JP2015140844A - 軸シール装置及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】フラッターを生じることなく、高いシール効果を発揮するシール体を有する回転機械を提供する。【解決手段】軸線回りに回転するロータと、ロータの外周面に対向して配置されるシールハウジングと、シールハウジングから径方向内側に向かって延びて周方向に複数積層される薄板を有するシール体と、を備え、複数の薄板のうちの一の薄板は、ロータに接触していない状態において、回転方向前後方向側の他の薄板に対して接触する形状を有するシール体を備えることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、軸シール装置及び回転機械に関する。

一般的に、ガスタービンや蒸気タービン等の回転機械において、静止側と回転側との間にできる環状の隙間を通過して高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩してしまうことを防止するために、軸シール装置が用いられている。このような軸シール装置の一つとして、非接触型のラビリンスシールが幅広く用いられてきたが、回転過渡期（始動、停止時）の軸振動や熱過渡的な熱変形時であってもシールフィンの先端が接触しないように構成する必要があった。そのため、シールフィン先端の隙間（シールクリアランス）をある程度大きくする必要があった。その一方で、シールクリアランスが大き過ぎれば、作動流体の漏洩が生じてしまう。

このような作動流体の漏洩を低減する技術として、例えば特許文献１に記載の軸シール装置が知られている。この軸シール装置は、ロータの軸方向に所定の幅寸法を有する平板状の薄板をロータの周方向に沿って多層に配置したシール体を備えている。

このシール装置では、ロータの停止時には、薄板の内周側端部がロータに接触する。一方、ロータの回転時には、動圧効果によって薄板に浮上効果が作用し、薄板の内周側端部がロータから浮上する。これにより、ロータの回転時には、薄板とロータとが最低限のクリアランスを保持しながら非接触状態となる。

特開２０１３−１０４５６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の軸シール装置にあっては、隣接する複数の薄板同士の間に隙間が形成されているために、ロータの運転時に、薄板の内周側端部がフラッターを起こすことがある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、フラッターを抑制できる回転機械を提供することにある。

本発明の第一の態様は、軸線回りに回転するロータの外周面に対向して配置されるハウジングと、ハウジングからロータ径方向内側に向かって延びてロータ周方向に複数の薄板が積層されたシール体からなる軸シール装置において、薄板がロータ回転方向前後方向の他の薄板と面接触して径方向内側の端部を含む領域から形成される接触部と、該接触部の径方向外側の領域から形成されて前記他の薄板に非接触となる非接触部を有する。

上記構成によれば、ロータの運転状態において、互いに隣接する薄板の先端部同士が面接触していることでこれら薄板の動きが拘束される。

上記軸シール装置において、薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ低圧側側板及び高圧側側板が設けられ、前記低圧側側板からの薄板の露出が高圧側より大きい構成としてもよい。

上記構成によれば、軸シール装置の高圧側における露出を、低圧側に比して小さくすることができる。

上記軸シール装置において、薄板がロータに接触していない状態で、回転方向前後方向の他の薄板と面接触する構成としてもよい。

上記構成によれば、互いに隣り合う複数の薄板同士が面接触しているため、ロータの始動又は停止時等、回転数が低い状態であっても、高いシール効果を得ることができる。

上記軸シール装置において、シール体とハウジングとの間に設けられて、シール体をロータ径方向外側に付勢する付勢部材を有する構成としてもよい。

上記構成によれば、ロータが運転状態にある時に、付勢部材による力と薄板に作用する浮上力が均衡するため、安定的にシール効果を得ることができる。

さらに、本発明の一態様に係る回転機械は、上記いずれかの構成の軸シール装置を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、高いシール効果を有するとともに、長い耐用年数を有する回転機械を得ることができる。

本発明の軸シール装置及び回転機械によれば、ロータの運転状態において、フラッターの発生を抑制することができる。

本発明の各実施形態に係るガスタービン（回転機械）の概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体を回転機械の軸方向から見た概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体の周方向断面図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体の要部拡大図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体における圧力分布を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るシール体の周方向断面図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態においては、シール体１０をガスタービン（回転機械）１に適用した例を示す。図１は本実施形態に係るガスタービン１の概略構成図である。

図１に示すガスタービン１は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機２と、圧縮機２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３と、燃焼器３で発生させた燃焼ガスがその内部に導入されるとともに燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して回動するタービン４と、該タービン４の回動する動力の一部を圧縮機２に伝達して圧縮機２を回動させるロータ５とを有している。

上述のような構成のガスタービン１において、タービン４は、ロータ５に設けられた動翼７に燃焼ガスを吹き付けることで燃焼ガスの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換して動力を発生する。タービン４には、ロータ５側の複数の動翼７の他に、タービン４のケーシング８側に複数の静翼６が設けられるとともに、これら動翼７と静翼６とが、ロータ５の軸方向に交互に配列されている。
動翼７はロータ５の軸方向に流れる燃焼ガスの圧力を受けて軸線回りにロータ５を回転させ、ロータ５に与えられた回転エネルギーは軸端から取り出されて利用される。静翼６とロータ５との間には、高圧側から低圧側に漏れる燃焼ガスの漏れ量を低減するための軸シールとして、シール体１０が設けられている。

圧縮機２はロータ５にてタービン４と同軸で接続されており、タービン４の回転を利用して外気を圧縮して圧縮空気を燃焼器３に供給する。タービン４と同様に、圧縮機２においてもロータ５に複数の動翼７と、圧縮機２のケーシング８側に複数の静翼６が設けられており、動翼７と静翼６とがロータ５の軸方向に交互に配列されている。さらに、静翼６とロータ５との間においても、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シール体１０が設けられている。加えて、圧縮機２のケーシング８がロータ５を支持する軸受け部９ａ、及びタービン４のケーシング８がロータ５を支持する軸受け部８ａにおいても、高圧側から低圧側に圧縮空気又は燃焼ガスが漏れるのを防止するシール体１０が設けられている。

ここで、本実施形態に係るシール体１０は、ガスタービン１への適用に限定されるものではない。例えば蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の大型流体機械のように、軸の回転と流体の流動によりエネルギーを仕事に変換する回転機械全般に広く採用することができる。さらに、シール体１０は、ロータ５の軸方向の流体の流動を抑えるために用いることも可能である。

次に、上述のように構成されるガスタービン１に設けられるシール体１０の構成について、図面を参照して説明する。図２は、ロータ５の軸方向から見たシール体１０の概略構成図である。このシール体１０は、円弧状に延びる複数（本実施形態では８つ）の軸シール装置１１が、上記ガスタービン１のロータ５における周方向に沿って環状に配置されている。このように配置された隣り合う軸シール装置１１の周方向端部１２，１２間には、隙間ｔが形成される。

各軸シール装置１１の構成について、図３を参照して説明する。図３はロータ５の軸線を含む断面における軸シール装置１１の断面構成図である。各軸シール装置１１は、ハウジング（静翼６、動翼７及び軸受け部８ａ，９ａに相当）３０に挿入されて、ロータ５とハウジング３０との間の環状空間における作動流体の漏れを防ぐために設置される。

軸シール装置１１は、複数の薄板２０と、保持リング２１，２２と、高圧側側板２３と、低圧側側板２４とから構成されている。薄板２０は、ロータ５の周方向に沿って互いに微小間隔を空けて多重に配列された、金属製の部材である。保持リング２１，２２は、薄板２０の外周側基端２７において薄板２０を両側から挟持するように構成されている。保持リング２１，２２の周方向における断面は略Ｃ字型に形成されている。高圧側側板２３は、薄板２０の高圧側領域に対向する一方の縁端と保持リング２１とによって挟持されている。さらに、低圧側側板２４は、薄板２０の低圧側領域に対向する他方の縁端と保持リング２２とによって挟持されている。

上述のように構成されたシール体１０において、薄板２０は外周側基端２７の幅（ロータ５の軸方向の幅）に比べて内周側の幅（ロータ５の軸方向の幅）が狭くなる略Ｔ字型の薄い鋼板によって構成されている。その両方の側縁には、その幅が狭くなる位置において切り欠き部２０ａ，２０ｂが形成されている。
薄板２０は、ロータ５の周方向（回転方向ｄ）に沿って複数積層されて配置されている。さらに、隣接する複数の薄板２０は、外周側基端２７において、例えば溶接によって互いに固定連結されている。

薄板２０は、ロータ５の周方向において、板厚に基づく所定の剛性を有している。さらに、薄板２０とロータ５の回転方向に対してロータ５の周面となす角が鋭角となるように保持リング２１，２２に固定されている。

薄板２０の配置について、図４を参照してより詳細に説明する。図４に示すように、薄板２０は、各軸シール装置１１内において、ロータ５の回転方向ｄ後方側から前方側に向かうにしたがって、ロータ５の周面となす角が次第に大きくなる（鈍角になる）ように配列されている。

薄板２０におけるロータ５側に位置する内周側端部２６と、ロータ５との間には、タービンの過渡変化（温度・圧力）中のリーフのロータへの接触を防ぐため、微小な隙間ｇが形成されている。
加えて、隣接する複数の薄板２０は、ロータ５の回転方向ｄ前後方向において、内周側端部２６の近傍で互いに面接触して、接触部２８を形成している。言い換えると、薄板２０の径方向内側の端部を含む領域において、薄板２０は互いに接触して接触部２８を形成している。一方で、接触部２８の外周側においては、薄板２０は互いに離間して非接触部を形成する。ここで、非接触部２８ｂは、互いに離間した領域における薄板２０表面上の領域を指す。

薄板２０は、上述のように鋼板から形成されているため、一定の弾性復元力（可撓性）を有する。換言すると、隣接する複数の薄板２０には、互いに押し付け合う力が作用している。したがって、接触部２８の外周側においては、弾性変形により、湾曲部２９が形成される。湾曲部２９において、薄板２０は回転方向ｄ後方側に湾曲している。

高圧側側板２３及び低圧側側板２４には、それぞれのロータ５の軸方向の幅において、その外周側が広くなるように段差部２３ａ，２４ａが設けられており、この段差部２３ａ，２４ａは、それぞれが薄板２０の切り欠き部２０ａ，２０ｂに嵌め込まれている。

さらに、保持リング２１は、複数の薄板２０の外周側基端２７における一方の側縁（高圧側）に対面する面に、凹溝２１ａを有している。保持リング２２は、複数の薄板２０の外周側基端２７における他方の側縁（低圧側）に対面する面に、凹溝２２ａを有している。切り欠き部２０ａ，２０ｂに高圧側側板２３及び低圧側側板２４のそれぞれの段差部２３ａ，２４ａが嵌め込まれた複数の薄板２０に対し、その外周側における一方の側縁（高圧側）に保持リング２１の凹溝２１ａが嵌め込まれている。さらに、その外周側における他方の側縁（低圧側）が保持リング２２の凹溝２２ａに嵌め込まれている。このような構成により、各薄板２０が保持リング２１，２２に固定される。

一方、ハウジング３０の内周壁面には、環状の凹溝３１が形成されており、該環状の凹溝３１は、ロータ５の軸方向において外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、薄板２０の一方の側縁（高圧側）及び他方の側縁（低圧側）に対向する側面に段差が設けられた形状とされている。そして、この段差における外周側を向く面に保持リング２１，２２の内周側を向く面が当接するようにして、ハウジング３０の凹溝３１内に、薄板２０、保持リング２１，２２、高圧側側板２３及び低圧側側板２４が嵌め込まれている。薄板２０の内周側端部２６が高圧側側板２３よりもロータ５側に突出している。一方で、薄板２０の内周側端部２６は低圧側側板２４よりもロータ５側に突出しているが、その突出量は高圧側よりも小さく設定されている。すなわち、薄板２０は高圧側よりも低圧側において作動流体Ｇに対してより大きく露出している。言い換えると、高圧側側板２３は薄板２０の側面におけるより広い範囲を作動流体Ｇから遮蔽している。

次に、上記のように構成されるシール体１０の動作について、図５を参照して説明する。
図５（ａ）に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かう作動流体のガス圧が各薄板２０に加わった場合に、各薄板２０に対して、内周側端部２６の近傍かつ高圧側に位置する角部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力分布４０ａが形成される。なお、図３においては薄板２０はＴ字型形状としているが、図５においては説明を簡単にするために、撓みが生じる長方形部分のみを図示してその他の部分は図示を省略している。

図５（ｂ）に示すように、薄板２０のロータ５に向かう面を下面２０ｑとし、その裏側を上面２０ｐとする。各薄板２０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ると、図５（ａ）のようにガス圧力分布４０ａが形成される。このとき、各薄板２０の断面に沿った任意位置における上面２０ｐに加わるガス圧よりも下面２０ｑ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。

高圧側領域から低圧側領域に向かって流れる作動流体Ｇは、高圧側側板２３とロータ５の外周面との間から流入する。その後、作動流体Ｇは、図５（ａ）のように、ロータ５の外周面と薄板２０の内周側端部２６との間を流れるとともに、各薄板２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑとに沿って、角部ｒ１から角部ｒ２の方向へ放射状に流れる。このように作動流体Ｇが流れることで、薄板２０の外周側基端２７に向かって低圧の領域が広がる。そのため、各薄板２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑに垂直に加わるガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、図５（ｂ）に示すような状態になる。より詳細には、ガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、薄板２０の内周側端部２６に近いほど大きくなるとともに薄板２０の外周側基端２７に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。

上面２０ｐ及び下面２０ｑにおけるガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、薄板２０を中心にして線対称をなしている。しかしながら、ロータ５の周面に対する角度が鋭角となるように各薄板２０が配置されているので、各ガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、ロータ５の径方向における相対位置がずれる。よって、薄板２０の外周側基端２７から内周側端部２６に向かう任意の点Ｐにおける上面２０ｐ及び下面２０ｑのガス圧に差が生じる。換言すると、薄板２０において、下面２０ｑに加わるガス圧が上面２０ｐに加わるガス圧よりも高くなる。これにより、薄板２０の内周側端部２６に対してロータ５より浮かせる方向に浮上力ＦＬが発生する。

以上のようにして各薄板２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑ間に圧力差が生じることで、各薄板２０に浮上力ＦＬが作用する。さらに、薄板２０の内周側端部２６がロータ５の外周面から浮上するように弾性変形する。

ここで、隣接する薄板２０が互いに間隙を保って配列されている場合、薄板２０に付加される圧力の変動と、薄板２０自身の弾性復元力により、薄板２０の内周側端部２６においてフラッター（微小振動）が生じる。

しかしながら、本実施形態における薄板２０は、隣接する他の薄板２０に対して面接触している。そのため、薄板２０の内周側端部２６は、弾性力を維持しながらも、周方向の動きを拘束されている。これにより、薄板２０の内周側端部２６におけるフラッターの発生が抑止される。

薄板２０にフラッター（微小振動）が発生した場合、振動の支点となる領域において局所的に曲げ応力が集中するため、経年使用に伴う疲労破壊を生じる可能性がある。しかしながら、上述のように本実施形態における薄板２０は隣接する他の薄板２０に対して面接触しているため、フラッターの発生とそれに起因する薄板２０の疲労破壊が抑止される。

さらに、ロータ５の回転時には薄板２０の内周側端部２６に浮上力ＦＬも作用するため、薄板２０がロータ５から浮上して、安定的に非接触の状態に維持される。

これにより、薄板２０の内周側端部２６は、可撓性を維持するとともに、周方向の動きを拘束されているため、薄板２０の内周側端部２６におけるフラッターの発生が抑止される。
さらに、薄板２０の弾性力により、ロータ５の起動、停止時等、振動によってロータ５に径方向の変位が生じた場合であっても、高いシール効果を維持することができる。
加えて、上述のように高圧側側板２３は低圧側側板２４よりもロータ５側に突出しているため、作動流体Ｇが流通してくる高圧側は、低圧側に比してより広い範囲が作動流体Ｇに対して遮蔽されている。したがって、リーフシールの内部の圧力は、リーフの先端が浮上するようにリーフに係る力のバランスが保たれ、その結果、リーフがロータに強く接触することが無くなり、リーフの摩耗による損傷を防止することができる。

（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について、図６を参照して説明する。第一実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
図６は、本発明の第二実施形態に係る軸シール装置１１の周方向断面図である。

本実施形態における軸シール装置１１は、公知のＡＣＣシステム（アクティブ・クリアランス・コントロール・システム）５０を、径方向外側に備えている点で上述の実施形態と異なる。ＡＣＣシステムは、ハウジング３０の内部に付勢部材５１を備えている。
付勢部材５１としては、例えばばね部材が用いられる。また、その他、付勢部材５１としては、空気シリンダを用いてもよい。ただし、回転機械１は高温高圧の作動流体がその内部を流通するため、付勢部材５１も高温化における正常動作を志向して設計された部材であることが必要である。

付勢部材５１は、保持リング１２１，１２２とハウジング３０に、それぞれ接続されている。さらに、付勢部材５１は、延在方向外方に向けて付勢されている。
したがって、付勢部材５１の作用により、本実施形態に係る軸シール装置１１は、径方向外側に向けて付勢されている。

これにより、ロータ５の停止時においては、薄板２０の内周側端部２６は、ロータ５の外表面からわずかな間隙を有して支持される。一方で、ロータ５が回転している場合においては、高圧側と低圧側との差圧の作用により、軸シール装置１１に対して径方向内側に付勢する圧力が生じる。言い換えると、薄板２０の内周側端部２６とロータ５の外表面との間隙は、ロータ５の停止時に比して、小さくなる。

このように、ＡＣＣシステム５０を設けることにより、薄板２０とロータ５との間に間隙が設けられる。したがって、起動時にロータ５と薄板２０が摺接することで発生する摩耗が抑止される。加えて、ロータ５の運転状態にあっては、付勢部材５１による力と上述の浮上力ＦＬが均衡するため、安定的にシール効果を得ることができる。さらに、運転時に大きな熱変形を伴う箇所においても、シール体を採用することができる。

以上、本発明の実施形態、及び実施例について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

１ 回転機械（ガスタービン）
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ ロータ
６ 静翼
７ 動翼
８ ケーシング
８ａ、９ａ 軸受部
１０ シール体
１１ 軸シール装置
１２ 周方向端部
２０ 薄板
２０ａ 切欠き部
２０ｐ 上面
２０ｑ 下面
２１、２２ 保持リング
２３ 高圧側側板
２４ 低圧側側板
２６ 内周側端部
２７ 外周側基端
２８ 接触部
２８ｂ 非接触部
２９ 湾曲部
３０ ハウジング
３１ 凹溝
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ ガス圧力分布
５０ ＡＣＣシステム
５１ 付勢部材
１２１、１２２ 保持リング
ＦＬ 浮上力
ｇ 隙間
Ｇ 作動流体
ｒ１、ｒ２ 角部

Claims (5)

1. 軸線回りに回転するロータの外周面に対向して配置されるハウジングと、
   前記ハウジングから前記ロータ径方向内側に向かって延びて前記ロータ周方向に複数の薄板が積層されたシール体からなる軸シール装置において、
   前記薄板が前記ロータ回転方向前後方向の他の薄板と面接触して前記径方向内側の端部を含む領域から形成される接触部と、該接触部の径方向外側の領域から形成されて前記他の薄板に非接触となる非接触部を有する軸シール装置。
2. 該薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ低圧側側板及び高圧側側板が設けられ、前記低圧側側板からの薄板の露出が高圧側より大きい請求項１に記載の軸シール装置。
3. 前記薄板が前記ロータに接触していない状態で、回転方向前後方向の他の薄板と面接触する請求項１又は２に記載の軸シール装置。
4. 前記シール体と前記ハウジングとの間に設けられて、前記シール体を前記径方向外側に付勢する付勢部材を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の軸シール装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の軸シール装置を備える回転機械。

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