JP5868606B2 - シール構造 - Google Patents
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Description
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。
また、前記空間が第1および第2の部材の表面に垂直方向に狭まって第1および第2の部材の少なくとも何れかが変形した場合、第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンは対向する部材表面に押し当てられて変形し第1の部材及び第2の部材間の空間の変形に追従することができる。
これにより、何れかの箇所で第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが接触している状態となる確率が高くなる。第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが接触すると、第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが何れも対向する部材と接触しない状態となっても、第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが接触している部分で前記空間を密閉することができ高いシール性を確保することができる。
ここで、ラビリンスシールは、フィンと相手部材との狭い隙間を通った流体が隣接するフィン間に流れ込む際に膨張し、圧力エネルギーを速度エネルギーを介して熱エネルギーに変換して各段毎に漏れ圧を下げるものである。そのため、高圧側はピッチを広くして膨張の効果を大きくすることで、シールフィン同士が接触しない状態となった場合には、高いラビリンスシールの効果を確保することができる。
これによっても、何れかの箇所で第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが接触している状態となる確率が高くなる。
これにより、高温部でのシール構造としても利用することができる。耐熱ゴムとしては、例えばシリコーンゴム、フッ素ゴム、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性体等を挙げることができる。
特に、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「Ming Xu, Don N. Futaba, Takao Yamada, Motoo Yumura and Kenji Hata, “Carbon Nanotubes with Temperature−Invariant Viscoelasticity from −196℃ to 1000℃,” Science, Vol. 330, No. 6009, pp.1364−1368 (2010), Published online 3 December 2010. DOI:10.1126/science.1194865」に記載された手法により作製してもよい。
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56が形成されている。
図3は、実施形態1におけるシールする空間が径方向に広がった場合におけるシール構造50を示した断面図である。
図4は、実施形態1におけるシールする空間が軸方向に移動した場合におけるシール構造を示した断面図である。図4においては説明の便宜上、外径側シールフィン52及び内径側シールフィン54はそれぞれ1つのみ示し、それぞれ外径側シールフィン52a、内径側シールフィン54aと称するものとする。また、図4(a)→図4(b)→図4(c)の順に外側円筒54が矢印D方向に変形したものとする。
つまり、外径側シールフィン52a及び内径側シールフィン54aの何れも弾性部材で形成しているため、外側円筒20が軸方向に移動した場合であっても、外径側シールフィン52aと内径側シールフィン54aとがすれ違うことで空間56のシール性を確保することができる。
図5は、実施形態2におけるシール構造50を示した断面図である。
図5においては、複数の外径側シールフィン52間の各ピッチ(図5においてはa1、a2、a3、a4)を不等ピッチとするとともに、複数の内径側シールフィン54間の各ピッチ(図5においてはb1、b2、b3)を不等ピッチとしている。
その他の構成については、図2に示した実施形態1におけるシール構造50と同じである。
外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触することで、外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触している部分で空間56を密閉することができ高いシール性を確保することができ、より好適である。即ち実施形態2においては、より好適な条件である外径側シールフィン52の側面と内径側シールフィン54の側面が接触している状態となる可能性が高い。
図6は、実施形態3におけるシール構造50を示した断面図である。
図6においては、外径側シールフィン52と内径側シールフィン54を何れも内車室6及び外側円筒20の軸方向と直角方向に対して傾斜させて配列させている。
その他の構成については、図2に示した実施形態1におけるシール構造50と同じである。
外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触することで、外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触している部分で56空間を密閉することができ高いシール性を確保することができ、より好適である。即ち実施形態3においては、より好適な条件である外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触している状態となる可能性が高い。
図7においては、外径側シールフィン52c、52dと、内径シールフィン54cがそれぞれP1、P2で接触している状態を示している。
ここで、外径側シールフィン52c、52d又は内径側シールフィン54cの少なくとも何れかが軸方向に移動した場合においても内径シールフィン54cが外径側シールフィン52c、52dの少なくとも何れかに接触し続ける条件について説明する。
この場合、以下の(1)式が成り立つ。
L3+L4≧L5 ・・・(1)
20 外側円筒(内径側環状部材)
50 シール構造
52 外径側シールフィン
54 内径側シールフィン
56 空間
Claims (10)
- 互いに対向した第1の部材及び第2の部材を備え、前記第1の部材と前記第2の部材の間をシールするタービンのシール構造であって、
前記第1の部材の表面に、前記第2の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第1の部材側シールフィンと、
前記第2の部材の表面に、前記第1の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第2の部材側シールフィンと、を備え、
前記第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンは何れも弾性材料で形成され、
前記第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンは、それぞれ第1の部材と第2の部材の間隔に対してオーバーラップするように配置されており、
前記第1の部材および前記第2の部材は、前記タービンを構成する部材、且つ、互いに対向する静止部材であることを特徴とするシール構造。 - 互いに対向した第1の部材及び第2の部材を備え、前記第1の部材と前記第2の部材の間をシールするシール構造であって、
前記第1の部材の表面に、前記第2の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第1の部材側シールフィンと、
前記第2の部材の表面に、前記第1の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第2の部材側シールフィンと、を備え、
前記第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンは、それぞれ第1の部材と第2の部材の間隔に対してオーバーラップするように配置されており、
前記第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンが何れも弾性材料で形成され、
前記第1の部材と前記第2の部材との間の間隙の延在方向において前記第1の部材が前記第2の部材に対して相対的に移動したとき、前記第1の部材側シールフィンが第2の部材側シールフィンに接触して変形し、前記第1の部材側シールフィンが前記第2の部材側シールフィンを乗り越えて前記第2の部材側シールフィンを挟んで反対側まで移動するように構成されたことを特徴とするシール構造。 - 前記第1の部材側シールフィンと前記第2の部材側シールフィンの少なくとも一方は、不等ピッチで配列されていることを特徴とする請求項1又は2記載のシール構造。
- 不等ピッチで配列されたシールフィンは、高圧側から低圧側にいくに従ってピッチ間隔が狭くなることを特徴とする請求項3記載のシール構造。
- 前記第1の部材側シールフィンと前記第2の部材側シールフィンの少なくとも一方は、前記第1および第2の部材の表面に垂直な方向に対して傾斜して配列されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載のシール構造。
- 傾斜して配列されているシールフィンは、高圧側に先端部が向くように傾斜していることを特徴とする請求項5記載のシール構造。
- 前記第1の部材側シールフィン及び前記第2の部材側シールフィンは耐熱ゴムで形成されていることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載のシール構造。
- 前記第1の部材と前記第2の部材は、それぞれ同心に配置された外径側環状部材および内径側環状部材であることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載のシール構造。
- 前記第1の部材は、ガスタービンのディフューザ又は内車室の何れか一方であり、
前記第2の部材は、前記ガスタービンの前記ディフューザ又は前記内車室の他方であることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載のシール構造。 - 請求項1〜9の何れかに記載のシール構造を備えることを特徴とするタービン。
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