JP2007016704A - 回転軸のシール構造及びこれを有する回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品交換の手間の増大やラビリンスシール部の長大化を招くことなく、ラビリンスシールの先端に発生する摩擦熱が回転軸の形状に与える影響を軽減できる構造を提供する。
【解決手段】 回転軸１はケーシング２の中を通る。回転軸１の外面にはラビリンスシール部材３が取り付けられる。ラビリンスシール部材３は多数のシールフィン３ａを有し、シールフィン３ａの先端はそれぞれ所定の間隔を隔ててケーシング２の内面に対峙している。ラビリンスシール部材３と回転軸１の間に断熱層４を設ける。断熱層４は、例えば回転軸１の表面にセラミックコーティングを施すことにより形成することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は蒸気タービンやガスタービンなどの流体機械における回転軸のシール構造と、かかるシール構造を有する回転機械に関する。

蒸気タービン、圧縮機、ガスタービンなど、回転軸が高速回転する流体機械では、回転軸のシールにラビリンスシールを用いることが多い。その例を特許文献１、２に見ることができる。

ラビリンスシールでは、シール先端が対向面と所定のシールクリアランスを隔てて向き合っている。回転軸が高速回転しているとき、何らかの原因でシール先端と対向面との間に接触が生じると、接触部で摩擦熱が発生する。摩擦熱で回転軸が熱せられて変形すると、シール先端と対向面との接触度合いが深まって一層多くの摩擦熱が発生し、回転軸の変形がより大きくなるという悪循環を引き起こす。回転軸の変形が大きくなればアンバランス振動も大きくなり、それが甚だしくなると機械が停止することもある。

上記問題の解決策はこれまでにも種々提案されている。例えば特許文献１には回転軸側及び静止側のシール部材のうち、何れか一方を切削性の良いアブレイダブル材を介在させて構成し、両者が接触してもアブレイダブル材が容易に切削されて回転軸の曲がり変形に至るような発熱を抑止するという構成が記載されている。また特許文献２には、シールフィンを、軸方向にループを形成する屈折部と、屈折部の一端に半径方向に連なる直線部と、屈折部の他端に連なりケーシングの溝に植え込まれる植込部とから構成し、ラビング（接触）が生じたとき、屈折部がさらに屈折して摩擦力を一定限度以下に抑制するという構成が記載されている。
特開２００２−２２８０１３号公報（第３頁−第５頁、図１−図３） 特開平５−１２５９０３号公報（第２頁、図１−図２）

上記解決策には次のような問題がある。まず特許文献１記載の構成のようにシール部材をアブレイダブル材で構成した場合、定期的に摩耗状況を点検し、一定量摩耗した時点で交換しなければならない。この作業を行うためには機械の運転を停止して分解する必要があり、多大の労力を要する。また特許文献２に記載の構成のようにシールフィンに軸方向のループを形成することとした場合、シールフィン同士の軸方向の間隔を詰めることができなくなり、ラビリンスシール部が長大化し、ひいては機械そのものが大型化してしまう。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、部品交換の手間の増大やラビリンスシール部の長大化を招くことなく、ラビリンスシールの先端に発生する摩擦熱が回転軸の形状に与える影響を軽減できる構造を提供することを目的とする。また、かかるシール構造を有する回転機械を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するために本発明は、回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、前記回転軸に取り付けられたラビリンスシール部材とを備えた回転軸のシール構造において、前記ラビリンスシール部材と前記回転軸との間に断熱層を形成したことを特徴としている。

この構成によると、ラビリンスシール部材が何らかの原因でケーシングに接触し、摩擦熱が発生したとしても、断熱層が存在するため回転軸に熱が伝わりにくく、回転軸の熱変形が抑制される。このため回転軸のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層は摩耗しないので、アブレイダブル材のような交換の手間は不要である。さらに、断熱層の存在がラビリンスシール部材のシールフィンピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

（２）また本発明は、回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、前記回転軸に取り付けられたラビリンスシール部材とを備えた回転軸のシール構造において、前記ラビリンスシール部材の先端部分に断熱層を形成したことを特徴としている。

この構成によると、ラビリンスシール部材の先端の断熱層が何らかの原因でケーシングに接触し、摩擦熱が発生したとしても、その熱はラビリンスシール部材に伝わりにくく、回転軸には一層伝わりにくく、回転軸の熱変形は抑制される。このため回転軸のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層はアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、断熱層の存在がラビリンスシール部材のシールフィンピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

（３）また本発明は、回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、前記回転軸に取り付けられたラビリンスシール部材とを備えた回転軸のシール構造において、前記ラビリンスシール部材と回転軸との間、及びラビリンスシール部材の先端部分に断熱層を形成したことを特徴としている。

この構成によると、ラビリンスシール部材の先端の断熱層が何らかの原因でケーシングに接触し、摩擦熱が発生したとしても、その熱はラビリンスシール部材に伝わりにくいうえ、ラビリンスシール部材と回転軸の間でも熱遮蔽され、回転軸の熱変形は抑制される。このため回転軸のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層はアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、断熱層の存在がラビリンスシール部材のシールフィンピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

（４）また本発明は、回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、このケーシングに取り付けられたラビリンスシール部材とを備えた回転軸のシール構造において、前記ラビリンスシール部材の先端に対峙する前記回転軸の表面に断熱層を形成したことを特徴としている。

この構成によると、断熱層が何らかの原因でラビリンスシール部材に接触し、摩擦熱が発生したとしても、その熱は回転軸に伝わりにくく、回転軸の熱変形は抑制される。このため回転軸のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層はアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、断熱層の存在がラビリンスシール部材のシールフィンピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

（５）また本発明は、回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、前記回転軸及びケーシングの一方又は双方に取り付けられたラビリンスシール部材とを備えた回転軸のシール構造において、前記ラビリンスシール部材の先端に対峙する前記回転軸又はケーシングの表面に固体潤滑剤層を形成したことを特徴としている。

この構成によると、ラビリンスシール部材が何らかの原因で固体潤滑剤層に接触したとしても、摩擦が小さいため摩擦熱の発生量が少なく、回転軸の熱変形は抑制される。このため回転軸のアンバランス振動が過大化することがない。また固体潤滑剤層はアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、固体潤滑剤層の存在がラビリンスシール部材のシールフィンピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

（６）また本発明は、上記のようなシール構造を備えた回転機械であることを特徴としている。

この構成によると、ラビリンスシール部材が何らかの原因でケーシングに接触し、摩擦熱が発生したとしても、回転軸に熱が伝わりにくく、回転軸の熱変形が抑制され、回転軸のアンバランス振動が過大化することのない回転機械を得ることができる。

本発明によると、ラビリンスシール部材が対向面に接触して摩擦熱が発生したとしても、回転軸が変形するほど多量の熱が回転軸に伝わることがなく、回転軸のアンバランス振動が過大化することが防止される。

図１は本発明の第１実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図である。図において１は回転軸、２は回転軸１を通すケーシングである。回転軸１の外面にはラビリンスシール部材３が取り付けられている。ラビリンスシール部材３は多数のシールフィン３ａを有し、シールフィン３ａの先端はそれぞれ所定の間隔を隔ててケーシング２の内面に対峙している。

ラビリンスシール部材３と回転軸１の間に断熱層４を設ける。断熱層４は、例えば回転軸１の表面にセラミックコーティングを施すことにより形成することができる。

第１実施形態の構成によると、回転軸１の回転中、ラビリンスシール部材３が何らかの原因でケーシング２に接触し、摩擦熱が発生したとしても、断熱層４が存在するため回転軸１に熱が伝わりにくく、回転軸１の熱変形が抑制される。このため回転軸１のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層４は摩耗しないので、アブレイダブル材のような交換の手間は不要である。さらに、断熱層４が存在するからといってシールフィン３ａのピッチが広がることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

図２は本発明の第２実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図である。第２実施形態では、ラビリンスシール部材３は回転軸１の外面に断熱層を介することなく取り付けられている。ラビリンスシール部材３と回転軸１の間に断熱層を置かない代わりに、シールフィン３ａの先端部分に断熱層５が形成されている。断熱層５は、例えばシールフィン３ａの表面にセラミックコーティングを施すことにより形成することができる。

第２実施形態の構成によると、回転軸１の回転中、断熱層５が何らかの原因でケーシング２に接触し、摩擦熱が発生したとしても、その熱はラビリンスシール部材３に伝わりにくく、回転軸１には一層伝わりにくく、回転軸１の熱変形は抑制される。このため回転軸１のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層５はアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、断熱層５の存在がシールフィン３ａのピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

図３は本発明の第３実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図である。第３実施形態では、ラビリンスシール部材３は回転軸１の外面に断熱層４を介して取り付けられており、またシールフィン３ａの先端部分に断熱層５が形成されている。

第３実施形態の構成によると、回転軸１の回転中、断熱層５が何らかの原因でケーシング２に接触し、摩擦熱が発生したとしても、その熱はラビリンスシール部材３に伝わりにくいうえ、ラビリンスシール部材３と回転軸１の間でも断熱層４により熱遮蔽され、回転軸１の熱変形は極めて抑制される。このため回転軸１のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層４は交換する必要がなく、断熱層５もアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、断熱層４、５の存在がシールフィン３ａのピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

図４は本発明の第４実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図である。第４実施形態では、ケーシング２の内面にラビリンスシール部材６が取り付けられている。ラビリンスシール部材６は多数のシールフィン６ａを有し、シールフィン６ａの先端はそれぞれ所定の間隔を隔てて回転軸１の外面に対峙している。シールフィン６ａの先端に対峙する回転軸１の表面には断熱層７が形成されている。断熱層７は、例えば回転軸１の表面にセラミックコーティングを施すことにより形成することができる。

第４実施形態の構成によると、回転軸１の回転中、断熱層７が何らかの原因でラビリンスシール部材６に接触し、摩擦熱が発生したとしても、その熱は回転軸１に伝わりにくく、回転軸１の熱変形は抑制される。このため回転軸１のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層７はアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、断熱層７の存在がシールフィン６ａのピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

図５は本発明の第５実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図である。第５実施形態では、回転軸１の外面に第２実施形態と同様にしてラビリンスシール部材３が取り付けられている。シールフィン３ａの先端が対峙するケーシング２の内面には固体潤滑剤層８が形成されている。固体潤滑剤としては、例えば二硫化モリブデン、二硫化タングステン、グラファイト、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）等を使用することができる。

第５実施形態の構成によると、回転軸１の回転中、ラビリンスシール部材３が何らかの原因で固体潤滑剤層８に接触したとしても、摩擦が小さいため摩擦熱の発生量が少なく、回転軸１の熱変形は抑制される。このため回転軸１のアンバランス振動が過大化することがない。また固体潤滑剤層８はアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、固体潤滑剤層８の存在がシールフィン３のピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

図６は本発明の第６実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図である。第６実施形態では、ケーシング２の内面に第４実施形態と同様にしてラビリンスシール部材６が取り付けられている。シールフィン６ａの先端が対峙する回転軸１の外面には固体潤滑剤層９が形成されている。

第６実施形態の構成によると、回転軸１の回転中、ラビリンスシール部材６が何らかの原因で固体潤滑剤層９に接触したとしても、摩擦が小さいため摩擦熱の発生量が少なく、回転軸１の熱変形は抑制される。このため回転軸１のアンバランス振動が過大化することがない。また固体潤滑剤層９はアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、固体潤滑剤層９の存在がシールフィン６ａのピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

図７は本発明の第７実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図である。第７実施形態では、回転軸１の外面に第３実施形態と同様にしてラビリンスシール部材３が取り付けられる。ラビリンスシール部材３と回転軸の間には断熱層４が介在し、シールフィン３ａの先端部分には断熱層５が形成されている。シールフィン３ａの先端が対峙するケーシング２の内面には固体潤滑剤層８が形成されている。

第７実施形態の構成によると、回転軸１の回転中、断熱層５が何らかの原因で固体潤滑剤層８に接触したとしても、摩擦が小さいため摩擦熱の発生量が少ないうえ、発熱部から回転軸１までの間に断熱層５と断熱層４が存在するので、回転軸１に伝わる熱は僅かであり、回転軸１の熱変形は抑制される。このため回転軸１のアンバランス振動が過大化することがない。また断熱層４は交換する必要がなく、断熱層５と固体潤滑剤層８もアブレイダブル材ほど頻繁に形成し直す必要がない。さらに、断熱層４、５及び固体潤滑剤層の存在がシールフィン３ａのピッチに影響を与えることはないので、ラビリンスシール部が長大化することもない。

以上本発明の各実施形態につき説明したが、この他、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明はラビリンスシールを用いる流体機械に広く利用可能である。

本発明の第１実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図 本発明の第２実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図 本発明の第３実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図 本発明の第４実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図 本発明の第５実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図 本発明の第６実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図 本発明の第７実施形態に係る回転軸シール箇所の断面図

符号の説明

１ 回転軸
２ ケーシング
３ ラビリンスシール部材
３ａ シールフィン
４ 断熱層
５ 断熱層
６ ラビリンスシール部材
６ａ シールフィン
７ 断熱層
８ 固体潤滑剤層
９ 固体潤滑剤層

Claims (6)

1. 回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、前記回転軸に取り付けられたラビリンスシール部材とを備え、
   前記ラビリンスシール部材と回転軸との間に断熱層を形成したことを特徴とする回転軸のシール構造。
2. 回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、前記回転軸に取り付けられたラビリンスシール部材とを備え、
   前記ラビリンスシール部材の先端部分に断熱層を形成したことを特徴とする回転軸のシール構造。
3. 回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、前記回転軸に取り付けられたラビリンスシール部材とを備え、
   前記ラビリンスシール部材と回転軸との間、及びラビリンスシール部材の先端部分に断熱層を形成したことを特徴とする回転軸のシール構造。
4. 回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、このケーシングに取り付けられたラビリンスシール部材とを備え、
   前記ラビリンスシール部材の先端に対峙する前記回転軸の表面に断熱層を形成したことを特徴とする回転軸のシール構造。
5. 回転軸と、この回転軸を通すケーシングと、前記回転軸及びケーシングの一方又は双方に取り付けられたラビリンスシール部材とを備え、
   前記ラビリンスシール部材の先端に対峙する前記回転軸又はケーシングの表面に固体潤滑剤層を形成したことを特徴とする回転軸のシール構造。
6. 請求項１乃至請求項５記載のシール構造を有する回転機械。

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