JP4762512B2 - Non-contact seal structure - Google Patents

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JP4762512B2 JP2004235935A JP2004235935A JP4762512B2 JP 4762512 B2 JP4762512 B2 JP 4762512B2 JP 2004235935 A JP2004235935 A JP 2004235935A JP 2004235935 A JP2004235935 A JP 2004235935A JP 4762512 B2 JP4762512 B2 JP 4762512B2
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本発明は、間隙を介して対向する２つの壁面間の高圧側から低圧側への流体の漏洩を抑制する非接触シール構造に係り、特に蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、ポンプ等の回転機械における回転体と静止体との間の非接触シール構造に関する。   The present invention relates to a non-contact seal structure that suppresses leakage of fluid from a high pressure side to a low pressure side between two wall surfaces facing each other through a gap, and in particular, a rotary machine such as a steam turbine, a gas turbine, a compressor, and a pump. The present invention relates to a non-contact seal structure between a rotating body and a stationary body.

回転体と静止体との間の間隙をシールする非接触シール構造として、一般に一方の壁面から対向する他方の壁面に向かって複数のフィンを伸ばす構成が採られている。この構造では、フィンとその先端に対向する壁面との間から漏れる流れの運動エネルギーを下流側に隣接するフィンとの間の膨張室で熱エネルギーに散逸させることによってシール効果が発揮される。   As a non-contact seal structure that seals a gap between a rotating body and a stationary body, a configuration is generally adopted in which a plurality of fins are extended from one wall surface to the other wall surface facing each other. In this structure, the sealing effect is exerted by dissipating the kinetic energy of the flow leaking from between the fin and the wall facing the tip to the thermal energy in the expansion chamber between the fin adjacent on the downstream side.

しかし漏れ流れを完全に熱散逸させるためにはフィンとその対向壁面との間隙に対して十分に大きな容積の膨張室が必要であり、製品における限られたスペース内では十分なフィンピッチを確保することは難しい。そこで、一方の壁面に設けたフィンと他方の壁面に設けたフィンとが高圧側から低圧側に向かって交互に配置されるように対向する双方の壁面にフィンを設けたものがある（例えば特許文献１参照）。   However, in order to completely dissipate the leakage flow, an expansion chamber having a sufficiently large volume with respect to the gap between the fin and the opposing wall surface is necessary, and a sufficient fin pitch is ensured in a limited space in the product. It ’s difficult. Therefore, there are fins provided on both wall surfaces facing each other so that the fins provided on one wall surface and the fins provided on the other wall surface are alternately arranged from the high pressure side toward the low pressure side (for example, patents). Reference 1).

特開平１１−２００８１０号公報JP-A-11-200180

上記のように対向壁面の双方にフィンを設けた場合、フィンとその対向壁面との間隙からの漏れ流れが下流側の膨張室内に配置された対向壁面側のフィンに衝突し、これにより漏れ流れの方向が変化して多くの渦構造が作り出され膨張室内の熱散逸が促進される。   When fins are provided on both of the opposing wall surfaces as described above, the leakage flow from the gap between the fin and the opposing wall surface collides with the fins on the opposite wall surface side arranged in the downstream expansion chamber, thereby causing the leakage flow. This changes the direction of the vortex, creating many vortex structures and promoting heat dissipation in the expansion chamber.

しかしながら、このような構造においては、両壁面すなわち回転体及び静止体側の熱容量が一般に異なることから例えばターボ機械の起動時や停止時のように機械全体の温度変化がある場合、基準位置（回転体の軸受位置等）からの熱膨張の違いによって両壁面の相対位置が流体の流れ方向に変化する。その結果、両壁面に設けたフィン同士が接触してしまうことがあり、回転機械の著しい信頼性の低下につながるという技術的課題があった。   However, in such a structure, since the heat capacities of the two wall surfaces, that is, the rotating body and the stationary body are generally different, the reference position (the rotating body, for example, when there is a temperature change of the entire machine, such as when the turbo machine is started or stopped, The relative position of both wall surfaces changes in the direction of fluid flow due to the difference in thermal expansion from the bearing position and the like. As a result, fins provided on both wall surfaces may come into contact with each other, and there is a technical problem in that the reliability of the rotating machine is significantly reduced.

本発明の目的は、機械の温度変化に伴う両壁面の熱膨張差に影響を受けることなく、対向する壁面間のシール効果を十分に発揮することができる非接触シール構造を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a non-contact seal structure that can sufficiently exert a sealing effect between opposing wall surfaces without being affected by a difference in thermal expansion between both wall surfaces due to a temperature change of the machine. .

上記目的を達成するために、本発明の非接触シール構造は、間隙を介して対向する２つの壁面間の高圧側から低圧側への流体の漏洩を抑制する非接触シール構造において、前記２つの壁面のうちの一方に設けられ、対向する他の壁面に向かって伸びる複数のフィンと、これら複数のフィンの先端を結ぶ基準線と平行で、かつ前記基準線から一定距離を有するとともに、高圧側から低圧側へ向かう方向の長さが前記複数のフィンのピッチと同じかそれよりも長くなるように前記他の壁面に形成した平面部と、この平面部と高圧側から低圧側に向かって交互に設けられ、前記基準線からの距離が前記平面部よりも大きくなるように前記他の壁面に形成した溝部とを備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, the non-contact seal structure of the present invention is a non-contact seal structure that suppresses fluid leakage from a high-pressure side to a low-pressure side between two wall surfaces facing each other via a gap. A plurality of fins provided on one of the wall surfaces and extending toward the other opposing wall surface, parallel to a reference line connecting the tips of the plurality of fins and having a certain distance from the reference line, A plane portion formed on the other wall surface so that the length in the direction from the low pressure side to the same as or longer than the pitch of the plurality of fins is alternated from the high pressure side to the low pressure side. And a groove portion formed on the other wall surface so that a distance from the reference line is larger than that of the flat surface portion.

本発明によれば、機械の温度変化に伴う両壁面の熱膨張差に影響を受けることなく、対向する壁面間のシール効果を十分に発揮することができる。   According to the present invention, a sealing effect between opposing wall surfaces can be sufficiently exhibited without being affected by a difference in thermal expansion between both wall surfaces accompanying a change in temperature of the machine.

以下、図面を用いて本発明の非接触シール構造の実施形態を説明する。
本発明の非接触シール構造は、間隙を介して対向する２つの壁面間の高圧側から低圧側への流体の漏洩を抑制する非接触シール構造であり、特に蒸気タービン、ガスタービン、圧縮機、ポンプ等といった回転機械における回転体と静止体との間隙のシール手段として好適に適用される。 Hereinafter, embodiments of the non-contact seal structure of the present invention will be described with reference to the drawings.
The non-contact seal structure of the present invention is a non-contact seal structure that suppresses fluid leakage from a high-pressure side to a low-pressure side between two wall surfaces facing each other through a gap, and in particular, a steam turbine, a gas turbine, a compressor, It is suitably applied as a sealing means for a gap between a rotating body and a stationary body in a rotary machine such as a pump.

図１は、本発明の非接触シール構造の適用対象の一例としてタービン段落を示す。
図１において、静翼２１は、その内周側がダイアフラム内輪２３に、外周側がダイアフラム外輪２４に固設されている。ダイアフラム外輪２４は、その外周側がケーシング２５に固設されている。一方、動翼２２は、その内周側が回転体であるロータ２６に固設され、外周側は間隙を介してダイアフラム外輪２４に対向している。作動流体３０は、高圧側から低圧側、本例ではタービン段落の静翼２１側から動翼２２に向かって流れる。 FIG. 1 shows a turbine stage as an example to which the non-contact seal structure of the present invention is applied.
In FIG. 1, the stationary blade 21 is fixed to a diaphragm inner ring 23 on the inner peripheral side and a diaphragm outer ring 24 on the outer peripheral side. The outer peripheral side of the diaphragm outer ring 24 is fixed to the casing 25. On the other hand, the moving blade 22 is fixed to the rotor 26 that is a rotating body on the inner peripheral side, and the outer peripheral side faces the diaphragm outer ring 24 through a gap. The working fluid 30 flows from the high pressure side to the low pressure side, in this example, from the stationary blade 21 side of the turbine stage toward the moving blade 22.

また、回転機械の信頼性確保のために静止体と回転体との間に間隙が設けられている。本例では、静止体であるダイアフラム内輪２３と回転体であるロータ２６の間に間隙Ｇ１が、静止体であるダイアフラム外輪２４と回転体である動翼２２の間に間隙Ｇ２がそれぞれ設けられている場合を図示している。これら間隙Ｇ１，Ｇ２に圧力差によって流れる漏れ流れのエネルギーはロータ２６の回転力に変換されないので、間隙Ｇ１，Ｇ２を通過する漏れ流れが多くなると同じ流体エネルギーから得られる回転力が小さくなり回転機械としての性能が低下する。そのため、こうした静止体と回転体との間隙には、間隙を確保しつつも流体の漏洩を最小限に抑制するために非接触シール構造が設けられる。   In addition, a gap is provided between the stationary body and the rotating body to ensure the reliability of the rotating machine. In this example, a gap G1 is provided between the diaphragm inner ring 23 that is a stationary body and the rotor 26 that is a rotating body, and a gap G2 is provided between the diaphragm outer ring 24 that is a stationary body and the rotor blade 22 that is a rotating body. The case is shown. Since the energy of the leakage flow flowing through the gaps G1 and G2 due to the pressure difference is not converted into the rotational force of the rotor 26, the rotational force obtained from the same fluid energy decreases as the leakage flow passing through the gaps G1 and G2 increases. As the performance is reduced. Therefore, a non-contact seal structure is provided in the gap between the stationary body and the rotating body in order to minimize fluid leakage while securing the gap.

図２は、本発明の非接触シール構造の第１実施形態の概略図である。
図２において、壁面１と壁面２は距離ｈを介して対向している。壁面１，２のいずれか一方が回転体の壁面で他方が静止体の壁面である。つまり、壁面１が回転体の壁面であれば壁面２は静止体の壁面であり、壁面１が静止体の壁面であれば壁面２は回転体の壁面である。これら壁面１，２間の間隙には、高圧側の圧力Ｐ０と低圧側の圧力ｐ１との圧力差によって、高圧側から低圧側に向かって作動流体が流れようとする。 FIG. 2 is a schematic view of the first embodiment of the non-contact sealing structure of the present invention.
In FIG. 2, the wall surface 1 and the wall surface 2 are opposed to each other with a distance h. One of the wall surfaces 1 and 2 is the wall surface of the rotating body, and the other is the wall surface of the stationary body. That is, if the wall surface 1 is the wall surface of the rotating body, the wall surface 2 is the wall surface of the stationary body, and if the wall surface 1 is the wall surface of the stationary body, the wall surface 2 is the wall surface of the rotating body. Due to the pressure difference between the pressure P0 on the high pressure side and the pressure p1 on the low pressure side, the working fluid tends to flow from the high pressure side toward the low pressure side in the gap between the wall surfaces 1 and 2.

一方の壁面１には、対向する他の壁面２に向かって伸びる複数のフィン３が設けられている。これらフィン３は作動流体の流れ方向にほぼ一定のピッチｔ２で設けられており、その先端は壁面２に対向している。なお、以下において複数のフィン３の先端を結ぶ線を基準線５と称する。また、作動流体の流れ方向に隣接する２枚のフィン３間に形成される空間を膨張室４と称する。   One wall surface 1 is provided with a plurality of fins 3 extending toward the opposite wall surface 2. These fins 3 are provided at a substantially constant pitch t2 in the flow direction of the working fluid, and their tips are opposed to the wall surface 2. Hereinafter, a line connecting the tips of the plurality of fins 3 is referred to as a reference line 5. A space formed between two fins 3 adjacent to each other in the flow direction of the working fluid is referred to as an expansion chamber 4.

それに対し、壁面２には平面部６と溝部７とが形成されている。平面部６は上記基準線５と平行で基準線５との間隙８の間隙寸法が一定距離ｄであるとともに、高圧側から低圧側へ向かう方向（圧力勾配方向）にとった長さｔ１がフィン３のピッチｔ２と同じかそれよりも長くなるように形成されている（フィンピッチｔ２は平面部６の長さｔ１以下である）。溝部７は、高圧側から低圧側に向かって平面部６と交互に設けられ、基準線５からの距離ｄ’が基準線５から平面部６までの距離ｄよりも大きくなるように形成されている。上記のように平面部６の長さｔ１がフィン３のピッチｔ２以上であるため、フィン３の数は溝部７の２倍以上（溝部７の数はフィン３の半分以下）であり、壁面１，２の相対位置とは無関係に必ず平面部６に少なくとも１本のフィン３が対向するようになっている。   On the other hand, a flat surface portion 6 and a groove portion 7 are formed on the wall surface 2. The flat surface portion 6 is parallel to the reference line 5 and the gap dimension of the gap 8 with the reference line 5 is a fixed distance d, and the length t1 taken in the direction from the high pressure side to the low pressure side (pressure gradient direction) is a fin. 3 is formed to be equal to or longer than the pitch t2 of 3 (the fin pitch t2 is equal to or less than the length t1 of the plane portion 6). The groove portions 7 are alternately provided with the plane portions 6 from the high pressure side toward the low pressure side, and are formed such that the distance d ′ from the reference line 5 is larger than the distance d from the reference line 5 to the plane portion 6. Yes. As described above, since the length t1 of the plane portion 6 is equal to or greater than the pitch t2 of the fins 3, the number of fins 3 is twice or more that of the groove portions 7 (the number of groove portions 7 is equal to or less than half of the fins 3). , 2, at least one fin 3 always faces the flat portion 6 regardless of the relative position of the two.

図３は溝部７の拡大図である。
図２及び図３において、溝部７は、その高圧側の部分に、高圧側から低圧側に向かって基準線５からの距離ｄ’が徐々に大きくなるように形成した傾斜部７ｄを有している。本例において、この傾斜部７ｄは、フィン３を設けた壁面１に向かって凸形状をなしている。また、溝部７における低圧側の部分には、フィン３を設けた壁面１に向かって凹形状に形成された折り返し部７ｅが形成されている。折り返し部７ｅの低圧側には、ほぼ垂直（ロータ２６の半径方向）に立ち上がり、そのさらに低圧側に隣接する平面部６に接続する終端壁部７ｇが設けられている。 FIG. 3 is an enlarged view of the groove 7.
2 and 3, the groove portion 7 has an inclined portion 7d formed so that the distance d ′ from the reference line 5 gradually increases from the high pressure side to the low pressure side in the high pressure side portion. Yes. In this example, the inclined portion 7d has a convex shape toward the wall surface 1 on which the fins 3 are provided. Further, a folded portion 7e formed in a concave shape toward the wall surface 1 provided with the fins 3 is formed in the low pressure side portion of the groove portion 7. On the low pressure side of the folded portion 7e, a terminal wall portion 7g that rises substantially vertically (in the radial direction of the rotor 26) and is connected to the flat surface portion 6 adjacent to the low pressure side is provided.

溝部７における高圧側に形成した上記傾斜部７ｄは、平面部６に対して接合点７ｃで勾配が連続するように接合されている。低圧側の折り返し部７ｅは、傾斜部７ｄに対して変曲点７ｆで勾配が連続するように接合されている。折り返し部７ｅの曲率半径Ｒ２は傾斜部７ｄの曲率半径Ｒ１よりも小さく、溝部７と基準線５との距離ｄ’がこの折り返し部７ｅから低圧側に向かうにつれて小さくなり、その後終端壁部７ｇを介して一気に平面部６に到達する。   The inclined portion 7d formed on the high pressure side of the groove portion 7 is joined to the flat portion 6 so that the gradient is continuous at the joining point 7c. The folded portion 7e on the low pressure side is joined to the inclined portion 7d so that the gradient is continuous at the inflection point 7f. The radius of curvature R2 of the folded portion 7e is smaller than the radius of curvature R1 of the inclined portion 7d, and the distance d ′ between the groove portion 7 and the reference line 5 decreases from the folded portion 7e toward the low pressure side. The plane portion 6 is reached at once.

ここで、本発明の非接触シール構造との一比較例を図４に示した。この図において先の各図と同様の役割を果たす部分には同符号を付し説明を省略する。
図４に示した比較例では、フィン３の先端に対向する壁面２がフラットに形成されている。このシール構造の上流側圧力Ｐ０は下流側圧力ｐ１に比べて大きいため、圧力差によりフィン３と壁面２との間の間隙８に漏れ流れ９が生じる。そして、複数のフィンを設けることによって上流側圧力Ｐ０と下流側圧力ｐ１の圧力差を複数に分割し、間隙８を流れる漏れ流れ９の量が抑制される。 Here, a comparative example with the non-contact seal structure of the present invention is shown in FIG. In this figure, parts having the same functions as those in the previous figures are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
In the comparative example shown in FIG. 4, the wall surface 2 facing the tip of the fin 3 is formed flat. Since the upstream pressure P0 of this seal structure is larger than the downstream pressure p1, a leakage flow 9 occurs in the gap 8 between the fin 3 and the wall surface 2 due to the pressure difference. Then, by providing a plurality of fins, the pressure difference between the upstream pressure P0 and the downstream pressure p1 is divided into a plurality, and the amount of the leakage flow 9 flowing through the gap 8 is suppressed.

このようなシール構造では、１つのフィン３を通過した漏れ流れ９の運動エネルギーがその下流側のフィン３との間に形成される膨張室４で熱エネルギーに散逸されるので、フィン３の枚数に比例してシール効果が向上する。しかし、フィン３を通過した漏れ流れ９が膨張室４で完全に熱散逸されるためには、膨張室４を間隙８に対して十分大きくする必要がある。実際の製品においては限られた空間でフィン３のピッチｔ２を十分にとることができない場合が多い。その結果、運動エネルギーが熱散逸されなかった漏れ流れ９の次の膨張室４への流入を十分に抑制することができず、フィン３の枚数に応じた作動流体の漏洩防止効果が得られない場合があった。   In such a seal structure, the kinetic energy of the leakage flow 9 that has passed through one fin 3 is dissipated into thermal energy in the expansion chamber 4 formed between the fin 3 on the downstream side, and therefore the number of fins 3 The sealing effect is improved in proportion to However, in order for the leakage flow 9 that has passed through the fins 3 to be completely dissipated in the expansion chamber 4, it is necessary to make the expansion chamber 4 sufficiently large with respect to the gap 8. In an actual product, there are many cases where the pitch t2 of the fins 3 cannot be sufficiently obtained in a limited space. As a result, the leakage flow 9 in which the kinetic energy has not been dissipated can not be sufficiently suppressed from flowing into the next expansion chamber 4, and the working fluid leakage prevention effect corresponding to the number of fins 3 cannot be obtained. There was a case.

この問題に対し、図５の他の比較例に示すようにフィン３を設けた壁面１に向かって突き出す突起物１１を壁面２に設け、隣接する２枚のフィン３で形成された膨張室４中に突起物１１が突出するように構成すると、フィン３と壁面２との間の間隙８からの漏れ流れ９が突起物１１に衝突し、これにより漏れ流れ９の方向が変わり多くの渦構造が作り出され、膨張室４内での熱散逸が促進されるようになる。ところが、このような構造ではターボ機械の起動時や停止時等のような機械全体の温度変化がある場合、壁面１，２はその熱容量の違いから互いの相対位置が変化するため、寸法１３だけフィン３と高さ位置がオーバーラップした突起部１１がその前後いずれかに隣接するフィン３に干渉してしまい、回転機械の信頼性を著しく低下させる。   For this problem, as shown in another comparative example of FIG. 5, the protrusion 11 protruding toward the wall surface 1 provided with the fin 3 is provided on the wall surface 2, and the expansion chamber 4 formed by two adjacent fins 3. If the protrusion 11 protrudes inside, the leakage flow 9 from the gap 8 between the fin 3 and the wall surface 2 collides with the protrusion 11, thereby changing the direction of the leakage flow 9 and making many vortex structures. And heat dissipation in the expansion chamber 4 is promoted. However, in such a structure, when there is a change in the temperature of the entire machine, such as when the turbo machine is started or stopped, the relative positions of the wall surfaces 1 and 2 change due to the difference in heat capacity. The protrusion 11 whose height position overlaps with the fin 3 interferes with the fin 3 adjacent to either the front or rear thereof, and the reliability of the rotating machine is remarkably lowered.

それに対し、本実施形態の非接触シール構造は、機械の温度変化に伴う両壁面の熱膨張差に影響を受けることなく、対向する壁面間のシール効果を十分に発揮することができる。以下にその点に関し順次説明する。   On the other hand, the non-contact sealing structure of the present embodiment can sufficiently exhibit the sealing effect between the opposing wall surfaces without being affected by the difference in thermal expansion between both the wall surfaces accompanying the temperature change of the machine. This point will be described in turn below.

図６は本実施形態の非接触シール構造の流れ場の模式図である。
図６において、フィン３（フィン３ａ）と平面部６との間を通過した流れは、縮流しながら傾斜部７ｄによる壁面噴流のコアンダ効果にも助けられて溝部７に導かれ、折り返し部７ｅにガイドされてほぼ垂直方向（ローた２６の半径方向外側方向）に流れの向きを変え終端壁部７ｇに沿って溝部７から吹き出す。 FIG. 6 is a schematic diagram of the flow field of the non-contact seal structure of the present embodiment.
In FIG. 6, the flow that has passed between the fin 3 (fin 3a) and the flat surface portion 6 is guided to the groove portion 7 with the help of the Coanda effect of the wall surface jet flow by the inclined portion 7d while being contracted, and the folded portion 7e. The flow direction is changed in a substantially vertical direction (radially outward direction of the row 26) as a result of being guided, and blows out from the groove portion 7 along the end wall portion 7g.

溝部７から吹き出した流れは、次のフィン３（フィン３ｂ）と干渉して分断され、このフィン３ｂの前後に形成された膨張室４（膨張室４ａ，４ｂ）に積極的に導入される。膨張室４ａ，４ｂに入った流れはそれぞれ渦を形成し、膨張室４ａ，４ｂで流れの運動エネルギーが各々熱エネルギーに散逸される。このように溝部７から吹き出した流れが積極的に膨張室４に導入されるので、先の図４に示した比較例のシール構造に比べて、フィン３と壁面２との間を通過する流れの運動エネルギーを減少させることができる。   The flow blown out from the groove 7 is separated by interference with the next fin 3 (fin 3b), and is actively introduced into the expansion chambers 4 (expansion chambers 4a and 4b) formed before and after the fin 3b. The flows entering the expansion chambers 4a and 4b form vortices, and the kinetic energy of the flow is dissipated into thermal energy in the expansion chambers 4a and 4b. Since the flow blown out from the groove portion 7 is positively introduced into the expansion chamber 4 in this way, the flow passing between the fin 3 and the wall surface 2 as compared with the seal structure of the comparative example shown in FIG. The kinetic energy of can be reduced.

このとき、本実施形態ではフィン３のピッチｔ２が平面部６の長さｔ１以下であるため、壁面１，２の圧力勾配方向の相対位置が変化しても各平面部６には少なくとも１枚のフィン３が一定距離ｄの間隙を介して対向する。したがって、溝部７に導入される流れの流量を増大させることなく一定に保つことができ、常に図６に示したような流れ場を作り出すことができる。このように、本実施形態の非接触シール構造は、温度変化時の壁面１，２の熱容量の違い等による相対位置変化に影響されずに漏れ流量の低減効果を得ることができる。   At this time, since the pitch t2 of the fins 3 is equal to or less than the length t1 of the plane portion 6 in this embodiment, even if the relative position of the wall surfaces 1 and 2 in the pressure gradient direction changes, at least one sheet is provided for each plane portion 6. Fins 3 face each other through a gap of a fixed distance d. Accordingly, the flow rate of the flow introduced into the groove portion 7 can be kept constant without increasing, and a flow field as shown in FIG. 6 can always be created. Thus, the non-contact seal structure of this embodiment can obtain the effect of reducing the leakage flow rate without being affected by the relative position change due to the difference in the heat capacity of the wall surfaces 1 and 2 when the temperature changes.

仮に、図７に示したさらに他の比較例のようにフィン３のピッチｔ２が平面部６の長さｔ１よりも大きいとする。例えばフィン３のピッチｔ２が溝部７のピッチｔ３と等しい場合、平面部６にフィン３が対向するようであればフィン３と壁面２との距離が一定に保たれるが、フィン３のピッチｔ２は本実施形態よりも大きくなる。したがって、溝部７から吹き上げられた流れは分断されることなく大きな膨張室４に入って大きな渦を形成する。渦による運動エネルギーの熱散逸は渦の大きさが小さいほど効率的であるため、図７に示した構造は本実施形態に比して漏れ流れの運動エネルギーの熱散逸効果すなわち漏れ量低減効果が低下してしまう。   Suppose that the pitch t2 of the fins 3 is larger than the length t1 of the plane portion 6 as in still another comparative example shown in FIG. For example, if the pitch t2 of the fins 3 is equal to the pitch t3 of the groove parts 7, the distance between the fins 3 and the wall surface 2 can be kept constant if the fins 3 face the flat surface part 6, but the pitch t2 of the fins 3 Becomes larger than that of the present embodiment. Therefore, the flow blown up from the groove portion 7 enters the large expansion chamber 4 without being divided and forms a large vortex. Since the heat dissipation of the kinetic energy due to the vortex is more efficient as the size of the vortex is smaller, the structure shown in FIG. It will decline.

また、図８に示したさらに他の比較例のように、フィン３のピッチｔ２が溝部のピッチｔ３と等しく、かつ溝部７にフィン３が対向する場合、漏れ流量に直接的に影響するフィン３と壁面２との間隙寸法が基準線５から平面部６までの距離ｄよりも大きくなるために漏れ流量が増し、やはり本実施形態よりも漏れ流量低減効果が低下してしまう。   Further, as in still another comparative example shown in FIG. 8, when the pitch t2 of the fin 3 is equal to the pitch t3 of the groove and the fin 3 faces the groove 7, the fin 3 that directly affects the leakage flow rate. The gap between the wall surface 2 and the wall surface 2 is larger than the distance d from the reference line 5 to the flat surface portion 6, so that the leakage flow rate increases, and the effect of reducing the leakage flow rate is also lower than in this embodiment.

また、本実施形態によれば、溝部７から吹き出させた流れを積極的に膨張室４に導入し熱散逸効果を向上させるので、膨張室４の容積を小さくすることができる。したがって、非接触シール構造そのものをコンパクト化することもできる。   Moreover, according to this embodiment, since the flow blown out from the groove part 7 is positively introduced into the expansion chamber 4 to improve the heat dissipation effect, the volume of the expansion chamber 4 can be reduced. Therefore, the non-contact seal structure itself can be made compact.

さらに、仮に溝部７において傾斜部７ｄが終端壁部７ｇに直接接続する構造とした場合、傾斜部７ｄと終端壁部７ｇとの間で勾配が不連続となるので、その部位に応力集中が生じる。この点に関しても、本実施形態においては、傾斜部７ｄを折り返し部７ｅを介して終端壁部７ｇに接続し勾配を連続させることにより、溝部７への応力集中が抑制させる構造となっている。したがって、損傷が少なく信頼性の高い非接触シール構造を提供することができる。   Further, if the groove portion 7 has a structure in which the inclined portion 7d is directly connected to the end wall portion 7g, the gradient is discontinuous between the inclined portion 7d and the end wall portion 7g, and stress concentration occurs at that portion. . With respect to this point as well, in the present embodiment, the inclined portion 7d is connected to the end wall portion 7g via the turn-back portion 7e, and the gradient is made continuous so that the stress concentration in the groove portion 7 is suppressed. Therefore, it is possible to provide a non-contact sealing structure with little damage and high reliability.

図９は、本発明の非接触シール構造の第２実施形態の概略図である。
図９において、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、フィン３を根元３ｒから先端３ｔに向かって低圧側から高圧側に傾斜させたことである。その他の構成は第１実施形態と同様である。 FIG. 9 is a schematic view of a second embodiment of the non-contact sealing structure of the present invention.
In FIG. 9, this embodiment is different from the first embodiment described above in that the fin 3 is inclined from the low pressure side to the high pressure side from the root 3r toward the tip 3t. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

膨張室４のような広い空間から間隙８のような狭い流路に流れが絞られて漏れ流れ９のような噴流となるとき、間隙８の僅かに下流側でその噴流の流管幅が間隙８よりも小さい最小幅となる。これは広い空間から狭い空間に流れが絞られるとき、フィン３の上流側の面に沿って間隙８に向かう流れの速度成分が慣性効果によってフィン３の下流にまでフィン３に沿う（すなわち噴流幅を減少させる方向の速度成分が残る）ためである。これを漏れ流れの縮流効果と呼ぶ。漏れ流れの縮流効果は漏れ面積低減と同等の効果を持ち、大きいほど漏れ流量が小さくなる。   When the flow is narrowed from a wide space such as the expansion chamber 4 to a narrow flow path such as the gap 8 to become a jet flow such as the leakage flow 9, the flow tube width of the jet flow is slightly downstream of the gap 8. The minimum width is less than 8. This is because when the flow is narrowed from a wide space to a narrow space, the velocity component of the flow toward the gap 8 along the upstream surface of the fin 3 extends along the fin 3 to the downstream of the fin 3 due to the inertia effect (that is, the jet width). This is because the velocity component in the direction of decreasing the frequency remains). This is called the contraction effect of the leakage flow. The contraction effect of the leakage flow has the same effect as the leakage area reduction, and the larger the value, the smaller the leakage flow rate.

フィン３の先端３ｔを高圧側に傾けることにより、第１実施形態のようにフィン３をロータ半径方向に伸ばした場合よりもフィン３と平面部６の間隙８を流れる漏れ流れ９の縮流効果が大きくなる。この縮流効果が大きくなる理由は、フィン先端３ｔを高圧側に傾けたことにより、膨張室４から間隙８を流れる漏れ流れが一端高圧側に戻る形でフィン先端３ｔを回り込み、これにより噴流幅を減少させる方向の慣性力が強くなるためである。この噴流幅を減少させる慣性力は縮流効果と同時に溝部７に流れを引き込む効果を助長し、より多くの漏れ流れ９を膨張室４に吹き上げることで膨張室４での漏れ流れの運動エネルギーの熱散逸効果を向上させ漏れ流量を減少させる。よって、本実施形態によれば、より大きな漏れ流量低減効果を得ることができる。   By tilting the tip 3t of the fin 3 to the high pressure side, the contraction effect of the leakage flow 9 flowing through the gap 8 between the fin 3 and the flat surface portion 6 as compared with the case where the fin 3 is extended in the rotor radial direction as in the first embodiment. Becomes larger. The reason why the contraction effect is increased is that the fin tip 3t is tilted to the high pressure side, so that the leakage flow flowing through the gap 8 from the expansion chamber 4 wraps around the fin tip 3t so as to return to the high pressure side. This is because the inertial force in the direction of decreasing the is increased. The inertia force that reduces the jet width promotes the effect of drawing the flow into the groove portion 7 at the same time as the contraction effect, and the kinetic energy of the leakage flow in the expansion chamber 4 is increased by blowing more leakage flow 9 into the expansion chamber 4. Improve the heat dissipation effect and reduce the leakage flow rate. Therefore, according to the present embodiment, a greater leakage flow reduction effect can be obtained.

図１０は、本発明の非接触シール構造の第３実施形態の概略図である。
図１０において、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、溝部７の傾斜部７ｄを曲面でなく直線状の平面とし、折り返し部７ｅを省略した点である。その他の構成は第１実施形態と同様である。 FIG. 10 is a schematic view of a third embodiment of the non-contact sealing structure of the present invention.
In FIG. 10, this embodiment is different from the first embodiment described above in that the inclined portion 7 d of the groove portion 7 is not a curved surface but a linear plane, and the folded portion 7 e is omitted. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

このような構成としても、第１実施形態に比べて溝部７における平面部７ｄと終端壁部７ｇとの境界部に応力集中が発生し易くなるが、その他の点については第１実施形態と同様の効果を得ることができる。   Even with such a configuration, stress concentration is likely to occur at the boundary between the flat surface portion 7d and the end wall portion 7g in the groove portion 7 as compared with the first embodiment, but the other points are the same as in the first embodiment. The effect of can be obtained.

図１１は、本発明の非接触シール構造の第４実施形態の概略図である。
図１１において、本実施形態が、前述した第１実施形態と相違する点は、圧力勾配方向と垂直な方向（ロータ周方向）から見て溝部７を平面部６に対して矩形に窪ませた点である。前述した各実施形態においては、溝部７の高圧側部分を傾斜部７ｄとして基準線５との距離が徐々に大きくなるように構成したが、本実施形態においては、平面部６から溝部７にかけて急激に基準線５との距離が大きくなっている。その他の構成は第１実施形態と同様である。 FIG. 11 is a schematic view of a fourth embodiment of the non-contact sealing structure of the present invention.
In FIG. 11, this embodiment is different from the first embodiment described above in that the groove portion 7 is recessed in a rectangular shape with respect to the plane portion 6 when viewed from the direction perpendicular to the pressure gradient direction (rotor circumferential direction). Is a point. In each of the embodiments described above, the high-pressure side portion of the groove portion 7 is configured as the inclined portion 7d so that the distance from the reference line 5 is gradually increased. The distance from the reference line 5 is increased. Other configurations are the same as those of the first embodiment.

このような構成とすると、第１実施形態に比べて溝部７における平面部７ｄと終端壁部７ｇとの境界部に応力集中が発生し易くなり、溝部７に導入される壁面噴流のコアンダ効果が若干低下するが、その他の点については第１実施形態と同様の効果を得ることができる。   With such a configuration, stress concentration is likely to occur at the boundary between the flat surface portion 7d and the end wall portion 7g in the groove portion 7 as compared with the first embodiment, and the Coanda effect of the wall surface jet introduced into the groove portion 7 is increased. Although slightly reduced, the same effects as those of the first embodiment can be obtained in other respects.

なお、図１０又は図１１で説明した実施形態に、図９に示したように先端に向かって高圧側にフィン３を傾斜させる構成を組み合わせることが可能であることは言うまでもなく、これらの場合にもより高い漏れ流量低減効果を得ることができる。また、以上の実施形態においては、タービンの段落部において回転体及び静止体との間隙をシールする非接触シール構造を例にとって説明したが、この的用例に限らず、本発明はいかなる機械における非接触シール構造としても適用可能である。   Needless to say, the embodiment described in FIG. 10 or FIG. 11 can be combined with the configuration in which the fins 3 are inclined toward the high pressure side toward the tip as shown in FIG. Higher leakage flow rate reduction effect can be obtained. In the above embodiment, the non-contact seal structure that seals the gap between the rotating body and the stationary body at the stage of the turbine has been described as an example. However, the present invention is not limited to this specific example, and the present invention is not limited to any machine. It can also be applied as a contact seal structure.

本発明の非接触シール構造の適用対象の一例であるタービン段落の模式図である。It is a schematic diagram of the turbine stage which is an example of the application object of the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造の第１実施形態の概略図である。It is the schematic of 1st Embodiment of the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造の第１実施形態に備えられた溝部の拡大図である。It is an enlarged view of the groove part provided in 1st Embodiment of the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造との一比較例の概略図である。It is the schematic of one comparative example with the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造との他の比較例の概略図である。It is the schematic of the other comparative example with the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造の第１実施形態における流れ場の模式図である。It is a schematic diagram of the flow field in 1st Embodiment of the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造とのさらに他の比較例の概略図である。It is the schematic of another comparative example with the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造とのさらに他の比較例の概略図である。It is the schematic of another comparative example with the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造の第２実施形態の概略図である。It is the schematic of 2nd Embodiment of the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造の第３実施形態の概略図である。It is the schematic of 3rd Embodiment of the non-contact seal structure of this invention. 本発明の非接触シール構造の第４実施形態の概略図である。It is the schematic of 4th Embodiment of the non-contact seal structure of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１，２ 壁面
３ フィン
３ｔ 先端
５ 基準線
６ 平面部
７ 溝部
７ｄ 傾斜部
７ｅ 折り返し部
ｄ，ｄ’ 距離
Ｇ１，２ 間隙
ｔ１〜３ ピッチ 1, 2 Wall surface 3 Fin 3t Tip 5 Reference line 6 Plane portion 7 Groove portion 7d Inclined portion 7e Folded portion d, d 'Distance G1, Gap t1-3 Pitch

Claims (5)

間隙を介して対向する２つの壁面間の高圧側から低圧側への流体の漏洩を抑制する非接触シール構造において、
前記２つの壁面の一方に設けられ、対向する他の壁面に向かって伸びる複数のフィンと、
これら複数のフィンの先端を結ぶ基準線と平行で、かつ前記基準線から一定距離を有するとともに、高圧側から低圧側へ向かう方向の長さが前記複数のフィンのピッチと同じかそれよりも長くなるように前記他の壁面に形成した平面部と、
高圧側から低圧側に向かって前記平面部と交互に設けられ、前記基準線からの距離が前記平面部よりも大きくなるように前記他の壁面に形成した溝部とを備え、
前記溝部が、高圧側から低圧側に向かって前記基準線からの距離が徐々に大きくなるように形成した傾斜部と、前記傾斜部の低圧側の部分に設けた曲率を持つ折り返し部と、この折り返し部の低圧側からロータ半径方向に立ち上がる終端壁部とからなり、
前記傾斜部は前記平面部に対して勾配が連続するように接合していることを特徴とする非接触シール構造。 In the non-contact seal structure that suppresses the leakage of fluid from the high pressure side to the low pressure side between two wall surfaces facing each other through a gap,
A plurality of fins provided on one of the two wall surfaces and extending toward the opposite wall surface;
The plurality of fins are parallel to the reference line connecting the tips of the fins, have a certain distance from the reference line, and the length in the direction from the high pressure side to the low pressure side is equal to or longer than the pitch of the plurality of fins. A plane portion formed on the other wall surface,
Provided alternately with the planar portion from the high-pressure side toward the low-pressure side, and provided with a groove portion formed on the other wall surface such that the distance from the reference line is larger than the planar portion,
The groove portion is formed so that the distance from the reference line gradually increases from the high pressure side toward the low pressure side, and a folded portion having a curvature provided in a low pressure side portion of the inclined portion, It consists of a terminal wall that rises in the radial direction of the rotor from the low pressure side of the folded part,
The non-contact seal structure, wherein the inclined portion is joined to the flat portion so that the gradient is continuous. 請求項１に記載の非接触シール構造において、前記傾斜部は、直線的に形成された平面であることを特徴とする非接触シール構造。 2. The non-contact seal structure according to claim 1 , wherein the inclined portion is a plane formed linearly. 請求項１に記載の非接触シール構造において、前記傾斜部は、前記フィンを設けた壁面に向かって凸形状であることを特徴とする非接触シール構造。 The non-contact seal structure according to claim 1 , wherein the inclined portion has a convex shape toward a wall surface provided with the fin. 請求項３に記載の非接触シール構造において、前記溝部は、前記凸形状の傾斜部の低圧側に接続し、前記フィンを設けた壁面に向かって凹形状に形成された折り返し部を有することを特徴とする非接触シール構造。 The non-contact seal structure according to claim 3 , wherein the groove portion has a folded portion that is connected to a low pressure side of the convex inclined portion and is formed in a concave shape toward the wall surface on which the fin is provided. Characteristic non-contact seal structure. 請求項１に記載の非接触シール構造において、前記フィンは、先端に向かって低圧側から高圧側に傾斜していることを特徴とする非接触シール構造。 2. The non-contact seal structure according to claim 1 , wherein the fin is inclined from the low pressure side to the high pressure side toward the tip.
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