JP4718991B2 - シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、静止部と回転部との隙間から漏出する流体の、その漏出のより一層の低減化を図ったシール装置に関する。

例えば、発電プラントに使用される蒸気タービンやガスタービンの仕事効率は、タービン翼を回転させて動力（回転トルク）を発生させる流体量に影響している。つまり、タービンの静止部と回転部との隙間から漏出する流体を如何に低減させるかのシール技術がタービン性能を左右する。

このため、動力発生に寄与しない流体を抑制するシール技術は、タービンの性能を向上させる重要な技術として位置付けられている。

このように、仕事効率向上にとって重要な技術として位置付けられているシール技術を組み込んだ蒸気タービンには、例示として図４に示す構成のものがある。

この蒸気タービンは、高圧タービン１と中圧タービン２とを一つのタービンケーシング３に収容させる、いわゆる高中圧一体タービン４とし、高中圧一体タービン４に低圧タービン５を軸直結させる構成になっている。

高中一体タービン４のうち、高圧タービン１および中圧タービン２のそれぞれは、一つで共用するタービンロータ６をタービンケーシング３の中央に収容している。

また、高圧タービン１および中圧タービン２のそれぞれは、タービンケーシング３に係合させるタービンノズル（静翼）とタービンロータ６に植設するタービン動翼（羽根）とでタービン段落を構成し、このタービン段落をタービンロータ６の軸方向に沿って複数段に亘って配列している。

一方、高中圧一体タービン４のタービンロータ６に軸直結する低圧タービンロータ７を備える低圧タービン５は、高中圧一体タービン４とクロスオーバ管８で結ばれ、クロスオーバ管８を低圧タービンケーシング１３の中央に配置する対向流タイプになっている。

対向流タイプの低圧タービン５は、高中圧一体タービン４と同様に、内部ケーシング９に係合させるタービンノズル（静翼）１１と低圧タービンロータ７に植設するタービン動翼１２とでタービン段落を構成し、このタービン段落を低圧タービンロータ７の軸方向に沿い、かつクロスオーバ管８を中心に両側に向って複数段に亘って配列している。

また、低圧タービン５には、仕事を終えた蒸気を凝縮させる復水器１０が設けられている。

他方、タービン段落を構成するタービンノズル１１およびタービン動翼１２のうち、タービンノズル１１は、図５に示すように、一端をリング状のダイアフラム外輪１４で支持させ、他端をリング状のダイアフラム内輪１５で支持させている。

また、ダイアフラム内輪１５は、シールフィン１６を備え、このシールフィン１６を図６に示すように、凸部１８と凹部１９を備えたタービンロータ６（低圧タービンロータ７）に対峙させ、隙間１７からの蒸気の漏出を封止している。

また、ダイアフラム外輪１４は、タービンケーシング３（低圧タービンケーシング１３）に係合させてタービン動翼１２まで延びている。

タービン動翼１２は、底部側をタービンロータ６（低圧タービンロータ７）から削り出したタービンディスク２０に植設するとともに、頂部側にシュラウド２１を備え、このシュラウド２１に設けたシールフィン１６をダイアフラム外輪１４に対峙させ、隙間１７からの蒸気の漏出を封止している。

このように、従来の蒸気タービンは、静止部であるダイアフラム内輪１５と回転部であるタービンロータ（低圧タービンロータ７）との隙間１７や、静止部であるダイアフラム外輪１４と回転部であるタービン動翼１２のシュラウド２１との隙間１７のそれぞれにシールフィン１６を備え、蒸気の漏出を封止し、動力発生に寄与させていた。

なお、静止部と回転部との隙間にシール装置を設けた技術には、例えば、特許文献１や特許文献２等に見られるように、数多くの発明が開示されている。
特開２００１−１２３８０３号公報 特開２００５−２２０８７９号公報

図５や図６で示したシール装置は、蒸気タービンやガスタービン等の流体機械に従来から数多く使用されてきたが、運転中に発生する振動等によって静止部としてのタービンノズル１１を支持するダイアフラム内外輪１５，１４と回転部としてのタービンロータ６（低圧タービンロータ７）、タービン動翼１２のシュラウド２１とが接触し、シールフィン１６の一部が折損し、蒸気等の漏出を確実に封止することに限界があった。

このような情況の下、最近のシール装置では、回転部または静止部のうち、いずれか一方の基材に、被削性に富むアブレイダブル層を被覆させた技術が提案されている。

このアブレイダブル層は、コーティング材の中にプラスチックやグラファイトなどの強度物質を分散させ、あたかもスポンジのような層になっている。

このため、アブレイダブル層は、運転中、振動等によって静止部と回転部とが抵触事故を起こしてもシールフィン１６の折損事故はなくなったものの、基材との密着強度が著しく低下する等の問題を抱えていた。

また、シール装置が温度３００℃以上の流体を取り扱うことを考慮すると、基材とアブレイダブル層との間に密着性に優れたボンドコード層を必要とするが、このボンドコート層は、腐食物質に対する耐食性、高温中の耐酸化性、耐水蒸気酸化性等の特性が求められていた。

このため、静止部と回転部とが接触しても、蒸気等の漏出封止を長く維持できる新たなシール装置の実現が望まれていた。

本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、基材とアブレイダブル層との密着性を強固に維持させるとともに、流体の漏出封止をより一層強化し、流体の漏出をより一層少なくさせたシール装置を提供することを目的とする。

本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、回転部と静止部との隙間の、その回転部および静止部のうち、いずれか一方にシールフィンを備え、前記シールフィンに対峙する前記回転部および静止部のうち、いずれか一方の基材にアブレイダブル層とボンドコート層とを組み合せた被覆層を備えたシール装置において、前記ボンドコート層は、Ｎｉ基合金鋼、コバルト基合金鋼のうちいずれかをガス炎溶射およびプラズマ溶射のいずれかで生成し、気孔率が２．０％以下に維持される構成にしたものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、前記ボンドコート層は、線膨張係数を、基材の線膨張係数とアブレイダブル層の線膨張係数との中間値に設定したものである。

また、本発明に係るシール装置は、上述の目的を達成するために、流体機械に適用するものである。

本発明に掛かるシール装置は、流体機械の回転部および静止部のうち、いずれか一方に設けたシールフィンに対峙する回転部および静止部のうち、いずれか一方の基材にアブレイダブル層とボンドコート層とを組み合せた被覆層を備えたので、運転中に発生する振動等によって回転部と静止部とが接触してもシールフィンを折損させることがなく、確実に流体の漏出を封止することができる。

以下、本発明に係るシール装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。

図１は、本発明に係るシール装置を示す概念図である。

本実施形態に係るシール装置は、例えばタービンロータやタービン動翼等の流体機械の回転部３１および、例えばタービンノズルを支持するダイアフラム内輪、ダイアフラム外輪等の静止部３０のうち、いずれか一方の基材３２にアブレイダブル層（上層）３５と接着剤として機能させるボンドコート層（下層）３６とを組み合せた被覆層３３を形成したものである。

具体的には、図２に示すように、回転部３１をタービン動翼のシュラウドとし、このシュラウドに設けたシールフィン３４に対峙する静止部３０をダイアフラム外輪とし、このダイアフラム外輪３０の基材３２に被覆層３３を設けている。

また、別の具体例では、図３に示すように、静止部３０をタービンノズルを支持するダイアフラム内輪とし、このダイアフラム内輪３１に設けたシールフィン３４に対峙する回転部３１をタービンロータ（低圧タービンロータ）とし、このタービンロータ（低圧タービンロータ）の基材３２に被覆層３３を設けている。

回転部３１または静止部３０の基材３２は、マルテンサイトもしくはベイナイト組織の鉄基合金が使用される。

また、被覆層３３の上層としてのアブレイダブル層３５は、被削性に優れたＮｉＣｒＡｌ合金および、ベントナイト（ＢＮ）からなる組成系、ＮｉＣｒＦｅＡｌ合金およびベントナイト（ＢＮ）からなる組成系、ＭＣｒＡｌＹ合金およびベントナイト（ＢＮ）からなる組成系のうち、いずれかが選択されて使用される。

一方、被覆層３３の下層としてのボンドコート層３６は、Ｎｉ基合金鋼、例えばインコネル６２５のように、Ｎｉ−Ｃｒ合金系、Ｎｉに５ｗｔ％のＡｌを添加したＮｉ−Ａｌ合金系、例えば、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹのようなコバルト基合金系、Ｎｉ−Ｍｏ合金鋼、例えばハイテロイＣ，純ニッケルのうち、いずれかが選択されて使用される。

また、ボンドコート層３６は、耐食性、耐酸化性、耐水蒸気酸化性をより一層強化するため、高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）および高出力プラズマ溶射のうち、いずれかが選択され、気孔率が２．０％以下になるように調整されている。

そして、耐食性等を強化するために高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）等を行ったボンドコート層３６は、その線膨張係数を基材３２の線膨張係数とアブレイダブル層３５の線膨張係数との中間値に設定し、運転中に発生する熱応力に対処させている。

例えば、従来の蒸気タービンの場合、回転部３１と静止部３０との間にシールフィン３４を介装させた場合、その隙間（クリアランス）は０．５〜０．７ｍｍであり、回転部３１と静止部３０とが接触するとシールフィン３４が折損し、流体の漏出封止を十分に維持させることができなかった。

また、従来の蒸気タービンは、回転部３１または静止部３０の基材としてマルテンサイトもしくはベイナイト組織の鉄基合金を使用することが多いために、長年の使用の結果、基材の耐食性、耐酸化性、耐水蒸気酸化性を持続できない等の不具合を抱えていた。

しかし、本実施形態は、基材３２にアブレイダブル層３５とボンドコート層３６と組み合せた被覆層３３を被着させるとともに、アブレイダブル層３５に被削性に優れた、例えばＮｉＣｒＡｌ合金等を用いる一方、ボンドコート層３６に耐食性、耐酸化性、耐水蒸気酸化性に優れた、例えばＮｉ−Ａｌ合金を用い、かつ高速ガス炎溶射（ＨＶＯＦ）または高出力プラズマ溶射を行い、気孔率２．０％以下に維持させたので、シールフィン３４の隙間を０．２ｍｍまで小さくすることができ、また、隙間を０．２ｍｍに設定した場合、回転部３１と静止部３０とが接触してもシールフィン３４に折損が無かったことも実験によって確認され、優れたシール装置を実現することができた。

本発明に係るシール装置に適用する基材に被覆層を被着させた実施形態を示す概念図。 本発明に係るシール装置の具体例を示すもので、静止部にシールフィンを設け、シールフィンに対峙する回転部の基材に被覆層を被着させた実施形態を示す概念図。 本発明に係るシール装置の別の具体例を示すもので、回転部にシールフィンを設け、シールフィンに対峙する静止部の基材に被覆層を被着させた実施形態を示す概念図。 従来の蒸気タービンを示す概念図。 従来の蒸気タービンに適用する静止部としてのノズルダイアフラムを示す半割れ状の斜視図。 従来の蒸気タービンの静止部と回転部とのそれぞれにシール装置を設けた部分断面図。

符号の説明

１ 蒸気タービン
２ 中圧タービン
３ タービンケーシング
４ 高中圧一体タービン
５ 低圧タービン
６ タービンロータ
７ 低圧タービンロータ
８ クロスオーバ管
９ 内部ケーシング
１０ 復水器
１１ タービンノズル
１２ タービン動翼
１３ 低圧タービンケーシング
１４ ダイアフラム外輪
１５ ダイアフラム内輪
１６ シールフィン
１７ 隙間
１８ 凸部
１９ 凹部
２０ タービンディスク
２１ シュラウド
３０ 静止部
３１ 回転部
３２ 基材
３３ 被覆層
３４ シールフィン
３５ アブレイダブル層
３６ ボンドコート層

Claims (3)

1. 回転部と静止部との隙間の、その回転部および静止部のうち、いずれか一方にシールフィンを備え、前記シールフィンに対峙する前記回転部および静止部のうち、いずれか一方の基材にアブレイダブル層とボンドコート層とを組み合せた被覆層を備えたシール装置において、
   前記ボンドコート層は、Ｎｉ基合金鋼、コバルト基合金鋼のうちいずれかをガス炎溶射およびプラズマ溶射のいずれかで生成し、気孔率が２．０％以下に維持される構成にしたことを特徴とするシール装置。
2. 前記ボンドコート層は、線膨張係数を、基材の線膨張係数とアブレイダブル層の線膨張係数との中間値に設定したことを特徴とする請求項１記載のシール装置。
3. 請求項１又は２記載のものを流体機械に適用することを特徴とするシール装置。

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