JP5631155B2 - 軸シール機構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、互いに微小間隙を空けて重ねられている。各薄板シール片は、その径方向内方端がその径方向外方端よりもロータの回転方向側に位置するよう傾斜配置され、径方向外方端側が相互に連結され、かつ、径方向内方端が自由端とされている。
このシール体は、その径方向外方側がハウジングに収容支持されており、その径方向内方側をハウジングの開放部からロータの外周に向けて延出させている。
すなわち、本発明に係る軸シール機構は、ロータの外周を囲うステータと前記ロータとの隙間を封止して前記隙間を前記ロータの軸方向一方側の流体低圧領域と軸方向他方側の流体高圧領域とに分ける軸シール機構であって、前記ステータに設けられ、周方向に延びる収容空間が形成されると共に前記収容空間の開放部が前記ロータの外周に向けて形成された収容体と、前記ロータの周方向に互いに微小間隙を空けて重ねられた複数の薄板シール片からなり、径方向外方端側が前記収容体の収容空間に収容されて径方向内方端を前記開放部から前記ロータの外周に向けて延出させるシール体と、前記シール体の前記軸方向一端部を被覆すると共に、前記軸方向一方側に向いた板面が前記軸方向に対向する前記収容体の内壁面に前記流体の圧力で押し付けられる板状体とを備え、前記板状体の板面と前記収容体の内壁面との少なくとも一方に、前記径方向内方側から外方側に向けて延びると共に前記軸方向に凹んだ凹部と、前記径方向内方側において前記凹部よりも他方側に突出する凸部とを有する凹凸部が形成され、前記凹凸部は、前記凸部が前記他方に当接して前記一方と前記他方との間に前記流体高圧領域に連通するポケットが形成された場合に、前記凹部が前記ポケットと前記流体低圧領域とを連通させることを特徴とする。
この構成によれば、板状体の板面と収容体の内壁面との間に流体高圧領域に連通するポケットが形成された場合に、凹部がポケットと流体低圧領域とを連通させるので、シール体が流体低圧領域側に傾いて板面と内壁面との間にポケットが形成され、このポケットに流体高圧領域から流体が流入したとしても、流体が凹部を介して流体低圧領域に流れる。これにより、板面と内壁面との間に形成されたポケットに高圧流体が充満することがなく、シール体が傾いた姿勢のまま保持されることを防止することができる。
この構成によれば、板面が内壁面に押し付けられた場合に流体高圧領域と流体低圧領域との連通を遮断するので、シール体の姿勢の傾きが解消された場合に、流体低圧領域と流体高圧領域との連通を遮断する。これにより、シール体が傾いた姿勢においては、シール体が傾いた姿勢のまま保持されることを抑止することができる一方、シール体の姿勢の傾きが解消された場合に、流体低圧領域と流体高圧領域との連通を遮断して、設計したシール性能を確保することができる。
この構成によれば、比較的に簡素に凹部と凸部とを形成することができる。
この構成によれば、凹部が周方向の広い範囲に亘って形成されるので、不特定箇所に形成されるポケットに対応して、ポケットと流体低圧領域とを容易に連通させることができる。
この構成によれば、凹凸部が板状体の板面と収容体の内壁面との一方にのみ形成されているので、凹凸部を形成する手間や労力を抑えることができる。
この構成によれば、板状体の板面にのみ凹凸部を形成するので、収容体の内壁面に凹凸部を形成する場合に比べて、凹凸部を容易に形成することができる。また、既存の軸シール機構の板状体のみを交換するだけで本発明の構成を得ることができる。
この構成によれば、収容体の内壁面のみに凹凸部を形成するので、板状体に凹凸部を形成する場合に比べて、凹凸部を形成した後の剛性を比較的に容易に確保することができ、凹凸部の形状(例えば、凹部の範囲や広さ)の自由度を向上させることができる。
この構成によれば、凹凸部が板状体の板面と収容体の内壁面との双方に形成されているので、双方の凹部の深さを小さくすることができる一方、ポケットと流体低圧領域との連通空間を大きく確保することができる。
この構成によれば、上記のうちいずれか一の軸シール機構を備えるので、シール体が傾いた姿勢になったとしても薄板シール片の浮上力の低下が抑制され、軸シール機構が高寿命となってメンテナンス性に優れた回転機械にすることができる。
「ガスタービンの構成」
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。
ステータ2B,4Bは、それぞれ、ケーシング2b,4bと、ケーシング2b,4b内において軸方向に間隔を空けて固定された複数の環状静翼群5c,5とを備えている。環状静翼群5c,5は、各ケーシング2b,4b内面に、周方向に互いの間隔を空けて固定されている複数の静翼とを有している。各静翼の先端には、ハブシュラウドが形成されており、このハブシュラウド(ステータ)が周方向に連結されて全体として円環状になって回転軸6c,6の外周を囲んでいる。
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、軸方向に交互に配置されている。
図2は図1におけるS1−S1線断面図であり、図3は図2におけるS2−S2線断面図である。
図2に示すように、タービン4の軸シール機構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が、周方向に複数(本実施形態では八つ)配置され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が多数重ねられ(図2参照)、これら多数枚の薄板シール片20の径方向外方端20a側が互いに連結されてなっている。
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(逆T字状)に形成され、その幅方向を回転軸6の軸方向に向け、言い換えると、その厚さ方向を回転軸6の周方向に向けている。
ベース部16a,17aは、その厚さ(軸方向寸法)が薄板シール部16b,17bの厚さよりも厚く、薄板シール部16b,17bを基準にして軸方向に突出している。
このようにして、サイドシール板16の軸方向他方側を向いた板面16cが、シール体12のうち高圧側端部12cの大部分を覆って、軸方向に見て高圧側端部12cの径方向内方側を僅かに露出させている。
このようにして、サイドシール板17の軸方向一方側を向いた板面17cが、シール体12の低圧側端部12dのうち径方向外方側の略半分を覆っており、軸方向に見て低圧側端部12dの径方向内方側の略半分を露出させている。
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9bに収容されており、サイドシール板16,17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9cに収容されている。そして、収容空間9aの開放部9dから回転軸6に向けて胴部23の先端(内方端20b)が突出している。
この内壁面9eには、凹凸部30が形成されている。
凹凸部30は、径方向内方側から外方側に向けて形成されると共に軸方向一方側に凹んだ凹部31と、径方向内方側において周方向に連続して形成されると共に凹部31に対して板面17c側(軸方向他方側)に突出する凸部32とを有する。
凹部31は、径方向内方側から外方側に向けて延在する複数の径溝(径方向延在溝)31aと、複数の径溝31aよりも径方向外方側に形成され、周方向に延在して各径溝31aに連通する周溝(周方向延在溝)31bとを有している。
このような凹凸部30及び突出部33は、周方向における端部が、隣接する他のシールセグメント11におけるハウジング9の凹凸部30と連続しており、凹部31が周方向に連通している。
ガスタービン1が停止状態から起動されると、流体低圧領域と流体高圧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が流体低圧領域に向けて燃焼ガスgに押圧される。
この際、流体低圧領域から流体高圧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を通過する他、図7に示すように、開放部9dを介して流体高圧領域からハウジング9の収容空間9aに流入し、サイドシール板16に沿って内方側空間9cを径方向外方側に流れて外方側空間9bに流入し、保持リング13、背面スペーサ15、保持リング14に沿って外方側空間9bを流れた後に、サイドシール板17の板面17cと内方側空間9cの内壁面9eに沿って径方向内方側に流れて流体低圧領域に流出する(符号g1で示す)。なお、内方側空間9cを径方向外方に流れてサイドシール板16のベース部16aに到達した燃焼ガスgの一部は、サイドシール板16と頭部21及び胴部23との隙間、首部22の隙間、サイドシール板17と頭部21及び胴部23との隙間を通過する(符号g2で示す)。
傾斜したシールセグメント11は、その径方向内方側が燃焼ガスgによって押圧されることで、サイドシール板17の内周端17dがハウジング9の内壁面9e(凸部31)に線状に密接する。この場合、サイドシール板17の板面17cと内壁面9eとの間に径方向外方側から内方側に進むに従って先鋭状となったポケットXが形成される。
そして、板面17cに内壁面9eが押付けられることで、シール体12の低圧側端部12dの下流側空間L(図10参照)が設定された大きさになる。
つまり、サイドシール板17の径方向寸法が、サイドシール板16の径方向寸法よりも大きくされることで、図9に示すように、薄板シール片20の内方端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。
また、サイドシール板17よりも厚い(軸方向寸法)ハウジング9の内壁面9eのみに凹凸部30を形成するので、凹凸部30を板面17cに形成する場合に比べて、凹凸部を形成した後の剛性を比較的に容易に確保することができる。また、凹凸部30の形状(凹部31の広さや深さ)の自由度を向上させることができる。
次に、本発明の第二実施形態に係る軸シール機構50について図を用いて説明する。
図12は、軸シール機構50の周方向に交差する要部断面図(図13におけるS7-S7線断面図)であり、図13は、図12におけるS5−S5線断面図であり、図14は、図13におけるS6−S6線断面図である。なお、図12〜図14において、図1〜図11と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
凹部61は、凹部31とほぼ同様の構成となっており、内周端17dから径方向外方側に向けて放射状に延在する複数の径溝61aと、複数の径溝61aよりも径方向外方側に形成されて径溝61aに連通する周溝61bとを有している。
凸部62は、凸部32とほぼ同様の構成となっており、周方向に隣接する二つの径溝61aの間に複数形成されている。
突出部63は、軸方向において、軸方向に交差する端面が凸部62の端面と同一の位置に形成されている。
これらにより、上述した効果を同様の効果を得ることができる。
次に、本発明の第三実施形態に係る軸シール機構70について図を用いて説明する。
図15は、軸シール機構70の周方向に交差する要部断面図(図16におけるS10-S10線断面図)であり、図16は、図15におけるS8−S8線断面図であり、図17は、図16におけるS9−S9線断面図である。なお、図15〜図17において、図1〜図14と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
これらにより、上述した効果を同様の効果を得ることができる。
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。
同様に、突出部33,63の双方を用いて、突出部33,63を相互に密接させることにより流体高圧領域と流体低圧領域との連通を遮断する構成にしてもよい。
2…圧縮機(回転機械)
2A…ロータ
2B…ステータ
4…タービン(回転機械)
4A…ロータ
4B…ステータ
9…ハウジング(収容体)
9a…収容空間
9d…開放部
9e…内壁面
10,10c,50,70…軸シール機構
12…シール体
12c…高圧側端部(一端部)
12d…低圧側端部(他端部)
17,17A…サイドシール板(板状体)
20…薄板シール片
20a…外方端(径方向外方端)
20b…内方端(径方向内方端)
30,60…凹凸部
31,61…凹部
31a,61a…径溝(径方向延在溝)
31b,61b…周溝(周方向延在溝)
32,62…凸部
33,63…突出部
X…ポケット
g(g1,g2)…燃焼ガス(流体)
s…微小間隙
Claims (9)
- ロータの外周を囲うステータと前記ロータとの隙間を封止して前記隙間を前記ロータの軸方向一方側の流体低圧領域と軸方向他方側の流体高圧領域とに分ける軸シール機構であって、
前記ステータに設けられ、周方向に延びる収容空間が形成されると共に前記収容空間の開放部が前記ロータの外周に向けて形成された収容体と、
前記ロータの周方向に互いに微小間隙を空けて重ねられた複数の薄板シール片からなり、径方向外方端側が前記収容体の収容空間に収容されて径方向内方端を前記開放部から前記ロータの外周に向けて延出させるシール体と、
前記シール体の前記軸方向一端部を被覆すると共に、前記軸方向一方側に向いた板面が前記軸方向に対向する前記収容体の内壁面に前記流体の圧力で押し付けられる板状体とを備え、
前記板状体の板面と前記収容体の内壁面との少なくとも一方に、前記径方向内方側から外方側に向けて延びると共に前記軸方向に凹んだ凹部と、前記径方向内方側において前記凹部よりも他方側に突出する凸部とを有する凹凸部が形成され、
前記凹凸部は、前記凸部が前記他方に当接して前記一方と前記他方との間に前記流体高圧領域に連通するポケットが形成された場合に、前記凹部が前記ポケットと前記流体低圧領域とを連通させることを特徴とする軸シール機構。 - 前記板状体の板面と前記収容体の内壁面との少なくとも片方に、前記径方向外方側に形成されると共に、前記凹部に対して前記軸方向に突出する突出部を備え、
前記突出部は、前記板面が前記内壁面に押し付けられた場合に前記残り片方に密接して前記流体高圧領域と前記流体低圧領域との連通を遮断することを特徴とする請求項1に記載の軸シール機構。 - 前記凹部は、前記径方向内方側から外方側に向けて延在する径方向延在溝を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載の軸シール機構。
- 前記凹部は、前記径方向延在溝よりも前記径方向外方側に形成され、前記周方向に延在して前記径方向延在溝に連通する周方向延在溝を備えることを特徴とする請求項3に記載の軸シール機構。
- 前記凹凸部は、前記板状体の板面と前記収容体の内壁面との一方にのみ形成されていることを特徴とする請求項1から4のうちいずれか一項に記載の軸シール機構。
- 前記凹凸部は、前記板状体の板面にのみ形成されていることを特徴とする請求項1から5のうちいずれか一項に記載の軸シール機構。
- 前記凹凸部は、前記収容体の内壁面にのみ形成されていることを特徴とする請求項1から5のうちいずれか一項に記載の軸シール機構。
- 前記凹凸部は、前記板状体の板面と前記収容体の内壁面との双方に形成され、双方の前記凸部が互いに当接することを特徴とする請求項1から4のうちいずれか一項に記載の軸シール機構。
- 請求項1から8のうちいずれか一項に記載の軸シール機構を備えることを特徴とする回転機械。
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