KR20140110045A

KR20140110045A - 축 시일 장치

Info

Publication number: KR20140110045A
Application number: KR1020147021763A
Authority: KR
Inventors: 히데카즈 우에하라; 다네히로 시노하라; 신 니시모토; 다카시 나카노
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-09-16
Also published as: CN104126088B; KR101799629B1; JP5851890B2; KR20160089537A; WO2013132936A1; EP2824370A1; US9841104B2; JP2013185652A; IN2014MN01641A; EP2824370A4; US20130234397A1; CN104126088A; EP2824370B1

Abstract

이 축 시일 장치(1)는 로터(2)와 로터(2)의 외주측을 둘러싸는 스테이터 사이의 환상 공간에 설치되고, 스테이터에 지지되어 있는 시일 장치 본체(4)에 의해 환상 공간을 로터의 축 방향에 있어서 저압측 영역과 고압측 영역으로 나누는 축 시일 장치(1)이며, 시일 장치 본체는, 로터를 둘러싸도록 스테이터에 지지되어 있는 시일 링(11)이며, 원주 방향 단부가 서로 인접하는 가동 시일 링(12)과, 고정 시일 링(13)으로부터 분할 구조로 형성되고, 가동 시일 링(12)이 탄성체(28)에 의해 직경 방향 외측으로 가압되어 있는 시일 링과, 시일 링으로부터 로터의 직경 방향 내측을 향해 연장되는 박판 시일편(10)을 로터의 둘레 방향으로 복수 적층시켜 이루어지는 시일체(9)를 구비하고, 저압측 영역과 고압측 영역을 연통시키는 연통부(34)를 갖는다.

Description

축 시일 장치 {SHAFT SEAL DEVICE}

본 발명은 로터와 스테이터 사이의 환상 공간을 밀봉하여, 이 환상 공간을 저압측 영역과 고압측 영역으로 나누는 축 시일 장치에 관한 것이다.

본원은, 2012년 3월 8일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-051464호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

가스 터빈, 증기 터빈 등의 회전 기계에 있어서의 로터의 주위에는, 고압측으로부터 저압측으로 흐르는 작동 유체의 누설량을 적게 하기 위해, 축 시일 장치가 설치되어 있다. 이 축 시일 장치의 일례로서, 예를 들어 이하의 특허문헌 1에 기재된 축 시일 장치가 알려져 있다.

이 축 시일 장치는, 스테이터에 설치된 하우징과, 다수의 박판 시일편으로 이루어지는 시일체를 구비하고 있다.

시일체는, 다수의 박판 시일편이 각각의 두께 방향을 로터의 둘레 방향을 향해, 서로 미소 간격을 두고 적층되어 있다. 각 박판 시일편은, 그 직경 방향 내측의 단부(선단)가 그 직경 방향 외측의 단부(후단부)보다도 로터의 회전 방향 전방측에 위치하도록 경사져 배치되어 있다. 각 박판 시일편은, 후단부가 서로 연결됨과 함께, 선단이 자유 단부로 되어 있다.

이와 같이 개략 구성되는 축 시일 장치에 있어서는, 로터가 정지하고 있을 때에는 각 박판 시일편의 선단이 로터와 접촉하고 있다. 그리고, 로터가 회전하면 상기 로터의 회전에 의해 발생하는 동압 효과에 의해, 박판 시일편의 선단이 로터의 외주로부터 부상하여 로터와 비접촉 상태로 된다. 이로 인해, 이 축 시일 장치에서는, 각 박판 시일편의 마모가 억제되어, 시일 수명을 길게 할 수 있을 가능성이 있다.

한편, 특히 회전 기계의 기동 시에 있어서는, 상류측으로부터 배관 스케일(녹 등)이 시일체에 유입되는 경우가 있다. 이에 의해, 각 박판 시일편간의 간극이나 시일체와 로터 표면 사이에 배관 스케일이 개재해 버려, 시일 성능이 저하되거나, 마모가 발생하여 내구성이 저하될 가능성이 있다.

이 현상을 회피하는 수단으로서는, 하우징을 로터 직경 방향 외측으로 가압하는 가압 수단을 설치함으로써, 기동/정지 시에 있어서는, 가압력으로 시일체를 직경 방향 외측으로 이동시키고, 정격 운전 시에 있어서는, 시일 차압으로 시일체를 직경 방향 내측으로 이동시키는 자동 간극 조정 기능이 알려져 있다.

일본 특허 제3616016호 공보

그러나, 축 시일 장치에 자동 간극 조정 기능을 갖게 함으로써, 기동/정지 시에 있어서의 이물질 배출성은 향상되지만, 정격 운전 중에 있어서의 이물질은 배출할 수 없다. 또한, 통상, 자동 간극 조정을 구비한 축 시일 장치가 기능하는 고압차 조건에서는, 정격 운전 시에 있어서, 시일체의 전후에 발생하는 차압이 커지고, 시일체의 내압에 문제가 발생하는 경우가 있다.

본 발명은 박판 시일편을 복수 적층시켜 이루어지는 시일체를 구비한 축 시일 장치에 있어서, 시일체의 성능 안정성을 향상시킬 수 있는 축 시일 장치를 제공한다.

(1) 본 발명의 제1 형태에 따르면, 축 시일 장치는, 로터와 상기 로터의 외주측을 둘러싸는 스테이터 사이의 환상 공간에 설치되고, 상기 스테이터에 지지되어 있는 시일 장치 본체에 의해 상기 환상 공간을 상기 로터의 축 방향에 있어서 저압측 영역과 고압측 영역으로 나누는 축 시일 장치이며, 상기 시일 장치 본체는, 상기 로터를 둘러싸도록 상기 스테이터에 지지되어 있는 시일 링이며, 원주 방향 단부가 서로 인접하는 가동 시일 링과, 고정 시일 링으로부터 분할 구조로 형성되고, 상기 가동 시일 링이 탄성체에 의해 직경 방향 외측으로 가압되어 있는 시일 링과, 상기 시일 링으로부터 상기 로터의 직경 방향 내측을 향해 연장되는 박판 시일편을 상기 로터의 둘레 방향으로 복수 적층시켜 이루어지는 시일체를 구비하고, 상기 저압측 영역과 상기 고압측 영역을 연통시키는 연통부를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 따르면, 정격 운전 시에 있어서도 연통부를 통해 이물질이 배출되므로, 이물질에 의한 시일 기능 저하나 마모를 방지할 수 있다. 또한, 정격 운전 시에 있어서, 시일체 전후에 발생하는 차압이 작아지므로, 시일체에 요구되는 내압을 만족할 수 있다.

(2) 상기 (1)에 기재된 축 시일 장치에 있어서, 상기 연통부는, 상기 시일체에 형성되어 상기 로터의 축 방향으로 관통하는 복수의 관통 구멍인 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 시일체는 박판 시일편을 적층시켜 구성하고 있으므로, 보다 용이하게 연통부를 형성할 수 있다. 또한, 연통부의 크기의 조정이 용이하다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 축 시일 장치에 있어서, 상기 연통부는, 상기 시일 링에 형성되어 상기 시일체를 우회하면서 상기 시일체 직전의 고압측 영역과 저압측 영역을 연통시키는 바이패스 유로여도 된다.

(4) 상기 (1)∼(3)에 기재된 축 시일 장치에 있어서, 상기 시일체의 상류측에, 상기 시일 링에 장착된 지지부와, 상기 지지부로부터 로터측으로 돌출되는 복수의 와이어로 이루어지는 브러시 시일이 설치되고, 상기 브러시 시일은, 상기 복수의 와이어 브러시가 탄성 변형하고, 상기 로터에 접촉함으로써 시일을 행하는 것이 바람직하다.

상기 구성에 따르면, 브러시 시일에 의해, 시일체에 관한 압력을 저하시킬 수 있으므로, 시일체에 요구되는 내구성을 보다 낮게 할 수 있다. 또한, 상류측에 브러시 시일을 배치함으로써 하류측의 시일체에의 이물질의 유입도 억제할 수 있다.

(5) 상기 (1)∼(4)에 기재된 축 시일 장치에 있어서, 상기 시일체의 상류측 및 하류측 중 적어도 한쪽에는, 상기 시일 링의 내면에 상기 로터의 축 방향을 따라 서로 간격을 두고 장착되고, 상기 로터의 외면에 접하는 복수의 시일 핀이 설치되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 각 형태에 관한 축 시일 장치에 따르면, 정격 운전 시에 있어서도 연통부를 통해 이물질이 배출되므로, 이물질에 의한 시일 기능 저하나 마모를 방지할 수 있다. 또한, 정격 운전 시에 있어서, 시일체 전후에 발생하는 차압이 작아지므로, 시일체에 요구되는 내압을 만족할 수 있다.

도 1은 축 방향을 포함하는 단면에 있어서의 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 자동 간극 조정 기구와 복수의 연통부를 설명하는 축 방향에서 본 단면도이다.
도 3은 도 1의 시일체의 확대도이다.
도 4는 도 2의 연통부의 확대도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 있어서의 일단부측의 박판 시일편을 짧게 형성한 시일체를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 축 시일 장치 전후의 압력의 변화를 설명하는 그래프이다.
도 7은 축 방향을 포함하는 단면에 있어서의 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 개략 구성도이다.
도 8은 축 방향을 포함하는 단면에 있어서의 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 개략 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 축 시일 장치 전후의 압력의 변화를 설명하는 그래프이다.

(제1 실시 형태)

이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 형태의 축 시일 장치(1)는, 예를 들어 가스 터빈(회전 기계)에 적용된다. 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 축 시일 장치(1)는 로터(2)와 스테이터(3) 사이의 환상 공간에 설치되어 있다. 축 시일 장치(1)는 환상 공간을 저압측 영역과 고압측 영역으로 나누는 장치이다. 로터(2)의 외주면에 대향하는 스테이터(3)의 내주면에는, 로터(2)의 중심축을 중심으로 하여 환상으로 형성된 오목부(14)가 형성되어 있고, 축 시일 장치(1)는 오목부(14) 내에 저장되어 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 축 시일 장치(1)는 스테이터(3)에 지지되어 있는 시일 장치 본체(4)와, 이 시일 장치 본체(4)와 로터(2)의 간극을 자동적으로 조정하는 자동 간극 조정 기구(7)를 갖고 있다. 시일 장치 본체(4)는 2개의 가동 시일 장치 본체(5) 및 2개의 고정 시일 장치 본체(6)로 구성되어 있고, 가동 시일 장치 본체(5)는 로터(2)로부터 이격되는 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 고정 시일 장치 본체(6)는 스테이터(3)측에 고정되어 있다.

2개의 가동 시일 장치 본체(5)와 2개의 고정 시일 장치 본체(6)는, 모두 로터(2)의 중심축을 따르는 방향에서 본 외경이 원호 형상으로 되어 있고, 연결함으로써 원환상을 이루도록 구성되어 있다. 즉, 축 시일 장치(1)는 로터(2)의 둘레 방향으로 분할된 구조이다.

여기서 우선, 가동 시일 장치 본체(5)에 대해 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 가동 시일 장치 본체(5)는 오목부(14)에 저장된 가동 시일 링(12)과, 가동 시일 링(12)의 내면에 로터(2)의 축 방향을 따라 서로 간격을 두고 장착되어 있는 복수의 시일 핀(8)과, 가동 시일 링(12)으로부터 로터(2)의 직경 방향 내측을 향해 연장되는 박판 시일편(10)을 로터(2)의 둘레 방향으로 복수 적층시켜 이루어지는 시일체(9)를 갖고 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 시일체(9)는 로터(2)의 둘레 방향으로 서로 미소 간격을 두고 다중으로 배열된 금속으로 이루어지는 복수의 박판 시일편(10)과, 박판 시일편(10)의 외주측 기단부에 있어서 박판 시일편(10)을 양측으로부터 끼움 지지하는 역 ㄷ자형의 보유 지지 링(15, 16)을 갖고 있다.

또한, 박판 시일편(10)에 있어서의 고압측 영역에 대향하는 한쪽의 측부 테두리와 보유 지지 링(15) 사이에는 고압측 측판(17)이 끼워 넣어져 있다. 박판 시일편(10)에 있어서의 저압측 영역에 대향하는 다른 쪽의 측부 테두리와 보유 지지 링(16) 사이에는 저압측 측판(18)이 끼워 넣어져 있다.

또한, 박판 시일편(10)의 외주측에는, 보유 지지 링(15, 16)을 접속하는 접속 부재(19)와, 보유 지지 링(15, 16)으로 끼움 지지되는 각 박판 시일편(10)의 덜걱거림을 억제하기 위한 스페이서(20)와, 보유 지지 링(15, 16)으로 끼움 지지되는 각 박판 시일편(10)을 로터(2)와 동축을 이루도록 가압 상태로 지지하는 판 스프링(21)이 설치되어 있다.

또한, 가동 시일 링(12)의 외주면에는, 증기압 작용면(31)이 설치되어 있다. 가동 시일 링(12)에는, 고압측 영역과 증기압 작용면(31)을 연통시키는 둘레 방향 복수 개소의 절결부(32)가 형성되어 있다.

이와 같이 구성되는 시일체(9)에 있어서, 박판 시일편(10)은 외주측 기단부의 폭[로터(2)의 축 방향의 폭]에 비해 내주측의 폭[로터(2)의 축 방향의 폭]이 좁아지는 대략 T자형의 얇은 강판에 의해 구성되어 있다. 박판 시일편(10)의 양쪽의 측부 테두리에는, 그 폭이 좁아지는 위치에 있어서 절결부(10a, 10b)가 형성되어 있다.

그리고, 이 박판 시일편(10)은 로터(2)의 축 방향으로 동일한 폭으로 되도록 겹쳐짐과 함께, 그 외주측 기단부에 있어서, 예를 들어 용접이 실시됨으로써 서로 고정되어 있다.

또한, 이러한 박판 시일편(10)은 그 판 두께로 결정되는 소정의 강성을 로터(2)의 둘레 방향으로 갖도록 설계되고 있고, 또한 박판 시일편(10)과 로터(2)의 회전 방향에 대해 로터(2)의 외주면과 이루는 각이 예각으로 되도록 보유 지지 링(15, 16)에 장착되어 있다.

또한, 고압측 측판(17) 및 저압측 측판(18)에는, 각각의 로터(2)의 축 방향의 폭에 있어서, 그 외주측이 넓어지도록 단차부(17a, 18a)가 형성되어 있다. 이 단차부(17a, 18a)는, 각각이 박판 시일편(10)의 절결부(10a, 10b)에 끼워 넣어져 있다.

또한, 보유 지지 링(15)은 복수의 박판 시일편(10)의 외주측 기단부에 있어서의 한쪽의 측부 테두리(고압측)에 대면하는 면에, 오목 홈(15a)을 구비하고 있다. 보유 지지 링(16)은 복수의 박판 시일편(10)의 외주측 기단부에 있어서의 다른 쪽의 측부 테두리(저압측)에 대면하는 면에, 오목 홈(16a)을 구비하고 있다. 그리고, 절결부(10a, 10b)에 고압측 측판(17) 및 저압측 측판(18)의 각각의 단차부(17a, 18a)가 끼워 넣어진 복수의 박판 시일편(10)에 대해, 그 외주 기단부측에 있어서의 한쪽의 측부 테두리(고압측)에 보유 지지 링(15)의 오목 홈(15a)이 끼워 넣어지고, 또한 그 외주 기단부측에 있어서의 다른 쪽의 측부 테두리(저압측)가 보유 지지 링(16)의 오목 홈(16a)에 끼워 넣어져 있다.

이와 같이 복수의 박판 시일편(10)의 외주 기단부측이 끼워 넣어지는 보유 지지 링(15, 16)의 사이에, 접속 부재(19)가 삽입됨과 함께, 이 접속 부재(19)가 보유 지지 링(15, 16)과 용접됨으로써, 보유 지지 링(15, 16)이 서로 고정된다. 또한, 각 박판 시일편(10)의 외주측 기단부와 보유 지지 링(15, 16) 사이에는, 각 박판 시일편(10)의 외주측 기단부 및 보유 지지 링(15, 16)과 접촉하도록 스페이서(20)가 삽입된다. 그리고, 이 스페이서(20) 및 보유 지지 링(15, 16)의 외주측에 이들 스페이서(20) 및 보유 지지 링(15, 16)에 접하도록 하여 판 스프링(21)이 고정된다.

이와 같이 구성되는 시일체(9)는 환상을 이루는 장착 피스(23)와 함께, 가동 시일 링(12)의 내주면에 형성된 환상의 오목 홈(24)에 보유 지지 링(15, 16)측으로부터 끼워 넣어져 있다.

여기서, 환상의 오목 홈(24)은 로터(2)의 직경 방향에 있어서, 외주측의 폭이 내주측의 폭보다도 넓어지도록, 박판 시일편(10)의 한쪽의 측부 테두리(고압측)에 대향하는 측면에 단차가 형성된 형상으로 되어 있다. 이에 의해, 이 단차에 있어서의 외주측을 향하는 면으로 되는 미끄럼 접촉면(24a)이 형성된다. 그리고, 이 미끄럼 접촉면(24a)이 시일체(9)의 보유 지지 링(15)의 내주면과 미끄럼 접촉한다. 또한, 오목 홈(24)에 있어서의 내주측을 향하는 면으로 되는 미끄럼 접촉면(24b)이 시일체(9)의 외주측에 설치되는 판 스프링(21)과 미끄럼 접촉한다.

또한, 이 오목 홈(24)의 내주측의 폭은, 로터(2)의 축 방향의 폭에 있어서, 시일체(9)의 폭보다도 충분히 넓어지도록 형성되어 있다.

또한, 장착 피스(23)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 로터(2)의 직경 방향에 있어서 외주측의 폭이 내주측의 폭보다도 좁아지도록, 박판 시일편(10)의 다른 쪽의 측부 테두리(저압측)에 대향하는 측면에 단차가 형성되어 있다. 그리고, 이 단차에 있어서의 외주측을 향하는 면이 미끄럼 접촉면(23a)으로 되어 있다. 이 미끄럼 접촉면(23a)은 보유 지지 링(16)의 내주측을 향하는 면과 미끄럼 접촉한다.

또한, 장착 피스(23)에 있어서의 박판 시일편(10)의 다른 쪽의 측부 테두리(저압측)에 대향하는 측면이, 저압측 측판(18)에 접촉하는 수압면(23b)으로 되어 있다.

이상과 같은 구성의 가동 시일 링(12)의 오목 홈(24) 및 장착 피스(23)에 의해, 시일체(9)는 그 외주 기단부측에서 보유 지지된다. 즉, 보유 지지 링(15, 16)의 각각의 내주면이, 오목 홈(24)의 미끄럼 접촉면(24a) 및 장착 피스(23)의 미끄럼 접촉면(23a)과 미끄럼 접촉함과 함께, 보유 지지 링(15, 16)의 외주측에 고정된 판 스프링(21)이 오목 홈(24)의 미끄럼 접촉면(24b)과 미끄럼 접촉함으로써, 시일체(9)가 가동 시일 링(12)에 끼워 넣어진 상태에서 보유 지지된다.

또한, 이때, 시일체(9)는 오목 홈(24)에 대해, 로터(2)의 축 방향으로 상대 이동 가능하게 된다. 이에 의해, 고압측 영역으로부터 저압측 영역을 향해 작동 유체가 흐를 때, 그 가스압이 시일체(9)의 복수의 박판 시일편(10)에 작용하므로, 시일체(9)가 저압측을 향해 이동하고, 저압측 측판(18)이 장착 피스(23)의 수압면(23b)에 접촉한다.

이러한 시일체(9)에 있어서는, 로터(2)의 정지 시에는 박판 시일편(10)의 내주측 선단이 소정의 예압으로 로터(2)에 접촉한다. 그리고, 로터(2)의 회전 시에는, 로터(2)가 회전함으로써 발생하는 동압 효과에 의해 박판 시일편(10)의 내주측 선단이 로터(2)로부터 부상하여, 박판 시일편(10)과 로터(2)가 근소한 시일 클리어런스를 통해 비접촉 상태로 된다. 이에 의해, 박판 시일편(10) 및 로터(2)의 마모가 방지됨과 함께 고압측 영역으로부터 저압측 영역을 향한 작동 유체의 누설이 억제된다.

가동 시일 링(12)에 있어서의 오목 홈(24)보다도 고압측 및 저압측에 위치하는 가동 시일 링(12)의 내주면(11a)에는, 로터(2)측을 향해 돌출되는 복수의 시일 핀(8)이 매설되어 있고, 이에 의해 시일체(9)의 고압측 및 저압측에 래비린스 시일이 구성되어 있다.

이들 복수의 시일 핀(8)은 작동 유체의 누설량을 보다 저감시키는 목적에서 설치되어 있지만, 반드시 설치되어 있을 필요는 없고, 축 시일 장치(1)가 시일체(9)만으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 시일 핀(8)은 가동 시일 링(12)과 일체로, 절삭에 의해 형성되도록 해도 된다.

이상, 가동 시일 장치 본체(5)에 대해 설명하였지만, 고정 시일 장치 본체(6)는 가동 시일 장치 본체(5)가 이동 가능한 것에 반해 스테이터(3)측에 고정되어 있는 것을 제외하면 가동 시일 장치 본체(5)와 대략 동일한 구성이다.

다음으로, 자동 간극 조정 기구(7)에 대해 설명한다. 자동 간극 조정 기구(7)는 가스 터빈의 기동/정지 시에 있어서, 시일 장치 본체(4)를 구성하는 가동 시일 장치 본체(5)를 로터(2)의 외경측으로 이동시키는 기구이다.

스테이터(3)의 내주면에는, 로터(2)의 중심축을 중심으로 하여 전체 둘레에 걸쳐 연장되도록 환상으로 형성된 오목부(14)가 형성되어 있다. 오목부(14)의 내주측 단부에는, 오목부(14)의 내측을 향해 돌출되는 돌출부(25)가 대략 전체 둘레에 걸쳐 연장되도록 형성되어 있다. 가동 시일 링(12) 및 고정 시일 링(13)에는, 돌출부(25)에 결합하는 끼워 맞춤 홈(26)이 형성되어 있다. 이 끼워 맞춤 홈(26)이 돌출부(25)에 결합함으로써, 가동 시일 링(12) 및 고정 시일 링(13)은 스테이터(3)에 보유 지지되어 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 시일 링(11)은 둘레 방향으로 분할되어 있고, 상하 한 쌍의 가동 시일 링(12)과 좌우 한 쌍의 고정 시일 링(13)으로 구성되어 있다. 가동 시일 링(12)은 로터(2)의 축선을 따르는 방향에서 볼 때 그 중앙 위치에 둘레 방향 120°에 걸쳐 연장되어 있다. 그 양단부에는, 회전 기계의 수평 분할면으로부터 양측 각 30°의 범위에서 고정 시일 링(13)이 배치되어 있다.

가동 시일 링(12)과 고정 시일 링(13)의 접합면(27)은 대략 수평 방향으로 평탄한 면으로 형성되어 있다. 접합면(27)에 있어서의 고정 시일 링(13)측에는 접시 스프링(28)으로 가압되는 압박판(29)이 장착되어 있다. 압박판(29)은 접시 스프링(28)에 의해 가동 시일 링(12)을 상부 혹은 하부 방향으로 상시 압박하고 있다. 가동 시일 링(12)은 도시하지 않은 안내 부재에 의해 상하 방향으로 안내된다.

다음으로, 시일체(9)에 설치되어 있는 연통부(34)에 대해 설명한다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태의 시일체(9)에는 저압측 영역과 고압측 영역을 연통시키는 관통 구멍인, 복수의 연통부(34)가 설치되어 있다. 연통부(34)는 둘레 방향으로 연속하여 설치되는 시일체(9)의 둘레 방향의 복수 개소에 설치되어 있다.

연통부(34)는 정격 운전 시에 있어서 가동 시일 장치 본체(5)가 로터(2)의 직경 방향 내측에 위치하고 있는 경우, 즉, 시일체(9)와 로터(2) 사이에 근소한 시일 클리어런스밖에 없는 경우에, 시일체(9)의 저압측 영역과 고압측 영역을 접속하는 구멍으로서 기능한다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 연통부(34)는 시일체(9)를 구성하는 박판 시일편(10) 중 연속하는 복수매의 길이를 다른 박판 시일편보다도 짧게 함으로써 형성된다. 연통부(34)의 크기 G는, 예를 들어 1㎜ 정도의 크기의 스케일을 배출 가능한 크기로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 박판 시일편(10)의 두께를 0.05㎜로 하면, 연속하는 20매의 박판 시일편(10)을 1㎜ 짧게 함으로써, 1㎜ 사방의 크기로 할 수 있다.

도 5에 도시하는 바와 같이, 부호 S로 나타내는 시일체(9)의 둘레 방향 일단부측의 영역 S에 설치된 20매의 박판 시일편(10)을 다른 박판 시일편(10)보다도 짧게 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 형성함으로써, 둘레 방향으로 복수(예를 들어 6개)로 분할된 시일체(9)를 접속함으로써, 연통부(34)가 이웃하는 시일체(9)와의 사이에 형성되게 된다.

다음으로, 축 시일 장치(1)의 작용에 대해 설명한다.

증기 터빈 등의 회전 기계의 기동/정지 시에는, 가동 시일 링(12)이 접시 스프링(28)으로 가압됨으로써, 가동 시일 장치 본체(5)는 로터(2)의 직경 방향 외측으로 이동하고, 시일체(9) 및 시일 핀(8)과 로터(2)의 외주면 사이에 소정의 클리어런스가 유지된다.

이때, 녹 등의 배관 스케일이 시일체(9)에 유입된 경우에는, 배관 스케일은 클리어런스를 통과하므로, 시일체(9)의 기능 저하나 마모가 발생할 가능성이 낮다.

이어서, 정격 운전 시에는, 회전 기계의 내부에 작동 유체가 발생하여 압력이 상승하고, 고압측 영역과 저압측 영역의 구분을 할 수 있다. 고압측 영역의 압력이 바이패스 구멍(32)을 거쳐 증기압 작용면(31)에 작용하여, 접시 스프링(28)의 가압력을 극복하여, 가동 시일 장치 본체(5)는 로터(2)측으로 이동한다. 즉, 시일체(9) 및 시일 핀(8)과 로터(2)의 외주면 사이에 클리어런스가 없어진다.

여기서, 배관 스케일이 시일부에 유입된 경우에는, 배관 스케일은, 시일체(9)에 형성되어 있는 연통부(34)를 통과하여, 저압측 영역으로 배출된다.

다음으로, 종래의 자동 간극 조정 기능을 갖는 축 시일 장치와, 본 실시 형태의 축 시일 장치(1)에 있어서의 고압측 영역으로부터 저압측 영역에 이르는 작동 유체의 압력 변화의 차이에 대해 설명한다.

도 6은 고압측 영역으로부터 저압측 영역에 이르는 작동 유체의 압력 변화의 차이를 설명하는 그래프이며, 종축은 압력을 나타내고, 횡축은 축 방향의 위치를 나타내고 있다. 여기서, 1점 쇄선으로 나타내는 라인은 박판 시일편을 적층시킨 시일체를 갖지 않고, 전단이 핀에 의한 축 시일 장치의 압력 변화를 나타내고 있고, 완만하게 압력이 내려가고 있는 것을 알 수 있다.

파선으로 나타내는 라인은, 자동 간극 조정 기구를 갖는 종래의 축 시일 장치의 압력 변화를 나타낸다. 시일체의 상류측의 시일 핀을 통과한 후의 작동 유체의 압력과, 시일체를 통과한 후의 작동 유체의 압력의 차압은 ΔP1이며, 시일체에 있어서 급격하게 압력이 저하되고, 시일체에 큰 부담이 가해지고 있는 것을 알 수 있다.

한편, 실선으로 나타내는 라인은, 자동 간극 조정 기구를 갖는 본 실시 형태의 축 시일 장치의 압력 변화를 나타낸다. 시일체의 상류측의 시일 핀을 통과한 후의 작동 유체의 압력과, 시일체를 통과한 후의 작동 유체의 압력의 차압은 ΔP2이다. 연통부(34)가 형성됨으로써, 시일체(9) 전후의 작동 유체의 차압이 작아진다. 즉, 시일체에의 부담이 작아진다.

상기 실시 형태에 따르면, 자동 간극 조정 기능을 갖고, 박판 시일편(10)을 로터(2)의 둘레 방향으로 복수 적층시켜 이루어지는 시일체(9)를 구비하는 축 시일 장치(1)에 있어서, 정격 운전 시에 있어서 상류측으로부터 이물질이 유입된 경우에 있어서도, 이물질을 배출할 수 있다. 이에 의해, 시일체(9)의 시일 기능 저하나 마모를 방지할 수 있다.

또한, 정격 운전 시에 있어서 시일체(9)에 가해지는 부담을 경감할 수 있다.

또한, 연통부(34)의 크기나 수량을 변경함으로써, 차압을 조절할 수도 있다.

(제2 실시 형태)

도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 축 시일 장치(1B)를 도시하는 개략 구성도이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 제1 실시 형태와의 상이점을 중심으로 설명하고, 마찬가지의 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.

도 7에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 축 시일 장치(1B)에서는, 제1 실시 형태의 연통부(34)(도 2 참조) 대신에, 바이패스 유로로서의 우회 연통부(36)가 설치되어 있다. 우회 연통부(36)는 시일체(9)를 우회하도록 시일 링(11) 및 장착 피스(23)를 관통하여 형성되어 있고, 고압측 영역과 저압측 영역을 연통시키고 있다. 또한, 우회 연통부(36)는 시일 링(11)의 둘레 방향으로 복수 설치되어 있다.

우회 연통부(36)는 정격 가동 시에 있어서 가동 시일 장치 본체(5)가 로터(2)의 직경 방향 내측에 위치하고 있는 경우, 저압측 영역과 고압측 영역을 접속하는 구멍으로서 기능한다.

본 실시 형태에 따르면, 자동 간극 조정 기능을 갖고, 박판 시일편(10)을 로터(2)의 둘레 방향으로 복수 적층시켜 이루어지는 시일체(9)를 구비하는 축 시일 장치(1)에 있어서, 정격 운전 시에 있어서 상류측으로부터 이물질이 유입된 경우에 있어서도, 이물질을 배출할 수 있다. 이에 의해, 시일체(9)의 시일 기능 저하나 마모를 방지할 수 있다.

(제3 실시 형태)

도 8은 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 축 시일 장치(1C)를 도시하는 개략 구성도이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 상술한 제1 실시 형태와의 상이점을 중심으로 설명하고, 마찬가지의 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.

도 8에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 축 시일 장치(1C)에서는, 제1 실시 형태의 구성에 더하여, 브러시 시일(38)이 설치되어 있다. 브러시 시일(38)은 시일 링(11)의 가장 상류측에 장착된 원환상 부품이며, 둘레 방향으로 복수, 예를 들어 6개의 세그먼트로 분할되어 있다. 브러시 시일(38)은 지지부(39)와, 지지부(39)에 용접된 다수의 가느다란 와이어(40)로 구성되어 있다. 와이어(40)의 선단이 로터(2)측으로 돌출되어 있다.

이 브러시 시일(38)은 복수의 와이어(40)가 탄성 변형함으로써 시일을 행한다.

다음으로, 종래의 자동 간극 조정 기능을 갖는 축 시일 장치와, 본 실시 형태의 축 시일 장치(1C)에 있어서의 고압측 영역으로부터 저압측 영역에 이르는 작동 유체의 압력 변화의 차이에 대해 설명한다.

도 9는 고압측 영역으로부터 저압측 영역에 이르는 작동 유체의 압력 변화의 차이를 설명하는 그래프이며, 종축은 압력을 나타내고, 횡축은 축 방향의 위치를 나타내고 있다. 1점 쇄선과 파선의 라인은 제1 실시 형태와 마찬가지이다.

도 9에 나타내는 바와 같이, 브러시 시일(38)과 핀(8)에 의해, 충분히 압력이 저하되므로, 시일체(9) 전후의 차압 ΔP2B를 제1 실시 형태와 비교하여 더욱 작게 할 수 있다.

즉, 시일체에의 부담을 더욱 작게 할 수 있다.

또한, 상류측에 브러시 시일(38)을 배치함으로써 하류측의 시일체에의 이물질의 유입도 억제할 수 있다.

상기한 축 시일 장치는, 예를 들어 로터와 스테이터 사이의 환상 공간을 밀봉하여, 이 환상 공간을 저압측 영역과 고압측 영역으로 나누는 축 시일 장치에 적용 가능하다. 특히, 판 시일편을 복수 적층시켜 이루어지는 시일체를 구비한 축 시일 장치에 있어서, 시일체의 성능 안정성을 향상시킬 수 있는 축 시일 장치에 적합하다.

1 : 축 시일 장치
2 : 로터
3 : 스테이터
4 : 시일 장치 본체
7 : 자동 간극 조정 기구
8 : 시일 핀
9 : 시일체
10 : 박판 시일편
11 : 시일 링
12 : 가동 시일 링
13 : 고정 시일 링
28 : 접시 스프링(탄성체)
34 : 연통부
36 : 우회 연통부
38 : 브러시 시일
39 : 지지부
40 : 와이어

Claims

로터와 상기 로터의 외주측을 둘러싸는 스테이터 사이의 환상 공간에 설치되고, 상기 스테이터에 지지되어 있는 시일 장치 본체에 의해 상기 환상 공간을 상기 로터의 축 방향에 있어서 저압측 영역과 고압측 영역으로 나누는 축 시일 장치이며,
상기 시일 장치 본체는,
상기 로터를 둘러싸도록 상기 스테이터에 지지되어 있는 시일 링이며, 원주 방향 단부가 서로 인접하는 가동 시일 링과, 고정 시일 링으로부터 분할 구조로 형성되고, 상기 가동 시일 링이 탄성체에 의해 직경 방향 외측으로 가압되어 있는 시일 링과,
상기 시일 링으로부터 상기 로터의 직경 방향 내측을 향해 연장되는 박판 시일편을 상기 로터의 둘레 방향으로 복수 적층시켜 이루어지는 시일체를 구비하고,
상기 저압측 영역과 상기 고압측 영역을 연통시키는 연통부를 갖는 것을 특징으로 하는, 축 시일 장치.
제1항에 있어서, 상기 연통부는, 상기 시일체에 형성되어 상기 로터의 축 방향으로 관통하는 복수의 관통 구멍인 것을 특징으로 하는, 축 시일 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연통부는, 상기 시일 링에 형성되어 상기 시일체를 우회하면서 상기 시일체 직전의 고압측 영역과 저압측 영역을 연통시키는 바이패스 유로인 것을 특징으로 하는, 축 시일 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시일체의 상류측에, 상기 시일 링에 장착된 지지부와, 상기 지지부로부터 로터측으로 돌출되는 복수의 와이어로 이루어지는 브러시 시일이 설치되고, 상기 브러시 시일은, 상기 복수의 와이어 브러시가 탄성 변형하고, 상기 로터에 접촉함으로써 시일을 행하는 것을 특징으로 하는, 축 시일 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시일체의 상류측 및 하류측 중 적어도 한쪽에는, 상기 시일 링의 내면에 상기 로터의 축 방향을 따라 서로 간격을 두고 장착되고, 상기 로터의 외면에 접하는 복수의 시일 핀이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 축 시일 장치.