JP5595259B2 - 軸シール装置及びこれを備える回転機械 - Google Patents
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Description
シール体は、多数の薄板シール片がそれぞれの厚さ方向をロータの周方向に向け、互いに微小間隙をあけて積層されている。各薄板シール片は、その径方向内側の端部(先端)がその径方向外側の端部(後端)よりもロータの回転方向前方側に位置するよう傾斜して配置され、後端が相互に連結され、かつ、先端が自由端とされている。
即ち、本発明に係る軸シール装置は、ロータと該ロータの外周側を囲うステータとの間の環状空間に設けられ、該環状空間を前記ロータの軸線方向で低圧側領域と高圧側領域とに分ける軸シール装置であって、前記ステータに固定されるハウジングと、該ハウジングから前記ロータの径方向内側に向かって延出する薄板シール片を前記ロータの周方向に複数積層させてなるシール体と、該シール体の低圧側に沿って配置され、高圧側から低圧側に向かって作用する流体の圧力によって低圧側を向く面が前記軸線方向に対抗する前記ハウジングの内壁面に押し付けられる板状体とを備え、前記板状体の前記径方向内側に、前記シール体の低圧側に沿って前記径方向内側に向かう流体の流れを遮断する堰き止め部が形成され、前記ハウジングに、前記堰き止め部によって遮断された前記流体の流れを前記低圧側領域に導く連通路が形成されていることを特徴とする。
したがって、薄板シール片の先端とロータとの間に予期しない隙間が形成された場合であっても、当該薄板シール片の先端において上記ダウンフローに基づく流れの乱れが発生することを防止できる。
これによって、薄板シール片の低圧側に沿って流れるダウンフローを確実に遮断することができる。
これによっても、薄板シール片の低圧側に沿って流通するダウンフローを確実に遮断することができる。
これによって、堰き止め部によって遮断されたダウンフローを効果的に低圧側領域に導くことができる。
ここで、連通路が複数設けられている場合、ハウジングの内壁面の周方向に連通路が存在する領域と連通路の存在しない領域とが交互に配置されることになるため、堰き止め部によって遮断されたダウンフローに基づく流れが不均一となり、当該ダウンフローを円滑に低圧側領域に導入することができなくなるという不都合が生じる。
これに対して本発明においては、ハウジングにおけるシール体と対向する内壁面に複数の連通路を接続する溝部が形成されているため、当該内壁面の形状が周方向に一様なものとなり、ダウンフローに基づく流れが不均一となることを回避することができる。
このような特徴の回転機械によれば、上記いずれかの軸シール装置を備えるため、薄板シール片の先端においてダウンフローに基づく流れの乱れが発生することを回避することができる。したがって、軸シール装置が長寿命となってメンテナンス性に優れた回転機械とすることができる。
図1は本発明の実施形態に係るガスタービン(回転機械)1の概略全体構成図である。
ガスタービン1は、図1に示すように、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機(回転機械)2と、この圧縮機2にて圧縮された圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器3と、燃焼器3から導入された燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するガスタービン(回転機械)4とを備えている。
この環状静翼群5c,5は、それぞれ、複数の環状動翼群7c,7と、軸線O方向に交互に配置されている。
タービン4の軸シール装置10は、環状静翼群5のハブシュラウドと軸受け部4cの内周面とにそれぞれ支持された円環状のハウジング9内に、円弧状に延びるシールセグメント11を周方向に複数(本実施形態では8つ)配置することで構成されている。
シール体12は、図4に示すように、薄板状の薄板シール片20が多数積層されてなり(図2参照)、これら多数枚の薄板シール片20の径方向外側の端部、即ち、薄板シール片20の後端20a側は互いに連結されている。
この薄板シール片20は、図3に示すように、主に薄い鋼板によって形成された部材であり、回転軸6の周方向から見てT字状に形成され、その幅方向を回転軸6の軸線O方向に向けて配置されている。換言すれば、薄板シール片20は、その厚さ方向を回転軸6の周方向に向けて配置されている。
これによって、高圧側サイドシール板16の低圧側を向く板面16cが、シール体12の高圧側を覆うように固定されている。
なお、本実施形態においては、高圧側サイドシール板16の径方向内側の端部、即ち、高圧側サイドシール板16の先端は、収容空間9aの径方向内側の開口まで延在している。これによって、収容空間9aから径方向内側に向かって延出する薄板シール片20の先端20bは、高圧側サイドシール板16の先端よりも径方向内側に延出している。
薄板シール片20の首部22と保持リング14のとの間で挟み込まれている。
これによって低圧側サイドシール板17の高圧側を向く板面17cが、シール体12の低圧側を覆うように固定されている。
なお、本実施形態においては、低圧側サイドシール板17の径方向内側の端部、即ち、低圧側サイドシール板17の先端は、収容空間9aの径方向内側の開口よりも径方向外側に位置している。
より具体的には、薄板シール片20の頭部21を保持した保持リング13,14が収容空間9aの外方側空間9cに収容されており、高圧側サイドシール板16及び低圧側サイドシール板17と、薄板シール片20の胴部23とが収容空間9aの内方側空間9bに収容されている。そして、収容空間9aの開口から回転軸6に向けて胴部23の先端、即ち、薄板シール片20の先端20bが突出している。
なお、この凸部9fの内壁面9eからの突出高さは、シールセグメント11が燃焼ガスgの圧力によって低圧側に変位した際に、シール体12の低圧側にとの間に僅かな間隙が形成される程度に設定されている。
上記ハウジング9の内壁面9eにおける凸部9fよりも径方向内側、かつ、低圧側サイドシール板17の先端よりも径方向外側の部分には、連通路9gが開口されている。この連通路9gは、一端側開口が内壁面9eに開口するとともに、他端側が低圧側領域に開口している。この連通路9gは、軸線O方向に延在するようにハウジング9に穿設されており、該連通路9gの延在方向に直交する断面形状は略円形をなしている。そして、このような連通路9gは図5に示すように、周方向に間隔をあけて複数形成されている。
ガスタービン1が停止状態から起動されると、低圧側領域と高圧側領域との圧力差が大きくなっていき、これに比例してシールセグメント11が低圧側領域に向けて燃焼ガスgに押圧される。この際、高圧側領域から低圧側領域に流れる燃焼ガスgは、シール体12の薄板シール片20の微小間隙sを通過する。
そして、低圧側領域と高圧側領域との圧力差が所定値以上に大きくなると、燃焼ガスgがシール体12及び低圧側サイドシール板17を全体的に押圧することで、該低圧側サイドシール板17の低圧側を向く板面17dが内壁面9eに対して密着する。
つまり、低圧側サイドシール板17の径方向寸法が、高圧側サイドシール板16の径方向寸法よりも大きく設定されていることに起因して、図6に示すように、薄板シール片20の先端20bにおいて高圧側に位置する角部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力分布40aが形成される。
以上のようにして、薄板シール片20に浮上力FLが作用し、動圧効果による浮上力を補助する。
このようなダウンフローdが径方向内側に向かって流通した結果、薄板シール片20の先端に到達し、この際、薄板シール片20の先端20bと回転軸6の外周面との間に隙間が生じていると、流れの乱れによって薄板シール片の先端20bにフラッタリングが発生する要因となる。
そして、このように遮断されたダウンフローdに基づく流体の流れは、ハウジング9に形成された連通路9gを介して低圧側領域に導かれる。これにより、ダウンフローdが薄板シール片の先端に到達することを回避することができる。
また、このような軸シール装置10を備えたガスタービン1によれば、当該軸シール装置10が高寿命となるため、メンテナンス性を向上させることが可能となる。
これに対して本変形例においては、複数の連通路9gの高圧側の開口を接続する上記溝部9hが形成されているため、当該内壁面9eの形状を周方向に一様なものとすることができる。これによって、内壁面9eによってダウンフローdが乱されることを回避することができるため、ダウンフローdに基づく流れが不均一となることを防止して当該流れを円滑に低圧側領域に導入することが可能となる。
この場合、連通路9gの断面形状が円形の場合に比べて、内壁面9eの形状を周方向に均一とすることができる。これによって、上記変形例同様、内壁面9eによってダウンフローdが乱されることを回避することができ、ダウンフローdに基づく流れが不均一となることを防止して当該流れを円滑に低圧側領域に導入することが可能となる。
なお、連通路9gをスリット状に形成し、かつ、上記溝部9hを形成した場合には、両構造の相乗効果により、ダウンフローdに基づく流れをより円滑に低圧側領域に導くことができる。
なお、この別部材としての凸部18としては、ハウジング9と同様の材質から形成してもよいし、異なる材質から形成してもよい。また、凸部18の材質としては、線膨張係数の小さい金属から形成することが好ましい。
さらに、この凸部18は、例えば、溶接やネジ止め等によってハウジング9に固定された構成であってもよい。
この場合も、シール体12の凸部12aがダウンフローdを遮断する堰き止め部として作用することで、第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、大掛かりなハウジング9自体に加工を施すことなく、シール体12を構成する薄板シール片20に凸部12aを形成する加工を施しさえすればよいため、より容易にダウンフローdを遮断する堰き止め部を設けることができる。
第一実施形態がハウジング9に設けられた凸部9fによってダウンフローdを遮断する堰き止め部が構成されていたのに対して、本実施形態においては、低圧側サイドシール板17にリブ51を介して設けられた円弧状部材52によって堰き止め部が構成されている。
なお、ハウジング9に形成された連通路9gの低圧側の開口の径方向の位置は、低圧側サイドシール板17の先端と円弧状部材52との間に配置されており、これにより、連通路9gはぬすみ部53と低圧側領域とを連通している。
また、低圧側サイドシール板17、リブ51及び円弧状部材52は、例えば一枚の板材にエッチング加工を施すことにより容易に成形することができる。
また、連通路の軸線Oに直交する断面形状は、円形であってもよいし、スリット状をなしていてもよい。
さらに、第二実施形態においては、リブ51及び円弧状部材52がそれぞれ低圧側サイドシール板17に一体に設けられている例について説明したが、これらリブおよび円弧状部材52が低圧側サイドシール板17に別体として装着された構成であってもよい。
例えば、上述した実施の形態においては、ハウジング9をステータ(ハブシュラウド,軸受け部2c,4c)と別体としたが一体に形成してもよい。
また、実施形態においては、連通路9gが軸線Oと平行に延びている例について説明したが、連通路9gは軸線Oに傾斜して延びていてもよい。また、連通路9gが直線上に延びているのみならず、屈曲して延びている構成であってもよい。即ち、連通路9gの一端がハウジング9の内壁面9eに開口し、他端が低圧側領域に向けて開口しているならば他の構成であってもよい。
Claims (6)
- ロータと該ロータの外周側を囲うステータとの間の環状空間に設けられ、該環状空間を前記ロータの軸線方向で低圧側領域と高圧側領域とに分ける軸シール装置であって、
前記ステータに固定されるハウジングと、
該ハウジングから前記ロータの径方向内側に向かって延出する薄板シール片を前記ロータの周方向に複数積層させてなるシール体と、
該シール体の低圧側に沿って配置され、高圧側から低圧側に向かって作用する流体の圧力によって低圧側を向く面が前記軸線方向に対抗する前記ハウジングの内壁面に押し付けられる板状体とを備え、
前記板状体の前記径方向内側に、前記シール体の低圧側に沿って前記径方向内側に向かう流体の流れを遮断する堰き止め部が形成され、
前記ハウジングに、前記堰き止め部によって遮断された前記流体の流れを前記低圧側領域に導く連通路が形成されていることを特徴とする軸シール装置。 - 前記堰き止め部は、
前記軸線方向に互いに対向する前記シール体と前記ハウジングの内壁面との少なくとも一方から他方に向かって突出する凸部によって構成されている特徴とする請求項1に記載の軸シール装置。 - 前記堰き止め部は、
前記板状体の前記径方向内側の端部からさらに前記径方向内側に向かって延在するリブを介して設けられて、前記ロータの周方向に延在する円弧状部材によって構成されていることを特徴とする請求項1に記載の軸シール装置。 - 前記連通路は、前記周方向に間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の軸シール装置。
- 前記ハウジングの前記内壁面に、複数の前記連通路における前記低圧側の開口を互いに接続する溝部が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の軸シール装置。
- 請求項1から5のいずれか一項に記載の軸シール装置を備えることを特徴とする回転機械。
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