JP7054582B2 - シール装置およびターボ機械 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、シール装置およびターボ機械に関する。

軸流タービン（例えば、蒸気タービン、ガスタービン）やコンプレッサなどのターボ機械は、ロータと、そのロータの周囲に設けられたケーシングと、を有している。ロータの外周面には動翼が設けられており、ロータと共に回転体を構成している。ケーシングの内周面には静翼が設けられており、ケーシングと共に静止体を構成している。

ケーシングは、作動流体を密閉するように構成されている。しかしながら、静止体と回転体との間には、接触を防止するために半径方向に隙間が設けられている。このような隙間は、例えば、動翼とケーシングとの間や、静翼とロータとの間、ロータとケーシングとの間に設けられている。これらの隙間には、通過する作動流体の流量を低減するためのシール装置が設けられている。これにより、作動流体の漏れ流れを抑制し、軸流タービンの効率低下を抑制している。大型の発電プラントなどに設置される軸流タービンでは、シール装置としてラビリンスシール装置を使用することが一般的である。

シール装置に流入する作動流体は、周方向速度成分を有している場合がある。作動流体が周方向速度成分を有している状態でロータが半径方向に変位すると、シール装置内において作動流体の圧力が周方向で不平衡になるおそれがある。このことについて、図８を用いて説明する。

図８では、図面を簡略化するために、回転体Ｒ’と、回転体Ｒ’の周囲に設けられた静止体Ｓ‘とを示している。図８に示すように、半径方向に変位した回転体Ｒ’の周方向において、圧力の高い領域Ｐ１と圧力の低い領域Ｐ２とが形成される。すなわち、回転体Ｒ’と静止体Ｓ‘との間の隙間が狭い部分に対して作動流体が流れ込む側に圧力の高い領域Ｐ１が形成され、当該狭い部分から作動流体が流れ出す側に圧力の低い領域Ｐ２が形成される。すると、これらの圧力差に起因して、回転体Ｒ’を不安定化させる流体力Ｆ１（以下、不安定流体力と称する）が発生するおそれがある。この不安定流体力は、回転体に不安定振動を引き起こし得る。特に、回転体であるロータが高速回転する場合や、回転体と静止体との間に設けられたシール装置の入口における作動流体の圧力と出口における作動流体の圧力との差が大きい場合には、この不安定流体力は大きくなる。

このような不安定流体力を低減するために、シール装置の入口に旋回防止フィンを設けて、作動流体が周方向速度成分によって旋回することを抑制する技術が提案されている。このことについて、より具体的に説明する。

ここで、図９～図１１を用いて、軸流タービンにおける一般的なシール装置について説明する。図９に示すように、シール装置１０６は、ロータ１０２と、ロータ１０２の周囲に設けられたケーシング１０４との間に配置されている。シール装置１０６は、ケーシング１０４に保持されたパッキンリング１０７を有している。

パッキンリング１０７の内周面１７０には、ロータ１０２とパッキンリング１０７との間の隙間を通過する作動流体の流量を低減するためのシールフィン１０８が設けられている。シールフィン１０８は、ロータ１０２の軸方向Ｘ’に複数並んで配置されている。シールフィン１０８は、パッキンリング１０７の内周面１７０からロータ１０２の外周面１２０に向かって突出している。

また、シール装置１０６の入口におけるパッキンリング１０７の内周面１７０には、作動流体の周方向速度成分を低減するための旋回防止フィン１０９が設けられている。図１１に示すように、旋回防止フィン１０９は、ロータ１０２の周方向に複数並んで配置されている。図１０に示すように、旋回防止フィン１０９は、パッキンリング１０７の内周面１７０からロータ１０２の外周面１２０に向かって突出している。旋回防止フィン１０９は、ロータ１０２の回転方向１１２の側に設けられた負圧面１９２と、負圧面１９２とは反対側に設けられた正圧面１９１と、を有している。

シール装置１０６に流入する作動流体は、ロータ１０２の回転摩擦などにより、ロータ１０２の回転方向１１２と同じ方向の周方向速度成分を有している場合がある。これにより、作動流体は、符号１１１で示した矢印の方向に流れ、旋回防止フィン１０９の正圧面１９１に衝突する。そして、作動流体は、図１１に示すように、ロータ１０２の軸方向Ｘ’に沿う方向に流れが転向されて旋回防止フィン１０９が設けられた領域から流出し、シールフィン１０８が設けられた領域に流入する。このようにして、旋回防止フィン１０９は、作動流体の周方向速度成分を低減するようになっている。

特開昭５８－２２２９０２号公報

しかしながら、上述したシール装置１０６では、旋回防止フィン１０９とロータ１０２の外周面１２０との間には微小な隙間が設けられている。このため、ロータ１０２の外周面１２０の近傍を流れる作動流体は、旋回防止フィン１０９に衝突することなく、この微小な隙間を通過して、周方向速度成分を有した状態でシールフィン１０８が設けられた領域に流入してしまう。

また、旋回防止フィン１０９の正圧面１９１に作動流体が衝突することにより、正圧面１９１における圧力が上昇する。このため、正圧面１９１と負圧面１９２との間の圧力差が増大し、旋回防止フィン１０９とロータ１０２の外周面１２０との間の微小な隙間を通過して正圧面１９１から負圧面１９２に流れる作動流体の流量が増大するおそれがある。このように流れる作動流体も周方向速度成分を有している。

このようにして微小な隙間を通過した作動流体は、ロータ１０２の回転摩擦によってロータ１０２の回転方向１１２と同じ方向に再び加速され、周方向速度成分が増大し得る。このため、上述したシール装置１０６では、作動流体の周方向速度成分を低減するという旋回防止フィン１０９の効果を十分に発揮させることができない場合がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、作動流体の周方向速度成分を効果的に低減することができるシール装置およびターボ機械を提供することを目的とする。

実施の形態によるシール装置は、ターボ機械の回転体と回転体の周囲に設けられた静止体との間の隙間から漏洩する作動流体の流量を低減するシール装置であって、回転体と静止体との間に設けられ、回転体の周方向に延びるシールフィンと、シールフィンよりも上流側において静止体に設けられ、作動流体の周方向速度成分を低減する旋回防止フィンと、を備えている。旋回防止フィンは、回転体の回転方向の側に設けられた負圧面と、負圧面とは反対側に設けられた正圧面と、を有している。正圧面は、半径方向外側から半径方向内側に向かって回転体の回転方向とは反対側に延びている。

また、実施の形態によるターボ機械は、回転体と、静止体と、上述したシール装置と、を備えている。

本発明によれば、作動流体の周方向速度成分を効果的に低減することができる。

図１は、第１の実施の形態による軸流タービンの一部を示す子午面断面図である。 図２は、第１の実施の形態によるシール装置の構造を示す子午面断面図である。 図３は、図２のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 図４は、図２をＢ方向から見た矢視図である。 図５は、第２の実施の形態によるシール装置の構造を示す、図２をＢ方向から見た矢視図である。 図６は、第３の実施の形態によるシール装置の構造を示す子午面断面図である。 図７は、第４の実施の形態によるシール装置の構造を示す子午面断面図である。 図８は、回転体と静止体を軸方向から見たときの模式断面図である。 図９は、一般的なシール装置の構造を示す子午面断面図である。 図１０は、図９のＡ’－Ａ’線に沿った断面図である。 図１１は、図９をＢ’方向から見た矢視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
図１～図４を用いて、第１の実施の形態によるシール装置およびターボ機械について説明する。本実施の形態によるシール装置が適用可能なターボ機械の具体例としては、蒸気タービンやガスタービンなどの軸流タービン、およびコンプレッサなどが挙げられる。本実施の形態では、ターボ機械の一例として軸流タービンを例にとって以下説明する。

図１に示すように、軸流タービン１は、ロータ２と、ロータ２の周囲に設けられたケーシング４と、を備えている。ロータ２は、軸方向Ｘに沿って配置された回転軸線を中心に回転可能に構成されている。

ロータ２には、複数の動翼翼列３が設けられている。ロータ２と動翼翼列３は、回転体Ｒとして構成されている。一方、ケーシング４には、複数の静翼翼列５が設けられている。ケーシング４と静翼翼列５は、静止体Ｓとして構成されている。静翼翼列５と動翼翼列３は、ロータ２の軸方向Ｘに交互に配置されている。そして、一の静翼翼列５と、当該一の静翼翼列５の下流側（図１における右側）に隣り合って配置された一の動翼翼列３とにより、一のタービン段落１０が構成されている。軸流タービン１は、このようなタービン段落１０が、ロータ２の軸方向Ｘに複数設けられている。

静翼翼列５は、ケーシング４に支持された静翼外輪５１と、静翼外輪５１よりも半径方向内側に設けられた静翼内輪５２と、静翼外輪５１と静翼内輪５２との間に配置された複数の静翼５３と、を有している。静翼５３は、周方向に配列されている。静翼外輪５１は、外輪本体５１ａと、外輪本体５１ａから下流側に突出する外輪突出部５１ｂと、を含んでいる。外輪本体５１ａは、静翼５３に対向するように配置されており、外輪突出部５１ｂは、後述する動翼３１に対向するように配置されている。

動翼翼列３は、周方向に配列された複数の動翼３１を有している。各動翼３１は、ロータ２に植え付けられている。より具体的には、ロータ２は、その外周面２０から半径方向外側に突出する複数のロータディスク３２を含んでいる。ロータディスク３２は、軸方向Ｘに複数設けられており、このロータディスク３２に各動翼３１が固定されている。動翼３１は、その外周面２０が、静翼外輪５１の外輪突出部５１ｂの内周面と対向するように配置されている。また、静翼内輪５２は、ロータディスク３２が設けられていない領域において、その内周面がロータ２の外周面２０と対向するように配置されている。

ケーシング４には、供給管（不図示）が連結されており、蒸気や燃焼ガスなどの作動流体が、軸流タービン１に供給されるようになっている。供給管から軸流タービン１に供給された作動流体は、符号１１で示した矢印のように流れて、各タービン段落１０の静翼翼列５と動翼翼列３とを交互に通過し、動翼３１に対して仕事を行う。このことにより、作動流体の持つ流体エネルギが、ロータ２を回転駆動させる回転エネルギに変換される。ロータ２は、発電機（不図示）に連結されており、回転エネルギ（または回転トルク）を発電機に伝達することができるようになっている。発電機は、その回転エネルギによって発電を行うように構成されている。各タービン段落１０を通過した作動流体は、不図示の排気流路を通って排出される。

軸流タービン１の運転中にロータ２および動翼翼列３で構成される回転体Ｒとケーシング４および静翼翼列５で構成される静止体Ｓとが接触することを防止するために、回転体Ｒと静止体Ｓとの間には、隙間が設けられている。より具体的には、ロータ２の外周面２０とケーシング４の内周面との間、動翼３１の外周面２０と外輪突出部５１ｂの内周面との間、およびロータ２の外周面２０と静翼内輪５２の内周面との間には、それぞれ隙間が設けられている。

しかしながら、これらの隙間から漏洩する作動流体の流量が増大すると、軸流タービン１の性能低下に繋がるおそれがある。そこで、回転体Ｒと静止体Ｓとの間に形成されたこれらの隙間には、漏洩する作動流体の流量を低減するためのシール装置６が設けられている。以下では、一例として、ロータ２の外周面２０とケーシング４の内周面との間に設けられたシール装置６について説明する。

図２に示すように、シール装置６は、軸流タービン１のロータ２と、ロータ２の周囲に設けられたケーシング４との間に配置されている。シール装置６は、ケーシング４に保持されたパッキンリング７を有している。パッキンリング７は、ロータ２の周方向に延びるように形成されている。パッキンリング７は、ケーシング４に設けられた溝４１に嵌合して保持されている。パッキンリング７は、ロータ２の周方向に分割された複数のセグメント部材によって構成されていてもよい。

ロータ２とケーシング４との間にシールフィン８が設けられている。本実施の形態では、シールフィン８は、ケーシング４にパッキンリング７を介して設けられており、パッキンリング７の内周面７０に、複数のシールフィン８が設けられている。シールフィン８は、ロータ２の軸方向Ｘに複数並んで配置されている。また、図４に示すように、シールフィン８は、ロータ２の周方向に延びている。シールフィン８は、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かって突出している。図２で示す断面で見たとき、シールフィン８は、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かって先細になるような略三角形の形状を有している。シールフィン８とロータ２とが接触することを防止するために、シールフィン８の先端とロータ２の外周面２０との間には微小な隙間が設けられている。

図２に示すシール装置６は、Ｈｉ－Ｌｏ型のラビリンスシール装置である。すなわち、図２に示すように、ロータ２の半径方向における高さが相対的に小さいシールフィン８と、高さが相対的に大きいシールフィン８とが、ロータ２の軸方向Ｘに交互に並んで配置されている。ロータ２の直径は、高さが相対的に小さいシールフィン８と対向する位置において大きく、高さが相対的に大きいシールフィン８と対向する位置において小さくなっている。言い換えると、ロータ２の外周面２０には、高さが相対的に小さいシールフィン８と対向する突出部２１が設けられている。

シール装置６に流入した作動流体は、このように構成されたシールフィン８によって、相対的に小さな通過面積と相対的に大きな通過面積とを順次通過する。これにより、作動流体の加速、減速を順次繰り返して作動流体を膨張させることで、流体抵抗を増して漏洩流量を低減させている。このようなシールフィン８により、ロータ２とパッキンリング７との間の隙間を通過する作動流体の流量を低減することができる。

なお、シールフィン８は、パッキンリング７に一体的に削り出して形成されてもよく、パッキンリング７とは別体に作製してパッキンリング７に取り付けられてもよい。また、シールフィン８は、ケーシング４またはロータ２に一体または別体に形成されてもよい。シールフィン８は、シール装置６が静翼外輪５１と動翼３１との間に設けられる場合には静翼外輪５１または動翼３１に一体または別体に形成されてもよく、シール装置６が静翼内輪５２とロータ２との間に設けられる場合には静翼内輪５２またはロータ２に一体または別体に形成されてもよい。

更に、ケーシング４に、作動流体の周方向速度成分を低減する旋回防止フィン９がパッキンリング７を介して設けられている。本実施の形態では、ケーシング４に保持されたパッキンリング７の内周面７０に、旋回防止フィン９が設けられている。旋回防止フィン９は、シールフィン８よりも上流側（すなわち、シール装置６の入口）に設けられている。図４に示すように、旋回防止フィン９は、ロータ２の周方向に複数並んで配置されている。また、旋回防止フィン９は、ロータ２の軸方向Ｘに延びている。旋回防止フィン９は、半径方向外側から半径方向内側に向かって（すなわち、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かって）突出している。図３に示す断面で見たとき、旋回防止フィン９は、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かって先細になるような略三角形の形状を有している。旋回防止フィン９とロータ２とが接触することを防止するために、旋回防止フィン９の先端とロータ２の外周面２０との間には微小な隙間が設けられている。また、旋回防止フィン９は、ロータ２が回転する方向（回転方向１２）の側に設けられた負圧面９２と、負圧面９２とは反対側に設けられた正圧面９１と、を有している。

本実施の形態では、正圧面９１は平坦状に形成され、図３に示す断面で見たときに、正圧面９１は、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かって進みながらロータ２の回転方向１２とは反対側に進むように、半径方向に対して傾いて形成されている。そして、負圧面９２も、正圧面９１と同様に、平坦状に形成され、かつ半径方向に対して傾いて形成されている。このことにより、旋回防止フィン９が、全体として、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延びるように形成されている。

なお、図３においては、正圧面９１および負圧面９２が平坦状に形成され、旋回防止フィン９が略三角形の形状を有しているが、これに限られることはない。正圧面９１は、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延びるように、湾曲状に形成されていてもよい。負圧面９２も同様である。更に、負圧面９２は、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延びていなくてもよい。

また、旋回防止フィン９は、パッキンリング７に一体的に削り出して形成されてもよく、パッキンリング７とは別体に作製してパッキンリング７に取り付けられてもよい。また、旋回防止フィン９は、ケーシング４に一体または別体に形成されてもよい。旋回防止フィン９は、シール装置６が静翼外輪５１と動翼３１との間に設けられる場合には、静翼外輪５１に一体または別体に形成されてもよく、シール装置６が静翼内輪５２とロータ２との間に設けられる場合には静翼内輪５２に一体または別体に形成されてもよい。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態による軸流タービン１を運転する場合、蒸気や燃焼ガスなどの作動流体が、供給管から軸流タービン１に供給される。供給管から軸流タービン１に供給された作動流体は、各タービン段落１０の静翼翼列５と動翼翼列３とを交互に通過し、動翼３１に対して仕事を行う。このことにより、作動流体の持つ流体エネルギが、ロータ２を回転駆動させる回転エネルギに変換され、その回転エネルギによって発電機が発電を行う。そして、各タービン段落１０を通過した作動流体は、排気流路を通って排出される。

一方、軸流タービン１に供給された作動流体の一部は、回転体Ｒと静止体Ｓとの間に設けられた隙間に流入し、シール装置６を通過する。シール装置６を通過する作動流体には、ロータ２の回転摩擦などにより、ロータ２の回転方向１２と同じ方向の周方向速度成分が付与される。すなわち、シール装置６に流入する作動流体は、ロータ２の外周面２０の近傍を流れているため、ロータ２の回転に起因する周方向速度成分を有するようになる。

シール装置６に流入した作動流体は、まず旋回防止フィン９の正圧面９１に衝突する。ここで、本実施の形態による旋回防止フィン９の正圧面９１は、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延びている。このことにより、正圧面９１に衝突した作動流体の流れは、この正圧面９１の形状に沿うようにしてロータ２の半径方向外側に転向される。このため、ロータ２の外周面２０に向かう作動流体の流れが抑制される。

この場合、作動流体が正圧面９１で堰き止められるように保持されることになり、正圧面９１と負圧面９２との圧力差が増大し得る。しかしながら、上述したように、作動流体がロータ２の外周面２０に向かう流れが抑制されるため、旋回防止フィン９とロータ２の外周面２０との間の微小な隙間を通過する作動流体の流量は低減される。

また、半径方向外側へ流れが転向されることにより、正圧面９１の近傍において、半径方向外側に巻き上げられるような流れが形成され、この流れに、正圧面９１よりも半径方向内側を流れる作動流体が引き込まれるようになる。このため、旋回防止フィン９とロータ２の外周面２０との間の微小な隙間に作動流体が流れることが抑制される。

このように本実施の形態によれば、旋回防止フィン９の正圧面９１は、半径方向外側から半径方向内側に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延びている。このことにより、正圧面９１に衝突した作動流体の流れをロータ２の半径方向外側に転向させることができる。このため、旋回防止フィン９とロータ２の外周面２０との間の微小な隙間から漏洩する作動流体の流量を低減することができる。これによって、旋回防止フィン９により、シール装置６内を流れる作動流体の周方向速度成分を効果的に低減することができる。この結果、シール装置６内を流れる作動流体の周方向速度成分に起因したロータ２の不安定振動を効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、旋回防止フィン９はロータ２の軸方向Ｘに延びている。このことにより、正圧面９１に衝突してロータ２の半径方向外側に転向させた作動流体をロータ２の軸方向Ｘに沿って流すことができる。このため、シール装置６内を流れる作動流体の周方向速度成分を旋回防止フィン９によって効果的に低減することができる。

また、本実施の形態によれば、旋回防止フィン９はロータ２の周方向に複数並んで配置されている。このことにより、ロータ２の周方向における複数の箇所で、作動流体の流れをロータ２の半径方向外側に転向させることができ、上述したような旋回防止フィン９による周方向速度成分の低減効果をより一層発揮させることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図５を用いて、第２の実施の形態によるシール装置およびターボ機械について説明する。

図５に示す第２の実施の形態においては、旋回防止フィンが、上流側から下流側に向かって回転体の回転方向とは反対側に延びている点が主に異なり、他の構成は、図１～図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５において、図１～図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に示すように、本実施の形態による旋回防止フィン９は、上流側から下流側に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延びている。すなわち、旋回防止フィン９は、上流側から下流側に向かって進みながらロータ２の回転方向１２とは反対側に進むように、軸方向Ｘに対して傾いて形成されている。なお、図５に示す旋回防止フィン９は、半径方向外側に向かって（図２に示すＢ方向から）見たときに、直線状に形成されているが、これに限られることはない。例えば、旋回防止フィン９は、上流側から下流側に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延びていれば、湾曲状に形成されていてもよい。

図５に示す本実施の形態では、軸流タービン１の運転時に、旋回防止フィン９の正圧面９１で堰き止められるように保持された作動流体の流れの向き１１がロータ２の回転方向１２と反対側を向くようになる。このことにより、作動流体にロータ２の回転方向１２と反対方向の周方向速度成分が付与され、この状態で旋回防止フィン９が設けられた領域から流出する。

その後、作動流体は、シールフィン８が設けられた領域を流れる間、ロータ２との回転摩擦によってロータ２の回転方向１２と同じ方向に加速され得る。しかしながら、作動流体は、回転方向１２と反対方向の周方向速度成分を有した状態で、シールフィン８が設けられた領域に流入している。このため、回転方向１２と同じ方向への周方向速度成分の増大は抑制される。この結果、作動流体は、周方向速度成分を有していない（周方向速度成分が０（ゼロ）の）状態で旋回防止フィン９が設けられた領域から流出した場合よりも、周方向速度成分が更に低減され得る。

ここで、旋回防止フィン９を上流側から下流側に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延ばすように形成すると、作動流体の転向の程度（転向角度）が大きくなり、旋回防止フィン９の正圧面９１における圧力が上昇する場合がある。このため、正圧面９１と負圧面９２との間の圧力差が増大し、旋回防止フィン９とロータ２の外周面２０との間の微小な隙間を通過して漏洩する作動流体の流量が増大し得る。

しかしながら、第１の実施の形態と同様、旋回防止フィン９の正圧面９１は、パッキンリング７の内周面７０からロータ２の外周面２０に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に延びている。このことにより、旋回防止フィン９とロータ２の外周面２０との間の微小な隙間を通過する作動流体の流量が増大することを最小限に抑制することができる。

このように本実施の形態によれば、旋回防止フィン９は、上流側から下流側に向かってロータ２の回転方向１２とは反対側に傾いた方向に延びている。このことにより、正圧面９１に衝突してロータ２の半径方向外側に転向させた作動流体を、ロータ２の回転方向１２と反対側に流すことができる。このため、シール装置６内を流れる作動流体の周方向速度成分をより一層低減することができる。この結果、シール装置６内を流れる作動流体の周方向速度成分に起因したロータ２の不安定振動を効果的に抑制することができる。

（第３の実施の形態）
次に、図６を用いて、第３の実施の形態によるシール装置およびターボ機械について説明する。

図６に示す第３の実施の形態においては、旋回防止フィンと対向する第１対向面が、その上流側に設けられた上流側面の直径よりも大きな直径を有しており、第１対向面と上流側面とが第１段差壁によって接続されている点が主に異なり、他の構成は、図１～図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図６において、図１～図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図６に示すように、本実施の形態によるシール装置６は、ロータ２の外周面２０にそれぞれ設けられた、旋回防止フィン９と対向する第１対向面２０ａと、第１対向面２０ａよりも上流側に設けられた上流側面２０ｂと、を更に有している。第１対向面２０ａは、上流側面２０ｂの直径よりも大きな直径を有している。第１対向面２０ａの上流側には、第１段差壁２２が設けられている。図６に示す例では、第１段差壁２２は、旋回防止フィン９の上流端（図６における左端）よりも上流側に配置されている。第１対向面２０ａと上流側面２０ｂは、この第１段差壁２２によって接続されている。なお、図２で説明した突出部２１は、第１対向面２０ａに設けられており、高さが相対的に小さいシールフィン８と対向する位置に配置されている。

このように本実施の形態によれば、ロータ２の外周面２０に、旋回防止フィン９と対向する第１対向面２０ａと、第１対向面２０ａよりも上流側に設けられた上流側面２０ｂとを接続する第１段差壁２２が設けられている。このことにより、上流側面２０ｂにおいてロータ２の外周面２０の近傍を流れていた作動流体の流れを、第１段差壁２２によって半径方向外側に転向させることができる。このため、ロータ２の外周面２０の近傍を流れていた作動流体を、ロータ２の外周面２０から離すことができる。すなわち、旋回防止フィン９とロータ２の外周面２０（第１対向面２０ａ）との間の微小な隙間を通過する作動流体の流量を低減することができる。このため、旋回防止フィン９の正圧面９１に衝突する作動流体の割合を増加させ、旋回防止フィン９による周方向速度成分の低減効果をより一層発揮させることができる。この結果、シール装置６内を流れる作動流体の周方向速度成分に起因したロータ２の不安定振動を効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、第１段差壁２２は、旋回防止フィン９よりも上流側に配置されている。このことにより、ロータ２の外周面２０の近傍を流れていた作動流体の流れを、作動流体が旋回防止フィン９が設けられた領域に流入する前に、半径方向外側に向けることができる。このため、旋回防止フィン９による周方向速度成分の低減効果をより一層発揮させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、第１段差壁２２が、旋回防止フィン９の上流端（図６における左端）よりも上流側に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、第１段差壁２２は、旋回防止フィン９の上流端に対向する位置（軸方向Ｘにおいて一致する位置）に配置されていてもよい。また、ロータ２の外周面２０の近傍を流れていた作動流体の流れを半径方向外側に転向させることができれば、第１段差壁２２は、旋回防止フィン９の上流端よりも下流側に配置されていてもよい。この場合、第１対向面２０ａは、旋回防止フィン９の一部と対向するようになる。

（第４の実施の形態）
次に、図７を用いて、第４の実施の形態によるシール装置およびターボ機械について説明する。

図７に示す第４の実施の形態においては、第１対向面と、シールフィンと対向する第２対向面が第２段差壁によって接続され、第２対向面が第１対向面よりも小さな直径を有している点が主に異なり、他の構成は、図６に示す第３の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図６に示す第３の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図７に示すように、本実施の形態によるシール装置６は、ロータ２の外周面２０に設けられた、シールフィン８と対向する第２対向面２０ｃを更に有している。第２対向面２０ｃは、第１対向面２０ａの直径よりも小さな直径を有している。第２対向面２０ｃの直径は、上流側面２０ｂの直径と同一であってもよい。第１対向面２０ａの下流側で、かつシールフィン８の上流側には、第２段差壁２３が設けられている。図７に示す例では、第２段差壁２３は、旋回防止フィン９の下流端（図７における右端）よりも下流側に配置されている。第１対向面２０ａと第２対向面２０ｃは、この第２段差壁２３によって接続されている。なお、図２で説明した突出部２１は、第２対向面２０ｃに設けられており、高さが相対的に小さいシールフィン８と対向する位置に配置されている。各シールフィン８の先端と第２対向面２０ｃとの間の微小な隙間の寸法は、第３の実施の形態と同様に設定されている。

このように本実施の形態によれば、ロータ２の外周面２０に、シールフィン８と対向する第２対向面２０ｃが設けられ、第２対向面２０ｃの直径を、旋回防止フィン９と対向する第１対向面２０ａの直径よりも小さくしている。このことにより、シールフィン８とロータ２の外周面２０（第２対向面２０ｃ）との間の微小な隙間の流路断面積を小さくすることができる。このため、当該微小な隙間を通過する作動流体の流量を低減することができる。この結果、シール装置６を通過して漏洩する作動流体の流量を低減することができる。また、本実施の形態によれば、ロータ２の上流側面２０ｂの直径と、第２対向面２０ｃの直径とを同一にすることができる。この場合、シール装置６を通過して漏洩する作動流体の流量を低減しつつ、ロータ２の剛性を確保することができる。

また、本実施の形態によれば、第２段差壁２３は、旋回防止フィン９よりも下流側に配置されている。このことにより、旋回防止フィン９の先端とロータ２の外周面２０との間の微小な隙間が増大することを防止できる。このため、旋回防止フィン９による周方向速度成分の低減効果を効果的に発揮させることができる。この結果、シール装置６内を流れる作動流体の周方向速度成分に起因したロータ２の不安定振動を効果的に抑制することができる。

なお、上述した本実施の形態においては、第２段差壁２３が、旋回防止フィン９の下流端（図７における右端）よりも下流側に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、第２段差壁２３は、旋回防止フィン９の下流端に対向する位置（軸方向Ｘにおいて一致する位置）に配置されていてもよい。また、第２段差壁２３は、旋回防止フィン９の下流端よりも上流側に配置されていてもよい。更には、第２段差壁２３は、シールフィン８に対向する位置に配置されていてもよいし、シールフィン８の下流側に配置されていてもよい。

以上述べた実施の形態によれば、作動流体の周方向速度成分を効果的に低減することができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：軸流タービン、２：ロータ、４：ケーシング、６：シール装置、７：パッキンリング、８：シールフィン、９：旋回防止フィン、１２：回転方向、２０ａ：第１対向面、２０ｂ：上流側面、２０ｃ：第２対向面、２２：第１段差壁、２３：第２段差壁、９１：正圧面、９２：負圧面、Ｒ：回転体、Ｓ：静止体

Claims (8)

1. ターボ機械の回転体と前記回転体の周囲に設けられた静止体との間の隙間から漏洩する作動流体の流量を低減するシール装置であって、
   前記回転体と前記静止体との間に設けられ、前記回転体の周方向の全周に亘って延びるシールフィンと、
   前記シールフィンよりも上流側において前記回転体の軸方向に前記シールフィンから所定の距離を置いて、前記静止体の内周面に設けられた旋回防止フィンであって、前記回転体に近接して向かい合い、前記回転体の周方向に沿うように前記静止体に複数設けられた、前記作動流体の周方向速度成分を低減する旋回防止フィンと、を備え、
   前記旋回防止フィンは、前記回転体の回転方向の側に設けられた負圧面と、前記負圧面とは反対側に設けられた正圧面と、を有し、
   前記正圧面は、半径方向外側から半径方向内側に向かって前記回転体の前記回転方向とは反対側に延びている、シール装置。
2. 前記旋回防止フィンは、前記回転体の軸方向に延びている、請求項１に記載のシール装置。
3. 前記旋回防止フィンは、上流側から下流側に向かって前記回転体の前記回転方向とは反対側に延びている、請求項１に記載のシール装置。
4. 前記回転体にそれぞれ設けられた、前記旋回防止フィンと対向する第１対向面と、前記第１対向面よりも上流側に設けられた上流側面と、を更に備え、
   前記第１対向面は、前記上流側面の直径よりも大きな直径を有し、
   前記第１対向面と前記上流側面とが第１段差壁によって接続されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のシール装置。
5. 前記第１段差壁は、前記旋回防止フィンよりも上流側に配置されている、請求項４に記載のシール装置。
6. 前記シールフィンは、前記静止体に設けられ、
   前記シール装置は、前記回転体に設けられた、前記シールフィンと対向する第２対向面を更に備え、
   前記第１対向面と前記第２対向面とが第２段差壁によって接続され、
   前記第２対向面は、前記第１対向面の直径よりも小さな直径を有している、請求項４または５に記載のシール装置。
7. 前記第２段差壁は、前記旋回防止フィンよりも下流側に配置されている、請求項６に記載のシール装置。
8. 回転体と、
   静止体と、
   請求項１～７のいずれか一項に記載のシール装置と、を備えた、ターボ機械。

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