JP2017203469A - シールセグメント及び回転機械 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明の第一実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態においては、軸シール装置10をガスタービン(回転機械)1に適用した例を示す。
タービン4は、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。
なお、以下の説明においては、特に言及しない限り、ロータ5の軸線Axの延びる方向を単に「軸方向Da」と、ロータ5の周方向を単に「周方向Dc」と、ロータ5の径方向を単に「径方向Dr」、ロータ5の回転方向を単に「回転方向Bc」という。
動翼7は軸方向Da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、軸シール装置10が設けられている。
各シールセグメント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。
第一シール体13は、周方向Dc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複数の第一薄板シール片20を備える。当該複数の第一薄板シール片20は、ロータ5の周方向Dcの一部領域において、周方向Dc(回転方向Bc)に沿って積層されており、軸方向Daからみて全体として円弧帯状をなしている。
リテーナ21,22は、第一薄板シール片20の外周側基端27において第一薄板シール片20を両側から挟持するように構成されている。リテーナ21,22の周方向Dcおける断面は略C字型に形成されている。また、リテーナ21,22の軸方向Daおける断面は円弧帯形状に形成されている。
高圧側側板23は、第一薄板シール片20の高圧側領域に対向する一方の縁端とリテーナ21とによって挟持されている。よって、高圧側側板23は、複数の第一薄板シール片20の高圧側側面を、軸方向Daの高圧側から覆うように径方向Dr及び周方向Dcに延びている。
低圧側側板24は、第一薄板シール片20の低圧側領域に対向する他方の縁端とリテーナ22とによって挟持されている。よって、低圧側側板24は、複数の第一薄板シール片20の低圧側側面を、軸方向Daの低圧側から覆うように径方向Dr及び周方向Dcに延びている。
隣接する複数の第一薄板シール片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。
したがって、第一薄板シール片20は、径方向Dr内側に向かうにしたがって、回転方向Bc前方側に延出している。
また、低圧側側板24は、高圧側側板23と第一薄板シール片20により押されてハウジング30の内周壁面の低圧側壁面32に密着する。低圧側側板24は、高圧側側板23よりも内径が大きくなっており、複数の第一薄板シール片20間の隙間の流れを浮上しやすい流況にしている。
第二シール体33及びその周辺の構造について、図4〜図8を参照して説明する。
複数の第二薄板シール片40は、複数の第一薄板シール片20の周方向Dcの隣に配置される複数の第二主薄板シール片60と、さらに周方向Dcの隣に配置される複数の第二副薄板シール片80とを備える。
リテーナ21,22の周方向Dcの端部に、複数の第二主薄板シール片60、続いて複数の第二副薄板シール片80が周方向Dcに積層されている。
積層された各第二主薄板シール片60及び各第二副薄板シール片80は、径方向Dr内側に延出している。
第二主薄板シール片60は、周方向Dc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複数の第二主薄板シール片60を備える。
第二副薄板シール片80は、周方向Dc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複数の第二副薄板シール片80を備える。
同様に、図4に示されない低圧側側板24も、上記のとおり複数の第一薄板シール片20の低圧側側面を覆うと共に、第二主薄板シール片60の低圧側側面を、軸方向Daの低圧側から覆うように周方向Dcにさらに延びている。
したがって、高圧側側板23及び前記低圧側側板24は、第一シール体13の軸線方向側面を周方向Dcにわたって覆うと共に、第二シール体33の軸線方向側面の少なくとも周方向Dc一部を覆っている。
本実施形態において、高圧側側板23は、周方向Dcについて、第二主薄板シール片60の高圧側側面と第二副薄板シール片80の高圧側側面との境界まで延びており、周方向縁部23dは、当該境界に位置している。
複数の第二副薄板シール片80は、各シールセグメント11間の分割部の隙間に合わせて枚数調整され、各シールセグメント11間の分割部の隙間を遮蔽している。
複数の第二副薄板シール片80は、高圧側側板23及び低圧側側板24から周方向Dcに露出していることで第二副薄板シール片80の一部を順に剥がすことができるため、各シールセグメント11間の分割部の隙間に応じて、必要な薄板シール片の枚数調整がしやすい構造となっている。
他方、図4に示すように、各第二主薄板シール片60の板厚Ptbは、複数の第二主薄板シール片60全体にわたって一定の大きさとなっており、第一薄板シール片20の板厚Ptaに比べて大きくなっている。各第二副薄板シール片80の板厚Ptcも、複数の第二副薄板シール片80全体にわたって一定の大きさとなっており、第一薄板シール片20の板厚Ptaに比べて大きくなっている。本実施形態では、板厚Ptbと板厚Ptcとを同じにしているが、異なっていてもよい。
他方、周方向Dc断面における第一薄板シール片20、リテーナ21及びリテーナ22の組み合わせと、複数の第二主薄板シール片60と、複数の第二副薄板シール片80とは、周方向Dc断面における当該各形状が周方向Dcに向かって揃うように並べられている。
したがって、シールセグメント11は、第一シール体13及び第二シール体33にわたって、軸方向Da側面が略面一になっているため、作動流体Gの流れの妨げにくい構造となっており、不均一な流れが発生することを抑制している。不均一な流れが発生することを抑制すれば、シール特性の劣化やフラッタリングの発生を抑制することができる。
なお、図5〜図7において、各構造に対して、同じ記号(Ma〜Mg)で表した部分は、同じ寸法であることを示す。
また、不均一な流れが問題とならないときは、周方向Dc断面における寸法及び形状を同じとする必要はなく、軸方向Da側面が面一にする必要もない。
よって、第二シール体33は、リテーナ21、リテーナ22及び第一シール体13から取り外し可能な構成であると共に、ブロック化されている。
変形例として、複数の第二薄板シール片40は、外周側基端67及び外周側基端87において、ネジ止め、帯掛け等によって、互いに拘止されブロック化されてもよい。
本実施形態のシールセグメント11は、第一シール体13の周方向Dcの端面に、第一薄板シール片20の板厚Ptaに比べて大きな板厚Ptb,Ptcを有する複数の第二薄板シール片40を備えているため、シールセグメント11の周方向Dc端部における薄板シール片の剛性を高めている。したがって、シールセグメント11間の分割部、すなわち、周方向Dcに隣り合うシールセグメント11の高圧側側板23の間の分割部における薄板シール片の摩耗が抑制される。
他方でシールセグメント11の端部より周方向Dc内側は、薄い板厚の薄板シール片を用いており、薄板シール片の浮上特性の性能が維持される。
また、剛性の大きい薄板シール片を有する第二シール体33を、第一シール体13の周方向Dcの端面にキャップのように嵌めて、第一薄板シール片20を保護している。
高圧側側板23の周方向縁部23dは、薄板シール片の側面に密着しにくく、高圧側側板23の軸方向Da内側にまで作動流体Gが回り込んでくる。
第二シール体33を用いずに、高圧側側板23の周方向縁部23dにわたって第一薄板シール片20を並べた場合、高圧側側板23の軸方向Da内側にまで作動流体Gが回り込んでくるため、高圧側側板23で覆われた第一薄板シール片20にも作動流体Gの軸方向Daの流れが漏れこむ。よって、高圧側側板23で覆われていない第一薄板シール片20だけではなく、周方向縁部23d付近の高圧側側板23で覆われた第一薄板シール片20においても、フラッタリングが発生する虞がある。
これに対し、本実施形態のシールセグメント11は、上記のとおり、高圧側側板23で覆われていない第二副薄板シール片80の剛性だけではなく、周方向縁部23d付近の高圧側側板23で覆われた第二主薄板シール片60の剛性も大きくしている。
したがって、周方向縁部23d付近の高圧側側板23で覆われた第二主薄板シール片60についても、フラッタリングを抑制している。
したがって、(通常の製作工程である)同じ板厚の薄板シール片を組み立てる製作工程を維持しながら、シールセグメント11の分割部付近のみ板圧を変更することができるため、品質の維持及び生産効率の向上を図ることができる。
以下、本発明の第二実施形態について、図9を参照して説明する。
本実施形態の第二シール体133は、複数の第二薄板シール片140を有する。
複数の第二薄板シール片140は、複数の第一薄板シール片20の周方向Dcの隣に配置される複数の第二主薄板シール片160と、さらに周方向Dcの隣に配置される複数の第二副薄板シール片180とを備える。
また、第二シール体133は、第二シール体33と同様に、リテーナ21、リテーナ22及び第一シール体13から取り外し可能な構成であると共に、ブロック化されている。
したがって、シールセグメントの分割部から周方向Dcに離れるにしたがって、薄板シール片の板厚は、薄板シール片に浮上特性を与えるのに適した板厚となるように徐々に変化している。
よって、第二シール体133も、第二シール体33と同様に、第二主薄板シール片160及び第二副薄板シール片180の剛性が大きい。したがって、シールセグメントの分割部の薄板シール片の摩耗が抑制されると共に、周方向縁部23d付近の高圧側側板23で覆われた第二主薄板シール片160についても、フラッタリング摩耗を抑制している。
シールセグメントの分割部から高圧側側板23の軸方向Da内側にまで回り込んでくる作動流体Gの流れは、シールセグメントの分割部から離れるほど小さくなる。すなわち、シールセグメントの分割部から離れるほど、複数の薄板シール片間の隙間部分における作動流体Gの圧力バランスは、浮上特性の性能に適した理想的な圧力バランスに近づく。よって、シールセグメントの分割部から離れるほど、薄板シール片のフラッタリング発生のリスクは徐々に減少するため、薄板シール片の板厚を大きくする必要がなくなる。
これに対し、第二シール体133は、シールセグメントの分割部から離れるほど、薄板シール片の板厚が徐々に小さくなっている。
したがって、第二薄板シール片140のうち、フラッタリングによる摩耗を避けられないシールセグメントの分割部の第二薄板シール片140については、板厚が大きくして剛性を大きくしている。他方で、シールセグメントの分割部から離れるほど板厚を小さくすることで第二薄板シール片140の剛性を小さくして、第二薄板シール片140にも浮上特性を与えている。また、徐々に第二薄板シール片140の板厚を変化させることで、不均一な流れを抑制することもできる。
以下、本発明の第三実施形態について、図10を参照して説明する。
本実施形態の第二シール体233は、複数の第二薄板シール片240を有する。
複数の第二薄板シール片240は、複数の第一薄板シール片20の周方向Dcの隣に配置される複数の第二主薄板シール片260と、さらに周方向Dcの隣に配置される複数の第二副薄板シール片280とを備える。
また、第二シール体233は、第二シール体33と同様に、リテーナ21、リテーナ22及び第一シール体13から取り外し可能な構成であると共に、ブロック化されている。
他方、図10に示すように、各第二主薄板シール片260の板厚Ptbは、複数の第二主薄板シール片260全体にわたって一定の大きさとなっており、第一薄板シール片20の板厚Ptaに比べて大きくなっている。各第二副薄板シール片280の板厚Ptcも、複数の第二副薄板シール片280全体にわたって一定の大きさとなっており、第一薄板シール片20の板厚Ptaに比べて大きくなっている。本実施形態では、板厚Ptbと板厚Ptcとを同じにしているが、異なっていてもよい。
したがって、第二薄板シール片240のうち、フラッタリングによる摩耗を避けられないシールセグメントの分割部の第二薄板シール片240については、薄板シール片の長さを小さくして、耐フラッタリング性を大きくしている。他方で、シールセグメントの分割部から離れるほど薄板シール片の長さを大きくして、第二薄板シール片240にも浮上特性を与えている。また、徐々に第二薄板シール片240の長さを変化させることで、不均一な流れを抑制することもできる。
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:軸受け部
9:ケーシング
9a:軸受け部
10:軸シール装置
11:シールセグメント
12:周方向端部
13:第一シール体
20:第一薄板シール片
20a:切り欠き部
20b:切り欠き部
20c:側面
21:リテーナ
21a:凹溝
22:リテーナ
22a:凹溝
23:高圧側側板
23a:嵌込段差部
23b:外径側縁部
23c:内径側縁部
23d:周方向縁部
24:低圧側側板
24a:嵌込段差部
26:内周側端部
27:外周側基端
30:ハウジング
31:凹溝
32:低圧側壁面
33:第二シール体
40:第二薄板シール片
60:第二主薄板シール片
60a:切欠き部
60b:切欠き部
67:外周側基端
80:第二副薄板シール片
87:外周側基端
133:第二シール体
140:第二薄板シール片
160:第二主薄板シール片
180:第二副薄板シール片
233:第二シール体
240:第二薄板シール片
260:第二主薄板シール片
280:第二副薄板シール片
Ax:軸線
Bc:回転方向
Da:軸方向
Dc:周方向
Dr:径方向
G:作動流体
Claims (7)
- 回転軸の外周側で該回転軸の周方向に延びるリテーナと、
該リテーナから径方向内側に延出して、周方向に複数積層された第一薄板シール片を有する第一シール体と、
前記第一シール体と前記リテーナとに挟まれるように支持されて、前記第一シール体の軸方向一方側を周方向にわたって覆う高圧側側板と、
前記第一シール体と前記リテーナとに挟まれるように支持されて、前記第一シール体の軸方向他方側を周方向にわたって覆う低圧側側板と、
前記リテーナの周方向の端部に複数積層されて径方向内側に延出するとともに、前記第一薄板シール片よりも耐フラッタリング性の高い第二薄板シール片を有する第二シール体と、
を備え、
前記高圧側側板及び前記低圧側側板が、前記第二シール体の少なくとも周方向一部を覆っているシールセグメント。 - 前記第二薄板シール片は、前記第一薄板シール片よりも剛性が大きい請求項1に記載のシールセグメント。
- 前記第二薄板シール片は、前記第一薄板シール片よりも板厚が大きい請求項1又は2に記載のシールセグメント。
- 前記第二薄板シール片は複数であって、前記第一薄板シール片に向かって板厚が小さくなっている請求項1から3のいずれか一項に記載のシールセグメント。
- 前記第二薄板シール片は、前記第一薄板シール片よりも径方向内側に延出する長さが小さい請求項1から4のいずれか一項に記載のシールセグメント。
- 前記第二薄板シール片は複数であって、前記第一薄板シール片に向かって径方向内側に延出する長さが大きくなっている請求項1から5のいずれか一項に記載のシールセグメント。
- 請求項1から6のいずれか一項に記載のシールセグメントを備える回転機械。
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