JP3986520B2 - 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、ポンプ等の大型流体機械の回転軸に対しての軸シール機構に関し、特に、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える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等の大型流体機械においては、圧縮空気や燃焼ガスや蒸気等の作動流体（以下、単に「ガス」と記すことがある）を本質的に流動させる主流路以外に、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材（例えば静翼の内周端を保持する環状部材）の内周面との間に環状の隙間が形成されるのは避けられない。その隙間に対して何ら工夫を施さなければ、その隙間を通じてガスが高圧側から低圧側へ向けて不用意に漏れ、結果として流体機械の効率が低下してしまう。従って、その隙間を通じたガスの漏れを最小限に抑えることは極めて重要であり、これを実現すべく、その隙間に軸シール機構が適用される。

軸シール機構としては、従来一般には、静止部材の内周面から複数のフィンが突出して成る非接触型のいわゆるラビリンスシールが幅広く用いられる。しかし、ラビリンスシールでは、回転過渡期の軸振動や熱過渡的な熱変形時にもフィン先端が回転軸の周面に接触しないように構成する必要があるため、回転軸の周面とフィン先端との隙間をある程度確保しなければならず、その結果、ガスの漏れを大きく抑えることができないという問題がある。

一方近年では、ガスの漏れ量を格段に低減できる軸シール機構として、回転軸の軸方向に一定幅を有する平板状の薄板を回転軸の周方向に多重に配置した構造となるいわゆるリーフシールがある（例えば特許文献１参照）。以下、このリーフシールの詳細構成について、図４〜図１１を参照しながら説明していく。なお、ここではリーフシールが適用される大型流体機械として、その代表格であるガスタービンを一例に挙げて説明する。

図４に示すガスタービンＧｔは、多量の空気を内部に取り込んで圧縮する圧縮機１と、圧縮機１にて圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器２と、燃焼器２で発生した高温高圧の燃焼ガスが内部に導入されこの燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン３と、タービン３の回転エネルギーを直接受けてその一部を圧縮機１の動力として伝達する回転軸４と、を有している。

タービン３では、回転軸４に軸方向で複数段設けられた複数の動翼１０が、吹き付けられた燃焼ガスの圧力を受けることで回転軸４と共に回転する。こうして、燃焼ガスの熱エネルギーを回転軸４の回転という機械的な回転エネルギーに変換して動力が発生する。回転軸４に与えられた回転エネルギーは軸端から取り出されて発電に利用される。また、タービン３には、回転軸４側の動翼１０の他に、タービン３のケーシング９側に複数の静翼１１が設けられていて、これら動翼１０と静翼１１とが、回転軸４の軸方向に交互に配置される。そして、回転軸４と静翼１１（実際には、静翼１１の内周端を保持する環状の静止部材）との間には、その隙間を通じて高圧側から低圧側へ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２０が設けられる。

また、圧縮機１は回転軸４にてタービン３と同軸につながれており、タービン３での回転軸４の回転を利用して、外気を吸引するとともに圧縮してこの圧縮空気を燃焼機２に供給する。圧縮機１でもタービン３と同様に、回転軸４に複数の動翼６と、圧縮機１のケーシング５側に複数の静翼７とが設けられており、動翼６と静翼７とが回転軸４の軸方向に交互に配置される。そして、回転軸４と静翼７（ここでも実際には、静翼７の内周端を保持する環状の静止部材）との間には、その隙間を通じて高圧側から低圧側に漏れる圧縮空気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２０が設けられる。

更に、圧縮機１のケーシング５が回転軸４を支持する軸受け部８や、タービン３のケーシング９が回転軸４を支持する軸受け部１２においても、その隙間を通じて高圧側から低圧側に圧縮空気や燃焼ガスが漏れるのを防止するための軸シール機構として、リーフシール２０が設けられる。

続いて図５及び図６に示すように、リーフシール２０は、静翼７，１１及び軸受け部８，１２（図４参照）に相当する静止部材であるステータ６０に挿入されて、回転軸４の周面とステータ６０の内周面との隙間の環状空間におけるガスの漏れを防ぐための軸シール機構として設置される。このリーフシール２０は、回転軸４の周方向に互いに微小隙間を隔てて多重に積み重ねられた複数の薄板２１より成る環状の薄板群と（図７（ａ）参照）、この薄板群を薄板２１の外周基端側において軸方向での両側から挟持する各々コの字型のリテーナ２２，２３と、薄板群における高圧側（ガス圧が高い側）に位置する一側と一方のリテーナ２２とで挟み込まれて薄板群のその一側に接触する分割環状の高圧側側板２４と、薄板群における低圧側（ガス圧が低い側）に位置する他側と他方のリテーナ２３とで挟み込まれて薄板群のその他側に接触する分割環状の低圧側側板２５と、リテーナ２２，２３同士を薄板２１の外周側で接続する接続部材２６と、リテーナ２２，２３で狭持された各薄板２１のがたつきを抑制するスペーサ２７と、リテーナ２２，２３で狭持された薄板群が回転軸４に対して一定位置となるように付勢力を与える板バネ２８と、を備える。

薄板群の構成要素である各薄板２１は、図６に示すように、外周側基端における回転軸４の軸方向での幅が内周端側の幅に比べて広い略Ｔ字型の薄い鋼板によって構成され、その両側には、その幅の段差部分において切欠き部２１ａ，２１ｂが設けられる。ここで、各薄板２１は、圧延成形された厚さ０．１ｍｍ程度の鋼板（例えばステンレス、インコネル、ハステロイ等の金属鋼板）を素材とし、これをプレス等によって型抜きすることで先ずは一定厚さの所定形状（Ｔ字型）に成形される。そして、図８に示すように、この薄板２１の外周側基端部をそのまま残しつつ内周端側の片面のみ（図８の網掛け部分２１ｄに相当）をエッチングして取り除くことで、その厚みに段差が形成される。但し、こうしたＴ字型の輪郭形成と段差形成とをエッチングによって同時に成形することも可能である。

このような薄板２１を回転軸４の軸方向に同一の幅となるように重ねるとともに、図７（ｂ）に示すように、その外周基端及び外周基端側となる幅広部分の側面に溶接Ｗｄを施して固定し、これにより薄板群が形成される。また、各薄板２１はエッチングされた内周端側の板厚ｔで決まる所定の剛性を回転軸４の周方向に持つように設計されるとともに、回転軸４の回転方向に対して回転軸４の周面となす角θが鋭角となるようにリテーナ２２，２３で保持される。なお、薄板群においては、各薄板２１のエッチングにて取り除かれる部分２１ｄの深さｃが、薄板２１同士の微小隙間となる。

高圧側側板２４及び低圧側側板２５には、それぞれの外周縁部において、回転軸４の軸方向に突出する突起２４ａ，２５ａが設けられており、この突起２４ａ，２５ａは、薄板群の切欠き部２１ａ，２１ｂにそれぞれ嵌め込まれる。また、高圧側に位置するリテーナ２２は、薄板群における外周基端側の高圧側である一側に対向する面に凹溝２２ａを備え、他方の低圧側に位置するリテーナ２３は、薄板群における外周基端側の低圧側である他側に対向する面に凹溝２３ａを備える。そして、切欠き部２１ａ，２１ｂに高圧側側板２４及び低圧側側板２５それぞれの突起２４ａ，２５ａが嵌め込まれた薄板群は、その外周基端側の高圧側である一側がリテーナ２２の凹溝２２ａに嵌め込まれるとともに、その外周基端側の低圧側である他側がリテーナ２３の凹溝２３ａに嵌め込まれる。

ここで、高圧側側板２４は、その内径が回転軸の径よりも若干量大きく、低圧側側板２５は、その内径が高圧側側板２４の内径よりも所定量大きくなっている。従って、薄板群における各薄板２１の内周端部は、高圧側である一側よりも低圧側である他側の方が軸方向での表出域がはるかに大きくなる。

薄板群の外周基端側が嵌め込まれたリテーナ２２，２３の間には、接続部材２６が挿入されるとともに、この接続部材２６がリテーナ２２，２３と溶接されることで、リテーナ２２，２３が固定される。薄板群の外周基端とリテーナ２２，２３との間には、両者の隙間を埋めるスペーサ２７が挿入される。更に、スペーサ２７が挿入されたリテーナ２２，２３の外周側には凹溝２２ｂ，２３ｂが設けられていて、この凹溝２２ｂ，２３ｂによって形成される１つの凹溝に板バネ２８が嵌め込まれ、これにより板バネ２８がリテーナ２２，２３の外周側に固定される。

このような構成のリーフシール２０は、図６に示すように、分割環状の取付け用ピース６２と一体で、ステータ６０側の内周壁面に周方向に沿って形成された環状の取付け用凹溝６１に、リテーナ２２，２３側から周方向に沿って嵌め込まれる。ここで、凹溝６１は、回転軸４の軸方向において、底となる外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、薄板群の高圧側である一側と対向する側面に段差が設けられた形状とし、この段差の外周側の面６１ａが、リーフシール２０のリテーナ２２の内周面と摺接する摺接面となる。更に、凹溝６１の底である外周面６１ｂが、リーフシール２０の外周側に設けられる板バネ２８と摺接する摺接面となる。また、凹溝６１の内周側の幅は、回転軸４の軸方向の幅において、リーフシール２０の幅よりも十分に広くなるように形成される。

一方、取付け用ピース６２は、回転軸４の軸方向において、図６に示すように、外周側の幅が内周側の幅よりも狭くなるように、薄板群の低圧側である他側と対向する側面に段差が設けられた形状とし、この段差の外周側の面６２ａが、リーフシール２０のリテーナ２３の内周面と摺接する摺接面となる。更に、この取付け用ピース６２は、回転軸４の軸方向での幅の広い内周側の部分において、薄板群の低圧側である他側と対向する側面６２ｂが、低圧側側板２５と当接する受圧面となる。なお、この取付け用ピース６２の内周面の一部を突出させた形状とすることで、ラビリンスシール６２ｄを具備する。つまり、リーフシール２０の下流側に取付け用ピース６２が設置され、これにより、リーフシール２０よりも下流において、ガスの漏れ量を更に低減させるラビリンスシール６２ｄが設置されることとなる。

このように、リーフシール２０は、取付け用ピース６２と共に、ステータ６０の凹溝６１に対しその外周基端側で保持されることとなる。つまり、リテーナ２２，２３それぞれの内周面が、凹溝６１の摺接面６１ａ及び取付け用ピース６２の摺接面６２ａと摺接するとともに、リテーナ２２，２３の外周側に固定された板バネ２８が凹溝６１の摺接面６１ｂと摺接することで、リーフシール２０がステータ６０に対して嵌め込まれた状態で維持される。ちなみに、取付け用ピース６２を用いてリーフシール２０がステータ６０の凹溝６１に嵌め込まれるため、その組み付け作業を容易に行うことができる。

このとき、リーフシール２０は、凹溝６１内に対して、回転軸４の軸方向に若干の相対移動が可能である。そのため、高圧側領域から低圧側領域に向かってガスが流れるとき、そのガス圧がリーフシール２０の各薄板２１に作用するため、リーフシール２０が低圧側領域に向かって移動し、後述するように、低圧側側板２５が取付け用ピース６２の受圧面６２ｂと当接するようになる。

引き続き、このように構成されるリーフシール２０の作用について説明する。図９（ａ）に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かうガス圧が各薄板２１に加わった場合に、各薄板２１に対して、内周端側で且つ最も高圧側領域に位置する角部ｒ１で最もガス圧が高く、対角の角部ｒ２に向かって徐々にガス圧が弱まるガス圧分布７０ａが形成される。なお、図６では各薄板２１をＴ字型形状としているが、図５や図９では、便宜上、撓みを生じる長方形部分のみを図示している。

また、図９（ｂ）に示す回転軸４の周方向に沿った断面図のように、各薄板２１の回転軸４に面した面を下面２１ｑとするとともに、その裏側を上面２１ｐとする。そして、各薄板２１に対して高圧側領域から低圧側領域に向かうガス圧が加わって、図９（ａ）のようなガス圧分布７０ａが形成されるとき、各薄板２１の断面に沿った任意位置における上面２１ｐに加わるガス圧よりも下面２１ｑに加わるガス圧の方が高くなるように、ガス圧が調整される。

このとき、高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるガスｇは、高圧側側板２４と回転軸４の周面との間から流入する。そして、ガスｇは、図９（ａ）のように、回転軸４の周面と薄板２１の内周端との間を流れるとともに、互いに隣接する各薄板２１の上面２１ｐ及び下面２１ｑとの隙間に沿って、角部ｒ１から角部ｒ２の方向へ放射状に流れる。このようにガスｇが流れることで、各薄板２１の外周基端に向かって低圧の領域が広がる。そのため、図９（ｂ）に示すように、各薄板２１の上面２１ｐ及び下面２１ｑに垂直に加わるガス圧分布７０ｂ，７０ｃは、各薄板２１の内周端部分に近いほど大きくなるとともに各薄板２１の外周基端に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。

この上面２１ｐ及び下面２１ｑそれぞれにおけるガス圧力分布７０ｂ，７０ｃは、略等しい形状となるが、回転軸４の周面に対する角度θが鋭角となるように各薄板２１が配置されているので、これら上面２１ｐ及び下面２１ｑにおける各ガス圧分布７０ｂ，７０ｃの相対位置が薄板２１に対してずれる。これにより、薄板２１の外周基端側から内周端側に向かう任意の点Ｐにおける上面２１ｐ及び下面２１ｑのガス圧に差が生じる。こうして、各薄板２１において、下面２１ｑに加わるガス圧が上面２１ｐに加わるガス圧よりも高くなることから、回転軸４の周面と薄板２１の内周端との間を流れるガスのガス圧が、各薄板２１の内周端を回転軸４より浮かせる方向に発生する。

このように、各薄板２１の上面２１ｐ及び下面２１ｑ間に圧力差を生じさせることで、各薄板２１の内周端が回転軸４の周面より浮くように変形する。つまり、回転軸４の回転停止時には薄板２１の内周端は所定の予圧で回転軸４の周面に接触しているが（図７（ａ）参照）、回転軸４の回転時には回転軸４が回転することで生じる動圧効果によって薄板２１の内周端が浮上するため、薄板２１と回転軸４の周面が非接触状態となる（図７（ｃ）参照）。こうして、リーフシール２０は、回転軸４の周囲の空間を高圧側領域と低圧側領域とに分け、回転軸４の外周をシールする。

その際、このようにガスｇが高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるため、薄板群に対して、図１０（ａ）に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かって流体力Ｆが作用する。この流体力Ｆを薄板群が受けることで、リーフシール２０が高圧側領域から低圧側領域に向かって移動する。そして、図１０（ｂ）に示すように、低圧側側板２５が取付け用ピース６２の受圧面６２ｂに当接することで、リーフシール２０の位置が規制され、このとき、薄板群における低圧側である他側と取付け用ピース６２の受圧面６２ｂとの距離が、低圧側側板２５の厚さと等しくなる。

これは、低圧側側板２５の内径が薄板群の内径よりも大きいため、薄板群における各薄板２１の内周端側において、低圧側側板２５と当接しない表出域が存在することになるからであり、その結果として、薄板群における各薄板２１の内周端側において、低圧側である他側と取付け用ピース６２の受圧面６２ｂとの間に、低圧側側板２５の厚さと等しい隙間を確保できるわけである。一方、高圧側側板２４の内径が低圧側側板２５の内径よりも小さいことから、結果として、薄板群における各薄板２１の内周端側において、高圧側での表出域が低圧側での表出域よりも小さくなる。

従って、図９（ａ）のように、高圧側側板２４の内周面と回転軸４の周面との隙間を通じて各薄板２１（薄板群）へ流入したガスｇは、各薄板２１の上面２１ｐ及び下面２１ｑに沿って対角に向かって広く流れるとともに、薄板２１の外周基端側に低圧の領域が広がって、各薄板２１の内周端を回転軸４の周面から浮上させ、低圧側側板２５の内周面と回転軸４の周面との隙間を通じて流出する。このように、高圧側側板２４及び低圧側側板２５は、各薄板２１の内周端を有効に浮上させるべく、各薄板２１へのガスの流入量やガス圧を調整するというリーフシール２０にとって重要な機能を果たす。

なお、上記のリーフシール２０では、各薄板２１をＴ字型形状としているが、単なる長方形状としても構わない。また、薄板群とリテーナ２２，２３との間にスペーサ２７がないものとしても構わないし、リテーナ２２，２３と接続部材２６とがボルトで固定されるものとしても構わないし、板バネ２８がないものとしても構わない。

また、リーフシール２０を大型流体機械に組み付ける場合、環状の状態のまま回転軸４に軸方向に沿って挿入して取り付けることは困難であることから、回転軸４の周面に沿って環状に構成されるリーフシール２０は、実際には、図１１に示すように、その周方向に４〜８分割された複数の分割体より構成される。このとき、分割体個々の端面が回転軸４の回転方向に対して回転軸４の周面となす角度は、各薄板２１が回転軸４の周面となす角度と等しい角度となる。
特開２００２−１３６４７号公報

ところで、高圧側領域と低圧側領域の圧力差が極めて大きい個所のステータ６０に、上記したリーフシール２０を設置しようとする場合は、１つのリーフシール２０では、その圧力差に耐えることが困難であるため、リーフシール２０を回転軸４の軸方向に複数段に亘って設置し、これらのリーフシール２０でその圧力差を分担するようにしている。その一例として、リーフシール２０を３段に設置した状況を図１２に示す。ここでは、高圧側領域から低圧側領域に向けて順に、第１段目のリーフシール１２０、第２段目のリーフシール２２０、及び最終段である第３段目のリーフシール３２０が設置されている。高圧側領域である第１段目のリーフシール１２０の高圧側に存在する圧力Ｐ₁のガスは、第１段目のリーフシール１２０を通じて圧力Ｐ₂に低下し、更に第２段目のリーフシール２２０を通じてＰ₃に低下し、最後に第３段目のリーフシール３２０を通じて圧力Ｐ₄に低下して低圧側領域に至る。

ここで一般には、設計工数の削減や部品管理の容易化といった観点から、第１、第２、第３段目のリーフシール１２０、２２０、３２０は、互いに同一寸法の設計となっており、流通する作動流体（ガス）の漏れ量に対してのシール性能は同一である。そのため、取り扱う作動流体が圧縮性流体である場合、その作動流体が第１段目のリーフシール１２０、第２段目のリーフシール２２０、及び第３段目のリーフシール３２０を順に経るに従って、その各時点での圧力がＰ₂、Ｐ₃、及びＰ₄へと単調増加的に低下していくようになる。つまり、第１段目のリーフシール１２０が負担する圧力差（Ｐ₁−Ｐ₂）や第２段目のリーフシール２２０が負担する圧力差（Ｐ₂−Ｐ₃）に比べて、最終段である第３段目のリーフシール３２０が負担する圧力差（Ｐ₃−Ｐ₄）が格段に大きくなるという現象が生じる（図１２中の下段のグラフ参照）。

この場合、特に最終段である第３段目のリーフシール３２０について、これが設計仕様上で許容できる圧力差の限界値を超えてしまうおそれがある。従来は、このような事態を回避するために、リーフシール２０の段数を更に増やすことで対処していた。リーフシール２０の設置段数の増加に従って、最終段のリーフシール２０が負担する圧力差を軽減できるからである。

しかし、リーフシール２０の設置段数が多いと、その分部品点数が増すことから製造コストが悪化し、経済性の面で不利である。その上、リーフシール２０を設置するための軸方向へのスペースをより確保しなければならないため、これが適用される流体機械の軸方向への大型化を招き、回転軸４の軸振動の発生にも敏感になるという弊害がある。

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、リーフシールを複数段備えた軸シール機構であって、リーフシールの設置段数の更なる増加を伴うことなく、最終段のリーフシールが負担する圧力差を軽減できる軸シール機構を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明による軸シール機構は、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構であって、前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して軸方向へ複数段取り付けた軸シール機構において、以下の点を特徴とする。

第１の特徴点としては、高圧側の軸シール部材ほどシール性能が高まるように、前記各段の軸シール部材における前記各薄板群は、高圧側に近い軸シール部材における薄板群ほど前記各薄板同士の微小隙間が狭く、低圧側に近い軸シール部材における薄板群ほど前記各薄板同士の微小隙間が広くなっている。このようにすれば、各軸シール部材すなわち各リーフシールにおいては、各薄板同士の間に回転軸の軸方向に沿って流入したガスのうちでそのまま各薄板同士の間を軸方向に流れて流出するガスの体積流量が、高圧側に近いほど少なく、逆に低圧側に近いほど多くなり、結果として、リーフシールのシール性能が、高圧側に近いほど高く、低圧側に近いほど低くなる。そのため、作動流体が高圧側から低圧側へ向けて各リーフシールを順に経るに従って、その各時点での圧力がほぼ均一に低下していくようになる。従って、最終段のリーフシールが負担する圧力差は、他のリーフシールが負担する圧力差とほぼ同等になり、設計仕様上での限界値内に軽減される。

第２の特徴点としては、高圧側の軸シール部材ほどシール性能が高まるように、前記各段の軸シール部材における前記各高圧側側板は、高圧側に近い軸シール部材における高圧側側板ほど内径が小さく、低圧側に近い軸シール部材における高圧側側板ほど内径が大きくなっている。このようにしても、軸シール部材すなわちリーフシールにおいては、各薄板同士の間に回転軸の軸方向に沿って流入したガスのうちでそのまま各薄板同士の間を軸方向に流れて流出するガスの体積流量が、高圧側に近いほど少なく、逆に低圧側に近いほど多くなり、結果として、リーフシールのシール性能が、高圧側に近いほど高く、低圧側に近いほど低くなる。そのため、上記した第１の特徴点の場合と同様、最終段のリーフシールが負担する圧力差は、他のリーフシールが負担する圧力差とほぼ同等になり、設計仕様上での限界値内に軽減される。

第３の特徴点としては、高圧側の軸シール部材ほどシール性能が高まるように、前記各段の軸シール部材における前記各低圧側側板は、高圧側に近い軸シール部材における低圧側側板ほど軸方向での厚さが薄く、低圧側に近い軸シール部材における低圧側側板ほど軸方向での厚さが厚くなっている。このようにすれば、軸シール部材すなわちリーフシールにおいては、各薄板同士の間に回転軸の軸方向に沿って流入したガスのうちで各薄板同士の間を広がって流れて流出するガスの体積流量が、高圧側に近いほど少なく、逆に低圧側に近いほど多くなり、結果として、リーフシールのシール性能が、高圧側に近いほど高く、低圧側に近いほど低くなる。そのため、上記した第１の特徴点の場合と同様、最終段のリーフシールが負担する圧力差は、他のリーフシールが負担する圧力差とほぼ同等になり、設計仕様上での限界値内に軽減される。

本発明の軸シール機構によれば、リーフシールの設置段数を更に増やさなくても、最終段のリーフシールが負担する圧力差を軽減できる。勿論、リーフシールが適用される流体機械の軸方向への大型化を招くことはない。

以下に、本発明の実施形態であるリーフシールを採用した軸シール機構について、図面を参照しながら詳述する。図１は本実施形態におけるリーフシールを複数段設置した状況を示す図、図２はその各リーフシールの特性を説明するための回転軸の軸方向に沿う断面図、図３はその各リーフシールの特性を説明するための回転軸の径方向に沿う断面図である。なお、図中で図４〜図１２と同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略するとともに、本発明の特徴点について特筆する。特に本実施形態では、リーフシール２０を３段に設置し、これらのリーフシール２０で高圧側領域と低圧側領域の圧力差を分担する場合を一例として示す。

図１に示すように、ステータ６０には、回転軸４の軸方向に沿って高圧側領域から低圧側領域に向けて順に、第１段目のリーフシール１２０、第２段目のリーフシール２２０、及び最終段である第３段目のリーフシール３２０が設置されている。高圧側領域である第１段目のリーフシール１２０の高圧側に存在する圧力Ｐ₁のガスは、第１段目のリーフシール１２０を通じて圧力Ｐ₂に低下し、更に第２段目のリーフシール２２０を通じてＰ₃に低下し、最後に第３段目のリーフシール３２０を通じて圧力Ｐ₄に低下して低圧側領域に至る。

本実施形態では、取り扱う作動流体が圧縮性流体であることを前提として、最終段である第３段目のリーフシール３２０が負担する圧力差（Ｐ₃−Ｐ₄）の軽減を図るべく、その圧力差（Ｐ₃−Ｐ₄）と、第１段目のリーフシール１２０が負担する圧力差（Ｐ₁−Ｐ₂）と、第２段目のリーフシール２２０が負担する圧力差（Ｐ₂−Ｐ₃）がほぼ同等となるようにする（図１中の下段のグラフ参照）。その手法を続いて説明する。

第１、第２、第３段目のリーフシール１２０、２２０、３２０各々においては、その特性として、次式（１）及び次式（２）を満たす。

Ｇ１_i＝ｋ１・ｂ_i・ｈ_i ³・（Ｐ_i ²−Ｐ_i+1 ²）／Ｌ_i ・・・式（１）
但し、ｉは１，２，３，・・・，ｎであって、第ｉ段目のリーフシール２０について表す。本実施形態では、ｎ＝３が最終となる。また、図２及び図３に示すように、Ｇ１_iは各薄板１２１、２２１、３２１同士の間に回転軸４の軸方向に沿って流入したガスのうちでそのまま各薄板１２１、２２１、３２１同士の間を軸方向に流れて流出するガスの体積流量である。ｋ１は係数である。ｂ_iは各薄板１２１、２２１、３２１の内周端と高圧側側板１２４、２２４、３２４の内周とで形成される表出領域の径方向での幅である。ｈ_iは各薄板１２１、２２１、３２１同士の微小隙間である。Ｐ_iはリーフシール１２０、２２０、３２０の高圧側の圧力であり、Ｐ_i+1はその低圧側の圧力である。Ｌ_iは各薄板１２１、２２１、３２１の軸方向での幅である。

Ｇ２_i＝ｋ２・ｅ_i・ＰＭ_i ・・・式（２）
但し、ｉは上記の式（１）の場合と同様、１，２，３，・・・，ｎであって、第ｉ段目のリーフシール２０について表す。本実施形態では、ｎ＝３が最終となる。また、図２に示すように、Ｇ２_iは各薄板１２１、２２１、３２１同士の間に回転軸４の軸方向に沿って流入したガスのうちで各薄板１２１、２２１、３２１同士の間を広がって流れて流出するガスの体積流量である。ｋ２は係数である。ｅ_iは低圧側側板１２５、２２５、３２５の軸方向での厚さである。ＰＭ_iはリーフシール１２０、２２０、３２０の低圧側における低圧側側板１２５、２２５、３２５の内周近傍での圧力である。

ここで、リーフシール１２０、２２０、３２０のシール性能が、高圧側領域に近いものほど高く、逆に低圧側領域に近いものほど低くなるように設定する。これは、上記の式（１）において、ガスの体積流量Ｇ１_iが、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど少なく、逆に低圧側領域に近いリーフシール２０ほど多くなるようにすればよい。具体的には、各薄板２１同士の微小隙間ｈ_iが、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど狭く、低圧側領域に近いリーフシール２０ほど広くなっている。つまり、第１のリーフシール１２０での微小隙間ｈ₁、第２のリーフシール２２０での微小隙間ｈ₂、第３のリーフシール３２０での微小隙間ｈ₃の順に広がるように設定する。

このような各薄板２１同士の微小隙間ｈ_iの形成にあたっては、図７及び図８に示すように、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど各薄板２１のエッチング深さｃを浅く、すなわち各薄板２１のエッチングされた内周端側の板厚ｔを厚くし、逆に低圧側領域に近いリーフシール２０ほど各薄板２１のエッチング深さｃを深く、すなわち各薄板２１のエッチングされた内周端側の板厚ｔを薄くすれば足りる。

又は、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど各薄板２１の内周端を回転軸４へ向けて伸ばし、逆に低圧側領域に近いリーフシール２０ほど各薄板２１の内周端を回転軸４より縮めることでも足りる。各薄板２１の伸縮の応じて、各薄板２１の内周端側での互いの接触が増減し、その結果として、各薄板２１同士の微小隙間ｈ_iが平均的に狭広するからである。

このような構成にすれば、作動流体が第１段目のリーフシール１２０、第２段目のリーフシール２２０、及び第３段目のリーフシール３２０を順に経るに従って、その各時点での圧力がＰ₂、Ｐ₃、及びＰ₄へとほぼ均一に低下していくようになる。従って、リーフシール２０の設置段数を更に増やさなくても、最終段である第３段目のリーフシール３２０が負担する圧力差（Ｐ₁−Ｐ₂）は、他の第１、第２のリーフシール１２０、２２０が負担する圧力差（Ｐ₂−Ｐ₃）、（Ｐ₃−Ｐ₄）とほぼ同等になり、設計仕様上での限界値内に軽減されることになる。勿論、リーフシール２０が適用される流体機械の軸方向への大型化を招くことはなく、回転軸４の軸振動の発生にも懸念はない。

また、別の構成として、リーフシール１２０、２２０、３２０のシール性能が、高圧側領域に近いものほど高く、逆に低圧側領域に近いものほど低くなるように設定すべく、上記の式（１）において、ガスの体積流量Ｇ１_iが、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど少なく、逆に低圧側領域に近いリーフシール２０ほど多くなるようにするために、リーフシール２０の表出領域の幅ｂ_iが、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど狭く、逆に低圧側領域に近いリーフシール２０ほど広くなっていてもよい。つまり、第１のリーフシール１２０での表出領域の幅ｂ₁、第２のリーフシール２２０での表出領域の幅ｂ₂、第３のリーフシール３２０での表出領域の幅ｂ₃の順に広がるように設定する。これは、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど高圧側側板２４の内径を小さく、低圧側領域に近いリーフシール２０ほど高圧側側板２４の内径を大きくすれば足りる。

また、別の構成として、リーフシール１２０、２２０、３２０のシール性能が、高圧側領域に近いものほど高く、逆に低圧側領域に近いものほど低くなるように設定すべく、上記の式（２）において、ガスの体積流量Ｇ２_iが、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど少なく、逆に低圧側領域に近いリーフシール２０ほど多くなるようにしてもよい。具体的には、低圧側側板２５の厚さｅ_iが、高圧側領域に近いリーフシール２０ほど薄く、逆に低圧側領域に近いリーフシール２０ほど厚くなっている。つまり、第１のリーフシール１２０での低圧側側板１２５の厚さｅ₁、第２のリーフシール２２０での低圧側側板２２５の厚さｅ₂、第３のリーフシール３２０での低圧側側板３２５の厚さｅ₃の順に厚くなるように設定する。

これらのような構成にしても、作動流体が第１段目のリーフシール１２０、第２段目のリーフシール２２０、及び第３段目のリーフシール３２０を順に経るに従って、その各時点での圧力がＰ₂、Ｐ₃、及びＰ₄へとほぼ均一に低下していくようになるため、上記と同様の効果を奏する。

なお、本実施形態では、リーフシール２０を３段に設置した構成について説明したが、２段であってもよいし、４段以上であってもよい。

その他本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、図４に示すガスタービンにリーフシールを採用しているものを例示しているが、それに限定されるものではなく、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の大型流体機械のように、軸の回転と作動流体の流動の関係でエネルギーを仕事に変換するものに広く採用することができる。また、回転軸の周面に沿った軸方向での作動流体の流動を抑えるためにも用いることができる。

本発明は、大型流体機械の回転軸に対しての軸シール機構として有用である。

本発明におけるリーフシールを複数段設置した状況を示す図である。 本発明における各リーフシールの特性を説明するための回転軸の軸方向に沿う断面図である。 本発明における各リーフシールの特性を説明するための回転軸の径方向に沿う断面図である。 従来一般のリーフシールを備えた大型流体機械の一例であるガスタービンの構成を示す概略図である。 従来一般のリーフシールの基本構成を示す斜視図である。 従来一般のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図である。 従来一般のリーフシールの基本構成を示す回転軸の周方向に沿う側面図及び断面図である。 従来一般のリーフシールの構成要素である薄板の側面図である。 従来一般のリーフシールの作用を説明するための模式図である。 従来一般のリーフシールの作用を説明するための模式図である。 従来一般のリーフシールを環状に配置した状態を示す平面図である。 従来におけるリーフシールを複数段設置した状況を示す図である。

符号の説明

４ 回転軸
２０，１２０，２２０，３２０ リーフシール
２１，１２１，２２１，３２１ 薄板
２２，２３，１２２，１２３，２２２，２２３，３２２，３２３ リテーナ
２４，１２４，２２４，３２４ 高圧側側板
２５，１２５，２２５，３２５ 低圧側側板
６０ ステータ
６１，１６１，２６１，３６１ 取付け用凹溝
６２，１６２，２６２，３６２ 取付け用ピース

Claims (3)

1. 回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構であって、
   前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して軸方向へ複数段取り付けた軸シール機構において、
   前記各段の軸シール部材における前記各薄板群は、高圧側に近い軸シール部材における薄板群ほど前記各薄板同士の微小隙間を狭くするとともに、低圧側に近い軸シール部材における薄板群ほど前記各薄板同士の微小隙間を広くして、高圧側の軸シール部材ほどシール性能を高めることを特徴とする軸シール機構。
2. 回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構であって、
   前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して軸方向へ複数段取り付けた軸シール機構において、
   前記各段の軸シール部材における前記各高圧側側板は、高圧側に近い軸シール部材における高圧側側板ほど内径を小さくするとともに、低圧側に近い軸シール部材における高圧側側板ほど内径を大きくして、高圧側の軸シール部材ほどシール性能を高めることを特徴とする軸シール機構。
3. 回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構であって、
   前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して軸方向へ複数段取り付けた軸シール機構において、
   前記各段の軸シール部材における前記各低圧側側板は、高圧側に近い軸シール部材における低圧側側板ほど軸方向での厚さを薄くするとともに、低圧側に近い軸シール部材における低圧側側板ほど軸方向での厚さを厚くして、高圧側の軸シール部材ほどシール性能を高めることを特徴とする軸シール機構。

Images