JP5523790B2 - 軸シール装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸の軸方向に隣接させて配置された高圧領域と低圧領域とをシールする軸シール装置に関する。

蒸気タービン、ガスタービン、空気圧縮機、ポンプなどの水、空気、ガスなどの作動流体を取り扱う回転機械においては、作動流体に圧力差が生じる領域において回転軸に沿って作動流体が漏出することを防止するための軸シール装置が設けられる。

従来、軸シール装置の一種として特許文献１に記載の順応圧力平衡密封装置が知られている。この順応圧力平衡密封装置は、回転自在なシャフトに沿う、機械ケーシング内で密封された流体の流れを阻止するように設けられる。順応圧力平衡密封装置は、高圧領域から低圧領域に向かって伸びる複数の指を有することで、高圧領域を低圧領域から密封するようになっている。複数の指は、溶接その他の公知の取り付け手段によってシャフトの周りに接触または非接触に環状に定置され、互いにシャフト円周方向に離隔されている。

特開平９−１４４５８号公報

特許文献１における順応圧力平衡密封装置に設けられた指のようなシール部材を備えた軸シール装置は、設置環境に応じて必要な耐熱性、耐蝕性、強度を持つ薄板形状の金属を加工して製作される。例えば、長さ１８００ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの薄板帯状の金属を、幅方向において一定の溶接部分を残し、他の部分にスリットを設けることにより、金属の長さ方向を数分割から数十分割など等分割で加工して製作される。しかし、帯状の薄板平板形状の金属を精度良く等分割することは、時間と費用を要してしまう。また、所望の耐熱性などを備えた金属を所望の寸法だけ入手するのは困難なものとなる。

軸シール装置により予定した動圧効果および静圧効果を発揮させシール効果を得るためには、一枚の帯状の金属をシャフトの表面に対して接触または非接触で精度良く定置させる必要がある。すなわち、分割加工された帯状の金属を断面が真円を保つ円筒状に変形し、例えばシャフト外周を囲む環状部材に精度良く固定する必要がある。しかし、帯状の金属を円筒状に変形したり、それを維持して環状部材に固定するのは時間と費用を要してしまう。

以上のとおり、従来の軸シール装置は高圧領域からの漏洩量を低減し高いシール効果を得られるものの、加工時や組立時において製作の時間およびコストがかかっていた。また、組立精度の低下により漏洩量が増加してしまうという課題もあった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、加工性・組立性に優れた軸シール装置を提供することを目的とする。

本発明に係る軸シール装置は、上述した課題を解決するために、回転軸が間隔を有して貫通する孔の内周面にシールフィン固定面を有するケース部材と、前記回転軸の軸方向に延び、前記シールフィン固定面に円周方向に配置されてそれぞれほぼ等しい幅を有する薄板状の複数のシールフィンとを備え、各前記シールフィンは、前記低圧領域に設けられ、前記シールフィン固定面に固定された固定端部と、前記回転軸の外周面に対向配置されるシール面を有し、前記高圧領域に向けて延びる自由端部とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る軸シール装置は、材料の確保、加工、製作を容易に行うことができ、組み立て精度を向上することができる。

本発明に係る軸シール装置を用いた回転機械の一例である軸流タービンの断面図。 第１実施形態における軸シール装置を示す図。 図２の軸シール装置のIII−III間の断面図。 第１実施形態における軸流タービンに配置された軸シール装置を拡大した断面図。 第１実施形態における軸シール装置を構成する一のシールフィンの外観図。 第２実施形態における軸流タービンに配置された軸シール装置を拡大した断面図。 図６の軸シール装置のシールフィンにおける回転軸と対向する面を特に示す図。 第２実施形態における軸シール装置の変形例を示す図。 第２実施形態における軸シール装置の他の変形例を示す部分断面図。 第３実施形態における軸流タービンに配置された軸シール装置を拡大した断面図。

本発明に係る軸シール装置の各実施形態を添付図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明に係る軸シール装置を用いた回転機械の一例である軸流タービンの断面図である。

軸流タービン１は、回転軸２を作動流体Ｆで回転させ、運動エネルギを出力軸端３から得たり、回転軸２を回転させて作動流体Ｆにエネルギを伝達したりする。

圧力容器４は、圧力隔壁５により高圧領域としての高圧室６と、高圧室６より低圧な領域である低圧室７とに分割される。回転軸２は、圧力容器４および圧力隔壁５を貫通して配置される。

軸シール装置１０は、回転軸２の軸方向に隣接して配置された高圧領域と低圧領域とをシールする。具体的には、圧力隔壁５により形成された圧力容器４内の高圧室６と低圧室７や、圧力容器４により形成された圧力容器４内の低圧室７と外気とをシールする。

図２は、第１実施形態における軸シール装置１０を示す図である。図３は、図２の軸シール装置１０のIII−III間の断面図である。図４は、第１実施形態における軸流タービン１に配置された軸シール装置１０を拡大した断面図である。図５は、第１実施形態における軸シール装置１０を構成する一のシールフィン１１の外観図である。

軸シール装置１０は、円筒状のケース部材１２に複数のシールフィン１１が配置されることで構成される。軸シール装置１０は、図１に示す圧力隔壁５や圧力容器４に取り付けられる。なお、本実施形態においては、軸シール装置１０を圧力隔壁５などに取り付け可能なユニットとして説明するが、圧力隔壁５や圧力容器４と一体に構成してもよい。

図２および３に示すように、ケース部材１２は、回転軸２が貫通された孔に、多角形状のシールフィン固定面１２ａを有する円筒形状の部材である。シールフィン固定面１２ａは、円筒方向と直交する断面（以下単に「断面」という。）がシールフィン１１の枚数に応じた多角形状となっている。例えばｎ枚のシールフィン１１が配置される場合には、シールフィン固定面１２ａ断面はｎ角形で形成される。シールフィン固定面１２ａの多角形状は、例えば軸流タービン１作動時において必要なシールフィン１１と回転軸２との隙間の値に応じて幾何学的に決定される。

シールフィン１１は、シールフィン固定面１２ａに精度良く等間隔に配置される。また、図４に示すように、シールフィン１１は、回転軸２の軸方向に伸びた向きで、回転軸２表面と接触または一定の初期隙間を確保した非接触状態（図４においては非接触状態を示す。）で配置される。

図３および図４に示すように、ケース部材１２とシールフィン１１とは、高圧領域側（図４では高圧室６側）に開口する空間室１３を形成する。空間室１３は、ケース部材１２のシールフィン固定面１２ａ以外の内周壁１２ｂと、シールフィン１１のシール面１１ｄの逆面１１ｇとで形成される。

図５に示すように、シールフィン１１は、短冊状に形成された一枚の薄板状の金属部材からなる。シールフィン１１は、シールフィン固定面１２ａの辺にほぼ等しい幅（短辺方向長さ）を有する。シールフィン１１は、主に固定端部１１ａ、たわみ部１１ｂおよび自由端部１１ｃを備える。

固定端部１１ａは、シールフィン１１の長手方向の一端部分であり、ケース部材１２のシールフィン固定面１２ａに固定される部分である。固定端部１１ａは、シールフィン固定面１２ａに対して固定される際、シールフィン固定面１２ａの辺に幅を合わせて固定されるようになっている。固定端部１１ａは、例えば電子ビーム溶接やアーク溶接などの各種固定方法を用いてシールフィン固定面１２ａに固定される。なお、本実施の形態においては、ケース部材１２の内周面であるシールフィン固定面１２ａを、回転軸に直交する断面形状が多角形となるように構成したが、シールフィン固定面１２を円筒面で構成することも可能である。シールフィン１１の枚数が多く、回転軸に直交する断面形状が実質的に円に近づく場合などに好適である。この場合、シールフィン１１の幅方向（円周方向）の形状を円筒面であるシールフィン固定面１２に合わせるように変形させて固定するか、あるいは電子ビーム溶接やアーク溶接などの溶接部により円筒面であるシールフィン固定面１２ａとシールフィン１１の間を塞ぐように固定すればよい。

たわみ部１１ｂは、シール面１１ｄが回転軸２に近接する方向に一定の傾斜を持って固定端部１１ａと自由端部１１ｃとを接続するブリッジ部分である。たわみ部１１ｂは、軸流タービン１の運転時における回転軸２の回転に伴い、シールフィン１１に予定された動圧が生じた場合、シールフィン１１が回転軸２表面から離れる方向にたわむことが可能なように構成される。

自由端部１１ｃは、回転軸２の表面に対向配置されるシール面１１ｄを有する平坦部分である。シール面１１ｄは、他の領域より小さい厚みを有する凹部１１ｅを備える。例えば、シールフィン１１が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚みを有する場合には、凹部１１ｅの深さは数μｍから数十μｍになっている。凹部１１ｅは、例えばシールフィン１１の幅方向の一方向に開いた略コ字に形成される。凹部１１ｅは、回転軸２の回転方向に沿って流れる作動流体Ｆが凹部１１ｅの幅方向の境界となる壁面１１ｆで淀むよう、回転軸２の回転方向に応じて略コ字形状の向きが決定される。

次に、本実施形態における軸シール装置１０の作用を概略的に説明する。

軸シール装置１０は、回転軸２が回転を開始すると、ケース部材１２とシールフィン１１とで形成された空間室１３に作動流体Ｆが流れ込む。すると、空間室１３にはシールフィン１１を回転軸２表面に近接する方向の圧力が働く。

同時に、回転軸２表面付近の雰囲気すなわち作動流体Ｆは、この作動流体Ｆの有する粘性特性により回転軸２の回転に巻き込まれてシールフィン１１と回転軸２表面の間に流入する。流入した作動流体Ｆは、シールフィン１１のシール面１１ｄに設けられた凹部１１ｅにも流入する。凹部１１ｅは壁面１１ｆで回転方向（円周方向）に行き止まりとなっているため、凹部１１ｅに流入した作動流体Ｆによりシールフィン１１を回転軸２表面から離れる方向に押し上げる圧力が働く。

シールフィン１１のたわみ部１１ｂは、空間室１３側から回転軸２表面に近接する方向に働く圧力と、この圧力よりも大きいシール面１１ｄ側から回転軸２外周面から離れる方向に働く圧力が釣り合う位置まで、回転軸２外周面から離れる方向にたわむ。これにより、回転軸２とシールフィン１１との接触を生じることなく、好適に作動流体の漏洩を防止することができる。

この軸シール装置１０によれば、軸シール装置１０に配置するシールフィン１１を円周方向に複数分割し、分割したシールフィン１１で多角形状に回転軸２を取り囲むように構成したため、シールフィン１１の材料の確保、加工、製作を容易に行うことができ、製作時間および費用を低減することができる。例えば軸流タービンの回転軸（例えば直径１ｍ）に適用されるような寸法が大きい軸シール装置であっても、一枚の薄板状の金属をスリット加工したり円筒曲げ加工を行ったりする困難な作業を不要とすることができる。

また、ケース部材１２に対するシールフィン１１の固定時においても、各シールフィン１１を配置やすく、回転軸２表面に対する初期隙間を各シールフィン１１間で均一に精度よく組み立てることができる。

さらに、加工時、組み立て時の容易性から、軸シール装置１０の組立不良が生じにくくなり、予定されたシール性能を確保することができる。すなわち、シール面１１ｄと回転軸２表面との隙間が均一になるため、高圧領域から低圧領域への作動流体の漏洩量を最小限にとどめることができ、回転機械の性能を向上することができる。

なお、凹部１１ｅはシール面１１ｄのみならず、シール面１１ｄと対向する回転軸２表面側に設けてもよい。また、シールフィンの固定端部１１ａを低圧室７側、自由端部１１ｃを高圧室６側に設けた例を説明したが、これとは逆に固定端部１１ａを高圧室６側、自由端部１１ｃを低圧室７側に設けた構成を有する軸シール装置（例えば特開Ｈ９−１１４５８号公報参照）にも、本発明に係る軸シール装置１０を適用することができる。以下の実施形態においても同様である。

［第２実施形態］
本発明に係る軸シール装置の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図６は、第２実施形態における軸流タービン１に配置された軸シール装置３０を拡大した断面図である。図７は図６の軸シール装置３０の回転軸２２と対向する面を特に示す図である。

第２実施形態における軸シール装置３０が第１実施形態における軸シール装置１０と異なる点は、回転軸２２表面上に突出円筒部２２ａが設けられた点、および各シールフィン３１がたわみ部を設けることなくほぼ平坦状である点である。

回転軸２２は、シール面３１ｄと対向する表面に所定量半径外方向に突出した突出円筒部２２ａを有する。突出円筒部２２ａの回転軸２２軸方向の長さは、回転軸２２の温度上昇による熱膨張や回転動作によりシールフィン３１と回転軸２２との相対変位が発生した場合を考慮して、シールフィン３１と突出円筒部２２ａとで予定されたシール作用が得られる長さに決定される。

シールフィン３１は、主に固定端部３１ａおよび自由端部３１ｃを備える。自由端部３１ｃの回転軸２２（突出円筒部２２ａ）表面と対向する面は、シール面３１ｄを構成する。シール面３１ｄは、回転軸２２（突出円筒部２２ａ）の表面と対向する位置に凹部３１ｅを備える。シールフィン３１は、シール面３１ｄの少なくとも一部が突出円筒部２２ａと対向し、突出円筒部２２ａに対して接触または一定の初期隙間を確保した非接触状態となるように配置される。

この第２実施形態におけるシール装置は、回転軸２２に突出円筒部２２ａを設けたことによりシールフィン３１をほぼ平坦状にすることができるため、第１実施形態におけるシールフィン１１のように曲げ加工を行う必要がなく、シールフィン３１の加工および軸シール装置３０の組立がより容易となる。

なお、第２実施形態におけるシールフィン３１はシール部の隙間を広くして固定するため、自由端部３１ｃの厚みを薄くして回転軸２２の突出円筒部２２ａに対する接触を防止してもよい。

図８は、第２実施形態における軸シール装置の変形例を示す図である。

軸シール装置５０におけるシールフィン５１のシール面５１ｄは、自由端部５１ｃの先端部５１ｈに行くに連れて厚みが小さくなる勾配が設けられている。

軸流タービン１においては、始動前や運用中に付加される熱による回転軸２２とシールフィン５１との軸方向の相対変位や、軸流タービン１の急速起動や危急停止などの急激な運用状態の変化に伴う回転軸２２とシールフィン５１との半径方向の相対変位が発生しうる。しかし、シール面５１ｄに勾配をつけることで、相対変位の発生によりシール面５１ｄと突出円筒部２２ａとが接触した場合であっても、先端部５１ｈ近傍を突出円筒部２２ａに接触させることなく滑らかに摺動でき、シールフィン５１の損傷を防止することができる。

なお、図８のシールフィン５１においては、先端部５１ｈに行くに連れて厚みが小さくなるような勾配をつけた例を説明したが、これに限らずシール面５１ｄの先端部５１ｈの角部を曲線状に加工してもよい。

また、シールフィン５１の自由端部５１ｃの先端部５１ｈ近傍を加工するのに加え、または加工するのに換えて、突出円筒部２２ａの角部を加工することにより、シールフィン５１の損傷を防止してもよい。

図９は、第２実施形態における軸シール装置の他の変形例を示す部分断面図である。

突出円筒部６２ａは、突出円筒部６２ａの外周面とこれと直交する面とで形成された角部６２ｂ、６２ｃに曲率が設けられた。これにより、シールフィン５１と突出円筒部６２ａの角部６２ｂ、６２ｃとが接触した場合であってもシールフィン５１が突出円筒部６２ａの角部６２ｂ、６２ｃに引っかかることなく滑らかに摺動し、よりシールフィン５１の損傷を防止することができる。

［第３実施形態］
本発明に係る軸シール装置の第３実施形態について説明する。なお、第１および第２実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１０は、第３実施形態における軸流タービン１に配置された軸シール装置７０を拡大した断面図である。

第３実施形態における軸シール装置７０が第１および第２実施形態と異なる点は、シールフィン７１を固定するシールフィン固定板７５を用いた点である。

シールフィン７１の固定端部７１ａは、シールフィン固定面７２ａからシールフィン固定面７２ａとほぼ直交する低圧領域側（図１０では低圧室７側）側面に沿ってほぼＬ字型に伸びて形成される。この固定端部７１ａは、ケース部材７２の低圧領域側側面でシールフィン固定板７５に挟み込まれることによりケース部材７２に固定される。

シールフィン固定板７５は、回転軸６２が貫通される孔を備えたドーナツ状の平板である。シールフィン固定板７５の孔は、ケース部材７２とほぼ同形状の多角形状を有する。シールフィン固定板７５は、低圧領域側を向くケース部材７２の側面に締付けネジ７６を用いて取り付けられる。シールフィン固定板７５は、一枚の平板で構成してもよいし、組み立て、分解が容易なように径方向に複数に分割された形状であってもよい。

このように構成された軸シール装置７０は、組み立て時、Ｌ字型の固定端部７１ａがケース部材７２に順次仮配置された後、シールフィン固定板７５により挟み込まれて固定される。このため、シールフィン７１は所定数（シールフィン固定板７５が一枚の平板である場合にはシールフィン７１の全数、分割された複数の平板である場合には各平板により固定される枚数）をケース部材７２に並べ、相対位置を確認しつつ一度に固定することができる。また、締付けネジ７６を用いて固定する場合には、溶接などの取り付け方法に比べてシールフィン７１固定位置の微調整や交換などを適宜行うことができる。

なお、本実施形態においては、締付けネジ７６を用いてシールフィン固定板７５をケース部材７２に固定する例を説明したが、締付けネジ７６を用いた固定方法以外の方法を利用してもよい。

第１〜第３実施形態はそれぞれ特徴点を示したものであり、必要に応じて第１〜第３実施形態の構成を組み合わせて実施することができる。

１ 軸流タービン
２、２２、６２ 回転軸
４ 圧力容器
５ 圧力隔壁
６ 高圧室
７ 低圧室
１０、３０、５０、７０ 軸シール装置
１１、３１、５１、７１ シールフィン
１１ａ、３１ａ、７１ａ 固定端部
１１ｂ たわみ部
１１ｃ、３１ｃ、５１ｃ 自由端部
１１ｄ、３１ｄ、５１ｄ シール面
１１ｅ、３１ｅ 凹部
１２、７２ ケース部材
１２ａ、７２ａ シールフィン固定面
２２ａ、６２ａ 突出円筒部
５１ｈ 先端部
６２ｂ 角部
７５ シールフィン固定板
７６ 締付けネジ

Claims (10)

1. 回転軸の軸方向に隣接させて配置された高圧領域と低圧領域とをシールする軸シール装置において、
   前記回転軸が間隔を有して貫通する孔の内周面にシールフィン固定面を有するケース部材と、
   前記回転軸の軸方向に延び、前記シールフィン固定面に円周方向に配置されてそれぞれほぼ等しい幅を有する薄板状の複数のシールフィンとを備え、
   各前記シールフィンは、
   前記低圧領域に設けられ、前記シールフィン固定面に固定された固定端部と、
   前記回転軸の外周面に対向配置されるシール面を有し、前記高圧領域に向けて延びる自由端部とを備えたことを特徴とする軸シール装置。
2. 前記ケース部材の前記シールフィン固定面は多角形状に構成され、
   前記複数のシールフィンは前記固定端部がそれぞれ前記シールフィン固定面の辺にほぼ等しい幅を有することを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
3. 各前記シールフィンは、前記シール面において他の領域より厚みが小さい凹部を備えた請求項１または２に記載の軸シール装置。
4. 各前記シールフィンは、前記シール面が前記回転軸に近接する方向に一定の傾斜を持って前記固定端部と前記自由端部とを接続するたわみ部を備えた請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸シール装置。
5. 前記回転軸は、所定量半径外方向に突出した突出円筒部を備え、
   前記シールフィンは、ほぼ平坦状に構成され、前記シール面の少なくとも一部が前記突出円筒部と対向する請求項１〜３のいずれか一項に記載の軸シール装置。
6. 前記シール面は、先端部に行くに連れて厚みが小さくなることを特徴とする請求項５に記載の軸シール装置。
7. 前記シール面は、先端部の角部が曲線状に加工されていることを特徴とする請求項５に記載の軸シール装置。
8. 前記突出円筒部は、角部が曲線状に加工されていることを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の軸シール装置。
9. 前記ケース部材は、前記回転軸に直交する直交平面を備えるとともに、前記直交平面に取り付け可能なシールフィン固定板をさらに備え、
   前記シールフィンの前記固定端部は、前記シールフィン固定面から前記直交平面に沿ってほぼＬ字に伸び、前記シールフィン固定板により挟み込まれることにより前記ケース部材に固定された請求項１〜８のいずれか一項に記載の軸シール装置。
10. 前記シールフィン固定板は、前記ケース部材に対して締付けネジを用いて固定された請求項９記載の軸シール装置。

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