JP7281991B2 - シール部材及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、シール部材及び回転機械に関する。

蒸気タービンやガスタービン等の回転機械は、ステータ内にロータが軸受により回転自在に支持され、ロータに複数段の動翼が固定される一方、ステータに複数段の静翼が固定されて構成されている。そして、流体がステータの供給口から供給され、複数の動翼と静翼を通過することで、各動翼を介してロータが駆動回転し、排出口から外部に排出される。

このようなガスタービンでは、ステータとロータとの間における流体の軸方向の漏れ流れを防止するため、ステータとロータとの間にシール部材が設けられている。そして、シール部材としては、ラビリンスシールが適用される場合がある。例えば特許文献１には、ラビリンスシールとして、ステータの内面又はロータの外面に複数のシールフィンが設けられる構成が記載されている。特許文献１には、シールフィンとして、母材から削り出して形成する削り出しシールフィンと、母材とは別部材で構成されて後から母材に取付けられる植込み式シールフィンとが記載されている。

特開平１１－１３４０９号公報

ここで、シールフィンは、流体の漏れ抑制の性能向上と、例えばタービンの前後差圧などに起因する外力に対する強度との、両方が求められている。すなわち、回転機械のシール部材において、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することが求められている。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制するシール部材及び回転機械を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係るシール部材は、ロータとステータとの間に配置され、前記ロータと前記ステータとの間をシールするシール部材であって、前記ロータの前記ステータとの対向面に固定された回転側部材と、前記ステータに固定され、前記回転側部材と対面する固定側部材と、前記回転側部材と前記固定側部材のいずれか一方に、対向する面側に突出した第１フィンと、前記第１フィンよりも回転軸方向の低圧側に配置され、対向する面側に突出した第２フィンと、を有し、前記第２フィンの根元における前記回転軸方向の厚みは、前記第１フィンの根元における前記回転軸方向の厚みより厚い。

このシール部材は、幅の広い第２フィンを第１フィンよりも低圧側に設けるため、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

前記第２フィンの前記回転軸方向における先端厚みは、前記第１フィンの前記回転軸方向における先端厚みより厚いことが好ましい。このシール部材は、幅の広い第２フィンを第１フィンよりも低圧側に設けるため、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

前記第２フィンは、前記第１フィンよりも強度が高い材料で形成されていることが好ましい。第２フィンを第１フィンより高強度の材料とすることで、差圧が高くなる箇所でのフィンの強度をより適切に高くすることが可能となる。

前記第１フィンは、設置されている部材と別体の植え込み型のフィンであり、前記第２フィンは、設置されている部材と一体の固定型のフィンであることが好ましい。このシール部材によると、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

前記第２フィンは、前記回転軸方向において、前記回転側部材又は前記固定側部材の前記回転軸方向における中央位置よりも、低圧側に配置されていることが好ましい。このシール部材によると、第２フィンを中央より低圧側に配置することで、差圧が高くなる箇所を第２フィンで補強しつつ、第１フィンで流体の漏れを適切に抑制することができる。

前記第２フィンは、前記回転軸方向において、全ての前記第１フィンよりも低圧側に配置されていることが好ましい。このシール部材によると、差圧が高くなる箇所を第２フィンで補強しつつ、第１フィンで流体の漏れを適切に抑制することができる。

前記固定側部材と並んで、前記ステータに固定され、対向する面側に突出するフィンが設けられた少なくとも１つの補助固定側部材と、前記補助固定側部材と対面する位置の前記ロータに固定され、対向する面側に突出するフィンが設けられた補助回転側部材と、をさらに有することが好ましい。このシール部材によると、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

前記補助固定側部材は、前記固定側部材よりも前記回転軸方向の高圧側に配置されることが好ましい。このシール部材によると、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

前記回転側部材と前記固定側部材のいずれか一方は、前記第１フィン及び前記第２フィンよりも突出量が少ない突出部をさらに有することが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る回転機械は、前記シール部材と、ロータと、ステータと、を備える。この回転機械によると、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

本発明によれば、流体の漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

図１は、本実施形態に係るコンバインドサイクルプラントを表す概略構成図である。 図２は、本実施形態に係るタービンの模式図である。 図３は、本実施形態に係るシール部材を示す模式図である。 図４は、本実施形態に係る第１フィンの模式的な拡大図である。 図５は、本実施形態に係る第２フィンの模式的な拡大図である。 図６は、本実施形態に係る第３フィンの模式的な拡大図である。 図７は、第２フィンの数と、流体のリーク量及び第１フィンに作用する差圧との関係を示すグラフである。 図８は、本実施形態に係る第１シール部の他の例を示す模式図である。 図９は、本実施形態に係るシール部材の他の例を示す模式図である。 図１０は、本実施形態に係るシール部材の他の例を示す模式図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態に係るコンバインドサイクルプラントを表す概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係るコンバインドサイクルプラント１００は、ガスタービン１１０、高圧蒸気タービン１２０、中圧蒸気タービン１３０、低圧蒸気タービン１４０で構成され、これらガスタービン１１０、高圧蒸気タービン１２０、中圧蒸気タービン１３０、低圧蒸気タービン１４０は、発電機１５０と同軸上に配置されている。

ガスタービン１１０は、圧縮機１１１、燃焼器１１２、タービン１１３で構成されている。圧縮機１１１において、空気Ａ０が昇圧され、燃焼器１１２に供給される。燃焼器１１２において、供給された空気Ａ０と燃料Ｂにより高温の燃焼ガスが生成され、タービン１１３に供給される。タービン１１３を通過する燃焼ガスは、タービン１１３を回転駆動した後に排ガスＥとなって排出される。

コンバインドサイクルプラント１００は、ボイラ（排熱回収ボイラ）１６０を備える。ボイラ１６０は、ガスタービン１１０におけるタービン１１３から排出される排ガスＥを加熱源として、水から、過熱蒸気である流体Ｆを生成する。このボイラ１６０により生成される過熱蒸気（流体Ｆ）により、高圧蒸気タービン１２０、中圧蒸気タービン１３０、低圧蒸気タービン１４０が駆動される。そして、これらガスタービン１１０、高圧蒸気タービン１２０、中圧蒸気タービン１３０、低圧蒸気タービン１４０の駆動により、発電機１５０で発電される。また、低圧蒸気タービン１４０に利用された蒸気は、低圧蒸気タービン１４０に接続された復水器１４２により復水とされ、過熱蒸気を生成するための水としてボイラ１６０に送られる。なお、図１の例では、ガスタービン１１０と、蒸気タービン（高圧蒸気タービン１２０、中圧蒸気タービン１３０、低圧蒸気タービン１４０）とを同軸で連結しているが、同軸で連結することに限られず、例えばガスタービン１１０と蒸気タービンとを別の軸として、それぞれに発電機１５０を接続してもよい。

このようなコンバインドサイクルプラント１００に適用されるガスタービン１１０や蒸気タービン（高圧蒸気タービン１２０、中圧蒸気タービン１３０、低圧蒸気タービン１４０）などの回転機械は、ロータとステータとを有している。本実施形態に係るシール部材３０は、このロータとステータとの間に配置され、ステータとロータとの間をシールする。ただし、シール部材３０は、ステータとロータとの間を完全に密封するわけでなく、ステータとロータとの間に所定のクリアランスを保持する。

本実施形態においては、シール部材３０は、高圧蒸気タービン１２０と中圧蒸気タービン１３０との間に設けられる。図２は、本実施形態に係るシール部材の位置を説明する模式図である。図２に示すように、高圧蒸気タービン１２０は、ステータ１１と、ロータ１２と、静翼１３と、動翼１４と、シール部材３０と、を備える。ステータ１１は、内部に空間ＳＰが形成される中空の部材である。ロータ１２は、軸状の部材であり、ステータ１１の空間ＳＰ内に設けられる。ステータ１１の内周面１１Ａと、ロータ１２の外周面１２Ａとは、対向する。ロータ１２の軸方向を回転軸方向Ａとすると、ロータ１２は、回転軸方向Ａに沿った中心軸Ｏを回転軸として回転する。以下、回転軸方向Ａに平行な方向のうち一方側の方向を方向Ａ１とし、回転軸方向Ａに平行な方向のうち他方側の方向、すなわち方向Ａ１と反対方向を、方向Ａ２とする。また、回転軸方向Ａを回転軸とした場合の径方向を、径方向Ｒとする。そして、回転軸方向Ａを回転軸とした場合の径方向内側、すなわちロータ１２に向かう方向を、方向Ｒ１とし、回転軸方向Ａを回転軸とした場合の径方向外側、すなわちロータ１２から遠ざかる方向を、方向Ｒ２とする。

ステータ１１には、ステータ１１の内部の空間ＳＰに連通する流体入口２２と流体出口２６とが形成されている。ボイラ１６０から供給される過熱蒸気である流体Ｆは、流体入口２２から空間ＳＰ内に導入される。空間ＳＰ内で静翼１３と動翼１４との間を通った流体Ｆは、流体出口２６から空間ＳＰの外部に導出される。

静翼１３は、ステータ１１の空間ＳＰにおける内周面１１Ａに設けられて、ステータ１１に対して固定されている。静翼１３は、ステータ１１の内周面１１Ａから、方向Ｒ１側、すなわちロータ１２側に突出している。静翼１３は、ロータ１２の回転方向（周方向）に沿って所定間隔を空けて複数設けられ、回転軸方向Ａに沿って複数設けられている。

動翼１４は、空間ＳＰにおいて、ロータディスク２１を介してロータ１２に固定されている。ロータディスク２１は、空間ＳＰにおいて、ロータ１２の外周面１２Ａに設けられて、ロータ１２に対して固定されている。動翼１４は、ロータディスク２１の外周部に固定されており、ロータディスク２１の外周部から、方向Ｒ２側、すなわちステータ１１側に突出している。動翼１４は、ロータ１２の回転方向（周方向）に沿って所定間隔を空けて複数設けられ、回転軸方向Ａに沿って複数設けられる。動翼１４と静翼１３とは、回転軸方向Ａに沿って交互に設けられる。

シール部材３０は、静翼１３と動翼１４とが設けられる空間ＳＰよりも方向Ａ２側に設けられる。具体的には、シール部材３０は、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間に設けられる。空間ＳＰ１は、シール部材３０の方向Ａ１側の空間であり、空間ＳＰ２は、シール部材３０の方向Ａ２側の空間である。空間ＳＰ２は、空間ＳＰ１より低圧になっているため、流体Ｆは、空間ＳＰ１側から、空間ＳＰ２側に流れる。本実施形態では、空間ＳＰ１が、空間ＳＰと連通しており、空間ＳＰ２は、例えば大気開放されている。

図３は、本実施形態に係るシール部材を示す模式図である。図３に示すように、シール部材３０が設けられる空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間には、回転軸方向Ａに並ぶ複数のシールリング４２が設けられている。シールリング４２は、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間において、ステータ１１の内周面１１Ａに固定されている。シールリング４２と、ロータ１２のそのシールリング４２に径方向Ｒで対向する部分とは、１つのセグメントＳを構成する。セグメントＳは、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間において、回転軸方向Ａに並ぶ。

シール部材３０は、第１シール部４０Ａと第２シール部４０Ｂとを含む。第１シール部４０Ａと第２シール部４０Ｂとは、回転軸方向Ａに並んでいる。本実施形態において、第１シール部４０Ａは、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間において、第２シール部４０Ｂよりも方向Ａ２側（低圧側）に位置している。より詳しくは、シール部材３０において、第１シール部４０Ａは、最も方向Ａ２側にあり、第１シール部４０Ａの方向Ａ１側に、複数の第２シール部４０Ｂが並んでいる。言い換えれば、第１シール部４０Ａと第２シール部４０Ｂとは、それぞれ、セグメントＳに設けられる。すなわち、１つのセグメントＳに対し、１つの第１シール部４０Ａ又は１つの第２シール部４０Ｂが設けられる。第１シール部４０Ａは、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間の最も方向Ａ２側のセグメントＳに設けられており、第２シール部４０Ｂは、第１シール部４０Ａが設けられたセグメントＳよりも方向Ａ１側のセグメントＳに設けられている。本実施形態においては、最も方向Ａ２側のセグメントＳよりも方向Ａ１側のセグメントＳは複数あり、第２シール部４０Ｂは、それらの複数のセグメントＳのそれぞれに設けられる。ただし、第１シール部４０Ａと第２シール部４０Ｂとの並び順はこれに限られない。例えば、第１シール部４０Ａの方向Ａ１側と方向Ａ２側とに第２シール部４０Ｂが設けられてもよいし、第１シール部４０Ａが最も方向Ａ１側に設けられていてもよい。また、本実施形態では第１シール部４０Ａが１つあり第２シール部４０Ｂが複数あるが、数もこれに限られず、第１シール部４０Ａが複数あってもよい。さらに言えば、第１シール部４０Ａが設けられて第２シール部４０Ｂが設けられていなくてもよい。

第１シール部４０Ａが設けられる好ましい位置の他の例を挙げる。例えば、第１シール部４０Ａは、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間の複数のセグメントＳのうち、クリアランスが最小となるセグメントＳに設けられることが好ましい。ここでのクリアランスとは、ロータとステータとの間のクリアランスを指し、本実施形態では、シールリング４２から突出するフィンの先端面とロータ１２の外周面１２Ａとの間の距離である。シールリング４２から突出するフィンとは、例えばここでは、後述の第１フィン４４、第２フィン４６、及び第３フィン４８などを指し、クリアランスは、後述のクリアランスＬ１、Ｌ２、Ｌ３などを指す。また例えば、第１シール部４０Ａは、ＡＣＣ（Active Clearance Control：アクティブクリアランスコントロール）が適用されたセグメントＳに設けられることが好ましい。ＡＣＣは、タービンの起動時に、タービンのクリアランスを調整する機構を指す。ＡＣＣが適用されたセグメントＳにおいては、例えばシールリング４２が、外力が加えられることで径方向Ｒに移動可能に構成されている。ＡＣＣが適用されたセグメントＳにおいては、シールリング４２に、例えば圧縮空気を供給して差圧などの外力を作用させることで、シールリング４２を、径方向Ｒに移動させる。これによりクリアランスを調整する。なお、これらの例においても、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳ以外のセグメントＳには、第２シール部４０Ｂが設けられる。

次に、第１シール部４０Ａの詳細構成について説明する。第１シール部４０Ａは、セグメントＳ（シールリング４２と、ロータ１２のそのシールリング４２に径方向Ｒで対向する部分）と、第１フィン４４と、第２フィン４６と、第３フィン４８と、を含む。セグメントＳのシールリング４２は、ステータ１１の内周面１１Ａに形成された溝１１Ｂ内に挿入されることで、ステータ１１の内周面１１Ａに固定される。シールリング４２は、方向Ｒ１側の先端面４２Ａが、ステータ１１の内周面１１Ａから方向Ｒ１側に露出（ここでは突出）している。セグメントＳは、シールリング４２の先端面４２Ａとロータ１２の外周面１２Ａとが、径方向Ｒにおいて所定のクリアランスを隔てて対向している。すなわち、本実施形態では、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、ロータ１２のシールリング４２に径方向Ｒで対向する部分が、ロータ１２の外周面１２Ａ（ステータ１１との対向面）に固定された回転側部材であり、シールリング４２が、ステータ１１に固定されてロータ１２（回転側部材）と対面する固定側部材であるといえる。ただし、例えば、ロータ１２の外周面１２Ａに、ロータ１２とは別体の回転側部材が固定されており、その回転側部材とシールリング４２とが、セグメントＳを構成していてもよい。

第１フィン４４と第２フィン４６とは、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちの一方の面に固定される。本実施形態では、第１フィン４４と第２フィン４６とは、シールリング４２の先端面４２Ａに設けられて、先端面４２Ａに固定される。

図４は、本実施形態に係る第１フィンの模式的な拡大図である。図４に示すように、第１フィン４４は、固定される対象（ここではシールリング４２）とは別体であり、一部がシールリング４２内に埋め込まれ、他の一部がシールリング４２の先端面４２Ａから方向Ｒ１（対向する面側）に突出している。すなわち、第１フィン４４は、植込み型のフィンである。具体的には、第１フィン４４は、一方の端部である基端部４４Ａ１から中間部４４Ａ２まで、方向Ａ２に向けて延びており、中間部４４Ａ２で方向Ｒ１側に折り曲げられた形状となっている。第１フィン４４は、中間部４４Ａ２から他方の端部である先端部４４Ａ３まで、方向Ｒ１に向けて延びている。第１フィン４４は、基端部４４Ａ１から、中間部４４Ａ２と先端部４４Ａ３との間の箇所である根元部４４Ａ４までにおいて、シールリング４２に形成された溝４２Ｂ内に挿入されている。溝４２Ｂと第１フィン４４とは、コーキングにより固定される。第１フィン４４は、根元部４４Ａ４でシールリング４２の先端面４２Ａから露出し、根元部４４Ａ４から先端部４４Ａ３までにおいて、シールリング４２の先端面４２Ａから方向Ｒ１に向けて突出している。すなわち、第１フィン４４は、基端部４４Ａ１から根元部４４Ａ４までがシールリング４２に植え込まれた部分であり、根元部４４Ａ４から先端部４４Ａ３までが、シールリング４２から突出した部分である。なお、第１フィン４４は、ロータ１２の回転方向（周方向）にも延びるフィン形状となっている。

第１フィン４４の根元部４４Ａ４と先端部４４Ａ３との間の部分を中間部４４Ａ５とすると、第１フィン４４は、根元部４４Ａ４から中間部４４Ａ５までにおいて、回転軸方向Ａにおける幅（長さ）が一定であり、中間部４４Ａ５から先端部４４Ａ３に向かうに従って、回転軸方向Ａにおける幅が小さくなっている。従って、第１フィン４４の先端部４４Ａ３での回転軸方向Ａにおける幅（長さ）Ｄ１は、第１フィン４４の根元部４４Ａ４での回転軸方向Ａにおける幅（長さ）Ｄ２よりも、小さい。ただし、第１フィン４４の形状はこれに限られず、例えば、第１フィン４４は、根元部４４Ａ４から先端部４４Ａ３まで回転軸方向Ａにおける幅が一定でもよく、また例えば、中間部４４Ａ２において折り曲げられた形状でなくてもよい。

なお、第１フィン４４の先端部４４Ａ３と、対向する側の面（ここではロータ１２の外周面１２Ａ）との間の距離を、クリアランスＬ１とし、シールリング４２の先端面４２Ａとロータ１２の外周面１２Ａとの間の距離を、シールリング４２とロータ１２とのクリアランスＬとする。

図５は、本実施形態に係る第２フィンの模式的な拡大図である。図５に示すように、第２フィン４６は、固定される対象（ここではシールリング４２）と一体の固定型フィンである。例えば本実施形態では、母材から、シールリング４２と第２フィン４６とが削り出して形成されており、第２フィン４６は、削り出しフィンであるともいえる。第２フィン４６は、一方の端部である基端部４６Ａ１がシールリング４２の先端面４２Ａに接続され、基端部４６Ａ１から他方の端部である先端部４６Ａ２まで、方向Ｒ１に向けて延びている。なお、第２フィン４６は、ロータ１２の回転方向（周方向）にも延びるフィン形状となっている。

第２フィン４６は、基端部４６Ａ１から先端部４６Ａ２に向かうに従って、回転軸方向Ａにおける幅が小さくなっている。従って、第２フィン４６の先端部４６Ａ２での回転軸方向Ａにおける幅Ｄ３は、第２フィン４６の基端部４６Ａ１での回転軸方向Ａにおける幅Ｄ４よりも、小さい。ただし、第２フィン４６の形状はこれに限られない。例えば、第２フィン４６は、基端部４６Ａ１から先端部４６Ａ２まで回転軸方向Ａにおける幅が一定でもよく、また例えば、基端部４６Ａ１がＲ形状となっていてもよい。

なお、第２フィン４６の先端部４６Ａ２と、対向する側の面（ここではロータ１２の外周面１２Ａ）との間の距離を、クリアランスＬ２とする。

第２フィン４６は、第１フィン４４よりも回転軸方向Ａにおける幅が大きい。具体的には、第２フィン４６の先端部４６Ａ２における幅Ｄ３は、第１フィン４４の先端部４４Ａ３における幅Ｄ１より、大きい。また、第２フィン４６の基端部４６Ａ１における幅Ｄ４は、第１フィン４４の根元部４４Ａ４における幅Ｄ２より、大きい。第２フィン４６は、このように第１フィン４４よりも回転軸方向Ａにおける幅が大きいため、第１フィン４４よりも強度が高くなっている。また、第２フィン４６は、第１フィン４４よりも強度が高い材料で形成されていてもよい。

次に、第１フィン４４と第２フィン４６との設けられる位置について説明する。図３に示すように、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、第１フィン４４と第２フィン４６とは、回転軸方向Ａに並んでいる。第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、第２フィン４６は、第１フィン４４よりも方向Ａ２側、すなわち低圧側に設けられる。より詳しくは、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、第２フィン４６より方向Ａ２側には、第１フィン４４が設けられておらず、言い換えれば、第２フィン４６は、回転軸方向Ａにおいて、全ての第１フィン４４よりも方向Ａ２側に配置されている。図３の例では、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、方向Ａ１側に複数（図３の例では５つ）の第１フィン４４が並び、それらの第１フィン４４よりも方向Ａ２側に、複数（図３の例では２つ）の第２フィン４６が並んでいる。第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、第２フィン４６は、回転軸方向ＡにおけるセグメントＳの中央位置よりも、方向Ａ２側に設けられることが好ましい。なお、回転軸方向ＡにおけるセグメントＳの中央位置とは、セグメントＳの方向Ａ１側の端部と方向Ａ２側の端部との、回転軸方向Ａにおける中点である。また、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、第２フィン４６の数は、第１フィン４４の数より少ないことが好ましい。ただし、第１フィン４４と第２フィン４６との数は任意である。例えば、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、第１フィン４４が１つであってもよいし、第２フィン４６が１つであってもよいし、第１フィン４４より第２フィン４６の数の方が多くてもよい。

図３に示すように、第３フィン４８は、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちの他方の面に固定される。本実施形態では、第３フィン４８は、ロータ１２の外周面１２Ａに設けられて、外周面１２Ａに固定される。第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、第３フィン４８は、ロータ１２の外周面１２Ａにおいて回転軸方向Ａに並んでいる。

図６は、本実施形態に係る第３フィンの模式的な拡大図である。図６に示すように、第３フィン４８は、固定される対象（ここではロータ１２）と一体の固定型フィンである。例えば本実施形態では、母材から、ロータ１２と第３フィン４８とが削り出して形成されており、第３フィン４８は、削り出しフィンであるともいえる。第３フィン４８は、一方の端部である基端部４８Ａ１がロータ１２の外周面１２Ａに接続され、基端部４８Ａ１から他方の端部である先端部４８Ａ２まで、方向Ｒ２に向けて延びている。なお、第３フィン４８は、ロータ１２の回転方向（周方向）にも延びるフィン形状となっている。

第３フィン４８は、基端部４８Ａ１から先端部４８Ａ２に向かうに従って、回転軸方向Ａにおける幅が小さくなっている。従って、第３フィン４８の先端部４８Ａ２での回転軸方向Ａにおける幅Ｄ５は、第３フィン４８の基端部４８Ａ１での回転軸方向Ａにおける幅Ｄ６よりも、小さい。ただし、第３フィン４８の形状はこれに限られない。例えば、第３フィン４８は、基端部４８Ａ１から先端部４８Ａ２まで回転軸方向Ａにおける幅が一定でもよく、また例えば、基端部４８Ａ１がＲ形状となっていてもよい。

なお、第３フィン４８の先端部４８Ａ２と、対向する側の面（ここではシールリング４２の先端面４２Ａ）との間の距離を、クリアランスＬ３とする。

本実施形態では、第３フィン４８の幅Ｄ５は、第１フィン４４の幅Ｄ１及び第２フィン４６の幅Ｄ３よりも大きく、第３フィン４８の幅Ｄ６は、第１フィン４４の幅Ｄ２及び第２フィン４６の幅Ｄ４よりも大きい。ただし、第３フィン４８の幅の大きさはこれに限られず、幅Ｄ５、Ｄ６が、それぞれ第２フィン４６の幅Ｄ３、Ｄ４と同じであってもよいし、幅Ｄ３、Ｄ４より小さくてもよい。

このように、第１シール部４０Ａは、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちの一方（ここではシールリング４２）に、回転軸方向Ａにおける幅が異なる第１フィン４４と第２フィン４６とが設けられ、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちの他方（ここではロータ１２）に、回転軸方向Ａにおける幅が互いに同じとなる第３フィン４８が設けられる。すなわち、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちの他方、ここではロータ１２には、第１フィン４４、第２フィン４６、及び第３フィン４８のうち、第３フィン４８のみが設けられている。また、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳにおいて、第１フィン４４と第３フィン４８とは、回転軸方向Ａにおいて交互に設けられ、第２フィン４６と第３フィン４８とも、回転軸方向Ａにおいて交互に設けられる。なお、ロータ１２に設けられる第３フィン４８は、幅が互いに同じであれば、固定される対象と一体の固定型のフィンに限られず、固定される対象とは別体の植込み型のフィンであってもよい。

次に、第２シール部４０Ｂの構成について説明する。第１シール部４０Ａは、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちの一方の面に、幅が異なる第１フィン４４と第２フィン４６とが混在していたが、第２シール部４０Ｂは、一つの面に第１フィン４４と第２フィン４６とが混在する構成とはなっていない。具体的には、図３に示すように、第２シール部４０Ｂは、セグメントＳ（シールリング４２と、ロータ１２のそのシールリング４２に径方向Ｒで対向する部分）と、第１フィン４４と、第３フィン４８と、を含む。本実施形態では、第２シール部４０Ｂが設けられるセグメントＳにおいて、シールリング４２が、第１シール部４０Ａが設けられるセグメントＳのシールリング４２と並んで配置される補助固定側部材であるといえ、ロータ１２のシールリング４２に径方向Ｒで対向する部分が、シールリング４２（補助固定側部材）に対面する位置に配置される補助回転部材であるといえる。ただし、例えば、ロータ１２の外周面１２Ａに、ロータ１２とは別体の補助回転側部材が固定されており、その補助回転側部材とシールリング４２とが、セグメントＳを構成していてもよい。

第２シール部４０Ｂは、対向するシールリング４２とロータ１２とのうち一方の面、ここではシールリング４２の先端面４２Ａに、第１フィン４４が設けられる。第２シール部４０Ｂが設けられるセグメントＳにおいて、第１フィン４４は、シールリング４２の先端面４２Ａで回転軸方向Ａに並ぶ。また、第２シール部４０Ｂは、対向するシールリング４２とロータ１２とのうち他方の面、ここではロータ１２の外周面１２Ａに、第３フィン４８が設けられる。第２シール部４０Ｂが設けられるセグメントＳにおいて、第３フィン４８は、ロータ１２の外周面１２Ａで回転軸方向Ａに並ぶ。第２シール部４０Ｂが設けられるセグメントＳにおいて、第１フィン４４と第３フィン４８とは、回転軸方向Ａに交互に設けられる。

このように、第２シール部４０Ｂは、シールリング４２に第１フィン４４が設けられ、ロータ１２に第３フィン４８が設けられるが、シールリング４２とロータ１２とに設けられるフィンは、それらに限られない。第２シール部４０Ｂは、対向するシールリング４２とロータ１２とのうち一方に、回転軸方向Ａにおける幅が等しい１種類のフィンが設けられ、対向するシールリング４２とロータ１２とのうち他方に、回転軸方向Ａにおける幅が等しい１種類のフィンが設けられていればよい。

本実施形態に係るシール部材３０は、以上のように構成されている。次に、シール部材３０の作用について説明する。タービンは、対向するステータ１１とロータ１２との間のクリアランスが小さいほど、流体Ｆのリーク量が小さくなるため、出力効率が高くなる。本実施形態においては、空間ＳＰ１と空間ＳＰ２との間におけるステータ１１とロータ１２とのクリアランスが小さいほど、空間ＳＰ１から空間ＳＰ２への流体Ｆのリーク量が少なくなり、タービンの出力効率が高くなる。本実施形態に係るシール部材３０は、フィン（第１フィン４４、第２フィン４６及び第３フィン４８）により、ステータ１１とロータ１２との間のクリアランスを小さくすることで、流体Ｆのリーク量を少なくして出力効率を高くしている。

さらに言えば、タービンは、フィンの回転軸方向Ａにおける長さ（幅）が小さいほど、流体Ｆのリーク量が少なくなって出力効率を高くすることができる。また、フィンの回転軸方向Ａにおける幅を小さくするほど、設置可能なフィンの数を多くすることができ、さらに効率を向上させることができる。一方、セグメントＳにおいては、高圧の空間ＳＰ１と低圧の空間ＳＰ２との間に作用する差圧によって、フィンに負荷がかかるが、フィンは、回転軸方向Ａにおける長さ（幅）が小さいほど強度が低くなる。すなわち、シール部材３０に設けるフィンは、効率の観点からは幅が小さいことが好ましいが、強度の観点からは幅が大きい方が好ましいという、トレードオフの関係となる。それに対し、本実施形態に係るシール部材３０は、第１シール部４０Ａにおいて、シールリング４２とロータ１２との一方の面に、幅が小さい第１フィン４４と幅が大きい第２フィン４６とを設け、第２フィン４６を第１フィン４４よりも方向Ａ２側（低圧側）に設けている。すなわち、本実施形態においては、低圧側のフィンほど作用する差圧が大きくなることに着目し、差圧が大きい方向Ａ２側に幅が大きい第２フィン４６を設けることで、差圧が大きくなる箇所におけるフィンの強度を高く保ち、外力による破損を抑制している。さらに、差圧が小さいため強度をそこまで高くしなくてもよい方向Ａ１側に、幅が小さい第１フィン４４を設けることで、強度を維持して破損を抑えつつ、出力効率を向上させることを可能としている。本実施形態においては、第１フィン４４と第２フィン４６とをこのように設けることで、出力効率と強度とを両立させることを可能としている。

図７は、第２フィンの数と、流体のリーク量及び第１フィンに作用する差圧との関係を示すグラフである。図７は、第１シール部４０Ａにおいて第２フィン４６の数を変化させた場合の、第１シール部４０Ａからの流体Ｆのリーク量と、第１フィン４４に作用する差圧とを、解析で算出した結果の一例を示している。図７の線分Ｔ１は、第２フィン４６の数と流体Ｆのリーク量との関係を示している。線分Ｔ１に示すように、流体Ｆのリーク量は、第２フィン４６の数が多くなるほど多くなる。すなわち、第２フィン４６の数が少なく第１フィン４４の数が多くなるほど、リーク量が少なくなって出力効率が高くなることが分かる。一方、図７の線分Ｔ２は、第２フィン４６の数と第１フィン４４に作用する差圧との関係を示している。線分Ｔ２に示すように、第１フィン４４に作用する差圧は、第２フィン４６の数が多くなるほど低くなる。すなわち、第２フィン４６の数が多く第１フィン４４の数が少なくなるほど、第１フィン４４が低圧側に配置されることになるため、第１フィン４４に作用する差圧が小さくなり、破損のリスクが低減することが分かる。また、線分Ｔ１に示すように、流体Ｆのリーク量は、第２フィン４６の数に対して直線状に変化する。一方、線分Ｔ２に示すように、第１フィン４４に作用する差圧は、第２フィン４６の数に対して曲線状に変化し、第２フィン４６の数が多い領域ほど、第２フィン４６の数の変化に対する第１フィン４４に作用する差圧の変化量が小さくなっている。従って、第２フィン４６の数は、第１フィン４４の数に対してそこまで多くする必要がなく、例えば、第１シール部４０Ａにおける第２フィン４６の数は、第１シール部４０Ａにおける第１フィン４４の数より少ないことが好ましいといえる。また、１つの第１シール部４０Ａにおける第２フィン４６の数は、１つ以上であり、１つの第１シール部４０Ａにおける第１フィン４４と第２フィン４６との総数の半分以下であることが好ましいといえる。

次に、シール部材３０の他の例について説明する。図８は、本実施形態に係る第１シール部の他の例を示す模式図である。図８に示すように、第１シール部４０Ａは、第２フィン４６よりも方向Ａ２側に、突出部５０を設けてもよい。突出部５０は、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちの一方の面（ここではシールリング４２の先端面４２Ａ）と、他方の面（ここではロータ１２の外周面１２Ａ）とに設けられ、第２フィン４６よりも方向Ａ２側に設けられる。シールリング４２の先端面４２Ａに設けられる突出部５０は、先端面４２Ａから方向Ｒ１側、すなわちロータ１２側に突出している。ロータ１２の外周面１２Ａに設けられる突出部５０は、外周面１２Ａから方向Ｒ２側、すなわちシールリング４２側に突出している。

突出部５０は、先端面５０Ａと対向する面との間の距離であるクリアランスＬ４が、第１フィン４４、第２フィン４６、及び第３フィン４８のクリアランスＬ１、Ｌ２、Ｌ３よりも、小さい。すなわち、突出部５０は、流体Ｆのリーク量を少なくして出力効率を高くするという機能が、第１フィン４４、第２フィン４６、及び第３フィン４８に比べて小さい。なお、突出部５０の数は、それぞれの面に１つであることに限られず、１つの面に複数設けられていてもよい。また、突出部５０は、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちのいずれかにのみ設けられていてもよい。

図９及び図１０は、本実施形態に係るシール部材の他の例を示す模式図である。本実施形態では、第１フィン４４と第２フィン４６とが、対向するシールリング４２とロータ１２とのうちの一方、すなわちシールリング４２に設けられていたが、図９及び図１０に示すように、シールリング４２とロータ１２とのうちの他方、すなわちロータ１２に設けられていてもよい。

図９の例においては、第１シール部４０Ａは、ロータ１２の外周面１２Ａに第１フィン４４と第２フィン４６とを設け、シールリング４２の先端面４２Ａに第３フィン４８を設けている。図９の構成においても、第２フィン４６を方向Ａ２側に設けて第１フィン４４を方向Ａ１側に設けるため、流体Ｆの漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。なお、図９などのように第１フィン４４及び第２フィン４６をロータ１２に設ける場合、シールリング４２側の第３フィン４８の幅Ｄ５を、ロータ１２側の第２フィン４６の幅Ｄ３より小さくしてよく、第３フィン４８の幅Ｄ６を、第２フィン４６の幅Ｄ５より小さくしてよい。シールリング４２においては、削り出しで製造する場合のフィンの幅を容易に小さくすることが可能であるため、第３フィン４８の幅を小さくすることが可能となる。また、図９の例では、第２シール部４０Ｂにおいて、シールリング４２に第３フィン４８が設けられ、ロータ１２に第１フィン４４が設けられるが、これに限られず、それぞれの面に、回転軸方向Ａにおける幅が等しい１種類のフィンが設けられていればよい。

図１０の例においては、第１シール部４０Ａは、ロータ１２の外周面１２Ａとシールリング４２の先端面４２Ａとの両方に、第１フィン４４と第２フィン４６とを設けている。図１０の構成においても、第２フィン４６を方向Ａ２側に設けて第１フィン４４を方向Ａ１側に設けるため、流体Ｆの漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態に係るシール部材３０は、ロータ１２とステータ１１との間に配置され、ロータ１２とステータ１１との間をシールする。シール部材３０は、ロータ１２（回転側部材）と、シールリング４２（固定側部材）と、第１フィン４４と、第２フィン４６とを有する。ロータ１２は、ロータ１２のステータ１１との対向面（外周面１２Ａ）に固定され、シールリング４２は、ステータ１１に固定され、ロータ１２と対面する。第１フィン４４は、ロータ１２とシールリング４２とのいずれか一方に設けられ、対向する面に突出して回転軸方向Ａに配置される。第２フィン４６は、第１フィン４４よりも回転軸方向Ａの低圧側（方向Ａ２側）に配置され、対向する面側に突出し回転軸方向Ａに配置される。第２フィン４６の根元（基端部４６Ａ１）における回転軸方向Ａの厚み（幅Ｄ４）は、第１フィン４４の根元部４４Ａ４における回転軸方向Ａの厚み（幅Ｄ２）より厚い。本実施形態に係るシール部材３０は、幅の広い第２フィン４６を第１フィン４４よりも低圧の方向Ａ２側に設けるため、流体Ｆの漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

また、第２フィン４６の回転軸方向Ａにおける先端厚み（幅Ｄ３）は、第１フィン４４の回転軸方向Ａにおける先端厚み（幅Ｄ１）より広い。本実施形態に係るシール部材３０は、幅の広い第２フィン４６を第１フィン４４よりも低圧の方向Ａ２側に設けるため、流体Ｆの漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

また、第２フィン４６は、第１フィン４４よりも強度が高い材料で形成されていてもよい。第２フィン４６を第１フィン４４より高強度の材料とすることで、差圧が高くなる方向Ａ２側でのフィンの強度をより適切に高くすることが可能となる。

また、第１フィン４４は、設置されている部材（シールリング４２又はロータ１２）と別体の植え込み型のフィンであり、第２フィン４６は、設置されている部材（シールリング４２又はロータ１２）と一体の固定型のフィンである。植え込み型のフィンを第１フィン４４とすることで、第１フィン４４の幅を薄く形成することが可能となり、固定型のフィンを第２フィン４６とすることで、第２フィン４６の剛性を高くすることが可能となる。従って、このシール部材３０によると、流体Ｆの漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

ただし、第２フィン４６の回転軸方向Ａにおける幅が第１フィン４４の回転軸方向Ａにおける幅より大きければ、第２フィン４６は、植え込み型のフィンに限られず、第１フィン４４は、固定型のフィンに限られない。例えば第２フィン４６が固定型のフィンであってもよいし、第１フィン４４が植え込み型のフィンであってもよい。

また、第２フィン４６は、回転軸方向Ａにおいて、セグメントＳ（回転側部材又は固定側部材）の回転軸方向Ａにおける中央位置よりも、圧力が低い側（方向Ａ２側）に、配置されている。第２フィン４６を中央より方向Ａ２側に配置することで、差圧が高くなる箇所を第２フィン４６で補強しつつ、第１フィン４４で流体Ｆの漏れを適切に抑制することができる。

また、第２フィン４６は、回転軸方向Ａにおいて、全ての第１フィン４４よりも、低圧側（方向Ａ２側）に配置されている。第２フィン４６を全ての第１フィン４４よりも方向Ａ２側に配置することで、差圧が高くなる箇所を第２フィン４６で補強しつつ、第１フィン４４で流体Ｆの漏れを適切に抑制することができる。

また、シール部材３０は、固定側部材（第１シール部４０Ａのシールリング４２）と並んで配置され、対向する面側に突出するフィンが設けられた少なくとも１つの補助固定側部材（第２シール部４０Ｂのシールリング４２）と、ロータ１２の補助固定側部材と対面する位置に配置され、対向する面側に突出するフィンが設けられた補助回転側部材（第２シール部４０Ｂのロータ１２）と、をさらに有する。このように、固定側部材及び回転側部材を備える第１シール部４０Ａと、補助固定側部材及び補助回転側部材を備える第２シール部４０Ｂとを有することで、シール部材３０は、流体Ｆの漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。また、補助固定側部材（第２シール部４０Ｂのシールリング４２）は、固定側部材（第１シール部４０Ａのシールリング４２）よりも回転軸方向Ａの高圧側に配置される。このシール部材３０によると、流体Ｆの漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

また、回転側部材（ロータ１２）と固定側部材（シールリング４２）のいずれか一方は、第１フィン４４及び第２フィン４６よりも突出量が少ない突出部５０をさらに有してよい。このシール部材３０は、流体Ｆの漏れを抑制しつつ、強度の低下を抑制することができる。

なお、上述した実施形態においては、シール部材３０は、高圧蒸気タービン１２０と中圧蒸気タービン１３０との間に設けられていたが、シール部材３０が設けられる箇所はこれに限られない。シール部材３０は、ガスタービン１１０、高圧蒸気タービン１２０、中圧蒸気タービン１３０、低圧蒸気タービン１４０のいずれに設けられてもよいし、これらのタービン同士の間に設けられてもよい。また、シール部材３０は、コンバインドサイクルプラント１００以外の回転機械に設けられてもよい。また、シール部材３０は、ロータに設けられた回転側部材としての動翼と、その動翼に径方向Ｒで対面する、ステータに設けられた固定側部材としてのシールリングとの間に設けられてもよい。すなわち、シール部材３０は、回転機械において高圧となる空間ＳＰ１と低圧となる空間ＳＰ２との間に設けられていればよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態の内容により実施形態が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

１１ ステータ
１２ ロータ
１３ 静翼
１４ 動翼
３０ シール部材
４０Ａ 第１シール部
４０Ｂ 第２シール部
４２ シールリング
４４ 第１フィン
４６ 第２フィン
４８ 第３フィン
１２０ 高圧蒸気タービン
Ａ 回転軸方向
Ｆ 流体
Ｓ セグメント

Claims (9)

1. ロータとステータとの間に配置され、前記ロータと前記ステータとの間をシールするシール部材であって、
   前記ロータの前記ステータとの対向面に固定された回転側部材と、
   前記ステータに固定され、前記回転側部材と対面する固定側部材と、
   前記回転側部材と前記固定側部材のいずれか一方に、対向する面側に突出した第１フィンと、
   前記第１フィンよりも回転軸方向の低圧側に配置され、対向する面側に突出した第２フィンと、を有し、
   前記第２フィンの根元における前記回転軸方向の厚みは、前記第１フィンの根元における前記回転軸方向の厚みより厚く、
   前記第１フィンは、設置されている部材と別体の植え込み型のフィンであり、
   前記第２フィンは、設置されている部材と一体の固定型のフィンである、シール部材。
2. 前記第２フィンの前記回転軸方向における先端厚みは、前記第１フィンの前記回転軸方向における先端厚みより厚い、請求項１に記載のシール部材。
3. 前記第２フィンは、前記第１フィンよりも強度が高い材料で形成されている、請求項１または請求項２に記載のシール部材。
4. 前記第２フィンは、前記回転軸方向において、前記回転側部材又は前記固定側部材の前記回転軸方向における中央位置よりも低圧側に配置されている、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシール部材。
5. 前記第２フィンは、前記回転軸方向において、全ての前記第１フィンよりも低圧側に配置されている、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシール部材。
6. 前記固定側部材と並んで前記ステータに固定され、対向する面側に突出するフィンが設けられた少なくとも１つの補助固定側部材と、
   前記補助固定側部材と対面する位置の前記ロータに固定され、対向する面側に突出するフィンが設けられた補助回転側部材と、をさらに有する請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のシール部材。
7. 前記補助固定側部材は、前記固定側部材よりも前記回転軸方向の高圧側に配置される、請求項６に記載のシール部材。
8. 前記回転側部材と前記固定側部材のいずれか一方は、前記第１フィン及び前記第２フィンよりも突出量が少ない突出部をさらに有する、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のシール部材。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のシール部材と、ロータと、ステータと、を備える、回転機械。

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