JP6245762B2 - 軸シール機構 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンやガスタービンの回転軸周りに設けられ、高圧側から低圧側に漏れる流体の漏れ量を低減させるための軸シール機構に関する。

従来から、蒸気タービンやガスタービンの回転軸周りには、駆動力の損失を抑えることを目的として、高圧側から低圧側に漏れる流体の漏れ量を低減させるための軸シール機構が設けられている。このような軸シール機構は、回転軸方向に幅寸法を有する平板状の薄板シール片を、回転軸周方向に多層に配置した環状シール構造となっている。そして、薄板シール片の外周側基端部は、環状のシールハウジングに固定される一方、薄板シール片の内周側先端部は、回転軸の外周面に所定の予圧で摺接している。これにより、軸シール機構においては、回転軸の径方向外側に環状に配置した多数の薄板シール片を境にして、回転軸の周囲空間を、高圧側領域と低圧側領域とに仕切ることができる。

よって、回転軸の回転が停止しているときには、薄板シール片の内周側先端部が、回転軸の外周面に所定の予圧で接触する。一方、回転軸が回転しているときには、薄板シール片の上下面間における圧力分布の相対的な位置ずれによる圧力差と、回転軸の回転によって生じる流体の動圧効果とによって、薄板シール片が撓むことにより、それらの内周側先端部が、回転軸の外周面から浮上して、非接触となる。これにより、薄板シール片や回転軸の摩耗及び発熱を防止している。なお、薄板シール片においては、回転軸に面した面を下面とし、その下面の反対側の面を上面としている。

そして、このような、従来の軸シール機構としては、例えば、特許文献１に開示されている。

米国特許出願公開第２０１２／０００７３１８号明細書

ここで、回転軸が回転すると、流体が各薄板シール片間を通過するため、その流体の圧力が各薄板シール片に作用する。しかしながら、各薄板シール片の板厚寸法におけるばらつき度合よっては、各薄板シール片間を通過する流体の圧力が不均一となり、薄板シール片の上面及び下面に作用する圧力に差が生じてしまう。

このように、薄板シール片の上面及び下面に作用する流体の圧力に差が生じると、上述したように、薄板シール片の内周側先端部は自由端となるため、当該薄板シール片の先端側に振動が発生し易くなる。特に、薄板シール片の先端側部分の中でも、流体が薄板シール片から低圧側領域に抜け出る部分となる低圧側部分においては、流体の流れが渦流となるため、大きな振動が発生し易くなり、場合によっては、薄板シール片が破損してしまうおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、各薄板シール片間を流れる流体の圧力の均一化を図ることにより、薄板シール片の上面及び下面に作用する流体の圧力差を解消して、薄板シール片の振動を抑えることができる軸シール機構を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る軸シール機構は、
固定部と回転軸との間に形成される環状空間内に設けられることにより、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域とに仕切って、前記環状空間内を前記高圧側領域から前記低圧側領域に向けて回転軸方向に流れる流体を阻止するようにした軸シール機構において、
前記固定部の内周部に設けられる環状のシールハウジングと、
外周側基端部が前記シールハウジングに固定される一方、内周側先端部が前記回転軸の外周面と鋭角をなすように自由端となると共に、回転軸方向に幅寸法を有して、回転軸周方向に環状に積層される複数の薄板シール片と、
前記低圧側領域と対向する前記薄板シール片の低圧側側縁部と前記シールハウジングとの間において回転軸方向に隙間が形成されるように、前記低圧側側縁部と前記シールハウジングとの間に挟持される環状の低圧側プレートとを備え、
前記薄板シール片は、
前記低圧側プレートの内周側先端部よりも回転軸径方向内側に形成され、前記薄板シール片の上面側を流れる流体及び前記薄板シール片の下面側を流れる流体を流通可能とする導圧孔を有し、
前記導圧孔は、前記低圧側側縁部に沿うように形成される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る軸シール機構は、
固定部と回転軸との間に形成される環状空間内に設けられることにより、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域とに仕切って、前記環状空間内を前記高圧側領域から前記低圧側領域に向けて回転軸方向に流れる流体を阻止するようにした軸シール機構において、
前記固定部の内周部に設けられる環状のシールハウジングと、
外周側基端部が前記シールハウジングに固定される一方、内周側先端部が前記回転軸の外周面と鋭角をなすように自由端となると共に、回転軸方向に幅寸法を有して、回転軸周方向に環状に積層される複数の薄板シール片と、
前記低圧側領域と対向する前記薄板シール片の低圧側側縁部と前記シールハウジングとの間において回転軸方向に隙間が形成されるように、前記低圧側側縁部と前記シールハウジングとの間に挟持される環状の低圧側プレートとを備え、
前記薄板シール片は、
前記低圧側プレートの内周側先端部よりも回転軸径方向内側に形成され、前記薄板シール片の上面側を流れる流体及び前記薄板シール片の下面側を流れる流体を流通可能とする導圧孔を有し、
前記導圧孔を有していない薄板シール片を、回転軸周方向において間欠的に配置する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る軸シール機構は、
前記導圧孔は、前記薄板シール片の内周側先端部に沿うように形成される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る軸シール機構は、
回転軸周方向に隣接する前記薄板シール片に形成された前記導圧孔同士の孔位置を、ずらす
ことを特徴とする。

従って、本発明に係る軸シール機構によれば、薄板シール片における振動発生領域となる先端側のみに導圧孔を形成して、各薄板シール片間を流れる流体の圧力の均一化を図ることにより、薄板シール片の上面及び下面に作用する流体の圧力差を解消することができるので、薄板シール片の振動を抑えることができる。

本発明に係る軸シール機構の概略構成図である。 本発明に係る軸シール機構の軸方向断面図である。 薄板シール片の支持構造を分解した状態の図である。 実施例１に係る軸シール機構における薄板シール片の正面図である。 実施例２に係る軸シール機構における薄板シール片の正面図である。 薄板シール片の配列形態の一例を示した図である。 薄板シール片の配列状態の他の例を示した図である。

本発明に係る軸シール機構について、図面を用いて詳細に説明する。

図１に示すように、本発明に係る軸シール機構１１は、例えば、蒸気タービンやガスタービンに適用されるものであって、車室ケーシングや静翼等の固定部（静止部）１２と回転軸１３との間に形成される環状空間１４内に設けられている。

具体的に、図１及び図２に示すように、固定部１２の内周部には、軸シール機構１１の外殻をなすシールハウジング２１が、回転軸１３の周方向に沿うように、環状に設けられている。更に、シールハウジング２１の内周部には、環状溝２１ａが形成されており、この環状溝２１ａ内には、多数の薄板シール片２２が、回転軸１３の周方向に沿うように配置されている。

そして、薄板シール片２２の外周側基端部２２ａは、環状溝２１ａ内に固定される一方、薄板シール片２２の内周側先端部２２ｂは、回転軸１３の外周面に所定の予圧で摺接している。このとき、薄板シール片２２は、自由端となる内周側先端部２２ｂが、回転軸１３の外周面に対して回転方向への傾きを持って、当該外周面となす角が鋭角となるように、配置されている。なお、傾斜支持された薄板シール片２２においては、回転軸１３に面した面を下面とし、その下面の反対側の面を上面とする。

即ち、固定部１２と回転軸１３との間に形成される環状空間１４内には、蒸気や燃焼ガス等の流体Ｇが、高圧側から低圧側に向って、回転時１３の軸方向に流れている。これに対して、軸シール機構１１は、薄板シール片２２を回転軸１３の周方向に多層に配置した環状シール構造となっており、その環状に配置した多数の薄板シール片２２を境にして、環状空間１４を、流体流れ方向上流側となる高圧側領域と、流体流れ方向下流側となる低圧側領域とに仕切ることによって、その高圧側領域から低圧側領域に漏れる流体Ｇの漏れ量を低減させるものとなっている。

ここで、図２及び図３に示すように、薄板シール片２２は、可撓性を有する可撓性材料で、且つ、回転軸１３の軸方向に幅寸法を有する平板状に形成されている。詳細には、薄板シール片２２は、基端側（外周側基端部２２ａ）の板幅が先端側（内周側先端部２２ｂ）の板幅よりも幅広となるＴ字形をなすと共に、可撓性を発揮できる程度に薄肉化されており、回転軸１３の周方向に一定量の微小隙間を有して、環状に配置されている。

そして、薄板シール片２２の基端側は、薄板シール片２２の環状配置を保持するための左右一対のリテーナ２３，２４によって、板幅方向両側から囲むように挟持されている。更に、リテーナ２３，２４は、シールハウジング２１の環状溝２１ａ内に嵌め込まれている。

また、薄板シール片２２の高圧側及び低圧側には、流体Ｇのガイド板となる高圧側プレート２５及び低圧側プレート２６が設けられている。

具体的に、薄板シール片２２における高圧側領域と対向する左側部（図２，３の紙面左側に位置する側部）には、環状の高圧側プレート２５が配置されている。この高圧側プレート２５は、薄板シール片２２における高圧側領域と対向する高圧側側縁部２２ｃに隣接して設けられており、その高圧側側縁部２２ｃとリテーナ２３との間に挟持されている。

このとき、高圧側プレート２５の内周側先端部２５ａは、環状溝２１ａの開口縁部まで延びているものの、薄板シール片２２の内周側先端部２２ｂには達していない。更に、環状溝２１ａにおける高圧側領域と対向する高圧側側面２１ｂと、高圧側プレート２５との間には、回転軸１３の軸方向（流体流れ方向、シール片板幅方向）において、一定量の高圧側隙間δＨが形成されている。

このように、高圧側プレート２５を設けることにより、薄板シール片２２の内周側先端部２２ｂが、その高圧側プレート２５の内周側先端部２５ａよりも、回転軸１３の径方向内側に配置されるため、高圧側領域から流れ込んできた流体Ｇは、薄板シール片２２の先端側から流入する。

一方、薄板シール片２２における低圧側領域と対向する右側部（図２，３の紙面右側に位置する側部）には、環状の低圧側プレート２６が配置されている。この低圧側プレート２６は、薄板シール片２２における低圧側領域と対向する低圧側側縁部２２ｄに隣接して設けられており、その低圧側側縁部２２ｄと、リテーナ２４及び環状溝２１ａにおける低圧側領域と対向する低圧側側面２１ｃとの間に挟持されている。

このとき、低圧側プレート２６の内周側先端部２６ａは、環状溝２１ａの開口縁部及び薄板シール片２２の内周側先端部２２ｂには達しておらず、高圧側プレート２５の内周側先端部２５ａよりも回転軸１３の径方向外側に配置されている。即ち、低圧側プレート２６の長さは、高圧側プレート２５の長さよりも短くなっている。更に、環状溝２１ａの低圧側側面２１ｃと低圧側側縁部２２ｄとの間には、回転軸１３の軸方向において、一定量の低圧側隙間δＬが形成されている。

このように、低圧側プレート２６を設けることにより、低圧側側面２１ｃと低圧側側縁部２２ｄとの間に、低圧側隙間δＬを形成することができる。そして、低圧側隙間δＬは、低圧側プレート２６の板厚によって形成されるため、その低圧側プレート２６の板厚を調整することにより、低圧側隙間δＬの隙間量を設定することができる。

また、高圧側隙間δＨ及び低圧側隙間δＬの隙間量に応じて、薄板シール片２２の上面及び下面に形成される流体Ｇによる圧力分布を設定することができる。更に、高圧側隙間δＨの隙間量と低圧側隙間δＬの隙間量との大小関係に応じて、薄板シール片２２の上下面間における圧力分布の相対的な位置ずれによる圧力差の大きさ（浮上力）を、設定することができる。

なお、本発明に係る軸シール機構１１においては、低圧側プレート２６の内周側先端部２６ａと回転軸１３の外周面との間における径方向隙間量を、高圧側プレート２５の内周側先端部２５ａと回転軸１３の外周面との間における径方向隙間量よりも、大きくすることにより、安定した浮上力を得るようにしている。

以上より、回転軸１３の回転が停止しているときには、薄板シール片２２の内周側先端部２２ｂが、回転軸１３の外周面に所定の予圧で接触する。一方、回転軸１３が回転しているときには、薄板シール片２２の上下面間における圧力分布の相対的な位置ずれによる圧力差と、回転軸１３の回転によって生じる流体Ｇの動圧効果とよって、薄板シール片２２に対して浮上力が作用する。これにより、薄板シール片２２が撓んで、それらの内周側先端部２２ｂが、回転軸１３の外周面から浮上して非接触となり、回転軸１３や薄板シール片２２の摩耗及び発熱が防止される。これと同時に、回転軸１３に対して非接触状態となった薄板シール片２２によって、高圧側領域から低圧側領域に向けて流れる流体Ｇの漏れ量が低減される。

ここで、図４に示すように、薄板シール片２２には、複数の導圧孔３１が形成されている。これらの導圧孔３１は、薄板シール片２２において、上面と下面との間を貫通する貫通孔となっており、低圧側プレート２６の内周側先端部２６ａよりも回転軸１３の径方向内側で、且つ、回転軸１３の軸方向において内周側先端部２２ｂに沿うように配置されている。このように、薄板シール片２２に導圧孔３１を開口することにより、上面側を流れる流体Ｇと、下面側を流れる流体Ｇとを、その導圧孔３１を介して、往来させることができる。即ち、上面に沿って流れる流体Ｇの圧力と、下面に沿って流れる流体Ｇの圧力とを比較して、圧力が高い流体Ｇが、導圧孔３１を通過して、圧力が低い流体Ｇ側に流れ込み、最終的に、双方の圧力が等しくなる。よって、各薄板シール片２２間（各微小隙間）を流れる流体Ｇの圧力は、均一となる。

従って、薄板シール片２２に、その板厚方向に貫く導圧孔３１を形成することにより、各薄板シール片２２間を流れる流体Ｇの圧力を均一にすることができる。これにより、薄板シール片２２の上面及び下面に作用する流体の圧力差を解消することができるので、薄板シール片２２の振動を抑えることができる。このとき、薄板シール片２２における振動発生領域となる先端側のみに、導圧孔３１を形成させているため、上面及び下面における導圧孔３１よりも回転軸１３の径方向外側の部分においては、適正な圧力分布を得ることができ、薄板シール片２２の全体として、浮上を安定的に行うことができる。

また、図５に示すように、導圧孔３１を薄板シール片２２に形成しても構わない。これらの導圧孔３１は、低圧側プレート２６の内周側先端部２６ａよりも回転軸１３の径方向内側で、且つ、回転軸１３の径方向において低圧側側縁部２２ｄに沿うように配置されている。このように、薄板シール片２２における振動が最も大きくなる低圧側のみに、導圧孔３１を集中的に形成することにより、薄板シール片２２の振動を効率的に抑えることができる。

なお、導圧孔３１を薄板シール片２２に形成する場合には、隣接した薄板シール片２２間において、それぞれに形成した導圧孔３１の孔位置を、ずらすようにしている。隣接した薄板シール片２２間において、導圧孔３１の孔位置が同じ位置になると、その孔位置が同じ位置となる導圧孔２１によって、環状導圧通路が回転軸１３の周方向に沿うように形成されてしまい、場合によっては、流体Ｇがその環状導圧通路内を勢い良く流れてしまう。この結果、各薄板シール片２２間を流れる流体Ｇの圧力を、均一にすることができないおそれがある。

具体的に、図６に示すように、軸シール機構１１には、導圧孔３１ａが形成された薄板シール片２２Ａと、導圧孔３１ｂが形成された薄板シール片２２Ｂとが配列されており、これらの薄板シール片２２Ａ，２２Ｂは、交互に配置されている。このとき、導圧孔３１ａは、内周側先端部２２ｂの中央部付近に配置されている。一方、導圧孔３１ｂは、内周側先端部２２ｂの低圧側付近で、且つ、導圧孔３１ａよりも回転軸１３の径方向外側に配置されている。即ち、導圧孔３１ａの孔位置と、導圧孔３１ｂの孔位置とは、孔開口部が重ならないように、回転軸１３の軸方向及び周方向にずれている。また、孔位置をずらす場合には、導圧孔３１ａ，３１ｂの形状や大きさにもよるが、導圧孔３１ａ，３１ｂの大きさの半分以上となる間隔で、孔位置をずらすことが望ましい。

仮に、導圧孔３１の孔位置を全て同じ位置にする場合には、例えば、環状に配置された複数の薄板シール片２２において、導圧孔３１が形成されていない薄板シール片２２を、１枚おきに設けたり、複数枚おきに設けたりして、間欠的に配置すれば良い。

具体的に、図７に示すように、軸シール機構１１には、導圧孔３１ａが形成された薄板シール片２２Ａと、導圧孔が形成されていない薄板シール片２２Ｃとが配列されており、薄板シール片２２Ｃは、薄板シール片２２Ａの３枚おきに配置されている。これにより、回転軸１３の周方向に沿って連続配置された３枚の薄板シール片２２Ａにおいて、導圧孔３１ａの孔位置が同じ位置となり、環状導圧通路が形成されるものの、環状導圧通路としては短いものとなる。従って、流体Ｇがその環状導圧通路内を流れたとしても、その流れは、各薄板シール片２２Ａ間を流れる流体Ｇの圧力の均一化に対して、殆ど影響を及ぼすことは無い。

更に、導圧孔３１を薄板シール片２２に形成する場合には、数量、内径、孔位置、孔形状等を適宜調整すれば、薄板シール片２２に対して、安定した浮上力を与えつつ、その薄板シール片２２の振動を効率的に抑えることができる。

本発明に係る軸シール機構においては、薄板シール片間における流体の流れ方向を制御して、シール寿命の延長化を図ることができるため、タービンの連続運転において、極めて有益に利用することができる。

１１ 軸シール機構
１２ 固定部
１３ 回転軸
１４ 環状空間
２１ シールハウジング
２１ａ 環状溝
２１ｂ 高圧側側面
２１ｃ 低圧側側面
２２，２２Ａ〜２２Ｃ 薄板シール片
２２ａ 外周側基端部
２２ｂ 内周側基端部
２２ｃ 高圧側側縁部
２２ｄ 低圧側側縁部
２３，２４ リテーナ
２５ 高圧側プレート
２５ａ 内周側先端部
２６ 低圧側プレート
２６ａ 内周側先端部
３１，３１ａ，３１ｂ 導圧孔
Ｇ 流体
δＨ 高圧側隙間
δＬ 低圧側隙間

Claims (4)

1. 固定部と回転軸との間に形成される環状空間内に設けられることにより、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域とに仕切って、前記環状空間内を前記高圧側領域から前記低圧側領域に向けて回転軸方向に流れる流体を阻止するようにした軸シール機構において、
   前記固定部の内周部に設けられる環状のシールハウジングと、
   外周側基端部が前記シールハウジングに固定される一方、内周側先端部が前記回転軸の外周面と鋭角をなすように自由端となると共に、回転軸方向に幅寸法を有して、回転軸周方向に環状に積層される複数の薄板シール片と、
   前記低圧側領域と対向する前記薄板シール片の低圧側側縁部と前記シールハウジングとの間において回転軸方向に隙間が形成されるように、前記低圧側側縁部と前記シールハウジングとの間に挟持される環状の低圧側プレートとを備え、
   前記薄板シール片は、
   前記低圧側プレートの内周側先端部よりも回転軸径方向内側に形成され、前記薄板シール片の上面側を流れる流体及び前記薄板シール片の下面側を流れる流体を流通可能とする導圧孔を有し、
   前記導圧孔は、前記低圧側側縁部に沿うように形成される
   ことを特徴とする軸シール機構。
2. 固定部と回転軸との間に形成される環状空間内に設けられることにより、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域とに仕切って、前記環状空間内を前記高圧側領域から前記低圧側領域に向けて回転軸方向に流れる流体を阻止するようにした軸シール機構において、
   前記固定部の内周部に設けられる環状のシールハウジングと、
   外周側基端部が前記シールハウジングに固定される一方、内周側先端部が前記回転軸の外周面と鋭角をなすように自由端となると共に、回転軸方向に幅寸法を有して、回転軸周方向に環状に積層される複数の薄板シール片と、
   前記低圧側領域と対向する前記薄板シール片の低圧側側縁部と前記シールハウジングとの間において回転軸方向に隙間が形成されるように、前記低圧側側縁部と前記シールハウジングとの間に挟持される環状の低圧側プレートとを備え、
   前記薄板シール片は、
   前記低圧側プレートの内周側先端部よりも回転軸径方向内側に形成され、前記薄板シール片の上面側を流れる流体及び前記薄板シール片の下面側を流れる流体を流通可能とする導圧孔を有し、
   前記導圧孔を有していない薄板シール片を、回転軸周方向において間欠的に配置する
   ことを特徴とする軸シール機構。
3. 請求項２に記載の軸シール機構において、
   前記導圧孔は、前記薄板シール片の内周側先端部に沿うように形成される
   ことを特徴とする軸シール機構。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の軸シール機構において、
   回転軸周方向に隣接する前記薄板シール片に形成された前記導圧孔同士の孔位置を、ずらす
   ことを特徴とする軸シール機構。

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