JP7456073B2 - 軸シール装置及び回転機械 - Google Patents

Description

本開示は、軸シール装置及び回転機械に関する。
本願は、２０２１年７月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０２１－１２６３０９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

一般的に、ガスタービンや蒸気タービン等には、回転軸の軸周りに、高圧側から低圧側に漏れるガスの漏れ量を低減するための軸シール装置が設けられている。軸シール装置の一例としては、リーフシール（登録商標）なるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５－２９９５号公報

リーフシールは、例えばラビリンスシール等と比較して漏れ量を低減できる。また、リーフシールは、回転機械の定格運転時にはリーフ先端が相手部材と非接触となるため、寿命が比較的長い。しかし、リーフシールは、構成する部品の数が多く、コストが高くなりがちである。

本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、軸シール装置のコストを低減することを目的とする。

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る軸シール装置は、
回転軸の周方向に複数配置され、前記回転軸の軸方向に幅を有する複数の薄板と、
前記複数の薄板を取り付けるためのシール取付溝を含むシールリングと、
を備え、
前記シール取付溝の前記軸方向の一方側の内壁は、前記回転軸の径方向内側の領域において、前記周方向に沿って形成された溝を有する。

（２）本開示の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
前記回転軸と、
請求項１乃至８の何れか一項に記載の軸シール装置と、
を備える。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、軸シール装置のコストを低減できる。

一実施形態に係る回転機械を備えたガスタービンシステムの一例を示す模式図である。 本実施の形態に係る軸シール装置の概略を示す断面模式図である。 一実施形態に係る軸シール装置の概略を示す断面模式図である。 他の実施形態に係る軸シール装置の概略を示す断面模式図である。 図３のＶ－Ｖ矢視に相当する断面図である。 図５のＶＩ－ＶＩ矢視断面図であり、溝の一例を示している。 図５のＶＩ－ＶＩ矢視断面図であり、溝の他の一例を示している。 複数のリーフを備える従来の軸シール装置の概略を示す断面模式図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示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、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

本開示の軸シール装置、及びこれを用いた回転機械の一実施形態を、図面を参照しながら以下に説明するが、本開示がこれのみに限定解釈されるものでないことは、もちろんである。また、本実施形態では、本開示が適用される回転機械が、ガスタービンシステムのタービンや圧縮機である場合を例として説明するが、蒸気タービン、水車、冷凍機、ポンプ、航空機用ガスタービンエンジンなど、その他の回転機械の回転軸等にも適用可能である。
なお、各実施の形態において共通する構成要素には同一の符号を付し、説明の重複を避ける。

図１は、一実施形態に係る回転機械を備えたガスタービンシステム１の一例を示す模式図である。図１に示すように、このガスタービンシステム１は、空気Ｇ１を圧縮して圧縮空気Ｇ２とする圧縮機（回転機械）２と、圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ｇ２に燃料を供給して混合して燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３で燃焼された燃焼ガスＧ３が供給されるタービン（回転機械）４と、圧縮機２内に配置された回転軸５１とタービン４内に配置された回転軸５２とを接続する回転軸５０を有するロータ５とを備える。

圧縮機２は、内部空間に空気Ｇ１が導入されるケーシング２Ｋを有する。圧縮機２は、ケーシング２Ｋの内部空間に導入された空気を圧縮して圧縮空気Ｇ２とする。圧縮機２には、回転軸５０を回転可能に支持する軸受を有する支持部２Ｓが設けられている。

タービン４は、内部空間に燃焼ガスＧ３が導入されるケーシング４Ｋを有する。タービン４は、燃焼器３で発生した燃焼ガスＧ３をケーシング４Ｋの内部空間に導入して膨張させて、燃焼ガスＧ３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には、回転軸５０を回転可能に支持する軸受を有する支持部４Ｓが設けられている。

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

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の静翼２Ａと回転軸５１に設けられた動翼５１Ａとは、回転軸５０の軸線ＡＸの軸線方向と平行な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の静翼４Ａと回転軸５２に設けられた動翼５２Ａとは、回転軸５０の軸方向に交互に複数配置される。

また、ガスタービンシステム１は、圧縮機２のケーシング２Ｋ内の静翼２Ａの内周部に配置され、回転軸５１の周囲をシールする軸シール装置１０と、タービン４のケーシング４Ｋ内に配置された回転軸５２の周囲をシールする軸シール装置１０と、を備える。圧縮機２に配置される軸シール装置１０は、作動流体である圧縮空気Ｇ２が高圧空間側から低圧空間側に漏出することを抑制する。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、作動流体である燃焼ガスＧ３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。

ガスタービンシステム１においては、燃焼器３から導入された燃焼ガスＧ３がタービン４内の動翼５２Ａに供給される。これにより、燃焼ガスＧ３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。

次に、図２を参照して本実施の形態に係る軸シール装置１０について説明する。
図２は、本実施の形態に係る軸シール装置１０の概略を示す断面模式図である。
なお、図２においては、図１のＩＩ－ＩＩ矢視に相当する断面図であり、シールセグメント１１だけを示している。
図３は、一実施形態に係る軸シール装置１０の概略を示す断面模式図であり、回転軸５２の軸線ＡＸを含む断面について示している。
図４は、他の実施形態に係る軸シール装置１０の概略を示す断面模式図であり、回転軸５２の軸線ＡＸを含む断面について示している。

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。なお、圧縮機２に設けられた軸シール装置１０の構成は、タービン４に設けられた軸シール装置１０の構成と同様である。

図２に示すように、軸シール装置１０は、回転軸５２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。各シールセグメント１１は、軸線ＡＸと直交する平面内において円弧状の形状を有している。本実施の形態においては、シールセグメント１１は、回転軸５０の周囲に例えば８つ配置される。周方向で隣り合う２つのシールセグメント１１の一方を第１セグメント１１Ａとも称し、他方を第２セグメント１１Ｂとも称する。

各シールセグメント１１は、回転軸５２の周囲に配置される複数のリーフ（薄板）２０と、高圧側の側板４１と、複数のリーフ２０を取り付けるためのシール取付溝３１を含むシールリング３０と、を備える。
なお、後で詳述するように、図４に示す他の実施形態に係る軸シール装置１０では、シールリング３０は、低圧側シールリング（第１部材）３０１と、高圧側シールリング（第２部材）３０２とに分割されている。

図３に示す一実施形態に係る軸シール装置１０では、各シールセグメント１１は、コイルバネ４３と、押えボルト４５とを備える。
図４に示す他の実施形態に係る軸シール装置１０では、各シールセグメント１１は、シム４７と、締結ボルト４８とを備える。締結ボルト４８は、低圧側シールリング３０１と高圧側シールリング３０２とを結合して一体化するためのボルトである。

図３及び図４に示すように、本実施の形態では、シールセグメント１１は、静翼４Ａに相当するハウジング９の凹部９ａに挿入され、少なくとも一部がハウジング９の凹部９ａに配置される。凹部９ａは、径方向Ｄ３の内側に開口９ｋを有する。凹部９ａは、回転軸５２の周方向Ｄ２に延在する。凹部９ａの外側に、リーフ２０の一部が突出する。なお、ハウジング９は、静翼２Ａ、支持部２Ｓ、及び支持部４Ｓにもそれぞれ設けられている。

（リーフ２０）
本実施の形態では、複数のリーフ２０のそれぞれは、回転軸５２の周方向Ｄ２における可撓性を有する板状部材であり、弾性変形可能である。本実施の形態においては、リーフ２０は、薄い鋼板である。リーフ２０の幅方向は、回転軸５２の軸方向Ｄ１と略一致する。リーフ２０の表面の法線は、回転軸５２の軸線ＡＸに対して直交する方向であって、周方向Ｄ２及び回転軸５２の径方向Ｄ３に対して傾いた方向に延在する。すなわち、リーフ２０の厚さ方向は、回転軸５２の軸線ＡＸに対して直交する方向であって、周方向Ｄ２及び回転軸５２の径方向Ｄ３に対して傾いた方向に延在する。
より具体的には、リーフ２０は、径方向Ｄ３の内側に向かうにつれて、回転軸５２の回転方向下流側に向かうように傾斜している。
なお、図２において、周方向Ｄ２を表す矢印の向きは、回転軸５２の回転方向を表している。
このような構成により、リーフ２０は、回転軸５２の軸方向Ｄ１に比較的高い剛性を有する。

本実施の形態では、リーフ２０は、回転軸５２の周方向Ｄ２に間隔をあけて複数配置される。リーフ２０と、当該リーフ２０に隣り合うリーフ２０との間に隙間Ｓが形成される（図２参照）。複数のリーフ２０によって複数のリーフ２０の集合体（積層体）であるリーフ積層体１２が形成される。

本実施の形態では、複数のリーフ２０からなるリーフ積層体１２は、回転軸５２の周囲をシールすることによって、回転軸５２の周囲の空間を回転軸５２の軸方向Ｄ１において２つの空間に区分する。本実施の形態においては、リーフ積層体１２は、回転軸５２の周囲の空間を高圧空間（高圧側領域）と当該高圧空間よりも相対的に圧力が低い低圧空間（低圧側領域）とに区分する。

本実施の形態では、複数のリーフ２０は、回転軸５２の軸線ＡＸに対して直交する径方向Ｄ３における外側の基端部（外側端部）２０ａと、内側の先端部（内側端部）２０ｂと、回転軸５２の軸方向の両側縁の内の高圧空間に近い側縁である側端部２０ｃと、該両側縁の内の低圧空間に近い側縁である側端部２０ｄとをそれぞれ有する。

以下の説明においては、複数のリーフ２０の基端部２０ａを合わせてリーフ積層体１２の基端部１２ａともいい、複数のリーフ２０の先端部２０ｂを合わせてリーフ積層体１２の先端部１２ｂともいい、複数のリーフ２０の側端部２０ｃを合わせてリーフ積層体１２の側端部１２ｃともいい、複数のリーフ２０の側端部２０ｄを合わせてリーフ積層体１２の側端部１２ｄともいう。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、回転軸５２の径方向Ｄ３における外側に向けられる。先端部１２ｂは、回転軸５２の外周面５２ａと対向するように、回転軸５２の径方向Ｄ３における内側に向けられる。また、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。なお、先端部１２ｂ（先端部２０ｂ）は、後で詳述するシール取付溝３１の外側に配置される。側端部１２ｃは、回転軸５２の軸方向Ｄ１における他方側である高圧空間に向かって向けられる。側端部１２ｄは、回転軸５２の軸方向Ｄ１における一方側である低圧空間に向かって向けられる。

本実施の形態においては、複数のリーフ２０の基端部２０ａは、後述するようにシールリング３０に固定されて固定端となる。また、複数のリーフ２０の先端部２０ｂは、それぞれ固定されない自由端となる。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シールリング３０に保持される。

リーフ２０は、基端部２０ａが設けられる頭部２１と、先端部２０ｂ、側端部２０ｃ、及び側端部２０ｄが設けられ、弾性変形可能な胴部２２とを有する。回転軸５２の軸方向Ｄ１であるリーフ２０の幅方向における胴部２２の寸法は、頭部２１の寸法よりも小さい。リーフ２０の厚さ方向における胴部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が設けられている。頭部２１は、切欠部２０ｘ及び切欠部２０ｙより基端部２０ａ側がそれぞれ幅方向に突出している。本実施の形態においては、複数のリーフ２０は、頭部２１の径方向Ｄ３の外側の端部（基端部２０ａ）と、頭部２１の軸方向Ｄ１の側端部２１ｃ及び側端部２１ｄとにおいて溶接により互いに接続されている。

（側板４１）
本実施の形態では、側板４１は、周方向Ｄ２に延在する円弧状の薄板である。側板４１の表面の法線は、軸方向Ｄ１に延在する。すなわち、側板４１の厚さ方向は、回転軸５２の軸方向Ｄ１と略一致する。側板４１は、各シールセグメント１１において、シールセグメント１１の周方向Ｄ２の一方側の端部から他方側の端部まで周方向Ｄ２に延在する。
側板４１は、シール取付溝３１内でリーフ２０の高圧側空間を向いている側端部２０ｃの隣に配置されている。側板４１は、軸方向Ｄ１の一方側（低圧空間側）の表面がリーフ２０の高圧側空間を向いている側端部２０ｃと対向している。

（シールリング３０）
本実施の形態では、シールリング３０は、ハウジング９に支持され、リーフ積層体１２を保持する。ハウジング９は、凹部９ａの内側にシールリング３０を保持する保持部９ｓを有する。シールリング３０は、保持部９ｓに保持される。

図３に示す一実施形態に係る軸シール装置１０では、シールリング３０は、一体的に形成された１つの部材である。
図４に示す他の実施形態に係る軸シール装置１０では、シールリング３０は、低圧側シールリング（第１部材）３０１と、高圧側シールリング（第２部材）３０２との２つの部材を含んでいる。図４に示す他の実施形態に係る軸シール装置１０では、上述したように、低圧側シールリング３０１と高圧側シールリング３０２とは、締結ボルト４８によって結合され、一体的に固定されている。

図３及び図４に示すシールリング３０には、複数のリーフ２０を取り付けるためのシール取付溝３１が形成されている。シール取付溝３１は、リーフ２０の頭部２１が配置される第１溝部３３と、リーフ２０の胴部２２が配置される第２溝部３４とを有する。
第１溝部３３の軸方向Ｄ１の寸法は、第２溝部３４の軸方向Ｄ１の寸法よりも大きい。そのため、第１溝部３３と第２溝部３４との境界部には、段差部３５が存在する。段差部３５における径方向Ｄ３外側を向いた面３５ａと、リーフ２０の頭部２１における径方向Ｄ３の内側の端部２１ｅとが当接することで、シールリング３０に対するリーフ２０の径方向Ｄ３内側への移動が規制される。

図３に示す実施形態では、シールリング３０における第１溝部３３の径方向Ｄ３の外側の領域には、押えボルト４５が取り付けられている。押えボルト４５は、リーフ２０の頭部２１を径方向Ｄ３の内側に付勢するためのコイルバネ４３を径方向Ｄ３の外側から押圧してコイルバネ４３に圧縮力を与えるためのものである。
これにより、図３に示す実施形態では、リーフ２０の頭部２１は、径方向Ｄ３の内側に向かって付勢される。

図４に示す実施形態では、シールリング３０は、第１溝部３３における軸方向Ｄ１の一方側（低圧空間側）の内壁３３ａと、他方側（高圧空間側）の内壁３３ｂとの間で、双方の内壁３３ａ、３３ｂとの軸方向Ｄ１の中間位置よりも他方側（高圧空間側）の位置において、低圧側シールリング３０１と、高圧側シールリング３０２とに分割されている。なお、図４に示す実施形態では、低圧側シールリング３０１と高圧側シールリング３０２との分割位置３０３（低圧側シールリング３０１と高圧側シールリング３０２との当接位置）は、リーフ２０の軸方向Ｄ１の中心位置よりも軸方向Ｄ１の一方側の内壁３３ａの近傍である。

図４に示す実施形態では、シールリング３０における第１溝部３３の径方向Ｄ３の外側の領域、すなわち、低圧側シールリング３０１における第１溝部３３の径方向Ｄ３の外側の領域には、シム４７が配置されている。シム４７は、第１溝部３３において径方向Ｄ３内側を向いた内壁３３ｃと、リーフ２０の基端部２０ａとの間の隙間に配置される。シム４７は、段差部３５の面３５ａとリーフ２０の頭部２１の端部２１ｅとが径方向Ｄ３に離間しないようにリーフ２０の頭部２１を固定するための部材である。
これにより、図４に示す実施形態では、リーフ２０の頭部２１は、径方向Ｄ３の外側への移動が規制される。
なお、図４に示す他の実施形態に係る軸シール装置１０において、シム４７に代えてコイルバネ４３を備えていてもよい。

図３及び図４に示すシールリング３０では、シール取付溝３１の第２溝部３４における軸方向Ｄ１の一方側（低圧空間側）の内壁３４ａと、他方側（高圧空間側）の内壁３４ｂとは、軸方向Ｄ１に沿って離間して対向している。
なお、図４に示す実施形態では、軸方向Ｄ１の一方側の内壁３４ａは低圧側シールリング３０１に形成されており、他方側の内壁３４ｂは、高圧側シールリング３０２に形成されている。

図３及び図４に示すシールリング３０では、タービン４の運転中は、燃焼ガスＧ３の高圧空間における圧力と低圧空間における圧力との差によって、リーフ２０及び側板４１が低圧空間側に付勢される。そのため、タービン４の運転中は、リーフ２０の側端部２０ｄは、内壁３４ａに押し付けられることとなる。
なお、タービン４の運転中は、側板４１における高圧側空間を向いた表面と、シール取付溝３１の内壁３４ｂとの間に隙間が生じる。

図７は、複数のリーフ２０を備える従来の軸シール装置の概略を示す断面模式図であり、回転軸５２の軸線ＡＸを含む断面について示している。
図７に示した従来の軸シール装置１０Ｘは、上述した本実施の形態に係る軸シール装置１０と同様に、回転軸５２の周囲に配置される複数のシールセグメントを有する。
図７に示した従来の軸シール装置１０Ｘにおいて、各シールセグメントは、上述した本実施の形態に係る軸シール装置１０と同様に、回転軸５２の周囲に配置される複数のリーフ（薄板）２０と、高圧側の側板４１とを備える。
また、図７に示した従来の軸シール装置１０Ｘにおいて、各シールセグメントは、複数のリーフ２０を取り付けるための凹溝３１Ｘを含むシールリング３０Ｘと、これらリーフ２０を挟持する一対のリーフシールリテーナ（保持リング）９１、９２と、低圧側の側板４２と、板ばね９３とを備える。また、従来の軸シール装置１０Ｘでは、これらの各部材とともにシールリング３０Ｘに形成された凹溝３１Ｘ内に配置される取り付けピース９５を備える。

図７に示した従来の軸シール装置１０Ｘにおいて、一対のリーフシールリテーナ９１、９２は、リーフ２０の頭部２１を軸方向Ｄ１の一方側と他方側から挟持する。

図７に示した従来の軸シール装置１０Ｘにおいて、側板４２は、周方向Ｄ２に延在する円弧状の薄板である。側板４２の厚さ方向は、回転軸５２の軸方向Ｄ１と略一致する。側板４２は、各シールセグメントにおいて、シールセグメントの周方向Ｄ２の一方側の端部から他方側の端部まで周方向Ｄ２に延在する。
側板４２は、凹溝３１Ｘ内でリーフ２０の低圧側空間を向いている側端部２０ｄの隣に配置されている。側板４２は、リーフ２０の側端部２０ｄと、取り付けピース９５における高圧側空間を向いている側面９５ａとの間に挟まれている。

側板４２の径方向Ｄ３内側の端部４２ａは、リーフ２０における径方向Ｄ３の内側の先端部（内側端部）２０ｂ、及び、取り付けピース９５における径方向Ｄ３の内側の端部９５ｂよりも径方向Ｄ３の外側に位置している。そのため、側板４２の径方向Ｄ３内側の端部４２ａよりも径方向Ｄ３の内側には、リーフ２０の側端部２０ｄと、取り付けピース９５の側面９５ａとの間に、側板４２の厚さ分に相当する隙間Ｓｘが形成されている。この隙間Ｓｘが、後述する溝３６と同様に、リーフ２０の浮上力を確保する役割を果たす。

図７に示した従来の軸シール装置１０Ｘにおいて、板ばね９３は、リーフ２０の頭部２１を径方向Ｄ３の内側に付勢するためのものである。

図７に示した従来の軸シール装置１０Ｘに対し、上述した幾つかの実施形態に係る軸シール装置１０によれば、上記一対のリーフシールリテーナ９１、９２と、側板４２と、取り付けピース９５とを省略できる。これにより、軸シール装置１０のコストを抑制できる。
また、上述した幾つかの実施形態に係る軸シール装置１０を備える回転機械では、軸シール装置１０における作動流体の漏洩を抑制しつつ、回転機械のコストを抑制できる。

本実施の形態に係る軸シール装置１０では、図３に示す実施形態のように、シール取付溝３１の軸方向Ｄ１の一方側（低圧空間側）の内壁３４ａと、他方側（高圧空間側）の内壁３４ｂとは、同じ部材に形成されていてもよい。
これにより、一方側の内壁３４ａと他方側の内壁３４ｂとが異なる部材に形成されている場合と比べて部品点数を抑制でき、組み立てコストも抑制できる。

また、本実施の形態に係る軸シール装置１０では、図４に示す実施形態のように、シール取付溝３１の軸方向Ｄ１の一方側の内壁３４ａと、他方側の内壁３４ｂとは、異なる部材に形成されていてもよい。
シールリング３０は、シール取付溝３１の径方向Ｄ３の内側の端部から径方向Ｄ３の内側に向かってリーフ２０が突出しているため、径方向Ｄ３の内側が開いている。そのため、シール取付溝３１の一方側の内壁３４ａと他方側の内壁３４ｂとが同じ部材に形成されている場合、シール取付溝３１の形成にあたり、径方向Ｄ３の内側から切削加工によってシール取付溝３１を形成することになる。しかし、シール取付溝３１は、軸方向Ｄ１の寸法よりも径方向Ｄ３の寸法の方が大きいため、シール取付溝３１における径方向Ｄ３の外側の領域（例えば第１溝部３３）は、径方向Ｄ３の内側の領域（例えば第２溝部３４）よりも切削加工がし難い。上述したように、第１溝部３３の軸方向Ｄ１の寸法は、第２溝部３４の軸方向Ｄ１の寸法よりも大きい。そのため、径方向Ｄ３の内側からのアプローチによって第１溝部３３を切削加工で加工するのは比較的困難である。
図４に示す実施形態のように、シール取付溝３１の一方側の内壁３４ａと他方側の内壁３４ｂとを異なる部材に形成することで、シール取付溝３１における径方向Ｄ３の外側の領域も加工し易くなる。これにより、シール取付溝３１の精度を確保し易くなるので、軸シール装置１０における流体の漏洩量を低減できる。

本実施の形態に係る軸シール装置１０では、図４に示す実施形態のように、低圧側シールリング（第１部材）３０１と、高圧側シールリング（第２部材）３０２とが一体的に固定されるように構成されていてもよい。低圧側シールリング３０１と高圧側シールリング３０２との当接位置（分割位置３０３）は、リーフ２０の軸方向Ｄ１の中心位置よりも軸方向Ｄ１の上記一方側にずれているとよい。なお、低圧側シールリング３０１と高圧側シールリング３０２との当接位置（分割位置３０３）は、リーフ２０の軸方向Ｄ１の中心位置よりも軸方向Ｄ１の他方側にずれていてもよい。

軸シール装置１０の組立に際し、低圧側シールリング３０１と高圧側シールリング３０２とを結合する前に低圧側シールリング３０１又は高圧側シールリング３０２の何れか一方の部材にリーフ２０を配置し、その後、一方の部材に他方の部材を結合する場合について考える。
例えば図４に示すように、分割位置３０３が高圧空間に近づくように他方側にずれていれば、低圧側シールリング３０１において分割位置３０３に相当する端面が形成される部位（内壁３３ｃが形成された部位）の軸方向Ｄ１に沿った長さが高圧側シールリング３０２における同様の部位よりも長くなる。したがって、リーフ２０をシールリング３０に装着する際に、低圧側シールリング３０１を下にして上からリーフ２０を配置することで、低圧側シールリング３０１のうち、分割位置３０３に相当する端面が形成された部位（内壁３３ｃが形成された部位）がリーフ２０のガイドのような役割を果たし、リーフ２０の位置決めがし易い。
また、図４に示す実施形態のように、分割位置３０３に相当する端面が形成された部位（内壁３３ｃが形成された部位）とリーフ２０の基端部２０ａとの間の隙間にシム４７を配置し易くなる。

同様に、例えば分割位置３０３が低圧空間に近づくように一方側にずれていれば、高圧側シールリング３０２において分割位置３０３に相当する端面が形成される部位の軸方向に沿った長さが低圧側シールリング３０１における同様の部位よりも長くなる。したがって、リーフ２０をシールリング３０に装着する際に、高圧側シールリング３０２を下にして上からリーフ２０及びシム４７を配置することで、リーフ２０及びシム４７の位置決めがし易い。

なお、本実施の形態に係る軸シール装置１０では、図４に示す実施形態のように、分割位置３０３は、リーフ２０の軸方向Ｄ１の中心位置よりも軸方向Ｄ１に沿って溝３６よりも遠ざかる方向にずれているとよい。

本実施の形態に係る軸シール装置１０は、軸シール装置１０を挟んで低圧側となる領域（低圧側空間）に溝３６が位置するように回転機械に配置される。また、本実施の形態に係る軸シール装置１０では、リーフ２０の両側縁の内、軸シール装置１０を挟んで高圧空間に対向する側縁である側端部２０ｃと接するように、周方向Ｄ２に延在する側板４１を配置する。そのため、軸シール装置１０の組み立てに際し、リーフ２０の上に側板４１を配置するように組み立てると組み立て易い。この場合、溝３６を有する低圧側シールリング３０１を下にして、上からリーフ２０を配置し、その上から側板４１を配置することとなる。したがって、分割位置３０３が上記中心位置よりも高圧空間に近い他方側にずれていれば、低圧側シールリング３０１において分割位置３０３に相当する端面が形成される部位の軸方向Ｄ１に沿った長さが高圧側シールリング３０２における同様の部位よりも長くなる。
分割位置３０３が上記中心位置よりも軸方向Ｄ１に沿って溝３６よりも遠ざかる方向にずれていれば、分割位置３０３が上記中心位置よりも他方側にずれることになるので、側板４１を有する軸シール装置１０の組立がし易くなる。

（溝３６について）
図３及び図４に示すシールリング３０では、シール取付溝３１の軸方向Ｄ１の一方側の内壁３４ａは、径方向Ｄ３の内側の領域において、周方向Ｄ２に沿って形成された溝３６を有する。
図５は、図３のＶ－Ｖ矢視に相当する断面図であり、シールリング３０だけを示している。
図６Ａは、図５のＶＩ－ＶＩ矢視断面図であり、溝３６の一例を示している。
図６Ｂは、図５のＶＩ－ＶＩ矢視断面図であり、溝３６の他の一例を示している。
なお、図３に示すシールリング３０と、図４に示すシールリング３０とでは、溝３６の形態は同じであるので、図３のＶ－Ｖ矢視に相当する断面図である図５、及び図６Ａ、図６Ｂに基づいて、溝３６の形状について説明する。

説明の便宜上、図５では、周方向Ｄ２で隣り合う２つのシールセグメント１１を周方向Ｄ２に離して図示しているが、タービン４の運転中は、周方向Ｄ２で隣り合う２つのシールセグメント１１の間の隙間はほとんどなくなる。
図６Ａ及び図６Ｂでは、周方向Ｄ２で隣り合う２つのシールセグメント１１を周方向Ｄ２で互いに当接するように図示している。
図５、図６Ａ及び図６Ｂでは、周方向Ｄ２で隣り合う２つのシールセグメント１１の一方である第１セグメント１１Ａと、他方である第２セグメント１１Ｂとを示している。

図３及び図４に示す本実施の形態に係るシールリング３０では、図５、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第１セグメント１１Ａ及び第２セグメント１１Ｂにおける溝３６は、軸方向Ｄ１への深さが第１深さｄ１を有する第１領域３６１と、第１領域３６１よりも第１セグメント１１Ａ及び第２セグメント１１Ｂにおける周方向Ｄ２の端面１１ｅに近く、第１深さｄ１よりも深い第２深さｄ２を有する第２領域３６２とを含む。

周方向で隣り合う第１セグメント１１Ａ及び第２セグメント１１Ｂにおける端面１１ｅの近傍、すなわちシールリング３０の周方向の分割位置の近傍では、リーフ２０の浮上力が低下してリーフ２０が回転軸５２に接触し易くなり易い。ここで、リーフ２０の先端側（径方向内側）において、リーフ２０の両側端部２０ｃ、２０ｄの内の低圧側空間に近い方の側端部２０ｄと該側端部２０ｄと対向する部材（シールリング３０）との離間距離を大きくするほど、リーフ２０の浮上力が大きくなることが分かっている。
図３及び図４に示す本実施の形態に係るシールリング３０によれば、上述したような第２領域３６２を設けることで、リーフ２０の浮上力が低下し易いシールリング３０の周方向の分割位置の近傍において、リーフ２０の浮上力を確保して、リーフ２０と回転軸５２との接触を抑制できる。

図３及び図４に示す本実施の形態に係るシールリング３０では、図６Ａに示すように、第２領域３６２の第２深さｄ２が第２領域３６２における周方向Ｄ２の位置によらず一定であってもよい。これにより、第２深さｄ２が第２領域３６２における周方向Ｄ２の位置によって変化する場合と比べて、第２領域３６２の加工がし易い。

また、図３及び図４に示す本実施の形態に係るシールリング３０では、図６Ｂに示すように、第２領域３６２の第２深さｄ２は、上記端面１１ｅに近づくにつれて深くなってもよい。
リーフ２０の浮上力は、シールリング３０の周方向の分割位置（上記端面１１ｅ）に近づくほど低下し易い。
図６Ｂに示すように第２領域３６２における周方向Ｄ２の位置が上記端面１１ｅに近づくにつれて第２深さｄ２を深くすることで、上記端面１１ｅに近づくにつれてリーフ２０の浮上力が低下することとを抑制でき、リーフ２０と回転軸５２との接触を抑制できる。

図３及び図４に示す本実施の形態に係るシールリング３０では、第１深さｄ１は、例えば０．１５ｍｍ以上、０．３０ｍｍ以下であり、第２深さｄ２は、第１深さｄ１よりも深く、且つ、例えば０．３５ｍｍ以上、０．６０ｍｍ以下である。なお、周方向で隣り合う第１セグメント１１Ａ及び第２セグメント１１Ｂとにおいて、端面１１ｅを挟んで隣り合う２つの第２領域３６２のそれぞれで、第２深さｄ２は同じとなるようにするとよい。
第２深さｄ２は、少なくとも第２領域３６２の一部において、第１深さｄ１より大きく、３倍以下であるとよく、好ましくは２倍程度であるとよい。
なお、図６Ｂに示すように、第２深さｄ２が端面１１ｅに近づくにつれて深くなる場合、端面１１ｅに極めて近い周方向Ｄ２の位置における第２深さｄ２が上述した範囲となるとよい。

端面１１ｅの近傍において、リーフ２０の十分な浮上力を確保するためには、第２深さは、少なくとも第２領域３６２の一部において、第１深さｄ１より大きいとよい。また、端面１１ｅの近傍におけるリーフ２０の浮上力は、第２深さｄ２が第１深さｄ１の３倍を超えても、第１深さｄ１の３倍の場合とほとんど変わらない。そのため、第２深さがｄ２第１深さｄ１の３倍を超えても、第２深さｄ２を確保するための加工量（切削量）が増えるだけである。
上記の構成によれば、端面１１ｅの近傍におけるリーフ２０の浮上力を効率よく確保できる。

産業用のガスタービンの場合、溝３６の幅Ｗ１（図５参照）、すなわち第１領域３６１及び第２領域３６２の径方向Ｄ３の寸法は、おおよそ５．５ｍｍである。
また、産業用のガスタービンの場合、第２領域３６２の周方向Ｄ２の長さは、おおよそ５０ｍｍである。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る軸シール装置１０は、回転軸５２（回転軸５０）の周方向Ｄ２に複数配置され、回転軸５２（回転軸５０）の軸方向Ｄ１に幅を有する複数の薄板（リーフ２０）と、複数の薄板（リーフ２０）を取り付けるためのシール取付溝３１を含むシールリング３０と、を備える。シール取付溝３１の軸方向Ｄ１の一方側の内壁３４ａは、回転軸５２（回転軸５０）の径方向Ｄ３の内側の領域において、周方向Ｄ２に沿って形成された溝３６を有する。

上記（１）の構成によれば、従来の軸シール装置に設けられていた一対のリーフシールリテーナと、軸方向Ｄ１の一方側（低圧空間側）に配置される環状のプレートと、取り付けピースとを省略できる。これにより、軸シール装置１０のコストを抑制できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、シールリング３０は、周方向Ｄ２に分割された第１セグメント１１Ａ及び第２セグメント１１Ｂを少なくとも含む。第１セグメント１１Ａ及び第２セグメント１１Ｂにおける上記溝３６は、軸方向Ｄ１への深さが第１深さｄ１を有する第１領域３６１と、第１領域３６１よりも第１セグメント１１Ａ及び第２セグメント１１Ｂにおける周方向Ｄ２の端面１１ｅに近く、第１深さｄ１よりも深い第２深さｄ２を有する第２領域３６２とを含むとよい。

上記（２）の構成によれば、上述したような第２領域３６２を設けることで、リーフ２０の浮上力が低下し易いシールリング３０の周方向の分割位置の近傍において、リーフ２０の浮上力を確保して、リーフ２０と回転軸５２（回転軸５０）との接触を抑制できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、第２深さｄ２は、上記端面１１ｅに近づくにつれて深くなってもよい。

リーフ２０の浮上力は、シールリング３０の周方向の分割位置（端面１１ｅ）に近づくほど低下し易い。
上記（３）の構成によれば、第２深さｄ２を端面１１ｅに近づくにつれて深くすることで、端面１１ｅに近づくにつれてリーフ２０の浮上力が低下することとを抑制でき、リーフ２０と回転軸５２（回転軸５０）との接触を抑制できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）の構成において、第２深さｄ２は、少なくとも第２領域３６２の一部において、第１深さｄ１より大きく、３倍以下であるとよい。

上記（４）の構成によれば、シールリング３０の周方向の分割位置の近傍におけるリーフ２０の浮上力を効率よく確保できる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、シール取付溝３１の軸方向Ｄ１の上記一方側の内壁３４ａと、他方側の内壁３４ｂとは、同じ部材に形成されていてもよい。

上記（５）の構成によれば、一方側の内壁３４ａと他方側の内壁３４ｂとが異なる部材に形成されている場合と比べて部品点数を抑制でき、組み立てコストも抑制できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、シール取付溝３１の軸方向Ｄ１の一方側の内壁３４ａと、他方側の内壁３４ｂとは、異なる部材に形成されていてもよい。

上記（６）の構成によれば、シール取付溝３１の一方側の内壁３４ａと他方側の内壁３４ｂとを異なる部材に形成することで、シール取付溝３１における径方向Ｄ３の外側の領域も加工し易くなる。これにより、シール取付溝３１の精度を確保し易くなるので、軸シール装置１０における流体の漏洩量を低減できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、シールリング３０は、一方側の内壁３４ａが形成された第１部材（低圧側シールリング３０１）と、他方側の内壁３４ｂが形成された第２部材（高圧側シールリング３０２）とを含み、第１部材（低圧側シールリング３０１）と第２部材（高圧側シールリング３０２）とが一体的に固定されるように構成されているとよい。第１部材（低圧側シールリング３０１）と第２部材（高圧側シールリング３０２）との当接位置（分割位置３０３）は、薄板（リーフ２０）の軸方向Ｄ１の中心位置よりも軸方向Ｄ１の一方側又は他方側の何れかにずれているとよい。

上記（７）の構成によれば、軸シール装置１０の組み立てに際してリーフ２０の位置決めがし易い。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、上記当接位置（分割位置３０３）は、上記中心位置よりも軸方向Ｄ１に沿って溝３６よりも遠ざかる方向にずれていてもよい。

上記（８）の構成によれば、上記当接位置（分割位置３０３）が上記中心位置よりも他方側にずれることになるので、側板４１を有する軸シール装置１０の組立がし易くなる。

（９）本開示の少なくとも一実施形態に係る回転機械（圧縮機２、タービン４）は、回転軸５０（回転軸５１、回転軸５２）と、上記（１）乃至（８）の何れかの構成の軸シール装置１０と、を備える。

上記（９）の構成によれば、軸シール装置１０における作動流体の漏洩を抑制しつつ、回転機械（圧縮機２、タービン４）のコストを抑制できる。

１ ガスタービンシステム
２ 圧縮機（回転機械）
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
１１Ａ 第１セグメント
１１Ｂ 第２セグメント
１１ｅ 端面
２０ リーフ（薄板）
３０ シールリング
３１ シール取付溝
３４ａ、３４ｂ 内壁
４１ 側板（高圧側の側板）
５０、５１、５２ 回転軸
３０１ 低圧側シールリング（第１部材）
３０２ 高圧側シールリング（第２部材）
３０３ 分割位置

Claims (8)

1. 回転軸の周方向に複数配置され、前記回転軸の軸方向に幅を有する複数の薄板と、
   前記複数の薄板を取り付けるためのシール取付溝を含むシールリングと、
   を備え、
   前記シール取付溝の前記軸方向の一方側の内壁は、前記回転軸の径方向内側の領域において、前記周方向に沿って形成された溝を有し、
   前記シールリングは、前記周方向に分割された第１セグメント及び第２セグメントを少なくとも含み、
   前記第１セグメント及び前記第２セグメントにおける前記溝は、前記軸方向への深さが第１深さを有する第１領域と、前記第１領域よりも前記第１セグメント及び前記第２セグメントにおける前記周方向の端面に近く、前記第１深さよりも深い第２深さを有する第２領域とを含む
   軸シール装置。
2. 前記第２深さは、前記端面に近づくにつれて深くなる
   請求項１に記載の軸シール装置。
3. 前記第２深さは、少なくとも前記第２領域の一部において、前記第１深さより大きく、３倍以下である
   請求項１又は２に記載の軸シール装置。
4. 前記シール取付溝の前記軸方向の前記一方側の内壁と、他方側の内壁とは、同じ部材に形成されている
   請求項１又は２に記載の軸シール装置。
5. 前記シール取付溝の前記軸方向の前記一方側の内壁と、他方側の内壁とは、異なる部材に形成されている
   請求項１又は２に記載の軸シール装置。
6. 前記シールリングは、前記一方側の内壁が形成された第１部材と、前記他方側の内壁が形成された第２部材とを含み、前記第１部材と前記第２部材とが一体的に固定され、
   前記第１部材と前記第２部材との当接位置は、前記薄板の前記軸方向の中心位置よりも前記軸方向の一方側又は他方側の何れかにずれている
   請求項５に記載の軸シール装置。
7. 前記当接位置は、前記中心位置よりも前記軸方向に沿って前記溝よりも遠ざかる方向にずれている
   請求項６に記載の軸シール装置。
8. 前記回転軸と、
   請求項１又は２に記載の軸シール装置と、
   を備える回転機械。

Images