JP5769469B2

JP5769469B2 - シール構造

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Publication number: JP5769469B2
Application number: JP2011076693A
Authority: JP
Inventors: 吉岡　真一; 真一吉岡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012211616A

Description

本発明はシール構造に関するものであり、詳しくは同心に配置された外径側環状部材及び内径側環状部材との間に形成される軸方向に延びる空間をシールするシール構造に関するものである。

例えばガスタービンにおいては、同心に配置され各々の間に軸方向に延びる空間を形成する外径側環状部材及び内径側環状部材が配置される箇所が存在し、前記空間からの流体の漏洩を防止するためのシール構造が必要な場合がある。

このような、同心に配置される外径側環状部材及び内径側環状部材の間の空間をシールするシール構造として例えばフェイスシールが知られている。
フェイスシールは、外径側環状部材の内径側環状部材との対向面の周方向全周に亘って設けられた溝と、該溝内に挿入され外径側環状部材の径方向に移動できるシール部材と、前記溝内に設けられ前記シール部材を前記内径側環状部材側に付勢するバネとから構成されるものである。フェイスシールによれば、バネによって内径側環状部材側に付勢されたシール部材が内径側環状部材の外側表面に押し付けられて、シール部材と内径側環状部材との間の隙間が無くなり、外径側環状部材及び内径側環状部材の間の空間がシールされる。なお、フェイスシールは、内径側環状部材の外径側環状部材との対向面の周方向全周に亘って溝が設けられ、該溝にシール部材を挿入し、該シール部材をバネによって外径側環状部材側に付勢する構成とすることも可能である。

フェイスシールに関する技術として、例えば特許文献１には固定子ベーンの環状列の内側シュラウドとガスタービンの径方向に内側の環状のシールハウジングとの間を固定的にシールするためのシール装置としてフェイスシールを用いたガスタービンが開示されている。

特公平２−３００７号公報

しかしながら、フェイスシールは、シール相手面（シール部材が押し付けられる面）に粗度、うねり等がある場合にはシール特性が悪化する。
また、部品点数が多く構造が複雑で組立て、製造コストが高い。

従って、本発明は係る従来技術の問題点に鑑み、外径側環状部材及び内径側環状部材に粗度やうねりがある場合でもシール特性が悪化することなく、しかも構造が簡単で組立、製造コストの低いシール構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明においては、同心に配置され、軸方向に延びる外径側環状部材及び内径側環状部材を備え、前記外径側環状部材と前記内径側環状部材をシールするシール構造であって、前記外径側環状部材及び内径側環状部材の何れか一方である第１部材には、前記外径側環状部材及び内径側環状部材の他方である第２部材に対向する面に溝が周方向に沿って形成されており、前記溝の全周に亘って挿入された弾性シール部材を備え、前記弾性シール部材は、前記溝内を前記第１部材の径方向に移動できるシール部と、該シール部を前記第２部材側に付勢する付勢部とが弾性材料によって一体に形成されてなるとともに、前記溝の周方向に複数に分割されていることを特徴とする。

これにより、付勢部によってシール部を前記第２部材側に付勢することで、シール部が前記第２部材に押し付けられる。シール部は弾性材料で形成されているため、前記第２部材に確実に押し付けられ、外径側環状部材及び内径側環状部材を確実にシールすることができる。また、前記第２部材に粗度、うねり等がある場合であっても、シール部は弾性材料で形成されているため前記第２部材の粗度、うねり等にシール部が変形して追従することができるため、シール性が悪化することがない。

さらに、シール部と付勢部を一体に形成しているため、シール構造全体に係る部品点数を少なくすることができるとともに、組立、製造コストも低い。

なお、「一体に形成されてなる」とは、付勢部とシール部とを一体的に成型する場合のみならず、付勢部とシール部を別個に作成してから接着剤等を用いて一体化する場合も含まれる。

また、前記付勢部はコイルバネ形状や、蛇腹形状であるとよい。
付勢部がコイルバネ形状や蛇腹形状である場合には、付勢部がバネの効果を持ち確実にシール部を付勢させることができる。
ここで、コイルバネ形状とは、前記付勢部を形成する弾性部材をコイル形（らせん形）に巻いて作った形状を意味する。

また、前記シール部材はカーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなるとよい。
カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料は、耐熱性に優れ、１０００℃程度まで粘弾性を維持できるので、高温部の過酷な環境下でも十分に用いることができる。
なお、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を主成分とする粘弾性材料は、例えば、スパッタリングによりシリコン基板上に鉄触媒を付着させ、アルゴンイオンによる反応性イオンエッチングにより触媒を調製した後、この基板上にスーパーグロース法によってＣＮＴを合成して得たＣＮＴ構造体を圧縮することで作製できる。なお、ＣＮＴを主成分とする粘弾性材料は、参考文献「ＭｉｎｇＸｕ，ＤｏｎＮ．Ｆｕｔａｂａ, ＴａｋａｏＹａｍａｄａ, ＭｏｔｏｏＹｕｍｕｒａａｎｄＫｅｎｊｉＨａｔａ， “ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅｓｗｉｔｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ＩｎｖａｒｉａｎｔＶｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｆｒｏｍ −１９６℃ ｔｏ１０００℃,” Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．３３０，Ｎｏ．６００９，ｐｐ．１３６４−１３６８（２０１０），Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄｏｎｌｉｎｅ３Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２０１０. ＤＯＩ：１０．１１２６／ｓｃｉｅｎｃｅ．１１９４８６５」に記載された手法により作製してもよい。

外径側環状部材及び内径側環状部材に粗度やうねりがある場合でもシール特性が悪化を防止でき、しかも構造が簡単で組立、製造コストの低いシール構造を提供できる。

実施形態１に係るシール構造が適用されるガスタービンのディフューザ周辺を示す概略断面図である。実施例におけるシール構造を示した断面図である。実施例における弾性シール部材と外側円筒との位置関係を示す概略構成図である。実施例におけるシール部の外側円筒と対向する面の一部平面図である。付勢部がコイルバネ形状である弾性シール部材の一部を示す斜視図である。弾性シール部形成体を示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

本発明のシール構造は、例えばガスタービンのディフューザと内車室との間のシールに用いることができる。
まず、図１を用いて、本発明のシール構造が適用される一例であるガスタービンのディフューザ周辺の構成について説明する。
図１は、実施形態１に係るシール構造が適用されるガスタービンのディフューザ周辺を示す概略断面図である。

図１に示すように、タービン本体１は、回転軸となるロータ２と、ロータ２に固定される動翼４と、ロータ２との間に燃焼ガスを流す空間を構成するようにロータ２の外周を覆う内車室６と、内車室６の内壁に設置される静翼８と、内車室６の外周側を覆うことで内車室６との間に冷却空気を流す空間を構成する外車室１０と、を備える。尚、内車室６は外車室１０と接続されることで固定される。又、ロータ２の後端（下流側）が、軸受ハウジング１２に納められた軸受１４によって支持される。

そして、このタービン本体１の下流側に、動翼４及び静翼８を流れた燃焼ガスを排気するための２重環状で構成されたディフューザ１６が設置される。このディフューザ１６は、その外壁面が最終段の動翼４のシュラウド面と同一面を形成する内側円筒１８と、その内壁面が内車室６の内壁面と同一面を形成する外側円筒２０とを有する。さらに、ディフューザ１６は、内側円筒２１の内側に設置された軸受ハウジング１２を支持するために放射状に配置されたストラット２４と、このストラット２４を覆うとともに内側円筒１８と外側円筒２０とを接続して内側円筒１８を固定するストラットカバー２６と、外側円筒２０と外車室１０のそれぞれに接続して外側円筒２０を固定する固定用リング２８と、を備える。

ディフューザ１６において、内側円筒１８と外側円筒２０とを同心に配置することで、内側円筒１８と外側円筒２０との間に環状の流路が形成される。このとき、内側円筒１８は円筒形状であるが、外側円筒２０は下流ほど直径が大きくなる円錐台形状を呈しており、このため、ディフューザ１６は、上流から下流に向かって流路の断面積が次第に大きくなる。そして、ストラットカバー２６によって、内側円筒１８と外側円筒２０との間隔を保って環状流路の形状が維持される。

以上の構成において、図１にａで示したように、ガスタービンの排気が内車室６と外側円筒２０との間の隙間を通り、ストラットカバー２６内を介して、軸受１４に流入することを防止するために内車室６と外側円筒２０の間（図１にＡで示す位置）に本発明のシール構造が適用される。

図２は、実施例におけるシール構造５０を示した断面図である。
図２において、同心に配置される外径側環状部材である内車室６と内径側環状部材である外側円筒２０との間には、軸方向に延びる空間６０が形成されている。

内車室６の外側円筒２０に対する対向面には、周方向の全周に亘って溝５８が形成されている。

溝５８には、溝５８の全周に亘って弾性シール部材５２が挿入されている。弾性シール部材５２は、シール部５４と、付勢部５６とが一体に形成されてなるものであって、耐熱性弾性部材によって形成されている。該耐熱性弾性部材としては、空間６０でシールするガスタービンの排ガス温度に耐えうる部材として、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料を挙げることができる。

シール部５４は、付勢部５６がシール部５４よりも溝５８の奥側（外側円筒２０から遠い側）に位置するように溝５８内に挿入されている。また、シール部５４は、溝５８内を内車室６の径方向に移動できるように溝５８内に挿入されている。

また、付勢部５６は、その一端でシール部５４と一体化しているとともに、他端は溝５８の奥面５８ａに取り付けられている。また、付勢部５６は、図２に示すように蛇腹状の形状をしており、シール部５４を外側円筒２０側に付勢するバネ力を有している。蛇腹状の付勢部５６を有する弾性シール部５２は、図６に示すような弾性シール部形成体を成型して、該弾性シール部形成体を加工して作製するとよい。図６において、シール部５４に相当するシール部相当部１５４と両面に交互に溝部１５７ａ、１５７ｂ、１５７ｃ・・・が設けられた板部１５６とが一体となった弾性シール部形成体１５２を射出成型により一体に成型し、その後溝部１５７ａ、１５７ｂ、１５７ｃ・・・で板部を折り曲げることにより作成する。これにより弾性シール部形成対１５２は単純な形状であるので、射出成型で簡単に成型することができるので、弾性シール部５２を簡単に作製することができるためである。

なお、付勢部５６の形状は、ジグザグバネの形状に限られるものではなく、シール部５４を外側円筒２０側に付勢するバネ力を有する形状であればよく、例えば図５に示すようなコイルバネ状（らせん状）の形状とすることもできる。図５は、付勢部がコイルバネ形状である弾性シール部材の一部を示す斜視図である。図５に示すように、付勢部がコイルバネ形状である弾性シール部材５２は、シール部材５４に複数のコイルバネ形状の付勢部５６が周方向に沿って配されている。

図３は、実施例における弾性シール部材５２と外側円筒２０との位置関係を示す概略構成図である。図３に示すように、外側円筒２０の外周側に弾性シール部材５２が位置し、弾性シール部材５２は周方向に複数の分割弾性シール部材５２ａ、５２ｂ・・・に分割されている。

以上の構成のシール構造５０において、付勢部５６のバネ力によりシール部５４を外側円筒２０の外表面に押し付けることにより、空間６０が密閉され、空間６０を確実にシールすることができる。

また、外側円筒２０に粗度やうねり等がある場合においても、シール部５４は弾性部材で形成されているので、前記粗度やうねり等に追従してシール部５４も変形する。従って、外側円筒２０に粗度やうねり等がある場合であっても空間６０を確実にシールすることができる。

図４は、実施例におけるシール部５４の外側円筒２０と対向する面の一部平面図である。図４に示すように、シール部５４の外側円筒２０と対向する面に、周方向に溝部６２を設けることができる。この場合、シール部５４が、さらに外側円筒２０の変形に追従して変形しやすくなる。

本実施例によれば、付勢部５６によってシール部５４を外側円筒２０に付勢することで、シール部５４が外側円筒２０の外表面に押し付けられる。シール部５４は弾性材料で形成されているため、外側円筒５４に確実に押し付けられ、空間６０を密閉して確実にシールすることができる。また、外側円筒２０が熱伸び等によって変形した場合であっても、シール部５４は弾性材料で形成されているため外側円筒２０の変形にシール部が変形して追従することができるため、シール性が悪化することもない。

さらに、シール部５４と付勢部５６を一体に形成しているため、シール構造５０全体に係る部品点数を少なくすることができるとともに、弾性シール部材５２の成型が簡単である。

なお、本実施例においては、内車室６に溝５８を設け、溝５８に弾性シール部材５２を挿入しているが、逆に外側円筒２０に溝を設けて該溝に弾性シール部材を挿入することも可能である。

外径側環状部材及び内径側環状部材の少なくとも一方が径方向、軸方向の何れの方向に熱伸び等の変形をした場合であっても、シール性が悪化することのないシール構造として利用することができる。

６内車室（外径側環状部材）
２０外側円筒（内径側環状部材）
５０シール構造
５２弾性シール部材
５４シール部
５６付勢部
５８溝

Claims

同心に配置され、軸方向に延びる外径側環状部材及び内径側環状部材を備え、前記外径側環状部材と前記内径側環状部材をシールするシール構造であって、
前記外径側環状部材及び内径側環状部材の何れか一方である第１部材には、前記外径側環状部材及び内径側環状部材の他方である第２部材に対向する面に溝が周方向に沿って形成されており、
前記溝の全周に亘って挿入されたシール部及び付勢部を有する弾性シール部材を備え、
前記弾性シール部材は、弾性材料によって一体的に成型されるとともに、前記溝の周方向に複数に分割され、
前記シール部は前記溝内を前記第１部材の径方向に移動し、
前記付勢部は一端で前記シール部と一体化し他端で前記溝部の奥面に取り付けられ前記シール部を前記第２部材側に付勢することを特徴とするシール構造。
前記付勢部はコイルバネ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のシール構造。
前記付勢部は蛇腹形状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のシール構造。
前記シール部と前記付勢部とが射出成型により一体的に成型されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載のシール構造。
前記弾性シール部材は、両面に交互に複数の溝部が設けられた板部とシール部相当部とが射出成型により一体成型された弾性シール部形成体によって形成され、
前記弾性シール部形成体は前記溝に挿入された状態において、前記板部が前記複数の溝部において屈曲して前記蛇腹形状の前記付勢部を構成することを特徴とする請求項３に記載のシール構造。
前記シール部材はカーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載のシール構造。