JP6125412B2 - 軸シール装置、回転機械、及び軸シール装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、軸シール装置、回転機械、及び軸シール装置の製造方法に関する。

ガスタービン、蒸気タービン、及び圧縮機のような回転機械において、特許文献１に開示されているような、回転軸の周囲をシールする軸シール装置が知られている。特許文献１に開示されている軸シール装置は、回転軸の周囲に配置される複数のリーフ（薄板）と、そのリーフによって分けられた高圧空間及び低圧空間のそれぞれに配置されるサイドシール板（サイドリーフ）とを有する。回転軸の停止時において、リーフの先端部（内側端部）は回転軸の外周面と接触する。回転軸の回転時において、リーフの先端部が回転軸から離れるように変位してリーフと回転軸とが非接触状態となる。サイドシール板は、圧力の作用によりリーフの側端部に近づいて、高圧空間の作動気体がリーフ間に過剰に流入することを抑制する。

特開２０１１−１８５２１９号公報

例えば、サイドシール板がリーフの側端部に密着して大きな力で押し付けられると、回転軸の回転時において、リーフの先端部が回転軸から離れることができない可能性がある。リーフと回転軸とが接触した状態で回転軸が回転すると、リーフが摩耗し、その結果、シール性能が低下する可能性がある。

本発明は、性能の低下が抑制される軸シール装置、回転機械、及び軸シール装置の製造方法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、回転軸の周囲に複数配置され、前記回転軸の周囲の空間を前記回転軸の軸方向に関して２つの空間に分けるリーフと、前記軸方向に関して前記リーフの一側に配置され、前記リーフの前記一側の側端部と対向する対向面を有するサイドシール板と、を備え、前記リーフ及び前記サイドシール板の少なくとも一方は、前記対向面と前記側端部の表面との摩擦力を低減する摩擦低減部を有する。

本発明によれば、サイドシール板がリーフの側端部に押し付けられても、リーフ及びサイドシール板の少なくとも一方は、対向面と側端部の表面との摩擦力を低減する摩擦低減部を有するため、サイドシール板がリーフの先端部の変位を阻止しないようにすることができる。そのため、回転軸の回転時において、リーフの先端部は、回転軸から離れるように円滑に移動して、回転軸と非接触状態になる。したがって、リーフと回転軸とが接触した状態で回転軸が回転してしまうことが抑制され、シール性能の低下が抑制される。

本実施形態に係る軸シール装置において、前記摩擦低減部は、前記対向面及び側端部の表面の少なくとも一方に形成された低摩擦係数の膜を含んでもよい。例えば、サイドシール板の対向面にめっき処理、溶射処理、及び蒸着処理の少なくとも一つを施して潤滑性が高い膜を形成することにより、対向面と側端部の表面との摩擦力を低減することができる。

本実施形態に係る軸シール装置において、前記摩擦低減部は、前記対向面及び側端部の表面の少なくとも一方にテクスチャリング処理で形成されてもよい。例えば、サイドシール板の対向面に、サンドブラスト加工のようなテクスチャリング処理を施して、ディンプル又は格子状のミクロレベルの凹凸面を形成することにより、対向面と側端部の表面との接触面積が小さくなるため、対向面と側端部の表面との摩擦力を低減することができる。

本実施形態に係る軸シール装置において、前記摩擦低減部は、前記対向面及び側端部の表面の少なくとも一方に形成された凹面又は凸面を含んでもよい。例えば、リーフの側端部の表面を凸面にすることにより、対向面と側端部の表面との接触面積が小さくなるため、対向面と側端部の表面との摩擦力を低減することができる。

本発明に係る軸シール装置は、回転軸と、前記回転軸の周囲に配置される上述の軸シール装置と、を備える。

本発明によれば、上述の軸シール装置を備えるため、シール性能の低下が抑制される。そのため、長寿命でメンテナンス性がよい回転機械が提供される。

本発明に係る軸シール装置の製造方法は、リーフ及び前記リーフの側端部と対向するように配置されるサイドシール板とを備える軸シール装置の製造方法であって、前記リーフの前記側端部の表面及び前記側端部と対向する前記サイドシール板の対向面の少なくとも一方に、前記対向面と前記側端部の表面との摩擦力を低減するための摩擦低減処理を行う工程と、前記リーフを回転軸の周囲に複数配置して、前記回転軸の周囲の空間を前記回転軸の軸方向に関して２つの空間に分ける工程と、前記軸方向に関して前記リーフの一側に、前記リーフの前記一側の側端部と前記対向面とが対向するように、前記サイドシール板を配置する工程と、を含む。

本発明によれば、サイドシール板がリーフの側端部に押し付けられても、リーフの側端部の表面及びサイドシール板の対向面の少なくとも一方は、対向面と側端部の表面との摩擦力を低減する摩擦低減処理を施されているため、サイドシール板がリーフの先端部の変位を阻止しないようにすることができる。そのため、回転軸の回転時において、リーフの先端部は、回転軸から離れるように円滑に移動して、回転軸と非接触状態になる。したがって、リーフと回転軸とが接触した状態で回転軸が回転してしまうことが抑制され、シール性能の低下が抑制される。

本発明によれば、性能の低下が抑制される。

図１は、第１実施形態に係るガスタービンシステムの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態に係る軸シール装置の概略を示す断面図である。 図３は、第１実施形態に係る軸シール装置の一部を模式的に示す斜視図である。 図４は、第１実施形態に係る軸シール装置の概略を示す断面図である。 図５は、第１実施形態に係る軸シール装置の分解図である。 図６は、第１実施形態に係る高圧側サイドシール板を示す図である。 図７は、第１実施形態に係るリーフ間の隙間に形成される作動気体の圧力分布図である。 図８は、第１実施形態に係るリーフの胴部の断面、及びその胴部に作用する圧力をベクトルで示した図である。 図９は、第１実施形態に係る軸シール装置の一例を示す図である。 図１０は、第１実施形態に係る軸シール装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図１１は、第２実施形態に係る対向面の一例を示す図である。 図１２は、第２実施形態に係る対向面の一例を示す図である。 図１３は、第３実施形態に係るリーフ及び高圧側サイドシール板の一例を示す模式図である。 図１４は、第３実施形態に係るリーフ及び高圧側サイドシール板の一例を示す模式図である。 図１５は、第３実施形態に係るリーフ及び高圧側サイドシール板の一例を示す模式図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下で説明する実施形態における構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る回転機械を有するガスタービンシステム１の一例を示す図である。図１に示すように、ガスタービンシステム１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４と、回転軸５０を含むロータ５とを備えている。本実施形態において、回転機械は、圧縮機２及びタービン４の少なくとも一方を含む。

圧縮機２は、導入された空気を圧縮する。圧縮機２は、ケーシング２Ｋを有する。ケーシング２Ｋの内部空間に空気が導入される。

燃焼器３は、圧縮機２で圧縮された圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる。

タービン４は、燃焼器３で発生した燃焼ガスを導入して膨張させ、その燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。タービン４は、ケーシング４Ｋを有する。ケーシング４Ｋの内部空間に燃焼ガスが導入される。

ロータ５は、回転軸５０と、回転軸５０に設けられた動翼５１Ａ及び動翼５２Ａとを有する。動翼５１Ａは、ケーシング２Ｋの内部空間に配置された回転軸５０の部分５１に設けられる。動翼５２Ａは、ケーシング４Ｋの内部空間に配置された回転軸５０の部分５２に設けられる。

圧縮機２は、ケーシング２Ｋに配置された静翼２Ａを有する。圧縮機２において、動翼５１Ａと静翼２Ａとは、回転軸５０の軸ＡＸと平行な方向（軸方向）に交互に複数配置される。

タービン４は、ケーシング４Ｋに配置された静翼４Ａを有する。タービン４において、動翼５２Ａと静翼４Ａとは、回転軸５０の軸方向に交互に複数配置される。

タービン４において、燃焼器３から導入された燃焼ガスが動翼５２Ａに供給される。これにより、燃焼ガスの熱エネルギーが機械的な回転エネルギーに変換されて動力が発生する。タービン４で発生した動力の一部は、回転軸５０を介して圧縮機２に伝達される。タービン４で発生した動力の一部は、圧縮機２の動力として利用される。

また、ガスタービンシステム１は、圧縮機２に配置され、回転軸５０を回転可能に支持する軸受を有する支持部２Ｓと、タービン４に配置され、回転軸５０を回転可能に支持する軸受を有する支持部４Ｓとを有する。

ガスタービンシステム１は、回転軸５０の周囲をシールする軸シール装置１０を備えている。軸シール装置１０は、圧縮機２及びタービン４のそれぞれに配置される。

圧縮機２に配置される軸シール装置１０は、作動気体Ｇである圧縮空気が高圧側から低圧側に漏出することを抑制する。圧縮機２の軸シール装置１０は、静翼２Ａの内周部に配置される。また、圧縮機２の軸シール装置１０は、支持部２Ｓに配置される。

タービン４に配置される軸シール装置１０は、作動気体Ｇである燃焼ガスが高圧側から低圧側に漏出することを抑制する。タービン４の軸シール装置１０は、静翼４Ａの内周部に配置される。また、タービン４の軸シール装置１０は、支持部４Ｓに配置される。

次に、軸シール装置１０について説明する。図２は、本実施形態に係る軸シール装置１０の概略を示す断面図である。図２は、図１のＡ―Ａ線断面図に相当する。図３は、本実施形態に係る軸シール装置１０の一部を模式的に示す斜視図である。図３は、軸シール装置１０の一部を破断して示す。図４は、回転軸５０の軸ＡＸを含む軸シール装置１０の概略を示す断面図である。図５は、軸シール装置１０の分解図である。

以下の説明においては、圧縮機２及びタービン４のそれぞれに設けられた軸シール装置１０のうち、タービン４に設けられた軸シール装置１０について説明する。圧縮機２に設けられた軸シール装置１０の構造と、タービン４に設けられた軸シール装置１０の構造とは同等である。

図２に示すように、軸シール装置１０は、回転軸５０の周囲に配置される複数のシールセグメント１１を有する。軸ＡＸと直交する平面内において、シールセグメント１１のそれぞれは、円弧状である。本実施形態においては、回転軸５０の周囲にシールセグメント１１が８つ配置される。

図３、図４、及び図５に示すように、シールセグメント１１は、回転軸５０の周囲に配置される複数のリーフ（薄板）２０と、回転軸５０の軸方向に関してリーフ２０の一側に配置された高圧側サイドシール板１６と、回転軸５０の軸方向に関してリーフ２０の他側に配置された低圧側サイドシール板１７と、リーフ２０を保持する保持リング１３及び保持リング１４を含む保持部材１３４と、リーフ２０と保持部材１３４との間に配置される背面スペーサ１５とを備えている。

図４に示すように、シールセグメント１１は、ハウジング９に挿入される。ハウジング９は、静翼２Ａ、支持部２Ｓ、静翼４Ａ、及び支持部４Ｓの少なくとも一つに相当する。ハウジング９は、凹部９ａを有する。凹部９ａは、回転軸５０の外周面に面する開口９ｋを有する。シールセグメント１１の少なくとも一部は、ハウジング９の凹部９ａに配置される。凹部９ａは、回転軸５０の周方向に延在する。凹部９ａの外側に、リーフ２０の一部が突出する。

リーフ２０は、可撓性を有する板状部材である。リーフ２０は、弾性変形可能である。本実施形態において、リーフ２０は、薄い鋼板である。リーフ２０の表面の法線は、回転軸５０の周方向（回転方向）とほぼ平行である。リーフ２０の幅方向は、回転軸５０の軸方向とほぼ一致する。リーフ２０の厚さ方向は、回転軸５０の周方向とほぼ一致する。リーフ２０は、回転軸５０の周方向に可撓性を有する。リーフ２０は、回転軸５０の軸方向に高い剛性を有する。

リーフ２０は、回転軸５０の周方向に間隔をあけて複数配置される。リーフ２０と、そのリーフ２０に隣り合うリーフ２０との間に隙間Ｓが形成される。複数のリーフ２０によってリーフ積層体１２が形成される。リーフ積層体１２は、複数のリーフ２０の集合体（積層体）である。

複数のリーフ２０（リーフ積層体１２）は、回転軸５０の周囲をシールすることによって、回転軸５０の周囲の空間を回転軸５０の軸方向に関して２つの空間に分ける。本実施形態において、複数のリーフ２０は、回転軸５０の周囲の空間を高圧空間と低圧空間とに分ける。高圧空間の圧力は、低圧空間の圧力よりも高い。

複数のリーフ２０のそれぞれは、回転軸５０の軸ＡＸに対する放射方向（径方向）に関して外側の基端部（外側端部）２０ａと、内側の先端部（内側端部）２０ｂと、回転軸５０の軸方向に関して高圧空間側の側端部２０ｃと、低圧空間側の側端部２０ｄとを有する。

以下の説明において、複数のリーフ２０の基端部２０ａを合わせて適宜、リーフ積層体１２の基端部１２ａ、と称し、複数のリーフ２０の先端部２０ｂを合わせて適宜、リーフ積層体１２の先端部１２ｂ、と称し、複数のリーフ２０の側端部２０ｃを合わせて適宜、リーフ積層体１２の側端部１２ｃ、と称し、複数のリーフ２０の側端部２０ｄを合わせて適宜、リーフ積層体１２の側端部１２ｄ、と称する。基端部１２ａは、複数の基端部２０ａの集合体である。先端部１２ｂは、複数の先端部２０ｂの集合体である。側端部１２ｃは、複数の側端部２０ｃの集合体である。側端部１２ｄは、複数の側端部２０ｄの集合体である。

基端部１２ａは、径方向に関して外側を向く。先端部１２ｂは、回転軸５０の外周面と対向するように、径方向に関して内側を向く。側端部１２ｃは、回転軸５０の軸方向に関して一側（高圧空間側）を向く。側端部１２ｄは、回転軸５０の軸方向に関して他側（低圧空間側）を向く。先端部１２ｂ（先端部２０ｂ）は、開口９ｋを介して凹部９ａの外側に配置される。

本実施形態において、複数のリーフ２０の基端部２０ａのそれぞれは、背面スペーサ１５に固定される。一方、複数のリーフ２０の先端部２０ｂのそれぞれは、固定されない。すなわち、本実施形態において、基端部２０ａは固定端であり、先端部２０ｂは自由端である。複数のリーフ２０（リーフ積層体１２）は、基端部２０ａが固定された状態で、保持部材１３４に保持される。

リーフ２０は、頭部２１と胴部２２とを有する。基端部２０ａは、頭部２１に配置される。先端部２０ｂ、側端部２０ｃ、及び側端部２０ｄは、胴部２２に配置される。幅方向（回転軸５０の軸方向）に関する胴部２２の寸法は、頭部２１の寸法よりも小さい。厚さ方向（回転軸５０の周方向）に関する胴部２２の寸法は、頭部２１の寸法よりも小さい。胴部２２は、胴部２２の頭部２１との境界部に切欠部２０ｘ及び切欠部２０ｙを有する。

本実施形態においては、複数のリーフ２０は、頭部２１の側方突出部２１ｃ及び側方突出部２１ｄのそれぞれにおいて溶接により接続される。胴部２２は、弾性変形可能である。

保持部材１３４は、リーフ積層体１２を保持する。保持部材１３４は、ハウジング９に支持される。ハウジング９は、凹部９ａの内側に支持面９ｓを有する。保持部材１３４は、支持面９ｓに支持される。

保持部材１３４は、保持リング１３及び保持リング１４を含む。保持リング１３及び保持リング１４のそれぞれは、回転軸５０の周方向に延在する円弧状の部材である。保持リング１３は、リーフ２０の側方突出部２１ｃを含む頭部２１の一部が配置される凹部１３ａを有する。保持リング１４は、リーフ２０の側方突出部２１ｄを含む頭部２１の一部が配置される凹部１４ａを有する。背面スペーサ１５は、リーフ２０の頭部２１と保持リング１３及び保持リング１４との間に配置される。

リーフ２０の頭部２１が背面スペーサ１５を介して凹部１３ａ及び凹部１４ｂにはめ込まれる。これにより、リーフ積層体１２が保持部材１３４に保持される。

高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０（リーフ積層体１２）に隣接するように高圧空間に配置される。低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０（リーフ積層体１２）に隣接するように低圧空間に配置される。高圧側サイドシール板１６は、高圧空間においてリーフ積層体１２の側端部１２ｃの一部と対向するように配置される。低圧側サイドシール板１７は、低圧空間においてリーフ積層体１２の側端部１２ｄの一部と対向するように配置される。

高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０の側端部２０ｃ（リーフ積層体１２の側端部１２ｃ）の少なくとも一部と対向する対向面１６１と、対向面１６１の反対方向を向く表面１６２とを有する。

低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０の側端部２０ｄ（リーフ積層体１２の側端部１２ｄ）の少なくとも一部と対向する対向面１７１と、対向面１７１の反対方向を向く表面１７２とを有する。

高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０の切欠部２０ｘに配置される凸部１６ａを有する。切欠部２０ｘに配置された凸部１６ａは、リーフ２０（リーフ積層体１２）及び保持リング１３により固定される。

低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０の切欠部２０ｙに配置される凸部１７ａを有する。切欠部２０ｙに配置された凸部１７ａは、リーフ２０（リーフ積層体１２）及び保持リング１４により固定される。

本実施形態において、高圧側サイドシール板１６の先端部１６３は、リーフ２０の先端部２０ｂよりも回転軸５０から離れている。高圧側サイドシール板１６は、径方向に関して基端部２０ａ側の側端部２０ｃ（側端部１２ｃ）の一部と対向し、先端部２０ｂ側の側端部２０ｃ（側端部１２ｃ）の一部と対向しない。

本実施形態において、低圧側サイドシール板１７の先端部１７３は、リーフ２０の先端部２０ｂよりも回転軸５０から離れている。低圧側サイドシール板１７は、径方向に関して基端部２０ａ側の側端部２０ｄ（側端部１２ｄ）の一部と対向し、先端部２０ｂ側の側端部２０ｄ（側端部１２ｄ）の一部と対向しない。

また、本実施形態において、低圧側サイドシール板１７の先端部１７３は、高圧側サイドシール板１６の先端部１６３よりも回転軸５０から離れている。本実施形態において、回転軸５０の径方向に関して、高圧側サイドシール板１６の寸法は、低圧側サイドシール板１７の寸法よりも大きい。

図６は、高圧側サイドシール板１６を対向面１６１側から見た図である。図６に示すように、高圧側サイドシール板１６は、可撓性を有する扇状の板状部材である。高圧側サイドシール板１６は、弾性変形可能である。本実施形態において、高圧側サイドシール板１６は、薄い鋼板である。

本実施形態において、高圧側サイドシール板１６は、対向面１６１と側端部２０ｃの表面（側面）との摩擦力を低減するための摩擦低減部を有する。摩擦低減部は、高圧側サイドシール板１６とリーフ２０との摩擦力を低減する。本実施形態においては、高圧側サイドシール板１６に、側端部２０ｃの表面（側面）との摩擦力を低減するための摩擦低減処理が施されている。

本実施形態において、摩擦低減部は、高圧側サイドシール板１６に形成された低摩擦係数の膜１８０を含む。摩擦低減処理は、高圧側サイドシール板１６の母材の表面（対向面）に低摩擦係数の膜１８０を形成する処理を含む。高圧側サイドシール板１６の母材である鋼板の対向面に膜１８０が形成される。本実施形態において、対向面１６１は、膜１８０の表面である。側端部２０ｃの表面に対する膜１８０の表面の摩擦係数は、高圧側サイドシール板１６の母材（鋼板）の表面の摩擦係数よりも小さい。

膜１８０は、高圧側サイドシール板１６の母材の表面（対向面）に、例えば、めっき処理、溶射処理、及び蒸着処理の少なくとも一つを施して潤滑性が高い膜１８０を形成することにより、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との摩擦力を低減することができる。

膜１８０は、例えば、Ｃｒめっき処理によって形成されたＣｒ膜でもよいし、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）コーティング処理によって形成されたカーボン膜でもよい。

膜１８０は、均一な厚みを有するように形成される。高圧側サイドシール板１６の厚みが０．３ｍｍ程度である場合、膜１８０の厚みは、０．０５ｍｍ以上０．１ｍｍ以下でもよい。なお、膜１８０が耐摩耗性を有し、経年変化し難い材料で形成される場合、膜１８０の厚みは、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下でもよい。

膜１８０の厚みと高圧側サイドシール板１６の母材の厚みとの合計が、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下に定められてもよい。これにより、高圧側サイドシール板１６の性能が発揮される。また、膜１８０の厚みと高圧側サイドシール板１６の母材の厚みとの合計が、０．３ｍｍ以上であれば、スワール（旋回流）に対する高圧側サイドシール板１６の強度が十分に保たれる。

次に、シールセグメント１１の作用について説明する。図７は、隙間Ｓに形成される作動気体Ｇの圧力分布図である。図８は、回転軸５０の軸ＡＸと交差する胴部２２の断面、及びその胴部２２に作用する圧力をベクトルで示した図である。

回転軸５０の停止時において、リーフ２０の先端部２０ｂは、所定の予圧で回転軸５０の外周面と接触する。ガスタービンシステム１が起動し、回転軸５０が回転すると、その回転軸５０の外周面と接触しているリーフ２０の先端部２０ｂは、回転軸５０の外周面に擦られる。

回転軸５０の回転数が上昇し、所定の回転数に到達すると、回転軸５０の回転により発生する動圧効果によって、リーフ２０の先端部２０ｂが回転軸５０の外周面から離れるように変位（浮上）し、リーフ２０と回転軸５０とは非接触状態となる。リーフ２０と回転軸５０とが非接触状態で回転軸５０が回転することにより、リーフ２０と回転軸５０との間に形成された微小間隙で作動気体Ｇがシールされ、図７に示すように、リーフ２０を境にして、回転軸５０の周囲の空間が、作動気体Ｇの高圧空間と低圧空間とに分けられる。また、リーフ２０と回転軸５０とが非接触状態で回転軸５０が回転することにより、リーフ２０及び回転軸５０の摩耗が抑制される。

図７に示すように、高圧空間の作動気体Ｇの少なくとも一部は、低圧空間に向かって、リーフ２０の先端部２０ｂと回転軸５０の外周面との間を流れる。また、高圧空間の作動気体Ｇの少なくとも一部は、高圧側サイドシール板１６と対向していない側端部２０ｃの一部から隙間Ｓに流入する。高圧側サイドシール板１６は、側端部２０ｃの大部分と対向しているため、高圧空間の作動気体Ｇが隙間Ｓに過剰に流入することを抑制する。

本実施形態においては、径方向に関する高圧側サイドシール板１６の寸法（先端部１６３と回転軸５０の外周面との距離）、及び低圧側サイドシール板１７の寸法（先端部１７３と回転軸５０の外周面との距離）を調整することによって、隣接するリーフ２０間の隙間Ｓの圧力分布を調整することができる。

本実施形態においては、低圧側サイドシール板１７の寸法は、高圧側サイドシール板１６の寸法よりも小さい。これにより、隙間Ｓの圧力分布は、先端部２０ｂから基端部２０ａに向かって徐々に小さくなる。その圧力分布は、上述した動圧効果による浮上力を補助する。

高圧空間から隙間Ｓに流入した作動気体Ｇは、リーフ２０の表面に沿って、リーフ２０の角部ｒ１から角部ｒ２に向かって流れる。角部ｒ１は、先端部２０ｂ側かつ高圧空間側の角部である。角部ｒ２は、基端部２０ａ側かつ低圧空間側の角部である。角部ｒ２は、角部ｒ１の対角である。

径方向に関する低圧側サイドシール板１７の寸法が高圧側サイドシール板１６の寸法よりも小さいため、図７に示すように、角部ｒ１における圧力が最も高く、角部ｒ２に向かって徐々に小さくなる圧力分布４０ａが形成される。

隙間Ｓの圧力がリーフ２０の基端部２０ａに向かって徐々に小さくなるため、図８に示すように、リーフ２０の表面２０ｐに作用する圧力分布４０ｂ、及びその表面２０ｐの反対方向を向く表面２０ｑに作用する圧力分布４０ｃのそれぞれは、リーフ２０の先端部２０ｂ近傍が最も大きく、基端部２０ａに向かって徐々に小さくなる。

図８に示すように、表面２０ｐに作用する圧力分布４０ｂ、及び表面２０ｑに作用する圧力分布４０ｃは、ほぼ等しい。本実施形態において、複数のリーフ２０のそれぞれは、回転軸５０の外周面の接線に対して傾斜するように配置されているため、リーフ２０の基端部２０ａと先端部２０ｂとの間の任意の点Ｐにおける表面２０ｐに作用する圧力と表面２０ｑに作用する圧力とに差が生じる。具体的には、表面２０ｑに作用する圧力が表面２０ｐに作用する圧力よりも高くなる。これにより、リーフ２０の先端部２０ｂが回転軸５０の外周面から離れるように、リーフ２０に浮上力ＦＬが発生する。

図９は、本実施形態に係る軸シール装置１０の一例を示す図である。高圧空間と低圧空間とが形成されると、シールセグメント１１が高圧空間から低圧空間に向かう力を受けて、低圧側サイドシール板１７がハウジング９に密着する可能性がある。また、高圧空間の圧力が高くなると、高圧側サイドシール板１６がリーフ２０の側端部２０ｃに密着して大きな力で押し付けられる可能性がある。高圧側サイドシール板１６がリーフ２０の側端部２０ｃに大きな力で押し付けられると、回転軸５０の回転時においてリーフ２０の先端部２０ｃが回転軸５０から離れることができない可能性がある。すなわち、高圧側サイドシール板１６がリーフ２０の側端部２０ｃに押し付けられる力が増大し、その力の増大に伴って、対向面１６１と側端部２０ｃとの摩擦力が増大し、その結果、リーフ２０の先端部２０ｃが回転軸５０の外周面から円滑に浮上することができなくなる可能性がある。

本実施形態においては、高圧側サイドシール板１６の対向面１６１が低摩擦係数の膜１８０の表面で形成されているため、対向面１６１と側端部２０ｃ（側端部１２ｃ）の表面との摩擦力が低減される。したがって、リーフ２０の先端部２０ｃは回転軸５０の外周面から円滑に浮上することができる。

次に、図１０を参照して、本実施形態に係る軸シール装置１０の製造方法の一例について説明する。図１０は、本実施形態に係る軸シール装置１０の製造方法の一例を示すフローチャートである。

軸シール装置１０を構成するパーツ（リーフ２０、高圧側サイドシール板１６、及び低圧側サイドシール板１７など）が製造される（ステップＳ１）。

パーツが製造された後、高圧側サイドシール板１６の表面（対向面）に、側端部２０ｃの表面との摩擦力を低減するための摩擦低減処理が行われる（ステップＳ２）。上述のように、摩擦低減処理は、高圧側サイドシール板１６の母材の表面（対向面）に低摩擦係数の膜１８０を形成する処理を含み、例えば、めっき処理、溶射処理、及び蒸着処理の少なくとも一つを含む。

次に、リーフ２０、高圧側サイドシール板１６、及び低圧側サイドシール板１７の組立てが行われ、シールセグメント１１が製造される（ステップＳ３）。

そのシールセグメント１１が回転軸５０の周囲に配置される（ステップＳ４）。これにより、リーフ２０が回転軸５０の周囲に複数配置され、回転軸５０の周囲の空間が回転軸５０の軸方向に関して高圧空間と低圧空間との２つの空間に分けられる。また、回転軸５０の軸方向に関してリーフ２０の一側（高圧空間側）に、リーフ２０の側端部２０ｃと対向面１６１とが対向するように、高圧側サイドシール板１６が配置される。また、回転軸５０の軸方向に関してリーフ２０の他側（低圧空間側）に、リーフ２０の側端部２０ｄと対向面１７１とが対向するように、低圧側サイドシール板１７が配置される。

なお、本実施形態において、対向面１６１の全部が膜１８０で形成されてもよいし、対向面１６１の一部が膜１８０で形成され、対向面１６１の一部が高圧側サイドシール板１６の母材（鋼板）の表面でもよい。

なお、本実施形態において、側端部２０ｃの表面が、低摩擦係数の膜１８０で形成されてもよい。また、低圧側サイドシール板１７の対向面１７１が、低摩擦係数の膜１８０で形成されてもよいし、側端部２０ｄの表面が、低摩擦係数の膜１８０で形成されてもよい。また、高圧側サイドシール板１６の表面１６２が、低摩擦係数の膜１８０で形成されてもよいし、低圧側サイドシール板１７の表面１７２が、低摩擦係数の膜１８０で形成されてもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、高圧側サイドシール板１６がリーフ２０の側端部２０ｃに押し付けられても、リーフ２０及び高圧側サイドシール板１６の少なくとも一方は、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との摩擦力を低減する摩擦低減処理を施されているため、高圧側サイドシール板１６がリーフ２０の先端部２０ｂの変位（浮上）を阻止しないようにすることができる。そのため、回転軸５０の回転時において、リーフ２０の先端部２０ｃは、回転軸５０から離れるように円滑に移動して、回転軸５０と非接触状態になる。したがって、リーフ２０と回転軸５０とが接触した状態で回転軸５０が回転してしまうことが抑制され、シール性能の低下が抑制される。

また、本実施形態において、摩擦低減処理は、対向面１６１及び側端部２０ｃの表面の少なくとも一方を、低摩擦係数の膜１８０の表面とする処理であり、摩擦低減部は、低摩擦係数の膜１８０を含む。例えば、高圧側サイドシール板１６の表面にめっき処理、溶射処理、及び蒸着処理の少なくとも一つを施して潤滑性が高い膜１８０を形成することにより、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との摩擦力を低減することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

本実施形態においては、摩擦低減処理が、高圧側サイドシール板１６の対向面１６１をテクスチャリングする処理を含む例について説明する。本実施形態において、対向面１６１（高圧側サイドシール板１６）と側端部２０ｃの表面（リーフ２０）との摩擦力を低減する摩擦低減部は、対向面１６１をテクスチャリング処理することによって対向面１６１に形成される凹凸面を含む。

図１１及び図１２のそれぞれは、テクスチャリングされた後の対向面１６１の一例を示す図である。例えば、高圧側サイドシール板１６の対向面１６１に、サンドブラスト加工のようなテクスチャリング処理を施して、図１１に示すように、対向面１６１をディンプル状のマイクロレベルの凹凸面としてもよいし、図１２に示すように、対向面１６１を格子状のマイクロレベルの凹凸面としてもよい。図１１において、１つのディンプルの直径は、１μｍ以上１００μｍ以下でもよい。図１２において、１つの格子の寸法は、１μｍ以上１００μｍ以下でもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、対向面１６１をテクスチャリング処理してマイクロレベルの凹凸面とすることにより、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との接触面積が小さくなるため、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との摩擦力を低減することができる。

なお、本実施形態において、対向面１６１の全部がテクスチャリングされてもよいし、対向面１６１の一部がテクスチャリングされ、対向面１６１の一部がテクスチャリングされなくてもよい。

なお、本実施形態において、側端部２０ｃの表面が、テクスチャリングされてもよい。また、低圧側サイドシール板１７の対向面１７１が、テクスチャリングされてもよいし、側端部２０ｄの表面が、テクスチャリングされてもよい。また、高圧側サイドシール板１６の表面１６２が、テクスチャリングされてもよいし、低圧側サイドシール板１７の表面１７２が、テクスチャリングされてもよい。

＜第３実施形態＞
第３実施形態について説明する。以下の説明において、上述の実施形態と同一又は同等の構成部分については同一の符号を付し、その説明を簡略又は省略する。

本実施形態においては、摩擦低減処理が、側端部２０ｃの表面を凸面にする処理を含む例について説明する。本実施形態において、対向面１６１（高圧側サイドシール板１６）と側端部２０ｃの表面（リーフ２０）との摩擦力を低減する摩擦低減部は、側端部２０ｃの凸面を含む。

図１３は、本実施形態に係るリーフ２０及び高圧側サイドシール板１６の一例を示す模式図である。図１３に示すように、リーフ２０の側端部２０ｃが、高圧側サイドシール板１６側に膨らむ凸面でもよい。図１３に示す例において、側端部２０ｃの凸面は、曲面状である。これにより、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との接触面積が小さくなるため、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との摩擦力を低減することができる。

図１４は、本実施形態に係るリーフ２０及び高圧側サイドシール板１６の一例を示す模式図である。図１４に示すように、リーフ２０の側端部２０ｃが、高圧側サイドシール板１６から離れる凹面でもよい。図１４に示す例において、摩擦低減部は、側端部２０ｃの凹面を含む。図１４に示す例において、側端部２０ｃの凹面は、曲面状である。こうすることによっても、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との接触面積が小さくなるため、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との摩擦力を低減することができる。

図１５は、本実施形態に係るリーフ２０及び高圧側サイドシール板１６の一例を示す模式図である。図１５に示すように、リーフ２０の側端部２０ｃが、凸面及び凹面の両方を含んでもよい。図１５に示す例において、摩擦低減部は、側端部２０ｃの凸面及び凹面を含む。こうすることによっても、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との接触面積が小さくなるため、対向面１６１と側端部２０ｃの表面との摩擦力を低減することができる。

なお、本実施形態において、高圧側サイドシール板１６の対向面１６１が、凹面及び凸面の少なくとも一方を含んでもよい。また、低圧側サイドシール板１７の対向面１７１が、凹面及び凸面の少なくとも一方を含んでもよいし、側端部２０ｄの表面が、凹面及び凸面の少なくとも一方を含んでもよい。

１ ガスタービンシステム
２ 圧縮機（回転機械）
３ 燃焼器
４ タービン（回転機械）
１０ 軸シール装置
１１ シールセグメント
１２ リーフ積層体
１２ｃ 側端部
１２ｄ 側端部
１６ 高圧側サイドシール板
１７ 低圧側サイドシール板
２０ リーフ
２０ｃ 側端部
２０ｄ 側端部
５０ 回転軸
１６１ 対向面
１６２ 表面
１８０ 膜

Claims (5)

1. 回転軸の周方向に複数配置され、前記回転軸の周囲の空間を前記回転軸の軸方向に関して２つの空間に分けるリーフと、
   前記軸方向に関して前記リーフの一側に配置され、複数の前記リーフの前記一側の側端部と対向する対向面を有するサイドシール板と、を備え、
   前記サイドシール板の前記対向面は、前記対向面と前記側端部の表面との摩擦力を低減する摩擦低減部を有し、
   前記摩擦低減部は、前記対向面の全部に形成された低摩擦係数の膜を含む軸シール装置。
2. 前記摩擦低減部は、前記対向面にテクスチャリング処理で形成される請求項１に記載の軸シール装置。
3. 前記摩擦低減部は、前記側端部の表面に形成された凹面又は凸面を含む請求項１又は請求項２に記載の軸シール装置。
4. 回転軸と、
   前記回転軸の周囲に配置される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の軸シール装置と、を備える回転機械。
5. リーフ及び前記リーフの側端部と対向するように配置されるサイドシール板とを備える軸シール装置の製造方法であって、
   複数の前記リーフの前記側端部と対向する前記サイドシール板の対向面に、前記対向面と前記側端部の表面との摩擦力を低減するための摩擦低減処理を行う工程と、
   前記リーフを回転軸の周方向に複数配置して、前記回転軸の周囲の空間を前記回転軸の軸方向に関して２つの空間に分ける工程と、
   前記軸方向に関して前記リーフの一側に、前記リーフの前記一側の側端部と前記対向面とが対向するように、前記サイドシール板を配置する工程と、
   を含み、
   前記摩擦低減処理は、前記対向面の全部に低摩擦係数の膜を形成することを含む、
   軸シール装置の製造方法。

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