシール構造におけるリークジェットと渦の挙動を説明する概略図である。

【図4】本発明の第一実施形態の下流シールフィンとベース面との間の下流間隙を通過するリークジェットの詳細説明図である。

【図5】本発明の第一実施形態のシール構造のシールフィンの形状を説明する断面図である。

【図6】本発明の第一実施形態のシール構造のシールフィンの形状を決定するパラメータについて説明する断面図である。

【図7】本発明の第二実施形態のシール構造の断面図である。

【図8】本発明の第三実施形態のシール構造の断面図である。

【図9】本発明の第四実施形態のシール構造の断面図である。

【図10】本発明の第四実施形態の第一の変形例のシール構造の断面図である。

【図11】本発明の第四実施形態の第二の変形例のシール構造の断面図である。

【図12】本発明の第五実施形態のシール構造の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態の回転機械である蒸気タービンについて図面に基づき説明する。
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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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と呼ばれている。

【0028】

図２に示すように、仕切板外輪１１の軸方向下流側には、仕切板外輪１１の内周部から拡径されケーシング１０の内周面を底面１３とする円筒状の環状溝１２が形成されている。環状溝１２には、シュラウド５１が収容され、底面１３は、シュラウド５１と隙間Ｇｄを介して径方向に対向している。
シュラウド５１は、底面１３と平行をなす円筒形状の外周面４を有している。換言すれば、シュラウド５１は、回転軸３０軸線Ｏ（図１参照）に対して平行な面をなしている。

【0029】

底面１３には、シュラウド５１の外周面４に向けて径方向に延出する複数のシールフィン５が設けられている。図２にはこのうち、三つのシールフィン５ａ，５ｂ，５ｃを示す。シールフィン５は、軸方向に所定間隔をおいて、それぞれシュラウド５１の外周面４に向けて、底面１３から径方向内周側に延出しており、周方向に延びている。
即ち、本実施形態のケーシング１０と動翼５０との間の隙間Ｇｄには、直通型ラビリンスシールであるシール構造２が設けられている。直通型ラビリンスシールとされていることによって、シール構造２は、上流側から下流側までが通して見えるような構造となっている。

【0030】

これらシールフィン５は、シュラウド５１と微小間隙ｍ（フィンクリアランス）を径方向に形成している。以下、複数のシールフィン５の中で軸方向に隣り合う一対のシールフィン５のうち、上流側のシールフィン５ａ（以下、上流シールフィンと呼ぶ）と外周面４との間の間隙を上流間隙ｍＡ、下流側のシールフィン５ｂ（以下、下流シールフィンと呼ぶ）と外周面４との間の間隙を下流間隙ｍＢと呼ぶ。

【0031】

これら微小間隙ｍ（ｍＡ，ｍＢ）の各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量や動翼５０の遠心伸び量等を考慮して、シールフィン５と動翼５０とが接触することがない範囲で設定されている。

【0032】

各々のシールフィン５の上流側の面には、突起７（突部）が一体に取り付けられている。突起７は、周方向から見た断面形状が矩形状をなす中実の部材であり、シールフィン５とともに周方向に延在している。
突起７は、シールフィン５の上流側にて軸線方向に直交する円板面８と、円板面８と直交するとともに周方向に延在する、軸線と同心の円筒状の面である円筒面９と、を有している。円板面８と円筒面９とが交わる稜線は、再付着縁１５とされている。換言すれば、円板面８と円筒面９は、再付着縁１５の位置を確定するための面である。

【0033】

突起７をこのような形状とすることによって、上流シールフィン５ａと下流シールフィン５ｂとの間の空間には、上流シールフィン５ａと突起７の円板面８と外周面４とによって形成された第一キャビティ１７と、下流シールフィン５ｂと、突起７の円筒面９と、外周面４とによって形成された第二キャビティ１８と、が形成される。
シールフィン５の端部側からみると、第一キャビティ１７は、径方向に深く、第二キャビティ１８は、第一キャビティ１７と比較して径方向に浅いキャビティである。

【0034】

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。

【0035】

各段の環状静翼群において蒸気Ｓは、静翼４０を通過しながらその周方向速度成分が増大する。この蒸気Ｓのうち大部分の蒸気ＳＭ（図２参照）は、動翼間に流入し、蒸気ＳＭのエネルギーが回転エネルギーに変換されて回転軸３０に回転が付与される。
一方、蒸気Ｓのうち一部（例えば、約数％）のリークジェットＳＬ（漏れ流、リーク流）は、静翼４０から流出した後、強い周方向成分を維持した状態（旋回流）で環状溝１２に流入する。

【0036】

図３に示すように、上流シールフィン５ａの上流間隙ｍＡを通過したリークジェットＳＬは、下流シールフィン５ｂに形成された突起７の再付着縁１５に安定的に再付着する。即ち、リークジェットＳＬが上流シールフィン５ａと下流シールフィン５ｂとの間でより拡散してリークジェットＳＬの運動エネルギーが損失する。

【0037】

また、リークジェットＳＬが、再付着縁１５に再付着することにより、第一キャビティ１７に渦Ｂ１が形成される。これにより、リークジェットＳＬの拡散の効果が増大して、リークジェットＳＬの運動エネルギーの損失も促進される。
また、リークジェットＳＬが、再付着縁１５に再付着する流れにより、第二キャビティ１８に縮流効果を生じる流れＢ２が生成される。ここで、縮流とは、流体が間隙を通過することによって、流れの幅が狭められることをいい、縮流が強められることによって、流体は間隙を通過しにくくなる。
図４に示すように、この流れＢ２は、下流シールフィン５ｂに衝突して下流間隙ｍＢを通過するリークジェットＳＬ２を縮流させるため、リークジェットＳＬ２が低減される。

【0038】

ここで、別の観点から、本実施形態のシールフィンの形状を説明する。
既存の技術として、隣り合う一対のシールフィン同士の間隔（フィンピッチ）、及び微小隙間が同じ場合、一対のシールフィン及び底面で形成されるキャビティの深さが浅い方がリークジェットの流量が小さくなることが知られている。これは、キャビティの深さが浅い方がリークジェットが底面に再付着し易くなるため、拡散角度が大きくなるとともに、運動エネルギーの散逸が大きくなるからである。キャビティの深さが深い場合、リークジェットは底面ではなく、下流側のシールフィンに付着するため、拡散角度は小さくなり、運動エネルギーの散逸は小さくなってしまう。
フィンピッチをＬ１、キャビティの深さをＨとすると、これらの比であるＨ／Ｌ１を０．２５前後とすることによって、リークジェットの流量を小さくすることができることが知られている。

【0039】

本実施形態のキャビティの形状は、図５に示すように、浅溝のキャビティＣ１の上流側に凹部Ｃ２を設け、キャビティＣ１の上流側の深さを深くしたような形状と説明することもできる。このような形状とすることによって、再付着縁１５が形成され、この再付着縁１５が安定的な再付着点となる。
凹部Ｃ２がない場合の再付着点をＰとすると、再付着点は、上流側に移動することになる。即ち、再付着点の上流側への移動により、更に拡散角度が大きくなり、リークジェットＳＬの運動エネルギーを散逸させることができる。

【0040】

次に、再付着縁１５をはじめ、本実施形態のシール構造２の形状を特定する寸法について説明する。
再付着縁１５の位置は、上流間隙ｍＡを通過したリークジェットＳＬが再付着しやすい位置に設定される。例えば、再付着縁１５の位置は、蒸気タービン１の仕様、例えば、シュラウド５１と底面１３との間隔、リークジェットＳＬの流量などに応じて数値流体力学（ＣＦＤ，Computational Fluid Dynamics）を用いた解析などを用いて適宜計算される。

【0041】

本実施形態のシール構造２は、４つのパラメータによって規定することができる。図６を用いて、４つのパラメータについて説明する。
第一のパラメータは、フィンピッチＬ１に対する突起７の幅Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１である。フィンピッチＬ１とは、上流シールフィン５ａと下流シールフィン５ｂとの間の間隔である。突起７の幅とは、突起７の円板面８とシールフィン５との軸方向の間隔である。

【0042】

第二のパラメータは、フィンピッチＬ１に対する第二キャビティ１８の深さＨ２の比Ｈ２／Ｌ１である。第二キャビティ１８の深さＨ２とは、径方向におけるシールフィン５の端部と突起７の円筒面９との間隔である。
第三のパラメータは、フィンピッチＬ１に対する第一キャビティ１７の深さＨ１の比Ｈ１／Ｌ１である。第一キャビティ１７の深さＨ１とは、径方向におけるシールフィン５の端部と底面１３との間隔である。
第四のパラメータは、クリアランスＣＬに対するフィンピッチＬ１の比Ｌ１／ＣＬである。

【0043】

第一のパラメータであるフィンピッチＬ１に対する突起７の幅Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１は、例えば、０．０５〜０．３とすることが好ましい。例えばＬ２／Ｌ１を０．５などとし、突起７の幅Ｌ２を厚くすることは、上流側のシールフィン５ａの端部から、再付着縁１５１５に向かう角度αが大きくなりすぎて、リークジェットＳＬが再付着縁１５に再付着しなくなるため好ましくない。

【0044】

第二のパラメータであるフィンピッチＬ１に対する第二キャビティ１８の深さＨ２の比Ｈ２／Ｌ１は、例えば、０．０５〜０．３とすることが好ましい。例えば、Ｈ２／Ｌ１を０．５などとし、第二キャビティ１８の深さＨ２を深くすることは、角度αが大きくなりすぎて、リークジェットＳＬが再付着縁１５に再付着しなくなるため好ましくない。

【0045】

第三のパラメータであるフィンピッチＬ１に対する第一キャビティ１７の深さＨ１の比Ｈ１／Ｌ１は、大きければ大きい程、フィンピッチＬ１が小さくなるため好ましく、０．５以上とすることが好ましい。
第四のパラメータであるクリアランスＣＬに対するフィンピッチＬ１の比Ｌ１／ＣＬは、クリアランスＣＬが停止時と運転時で異なるほか、運転条件によっても変動するため、特に規定しないが、装置の詳細な仕様が決定してから設定することが好ましい。

【0046】

上記実施形態によれば、微小間隙ｍを通過したリークジェットＳＬが、突起７の再付着縁１５に安定的に再付着する。再付着によりリークジェットＳＬを拡散させることで、リークジェットＳＬの運動エネルギーを損失させることができる。
また、第一キャビティに生成される渦Ｂ１によって、リークジェットＳＬの拡散の効果を増大させることができる。また、第二キャビティに生成される流れＢ２が起こす縮流の効果と運動エネルギー損失の効果によって、下流間隙ｍＢを通過するリークジェットＳＬを低減することができる。

【0047】

また、シール構造を通過型ラビリンスシールとすることによって、回転側である回転軸３０と静止側であるケーシングとの間に伸び差が発生した場合においても、回転側と静止側とが接触することがない。
また、突起７を周方向からみて矩形状の部材としたことによって、再付着縁１５の位置が固定されてリークジェットＳＬの再付着点を安定させることができる。

【0048】

なお、本実施形態の円板面８は、その主面が軸線Ｏに直交するように形成されているが、再付着縁１５の位置を設定どおりに維持できればこの限りではない。例えば、円板面８は、径方向外周側に向かうに従って、上流側に傾斜するような形状としてもよい。
同様に、本実施形態の円筒面９も下流側に向かうに従って、径方向内周側に傾斜するような形状としてもよい。
また、突起７は中実とせず、中空構造としてもよい。

【0049】

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態のシール構造を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図７に示すように、本実施形態のシール構造２Ｂの突起７Ｂには、円筒面９の上流側端部からシュラウド５１の外周面４に向かって突出するとともに周方向に延在する突条であるフィン側突条部２４が形成されている。換言すれば、突起７の再付着縁１５は、円筒面９からシュラウド５１に向かって突出するとともに周方向に延在する突条であるフィン側突条部２４である。

【0050】

上流間隙ｍＡを通過したリークジェットＳＬは、下流シールフィン５ｂの再付着縁１５に再付着する。この際、再付着縁１５が径方向内周側に向かって突出していることによって、渦Ｂ１と流れＢ２とが明確に分離される。即ち、渦Ｂ１と流れＢ２が安定して形成される。

【0051】

上記実施形態によれば、フィン側突条部２４によって第一キャビティに生成される渦Ｂ１と第二キャビティに生成される流れＢ２が安定して形成されることによって、リークジェットＳＬの低減効果を促進させることができる。

【0052】

（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態のシール構造を図面に基づいて説明する。
図８に示すように、本実施形態のシール構造２Ｃのシュラウド５１の外周面４には、軸方向において上流シールフィン５ａと再付着縁１５との間に、底面１３に向かって突出するとともに周方向に延在する突条である回転側突条部２５（第三突条部）が形成されている。
換言すれば、回転側であるシュラウド５１の外周面４には、外周面４に沿って流れる流体を外周面４から剥離させるように形成された回転側突条部２５が形成されている。

【0053】

突条部２５は、外周面４からの径方向の高さが微小間隙ｍの寸法より低く形成されている。即ち、突条部２５は、回転側である回転軸３０と静止側であるケーシング１０との間に伸び差が発生した場合においても回転側突条部２５とシールフィン５とが接触しないような高さとされている。

【0054】

上流間隙ｍＡを通過したリークジェットＳＬが回転側突条部２５に衝突することによって、リークジェットＳＬの吹き抜けが低減される。詳しくは、再付着縁１５に再付着することなく上流間隙ｍＡから下流間隙ｍＢへ向かって吹き抜けようとするリークジェットＳＬが、シュラウド５１の外周面４に形成された回転側突条部２５に衝突する。これにより、直通型ラビリンスシールにおける吹き抜け効果を抑制することができる。
また、回転側突条部２５にてリークジェットＳＬの吹き抜けが低減されることによって、第二キャビティ１８に渦Ｂ３が生成される。下流シールフィン５ｂの上流側に渦Ｂ３が発生することで、運動エネルギーの散逸が促進されるとともに、縮流が強まり、リークジェットＳＬの流量をより低減することができる。

【0055】

なお、回転側突条部２５の軸方向の位置は、再付着縁１５に再付着するリークジェットＳＬの吹き抜けを防止するとともに、第二キャビティ１８に生成される渦Ｂ３の生成を阻害しないような位置に適宜設定されている。

【0056】

上記実施形態によれば、リークジェットＳＬの吹き抜けを防止するとともに、第二キャビティ１８に生成される渦Ｂ３によって、運動エネルギーの散逸が促進されるとともに、縮流が強まり、リークジェットＳＬの流量をより低減することができる。

【0057】

（第四実施形態）
以下、本発明の第四実施形態のシール構造を図面に基づいて説明する。
図９に示すように、本実施形態のシール構造２Ｄの突起７Ｄは、シールフィン５の上流側の面から上流側に突出するとともに、周方向に延在する円筒状の部材である。換言すれば、突起７Ｄは、シールフィン５上流側の面に接続され、再付着縁１５とシールフィン５との間に延在する軸線Ｏ（図１参照）と同心の円筒状の部材である。
上流間隙ｍＡを通過したリークジェットＳＬは、第一実施形態と同様に、突起７Ｄの上流側の端部である再付着縁１５に再付着する。これにより、渦Ｂ１、流れＢ２に加え、突起７Ｄと底面１３との間の空間である第三キャビティ１９にも渦Ｂ４が形成される。

【0058】

上記実施形態によれば、第一実施形態とは異なる形状の突起で、第一実施形態のシール構造２と同様の効果を得ることができる。具体的には、突起の体積を低減してシールフィンの軽量化が可能となる。

【0059】

次に、第四実施形態の第一の変形例のシール構造について説明する。
図１０に示すように、第四実施形態の第一の変形例のシール構造２Ｄは、第四実施形態のシール構造２Ｄの底面１３に三角形状の突条である三角突条部２６（第二突条部）を形成して、渦の安定を図る構成である。
具体的には、三角突条部２６は、底面１３上であって、軸線方向において上流シールフィン５ａと再付着縁１５との間に、回転側であるシュラウド５１の外周面４に向かって突出するとともに周方向に延在する突条である。三角突条部２６は、径方向内周側から外周側に向かう流れを軸方向上流側と下流側とに分断するような、一対の斜面２７を有している。

【0060】

上記変形例によれば、底面１３に三角突条部２６が設けられていることによって、第三キャビティ１９に生成される渦Ｂ４の生成を促進させることができる。

【0061】

次に、第四実施形態の第二の変形例のシール構造について説明する。
図１１に示すように、第四実施形態の第二の変形例のシール構造２Ｄは、第一の変形例のシール構造の構成に加えて、第三実施形態のシール構造２Ｃの回転側突条部２５を設けた構成である。
上記変形例によれば、第四実施形態の第一の変形例の効果に加えて、リークジェットＳＬの吹き抜けを防止するとともに、第二キャビティ１８に生成される渦Ｂ３によって、運動エネルギーの散逸が促進されるとともに、縮流が強まり、リークジェットＳＬの流量をより低減することができる。

【0062】

（第五実施形態）
以下、本発明の第五実施形態のシール構造を図面に基づいて説明する。
なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図１２に示すように、本実施形態のシール構造２Ｅの突起７Ｅの円筒面９Ｅは、下流側に向かうに従って、シュラウド５１の外周面４からの距離が大きくなるように形成されている。即ち、本実施形態の突起７Ｅは、第一実施形態の突起７に、再付着縁１５から下流側に向かうに従って第二キャビティ１８の深さが深くなるような切込みが形成されている形状とされている。
再付着縁１５の位置は第一実施形態の再付着縁１５と同様の方法で定義されている。
上記実施形態によれば、リークジェットＳＬの拡散効果が高まり、下流間隙ｍＢを通過するリークジェットＳＬを低減することができる。

【0063】

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。
例えば、上記各実施形態では、動翼５０の先端側（回転側）に設けられたシュラウド５１と、環状溝１２の底面１３（静止側）に設けられたシールフィン５とでラビリンスシールを構成したが、これに限ることはない。例えば、回転側である動翼の側にシールフィンを設けてもよい。
また、動翼が設けられていない回転軸とケーシングとの間の隙間をシールするラビリンスシールに適用してもよい。例えば、タービン車室とローター間の軸封シールや、軸流圧縮機のブレード-ケーシング間のシール、遠心圧縮機ケーシング−インペラ間のシールなどに適用することができる。
換言すれば、上記各実施形態のシール構造は、第一構造体に隙間を介して径方向に対向するとともに、第一構造体に対して軸線回りに相対回転する第二構造体と、第一構造体と第二構造体とのいずれか一方に設けられて、他方に向かって突出して他方との間に微小隙間を形成するとともに軸線方向に間隔をあけて設けられた複数のシールフィンと、を備える回転機械に適用が可能である。

【符号の説明】

【0064】

１ 蒸気タービン（回転機械）
２，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ シール構造
４ 外周面
５，５ａ，５ｂ，５ｃ シールフィン
７，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ 突起（突部）
８ 円板面
９，９Ｅ 円筒面
１０ ケーシング（第一構造体、第二構造体）
１１ 仕切板外輪
１２ 環状溝
１３ 底面
１５ 再付着縁
１７ 第一キャビティ
１８ 第二キャビティ
１９ 第三キャビティ
２４ フィン側突条部
２５ 回転側突条部（第三突条部）
２６ 三角突条部（第二突条部）
３０ 回転軸
３１ 回転軸本体
４０ 静翼
５０ 動翼
５１ シュラウド（第一構造体、第二構造体）
６０ 軸受部
６１ ジャーナル軸受装置
６２ スラスト軸受装置
Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４ 渦
Ｂ２ 流れ
ＣＬ クリアランス
Ｇｄ 隙間
Ｈ１，Ｈ２ 深さ
ｍ 微小間隙
ｍＡ 上流間隙（クリアランス）
ｍＢ 下流間隙（クリアランス）
Ｌ１ フィンピッチ
Ｌ２ 幅
Ｏ 軸線
Ｓ 蒸気
ＳＬ リークジェット（リーク流）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】