JP6270053B2

JP6270053B2 - 軸シール機構

Info

Publication number: JP6270053B2
Application number: JP2014253684A
Authority: JP
Inventors: 昂平尾▲崎▼; 亜積吉田; 上原　秀和; 秀和上原; 篠原　種宏; 種宏篠原; 大山　宏治; 宏治大山
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: EP3220018B1; WO2016098752A1; KR20170085551A; CN107110364B; US20170350267A1; US10190433B2; JP2016114166A; EP3220018A1; EP3220018A4; CN107110364A; KR101898830B1

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。

特開２０１３−２３８３１１号公報

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、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、薄板シール片の部分的な肉厚化を図ることにより、薄板シール片の可撓性を維持しつつ、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、前記高圧側領域と対向する前記薄板シール片の高圧側側縁部と前記シールハウジングとの間に設けられ、前記薄板シール片の内周側先端部よりも回転軸径方向外側に内周側先端部が配置される環状の高圧側プレートと、
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、前記高圧側プレートの前記内周側先端部よりも回転軸径方向外側に内周側先端部が配置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、
板厚が前記薄板シール片の板厚の中で最も厚く、外周側端部が、前記低圧側プレートの前記内周側先端部よりも回転軸径方向内側、かつ、前記高圧側プレートの前記内周側先端部よりも回転軸径方向外側に形成される肉厚部を有する
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、
前記肉厚部は、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３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、
板厚が前記薄板シール片の板厚の中で最も厚く、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る肉厚部を有し、
前記肉厚部は、回転軸径方向に間欠的に形成される
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、
前記肉厚部は、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５の発明に係る軸シール機構は、
前記肉厚部は、前記薄板シール片の上面及び下面に対して交互に形成される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る軸シール機構は、
前記肉厚部は、前記薄板シール片の内周側先端部と前記低圧側側縁部とがなす低圧側先端角部を含むように形成される
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、薄板シール片の先端側のみに肉厚部を形成して、薄板シール片の部分的な肉厚化を図ることにより、薄板シール片の基端側の剛性を変えることなく、薄板シール片における振動発生領域となる先端側の剛性のみを向上させることができる。これにより、薄板シール片の可撓性を維持しつつ、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の詳細図であって、（ａ）は薄板シール片の正面図、（ｂ）は薄板シール片の低圧側側面図である。実施例２に係る軸シール機構の詳細図であって、（ａ）は薄板シール片の正面図、（ｂ）は薄板シール片の低圧側側面図である。実施例３に係る軸シール機構の詳細図であって、（ａ）は薄板シール片の正面図、（ｂ）は薄板シール片の低圧側側面図、（ｃ）は同図（ｂ）とは別例の薄板シール片の低圧側側面図である。実施例４に係る軸シール機構の詳細図であって、薄板シール片の正面図である。

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、回転軸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（ａ），（ｂ）に示すように、薄板シール片２２には、肉厚部３１が形成されている。この肉厚部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の径方向内側に配置されている。そして、肉厚部３１の厚さは、均一な厚さとなっており、薄板シール片２２の板厚の中で最も厚くなっている。即ち、薄板シール片２２においては、肉厚部３１の板厚を、その他の部分の板厚よりも増肉させている。

従って、薄板シール片２２の先端側のみに肉厚部３１を形成して、薄板シール片２２の部分的な肉厚化を図ることにより、薄板シール片２２の基端側の剛性を変えることなく、薄板シール片２２における振動発生領域となる先端側の剛性のみを向上させることができる。これにより、薄板シール片２２の可撓性を維持しつつ、薄板シール片２２の振動を抑えることができる。

また、薄板シール片２２に肉厚部３１を形成しても、この肉厚部３１における薄板シール片２２の上面及び下面からの突出量が、それぞれ同じとなっているため、薄板シール片２２を容易に加工することができる。しかも、肉厚部３１を形成しても、上面及び下面からの突出量がそれぞれ同じになる分、薄板シール片２２の重量バランスに支障をきたすおそれが無いため、薄板シール片２２を傾斜支持して環状に組み立てる場合であっても、隣接した薄板シール片２２間の微小隙間を適切に維持しつつ、高精度な組み立てを行うことができる。

なお、上述した実施形態においては、肉厚部３１を、低圧側プレート２６の内周側先端部２６ａよりも回転軸１３の径方向内側の全体に形成しているが、図５乃至図７に示すように、肉厚部を更に部分的（局所的）に形成しても構わない。

そこで、図５（ａ），（ｂ）に示すように、薄板シール片２２には、肉厚部３２が形成されている。この肉厚部３２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、内周側先端部２２ｂ及び低圧側側縁部２２ｄに沿うように配置されている。そして、肉厚部３２の厚さは、均一な厚さとなっており、薄板シール片２２の板厚の中で最も厚くなっている。即ち、薄板シール片２２においては、肉厚部３２の板厚を、その他の部分の板厚よりも増肉させている。

また、このような肉厚部３２を設ける場合には、例えば、肉厚化を図る前の薄板シール片２２の低圧側側縁部２２ｄに沿って、肉厚部３２に対応した余肉部３２ａを予め形成しておき、この余肉部３２ａを折り返すことにより、肉厚部３２を形成しても構わない。これにより、肉厚部３２を、精度良く、且つ、容易に形成することができる。

従って、薄板シール片２２の先端側で、且つ、低圧側のみに肉厚部３２を形成して、薄板シール片２２の部分的な肉厚化を図ることにより、薄板シール片２２の基端側の剛性を変えることなく、薄板シール片２２における振動発生領域となる先端側で、且つ、低圧側の剛性のみを向上させることができる。これにより、薄板シール片２２の可撓性を維持しつつ、薄板シール片２２の振動を抑えることができる。しかも、薄板シール片２２に肉厚部３２を形成した場合には、薄板シール片２２に肉厚部３１を形成した場合と比べて、全体の可撓性を向上させることができる。

更に、図６（ａ），（ｂ）に示すように、薄板シール片２２には、複数の肉厚部３３が形成されている。これらの肉厚部３３は、低圧側プレート２６の内周側先端部２６ａよりも回転軸１３の径方向内側に配置されるだけでなく、低圧側側縁部２２ｄに沿うように、回転軸１３の径方向において間欠的に配置されている。そして、肉厚部３３の厚さは、均一な厚さとなっており、薄板シール片２２の板厚の中で最も厚くなっている。即ち、薄板シール片２２においては、肉厚部３３の板厚を、その他の部分の板厚よりも増肉させている。

また、肉厚部３３を設ける場合には、図６（ａ），（ｂ）に示すように、肉厚部３３を薄板シール片２２の下面のみに形成するだけでなく、図６（ｃ）に示すように、肉厚部３３を薄板シール片２２の上面及び下面に対して交互に形成しても構わない。

従って、薄板シール片２２の先端側で、且つ、低圧側のみに肉厚部３３を間欠的に形成して、薄板シール片２２の部分的な肉厚化を図ることにより、薄板シール片２２の基端側の剛性を変えることなく、薄板シール片２２における振動発生領域となる先端側で、且つ、低圧側の剛性のみを向上させることができる。これにより、薄板シール片２２の可撓性を維持しつつ、薄板シール片２２の振動を抑えることができる。

また更に、図７に示すように、薄板シール片２２には、肉厚部３４が形成されている。この肉厚部３４は、内周側先端部２２ｂと低圧側側縁部２２ｄとによって形成される低圧側先端角部２２ｅを跨ぐように配置されている。そして、肉厚部３４の厚さは、均一な厚さとなっており、薄板シール片２２の板厚の中で最も厚くなっている。即ち、薄板シール片２２においては、肉厚部３４の板厚を、その他の部分の板厚よりも増肉させている。

従って、薄板シール片２２の低圧側先端角部２２ｅのみに肉厚部３４を形成して、薄板シール片２２の部分的な肉厚化を図ることにより、薄板シール片２２の基端側の剛性を変えることなく、薄板シール片２２における振動が最大となる低圧側先端角部２２ｅの剛性のみを向上させることができる。これにより、薄板シール片２２の可撓性を維持しつつ、薄板シール片２２の振動を抑えることができる。しかも、薄板シール片２２の低圧側先端角部２２ｅのみに肉厚部３４を形成しているため、このような肉厚部３４を形成して剛性が向上しても、薄板シール片２２に作用する浮上力への影響を、最小限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、薄板シール片を部分的に補強して、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
２２ｅ低圧側先端角部
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
３１〜３４肉厚部
Ｇ流体
δＨ高圧側隙間
δＬ低圧側隙間

Claims

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、前記高圧側領域と対向する前記薄板シール片の高圧側側縁部と前記シールハウジングとの間に設けられ、前記薄板シール片の内周側先端部よりも回転軸径方向外側に内周側先端部が配置される環状の高圧側プレートと、
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、前記高圧側プレートの前記内周側先端部よりも回転軸径方向外側に内周側先端部が配置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、
板厚が前記薄板シール片の板厚の中で最も厚く、外周側端部が、前記低圧側プレートの前記内周側先端部よりも回転軸径方向内側、かつ、前記高圧側プレートの前記内周側先端部よりも回転軸径方向外側に形成される肉厚部を有する
ことを特徴とする軸シール機構。
請求項１に記載の軸シール機構において、
前記肉厚部は、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。
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、
板厚が前記薄板シール片の板厚の中で最も厚く、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る肉厚部を有し、
前記肉厚部は、回転軸径方向に間欠的に形成される
ことを特徴とする軸シール機構。
請求項３に記載の軸シール機構において、
前記肉厚部は、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。
請求項３又は４に記載の軸シール機構において、
前記肉厚部は、前記薄板シール片の上面及び下面に対して交互に形成される
ことを特徴とする軸シール機構。
請求項３又は４に記載の軸シール機構において、
前記肉厚部は、前記薄板シール片の内周側先端部と前記低圧側側縁部とがなす低圧側先端角部を含むように形成される
ことを特徴とする軸シール機構。