JP2017036799A - 軸シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸とラビリンスシールとの接触を回避し、ラビンリス振動やラビリンスシールの損傷を回避することができる軸シール装置を提供する。【解決手段】本実施形態に係る軸シール装置は、回転機械の回転軸と、前記回転軸の外側に環状に配置され、前記回転軸に沿った領域を高圧領域と低圧領域に隔てる静翼ガイドと、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧によって回転軸方向に移動するように前記静翼ガイドに支持されると共に、前記回転軸周りに環状に配置されるシールセグメントと、を備え、前記シールセグメントは、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧が大きいときは、前記回転軸に接近して前記回転軸との間隙を狭め、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧が小さいときは、前記回転軸から離隔して前記回転軸との間隙を広げる。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、軸シール装置に関する。

一般に、ガスタービン、蒸気タービン、コンプレッサなどに代表される回転機械では、作動流体の差圧が生じる領域をまたがって回転軸が伸びている回転機械がある。この種の回転機械においては、回転軸に沿って作動流体が低圧領域に漏出することを防止するため、軸シール装置が必要不可欠である。

例えば、タービンなどのターボ機械には、軸シール装置としてラビリンスシール装置が一般的に使用されている。ラビリンスシール装置は、回転軸表面と、ある間隙をもって配置されたラビリンスシールリングとを備えている。そして、ラビリンスシールリングの回転軸側の面には、回転軸の円周方向に一周分延在するシールフィンが設けられており、高圧領域側の作動流体が低圧領域側へ流出することを防いでいる。

古くから使用されているラビリンスシール装置においては、回転軸とシールフィン先端との間隙は、初期組立時に固定されている。このため、回転機械の運転中にシールフィンの位置が変化することはない。

しかしながら、起動時や停止時などの過渡運転状態では、回転機械のケーシングなどのラビリンスシールリングを固定している構造において一時的な不等熱膨張が生じることがある。この場合、シールリングの中心が移動してしまうので、シールリングの中心と回転軸の中心との相対位置が変化してしまい、偏芯が発生してしまう。偏芯が著しい場合には、シールフィン先端と回転軸の表面とが接触し、この摩擦の発熱により一時的な回転軸の熱曲りが生じ、ラビリンス振動が発生する。

さらに、シールフィン先端と回転軸の表面とが接触すると、シールフィン先端が摩耗するため、初期組立時より回転軸とシールフィン先端との間隙が増大し、作動流体の漏洩量が増加する。

そのため、シールフィン先端が回転軸と接触することを避けるため、過渡運転中の偏芯を見込んでシール間隙を広く設定することが多い。しかしながら、この場合、シール間隙の拡大は漏洩量の増加につながってしまう。

一方、アブレイダブル型やセンシタイズド型などの接触許容型のラビリンスシール装置では、過渡運転中の接触を前提に、初期間隙を従来のシールフィンに比べ、狭く設定している。

このような接触許容型の装置の中には、一時的に回転軸がシールフィンに接触しても、シールリングごと外周側へ押し付け移動させる構造のものや運転中に摩擦発熱を抑えつつ、接触してしまう部分のみシール内面を削り取る構造のものも存在する。

さらに、リトラクタブル型の装置ように円筒形のラビリンスシールリングを複数の扇形のシールセグメントに分割して、運転中にシールセグメントの移動によりシールの隙間を変化させる可変型軸シール装置も知られている。

また、接触式シールとしてブラシシールが知られている。ブラシシールは、内巻リングブラシが回転軸を取り囲むように固定し、回転軸の表面との間に極めて狭い間隙を持たせ、或いは、間隙がないように固定され、接触時の回転軸の発熱と摩擦の影響とを低減するシールである。

このように、軸シール装置には、ラビリンスシール装置を基本的な構造として、シール間隙を狭く保つものが多く知られている。また、多くのラビリンス装置は、シールフィン先端と回転軸の表面との接触を避けるため、シール間隙がやや広めに設定されている。

しかしながら、このような設定では、作動流体の漏洩量が多くなり、漏洩損失が大きくなるという不都合がある。また、アブレイダブル型やセンシタイズド型などの接触許容型のラビリンスシール装置では、回転軸との接触を伴うため、長期的にはシールフィン先端や回転軸の表面の摩耗が拡大し、シール間隙が増大する。

シール間隙が増大すると、経年的に漏洩損失が増大するという不都合が生じる。また、リトラクタブル型の装置では、高出力運用時の差圧の増加に伴う押し付け力の増加により、シールセグメントとこれを保持する圧力障壁との接触面での摩擦抵抗が増加し、シールセグメントの円滑な移動が妨げられる。これにより、シール隙間が広いままシールセグメントが動かなくなる場合がある。

また、ブラシシールは、ブラシ毛の曲げ剛さが小さく、わずかな力で大きく撓むので、接触時の摩擦を低減することができる。この場合は、経年的には接触による摩擦や摩耗を避けられず、シール間隙が拡大するという不都合がある。

そこで、回転機械の運転状態によってシール間隙が機械的に変化することにより、作動流体の漏洩量を低減しつつ、ラビリンスシールや回転軸の経年劣化が少ない軸シール装置が期待されている。

例えば、浮上片を持ったシールセグメントにより運転状態での間隙を可変させる軸シール装置が開示されている。この軸シール装置は、回転軸の回転によって作動流体の流れを浮上片で受けることにより、起動時の非定常運転時には、間隙を広くする構造である。

また、軸シール装置に関連する装置には、領域の差圧でシールセグメントが低圧側に押されることにより間隙を詰めるという装置も存在している。この場合、シールセグメントと静翼ガイドのジョイント面との摩擦により、シールセグメントがスムーズに動かない、という不都合があった。

そこで、ジョイント面の摩擦力を低減しシールセグメントがスムーズに動くような構造の軸シール装置が提案されている。

特開２０１３−１４８１６７号公報 特開２００６−１３２６９１号公報

ところで、領域の差圧により間隙が変更されるリトラクタブル型の軸シール装置では、非定常運転においても定常運転に至る過程で差圧が高まることが想定されるため、非定常運転中にシールセグメントが回転軸側に移動して、間隙が狭まることが予想される。このような場合において、回転軸振動の大きい非定常運転時に、回転軸とラビリンスシールとが接触する可能性がある。

本実施形態では、上記課題を解決するために、回転軸とラビリンスシールとの接触を回避し、ラビンリス振動やラビリンスシールの損傷を回避することができる軸シール装置を提供することを目的する。

本実施形態に係る軸シール装置は、上述した課題を解決するために、回転機械の回転軸と、前記回転軸の外側に環状に配置され、前記回転軸に沿った領域を高圧領域と低圧領域に隔てる静翼ガイドと、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧によって回転軸方向に移動するように前記静翼ガイドに支持されると共に、前記回転軸周りに環状に配置されるシールセグメントと、を備え、前記シールセグメントは、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧が大きいときは、前記回転軸に接近して前記回転軸との間隙を狭め、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧が小さいときは、前記回転軸から離隔して前記回転軸との間隙を広げる。

本実施形態によれば、回転軸とラビリンスシールとの接触を回避し、ラビンリス振動やラビリンスシールの損傷を回避することができる軸シール装置が提供される。

第１の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図。 第２の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図。 第３の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図。 第４の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図。 第５の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図。 第６の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図。

本実施形態に係る軸シール装置は、回転機械の回転軸と、回転軸の外側に環状に配置され、回転軸に沿った領域を高圧領域と低圧領域に隔てる静翼ガイドと、高圧領域と低圧領域との差圧によって回転軸方向に移動するように静翼ガイドに支持されると共に、回転軸周りに環状に配置されるシールセグメントと、を備えている。

シールセグメントは、高圧領域と低圧領域との差圧が大きいときは、回転軸に接近して回転軸との間隙を狭め、高圧領域と低圧領域との差圧が小さいときは、回転軸から離隔して前記回転軸との間隙を広げる。

以下、本実施形態に係る軸シール装置について、添付図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、回転機械において、例えば、蒸気タービンやロータ（回転軸）と、静翼ガイドのシールに適用した場合について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図である。

図１に示すように、第１の実施形態に係る軸シール装置は、回転軸１、静翼ガイド２、チャンバ３、バネ（弾性体）４、シールセグメント５、ラビリンスフィン６、低摩擦部材７、チャンバ用連絡通路８、ブラシシール９、フック（係止部材）２０及びフック（係止部材）２１を備えている。なお、図１（ａ）では、ブラシシール９の代わりに、ラビリンスフィン６を備えているが、図１（ｂ）では、ラビリンスフィン６の代わりに、ブラシシール９を備えている。

回転軸１は、回転機械の回転軸である。回転軸１は、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌの間を貫通するように設けられている。

静翼ガイド２は、回転軸１の外側に環状に配置され、回転軸１に沿った領域を高圧領域Ｈと低圧領域Ｌに隔てるように構成されている。高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの圧力差を、以下、差圧と呼ぶ。静翼ガイド２は、複数の段落によって構成されており、例えば、図１に示す構成の軸シール装置が、回転軸１に沿って段落毎に異なる差圧となっている。静翼ガイド２には、例えば、ポリマー加工がされたブラシやフィルムなどの低摩擦部材７が、シールセグメント５と接する面（ジョイントシール面）に設けられている。

チャンバ３は、静翼ガイド２内に環状に設けられており、高圧領域Ｈから作動流体が流入される空洞の通路として設けられている。このチャンバ３には、バネ４が設けられている。また、チャンバ３は、シールセグメント５の一部を収納するようになっている。

バネ４は、チャンバ３内に配設され、静翼ガイド２とシールセグメント５と連結している。すなわち、バネ４は、チャンバ３内に回転軸１の中心方向とは反対方向（逆方向）に作用するように設けられ、シールセグメント５と静翼ガイド２とを連結している。また、このバネ４は、静翼ガイド２の各段落の差圧に比例した強さ（バネ係数）を有している。なお、反対方向（逆方向）とは、回転軸１の中心から外向き方向のことをいう。

シールセグメント５は、静翼ガイド２のジョイントシール面に設けられた低摩擦部材７と接触している。また、シールセグメント５は、バネ４に連結されることによって、静翼ガイド２に連結されている。なお、シールセグメント５には、ラビリンスフィン６（図１（ａ））またはブラシシール９（図１（ｂ））のいずれかが設けられている。

チャンバ用連絡通路８は、高圧領域Ｈからチャンバ３に作動流体が流入される通路を構成している。

第１の実施形態に係る軸シール装置のシールセグメント５は、回転軸１の回転動作に伴って高圧領域Ｈの圧力が高くなり、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧が大きくなると、回転軸１に接近して回転軸１との間隙を狭める。また、シールセグメント５は、回転軸１の起動時または停止時の動作に伴って高圧領域Ｈの圧力が低くなり、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌの差圧が小さくなると、回転軸１から離隔して回転軸１との間隙を広げる。

このように、シールセグメント５は、チャンバ用連絡通路８を通ってチャンバ３に流入される作動流体によるチャンバ３内の圧力によって、回転軸１との間隙を調整する構造になっている。

フック２０、フック２１は、回転軸１とシールセグメント５との間隙を一定に保つために設けられている。すなわち、第１の実施形態では、静翼ガイド２にフック２０が設けられるとともに、シールセグメント５にフック２１が設けられており、例えば、定常運転時であっても、シールセグメント５に設けられたラビリンスフィン６と回転軸１とが接触せず、間隙が所定の値となるようになっている。なお、フック２０及びフック２１は、係止部材として機能すればよく、少なくともいずれか一方で構成することもできる。

また、静翼ガイド２のフック２０において、ジョイントシール面に低摩擦部材７を設けることにより、第１の実施形態では、静翼ガイド２とシールセグメント５との摩擦抵抗を低減している。

以下、タービンを起動し、回転軸１の起動時または停止時の動作のことを非定常運転（または非定常運転時）といい、一方、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧がほぼ一定になり安定した状態を定常運転（または定常運転時）ということとする。

次に、図１（ａ）を参照しながら、非定常運転と定常運転について説明する。なお、図１（ａ）と図１（ｂ）との差異は、ラビリンスフィン６の代わりにブラシシール９が設けられていることであるため、説明は省略する。以後も同様とする。また、図においても、特に説明が必要でない部分については、適宜、省略する。

まず、図１（ａ）では、静翼ガイド２はｎ段落とし、ｎ段落におけるバネ４の定数ｋ_ｎ、チャンバ３内のシールセグメント５に圧力がかかる作用する面積をＡ、高圧領域Ｈの圧力をＰ_Ｈ、低圧領域Ｌの圧力をＰ_Ｌ、シールセグメント５の変位をｄとする。

また、高圧領域Ｈの非定常運転の圧力をＰ_ＨＬで表し、高圧領域Ｈの定常運転の圧力をＰ_ＨＨで表し、低圧領域Ｌの非定常運転の圧力をＰ_ＬＬで表し、低圧領域Ｌの定常運転の圧力をＰ_ＬＨで表すことにする。

図１（ａ）の左側の図では、軸シール装置の非定常運転時の状態を示している。例えば、回転軸１を起動した非定常運転時は、チャンバ用連絡通路８を通って高圧領域Ｈから、チャンバ３に作動流体が流入する。この場合、非定常運転時のシールセグメント５に作用する力Ｆ_ｔは、次式となる。

Ｆ_ｔ＝（Ｐ_ＨＬ×Ａ）−（Ｐ_ＬＬ＋Ｐ_ＨＬ）×Ａ／２
＝（Ｐ_ＨＬ−Ｐ_ＬＬ）×Ａ／２＝ｋ_ｎ×ｄ_ｔ ・・・（１）

回転軸１の起動時は、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌの差圧（Ｐ_ＨＬ−Ｐ_ＬＬ）が小さいため、軸シール装置は非定常運転となり、シールセグメント５の変位ｄ_ｔは小さくなる。また、シールセグメント５と回転軸１との間隙は、十分広い状態となる。

そして、非定常運転から定常運転に移行した場合は、定常運転時のシールセグメント５に作用する力Ｆ_ｓは、次式となる。

Ｆ_ｓ＝（Ｐ_ＨＨ−Ｐ_ＬＨ）×Ａ／２＝ｋ_ｎ×ｄ_ｓ ・・・（２）

この場合、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧（Ｐ_ＨＨ−Ｐ_ＬＨ）が大きくなるとともに、シールセグメント５の変位ｄ_ｓが大きくなり、軸シール装置が定常運転となった場合は、シールセグメント５と回転軸１との間隙は、狭まる構造となっている。

すなわち、非定常運転時は、
Ｆ_ｔ≦ｋ_ｎ×ｄ_ｔ ・・・（３）
となる。

一方、定常運転時は、
Ｆ_ｓ≧ｋ_ｎ×ｄ_ｓ ・・・（４）
となる。

また、本実施形態の場合において、定常運転時のシールセグメント５に作用する力と、非定常運転時のシールセグメント５に作用する力には、以下の関係が成り立つ。

Ｆ_ｓ＞Ｆ_ｔ ・・・（５）

そして、第１の実施形態では、次式に示すように、定常運転時と非定常運転時における差圧（Ｐ_ＨＬ−Ｐ_ＬＬ）に応じて、シールセグメント５の変位ｄ_ｓによって、間隙を広げたり狭めたり、調整することができる。

Ｆ_ｓ≧ｋ_ｎ×ｄ_ｓ＞Ｆ_ｔ ・・・（６）

第１の実施形態の軸シール装置は、静翼ガイド２のフック２０と、シールセグメント５のフック２１とを備えているので、シールセグメント５が回転軸１との間隙を狭めても、シールセグメント５と回転軸１との間隙は、一定の間隙を保つように固定される。

以上説明したように、第１の実施形態では、起動時や停止時の非定常運転時の場合には、回転軸１からシールセグメント５を離隔して回転軸１との間隙を広くすることにより、シールセグメント５と回転軸１との間隙を十分広く確保することができるので、回転軸１とシールセグメント５との接触を回避し、ラビンリス振動やラビリンスシールの損傷を回避することができる。

また、定常運転時に移行した場合には、シールセグメント５が回転軸１との間隙を狭くしつつ、静翼ガイド２のフック２０とシールセグメント５のフック２１とにより、回転軸１と、ラビリンスフィン６やブラシシール９との接触を回避することができる。これにより、ラビリンス振動の発生やラビリンスフィン６やブラシシール９の損傷を回避することができる。

このように、定常運転時においては、静翼ガイド２のフック２０とシールセグメント５のフック２１とにより、予め設計された間隙（以下、これを設計間隙ともいう。）を保つことができるとともに、間隙の拡大を防ぐことができるので、漏洩量の低減を図ることができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、シールセグメント５は、チャンバ用連絡通路８を通ってチャンバ３に流入される作動流体のチャンバ３内の圧力によって、回転軸１との間隙を調整するようになっていた。

第２の実施形態では、高圧領域Ｈとチャンバ３との圧力の差によって、チャンバ用連絡通路８を開閉する圧力調整仕切り板（圧力調整部材）をさらに備えるようになっている。

この場合、シールセグメント５は、圧力調整仕切り板がチャンバ用連絡通路８を開閉することにより、回転軸１との間隙を調整するようになっている。

図２は、第２の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図である。なお、第１の実施形態と共通するところは、同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

図２に示すように、第２の実施形態では、チャンバ用連絡通路８に、圧力調整仕切り板１０を備えている。また、圧力調整仕切り板１０はバランスホールを有している。

ここで、バランスホールとは、一定以上の圧力が加わった場合に仕切り板が解放される構造のことであり、圧力調整仕切り板１０は、このバランスホールに加わった圧力に応じて、チャンバ３に作動流体を流入するようになっている。

このため、圧力調整仕切り板１０は、高圧領域Ｈとチャンバ３との差圧が十分大きくなった状態（例えば、定常運転における所定の圧力以上の状態）で開くようになっている。これにより、圧力調整仕切り板１０が開いた場合は、チャンバ３の圧力は高くなり、高圧領域Ｈの圧力Ｐ_ＨＨに近い値になる。

そして、圧力調整仕切り板１０が開いたことにより、シールセグメント５が回転軸１に接近して回転軸１との間隙を狭くし、静翼ガイド２のフック２０とシールセグメント５のフック２１とにより設計間隙を保つ。

一方、起動時や停止時の非定常運転時の場合は、高圧領域Ｈの圧力Ｐ_Ｈは低いため、圧力調整仕切り板１０のバランスホールを通じ、圧力調整仕切り板１０を閉じるようになっている。この場合、高圧領域Ｈとチャンバ３との差圧が小さく、圧力調整仕切り板１０を閉じ、回転軸１からシールセグメント５を離隔して回転軸１との間隙を広げるようになっている。

このように、高圧領域Ｈとチャンバ３との差圧が小さいときは、圧力調整仕切り板１０を閉じているため、シールセグメント５と回転軸１との間隙を、十分広く確保することができる。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、第１の実施形態の場合と同様に、起動時や停止時の非定常運転時の場合には、高圧領域Ｈとチャンバ３との差圧が小さく、圧力調整仕切り板１０を閉じ、回転軸１からシールセグメント５を離隔して回転軸１との間隙を広くする。

一方、定常運転時に移行した場合には、圧力調整仕切り板１０が開くので、チャンバ３の圧力が高くなり、シールセグメント５が回転軸１との間隙を狭くする。また、第１の実施形態と同様に、静翼ガイド２のフック２０とシールセグメント５のフック２１とにより、回転軸１と、ラビリンスフィン６やブラシシール９との接触を回避することができる。

第２の実施形態の場合には、第１の実施形態と比べて、予め設定された圧力の定格値になるまで圧力調整仕切り板１０が開かないため、非定常運転から定常運転に移行するまで間隙を広く維持することができる。また、定常運転に移行した場合は、圧力調整仕切り板１０が開きチャンバ３に作動流体が流れ込むため、即座に間隙を設計間隙に設定することができる。

なお、圧力調整仕切り板１０は、バランスホールを有した実施形態に限定されるものではなく、例えば、ラプチャーディスク（破裂板）で構成されるようにしてもよい。

（第３の実施形態）
第１の実施形態では、シールセグメント５は、チャンバ用連絡通路８を通ってチャンバ３に流入される作動流体によるチャンバ３内の圧力により、回転軸１との間隙を調整するようになっていた。

第３の実施形態では、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとを結ぶピストン用連絡通路１１と、そのピストン用連絡通路１１を移動するピストン１２を備えている。ピストン１２は、高圧領域Ｈから受ける圧力によりピストン用連絡通路１１内を移動するので、チャンバ３は、ピストン１２の移動位置によってチャンバ３内に流入される作動流体の圧力が調整され、回転軸１とシールセグメント５との間隙を調整するようになっている。

図３は、第３の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図である。なお、第１の実施形態と共通するところは、同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

図３に示すように、第３の実施形態では、ピストン用連絡通路１１に、ピストン１２を備えている。第３の実施形態に示すチャンバ３は、ピストン１２が高圧領域Ｈから受ける圧力によりピストン用連絡通路１１内を移動し、その移動位置によりチャンバ３内に流入される作動流体の圧力を調整して回転軸１とシールセグメント５との間隙を調整する。

例えば、起動時や停止時の非定常運転時の場合は、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧は小さい。そのため、ピストン１２は、バネ１４の作用により、ピストン用連絡通路１１内の高圧領域Ｈ側にあり、チャンバ３の圧力は、ピストン用連絡通路１１を通じて低圧領域Ｌの圧力Ｐ_Ｌとなる。

一方、定常運転時に移行した場合には、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧が十分大きくなり、高圧領域Ｈの圧力Ｐ_Ｈがバネ１４の力よりも大きくなるため、ピストン１２は、低圧領域Ｌに移動する。ピストン１２は、ピストン用連絡通路１１に設けられたホール１３よりも低圧領域Ｌに移動すると、ホール１３を介して高圧領域Ｈの圧力Ｐ_Ｈがチャンバ３に加わるため、チャンバ３の圧力は高くなる。これにより、チャンバ３の圧力はピストン用連絡通路１１を通じて高圧領域Ｈの圧力Ｐ_Ｈとなる。

以上説明したように、第３の実施形態によれば、起動時や停止時の非定常運転時の場合は、ピストン１２が高圧領域Ｈ側にあるため、第１の実施形態の場合と同様に、チャンバ３の圧力は低く、シールセグメント５と回転軸１との間隙を十分広く確保することができる。

一方、定常運転時に移行した場合は、ピストン１２がピストン用連絡通路１１のホール１３を通り超えるので、チャンバ３内の圧力を高め、シールセグメント５が回転軸１との間隙を狭くする。また、第１の実施形態と同様に、静翼ガイド２のフック２０とシールセグメント５のフック２１とにより、回転軸１と、ラビリンスフィン６やブラシシール９との接触を回避することができる。

（第４の実施形態）
第１の実施形態では、シールセグメント５は、チャンバ用連絡通路８を通ってチャンバ３に流入される作動流体によるチャンバ３内の圧力により、回転軸１との間隙を調整するようになっていた。

第４の実施形態では、シールセグメント５にブラシシール９が設けられた場合であって、さらにシールセグメント５が間隙を狭める場合について説明する。なお、ブラシシール９は接触式シールの一例であり、ブラシシール９に限定されるものではない。

例えば、第４の実施形態では、シールセグメント５は、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧が設定値より大きくなると、回転軸１と接触するように間隙を狭める。そして、シールセグメント５は、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧により、さらに、回転軸１との接触によりブラシシール９が摩耗した分だけ、間隙を狭めるようになっている。

なお、第４の実施形態では、第１の実施形態にブラシシール９を用いた形態について説明するが、第２の実施形態や第３の実施形態にブラシシール９を用いた形態であっても、同様に適用することができる。

図４は、第４の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図である。なお、第１の実施形態と共通するところは、同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

図４の左側に示すように、定常運転時１において、ブラシシール９と回転軸１とが接触した状態を示している。この定常運転時１の状態において、シールセグメント５と回転軸１との接触によりブラシシール９が摩耗すると、図４の右側の定常運転時２に示すように、シールセグメント５は、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧により、さらに間隙を狭めることができる。

例えば、シールセグメント５にかかる差圧の力Ｆ_ｓが式（２）において左辺が大きい場合には、図４の右側に示すように、シールセグメント５は、さらに回転軸１側に移動し、ブラシシール９が回転軸１に対し一定の押圧力を有することができる。

また、図４の左側の定常運転時１の場合、ブラシシール９と回転軸１とが接触面１５において接触しているため、シールセグメント５と回転軸１との間隙を、継続的にゼロとする（無くす）ことができる。さらに、静翼ガイド２のフック２０とシールセグメント５のフック２１との間に、マージン領域１６を設けることにより、シールセグメント５は、回転軸１に対して押圧する力を蓄えることができる。

すなわち、図４の右側の定常運転時２に示すように、接触面１５においてブラシシール９の毛が短くなった場合でも、毛の短くなった量に応じて、ブラシシール９を回転軸１に押し付けることができる。

以上説明したように、第４の実施形態によれば、定常運転時にブラシシール９を回転軸１に接触させることができるので、シールセグメント５と回転軸１との間隙をゼロにすることができる。また、静翼ガイド２のフック２０とシールセグメント５のフック２１との間にマージン領域１６を設けることにより、定常運転時にブラシシール９が摩耗しても、間隙を常（継続的）ゼロに維持することができるので、十分なシール効果を発揮することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態では、第１から第４の実施形態と一部が異なり、静翼ガイド２に支点を設けるようになっている。また、第５の実施形態では、その支点にシールセグメント５が設置されている。

図５は、第５の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図である。なお、第１の実施形態と共通するところは、同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。

図５に示すように、第５の実施形態では、シールセグメント５は、静翼ガイド２に設けられた支点１７に設置されている。シールセグメント５は、回転軸１の回転動作に伴って高圧領域Ｈの圧力Ｐ_Ｈが高くなると、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧が大きくなる。この場合、シールセグメント５は、静翼ガイド２に設けられた支点１７を軸にして、回転軸１側に押し下げられ、間隙を狭める。

一方、回転軸１の起動時または停止時の動作に伴って高圧領域Ｈの圧力Ｐ_Ｈが低いときは、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧が小さくなる。この場合、シールセグメント５は、静翼ガイド２に設けられた支点１７を軸にして、回転軸１から離隔して回転軸１との間隙を広げる。

なお、バネ４は、第１の実施形態で示したバネ４と同等である。すなわち、バネ４は、静翼ガイド２とシールセグメント５と連結するものであり、回転軸１の中心方向とは反対方向に作用するように設けられている。また、シールセグメント５には、ブラシシール９が設けられた実施形態を示しているが、これに限定されるものではなく、シールセグメント５にラビリンスフィン６が設けられるようにしてもよい。

また、第５の実施形態に第４の実施形態を適用することができるので、ブラシシール９を用いて、シールセグメント５と回転軸１との間隙をゼロにする（無くす）ようにしてもよい。

以上説明したように、第５の実施形態によれば、起動時または停止時の非定常運転時には、シールセグメント５と回転軸１とが接触することがないので、ラビリンス振動の発生やブラシシール９またはラビリンスフィン６の摩耗や損傷が発生することがない。

また、第５の実施形態において、第４の実施形態で説明したマージン領域１６に相当する領域を支点１７に設定して（例えば、支点１７を回転軸１に近づける）、押圧力によりブラシシール９を回転軸１に接触させることもできるので、シールセグメント５と回転軸１との間隙をゼロにすることもできる。この場合、定常運転時に、シールセグメント５と回転軸１との間隙をゼロにすることができるので、十分なシール効果を発揮することができる。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、第５の実施形態に係る他の実施形態として、支点１７の代わりに、ピストンを含むユニットを設置するようになっている。

図６は、第６の実施形態に係る軸シール装置の構造例を示す断面図である。

図６に示すように、例えば、静翼ガイド２は、ユニット１８を備えるようになっている。ユニット１８は、ピストン１２、支点２２、支点２３及びピストン２４を含んで構成されている。また、ユニット１８は、シールセグメント５を保持（固定）するようになっている。

例えば、ユニット１８は、ピストン１２により高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧を受け、ピストン１２が低圧領域Ｌの方へ移動することにより、シールセグメント５も連動して回転軸１側へ移動する。この場合、シールセグメント５は、ユニット１８によりスィングするようになっており、シールセグメント５のスィング動作によって、シールセグメント５が回転軸１との間隙を狭めるようなっている。

すなわち、シールセグメント５は、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧を受けたピストン１２により、そのピストン１２の移動に追従し、シールセグメント５自体がスィングしながら回転軸１との間隙を狭めたり広げたりする。なお、シールセグメント５は、ユニット１８に一体として固定されていてもよく、または、静翼ガイド２にガイドされるようになっていてもよい。

なお、ユニット１８は、ピストン１２、支点２２、支点２３、ピストン２４を含むように構成されているが、第６の実施形態はこれに限定されるものではない。すなわち、高圧領域Ｈと低圧領域Ｌとの差圧を受けることにより、ピストン１２がその差圧により移動し、シールセグメント５は、その差圧に追従（連動）して、シールセグメント５が回転軸１との間隙を狭めたり、広げたりする構成であれば良い。

以上説明したように、第６の実施形態によれば、第５の実施形態と同様に、起動時または停止時の非定常運転時には、シールセグメント５と回転軸１とが接触することなく間隙を確保することができるので、ラビリンス振動の発生を防ぎ、かつブラシシール９またはラビリンスフィン６の摩耗や損傷が発生することがない。一方、定常運転時においては、間隙を維持することができるので、漏洩の低減を図ることができる。

また、第６の実施形態において、第４の実施形態で説明したマージン領域１６に相当する領域をユニット１８に設け、押圧力によりブラシシール９を回転軸１に接触させることもできるので、シールセグメント５と回転軸１との間隙をゼロにすることもできる。この場合、定常運転時に、シールセグメント５と回転軸１との間隙をゼロにすることができるので、十分なシール効果を発揮することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 回転軸
２ 静翼ガイド
３ チャンバ
４ バネ
５ シールセグメント
６ ラビリンスフィン
７ 低摩擦部材
８ チャンバ用連絡通路
９ ブラシシール
１０ 圧力調整仕切り板
１１ ピストン用連絡通路
１２ ピストン
１３ ホール
１４ バネ
１５ 接触面
１６ マージン領域
１７ 支点
１８ ユニット
２０、２１ フック（係止部材）
２２、２３ 支点
２４ ピストン

Claims (8)

1. 回転機械の回転軸と、
   前記回転軸の外側に環状に配置され、前記回転軸に沿った領域を高圧領域と低圧領域に隔てる静翼ガイドと、
   前記高圧領域と前記低圧領域との差圧によって回転軸方向に移動するように前記静翼ガイドに支持されると共に、前記回転軸周りに環状に配置されるシールセグメントと、
   を備え、
   前記シールセグメントは、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧が大きいときは、前記回転軸に接近して前記回転軸との間隙を狭め、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧が小さいときは、前記回転軸から離隔して前記回転軸との間隙を広げる
   軸シール装置。
2. 前記静翼ガイド内に設けられる環状のチャンバと、
   前記チャンバ内に配設され、前記静翼ガイドと前記シールセグメントとを連結する弾性体と、
   をさらに備える請求項１に記載の軸シール装置。
3. 前記チャンバは、前記シールセグメントの一部を収納し、
   前記静止ガイド及び前記シールセグメントの少なくとも一方には、前記高圧領域と前記低圧領域との差圧が大きいときは、前記回転軸と前記シールセグメントとの間隙が所定の値となるように、前記シールセグメントの前記回転軸方向への移動を停止させる係止部材が設けられる
   請求項２に記載の軸シール装置。
4. 前記高圧領域と前記チャンバとの差圧によって、前記高圧領域から前記チャンバに流入されるチャンバ用連絡通路を開閉する圧力調整部材をさらに備え、
   前記シールセグメントは、
   前記高圧領域と前記チャンバとの差圧が大きいときは、前記圧力調整部材が開き、前記回転軸に接近して前記回転軸との間隙を狭める一方、前記高圧領域と前記チャンバとの差圧が小さいときは、前記圧力調整部材を閉じて、前記回転軸から離隔して前記回転軸との間隙を広げる
   請求項２または３に記載の軸シール装置。
5. 前記シールセグメントは、接触式シール部材を備え、
   前記接触式シール部材と前記回転軸とが接触し、前記シールセグメントと前記回転軸との間隙を継続的に無くす
   請求項１から４のいずれか１項に記載の軸シール装置。
6. 前記シールセグメントは、
   前記第１領域と前記第２領域との差圧が大きくなると、前記静翼ガイドに設けられた支点を軸にして間隙を詰つめる一方、前記第１領域と前記第２領域との差圧が小さくなると、前記支点を軸にして前記回転軸との間隙を広げる
   請求項１に記載の軸シール装置。
7. 前記静翼ガイドは、
   前記高圧領域と前記低圧領域との差圧を受けると移動するピストンを備え、
   前記シールセグメントは、
   前記ピストンの移動に基づいて、間隙を狭めたり広げたりする
   請求項１に記載の軸シール装置。
8. 前記静翼ガイドは、
   前記高圧領域と前記低圧領域との差圧を受けると移動するピストンを備え、
   前記シールセグメントは、
   前記ピストンの移動に追従し、スィングしながら間隙を狭めたり広げたりする
   請求項１に記載の軸シール装置。

Images