JP4762512B2 - 非接触シール構造 - Google Patents

Description

本発明は、間隙を介して対向する２つの壁面間の高圧側から低圧側への流体の漏洩を抑制する非接触シール構造に係り、特に蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、ポンプ等の回転機械における回転体と静止体との間の非接触シール構造に関する。

回転体と静止体との間の間隙をシールする非接触シール構造として、一般に一方の壁面から対向する他方の壁面に向かって複数のフィンを伸ばす構成が採られている。この構造では、フィンとその先端に対向する壁面との間から漏れる流れの運動エネルギーを下流側に隣接するフィンとの間の膨張室で熱エネルギーに散逸させることによってシール効果が発揮される。

しかし漏れ流れを完全に熱散逸させるためにはフィンとその対向壁面との間隙に対して十分に大きな容積の膨張室が必要であり、製品における限られたスペース内では十分なフィンピッチを確保することは難しい。そこで、一方の壁面に設けたフィンと他方の壁面に設けたフィンとが高圧側から低圧側に向かって交互に配置されるように対向する双方の壁面にフィンを設けたものがある（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−２００８１０号公報

上記のように対向壁面の双方にフィンを設けた場合、フィンとその対向壁面との間隙からの漏れ流れが下流側の膨張室内に配置された対向壁面側のフィンに衝突し、これにより漏れ流れの方向が変化して多くの渦構造が作り出され膨張室内の熱散逸が促進される。

しかしながら、このような構造においては、両壁面すなわち回転体及び静止体側の熱容量が一般に異なることから例えばターボ機械の起動時や停止時のように機械全体の温度変化がある場合、基準位置（回転体の軸受位置等）からの熱膨張の違いによって両壁面の相対位置が流体の流れ方向に変化する。その結果、両壁面に設けたフィン同士が接触してしまうことがあり、回転機械の著しい信頼性の低下につながるという技術的課題があった。

本発明の目的は、機械の温度変化に伴う両壁面の熱膨張差に影響を受けることなく、対向する壁面間のシール効果を十分に発揮することができる非接触シール構造を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の非接触シール構造は、間隙を介して対向する２つの壁面間の高圧側から低圧側への流体の漏洩を抑制する非接触シール構造において、前記２つの壁面のうちの一方に設けられ、対向する他の壁面に向かって伸びる複数のフィンと、これら複数のフィンの先端を結ぶ基準線と平行で、かつ前記基準線から一定距離を有するとともに、高圧側から低圧側へ向かう方向の長さが前記複数のフィンのピッチと同じかそれよりも長くなるように前記他の壁面に形成した平面部と、この平面部と高圧側から低圧側に向かって交互に設けられ、前記基準線からの距離が前記平面部よりも大きくなるように前記他の壁面に形成した溝部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、機械の温度変化に伴う両壁面の熱膨張差に影響を受けることなく、対向する壁面間のシール効果を十分に発揮することができる。

以下、図面を用いて本発明の非接触シール構造の実施形態を説明する。
本発明の非接触シール構造は、間隙を介して対向する２つの壁面間の高圧側から低圧側への流体の漏洩を抑制する非接触シール構造であり、特に蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、ポンプ等といった回転機械における回転体と静止体との間隙のシール手段として好適に適用される。

図１は、本発明の非接触シール構造の適用対象の一例としてタービン段落を示す。
図１において、静翼２１は、その内周側がダイアフラム内輪２３に、外周側がダイアフラム外輪２４に固設されている。ダイアフラム外輪２４は、その外周側がケーシング２５に固設されている。一方、動翼２２は、その内周側が回転体であるロータ２６に固設され、外周側は間隙を介してダイアフラム外輪２４に対向している。作動流体３０は、高圧側から低圧側、本例ではタービン段落の静翼２１側から動翼２２に向かって流れる。

また、回転機械の信頼性確保のために静止体と回転体との間に間隙が設けられている。本例では、静止体であるダイアフラム内輪２３と回転体であるロータ２６の間に間隙Ｇ１が、静止体であるダイアフラム外輪２４と回転体である動翼２２の間に間隙Ｇ２がそれぞれ設けられている場合を図示している。これら間隙Ｇ１，Ｇ２に圧力差によって流れる漏れ流れのエネルギーはロータ２６の回転力に変換されないので、間隙Ｇ１，Ｇ２を通過する漏れ流れが多くなると同じ流体エネルギーから得られる回転力が小さくなり回転機械としての性能が低下する。そのため、こうした静止体と回転体との間隙には、間隙を確保しつつも流体の漏洩を最小限に抑制するために非接触シール構造が設けられる。

図２は、本発明の非接触シール構造の第１実施形態の概略図である。
図２において、壁面１と壁面２は距離ｈを介して対向している。壁面１，２のいずれか一方が回転体の壁面で他方が静止体の壁面である。つまり、壁面１が回転体の壁面であれば壁面２は静止体の壁面であり、壁面１が静止体の壁面であれば壁面２は回転体の壁面である。これら壁面１，２間の間隙には、高圧側の圧力Ｐ０と低圧側の圧力ｐ１との圧力差によって、高圧側から低圧側に向かって作動流体が流れようとする。

一方の壁面１には、対向する他の壁面２に向かって伸びる複数のフィン３が設けられている。これらフィン３は作動流体の流れ方向にほぼ一定のピッチｔ２で設けられており、その先端は壁面２に対向している。なお、以下において複数のフィン３の先端を結ぶ線を基準線５と称する。また、作動流体の流れ方向に隣接する２枚のフィン３間に形成される空間を膨張室４と称する。

それに対し、壁面２には平面部６と溝部７とが形成されている。平面部６は上記基準線５と平行で基準線５との間隙８の間隙寸法が一定距離ｄであるとともに、高圧側から低圧側へ向かう方向（圧力勾配方向）にとった長さｔ１がフィン３のピッチｔ２と同じかそれよりも長くなるように形成されている（フィンピッチｔ２は平面部６の長さｔ１以下である）。溝部７は、高圧側から低圧側に向かって平面部６と交互に設けられ、基準線５からの距離ｄ’が基準線５から平面部６までの距離ｄよりも大きくなるように形成されている。上記のように平面部６の長さｔ１がフィン３のピッチｔ２以上であるため、フィン３の数は溝部７の２倍以上（溝部７の数はフィン３の半分以下）であり、壁面１，２の相対位置とは無関係に必ず平面部６に少なくとも１本のフィン３が対向するようになっている。

図３は溝部７の拡大図である。
図２及び図３において、溝部７は、その高圧側の部分に、高圧側から低圧側に向かって基準線５からの距離ｄ’が徐々に大きくなるように形成した傾斜部７ｄを有している。本例において、この傾斜部７ｄは、フィン３を設けた壁面１に向かって凸形状をなしている。また、溝部７における低圧側の部分には、フィン３を設けた壁面１に向かって凹形状に形成された折り返し部７ｅが形成されている。折り返し部７ｅの低圧側には、ほぼ垂直（ロータ２６の半径方向）に立ち上がり、そのさらに低圧側に隣接する平面部６に接続する終端壁部７ｇが設けられている。

溝部７における高圧側に形成した上記傾斜部７ｄは、平面部６に対して接合点７ｃで勾配が連続するように接合されている。低圧側の折り返し部７ｅは、傾斜部７ｄに対して変曲点７ｆで勾配が連続するように接合されている。折り返し部７ｅの曲率半径Ｒ２は傾斜部７ｄの曲率半径Ｒ１よりも小さく、溝部７と基準線５との距離ｄ’がこの折り返し部７ｅから低圧側に向かうにつれて小さくなり、その後終端壁部７ｇを介して一気に平面部６に到達する。

ここで、本発明の非接触シール構造との一比較例を図４に示した。この図において先の各図と同様の役割を果たす部分には同符号を付し説明を省略する。
図４に示した比較例では、フィン３の先端に対向する壁面２がフラットに形成されている。このシール構造の上流側圧力Ｐ０は下流側圧力ｐ１に比べて大きいため、圧力差によりフィン３と壁面２との間の間隙８に漏れ流れ９が生じる。そして、複数のフィンを設けることによって上流側圧力Ｐ０と下流側圧力ｐ１の圧力差を複数に分割し、間隙８を流れる漏れ流れ９の量が抑制される。

このようなシール構造では、１つのフィン３を通過した漏れ流れ９の運動エネルギーがその下流側のフィン３との間に形成される膨張室４で熱エネルギーに散逸されるので、フィン３の枚数に比例してシール効果が向上する。しかし、フィン３を通過した漏れ流れ９が膨張室４で完全に熱散逸されるためには、膨張室４を間隙８に対して十分大きくする必要がある。実際の製品においては限られた空間でフィン３のピッチｔ２を十分にとることができない場合が多い。その結果、運動エネルギーが熱散逸されなかった漏れ流れ９の次の膨張室４への流入を十分に抑制することができず、フィン３の枚数に応じた作動流体の漏洩防止効果が得られない場合があった。

この問題に対し、図５の他の比較例に示すようにフィン３を設けた壁面１に向かって突き出す突起物１１を壁面２に設け、隣接する２枚のフィン３で形成された膨張室４中に突起物１１が突出するように構成すると、フィン３と壁面２との間の間隙８からの漏れ流れ９が突起物１１に衝突し、これにより漏れ流れ９の方向が変わり多くの渦構造が作り出され、膨張室４内での熱散逸が促進されるようになる。ところが、このような構造ではターボ機械の起動時や停止時等のような機械全体の温度変化がある場合、壁面１，２はその熱容量の違いから互いの相対位置が変化するため、寸法１３だけフィン３と高さ位置がオーバーラップした突起部１１がその前後いずれかに隣接するフィン３に干渉してしまい、回転機械の信頼性を著しく低下させる。

それに対し、本実施形態の非接触シール構造は、機械の温度変化に伴う両壁面の熱膨張差に影響を受けることなく、対向する壁面間のシール効果を十分に発揮することができる。以下にその点に関し順次説明する。

図６は本実施形態の非接触シール構造の流れ場の模式図である。
図６において、フィン３（フィン３ａ）と平面部６との間を通過した流れは、縮流しながら傾斜部７ｄによる壁面噴流のコアンダ効果にも助けられて溝部７に導かれ、折り返し部７ｅにガイドされてほぼ垂直方向（ローた２６の半径方向外側方向）に流れの向きを変え終端壁部７ｇに沿って溝部７から吹き出す。

溝部７から吹き出した流れは、次のフィン３（フィン３ｂ）と干渉して分断され、このフィン３ｂの前後に形成された膨張室４（膨張室４ａ，４ｂ）に積極的に導入される。膨張室４ａ，４ｂに入った流れはそれぞれ渦を形成し、膨張室４ａ，４ｂで流れの運動エネルギーが各々熱エネルギーに散逸される。このように溝部７から吹き出した流れが積極的に膨張室４に導入されるので、先の図４に示した比較例のシール構造に比べて、フィン３と壁面２との間を通過する流れの運動エネルギーを減少させることができる。

このとき、本実施形態ではフィン３のピッチｔ２が平面部６の長さｔ１以下であるため、壁面１，２の圧力勾配方向の相対位置が変化しても各平面部６には少なくとも１枚のフィン３が一定距離ｄの間隙を介して対向する。したがって、溝部７に導入される流れの流量を増大させることなく一定に保つことができ、常に図６に示したような流れ場を作り出すことができる。このように、本実施形態の非接触シール構造は、温度変化時の壁面１，２の熱容量の違い等による相対位置変化に影響されずに漏れ流量の低減効果を得ることができる。

仮に、図７に示したさらに他の比較例のようにフィン３のピッチｔ２が平面部６の長さｔ１よりも大きいとする。例えばフィン３のピッチｔ２が溝部７のピッチｔ３と等しい場合、平面部６にフィン３が対向するようであればフィン３と壁面２との距離が一定に保たれるが、フィン３のピッチｔ２は本実施形態よりも大きくなる。したがって、溝部７から吹き上げられた流れは分断されることなく大きな膨張室４に入って大きな渦を形成する。渦による運動エネルギーの熱散逸は渦の大きさが小さいほど効率的であるため、図７に示した構造は本実施形態に比して漏れ流れの運動エネルギーの熱散逸効果すなわち漏れ量低減効果が低下してしまう。

また、図８に示したさらに他の比較例のように、フィン３のピッチｔ２が溝部のピッチｔ３と等しく、かつ溝部７にフィン３が対向する場合、漏れ流量に直接的に影響するフィン３と壁面２との間隙寸法が基準線５から平面部６までの距離ｄよりも大きくなるために漏れ流量が増し、やはり本実施形態よりも漏れ流量低減効果が低下してしまう。

また、本実施形態によれば、溝部７から吹き出させた流れを積極的に膨張室４に導入し熱散逸効果を向上させるので、膨張室４の容積を小さくすることができる。したがって、非接触シール構造そのものをコンパクト化することもできる。

さらに、仮に溝部７において傾斜部７ｄが終端壁部７ｇに直接接続する構造とした場合、傾斜部７ｄと終端壁部７ｇとの間で勾配が不連続となるので、その部位に応力集中が生じる。この点に関しても、本実施形態においては、傾斜部７ｄを折り返し部７ｅを介して終端壁部７ｇに接続し勾配を連続させることにより、溝部７への応力集中が抑制させる構造となっている。したがって、損傷が少なく信頼性の高い非接触シール構造を提供することができる。

図９は、本発明の非接触シール構造の第２実施形態の概略図である。
図９において、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、フィン３を根元３ｒから先端３ｔに向かって低圧側から高圧側に傾斜させたことである。その他の構成は第１実施形態と同様である。

膨張室４のような広い空間から間隙８のような狭い流路に流れが絞られて漏れ流れ９のような噴流となるとき、間隙８の僅かに下流側でその噴流の流管幅が間隙８よりも小さい最小幅となる。これは広い空間から狭い空間に流れが絞られるとき、フィン３の上流側の面に沿って間隙８に向かう流れの速度成分が慣性効果によってフィン３の下流にまでフィン３に沿う（すなわち噴流幅を減少させる方向の速度成分が残る）ためである。これを漏れ流れの縮流効果と呼ぶ。漏れ流れの縮流効果は漏れ面積低減と同等の効果を持ち、大きいほど漏れ流量が小さくなる。

フィン３の先端３ｔを高圧側に傾けることにより、第１実施形態のようにフィン３をロータ半径方向に伸ばした場合よりもフィン３と平面部６の間隙８を流れる漏れ流れ９の縮流効果が大きくなる。この縮流効果が大きくなる理由は、フィン先端３ｔを高圧側に傾けたことにより、膨張室４から間隙８を流れる漏れ流れが一端高圧側に戻る形でフィン先端３ｔを回り込み、これにより噴流幅を減少させる方向の慣性力が強くなるためである。この噴流幅を減少させる慣性力は縮流効果と同時に溝部７に流れを引き込む効果を助長し、より多くの漏れ流れ９を膨張室４に吹き上げることで膨張室４での漏れ流れの運動エネルギーの熱散逸効果を向上させ漏れ流量を減少させる。よって、本実施形態によれば、より大きな漏れ流量低減効果を得ることができる。

図１０は、本発明の非接触シール構造の第３実施形態の概略図である。
図１０において、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、溝部７の傾斜部７ｄを曲面でなく直線状の平面とし、折り返し部７ｅを省略した点である。その他の構成は第１実施形態と同様である。

このような構成としても、第１実施形態に比べて溝部７における平面部７ｄと終端壁部７ｇとの境界部に応力集中が発生し易くなるが、その他の点については第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

図１１は、本発明の非接触シール構造の第４実施形態の概略図である。
図１１において、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、圧力勾配方向と垂直な方向（ロータ周方向）から見て溝部７を平面部６に対して矩形に窪ませた点である。前述した各実施形態においては、溝部７の高圧側部分を傾斜部７ｄとして基準線５との距離が徐々に大きくなるように構成したが、本実施形態においては、平面部６から溝部７にかけて急激に基準線５との距離が大きくなっている。その他の構成は第１実施形態と同様である。

このような構成とすると、第１実施形態に比べて溝部７における平面部７ｄと終端壁部７ｇとの境界部に応力集中が発生し易くなり、溝部７に導入される壁面噴流のコアンダ効果が若干低下するが、その他の点については第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図１０又は図１１で説明した実施形態に、図９に示したように先端に向かって高圧側にフィン３を傾斜させる構成を組み合わせることが可能であることは言うまでもなく、これらの場合にもより高い漏れ流量低減効果を得ることができる。また、以上の実施形態においては、タービンの段落部において回転体及び静止体との間隙をシールする非接触シール構造を例にとって説明したが、この的用例に限らず、本発明はいかなる機械における非接触シール構造としても適用可能である。

本発明の非接触シール構造の適用対象の一例であるタービン段落の模式図である。 本発明の非接触シール構造の第１実施形態の概略図である。 本発明の非接触シール構造の第１実施形態に備えられた溝部の拡大図である。 本発明の非接触シール構造との一比較例の概略図である。 本発明の非接触シール構造との他の比較例の概略図である。 本発明の非接触シール構造の第１実施形態における流れ場の模式図である。 本発明の非接触シール構造とのさらに他の比較例の概略図である。 本発明の非接触シール構造とのさらに他の比較例の概略図である。 本発明の非接触シール構造の第２実施形態の概略図である。 本発明の非接触シール構造の第３実施形態の概略図である。 本発明の非接触シール構造の第４実施形態の概略図である。

符号の説明

１，２ 壁面
３ フィン
３ｔ 先端
５ 基準線
６ 平面部
７ 溝部
７ｄ 傾斜部
７ｅ 折り返し部
ｄ，ｄ’ 距離
Ｇ１，２ 間隙
ｔ１〜３ ピッチ

Claims (5)

1. 間隙を介して対向する２つの壁面間の高圧側から低圧側への流体の漏洩を抑制する非接触シール構造において、
   前記２つの壁面の一方に設けられ、対向する他の壁面に向かって伸びる複数のフィンと、
   これら複数のフィンの先端を結ぶ基準線と平行で、かつ前記基準線から一定距離を有するとともに、高圧側から低圧側へ向かう方向の長さが前記複数のフィンのピッチと同じかそれよりも長くなるように前記他の壁面に形成した平面部と、
   高圧側から低圧側に向かって前記平面部と交互に設けられ、前記基準線からの距離が前記平面部よりも大きくなるように前記他の壁面に形成した溝部とを備え、
   前記溝部が、高圧側から低圧側に向かって前記基準線からの距離が徐々に大きくなるように形成した傾斜部と、前記傾斜部の低圧側の部分に設けた曲率を持つ折り返し部と、この折り返し部の低圧側からロータ半径方向に立ち上がる終端壁部とからなり、
   前記傾斜部は前記平面部に対して勾配が連続するように接合していることを特徴とする非接触シール構造。
2. 請求項１に記載の非接触シール構造において、前記傾斜部は、直線的に形成された平面であることを特徴とする非接触シール構造。
3. 請求項１に記載の非接触シール構造において、前記傾斜部は、前記フィンを設けた壁面に向かって凸形状であることを特徴とする非接触シール構造。
4. 請求項３に記載の非接触シール構造において、前記溝部は、前記凸形状の傾斜部の低圧側に接続し、前記フィンを設けた壁面に向かって凹形状に形成された折り返し部を有することを特徴とする非接触シール構造。
5. 請求項１に記載の非接触シール構造において、前記フィンは、先端に向かって低圧側から高圧側に傾斜していることを特徴とする非接触シール構造。

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