JP4031699B2 - 軸シール機構及びタービン - 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、及び、その軸シール機構を回転軸のシール手段として備えたタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、図１１に示すようなリーフシールが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
このリーフシール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。各薄板３は、その外周側基端部がろう付け部４を介してリーフシールリング５に固定され、内周側先端が、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。
【０００４】
このようにしてリーフシールリング５に取り付けられた各薄板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を間に挟む高圧側領域に高圧側側板７、低圧側領域に低圧側側板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。
【０００５】
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、薄板３の摩耗が防止され、シール寿命が長くなる。
【０００６】
ところで、この種のリーフシール１では、高圧側側板７及び低圧側側板８と薄板３との間の隙間が、薄板３を回転軸２の周面から浮上させる上での重要な要素となる。例えば、高圧側領域から低圧側領域にガスが流れるとき、薄板３の上面と下面（ここでは、傾斜した薄板３の回転軸２に面した側が下面、その反対側が上面である）での圧力分布差により浮上力が発生するが、その圧力分布を左右する上で前記の高圧側側板７及び低圧側側板８と薄板３との間の隙間が重要な役割をなす。
【０００７】
そこで、下記特許文献１には、高圧側の隙間を調節するために高圧側に可撓板を設けることが提案されている。図１２（ａ）は、可撓板１０を高圧側側板７の内側に配置した例、（ｂ）は可撓板１０を高圧側側板の代わりに配置した例を示している。いずれも、薄板群９の高圧側の側面に隣接させて、環状の可撓板１０を配置している。このように可撓板１０を薄板群９の側面に隣接させて配置することにより、各薄板３の内周先端側の回転軸２の周面からの浮上力を高めることができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３６４７号公報（図３、図５参照）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来例においては、可撓板１０の内周端と回転軸２との間の隙間（図１２において符号Ｓで示す）は、回転軸２の振動時や偏心回転時の接触回避のために大きめに開けているのが現状である。この隙間は、直接リーフシール１の内周部の隙間流量に影響するので極力小さくするのが望ましいが、上述の振動時や偏心回転時の接触を考慮した場合、ある程度の大きめの隙間を確保せざるを得ない。また、リーフシールリング５等の熱変形が大きい場合、更に隙間が増大するため、シール性能が低下するという問題もある。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮し、振動時や偏心回転時あるいはリーフシールリング等の熱変形が大きい場合にも、可撓板と回転軸との間の隙間を極力小さく保つことができて、その結果、シール性能を高めることのできる軸シール機構、及び、その軸シール機構を備えたタービンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、回転軸とケーシングとの間の環状空間に、前記回転軸の軸方向に各板幅方向を揃え且つ回転軸の周方向に互いに微小間隔をあけて多数の薄板を配列することで環状の薄板群を配設し、前記各薄板の内周側先端を回転軸の周面に対し周方向の傾きをもって鋭角に摺接させると共に、各薄板の外周側基端をケーシングに固定し、それにより前記環状の薄板群で前記回転軸とケーシングとの間の環状空間を高圧側領域と低圧側領域に分ける軸シール機構において、圧力作用方向のガイド板として前記高圧側領域の高圧側側板と前記低圧側領域の低圧側側板とが前記環状の薄板群を挟んで配置され、かつ、前記高圧側領域に前記環状の薄板群に隣接させて、外周が前記ケーシングに固定された環状の可撓板を配設し、該可撓板の内周端を前記回転軸の周面に近接または接触させると共に、該可撓板の内周部に、それより外周側の部分よりも可撓性を増大させた可撓性増大部を設けたことを特徴とする。
【００１２】
この軸シール機構では、環状の可撓板の内周部に可撓性増大部を設けたので、回転軸との過渡的な接触を許容することができる。つまり、圧力作用方向のガイド板として高圧側領域の高圧側側板と低圧側領域の低圧側側板とが環状の薄板群を挟んだ配置となっているので、自身の内周部が回転軸の周面に近接または接触するまで可撓板の内径を小さく設定しても、振動時や偏心回転時などの過渡的な回転軸との接触による変形を、可撓性増大部の柔らかな変形によって吸収することができる。従って、回転軸との接触を恐れずに、可撓板の内周端を回転軸の周面に近い位置まで延ばすことができ、その結果、回転軸と可撓板との隙間を極力小さく保つことができて、シール性能を高めることができる。また、回転軸と可撓板の内周部が接触している場合でも、可撓性増大部の柔軟な変形によって接触圧が低く抑えられるので、発熱や摩耗を減らすことができ、可撓板の耐久性が増す。
【００１３】
また、可撓板の内周端を極力回転軸の周面に近づけることにより、薄板の露出量が少なくなるので、高圧側からのスケールの飛来による薄板の損傷防止にも役立つ。また、可撓板と回転軸との隙間を小さくすることにより、薄板の先端部のばたつきを防止することができ、薄板の疲労損傷を防止することもできる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１において、前記環状の可撓板の内周部に多数のスリットを形成することにより前記可撓性増大部を構成したことを特徴とする。
【００１５】
この軸シール機構では、環状の可撓板の内周部に多数のスリットを形成することにより可撓性増大部を構成しているので、スリット加工するだけの簡単な作業を加えればよい。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２において、前記多数のスリットを、前記環状の可撓板の周方向に間隔的に且つ該可撓板の内周端から半径方向外方に向かって形成したことを特徴とする。
【００１７】
この軸シール機構では、環状の可撓板の内周端から半径方向外方に向かって各スリットを形成しているので、スリット間の小片の自由な撓みにより、回転軸と可撓板が接触した場合の変形を吸収することができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３において、前記スリットを、前記可撓板の周方向に一定の傾きをもって斜めに形成し、そのスリットの方向を前記薄板の傾きの方向と逆に設定したことを特徴とする。
【００１９】
この軸シール機構では、スリットを一定の傾きをもって斜めに形成してあるので、スリットを形成してある領域の半径方向の寸法の割に、各スリットの長さを長めに設定することができる。従って、可撓性を局部的に増大させる（剛性を低下させる）際の調整幅が広がると共に、スリットを形成する傾きの角度によって可撓性の程度調整が容易にできる。また、スリットを湾曲させながら斜めに形成した場合は、よりスリット長さを稼ぐことができて、可撓性を一層増すことができる。なお、スリットの方向と薄板の傾きの方向を逆に設定しているので、薄板が撓んだ際に可撓板のスリットに引っ掛かるようなこともない。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項２において、前記多数のスリットを、前記環状の可撓板の周方向に長さを持たせて、可撓板の半径方向の所定の範囲に分散的に形成したことを特徴とする。
【００２１】
スリットの形成方向は特に限定されるものではなく、この軸シール機構では、スリットを可撓板の周方向に長さを持たせて可撓板の半径方向に分散的に形成している。このようにスリットを形成した場合も、可撓板の内周部の可撓性を増すことができ、前記の変形吸収作用が得られる。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項２〜５のいずれかにおいて、前記スリットを形成した可撓板の内周部を、それより外周側の部分よりも薄肉に形成したことを特徴とする。
【００２３】
全部を同じ厚さの板で可撓板を構成しても、前述のように例えばスリットを形成することで部分的に可撓性を増大させることができるが、この軸シール機構では、同時にそのスリットを形成してある可撓板の内周部を、それより外周側の部分よりも薄肉に形成している。こうすることで、可撓板の内周部の可撓性を一層増大させることができる。薄肉部については、例えばエッチングで加工することができる。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかにおいて、可撓板の内周端の、前記環状の薄板群側の角部にアール部を設けたことを特徴とする。
【００２５】
可撓板が作動流体に押されて薄板側に撓んだ場合、可撓板の内周部が薄板の側辺に接触する可能性があるが、この軸シール機構では、可撓板の内周端の薄板側の角部にアール部を設けたので、可撓板が薄板に接触しても、薄板に傷を付けたりしないし、接触部分の摩耗を最小限に抑えることができる。また、可撓板の内周端と回転軸の隙間から薄板側に進入する流体圧がアール部に作用することにより、可撓板の内周部に薄板と反対側への押圧力が発生するので、可撓板が薄板側へ変形するのを防止することができる。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項１〜６において、前記可撓板の内周端を、前記環状の薄板群から離れる方向に湾曲させたことを特徴とする。
【００２７】
可撓板の板厚が大きい場合は、請求項７の発明のようにアール部を設けることも有効であるが、板厚が小さい場合は有効なアール部を設けることができない。そこで、この軸シール機構では、可撓板の内周端を、環状の薄板群から離れる方向に湾曲させている。このようにすることで、請求項７の発明と同じ作用を得ることができる。
【００２８】
請求項９の発明は、高温高圧の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、前記流体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タービンにおいて、請求項１〜８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。
【００２９】
このタービンでは、高差圧においても、ガス漏れ量を低減できる軸シール機構を備えているので、ガス漏れによる駆動力の損失を低減することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る軸シール機構及びこれを備えたタービンの実施形態について説明を行うが、本発明はこれらのみに限定解釈されるものではない。
【００３１】
まず、図１〜図６を参照しながら、第１実施形態について説明を行う。
図１は、ガスタービンの概略構成を示す図である。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２０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。
【００３２】
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、静翼２４ａと回転軸２３の環状空間を通り、高圧側から低圧側に向かって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。
【００３３】
このリーフシール２５は、図２に示すように、静翼２４ａの内部に保持されたリーフシールリング２６と、リーフシールリング２６に保持された環状の薄板群２８Ｍとを有する。環状の薄板群２８Ｍは、回転軸２３の軸方向に各板幅方向を揃え且つ回転軸２３の周方向に互いに微小間隔２７をあけて多数の一定幅の薄板２８を配列することで構成されており、各薄板２８の外周基端２８ａ側がリーフシールリング２６に固定され、各薄板２８の内周先端２８ｂが回転軸２３の周面２３ａに対し周方向に所定の傾き角をもって鋭角に摺接し、それにより、環状の薄板群２８Ｍが、回転軸２３とケーシング２４との間の環状空間を高圧側領域と低圧側領域に分けている。各薄板２８は、回転軸２３の軸方向に板厚で決まる所定の剛性を有し、回転軸２３の周方向には柔らかい可撓性を有している。
【００３４】
リーフシールリング２６には、環状の薄板群２８Ｍを間に挟んで、高圧側領域に高圧側側板２９、低圧側領域に低圧側側板３０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。また、環状の薄板群２８Ｍと環状の高圧側側板２９との間には、薄板群２８Ｍに隣接させて、回転軸２３の軸方向に可撓性を有する環状の可撓板３１が設けられている。可撓板３１は、外周部が薄板群２８Ｍに固定されている。なお、可撓板３１の外周部は、リーフシールリング２６に固定されていてもよい。
【００３５】
図３はリーフシール１を図２の矢印Ａより見た場合の断面図である。この図に示すように、リーフシールリング２６の横断面及び各薄板２８は、それぞれＴ字形をなしている。可撓板３１の外周部は、各薄板２８のＴ字形をなした頭部の根元に溶接によって強固に取り付けられている。この可撓板３１は、各薄板２８の側辺３３に軽く当接するか、僅かな隙間を持って対向している。この可撓板３１は、高圧側からガス圧によって加圧された際には、回転軸２３の軸方向に向かって撓み、各薄板２８の側辺３３に当接して支えられる。
【００３６】
この場合、可撓板３１の内周端３１ａは、回転軸２３の周面に近接または接触する程度に延ばされている。つまり、可撓板３１の内径が、少なくとも高圧側側板２９の内径よりも小さく設定されており、可撓板３１の内周端３１ａが、回転軸２３の周面に近い位置まで延ばされており、可撓板３１の内周端３１ａと回転軸２３の周面２３ａとの隙間が極力小さくなされている。なお、軽く接触するまで延ばされていてもよい。そして、可撓板３１の内周部の半径方向の所定寸法領域が、それより外周側の部分よりも可撓性を増大させた可撓性増大部３１Ｋとなっている。可撓性を増大させる手法としては、スリットを設けるなどの手法があり、その具体例については後述する。
【００３７】
このように、高圧側側板側２９と薄板群２８Ｍに隣接して可撓板３１を設けることにより、例えば、図４及び図５に示すように、高圧側から加圧された際に、各薄板２８を通過して高圧側領域から低圧側領域へ流れるガスｇは、各薄板２８の上面３６及び下面３７に沿って対角に向かって広く流れると同時に、外周基端２８ａ側には低圧の領域が広がる。つまり、各薄板２８の上面３６及び下面３７に対して、内周先端２８ｂ側で且つ高圧側側板２９側に位置する角部ｒ１で最もガス圧が高く、且つ対角の外周基端２８ａ側で且つ低圧側側板３０側に位置する角部ｒ２に向かって徐々にガス圧が弱まる三角形状のガス圧分布４０ａを形成する。
【００３８】
これについて詳しく説明すると、高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるガスｇは、回転軸２３の周面２３ａと薄板２８の各先端との間、ならびに、各薄板２８の上面３６及び下面３７に沿って流れるときに、高圧側側板２９と回転軸２３の周面２３ａとの間から流入し、角部ｒ１から対角の角部ｒ２の方向へ放射状に流れ、外周基端２８ａ側には低圧の領域が広がる。従って、図５に示すように、各薄板２８の上面３６及び下面３７に垂直に加わるガス圧分布４０ｂ、４０ｃは、各薄板２８の内周先端２８ｂ側に近いほど大きく、かつ外周基端２８ｂ側に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
【００３９】
この上面３６及び下面３７それぞれにおけるガス圧力分布４０ｂ、４０ｃの形状は互いに略同じものとなるが、各薄板２８が回転軸２３の周面２３ａに対して鋭角をなすように斜めに配置されているので、これら上面３６及び下面３７における各ガス圧分布４０ｂ、４０ｃの相対位置が寸法ｓ１だけずれる。従って、薄板２８の外周基端２８ａ側から内周先端２８ｂ側に向かう任意点Ｐにおける上面３６及び下面３７のガス圧を比較した場合、下面３７に加わるガス圧（これをＦｂとする）の方が、上面３６に加わるガス圧（これをＦａとする）よりも高くなり、薄板２８を回転軸２３の周面２３ａより浮かせるように変形させる方向の力が発生する。
【００４０】
このとき、薄板２８の内周先端２８ｂ近傍部分では逆となり、上面３６にのみガス圧が加わる（薄板２８の最先端部分は、周面２３ａに対して面接触するように斜めに切り取られて切断面３８が設けられているので、下面３７に相当する部分がなくなる）が、この力は、周面２３ａと薄板２８の先端２８ｂとの間を流れるガスのガス圧が、薄板２８の先端２８ｂを回転軸２３の周面２３ａから浮かせる方向に作用（これをＦｃとする）して打ち消すので、薄板２８の先端２８ｂを回転軸２３に対して押さえ込もうとする力を生じさせない。従って、各薄板２８に加わるガス圧による圧力荷重は、（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａとなるので、各薄板２８を回転軸２３の周面２３ａより浮かせるように変形させることが可能となる。その結果、各薄板２８の上面３６及び下面３７間に圧力差が生じ、これら薄板２８を回転軸２３の周面２３ａより浮くように変形させて、薄板２８を回転軸２３に対して非接触状態に維持する。
【００４１】
また、上記のリーフシール２５を採用したことにより、次の述べるような各作用効果を生むことができる。
即ち、環状の可撓板３１の内周部に可撓性増大部３１Ｋを設けたので、回転軸２３との過渡的な接触を許容することができる。つまり、自身の内周部が回転軸２３の周面に近接または接触するまで可撓板３１の内径を小さく設定しても、振動時や偏心回転時などの過渡的な回転軸２３との接触による変形を、可撓性増大部３１Ｋの柔らかな変形によって吸収することができる。従って、回転軸２３との接触を恐れずに、可撓板３１の内周端３１ａを回転軸２３の周面２３ａに近い位置まで延ばすことができ、その結果、回転軸２３と可撓板３１との隙間を極力小さく保つことができて、シール性能を高めることができる。
【００４２】
また、回転軸２３と可撓板３１の内周部が接触している場合でも、可撓性増大部３１Ｋの柔軟な変形によって接触圧が低く抑えられるので、発熱や摩耗を減らすことができ、可撓板３１の耐久性を増すことができる。また、可撓板３１の内周端３１ａを極力回転軸２３の周面に近づけることにより、高圧領域側から見た場合の薄板２８の露出量が少なくなるので、高圧側からのスケールの飛来による薄板２８の損傷防止効果を得ることができる。また、可撓板３１と回転軸２３との隙間を小さくすることにより、薄板２８の内周先端２８ｂ側のばたつきを防止することができ、薄板２８の疲労損傷を防止することもできる。
【００４３】
次に可撓板３１の内周部に設けた可撓性増大部３１Ｋの各具体例について説明する。ここでは、環状の可撓板３１の内周部に多数のスリットを形成することで可撓性増大部３１Ｋを構成した例について述べる。
【００４４】
図６（ａ）、（ｂ）に示す実施形態の可撓板１３１では、多数のスリット１３２を環状の可撓板１３１の内周部に形成するに当たり、周方向に間隔的に且つ可撓板１３１の内周端１３１ａから半径方向に沿って放射状にスリット１３２を形成することにより、可撓性増大部１３１Ｋを構成している。このようにスリット１３２を形成することにより、スリット１３２間の小片の自由な撓みによって、回転軸と可撓板１３１が接触した場合の変形を吸収することができる。
【００４５】
なお、図７（ａ）、（ｂ）に示す実施形態の可撓板２３１のように、スリット２３２を形成した可撓板２３１の内周部を、それより外周側の部分よりも薄肉に形成することにより、可撓性増大部２３１Ｋの可撓性を一層増大させることもできる。ここで、薄肉に形成した可撓性増大部２３１Ｋは、他の部分の肉厚の半分程度にするのが好ましい。例えば、可撓板２３１の全体の肉厚が０．１ｍｍであれば、薄肉の可撓性増大部２３１Ｋの肉厚は０．０５ｍｍ程度にする。肉落としの方法としては、例えばエッチング加工を用いる。
【００４６】
図８（ａ）、（ｂ）に示す実施形態の可撓板３３１では、多数のスリット３３２を環状の可撓板３３１の内周部に形成するに当たり、周方向に間隔的に且つ可撓板３３１の内周端３３１ａから、可撓板３３１の周方向に一定の傾きをもって斜めにスリット３３２を形成し、そのスリット３３２の方向を薄板２８の傾きの方向と逆に設定している。
【００４７】
このようにスリット３３２を一定の傾きをもって斜めに形成することにより、スリット３３２を形成してある領域の半径方向の寸法Ｌの割に、各スリット３３２の長さを長めに設定することができる。従って、可撓性を局部的に増大させる際の調整幅が広がると共に、スリット３３２を形成する傾きの角度によって可撓性の程度調整が容易にできるようになる。また、図示のようにスリット３３２を湾曲させながら斜めに形成した場合は、よりスリット３３２の長さを稼ぐことができるので、可撓性を一層増すことができる。なお、スリット３３２の方向と薄板２８の傾きの方向を逆に設定しているので、薄板２８が撓んだ際に可撓板２８のスリット３３２に引っ掛かるようなこともない。
【００４８】
また、図９（ａ）に示すように、可撓板１３１の内周端１３１ａの薄板２８側の角部にアール部１３１Ｒを設けたり、（ｂ）に示すように、可撓板１３１の内周部に、薄板２８から離れる方向の湾曲部１３１Ｗを設けたりしてもよい。ここで、図９（ａ）、（ｂ）は図６のＣ部の拡大図であるが、図７、図８の可撓板２３１、３３１について同様な構成を採用してもよい。
【００４９】
このようにアール部１３１Ｒを設けたり、湾曲部１３１Ｗを設けたりすることにより、可撓板１３１が作動流体に押されて薄板２８側に撓み、その内周部が薄板２８の側辺３３に接触した場合にも、薄板２８に傷を付けたりしないし、接触部分の摩耗を最小限に抑えることができる。また、可撓板１３１の内周端１３１ａと回転軸２３の周面２３ａとの隙間から薄板２８側に進入する流体圧がアール部１３１Ｒや湾曲部１３１Ｗに作用することにより、可撓板１３１の内周部に薄板２８と反対側への押圧力が発生するので、可撓板１３１が薄板２８側へ変形するのを防止することができる。
【００５０】
ここで、可撓板１３１の板厚が大きい場合には、図９（ａ）に示すように、アール部１３１Ｒを設けることが有効であり、可撓板１３１の板厚が小さい場合には、図９（ｂ）に示すように、湾曲部１３１Ｗを設けるのが有効である。
【００５１】
なお、上記実施形態では、多数のスリットを可撓板の半径方向に沿って形成して可撓性増大部を構成した場合を説明したが、図１０に示す実施形態の可撓板４３１のように、スリット４３２を、環状の可撓板４３１の周方向に長さを持たせて、可撓板４３１の半径方向の所定の範囲に分散的に形成することで、可撓性増大部４３１Ｋを設けてもよい。このようにスリット４３２を形成した場合にも、可撓板４３１の内周部の可撓性を増すことができるので、前記の同様の変形吸収作用が得られる。
【００５２】
また、上記実施形態では、可撓板３１、１３１、２３１、３３１を高圧側側板２９とは別に設けた場合を示したが、図１２（ｂ）の例のように、高圧側側板２９を省略し、高圧側側板の代わりに可撓板を設けることもできる。
【００５３】
以上においては、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各実施形態について説明してきたが、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も含んでいる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の軸シール機構及びそれを備えたタービンによれば、下記の効果を得ることができる。
請求項１の発明の軸シール機構によれば、環状の可撓板の内周部に可撓性増大部を設けたので、回転軸との過渡的な接触を許容することができる。従って、回転軸との接触を恐れずに、可撓板の内周端を回転軸の周面に近い位置または軽く接触する位置まで延ばすことができ、その結果、回転軸と可撓板との隙間を極力小さく保つことができて、シール性能を高めることができる。また、回転軸と可撓板の内周部が接触している場合でも接触圧が低く抑えられるので、発熱や摩耗を減らして可撓板の耐久性を増すことができる。また、可撓板の内周端の延長により薄板の露出量が少なくなるので、高圧側からのスケールの飛来による薄板の損傷防止効果も得ることができるし、薄板の先端部のばたつきを防止し、薄板の疲労損傷を防止することもできる。
【００５５】
請求項２の発明の軸シール機構によれば、請求項１の発明の効果に加えて、環状の可撓板の内周部に多数のスリットを形成することによって可撓性増大部を構成したので、加工作業の簡易化が図れる。
【００５６】
請求項３の発明の軸シール機構によれば、請求項２の発明の効果に加えて、環状の可撓板の内周端から半径方向外方に向かって各スリットを形成したので、スリット間の小片の自由な撓みによって、回転軸と可撓板が接触した場合の変形を柔軟に吸収することができる。
【００５７】
請求項４の発明の軸シール機構によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記スリットを一定の傾きをもって斜めに形成しているので、スリットの長さを長めに設定することができ、可撓性を局部的に増大させる際の調整幅を広げることができる。また、スリットを形成する傾きの角度によって可撓性の程度調整を容易に行うことができる。
【００５８】
請求項５の発明の軸シール機構によれば、請求項２の発明の効果に加えて、スリットを可撓板の周方向に長さを持たせて可撓板の半径方向に分散的に形成したので、可撓板の内周部の可撓性を増すことができ、請求項３の発明と同等の変形吸収作用が得られる。
【００５９】
請求項６の発明の軸シール機構によれば、請求項２〜５のいずれかの発明の効果に加えて、スリットを形成した可撓板の内周部を薄肉に形成したので、可撓板の内周部の可撓性を一層増大させることができる。
【００６０】
請求項７の発明の軸シール機構によれば、請求項１〜６のいずれかの発明の効果に加えて、可撓板の内周端の薄板側の角部にアール部を設けたので、可撓板が薄板に接触した際の損傷や摩耗を最小限に抑えることができる。また、可撓板が薄板側へ変形するのを防止することもできる。
【００６１】
請求項８の発明の軸シール機構によれば、請求項１〜６のいずれかの発明の効果に加えて、可撓板の内周端を、環状の薄板群から離れる方向に湾曲させているので、請求項７の発明と同じ効果を得ることができる。
【００６２】
請求項９の発明のタービンによれば、高差圧においてもガス漏れ量を低減できる軸シール機構を備えているので、ガス漏れによる駆動力の損失を低減することができる。
【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構成図である。
【図２】 同実施形態のリーフシール（軸シール機構）の斜視図である。
【図３】 同実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図４】 同実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図５】 同実施形態のリーフシールを図４のＢ−Ｂ線より見た断面図である。
【図６】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の第１実施形態の具体的構成図で、（ａ）はリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図、（ｂ）は可撓板の部分側面図である。
【図７】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の第２実施形態の具体的構成図で、（ａ）はリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図、（ｂ）は可撓板の部分側面図である。
【図８】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の第３実施形態の具体的構成図で、（ａ）はリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図、（ｂ）は可撓板の部分側面図である。
【図９】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の更に他の実施形態の具体的構成図で、（ａ）は第４実施形態のリーフシールにおける図６（ａ）のＣ部に相当する部分の拡大図、（ｂ）は第５実施形態のリーフシールにおける同じ部分の拡大図である。
【図１０】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の第６実施形態における可撓板の部分側面図である。
【図１１】 従来の軸シール機構を示す図である。
【図１２】 従来の可撓板を備えた軸シール機構の２つの例（ａ）、（ｂ）を示す断面図である。
【符号の説明】
２２ タービン
２３ 回転軸
２３ａ 周面
２４ ケーシング
２４ａ 静翼
２５ リーフシール
２６ リーフシールリング
２７ 隙間
２８ 薄板
２８ａ 外周基端
２８ｂ 内周先端
２９ 高圧側側板
３０ 低圧側側板
３１，１３１，２３１，３３１，４３１ 可撓板
３１Ｋ，１３１Ｋ，２３１Ｋ，３３１Ｋ，４３１Ｋ 可撓性増大部
１３２，２３２，３３２，４３２ スリット
【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、及び、その軸シール機構を回転軸のシール手段として備えたタービンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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、図１１に示すようなリーフシールが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
このリーフシール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。各薄板３は、その外周側基端部がろう付け部４を介してリーフシールリング５に固定され、内周側先端が、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。
【０００４】
このようにしてリーフシールリング５に取り付けられた各薄板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を間に挟む高圧側領域に高圧側側板７、低圧側領域に低圧側側板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。
【０００５】
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、薄板３の摩耗が防止され、シール寿命が長くなる。
【０００６】
ところで、この種のリーフシール１では、高圧側側板７及び低圧側側板８と薄板３との間の隙間が、薄板３を回転軸２の周面から浮上させる上での重要な要素となる。例えば、高圧側領域から低圧側領域にガスが流れるとき、薄板３の上面と下面（ここでは、傾斜した薄板３の回転軸２に面した側が下面、その反対側が上面である）での圧力分布差により浮上力が発生するが、その圧力分布を左右する上で前記の高圧側側板７及び低圧側側板８と薄板３との間の隙間が重要な役割をなす。
【０００７】
そこで、下記特許文献１には、高圧側の隙間を調節するために高圧側に可撓板を設けることが提案されている。図１２（ａ）は、可撓板１０を高圧側側板７の内側に配置した例、（ｂ）は可撓板１０を高圧側側板の代わりに配置した例を示している。いずれも、薄板群９の高圧側の側面に隣接させて、環状の可撓板１０を配置している。このように可撓板１０を薄板群９の側面に隣接させて配置することにより、各薄板３の内周先端側の回転軸２の周面からの浮上力を高めることができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１３６４７号公報（図３、図５参照）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来例においては、可撓板１０の内周端と回転軸２との間の隙間（図１２において符号Ｓで示す）は、回転軸２の振動時や偏心回転時の接触回避のために大きめに開けているのが現状である。この隙間は、直接リーフシール１の内周部の隙間流量に影響するので極力小さくするのが望ましいが、上述の振動時や偏心回転時の接触を考慮した場合、ある程度の大きめの隙間を確保せざるを得ない。また、リーフシールリング５等の熱変形が大きい場合、更に隙間が増大するため、シール性能が低下するという問題もある。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮し、振動時や偏心回転時あるいはリーフシールリング等の熱変形が大きい場合にも、可撓板と回転軸との間の隙間を極力小さく保つことができて、その結果、シール性能を高めることのできる軸シール機構、及び、その軸シール機構を備えたタービンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、回転軸とケーシングとの間の環状空間に、前記回転軸の軸方向に各板幅方向を揃え且つ回転軸の周方向に互いに微小間隔をあけて多数の薄板を配列することで環状の薄板群を配設し、前記各薄板の内周側先端を回転軸の周面に対し周方向の傾きをもって鋭角に摺接させると共に、各薄板の外周側基端をケーシングに固定し、それにより前記環状の薄板群で前記回転軸とケーシングとの間の環状空間を高圧側領域と低圧側領域に分ける軸シール機構において、圧力作用方向のガイド板として前記高圧側領域の高圧側側板と前記低圧側領域の低圧側側板とが前記環状の薄板群を挟んで配置され、かつ、前記高圧側領域に前記環状の薄板群に隣接させて、外周が前記ケーシングに固定された環状の可撓板を配設し、該可撓板の内周端を前記回転軸の周面に近接または接触させると共に、該可撓板の内周部に、それより外周側の部分よりも可撓性を増大させた可撓性増大部を設けたことを特徴とする。
【００１２】
この軸シール機構では、環状の可撓板の内周部に可撓性増大部を設けたので、回転軸との過渡的な接触を許容することができる。つまり、圧力作用方向のガイド板として高圧側領域の高圧側側板と低圧側領域の低圧側側板とが環状の薄板群を挟んだ配置となっているので、自身の内周部が回転軸の周面に近接または接触するまで可撓板の内径を小さく設定しても、振動時や偏心回転時などの過渡的な回転軸との接触による変形を、可撓性増大部の柔らかな変形によって吸収することができる。従って、回転軸との接触を恐れずに、可撓板の内周端を回転軸の周面に近い位置まで延ばすことができ、その結果、回転軸と可撓板との隙間を極力小さく保つことができて、シール性能を高めることができる。また、回転軸と可撓板の内周部が接触している場合でも、可撓性増大部の柔軟な変形によって接触圧が低く抑えられるので、発熱や摩耗を減らすことができ、可撓板の耐久性が増す。
【００１３】
また、可撓板の内周端を極力回転軸の周面に近づけることにより、薄板の露出量が少なくなるので、高圧側からのスケールの飛来による薄板の損傷防止にも役立つ。また、可撓板と回転軸との隙間を小さくすることにより、薄板の先端部のばたつきを防止することができ、薄板の疲労損傷を防止することもできる。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１において、前記環状の可撓板の内周部に多数のスリットを形成することにより前記可撓性増大部を構成したことを特徴とする。
【００１５】
この軸シール機構では、環状の可撓板の内周部に多数のスリットを形成することにより可撓性増大部を構成しているので、スリット加工するだけの簡単な作業を加えればよい。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２において、前記多数のスリットを、前記環状の可撓板の周方向に間隔的に且つ該可撓板の内周端から半径方向外方に向かって形成したことを特徴とする。
【００１７】
この軸シール機構では、環状の可撓板の内周端から半径方向外方に向かって各スリットを形成しているので、スリット間の小片の自由な撓みにより、回転軸と可撓板が接触した場合の変形を吸収することができる。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項３において、前記スリットを、前記可撓板の周方向に一定の傾きをもって斜めに形成し、そのスリットの方向を前記薄板の傾きの方向と逆に設定したことを特徴とする。
【００１９】
この軸シール機構では、スリットを一定の傾きをもって斜めに形成してあるので、スリットを形成してある領域の半径方向の寸法の割に、各スリットの長さを長めに設定することができる。従って、可撓性を局部的に増大させる（剛性を低下させる）際の調整幅が広がると共に、スリットを形成する傾きの角度によって可撓性の程度調整が容易にできる。また、スリットを湾曲させながら斜めに形成した場合は、よりスリット長さを稼ぐことができて、可撓性を一層増すことができる。なお、スリットの方向と薄板の傾きの方向を逆に設定しているので、薄板が撓んだ際に可撓板のスリットに引っ掛かるようなこともない。
【００２０】
請求項５の発明は、請求項２において、前記多数のスリットを、前記環状の可撓板の周方向に長さを持たせて、可撓板の半径方向の所定の範囲に分散的に形成したことを特徴とする。
【００２１】
スリットの形成方向は特に限定されるものではなく、この軸シール機構では、スリットを可撓板の周方向に長さを持たせて可撓板の半径方向に分散的に形成している。このようにスリットを形成した場合も、可撓板の内周部の可撓性を増すことができ、前記の変形吸収作用が得られる。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項２〜５のいずれかにおいて、前記スリットを形成した可撓板の内周部を、それより外周側の部分よりも薄肉に形成したことを特徴とする。
【００２３】
全部を同じ厚さの板で可撓板を構成しても、前述のように例えばスリットを形成することで部分的に可撓性を増大させることができるが、この軸シール機構では、同時にそのスリットを形成してある可撓板の内周部を、それより外周側の部分よりも薄肉に形成している。こうすることで、可撓板の内周部の可撓性を一層増大させることができる。薄肉部については、例えばエッチングで加工することができる。
【００２４】
請求項７の発明は、請求項１〜６のいずれかにおいて、可撓板の内周端の、前記環状の薄板群側の角部にアール部を設けたことを特徴とする。
【００２５】
可撓板が作動流体に押されて薄板側に撓んだ場合、可撓板の内周部が薄板の側辺に接触する可能性があるが、この軸シール機構では、可撓板の内周端の薄板側の角部にアール部を設けたので、可撓板が薄板に接触しても、薄板に傷を付けたりしないし、接触部分の摩耗を最小限に抑えることができる。また、可撓板の内周端と回転軸の隙間から薄板側に進入する流体圧がアール部に作用することにより、可撓板の内周部に薄板と反対側への押圧力が発生するので、可撓板が薄板側へ変形するのを防止することができる。
【００２６】
請求項８の発明は、請求項１〜６において、前記可撓板の内周端を、前記環状の薄板群から離れる方向に湾曲させたことを特徴とする。
【００２７】
可撓板の板厚が大きい場合は、請求項７の発明のようにアール部を設けることも有効であるが、板厚が小さい場合は有効なアール部を設けることができない。そこで、この軸シール機構では、可撓板の内周端を、環状の薄板群から離れる方向に湾曲させている。このようにすることで、請求項７の発明と同じ作用を得ることができる。
【００２８】
請求項９の発明は、高温高圧の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、前記流体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タービンにおいて、請求項１〜８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。
【００２９】
このタービンでは、高差圧においても、ガス漏れ量を低減できる軸シール機構を備えているので、ガス漏れによる駆動力の損失を低減することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る軸シール機構及びこれを備えたタービンの実施形態について説明を行うが、本発明はこれらのみに限定解釈されるものではない。
【００３１】
まず、図１〜図６を参照しながら、第１実施形態について説明を行う。
図１は、ガスタービンの概略構成を示す図である。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２０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。
【００３２】
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、静翼２４ａと回転軸２３の環状空間を通り、高圧側から低圧側に向かって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。
【００３３】
このリーフシール２５は、図２に示すように、静翼２４ａの内部に保持されたリーフシールリング２６と、リーフシールリング２６に保持された環状の薄板群２８Ｍとを有する。環状の薄板群２８Ｍは、回転軸２３の軸方向に各板幅方向を揃え且つ回転軸２３の周方向に互いに微小間隔２７をあけて多数の一定幅の薄板２８を配列することで構成されており、各薄板２８の外周基端２８ａ側がリーフシールリング２６に固定され、各薄板２８の内周先端２８ｂが回転軸２３の周面２３ａに対し周方向に所定の傾き角をもって鋭角に摺接し、それにより、環状の薄板群２８Ｍが、回転軸２３とケーシング２４との間の環状空間を高圧側領域と低圧側領域に分けている。各薄板２８は、回転軸２３の軸方向に板厚で決まる所定の剛性を有し、回転軸２３の周方向には柔らかい可撓性を有している。
【００３４】
リーフシールリング２６には、環状の薄板群２８Ｍを間に挟んで、高圧側領域に高圧側側板２９、低圧側領域に低圧側側板３０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。また、環状の薄板群２８Ｍと環状の高圧側側板２９との間には、薄板群２８Ｍに隣接させて、回転軸２３の軸方向に可撓性を有する環状の可撓板３１が設けられている。可撓板３１は、外周部が薄板群２８Ｍに固定されている。なお、可撓板３１の外周部は、リーフシールリング２６に固定されていてもよい。
【００３５】
図３はリーフシール１を図２の矢印Ａより見た場合の断面図である。この図に示すように、リーフシールリング２６の横断面及び各薄板２８は、それぞれＴ字形をなしている。可撓板３１の外周部は、各薄板２８のＴ字形をなした頭部の根元に溶接によって強固に取り付けられている。この可撓板３１は、各薄板２８の側辺３３に軽く当接するか、僅かな隙間を持って対向している。この可撓板３１は、高圧側からガス圧によって加圧された際には、回転軸２３の軸方向に向かって撓み、各薄板２８の側辺３３に当接して支えられる。
【００３６】
この場合、可撓板３１の内周端３１ａは、回転軸２３の周面に近接または接触する程度に延ばされている。つまり、可撓板３１の内径が、少なくとも高圧側側板２９の内径よりも小さく設定されており、可撓板３１の内周端３１ａが、回転軸２３の周面に近い位置まで延ばされており、可撓板３１の内周端３１ａと回転軸２３の周面２３ａとの隙間が極力小さくなされている。なお、軽く接触するまで延ばされていてもよい。そして、可撓板３１の内周部の半径方向の所定寸法領域が、それより外周側の部分よりも可撓性を増大させた可撓性増大部３１Ｋとなっている。可撓性を増大させる手法としては、スリットを設けるなどの手法があり、その具体例については後述する。
【００３７】
このように、高圧側側板側２９と薄板群２８Ｍに隣接して可撓板３１を設けることにより、例えば、図４及び図５に示すように、高圧側から加圧された際に、各薄板２８を通過して高圧側領域から低圧側領域へ流れるガスｇは、各薄板２８の上面３６及び下面３７に沿って対角に向かって広く流れると同時に、外周基端２８ａ側には低圧の領域が広がる。つまり、各薄板２８の上面３６及び下面３７に対して、内周先端２８ｂ側で且つ高圧側側板２９側に位置する角部ｒ１で最もガス圧が高く、且つ対角の外周基端２８ａ側で且つ低圧側側板３０側に位置する角部ｒ２に向かって徐々にガス圧が弱まる三角形状のガス圧分布４０ａを形成する。
【００３８】
これについて詳しく説明すると、高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるガスｇは、回転軸２３の周面２３ａと薄板２８の各先端との間、ならびに、各薄板２８の上面３６及び下面３７に沿って流れるときに、高圧側側板２９と回転軸２３の周面２３ａとの間から流入し、角部ｒ１から対角の角部ｒ２の方向へ放射状に流れ、外周基端２８ａ側には低圧の領域が広がる。従って、図５に示すように、各薄板２８の上面３６及び下面３７に垂直に加わるガス圧分布４０ｂ、４０ｃは、各薄板２８の内周先端２８ｂ側に近いほど大きく、かつ外周基端２８ｂ側に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
【００３９】
この上面３６及び下面３７それぞれにおけるガス圧力分布４０ｂ、４０ｃの形状は互いに略同じものとなるが、各薄板２８が回転軸２３の周面２３ａに対して鋭角をなすように斜めに配置されているので、これら上面３６及び下面３７における各ガス圧分布４０ｂ、４０ｃの相対位置が寸法ｓ１だけずれる。従って、薄板２８の外周基端２８ａ側から内周先端２８ｂ側に向かう任意点Ｐにおける上面３６及び下面３７のガス圧を比較した場合、下面３７に加わるガス圧（これをＦｂとする）の方が、上面３６に加わるガス圧（これをＦａとする）よりも高くなり、薄板２８を回転軸２３の周面２３ａより浮かせるように変形させる方向の力が発生する。
【００４０】
このとき、薄板２８の内周先端２８ｂ近傍部分では逆となり、上面３６にのみガス圧が加わる（薄板２８の最先端部分は、周面２３ａに対して面接触するように斜めに切り取られて切断面３８が設けられているので、下面３７に相当する部分がなくなる）が、この力は、周面２３ａと薄板２８の先端２８ｂとの間を流れるガスのガス圧が、薄板２８の先端２８ｂを回転軸２３の周面２３ａから浮かせる方向に作用（これをＦｃとする）して打ち消すので、薄板２８の先端２８ｂを回転軸２３に対して押さえ込もうとする力を生じさせない。従って、各薄板２８に加わるガス圧による圧力荷重は、（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａとなるので、各薄板２８を回転軸２３の周面２３ａより浮かせるように変形させることが可能となる。その結果、各薄板２８の上面３６及び下面３７間に圧力差が生じ、これら薄板２８を回転軸２３の周面２３ａより浮くように変形させて、薄板２８を回転軸２３に対して非接触状態に維持する。
【００４１】
また、上記のリーフシール２５を採用したことにより、次の述べるような各作用効果を生むことができる。
即ち、環状の可撓板３１の内周部に可撓性増大部３１Ｋを設けたので、回転軸２３との過渡的な接触を許容することができる。つまり、自身の内周部が回転軸２３の周面に近接または接触するまで可撓板３１の内径を小さく設定しても、振動時や偏心回転時などの過渡的な回転軸２３との接触による変形を、可撓性増大部３１Ｋの柔らかな変形によって吸収することができる。従って、回転軸２３との接触を恐れずに、可撓板３１の内周端３１ａを回転軸２３の周面２３ａに近い位置まで延ばすことができ、その結果、回転軸２３と可撓板３１との隙間を極力小さく保つことができて、シール性能を高めることができる。
【００４２】
また、回転軸２３と可撓板３１の内周部が接触している場合でも、可撓性増大部３１Ｋの柔軟な変形によって接触圧が低く抑えられるので、発熱や摩耗を減らすことができ、可撓板３１の耐久性を増すことができる。また、可撓板３１の内周端３１ａを極力回転軸２３の周面に近づけることにより、高圧領域側から見た場合の薄板２８の露出量が少なくなるので、高圧側からのスケールの飛来による薄板２８の損傷防止効果を得ることができる。また、可撓板３１と回転軸２３との隙間を小さくすることにより、薄板２８の内周先端２８ｂ側のばたつきを防止することができ、薄板２８の疲労損傷を防止することもできる。
【００４３】
次に可撓板３１の内周部に設けた可撓性増大部３１Ｋの各具体例について説明する。ここでは、環状の可撓板３１の内周部に多数のスリットを形成することで可撓性増大部３１Ｋを構成した例について述べる。
【００４４】
図６（ａ）、（ｂ）に示す実施形態の可撓板１３１では、多数のスリット１３２を環状の可撓板１３１の内周部に形成するに当たり、周方向に間隔的に且つ可撓板１３１の内周端１３１ａから半径方向に沿って放射状にスリット１３２を形成することにより、可撓性増大部１３１Ｋを構成している。このようにスリット１３２を形成することにより、スリット１３２間の小片の自由な撓みによって、回転軸と可撓板１３１が接触した場合の変形を吸収することができる。
【００４５】
なお、図７（ａ）、（ｂ）に示す実施形態の可撓板２３１のように、スリット２３２を形成した可撓板２３１の内周部を、それより外周側の部分よりも薄肉に形成することにより、可撓性増大部２３１Ｋの可撓性を一層増大させることもできる。ここで、薄肉に形成した可撓性増大部２３１Ｋは、他の部分の肉厚の半分程度にするのが好ましい。例えば、可撓板２３１の全体の肉厚が０．１ｍｍであれば、薄肉の可撓性増大部２３１Ｋの肉厚は０．０５ｍｍ程度にする。肉落としの方法としては、例えばエッチング加工を用いる。
【００４６】
図８（ａ）、（ｂ）に示す実施形態の可撓板３３１では、多数のスリット３３２を環状の可撓板３３１の内周部に形成するに当たり、周方向に間隔的に且つ可撓板３３１の内周端３３１ａから、可撓板３３１の周方向に一定の傾きをもって斜めにスリット３３２を形成し、そのスリット３３２の方向を薄板２８の傾きの方向と逆に設定している。
【００４７】
このようにスリット３３２を一定の傾きをもって斜めに形成することにより、スリット３３２を形成してある領域の半径方向の寸法Ｌの割に、各スリット３３２の長さを長めに設定することができる。従って、可撓性を局部的に増大させる際の調整幅が広がると共に、スリット３３２を形成する傾きの角度によって可撓性の程度調整が容易にできるようになる。また、図示のようにスリット３３２を湾曲させながら斜めに形成した場合は、よりスリット３３２の長さを稼ぐことができるので、可撓性を一層増すことができる。なお、スリット３３２の方向と薄板２８の傾きの方向を逆に設定しているので、薄板２８が撓んだ際に可撓板２８のスリット３３２に引っ掛かるようなこともない。
【００４８】
また、図９（ａ）に示すように、可撓板１３１の内周端１３１ａの薄板２８側の角部にアール部１３１Ｒを設けたり、（ｂ）に示すように、可撓板１３１の内周部に、薄板２８から離れる方向の湾曲部１３１Ｗを設けたりしてもよい。ここで、図９（ａ）、（ｂ）は図６のＣ部の拡大図であるが、図７、図８の可撓板２３１、３３１について同様な構成を採用してもよい。
【００４９】
このようにアール部１３１Ｒを設けたり、湾曲部１３１Ｗを設けたりすることにより、可撓板１３１が作動流体に押されて薄板２８側に撓み、その内周部が薄板２８の側辺３３に接触した場合にも、薄板２８に傷を付けたりしないし、接触部分の摩耗を最小限に抑えることができる。また、可撓板１３１の内周端１３１ａと回転軸２３の周面２３ａとの隙間から薄板２８側に進入する流体圧がアール部１３１Ｒや湾曲部１３１Ｗに作用することにより、可撓板１３１の内周部に薄板２８と反対側への押圧力が発生するので、可撓板１３１が薄板２８側へ変形するのを防止することができる。
【００５０】
ここで、可撓板１３１の板厚が大きい場合には、図９（ａ）に示すように、アール部１３１Ｒを設けることが有効であり、可撓板１３１の板厚が小さい場合には、図９（ｂ）に示すように、湾曲部１３１Ｗを設けるのが有効である。
【００５１】
なお、上記実施形態では、多数のスリットを可撓板の半径方向に沿って形成して可撓性増大部を構成した場合を説明したが、図１０に示す実施形態の可撓板４３１のように、スリット４３２を、環状の可撓板４３１の周方向に長さを持たせて、可撓板４３１の半径方向の所定の範囲に分散的に形成することで、可撓性増大部４３１Ｋを設けてもよい。このようにスリット４３２を形成した場合にも、可撓板４３１の内周部の可撓性を増すことができるので、前記の同様の変形吸収作用が得られる。
【００５２】
また、上記実施形態では、可撓板３１、１３１、２３１、３３１を高圧側側板２９とは別に設けた場合を示したが、図１２（ｂ）の例のように、高圧側側板２９を省略し、高圧側側板の代わりに可撓板を設けることもできる。
【００５３】
以上においては、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各実施形態について説明してきたが、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も含んでいる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の軸シール機構及びそれを備えたタービンによれば、下記の効果を得ることができる。
請求項１の発明の軸シール機構によれば、環状の可撓板の内周部に可撓性増大部を設けたので、回転軸との過渡的な接触を許容することができる。従って、回転軸との接触を恐れずに、可撓板の内周端を回転軸の周面に近い位置または軽く接触する位置まで延ばすことができ、その結果、回転軸と可撓板との隙間を極力小さく保つことができて、シール性能を高めることができる。また、回転軸と可撓板の内周部が接触している場合でも接触圧が低く抑えられるので、発熱や摩耗を減らして可撓板の耐久性を増すことができる。また、可撓板の内周端の延長により薄板の露出量が少なくなるので、高圧側からのスケールの飛来による薄板の損傷防止効果も得ることができるし、薄板の先端部のばたつきを防止し、薄板の疲労損傷を防止することもできる。
【００５５】
請求項２の発明の軸シール機構によれば、請求項１の発明の効果に加えて、環状の可撓板の内周部に多数のスリットを形成することによって可撓性増大部を構成したので、加工作業の簡易化が図れる。
【００５６】
請求項３の発明の軸シール機構によれば、請求項２の発明の効果に加えて、環状の可撓板の内周端から半径方向外方に向かって各スリットを形成したので、スリット間の小片の自由な撓みによって、回転軸と可撓板が接触した場合の変形を柔軟に吸収することができる。
【００５７】
請求項４の発明の軸シール機構によれば、請求項３の発明の効果に加えて、前記スリットを一定の傾きをもって斜めに形成しているので、スリットの長さを長めに設定することができ、可撓性を局部的に増大させる際の調整幅を広げることができる。また、スリットを形成する傾きの角度によって可撓性の程度調整を容易に行うことができる。
【００５８】
請求項５の発明の軸シール機構によれば、請求項２の発明の効果に加えて、スリットを可撓板の周方向に長さを持たせて可撓板の半径方向に分散的に形成したので、可撓板の内周部の可撓性を増すことができ、請求項３の発明と同等の変形吸収作用が得られる。
【００５９】
請求項６の発明の軸シール機構によれば、請求項２〜５のいずれかの発明の効果に加えて、スリットを形成した可撓板の内周部を薄肉に形成したので、可撓板の内周部の可撓性を一層増大させることができる。
【００６０】
請求項７の発明の軸シール機構によれば、請求項１〜６のいずれかの発明の効果に加えて、可撓板の内周端の薄板側の角部にアール部を設けたので、可撓板が薄板に接触した際の損傷や摩耗を最小限に抑えることができる。また、可撓板が薄板側へ変形するのを防止することもできる。
【００６１】
請求項８の発明の軸シール機構によれば、請求項１〜６のいずれかの発明の効果に加えて、可撓板の内周端を、環状の薄板群から離れる方向に湾曲させているので、請求項７の発明と同じ効果を得ることができる。
【００６２】
請求項９の発明のタービンによれば、高差圧においてもガス漏れ量を低減できる軸シール機構を備えているので、ガス漏れによる駆動力の損失を低減することができる。
【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構成図である。
【図２】 同実施形態のリーフシール（軸シール機構）の斜視図である。
【図３】 同実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図４】 同実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図５】 同実施形態のリーフシールを図４のＢ−Ｂ線より見た断面図である。
【図６】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の第１実施形態の具体的構成図で、（ａ）はリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図、（ｂ）は可撓板の部分側面図である。
【図７】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の第２実施形態の具体的構成図で、（ａ）はリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図、（ｂ）は可撓板の部分側面図である。
【図８】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の第３実施形態の具体的構成図で、（ａ）はリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図、（ｂ）は可撓板の部分側面図である。
【図９】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の更に他の実施形態の具体的構成図で、（ａ）は第４実施形態のリーフシールにおける図６（ａ）のＣ部に相当する部分の拡大図、（ｂ）は第５実施形態のリーフシールにおける同じ部分の拡大図である。
【図１０】 本発明の軸シール機構（リーフシール）の第６実施形態における可撓板の部分側面図である。
【図１１】 従来の軸シール機構を示す図である。
【図１２】 従来の可撓板を備えた軸シール機構の２つの例（ａ）、（ｂ）を示す断面図である。
【符号の説明】
２２ タービン
２３ 回転軸
２３ａ 周面
２４ ケーシング
２４ａ 静翼
２５ リーフシール
２６ リーフシールリング
２７ 隙間
２８ 薄板
２８ａ 外周基端
２８ｂ 内周先端
２９ 高圧側側板
３０ 低圧側側板
３１，１３１，２３１，３３１，４３１ 可撓板
３１Ｋ，１３１Ｋ，２３１Ｋ，３３１Ｋ，４３１Ｋ 可撓性増大部
１３２，２３２，３３２，４３２ スリット
Claims (9)
- 回転軸とケーシングとの間の環状空間に、前記回転軸の軸方向に各板幅方向を揃え且つ回転軸の周方向に互いに微小間隔をあけて多数の薄板を配列することで環状の薄板群を配設し、前記各薄板の内周側先端を回転軸の周面に対し周方向の傾きをもって鋭角に摺接させると共に、各薄板の外周側基端をケーシングに固定し、それにより前記環状の薄板群で前記回転軸とケーシングとの間の環状空間を高圧側領域と低圧側領域に分ける軸シール機構において、
圧力作用方向のガイド板として前記高圧側領域の高圧側側板と前記低圧側領域の低圧側側板とが前記環状の薄板群を挟んで配置され、かつ、前記高圧側領域に前記環状の薄板群に隣接させて、外周が前記ケーシングに固定された環状の可撓板を配設し、該可撓板の内周端を前記回転軸の周面に近接または接触させると共に、該可撓板の内周部に、それより外周側の部分よりも可撓性を増大させた可撓性増大部を設けたことを特徴とする軸シール機構。 - 前記環状の可撓板の内周部に多数のスリットを形成することにより前記可撓性増大部を構成したことを特徴とする請求項１記載の軸シール機構。
- 前記多数のスリットを、前記環状の可撓板の周方向に間隔的に且つ該可撓板の内周端から半径方向外方に向かって形成したことを特徴とする請求項２記載の軸シール機構。
- 前記スリットを、前記可撓板の周方向に一定の傾きをもって斜めに形成し、そのスリットの方向を前記薄板の傾きの方向と逆に設定したことを特徴とする請求項３記載の軸シール機構。
- 記多数のスリットを、前記環状の可撓板の周方向に長さを持たせて、可撓板の半径方向の所定の範囲に分散的に形成したことを特徴とする請求項２記載の軸シール機構。
- 前記スリットを形成した可撓板の内周部を、それより外周側の部分よりも薄肉に形成したことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の軸シール機構。
- 前記可撓板の内周端の、前記環状の薄板群側の角部にアール部を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の軸シール機構。
- 前記可撓板の内周端を、前記環状の薄板群から離れる方向に湾曲させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の軸シール機構。
- 高温高圧の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、前記流体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タービンにおいて、
請求項１〜８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タービン。
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