JP3986518B2 - 軸シール機構 - Google Patents

Description

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。

一般に、ガスタービンや蒸気タービンの回転軸の周りには、高圧側から低圧側に流れる作動流体の漏れ量を低減するための軸シール機構が設けられている。この軸シール機構の一例としては、例えば下記特許文献１に示されるリーフシールが知られている。

この種の従来のリーフシールの一例を図６に示す。同図に示すリーフシール１は、回転軸２の軸方向に所定の板幅寸法を有する平板状の薄板３を、回転軸２の周方向に微小間隔をあけて多層に配列して、環状の薄板群９を構成したものである。これら薄板３は、その外周基端側がろう付け部４を介してリーフシールリング５に固定され、また内周先端側が、回転軸２の周面に対し周方向の傾きをもって所定の予圧で鋭角に摺接している。なお、これら薄板３は、対向視した場合にＴ字形をなしており、前記外周基端側の幅寸法ｗ１の方が前記内周先端側の幅寸法ｗ２よりも幅広となっている。

そして、これら薄板３は、回転軸２の外周をシールすることによって、回転軸２の周囲の環状空間を、高圧側領域と低圧側領域とに分けている。また、リーフシールリング５には、各薄板３を間に挟んで高圧側領域に対向する側に高圧側側板７が、また低圧側領域に対向する側に低圧側側板８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。

このように構成されたリーフシール１において、回転軸２が回転すると、回転軸２の回転によって生じる動圧効果により、各薄板３の先端が回転軸２の周面から浮上し、各薄板３の先端と回転軸２との接触が回避される。これにより、各薄板３の摩耗が防止され、シール寿命が長くなる。

特開２００２−１３６４７公報

ところで、従来のリーフシール１は、各薄板３を、２分割されたハウジング５ａ，５ｂ間に挟み込んだ後、これらハウジング５ａ，５ｂ間の接合箇所を溶接またはボルト固定して製造されるものであるが、その設置場所に応じて全体の径寸法が異なったものとなっている。したがって、ハウジング５ａ，５ｂの製造においては、その径寸法に応じて専用の治具をそれぞれ個別に用意する必要がある。リーフシール１は、様々な箇所に用いられる上に、互いに径の異なるものがほとんどであるため、多数の専用治具が必要となり、これが製造コスト削減の妨げとなっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、軸シール機構の製造コスト削減を可能とし、また、コンパクト化にも寄与する手段の提供を目的としている。

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、ロータとステータとの間の環状空間に薄板をその板幅方向を前記ロータの軸方向に揃えて向かい合わせにして前記ロータの周面に沿って環状体に配列した薄板群を有し、前記薄板群は外周基端側が前記ステータ側に保持されるとともに内周先端側が前記ロータの周面と非固定の状態で前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切るリーフシールの軸シール機構であって、前記薄板群の外周基端側に前記内周先端側の前記板幅よりも両側へ幅広く形成された幅広部分と、前記幅広部分がずれないように押えるずれ防止部材とを有し、且つ前記幅広部分と前記ずれ防止部材とを両側から嵌め込まれる形に形成された凹部を有する一対の薄板保持リングを有し、前記ずれ防止部材とともに前記外周基端側の前記幅広部分の両側を前記凹部と係合させて一対の薄板保持リング間に挟持されていることを特徴とする。

上記請求項１に記載のリーフシールをなす軸シール機構によれば、従来のように、薄板は可撓性を有して取扱いが難しく、且つ剛性の高圧側プレートとともに配列しなければならないので、薄板群に配列することが非常に困難であり、且つ薄板群の配列が乱れることがあったが、薄板の外周基端側に幅広部分を設け、この幅広部分を薄板保持リングの凹部に沿って配列すると、薄板を簡単に薄板群に配列できる効果を奏する。同時に、薄板群は薄板保持リングの凹部に係合して保持されているから、各薄板は互いにずれることもなくシール効果を発揮することが期待できる。さらに、従来のように、薄板群は、高圧側プレートと低圧側プレートにより挟持しても、確実に固定することは困難であったが、薄板保持リングにより、他の固定方法を用いることなく、確実に保持することが可能になる。
また、ずれ防止部材を備えることにより、各薄板のずれを効果的に防ぐことができる。すなわち、各薄板保持リングに対する各薄板のがたつきを防止することができる。

請求項２に記載の軸シール機構は、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、これら薄板の外周基端側を前記ステータ側に固定するとともに、これら薄板の内周先端側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前記環状空間を高圧側領域及び低圧側領域に分けるリーフシールをなす軸シール機構であり、前記各薄板の外周基端側が、可撓性を有する一対の薄板保持リング間に、前記薄板保持リングに対する前記各薄板の相対動作を規制するずれ防止部材を介して挟み込まれて固定され、前記薄板保持リングは断面コ字形状をなし、互いに重ね合わせた際に形成される凹部に、前記各薄板の外周基端部と前記ずれ防止部材とを嵌め込むことにより、前記環状の薄板群をその外周側から押さえ込んで固定されていることを特徴とする。

上記請求項２に記載のリーフシールをなす軸シール機構によれば、設置される凹溝の曲率に応じて自由に曲率を変えることができる。また、各薄板保持リングの肉厚を、可撓性を発揮できる程度に薄肉化しているので、これら薄板保持リングの外形寸法を小さくでき、軸シール機構全体のコンパクト化に貢献することもできるようになっている。
また、ずれ防止部材を備えることにより、各薄板のずれを効果的に防ぐことができる。すなわち、各薄板保持リングに対する各薄板のがたつきを防止することができる。

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、軸方向の側縁に切り欠きが形成された薄板群と、当該切り欠きに嵌合可能な段付き部を側面に設けたプレートが備えられた軸シール機構であって、前記薄板群の切り欠きに前記プレートの段付き部が対応するように、前記薄板群に対しロータ軸方向から前記プレートが当接されて配され、当該薄板群とプレートが前記各薄板保持リングにより挟み込んで固定されていることを特徴とする。

上記請求項３に記載のリーフシールをなす軸シール機構によれば、プレートを容易に取り付けることができる。

本発明の請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のリーフシールをなす軸シール機構によれば、その設置場所に応じて自由に曲率を変えることができるものであるため、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、軸シール機構の製造コストを削減することが可能となる。また、各薄板保持リングの肉厚を、可撓性を発揮できる程度に薄肉化しているので、これら薄板保持リングの外形寸法を小さくでき、軸シール機構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。

また、ずれ防止部材を備えることにより、各薄板保持リングに対する各薄板のがたつきを防止することが可能となる。

また、請求項３に記載のリーフシールをなす軸シール機構によれば、さらに、プレートを容易に取り付けることが可能となる。

本発明の一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本発明がこれのみに限定解釈されるものでないことは、もちろんである。また、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するが、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など、その他の大型流体機械の回転軸等にも適用可能である。

まず、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、その外周基端側においてステータ２４に固定され、また、その内周先端側において回転軸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及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、前記内周先端側よりも前記外周基端側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リーフシールリテーナ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。）、可撓性を有する薄板群をなしている。

高圧側プレート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及び低圧側プレート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及び図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４（ａ）に示すように、鋼板をＴ字形に打ち抜いた各薄板２９を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５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。

以上説明のリーフシール２５の構造及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。

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。

本発明に係るリーフシール（軸シール機構）を備えたガスタービンの一実施形態を示す概略構成断面図である。 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）及び（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。 従来の軸シール機構の一例を示す図であって、回転軸の軸線を含む断面より見た断面図である。

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・・・環状の薄板群
５１，５２・・・リーフシールリテーナ（薄板保持リング）
５３・・・高圧側プレート（プレート）
５４・・・低圧側プレート（プレート）
５５・・・スペーサ（ずれ防止部材）

Claims (3)

1. ロータとステータとの間の環状空間に薄板をその板幅方向を前記ロータの軸方向に揃えて向かい合わせにして前記ロータの周面に沿って環状体に配列した薄板群を有し、前記薄板群は外周基端側が前記ステータ側に保持されるとともに内周先端側が前記ロータの周面と非固定の状態で前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切るリーフシールの軸シール機構であって、前記薄板群の外周基端側に前記内周先端側の前記板幅よりも両側へ幅広く形成された幅広部分と、前記幅広部分がずれないように押えるずれ防止部材とを有し、且つ前記幅広部分と前記ずれ防止部材とを両側から嵌め込まれる形に形成された凹部を有する一対の薄板保持リングを有し、前記ずれ防止部材とともに前記外周基端側の前記幅広部分の両側を前記凹部と係合させて一対の薄板保持リング間に挟持されていることを特徴とする軸シール機構。
2. ロータとステータとの間の環状空間に複数の薄板を配列させて環状の薄板群を配設し、これら薄板の外周基端側を前記ステータ側に固定するとともに、これら薄板の内周先端側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前記環状空間を高圧側領域及び低圧側領域に分けるリーフシールをなす軸シール機構であり、前記各薄板の外周基端側が、可撓性を有する一対の薄板保持リング間に、前記薄板保持リングに対する前記各薄板の相対動作を規制するずれ防止部材を介して挟み込まれて固定され、前記薄板保持リングは断面コ字形状をなし、互いに重ね合わせた際に形成される凹部に、前記各薄板の外周基端部と前記ずれ防止部材とを嵌め込むことにより、前記環状の薄板群をその外周側から押さえ込んで固定されていることを特徴とする軸シール機構。
3. 軸方向の側縁に切り欠きが形成された薄板群と、当該切り欠きに嵌合可能な段付き部を側面に設けたプレートが備えられた軸シール機構であって、前記薄板群の切り欠きに前記プレートの段付き部が対応するように、前記薄板群に対しロータ軸方向から前記プレートが当接されて配され、当該薄板群とプレートが前記各薄板保持リングにより挟み込んで固定されていることを特徴とする請求項２に記載の軸シール機構。

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