特許 6571257 シール装置及びターボ機械

(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】6571257

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】シール装置及びターボ機械

(51)【国際特許分類】

   F01D 11/02 20060101AFI20190826BHJP

   F16J 15/447 20060101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   F01D11/02

   F16J15/447

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2018-191150(P2018-191150)

(22)【出願日】2018年10月9日

(62)【分割の表示】特願2014-227257(P2014-227257)の分割

【原出願日】2014年11月7日

(65)【公開番号】特開2019-11768(P2019-11768A)

(43)【公開日】2019年1月24日

【審査請求日】2018年10月9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】110001829

【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山口 和幸

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 彰

(72)【発明者】

【氏名】村田 健一

【審査官】 金田 直之

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１４／０９１５９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第３２５１６０１（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許第７９７１８８２（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００３−２０１８０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ １１／００−１１／２４

Ｆ０２Ｃ ７／２８

Ｆ０４Ｄ ２９／０８−２９／１６，

２９／６６

Ｆ１６Ｊ １５／４０−１５／４５３，

１５／５４−１５／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸を有する回転体と、
前記回転体を内包する静止体と、
前記回転体と前記静止体との間に形成された隙間流路に設けられ、前記隙間流路からの漏れ流れを抑制するシール装置とを備え、
前記シール装置は、
前記回転体及び前記静止体の少なくとも一方に設けられ、前記回転体の軸方向に並列する複数のシールフィンと、
前記シールフィンの間に形成されたチャンバに向かって突出するように回転側に設けられ、前記チャンバ内における漏れ流れの前記回転体の回転方向の速度の低減を抑制する少なくとも１つの減速抑制体とを有し、
前記シールフィンは、前記回転体から突出するフィンであり、
前記減速抑制体は、前記シールフィンから前記回転体の軸方向の漏れ流れ下流側に突出し、そのシールフィンに隣接している下流側のシールフィンから離隔しているリブであり、
前記リブは、前記回転体の周方向から見て三角形状である
ことを特徴とするターボ機械。

【請求項2】

請求項１に記載のターボ機械において、
前記複数のシールフィンのうち、漏れ流れの最上流に位置する１段目のシールフィンは、他の段のシールフィンよりも高くなるように構成され、
前記１段目のシールフィンに設けられた前記リブは、前記１段目のシールフィンの高さと同じ高さになるように構成された
ことを特徴とするターボ機械。

【請求項3】

回転軸を有する回転体と、
前記回転体を内包する静止体と、
前記回転体と前記静止体との間に形成された隙間流路に設けられ、前記隙間流路からの漏れ流れを抑制するシール装置とを備え、
前記シール装置は、
前記回転体及び前記静止体の少なくとも一方に設けられ、前記回転体の軸方向に並列する複数のシールフィンと、
前記シールフィンの間に形成されたチャンバに向かって突出するように回転側に設けられ、前記チャンバ内における漏れ流れの前記回転体の回転方向の速度の低減を抑制する少なくとも１つの減速抑制体とを有し、
前記シールフィンは、前記静止体から突出するフィンであり、
前記シール装置は、前記回転体から突出し、前記シールフィンに対向する突条部をさらに備え、
前記減速抑制体は、前記突条部から前記回転体の軸方向の漏れ流れ下流側に突出し、その突条部に隣接している下流側の突条部から離隔しているリブであり、
前記リブは、前記回転体の周方向から見て三角形状である
ことを特徴とするターボ機械。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ機械において、
前記減速抑制体は、前記複数のシールフィン間に形成された各チャンバのすべてに配置された
ことを特徴とするターボ機械。

【請求項5】

請求項１乃至３のいずれか１項に記載のターボ機械において、
前記減速抑制体は、漏れ流れの最上流に位置する１段目のシールフィンと前記１段目のシールフィンに隣接する２段目のシールフィンの間に形成されたチャンバのみに配置された
ことを特徴とするターボ機械。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか１項に記載のターボ機械において、
前記減速抑制体は、前記回転軸の周方向に複数配列される
ことを特徴とするターボ機械。

【請求項7】

回転軸を有する回転体と前記回転体を内包する静止体とを備えるターボ機械の前記回転体と前記静止体との間に形成された隙間流路からの漏れ流れを抑制するシール装置であって、
前記回転体及び前記静止体の少なくとも一方に設けられ、前記回転体の軸方向に並列する複数のシールフィンと、
前記シールフィンの間に形成されたチャンバに向かって突出するように回転側に設けられ、前記チャンバ内における漏れ流れの前記回転体の回転方向の速度の低減を抑制する少なくとも１つの減速抑制体とを備え、
前記シールフィンは、前記回転体から突出するフィンであり、
前記減速抑制体は、前記シールフィンから前記回転体の軸方向の漏れ流れ下流側に突出し、そのシールフィンに隣接している下流側のシールフィンから離隔しているリブであり、
前記リブは、前記回転体の周方向から見て三角形状である
ことを特徴とするシール装置。

【請求項8】

回転軸を有する回転体と前記回転体を内包する静止体とを備えるターボ機械の前記回転体と前記静止体との間に形成された隙間流路からの漏れ流れを抑制するシール装置であって、
前記回転体及び前記静止体の少なくとも一方に設けられ、前記回転体の軸方向に並列する複数のシールフィンと、
前記シールフィンの間に形成されたチャンバに向かって突出するように回転側に設けられ、前記チャンバ内における漏れ流れの前記回転体の回転方向の速度の低減を抑制する少なくとも１つの減速抑制体とを備え、
前記シールフィンは、前記静止体からに突出するフィンであり、
前記シール装置は、前記回転体から突出し、前記シールフィンに対向する突条部をさらに備え、
前記減速抑制体は、前記突条部から前記回転体の軸方向の漏れ流れ下流側に突出し、その突条部に隣接している下流側の突条部から離隔しているリブであり、
前記リブは、前記回転体の周方向から見て三角形状である
ことを特徴とするシール装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シール装置及びターボ機械に係り、更に詳しくは、ターボ機械の回転体と静止体との間に形成された隙間流路の漏れ流れを抑制するシール装置及びそれを備えたターボ機械に関する。

【背景技術】

【0002】

蒸気タービンやガスタービン、遠心圧縮機等のターボ機械では、回転軸（回転体）を収めたケーシング（静止体）から作動流体が回転軸に沿って漏れることを防止するために、回転軸とケーシングとの間の隙間流路にラビリンスシールが設けられることが多い。ラビリンスシールは、一般的に、回転軸の軸方向に複数のシールフィンを有しており、これらのシールフィン間には、回転軸の外周に沿うようにチャンバが形成されている。ラビリンスシールは、このチャンバによりシール内を流下する作動流体の漏れ流れに圧力損失を生じさせ、漏れ量を抑制している。

【0003】

このようなラビリンスシールを備えたターボ機械においては、回転軸周方向の速度成分を有する漏れ流れ（旋回流）がシール内に流入すると、軸振動が増大する傾向にある。そこで、このような回転軸の不安定振動を抑制する技術として、例えば、インペラ（回転体）の外周面に高圧側から低圧側に向かって縮径するようにして形成された段差部を設けると共に、インペラ（回転体）の段差部より低圧側かつラビリンスシールの高圧側において、ケーシング（静止体）から半径方向内側に延出する板状部材のスワールブレーカを回転体の回転方向に向くように設けることで、旋回流のラビリンスシールへの流入を抑制するシール装置が提案されている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−７５９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記した特許文献１に記載のシール装置においては、ラビリンスシールの入口側に回転方向を向くように板状のスワールブレーカを設けているので、ラビリンスシール入口でスワールブレーカが回転体軸方向に一定の幅を占有した状態となる。このため、回転体軸方向に並列するシールフィンの設置可能な枚数が少なくなる場合がある。この場合、ラビリンスシール本来の機能である漏れ量を抑制する機能が低下する。

【0006】

また、ターボ機械の回転軸の不安定振動に関して、次のことが判明している。一般的なラビリンスシールにおいて、漏れ流れは、シール内を通過する際の静止体との摩擦等により、その回転体回転方向の流速が回転体軸方向において徐々に減速する。このとき、漏れ流れの減速方向に向かって、その減速量に応じて圧力が増加する圧力勾配が生じる。この圧力勾配は、回転軸の不安定振動を助長する要因となる。この圧力勾配の大きさは漏れ流れの回転方向速度の減速量に依存するので、回転軸の不安定振動も漏れ流れの回転方向速度の減速量に応じたものとなる。

【0007】

本発明は、上記の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、シールフィンの数を削減することなく、ターボ機械の回転軸の不安定振動を抑制することができるシール装置及びそれを備えたターボ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】

上記課題を解決するため、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、回転軸を有する回転体と、前記回転体を内包する静止体と、前記回転体と前記静止体との間に形成された隙間流路に設けられ、前記隙間流路からの漏れ流れを抑制するシール装置とを備え、前記シール装置は、前記回転体及び前記静止体の少なくとも一方に設けられ、前記回転体の軸方向に並列する複数のシールフィンと、前記シールフィンの間に形成されたチャンバに向かって突出するように回転側に設けられ、前記チャンバ内における漏れ流れの前記回転体の回転方向の速度の低減を抑制する少なくとも１つの減速抑制体とを有し、前記シールフィンは、前記回転体から突出するフィンであり、前記減速抑制体は、前記シールフィンから前記回転体の軸方向の漏れ流れ下流側に突出し、そのシールフィンに隣接している下流側のシールフィンから離隔しているリブであり、前記リブは、前記回転体の周方向から見て三角形状であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、シールフィン間に配置された減速抑制体が回転体の回転に伴い回転することで、漏れ流れの回転方向速度の低減が抑制されるので、シールフィンの数を削減することなく、ターボ機械の回転軸の不安定振動を抑制することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態を適用した蒸気タービンの要部構造を示す縦断面図である。

【図2】図１の符号Ｚで示す本発明のシール装置の第１の実施の形態及びその周囲を拡大した縦断面図である。

【図3】図１に示す本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態を適用した蒸気タービンをIII−III矢視から見た概略横断面図である。

【図4】従来のラビリンスシールのチャンバ内における回転軸が偏心した際の圧力分布を示す説明図である。

【図5】本発明のシール装置の第１の実施の形態及び従来のラビリンスシールにおける漏れ流れの軸方向位置に対する漏れ流れの回転方向速度の関係を示す特性図である。

【図6】本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態の変形例を示す拡大縦断面図である。

【図7】本発明のシール装置及びターボ機械の第２の実施の形態を示す拡大縦断面図である。

【図8】本発明のシール装置及びターボ機械の第３の実施の形態を示す拡大縦断面図である。

【図9】本発明のシール装置及びターボ機械の第４の実施の形態を示す拡大縦断面図である。

【図10】本発明のシール装置及びターボ機械の他の実施の形態を示す拡大縦断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明のシール装置及びターボ機械の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、ここでは、本発明のターボ機械を蒸気タービンに適用した場合を例に説明する。しかし、本発明のターボ機械は、例えば、ガスタービンや遠心圧縮機等にも適用可能である。

【0012】

［第１の実施の形態］
まず、本発明のターボ機械の第１の実施の形態を適用した蒸気タービンの構成を図１を用いて説明する。
図１は本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態を適用した蒸気タービンの要部構造を示す縦断面図である。図１中、矢印Ａは主蒸気の流れを、矢印Ｒは回転軸３の回転方向を示す。

【0013】

図１において、蒸気タービンは、回転体１と、回転体１を内包・保持する静止体２とで構成されている。回転体１は、回転軸３と、回転軸３の外周面に周方向に沿って着脱可能に取り付けられた複数の動翼４とを備えている。回転軸３は、例えば、図示しない発電機と接続されている。各動翼４の先端部には、それぞれシュラウド９が設けられている。各シュラウド９は、隣接するシュラウド９と当接することで円環状になるように構成されている。静止体２は、回転軸３を内包・保持すると共に作動流体である主蒸気の流路を形成するケーシング５と、主蒸気の流れＡの上流側で動翼４に対向するように周方向に沿ってケーシング５に固定された複数のノズル６とを備えている。ケーシング５の内周側には、環状のノズルダイヤフラム外輪７が固定されており、このノズルダイヤフラム外輪７にノズル６の外周側先端を固定することで、ノズル６がケーシング５に保持されている。ノズル６の内周側先端には、環状のノズルダイヤフラム内輪８が設けられており、ノズルダイヤフラム内輪８は主蒸気の流路の内周壁の一部を形成している。ノズルダイヤフラム外輪７及びノズルダイヤフラム内輪８も静止体２の構成の一部である。蒸気タービンにおいては、ノズル６と動翼４とで段落が構成され、その段落は回転軸３の軸方向に複数段（図１では２段）設置されている。

【0014】

作動流体である主蒸気はノズル６を通過する際に加速されて動翼４に送られ、主蒸気の速度エネルギーが動翼４及び回転軸３の回転運動エネルギーに変換される。蒸気タービンの出力は、回転軸３に接続された図示しない発電機により電気エネルギーとして取り出される。

【0015】

回転体１と静止体２との間には、回転体１の回転を妨げないように隙間流路が設けられている。例えば、回転軸３とノズルダイヤフラム内輪８との隙間流路Ｇ１や動翼４とケーシング５（ノズルダイヤフラム外輪７）との隙間流路Ｇ２、回転軸３とケーシング５との隙間流路Ｇ３が挙げられる。これらの隙間流路Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の高圧側から低圧側に向かって主蒸気の流れＡの一部が漏出すると、蒸気タービンの効率低下の一因となるので、隙間流路Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３には、それぞれ主蒸気の漏れ流れを抑制するダイヤフラムパッキン１１、チップフィン１２、及びシャフトパッキン１３が設けられている。

【0016】

次に、本発明のシール装置の第１の実施の形態の詳細な構成を図２及び図３を用いて説明する。なお、ここでは、本実施の形態のシール装置を、動翼６とケーシング５との隙間流路Ｇ２からの蒸気の漏洩を防ぐチップフィン１２として使用する例を説明する。
図２は図１の符号Ｚで示す本発明のシール装置の第１の実施の形態及びその周囲を拡大した縦断面図、図３は図１に示す本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態を適用した蒸気タービンをIII−III矢視から見た概略横断面図である。図２中、矢印Ａは主蒸気の流れを、矢印Ｂは漏れ流れを、矢印Ｒは回転軸の回転方向を示す。図３中、矢印Ｒは回転軸の回転方向を示す。なお、図２及び図３において、図１に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0017】

図２において、シール装置２０は、ノズルダイヤフラム外輪７におけるシュラウド９の外側に位置する部分に取り付けるシールリング２１を備えている。シールリング２１は、円弧状の複数の部材を組み立てることで円環状になるように形成されており、シュラウド９の外周面に対向するように配置される。シールリング２１は、ノズルダイヤフラム外輪７に取り付ける略円環状の本体部２２と、本体部２２の内周面から回転軸３の半径方向内周側に向かって突出する突条部２３とで構成されている。突条部２３は、本体部２２の内周面に周方向に延在して円環状に形成されており、本体部２２の軸方向に沿って複数段（図２では２段）設けられている。

【0018】

シール装置２０は、また、シュラウド９の外周面から回転軸２の半径方向外側に向かって突出するシールフィン２４を備えている。シールフィン２４は、シュラウド９の外周面に周方向に延在して円環状に形成されており、シュラウド９の軸方向に沿って複数段（図２では４段）設けられている。これら複数段のシールフィン２４のうち、いくつかの段は、突条部２３に対向するように設けられている。一方、蒸気の漏れ流れＢの最上流に位置する１段目のシールフィン２４は、突条部２３に対向させないで、本体部２２に対向するように設けられている。シールフィン２４は、その先端とシールリング２１との間が等しい間隙となるように、その長さを突条部２３に合わせて変えている。シールフィン２４は、例えば、旋盤加工で製作される。複数段のシールフィン２４の間には、回転軸３の周方向に沿って円環状のチャンバ３０が形成されている。

【0019】

シール装置２０は、さらに、シールフィン２４間のチャンバ３０に突出するようにシールフィン２４及びシュラウド９に設けたリブ２５を備えている。リブ２５は、例えば、各段のシールフィン２４からそれぞれ回転軸３の軸方向の漏れ流れ下流側に突出するように設けられている。また、リブ２５は、シールフィン２４の高さ方向に延在し、回転軸３の周方向から見て三角形状に形成されている。さらに、リブ２５は、図３に示すように、シールフィン２４の周方向に間隔をもって複数配設されており、例えば、個々にシュラウド９を追加工することにより取り付けられる。このように構成されたリブ２５は、後述するように、シュラウド９及びシールフィン２４の回転に伴い回転することでチャンバ３０内の漏れ流れＢの回転方向速度の低減を抑制する減速抑制体として機能する。

【0020】

次に、本発明のシール装置の第１の実施の形態の比較例としての従来のラビリンスシールの構成及びその問題点を図４を用いて説明する。
図４は従来のラビリンスシールのチャンバ内における回転軸が偏心した際の圧力分布を示す説明図である。図４中、矢印Ｃは回転方向流れを、矢印Ｅは回転軸３の偏心方向を、矢印Ｒは回転軸３の回転方向を示す。なお、図４において、図１乃至図３に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0021】

図４において、従来のラビリンスシールは、例えば、回転軸３の外周面から回転軸３の半径方向外側に突出し、回転軸３の軸方向に沿って並列する複数の円環状のシールフィン（図４では省略）を備えている。これらのシールフィン間には、回転軸３の外周に沿うように円環状のチャンバ３０が形成されている。このようなラビリンスシールには以下のような課題がある。

【0022】

ラビリンスシール内の漏れ流れは、回転軸３の回転による連れ回り効果により、回転軸３の回転方向Ｒに旋回して、回転方向流れＣが生じる。この状況で回転軸３がある方向、例えば矢印Ｅの方向に偏心（振動変位）すると、チャンバ３０内には、矢印Ｅの方向（偏心方向）に狭窄部が生じる。このため、回転方向流れＣはチャンバ３０内の回転軸３の偏心方向Ｅにおける上流側の領域Ｓで堰き止められる（減速する）ので、この領域Ｓに高圧部が発生する。このため、チャンバ３０内では、図４に示すように、回転軸３の偏心方向Ｅに対して回転方向流れＣの上流側が高圧となる非対称な圧力分布Ｐ（回転軸３の周方向に不均一な圧力分布Ｐ）が生じる。この非対称な圧力分布Ｐにより、回転軸３の偏心方向Ｅに対して直交する方向の流体力が発生し、回転軸３を回転方向Ｒに押すように作用する。このような状況が繰り返されることで、回転軸３が振れ回り、回転軸３の不安定振動が引き起こされる。

【0023】

また、上記の回転軸３を回転方向に振れ回す流体力は、漏れ流れがラビリンスシールを通過する際の回転方向流れＣの減速によっても発生することが判明している。漏れ流れの回転方向流れＣがラビリンスシール内を通過する際、静止体との摩擦等により回転軸軸方向において減速すると、ラビリンスシール内では、回転方向流れＣの減速方向に向かって、回転方向流れＣの減速量に応じて圧力が増加するような圧力勾配が生じる。この圧力勾配もまた、回転軸３の振れ回りを引き起こす流体力を増加させる要因となる。圧力勾配の大きさは、回転方向流れＣの減速量に依存するので、この圧力勾配により発生する流体力の大きさも回転方向流れＣの減速量に応じたものになる。すなわち、回転方向流れＣの減速量が大きいほど、この流体力も大きくなり、回転軸３の不安定振動が増大する。

【0024】

このように、ラビリンスシール内への漏れ流れの流入による回転軸３の不安定振動の要因として、上記の２つの要因が挙げられる。チップフィン１２（図１参照）のようなシールフィンの枚数が少ないシールにおいては、回転軸３の偏心方向Ｅに対して非対称な圧力分布Ｐにより発生する流体力より、回転方向流れＣの減速量に依存した圧力勾配により発生する流体力の方が回転軸３の不安定振動に対する影響が大きくなることが判明している。

【0025】

次に、本発明のシール装置の第１の実施の形態の作用及び効果を従来のラビリンスシールと比較して図２及び図５を用いて説明する。
図５は本発明のシール装置の第１の実施の形態及び従来のラビリンスシールにおける漏れ流れの軸方向位置に対する漏れ流れの回転方向速度の関係を示す特性図である。図５中、縦軸は漏れ流れの回転方向速度（漏れ流れの回転方向流れの速度）Ｖ、横軸は漏れ流れの最上流に位置するシールフィンから最下流に位置するシールフィンまでの軸方向位置ｘを示している。図中の破線Ｈは従来のラビリンスシールの場合、実線Ｉは本実施の形態のシール装置の場合の特性曲線を示している。

【0026】

図２において、主蒸気の流れＡからシール装置２０に流入する漏れ流れＢは、その回転方向速度がシュラウド９の周速と同程度である。シール装置２０内に流入した漏れ流れＢの回転方向速度（回転方向流れの速度）は、その後、シールリング２１の内周面との摩擦等により回転軸３の軸方向の漏れ流れ下流側に向かって徐々に減速していく。このとき、漏れ流れＢの回転方向速度の減速方向に向かって、その回転方向速度の減速量に応じて圧力が増加する圧力勾配がシール装置２０内に生じる。この圧力勾配は、回転軸３の振れ回りを引き起こす流体力を増加させる。この流体力は、漏れ流れＢの回転方向速度の減速量に応じて増加する。

【0027】

従来のラビリンスシールの場合、図５の破線Ｈで示すように、漏れ流れの回転方向速度Ｖは、シュラウド９の周速の同程度の値からその周速の半分の値に漸近するよう減速する。

【0028】

それに対して、本実施の形態においては、回転軸３の回転に伴いリブ２５がシュラウド９の周速度と略同速度で回転し、漏れ流れＢに対して回転方向の運動エネルギーを増加させる仕事をするので、漏れ流れＢの回転方向速度Ｖは、図５の実線Ｉで示すように、シュラウド９の周速の同程度の値からその周速の半分の値よりも高値にしか減速しない。すなわち、シール装置２０の通過時の漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの減速量は、従来のラビリンスシールの場合より低減する。リブ２５は、チャンバ３０内の漏れ流れの回転方向速度Ｖの低減を抑制する減速抑制体として機能する。

【0029】

このように、本実施の形態においては、シール装置２０の通過時の漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの減速量を従来のラビリンスシールと比較して低減するので、回転方向速度Ｖの減速量に応じて増加する流体力を、従来のラビリンスシールよりも低減することができる。その結果、回転軸３の不安定振動が従来のラビリンスシールよりも抑制される。

【0030】

ところで、図５の実線Ｉで示すように、漏れ流れＢのチャンバ３０内の回転方向速度Ｖは、上流側より下流側の方が低下した状態にある。回転方向速度Ｖが低下した状態、すなわち下流側の漏れ流れＢに対して運動エネルギーを与えて減速を抑制するよりも、回転方向速度Ｖの低下が少ない状態、すなわち上流側の漏れ流れＢに対して運動エネルギーを与えて減速を抑制する方が回転方向速度Ｖの最終的な減速量を効果的に抑制することができる。本実施の形態においては、シールフィン２４の漏れ流れＢの下流側にリブ２５を設けているので、回転方向速度Ｖの低下が少ない状態の漏れ流れＢに対する減速が抑制され、回転方向速度Ｖの減速量を効果的に抑制することができる。その結果、回転方向速度Ｖの減速量に応じて増加する流体力が効果的に低減され、回転軸３の不安定振動を抑制することができる。

【0031】

また、本実施の形態においては、シール装置２０のリブ２５をシールフィン２４間に配置したので、リブ２５を設置するための空間を新たに必要とせず、シールフィン２４の枚数を削減する必要がない。このため、シールフィン２４の枚数を従来のラビリンスシールと同数とすることが可能であり、シールフィン２４の削減による漏れ量の増加を防止することができる。

【0032】

上述したように、本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態によれば、シールフィン２４間に配置されたリブ（減速抑制体）２５が回転体１の回転に伴い回転することで、漏れ流れＢの回転方向速度（回転方向流れＣの速度）Ｖの低減が抑制されるので、シールフィン２４の数を削減することなく、蒸気タービン（ターボ機械）の回転軸３の不安定振動を抑制することができる。

【0033】

また、本実施の形態によれば、各段のシールフィン２４にそれぞれリブ２５を設けたので、シール装置２０の全長に亘って漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの低減が抑制され、回転方向速度Ｖの最終的な減速量をさらに低減することができる。その結果、回転方向速度Ｖの減速量に応じて増加する流体力がさらに低減し、回転軸３の不安定振動を確実に抑制することができる。

【0034】

さらに、本実施の形態によれば、リブ２５をシールフィン２４の周方向に複数配設したので、漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの低減を確実に抑制することができる。

【0035】

［第１の実施の形態の変形例］
次に、本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態の変形例を図５及び図６を用いて説明する。
図６は本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態の変形例を示す拡大縦断面図である。図６中、矢印Ａは主蒸気の流れを、矢印Ｂは漏れ流れを、矢印Ｒは回転軸の回転方向を示す。なお、図６において、図１乃至図５に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0036】

図６に示す本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態の変形例は、第１の実施の形態がシール装置２０のリブ２５を各段のシールフィン２４にそれぞれ設けているものであるのに対して（図２参照）、リブ２５を一段目のシールフィン２４にのみ設けたものである。

【0037】

図５に示すように、漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの減速量の割合が最も大きい位置は、ｘ＝０近傍、すなわち、漏れ流れＢの最上流に位置する１段目のシールフィン２４の通過直後である。そこで、図６に示すように、１段目のシールフィン２４における漏れ流れＢの下流側の面にリブ２５を設けることで、回転方向速度Ｖの減速量を効果的に低減することができ、回転方向速度Ｖの減速量に応じて増大する流体力が効果的に低減される。

【0038】

上述した本発明のシール装置及びターボ機械の第１の実施の形態の変形例によれば、前述した第１の実施の形態と同様に、シールフィン２４の数を削減することなく、回転軸３の不安定振動を抑制することができる。

【0039】

また、本実施の形態によれば、第１の実施の形態の場合と比較して、リブ２５を設ける加工範囲が少なくなるので、加工工数の低減や加工時間の短縮等を図ることができる。

【0040】

［第２の実施の形態］
次に、本発明のシール装置及びターボ機械の第２の実施の形態を図７を用いて説明する。
図７は本発明のシール装置及びターボ機械の第２の実施の形態を示す拡大縦断面図である。図７中、矢印Ａは主蒸気の流れを、矢印Ｂは漏れ流れを、矢印Ｒは回転軸の回転方向を示す。なお、図７において、図１乃至図６に示す符号と同符号ものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0041】

図７に示す本発明のシール装置及びターボ機械の第２の実施の形態は、第１の実施の形態がシール装置２０の１段目のシールフィン２４を３段目のシールフィン２４と略同じ高さとなるように構成しているものであるのに対して、シール装置２０Ａの１段目のシールフィン２４Ａを他の段のシールフィン２４よりも高くなるように構成したものである。

【0042】

具体的には、図７に示すように、シールリング２１Ａの本体部２２Ａにおける１段目のシールフィン２４Ａに対向する位置には、環状溝２２ｂが設けられている。１段目のシールフィン２４Ａは、その先端部がシールリング２１Ａの環状溝２２ｂ内に入り込むように、他の段のシールフィン２４よりも高くなるように構成されている。また、１段目のシールフィン２４Ａは、その先端部の回転軸３の半径方向の位置が他の段のシールフィン２４よりも外側に位置するように構成されている。１段目のシールフィン２４Ａの漏れ流れＢの下流側の面には、その高さと略同一の高さのリブ２５Ａが設けられている。シールフィン２４、２４Ａの高さは、１段目のシールフィン２４Ａと環状溝２２ｂの底部との間隙、２段目及び４段目のシールフィン２４と突条部２３との間隙、及び３段目のシールフィン２４と本体部２２Ａの内周面との間隙がすべて略等しくなるように設定されている。

【0043】

上述した本発明のシール装置及びターボ機械の第２の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0044】

また、本実施の形態よれば、１段目のシールフィン２４Ａに設けたリブ２５Ａを他の段のリブ２５よりも高くなるように構成しているので、リブ２５Ａは、その高くなった分、漏れ流れＢに対する回転方向への運動エネルギーを与える面積が他の段のリブ２５よりも大きくなる。その結果、減速量の割合が最も大きい１段目のシールフィン２４Ａの通過後の漏れ流れＢの減速量をさらに低減することができるので、漏れ流れＢの減速量に応じて増加する流体力が効果的に低減され、回転軸３の不安定振動を確実に抑制することができる。

【0045】

さらに、本実施の形態よれば、１段目のシールフィン２４Ａに設けたリブ２５Ａの先端部が他のリブ２５より回転軸３の半径方向外側に位置するように構成されているので、その外側部分は他のリブ２５よりも周速が速くなり、その上昇分、漏れ流れＢの回転方向に対して与える運動エネルギーが増加する。その結果、減速量の割合が最も大きい１段目のシールフィン２４Ａの通過後の漏れ流れＢの減速量をさらに低減することができるので、漏れ流れＢの減速量に応じて増加する流体力が効果的に低減され、回転軸３の不安定振動を確実に抑制することができる。

【0046】

［第３の実施の形態］
次に、本発明のシール装置及びターボ機械の第３の実施の形態を図８を用いて説明する。
図８は本発明のシール装置及びターボ機械の第３の実施の形態を示す拡大縦断面図である。図８中、矢印Ａは主蒸気の流れを、矢印Ｂは漏れ流れを、矢印Ｒは回転軸の回転方向を示す。なお、図８において、図１乃至図７に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0047】

図８に示す本発明のシール装置及びターボ機械の第３の実施の形態は、第１の実施の形態の変形例がシール装置２０のリブ２５を１段目のシールフィン２４から漏れ流れＢの下流側に突出するように設けたものであるのに対して、シール装置２０Ｂのリブ２５Ｂを１段目のシールフィン２４と２段目のシールフィン２４とに亘って延在するように設けたものである。具体的には、リブ２５Ｂは、１段目のシールフィン２４の漏れ流れＢの下流側の面及び２段目のシールフィン２４の漏れ流れＢの上流側の面に接続するように設けられている。

【0048】

上述した本発明のシール装置及びターボ機械の第３の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態の変形例と同様の効果を得ることができる。

【0049】

また、本実施の形態によれば、リブ２５Ｂを１段目のシールフィン２４と２段目のシールフィン２４に亘って延在するように設けているので、漏れ流れＢに対して回転方向への運動エネルギーを与える面積が第１の実施の形態の変形例の場合よりも増加する。そのため、漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの減速量がさらに低減する。特に、減速量の割合が最も大きい１段目のシールフィン２４Ａの通過後の漏れ流れＢの減速量がさらに低減されるので、回転方向速度Ｖの減速量に応じて増加する流体力が効果的に低減され、回転軸３の不安定振動を確実に抑制することができる。

【0050】

［第４の実施の形態］
次に、本発明のシール装置及びターボ機械の第４の実施の形態を図９を用いて説明する。
図９は本発明のシール装置及びターボ機械の第４の実施の形態を示す拡大縦断面図である。図９中、矢印Ａは主蒸気の流れを、矢印Ｂは漏れ流れを、矢印Ｒは回転軸の回転方向を示す。なお、図９において、図１乃至図８に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0051】

第１の実施の形態のシール装置２０は、シールフィン２４を回転体１側に設けると共に突条部２３を静止体２側に設けるものである。これに対して、本発明のシール装置及びターボ機械の第４の実施の形態は、シールフィン２４Ｃを静止体２側に設けると共に突条部２３Ｃを回転体１側に設けるものである。

【0052】

具体的には、図９に示すように、シール装置２０Ｃは、シュラウド９の外周面から回転軸３の半径方向外側に向かって突出する突条部２３Ｃを備えている。突条部２３Ｃは、シュラウド９の外周面に周方向に延在して円環状に形成されており、シュラウド９の軸方向に沿って複数段（図９では３段）設けられている。複数段の突条部２３Ｃのうち、漏れ流れＢの最上流に位置する１段目の突条部２３Ｃは、シュラウド９の軸方向上流側の先端部に配置されている。

【0053】

シール装置２０Ｃのシールリング２１Ｃは、ノズルダイヤフラム外輪７に取り付ける本体部２２と、本体部２２の内周面から回転軸３の半径方向内側に向かって突出するシールフィン２４Ｃとで構成されている。シールフィン２４Ｃは、本体部２２の内周面に周方向に延在して円環状に形成されており、本体部２２の軸方向に沿って複数段（図９では５段）設けられている。これら複数段のシールフィン２４Ｃのうち、第１段目を含むいくつかの段は、突条部２３Ｃに対向するように設けられている。シールフィン２４Ｃは、その先端とシュラウド９又は突条部２３との間が等しい間隙となるように、その長さを変えている。

【0054】

シール装置２０Ｃは、また、突条部２３Ｃとシールフィン２４Ｃと間に形成されたチャンバ３０に突出するようにシュラウド９及び突条部２３Ｃに設けたリブ２５Ｃを備えている。リブ２５Ｃは、例えば、各段の突条部２４Ｃからそれぞれ回転軸３の軸方向の漏れ流れ下流側に突出するように設けられている。また、リブ２５Ｃは、突条部２４Ｃの高さ方向に延在し、回転軸３の周方向から見て三角形状に形成されている。さらに、リブ２５Ｃは、突条部２４Ｃの周方向に間隔をもって複数配設されている。

【0055】

本実施の形態においては、シールフィン２４Ｃを静止体２（ノズルダイヤフラム外輪７）側に設けた場合でも、回転体１（シュラウド９）側に設けた突条部２４Ｃにリブ（減速抑制体）２５Ｃを設けることで、リブ２５Ｃが回転体１の回転に伴い回転するので、漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの低減を抑制することができる。したがって、シールフィン２４を回転体１側に設けている場合と同様に、シールフィン２４の数を削減することなく、回転軸３の不安定振動を抑制することができる。

【0056】

すなわち、上述した本発明のターボ機械の第４の実施の形態によれば、前述した第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

【0057】

［その他の実施形態］
なお、上述した第１乃至第４の実施の形態においては、本シール装置２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを、動翼４とケーシング５との隙間流路Ｇ２からの蒸気の漏洩を防ぐチップフィン１２として用いる例を示した。しかし、回転軸３の不安定振動に関して、漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの減速量に依存した圧力勾配により発生する流体力の方がチャンバ３０内の回転軸周方向に不均一な圧力分布Ｐにより発生する流体力より影響の大きい場合には、ダイヤフラムパッキン１１やシャフトパッン１３等として本シール装置を適用可能である。

【0058】

また、上述した実施の形態においては、リブ２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの形状を回転軸３の周方向から見て三角形状とした例を示したが、四角形や半円形等の形状も可能である。すなわち、リブは、漏れ流れＢの回転方向速度Ｖの低減を抑制することが可能な形状であればよい。また、複数の各リブは、それぞれ異なる形状・大きさを有するものであってもよい。

【0059】

なお、上述した実施の形態においては、減速抑制体として、シールフィン２４、２４Ａ又は突条部２３Ｃから漏れ流れＢの下流側に突出するリブ２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃの例を示したが、減速抑制体は、シールフィン間に形成されたチャンバ３０に突出するように回転する側に設けることで、回転体１と共に回転して漏れ流れＢの回転方向速度の低減を抑制するものであればよい。例えば、図１０に示すように、シール装置２０Ｄの減速抑制体として、１段目及び２段目のシールフィン２４の間の任意の位置に、回転軸３の軸方向に沿ってシュラウド９に設けた平面状又は曲面状の板部材２６も可能である。この場合においても、漏れ流れＢの回転方向速度の低減が板部材２６により抑制されるので、上述した実施の形態と同様に、回転軸３の不安定振動を抑制することができる。なお、板部材２６は、複数のシールフィン２４の間に形成された各チャンバ３０にそれぞれ設ける構成も可能である。図１０は本発明のシール装置及びターボ機械の他の実施の形態を示す拡大縦断面図である。図１０中、矢印Ａは主蒸気の流れを、矢印Ｂは漏れ流れを、矢印Ｒは回転軸の回転方向を示す。なお、図１０において、図１乃至図９に示す符号と同符号のものは、同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。

【0060】

また、上述した実施の形態においては、シールリング２１、２１Ａ、２１Ｃを有するシール装置２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの例を示したが、シール装置は、シールリングを有さず、突条部又はシールフィンを静止体２（ダイヤフラム外輪７）に直接設ける構成も可能である。

【0061】

なお、上述した実施の形態においては、回転体１又は静止体２に設けたシールフィン２４、２４Ａ、２４Ｃと、静止体２又は回転体１に設けた突条部２３、２３Ｃとを組み合わせたシール装置２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄの例を示したが、シール装置は、突条部を省き、回転体１又は静止体２にシールフィンのみを設ける構成も可能である。この場合、突条部が無いので、シールフィンの長さは均一にすればよい。さらに、シール装置は、回転体１及び静止体２の両方にシールフィンを設ける構成も可能である。シール装置の減速抑制体は、上述した実施の形態と同様に、回転する側に設ける必要がある。このような場合も、減速抑制体が回転体１の回転に伴い回転することで、漏れ流れＢの回転方向速度の低減が抑制されるので、回転軸３の不安定振動を抑制することができる。

【0062】

また、本発明は上述した第１乃至第４の実施の形態に限られるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施形態は本発明をわかり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0063】

１ 回転体
２ 静止体
３ 回転軸
７ ダイヤフラム外輪（静止体）
９ シュラウド（回転体）
１１ ダイヤフラムパッキン（シール装置）
１２ チップフィン（シール装置）
１３ シャフトパッキン（シール装置）
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ シール装置
２１、２１Ａ、２１Ｃ シールリング
２３、２３Ｃ 突条部
２４、２４Ａ、２４Ｃ シールフィン
２５、２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ リブ（減速抑制体）
２６ 板部材（減速抑制体）
３０ チャンバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】