JP2006112491A - Shaft sealing mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の大型流体機械の回転軸に対しての軸シール機構に関し、特に、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構に関する。 The present invention relates to a shaft seal mechanism for a rotating shaft of a large fluid machine such as a gas turbine, a steam turbine, a compressor, a water turbine, a refrigerator, a pump, and the like, and in particular, is coaxial with the peripheral surface of the rotating shaft and the rotating shaft. The present invention relates to a shaft seal mechanism that suppresses leakage of working fluid from a high pressure side to a low pressure side in a gap with an inner peripheral surface of a stationary member that is stationary.
一般に、ガスタービンや蒸気タービン等の大型流体機械においては、圧縮空気や燃焼ガスや蒸気等の作動流体(以下、単に「ガス」と記すことがある)を本質的に流動させる主流路以外に、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材(例えば静翼の内周端を保持する環状部材)の内周面との間に環状の隙間が形成されるのは避けられない。その隙間に対して何ら工夫を施さなければ、その隙間を通じてガスが高圧側から低圧側へ向けて不用意に漏れ、結果として流体機械の効率が低下してしまう。従って、その隙間を通じたガスの漏れを最小限に抑えることは極めて重要であり、これを実現すべく、その隙間に軸シール機構が適用される。 In general, in a large fluid machine such as a gas turbine or a steam turbine, in addition to a main flow channel that essentially flows a working fluid such as compressed air, combustion gas, or steam (hereinafter sometimes simply referred to as “gas”), It is unavoidable that an annular gap is formed between the peripheral surface of the rotating shaft and the inner peripheral surface of a stationary member that is coaxial and stationary on the rotating shaft (for example, an annular member that holds the inner peripheral end of the stationary blade). Absent. If no measures are taken with respect to the gap, gas leaks inadvertently from the high-pressure side to the low-pressure side through the gap, resulting in a decrease in the efficiency of the fluid machine. Therefore, it is extremely important to minimize gas leakage through the gap, and in order to realize this, a shaft seal mechanism is applied to the gap.
軸シール機構としては、従来一般には、静止部材の内周面から複数のフィンが突出して成る非接触型のいわゆるラビリンスシールが幅広く用いられる。しかし、ラビリンスシールでは、回転過渡期の軸振動や熱過渡的な熱変形時にもフィン先端が回転軸の周面に接触しないように構成する必要があるため、回転軸の周面とフィン先端との隙間をある程度確保しなければならず、その結果、ガスの漏れを大きく抑えることができないという問題がある。 As the shaft seal mechanism, a non-contact type so-called labyrinth seal in which a plurality of fins protrude from the inner peripheral surface of a stationary member has been widely used. However, the labyrinth seal must be configured so that the tip of the fin does not come into contact with the peripheral surface of the rotating shaft even during axial vibration or thermal transient thermal deformation during the rotational transition period. As a result, there is a problem that gas leakage cannot be greatly suppressed.
一方近年では、ガスの漏れ量を格段に低減できる軸シール機構として、回転軸の軸方向に一定幅を有する平板状の薄板を回転軸の周方向に多重に配置した構造となるいわゆるリーフシールがある(例えば特許文献1参照)。以下、このリーフシールの詳細構成について、図10〜図17を参照しながら説明していく。なお、ここではリーフシールが適用される大型流体機械として、その代表格であるガスタービンを一例に挙げて説明する。 On the other hand, in recent years, as a shaft seal mechanism that can significantly reduce the amount of gas leakage, a so-called leaf seal having a structure in which flat thin plates having a certain width in the axial direction of the rotating shaft are arranged in the circumferential direction of the rotating shaft is provided. Yes (see, for example, Patent Document 1). Hereinafter, the detailed structure of the leaf seal will be described with reference to FIGS. Here, as a large-sized fluid machine to which a leaf seal is applied, a typical gas turbine will be described as an example.
図10に示すガスタービンGtは、多量の空気を内部に取り込んで圧縮する圧縮機1と、圧縮機1にて圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器2と、燃焼器2で発生した高温高圧の燃焼ガスが内部に導入されこの燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン3と、タービン3の回転エネルギーを直接受けてその一部を圧縮機1の動力として伝達する回転軸4と、を有している。
A gas turbine Gt shown in FIG. 10 includes a compressor 1 that takes in a large amount of air and compresses it, a combustor 2 that mixes fuel with the air compressed by the compressor 1 and burns, and a combustor 2. The generated high-temperature and high-pressure combustion gas is introduced into the turbine 3 that converts the thermal energy of the combustion gas into rotational energy, and the rotation that directly receives the rotational energy of the turbine 3 and transmits a part of it as power for the compressor 1. And a
タービン3では、回転軸4に軸方向で複数段設けられた複数の動翼10が、吹き付けられた燃焼ガスの圧力を受けることで回転軸4と共に回転する。こうして、燃焼ガスの熱エネルギーを回転軸4の回転という機械的な回転エネルギーに変換して動力が発生する。回転軸4に与えられた回転エネルギーは軸端から取り出されて発電に利用される。また、タービン3には、回転軸4側の動翼10の他に、タービン3のケーシング9側に複数の静翼11が設けられていて、これら動翼10と静翼11とが、回転軸4の軸方向に交互に配置される。そして、回転軸4と静翼11(実際には、静翼11の内周端を保持する環状の静止部材)との間には、その隙間を通じて高圧側から低圧側へ漏れる燃焼ガスの漏れ量を低減するための軸シール機構として、リーフシール20が設けられる。
In the turbine 3, a plurality of
また、圧縮機1は回転軸4にてタービン3と同軸につながれており、タービン3での回転軸4の回転を利用して、外気を吸引するとともに圧縮してこの圧縮空気を燃焼機2に供給する。圧縮機1でもタービン3と同様に、回転軸4に複数の動翼6と、圧縮機1のケーシング5側に複数の静翼7とが設けられており、動翼6と静翼7とが回転軸4の軸方向に交互に配置される。そして、回転軸4と静翼7(ここでも実際には、静翼7の内周端を保持する環状の静止部材)との間には、その隙間を通じて高圧側から低圧側に漏れる圧縮空気の漏れ量を低減するための軸シール機構として、リーフシール20が設けられる。
The compressor 1 is coaxially connected to the turbine 3 at the rotating
更に、圧縮機1のケーシング5が回転軸4を支持する軸受け部8や、タービン3のケーシング9が回転軸4を支持する軸受け部12においても、その隙間を通じて高圧側から低圧側に圧縮空気や燃焼ガスが漏れるのを防止するための軸シール機構として、リーフシール20が設けられる。
Further, in the
続いて図11及び図12に示すように、リーフシール20は、静翼7,11及び軸受け部8,12(図10参照)に相当する静止部材であるステータ60に挿入されて、回転軸4の周面とステータ60の内周面との隙間の環状空間におけるガスの漏れを防ぐための軸シール機構として設置される。このリーフシール20は、回転軸4の周方向に互いに微小隙間を隔てて多重に積み重ねられた複数の薄板21より成る環状の薄板群と(図13(a)参照)、この薄板群を薄板21の外周基端側において軸方向での両側から挟持する各々コの字型のリテーナ22,23と、薄板群における高圧側(ガス圧が高い側)に位置する一側と一方のリテーナ22とで挟み込まれて薄板群のその一側に接触する分割環状の高圧側側板24と、薄板群における低圧側(ガス圧が低い側)に位置する他側と他方のリテーナ23とで挟み込まれて薄板群のその他側に接触する分割環状の低圧側側板25と、リテーナ22,23同士を薄板21の外周側で接続する接続部材26と、リテーナ22,23で狭持された各薄板21のがたつきを抑制するスペーサ27と、リテーナ22,23で狭持された薄板群が回転軸4に対して一定位置となるように付勢力を与える板バネ28と、を備える。
Subsequently, as shown in FIGS. 11 and 12, the
薄板群の構成要素である各薄板21は、図12に示すように、外周側基端における回転軸4の軸方向での幅が内周端側の幅に比べて広い略T字型の薄い鋼板によって構成され、その両側には、その幅の段差部分において切欠き部21a,21bが設けられる。ここで、各薄板21は、圧延成形された厚さ0.1mm程度の鋼板(例えばステンレス、インコネル、ハステロイ等の金属鋼板)を素材とし、これをプレス等によって型抜きすることで先ずは一定厚さの所定形状(T字型)に成形される。そして、図14に示すように、この薄板21の外周側基端部をそのまま残しつつ内周端側の片面のみ(図14の網掛け部分21dに相当)をエッチングして取り除くことで、その厚みに段差が形成される。但し、こうしたT字型の輪郭形成と段差形成とをエッチングによって同時に成形することも可能である。
As shown in FIG. 12, each
このような薄板21を回転軸4の軸方向に同一の幅となるように重ねるとともに、図13(b)に示すように、その外周基端及び外周基端側となる幅広部分の側面に溶接Wdを施して固定し、これにより薄板群が形成される。また、各薄板21はエッチングされた内周端側の板厚tで決まる所定の剛性を回転軸4の周方向に持つように設計されるとともに、回転軸4の回転方向に対して回転軸4の周面となす角θが鋭角となるようにリテーナ22,23で保持される。なお、薄板群においては、各薄板21のエッチングにて取り除かれる部分21dの深さcが、薄板21同士の微小隙間となる。
Such
高圧側側板24及び低圧側側板25には、それぞれの外周縁部において、回転軸4の軸方向に突出する突起24a,25aが設けられており、この突起24a,25aは、薄板群の切欠き部21a,21bにそれぞれ嵌め込まれる。また、高圧側に位置するリテーナ22は、薄板群における外周基端側の高圧側である一側に対向する面に凹溝22aを備え、他方の低圧側に位置するリテーナ23は、薄板群における外周基端側の低圧側である他側に対向する面に凹溝23aを備える。そして、切欠き部21a,21bに高圧側側板24及び低圧側側板25それぞれの突起24a,25aが嵌め込まれた薄板群は、その外周基端側の高圧側である一側がリテーナ22の凹溝22aに嵌め込まれるとともに、その外周基端側の低圧側である他側がリテーナ23の凹溝23aに嵌め込まれる。
The high-
ここで、高圧側側板24は、その内径が回転軸の径よりも若干量大きく、低圧側側板25は、その内径が高圧側側板24の内径よりも所定量大きくなっている。従って、薄板群における各薄板21の内周端部は、高圧側である一側よりも低圧側である他側の方が軸方向での表出域がはるかに大きくなる。
Here, the inner diameter of the high-
薄板群の外周基端側が嵌め込まれたリテーナ22,23の間には、接続部材26が挿入されるとともに、この接続部材26がリテーナ22,23と溶接されることで、リテーナ22,23が固定される。薄板群の外周基端とリテーナ22,23との間には、両者の隙間を埋めるスペーサ27が挿入される。更に、スペーサ27が挿入されたリテーナ22,23の外周側には凹溝22b,23bが設けられていて、この凹溝22b,23bによって形成される1つの凹溝に板バネ28が嵌め込まれ、これにより板バネ28がリテーナ22,23の外周側に固定される。
A connecting
このような構成のリーフシール20は、図12に示すように、分割環状の取付け用ピース62と一体で、ステータ60側の内周壁面に周方向に沿って形成された環状の取付け用凹溝61に、リテーナ22,23側から周方向に沿って嵌め込まれる。ここで、凹溝61は、回転軸4の軸方向において、底となる外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、薄板群の高圧側である一側と対向する側面に段差が設けられた形状とし、この段差の外周側の面61aが、リーフシール20のリテーナ22の内周面と摺接する摺接面となる。更に、凹溝61の底である外周面61bが、リーフシール20の外周側に設けられる板バネ28と摺接する摺接面となる。また、凹溝61の内周側の幅は、回転軸4の軸方向の幅において、リーフシール20の幅よりも十分に広くなるように形成される。
As shown in FIG. 12, the
一方、取付け用ピース62は、回転軸4の軸方向において、図12に示すように、外周側の幅が内周側の幅よりも狭くなるように、薄板群の低圧側である他側と対向する側面に段差が設けられた形状とし、この段差の外周側の面62aが、リーフシール20のリテーナ23の内周面と摺接する摺接面となる。更に、この取付け用ピース62は、回転軸4の軸方向での幅の広い内周側の部分において、薄板群の低圧側である他側と対向する側面62bが、低圧側側板25と当接する受圧面となる。なお、この取付け用ピース62の内周面の一部を突出させた形状とすることで、ラビリンスシール62dを具備する。つまり、リーフシール20の下流側に取付け用ピース62が設置され、これにより、リーフシール20よりも下流において、ガスの漏れ量を更に低減させるラビリンスシール62dが設置されることとなる。
On the other hand, as shown in FIG. 12, in the axial direction of the
このように、リーフシール20は、取付け用ピース62と共に、ステータ60の凹溝61に対しその外周基端側で保持されることとなる。つまり、リテーナ22,23それぞれの内周面が、凹溝61の摺接面61a及び取付け用ピース62の摺接面62aと摺接するとともに、リテーナ22,23の外周側に固定された板バネ28が凹溝61の摺接面61bと摺接することで、リーフシール20がステータ60に対して嵌め込まれた状態で維持される。ちなみに、取付け用ピース62を用いてリーフシール20がステータ60の凹溝61に嵌め込まれるため、その組み付け作業を容易に行うことができる。
As described above, the
このとき、リーフシール20は、凹溝61内に対して、回転軸4の軸方向に若干の相対移動が可能である。そのため、高圧側領域から低圧側領域に向かってガスが流れるとき、そのガス圧がリーフシール20の各薄板21に作用するため、リーフシール20が低圧側領域に向かって移動し、後述するように、低圧側側板25が取付け用ピース62の受圧面62bと当接するようになる。
At this time, the
引き続き、このように構成されるリーフシール20の作用について説明する。図15(a)に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かうガス圧が各薄板21に加わった場合に、各薄板21に対して、内周端側で且つ最も高圧側領域に位置する角部r1で最もガス圧が高く、対角の角部r2に向かって徐々にガス圧が弱まるガス圧分布70aが形成される。なお、図12では各薄板21をT字型形状としているが、図11や図15では、便宜上、撓みを生じる長方形部分のみを図示している。
Next, the operation of the
また、図15(b)に示す回転軸4の周方向に沿った断面図のように、各薄板21の回転軸4に面した面を下面21qとするとともに、その裏側を上面21pとする。そして、各薄板21に対して高圧側領域から低圧側領域に向かうガス圧が加わって、図15(a)のようなガス圧分布70aが形成されるとき、各薄板21の断面に沿った任意位置における上面21pに加わるガス圧よりも下面21qに加わるガス圧の方が高くなるように、ガス圧が調整される。
Further, as shown in a cross-sectional view along the circumferential direction of the
このとき、高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるガスgは、高圧側側板24と回転軸4の周面との間から流入する。そして、ガスgは、図15(a)のように、回転軸4の周面と薄板21の内周端との間を流れるとともに、互いに隣接する各薄板21の上面21p及び下面21qとの隙間に沿って、角部r1から角部r2の方向へ放射状に流れる。このようにガスgが流れることで、各薄板21の外周基端に向かって低圧の領域が広がる。そのため、図15(b)に示すように、各薄板21の上面21p及び下面21qに垂直に加わるガス圧分布70b,70cは、各薄板21の内周端部分に近いほど大きくなるとともに各薄板21の外周基端に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
At this time, the gas g flowing from the high pressure side region toward the low pressure side region flows from between the high
この上面21p及び下面21qそれぞれにおけるガス圧力分布70b,70cは、略等しい形状となるが、回転軸4の周面に対する角度θが鋭角となるように各薄板21が配置されているので、これら上面21p及び下面21qにおける各ガス圧分布70b,70cの相対位置が薄板21に対してずれる。これにより、薄板21の外周基端側から内周端側に向かう任意の点Pにおける上面21p及び下面21qのガス圧に差が生じる。こうして、各薄板21において、下面21qに加わるガス圧が上面21pに加わるガス圧よりも高くなることから、回転軸4の周面と薄板21の内周端との間を流れるガスのガス圧が、各薄板21の内周端を回転軸4より浮かせる方向に発生する。
The
このように、各薄板21の上面21p及び下面21q間に圧力差を生じさせることで、各薄板21の内周端が回転軸4の周面より浮くように変形する。つまり、回転軸4の回転停止時には薄板21の内周端は所定の予圧で回転軸4の周面に接触しているが(図13(a)参照)、回転軸4の回転時には回転軸4が回転することで生じる動圧効果によって薄板21の内周端が浮上するため、薄板21と回転軸4の周面が非接触状態となる(図13(c)参照)。こうして、リーフシール20は、回転軸4の周囲の空間を高圧側領域と低圧側領域とに分け、回転軸4の外周をシールする。
In this way, by generating a pressure difference between the
その際、このようにガスgが高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるため、薄板群に対して、図16(a)に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かって流体力Fが作用する。この流体力Fを薄板群が受けることで、リーフシール20が高圧側領域から低圧側領域に向かって移動する。そして、図16(b)に示すように、低圧側側板25が取付け用ピース62の受圧面62bに当接することで、リーフシール20の位置が規制され、このとき、薄板群における低圧側である他側と取付け用ピース62の受圧面62bとの距離が、低圧側側板25の厚さと等しくなる。
At this time, since the gas g flows from the high pressure side region to the low pressure side region in this way, the fluid force is applied to the thin plate group from the high pressure side region to the low pressure side region as shown in FIG. F acts. When the thin plate group receives the fluid force F, the
これは、低圧側側板25の内径が薄板群の内径よりも大きいため、薄板群における各薄板21の内周端側において、低圧側側板25と当接しない表出域が存在することになるからであり、その結果として、薄板群における各薄板21の内周端側において、低圧側である他側と取付け用ピース62の受圧面62bとの間に、低圧側側板25の厚さと等しい隙間を確保できるわけである。一方、高圧側側板24の内径が低圧側側板25の内径よりも小さいことから、結果として、薄板群における各薄板21の内周端側において、高圧側での表出域が低圧側での表出域よりも小さくなる。
This is because, since the inner diameter of the low-
従って、図15(a)のように、高圧側側板24の内周面と回転軸4の周面との隙間を通じて各薄板21(薄板群)へ流入したガスgは、各薄板21の上面21p及び下面21qに沿って対角に向かって広く流れるとともに、薄板21の外周基端側に低圧の領域が広がって、各薄板21の内周端を回転軸4の周面から浮上させ、低圧側側板25の内周面と回転軸4の周面との隙間を通じて流出する。このように、高圧側側板24及び低圧側側板25は、各薄板21の内周端を有効に浮上させるべく、各薄板21へのガスの流入量やガス圧を調整するというリーフシール20にとって重要な機能を果たす。
Accordingly, as shown in FIG. 15A, the gas g flowing into each thin plate 21 (thin plate group) through the gap between the inner peripheral surface of the high-
なお、上記のリーフシール20では、各薄板21をT字型形状としているが、単なる長方形状としても構わない。また、薄板群とリテーナ22,23との間にスペーサ27がないものとしても構わないし、リテーナ22,23と接続部材26とがボルトで固定されるものとしても構わないし、板バネ28がないものとしても構わない。
In the
また、リーフシール20を大型流体機械に組み付ける場合、環状の状態のまま回転軸4に軸方向に沿って挿入して取り付けることは困難であることから、回転軸4の周面に沿って環状に構成されるリーフシール20は、実際には、図17に示すように、その周方向に4〜8分割された複数の分割体より構成される。このとき、分割体個々の端面が回転軸4の回転方向に対して回転軸4の周面となす角度は、各薄板21が回転軸4の周面となす角度と等しい角度となる。
ところで、上記したリーフシール20では、ここへのガスの流入量を各薄板21の内周端を浮上させることが可能な程度に抑えるべく、高圧側側板24の内径は、回転軸4の径よりも若干量大きい程度になっている。一方、流体機械の運転条件によっては回転軸4に軸振動が生じることがあり、特に大型流体機械の場合はその軸振動に伴う回転軸4のステータ60(リーフシール20)に対する偏芯が著しい。また、高温の作動流体を取り扱う大型流体機械(例えばガスタービンや蒸気タービン)では、熱影響によって機械のケーシング全体が鉛直方向へ湾曲し、これにより、回転軸4に対してステータ60(リーフシール20)全体が鉛直方向上方へ偏芯することがある。
By the way, in the above-described
そのため、回転軸4の相対的な偏芯量が過大になった場合、回転軸4の周面と高圧側側板24の内周とが不用意に接触し、高圧側側板24そのものが変形したり割れたりして破損してしまうおそれがある。高圧側側板24の破損が生じると、薄板群へガスが過剰に流入することから、各薄板21の浮上作用が失われ、その結果、各薄板21の内周端と回転軸4の周面とが常時接触状態におかれて磨耗してしまい、ガスの漏れが増大する状況を招く。
Therefore, when the relative eccentric amount of the
そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、回転軸の相対的な偏芯が過大に生じても、ガスの漏れ量を抑えることができるリーフシールを採用した軸シール機構を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and a shaft seal mechanism that employs a leaf seal that can suppress the amount of gas leakage even if the relative eccentricity of the rotating shaft occurs excessively. It is intended to provide.
上記目的を達成するため、本発明による軸シール機構は、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構であって、前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して取り付けた軸シール機構において、以下の点を特徴とする。 In order to achieve the above object, the shaft seal mechanism according to the present invention provides a working fluid from a high pressure side to a low pressure side in a gap between a peripheral surface of a rotating shaft and an inner peripheral surface of a stationary member that is coaxial and stationary on the rotating shaft. A shaft seal mechanism that suppresses leakage of the rotary shaft, and has a certain width in the axial direction of the rotary shaft, and each of them has an acute angle with respect to the peripheral surface of the rotary shaft with a small gap therebetween in the circumferential direction of the rotary shaft. An annular thin plate group consisting of a plurality of flexible thin plates whose inner peripheral ends are in contact with the peripheral surface of the rotating shaft when rotation is stopped, and both sides of the thin plate group in the axial direction. An annular high-pressure side plate that has an inner diameter that is a predetermined amount larger than the diameter of the rotary shaft, and that is located on the low-pressure side of both sides in the axial direction of the thin plate group. A predetermined amount larger than the inner diameter of the high-pressure side plate. A shaft seal member comprising: an annular low-pressure side plate having a diameter; an annular holding member that integrally holds the thin plate group, the high-pressure side plate, and the low-pressure side plate at their outer peripheral portions; The shaft seal mechanism attached to the above is characterized by the following points.
第1の特徴点としては、前記高圧側側板は前記薄板群に近いほど各々の内径が大きい複数の環状板が積み重ねられて成り、これらの各環状板のうちで前記薄板群に最も近い環状板以外の環状板は、その内周縁部から前記薄板群へ向けて突出して前記薄板群の前記一側に当接する突条を有する。このようにすれば、回転軸の相対的な偏芯が過大に生じた場合、回転軸の周面に対する高圧側側板の内周の接触は、事実上、薄板群から離れている環状板すなわち高圧側に位置する環状板でなされるため、高圧側側板の破損はその高圧側の環状板に止められる。従って、高圧側の環状板が損傷してその機能を失ったとしても、低圧側の環状板すなわち薄板群に近い環状板によって高圧側側板の機能を補えることになり、ガスの漏れ量を抑えることが可能になる。 As a first feature point, the high-pressure side plate is formed by stacking a plurality of annular plates each having a larger inner diameter as the plate is closer to the thin plate group, and among these annular plates, the annular plate closest to the thin plate group. The other annular plate has a protrusion that protrudes from the inner peripheral edge thereof toward the thin plate group and contacts the one side of the thin plate group. In this way, when the relative eccentricity of the rotating shaft occurs excessively, the contact of the inner periphery of the high-pressure side plate with the peripheral surface of the rotating shaft is effectively an annular plate that is separated from the thin plate group, that is, the high-pressure plate. Since it is made of an annular plate located on the side, damage to the high-pressure side plate is stopped by the high-pressure side annular plate. Therefore, even if the high-pressure side annular plate is damaged and loses its function, the low-pressure side annular plate, that is, the annular plate close to the thin plate group, can supplement the function of the high-pressure side plate and suppress the amount of gas leakage. Is possible.
ここで、突条が環状板と別体に成形されたものであって、両者が溶接等で組み付けられて成る場合は、部品点数の増加や組立作業効率の悪化を伴うため、これを防止する観点から、前記突条とこれを有する前記環状板とが一体成形品であることが好ましい。 Here, when the ridge is formed separately from the annular plate and both are assembled by welding or the like, this is accompanied by an increase in the number of parts and a deterioration in the assembly work efficiency. From the viewpoint, it is preferable that the protrusion and the annular plate having the protrusion are integrally formed products.
第2の特徴点としては、前記高圧側側板における鉛直方向での下半分の内周が鉛直方向下方へ偏芯されている。このようにすれば、回転軸に対して軸シール部材を含む静止部材全体が鉛直方向上方へ偏芯することにより、回転軸の相対的な偏芯が過大に生じた場合であっても、互いに接近する状況下にある高圧側側板の下半分の内周と回転軸の周面とが接触することはない。従って、高圧側側板の破損を回避できるため、高圧側側板の機能を維持できることになり、ガスの漏れ量を抑えることが可能になる。 As a second feature point, the inner circumference of the lower half in the vertical direction of the high-pressure side plate is eccentric downward in the vertical direction. In this way, even when the relative eccentricity of the rotating shaft occurs excessively due to the entire stationary member including the shaft seal member being eccentric in the vertical direction with respect to the rotating shaft, The inner periphery of the lower half of the high-pressure side plate under the approaching condition does not contact the peripheral surface of the rotating shaft. Therefore, since the breakage of the high-pressure side plate can be avoided, the function of the high-pressure side plate can be maintained, and the amount of gas leakage can be suppressed.
本発明の軸シール機構によれば、回転軸の相対的な偏芯が過大に生じても、高圧側側板としての機能を維持できることから、その結果として、ガスの漏れ量を抑えることができる。 According to the shaft seal mechanism of the present invention, the function as the high-pressure side plate can be maintained even if relative eccentricity of the rotating shaft occurs excessively, and as a result, the amount of gas leakage can be suppressed.
以下に、本発明の実施形態であるリーフシールを採用した軸シール機構について、図面を参照しながら詳述する。先ず、本発明の第1実施形態について説明する。図1は第1実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図、図2はそのリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。なお、図中で図10〜図17と同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略するとともに、本発明の特徴点である高圧側側板について特筆する。後述する第2〜第5実施形態においても同様とする。 Hereinafter, a shaft seal mechanism employing a leaf seal as an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the axial direction of a rotary shaft showing the main part of a large-sized fluid machine having a leaf seal of the first embodiment, and FIG. 2 is a perspective view of a high-pressure side plate that is a component of the leaf seal. . In the figure, parts having the same names and functions as in FIGS. 10 to 17 are denoted by the same reference numerals, and repeated description is omitted as appropriate, and the high-pressure side plate, which is a feature of the present invention, is noted. . The same applies to the second to fifth embodiments described later.
図1及び図2に示すように、高圧側側板24は、2枚の環状板31、32が回転軸4の軸方向へ積み重ねられて成る。環状板31(以下、説明の便宜上「第1の環状板」と記すことがある)は薄板群に近い側に配置されるものであって、薄板群における各薄板21の高圧側である一側に当接する。環状板32(以下、説明の便宜上「第2の環状板」と記すことがある)は薄板群から離れた側に配置されるものである。なお、第1の環状板31、第2の環状板32は、大型流体機械への組付け性から、実際には、従来一般のリーフシール20での高圧側側板24の構成と同様に、周方向に複数に分割されたものである。
As shown in FIGS. 1 and 2, the high-
ここで、第1の環状板31と第2の環状板32は外径が等しく、互いに積み重ねられた状態で第1の環状板31の外周縁部には、回転軸4の軸方向に突出する突起35が設けられている。本実施形態では、その突起35は、スポット溶接等(溶接部を図1及び図2中に符号「W1」で示す)によって、第1の環状板31に対してのみならず第2の環状板32に対しても固定され、これにより3者は一体化される。そして突起35は、従来一般の高圧側側板24における突起24a(図12参照)に相当するものであって、第1の環状板31及び第2の環状板32より成る高圧側側板24を薄板群に組み付ける際、薄板群における各薄板21の切欠き部21aに嵌め込まれる。薄板群の切欠き部21aに突起35が嵌め込まれた第1の環状板31及び第2の環状板32は、リテーナ22によって保持される。
Here, the first
また、第2の環状板32の内径は、従来一般の高圧側側板24の内径と同じに設定されており、第1の環状板31の内径は、第2の環状板32の内径よりも所定量(例えば片側1mm程度)大きく設定されている。そして第2の環状板32の内周縁部には、回転軸4の軸方向であって薄板群へ向けて突出する突条38が設けられている。この突条38は、第2の環状板32の内径と同じ内径で、第1の環状板31の内径よりも僅かに小さい外径を有しつつ、第1の環状板31と同じ厚さを有しており、薄板群における各薄板21の高圧側である一側に当接する。本実施形態では、その突条38は、第2の環状板32とは別体に成形されたものであって、スポット溶接等(溶接部を図1及び図2中に符号「W2」で示す)によって、第2の環状板32に対して固定され、これにより両者は一体化される。
Further, the inner diameter of the second
このような構成の高圧側側板24を備えたリーフシール20にすると、回転軸4の相対的な偏芯が過大に生じた場合、回転軸4の周面に対する高圧側側板24の内周の接触は、事実上、薄板群から離れている第2の環状板32でなされるため、高圧側側板24の破損は第2の環状板32に止められ、第1の環状板31は無傷にできる。従って、第2の環状板32が損傷してその機能を失ったとしても、第1の環状板31によって高圧側側板24の機能を補えることになり、その機能を維持できることから、その結果として、ガスの漏れ量を抑えることが可能になる。
When the
もっとも、第2の環状板32が破損に至らない正規の状態では、この第2の環状板32が有する突条38により、薄板群の各薄板21の内周端側における高圧側である一側での表出域を従来一般の高圧側側板24での表出域と同じにできるため、高圧側側板24の機能に遜色はない。
However, in a normal state in which the second
次に、本発明の第2実施形態について、図3及び図4を参照しながら説明する。図3は第2実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図、図4はそのリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。本第2実施形態の特徴は、第1実施形態における第2の環状板32の構成を変形した点にある。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a sectional view along the axial direction of the rotary shaft showing the main part of a large-sized fluid machine having a leaf seal of the second embodiment, and FIG. 4 is a perspective view of a high-pressure side plate that is a component of the leaf seal. . The feature of the second embodiment is that the configuration of the second
つまり本実施形態では、図3及び図4に示すように、第2の環状板32が有する突条38は、第2の環状板32と一体成形品になっている。このような第2の環状板32を製作するにあたっては、その素材として、外径及び内径が第1実施形態での第2の環状板32と等しく、突条38を含む一定厚さを有する環状板を準備し、この素材の片面について、突条38となる内周縁部をそのまま残しつつ第1の環状板31の厚さと同じ深さまでエッチングして取り除く。これにより、突条38とこれを有する第2の環状板32とが一体成形品として得られる。
That is, in this embodiment, as shown in FIG. 3 and FIG. 4, the
このような構成によれば、第1実施形態での第2の環状板32の場合は、突条38が第2の環状板32と別体に成形されたものであって、両者が溶接等で組み付けられて成るため、部品点数の増加や組立作業効率の悪化を伴うが、本第2実施形態での第2の環状板32の場合は、部品点数の増加も溶接等による組立作業効率の悪化もない。
According to such a configuration, in the case of the second
次に、本発明の第3実施形態について、図5及び図6を参照しながら説明する。図5は第3実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図、図6はそのリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。本第3実施形態の特徴は、第1、第2実施形態を更に変形して、高圧側側板24としての機能をより確実に確保できるよう図った点にある。第1、第2実施形態の高圧側側板24では、第1の環状板31と第2の環状板32とが1つの突起35を含めて一体化されているため、第2の環状板32の内周と回転軸4の周面との接触に伴う第2の環状板32の破損の際、第1の環状板32にまで不必要な外力を与えてしまうおそれがある。なお、図5及び図6では、第2実施形態の変形例として図示している。
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a sectional view along the axial direction of the rotary shaft showing the main part of a large-sized fluid machine having a leaf seal of the third embodiment, and FIG. 6 is a perspective view of a high-pressure side plate that is a component of the leaf seal. . The feature of the third embodiment is that the first and second embodiments are further modified to ensure the function as the high-
本実施形態では、図5及び図6に示すように、第1の環状板31の外径が第2の環状板32の外径よりも所定量小さく、第1の環状板31の外周縁部には、回転軸4の軸方向に突出する第1の突起36が設けられ、他方の第2の環状板32の外周縁部には、同じく回転軸4の軸方向に突出する第2の突起37が設けられている。第1の突起36は、スポット溶接等(溶接部を図5及び図6中に符号「W3」で示す)によって、第1の環状板31に対して固定され、これにより両者は一体化される。同様に第2の突起37は、スポット溶接等(溶接部を図5及び図6中に符号「W4」で示す)によって、第2の環状板32に対して固定され、これにより両者は一体化される。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, the outer diameter of the first
そして、第1の環状板31と第2の環状板32とが互いに積み重ねられ、この状態で第1の突起36と第2の突起37とが1つの突起となり、この第1の突起36及び第2の突起37は、薄板群における各薄板21の切欠き部21aに嵌め込まれる。薄板群の切欠き部21aに第1の突起36及び第2の突起37が嵌め込まれた第1の環状板31及び第2の環状板32は、リテーナ22によって保持される。
Then, the first
このような構成によれば、第1の環状板31と第2の環状板32とが事実上一体化されているわけではないため、第2の環状板32の内周と回転軸4の周面との接触に伴う第2の環状板32の破損の際にも、第1の環状板32に不必要な外力は付与されない。従って、残された第1の環状板32をもってして高圧側側板24としての機能をより確実に確保できる。しかも、第2の環状板32が破損した場合、その交換が簡単であるし、また、第2の環状板32のみの交換で済むことから経済性に優れる。
According to such a configuration, since the first
次に、本発明の第4実施形態について、図7及び図8を参照しながら説明する。図7は第4実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図、図8はそのリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。本第4実施形態の特徴は、第1〜第3実施形態を更に変形して、高圧側側板24としての機能をより機動的に確保できるよう図った点にある。第1〜第3実施形態での高圧側側板24は、第1の環状板31と第2の環状板32という2枚の環状板より成るため、回転軸4の相対的な偏芯が予定以上に過大に生じた場合、第1の環状板31の内周まで回転軸4の周面と接触する事態が想定されるからである。ちなみに、第1の環状板31の内径を第2の環状板32の内径よりも格段に大きく設定すれば、第1の環状板31の内周と回転軸4の周面との接触を回避できるが、この場合、第2の環状板32が破損した際、直ちに、薄板群の各薄板21の内周端側における高圧側である一側での表出域が過剰に大きくなり、その結果高圧側側板24としての機能が著しく低下するため、決して得策とは言えない。なお、図7及び図8では、第2実施形態の変形例として図示している。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a sectional view along the axial direction of the rotary shaft showing the main part of a large-sized fluid machine equipped with a leaf seal of the fourth embodiment, and FIG. 8 is a perspective view of a high-pressure side plate that is a component of the leaf seal. . The feature of the fourth embodiment is that the first to third embodiments are further modified so that the function as the high-
本実施形態では、図7及び図8に示すように、第1の環状板31と第2の環状板32の間に第3の環状板33が挟み込まれている。つまり、高圧側側板24は、薄板群に向けて順に、第2の環状板32、第3の環状板33、及び第1の環状板31という3枚の環状板が積み重ねられて成る。ここで、第3の環状板33の内径は、第2の環状板32の内径よりも所定量(例えば片側1mm程度)大きく設定され、第1の環状板31の内径は、第3の環状板33の内径よりも更に所定量(例えば片側1mm程度)大きく設定されている。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 7 and 8, a third
また、第3の環状板33は、第2の環状板32に準じた構成となっていて、その内周縁部には、回転軸4の軸方向であって薄板群へ向けて突出する突条39が設けられている。この突条39は、第3の環状板33の内径と同じ内径で、第1の環状板31の内径よりも僅かに小さい外径を有しつつ、第1の環状板31と同じ厚さを有しており、薄板群における各薄板21の高圧側である一側に当接する。なお、ここでの第2の環状板32の突条38は、第2の環状板32の内径と同じ内径で、第3の環状板33の内径よりも僅かに小さい外径を有しつつ、第3の環状板33における突条37を含む厚さを有しており、薄板群における各薄板21の高圧側である一側に当接する。
Further, the third
このような構成の高圧側側板24では、回転軸4の相対的な偏芯が過大に生じた場合、回転軸4の周面に対する高圧側側板24の内周の接触は、事実上、薄板群から最も離れている第2の環状板32で先ずはなされ、更に過大な偏芯が生じた場合は、次に控えている第3の環状板33でなされる。そのため、高圧側側板24の破損は、第2の環状板32、更には第3の環状板33に段階的に止められる。従って、第2の環状板32が損傷してその機能を失ったとしても、次の第3の環状板33によって高圧側側板24の機能を補え、更に第3の環状板33が損傷してその機能を失ったとしても、次の第1の環状板31によって高圧側側板24の機能を補えることになり、その機能を機動的に維持できる。
In the high-
なお、本実施形態では、高圧側側板24が3枚の環状板が積み重ねられて成るが、更に枚数(第3の環状板33の枚数)を増すことも可能である。但し、環状板の枚数を増した場合、薄板群に近い環状板ほどその内径が大きくなるため、高圧側側板24としての機能の若干の低下は否めないが、環状板が有する突条により、薄板群の各薄板の内周端側における高圧側である一側での表出域を最大限に狭めることができるため、その機能低下を著しく抑えることができる。
In the present embodiment, the high-
次に、本発明の第5実施形態について、図9を参照しながら説明する。図9は本発明の第5実施形態のリーフシールを環状に配置した状態を示す平面図である。 Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a plan view showing a state in which the leaf seals of the fifth embodiment of the present invention are arranged in an annular shape.
本第5実施形態では、図9に示すように、高圧側側板24の内周について、鉛直方向での下半分が鉛直方向下方へ偏芯(オフセット)されている。その偏芯量dは、その高圧側側板24を備えたリーフシール20が流体機械の軸シール機構として設置される場所によって適宜設定される。
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 9, the lower half of the inner periphery of the high-
このような構成にすると、回転軸4に対してリーフシール20を含むステータ60全体が鉛直方向上方へ偏芯することにより、回転軸4の相対的な偏芯が過大に生じた場合であっても、互いに接近する状況下にある高圧側側板24の下半分の内周と回転軸4の周面とが接触することはない。従って、高圧側側板24の破損を回避できるため、高圧側側板24の機能を維持できることになり、ガスの漏れ量を抑えることが可能になる。これは、高温の作動流体を取り扱う大型流体機械(例えばガスタービンや蒸気タービン)に有効である。
With such a configuration, when the
但し、本実施形態では高圧側側板24の内周の下半分のみを偏芯させているが、これと併せて、上半分を鉛直方向上方へすなわち下半分の偏芯方向とは逆方向へ偏芯させることも有効である。大型流体機械においては、起動の際や停止に至る際にその運転条件によってはケーシング全体の変形方向や変形量が不安定になる場合があり、この場合でも、高圧側側板24の上半分の内周と回転軸4の周面との接触を防止できるからである。
However, in this embodiment, only the lower half of the inner periphery of the high-
なお、本実施形態の構成は、上記の第1〜第4実施形態にも適用が可能である。 Note that the configuration of the present embodiment can also be applied to the first to fourth embodiments.
その他本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、図10に示すガスタービンにリーフシールを採用しているものを例示しているが、それに限定されるものではなく、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の大型流体機械のように、軸の回転と作動流体の流動の関係でエネルギーを仕事に変換するものに広く採用することができる。また、回転軸の周面に沿った軸方向での作動流体の流動を抑えるためにも用いることができる。 In addition, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, although the thing which employ | adopted the leaf seal is illustrated in the gas turbine shown in FIG. 10, it is not limited to it, Large-sized fluid machinery, such as a steam turbine, a compressor, a water turbine, a refrigerator, a pump, is shown. As described above, it can be widely applied to those that convert energy into work due to the relationship between the rotation of the shaft and the flow of the working fluid. It can also be used to suppress the flow of the working fluid in the axial direction along the peripheral surface of the rotating shaft.
本発明は、大型流体機械の回転軸に対しての軸シール機構として有用である。 The present invention is useful as a shaft seal mechanism for a rotating shaft of a large fluid machine.
4 回転軸
20 リーフシール
21 薄板
22,23 リテーナ
24 高圧側側板
25 低圧側側板
26 接続部材
27 スペーサ
28 板バネ
31,32,33 環状板
35,36,37 突起
38,39 突条
60 ステータ
61 取付け用凹溝
62 取付け用ピース
4 Rotating
Claims (3)
前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して取り付けた軸シール機構において、
前記高圧側側板は前記薄板群に近いほど各々の内径が大きい複数の環状板が積み重ねられて成り、これらの各環状板のうちで前記薄板群に最も近い環状板以外の環状板は、その内周縁部から前記薄板群へ向けて突出して前記薄板群の前記一側に当接する突条を有することを特徴とする軸シール機構。 A shaft seal mechanism that suppresses leakage of working fluid from the high pressure side to the low pressure side in the gap between the peripheral surface of the rotating shaft and the inner peripheral surface of a stationary member that is coaxial and stationary with respect to the rotating shaft,
Each inner peripheral end rotates while having a certain width in the axial direction of the rotating shaft and being stacked at an acute angle with respect to the peripheral surface of the rotating shaft, with each having a small gap in the circumferential direction of the rotating shaft. An annular thin plate group consisting of a large number of flexible thin plates that come into contact with the peripheral surface of the rotating shaft when stopped, and one side located on the high pressure side of both sides of the thin plate group in the axial direction. An annular high-pressure side plate having an inner diameter larger than the diameter of the rotary shaft by contact with the other side located on the low-pressure side of both sides of the thin plate group in the axial direction, and the inner diameter of the high-pressure side plate A shaft seal member comprising: an annular low-pressure side plate having an inner diameter larger than the predetermined amount; an annular holding member that integrally holds the thin plate group, the high-pressure side plate, and the low-pressure side plate at their outer peripheral portions. A shaft sealing machine attached to the stationary member In,
The high-pressure side plate is formed by stacking a plurality of annular plates each having a larger inner diameter as it is closer to the thin plate group. Among these annular plates, the annular plates other than the annular plate closest to the thin plate group are included therein. A shaft seal mechanism comprising a protrusion protruding from a peripheral edge toward the thin plate group and abutting against the one side of the thin plate group.
前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して取り付けた軸シール機構において、
前記高圧側側板における鉛直方向での下半分の内周が鉛直方向下方へ偏芯されたことを特徴とする軸シール機構。 A shaft seal mechanism that suppresses leakage of working fluid from the high pressure side to the low pressure side in the gap between the peripheral surface of the rotating shaft and the inner peripheral surface of a stationary member that is coaxial and stationary with respect to the rotating shaft,
Each inner peripheral end rotates while having a certain width in the axial direction of the rotating shaft and being stacked at an acute angle with respect to the peripheral surface of the rotating shaft, with each having a small gap in the circumferential direction of the rotating shaft. An annular thin plate group consisting of a large number of flexible thin plates that come into contact with the peripheral surface of the rotating shaft when stopped, and one side located on the high pressure side of both sides of the thin plate group in the axial direction. An annular high-pressure side plate having an inner diameter larger than the diameter of the rotary shaft by contact with the other side located on the low-pressure side of both sides of the thin plate group in the axial direction, and the inner diameter of the high-pressure side plate A shaft seal member comprising: an annular low-pressure side plate having an inner diameter larger than the predetermined amount; an annular holding member that integrally holds the thin plate group, the high-pressure side plate, and the low-pressure side plate at their outer peripheral portions. A shaft sealing machine attached to the stationary member In,
A shaft seal mechanism, wherein an inner periphery of a lower half in the vertical direction of the high-pressure side plate is eccentric downward in the vertical direction.
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