JP5693529B2 - ラビリンスシール - Google Patents

Description

本発明は、全般的にラビリンスシールに関し、特に軸流ガスタービン、蒸気タービンもしくはコンプレッサのようなターボ機械における静止したおよび可動な要素間で封止するためのラビリンスシールに関する。

ラビリンスシールは、軸流ガスタービンあるいは蒸気タービンのようなターボ機械における静止したおよび可動な要素間で、シールを提供し、したがって流体漏洩を最小限に抑えるために通常使用される。

軸流タービンにおいて可動なブレードの先端部と半径方向で隣接した静止ケーシングの間で封止を行うための従来のラビリンスシールは、特許文献１の図１に示されている。この従来のラビリンスシールにおいて、軸方向に間隔をおいては位置され、かつ円周方向に延びている封止フィンは、静止ケーシング内に加締めされ、かつブレード先端部で溝を付された（castellated）弓形のブレードシュラウドに向かって流体流路を横切り半径方向で内側に突出している。半径方向の間隙は通常、各封止フィンの先端部と半径方向に隣接した弓形のブレードシュラウドの間に生じ、半径方向に隣接した静止ケーシングに対して可動な弓形のブレードシュラウドが半径方向に偏位する際中に、静止した封止フィンの先端部と可動なブレードシュラウドの間の摩擦接触（rubbing contact）を防ぐかあるいは最小限に抑える。

特許文献１の図１に示されているような従来のラビリンスシールにおいて、軸方向に流れる作動流体は、封止フィンの先端部と半径方向に隣接した弓形のブレードシュラウドの間に生じる半径方向の間隙を通って漏洩する。

欧州特許出願公開第１００１１３９号明細書

従って、本発明の課題は、改善された封止能力を備えたラビリンスシールを提供することにある。

この課題は、軸方向の流体流ターボ機械内の静止した要素の対面した面と可動な要素の対面した面の間の間隙を通る漏洩流を妨げるために配置されたラビリンスシールであって、
ラビリンスシールが、軸方向に間隔をおいて配置され円周方向に延びている、漏洩流に直列に配置された複数の封止フィンを備え、封止フィンの遠心端が対向する対面した要素の封止近傍にあるように、対向する対面した要素に向かって対面した要素の少なくとも一つから間隙を横切ってフィンが突出しており、
ラビリンスシールが、漏洩流に直列に配置された、連続して並んだフィンにより境界を定められた複数の空洞部を備え、各フィンが作業上流側に向いた面を備えており、フィンの少なくとも遠位部が、漏洩流の作業上流側方向に向かって傾斜して、作業上流側方向で漏洩流を偏向させるために有効な渦を発生させる流れの循環面（vortex-producing flow recirculation surface）を形成し、かつ連続して並んだフィンにより境界を定められた空洞部の内部で漏洩流内に再循環させる渦を生じさせることにより解決される。

ここで使用されるとおり、用語“遠心端（distal end）”はそこからフィンが突出する面から最も離れたフィンの端部を意味し、用語“遠位部（distal portion）”は“遠心端”を含んだ、そこからフィンが突出する面から最も離れたフィンの要素を意味する。用語“封止近傍（sealing proximity）”の使用は、封止フィンの遠心端とそれに抗して封止する面の間の小さい半径方向の間隙を意味する。このような間隙は、ラビリンスシールの封止効率をまじめに処理するためには不十分である。

円周方向に延びている封止フィンの流れの再循環面は、流体漏洩流路に沿って作業下流側に流れる流体のコースを変え、かつ再循環させて作業上流側方向に戻す。このことによって、封止フィンの遠心端とターボ機械の半径方向で隣接した静止した又は可動な要素の面の間の半径方向の間隙を通る漏洩流は減少し、有効な漏洩領域は小さくなり、従って排出率も小さくなる。流体再循環領域は軸方向で隣接した封止フィンの間で生じ、
作業下流側の封止フィンは流体再循環領域の内部で過流を発生させる。発生した過流により、封止フィンを横切る圧力降下は増え、それにより封止フィンの遠心端とターボ機械の
半径方向で隣接した静止したおよび可動な要素の面の間の半径方向の間隙を通る漏洩は減る。漏洩流が減ることにより、ラビリンスシールの封止有効性は高まる。

ここに開示した重要な一実施例において、静止したおよび可動な要素に面した面の一つは溝を付されており、かつ少なくとも一つのランドと少なくとも一つの相対的に窪んだ要素を備えており、各ランドと各窪んだ要素は、封止フィンの末端部の封止近傍にあり、
連続して並んだ封止フィンは、作業上流側方向に向かって傾斜しているまっすぐな作業上流側に向いた面を有する第一のフィンと、その少なくとも遠位部が作業上流側方向に向かって傾斜している作業上流側に向いた面を有する第二のフィンを互い違いに備えている。

ここで使用される用語“第一のフィン”と“第二のフィン”は、これらの用語が流体流の順序において最初かあるいは二番目に配置されているのかどうかを限定するのではなく、封止フィンを識別している。

漏洩流の崩壊と再循環を得るために、第一の封止フィンあるいは各第一の封止フィンの
作業上流側に向いた面は、１０〜７０°の間の鋭角で、好ましくは４５°の角度で半径方向から離間するように作業上流側方向に傾斜していてもよい。

各第一のフィンの遠心端はランドの封止近傍にあり、各第二のフィンは窪んだ要素の封止近傍にあるのが好ましい。

漏洩流が、シュラウド面が単に平面である場合に比べて、ラビリンスシールを通るより小さい直通経路を有するように、交互に現れるランドと窪んだ要素は直面している面の一つに設けられており、それによりラビリンスシールの漏洩流に対する抵抗力は増す。さらに、凹状要素により、かなりの半径方向高さを備えた渦と十分発達した空洞体積が得られ、これによりラビリンスシールの漏洩流に対する抵抗力がさらに増す。

第二のフィンあるいは各第二のフィンの傾斜した遠位部により形成された流れの再循環面は、第二のフィンの作業上流側に向いた面の凹状に湾曲した要素である。

ラビリンスシールの好ましい一変形において、最も作業上流側のフィンは、その遠心端がランドの封止近傍にある第一のフィンであり、すぐ次のフィンは、その遠心端が窪んだ面の要素の封止近傍にある第二のフィンである。代替的な配置において、最も作業上流側のフィンは、その遠心端が窪んだ面の要素の封止近傍にある第二のフィンであり、すぐ次のフィンは、その遠心端がランドの封止近傍にある第一のフィンである。

別の代替的な実施例において、第一の封止フィンあるいは各第一の封止フィンは、直面している可動のあるいは静止した面の対応する窪んだ要素内に流体流路を横切り、静止しているかあるいは可動の要素から突出し、第二の封止フィンあるいは各第二の封止フィンは、対応するランドに向かって流体流路を横切り、静止しているかあるいは可動の要素から突出する。

製造の容易さに関して、各第二のフィンの作業上流側に向いた面は、静止しているかあるいは可動の要素から突出している、半径方向に延びている要素と、フィンの遠心端に隣接した傾斜した遠位部を備えている。各第二のフィンの作業上流側に向いた面の遠位部は、フィンの長さの約２０％〜約５０％の範囲の間隔にわたり傾斜している。

より優れた封止性能をもたらすが、製造するにはさらに困難であるか、あるいはさらに費用がかかる代替的な構成において、第二の封止フィンあるいは各第二の封止フィンの作業上流側に向いた面は、その全長にわたり凹状に湾曲しており、最大の凹部はその遠心端である。

好ましい配置において、第一および第二の封止フィンは、静止した要素上に設けられており、溝を付された面は可動な要素上に設けられている。代替的に、第一および第二の封止フィンが、静止した要素上で溝を付された面に向かって可動な要素から流体流路を横切って突出するように、第一および第二の封止フィンは、可動な要素上に設けられており、溝を付された面は静止した要素上に設けられている。

第二の重要な実施例において、並んで連続している封止フィンは、可動な要素の封止近傍内に静止した要素から突出している静止したフィンと、静止した要素の封止近傍内に可動な要素から突出している可動なフィンを互い違いに備えている。

一変形において、静止したおよび可動な封止フィンの作業上流側に向いた面は、静止したおよび可動な要素から突出している半径方向に延びている要素と、フィンの遠心端に隣接した傾斜した遠位部を各々備えている。例えば、フィンの作業上流側に向いた面の遠位部は、フィンの長さの約２０％〜約５０％の範囲内の間隔、好ましくは３０％の間隔にわたり傾斜している。

静止したおよび可動な封止フィンの傾斜した遠位部は、作業上流側に向いた面の凹状に湾曲した要素を備えており、代替的に、封止フィンの作業上流側に向いた面は、それらの全長にわたり凹状に湾曲しており、最大の凹部はそれらの遠心端である。

前述の重要な実施例における封止フィンの遠位部に対する損傷を防ぐかあるいは改善するために、静止ケーシングに対する可動なシュラウドリングの過度な半径方向の偏位（excursion）があるので、封止フィンの遠心端に隣接した可動なおよび／または静止した要素の面上に摩耗性材料（abradable material）が設けられる。軸流ターボ機械の作動時に、静止した要素に対する可動な要素の半径方向の偏位が限度を超えた場合、封止フィンの遠心端は、静止しているかあるいは可動の要素の固い金属ではなく、摩耗性材料にこすれる。
摩耗性材料は封止フィンの遠心端における材料に比べて軟質であるかあるいは少なくとも簡単に磨耗し、フィンの形状と封止の有効性は保護される。

本発明の他の態様は、静止したおよび可動な要素の間の封止のための第一および第二の重要な実施例による、静止した要素と、可動な要素とラビリンスシールを備えたターボ機械を提供する。

ターボ機械は蒸気タービンあるいはガスタービンのような軸流タービンであってもよい。特に可動な要素は可動なタービンブレードの半径方向で外側の先端部上に取付けられた可動な弓形のブレードシュラウドであってもよい。静止した要素は、可動なブレードシュラウドの半径方向で外側に向かって位置決めされた静止ケーシングであってもよい。代替として、可動な要素はロータシャフトであり、静止した要素は、ロータシャフトの半径方向で外側に向かって位置決めされた静止したダイヤフラムリングであってもよい。従って、ラビリンスシールは、静止したダイヤフラムリングの内径と半径方向で内側のロータの間で封止するように配置されてもよい。

本発明の実施例を実施例を用いて、また添付の図を参照して説明する。

取付けられた軸流タービン円周方向で見た、ラビリンスシールの第一の主たる実施例の概略横断面図である。 図１の要素を形成しているフィンの拡大図である。 図２に似ているが、図２のフィンの形状の二つの可能な変形を示した図である。 図２に似ているが、図２のフィンの形状の二つの可能な変形を示した図である。 図１に似ているが、ラビリンスシールの第二の重要な実施例を示した図である。 図５の要素を形成しているフィンの拡大図である。 図６に似ているが、図６のフィンの形状の二つの可能な変形を示した図である。 図６に似ているが、図６のフィンの形状の二つの可能な変形を示した図である。

ガスタービンあるいは蒸気タービンのような軸流タービンは、複数のタービン段を有しているのが一般的であり、各段は角度的に間隔をおいて配置された可動ブレードの環状アレーを備えており、この環状アレーは角度的に間隔をおいて配置された静止したベーンの環状アレーの前に置かれており、この環状アレーの機能はタービン作動流体を可動なブレード上に案内することである。

図１に関しては、可動ブレードの半径方向で外側要素が示してあり、この外側要素は翼要素１０と弓状のブレードシュラウド１１を備えており、このブレードシュラウドは翼要素１０の半径方向での外側先端部上に取付けられており、かつそこと一体化されている。隣接したブレードシュラウド１１は環状のシュラウドリングを形成するために協働する。円周方向に延びている静止ケーシング１２は、可動ブレードの半径方向で外側に向かって配置されており、かつ可動ブレードを取囲んでいる。

特に図１の実施例において、ブレードシュラウド１１は各々、軸方向に間隔をおいて配置され、半径方向で外側に円周方向に延びている複数のランド１６により形成された半径方向で外側に溝付された面１４を有しており、各ランド１６には他と比べて引っ込んでいる、半径方向で内側の面要素１８が続いており、この面要素１８はランドと円周方向に同一の広がりをもっている。図１には二つのランドを備えたシュラウド面が示してあるが、タービン設計の特有な環境において、都合が良くかつ役に立つ程度にできるだけ多くのランドを組込むことが考慮されているのは当業者の判断に基づいている。しかしながら、この後説明するように、シュラウド１１と静止ケーシング１２の間の間隙を流れる作動流体の漏洩を減らすために、複数のランド１６があるのが普通である。

図１の矢印１９で示したように、作動流体は軸流タービンを流れて膨張し、かつ下流方向において可動なブレード翼要素１０の間の流体流路に沿って移動する。ラビリンスシール２０は、可動なブレードシュラウド１１と半径方向で隣接した静止ケーシング１２の間で封止を行い、可動なブレードの先端部でブレードシュラウド１１を越える流体の漏洩を最小限度に抑える。

図１の特別な実施例において、ラビリンスシール２０は円周方向に延びており、かつ軸方向に間隔をおいて配置された複数の第一の封止フィン２４を備えており、これらの封止フィンは可動なブレードシュラウド１１の溝を付された面１４上で、ランド１６に向いた漏洩流体流路を横切り、静止ケーシング１２から半径方向で内側に突出している。さらにラビリンスシール２０は円周方向に延びており、かつ軸方向に間隔をおいて配置された複数の第二の封止フィン２６も備えており、これらの封止フィンは同様に可動なブレードシュラウド１１の溝を付された面１４の半径方向で内側要素１８に向いた漏洩流体流路を横切り静止ケーシング１２から半径方向で内側に突出している。

円周方向に延びている第一及び第二の封止フィン２４，２６は、第一の封止フィン２４を各々第二の封止フィンが追従するように、軸線方向で静止ケーシング１２に沿って交互に配置されている。円周方向に延びている第一及び第二の封止フィン２４，２６は、例えば静止ケーシング１２内の円周方向に延びている凹部内で（図示していない）、知られるような加締め工程によって、独立した構成要素として製造されかつ固定されてもよい。代替え的に、機械加工あるいは鋳造工程によりケーシングと一体に封止フィンを製造することも可能である。

第一及び第二の封止フィン２４，２６の各々の遠心端あるいは先端部は、可動なブレードシュラウド１１の溝を付された面１４の封止近傍にある。すなわちタービンの通常運転時には、封止フィンの遠心端と溝を付された面１４の間には小さい半径方向の間隙がある。このような半径方向の間隙は１あるいは２ｍｍのオーダーであり、かつタービン運転時に静止ケーシング１２に対する可動なブレードシュラウド１１の小さい半径方向の偏位により生じる、封止フィン２４，２６とブレードシュラウド１１の隣接した金属の間の摩擦接触を防ぐか、あるいは改善する。このような摩擦接触により封止フィン２４，２６の先端部は摩耗し、そのために変形し、従ってラビリンスシール２０の封止効果は減少する。使用するための正確な半径方向の間隙は、タービンの運転挙動をコンピュータモデリングすることにより計算することができ、あるいはリグ試験により確定される。

選定される半径方向の間隙は、静止ケーシング１２に対する可動なブレードシュラウド１１の最大の半径方向の偏位時における第一及び第二の封止フィン２４，２６の先端部と隣接した可動なブレードシュラウド１１の溝を付された面１４の間の摩擦接点を防ぐのに一般的には十分であるが、外側の通常のタービン運転挙動である大きな半径方向の間隙は、第一及び第二の封止フィン２４，２６の先端部に隣接したブレードシュラウド１１の溝を付された面１４上で摩耗性材料２７を用意することにより許容することができる。摩耗性材料２７は、封止フィン２４，２６の先端部における材料に比べて軟質であるが、可動なブレードシュラウド１１の半径方向の偏位中に封止フィン２４，２６の先端部によって擦り減らされる。従って、封止フィン２４，２６の先端部への損傷は防がれるか、あるいは最小限に抑えられ、これにより封止フィン２４，２６の先端部の形状は保護され、従って封止フィン２４，２６の封止効果も保護される。

上記目的に適した摩耗性材料は、例えばサーメットのような様々なタイプの熱溶射被膜である。よく知られた代替え品はフェルトメタル（登録商標）であり、これは様々な耐熱性合金からできた金属繊維フェルトを備えており、フェルト内の繊維は焼結工程により不規則にからみ合っている。フェルトメタル（登録商標）は、Technetics, 1700 E. Int’l Speedway Blvd. FL 32724 USAにより製造されている。

第一の封止フィン２４は各々、作業上流方向に傾斜しており、かつ半径方向に対して鋭角の範囲を定めている。本発明の場合、角度Ａは半径方向から約４５°離れているが、他の実施例において、角度Ａは訳１０〜７０°の間で変わってもよい。従って、第一の封止フィン２４は各々、前記の範囲内で鈍角Ａで向きを定められた直線の（すなわち曲がっていない）作業上流側に向いた面２８を有している。第一の封止フィン２４は各々、静止ケーシング１２上に取付けられ、かつその遠心端が、可動なブレードシュラウド１１の溝を付された面１４の対応する円周方向のランド１６と極めて封止に近い状態にあるように、漏洩流路全体にわたって突出している。第一の封止フィン２４の各々の傾斜した直線状の作業上流側に向いた面２８は、対応する円周方向に延びているランド１６と協働し、かつ作業上流側方向に戻って漏洩流２１を偏向させるために作用する、渦を発生させる流れの循環面を形成し、それにより漏洩流内に再循環渦が生じる。従って、第一の封止フィン２４の先端部を越えた漏洩流２１は減少する。

図２において、第二の封止フィン２６は各々、作業上流側に向いた面３０を含み、漏洩流路全体にわたり静止ケーシング１２からほぼ半径方向で内側に向かう方向に突出した第一のフォン要素３２と、フィンの先端部に隣接しておりかつフィンの先端部を含んでいる第二の遠位部３４を備えており、この第二の遠位部は作業上流側方向に向かって、すなわちこのようなフィンがある、作業のすぐ上流側の封止フィンの作業下流側に向かって傾斜している。図１および２に図示した実施例において、各第二の封止フィンの傾斜した末端要素３４は、作業上流側に向いた面３０の凹面状に彎曲した要素である。この凹面状に彎曲した要素は、渦を発生させる流れの循環面を形成しており、この流れの循環面は、第二の封止フィンの先端部と静止ケーシング面の間で測定された、第二の封止フィン２６の全長Ｌの約３０％を成す間隔にわたって延びている。他の実施例において、彎曲部は第二の封止フィンの先端部と静止ケーシング面の間のフィンの長さの約２０％〜約５０％の間の範囲の間隔にわたって延びていてもよい。

一実施例として、静止ケーシング面１２への連結の点と第二の封止フィンの先端部の間で１０ｍｍの長さを備えたフィンを採用するとする。フィンの作業上流側に向いた面３０の遠位部における彎曲部が４ｍｍの半径を有した場合、彎曲部は半径方向で測定された、先端部に隣接した、フィンの約最後の３ｍｍを占める。

第二の封止フィン２６の作業上流側に向いた面３０の凹面状に彎曲した遠位部３４が、円の弧として示してあるのに対して、当業者は彎曲部が代替え的に楕円の弧あるいは他の円錐曲線になり得ることに気付く。

第二の封止フィン２６の作業上流側に向いた面３０の凹面状に彎曲した遠位部３４は、半径方向にある角度傾斜したまっすぐな（直線の）遠位部により近似されてもよい。これは図３に示してあり、長さＬのフィン２６はまっすぐな遠位部３４Ａを備えた作業上流側に向いた面３０Ａを有しており、このまっすぐな遠位部は半径方向に対して角度Ｂで傾斜しており、渦を発生させる流れの循環面を形成している。図２の彎曲した遠位部３４に類似して、図３の遠位部３４は、第二の封止フィンの先端部と静止ケーシング面の間で測定された、第二の封止フィン２６の全長Ｌの約３０％を成す間隔にわたって傾斜しているが、他の実施例において、傾斜した要素は第二の封止フィンの先端部と静止ケーシング面の間のフィンの長さの約２０％〜約５０％の間で成す間隔にわたって延びていてもよい。

一実施例として、図３の角度Ｂは約１０°〜約６０°、好ましくは約２５°〜４５°の範囲内であってもよく、フィンの長さＬが１０ｍｍであった場合、作業上流側に向いた面３０Ａの傾斜した遠位部３４Ａは、半径方向で測定された、先端部に隣接したフィンの約最後の３〜４ｍｍを占める。

図４には大きな封止効率を可能にする態様から好まれる別の代替え的な実施例が示してあるが、製造するにはさらに困難であるか、あるいはさらに費用がかかることが確実らしい。この実施例においては、ただ遠位部だけでなく、フィン２６Ｂの作業上流側に向いた面３０Ｂ全体が作業上流側方向に彎曲している。図示した特殊な場合において、半径方向に対して、作業上流側に向いた面３０Ｂが作る角度は、フィンが静止面もしくは可動面から突出する点におけるゼロから、フィンの先端部３４Ｂにおける最大角度Ｂまで徐々に増える。例えば、面３０Ｂは楕円形状に、放物線状にあるいは双曲線状に彎曲してもよい。さらに、角度Ｂは約１０°〜約６０°、好ましくは約２５°〜４５°の範囲内であってもよい。

図１および２に戻ると、フィン２４，２６の形状により漏洩流体２１は偏向して、作業上流側方向に戻り、従って軸方向および円周方向に延びている、連続したフィンの間で境界を定められた空洞部４０，４２内で再循環過流２５，３６が生じる。渦により、漏洩流はフィンの先端部と隣接した可動な面の間の間隙を通って出ることが難しくなり、有効領域は縮小し、従って間隙を通る流体の排出率は小さくなる。さらに発生した渦はフィン全体にわたり圧力降下が大きくなり、従って漏洩が減少することに貢献する。

円周方向に延びている第一および第二の封止フィン２４，２６の数が増えると、流体流路に沿って流れる漏洩流体の崩壊及び再循環も増える。図２に示したラビリンスシールの
円周方向に延びている第一および第二の封止フィン２４，２６の配置により生じる漏洩流の崩壊により、可動なブレードシュラウド１１の溝を付された面１４と静止ケーシング１１の間の漏洩流が、特許文献１の図１に示されたような従来のラビリンスシールの設計と比べて約１９％減少することがわかった。従って、ラビリンスシールを含む軸流タービンの効率はかなり改善される。

漏洩流２１が、シュラウド面が単に平面である場合に比べて、ラビリンスシールを通る
より小さい直通経路を有するように、シュラウド面１４は交互に現れるランド１６と窪んだ要素１８を備えていることを一言ふれておく。これによりラビリンスシールの漏洩流に対する抵抗力が増す。さらに、凹状要素１８により、かなりの半径方向高さを備えた渦３６と十分発達した空洞体積が得られ、これによりラビリンスシールの漏洩流に対する抵抗力がさらに増す。

様々な実施例を前述の段落において説明したが、様々な変形が従属請求項の範囲からそれることなく実施例にされてもよいことも理解すべきである。

例えば、円周方向に延びている第一および／または第二の封止フィン２４，２６は、それと共に回転するための可動なブレードシュラウド１１上に取付けられている。この場合、静止ケーシング１２の溝を付された面１４に向かって、流体流路全体にわたり、円周方向に延びている第一および第二の封止フィン２４，２６が、ブレードシュラウド１１から半径方向で外の方へ突出するように、静止ケーシング１２の半径方向で内側の面は溝を付されている。

図１には流れに直列に配置された四つの封止フィンが示してある。すなわち二つの第一のフィンがあり、二つの第一のフィンの後には第二のフィンが続いている。所望であれば、この連続することは、例えば三つの第一のフィン２４を備えた六つの封止フィンに拡張され、各々には第二のフィン２６が続くことが実現される。反対に、ある状況において、二つの第一のフィン２４の間に配置された一つの第二のフィン２６を備えた二つの第一のフィンを使用して、あるいはただ一つの第二のフィンが続くただ一つの一のフィンを使用して容認可能な封止性能を達成することができる。

図１には、最も作業上流側のフィンがその遠心端がランド１６の封止近傍にある第一のフィン２４であり、第一のフィンにすぐ続くフィンが、その遠心端が凹状面要素１８の封止近傍にある第二のフィン２６である現在好まれている配置が示してある一方で、第一及び第二のフィンの順序が逆になった場合に所望な効率の増大を得ることも可能であり、その際に、最も作業上流側のフィンがその遠心端が凹状要素１８の封止近傍にある第二のフィン２６であり、第二のフィンにすぐ続くフィンが、その遠心端がランド１６の封止近傍にある第一のフィン２４である。

第二の重要な実施例を図５〜８に関連づけて説明する。

図５には可動ブレードの半径方向で外側要素が示してあり、この外側要素は翼要素１００と弓状のブレードシュラウド１１０を備えており、このブレードシュラウドは翼要素１０の半径方向での外側先端部上に取付けられており、かつそこと一体化されている。隣接したブレードシュラウド１１０は環状のシュラウドリングを形成するために協働する。円周方向に延びている静止ケーシング１２０は、可動ブレードの半径方向で外側に向かって配置されており、かつ可動ブレードを取囲んでいる。

作動流体は軸流タービンを流れて膨張し、かつ図５の矢印１９０で示したように、作業下流側方向において可動なブレード翼要素１００の間の流体流路に沿って移動する。ラビリンスシール２００は、可動なブレードシュラウド１１０と半径方向で隣接した静止ケーシング１２０の間で封止を行い、可動なブレードの先端部でブレードシュラウド１１０を越える流体の漏洩を最小限度に抑える。

図５の特別な実施例において、ラビリンスシール２００は、円周方向に延びており、かつ軸方向に間隔をおいて配置された複数の第一の封止フィン２４０を備えており、これらの封止フィンは可動なブレードシュラウド１１０の面１４０に向かって漏洩流体流路を横切り、静止ケーシング１２０の面１２２から半径方向で内側に延びている。さらにラビリンスシール２００は、円周方向に延びており、かつ軸方向に間隔をおいて配置された複数の第二の封止フィン２６０を備えており、これらの封止フィンは静止ケーシング１２０の面１２２に向かって漏洩流体流路を横切り可動なブレードシュラウド１１０の面１４０から半径方向で外側に突出している。従って、静止ケーシング１２０から内側に突出している第一の封止フィン２４０は、静止した封止フィンと呼び、可動なブレードシュラウド１１０から外側に突出している第二の封止フィン２６０は、可動な封止フィンと呼ぶ。

静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０は、各静止した封止フィン２４０を可動な封止フィン２６０が追従するように、ラビリンスシール２００を通り軸方向に交互に配置されている。従って、静止した封止フィン２４０は可動な封止フィン２６０の間の軸方向間隙内に突出しているが、可動な封止フィン２６０は静止した封止フィン間の軸方向間隙内に突出している。静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０は、例えば静止ケーシング１２０および可動なブレードシュラウド１１０内の（図示していない）円周方向に延びている凹部内で、知られるような加締め工程によって、独立した構成要素として製造されかつ固定されてもよい。代替え的に、機械加工あるいは鋳造工程により、シュラウド１１０および／またはケーシング１２０と一体に封止フィンを製造することも可能である。

静止した封止フィン２４０の遠心端あるいは先端部は、可動なブレードシュラウド１１０の封止近傍にあるが、可動な封止フィン２６０の遠心端あるいは先端部は、静止ケーシング１２０の封止近傍にある。このことはタービンの通常運転時には、静止した封止フィン２４０の遠心端と可動なブレードシュラウド１１０の間に、および可動な封止フィン２６０の遠心端と静止ケーシング１２０の間に小さい半径方向の間隙があることを意味している。このような半径方向の間隙は、タービン運転時に静止ケーシング１２に対する可動なブレードシュラウド１１の半径方向の偏位により生じる、封止フィン２４０，２６０と、可動なブレードシュラウド１１０あるいは静止ケーシング１２０との間の摩擦接触を防ぐかあるいは改善する。このような摩擦接触により封止フィン２４０，２６０の先端部は変形し、従ってラビリンスシール２００の封止効果は減少する。使用するための正確な半径方向の間隙は、タービンの運転挙動をコンピュータモデリングすることにより計算することができ、あるいはリグ試験により確定される。

選定される半径方向の間隙は、静止ケーシング１２０に対する可動なブレードシュラウド１１０の最大の半径方向の偏位時における、静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０の先端部と、隣接した可動なブレードシュラウド１１０あるいは静止ケーシング１２０の間の摩擦接触を防ぐのに一般的には十分であるが、外側の通常のタービン運転挙動である大きな半径方向の間隙は、静止した封止フィン２４０及び可動な封止フィン２６０の先端部に隣接したブレードシュラウド１１０および静止ケーシング１２０の面１４０，１２２上であるいは内で、摩耗性材料２７０を用意することにより許容することができる。摩耗性材料２７０は、封止フィン２４０，２６０の先端部における材料に比べて軟質であるが、可動なブレードシュラウド１１０の半径方向の偏位中に封止フィン２４，２６の先端部によって擦り減らされる。従って、封止フィン２４，２６の先端部の形状は保護されるかあるいは最小限に抑えられ、それによりラビリンスシール２００の封止効果も保護される。

上記目的に適した摩耗性材料は、例えばサーメットのような様々なタイプの熱溶射被膜である。よく知られた代替え品はフェルトメタル(R)であり、これは様々な耐熱性合金からできた金属繊維フェルトを備えており、フェルト内の繊維は焼結工程により不規則にからみ合っている。フェルトメタル(R)は、Technetics, 1700 E. Int’l Speedway Blvd. FL 32724 USAにより製造されている。

静止した封止フィン２４０の何れかひとつのために図６に明瞭に示したように、静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０は各々、ラビリンスシール２００を通る漏洩空気に対して作業上流側に面した渦を発生させる流れの循環面を備えている。図示した実施例において、各封止フィン２４０，２６０は、作業上流側に面した面３００を有しており、この作業上流側に面した面は、漏洩流路を横切り、静止ケーシング１２０あるいは可動なブレードシュラウド１１０のどちらか一方からほぼ半径方向に突出しているまっすぐなフィン要素３２０を備えている。図示した特殊な変形において、傾斜した遠位部３４０は、フィンの作業上流側に向いた面２４０の凹面状に彎曲した要素であり、かつ渦を発生させる流れの循環面を備えており、この流れの循環面は封止フィンの先端部とそこから突出した面の間で測定された、封止フィンの全長Ｌの約３０％を成す間隔にわたって延びている。他の実施例において、彎曲部は封止フィンの先端部とそこから突出した面の間のフィンの長さの約２０％〜約５０％の間の範囲の間隔にわたって延びていてもよい。

一実施例として、面への連結の点と封止フィンの先端部の間で１０ｍｍの長さを備えたフィンを採用するとする。フィンの作業上流側に向いた面３００の遠位部における彎曲部が４ｍｍの半径を有した場合、彎曲部は半径方向で測定された、先端部に隣接した、フィンの約最後の３ｍｍを占める。

図５及び６において、封止フィン２４０，２６０の作業上流側に向いた面３００の凹面状に彎曲した遠位部３４０が、半径Ｒを備えた円の弧として示してあるのに対して、当業者は彎曲部が代替え的に楕円の弧あるいは他の円錐曲線になり得ることに気付く。

作業上流側に向いた面３００の凹面状に彎曲した遠位部３４０は、半径方向にある角度傾斜したまっすぐな遠位部により近似されてもよい。これは図７に示してあり、長さＬのフィン２６０Ａは作業上流側に向いた面３００Ａを有しており、この作業上流側に向いた面は、漏洩流路を横切り、静止ケーシング１２あるいは可動なブレードシュラウド１１０からほぼ半径方向に突出しているまっすぐなフィン要素ン３２０Ａと、半径方向に対して角度Ｂで傾斜しており、渦を発生させる流れの循環面を形成しているまっすぐな遠位部３４０Ａを備えている。図７の凹状に彎曲した遠位部３４０に類似して、図７の角度が付いた遠位部３４０Ａは、封止フィンの先端部とそこから突出した面の間で測定された、封止フィンの全長Ｌの約３０％を成す間隔にわたって傾斜しているが、他の実施例において、傾斜した要素は封止フィンの先端部とそこから突出した面の間のフィンの長さの約２０％〜約５０％の間で成す間隔にわたって延びていてもよい。

一実施例として、図７の角度Ｂは約１０°〜約６０°、好ましくは約２５°〜４５°の範囲内であってもよく、フィンの長さＬが１０ｍｍであった場合、作業上流側に向いた面３００Ａの傾斜した遠位部３４０Ａは、半径方向で測定された、先端部に隣接したフィンの約最後の３〜４ｍｍを占める。

図８には大きな封止効率を可能にする態様から好まれる別の代替え的な実施例が示してあるが、製造するにはさらに困難であるか、あるいはさらに費用がかかることが確実らしい。この実施例においては、ただ遠位部だけでなく、フィンの作業上流側に向いた面３００Ｂ全体が作業上流側方向に彎曲している。図示した特殊な場合において、半径方向に対して、作業上流側に向いた面３００Ｂが作る角度は、フィンが静止面もしくは可動面から突出する点３２０Ｂにおけるゼロから、フィンの先端部３４０Ｂにおける最大角度Ｂまで徐々に増える。例えば、面３００Ｂは楕円形状に、放物線状にあるいは双曲線状に彎曲してもよい。さらに、角度Ｂは約１０°〜約６０°、好ましくは約２５°〜４５°の範囲内であってもよい。

図５に戻ると、静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０の渦を発生させる流れの循環面３４０の補完的形状は、連続して並んでいる静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０により境界を定められた、軸方向および円周方向に延びている空洞部４００内で再循環過流３６０を生じさせるのに効果的である。渦により、漏洩流はフィンの先端部と隣接した、静止しているかあるいは可動な面の間の間隙を通って出ることが難しくなり、有効領域は縮小し、従って間隙を通る流体の排出率は小さくなる。さらに発生した渦はフィン全体にわたり圧力降下が大きくなり、従って漏洩が減少することに貢献する。最も作業上流側のフィン２４０流れの再循環面により漏洩流がラビリンスに入る前に、別の渦３００が漏洩流内に発生し、この渦が空洞部４００内で生じる渦よりも弱いことに注意すべきである。渦３６０，３７０はすべて、同じ方向に回転しているように示してあるが、隣接した空洞部４００内の渦は逆の方向に回転し、それにより、ラビリンスシール２００の漏洩流に対する抵抗力はさらに増す。

静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０の数が増えると、流体流路に沿って流れる漏洩流体の崩壊及び再循環も増える。図５に示したラビリンスシールの静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０により生じる漏洩流の崩壊により、可動なブレードシュラウド１１０と静止ケーシング１２０の間の漏洩流が、特許文献１の図１に示されたような従来のラビリンスシールの設計と比べて約３０％減少することがわかった。従って、ラビリンスシールを含む軸流タービンの効率はかなり改善される。

図５に示したラビリンスシールは、複数の静止した封止フィン２４０と複数の可動な封止フィン２６０を備えているが、このタイプのラビリンスシールは、静止した封止フィンと可動な封止フィンを含む、単一ペアのフィンを備えていてもよい。

図５には現在好まれている配置が示してあり、静止した封止フィン２４０は各々、流れの順序において可動な封止フィン２６０に先行しているが、静止したおよび可動な封止フィン２４０，２６０の順序が逆になった場合には、可動な封止フィンが封止フィンに先行するように、静止した所望な効率の増大を得ることも可能である。図５においては、このことにより、流れの順序における第一、第三および第五の封止フィンが可動な封止フィン２６０であり、第二および第四の封止フィンが静止した封止フィン２４０である配置が得られる。

前述の説明は、静止した封止フィンと可動な封止フィンの間の漏洩を制御するために封止の作動に適用されるような実施例に焦点が当てられているが、添付の請求項が別のタイプの静止したおよび可動な部品の間の封止に適用されることに、すなわち可動な部品がタービンロータシャフトであり、静止した部品がシャフトにより穿孔される静止したタービンダイヤフラムリングであることに当業者は気づく。

Claims (9)

1. 軸方向の流体流ターボ機械内の静止した部分の対面した面と可動な部分の対面した面の間の間隙を通る漏洩流を妨げるために配置されたラビリンスシールであって、
   ラビリンスシールが、軸方向に間隔をおいて配置され円周方向に延びている、漏洩流に直列に配置された複数の封止フィンを備え、封止フィンの遠心端が対向する対面した部分の封止近傍にあるように、対向する対面した部分に向かって対面した部分の少なくとも一つから間隙を横切ってフィンが突出しており、
   ラビリンスシールが、漏洩流に直列に配置された、連続して並んだフィンにより境界を定められた複数の空洞部を備え、各フィンが作業上流側に向いた面を備えており、フィンの少なくとも遠位部が、漏洩流の作業上流側方向に向かって傾斜して、作業上流側方向で漏洩流を偏向させるために有効な渦を発生させる流れの循環面を形成し、かつ連続して並んだフィンにより境界を定められた空洞部の内部で漏洩流内に再循環させる渦を生じさせ、
   静止したおよび可動な部分に面した面の一つが溝を付されており、かつ少なくとも一つのランドと少なくとも一つの相対的に窪んだ部分を備えており、各ランドと各窪んだ部分が、封止フィンの遠心端の封止近傍にあることと、
   連続して並んだ封止フィンが、作業上流側方向に向かって傾斜しているまっすぐな作業上流側に向いた面を有する第一のフィンと、その少なくとも遠位部が作業上流側方向に向かって傾斜している作業上流側に向いた面を有する第二のフィンを互い違いに備えており、各第一のフィンの遠心端がランドの封止近傍にあり、各第二のフィンが窪んだ部分の封止近傍にあり、
   少なくとも１つの第二のフィンの作業上流側に向いた面が、その全長にわたり凹状に湾曲しており、最大の凹部がその遠心端であることを特徴とするラビリンスシール。
2. 前記少なくとも１つの第二のフィンの傾斜した遠位部により形成された流れの再循環面が、第二のフィンの作業上流側に向いた面の凹状に湾曲した部分であることを特徴とする請求項１に記載のラビリンスシール。
3. 最も作業上流側のフィンが、その遠心端がランドの封止近傍にある第一のフィンであり、すぐ次のフィンが、その遠心端が窪んだ面の部分の封止近傍にある第二のフィンであることを特徴とする請求項１に記載のラビリンスシール。
4. 前記作業上流側に向いた面は、楕円形状に湾曲している、請求項１に記載のラビリンスシール。
5. 前記作業上流側に向いた面は、放物線状に湾曲している、請求項１に記載のラビリンスシール。
6. 前記作業上流側に向いた面は、双曲線状に湾曲している、請求項１に記載のラビリンスシール。
7. 前記少なくとも１つの第二のフィンの前記遠心端は、前記静止したおよび可動な部分に面した面から１０°〜６０°の範囲内の角度で突出する、請求項１に記載のラビリンスシール。
8. 前記少なくとも１つの第二のフィンの前記遠心端は、前記静止したおよび可動な部分に面した面から２５°〜４５°の範囲内の角度で突出する、請求項７に記載のラビリンスシール。
9. 請求項１〜８のいずれか一つに記載のラビリンスシールを備えたターボ機械。

Images