JP2009108918A - 回転機械のシール装置および回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転部と非回転部とを非接触状態に維持させて作動流体の漏出を防止する回転機械のシール装置および回転機械を提供する。
【解決手段】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械は、非回転部２１に設けた空間室２６にシール機構２４を収容させる一方、このシール機構２４は、回転部２０の回転軸２２に対峙させた非回転側移動体２７と、この非回転側移動体２７に装着するコイルばね２８と、非回転側移動体２７のシール面３２と空間室２６のシール面３３との間に介装するシール部２９とで構成したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回転機械のシール装置に係り、特に、運転中、回転部と非回転部とを非接触状態に維持させながら作動流体の器外への漏出防止を図る回転機械のシール装置および回転機械に関する。

例えば、蒸気タービン、ガスタービン、空気圧縮機、ポンプ等の回転機械は、蒸気、ガス、空気、水等のうち、いずれかを作動流体として使用し、この作動流体のエネルギを利用して動力を発生させている。

そして、動力を発生させる際、上流側の高圧作動流体を膨張させ、膨張後、圧力の低くなった作動流体を下流側に流して再び膨張させるか、あるいは常圧の作動流体を昇圧させ、圧力の高くなった作動流体を、再び昇圧させた後、下流側に流すかのいずれかを行っている。

このように、作動流体の持つエネルギを利用して動力を発生させる回転機械においては、器内の圧力が高くなっている関係上、器内外間、あるいは器内の上流側と下流側に高い圧力差が生じている。

例えば、器内外に高い圧力差を持つ回転機械においては、回転部と非回転部（静止部）との隙間から器外（外部）等に作動流体の漏出があり、この作動流体の器外等への漏出を防止するシール装置として図１７に示す構成のものがある。

図１７に示す回転機械のシール装置は、蒸気タービンを例示とするものであり、回転部と非回転部との間に設けられる非接触タイプのものである。

蒸気タービンは、大別して回転部１と非回転部２とで構成される。

回転部１は、両端部を軸受３ａ，３ｂで軸支する回転軸（タービンロータ）４と、この回転軸４に一体に設けられたディスク５に植設され、周方向に沿って列状に配置するタービン動翼６とを備えている。

他方、非回転部２は、回転部１を包囲形成し、作動流体としての蒸気を案内し、排出させる入口７、出口８を備えるケーシング９と、タービン動翼６の上流側に位置するタービンノズル１０と、このタービンノズル１０の両端を支持する圧力隔壁としてのダイアフラム外輪１１およびダイアフラム内輪１２とを備えている。

そして、ケーシング９と回転軸４との間、ダイアフラム内輪１２と回転軸４との間、タービン動翼６とケーシング９との間のそれぞれには、シール機構１３が設けられている。

例えば、ダイアフラム内輪１２と回転軸４との間に設けられたシール機構１３は、図１８に示すように、ダイアフラム内輪１２の端部に厚みを厚くするホルダ１４と、このホルダ１４内の空間室１５に収容され、回転軸４の周方向に沿って６または８分割されたリング片としての非回転側移動体１６と、分割された非回転側移動体１６を一体に束ねるとともに、非回転側移動体１６に回転軸４に向って弾性変形に基づく押圧力を与えるコイルばね１７とで構成されている。

また、シール機構１３は、回転軸４に臨む非回転側移動体１６の一側面に、その周方向に向って傾斜状に深く凹設する溝（図示せず）を設け、作動流体が高圧側Ｈからこの溝を通過し、低圧側Ｌに向う軸方向隙間１８ａに沿って流れる間に圧力を高め、高めた圧力に基づいて非回転側移動体１６に浮上力を与えている。

さらに、非回転側移動体１６に浮上力を発生させている間に、高圧側Ｈの作動流体は、空間室１５の半径方向隙間１８ｂにも流れて下流側に向う間に発生する作動流体圧力Ｐによって非回転側移動体１６のシール面１９ａを空間室１５のシール面１９ｂに当接させている。

非回転側移動体１６のシール面１９ａと空間室１５のシール面１９ｂとが当接し、摩擦力が発生している間に、シール機構１３は、コイルばね１７を弾性変形させ、この弾性変形に基づく押圧力と上述の浮上力とがバランスするとき、非回転側移動体１６と回転軸４との軸方向隙間１８ａを数μｍ〜数十μｍにし、互いを非接触状態に維持させ、作動流体のシールを図っている。

このように、コイルばね１７の弾性変形に基づく押圧力を巧みに利用して作動流体のシールを行う技術には、例えば、特開２００３−２２２２４９号公報等数多くの発明が開示されている。
特開２００３−２２２２４９号公報

図１８に示した非接触タイプのシール機構１３は、非回転側移動体１６のシール面は１９ａと、空間室１５のシール面１９ｂとの間に発生する摩擦力が高くなり過ぎると、作動流体による浮上力とコイルばね１７による押圧力とをバランスさせることが難しくなり、このため、軸方向隙間１８ａが広くなり過ぎて作動流体の漏出量が増加し、あるいは軸方向隙間１８ｂが狭過ぎて接触事故が発生する等の問題点を抱えていた。

特に、長年の使用の結果、非回転側移動体１６のシール面１９ａと空間室１５のシール面１９ｂとの間に、焼付けやかじり等が発生すると、この傾向は強い。

また、蒸気タービンの出力がより一層大きくなり、これに伴って高圧側Ｈと低圧側Ｌとの圧力差が大きくなり、摩擦力もより高くなるに連れ、この傾向が見られる。

本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、非回転側移動体のシール面とホルダの空間室のシール面との摩擦力の発生を抑制し、作動流体による浮上力と非回転側移動体のコイルばねによる押圧力とを確実にバランスさせ、作動流体のシールをより確実に行わしめる回転機械のシール装置および回転機械を提供することを目的とする。

本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械は、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、回転部に対峙する非回転部にシール機構を設け、このシール機構を、前記回転部に対して非接触状態に維持させて作動流体のシールを行う回転機械のシール装置において、前記非回転部に設けた空間室に前記シール機構を収容させる一方、このシール機構は、前記回転部の回転軸に対峙させた非回転側移動体と、この非回転側移動体に装着するコイルばねと、前記非回転側移動体のシール面と前記空間室のシール面との間に介装するシール部とで構成したものである。

本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械は、回転部に対峙する非回転部の内部にシール部を収容し、このシール部をリング片としての非回転側移動体と、コイルばねと、ベルマウス状のシール部とを組み合せて構成し、コイルばねによる押圧力を利用して非回転側移動体を回転部に対して非接触状態に維持させるとともに、非回転部の内部に流入する作動流体をシール部でシールする構成にしたので、作動流体の漏出を確実に防止することができる。

以下、本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械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〜図３は、本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第１実施形態を示す概念図である。

なお、図１は、蒸気タービンを例示とする、本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械を示す概略部分縦断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視線に沿って切断した切断断面図であり、図３は、図１の部分拡大図である。

また、本発明に係る回転機械のシール装置は、蒸気タービンを例示とするが、この蒸気タービンに限ることなく、回転電機（発電機）にも適用される。

本実施形態に適用される回転機械の例示としての蒸気タービンは、図１に示すように、回転部２０と非回転部（静止部）２１とを備え、これら回転部２０と非回転部２１とを中心線ＣＬに対し、環状体にして構成している。

回転部２０は、軸方向に向って長く延びる回転軸（タービンロータ）２２を備える。

また、非回転部２１は、回転軸２２の周方向に沿って設けられ、タービンノズル（図示せず）を支持するダイアフラム内輪２３と、このダイアフラム内輪２３の端部と一体に形成する厚肉状のホルダ２５の内部に形成する空間室２６に収容させるとともに、回転軸２２に対峙するシール機構２４を設けている。

シール機構２４は、非回転側移動体２７と、この非回転側移動体２７の溝に装着するコイルばね２８と、非回転側移動体２７の低圧側シール面３２と空間室２６の空間室シール面３３との間に介装され、軸方向に向って徐々に曲面状に拡開し、可撓性に優れた薄膜のベルマウス状のシール部２９とで構成されている。

シール機構２４を収容するホルダ２５の空間室２６は、回転軸２２との間に軸方向に向う軸方向隙間３０を形成する一方、非回転側移動体２７とホルダ２５の空間室２６との間の半径方向外側に向う半径方向隙間３１を形成する。

なお、非回転側移動体２７は、図２に示すように、リング片として形成され、回転軸２２の周方向に沿い、例えば６個に分割され、これら分割リング片をコイルばね（図示せず）で縛って連続一体にしている。

また、ホルダ２５の空間室２６に収容するベルマウス状のシール部２９は、図３に示すように、その一端を、コイルばね２８を装着させた非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に溶接または嵌合等の接続手段で接続させ、その他端である自由端を空間室シール面３３に当接させ、空間室２６の半径方向隙間３１に流入する作動流体をシールするとともに、非回転側移動体２７と回転軸２２との間の軸方向隙間３０を非接触状態に維持させる。

このような構成を備えるシール機構２４において、作動流体が高圧側Ｈから軸方向隙間３０を介して低圧側Ｌに向って漏出するとき、作動流体の圧力が徐々に高まり、浮上力となって非回転側移動体２７を浮上させようとする。

非回転側移動体２７に浮上力が発生すると、この浮上力に抗してコイルばね２８には弾性変形に基づく押圧力が働く。この浮上力と押圧力とがバランスすると、シール機構２４は、軸方向隙間３０を数μｍ〜数十μｍにして回転軸２２と非回転側移動体２７とを非接触状態に維持させる。

その一方、高圧側Ｈから半径方向隙間３１を介して漏出する作動流体は、シール機構２４のシール部２９に向って流れる。このシール部２９は、可撓性に優れた薄膜のベルマウス状に形成され、しかも非回転側移動体２７の低圧側シール面３２と空間室シール面３３との間の距離よりも長くしているので、作動流体の圧力に基づく押圧力が回転軸２２側に向って作用しても、その自由端が空間室シール面３３により一層弓状に湾曲して当接し、作動流体の漏出を確実に防止する。

このように、本実施形態は、回転部２０としての回転軸２２に対峙する非回転部２１としてのダイアフラム内輪２３に設けたホルダ２５の空間室２６に、シール機構２４を収容し、このシール機構２４を回転軸２２の周方向に沿って配置するリング片としての非回転側移動体２７と、この非回転側移動体２７に弾性変形に基づく押圧力を与えるコイルばね２８と、この非回転側移動体２７の低圧側シール面３２と空間室２６の空間室シール面３３との隙間をシールするベルマウス状のシール部２９とで構成し、作動流体に基づく浮上力とコイルばね２８の弾性変形に基づく押圧力とで非回転側移動体２７をバランスさせるとともに、シール部２９により低圧側シール面３２と空間室シール面３３との間をシールするので、回転部２０と非回転部２１とを非接触状態に維持させて作動流体の漏出を確実に防止することができる。

なお、本実施形態は、シール部２９の一端を非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に接続させ。その他端である自由端を空間室２６の空間室シール面３３に当接させたが、この例に限らず、例えば、図４に示すように、ベルマウス状のシール部２９の一端を空間室２６の空間室シール面３３に溶接または嵌合等の接続手段で接続させ、その他端を自由端にして非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に当接させてもよい。

この場合、空間室シール面３３にシール部２９の一端を接続する位置は、回転軸２２に、より近い内径側に位置させることが望ましい。また、非回転側移動体２７の低圧側シール面３２にシール部２９の自由端を当接する位置は、非回転側２７の最外径側の近辺に位置させることが望ましい。

シール部２９の接続位置を、空間室シール面３３に位置させたのは、以下の理由に基づく。

例えば、事業用の蒸気タービンのように大型の回転機械においては、回転軸２２の直径が大きく、これに伴ってシール部２９の直径も大きくなる。

シール部２９の直径が大きくなってくると、もともと、非回転側移動体２７が６または８分割しているだけに、シール部２９も非回転側移動体２７の分割数に合せて製作される。

しかしながら、シール部２９は、分割数が多くなると、製作または組立の際、誤差が出、分割合せ面に隙間ができ、作動流体の漏出の心配がある。

本実施形態は、このような事項を考慮したものであり、シール部２９の一端の接続位置を空間室シール面３３に位置させ、非回転側移動体２７の分割数に対応させることなく、分割数を少なくさせ、製作上、組立上に生じる誤差をより少なくさせたものである。

さらに、また、本実施形態は、シール部２９の一端を空間室２６の空間室シール面３３に接続し、その自由端の当接位置を非回転側移動体２７の低圧側シール面３２の最外径側の近辺に位置させたが、この例に限らず、例えば、図５に示すように、ベルマウス状のシール部２９の一端の接続位置を空間室シール面３３の最内径側の近辺に位置させ、その自由端の当接位置を、シール半径位置、具体的には、シール部２９を境に内側と外側との圧力差が少ない位置にしてもよい。

軸方向隙間３０内の作動流体の圧力と、半径方向隙間３１を流れる作動流体の圧力との圧力差を少なくしておけば、シール部２９の自由端の当接部分に作用する摩擦力を低減させ、摩耗等の損耗に基づく作動流体の漏出を防止することができ、さらには、シール部２９の曲げ剛性を低くして材料の自由選択の余地を広くさせることによる。

図６は、本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第２実施形態を示す概念図である。

なお、図１に示す構成要素または対応する部分には同一符号を付す。

本実施形態は、ダイアフラム内輪２３のホルダ２５内に設けた空間室２６と、この空間室２６に収容し、リング片としての非回転側移動体２７の下流側（低圧側）に設けたベルマウス状のシール部２９のうち、その自由端を当接させる非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に凹所３４を設けたものである。

この凹所３４は、図７に示すように、低圧側シール面３２の周方向に沿って長く延びて複数個に形成される。さらに、これらの凹所３４には、図８に示すように、潤滑剤３５が塗布される。

この潤滑剤３５は、例えば、二硫化モリブデン、グリース等で組成される。

このように、本実施形態は、ホルダ２５の空間室２６に設けたシール部２９の自由端を当接させる非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に凹所３４を設け、凹所３４に潤滑剤３５を塗布し、シール部２９の自由端を円滑に摺動させる構成にしたから、シール部２９の自由端の焼付けやかじりを確実に防止することができる。

なお、本実施形態は、シール部２９の自由端を当接させる非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に凹所３４を設け、凹所３４に潤滑剤３５を塗布したが、この例に限らず、例えば、図９に示すように、非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に、例えば、セラミックス、硬質金属片、テフロン（登録商標）片等の潤滑性に優れた摺動片３６を貼付または埋設してもよい。

図１０は、本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第３実施形態を示す概念図である。

なお、図１に示す構成要素または対応する部分には同一符号を付す。

本実施形態は、ダイアフラム内輪２３のホルダ２５内に設けた空間室２６に収容し、リング片としての非回転側移動体２７の下流側（低圧側）であって、その低圧側シール面３２と空間室２６の空間室シール面３３との間に設けたベルマウス状のシール部２９に、切欠３７を設けたものである。

このシール部２９に設けた切欠３７は、図１１に示すように、非回転側移動体２７の低圧側シール面に当接する外周側（口径の大きい側）から内周側（口径の小さい側）に向い、かつ周方向に沿って等ピッチにして形成される。

ベルマウス状のシール部２９に切欠３７を設けたのは、次の理由に基づく。

ベルマウス状のシール部２９は、運転中、入口側（高圧側Ｈ）と出口側（低圧側Ｌ）との間に圧力差を受けると、出口側に曲げ変形を生じ、また周方向に圧縮変形を生じる。

本実施形態は、このような事象に対処したものであり、ベルマウス状のシール部２９の外周側（口径の大きい側）から内周側（口径の小さい側）に向い、かつ周方向に沿って等ピッチに切欠３７を設け、圧縮変形を防止し、曲げ変形を容易にして、シール部２９の自由端を非回転側移動体２７の低圧側シール面３２への密接度合をより一層高めたものである。

このように、本実施形態は、ベルマウス状のシール部２９に等ピッチに切欠３７を設け、圧縮変形を防止し、曲げ変形を容易にする構成にしたので、シール部２９の非回転側移動体２７の低圧側シール面３２への密接度合を高め、作動流体の漏出を確実に防止することができる。

なお、本実施形態は、ベルマウス状のシール部２９に設けた切欠３７は、外周側から内周側に向って形成したが、この例に限らず、例えば、図１２に示すように、内周側から外周側に向い、かつ周方向に等ピッチに形成してもよく、また、例えば、図１３に示すように、外周側から内周側に向う切欠３７ａと内周側から外周側に向う切欠３７ｂとを、その周方向に沿って交互に形成してもよい。

図１４は、本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第４実施形態を示す概念図である。

なお、図１１に示す構成要素または対応する部分には同一符号を付す。

本実施形態は、ダイアフラム内輪２３のホルダ２５内に設けた空間室２６に収容する非回転側移動体２７の低圧側シール面３２と空間室シール面３３との間に設けられたシール部２９の自由端で、かつ非回転側移動体２７の半径方向内周側に、突出し片状の変位制限部３８を設け、シール部２９の半径方向内周側への曲げ変形量を制限したものである。

なお、この場合、ベルマウス状のシール部２９は、ホルダ２５の空間室シール面３３に接続し、非回転側移動体２７側を自由端にしている。

ベルマウス状のシール部２９は、半径方向外周側とその内周側との圧力差により、その内周側に曲げ変形が生じるため、その自由端が非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に確実に当接している。

しかしながら、回転機械は、例えば、負荷遮断等の過渡時、過大な圧力差がベルマウス状のシール部２９に作用する場合があり、曲げ変形量が大きくなり過ぎ、低圧側Ｌに大きく撓み、作動流体の吹き抜けの虞がある。

本実施形態は、このような事象を考慮したものであり、図１５に示すように、非回転側移動体２７の低圧側シール面３２の周方向に沿って変位制限部３８を設けたものである。

この変位制限部３８は、図１６に示すように、丸棒等の突出し片に形成し、半径方向の内周側シール面３２の内径側に設けられる。

このように、本実施形態は、非回転側移動体２７の低圧側シール面３２に変位制限部３８を設け、シール部２９に過渡な圧力差が作用しても、変位制限部３８によってその自由端の曲げ変形を抑制する構成にしたので、過渡運転時であっても、作動流体の漏出を確実に防止することができる。

本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第１実施形態を示す概念図。 図１のＡ−Ａ矢視線に沿って切断した正面断面図。 図１の部分拡大図。 本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第１実施形態における第１変形例を示す概念図。 本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第１実施形態における第２変形例を示す概念図。 本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第２実施形態を示す概念図。 図６のＢ−Ｂ矢視線に沿って見た正面図。 図６の部分拡大図。 本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第２実施形態における変形例を示す概念図。 本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第３実施形態を示す概念図。 図１０のＣ−Ｃ矢視線に沿って見た正面図。 本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第３実施形態における第１変形例を示す概念図。 本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第３実施形態における第２変形例を示す概念図。 本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第４実施形態を示す概念図。 図１４に示す非回転側移動体を抜き出した正面図。 図１４の部分拡大図。 蒸気タービンを例示とする従来の回転機械を示す概念図。 図１７に示す知る装置の部分拡大図。

符号の説明

１ 回転部
２ 非回転部
３ａ，３ｂ 軸受
４ 回転軸
５ ディスク
６ タービン動翼
７ 入口
８ 出口
９ ケーシング
１０ タービンノズル
１１ ダイアフラム内輪
１２ ダイアフラム外輪
１３ シール機構
１４ ホルダ
１５ 空間室
１６ 非回転側移動体
１７ コイルばね
１８ａ 軸方向隙間
１８ｂ 半径方向隙間
１９ａ，１９ｂ シール面
２０ 回転部
２１ 非回転部
２２ 回転軸
２３ ダイアフラム内輪
２４ ダイアフラム外輪
２５ ホルダ
２６ 空間室
２７ 非回転側移動体
２８ コイルばね
２９ シール部
３０ 軸方向隙間
３１ 半径方向隙間
３２ 低圧側シール面
３３ 空間室シール面
３４ 凹所
３５ 潤滑剤
３６ 摺動片
３７，３７ａ，３７ｂ 切欠
３８ 変位制限部

Claims (15)

1. 回転部に対峙する非回転部にシール機構を設け、このシール機構を、前記回転部に対して非接触状態に維持させて作動流体のシールを行う回転機械のシール装置において、前記非回転部に設けた空間室に前記シール機構を収容させる一方、このシール機構は、前記回転部の回転軸に対峙させた非回転側移動体と、この非回転側移動体に装着するコイルばねと、前記非回転側移動体のシール面と前記空間室のシール面との間に介装するシール部とで構成したことを特徴とする回転機械のシール装置。
2. 前記シール部は、ベルマウス状に形成したことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
3. 前記非回転側移動体は、回転軸の周方向に沿って分割されたリング片を組み合せて構成することを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
4. 前記シール部は、一端を非回転側移動体に接続させ、他端を自由端にし、この自由端を空間室のシール面に当接させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
5. 前記シール部は、一端を空間室に接続させ、他端を自由端にし、この自由端を非回転側移動体のシール面に当接させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
6. 前記シール部の自由端の前記非回転側移動体への当接位置を、前記シール部を境に内外周側圧力差の少ない位置に設置することを特徴とする請求項５記載の回転機械のシール装置。
7. 前記非回転側移動体は、低圧側シール面に潤滑剤を塗布する凹所を形成したことを特徴とする請求項１，５記載の回転機械のシール装置。
8. 前記潤滑剤は、二硫化モリブデン、グリースのうち、いずれかであることを特徴とする請求項７記載の回転機械のシール装置。
9. 前記非回転側移動体は、低圧側シール面に摺動片を設けたことを特徴とする請求項１，５記載の回転機械のシール装置。
10. 前記シール部は、低圧側の外周側から内周側に向い、かつ周方向に沿って等ピッチに配置する切欠を形成したことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
11. 前記シール部は、低圧側の内周側から外周側に向い、かつ周方向に沿って等ピッチに配置する切欠を形成したことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
12. 前記シール部は、低圧側の外周側から内周側に向い、かつ周方向に沿って等ピッチに配置する切欠と、低圧側の内周側から外周側に向い、かつ周方向に沿って等ピッチに配置する切欠を交互に配置する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
13. 前記非回転側移動体は、シール部の自由端の曲げ変形を抑制する変位制限部を設けたことを特徴とする請求項１，５記載の回転機械のシール装置。
14. 前記変位制限部は、突出し片であることを特徴とする請求項１，５記載の回転機械のシール装置。
15. 請求項１〜１４記載のもののうち、いずれか１項記載のシール装置を蒸気タービンおよび回転電機のうち、いずれかに組み込んだことを特徴とする回転機械。

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