KR20160060746A - 축 시일 장치, 회전 기계 및 축 시일 장치의 제조 방법 - Google Patents

축 시일 장치, 회전 기계 및 축 시일 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

축 시일 장치(10)는, 회전축(50)의 주위에 복수 배치되고, 회전축의 주위의 공간을 회전축의 축 방향에 관해 2개의 공간으로 나누는 리프(20)와, 축 방향에 관해 리프의 일측에 배치되고, 리프의 일측의 측단부와 대향하는 대향면을 갖는 사이드 시일판을 구비하고, 리프 및 사이드 시일판 중 적어도 한쪽은, 대향면과 측단부의 표면의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감부를 갖는다.

Description

축 시일 장치, 회전 기계 및 축 시일 장치의 제조 방법 {SHAFT SEAL DEVICE, ROTARY MACHINE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SHAFT SEAL DEVICE}
본 발명은 축 시일 장치, 회전 기계 및 축 시일 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
가스 터빈, 증기 터빈 및 압축기와 같은 회전 기계에 있어서, 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은, 회전축의 주위를 시일하는 축 시일 장치가 알려져 있다. 특허문헌 1에 개시되어 있는 축 시일 장치는, 회전축의 주위에 배치되는 복수의 리프(박판)와, 그 리프에 의해 나뉜 고압 공간 및 저압 공간 각각에 배치되는 사이드 시일판(사이드 리프)을 갖는다. 회전축의 정지 시에 있어서, 리프의 선단부(내측 단부)는 회전축의 외주면과 접촉한다. 회전축의 회전 시에 있어서, 리프의 선단부가 회전축으로부터 이격되도록 변위하여 리프와 회전축이 비접촉 상태가 된다. 사이드 시일판은, 압력의 작용에 의해 리프의 측단부에 근접하여, 고압 공간의 작동 기체가 리프 사이에 과잉으로 유입되는 것을 억제한다.
일본 특허 출원 공개 제2011-185219호 공보
예를 들어, 사이드 시일판이 리프의 측단부에 밀착하여 큰 힘으로 압박되면, 회전축의 회전 시에 있어서, 리프의 선단부가 회전축으로부터 이격될 수 없을 가능성이 있다. 리프와 회전축이 접촉한 상태에서 회전축이 회전하면, 리프가 마모되고, 그 결과, 시일 성능이 저하될 가능성이 있다.
본 발명은 성능의 저하가 억제되는 축 시일 장치, 회전 기계 및 축 시일 장치의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 축 시일 장치는, 회전축의 주위에 복수 배치되고, 상기 회전축의 주위의 공간을 상기 회전축의 축 방향에 관해 2개의 공간으로 나누는 리프와, 상기 축 방향에 관해 상기 리프의 일측에 배치되고, 상기 리프의 상기 일측의 측단부와 대향하는 대향면을 갖는 사이드 시일판을 구비하고, 상기 리프 및 상기 사이드 시일판 중 적어도 한쪽은, 상기 대향면과 상기 측단부의 표면의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감부를 갖는다.
본 발명에 따르면, 사이드 시일판이 리프의 측단부에 압박되어도, 리프 및 사이드 시일판 중 적어도 한쪽은, 대향면과 측단부의 표면의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감부를 가지므로, 사이드 시일판이 리프의 선단부의 변위를 저지하지 않도록 할 수 있다. 그로 인해, 회전축의 회전 시에 있어서, 리프의 선단부는, 회전축으로부터 이격되도록 원활하게 이동하여, 회전축과 비접촉 상태가 된다. 따라서, 리프와 회전축이 접촉한 상태에서 회전축이 회전되어 버리는 것이 억제되고, 시일 성능의 저하가 억제된다.
본 실시 형태에 관한 축 시일 장치에 있어서, 상기 마찰 저감부는, 상기 대향면 및 측단부의 표면 중 적어도 한쪽에 형성된 저마찰 계수의 막을 포함해도 된다. 예를 들어, 사이드 시일판의 대향면에 도금 처리, 용사 처리 및 증착 처리 중 적어도 하나를 실시하여 윤활성이 높은 막을 형성함으로써, 대향면과 측단부의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
본 실시 형태에 관한 축 시일 장치에 있어서, 상기 마찰 저감부는, 상기 대향면 및 측단부의 표면 중 적어도 한쪽에 텍스처링 처리로 형성되어도 된다. 예를 들어, 사이드 시일판의 대향면에, 샌드블라스트 가공과 같은 텍스처링 처리를 실시하여, 딤플 또는 격자 형상의 마이크로 레벨의 요철면을 형성함으로써, 대향면과 측단부의 표면의 접촉 면적이 작아지므로, 대향면과 측단부의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
본 실시 형태에 관한 축 시일 장치에 있어서, 상기 마찰 저감부는, 상기 대향면 및 측단부의 표면 중 적어도 한쪽에 형성된 오목면 또는 볼록면을 포함해도 된다. 예를 들어, 리프의 측단부의 표면을 볼록면으로 함으로써, 대향면과 측단부의 표면의 접촉 면적이 작아지므로, 대향면과 측단부의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
본 발명에 관한 축 시일 장치는, 회전축과, 상기 회전축의 주위에 배치되는 상술한 축 시일 장치를 구비한다.
본 발명에 따르면, 상술한 축 시일 장치를 구비하므로, 시일 성능의 저하가 억제된다. 그로 인해, 장수명이며 메인터넌스성이 좋은 회전 기계가 제공된다.
본 발명에 관한 축 시일 장치의 제조 방법은, 리프 및 상기 리프의 측단부와 대향하도록 배치되는 사이드 시일판을 구비하는 축 시일 장치의 제조 방법이며, 상기 리프의 상기 측단부의 표면 및 상기 측단부와 대향하는 상기 사이드 시일판의 대향면 중 적어도 한쪽에, 상기 대향면과 상기 측단부의 표면의 마찰력을 저감시키기 위한 마찰 저감 처리를 행하는 공정과, 상기 리프를 회전축의 주위에 복수 배치하여, 상기 회전축의 주위의 공간을 상기 회전축의 축 방향에 관해 2개의 공간으로 나누는 공정과, 상기 축 방향에 관해 상기 리프의 일측에, 상기 리프의 상기 일측의 측단부와 상기 대향면이 대향하도록, 상기 사이드 시일판을 배치하는 공정을 포함한다.
본 발명에 따르면, 사이드 시일판이 리프의 측단부에 압박되어도, 리프의 측단부의 표면 및 사이드 시일판의 대향면 중 적어도 한쪽은, 대향면과 측단부의 표면의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감 처리가 실시되어 있으므로, 사이드 시일판이 리프의 선단부의 변위를 저지하지 않도록 할 수 있다. 그로 인해, 회전축의 회전 시에 있어서, 리프의 선단부는, 회전축으로부터 이격되도록 원활하게 이동하여, 회전축과 비접촉 상태가 된다. 따라서, 리프와 회전축이 접촉한 상태에서 회전축이 회전되어 버리는 것이 억제되고, 시일 성능의 저하가 억제된다.
본 발명에 따르면, 성능의 저하가 억제된다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 가스 터빈 시스템의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 제1 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 개략을 나타내는 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 일부를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 4는 제1 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 개략을 나타내는 단면도이다.
도 5는 제1 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 분해도이다.
도 6은 제1 실시 형태에 관한 고압측 사이드 시일판을 도시하는 도면이다.
도 7은 제1 실시 형태에 관한 리프간의 간극에 형성되는 작동 기체의 압력 분포도이다.
도 8은 제1 실시 형태에 관한 리프의 몸통부의 단면, 및 그 몸통부에 작용하는 압력을 벡터로 나타낸 도면이다.
도 9는 제1 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10은 제1 실시 형태에 관한 축 시일 장치의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 11은 제2 실시 형태에 관한 대향면의 일례를 나타내는 도면이다.
도 12는 제2 실시 형태에 관한 대향면의 일례를 나타내는 도면이다.
도 13은 제3 실시 형태에 관한 리프 및 고압측 사이드 시일판의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 14는 제3 실시 형태에 관한 리프 및 고압측 사이드 시일판의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 15는 제3 실시 형태에 관한 리프 및 고압측 사이드 시일판의 일례를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명에 관한 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하에서 설명하는 실시 형태에 있어서의 구성 요소는, 적절히 조합할 수 있다. 또한, 일부의 구성 요소를 사용하지 않는 경우도 있다.
<제1 실시 형태>
도 1은 본 실시 형태에 관한 회전 기계를 갖는 가스 터빈 시스템(1)의 일례를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 가스 터빈 시스템(1)은, 압축기(2)와, 연소기(3)와, 터빈(4)과, 회전축(50)을 포함하는 로터(5)를 구비하고 있다. 본 실시 형태에 있어서, 회전 기계는, 압축기(2) 및 터빈(4) 중 적어도 한쪽을 포함한다.
압축기(2)는 도입된 공기를 압축한다. 압축기(2)는 케이싱(2K)을 갖는다. 케이싱(2K)의 내부 공간에 공기가 도입된다.
연소기(3)는, 압축기(2)에서 압축된 압축 공기에 연료를 혼합하여 연소시킨다.
터빈(4)은, 연소기(3)에서 발생한 연소 가스를 도입하여 팽창시키고, 그 연소 가스의 열 에너지를 회전 에너지로 변환한다. 터빈(4)은 케이싱(4K)을 갖는다. 케이싱(4K)의 내부 공간에 연소 가스가 도입된다.
로터(5)는, 회전축(50)과, 회전축(50)에 설치된 동익(51A) 및 동익(52A)을 갖는다. 동익(51A)은, 케이싱(2K)의 내부 공간에 배치된 회전축(50)의 부분(51)에 설치된다. 동익(52A)은, 케이싱(4K)의 내부 공간에 배치된 회전축(50)의 부분(52)에 설치된다.
압축기(2)는, 케이싱(2K)에 배치된 정익(2A)을 갖는다. 압축기(2)에 있어서, 동익(51A)과 정익(2A)은, 회전축(50)의 축(AX)과 평행한 방향(축 방향)으로 교대로 복수 배치된다.
터빈(4)은, 케이싱(4K)에 배치된 정익(4A)을 갖는다. 터빈(4)에 있어서, 동익(52A)과 정익(4A)은, 회전축(50)의 축 방향으로 교대로 복수 배치된다.
터빈(4)에 있어서, 연소기(3)로부터 도입된 연소 가스가 동익(52A)에 공급된다. 이에 의해, 연소 가스의 열 에너지가 기계적인 회전 에너지로 변환되어 동력이 발생한다. 터빈(4)에서 발생한 동력의 일부는, 회전축(50)을 통해 압축기(2)에 전달된다. 터빈(4)에서 발생한 동력의 일부는, 압축기(2)의 동력으로서 이용된다.
또한, 가스 터빈 시스템(1)은, 압축기(2)에 배치되고, 회전축(50)을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 갖는 지지부(2S)와, 터빈(4)에 배치되고, 회전축(50)을 회전 가능하게 지지하는 베어링을 갖는 지지부(4S)를 갖는다.
가스 터빈 시스템(1)은, 회전축(50)의 주위를 시일하는 축 시일 장치(10)를 구비하고 있다. 축 시일 장치(10)는, 압축기(2) 및 터빈(4) 각각에 배치된다.
압축기(2)에 배치되는 축 시일 장치(10)는, 작동 기체(G)인 압축 공기가 고압측으로부터 저압측으로 누출되는 것을 억제한다. 압축기(2)의 축 시일 장치(10)는, 정익(2A)의 내주부에 배치된다. 또한, 압축기(2)의 축 시일 장치(10)는, 지지부(2S)에 배치된다.
터빈(4)에 배치되는 축 시일 장치(10)는, 작동 기체(G)인 연소 가스가 고압측으로부터 저압측으로 누출되는 것을 억제한다. 터빈(4)의 축 시일 장치(10)는, 정익(4A)의 내주부에 배치된다. 또한, 터빈(4)의 축 시일 장치(10)는, 지지부(4S)에 배치된다.
다음으로, 축 시일 장치(10)에 대해 설명한다. 도 2는 본 실시 형태에 관한 축 시일 장치(10)의 개략을 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 A-A선 단면도에 상당한다. 도 3은 본 실시 형태에 관한 축 시일 장치(10)의 일부를 모식적으로 도시하는 사시도이다. 도 3은 축 시일 장치(10)의 일부를 파단하여 도시한다. 도 4는 회전축(50)의 축(AX)을 포함하는 축 시일 장치(10)의 개략을 나타내는 단면도이다. 도 5는 축 시일 장치(10)의 분해도이다.
이하의 설명에 있어서는, 압축기(2) 및 터빈(4) 각각에 설치된 축 시일 장치(10) 중, 터빈(4)에 설치된 축 시일 장치(10)에 대해 설명한다. 압축기(2)에 설치된 축 시일 장치(10)의 구조와, 터빈(4)에 설치된 축 시일 장치(10)의 구조는 동등하다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 축 시일 장치(10)는, 회전축(50)의 주위에 배치되는 복수의 시일 세그먼트(11)를 갖는다. 축(AX)과 직교하는 평면 내에 있어서, 시일 세그먼트(11) 각각은, 원호 형상이다. 본 실시 형태에 있어서는, 회전축(50)의 주위에 시일 세그먼트(11)가 8개 배치된다.
도 3, 도 4 및 도 5에 도시하는 바와 같이, 시일 세그먼트(11)는, 회전축(50)의 주위에 배치되는 복수의 리프(박판)(20)와, 회전축(50)의 축 방향에 관해 리프(20)의 일측에 배치된 고압측 사이드 시일판(16)과, 회전축(50)의 축 방향에 관해 리프(20)의 타측에 배치된 저압측 사이드 시일판(17)과, 리프(20)를 보유 지지하는 보유 지지 링(13) 및 보유 지지 링(14)을 포함하는 보유 지지 부재(134)와, 리프(20)와 보유 지지 부재(134) 사이에 배치되는 배면 스페이서(15)를 구비하고 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 시일 세그먼트(11)는, 하우징(9)에 삽입된다. 하우징(9)은, 정익(2A), 지지부(2S), 정익(4A) 및 지지부(4S) 중 적어도 하나에 상당한다. 하우징(9)은 오목부(9a)를 갖는다. 오목부(9a)는 회전축(50)의 외주면에 면하는 개구(9k)를 갖는다. 시일 세그먼트(11)의 적어도 일부는, 하우징(9)의 오목부(9a)에 배치된다. 오목부(9a)는 회전축(50)의 주위 방향으로 연장된다. 오목부(9a)의 외측에, 리프(20)의 일부가 돌출된다.
리프(20)는 가요성을 갖는 판상 부재이다. 리프(20)는 탄성 변형 가능하다. 본 실시 형태에 있어서, 리프(20)는 얇은 강판이다. 리프(20)의 표면의 법선은, 회전축(50)의 주위 방향(회전 방향)과 거의 평행하다. 리프(20)의 폭 방향은, 회전축(50)의 축 방향과 거의 일치한다. 리프(20)의 두께 방향은, 회전축(50)의 주위 방향과 거의 일치한다. 리프(20)는, 회전축(50)의 주위 방향으로 가요성을 갖는다. 리프(20)는, 회전축(50)의 축 방향으로 높은 강성을 갖는다.
리프(20)는, 회전축(50)의 주위 방향으로 간격을 두고 복수 배치된다. 리프(20)와, 그 리프(20)에 인접하는 리프(20) 사이에 간극(S)이 형성된다. 복수의 리프(20)에 의해 리프 적층체(12)가 형성된다. 리프 적층체(12)는, 복수의 리프(20)의 집합체(적층체)이다.
복수의 리프(20)[리프 적층체(12)]는, 회전축(50)의 주위를 시일함으로써, 회전축(50)의 주위의 공간을 회전축(50)의 축 방향에 관해 2개의 공간으로 나눈다. 본 실시 형태에 있어서, 복수의 리프(20)는, 회전축(50)의 주위의 공간을 고압 공간과 저압 공간으로 나눈다. 고압 공간의 압력은, 저압 공간의 압력보다도 높다.
복수의 리프(20) 각각은, 회전축(50)의 축(AX)에 대한 방사 방향(직경 방향)에 관해 외측의 기단부(외측 단부)(20a)와, 내측의 선단부(내측 단부)(20b)와, 회전축(50)의 축 방향에 관해 고압 공간측의 측단부(20c)와, 저압 공간측의 측단부(20d)를 갖는다.
이하의 설명에 있어서, 복수의 리프(20)의 기단부(20a)를 합쳐서 적절히, 리프 적층체(12)의 기단부(12a)라고 칭하고, 복수의 리프(20)의 선단부(20b)를 합쳐서 적절히, 리프 적층체(12)의 선단부(12b)라고 칭하고, 복수의 리프(20)의 측단부(20c)를 합쳐서 적절히, 리프 적층체(12)의 측단부(12c)라고 칭하고, 복수의 리프(20)의 측단부(20d)를 합쳐서 적절히, 리프 적층체(12)의 측단부(12d)라고 칭한다. 기단부(12a)는 복수의 기단부(20a)의 집합체이다. 선단부(12b)는 복수의 선단부(20b)의 집합체이다. 측단부(12c)는 복수의 측단부(20c)의 집합체이다. 측단부(12d)는 복수의 측단부(20d)의 집합체이다.
기단부(12a)는 직경 방향에 관해 외측을 향한다. 선단부(12b)는 회전축(50)의 외주면과 대향하도록, 직경 방향에 관해 내측을 향한다. 측단부(12c)는 회전축(50)의 축 방향에 관해 일측(고압 공간측)을 향한다. 측단부(12d)는 회전축(50)의 축 방향에 관해 타측(저압 공간측)을 향한다. 선단부(12b)[선단부(20b)]는 개구(9k)를 통해 오목부(9a)의 외측에 배치된다.
본 실시 형태에 있어서, 복수의 리프(20)의 기단부(20a) 각각은, 배면 스페이서(15)에 고정된다. 한편, 복수의 리프(20)의 선단부(20b) 각각은, 고정되지 않는다. 즉, 본 실시 형태에 있어서, 기단부(20a)는 고정 단부이며, 선단부(20b)는 자유 단부이다. 복수의 리프(20)[리프 적층체(12)]는 기단부(20a)가 고정된 상태에서, 보유 지지 부재(134)에 보유 지지된다.
리프(20)는 헤드부(21)와 몸통부(22)를 갖는다. 기단부(20a)는 헤드부(21)에 배치된다. 선단부(20b), 측단부(20c) 및 측단부(20d)는 몸통부(22)에 배치된다. 폭 방향[회전축(50)의 축 방향]에 관한 몸통부(22)의 치수는, 헤드부(21)의 치수보다도 작다. 두께 방향[회전축(50)의 주위 방향]에 관한 몸통부(22)의 치수는, 헤드부(21)의 치수보다도 작다. 몸통부(22)는 몸통부(22)의 헤드부(21)와의 경계부에 절결부(20x) 및 절결부(20y)를 갖는다.
본 실시 형태에 있어서는, 복수의 리프(20)는, 헤드부(21)의 측방 돌출부(21c) 및 측방 돌출부(21d) 각각에 있어서 용접에 의해 접속된다. 몸통부(22)는 탄성 변형 가능하다.
보유 지지 부재(134)는 리프 적층체(12)를 보유 지지한다. 보유 지지 부재(134)는 하우징(9)에 지지된다. 하우징(9)은 오목부(9a)의 내측에 지지면(9s)을 갖는다. 보유 지지 부재(134)는 지지면(9s)에 지지된다.
보유 지지 부재(134)는 보유 지지 링(13) 및 보유 지지 링(14)을 포함한다. 보유 지지 링(13) 및 보유 지지 링(14) 각각은, 회전축(50)의 주위 방향으로 연장되는 원호 형상의 부재이다. 보유 지지 링(13)은 리프(20)의 측방 돌출부(21c)를 포함하는 헤드부(21)의 일부가 배치되는 오목부(13a)를 갖는다. 보유 지지 링(14)은 리프(20)의 측방 돌출부(21d)를 포함하는 헤드부(21)의 일부가 배치되는 오목부(14a)를 갖는다. 배면 스페이서(15)는, 리프(20)의 헤드부(21)와 보유 지지 링(13) 및 보유 지지 링(14) 사이에 배치된다.
리프(20)의 헤드부(21)가 배면 스페이서(15)를 통해 오목부(13a) 및 오목부(14b)에 끼워 넣어진다. 이에 의해, 리프 적층체(12)가 보유 지지 부재(134)에 보유 지지된다.
고압측 사이드 시일판(16)은, 리프(20)[리프 적층체(12)]에 인접하도록 고압 공간에 배치된다. 저압측 사이드 시일판(17)은, 리프(20)[리프 적층체(12)]에 인접하도록 저압 공간에 배치된다. 고압측 사이드 시일판(16)은, 고압 공간에 있어서 리프 적층체(12)의 측단부(12c)의 일부와 대향하도록 배치된다. 저압측 사이드 시일판(17)은, 저압 공간에 있어서 리프 적층체(12)의 측단부(12d)의 일부와 대향하도록 배치된다.
고압측 사이드 시일판(16)은, 리프(20)의 측단부(20c)[리프 적층체(12)의 측단부(12c)]의 적어도 일부와 대향하는 대향면(161)과, 대향면(161)의 반대 방향을 향하는 표면(162)을 갖는다.
저압측 사이드 시일판(17)은, 리프(20)의 측단부(20d)[리프 적층체(12)의 측단부(12d)]의 적어도 일부와 대향하는 대향면(171)과, 대향면(171)의 반대 방향을 향하는 표면(172)을 갖는다.
고압측 사이드 시일판(16)은, 리프(20)의 절결부(20x)에 배치되는 볼록부(16a)를 갖는다. 절결부(20x)에 배치된 볼록부(16a)는 리프(20)[리프 적층체(12)] 및 보유 지지 링(13)에 의해 고정된다.
저압측 사이드 시일판(17)은 리프(20)의 절결부(20y)에 배치되는 볼록부(17a)를 갖는다. 절결부(20y)에 배치된 볼록부(17a)는, 리프(20)[리프 적층체(12)] 및 보유 지지 링(14)에 의해 고정된다.
본 실시 형태에 있어서, 고압측 사이드 시일판(16)의 선단부(163)는, 리프(20)의 선단부(20b)보다도 회전축(50)으로부터 이격되어 있다. 고압측 사이드 시일판(16)은, 직경 방향에 관해 기단부(20a)측의 측단부(20c)[측단부(12c)]의 일부와 대향하고, 선단부(20b)측의 측단부(20c)[측단부(12c)]의 일부와 대향하지 않는다.
본 실시 형태에 있어서, 저압측 사이드 시일판(17)의 선단부(173)는, 리프(20)의 선단부(20b)보다도 회전축(50)으로부터 이격되어 있다. 저압측 사이드 시일판(17)은, 직경 방향에 관해 기단부(20a)측의 측단부(20d)[측단부(12d)]의 일부와 대향하고, 선단부(20b)측의 측단부(20d)[측단부(12d)]의 일부와 대향하지 않는다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 저압측 사이드 시일판(17)의 선단부(173)는, 고압측 사이드 시일판(16)의 선단부(163)보다도 회전축(50)으로부터 이격되어 있다. 본 실시 형태에 있어서, 회전축(50)의 직경 방향에 관해, 고압측 사이드 시일판(16)의 치수는, 저압측 사이드 시일판(17)의 치수보다도 크다.
도 6은 고압측 사이드 시일판(16)을 대향면(161) 측에서 본 도면이다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 고압측 사이드 시일판(16)은 가요성을 갖는 부채 형상의 판상 부재이다. 고압측 사이드 시일판(16)은 탄성 변형 가능하다. 본 실시 형태에 있어서, 고압측 사이드 시일판(16)은 얇은 강판이다.
본 실시 형태에 있어서, 고압측 사이드 시일판(16)은, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면(측면)의 마찰력을 저감시키기 위한 마찰 저감부를 갖는다. 마찰 저감부는, 고압측 사이드 시일판(16)과 리프(20)의 마찰력을 저감시킨다. 본 실시 형태에 있어서는, 고압측 사이드 시일판(16)에, 측단부(20c)의 표면(측면)과의 마찰력을 저감시키기 위한 마찰 저감 처리가 실시되어 있다.
본 실시 형태에 있어서, 마찰 저감부는, 고압측 사이드 시일판(16)에 형성된 저마찰 계수의 막(180)을 포함한다. 마찰 저감 처리는, 고압측 사이드 시일판(16)의 모재의 표면(대향면)에 저마찰 계수의 막(180)을 형성하는 처리를 포함한다. 고압측 사이드 시일판(16)의 모재인 강판의 대향면에 막(180)이 형성된다. 본 실시 형태에 있어서, 대향면(161)은 막(180)의 표면이다. 측단부(20c)의 표면에 대한 막(180)의 표면의 마찰 계수는, 고압측 사이드 시일판(16)의 모재(강판)의 표면의 마찰 계수보다도 작다.
막(180)은, 고압측 사이드 시일판(16)의 모재의 표면(대향면)에, 예를 들어 도금 처리, 용사 처리 및 증착 처리 중 적어도 하나를 실시하여 윤활성이 높은 막(180)을 형성함으로써, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
막(180)은, 예를 들어 Cr 도금 처리에 의해 형성된 Cr막이어도 되고, DLC(다이아몬드 라이크 카본) 코팅 처리에 의해 형성된 카본막이어도 된다.
막(180)은 균일한 두께를 갖도록 형성된다. 고압측 사이드 시일판(16)의 두께가 0.3㎜ 정도인 경우, 막(180)의 두께는, 0.05㎜ 이상 0.1㎜ 이하여도 된다. 또한, 막(180)이 내마모성을 갖고, 경년 변화되기 어려운 재료로 형성되는 경우, 막(180)의 두께는, 0.1㎜ 이상 0.3㎜ 이하여도 된다.
막(180)의 두께와 고압측 사이드 시일판(16)의 모재의 두께의 합계가, 0.1㎜ 이상 0.5㎜ 이하로 정해져도 된다. 이에 의해, 고압측 사이드 시일판(16)의 성능이 발휘된다. 또한, 막(180)의 두께와 고압측 사이드 시일판(16)의 모재의 두께의 합계가, 0.3㎜ 이상이면, 스월(선회류)에 대한 고압측 사이드 시일판(16)의 강도가 충분히 유지된다.
다음으로, 시일 세그먼트(11)의 작용에 대해 설명한다. 도 7은 간극(S)에 형성되는 작동 기체(G)의 압력 분포도이다. 도 8은 회전축(50)의 축(AX)과 교차하는 몸통부(22)의 단면, 및 그 몸통부(22)에 작용하는 압력을 벡터로 나타낸 도면이다.
회전축(50)의 정지 시에 있어서, 리프(20)의 선단부(20b)는, 소정의 예압으로 회전축(50)의 외주면과 접촉한다. 가스 터빈 시스템(1)이 기동되고, 회전축(50)이 회전하면, 그 회전축(50)의 외주면과 접촉하고 있는 리프(20)의 선단부(20b)는, 회전축(50)의 외주면에 문질러진다.
회전축(50)의 회전수가 상승하고, 소정의 회전수에 도달하면, 회전축(50)의 회전에 의해 발생하는 동압 효과에 의해, 리프(20)의 선단부(20b)가 회전축(50)의 외주면으로부터 이격되도록 변위(부상)하고, 리프(20)와 회전축(50)은 비접촉 상태가 된다. 리프(20)와 회전축(50)이 비접촉 상태에서 회전축(50)이 회전함으로써, 리프(20)와 회전축(50) 사이에 형성된 미소 간극으로 작동 기체(G)가 시일되고, 도 7에 도시하는 바와 같이, 리프(20)를 경계로 하여, 회전축(50)의 주위의 공간이, 작동 기체(G)의 고압 공간과 저압 공간으로 나뉜다. 또한, 리프(20)와 회전축(50)이 비접촉 상태에서 회전축(50)이 회전함으로써, 리프(20) 및 회전축(50)의 마모가 억제된다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 고압 공간의 작동 기체(G)의 적어도 일부는, 저압 공간을 향해, 리프(20)의 선단부(20b)와 회전축(50)의 외주면 사이를 흐른다. 또한, 고압 공간의 작동 기체(G)의 적어도 일부는, 고압측 사이드 시일판(16)과 대향하고 있지 않은 측단부(20c)의 일부로부터 간극(S)에 유입된다. 고압측 사이드 시일판(16)은, 측단부(20c)의 대부분과 대향하고 있으므로, 고압 공간의 작동 기체(G)가 간극(S)에 과잉으로 유입되는 것을 억제한다.
본 실시 형태에 있어서는, 직경 방향에 관한 고압측 사이드 시일판(16)의 치수[선단부(163)와 회전축(50)의 외주면의 거리], 및 저압측 사이드 시일판(17)의 치수[선단부(173)와 회전축(50)의 외주면의 거리]를 조정함으로써, 인접하는 리프(20)간의 간극(S)의 압력 분포를 조정할 수 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 저압측 사이드 시일판(17)의 치수는, 고압측 사이드 시일판(16)의 치수보다도 작다. 이에 의해, 간극(S)의 압력 분포는, 선단부(20b)로부터 기단부(20a)를 향해 서서히 작아진다. 그 압력 분포는, 상술한 동압 효과에 의한 부상력을 보조한다.
고압 공간으로부터 간극(S)에 유입된 작동 기체(G)는, 리프(20)의 표면을 따라, 리프(20)의 코너부(r1)로부터 코너부(r2)를 향해 흐른다. 코너부(r1)는, 선단부(20b)측 또한 고압 공간측의 코너부이다. 코너부(r2)는, 기단부(20a)측 또한 저압 공간측의 코너부이다. 코너부(r2)는, 코너부(r1)의 대각이다.
직경 방향에 관한 저압측 사이드 시일판(17)의 치수가 고압측 사이드 시일판(16)의 치수보다도 작으므로, 도 7에 도시하는 바와 같이, 코너부(r1)에 있어서의 압력이 가장 높고, 코너부(r2)를 향해 서서히 작아지는 압력 분포(40a)가 형성된다.
간극(S)의 압력이 리프(20)의 기단부(20a)를 향해 서서히 작아지므로, 도 8에 도시하는 바와 같이, 리프(20)의 표면(20p)에 작용하는 압력 분포(40b), 및 그 표면(20p)의 반대 방향을 향하는 표면(20q)에 작용하는 압력 분포(40c) 각각은, 리프(20)의 선단부(20b) 근방이 가장 크고, 기단부(20a)를 향해 서서히 작아진다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 표면(20p)에 작용하는 압력 분포(40b), 및 표면(20q)에 작용하는 압력 분포(40c)는 거의 동등하다. 본 실시 형태에 있어서, 복수의 리프(20) 각각은, 회전축(50)의 외주면의 접선에 대해 경사지도록 배치되어 있으므로, 리프(20)의 기단부(20a)와 선단부(20b) 사이의 임의의 점(P)에 있어서의 표면(20p)에 작용하는 압력과 표면(20q)에 작용하는 압력에 차가 발생한다. 구체적으로는, 표면(20q)에 작용하는 압력이 표면(20p)에 작용하는 압력보다도 높아진다. 이에 의해, 리프(20)의 선단부(20b)가 회전축(50)의 외주면으로부터 이격되도록, 리프(20)에 부상력(FL)이 발생한다.
도 9는 본 실시 형태에 관한 축 시일 장치(10)의 일례를 나타내는 도면이다. 고압 공간과 저압 공간이 형성되면, 시일 세그먼트(11)가 고압 공간으로부터 저압 공간을 향하는 힘을 받아, 저압측 사이드 시일판(17)이 하우징(9)에 밀착할 가능성이 있다. 또한, 고압 공간의 압력이 높아지면, 고압측 사이드 시일판(16)이 리프(20)의 측단부(20c)에 밀착하여 큰 힘으로 압박될 가능성이 있다. 고압측 사이드 시일판(16)이 리프(20)의 측단부(20c)에 큰 힘으로 압박되면, 회전축(50)의 회전 시에 있어서 리프(20)의 선단부(20c)가 회전축(50)으로부터 이격될 수 없을 가능성이 있다. 즉, 고압측 사이드 시일판(16)이 리프(20)의 측단부(20c)에 압박되는 힘이 증대되고, 그 힘의 증대에 수반하여, 대향면(161)과 측단부(20c)의 마찰력이 증대되고, 그 결과, 리프(20)의 선단부(20c)가 회전축(50)의 외주면으로부터 원활하게 부상할 수 없게 될 가능성이 있다.
본 실시 형태에 있어서는, 고압측 사이드 시일판(16)의 대향면(161)이 저마찰 계수의 막(180)의 표면으로 형성되어 있으므로, 대향면(161)과 측단부(20c)[측단부(12c)]의 표면의 마찰력이 저감된다. 따라서, 리프(20)의 선단부(20c)는 회전축(50)의 외주면으로부터 원활하게 부상할 수 있다.
다음으로, 도 10을 참조하여, 본 실시 형태에 관한 축 시일 장치(10)의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다. 도 10은 본 실시 형태에 관한 축 시일 장치(10)의 제조 방법의 일례를 나타내는 흐름도이다.
축 시일 장치(10)를 구성하는 부품[리프(20), 고압측 사이드 시일판(16) 및 저압측 사이드 시일판(17) 등]이 제조된다(스텝 S1).
부품이 제조된 후, 고압측 사이드 시일판(16)의 표면(대향면)에, 측단부(20c)의 표면과의 마찰력을 저감시키기 위한 마찰 저감 처리가 행해진다(스텝 S2). 상술한 바와 같이, 마찰 저감 처리는, 고압측 사이드 시일판(16)의 모재의 표면(대향면)에 저마찰 계수의 막(180)을 형성하는 처리를 포함하고, 예를 들어 도금 처리, 용사 처리 및 증착 처리 중 적어도 하나를 포함한다.
다음으로, 리프(20), 고압측 사이드 시일판(16) 및 저압측 사이드 시일판(17)의 조립이 행해지고, 시일 세그먼트(11)가 제조된다(스텝 S3).
그 시일 세그먼트(11)가 회전축(50)의 주위에 배치된다(스텝 S4). 이에 의해, 리프(20)가 회전축(50)의 주위에 복수 배치되고, 회전축(50)의 주위의 공간이 회전축(50)의 축 방향에 관해 고압 공간과 저압 공간의 2개의 공간으로 나뉜다. 또한, 회전축(50)의 축 방향에 관해 리프(20)의 일측(고압 공간측)에, 리프(20)의 측단부(20c)와 대향면(161)이 대향하도록, 고압측 사이드 시일판(16)이 배치된다. 또한, 회전축(50)의 축 방향에 관해 리프(20)의 타측(저압 공간측)에, 리프(20)의 측단부(20d)와 대향면(171)이 대향하도록, 저압측 사이드 시일판(17)이 배치된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 대향면(161)의 전부가 막(180)으로 형성되어도 되고, 대향면(161)의 일부가 막(180)으로 형성되고, 대향면(161)의 일부가 고압측 사이드 시일판(16)의 모재(강판)의 표면이어도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 측단부(20c)의 표면이, 저마찰 계수의 막(180)으로 형성되어도 된다. 또한, 저압측 사이드 시일판(17)의 대향면(171)이, 저마찰 계수의 막(180)으로 형성되어도 되고, 측단부(20d)의 표면이, 저마찰 계수의 막(180)으로 형성되어도 된다. 또한, 고압측 사이드 시일판(16)의 표면(162)이, 저마찰 계수의 막(180)으로 형성되어도 되고, 저압측 사이드 시일판(17)의 표면(172)이, 저마찰 계수의 막(180)으로 형성되어도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 고압측 사이드 시일판(16)이 리프(20)의 측단부(20c)에 압박되어도, 리프(20) 및 고압측 사이드 시일판(16) 중 적어도 한쪽은, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감 처리가 실시되어 있으므로, 고압측 사이드 시일판(16)이 리프(20)의 선단부(20b)의 변위(부상)를 저지하지 않도록 할 수 있다. 그로 인해, 회전축(50)의 회전 시에 있어서, 리프(20)의 선단부(20c)는, 회전축(50)으로부터 이격되도록 원활하게 이동하여, 회전축(50)과 비접촉 상태가 된다. 따라서, 리프(20)와 회전축(50)이 접촉한 상태에서 회전축(50)이 회전되어 버리는 것이 억제되고, 시일 성능의 저하가 억제된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 마찰 저감 처리는, 대향면(161) 및 측단부(20c)의 표면 중 적어도 한쪽을, 저마찰 계수의 막(180)의 표면으로 하는 처리이며, 마찰 저감부는, 저마찰 계수의 막(180)을 포함한다. 예를 들어, 고압측 사이드 시일판(16)의 표면에 도금 처리, 용사 처리 및 증착 처리 중 적어도 하나를 실시하여 윤활성이 높은 막(180)을 형성함으로써, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
<제2 실시 형태>
제2 실시 형태에 대해 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 상술한 실시 형태와 동일하거나 또는 동등한 구성 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 간략 또는 생략한다.
본 실시 형태에 있어서는, 마찰 저감 처리가, 고압측 사이드 시일판(16)의 대향면(161)을 텍스처링하는 처리를 포함하는 예에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 있어서, 대향면(161)[고압측 사이드 시일판(16)]과 측단부(20c)의 표면[리프(20)]의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감부는, 대향면(161)을 텍스처링 처리함으로써 대향면(161)에 형성되는 요철면을 포함한다.
도 11 및 도 12 각각은, 텍스처링된 후의 대향면(161)의 일례를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 고압측 사이드 시일판(16)의 대향면(161)에, 샌드블라스트 가공과 같은 텍스처링 처리를 실시하여, 도 11에 도시하는 바와 같이, 대향면(161)을 딤플 형상의 마이크로 레벨의 요철면으로 해도 되고, 도 12에 도시하는 바와 같이, 대향면(161)을 격자 형상의 마이크로 레벨의 요철면으로 해도 된다. 도 11에 있어서, 1개의 딤플의 직경은, 1㎛ 이상 100㎛ 이하여도 된다. 도 12에 있어서, 1개의 격자의 치수는, 1㎛ 이상 100㎛ 이하여도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 대향면(161)을 텍스처링 처리하여 마이크로 레벨의 요철면으로 함으로써, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 접촉 면적이 작아지므로, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 대향면(161)의 전부가 텍스처링되어도 되고, 대향면(161)의 일부가 텍스처링되고, 대향면(161)의 일부가 텍스처링되지 않아도 된다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 측단부(20c)의 표면이, 텍스처링되어도 된다. 또한, 저압측 사이드 시일판(17)의 대향면(171)이 텍스처링되어도 되고, 측단부(20d)의 표면이 텍스처링되어도 된다. 또한, 고압측 사이드 시일판(16)의 표면(162)이 텍스처링되어도 되고, 저압측 사이드 시일판(17)의 표면(172)이 텍스처링되어도 된다.
<제3 실시 형태>
제3 실시 형태에 대해 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 상술한 실시 형태와 동일하거나 또는 동등한 구성 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 간략 또는 생략한다.
본 실시 형태에 있어서는, 마찰 저감 처리가, 측단부(20c)의 표면을 볼록면으로 하는 처리를 포함하는 예에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 있어서, 대향면(161)[고압측 사이드 시일판(16)]과 측단부(20c)의 표면[리프(20)]의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감부는, 측단부(20c)의 볼록면을 포함한다.
도 13은 본 실시 형태에 관한 리프(20) 및 고압측 사이드 시일판(16)의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 13에 도시하는 바와 같이, 리프(20)의 측단부(20c)가, 고압측 사이드 시일판(16)측으로 팽창하는 볼록면이어도 된다. 도 13에 나타내는 예에 있어서, 측단부(20c)의 볼록면은 곡면 형상이다. 이에 의해, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 접촉 면적이 작아지므로, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
도 14는 본 실시 형태에 관한 리프(20) 및 고압측 사이드 시일판(16)의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 리프(20)의 측단부(20c)가, 고압측 사이드 시일판(16)으로부터 이격되는 오목면이어도 된다. 도 14에 나타내는 예에 있어서, 마찰 저감부는, 측단부(20c)의 오목면을 포함한다. 도 14에 나타내는 예에 있어서, 측단부(20c)의 오목면은 곡면 형상이다. 이와 같이 함으로써도, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 접촉 면적이 작아지므로, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
도 15는 본 실시 형태에 관한 리프(20) 및 고압측 사이드 시일판(16)의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 15에 도시하는 바와 같이, 리프(20)의 측단부(20c)가, 볼록면 및 오목면의 양쪽을 포함해도 된다. 도 15에 나타내는 예에 있어서, 마찰 저감부는, 측단부(20c)의 볼록면 및 오목면을 포함한다. 이와 같이 함으로써도, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 접촉 면적이 작아지므로, 대향면(161)과 측단부(20c)의 표면의 마찰력을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서, 고압측 사이드 시일판(16)의 대향면(161)이, 오목면 및 볼록면 중 적어도 한쪽을 포함해도 된다. 또한, 저압측 사이드 시일판(17)의 대향면(171)이, 오목면 및 볼록면 중 적어도 한쪽을 포함해도 되고, 측단부(20d)의 표면이, 오목면 및 볼록면 중 적어도 한쪽을 포함해도 된다.
1 : 가스 터빈 시스템
2 : 압축기(회전 기계)
3 : 연소기
4 : 터빈(회전 기계)
10 : 축 시일 장치
11 : 시일 세그먼트
12 : 리프 적층체
12c : 측단부
12d : 측단부
16 : 고압측 사이드 시일판
17 : 저압측 사이드 시일판
20 : 리프
20c : 측단부
20d : 측단부
50 : 회전축
161 : 대향면
162 : 표면
180 : 막

Claims (6)

  1. 회전축의 주위에 복수 배치되고, 상기 회전축의 주위의 공간을 상기 회전축의 축 방향에 관해 2개의 공간으로 나누는 리프와,
    상기 축 방향에 관해 상기 리프의 일측에 배치되고, 상기 리프의 상기 일측의 측단부와 대향하는 대향면을 갖는 사이드 시일판을 구비하고,
    상기 리프 및 상기 사이드 시일판 중 적어도 한쪽은, 상기 대향면과 상기 측단부의 표면의 마찰력을 저감시키는 마찰 저감부를 갖는, 축 시일 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마찰 저감부는, 상기 대향면 및 측단부의 표면 중 적어도 한쪽에 형성된 저마찰 계수의 막을 포함하는, 축 시일 장치.
  3. 제1항 또한 제2항에 있어서,
    상기 마찰 저감부는, 상기 대향면 및 측단부의 표면 중 적어도 한쪽에 텍스처링 처리로 형성되는, 축 시일 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰 저감부는, 상기 대향면 및 측단부의 표면 중 적어도 한쪽에 형성된 오목면 또는 볼록면을 포함하는, 축 시일 장치.
  5. 회전축과,
    상기 회전축의 주위에 배치되는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 축 시일 장치를 구비하는, 회전 기계.
  6. 리프 및 상기 리프의 측단부와 대향하도록 배치되는 사이드 시일판을 구비하는 축 시일 장치의 제조 방법이며,
    상기 리프의 상기 측단부의 표면 및 상기 측단부와 대향하는 상기 사이드 시일판의 대향면 중 적어도 한쪽에, 상기 대향면과 상기 측단부의 표면의 마찰력을 저감시키기 위한 마찰 저감 처리를 행하는 공정과,
    상기 리프를 회전축의 주위에 복수 배치하여, 상기 회전축의 주위의 공간을 상기 회전축의 축 방향에 관해 2개의 공간으로 나누는 공정과,
    상기 축 방향에 관해 상기 리프의 일측에, 상기 리프의 상기 일측의 측단부와 상기 대향면이 대향하도록, 상기 사이드 시일판을 배치하는 공정을 포함하는, 축 시일 장치의 제조 방법.
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