KR101867195B1 - 축 시일 장치, 및 이것을 구비하는 회전 기계 - Google Patents

Abstract

축 시일 장치(100)는, 환상 오목부(61)가 형성되며, 스테이터에 고정되어 있는 하우징(60)과, 직경 방향 외측의 부분이 환상 오목부(61)에 수납되어 있는 시일체(20)와, 시일체(20)의 고압 영역측(Hs)을 따라서 배치되어 있는 고압 사이드 시일판(40)을 구비한다. 하우징(60)과 고압 사이드 시일판(40)과 시일체(20) 중 하나의 부재에는, 저압 영역측(Ls)이 고압 영역측(Hs)보다 고압인 비정상시에 저압 영역측(Ls)의 유체가 시일체(20) 중을 통하여 유입되는 유입 홈(66)이 형성되어 있다. 하우징(60)에는, 유입 홈(66)과 고압 영역측(Hs)의 공간을 연통시키는 연통로(69)가 형성되어 있다.

Description

축 시일 장치, 및 이것을 구비하는 회전 기계{SHAFT SEALING DEVICE AND ROTATING MACHINE PROVIDED THEREWITH}

본 발명은 회전축의 축 방향의 유체의 흐름을 억제하는 축 시일 장치, 및 이것을 구비하는 회전 기계에 관한 것이다.

가스 터빈, 증기 터빈 등의 회전 기계의 회전축 주위에는, 고압측으로부터 저압측으로 흐르는 작동 유체의 누출량을 줄이기 위해서, 축 시일 장치가 마련되어 있다. 이 축 시일 장치의 일 예로서, 예를 들면, 이하의 특허문헌 1에 기재된 축 시일 장치가 있다.

이 축 시일 장치는, 다수의 박판 시일편으로 구성되는 시일체를 구비하고 있다. 이 축 시일 장치에서는, 다수의 박판 시일편이 각각의 두께 방향이 회전축의 둘레 방향을 향하여, 둘레 방향으로 적층되어 있다. 각 박판 시일편은, 그 직경 방향 내측단이 그 직경 방향 외측단보다 회전축의 회전 방향측에 위치하도록 경사 배치되어 있다.

이 축 시일 장치에 있어서의 각 박판 시일편의 직경 방향 내측단은 자유단이다. 이 자유단은, 회전축이 정지되어 있을 때에는, 회전축과 접촉하고 있다. 그렇지만, 회전축이 회전하면, 회전축의 회전에 의해서 생기는 동압 효과에 의해, 각 박판 시일편의 자유단측에는, 회전축의 외주면으로부터 부상시키는 부상력이 발생한다. 또한, 이 축 시일 장치에서는, 회전축이 연장되어 있는 축 방향의 한쪽측인 고압 영역으로부터, 각 박판 시일편의 상호간을 저압 영역으로 작동 유체가 흐르는 과정에서, 이 작동 유체가 저압 영역측으로 흐르면서 회전축으로부터 멀어지는 측, 즉, 직경 방향 외측으로 흐른다. 이 때문에, 이 흐름에 의해, 각 박판 시일편이 부상하는 압력 분포가 되고, 각 박판 시일편의 자유단측에는, 부상력이 발생한다.

이와 같이, 회전축이 회전하면, 각 박판 시일편의 자유단은 회전축으로부터 부상하여, 비접촉 상태가 된다. 이 때문에, 이 축 시일 장치에서는, 각 박판 시일편의 마모가 억제되어, 시일 수명이 길어진다.

일본 특허 제 3616016 호 공보

종래의 축 시일 장치에 있어서, 각 박판 시일편의 자유단을 회전축으로부터 부상시키기 위해서는, 회전축의 축 방향에 있어서 고압 영역으로부터 저압 영역으로 흐르는 작동 유체의 흐름을 일정한 방향으로 할 필요가 있다. 그렇지만, 회전 기계 중에는, 회전축의 축 방향에 있어서 작동 유체의 흐름 방향이 변화되는 일이 있다. 여기서, 이하의 설명에서는, 각 박판 시일편의 자유단을 부상시키기 위한 작동 유체의 흐름을 정상시 흐름으로 하고, 정상시 흐름에 대하여 역방향의 흐름을 비정상시 흐름으로 한다.

정상시 흐름 방향이 되도록 설치된 종래의 축 시일 장치에 있어서, 저압 영역의 압력과 고압 영역의 압력이 역전되면, 작동 유체는 비정상시 흐름 방향이 된다. 이 때, 각 박판 시일편의 상호간을 흐르는 작동 유체는, 회전축에 가까워지는 측, 즉, 직경 방향 내측을 향하여 흐른다. 이러한 상태가 되면, 종래의 축 시일 장치는, 각 박판 시일편을 회전축측으로 가압하는 압력 분포가 되고, 각 박판 시일편의 자유단이 회전축으로부터 부상하지 않는 경우가 있다.

따라서, 종래의 축 시일 장치에서는, 회전축의 축 방향에 있어서 작동 유체의 흐름 방향이 변화되면, 시일체를 구성하는 각 박판 시일편의 자유단이 회전축으로부터 부상하지 않고, 시일체가 회전축과 접촉하는 것에 의해 마모되어, 시일 수명이 짧아진다는 과제가 있다. 또한, 이와 같이 하여 시일체가 마모되면, 정상시 흐름 방향에 있어서 시일 성능이 저하된다는 과제도 있다.

그래서, 본 발명은, 회전축의 축 방향에 있어서 작동 유체의 흐름 방향이 변화되어도, 시일체와 회전축의 접촉에 의한 시일체의 마모를 방지하고, 시일 수명을 길게 할 수 있는 축 시일 장치, 및 이것을 구비하는 회전 기계를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명에 따른 제 1 태양으로서의 축 시일 장치는, 회전축과 상기 회전축의 외주측을 덮는 스테이터의 사이의 환상 공간을 상기 회전축이 연장되는 축 방향으로 저압 영역측과 고압 영역측으로 나누는 축 시일 장치에 있어서, 상기 회전축을 중심으로 하여 둘레 방향으로 연장되는 환상 오목부가 형성되며, 상기 스테이터에 고정되어 있는 하우징과, 상기 회전축의 외주에 배치되며, 상기 회전축의 직경 방향 외측의 부분이 상기 하우징의 상기 환상 오목부에 수납되어 있는 시일체와, 두께 방향을 상기 축 방향을 향하게 하며, 상기 하우징의 상기 환상 오목부 내에서 상기 시일체의 상기 고압 영역측을 따라서 배치되어 있는 고압 사이드 시일판을 구비하고, 상기 시일체와 상기 하우징과 상기 고압 사이드 시일판 중 어느 하나의 부재의 상기 직경 방향 외측에, 상기 저압 영역측의 유체가 상기 시일체 내의 일부를 통해서 유입될 수 있는 유입 홈이 형성되며, 상기 하우징과 상기 고압 사이드 시일판 중 한쪽의 부재에, 상기 유입 홈과 상기 고압 영역측의 공간을 연통시키는 연통로가 형성되어 있다.

저압 영역측이 고압 영역측보다 고압이 되는 비정상시에 있어서, 저압 영역측의 유체가 시일체 내를 통하여, 저압의 고압 영역측의 공간에 유입된다. 상기 축 시일 장치에서는, 시일체와 하우징과 고압 사이드 시일판 중 어느 하나의 부재의 직경 방향 외측에 유입 홈이 형성되어 있다. 이 때문에, 비정상시, 저압 영역측의 유체가 시일체 내를 통과하는 과정에서, 일부의 유체가 유입 홈에 유입된다. 유입 홈에 유입된 유체는, 연통로를 거쳐서, 저압의 고압 영역측의 공간에 유입된다.

따라서, 상기 축 시일 장치에서는, 비정상시에 있어서, 저압 영역측의 유체가 시일체 내를 통과하는 과정에서, 일부의 유체가 직경 방향 외향 성분을 갖는 흐름이 된다. 상기 축 시일 장치에서는, 비정상시, 이 흐름에 의해서, 시일체의 직경 방향 내측에는 부상력이 발생한다. 이 때문에, 시일체의 직경 방향 내측단은 회전축으로부터 부상한다.

또한, 상기 시일체는, 박판 형상을 이루는 복수의 박판 시일편을 갖고, 복수의 상기 박판 시일편이 두께 방향을 상기 둘레 방향을 향하며, 상기 둘레 방향으로 적층되고, 복수의 상기 박판 시일편에 있어서의 직경 방향 내측단이 자유단을 이루며, 상기 직경 방향 외측의 부분이 서로 연결되어 있는 것이어도 좋다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명에 따른 제 2 태양으로서의 축 시일 장치는, 상기 제 1 태양으로서의 축 시일 장치에 있어서, 상기 저압 영역측의 압력에 대한 상기 고압 영역측의 상대 압력 변화로 변위되며, 상기 저압 영역측이 상기 고압 영역측보다 고압인 비정상시에, 상기 시일 본체로부터 상기 유입 홈 및 상기 연통로를 지나 상기 고압 영역측의 공간에 도달하는 비정상시 유로를 개방하고, 상기 고압 영역측이 상기 저압 영역측보다 고압인 정상시에, 상기 비정상시 유로의 일부를 폐쇄하는 폐색재를 구비하고 있다.

정상시에 있어서, 고압 영역측의 유체가 시일체 내를 통하여, 저압 영역측의 공간에 유입된다. 만일, 정상시에 비정상시 유로의 일부가 폐쇄되어 있지 않으면, 고압 영역측의 유체의 일부는, 이 비정상시 유로를 거쳐서, 저압 영역측의 공간에 유입된다. 이 때, 비정상시 유로 중의 시일체 내에서는, 고압 영역측의 유체가 저압 영역측을 향하면서도 직경 방향 내측을 향하여 흐른다. 이 흐름은, 각 박판 시일편의 직경 방향 내측에 대하여 침강력으로 작용한다.

그래서, 상기 축 시일 장치에서는, 정상시에, 비정상시 유로의 일부를 폐색재로 폐쇄하여, 시일체의 직경 방향 내측에 작용하는 침강력의 발생을 억제하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명에 따른 제 3 태양으로서의 축 시일 장치는, 상기 제 2 태양으로서의 축 시일 장치에 있어서, 상기 고압 사이드 시일판은, 상기 하우징 및 상기 시일체에 대하여, 상기 축 방향으로 상대 이동 가능하게 상기 환상 오목부에 배치되며, 상기 폐색재는, 상기 정상시에, 상기 시일체에 접하며 상기 비정상시 유로의 일부를 폐쇄하고, 상기 비정상시에, 상기 시일체에 대하여 비접촉 상태가 되고 상기 비정상시 유로를 개방하는 상기 고압 사이드 시일판이다.

상기 축 시일 장치에서는, 고압 사이드 시일판이 폐색재로서 기능하므로, 부품 점수를 증가시키지 않고, 정상시에, 비정상시 유로의 일부를 폐쇄할 수 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명에 따른 제 4 태양으로서의 축 시일 장치는, 상기 제 1 내지 상기 제 3 중 어느 하나의 태양의 축 시일 장치에 있어서, 상기 하우징에는, 상기 유입 홈으로부터 상기 하우징 내를 관통해서 상기 고압 영역측의 공간에 연통하는 복수의 상기 연통로가 형성되어 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명에 따른 제 5 태양으로서의 축 시일 장치는, 상기 제 2 태양으로서의 축 시일 장치에 있어서, 상기 하우징에는, 상기 유입 홈으로부터 상기 하우징 내를 관통해서 상기 고압 영역측의 공간에 연통하는 복수의 상기 연통로가 형성되어 있는 동시에, 상기 연통로와 연통해서 상기 폐색재를 수납하고, 상기 정상시에 상기 연통로를 폐쇄하는 폐쇄 위치와, 상기 비정상시에 상기 연통로를 개방하는 개방 위치의 사이에서, 상기 폐색재를 이동 가능하게 수납하는 폐색재 수납부가 형성되어 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명에 따른 제 6 태양으로서의 축 시일 장치는, 회전축과 상기 회전축의 외주측을 덮는 스테이터와의 사이의 환상 공간을 상기 회전축이 연장되는 축 방향으로 저압 영역측과 고압 영역측으로 나누는 축 시일 장치에 있어서, 상기 회전축을 중심으로 하여 둘레 방향으로 연장되는 환상 오목부가 형성되며, 상기 스테이터에 고정되어 있는 하우징과, 상기 회전축의 외주에 배치되며, 상기 회전축의 직경 방향 외측의 부분이 상기 하우징의 상기 환상 오목부에 수납되어 있는 시일체와, 두께 방향을 상기 축 방향을 향하게 하고, 상기 하우징의 상기 환상 오목부 내에서 상기 시일체의 상기 고압 영역측을 따라서 배치되어 있는 고압 사이드 시일판을 구비하고, 상기 시일체와 상기 하우징과 상기 고압 사이드 시일판 중 상기 시일체를 포함하는 부재에는, 상기 저압 영역측이 상기 고압 영역측보다 고압인 비정상시에 상기 저압 영역측의 유체가 상기 고압 영역측으로 흐르는 과정에서, 상기 시일체를 상기 회전축에 대하여 부상시키는 흐름을 발생시키는 비정상시 유로가 형성되어 있다.

상기 축 시일 장치에서는, 비정상시에 있어서, 저압 영역측의 유체가 고압 영역측으로 흐르는 과정에서, 시일체를 회전축에 대하여 부상시키는 흐름이 발생한다. 이 때문에, 상기 축 시일 장치에서는, 시일체의 직경 방향 내측단은, 회전축으로부터 부상한다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명에 따른 제 7 태양으로서의 축 시일 장치는, 상기 제 6 태양으로서의 축 시일 장치에 있어서, 상기 저압 영역측의 압력에 대한 상기 고압 영역측의 상대 압력 변화로 변위되며, 상기 고압 영역측이 상기 저압 영역측보다 고압인 정상시에, 상기 비정상시 유로의 일부를 폐쇄하고, 상기 비정상시에 상기 비정상시 유로를 개방하는 폐색재를 구비하고 있다.

상기 축 시일 장치에서는, 정상시에, 비정상시 유로의 일부가 폐색재로 폐쇄된다.

상기 과제를 해결하기 위한 발명에 따른 일 태양으로서의 회전 기계는, 이상 중 어느 하나의 태양의 축 시일 장치와, 상기 회전축과, 상기 스테이터를 구비하고 있다.

본 발명에 따른 일 태양에서는, 저압 영역측이 고압 영역측보다 고압이 되는 비정상시에, 시일체의 직경 방향 내측단이 회전축으로부터 부상한다. 따라서, 본 발명에 따른 일 태양에 의하면, 시일체의 마모를 방지하여, 시일 수명을 길게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시형태에 있어서의 가스 터빈의 모식적 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시형태에 있어서의 가스 터빈의 회전축을 포함하는 영역의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 축 시일 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 축 시일 장치의 요부 절결 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 시일체의 축 방향에서 본 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 축 시일 장치의 하우징을 도시하며, 도 6의 (A)는 환상 오목부측으로부터 고압 영역측을 향하여 하우징을 본 도면이며, 도 6의 (B)는 도 6의 (A)에 있어서의 B-B선 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 정상시의 축 시일 장치의 단면이다.
도 8은 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 비정상시의 축 시일 장치의 단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 제 1 실시형태에 있어서의 비정상시의 축 시일 장치의 요부 확대 단면도이다.
도 10은 비교예에 있어서의 비정상시의 축 시일 장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 제 2 실시형태에 있어서의 비정상시의 축 시일 장치의 요부 확대 단면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 제 3 실시형태에 있어서의 비정상시의 축 시일 장치의 단면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 제 4 실시형태에 있어서의 비정상시의 축 시일 장치의 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 제 ５ 실시형태에 있어서의 비정상시의 축 시일 장치의 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 축 시일 장치 및 이것을 구비하는 회전 기계의 실시형태에 대하여 설명한다.

「회전 기계의 실시형태」

가스 터빈 설비는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 다량의 공기를 내부에 도입하고 압축하는 압축기(2)와, 이 압축기(2)에서 압축된 압축 공기 중에서 연료를 연소시켜 연소 가스를 생성하는 연소기(3)와, 연소기(3)로부터의 연소 가스로 구동하는 터빈(4)을 구비하고 있다.

압축기(2)는, 회전 축선(Ar)을 중심으로 하여 회전하는 압축기 로터(2a)와, 압축기 로터(2a)를 회전 가능하게 덮는 압축기 케이싱(2b)을 구비하고 있다. 또한, 터빈(4)은 회전 축선(Ar)을 중심으로 하여 회전하는 터빈 로터(4a)와, 터빈 로터(4a)를 회전 가능하게 덮는 터빈 케이싱(4b)을 구비하고 있다.

여기서, 회전 축선(Ar)이 연장되어 있는 방향을 축 방향(Da), 회전 축선(Ar)을 기준으로 한 둘레 방향을 간단히 둘레 방향(Dc), 회전 축선(Ar)을 기준으로 한 직경 방향을 간단히 직경 방향(Dr)으로 한다. 또한, 축 방향(Da) 중에서 한쪽측을 상류측, 다른쪽측을 하류측으로 하고, 직경 방향(Dr)으로 회전 축선(Ar)에 근접해지는 측을 직경 방향 내측, 회전 축선(Ar)으로부터 멀어지는 측을 직경 방향 외측으로 한다.

압축기 로터(2a) 및 터빈 로터(4a)는, 모두, 회전 축선(Ar)을 중심으로 하여 축 방향(Da)으로 연장되는 회전축(6b, 6d)과, 이 회전축(6b, 6d)의 축 방향(Da)으로 간격을 두고 고정되어 있는 복수의 동익렬(7b, 7d)을 갖고 있다. 각 동익렬(7b, 7d)은, 회전축(6b, 6d)의 외주에, 둘레 방향(Dc)으로 서로 간격을 두고 고정되어 있는 복수의 동익을 갖고 구성되어 있다. 압축기(2)의 회전축(6b)과 터빈(4)의 회전축(6d)은 일체 회전하도록 서로 연결되며, 가스 터빈의 회전축(6)을 이루고 있다.

압축기 케이싱(2b) 내 및 터빈 케이싱(4b) 내에는, 복수의 정익렬(5b, 5d)이 축 방향(Da)에 간격을 두고 고정되어 있다. 각 정익렬(5b, 5d)은, 각 케이싱(2b, 4b) 내면에, 둘레 방향(Dc)으로 서로의 간격을 두고 고정되어 있는 복수의 정익을 갖고 구성되어 있다.

이상과 같이, 압축기(2) 및 터빈(4)은, 모두, 회전축(6b, 6d)과, 회전축(6b, 6d)의 외주측을 덮는 케이싱(2b, 4b)과, 정익렬(5b, 5d)을 구비하고 있는 회전 기계이다. 압축기(2) 및 터빈(4)의 케이싱(2b, 4b) 및 정익렬(5b, 5d)은 스테이터를 이룬다.

압축기(2)는, 또한, 축 방향(Da)의 작동 유체(공기)(g)의 흐름을 억제하는 축 시일 장치(10a)를 구비하고 있다. 축 시일 장치(10a)는, 회전축(6b)과 직경 방향(Dr)으로 대향하도록 압축기 케이싱(2b)의 내면에서 압축기 케이싱(2b)의 축 방향(Da)의 단부에 마련되어 있다.

회전축(6b)이 회전하고 있을 때, 압축기 케이싱(2b) 내부의 압력이 그 외부의 압력보다 높아진다. 그 때문에, 축 시일 장치(10a)에 있어서, 축 방향(Da)에서의 압축기 케이싱(2b)의 내측이 고압 영역측이 되고, 축 방향(Da)에서의 압축기 케이싱(2b)의 외측이 저압 영역측이 된다. 축 시일 장치(10a)는, 회전축(6b)을 따라서 압축기 케이싱(2b)의 내측(고압 영역측)으로부터 압축기 케이싱(2b)의 외측(저압 영역측)으로의 작동 유체(g)의 흐름을 억제한다.

터빈(4)에서도, 또한, 축 방향(Da)의 작동 유체(연소 가스)(g)의 흐름을 억제하는 축 시일 장치(10b)를 구비하고 있다. 축 시일 장치(10b)는, 회전축(6d)과 직경 방향(Dr)으로 대향하도록 터빈 케이싱(4b)의 내면에서 터빈 케이싱(4b)의 축 방향(Da)의 단부에 마련되어 있다.

회전축(6d)이 회전하고 있을 때, 터빈 케이싱(4b) 내부의 압력이 그 외부의 압력보다 높아진다. 이 때문에, 축 시일 장치(10b)에 있어서, 축 방향(Da)에 있어서 터빈 케이싱(4b)의 내측이 고압 영역측이 되고, 축 방향(Da)에 있어서 터빈 케이싱(4b)의 외측이 저압 영역측이 된다. 축 시일 장치(10b)는, 회전축(6d)을 따라서 터빈 케이싱(4b)의 내측(고압 영역측)으로부터 터빈 케이싱(4b)의 외측(저압 영역측)으로의 작동 유체(g)의 흐름을 억제한다.

압축기(2)의 축 시일 장치(10a)나 터빈(4)의 축 시일 장치(10b)와 같이, 회전 기계에 설치되는 축 시일 장치는, 설치하는 개소에 의해, 가스 터빈의 운전 상황에 따라서, 저압 영역측의 압력과 고압 영역측의 압력이 역전되어, 회전축(6b, 6d)의 축 방향에 있어서 작동 유체의 흐름 방향이 변화되는 경우가 있다. 이하, 이 축 시일 장치의 실시형태에 대하여 설명한다.

「축 시일 장치의 제 1 실시형태」

본 실시형태의 축 시일 장치(100)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈의 회전축(6)(이하, 간단히 회전축(6)이라 함)의 외주를 따라서, 둘레 방향(Dc)에 원호 형상으로 연장되는 복수의 시일 세그먼트(101)를 갖고 구성되어 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈의 스테이터(8)에는, 직경 방향 내측으로부터 직경 방향 외측으로 움푹하며, 회전 축선(Ar)을 중심으로 하여 환상을 이루는 장착부(9)가 형성되어 있다. 각 시일 세그먼트(101)는, 이 스테이터(8)의 장착부(9)에 장착되어 있다.

각 시일 세그먼트(101)는, 모두, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 다수의 박판 시일편(21)의 묶음인 시일체(20)와, 단면 홈형을 이루며 시일체(20)를 보지하는 보지 링(30)과, 보지 링(30)과 시일체(20)의 간극을 매립하는 심(38)과, 시일체(20)에 있어서의 회전축(6)의 축 방향(Da)의 한쪽측에 배치되어 있는 고압 사이드 시일판(40)과, 시일체(20)에 있어서의 회전축(6)의 축 방향(Da)의 다른쪽측에 배치되어 있는 저압 사이드 시일판(50)과, 보지 링(30)의 직경 방향 외측에 배치되는 배면 스페이서(39)와, 이들을 덮는 하우징(60)을 구비하고 있다. 여기서, 이하의 설명에서는, 시일체(20)에 있어서의 회전축(6)의 축 방향(Da)의 한쪽측을 고압 영역측(Hs)으로 하고, 시일체(20)에 있어서의 회전축(6)의 축 방향(Da)의 다른쪽측을 저압 영역측(Ls)으로 한다.

박판 시일편(21)은 얇은 판으로 형성된 부재이다. 이 박판 시일편(21)은 둘레 방향(Dc)에서 보아 T자 형상으로 형성되고, 그 폭 방향을 회전축(6)의 축 방향(Da)을 향하게 하며, 환언하면, 그 두께 방향을 회전축(6)의 둘레 방향(Dc)을 향하게 하고 있다.

이 박판 시일편(21)은 헤드부(22)와, 이 헤드부(22)보다 폭 치수 및 두께 치수가 작게 형성되어 있는 몸통부(25)와, 헤드부(22)와 몸통부(25)의 사이에 위치하며, 이들보다 폭 치수가 작게 형성되어 있는 목부(23)를 갖고 있다. 이 박판 시일편(21)은, 직경 방향 외측으로부터 직경 방향 내측을 향하여, 헤드부(22), 목부(23), 몸통부(25)의 순차로 형성되어 있다. 목부(23)의 고압 영역측(Hs)의 가장자리는, 헤드부(22)의 고압 영역측(Hs)의 가장자리 및 몸통부(25)의 고압 영역측(Hs)의 가장자리보다 저압 영역측(Ls)에 위치하고 있다. 따라서, 헤드부(22)와 몸통부(25)의 사이에서 고압 영역측(Hs)의 부분은, 목부(23)를 바닥으로 하고 저압 영역측(Ls)으로 움푹한 움푹부(28a)가 형성되어 있다. 또한, 목부(23)의 저압 영역측(Ls)의 가장자리는, 헤드부(22)의 저압 영역측(Ls)의 가장자리 및 몸통부(25)의 저압 영역측(Ls)의 가장자리보다 고압 영역측(Hs)에 위치하고 있다. 따라서, 헤드부(22)와 몸통부(25)의 사이에서 저압 영역측(Ls)의 부분은, 목부(23)를 바닥으로 하고 고압 영역측(Hs)으로 움푹한 움푹부(28b)가 형성되어 있다.

각 박판 시일편(21)은, 그 두께 방향이 둘레 방향(Dc)을 향하게 하며, 둘레 방향(Dc)으로 적층되어 있다. 각 박판 시일편(21)에 있어서의 각 헤드부(22)의 직경 방향 외측단(21a)은 서로 접속되어 있다. 또한, 각 박판 시일편(21)의 각 몸통부(25)의 직경 방향 외측의 위치(26)도 서로 접속되어 있다. 즉, 각 박판 시일편(21)은 그 직경 방향 외측의 부분이 서로 접속되어 있다.

각 박판 시일편(21)의 몸통부(25)는 탄성 변형 가능하며, 몸통부(25)의 직경 방향 내측단(21b)이 자유단으로 되어 있다. 각 박판 시일편(21)은, 그 직경 방향 내측단(21b)이 그 직경 방향 외측단(21a)보다 회전축(6)의 회전 방향측(Rs)에 위치하도록 경사 배치되어 있다. 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)은, 회전축(6)이 정지되어 있을 때, 회전축(6)의 외주면과 접하고 있다.

박판 시일편(21)은, 전술한 바와 같이, 헤드부(22)의 두께 치수(둘레 방향의 치수)가 목부(23) 및 몸통부(25)의 두께 치수보다 크다. 이 때문에, 도 5에 도시하는 바와 같이, 둘레 방향(Dc)으로 인접하는 2매의 박판 시일편(21)의 몸통부(25)와의 사이에 미소 간극(s)이 형성된다.

보지 링(30)은, 단면 홈형을 이루며, 둘레 방향(Dc)으로 연장되어 있는 부재이다. 보지 링(30)은 직경 방향(Dr)으로 서로 대향하는 한쌍의 측판(31)과, 한쌍의 측판(31)의 축 방향(Da)의 단부 상호를 연결하는 바닥판(32)을 갖는다. 한쌍의 측판(31) 및 바닥판(32)은 모두 둘레 방향(Dc)으로 연장되어 있다. 보지 링(30)의 한쌍의 측판(31)의 상호간은 바닥판(32)을 홈 바닥으로 하는 홈부(33)를 이루고 있다. 한쌍의 측판(31)의 상호간의 치수, 즉, 홈 폭은 박판 시일편(21)에 있어서의 헤드부(22)의 직경 방향(Dr)의 폭 치수보다 약간 크다.

보지 링(30)은 박판 시일편(21)의 헤드부(22)의 고압 영역측(Hs)과 저압 영역측(Ls)에 배치되어 있다. 박판 시일편(21)에 있어서의 고압 영역측(Hs)의 헤드부(22)는 고압 영역측(Hs)의 보지 링(30)의 홈부(33) 내에 들어가 있다. 또한, 박판 시일편(21)에 있어서의 저압 영역측(Ls)의 헤드부(22)는 저압 영역측(Ls)의 보지 링(30)의 홈부(33) 내에 들어가 있다. 보지 링(30)의 직경 방향 외측의 측판(31)과, 박판 시일편(21)의 헤드부(22)의 사이에는, 심(38)이 끼워지고, 박판 시일편(21)의 헤드부(22)가 보지 링(30)에 의해 보지되어 있다. 그 결과, 박판 시일편(21)의 헤드부(22)는 각 보지 링(30)에 대하여 이동할 수 없게 되어 있다.

고압 사이드 시일판(40) 및 저압 사이드 시일판(50)은, 모두, 두께 방향을 축 방향(Da)을 향하게 하며, 축 방향(Da)에서 본 형상이 원호 띠 형상을 이루고 있다.

고압 사이드 시일판(40)은, 전술한 바와 같이, 시일체(20)의 고압 영역측(Hs)에 배치되어 있다. 이 고압 사이드 시일판(40)은 직경 방향 외측의 베이스부(41)와, 이 베이스부(41)로부터 직경 방향 내측을 향하여 연장되어 있는 박판 사이드 시일부(42)를 갖고 있다. 베이스부(41)는, 그 두께 방향의 치수(축 방향(Da)의 치수)가 박판 사이드 시일부(42)의 두께 방향의 치수(축 방향(Da)의 치수)보다 크고, 박판 사이드 시일부(42)를 기준으로 하여 저압 영역측(Ls)으로 돌출되어 있다. 이 베이스부(41)는, 박판 시일편(21)의 헤드부(22)와 몸통부(25)의 사이의 고압 영역측(Hs)의 움푹부(28a)에 인입되어 있다.

저압 사이드 시일판(50)은, 전술한 바와 같이, 시일체(20)의 저압 영역측(Ls)에 배치되어 있다. 이 저압 사이드 시일판(50)도, 고압 사이드 시일판(40)과 마찬가지로, 직경 방향 외측의 베이스부(51)와, 이 베이스부(51)로부터 직경 방향 내측을 향하여 연장되어 있는 박판 사이드 시일부(52)를 갖고 있다. 베이스부(51)는, 그 두께 방향의 치수(축 방향(Da)의 치수)가 박판 사이드 시일부(52)의 두께 방향의 치수(축 방향(Da)의 치수)보다 크고, 박판 사이드 시일부(52)를 기준으로 하여 고압 영역측(Hs)으로 돌출되어 있다. 이 베이스부(51)는, 박판 시일편(21)의 헤드부(22)와 몸통부(25)의 사이의 저압 영역측(Ls)의 움푹부(28b)에 인입되어 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 저압 사이드 시일판(50)의 박판 사이드 시일부(52)에 있어서의 직경 방향(Dr)의 길이 치수는, 고압 사이드 시일판(40)의 박판 사이드 시일부(42)에 있어서의 직경 방향(Dr)의 길이 치수보다 작다. 이 때문에, 저압 사이드 시일판(50)의 박판 사이드 시일부(52)에 있어서의 직경 방향 내측 가장자리로부터 회전축(6)까지의 거리는, 고압 사이드 시일판(40)의 박판 사이드 시일부(42)에 있어서의 직경 방향 내측 가장자리로부터 회전축(6)까지의 거리보다 길다. 환언하면, 회전축(6)과 저압 사이드 시일판(50)의 직경 방향 내측 가장자리의 간격은, 회전축(6)과 고압 사이드 시일판(40)의 직경 방향 내측 가장자리의 간격보다 크다.

이상에서 설명한 박판 시일편(21), 고압 사이드 시일판(40), 저압 사이드 시일판(50)은, 모두, 탄성 변형이 가능하며, 뛰어난 내열성을 갖는 Ni기 합금인 인코넬(inconel:등록상표)계 합금이나, Co기 합금인 스텔라이트(stellite:등록상표)계 합금 등으로 형성되어 있다.

하우징(60)은, 환상의 장착부(9)에 장착 가능하도록, 외형이 둘레 방향(Dc)으로 원호 형상을 이루고 있다. 또한, 이 하우징(60)에는, 직경 방향 내측으로부터 직경 방향 외측을 향하여 움푹하며, 둘레 방향(Dc)으로 연장되는 환상 오목부(61)가 형성되어 있다. 환상 오목부(61)는 환상 오목부(61)의 직경 방향 내측을 형성하는 내측 환상 오목부(62)와, 환상 오목부(61)의 직경 방향 외측을 형성하고 내측 환상 오목부(62)와 연결되어 있는 외측 환상 오목부(65)를 갖는다.

내측 환상 오목부(62)의 축 방향(Da)의 폭 치수는, 박판 시일편(21)에 있어서의 몸통부(25)의 축 방향(Da)의 폭 치수와, 고압 사이드 시일판(40)의 두께 방향의 치수(축 방향(Da)의 치수)와, 저압 사이드 시일판(50)의 두께 방향의 치수(축 방향(Da)의 치수)를 합한 치수보다 약간 크다.

외측 환상 오목부(65)의 축 방향(Da)의 폭 치수는, 박판 시일편(21)의 헤드부(22)가 보지 링(30)으로 보지되어 있는 상태에서의 헤드부(22)와 보지 링(30)을 포함한 축 방향(Da)의 폭 치수보다 약간 크다. 이 때문에, 외측 환상 오목부(65)의 축 방향(Da)의 폭 치수는 내측 환상 오목부(62)의 축 방향(Da)의 폭 치수보다 크다.

보지 링(30)으로 보지되어 있는 박판 시일편(21)은, 보지 링(30)과 함께, 하우징(60)의 환상 오목부(61)에 배치되어 있다. 또한, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)는, 그 대부분이 하우징(60)의 내측 환상부(62) 내에 배치되어 있다. 단, 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)은, 하우징(60)의 내측 환상부(62)로부터 직경 방향 내측으로, 즉, 회전축(6)측으로 돌출되어 있다.

하우징(60)의 외측 환상부(65)를 획정하는 면 중, 직경 방향 내측을 향하여 회전축(6)의 외주면과 대향하고 있는 면과 보지 링(30)의 사이에는, 배면 스페이서(39)가 배치되어 있다. 보지 링(30) 및 이 보지 링(30)으로 보지되어 있는 박판 시일편(21)의 헤드부(22)는, 이 배면 스페이서(39)에 의해, 하우징(60)에 대한 직경 방향(Dr)의 상대 위치가 고정되어 있다.

하우징(60)에는, 도 3, 도 4 및 도 6에 도시하는 바와 같이, 하우징(60)의 내측 환상 오목부(62)를 획정하는 면 중, 둘레 방향(Dc)으로 넓어지는 고압 영역측(Hs)의 고압측 내면(63)에 유입 홈(66)이 형성되어 있다. 이 유입 홈(66)은, 고압측 내면(63)의 직경 방향 외측에 형성되어 있다. 보다 구체적으로는, 유입 홈(66)의 직경 방향 외측 가장자리의 위치는, 고압측 내면(63)의 직경 방향 외측 가장자리(내측 환상 오목부(62)의 직경 방향 외측 가장자리)의 위치와 일치하고 있다. 또한, 이 유입 홈(66)의 직경 방향 내측 가장자리의 위치는 후술하는 연통 홈(68)의 직경 방향 외측 가장자리의 위치와 일치하고 있다. 하우징(60)과 고압 사이드 시일판(40)의 사이에서 유입 홈(66) 내는 유입 공간(67)을 이루고 있다.

또한, 하우징(60)에는, 고압측 내면(63)의 일부분의 움푹부에 의해, 유입 홈(66)으로부터 직경 방향 내측으로 연장되는 복수의 연통 홈(68)이 형성되어 있다. 복수의 연통 홈(68)은 둘레 방향(Dc)에 간격을 두고 고압측 내면(63)에 형성되어 있다. 하우징(60)과 고압 사이드 시일판(40)의 사이에서 복수의 연통 홈(68) 내는 연통로(69)를 이루고 있다.

다음에, 본 실시형태에 있어서의 축 시일 장치(100)의 작용에 대하여 설명한다.

우선, 도 7을 참조하여, 회전축(6)이 회전하고, 고압 영역측(Hs)의 작동 유체의 압력이 저압 영역측(Ls)의 압력보다 높아지는 정상시의 작용에 대하여 설명한다. 이와 같이, 정상시에서는, 고압 영역측(Hs)이 고압(H)이 되고, 저압 영역측(Ls)이 저압(L)이 된다.

정상시에 있어서, 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)에는, 회전축(6)의 회전에 의해서 생기는 동압 효과에 의해, 회전축(6)의 외주면으로부터 부상시키는 부상력이 작용한다.

또한, 박판 시일편(21)의 묶음인 시일체(20) 및 박판 시일편(21)의 헤드부(22)를 보지하는 보지 링(30)은, 고압 영역측(Hs)이 고압(H)이기 때문에, 하우징(60)의 환상 오목부(61) 내의 저압 영역측(Ls)으로 일체적으로 편향된다.

저압 사이드 시일판(50)은, 하우징(60)의 내측 환상 오목부(62)를 획정하는 면 중, 저압 영역측(Ls)의 저압측 내면(64)에 접한다. 한편, 이 저압 사이드 시일판(50)은 시일체(20)의 저압 영역측(Ls) 가장자리로부터 멀어진다. 또한, 고압 사이드 시일판(40)은, 시일체(20)의 고압 영역측(Hs) 가장자리에, 보다 구체적으로는, 박판 시일편(21)에 있어서의 몸통부(25)의 고압 영역측(Hs) 가장자리에 접한다. 이 때문에, 박판 시일편(21)의 상호간에는, 박판 시일편(21)의 고압 영역측(Hs) 가장자리 중, 고압 사이드 시일판(40)과 접하고 있지 않은 직경 방향 내측의 부분으로부터 고압 영역(H)의 작동 유체가 유입된다. 박판 시일편(21) 상호간에 유입된 작동 유체는, 여기로부터 저압 영역측(Ls)으로 흐른다.

그런데, 저압 사이드 시일판(50)은 시일체(20)의 저압 영역측(Ls) 가장자리로부터 멀어져 있기 때문에, 시일체(20)를 형성하는 박판 시일편(21)의 몸통부(25)의 저압 영역측(Ls) 가장자리와 저압 사이드 시일판(50)의 사이에 공간이 형성되어 있게 된다. 이 공간은 저압 영역(L)의 압력과 실질적으로 동일한 압력이 된다. 즉, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)에 있어서의 저압 영역측(Ls) 가장자리의 직경 방향 전역에서의 압력은 저압 영역(L)의 압력과 실질적으로 동일하다. 한편, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)에 있어서의 고압 영역측(Hs) 가장자리에서는, 고압 영역측(Hs)의 작동 유체가 유입되는 부분, 즉, 고압 사이드 시일판(40)이 접하고 있지 않은 직경 방향 내측의 부분의 압력이 가장 높아진다.

따라서, 박판 시일편(21)의 상호간에서는, 시일판의 몸통부(25)에 있어서의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 직경 방향 내측의 부분의 압력이 가장 높고, 축 방향(Da)에 있어서 저압 영역측(Ls)을 향함에 따라서 압력이 점차 낮아지는 동시에, 직경 방향 외측을 향함에 따라서도 압력이 점차 낮아진다. 또한, 도 7 중의 박판 시일편(21)의 몸통부(25) 중에 묘사되어 있는 점선은 등압선(Li)이다.

박판 시일편(21)의 상호간은 이상과 같은 압력 분포이기 때문에, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)에 있어서의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 직경 방향 내측의 부분으로부터 박판 시일편(21)의 상호간에 유입된 작동 유체는, 축 방향(Da)에 있어서 저압 영역측(Ls)을 향하면서도 직경 방향 외측을 향하여 흐른다. 이와 같이, 박판 시일편(21)의 상호간에서는, 도 7에 나타내는 화살표와 같이 직경 방향 외측을 향하는 작동 유체의 흐름이 생기기 때문에, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측의 부분에는, 부상력(Fu)이 발생한다.

이상과 같이, 정상시에는, 회전축(6)의 회전에 의해서 생기는 동압 효과에 의한 부상력과, 각 박판 시일편(21)의 상호간의 유체의 흐름(정상시 흐름)에 의한 부상력(Fu)이 발생한다. 이 때문에, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)인 자유단은 회전축(6)으로부터 부상한다.

다음에, 저압 영역측(Ls)의 압력이 고압 영역측(Hs)의 압력보다 높아지는 비정상시의 작용에 대하여 설명한다. 이와 같이, 비정상시에서는, 고압 영역측(Hs)이 저압(L)이 되고, 저압 영역측(Ls)이 고압(H)이 된다.

여기서, 본 실시형태의 축 시일 장치(100)의 작용의 이해를 돕기 위해서, 비교예의 축 시일 장치(100x)에 있어서의 비정상시의 작용에 대해 도 10을 참조하여 설명한다.

비교예의 축 시일 장치(100x)는, 하우징(60x)의 고압측 내면(63x)에, 제 1 실시형태에 있어서의 유입 홈(66) 및 연통 홈(68)이 형성되어 있지 않은 점을 제외하고, 본 실시형태의 축 시일 장치(100)와 동일한 구성이다. 따라서, 비교예의 축 시일 장치(100x)에는, 본 실시형태의 축 시일 장치(100)와 상이하게, 유입 홈(66) 및 연통로(69)가 형성되어 있지 않다.

비정상시에 있어서, 박판 시일편(21)의 묶음인 시일체(20) 및 박판 시일편(21)의 헤드부(22)를 보지하는 보지 링(30)은 저압 영역측(Ls)이 고압(H)이기 때문에, 하우징(60x)의 환상 오목부(61) 내의 고압 영역측(Hs)으로 일체적으로 편향된다.

저압 사이드 시일판(50)은 하우징(60x)의 저압측 내면(64)으로부터 멀어지는 한편, 시일체(20)의 저압 영역측(Ls) 가장자리에 접한다. 또한, 고압 사이드 시일판(40)은 시일체(20)의 고압 영역측(Hs) 가장자리로부터 멀어지는 한편, 하우징(60x)의 고압측 내면(63x)에 접한다. 이 때문에, 박판 시일편(21) 상호간에는, 박판 시일편(21)의 저압 영역측(Ls) 가장자리 중, 저압 사이드 시일판(50)과 접하고 있지 않은 직경 방향 내측의 부분으로부터 고압(H)의 저압 영역측(Ls)의 유체가 유입된다.

그런데, 전술한 바와 같이, 회전축(6)과 저압 사이드 시일판(50)의 직경 방향 내측 가장자리의 간격은 회전축(6)과 고압 사이드 시일판(40)의 직경 방향 내측 가장자리의 간격보다 크다. 이 때문에, 박판 시일편(21)의 상호간에서, 비정상시에서의 가장 압력의 높은 부분, 즉, 박판 시일편(21)의 저압 영역측(Ls) 가장자리 중, 저압 사이드 시일판(50)과 접하고 있지 않은 직경 방향 내측의 부분은, 정상시에서의 가장 압력이 높은 부분보다 직경 방향 외측으로 넓어져 있다.

따라서, 박판 시일편(21)의 상호간에서는, 시일판의 몸통부(25)에 있어서의 저압 영역측(Ls) 가장자리의 직경 방향 내측 부분의 압력이 가장 높고, 축 방향(Da)에 있어서 고압 영역측(Hs)을 향함에 따라서 압력이 점차 낮아지는 동시에, 고압 사이드 시일판(50)의 직경 방향 내측을 향함에 따라서도 압력이 점차 낮아진다. 또한, 도 10 중의 박판 시일편(21)의 몸통부(25) 중에 묘사되어 있는 점선은 등압선(Li)이다.

저압 사이드 시일판(50)과 접하고 있지 않은 박판 시일편(21)의 저압 영역측(Ls) 가장자리의 직경 방향 내측의 부분으로부터 유입된 작동 유체는 이상과 같은 압력 분포이기 때문에, 축 방향(Da)에 있어서 저압(L)의 고압 영역측(Hs)을 향하면서 직경 방향 내측을 향하여 흐른다. 또한, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)에 있어서의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 직경 방향 전역에서의 압력은, 전술한 바와 같이, 고압 영역측(Hs)의 압력과 실질적으로 동일한 압력이 된다. 이 때문에, 박판 시일편(21)의 상호간을 통과한 작동 유체는, 박판 시일편(21)에 있어서의 고압 영역측(Hs) 가장자리로 흐르며, 박판 시일편(21)의 고압 영역측(Hs) 가장자리와 고압 사이드 시일판(40)의 사이를 직경 방향 내측을 향하여 흐른다. 그리고, 고압 사이드 시일판(40)과 회전축(6)의 사이로부터 저압(L)의 영역 내에 유출된다. 이와 같이, 박판 시일편(21)의 상호간에는, 도 10에 나타내는 화살표와 같이 직경 방향 내측을 향하는 작동 유체의 흐름이 발생한다.

이상과 같이, 비교예의 축 시일 장치(100x)에서는, 비정상시, 각 박판 시일편(21)의 상호간의 유체의 흐름(비정상시 흐름)에 의한 침강력(Fd)이 작용하여, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)인 자유단은 회전축(6)으로부터 부상하지 않는 경우가 있다.

다음에, 비정상시에서의 본 실시형태의 축 시일 장치(100)의 작용에 대해 도 8 및 도 9를 참조하여 설명한다.

본 실시형태에서도, 비정상시에 있어서, 박판 시일편(21)의 묶음인 시일체(20) 및 박판 시일편(21)의 헤드부(22)를 보지하는 보지 링(30)은, 비교예와 마찬가지로, 저압 영역측(Ls)이 고압(H)이기 때문에, 하우징(60)의 환상 오목부(61) 내의 고압 영역측(Hs)으로 일체적으로 편향된다.

본 실시형태에서도, 저압 사이드 시일판(50)은 하우징(60)의 저압측 내면(64)으로부터 멀어지는 한편, 시일체(20)의 저압 영역측(Ls) 가장자리에 접한다. 이 때문에, 박판 시일편(21) 상호간에는, 박판 시일편(21)의 저압 영역측(Ls) 가장자리 중, 저압 사이드 시일판(50)과 접하고 있지 않은 직경 방향 내측의 부분으로부터 작동 유체가 유입된다.

또한, 고압 사이드 시일판(40)은 시일체(20)의 고압 영역측(Hs) 가장자리로부터 멀어지는 한편, 하우징(60)의 고압측 내면(63)에 접한다. 이 때문에, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)에서의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 직경 방향 전역에서의 압력은 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 압력과 실질적으로 동일한 압력이 된다.

그런데, 본 실시형태의 축 시일 장치(100)에는, 고압 사이드 시일판(40)과 하우징(60)의 사이에서 직경 방향 외측의 위치에 유입 홈(66)이 형성되어 있다. 박판 시일편(21)의 상호간은, 비정상시에 있어서, 고압 사이드 시일판(40)이 시일체(20)의 고압 영역측(Hs) 가장자리로부터 멀어져 있기 때문에, 유입 홈(66)과 연통되어 있다. 구체적으로, 박판 시일편(21)의 상호간은, 고압 사이드 시일판(40)의 박판 사이드 시일부(42)와 시일체(20)를 형성하는 박판 시일편(21)에 있어서의 몸통부(25)의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 사이, 박판 시일편(21)의 목부(23)와 고압 사이드 시일판(40)의 베이스부(41)의 사이, 및, 고압 영역측(Hs)의 보지 링(30)에 있어서의 직경 방향 내측의 측판(31)과 고압 사이드 시일판(40)의 베이스부(41)의 사이를 거쳐서, 유입 홈(66)과 연통되어 있다.

또한, 이 유입 홈(66)은, 연통로(69)를 거쳐서, 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간과 연통되어 있다. 따라서, 본 실시형태에서는, 비정상시에, 박판 시일편(21)의 상호간으로부터 유입 홈(66) 및 연통로(69)를 지나 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간에 도달하는 비정상시 유로(70)가 형성된다.

이 때문에, 다수의 박판 시일편(21)의 저압 영역측(Ls) 가장자리 중, 저압 사이드 시일판(50)과 접하고 있지 않은 직경 방향 내측의 부분으로부터, 다수의 박판 시일편(21)의 상호간에 유입된 작동 유체는, 박판 시일편(21)의 상호간으로부터 비정상시 유로(70)를 지나, 하우징(60)의 고압 영역측(Hs)의 직경 방향 내측 단부와 회전축(6)의 사이로부터 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간으로 유출된다. 또한, 박판 시일편(21)의 상호간에 유입된 작동 유체의 일부는, 박판 시일편(21)의 상호간을 흘러 고압 사이드 시일판(40)과 회전축(6)의 사이로부터 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간으로 유출된다. 이 때문에, 박판 시일편(21)의 상호간에는, 도 8에 나타내는 화살표와 같이 직경 방향 외측을 향하는 작동 유체의 흐름이 생긴다. 또한, 도 8 중의 박판 시일편(21)의 몸통부(25) 중에 묘사되어 있는 점선은 등압선(Li)이다.

본 실시형태의 축 시일 장치(100)에서는, 비정상시에 있어서, 각 박판 시일편(21)의 상호간의 작동 유체의 흐름 중, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)에서의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 직경 방향 내측의 부분을 지나는 흐름에 의해서, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)측에는 약간의 침강력도 발생한다. 그렇지만, 본 실시형태의 축 시일 장치(100)에서는, 비정상시에 있어서, 비정상시 유로(70)를 지나는 작동 유체의 흐름에 의해서, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)에는 부상력(Fu)이 발생한다.

따라서, 본 실시형태의 축 시일 장치(100)에서는, 비정상시라도, 각 박판 시일편(21)의 상호간의 작동 유체의 흐름(비정상시 흐름)에 의한 부상력(Fu)의 발생에 의해, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)인 자유단을 회전축(6)으로부터 부상시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태의 축 시일 장치(100)에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 정상시에 있어서, 고압 사이드 시일판(40)이 시일체(20)의 고압 영역측(Hs) 가장자리와 접하고 있으며, 비정상시 유로(70) 중에서, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)에서의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 직경 방향 외측의 부분이 폐쇄되어 있다. 이 때문에, 각 박판 시일편(21)에 침강력을 발생시키기 위한 작동 유체의 흐름은 생기지 않는다. 이와 같이, 본 실시형태에서는, 정상시에 있어서, 비정상시 유로(70)의 일부를 고압 사이드 시일판(40)으로 폐쇄하여, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)에 작용하는 침강력의 발생을 억제하고 있다.

이상, 본 실시형태에서는, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)인 자유단은 정상시에는 회전축(6)으로부터 부상하고, 비정상시에는 회전축(6)으로부터 부상하기 때문에, 각 박판 시일편(21)의 마모를 방지할 수 있어서, 시일 수명을 길게 할 수 있다.

「축 시일 장치의 제 2 실시형태」

다음에, 본 발명에 따른 축 시일 장치의 제 2 실시형태에 대해 도 11을 참조하여 설명한다.

제 1 실시형태의 축 시일 장치(100)에서는, 하우징(60)의 고압측 내면(63)에 유입 홈(66) 및 복수의 연통 홈(68)이 형성되어 있다. 한편, 본 실시형태의 축 시일 장치(100a)에서는, 고압 사이드 시일판(40a)에 유입 홈(66a) 및 복수의 연통 홈(68a)이 형성되어 있다.

본 실시형태의 유입 홈(66a)은, 고압 사이드 시일판(40a)의 박판 사이드 시일부(42a)에 있어서, 하우징(60a)의 고압측 내면(63a)과 대향하는 면에 형성되어 있다. 이 유입 홈(66a)은 박판 사이드 시일부(42a)의 직경 방향 외측에 둘레 방향(Dc)으로 연장되어 형성되어 있다. 하우징(60a)과 고압 사이드 시일판(40a)의 사이에서 유입 홈(66a) 내는, 유입 공간(67a)을 이루고 있다.

본 실시형태의 복수의 연통 홈(68a)은, 하우징(60a)의 고압측 내면(63)에 대하여, 박판 사이드 시일부(42a)의 일부분의 움푹부에 의해, 유입 홈(66a)으로부터 직경 방향 내측으로 연장되도록 형성되어 있다. 이 복수의 연통 홈(68a)은 둘레 방향(Dc)으로 간격을 두고 형성되어 있다. 하우징(60a)과 고압 사이드 시일판(40a)의 사이에서 복수의 연통 홈(68a) 내는, 연통로(69a)를 이루고 있다.

본 실시형태에서도, 다수의 박판 시일편(21)의 상호간은, 비정상시에 있어서, 고압 사이드 시일판(40a)에 있어서의 박판 사이드 시일부(42a)와 박판 시일편(21)에 있어서의 몸통부(25)의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 사이, 박판 시일편(21)의 목부(23)와 고압 사이드 시일판(40a)의 베이스부(41)의 사이, 및, 고압 영역측(Hs)의 보지 링(30)에 있어서의 직경 방향 내측의 측판(31)과 고압 사이드 시일판(40a)의 베이스부(41)의 사이를 거쳐서, 유입 홈(66a)과 연통되어 있다. 또한, 이 유입 홈(66a)은, 연통로(69a)를 거쳐서, 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간과 연통되어 있다. 따라서, 본 실시형태에서도, 비정상시에 있어서, 박판 시일편(21)의 상호간으로부터 유입 홈(66a) 및 연통로(69a)를 지나 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간에 도달하는 비정상시 유로(70a)가 형성된다. 이 때문에, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 비정상시라도, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)인 자유단을 회전축(6)으로부터 부상시킬 수 있다.

또한, 정상시에는, 고압 사이드 시일판(40a)이 시일체(20)의 고압 영역측(Hs) 가장자리와 접하며, 비정상시 유로(70a) 중에서, 박판 시일편(21)의 몸통부(25)에 있어서의 고압 영역측(Hs) 가장자리의 직경 방향 외측의 부분이 폐쇄된다. 이 때문에, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 정상시에 있어서, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)인 자유단은 회전축(6)으로부터 부상한다.

따라서, 본 실시형태에서도, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 각 박판 시일편(21)의 마모를 방지할 수 있어서, 시일 수명을 길게 할 수 있다.

「축 시일 장치의 제 3 실시형태」

다음에, 본 발명에 따른 축 시일 장치의 제 3 실시형태에 대해 도 12를 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 축 시일 장치(100b)는, 제 1 실시형태의 축 시일 장치(100)의 변형예이다. 제 1 실시형태의 축 시일 장치(100)에서는, 하우징(60)의 고압측 내면(63)에 유입 홈(66) 및 복수의 연통 홈(68)이 형성되며, 고압 사이드 시일판(40)과 하우징(60)의 사이에서, 유입 홈(66) 내가 유입 공간(67)을 이루며, 복수의 연통 홈(68) 내가 연통로(69)를 이루고 있다.

본 실시형태에서도, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 하우징(60b)의 고압측 내면(63b)에 유입 홈(66)이 형성되며, 고압 사이드 시일판(40)과 하우징(60b)의 사이에서, 유입 홈(66) 내가 유입 공간(67)을 이루고 있다. 그렇지만, 본 실시형태의 연통로(69b)는, 유입 공간(67)으로부터, 하우징(60b)을 관통하며, 고압 영역측(Hs)의 공간에 연통되어 있다. 하우징(60b)에는, 이 연통로(69b)가 둘레 방향(Dc)으로 서로 간격을 두고 복수 형성되어 있다. 따라서, 본 실시형태에서도, 비정상시에 있어서, 박판 시일편(21)의 상호간으로부터 유입 홈(66) 및 연통로(69b)를 지나 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간에 도달하는 비정상시 유로(70b)가 형성된다.

이와 같이, 연통로는, 유입 홈과 고압 영역측(Hs)의 공간을 연통시킬 수 있으면, 제 1 및 제 2 실시형태와 마찬가지로, 고압 사이드 시일판과 하우징의 사이에 형성하지 않아도 좋다.

또한, 본 실시형태는, 제 1 실시형태의 변형예이지만, 제 2 실시형태에 있어서도, 본 실시형태와 마찬가지로, 유입 홈(66a)으로부터, 하우징(60a)을 관통하며, 비정상시에 저압(L)이 되는 고압 영역측(Hs)의 공간에 연통하는 연통로를 형성하여도 좋다.

「축 시일 장치의 제 4 실시형태」

다음에, 본 발명에 따른 축 시일 장치의 제 4 실시형태에 대해 도 13을 참조하여 설명한다.

이상의 각 실시형태에 있어서의 축 시일 장치(100, 100a, 100b)에서는, 고압 사이드 시일판(40, 40a)을 정상시에 비정상시 유로(70, 70a, 70b)의 일부를 폐쇄하는 폐색재로서 이용하고 있다. 본 실시형태의 축 시일 장치(100c)는, 고압 사이드 시일판(40c)을 폐색재로서 이용하지 않고, 별도로, 폐색재(76)를 마련한 것이다.

본 실시형태에서는, 고압 사이드 시일판(40c)에 있어서의 박판 사이드 시일부(42c)의 직경 방향 외측에는, 축 방향(Da)으로 관통한 관통 구멍(45)이 형성되어 있다. 하우징(60c)의 고압측 내면(63c)에서, 관통 구멍(45)과 축 방향(Da)으로 대향하는 위치에는, 둘레 방향(Dc)으로 연장되어 있는 유입 홈(66)이 형성되어 있다. 본 실시형태에서도, 고압 사이드 시일판(40c)과 하우징(60c)의 사이에서, 유입 홈(66) 내가 유입 공간(67)을 이루고 있다. 하우징(60c)에는, 유입 공간(67)으로부터 하우징(60c)을 관통하며, 비정상시에 저압(L)이 되는 고압 영역측(Hs)의 공간에 연통되어 있는 복수의 연통로(69c)가 형성되어 있다.

하우징(60c)에는, 또한, 각 연통로(69c) 중의 위치에, 연통로(69c)의 내경보다 큰 직경의 폐색재 수납부(75)가 형성되어 있다. 이 폐색재 수납부(75) 내에는, 폐색재(76)와 스프링 등의 탄성체(77)가 배치되어 있다. 이 폐색재(76)는, 폐색재 수납부(75) 내에서, 연통로(69c)를 폐쇄하는 폐쇄 위치와 연통로(69c)를 개방하는 개방 위치의 사이에서 이동 가능하다. 탄성체(77)는 폐색재(76)를 개방 위치로부터 폐쇄 위치를 향하여 부세한다.

본 실시형태에서는, 다수의 박판 시일편(21)의 상호간, 고압 사이드 시일판(40c)의 관통 구멍(45), 하우징(60c)에 형성되어 있는 유입 공간(67), 연통로(69c) 및 폐색재 수납부(75)가 비정상시 유로(70c)를 형성한다.

비정상시에 있어서, 저압 영역(L)으로부터 다수의 박판 시일편(21)의 상호간에 유입된 유체의 일부는, 고압 사이드 시일판(40c)의 관통 구멍(45)을 경유하여, 유입 공간(67)에 유입된다. 유입 공간(67)에 유입된 유체의 압력은 폐색재(76)를 개방 위치로부터 폐쇄 위치의 방향으로 부세하는 부세력으로 증가시키고 있다. 이 때문에, 폐색재(76)는, 비정상시에서는, 폐색재 수납부(75) 내의 개방 위치에 위치하며, 연통로(69c)는 개방되어 있다. 따라서, 유입 공간(67)에 유입된 유체는 연통로(69c)를 통과하고, 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간에 유입된다.

한편, 폐색재(76)는, 정상시, 유입 공간(67)측으로부터 압력을 받지 않기 때문에, 탄성체(77)의 부세력에 의해, 폐색재 수납부(75) 내의 폐쇄 위치에 위치하며, 연통로(69c)의 일부는 폐쇄된다.

이상과 같이, 본 실시형태에서도, 비정상시라도, 고압(H)의 저압 영역측(Ls)으로부터 유체의 일부가 비정상시 유로(70c)를 거쳐서, 저압(L)의 고압 영역측(Hs)의 공간에 유입되므로, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)인 자유단을 회전축(6)으로부터 부상시킬 수 있다. 또한, 정상시에는, 비정상시 유로(70c) 중의 일부가 폐쇄되기 때문에, 각 박판 시일편(21)의 직경 방향 내측단(21b)인 자유단은 회전축(6)으로부터 부상한다.

「축 시일 장치의 제 ５ 실시형태」

다음에, 본 발명에 따른 축 시일 장치의 제 ５ 실시형태에 대해 도 14를 참조하여 설명한다.

본 실시형태의 축 시일 장치(100d)는, 제 4 실시형태의 축 시일 장치(100c)의 변형예이다. 제 4 실시형태의 축 시일 장치(100c)에서는, 하우징(60c)의 고압측 내면(63c)에 유입 홈(66)이 형성되며, 고압 사이드 시일판(40c)과 하우징(60c)의 사이에서, 유입 홈(66) 내가 유입 공간(67)을 이루고 있다.

본 실시형태에서는, 박판 시일편(21d)에 있어서의 몸통부(25d)의 직경 방향 외측 부분이 고압 영역측(Hs) 가장자리로부터 저압 영역측(Ls)으로 움푹한 움푹부가 형성되어 있다. 이 때문에, 박판 시일편(21d)의 묶음인 시일체(20d)의 직경 방향 외측의 부분에는, 고압 영역측(Hs) 가장자리로부터 저압 영역측(Ls)으로 움푹하며 둘레 방향(Dc)으로 연장되는 유입 홈(66d)이 형성되어 있다. 시일체(20d)와 고압 사이드 시일판(40d)의 사이에서, 유입 홈(66d) 내는, 유입 공간(67d)을 이룬다.

고압 사이드 시일판(40d)에 있어서의 박판 사이드 시일부(42d)의 유입 홈(66d)과 대향하는 위치에는, 축 방향(Da)으로 관통하는 관통 구멍(45d)이 형성되어 있다. 하우징(60d)에는, 고압 사이드 시일판(40d)의 관통 구멍(45d)과 대향하는 위치로부터 하우징(60d)을 관통하며, 비상시에 저압(L)이 되는 고압 영역측(Hs)의 공간에 연통되어 있는 복수의 연통로(69d)가 형성되어 있다. 본 실시형태에서도, 제 4 실시형태와 마찬가지로, 하우징(60d)에는, 또한, 각 연통로(69d) 중의 위치에, 연통로(69d)의 내경보다 큰 직경의 폐색재 수납부(75)가 형성되어 있다. 이 폐색재 수납부(75) 내에는, 폐색재(76)와 스프링 등의 탄성체(77)가 배치되어 있다.

본 실시형태에서는, 다수의 박판 시일편(21d)의 상호간, 시일체(20d)에 형성되어 있는 유입 공간(67d), 고압 사이드 시일판(40d)의 관통 구멍(45d), 하우징(60d)에 형성되어 있는 연통로(69d) 및 폐색재 수납부(75)가 비정상시 유로(70d)를 형성한다.

이상과 같이, 유입 공간(67d)은 하우징과 고압 사이드 시일판의 사이 뿐만 아니라, 고압 사이드 시일판(40d)과 시일체(20d)의 사이에 형성하는 것도 가능하다.

또한, 이상에서는, 축 시일 장치를 가스 터빈에 적용하는 경우에 대하여 설명했지만, 본 발명의 축 시일 장치는 이것에 한정되는 것이 아니며, 예를 들면, 증기 터빈, 압축기, 수차(水車), 냉동기, 펌프 등 각종 회전 기계에도 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 일 태양에 의하면, 저압 영역이 고압 영역보다 고압이 되는 비정상시에, 각 박판 시일편의 자유단과 회전축의 접촉압이 저하되어, 시일 수명을 길게 할 수 있다.

2 : 압축기
2a : 압축기 로터
2b : 압축기 케이싱
3 : 연소기
4 : 터빈
4a : 터빈 로터
4b : 터빈 케이싱
6, 6b, 6d : 회전축
8 : 스테이터
9 : 장착부
10a, 10b, 10c, 10d, 100, 100a, 100b, 100c, 100d : 축 시일 장치
20, 20d : 시일체
21, 21d : 박판 시일편
21b : 직경 방향 내측 단부
22 : 헤드부
23 : 목부
25, 25d : 몸통부
30 : 보지 링
40, 40a, 40c, 40d : 고압 사이드 시일판
50 : 저압 사이드 시일판
60, 60a, 60b, 60c, 60d : 하우징
61 : 환상 오목부
63, 63a, 63b, 63c : 고압 내측면
64 : 저압 내측면
66, 66a, 66d : 유입 홈
67, 67a, 67d : 유입 공간
68, 68a : 연통 홈
69, 69a, 69b, 69c, 69d : 연통로
70, 70a, 70b, 70c, 70d : 비정상시 유로
75 : 폐색재 수납부
76 : 폐색재
77 : 탄성체

Claims (9)

1. 회전축과 상기 회전축의 외주측을 덮는 스테이터의 사이의 환상 공간을 상기 회전축이 연장되는 축 방향으로 저압 영역측과 고압 영역측으로 나누는 축 시일 장치에 있어서,
   상기 회전축을 중심으로 하여 둘레 방향으로 연장되는 환상 오목부가 형성되며, 상기 스테이터에 고정되어 있는 하우징과,
   상기 회전축의 외주에 배치되며, 상기 회전축의 직경 방향 외측의 부분이 상기 하우징의 상기 환상 오목부에 수납되어 있는 시일체와,
   두께 방향을 상기 축 방향을 향하게 하고, 상기 하우징의 상기 환상 오목부 내에서 상기 시일체의 상기 고압 영역측을 따라서 배치되어 있는 고압 사이드 시일판을 구비하고,
   상기 시일체와 상기 하우징과 상기 고압 사이드 시일판 중 어느 하나의 부재의 상기 직경 방향 외측에, 상기 저압 영역측의 유체가 상기 시일체 내의 일부를 통해서 유입할 수 있는 유입 홈이 형성되며,
   상기 하우징과 상기 고압 사이드 시일판 중 한쪽의 부재에, 상기 유입 홈과 상기 고압 영역측의 공간을 연통시키는 연통로가 형성되어 있는
   축 시일 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 저압 영역측의 압력에 대한 상기 고압 영역측의 상대 압력 변화로 변위되며, 상기 저압 영역측이 상기 고압 영역측보다 고압인 비정상시에, 상기 시일체로부터 상기 유입 홈 및 상기 연통로를 지나 상기 고압 영역측의 공간에 도달하는 비정상시 유로를 개방하고, 상기 고압 영역측이 상기 저압 영역측보다 고압인 정상시에, 상기 비정상시 유로의 일부를 폐쇄하는 폐색재를 구비하고 있는
   축 시일 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 고압 사이드 시일판은, 상기 하우징 및 상기 시일체에 대하여, 상기 축 방향으로 상대 이동 가능하도록 상기 환상 오목부에 배치되며,
   상기 폐색재는, 상기 정상시에, 상기 시일체에 접하며 상기 비정상시 유로의 일부를 폐쇄하고, 상기 비정상시에, 상기 시일체에 대하여 비접촉 상태가 되고 상기 비정상시 유로를 개방하는 상기 고압 사이드 시일판인
   축 시일 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하우징에는, 상기 유입 홈으로부터 상기 하우징 내를 관통해서 상기 고압 영역측의 공간에 연통하는 복수의 상기 연통로가 형성되어 있는
   축 시일 장치.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 하우징에는, 상기 유입 홈으로부터 상기 하우징 내를 관통해서 상기 고압 영역측의 공간에 연통하는 복수의 상기 연통로가 형성되어 있는 동시에, 상기 연통로와 연통해서 상기 폐색재를 수납하고, 상기 정상시에 상기 연통로를 폐쇄하는 폐쇄 위치와, 상기 비정상시에 상기 연통로를 개방하는 개방 위치의 사이에서, 상기 폐색재를 이동 가능하게 수납하는 폐색재 수납부가 형성되어 있는
   축 시일 장치.
6. 회전축과 상기 회전축의 외주측을 덮는 스테이터의 사이의 환상 공간을 상기 회전축이 연장되는 축 방향으로 저압 영역측과 고압 영역측으로 나누는 축 시일 장치에 있어서,
   상기 회전축을 중심으로 하여 둘레 방향으로 연장되는 환상 오목부가 형성되며, 상기 스테이터에 고정되어 있는 하우징과,
   상기 회전축의 외주에 배치되며, 상기 회전축의 직경 방향 외측의 부분이 상기 하우징의 상기 환상 오목부에 수납되어 있는 시일체와,
   두께 방향을 상기 축 방향을 향하게 하고, 상기 하우징의 상기 환상 오목부 내에서 상기 시일체의 상기 고압 영역측을 따라서 배치되어 있는 고압 사이드 시일판을 구비하고,
   상기 시일체와 상기 하우징과 상기 고압 사이드 시일판 중 상기 시일체를 포함하는 부재에는, 상기 저압 영역측이 상기 고압 영역측보다 고압인 비정상시에 상기 저압 영역측의 유체가 상기 고압 영역측으로 흐르는 과정에서, 상기 시일체를 상기 회전축에 대하여 부상시키는 흐름을 발생시키는 비정상시 유로가 형성되어 있는
   축 시일 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 저압 영역측의 압력에 대한 상기 고압 영역측의 상대 압력 변화로 변위되며, 상기 고압 영역측이 상기 저압 영역측보다 고압인 정상시에, 상기 비정상시 유로의 일부를 폐쇄하고, 상기 비정상시에 상기 비정상시 유로를 개방하는 폐색재를 구비하고 있는
   축 시일 장치.
8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 축 시일 장치와,
   상기 회전축과,
   상기 스테이터를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는
   회전 기계.
9. 제 6 항 또는 제 7 항에 기재된 축 시일 장치와,
   상기 회전축과,
   상기 스테이터를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는
   회전 기계.

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