JP2017203470A - シールセグメント及び回転機械 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シールセグメント11は、回転軸の外周側で周方向Dcに延びるリテーナ21と、リテーナ21から径方向Dr内側に延出して、周方向Dcに複数積層された薄板シール片20を有するシール体13と、シール体13とリテーナ21とに挟まれるように支持されて、シール体13の軸方向Da両側を周方向Dcにわたって覆う高圧側側板23及び低圧側側板と、リテーナ21の周方向Dc端部からさらに周方向Dcに延びるリテーナ模擬部51、及びリテーナ模擬部51から径方向Dr内側に向かって延びるシール体模擬部53を有するブロック体50とを備え、高圧側側板23及び低圧側側板が、ブロック体50におけるシール体模擬部53の少なくとも一部を覆っている。
【選択図】図4
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。
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薄板シール片20を備える。当該複数の薄板シール片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、薄板シール片20の外周側基端27において薄板シール片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、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、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、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。
ブロック体50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。
本実施形態では、リテーナ21,22の周方向Dc端部のうち、回転方向Bc前方側の端部からのみリテーナ模擬部51,52が延びている。
また、本実施形態のシールセグメント11は、リテーナ21,22の周方向Dc端部のうち、回転方向Bc後方側の端部に、調整用薄板シール片40を備える。調整用薄板シール片40はリテーナ21,22から露出しており、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に調整される。枚数調整された調整用薄板シール片40は、各シールセグメント11間の分割部の隙間を遮蔽する。
また、高圧側側板23は、回転方向Bc前方側の縁部であって、外径側縁部23bから径方向Dr内側に延びて内径側縁部23cに接続される前側縁部23dを有している。
本実施形態の場合、前側縁部23dは径方向Drに沿うように延びている。
また、低圧側側板24も、回転方向Bc前方側の縁部であって、外径側縁部から径方向Dr内側に延びて内径側縁部に接続される前側縁部を有している。
シール体模擬部53は、径方向Drについて、高圧側側板23の内径側縁部23cに揃う位置まで延びている。よって、シール体模擬部53は、ロータ5と非接触である。
すなわち、リテーナ模擬部51,52は、シール体模擬部53の外周側基端57においてシール体模擬部53を軸方向Da両側から挟持するように構成されている。
また、リテーナ模擬部51,52の周方向Dcおける断面は略C字型に形成されていることによって、リテーナ模擬部51,52は、それぞれ周方向に延びる凹溝51a,凹溝52a溝を備えている。
さらに、本実施形態では、リテーナ模擬部51,52の軸方向Daおける断面は、円弧帯形状に形成されている。
すなわち、シール体模擬部53は、周方向Dcに沿って延び、軸方向Daからみて円弧帯状をなしており、周方向Dc断面について外周側基端57の幅(軸方向Daの幅)に比べて内周側の幅(軸方向Daの幅)が小さくなる略T字型である立体形状で構成されている。また、シール体模擬部53の軸方向Daの両側面には、その幅が小さくなる位置において切り欠き溝50a,50bが形成されている。
また、嵌込段差部23a,24aに切り欠き溝50a,50bがそれぞれ嵌っている。よって、シール体模擬部53は、高圧側側板23と低圧側側板24との間に嵌め込まれると共に、リテーナ模擬部51,52の間に嵌め込まれる際、径方向Drに規制されつつ、周方向Dcにスライド可能となっている。
したがって、シール体模擬部53の周方向Dcを向く両側面は、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。
本実施形態は、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の間の分割部であるシール体13の回転方向Bc前方の端部に、金属のブロックからなるシール体模擬部53を備えている。
シール体模擬部53の摩耗が問題とならないときは、変形例として、シール体模擬部53を内部に空洞を有する金属としてもよく、他の変形例として、シール体模擬部53を金属の箱としてもよい。
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、シール体模擬部53を、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、薄板シール片20を保護している。
よって、高圧側側板23の前側縁部23d付近の薄板シール片において、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では、上記のとおり、シール体13の回転方向Bc前方の端部にシール体模擬部53が設けられている。すなわち、高圧側側板23は、複数の薄板シール片20側面からさらに延びて、シール体模擬部53の軸方向Da高圧側の少なくとも一部を覆っている。
シール体模擬部53の軸方向Da高圧側の少なくとも一部を覆っていると、高圧側側板23の軸方向Da内側にまで作動流体Gが回り込んできても、回り込んでくる作動流体Gは、シール体模擬部53周辺に流れ込むだけであり、複数の薄板シール片20にまで流れ込みにくい。
したがって、本実施形態のシールセグメント11は、複数の薄板シール片20に作動流体Gが回り込んでくることを抑制できるため、作動流体Gの軸方向Daの流れが漏れこみにくく、複数の薄板シール片20において、フラッタリングが発生することを抑制できる。
シール体模擬部53の回転方向Bc後方部を高圧側側板23の回転方向Bcの前方部で覆えば、高圧側側板23の回転方向Bc前方部の板面形状の自由度が高くなる。
よって、高圧側側板23の回転方向Bc前方側の板面形状を、必ずしも複数の薄板シール片の軸方向Da側面形状やシール体模擬部53の軸方向Da側面形状に合わせる必要がない。言い換えると、高圧側側板23の回転方向Bc前方側の板面形状を、回転方向Bcに対して、前側縁部23dとロータ5の周面となす角が鋭角となる板面形状とする必要がない。
したがって、当該板面形状の鋭角を大きくすることで、高圧側側板23の剛性を大きくできるため、高圧側側板23にフラッタリングを抑制することができる。
本実施形態のシールセグメント11は、通常の製作工程によって製作された大部分のシール体13に、小部分のシール体模擬部53を嵌め込むことができる。すなわち、板厚の同じ多数枚の薄板シール片でシールセグメント11の大部分を製作した後、周方向Dc端部だけシール体模擬部53を設けることができる。
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の分割部付近のみシール体模擬部53を設けることができ、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。
ブロック体150及びその周辺の構造について、図9を参照して説明する。
本実施形態では、接触シール154にブラシシールを用いている。
本実施形態では、接触シール154を用いることによって、シール体模擬部153の径方向Dr内側端とロータ5とを接触させることなく、シール体模擬部153の径方向Dr内側端とロータ5との間には隙間を埋めることができる。したがって、作動流体Gが漏れを抑制することができる。
接触シール154に、ラビリンスシール等を設けることも可能である。
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。
ブロック体250及びその周辺の構造について、図10を参照して説明する。
本実施形態では、副シール体模擬部253bは、主シール体模擬部253aに比べて、例えば周方向Dcの厚さを小さくすることによって、周方向Dcに対する剛性を小さくしている。副シール体模擬部253bは、周方向Dcに対する剛性を小さくすることによって、外周側基端257に対して周方向Dcに沿う搖動方向Delに弾性を有し、撓むことができるため、薄板シール片20の挙動に追従するように変形する。したがって、薄板シール片20の浮上を妨げない。
スリットSL2の周方向Dcの幅が大きくなれば、スリットSL2からの作動流体Gの漏れが大きくなるため、スリットSL2の周方向Dcの幅はできるだけ小さくする。
以下、本発明の第四実施形態について、図11を参照して説明する。
ブロック体350及びその周辺の構造について、図11を参照して説明する。
副シール体模擬部253b自身の弾性に加え、弾性部材の弾性によって、副シール体模擬部253bは、外周側基端257に対して周方向Dcに沿う搖動方向Delに弾性を有し、撓むことができるため、薄板シール片20の挙動に追従するように変形する。したがって、薄板シール片20の浮上を妨げない。
さらに、本実施形態では、弾性部材の弾性係数を調整することで、副シール体模擬部253bの撓みを、薄板シール片20の挙動に追従するように調整することが可能となる。
本実施形態では、弾性部材355を1箇所しか設けていないが、スリットSL2に沿って複数個所に設けてもよい。
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:シール体
20: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:前側縁部
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
50:ブロック体
50a:切り欠き溝
50b:切り欠き溝
51:リテーナ模擬部
51a:凹溝
52:リテーナ模擬部
52a:凹溝
53:シール体模擬部
57:外周側基端
111:シールセグメント
150:ブロック体
153:シール体模擬部
154:接触シール
211:シールセグメント
250:ブロック体
253:シール体模擬部
253a:主シール体模擬部
253b:副シール体模擬部
257:外周側基端
311:シールセグメント
350:ブロック体
355:弾性部材
Ax:軸線
Bc:回転方向
Da:軸方向
Dc:周方向
Del:搖動方向
Dr:径方向
G:作動流体
SL2:スリット
Claims (6)
- 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薄板シール片を有するシール体と、
前記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端部からさらに周方向に延びるリテーナ模擬部、及び、該リテーナ模擬部から径方向内側に向かって延びるシール体模擬部を有するブロック体と、
を備え、
前記高圧側側板及び前記低圧側側板が、前記ブロック体における前記シール体模擬部の少なくとも一部を覆っているシールセグメント。 - 前記シール体模擬部は、前記径方向内側に向かって延びる接触シールを備える
請求項1に記載のシールセグメント。 - 前記接触シールは、ブラシシールを備える
請求項2に記載のシールセグメント。 - 前記シール体模擬部は、前記径方向内側に向かって延びるスリットによって、主シール体模擬部と副シール体模擬部とに分割されている請求項1から3のいずれか一項に記載のシールセグメント。
- 前記シール体模擬部は、前記主シール体模擬部と前記副シール体模擬部との間に弾性部材を備える請求項4に記載のシールセグメント。
- 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を備える回転機械。
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