JP3970298B2

JP3970298B2 - 軸シール機構

Info

Publication number: JP3970298B2
Application number: JP2005326069A
Authority: JP
Inventors: 秀和上原; 種宏篠原; 隆中野; 西本　　慎; 廣和白井; 俊夫浅田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: JP2007132432A; EP1785648A3; CN1963270A; US20070102886A1; US8025296B2; EP1785648A2; CN100494746C; EP1785648B1

Description

本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、ポンプ等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ものである。

軸シール機構としては、ガスタービンや蒸気タービン等の回転軸の軸周りに設けられ、高圧側から低圧側に漏れるガスの漏れ量を低減させるリーフシールなるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１１３９４５号公報

しかしながら、上記特許文献のものでは、リーフシールを構成する各薄板の一端部が、リーフシールの組立完了時およびガス圧作用時において、自由端となるように（互いに拘束されないように）構成されている。そのため、ガスタービンや蒸気タービン等の回転軸が、滑り軸受の動圧による浮上分だけ軸心が移動することで偏心を生じた場合や、あるいはタービンのハウジングが熱変形を起こしたりして母機偏心が生じた場合に、薄板の一端部がフラッタ現象を起こし、薄板が疲労破壊してしまうといったおそれがあった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、母機偏心が生じた場合でも、薄板のフラッタ現象を確実に防止することができ、薄板の疲労破壊を防止することができるとともに、軸シール機構の長寿命化を図ることができ、軸シール機構の信頼性を向上させることができる軸シール機構を提供することを目的としている。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
本発明による軸シール機構は、ロータとステータとの間の環状空間に複数枚の薄板を配列させて環状の薄板群を配設し、これら薄板の外周側基端部を前記ステータ側に固定するとともに、これら薄板の内周側先端は前記ロータの周面に対して非固定とすることで、前記環状の薄板群で前記ロータと前記ステータとの間の環状空間を高圧側領域および低圧側領域に分け、前記ロータと前記ステータとの間の環状空間を通って、前記ロータの軸方向に流れる流体を阻止するリーフシールとされた軸シール機構であって、前記複数枚の薄板の高圧側領域に配置された高圧側側板と、前記複数枚の薄板の低圧側領域に配置された低圧側側板とを備え、前記複数枚の薄板が、前記ステータ側に固定された状態およびガス圧作用時において、前記薄板の対向する面の先端同士が、互いに当接するように、または前記薄板の先端部に設けた突起が、隣接配置された前記薄板の先端部に当接するように構成されており、前記低圧側側板の内周端は、前記高圧側側板の内周端よりも外周側に位置し、かつ、前記低圧側側板の内周端と前記ロータの周面との間には、前記環状空間に通じる空間が形成されている。
このような軸シール機構によれば、複数枚の薄板が、常に当接した状態に維持されることとなるので、仮に大きな母機偏心が生じたとしても薄板のフラッタ現象を確実に防止することができ、薄板の疲労破壊を防止することができるとともに、軸シール機構の長寿命化を図ることができ、軸シール機構の信頼性を向上させることができる。

本発明による流体機械には、上記軸シール機構が具備されている。
このような流体機械によれば、長寿命化および信頼性の向上化が図られた軸シール機構を備えていることとなるので、軸シール機構の保守点検間隔を延ばすことができ、保守点検費用の低減化を図ることができるとともに、流体機械の信頼性を向上させることができる。

本発明によれば、母機偏心が生じた場合でも、薄板のフラッタ現象を確実に防止することができ、薄板の疲労破壊を防止することができるとともに、軸シール機構の長寿命化を図ることができ、軸シール機構の信頼性を向上させることができるという効果を奏する。

以下、本発明による軸シール機構の一実施形態について、図１ないし図６を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る軸シール機構を具備した流体機械（以下、「ガスタービン」という。）１００の概略構成図であり、図１中の符号２０は圧縮機、符号２１は燃焼器、符号２２はタービンである。

まず、図１に、ガスタービン１００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はタービンである。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（ロータ）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。

タービン２２には、回転軸２３側に配置された複数の動翼２３ｅの他に、ステータ２４側に配置された複数の静翼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の軸線方向に交互に配列されている。各動翼２３ｅは回転軸２３の軸線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。各静翼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。

図２に、このリーフシール２５の拡大断面図を示す。なお、同図は、リーフシール２５を、回転軸２３の軸線を含む断面で見ている。以下の説明においては、リーフシール２５の基本構成について先に説明し、その後、この特徴点について引き続き説明を行うものとする。

まず、リーフシール２５の基本構成の説明を行う。図２に示すように、このリーフシール２５は、回転軸２３とステータ２４との間の環状空間に、回転軸２３の軸線方向に各板幅方向を揃え且つ、この回転軸２３の周方向に互いに微小間隔をあけて多数の薄板２９を多重に配列させた環状の薄板群２９Ａを備えている。
各薄板２９は、その外周側基端部においてステータ２４に固定され、また、その内周側先端部において回転軸２３の周面２３ａに対して周方向の傾きをもって鋭角に配されている。このようにして、各薄板２９からなる環状の薄板群２９Ａは、回転軸２３とステータ２４との間の環状空間を高圧側領域および低圧側領域に分けている。

続いて、上記の基本構成を有するリーフシール２５の特徴点につき、図２を参照しながら以下に説明を行う。
同図に示すように、本実施形態のリーフシール２５は、板幅が、前記内周側先端部よりも前記外周側基端部の方が幅広である略Ｔ字形をなし、多重に重ね合わされる複数の薄板２９と、これら薄板２９を環状状態に挟持する一対のリーフシールリテーナ５１，５２（薄板保持リング）と、各薄板２９の、高圧側領域に対向する一側縁と一方のリーフシールリテーナ５１との間に挟み込まれて前記各一側縁に当接する環状の高圧側プレート５３と、各薄板２９の、低圧側領域に対向する他側縁と他方の薄板保持リング５２との間に挟み込まれて前記各他側縁に当接する環状の低圧側プレート５４と、各リーフシールリテーナ５１，５２間に挟持されてこれらに対する各薄板２９のがたつきを減らすスペーサ５５とを備えて構成されている。

各薄板２９は、可撓性を有する略Ｔ字形の薄い鋼板であり、その両側縁に切り欠き２９ａが形成されている。そして、これら薄板２９は、その外周基端側において互いに溶接固定されており（溶接箇所については、図４の説明において後述する。）、全体として可撓性を有する薄板群をなしている。
また、図６に示すように、各薄板２９の上面３６には、例えば、平面視円形状を呈する半球状の突起４１が一つずつ設けられている。各突起４１の高さは、リーフシール２５が組み立てられた際に、突起４１の表面の一点（一部分）と隣接配置された薄板２９の下面３７の一点（一部分）とが当接するように設定されている。そして、薄板２９はそれぞれ、プレス加工あるいはエッチング等により作製されている。

図２に示すように、高圧側プレート（高圧側側板）５３は、環状の薄板であり、回転軸２３の軸線を含む断面で見た場合に、その一側面側が段付きとなるように、内周部分よりも一段肉厚な外周部分を備えている。同様に、低圧側プレート（低圧側側板）５４も、環状の薄板であり、前記断面で見た場合に、その一側面側が段付きとなるように、内周部分よりも一段肉厚な外周部分を備えている。そして、これら高圧側プレート５３および低圧側プレート５４を、これらの段付きの部分において前記各切り欠き２９ａに嵌め込むようにして各薄板２９の両側面に重ね合わせた後、さらに、各リーフシールリテーナ５１，５２間に挟み込むことで固定されている。

リーフシールリテーナ５１，５２は、回転軸２３の軸線を含む断面で見た場合に概ね「コ」字形状をなす、可撓性を備えた金属部品であり、互いに重ね合わせた際に形成される凹部５１ａ，５２ａに、各薄板２９の幅広部分とスペーサ５５とを嵌め込むようになっている。
スペーサ５５は、図３に示すように、加圧された場合に、弾性変形することによって付勢力を発生させる複数の凸部５５ａが形成された板バネであり、図２に示すように、凹部５１ａ，５２ａ内において環状の薄板群２９Ａががたつきを生じることのないよう、これら凹溝５１ａ，５２ａに対して環状の薄板群２９Ａをその外周側から押さえ込む付勢力を働かせている。そして、このスペーサ５５の上面と各リーフシールリテーナ５１，５２との間を、溶接箇所ｙ４において溶接することで、これらの間の相対位置を固定することが可能となっている。

以上説明の構成を有するリーフシール２５の製造方法を、図４および図５を参照しながら以下に説明する。このリーフシール２５の製造においては、薄板溶接工程と、曲げ工程と、リング取り付け工程とを経て行われる。

まず、薄板溶接工程では、図５（ａ）に示すように、鋼板をＴ字形に打ち抜いた各薄板２９を、隙間を空けるとともに、図６に示すように、突起４１の表面の一点（一部分）と隣接配置された薄板２９の下面３７の一点（一部分）とが当接するように、周方向に、多重かつ斜めに重ね合わせた後、これらの外周基端側を溶接する。すなわち、図４および図５（ｂ）に示すように、各外周基端側の外周端と両側端とにおいて、各薄板２９同士を互いに溶接する（符号ｙ１〜ｙ３）。
続く曲げ工程では、互いに溶接された各薄板２９と、各リーフシールリテーナ５１，５２との両方に、次の軸シール機構挿入工程前に大まかな曲げを予め与える。図５（ｃ）に、曲げ工程後の各薄板２９を示す。

続くリング取り付け工程では、図４に示すように、溶接された各薄板２９の外周基端側と高圧側プレート５３と低圧側プレート５４とスペーサ５５とを、各リーフシールリテーナ５１，５２間に挟み込み、その後、これらリーフシールリテーナ５１，５２間を固定する。
すなわち、各薄板２９の、高圧側領域に対向する一側縁と一方のリーフシールリテーナ５１との間に、前記各一側縁に当接する環状の高圧側プレート５３を挟み込んで固定する。同様に、各薄板２９の、低圧側領域に対向する他側縁と他方のリーフシールリテーナ５２との間に、前記各他側縁に当接する環状の低圧側プレート５４を挟み込んで固定する。さらに、各薄板２９の外周基端側と、各リーフシールリテーナ５１，５２との間に、これらに対する各薄板２９の相対動作を規制するスペーサ５５を挟み込んで固定する。
このようにして各部品を挟み込んだ後の各リーフシールリテーナ５１，５２を、スペーサ５５に対して、各溶接箇所ｙ４（図２参照）において溶接固定する。これにより、各リーフシールリテーナ５１，５２間の固定が行われる。

本実施形態によるリーフシール２５によれば、薄板２９の上面３６に設けられた突起４１により、リーフシール２５の組立完了時およびガス圧作用時において、突起４１の表面の一点（一部分）と隣接配置された薄板２９の下面３７の一点（一部分）とが、常に当接した状態に維持されることとなる。したがって、仮に大きな母機偏心が生じたとしても薄板２９のフラッタ現象を確実に防止することができ、薄板２９の疲労破壊を防止することができるとともに、リーフシール２５の長寿命化を図ることができ、リーフシール２５の信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態によるリーフシール２５の構造および製造方法によれば、リーフシール２５の設置される場所や径の大小が多少異なっても、従来のように専用治具を個別に用意せずに済むため、リーフシール２５の製造コストを削減することが可能となる。また、各リーフシールリテーナ５１，５２の肉厚を、可撓性を発揮できる程度に薄肉化しているので、これらリーフシールリテーナ５１，５２の外形寸法を小さくでき、リーフシール２５全体のコンパクト化に貢献することも可能となっている。

なお、組み上げられた軸シール部材（リーフシール２５）を、ステータ２４内に組み付ける際は、ステータ２４の内周面側に設けられた凹溝７１の曲率に沿わせて曲げながら挿入すればよい。これによれば、リーフシール２５の曲率を、その設置場所に応じて自由に変えることができるため、従来のような専用治具を個別に用意せずに済む。これにより、リーフシール２５の製造コストを削減することが可能となっている。
また、本実施形態のリーフシール製造方法は、前記リング取り付け工程で、各薄板２９の一側縁と一方の薄板保持リング５１との間に高圧側プレート５３を挟み込んで固定する方法を採用した。この方法によれば、高圧側プレート５３の取り付けを容易に行うことができるので、さらなる製造コストの削減が可能となる。
さらに、本実施形態のリーフシール製造方法は、前記リング取り付け工程で、各薄板２９の他側縁と薄板保持リング５２との間に低圧側プレート５４を挟み込んで固定する方法を採用した。この方法によれば、低圧側プレート５４の取り付けを容易に行うことができるので、さらなる製造コストの削減が可能となる。

そして、このようなリーフシール２５を備えたガスタービンによれば、高差圧においてもシール機能が維持されるので、ガスの漏れによる駆動力の損失が低減される。

本発明によるリーフシールの他の実施形態を、図７および図８を用いて説明する。
本実施形態におけるリーフシール４５は、突起４１の代わりに、図７に示すように、薄板４８の上面４６の先端と隣接配置された薄板４８の下面４７の先端とが、組み立て完了時において当接するように構成されているという点で前述した実施形態のものと異なる。その他の構成要素については前述した実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、前述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

組み立て完了時において、薄板４８の上面４６の先端と隣接配置された薄板４８の下面４７の先端とが当接する薄板４８の枚数、および各薄板４８の寸法（すなわち、薄板４８の基端部の厚さｔ_０）は、図８に示すように、幾何学的に求めることができる。
まず、リーフシール４５を適用しようとする箇所の内径および外径が、それぞれＲ_１，Ｒ_２に設定されているとする。
つぎに、薄板４８の有効長さＬを指定すると、以下の式（１）および式（２）よりαとβが決まる（図８（ａ）参照）。
式（１）（Ｒ_２）^２＝（Ｒ_１）^２＋Ｌ^２−２×Ｒ_１×Ｌ×cos（α＋９０°）
式（２）（Ｒ_１）^２＝（Ｒ_２）^２＋Ｌ^２−２×Ｒ_２×Ｌ×cos（９０°−β）

薄板４８のリーフ厚み（エッチング処理後の厚み）ｔを指定し、以下の式（３）より薄板４８の枚数ｎを算出する（図８（ｂ）参照）。
式（３）ｎ＝（２×π×Ｒ_１）／（ｔ／sinα）

そして、以下の式（４）より薄板４８の基端部の厚み（エッチング処理前の厚み）ｔ_０を算出する（図８（ｃ）参照）。
式（４）ｔ_０＝（（２×π×Ｒ_２）／ｎ）×sinβ

最後に、以下の式（５）より薄板４８のエッチング減厚量Δｔを算出する（図８（ｄ）参照）。
式（５） Δｔ＝ｔ_０−ｔ

本実施形態によるリーフシール４５によれば、リーフシール４５の組立完了時およびガス圧作用時において、薄板４８の上面４６の先端と隣接配置された薄板４８の下面４７の先端とが、常に当接した状態に維持されることとなる。したがって、仮に大きな母機偏心が生じたとしても薄板４８のフラッタ現象を確実に防止することができ、薄板４８の疲労破壊を防止することができるとともに、リーフシール４５の長寿命化を図ることができ、リーフシール４５の信頼性を向上させることができる。
また、その他の作用効果は、前述した実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、本発明は上述した実施形態のものに限定されるものではなく、リーフシールの組立完了時およびガス圧作用時において、各薄板のバタツキ（振れあるいは振動）を防止することができるものであれば、いかなる形態のものであってもよい。
したがって、図６を用いて説明した突起４１は、薄板２８の下面３７側に設けるようにすることもできるし、薄板の上面３６および下面３７の両側に設けるようにすることもできる。
また、上述した実施形態では、平面視円形状を呈する半球状の突起４１を一具体例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、平面視円形状を呈する円錐状のものであってもよいし、平面視多角形を呈する多角錐状のものであってもよい。
さらに、上述の本実施形態では、本発明が適用される大型流体機械が、ガスタービンのタービンである場合を例として説明したが、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ、航空機用ガスタービンエンジン等、その他の大型流体機械の回転軸等にも適用可能である。

薄板の有効長さＬおよびリーフ厚み（エッチング処理後の厚み）ｔはそれぞれ、ガス圧作用時（運転時）に動圧でバランスするように設計されている。

本発明に係る軸シール機構を具備した備えたガスタービンの概略構成図である。同リーフシールの、ステータに対する組み込み構造を示す図であって、回転軸の軸線を含む断面より見た断面図である。同リーフシールに備えられているスペーサを示す斜視図である。同リーフシールの製造方法を示す図であって、（ａ）および（ｂ）は薄板溶接工程後の薄板を示す図であり、また（ｃ）は曲げ工程後の薄板を示す図である。同リーフシールの製造方法の続きを示す図であって、リング取り付け工程を説明するための組み立て図である。本発明に係る軸シール機構の一実施形態を示す図であって、薄板先端部の断面図である。本発明に係る軸シール機構の他の実施形態を示す図であって、薄板先端部の断面図である。図７に示す薄板の枚数、および各薄板の寸法の算出方法を説明するための図である。

符号の説明

２３回転軸（ロータ）
２４ステータ
２５リーフシール（軸シール機構）
２９薄板
２９Ａ薄板群
４５リーフシール（軸シール機構）
４８薄板
５３高圧側プレート（高圧側側板）
５４低圧側プレート（低圧側側板）
１００ガスタービン（流体機械）

Claims

ロータとステータとの間の環状空間に複数枚の薄板を配列させて環状の薄板群を配設し、これら薄板の外周側基端部を前記ステータ側に固定するとともに、これら薄板の内周側先端は前記ロータの周面に対して非固定とすることで、前記環状の薄板群で前記ロータと前記ステータとの間の環状空間を高圧側領域および低圧側領域に分け、前記ロータと前記ステータとの間の環状空間を通って、前記ロータの軸方向に流れる流体を阻止するリーフシールとされた軸シール機構であって、
前記複数枚の薄板の高圧側領域に配置された高圧側側板と、前記複数枚の薄板の低圧側領域に配置された低圧側側板とを備え、
前記複数枚の薄板が、前記ステータ側に固定された状態およびガス圧作用時において、前記薄板の対向する面の先端同士が、互いに当接するように、または前記薄板の先端部に設けた突起が、隣接配置された前記薄板の先端部に当接するように構成されており、
前記低圧側側板の内周端は、前記高圧側側板の内周端よりも外周側に位置し、かつ、前記低圧側側板の内周端と前記ロータの周面との間には、前記環状空間に通じる空間が形成されていることを特徴とする軸シール機構。
請求項１に記載の軸シール機構を具備してなることを特徴とする流体機械。