JP6979321B2 - 回転機械のシール装置及びこのシール装置を備える回転機械 - Google Patents

Description

本開示は、回転機械のシール装置及びこのシール装置を備える回転機械に関する。

特許文献１に記載されるように、蒸気タービンのような回転機械には、タービンロータと、タービンロータの周りに設けられた環形状のリング部材との間をシールするシール装置が設けられている。

そのようなシール装置が設けられた蒸気タービンにおいて、蒸気タービンの性能を向上するためには、タービンロータとリング部材との間をリークする蒸気を低減する必要があり、そのためには、定格運転時におけるタービンロータとリング部材との間のクリアランスを小さくする必要がある。蒸気タービンの起動時から定格運転に到達するまでの間、
蒸気の熱によってタービンロータ及びリング部材が蒸気タービンの起動前に対して変形するため、蒸気タービンの起動時から定格運転に到達するまでの間でクリアランスが変化する場合がある。このため、タービンロータとリング部材とが最も接近する状態（ピンチポイント）においてタービンロータとシール装置とが接触しないようにセッチングクリアランス（初期クリアランス）を設定する必要がある。

特開２００９−２９３７８４号公報

リング部材の熱容量がタービンロータの熱容量よりも大きい場合には、蒸気タービンの起動時にリング部材の温度がタービンロータに比べて上がりにくいため、リング部材に比べてタービンロータの変形量が大きくなり、タービンロータとリング部材との間のクリアランスが小さくなる傾向がある。このため、ピンチポイントにおいてタービンロータとシール装置とが接触しないように初期クリアランスを設定すると、定格運転時のクリアランスが大きくなり、蒸気タービンの性能が低下してしまうといった問題点があった。逆に、定格運転時のクリアランスを小さくするように初期クリアランスを設定すると、ピンチポイントにおいてタービンロータとシール装置とが接触してシール装置が破損してしまうおそれがあるといった問題点があった。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも１つの実施形態は、回転機械の性能を向上できる回転機械のシール装置及びこのシール装置を備える回転機械を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る回転機械のシール装置は、
回転可能に設けられた回転体の周囲に設けられた環形状のリング部材と、
前記リング部材に保持されるとともに前記リング部材と前記回転体との間に形成された環形状の間隙をシールするように構成された少なくとも１つのシール部材と
を備える、回転機械のシール装置であって、
前記リング部材は該リング部材の内部に、
前記間隙に連通する内部流路と、
前記回転機械内で前記リング部材に接する流体の圧力又は温度の少なくとも一方に応じて前記内部流路を開閉する少なくとも１つの開閉機構と
を備え、
前記少なくとも１つの開閉機構が前記内部流路を開くと、前記間隙を流通する前記流体の少なくとも一部が前記内部流路を流通する。

上記（１）の構成によると、少なくとも１つの開閉機構が内部流路を開くことで流体が内部流路を流通するので、内部流路を流通する流体によってリング部材の内部からもリング部材の温度が上昇し、回転機械内でリング部材の外部に接する流体がリング部材の温度を上昇させる場合に比べてリング部材の温度上昇が促進される。そうすると、回転機械の起動時から定格運転に到達するまでの間におけるリング部材及び回転体の温度差が小さくなり、リング部材及び回転体の変形量の差も小さくなる。このため、ピンチポイント及び定格運転時それぞれにおけるリング部材と回転体との間の間隙の幅（クリアランス）の差が小さくなるので、定格運転時におけるクリアランスをできるだけ小さくするような初期クリアランスの設定が可能となる。その結果、定格運転時においてリング部材と回転体との間からリークする流体の量を低減できるので、回転機械の性能を向上することができる。

また、上記（１）の構成によると、少なくとも１つの開閉機構がリング部材の内部に設けられているので、開閉機構がリング部材の外部に設けられる構成に比べてシール装置全体をコンパクトにすることができる。

さらに、上記（１）の構成によると、回転機械内でリング部材に接する流体の圧力又は温度の少なくとも一方に応じて少なくとも１つの開閉機構が内部流路を開閉するので、流体の圧力又は温度を検知するセンサ等の検出値に応じて開閉機構を作動する形態に比べて、より適切なタイミングで内部流路を開閉することができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記内部流路は、
前記回転体の径方向に延びる径方向流路部と、
前記回転体の軸方向に延びる軸方向流路部と
を含む。

上記（２）の構成によると、内部流路が径方向流路部だけでなく軸方向流路部も含むことにより、内部流路が径方向流路部のみを含む場合に比べて、内部流路を流通する流体とリング部材との間で行われる熱交換の伝熱面積が大きくなる。このため、内部流路が径方向流路部のみを含む場合に比べてリング部材の温度上昇が促進され、その結果、回転機械の性能をより向上することができる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（１）または（２）の構成において、
前記内部流路は、前記回転体の軸方向に隣り合う前記シール部材間において前記間隙に連通し、
前記間隙を流通する流体の流通方向において、前記シール部材間に位置する前記内部流路よりも下流側にある前記シール部材の数に比べて、前記シール部材間に位置する前記内部流路よりも上流側にある前記シール部材の数の方が少ない。

上記（３）の構成によると、間隙を流体が流通する方向のできるだけ上流側で流体が内部流路に流入するようになる。上流側ほど流体の温度及び圧力が高いので、下流側で流体が内部流路に流入する場合に比べてリング部材の温度上昇が促進され、その結果、回転機械の性能をより向上することができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（３）のいずれかの構成において、
前記少なくとも１つの開閉機構は、
前記内部流路を横切るように移動することにより前記内部流路を開閉可能に構成された少なくとも１つの可動体と、
前記リング部材に接する前記流体が流入可能なように前記リング部材の内部に形成された少なくとも１つの流体収容空間であって、該流体収容空間内に流入した前記流体の圧力が前記可動体を移動させて前記内部流路を閉じる少なくとも１つの流体収容空間と、
前記内部流路を開く方向に前記少なくとも１つの可動体を移動させる弾性力を前記少なくとも１つの可動体に付与するように構成された少なくとも１つの弾性部材と
を備える。

上記（４）の構成によると、少なくとも１つの開閉機構は、回転機械内でリング部材に接する流体の圧力に応じて内部流体を開閉するので、流体の圧力を検知するセンサ等の検出値に応じて開閉機構を作動する形態に比べて、より適切なタイミングで内部流路を開閉することができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記内部流路を流通する流体の一部が前記少なくとも１つの流体収容空間内に流入するように構成されている。

上記（５）の構成によると、内部流路以外から流体を少なくとも１つの流体収容空間内に流入させる場合に比べて、少なくとも１つの流体収容空間に流体が流入する流路が簡素になる。その結果、シール装置全体の構成が簡素化される。

（６）いくつかの実施形態では、上記（１）〜（５）のいずれかの構成において、
前記少なくとも１つの開閉機構は、前記リング部材を構成する材料よりも線膨張係数が高い材料で形成された伸縮部材を備え、
前記伸縮部材は、該伸縮部材の温度に応じて前記内部流路を横切るように伸縮することにより前記内部流路を開閉可能に構成され、
前記伸縮部材は、前記内部流路を横切る方向において前記内部流路を横切る端部とは反対の端部側のみが前記リング部材の内部で固定されている。

上記（６）の構成によると、少なくとも１つの開閉機構は、回転機械内でリング部材に接する流体の温度に応じて内部流路を開閉するので、流体の温度を検知するセンサ等の検出値に応じて開閉機構を作動する形態に比べて、より適切なタイミングで内部流路を開閉することができる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記リング部材の内部には、前記伸縮部材を収容可能に構成された収容空間が形成され、
前記シール装置は、前記収容空間を前記リング部材の外周側から塞ぐ蓋部材を備える。

上記（７）の構成によると、伸縮部材をリング部材の内部に容易に組み付けることができる。

（８）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る回転機械は、
回転可能に設けられた回転体と、
上記（１）〜（７）のいずれかのシール装置と
を備える。

上記（８）の構成によると、少なくとも１つの開閉機構が内部流路を開くことで流体が内部流路を流通するので、内部流路を流通する流体によってリング部材の内部からもリング部材の温度が上昇し、回転機械内でリング部材の外部に接する流体がリング部材の温度を上昇させる場合に比べてリング部材の温度上昇が促進される。そうすると、回転機械の起動時から定格運転に到達するまでの間におけるリング部材及び回転体の温度差が小さくなり、リング部材及び回転体の変形量の差も小さくなる。このため、ピンチポイント及び定格運転時それぞれにおけるリング部材と回転体との間のクリアランスの差が小さくなるので、定格運転時におけるクリアランスをできるだけ小さくするような初期クリアランスの設定が可能となる。その結果、定格運転時においてリング部材と回転体との間からリークする流体の量を低減できるので、回転機械の性能を向上することができる。

この発明の少なくとも１つの実施形態によれば、少なくとも１つの開閉機構が内部流路を開くことで流体が内部流路を流通するので、内部流路を流通する流体によってリング部材の内部からもリング部材の温度が上昇し、回転機械内でリング部材の外部に接する流体がリング部材の温度を上昇させる場合に比べてリング部材の温度上昇が促進される。そうすると、回転機械の起動時から定格運転に到達するまでの間におけるリング部材及び回転体の温度差が小さくなり、リング部材及び回転体の変形量の差も小さくなる。このため、ピンチポイント及び定格運転時それぞれにおけるリング部材と回転体との間のクリアランスの差が小さくなるので、定格運転時におけるクリアランスをできるだけ小さくするような初期クリアランスの設定が可能となる。その結果、定格運転時においてリング部材と回転体との間からリークする流体の量を低減できるので、回転機械の性能を向上することができる。

本発明の実施形態１に係る蒸気タービンの全体を示す概略断面図である。 本発明の実施形態１に係る蒸気タービンのシール装置を示す概略断面図である。 本発明の実施形態２に係る蒸気タービンのシール装置を示す概略部分断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。 本発明の実施形態２に係るシール装置が設けられたダミーリングの断面図である。 本発明の実施形態２に係るシール装置の開閉機構が内部流路を閉じる動作を説明するための断面図である。 本発明の実施形態２に係る蒸気タービンのシール装置の変形例を示す概略部分断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
図１に示されるように、回転機械である蒸気タービン１は、外車室２と、外車室２を貫通するように設けられた回転体であるタービンロータ３と、外車室２内においてタービンロータ３の周囲に設けられた環形状のリング部材であるダミーリング４と、外車室２内においてタービンロータ３の周囲に設けられた環形状の翼環５とを備えている。

図２に示されるように、タービンロータ３とダミーリング４との間には、環形状の間隙６が形成されている。蒸気タービン１（図１参照）は、間隙６をシールするためのシール装置１０を備えている。シール装置１０は、間隙６に面するダミーリング４の内周面４ａに設けられた複数のシール部材１１を含んでいる。複数のシール部材１１は、タービンロータ３の軸方向に沿って設けられ、各シール部材１１は、タービンロータ３の周方向に沿って配置された複数のシールセグメント１１ａを含んでいる。

シール装置１０は、ダミーリング４の内部に形成された内部流路１２も含んでいる。内部流路１２は、一端が間隙６に連通してダミーリング４の内部をタービンロータ３の径方向外側に向かって延びる径方向流路部１２ａと、一端が径方向流路部１２ａの他端に接続されるとともにタービンロータ３の軸方向に沿って延びて他端がダミーリング４の外周面で開口する軸方向流路部１２ｂとを含んでいる。図２には描写されていないが、径方向流路部１２ａ及び軸方向流路部１２ｂは両方とも、タービンロータ３の周方向にも延びている。径方向流路部１２ａは、翼環５（図１参照）側から数えて１番目のシール部材１１と２番目のシール部材１１との間で間隙６に連通している。

シール装置１０は、ダミーリング４の内部に設けられるとともに内部流路１２を開閉する開閉機構２０も含んでいる。開閉機構２０は、軸方向流路部１２ｂを横切るように移動することにより内部流路１２を開閉可能に構成された２つの可動体２１，２２を含んでいる。図２には描写されていないが、可動体２１，２２のそれぞれは、タービンロータ３の周方向に沿って配置された複数の可動セグメント２１ａ，２２ａを含んでいる。可動セグメント２１ａ，２２ａはそれぞれ、板形状の受圧部２３と、受圧部２３に平行に受圧部２３から間隔をあけるように位置する板形状のシール部２４と、受圧部２３とシール部２４とを連結する連結部２５とを含んでいる。シール部２４には、軸方向流路部１２ｂを横切る方向に延びる複数のシールフィン２６が設けられている。尚、受圧部２３とシール部２４と連結部２５とはそれぞれ別部材として形成され、それらを組み合わせて可動セグメント２１ａ，２２ａを形成してもよく、受圧部２３とシール部２４と連結部２５とを一体的に形成することによって可動セグメント２１ａ，２２ａを形成してもよい。

ダミーリング４の内部には、タービンロータ３の周方向に沿って延びるように形成された連通孔３２，３３を介して軸方向流路部１２ｂに連通する２つの流体収容空間３０，３１が形成されている。流体収容空間３０，３１も、図２には描写されていないが、連通孔３２，３３と同様に、タービンロータ３の周方向に沿って延びている。流体収容空間３０，３１の内部にはそれぞれ、可動セグメント２１ａ，２２ａの受圧部２３が配置され、可動セグメント２１ａ，２２ａの連結部２５がそれぞれ連通孔３２，３３に挿入されている。可動セグメント２１ａ，２２ａそれぞれのシール部２４は、軸方向流路部１２ｂ内に位置している。

流体収容空間３０，３１の内部にはそれぞれ、一端が可動セグメント２１ａ，２２ａの受圧部２３に接続又は当接するとともに他端が流体収容空間３０，３１の内壁に接続又は当接する弾性部材であるスプリング２７，２８が設けられている。スプリング２７，２８はそれぞれ、可動セグメント２１ａ，２２ａの受圧部２３をタービンロータ３の径方向外側に向かって押圧する弾性力を受圧部２３に付与するように構成されている。これにより、可動セグメント２１ａ，２２ａにスプリング２７，２８による弾性力以外の力が働かないか、又は、その弾性力よりも小さな外力しか働いていない場合（例えば、蒸気タービン１（図１参照）の起動時）には、その弾性力によって可動セグメント２１ａ，２２ａがタービンロータ３の径方向外側に向かって移動されて、可動体２１，２２のそれぞれは内部流路１２を開いた状態にする。一方、詳細な動作は後述するが、受圧部２３に蒸気の圧力が加わって、受圧部２３を押圧する力がスプリング２７，２８による弾性力を上回ると、可動セグメント２１ａ，２２ａがタービンロータ３の径方向内側に向かって移動されて、可動体２１，２２のそれぞれは内部流路１２を閉じた状態にする。

次に、本発明の実施形態１に係るシール装置の動作について説明する。
図１に示されるように、蒸気タービン１の起動後、車室２内に蒸気が流入する。車室２内に流入した蒸気は翼環５内に流入し、図示しない動翼に対して仕事をすることでタービンロータ３が回転する。蒸気は、車室２内でタービンロータ３及びダミーリング４の両方に接するため、蒸気の熱によってタービンロータ３及びダミーリング４の温度が上昇する。本実施形態１では、ダミーリング４の熱容量がダミーリング４の近傍のタービンロータ３の一部の熱容量よりも大きいものとして説明する。

図２に示されるように、タービンロータ３とダミーリング４との間には、環形状の間隙６が形成されている。この間隙６を、翼環５（図１参照）側からリークした流体すなわち蒸気が矢印Ａの方向に流通する。間隙６は、シール部材１１によってシールされているので、間隙６を通ってリークする蒸気の量は抑制されるが、間隙６の幅（クリアランス）が大き過ぎると、シール部材１１によるシール性能が不十分となり、リークする蒸気の量が増えることによって蒸気タービン１（図１参照）の性能が低下してしまう。このため、蒸気タービン１の定格運転時における間隙６の幅の管理が重要になる。

上述したように、蒸気タービン１が起動して定格運転に到達するまでの間に、タービンロータ３及びダミーリング４の温度が上昇する。タービンロータ３及びダミーリング４の温度が上昇すると、それぞれが熱変形する。両者の温度が同じように上昇すれば、両者の熱変形も同じようになるので、両者の間の間隙６の幅の変動も少ないが、ダミーリング４の熱容量がダミーリング４の近傍のタービンロータ３の一部の熱容量よりも大きいと、ダミーリング４の変形量よりもタービンロータ３の変形量のほうが大きくなるので、定格運転に到達するまでの間に間隙６の幅が小さくなる現象が生じる。すなわち、定格運転に到達するまでの間にピンチポイントが存在する。ピンチポイントにおいてシール部材１１がタービンロータ３に接することがないように、蒸気タービン１の起動前に間隙６の幅（初期クリアランス）が設定される。

しかしながら、ピンチポイントを過ぎて定格運転になると、定格運転時におけるタービンロータ３とダミーリング４との温度差は、ピンチポイントにおける両者の温度差よりも小さくなっているので、間隙６の幅の大きさはピンチポイントにおける間隙６の幅の大きさよりも大きくなり、シール部材１１によるシール性能の低下、ひいては蒸気タービン１の性能の低下につながる。そこで、本実施形態１では、シール装置１０が内部流路１２と、内部流路１２を開閉する開閉機構２０とを有することにより、ピンチポイントにおいてシール部材１１がタービンロータ３に接するおそれを抑制するとともに定格運転時における間隙６の幅をできるだけ小さくすることで、蒸気タービン１の性能の向上を達成した。以下に、シール装置１０の動作について説明する。

上述したように、蒸気タービン１の起動時には、可動体２１，２２のそれぞれは内部流路１２を開いた状態になっている。このため、間隙６を矢印Ａの方向に流通する蒸気は、シール部材１１によってシールされた間隙６をそのまま流通するよりも、径方向流路部１２ａに入り込んで軸方向流路部１２ｂを流通してダミーリング４から流出する、すなわち内部流路１２を流通するようになる。蒸気が内部流路１２を流通すると、内部流路１２を流通する蒸気によってダミーリング４の内部からもダミーリング４の温度が上昇し、蒸気タービン１内でダミーリング４の外部に接する蒸気がダミーリング４の温度を上昇させる場合に比べてダミーリング４の温度上昇が促進される。

そうすると、蒸気タービン１の起動時から定格運転に到達するまでの間におけるダミーリング４及びタービンロータ３の温度差が小さくなり、ダミーリング４及びタービンロータ３の変形量の差も小さくなる。このため、ピンチポイント及び定格運転時それぞれにおける間隙６の幅が小さくなるので、定格運転時における間隙６の幅をできるだけ小さくすることができるように、蒸気タービン１の起動前に間隙６の幅を設定することができるようになる。その結果、定格運転時において間隙６を通ってリークする蒸気の量を低減できるので、蒸気タービン１の性能を向上することができる。

蒸気が内部流路１２を流通する間、蒸気の一部が連通孔３２，３３を介して流体収容空間３０，３１のそれぞれの内部に流入して、流体収容空間３０，３１の圧力を高めていく。蒸気タービン１の起動直後は蒸気の圧力が低いことにより、流体収容空間３０，３１の圧力によって可動セグメント２１ａ，２２ａそれぞれの受圧部２３を押圧する力がスプリング２７，２８による弾性力よりも小さいので、可動セグメント２１ａ，２２ａは移動しない。しかし、定格運転に近づいてくると、蒸気の圧力が高くなっていき、流体収容空間３０，３１の圧力も高くなっていく。やがて、流体収容空間３０，３１の圧力によって可動セグメント２１ａ，２２ａそれぞれの受圧部２３を押圧する力がスプリング２７，２８による弾性力よりも大きくなると、可動セグメント２１ａ，２２ａがタービンロータ３の径方向内側に向かって、すなわち、軸方向流路部１２ｂを横切るように移動されて、可動体２１，２２のそれぞれは内部流路１２を閉じていく。蒸気タービン１が定格運転に到達すると、可動体２１，２２のそれぞれが内部流路１２を閉じることにより、蒸気が内部流路１２を流通しなくなる。

このように、開閉機構２０が内部流路１２を開くことで蒸気が内部流路１２を流通するので、内部流路１２を流通する蒸気によってダミーリング４の内部からもダミーリング４の温度が上昇し、蒸気タービン１内でダミーリング４の外部に接する蒸気がダミーリング４の温度を上昇させる場合に比べてダミーリング４の温度上昇が促進される。そうすると、蒸気タービン１の起動時から定格運転に到達するまでの間におけるダミーリング４及びタービンロータ３の温度差が小さくなり、ダミーリング４及びタービンロータ３の変形量の差も小さくなる。このため、ピンチポイント及び定格運転時それぞれにおける間隙６の幅の差が小さくなるので、定格運転時における間隙６の幅をできるだけ小さくするような初期クリアランスの設定が可能となる。その結果、定格運転時において間隙６からリークする蒸気の量を低減できるので、蒸気タービン１の性能を向上することができる。

また、実施形態１では、開閉機構２０は、内部流路１２を流通する蒸気の圧力に応じて内部流路１２を開閉するので、蒸気の圧力を検知するセンサ等の検出値に応じて開閉機構２０を作動する形態に比べて、より適切なタイミングで内部流路１２を開閉することができる。

実施形態１では、内部流路１２は径方向流路部１２ａ及び軸方向流路部１２ｂを含んでいたが、径方向流路部１２ａのみを含む形態であってもよい。しかし、内部流路１２が径方向流路部１２ａだけでなく軸方向流路部１２ｂも含むことにより、内部流路１２が径方向流路部１２ａのみを含む場合に比べて、内部流路１２を流通する蒸気とダミーリング４との間で行われる熱交換の伝熱面積が大きくなる。このため、内部流路１２が径方向流路部１２ａのみを含む場合に比べてダミーリング４の温度上昇が促進され、その結果、蒸気タービン１の性能をより向上することができる。

実施形態１では、径方向流路部１２ａは、翼環５側から数えて１番目のシール部材１１と２番目のシール部材１１との間で間隙６に連通しているが、任意の隣り合うシール部材１１，１１間で間隙６に連通してもよい。しかし、間隙６を蒸気が流通する流通方向において上流側ほど蒸気の温度及び圧力が高いので、下流側で蒸気が内部流路１２に流入する場合に比べてダミーリング４の温度上昇が促進され、その結果、蒸気タービン１の性能をより向上することができる。このため、できる限り上流側で径方向流路部１２ａと間隙６とが連通することが好ましく、隣り合うシール部材１１，１１間に位置する径方向流路部１２ａよりも下流側にあるシール部材１１の数に比べて、隣り合うシール部材１１，１１間に位置する径方向流路部１２ａよりも上流側にあるシール部材１１の数の方が少なくなることが好ましい。

実施形態１では、タービンロータ３の軸方向に沿って６つのシール部材１１が設けられているが、任意の個数のシール部材１１、すなわち少なくとも１つのシール部材１１が設けられてもよい。また、開閉機構２０は２つの可動体２１，２２を含んでいるが、任意の個数の可動体、すなわち少なくとも１つの可動体を含んでもよい。また、可動体２１，２２は軸方向流路部１２ｂを開閉するように設けられているが、径方向流路部１２ａを開閉するように設けられてもよい。

実施形態１では、流体収容空間３０，３１に流入する蒸気は、内部流路１２を流通する蒸気であったが、この形態に限定するものではない。内部流路１２を流通する蒸気以外の、ダミーリング４に接する蒸気が流体収容空間３０，３１に流入する流路をダミーリング４内に形成し、内部流路１２を流通する蒸気以外の蒸気を流体収容空間３０，３１に流入させてもよい。しかし、内部流路１２を流通する蒸気を流体収容空間３０，３１に流入させる形態の方が、流体収容空間３０，３１に蒸気が流入する流路が簡素になるので、シール装置１０全体の構成が簡素化される。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係るシール装置について説明する。実施形態２に係るシール装置は、実施形態１に対して、内部流路を開閉する構成を変更したものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図３に示されるように、開閉機構２０は、ダミーリング４の内部において径方向流路部１２ａに連通するとともにタービンロータ３の軸方向に延びるように形成された収容空間４１と、収容空間４１内に収容されるとともにダミーリング４を構成する材料よりも線膨張係数が高い材料で形成された伸縮部材４０とを含んでいる。伸縮部材４０は、径方向流路部１２ａの軸方向に直交する方向に延びるように収容空間４１内に収容されている。伸縮部材４０は、収容空間４１内で延びる方向において一方の端部４０ｂ側が、ボルト等による締結や溶接等の任意の方法によって収容空間４１内で固定され、他方の端部４０ａは自由端となっている。

図４に示されるように、伸縮部材４０及び収容空間４１は、タービンロータ３の周方向にも延びている。伸縮部材４０は、タービンロータ３の周方向にも延びる湾曲した板形状を有し、タービンロータ３の周方向における伸縮部材４０の両端部４０ｃ，４０ｄも収容空間４１内で固定されずに自由端となっている。さらに、タービンロータ３の周方向に延びる伸縮部材４０の２つの対向する面４０ｅ，４０ｆも収容空間４１内で固定されていない。したがって、伸縮部材４０は、端部４０ｂ（図３参照）側のみが収容空間４１内で固定されている。

図５に示されるように、ダミーリング４は、鉛直方向に２分割された２つの半体部３ａ，３ｂをボルト７によって固定することによって構成されている。半体部３ａ，３ｂのそれぞれに収容空間４１が形成され、各収容空間４１内に伸縮部材４０が収容されている。その他の構成は、実施形態１と同じである。

次に、本発明の実施形態２に係るシール装置の動作について説明する。ただし、内部流路１２に蒸気を流通させることにより、定格運転時の間隙６の幅を最小限にして蒸気タービン１の性能を向上させる原理は実施形態１と同じであるので、実施形態１と異なる動作、すなわち、内部流路１２を開閉する動作のみを以下で説明する。

図３に示されるように、蒸気タービン１（図１参照）の起動前は、伸縮部材４０の端部４０ａは、径方向流路部１２ａと収容空間４１との接続部分、又は、収容空間４１の内部に位置している。蒸気タービン１が起動すると、実施形態１と同様の動作で蒸気が内部流路１２を流通することによりダミーリング４の温度が上昇する。ダミーリング４の温度が上昇すると、ダミーリング４からの熱伝導により伸縮部材４０の温度も上昇する。また、内部流路１２を流通する蒸気が伸縮部材４０の端部４０ａ近傍に接することによっても、伸縮部材４０の温度が上昇する。

ダミーリング４及び伸縮部材４０の温度が上昇すると、両者はそれぞれ熱変形するが、伸縮部材４０は、ダミーリング４を構成する材料よりも線膨張係数が高い材料で形成されているので、ダミーリング４よりも大きく変形する。そうすると、伸縮部材４０は、端部４０ａと端部４０ｂとを結ぶ軸線方向において、端部４０ｂ側が固定されているので、端部４０ａ側が端部４０ｂから離れる方向に変形、すなわち熱膨張する。その結果、図６に示されるように、伸縮部材４０の端部４０ａ側が径方向流路部１２ａを横切るように延びることにより、伸縮部材４０が径方向流路部１２ａを閉じる。これにより、蒸気が内部流路１２を流通しなくなる。

蒸気タービン１が停止し、伸縮部材４０の温度が低下すれば、伸縮部材４０は、端部４０ａ側が収容空間４１に向かって縮むように変形することで、径方向流路部１２ａを開けるようになる。

このように、蒸気タービン１の起動時から定格運転に到達するまでの間に、開閉機構２０が内部流路１２を開くことで内部流路１２に蒸気を流通させるので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、開閉機構２０は、蒸気タービン１内でダミーリング４に接する蒸気の温度に応じて内部流路１２を開閉するので、蒸気の温度を検知するセンサ等の検出値に応じて開閉機構２０を作動する形態に比べて、より適切なタイミングで内部流路１２を開閉することができる。

実施形態２では、開閉機構２０は、径方向流路部１２ａを開閉するように設けられているが、軸方向流路部１２ｂを開閉するように設けられてもよい。

実施形態２では、図７に示されるように、収容空間４１をダミーリング４の外周面４ｂに対して開口するように構成し、ダミーリング４の外周面４ｂ側から蓋部材４２によって収容空間４１の開口を塞ぐようにしてもよい。この構成により、伸縮部材４０をダミーリング４の内部に容易に組み付けることができるようになる。

実施形態１及び２のそれぞれにおいて、開閉機構２０は、可動体２１，２２又は伸縮部材４０のいずれか一方のみを含んでいたが、両方を含んでもよい。この場合、例えば、伸縮部材４０によって径方向流路部１２ａを開閉するようにするとともに可動体２１，２２によって軸方向流路部１２ｂを開閉するようにすることができる。

実施形態１及び２では、回転機械として蒸気タービン１を例にして説明したが、蒸気タービン１に限定するものではない。ガスタービン等、回転体と静止体との間のクリアランスを最適化する必要のあるものであれば、どのようなものでもよい。また、蒸気タービン１において、リング部材はダミーリング４であったが、翼環やグランド等であってもよい。

１ 蒸気タービン（回転機械）
２ 外車室
３ タービンロータ（回転体）
３ａ 半体部
３ｂ 半体部
４ ダミーリング（リング部材）
４ａ （ダミーリングの）内周面
４ｂ （ダミーリングの）外周面
５ 翼環
６ 間隙（クリアランス）
７ ボルト
１０ シール装置
１１ シール部材
１１ａ シールセグメント
１２ 内部流路
１２ａ 径方向流路部
１２ｂ 軸方向流路部
２０ 開閉機構
２１ 可動体
２１ａ 可動セグメント
２２ 可動体
２２ａ 可動セグメント
２３ 受圧部
２４ シール部
２５ 連結部
２６ シールフィン
２７ スプリング（弾性部材）
２８ スプリング（弾性部材）
３０ 流体収容空間
３１ 流体収容空間
３２ 連通孔
３３ 連通孔
４０ 伸縮部材
４０ａ （伸縮部材の）端部
４０ｂ （伸縮部材の）端部
４０ｃ （伸縮部材の）端部
４０ｄ （伸縮部材の）端部
４０ｅ （伸縮部材の）面
４０ｆ （伸縮部材の）面
４１ 収容空間
４２ 蓋部材

Claims (6)

1. 回転可能に設けられた回転体の周囲に設けられた環形状のリング部材と、
   前記リング部材に保持されるとともに前記リング部材と前記回転体との間に形成された環形状の間隙をシールするように構成された少なくとも１つのシール部材と
   を備える、回転機械のシール装置であって、
   前記リング部材は該リング部材の内部に、
   前記間隙に連通する内部流路と、
   前記回転機械内で前記リング部材に接する流体の圧力又は温度の少なくとも一方に応じて前記内部流路を開閉する少なくとも１つの開閉機構と
   を備え、
   前記少なくとも１つの開閉機構が前記内部流路を開くと、前記間隙を流通する前記流体の少なくとも一部が前記内部流路を流通し、
   前記少なくとも１つの開閉機構は、
   前記内部流路を横切るように移動することにより前記内部流路を開閉可能に構成された少なくとも１つの可動体と、
   前記リング部材に接する前記流体が流入可能なように前記リング部材の内部に形成された少なくとも１つの流体収容空間であって、該流体収容空間内に流入した前記流体の圧力が前記可動体を移動させて前記内部流路を閉じる少なくとも１つの流体収容空間と、
   前記内部流路を開く方向に前記少なくとも１つの可動体を移動させる弾性力を前記少なくとも１つの可動体に付与するように構成された少なくとも１つの弾性部材と
   を備える、回転機械のシール装置。
2. 前記内部流路を流通する流体の一部が前記少なくとも１つの流体収容空間内に流入するように構成されている、請求項１に記載の回転機械のシール装置。
3. 回転可能に設けられた回転体の周囲に設けられた環形状のリング部材と、
   前記リング部材に保持されるとともに前記リング部材と前記回転体との間に形成された環形状の間隙をシールするように構成された少なくとも１つのシール部材と
   を備える、回転機械のシール装置であって、
   前記リング部材は該リング部材の内部に、
   前記間隙に連通する内部流路と、
   前記回転機械内で前記リング部材に接する流体の圧力又は温度の少なくとも一方に応じて前記内部流路を開閉する少なくとも１つの開閉機構と
   を備え、
   前記少なくとも１つの開閉機構が前記内部流路を開くと、前記間隙を流通する前記流体の少なくとも一部が前記内部流路を流通し、
   前記少なくとも１つの開閉機構は、前記リング部材を構成する材料よりも線膨張係数が高い材料で形成された伸縮部材を備え、
   前記伸縮部材は、該伸縮部材の温度に応じて前記内部流路を横切るように伸縮することにより前記内部流路を開閉可能に構成され、
   前記伸縮部材は、前記内部流路を横切る方向において前記内部流路を横切る端部とは反対の端部側のみが前記リング部材の内部で固定されている、回転機械のシール装置。
4. 前記リング部材の内部には、前記伸縮部材を収容可能に構成された収容空間が形成され、
   前記シール装置は、前記収容空間を前記リング部材の外周側から塞ぐ蓋部材を備える、請求項３に記載の回転機械のシール装置。
5. 前記内部流路は、
   前記回転体の径方向に延びる径方向流路部と、
   前記回転体の軸方向に延びる軸方向流路部と
   を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転機械のシール装置。
6. 回転可能に設けられた回転体と、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のシール装置と
   を備える回転機械。

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