JP3691000B2 - 軸シール機構及びガスタービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン，蒸気タービン，圧縮機，水車，冷凍機，ポンプなどの大型流体機械の回転軸等に用いて好適な、軸シール機構に関する。
また、本発明は、高温高圧のガスをタービンに導いて膨張させ、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させるガスタービンに関し、特にその回転軸に適用される軸シール機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、流体機械の回転軸等において、静止側と回転側との間の環状隙間より、高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩するのを防止することを主な目的として、軸シール機構が用いられている。この軸シール機構としては、ラビリンスシールやブラシシールがあり、それぞれ以下に説明する構造を備えている。
【０００３】
まず、図２０に示すラビリンスシールは、静止側１と回転側２との間の隙間である環状空間を埋めるように配置固定されており、回転側２とフィン３との隙間４を狭めることにより、高圧側５から低圧側６へ流れる流体の流路面積を小さくし、さらに、圧損抵抗の大きい流路７を形成するように構成されている。このような構成により、高圧側５から低圧側６に向かって漏洩する流体流量を低減する役目をなしている。
同様に、図２１に示すブラシシールも、静止側１と回転側２との間の隙間である環状空間を埋めるように配置固定されており、そのワイヤ先端７Ａを回転側２に接触させることで、静止側１と回転側２との間の隙間をなくし、実質的な流路７Ｂを、ワイヤ先端７Ａ間を通過するもののみとすることで、高圧側５から低圧側６に向かって漏洩する流体流量を大幅に低減することが可能となっている。
【０００４】
このブラシシールを参考として、軸シール機構を正面より見た全体構成の一例を図２２（ａ），（ｂ）に示す。なお、図２２（ａ）は、図２１の矢視Ａより見た正面図であり、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。これら図２２（ａ），（ｂ）に示すように、ブラシシールは円周方向の複数箇所において分割（同図は６分割の例を示している）されており、これら分割部分には、隙間９がそれぞれ形成されている。これら隙間８は、流体機械の作動流体が温度変化を伴う場合、軸シール機構と取付部部材との材料の違い、或いは、過渡的な温度変化の違いによる熱膨張差を許容するために必須なものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような分割構造では、各分割片８間に隙間９がそれぞれ形成され、これら隙間９が、高圧側５から低圧側６に向かって直線的に流体を通過させる流路１０を形成してしまうため、この流路抵抗の低い流路１０を通って漏れる漏洩量が増加し、ガスタービンとしての機械効率を低下させてしまうという問題を招来してしまうこととなる。この問題は、同様な分割構造を有する軸シール機構の全てにおいて生じうるものであり、ブラシシールに限らず、ラビリンスシールにおいても問題となることがある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、各分割部間からの漏洩量を低減し、なおかつ、軸シール機構とその取付部との間の熱膨張差を許容することができる軸シール機構及び、これを備えたガスタービンの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、本発明の請求項１に記載の軸シール機構は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、前記流路抵抗形成部が、向かい合う前記各分割部間を、これら分割部の内周面側の隙間も含めて覆う門型に形成された第１覆い部材であることを特徴とする。
また、請求項２に記載の軸シール機構は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、前記流路抵抗形成部が、向かい合う前記各分割部間から互いに接近する方向にそれぞれ突出する凸部と、これら凸部を、これら凸部の内周面側の隙間も含めて覆う門型に形成された第２覆い部材とを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記請求項１または２に記載の軸シール機構によれば、各分割部間を通って漏れ出ようとする流体には、流路抵抗形成部による流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができるようになる。しかも、各分割部間は分離した状態を維持しているため、互いに接近離間動作することができ、これにより、このリング状の軸シール部材は、応力を生じることなくその外径寸法を拡大または収縮させることもできるようになっている。
【０００９】
請求項３に記載の軸シール機構は、請求項２に記載の軸シール機構において、前記第２覆い部材が、互いに向かい合う前記各分割部間の外形状を一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有することを特徴とする。
上記請求項３に記載の軸シール機構によれば、その全体外形状は、円周方向で連続した単純なリング形状をなすので、各分割部が取り付けられる静止部に対し、第２覆い部を配置するための追加加工を施さずに済む。
【００１０】
請求項３記載の形状測定方法は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、前記流路抵抗形成部が、互いに向かい合う前記各分割部間に設けられ門型に形成された凹凸嵌合部であり、これら凹凸嵌合部の凹部が、凸部の周囲を覆うことを特徴とする。
上記請求項４に記載の軸シール機構によれば、各分割部間を通って漏れ出ようとする流体には、流路抵抗形成部である凹凸嵌合部により流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができる。しかも、各分割部間は分離した状態を維持しているため、互いに接近離間動作することができ、これにより、このリング状の軸シール部材は、応力を生じることなくその外径寸法を拡大または収縮させることもできるようになる。
【００１１】
本発明の請求項５に記載のガスタービンは、圧縮機で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼されたガスをケーシングに導き、該ケーシングの内部に回転可能に支持された回転軸の動翼に吹き付けることで前記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ガスタービンにおいて、請求項１〜４のいずれかに記載の軸シール機構を備えたことを特徴とする。
上記請求項５に記載のガスタービンによれば、上記請求項１〜４のいずれかに記載の軸シール機構と同様の作用を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る軸シール機構及びこれを備えたガスタービンの各実施形態についての説明を以下に行うが、本発明がこれらのみに限定解釈されるものでないことは、勿論である。
【００１３】
まず、図１〜図５を参照しながら第１実施形態についての説明を行う。
図１に、ガスタービンの概略構成を示す。同図において、符号２０は圧縮機、符号２１は燃焼器、符号２２はガスタービンを示している。圧縮機２０は、多量の空気をその内部に取り入れて圧縮するものである。通常、ガスタービンでは、後述する回転軸２３で得られる動力の一部が、圧縮機の動力として利用されている。燃焼器２１は、圧縮機２０で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させるものである。タービン２２は、燃焼器２１で発生させた燃焼ガスをその内部に導入して膨張させ、回転軸２３に設けられた動翼２３ｅに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させるものである。
【００１４】
タービン２２には、回転軸２３側の複数の動翼２３ｅの他に、ケーシング２４側に固定された複数の静翼２４ａが設けられており、これら動翼２３ｅと静翼２４ａとが回転軸２３の軸方向に交互に配列されている。動翼２３ｅは、回転軸２３の軸方向に流れる燃焼ガスの圧力を受けて回転軸２３を回転させ、回転軸２３に与えられた回転エネルギーが軸端から取り出されて利用されるようになっている。静翼２４ａと回転軸２３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機構として、リーフシール２５が設けられている。
【００１５】
このリーフシール２５は、図２及び図３に示すように、回転軸２３の軸線方向に幅を有して先端が回転軸２３の周面２３ａに摺動し、互いに隙間３０を空けて外周側基端がリーフシールケーシング２４Ａ内周面にろう付け固定された複数の可撓性を有する薄板２９を、回転軸２３の周方向に該回転軸２３の外周をシール可能に多重に備えており、各薄板２９と回転軸２３の周面２３ａとが鋭角をなし、各薄板２９の回転軸方向両側にそれぞれ低圧側側板２６及び高圧側側板２７が設けられた構成となっている。そして、このリーフシール２５は、該リーフシール２５（静止部）と、回転軸２３の周面２３ａとの間の環状隙間空間（環状空間）を通って回転軸２３の軸線方向に漏れる燃焼ガスＧ（流体）の流れを阻止するものであり、軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数（６体）の分割部４０に分割（６分割）されたリング状をなしている。
【００１６】
各薄板２９は、回転軸２３の軸方向に所定の幅を有する平板形状を有しており、回転軸２３の周方向に多層に配置された構造になっている。そして、回転軸２３の外周をシールすることによって回転軸２３の周囲空間を高圧側領域と低圧側領域とに仕切っている。また、各薄板２９の幅方向両側において、高圧側領域には前記高圧側側板２７が、低圧側領域には前記低圧側側板２６がそれぞれ圧力作用方向のガイド板として配置されている。
【００１７】
そして、本実施形態のリーフシール２５は、図２〜図４に示すように、各分割部４０間に、これらの間を前記軸線方向に向かう燃焼ガスＧに対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部として、互いに向かい合う各分割部４０間を覆う接合部材４１（第１覆い部材）を設けた点が特に特徴的となっている。
この接合部材４１は、一方の分割部４０の端部４０ａと、該端部４０ａに対向する他の分割部４０の端部４０ｂと、これら両端部４０ａ，４０ｂ間に形成された所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１とを覆う門形の部品であり、各薄板２９が設けられた各分割部４０の内周側部分を除いて、各分割部４０間の接合部分を覆うことが可能となっている。
【００１８】
すなわち、図５に示すように、各接合部材４１は、各分割部４０間の接合部分のうち、その高圧側領域及び低圧側領域に面する各側面４０ｃ，４０ｄと重なる部分及び前記隙間ｃ１を覆う一対の側壁４１ａ，４１ｂと、各外周面４０ｅと重なる部分及び前記隙間ｃ１を覆う外周壁４１ｃとを備えて構成されている。
さらに同図に示すように、各接合部材４１の両側壁４１ａ，４１ｂには、各分割部４０の各側面４０ｃ，４０ｄに形成された段差状の被係止部４０ｃ１，４０ｄ１に対して係止する段差状の係止部４１ａ１，４１ｂ１とが形成されており、各接合部材４１がリーフシール２５の径方向に抜け出るのを防止することが可能となっている。なお、各側壁４１ａ，４１ｂと各側面４０ｃ，４０ｄとの隙間ｃ２としては、前記隙間ｃ１の１／２以下の寸法（ｃ２＜０．５×ｃ１）を採用するのが好ましく、場合によっては摺接（ｃ２＝０）させるようにしても良い。
【００１９】
以上説明の本実施形態のリーフシール２５によれば、各分割部４０間の間を通って漏れ出ようとする燃焼ガスＧには、各接合部材４１による流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができ、ガスタービンの機械効率向上を得ることが可能となる。
【００２０】
すなわち、図４に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かって漏れ出ようとする燃焼ガスＧは、下記（１）〜（３）の理由により、その漏洩量が低減可能となっている。
（１）符号ａ，ｂ，ｃ，ｄの４箇所を曲がるような複雑に折曲した迂回路を通らなければならないので、圧力損失が増し、漏れにくくなる。
（２）隙間ｃ１の流路に加えて、隙間ｃ２の流路分だけ全体流路長が長くなるので、やはり圧力損失が増し、漏れにくくなる。
（３）隙間ｃ１よりも狭い隙間ｃ２の流路を通らなければならないので、この部分で流路面積が絞られ、やはり圧力損失が増して漏れにくくなる。
【００２１】
しかも、各分割部４０間は、各隙間ｃ１を置いて互いに分離した状態を維持しており、なおかつ、各接合部材４１が各分割部４０間を拘束していないので、互いに接近離間動作することができ、これにより、このリング状のリーフシール２５は、応力を生じることなくその外径寸法を拡大または収縮させることもできるようになっている。
【００２２】
以上説明のように、本実施形態のリーフシール２５は、各分割部４０間に、これらの間を前記軸線方向に向かう燃焼ガスＧに対して流路抵抗を付与する接合部材４１を設ける構成を採用した。この構成によれば、各接合部材４１により与えられた流路抵抗により、各分割部４０間を通って漏れる燃焼ガスＧの流量を低減することが可能となる。なおかつ、各分割部４０間は分離状態を維持しているので、これら各分割部４０間が接近離間動作することにより、リーフシール２５とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となっている。
【００２３】
なお、本実施形態の接合部材４１は、各薄板２９が設けられた各分割部４０の内周側部分を除き、各分割部４０間の接合部分を覆うものとしたが、これに限らず、例えば図６に示すように、低圧側側板２６及び高圧側側板２７の各内周面側（前記回転軸２３に面する側の面）をも覆う形状を採用しても良い。この場合、同図に示すように、外周側から前記回転軸２３の位置する内周側に向かう燃焼ガスＧの漏れも、接合部材４１で阻止することができるので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態についての説明を図７〜図１０を参照しながら行うが、その特徴部分を中心に説明するものとし、その他の、上記第１実施形態と同一部分については説明を省略する。
図７〜図９に示すように、本実施形態のリーフシール５０（前記リーフシール２５と区別するために新たな符号５０を与えるものとする）は、向かい合う前記各分割部４０間から互いに接近する方向にそれぞれ突出する各凸部５１と、これら凸部５１を覆う接合部材５２（第２覆い部材）とを、前記流路抵抗形成部として採用している点が特に特徴的となっている。
【００２５】
各凸部５１は、各分割部４０の外形を相似状に細くした外形状を有しており、各分割部４０と一体に形成されている。そして、各凸部５１の一側壁として、各分割部４０の低圧側側板２６に連続する低圧側側板２６、他側壁として各分割部４０の高圧側側板２７に連続する高圧側側板２７が形成されている。
各接合部材５２は、一方の分割部４０の凸部５１と、該凸部５１に対向する他方の分割部４０の凸部５１と、これら両凸部５１間に形成された所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１とを覆う門形の部品であり、各薄板２９が設けられた各凸部５１の内周側部分を除いて、各凸部５１間を覆うことが可能となっている。
【００２６】
すなわち、図１０に示すように、各接合部材５２は、各凸部５１のうち、その高圧側領域及び低圧側領域に面する各側面５１ａ，５１ｂと重なる部分及び前記隙間ｃ１を覆う一対の側壁５２ａ，５２ｂと、各外周面５１ｃと重なる部分及び前記隙間ｃ１を覆う外周壁５２ｃとを備えて構成されている。
さらに同図に示すように、各接合部材５２の両側壁５２ａ，５２ｂには、各凸部５１の各側面５１ａ，５１ｂに形成された段差状の被係止部５１ａ１，５１ｂ１に対して係止する段差状の係止部５２ａ１，５２ｂ１が形成されており、各接合部材５２がリーフシール５０の径方向に抜け出るのを防止することが可能となっている。なお、各側壁５２ａ，５２ｂと各側面５１ａ，５１ｂとの隙間ｃ３としては、前記隙間ｃ１の１／２以下の寸法（ｃ３＜０．５×ｃ１）を採用するのが好ましく、場合によっては摺接（ｃ３＝０）させるようにしても良い。
【００２７】
また、各接合部材５２は、図８及び図９に示すように、互いに向かい合う各分割部４０間の外形状を一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有している。すなわち、各接合部材５２の各側壁５２ａ，５２ｂは、その低圧側領域及び高圧側領域をそれぞれ向いた面の形状が、その両隣の各分割部４０の両側面の形状と等しく、連続した形状をなすようになっている。
【００２８】
以上説明の本実施形態のリーフシール５０によれば、各分割部４０間の間を通って漏れ出ようとする燃焼ガスＧに、各凸部５１及び各接合部材５２による流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができ、ガスタービンの機械効率向上を得ることが可能となる。燃焼ガスＧの漏洩量が低減可能である理由は、前述の（１）〜（３）の理由に同じであるが、本実施形態では、図９に示すように、隙間ｃ４の新たな流路を更に設けているので、上記第１実施形態のリーフシール２５に比較して圧力損失が更に増し、より漏れにくくなっている。
【００２９】
以上説明の本実施形態のリーフシール５０によれば、上記第１実施形態と同様に、各分割部４０間を通って漏れる燃焼ガスＧの流量を低減することができ、なおかつ、リーフシール２５とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となっている。
さらに、本実施形態のリーフシール５０は、その各接合部材５２が、互いに向かい合う各分割部４０間の外形状を一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有しているので、リーフシール５０の取付部に対し、各接合部材５２の箇所のみ特別な加工を施す必要がなくなり、組立性の向上及び低加工コスト化できるのでより好ましいと言える。
【００３０】
なお、本実施形態の接合部材５２は、各薄板２９が設けられた各凸部５１の内周側部分を除き、各凸部５１間を覆うものとしたが、これに限らず、例えば図１１に示すように、低圧側側板２６及び高圧側側板２７の各内周面側をも覆う形状を採用しても良い。この場合、同図に示すように、外周側から前記回転軸２３の位置する内周側に向かう燃焼ガスＧの漏れも、接合部材５２で阻止することができるので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００３１】
次に、本発明の第３実施形態についての説明を図１２〜図１５を参照しながら行うが、その特徴部分を中心に説明するものとし、その他の、上記第１実施形態と同一部分については説明を省略する。
図１２〜図１４に示すように、本実施形態のリーフシール６０（前記リーフシール２５と区別するために新たな符号６０を与えるものとする）は、互いに向かい合う各分割部４０間に設けられた凹凸嵌合部６１を、前記流路抵抗形成部として採用している点が特に特徴的となっている。
すなわち、凹凸嵌合部６１は、向かい合う各分割部４０の一方より他方に向かって突出するように設けられた凸部６２と、該凸部６２を覆うように嵌合し、他方の分割部４０に設けられる凹部６３（嵌合部）とから構成されている。
【００３２】
凸部６２は、各分割部４０の外形を相似状に細くした外形状を有しており、各分割部４０と一体に形成されている。そして、各凸部６２の一側壁として、各分割部４０の低圧側側板２６に連続する低圧側側板２６、他側壁として各分割部４０の高圧側側板２７に連続する高圧側側板２７が形成されている。
凹部６３は、図１４に示すように、該凹部６３に対して凸部６２を嵌合させて組み立てた状態で、その円周方向に所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１を確保するように分割部４０の端部に形成されており、各薄板２９が設けられた凸部６２の内周側部分を除いて、凸部６２の周囲を覆うことが可能となっている。
【００３３】
さらに図１５に示すように、凹部６３には、凸部６２の各側面６２ａ，６２ｂに形成された段差状の被係止部６２ａ１，６２ｂ１に対して係止する段差状の係止部６３ａ１，６３ｂ１が形成されており、凹部６３及び凸部６２間の嵌合状態がリーフシール５０の径方向に抜けるのを防止することが可能となっている。なお、凹部６３及び凸部６２間の隙間ｃ５としては、前記隙間ｃ１以下の寸法（ｃ５＜ｃ１）を採用するのが好ましく、場合によっては摺接（ｃ５＝０）させるようにしても良い。
【００３４】
以上説明の本実施形態のリーフシール６０によれば、各分割部４０間の間を通って漏れ出ようとする燃焼ガスＧには、凹凸嵌合部６１による流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができ、ガスタービンの機械効率向上を得ることが可能となる。
したがって、本実施形態のリーフシール６０によれば、上記第１実施形態と同様に、各分割部４０間を通って漏れる燃焼ガスＧの流量を低減することができ、なおかつ、リーフシール６０とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となっている。
【００３５】
さらに、本実施形態のリーフシール６０は、上記第１実施形態に比較して、前記接合部材４１のような別部品を製作する必要がないことと、互いに向かい合う各分割部４０間の外形状が、一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状をなしているので、リーフシール６０の取付部に対して各凹凸嵌合部６１の箇所のみ特別な加工を施す必要がないこととから、組立性の向上及び低加工コスト化できるのでより好ましいと言える。
【００３６】
なお、本実施形態の凹部６３は、各薄板２９が設けられた各凸部６２の内周側部分を除き、各凸部６２の周囲を覆うものとしたが、これに限らず、例えば図１６に示すように、低圧側側板２６及び高圧側側板２７の各内周面側をも覆う形状を採用しても良い。この場合、同図に示すように、外周側から前記回転軸２３の位置する内周側に向かう燃焼ガスＧの漏れも、凹部６３で阻止することができるので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００３７】
本実施形態の凹凸嵌合部６１の変形例としては、例えば図１７〜図１９に示すものがあるが、その他の凹凸嵌合形状を採用しても良いことは勿論である。なお、これら変形例では、ブラシ７０を有するブラシシールに本発明を適用した場合を例に説明している。
すなわち、図１７に示す変形例の凹凸嵌合部６１は、一方の分割部４０の端部に形成された角形の凸部７１及び角形の凹部７２と、他方の分割部４０の端部に形成された角形の凸部７３及び角形の凹部７４とを、所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１を確保するように互いに噛み合わせることで構成されている。
【００３８】
同様に、図１８に示す変形例の凹凸嵌合部６１は、一方の分割部４０の端部に形成された三角形状の凸部８１及び三角形状の凹部８２と、他方の分割部４０の端部に形成された三角形状の凸部８３及び三角形状の凹部８４とを、所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１を確保するように互いに噛み合わせることで構成されている。
また、図１９に示す変形例の凹凸嵌合部６１は、図１４では直線的であった各低圧側側板２６間の噛み合わせ面と、各高圧側側板２７間の噛み合わせ面とのそれぞれを、三角形の凹凸形状に構成した場合の例である。
【００３９】
以上説明の図１７〜図１９の各変形例においても、上記第３実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である上に、燃焼ガスＧが流れる流路がさらに複雑な迂回路となるので、ここを通る燃焼ガスＧに対してより大きな流路抵抗を付与することができ、燃焼ガスＧの漏洩量をより低減させることが可能となる。
【００４０】
以上に本発明の軸シール機構及びこれを備えたガスタービンの第１〜第３実施形態及びその各種変形例をそれぞれ説明してきたが、このガスタービンとしては、燃焼ガスを利用してタービン軸を回転させて動力を得る一般的なガスタービンに加え、航空機用ガスタービンエンジン等に適用することも可能である。また、本発明に係るガスタービンとしては、水蒸気を利用する蒸気タービン等の流体機械にも転用可能である。
また、本発明に係る軸シール機構としては、ガスタービン、ガスタービンエンジン、蒸気タービンなどの各種流体機械にも適用可能である。
【００４１】
また、各リーフシール４０，５０，６０は６分割構造としたが、これに限らず、５分割以下、もしくは７分割以上の構成を採用するものとしても良い。
また、本実施形態では、各薄板２９を有するリーフシール４０，５０，６０に本発明を適用した場合を例に説明したが、これに限らず、ブラシシール及びラビリンスシールなど、分割構造を有する他の軸シール機構に本発明を適用しても良いことは、勿論である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の請求項１及び２に記載の軸シール機構は、各分割部間に、これらの間を軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部を設ける構成を採用した。この構成によれば、流路抵抗形成部により与えられた抵抗により、各分割部間を通って漏れる流体流量を低減することが可能となる。なおかつ、各分割部間は分離状態を維持しているので、これら各分割部間が接近離間動作することにより、軸シール機構とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となる。
しかも、各分割部間の内周面側の隙間を含めて覆うようにしているので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００４３】
また、請求項３に記載の軸シール機構は、請求項２に記載の軸シール機構において、前記第２覆い部材が、互いに向かい合う各分割部間の外形状が一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有する構成を採用した。この構成によれば、各分割部を取り付ける静止部に対し、第２覆い部を配置するための追加加工を施さずに済むので、加工コストの上昇を防ぐことが可能となる。
【００４４】
また、請求項４に記載の軸シール機構は、各分割部間に、これらの間を軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部として、凹凸嵌合部を設ける構成を採用した。この構成によれば、凹凸嵌合部により与えられた抵抗により、各分割部間を通って漏れる流体流量を低減することが可能となる。なおかつ、各分割部間は分離状態を維持しているので、これら各分割部間が接近離間動作することにより、軸シール機構とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となる。
しかも、凹凸嵌合部のうちの少なくとも一部が、前記各分割部間の内周面側の隙間を覆うようにしているので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００４５】
本発明の請求項５に記載のガスタービンは、請求項１〜４のいずれかに記載の軸シール機構を備える構成を採用した。この構成によれば、各分割部間からの漏洩量を低減して機械効率を向上させ、なおかつ、軸シール機構とその取付部との間の熱膨張差を許容することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る軸シール機構を備えたガスタービンの第１実施形態を示す概略全体構成断面図である。
【図２】 同ガスタービンの同軸シール機構を示す図であって、図１のＣ−Ｃ矢視図である。
【図３】 同軸シール機構の要部を示す図であって、図２のＤ部の斜視図である。
【図４】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図２のＥ−Ｅ矢視図である。
【図５】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図４のＦ−Ｆ断面図である。
【図６】 同軸シール機構の変形例を示す図であって、図５のＧ部に相当する部分拡大図である。
【図７】 本発明の軸シール機構の第２実施形態を示す図であって、図３に相当する要部斜視図である。
【図８】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図７の矢印Ｈより見た正面図である。
【図９】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図８のＩ−Ｉ矢視図である。
【図１０】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図９のＪ−Ｊ断面図である。
【図１１】 同軸シール機構の変形例を示す図であって、図１０のＫ部に相当する部分拡大図である。
【図１２】 本発明の軸シール機構の第３実施形態を示す図であって、図３に相当する要部斜視図である。
【図１３】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図１２の矢印Ｌより見た正面図である。
【図１４】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図１３のＭ−Ｍ矢視図である。
【図１５】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図１４のＮ−Ｎ断面図である。
【図１６】 同軸シール機構の変形例を示す図であって、図１５のＯ部に相当する部分拡大図である。
【図１７】 同軸シール機構の他の変形例を示す図であって、図４に相当する部分拡大図である。
【図１８】 同軸シール機構の他の変形例を示す図であって、図４に相当する部分拡大図である。
【図１９】 同軸シール機構の他の変形例を示す図であって、図４に相当する部分拡大図である。
【図２０】 従来の軸シール機構の一例であるラビリンスシールを示す図であって、回転軸の軸線を含む断面より見た断面図である。
【図２１】 従来の軸シール機構の他の例であるブラシシールを示す図であって、回転軸の軸線を含む断面より見た断面図である。
【図２２】 同ブラシシールを示す図であって、（ａ）は図２１の矢印Ａより見た正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【符号の説明】
２２・・・ガスタービン
２３・・・回転軸
２３ｅ・・・動翼
２４・・・ケーシング
２５，５０，６０・・・リーフシール（軸シール機構）
４０・・・分割部
４１・・・接合部材（流路抵抗形成部，第１覆い部材）
５１，５２・・・凸部，接合部材（凸部，第２覆い部材，流路抵抗形成部）
６１・・・凹凸嵌合部
Ｇ・・・燃焼ガス（流体，ガス）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン，蒸気タービン，圧縮機，水車，冷凍機，ポンプなどの大型流体機械の回転軸等に用いて好適な、軸シール機構に関する。
また、本発明は、高温高圧のガスをタービンに導いて膨張させ、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させるガスタービンに関し、特にその回転軸に適用される軸シール機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、流体機械の回転軸等において、静止側と回転側との間の環状隙間より、高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩するのを防止することを主な目的として、軸シール機構が用いられている。この軸シール機構としては、ラビリンスシールやブラシシールがあり、それぞれ以下に説明する構造を備えている。
【０００３】
まず、図２０に示すラビリンスシールは、静止側１と回転側２との間の隙間である環状空間を埋めるように配置固定されており、回転側２とフィン３との隙間４を狭めることにより、高圧側５から低圧側６へ流れる流体の流路面積を小さくし、さらに、圧損抵抗の大きい流路７を形成するように構成されている。このような構成により、高圧側５から低圧側６に向かって漏洩する流体流量を低減する役目をなしている。
同様に、図２１に示すブラシシールも、静止側１と回転側２との間の隙間である環状空間を埋めるように配置固定されており、そのワイヤ先端７Ａを回転側２に接触させることで、静止側１と回転側２との間の隙間をなくし、実質的な流路７Ｂを、ワイヤ先端７Ａ間を通過するもののみとすることで、高圧側５から低圧側６に向かって漏洩する流体流量を大幅に低減することが可能となっている。
【０００４】
このブラシシールを参考として、軸シール機構を正面より見た全体構成の一例を図２２（ａ），（ｂ）に示す。なお、図２２（ａ）は、図２１の矢視Ａより見た正面図であり、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。これら図２２（ａ），（ｂ）に示すように、ブラシシールは円周方向の複数箇所において分割（同図は６分割の例を示している）されており、これら分割部分には、隙間９がそれぞれ形成されている。これら隙間８は、流体機械の作動流体が温度変化を伴う場合、軸シール機構と取付部部材との材料の違い、或いは、過渡的な温度変化の違いによる熱膨張差を許容するために必須なものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような分割構造では、各分割片８間に隙間９がそれぞれ形成され、これら隙間９が、高圧側５から低圧側６に向かって直線的に流体を通過させる流路１０を形成してしまうため、この流路抵抗の低い流路１０を通って漏れる漏洩量が増加し、ガスタービンとしての機械効率を低下させてしまうという問題を招来してしまうこととなる。この問題は、同様な分割構造を有する軸シール機構の全てにおいて生じうるものであり、ブラシシールに限らず、ラビリンスシールにおいても問題となることがある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、各分割部間からの漏洩量を低減し、なおかつ、軸シール機構とその取付部との間の熱膨張差を許容することができる軸シール機構及び、これを備えたガスタービンの提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
すなわち、本発明の請求項１に記載の軸シール機構は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、前記流路抵抗形成部が、向かい合う前記各分割部間を、これら分割部の内周面側の隙間も含めて覆う門型に形成された第１覆い部材であることを特徴とする。
また、請求項２に記載の軸シール機構は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、前記流路抵抗形成部が、向かい合う前記各分割部間から互いに接近する方向にそれぞれ突出する凸部と、これら凸部を、これら凸部の内周面側の隙間も含めて覆う門型に形成された第２覆い部材とを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記請求項１または２に記載の軸シール機構によれば、各分割部間を通って漏れ出ようとする流体には、流路抵抗形成部による流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができるようになる。しかも、各分割部間は分離した状態を維持しているため、互いに接近離間動作することができ、これにより、このリング状の軸シール部材は、応力を生じることなくその外径寸法を拡大または収縮させることもできるようになっている。
【０００９】
請求項３に記載の軸シール機構は、請求項２に記載の軸シール機構において、前記第２覆い部材が、互いに向かい合う前記各分割部間の外形状を一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有することを特徴とする。
上記請求項３に記載の軸シール機構によれば、その全体外形状は、円周方向で連続した単純なリング形状をなすので、各分割部が取り付けられる静止部に対し、第２覆い部を配置するための追加加工を施さずに済む。
【００１０】
請求項３記載の形状測定方法は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、前記流路抵抗形成部が、互いに向かい合う前記各分割部間に設けられ門型に形成された凹凸嵌合部であり、これら凹凸嵌合部の凹部が、凸部の周囲を覆うことを特徴とする。
上記請求項４に記載の軸シール機構によれば、各分割部間を通って漏れ出ようとする流体には、流路抵抗形成部である凹凸嵌合部により流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができる。しかも、各分割部間は分離した状態を維持しているため、互いに接近離間動作することができ、これにより、このリング状の軸シール部材は、応力を生じることなくその外径寸法を拡大または収縮させることもできるようになる。
【００１１】
本発明の請求項５に記載のガスタービンは、圧縮機で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼されたガスをケーシングに導き、該ケーシングの内部に回転可能に支持された回転軸の動翼に吹き付けることで前記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ガスタービンにおいて、請求項１〜４のいずれかに記載の軸シール機構を備えたことを特徴とする。
上記請求項５に記載のガスタービンによれば、上記請求項１〜４のいずれかに記載の軸シール機構と同様の作用を得ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明に係る軸シール機構及びこれを備えたガスタービンの各実施形態についての説明を以下に行うが、本発明がこれらのみに限定解釈されるものでないことは、勿論である。
【００１３】
まず、図１〜図５を参照しながら第１実施形態についての説明を行う。
図１に、ガスタービンの概略構成を示す。同図において、符号２０は圧縮機、符号２１は燃焼器、符号２２はガスタービンを示している。圧縮機２０は、多量の空気をその内部に取り入れて圧縮するものである。通常、ガスタービンでは、後述する回転軸２３で得られる動力の一部が、圧縮機の動力として利用されている。燃焼器２１は、圧縮機２０で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させるものである。タービン２２は、燃焼器２１で発生させた燃焼ガスをその内部に導入して膨張させ、回転軸２３に設けられた動翼２３ｅに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させるものである。
【００１４】
タービン２２には、回転軸２３側の複数の動翼２３ｅの他に、ケーシング２４側に固定された複数の静翼２４ａが設けられており、これら動翼２３ｅと静翼２４ａとが回転軸２３の軸方向に交互に配列されている。動翼２３ｅは、回転軸２３の軸方向に流れる燃焼ガスの圧力を受けて回転軸２３を回転させ、回転軸２３に与えられた回転エネルギーが軸端から取り出されて利用されるようになっている。静翼２４ａと回転軸２３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機構として、リーフシール２５が設けられている。
【００１５】
このリーフシール２５は、図２及び図３に示すように、回転軸２３の軸線方向に幅を有して先端が回転軸２３の周面２３ａに摺動し、互いに隙間３０を空けて外周側基端がリーフシールケーシング２４Ａ内周面にろう付け固定された複数の可撓性を有する薄板２９を、回転軸２３の周方向に該回転軸２３の外周をシール可能に多重に備えており、各薄板２９と回転軸２３の周面２３ａとが鋭角をなし、各薄板２９の回転軸方向両側にそれぞれ低圧側側板２６及び高圧側側板２７が設けられた構成となっている。そして、このリーフシール２５は、該リーフシール２５（静止部）と、回転軸２３の周面２３ａとの間の環状隙間空間（環状空間）を通って回転軸２３の軸線方向に漏れる燃焼ガスＧ（流体）の流れを阻止するものであり、軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数（６体）の分割部４０に分割（６分割）されたリング状をなしている。
【００１６】
各薄板２９は、回転軸２３の軸方向に所定の幅を有する平板形状を有しており、回転軸２３の周方向に多層に配置された構造になっている。そして、回転軸２３の外周をシールすることによって回転軸２３の周囲空間を高圧側領域と低圧側領域とに仕切っている。また、各薄板２９の幅方向両側において、高圧側領域には前記高圧側側板２７が、低圧側領域には前記低圧側側板２６がそれぞれ圧力作用方向のガイド板として配置されている。
【００１７】
そして、本実施形態のリーフシール２５は、図２〜図４に示すように、各分割部４０間に、これらの間を前記軸線方向に向かう燃焼ガスＧに対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部として、互いに向かい合う各分割部４０間を覆う接合部材４１（第１覆い部材）を設けた点が特に特徴的となっている。
この接合部材４１は、一方の分割部４０の端部４０ａと、該端部４０ａに対向する他の分割部４０の端部４０ｂと、これら両端部４０ａ，４０ｂ間に形成された所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１とを覆う門形の部品であり、各薄板２９が設けられた各分割部４０の内周側部分を除いて、各分割部４０間の接合部分を覆うことが可能となっている。
【００１８】
すなわち、図５に示すように、各接合部材４１は、各分割部４０間の接合部分のうち、その高圧側領域及び低圧側領域に面する各側面４０ｃ，４０ｄと重なる部分及び前記隙間ｃ１を覆う一対の側壁４１ａ，４１ｂと、各外周面４０ｅと重なる部分及び前記隙間ｃ１を覆う外周壁４１ｃとを備えて構成されている。
さらに同図に示すように、各接合部材４１の両側壁４１ａ，４１ｂには、各分割部４０の各側面４０ｃ，４０ｄに形成された段差状の被係止部４０ｃ１，４０ｄ１に対して係止する段差状の係止部４１ａ１，４１ｂ１とが形成されており、各接合部材４１がリーフシール２５の径方向に抜け出るのを防止することが可能となっている。なお、各側壁４１ａ，４１ｂと各側面４０ｃ，４０ｄとの隙間ｃ２としては、前記隙間ｃ１の１／２以下の寸法（ｃ２＜０．５×ｃ１）を採用するのが好ましく、場合によっては摺接（ｃ２＝０）させるようにしても良い。
【００１９】
以上説明の本実施形態のリーフシール２５によれば、各分割部４０間の間を通って漏れ出ようとする燃焼ガスＧには、各接合部材４１による流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができ、ガスタービンの機械効率向上を得ることが可能となる。
【００２０】
すなわち、図４に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かって漏れ出ようとする燃焼ガスＧは、下記（１）〜（３）の理由により、その漏洩量が低減可能となっている。
（１）符号ａ，ｂ，ｃ，ｄの４箇所を曲がるような複雑に折曲した迂回路を通らなければならないので、圧力損失が増し、漏れにくくなる。
（２）隙間ｃ１の流路に加えて、隙間ｃ２の流路分だけ全体流路長が長くなるので、やはり圧力損失が増し、漏れにくくなる。
（３）隙間ｃ１よりも狭い隙間ｃ２の流路を通らなければならないので、この部分で流路面積が絞られ、やはり圧力損失が増して漏れにくくなる。
【００２１】
しかも、各分割部４０間は、各隙間ｃ１を置いて互いに分離した状態を維持しており、なおかつ、各接合部材４１が各分割部４０間を拘束していないので、互いに接近離間動作することができ、これにより、このリング状のリーフシール２５は、応力を生じることなくその外径寸法を拡大または収縮させることもできるようになっている。
【００２２】
以上説明のように、本実施形態のリーフシール２５は、各分割部４０間に、これらの間を前記軸線方向に向かう燃焼ガスＧに対して流路抵抗を付与する接合部材４１を設ける構成を採用した。この構成によれば、各接合部材４１により与えられた流路抵抗により、各分割部４０間を通って漏れる燃焼ガスＧの流量を低減することが可能となる。なおかつ、各分割部４０間は分離状態を維持しているので、これら各分割部４０間が接近離間動作することにより、リーフシール２５とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となっている。
【００２３】
なお、本実施形態の接合部材４１は、各薄板２９が設けられた各分割部４０の内周側部分を除き、各分割部４０間の接合部分を覆うものとしたが、これに限らず、例えば図６に示すように、低圧側側板２６及び高圧側側板２７の各内周面側（前記回転軸２３に面する側の面）をも覆う形状を採用しても良い。この場合、同図に示すように、外周側から前記回転軸２３の位置する内周側に向かう燃焼ガスＧの漏れも、接合部材４１で阻止することができるので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態についての説明を図７〜図１０を参照しながら行うが、その特徴部分を中心に説明するものとし、その他の、上記第１実施形態と同一部分については説明を省略する。
図７〜図９に示すように、本実施形態のリーフシール５０（前記リーフシール２５と区別するために新たな符号５０を与えるものとする）は、向かい合う前記各分割部４０間から互いに接近する方向にそれぞれ突出する各凸部５１と、これら凸部５１を覆う接合部材５２（第２覆い部材）とを、前記流路抵抗形成部として採用している点が特に特徴的となっている。
【００２５】
各凸部５１は、各分割部４０の外形を相似状に細くした外形状を有しており、各分割部４０と一体に形成されている。そして、各凸部５１の一側壁として、各分割部４０の低圧側側板２６に連続する低圧側側板２６、他側壁として各分割部４０の高圧側側板２７に連続する高圧側側板２７が形成されている。
各接合部材５２は、一方の分割部４０の凸部５１と、該凸部５１に対向する他方の分割部４０の凸部５１と、これら両凸部５１間に形成された所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１とを覆う門形の部品であり、各薄板２９が設けられた各凸部５１の内周側部分を除いて、各凸部５１間を覆うことが可能となっている。
【００２６】
すなわち、図１０に示すように、各接合部材５２は、各凸部５１のうち、その高圧側領域及び低圧側領域に面する各側面５１ａ，５１ｂと重なる部分及び前記隙間ｃ１を覆う一対の側壁５２ａ，５２ｂと、各外周面５１ｃと重なる部分及び前記隙間ｃ１を覆う外周壁５２ｃとを備えて構成されている。
さらに同図に示すように、各接合部材５２の両側壁５２ａ，５２ｂには、各凸部５１の各側面５１ａ，５１ｂに形成された段差状の被係止部５１ａ１，５１ｂ１に対して係止する段差状の係止部５２ａ１，５２ｂ１が形成されており、各接合部材５２がリーフシール５０の径方向に抜け出るのを防止することが可能となっている。なお、各側壁５２ａ，５２ｂと各側面５１ａ，５１ｂとの隙間ｃ３としては、前記隙間ｃ１の１／２以下の寸法（ｃ３＜０．５×ｃ１）を採用するのが好ましく、場合によっては摺接（ｃ３＝０）させるようにしても良い。
【００２７】
また、各接合部材５２は、図８及び図９に示すように、互いに向かい合う各分割部４０間の外形状を一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有している。すなわち、各接合部材５２の各側壁５２ａ，５２ｂは、その低圧側領域及び高圧側領域をそれぞれ向いた面の形状が、その両隣の各分割部４０の両側面の形状と等しく、連続した形状をなすようになっている。
【００２８】
以上説明の本実施形態のリーフシール５０によれば、各分割部４０間の間を通って漏れ出ようとする燃焼ガスＧに、各凸部５１及び各接合部材５２による流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができ、ガスタービンの機械効率向上を得ることが可能となる。燃焼ガスＧの漏洩量が低減可能である理由は、前述の（１）〜（３）の理由に同じであるが、本実施形態では、図９に示すように、隙間ｃ４の新たな流路を更に設けているので、上記第１実施形態のリーフシール２５に比較して圧力損失が更に増し、より漏れにくくなっている。
【００２９】
以上説明の本実施形態のリーフシール５０によれば、上記第１実施形態と同様に、各分割部４０間を通って漏れる燃焼ガスＧの流量を低減することができ、なおかつ、リーフシール２５とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となっている。
さらに、本実施形態のリーフシール５０は、その各接合部材５２が、互いに向かい合う各分割部４０間の外形状を一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有しているので、リーフシール５０の取付部に対し、各接合部材５２の箇所のみ特別な加工を施す必要がなくなり、組立性の向上及び低加工コスト化できるのでより好ましいと言える。
【００３０】
なお、本実施形態の接合部材５２は、各薄板２９が設けられた各凸部５１の内周側部分を除き、各凸部５１間を覆うものとしたが、これに限らず、例えば図１１に示すように、低圧側側板２６及び高圧側側板２７の各内周面側をも覆う形状を採用しても良い。この場合、同図に示すように、外周側から前記回転軸２３の位置する内周側に向かう燃焼ガスＧの漏れも、接合部材５２で阻止することができるので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００３１】
次に、本発明の第３実施形態についての説明を図１２〜図１５を参照しながら行うが、その特徴部分を中心に説明するものとし、その他の、上記第１実施形態と同一部分については説明を省略する。
図１２〜図１４に示すように、本実施形態のリーフシール６０（前記リーフシール２５と区別するために新たな符号６０を与えるものとする）は、互いに向かい合う各分割部４０間に設けられた凹凸嵌合部６１を、前記流路抵抗形成部として採用している点が特に特徴的となっている。
すなわち、凹凸嵌合部６１は、向かい合う各分割部４０の一方より他方に向かって突出するように設けられた凸部６２と、該凸部６２を覆うように嵌合し、他方の分割部４０に設けられる凹部６３（嵌合部）とから構成されている。
【００３２】
凸部６２は、各分割部４０の外形を相似状に細くした外形状を有しており、各分割部４０と一体に形成されている。そして、各凸部６２の一側壁として、各分割部４０の低圧側側板２６に連続する低圧側側板２６、他側壁として各分割部４０の高圧側側板２７に連続する高圧側側板２７が形成されている。
凹部６３は、図１４に示すように、該凹部６３に対して凸部６２を嵌合させて組み立てた状態で、その円周方向に所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１を確保するように分割部４０の端部に形成されており、各薄板２９が設けられた凸部６２の内周側部分を除いて、凸部６２の周囲を覆うことが可能となっている。
【００３３】
さらに図１５に示すように、凹部６３には、凸部６２の各側面６２ａ，６２ｂに形成された段差状の被係止部６２ａ１，６２ｂ１に対して係止する段差状の係止部６３ａ１，６３ｂ１が形成されており、凹部６３及び凸部６２間の嵌合状態がリーフシール５０の径方向に抜けるのを防止することが可能となっている。なお、凹部６３及び凸部６２間の隙間ｃ５としては、前記隙間ｃ１以下の寸法（ｃ５＜ｃ１）を採用するのが好ましく、場合によっては摺接（ｃ５＝０）させるようにしても良い。
【００３４】
以上説明の本実施形態のリーフシール６０によれば、各分割部４０間の間を通って漏れ出ようとする燃焼ガスＧには、凹凸嵌合部６１による流路抵抗が付与されるため、圧力損失を受けやすく、従来のような直線的な隙間流路を通る場合に比較して容易に漏れるのを防止することができ、ガスタービンの機械効率向上を得ることが可能となる。
したがって、本実施形態のリーフシール６０によれば、上記第１実施形態と同様に、各分割部４０間を通って漏れる燃焼ガスＧの流量を低減することができ、なおかつ、リーフシール６０とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となっている。
【００３５】
さらに、本実施形態のリーフシール６０は、上記第１実施形態に比較して、前記接合部材４１のような別部品を製作する必要がないことと、互いに向かい合う各分割部４０間の外形状が、一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状をなしているので、リーフシール６０の取付部に対して各凹凸嵌合部６１の箇所のみ特別な加工を施す必要がないこととから、組立性の向上及び低加工コスト化できるのでより好ましいと言える。
【００３６】
なお、本実施形態の凹部６３は、各薄板２９が設けられた各凸部６２の内周側部分を除き、各凸部６２の周囲を覆うものとしたが、これに限らず、例えば図１６に示すように、低圧側側板２６及び高圧側側板２７の各内周面側をも覆う形状を採用しても良い。この場合、同図に示すように、外周側から前記回転軸２３の位置する内周側に向かう燃焼ガスＧの漏れも、凹部６３で阻止することができるので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００３７】
本実施形態の凹凸嵌合部６１の変形例としては、例えば図１７〜図１９に示すものがあるが、その他の凹凸嵌合形状を採用しても良いことは勿論である。なお、これら変形例では、ブラシ７０を有するブラシシールに本発明を適用した場合を例に説明している。
すなわち、図１７に示す変形例の凹凸嵌合部６１は、一方の分割部４０の端部に形成された角形の凸部７１及び角形の凹部７２と、他方の分割部４０の端部に形成された角形の凸部７３及び角形の凹部７４とを、所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１を確保するように互いに噛み合わせることで構成されている。
【００３８】
同様に、図１８に示す変形例の凹凸嵌合部６１は、一方の分割部４０の端部に形成された三角形状の凸部８１及び三角形状の凹部８２と、他方の分割部４０の端部に形成された三角形状の凸部８３及び三角形状の凹部８４とを、所定寸法（例えば０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度）の隙間ｃ１を確保するように互いに噛み合わせることで構成されている。
また、図１９に示す変形例の凹凸嵌合部６１は、図１４では直線的であった各低圧側側板２６間の噛み合わせ面と、各高圧側側板２７間の噛み合わせ面とのそれぞれを、三角形の凹凸形状に構成した場合の例である。
【００３９】
以上説明の図１７〜図１９の各変形例においても、上記第３実施形態と同様の作用効果を得ることが可能である上に、燃焼ガスＧが流れる流路がさらに複雑な迂回路となるので、ここを通る燃焼ガスＧに対してより大きな流路抵抗を付与することができ、燃焼ガスＧの漏洩量をより低減させることが可能となる。
【００４０】
以上に本発明の軸シール機構及びこれを備えたガスタービンの第１〜第３実施形態及びその各種変形例をそれぞれ説明してきたが、このガスタービンとしては、燃焼ガスを利用してタービン軸を回転させて動力を得る一般的なガスタービンに加え、航空機用ガスタービンエンジン等に適用することも可能である。また、本発明に係るガスタービンとしては、水蒸気を利用する蒸気タービン等の流体機械にも転用可能である。
また、本発明に係る軸シール機構としては、ガスタービン、ガスタービンエンジン、蒸気タービンなどの各種流体機械にも適用可能である。
【００４１】
また、各リーフシール４０，５０，６０は６分割構造としたが、これに限らず、５分割以下、もしくは７分割以上の構成を採用するものとしても良い。
また、本実施形態では、各薄板２９を有するリーフシール４０，５０，６０に本発明を適用した場合を例に説明したが、これに限らず、ブラシシール及びラビリンスシールなど、分割構造を有する他の軸シール機構に本発明を適用しても良いことは、勿論である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の請求項１及び２に記載の軸シール機構は、各分割部間に、これらの間を軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部を設ける構成を採用した。この構成によれば、流路抵抗形成部により与えられた抵抗により、各分割部間を通って漏れる流体流量を低減することが可能となる。なおかつ、各分割部間は分離状態を維持しているので、これら各分割部間が接近離間動作することにより、軸シール機構とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となる。
しかも、各分割部間の内周面側の隙間を含めて覆うようにしているので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００４３】
また、請求項３に記載の軸シール機構は、請求項２に記載の軸シール機構において、前記第２覆い部材が、互いに向かい合う各分割部間の外形状が一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有する構成を採用した。この構成によれば、各分割部を取り付ける静止部に対し、第２覆い部を配置するための追加加工を施さずに済むので、加工コストの上昇を防ぐことが可能となる。
【００４４】
また、請求項４に記載の軸シール機構は、各分割部間に、これらの間を軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部として、凹凸嵌合部を設ける構成を採用した。この構成によれば、凹凸嵌合部により与えられた抵抗により、各分割部間を通って漏れる流体流量を低減することが可能となる。なおかつ、各分割部間は分離状態を維持しているので、これら各分割部間が接近離間動作することにより、軸シール機構とその取付部との間の熱膨張差を許容することも可能となる。
しかも、凹凸嵌合部のうちの少なくとも一部が、前記各分割部間の内周面側の隙間を覆うようにしているので、より漏れ量を少なくして、ガスタービンの機械効率をより向上させることが可能となる。
【００４５】
本発明の請求項５に記載のガスタービンは、請求項１〜４のいずれかに記載の軸シール機構を備える構成を採用した。この構成によれば、各分割部間からの漏洩量を低減して機械効率を向上させ、なおかつ、軸シール機構とその取付部との間の熱膨張差を許容することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る軸シール機構を備えたガスタービンの第１実施形態を示す概略全体構成断面図である。
【図２】 同ガスタービンの同軸シール機構を示す図であって、図１のＣ−Ｃ矢視図である。
【図３】 同軸シール機構の要部を示す図であって、図２のＤ部の斜視図である。
【図４】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図２のＥ−Ｅ矢視図である。
【図５】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図４のＦ−Ｆ断面図である。
【図６】 同軸シール機構の変形例を示す図であって、図５のＧ部に相当する部分拡大図である。
【図７】 本発明の軸シール機構の第２実施形態を示す図であって、図３に相当する要部斜視図である。
【図８】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図７の矢印Ｈより見た正面図である。
【図９】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図８のＩ−Ｉ矢視図である。
【図１０】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図９のＪ−Ｊ断面図である。
【図１１】 同軸シール機構の変形例を示す図であって、図１０のＫ部に相当する部分拡大図である。
【図１２】 本発明の軸シール機構の第３実施形態を示す図であって、図３に相当する要部斜視図である。
【図１３】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図１２の矢印Ｌより見た正面図である。
【図１４】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図１３のＭ−Ｍ矢視図である。
【図１５】 同軸シール機構の同要部を示す図であって、図１４のＮ−Ｎ断面図である。
【図１６】 同軸シール機構の変形例を示す図であって、図１５のＯ部に相当する部分拡大図である。
【図１７】 同軸シール機構の他の変形例を示す図であって、図４に相当する部分拡大図である。
【図１８】 同軸シール機構の他の変形例を示す図であって、図４に相当する部分拡大図である。
【図１９】 同軸シール機構の他の変形例を示す図であって、図４に相当する部分拡大図である。
【図２０】 従来の軸シール機構の一例であるラビリンスシールを示す図であって、回転軸の軸線を含む断面より見た断面図である。
【図２１】 従来の軸シール機構の他の例であるブラシシールを示す図であって、回転軸の軸線を含む断面より見た断面図である。
【図２２】 同ブラシシールを示す図であって、（ａ）は図２１の矢印Ａより見た正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【符号の説明】
２２・・・ガスタービン
２３・・・回転軸
２３ｅ・・・動翼
２４・・・ケーシング
２５，５０，６０・・・リーフシール（軸シール機構）
４０・・・分割部
４１・・・接合部材（流路抵抗形成部，第１覆い部材）
５１，５２・・・凸部，接合部材（凸部，第２覆い部材，流路抵抗形成部）
６１・・・凹凸嵌合部
Ｇ・・・燃焼ガス（流体，ガス）
Claims (5)
- 回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、
前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、
前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、
前記流路抵抗形成部が、向かい合う前記各分割部間を、これら分割部の内周面側の隙間も含めて覆う門型に形成された第１覆い部材であることを特徴とする軸シール機構。 - 回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、
前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、
前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、
前記流路抵抗形成部が、向かい合う前記各分割部間から互いに接近する方向にそれぞれ突出する凸部と、これら凸部を、これら凸部の内周面側の隙間も含めて覆う門型に形成された第２覆い部材とを備えることを特徴とする軸シール機構。 - 請求項２に記載の軸シール機構において、
前記第２覆い部材は、互いに向かい合う前記各分割部間の外形状を一方から他方に向かって連続するように繋ぐ外形形状を有することを特徴とする軸シール機構。 - 回転軸と静止部との間の環状空間を通って前記回転軸の軸線方向に流れる流体を阻止し、
前記軸線方向より正面視した場合に、円周方向で複数の分割部に分割されたリング状をなす軸シール機構において、
前記各分割部間に、これらの間を前記軸線方向に向かう流体に対して流路抵抗を付与する流路抵抗形成部が設けられ、
前記流路抵抗形成部が、互いに向かい合う前記各分割部間に設けられ門型に形成された凹凸嵌合部であり、これら凹凸嵌合部の凹部が、凸部の周囲を覆うことを特徴とする軸シール機構。 - 圧縮機で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼されたガスをケーシングに導き、該ケーシングの内部に回転可能に支持された回転軸の動翼に吹き付けることで前記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ガスタービンにおいて、
請求項１〜４のいずれかに記載の軸シール機構を備えたことを特徴とするガスタービン。
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