KR20240055095A - 축 시일 장치 및 회전 기계 - Google Patents

Abstract

축 시일 장치는, 로터와 스테이터의 사이에 배치되고, 로터의 외주면과 스테이터의 내주면의 사이의 환상 공간을, 축방향의 제1 측과 제2 측으로 구획한다. 축 시일 장치는, 직경 방향에 있어서 로터로부터 스테이터를 향하여 돌출되는 핀과, 직경 방향으로 핀에 대향하는 시일 부재를 구비하고, 시일 부재는, 제1 기공률을 갖는 다공질의 마모성재로 형성된 제1 시일층과, 제1 시일층에 대하여 핀에 가까운 위치에 적층되어 핀과의 접촉면을 형성하며, 제1 시일층의 기공률보다 낮은 제2 기공률을 갖는 다공질의 마모성재로 형성된 제2 시일층을 구비한다.

Description

축 시일 장치 및 회전 기계

본 개시는, 축 시일 장치 및 회전 기계에 관한 것이다.

본원은, 2022년 5월 17일에 일본에 출원된 특허출원 2022-080728호에 대하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

가스 터빈이나 증기 터빈 등의 회전 기계는, 축 시일 장치를 구비한다. 축 시일 장치는, 로터와, 로터의 직경 방향의 외측에 배치되어 로터를 둘러싸는 스테이터의 사이에 배치된다. 축 시일 장치는, 로터와 스테이터의 사이의 공간을, 로터의 중심축을 따른 축방향의 일방 측과 타방 측으로 구획한다. 축 시일 장치는, 축방향의 일방 측에서 작동 유체가 흐르는 고압 측 영역으로부터, 축방향의 타방 측의 저압 측 영역으로의 작동 유체의 누출을 억제한다.

이와 같은 축 시일 장치에 있어서, 마모성재를 이용한 것이 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 로터(회전부) 및 스테이터(정지부) 중, 어느 일방에 구비한 시일 핀과, 시일 핀에 대향하여, 로터 또는 스테이터의 기재를 피복하는 피복층을 구비한 축 시일 장치가 기재되어 있다. 이 축 시일 장치에서는, 피복층에, 마모성재를 이용하는 구성이 개시되어 있다. 마모성재는, 시일 핀과 슬라이딩 접촉했을 때의 피가공성이 우수하다.

일본 공개특허공보 2013-122227호

그런데, 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 마모성재는, 다공질재이다. 이 때문에, 시일 핀과 슬라이딩 접촉했을 때의 발열이나 진동을 억제하는 효과가 얻어진다. 한편, 다공질재로 이루어지는 마모성재는, 장기간의 사용에 의하여, 부식에 의한 감육(減肉)이 진행되어 버릴 가능성이 있다. 그 때문에, 내구성의 면에서 개선할 여지가 있었다.

본 개시는, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제하고, 내구성을 향상시킬 수 있는 축 시일 장치 및 회전 기계를 제공한다.

본 개시에 관한 축 시일 장치는, 중심축 둘레로 회전 가능한 로터와 상기 로터에 대하여 직경 방향의 외측에 배치된 스테이터의 사이에 배치되고, 상기 로터의 외주면과 상기 스테이터의 내주면의 사이의 환상 공간을, 상기 중심축이 뻗는 축방향의 제1 측과 제2 측으로 구획하는 축 시일 장치로서, 상기 직경 방향에 있어서 상기 로터로부터 상기 스테이터를 향하여 돌출되는 핀과, 상기 직경 방향으로 상기 핀에 대향하는 시일 부재를 구비하며, 상기 시일 부재는, 제1 기공률을 갖는 다공질의 마모성재로 형성된 제1 시일층과, 상기 제1 시일층에 대하여 상기 핀에 가까운 위치에 적층되어 상기 핀과의 접촉면을 형성하고, 상기 제1 시일층의 기공률보다 낮은 제2 기공률을 갖는 다공질의 마모성재로 형성된 제2 시일층을 구비한다.

본 개시에 관한 회전 기계는, 중심축 둘레로 회전 가능한 로터와, 상기 로터의 직경 방향의 외측에 배치된 스테이터와, 상기한 바와 같은 축 시일 장치를 구비한다.

본 개시의 축 시일 장치 및 회전 기계에 의하면, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제하여, 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 개시의 실시형태에 관한 회전 기계의 개략 구성도이다.
도 2는 본 개시의 제1 실시형태에 있어서의 축 시일 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2의 축 시일 장치의 제1 시일층을 형성할 때의 용사(溶射) 각도의 예를 나타내는 도이다.
도 4는 제1 시일층에 대하여 제2 시일층을 형성할 때의 용사 각도의 예를 나타내는 도이다.
도 5는 도 2의 축 시일 장치의 제1 시일층을 형성할 때의 용사건(Gun)의 이송 속도를 나타내는 도이다.
도 6은 제1 시일층에 대하여 제2 시일층을 형성할 때의 용사건의 이송 속도를 나타내는 도이다.
도 7은 본 개시의 제2 실시형태에 있어서의 축 시일 장치의 단면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 개시에 의한 축 시일 장치 및 회전 기계를 실시하기 위한 형태를 설명한다. 그러나, 본 개시는 이들 실시형태에만 한정되는 것은 아니다.

(제1 실시형태)

(회전 기계의 구성)

도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 있어서의 회전 기계(1)는, 예를 들면 가스 터빈이다. 회전 기계(1)는, 압축기(2)와, 연소기(3)와, 터빈(4)과, 로터(5)와, 축 시일 장치(10A)를 갖고 있다.

압축기(2)는, 다량의 공기를 내부에 취입하여 압축한다. 연소기(3)는, 압축기(2)에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시킨다. 터빈(4)은, 연소기(3)에서 발생시킨 연소 가스가 그 내부에 도입된다. 터빈(4)은, 도입된 연소 가스의 열 에너지를 회전 에너지로 변환하여, 로터(5)를 중심축(O) 둘레로 회전 운동시키는 동력을 발생한다. 로터(5)는, 중심축(O)을 따른 축방향(Da)으로 원주상으로 뻗어 있다. 로터(5)는, 터빈(4)의 회전 운동하는 동력의 일부를 압축기(2)에 전달하여, 압축기(2)를 구동한다.

또한, 이하의 설명의 편의상, 중심축(O)이 뻗어 있는 방향을 축방향(Da)으로 한다. 또, 중심축을 기준으로 한 로터(5)나 축 시일 장치(10A)에 있어서의 직경 방향을 간단히 직경 방향(Dr)으로 한다. 또, 이 직경 방향(Dr)에서 중심축(O)에 가까워지는 측을 직경 방향(Dr)의 내측(Dri), 이 직경 방향(Dr)에서 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)과는 반대 측을 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)으로 한다. 또, 중심축(O)을 중심으로 한 로터(5)나 축 시일 장치(10A)의 둘레 방향을 간단히 둘레 방향(Dc)으로 한다.

터빈(4)은, 터빈 동익(動翼)(7b)과, 스테이터(6)로서의 터빈 정익(靜翼)(6b)과, 터빈 케이싱(8)을 구비하고 있다. 터빈 동익(7b)은, 로터(5)에 대하여 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)에 배치되어 있다. 터빈(4)은, 터빈 동익(7b)에 연소 가스를 분사함으로써 연소 가스의 열 에너지를 기계적인 회전 에너지로 변환하여 동력을 발생시킨다. 터빈 케이싱(8)은, 축방향(Da)으로 뻗는 통상으로 형성되어 있다. 터빈 정익(6b)은, 터빈 케이싱(8)에 대하여 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)에 배치되어 있다. 터빈 동익(7b)과 터빈 정익(6b)은, 축방향(Da)으로 교대로 배열되어 있다. 터빈 동익(7b)은 로터(5)의 축방향으로 흐르는 연소 가스의 압력을 받아 축선 둘레로 로터(5)를 회전시킨다. 로터(5)에 부여된 회전 에너지는, 축단으로부터 취출되어 이용된다.

터빈(4)에 있어서는, 스테이터(6)로서의 터빈 정익(6b)과 로터(5)의 사이에, 고압 측으로부터 저압 측으로 누출되는 연소 가스의 누출량을 저감시키기 위하여, 축 시일 장치(10A)가 배치되어 있다.

압축기(2)는, 로터(5)를 개재하여 터빈(4)과 동축으로 접속되어 있다. 압축기(2)는, 터빈(4)의 회전을 이용하여 바깥 공기를 압축하여 압축 공기를 생성한다. 압축기(2)는, 생성한 압축 공기를 연소기(3)에 공급한다. 압축기(2)는, 스테이터(6)로서의 압축기 정익(6a)과, 압축기 동익(7a)과, 압축기 케이싱(9)을 구비하고 있다. 압축기 동익(7a)은, 로터(5)에 대하여 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)에 배치되어 있다. 압축기 케이싱(9)은, 축방향(Da)으로 통상으로 뻗어 있다. 압축기 정익(6a)은, 압축기 케이싱(9)에 대하여 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)에 배치되어 있다. 압축기 동익(7a)과 압축기 정익(6a)은, 로터(5)의 축방향(Da)으로 교대로 배열되어 있다.

압축기(2)에 있어서도, 스테이터(6)로서의 압축기 정익(6a)과 로터(5)의 사이에, 고압 측으로부터 저압 측으로 누출되는 압축 공기의 누출량을 저감시키기 위한 축 시일 장치(10A)가 배치되어 있다.

또한, 압축기 케이싱(9)에 대하여 로터(5)를 지지하는 베어링부(9a 및 9b)나, 터빈 케이싱(8)에 대하여 로터(5)를 지지하는 베어링부(8a 및 8b)에 있어서도, 각각, 고압 측으로부터 저압 측으로 압축 공기 또는 연소 가스가 누출되는 것을 억제하는 축 시일 장치(10A)가 배치되어 있다.

(축 시일 장치의 구성)

축 시일 장치(10A)는, 고압 측으로부터 저압 측으로 누출되는 유체의 누출량을 저감시키기 위하여, 로터(5)와 로터(5)를 덮는 스테이터(6)의 사이의 환상 공간을 시일하고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 축 시일 장치(10A)는, 로터(5)와 스테이터(6)의 사이에 배치되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 압축기(2)에서는, 스테이터(6)는, 터빈 정익(6b)이다. 터빈(4)에서는, 스테이터(6)는, 터빈 정익(6b)이다. 또, 예를 들면, 베어링부(9a 및 9b)에 있어서, 스테이터(6)는, 로터(5)의 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)에 배치된 압축기 케이싱(9)이다. 또, 스테이터(6)는, 예를 들면, 터빈(4)의 베어링부(8a 및 8b)에 있어서, 로터(5)의 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)에 배치된 터빈 케이싱(8)이다.

축 시일 장치(10A)는, 로터(5)와 스테이터(6)의 사이의 환상 공간(15)에 배치되어 있다. 스테이터(6)는, 로터(5)에 대하여 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)에 배치되어 있다. 로터(5)는, 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)을 향하는 외주면(5f)을 갖고 있다. 스테이터(6)는, 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)을 향하는 내주면(6g)을 갖고 있다. 내주면(6g)은, 로터(5)의 외주면(5f)에 대하여, 직경 방향(Dr)으로 간격을 두고 대향하고 있다. 환상 공간(15)은, 로터(5)의 외주면(5f)과 스테이터(6)의 내주면(6g)의 사이에 형성되어 있다. 환상 공간(15)은, 축방향(Da)에서 보아, 원환상으로 형성되어 있다. 환상 공간(15)은, 둘레 방향(Dc)(도 1 참조)으로 연속되어 있다.

축 시일 장치(10A)는, 환상 공간(15)을, 축방향(Da)의 제1 측(Da1)과 제2 측(Da2)으로 구획하고 있다. 본 실시형태에 있어서, 예를 들면, 축 시일 장치(10A)에 대하여 축방향(Da)의 제1 측(Da1)의 환상 공간(15)은, 저압 측 영역(S1)으로 되어 있다. 축 시일 장치(10A)에 대하여 축방향(Da)의 제2 측(Da2)의 환상 공간(15)은, 고압 측 영역(S2)으로 되어 있다. 저압 측 영역(S1)은, 저압 유체(저압의 기체나 액체)가 흐르는 영역이다. 고압 측 영역(S2)은, 저압 측 영역(S1)을 흐르는 저압 유체보다 압력이 높은 고압 유체(고압의 기체나 액체)가 흐르는 영역이다. 따라서, 축 시일 장치(10A)를 경계로 하여, 환상 공간(15)에서는, 고압 측 영역(S2)으로부터 저압 측 영역(S1)을 향하는 유체의 흐름이 발생하고 있다. 본 실시형태의 축 시일 장치(10A)는, 복수의 핀(21)과, 시일 부재(30A)를 구비하고 있다.

(핀의 구성)

복수의 핀(21)은, 로터(5)의 외주면(5f)에 배치되어 있다. 복수의 핀(21)은, 축방향(Da)으로 간격을 두고 배치되어 있다. 각 핀(21)은, 로터(5)의 외주면(5f)에 일체로 형성되어 있다. 각 핀(21)은, 중심축(O) 둘레의 둘레 방향(Dc)으로 연속하여 뻗어 있다. 각 핀(21)은, 축방향(Da)에서 보았을 때에, 원환상으로 형성되어 있다. 핀(21)은, 직경 방향(Dr)에 있어서 로터(5)로부터 스테이터(6)를 향하여 돌출되어 있다. 즉, 각 핀(21)은, 로터(5)의 외주면(5f)으로부터 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)으로 뻗어 있다. 각 핀(21)은, 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)으로부터 외측(Dro)을 향하여, 축방향(Da)에 있어서의 폭 치수가 점차 축소되어 있다. 즉, 각 핀(21)은, 선단에 가까워질수록 가늘어지도록 선단 형상으로 형성되어 있다.

또한, 각 핀(21)의 단면 형상, 외주면(5f)으로부터 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)으로의 돌출 치수 등은, 본 실시형태의 형상에 한정되는 것은 아니다. 각 핀(21)의 단면 형상, 외주면(5f)으로부터 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)으로의 돌출 치수 등은, 축 시일 장치(10A)가 배치되어 있는 것에 대응시켜 적절히 변경 가능하다.

(시일 부재의 구성)

시일 부재(30A)는, 직경 방향(Dr)으로, 복수의 핀(21)에 대향하는 위치에 배치되어 있다. 본 실시형태의 시일 부재(30A)는, 스테이터(6)의 내주면(6g)에 배치되어 있다. 시일 부재(30A)는, 축방향(Da)에 있어서, 복수의 핀(21)과 중첩되는 영역에 배치되어 있다. 시일 부재(30A)는, 기재(31)와, 제1 시일층(32A)과, 제2 시일층(33A)을 갖고 있다.

기재(31)는, 스테이터(6)의 내주면(6g)에 지지되어 있다. 기재(31)는, 스테이터(6)의 내주면(6g)에 고정되어 있어도 되고, 스테이터(6)에 대하여, 직경 방향(Dr), 축방향(Da), 둘레 방향(Dc) 중 적어도 어느 하나의 방향에 있어서, 상대 이동 가능하게 지지되어 있어도 된다.

제1 시일층(32A)은, 기재(31)에 대하여 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)에 배치되어 있다. 제1 시일층(32A)은, 기재(31)를 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)으로부터 덮도록 형성되어 있다.

제2 시일층(33A)은, 제1 시일층(32A)에 대하여 핀(21)에 가까운 위치에 적층되어 있다. 즉, 제2 시일층(33A)은, 제1 시일층(32A)에 대하여 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)에 적층되어 있다. 제2 시일층(33A)은, 제1 시일층(32A)을 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)으로부터 덮도록 형성되어 있다. 제2 시일층(33A)은, 시일 부재(30A)에 있어서의 복수의 핀(21)과의 접촉면(33s)을 형성한다. 본 실시형태에 있어서, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)은, 직경 방향(Dr)에 있어서의 두께가 동등하게 되어 있다.

제1 시일층(32A) 및 제2 시일층(33A)은, 각각, 다공질의 마모성재에 의하여 형성되어 있다. 마모성재는, 절삭되기 쉬운 특성(피절삭성)을 갖는 재료이다. 이로써, 제2 시일층(33A)은, 제1 시일층(32A)과 함께, 시일 부재(30A)에 있어서의 마모성층(35)을 구성하고 있다. 마모성재로 이루어지는 마모성층(35)(제1 시일층(32A) 및 제2 시일층(33A))은, 회전 기계(1)의 작동 시, 로터(5)와 함께 둘레 방향(Dc)으로 회전하는 복수의 핀(21)과 접촉 가능하게 되어 있다. 그때, 마모성층(35)은, 둘레 방향(Dc)으로 회전하는 복수의 핀(21)과의 슬라이딩에 의하여 절삭된다. 시일 부재(30A)는, 복수의 핀(21)과 제2 시일층(33A)의 직경 방향(Dr)에 있어서의 클리어런스를 접촉 가능한 레벨까지 좁힘으로써, 저압 측 영역(S1)과 고압 측 영역(S2)의 사이에 있어서의 시일성을 높이고 있다.

마모성재로서는, 복수의 핀(21)을 형성하는 재료보다 부드러운 다공질재가 이용된다. 본 실시형태의 마모성재는, 예를 들면, MCrAlY 합금을 주로 포함하는 금속 재료이다. 상기의 MCrAlY 합금의 "M"은, 금속 원소를 나타내고 있다. 이 금속 원소 "M"은, 예를 들면, NiCo, Ni, Co 등의 단독의 금속 원소, 또는, 이들 중 2종 이상의 조합으로 이루어진다. 보다 구체적으로는, 본 실시형태에서는, 시일 부재(30A)를 형성하는 마모성재로서는, 예를 들면, CoNiCrAlY 합금을 주로 포함하고, 폴리에스터가 포함된 합금이 이용되고 있다. 폴리에스터와 같은 수지 재료가 포함된 금속 재료를 이용함으로써, 다공질재의 공동(空洞) 부분이 효율적으로 형성된다.

제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)은, 동질의 재료에 의하여 형성되어 있다. 즉, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)은, 동일한 조성의 금속 재료를 이용하여 형성되어 있다. 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)은, 기공률만이 상이하다. 본 명세서에 있어서는, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)이, 동일한 조성의 합금을 이용하면서, 기공률이 상이한 것을, "동질의 재료에 의하여 형성되어 있다"로 표현하고 있다.

또, 기공률은, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)을 투과 전자 현미경(TEM)이나 주사 전자 현미경(SEM)의 조직의 화상을 육안으로 확인하거나, 흑백으로 2치화하여 면적률을 산출함으로써 얻어진다.

제1 시일층(32A)은, 제1 기공률(H1)을 갖고 있다. 제2 시일층(33A)은, 제1 시일층(32A)의 제1 기공률(H1)보다 낮은 제2 기공률(H2)을 갖고 있다.

여기에서, 제1 시일층(32A)에 있어서의 제1 기공률(H1)과, 제2 시일층(33A)에 있어서의 제2 기공률(H2)의 차(ΔH)는, 예를 들면, 10% 이상 40% 이하와 같이 하는 것이 바람직하다. 또, 제1 시일층(32A)에 있어서의 제1 기공률(H1)은, 예를 들면, 60% 이상 70% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 제2 시일층(33A)에 있어서의 제2 기공률(H2)은, 예를 들면, 40% 이상 50% 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.

제1 시일층(32A) 및 제2 시일층(33A)은, 예를 들면, 상기한 바와 같은 마모성재인 금속 재료를, 기재(31)에 용사함으로써, 순차 형성된다. 여기에서, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)에서, 기공률을 변화시키려면, 예를 들면, 금속 재료를 용사하는 용사건(100)의 용사 각도를 변화시켜도 된다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 시일층(32A)을 형성할 때에는, 용사건(100)의 용사 각도는, 기재(31)에 있어서, 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)을 향하는 표면(31f)을 따르는 면방향에 대하여, 제1 각도(θ1)가 된다. 여기에서, 제1 각도(θ1)는, 예를 들면, 70°≤θ1≤90°로 하는 것이 바람직하다. 한편, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제2 시일층(33A)을 형성할 때에는, 용사건(100)의 용사 각도는, 기재(31)의 표면(31f)을 따르는 면방향에 대하여, 제1 각도(θ1)보다 작은 제2 각도(θ2)가 된다. 여기에서, 제2 각도(θ2)는, 예를 들면, 50°≤θ2≤60°로 하는 것이 바람직하다. 또, 제1 각도(θ1)와 제2 각도(θ2)의 차(Δθ)(=θ1-θ2)는, 적어도 20° 이상으로 되어 있는 것이 바람직하다.

또, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)에서, 기공률을 변화시키려면, 예를 들면, 용사건(100)으로 용사를 행할 때의 이동 속도(이른바 이송 속도)를 변화시켜도 된다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 제1 시일층(32A)을 형성할 때에는, 기재(31)의 표면(31f)을 따른 용사건(100)의 이동 속도는, 제1 속도(V1)가 된다. 여기에서, 제1 속도(V1)는, 예를 들면, 40m/min≤V1≤50m/min으로 하는 것이 바람직하다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 제2 시일층(33A)을 형성할 때에는, 기재(31)의 표면(31f)을 따르는 방향에 있어서의 용사건(100)의 이동 속도는, 제1 속도(V1)보다 작은 제2 속도(V2)가 된다. 여기에서, 제2 속도(V2)는, 예를 들면, 20m/min≤V2≤30m/min으로 하는 것이 바람직하다. 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2)의 차(ΔV)(=V1-V2)는, 적어도 10m/min 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또, 본 실시형태와 같이, 다공질의 마모성재로 이루어지는 제1 시일층(32A) 및 제2 시일층(33A)을 형성할 때에, 원료로서, 수지 재료를 포함하는 합금을 이용하는 경우, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)에서, 기공률을 변화시키려면, 예를 들면, 수지 재료의 함유량을 변화시키면 된다. 수지 재료는, 기재(31)에 용사됨으로써, 고온이 되어 용해된다. 이로써, 수지 재료가 제거된 부분에 공동이 형성되어, 기공이 된다. 예를 들면, 본 실시형태와 같이, CoNiCrAlY 합금을 주로 포함하고, 폴리에스터가 포함된 합금을 이용하는 경우, 폴리에스터의 함유량을 변화시킨다.

구체적으로는, 제1 시일층(32A)을 형성할 때에는, 제1 시일층(32A)의 원료에 포함되는 폴리에스터의 함유량은, 제1 함유량(T1)이 된다. 여기에서, 제1 함유량(T1)은, 예를 들면, 10중량%≤T1≤20중량%로 하는 것이 바람직하다. 제2 시일층(33A)의 원료에 포함되는 폴리에스터의 함유량은, 제1 함유량(T1)보다 적은 제2 함유량(T2)이 된다. 여기에서, 제2 함유량(T2)은, 예를 들면, 5중량%≤T2≤15중량%로 하는 것이 바람직하다. 또, 제1 함유량(T1)과 제2 함유량(T2)의 차(ΔT(=T1-T2))는, 적어도 5중량% 이상으로 되어 있는 것이 바람직하다.

(작용 효과)

상기 구성의 축 시일 장치(10A)에서는, 핀(21)에 대향하는 시일 부재(30A)가, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)을 구비하고 있다. 핀(21)과의 접촉면(33s)을 형성하는 제2 시일층(33A)은, 제1 시일층(32A)의 제1 기공률(H1)보다 낮은 제2 기공률(H2)을 갖는다. 이 때문에, 제2 시일층(33A)은, 제1 시일층(32A)에 비교하여 치밀하고 경질이다. 이로써, 제2 시일층(33A)은, 제1 시일층(32A)에 비교하여 부식에 의한 감육이 발생하기 어려운 단단한 층이 된다. 또, 제1 시일층(32A)은, 제2 시일층(33A)보다 기공률이 높기 때문에, 제2 시일층(33A)에 비교하여 쾌삭성이 우수한 부드러운 층이 된다. 즉, 제1 시일층(32A)에 의하여, 핀(21)이 접촉함으로써 발생하는 열이나 진동을 억제할 수 있다. 이와 같이, 제1 시일층(32A) 및 제2 시일층(33A)이 적층되어 있음으로써, 시일 부재(30A)의 마모성층(35) 전체가 단단해져 버리거나, 부드러워져 버리는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 제1 시일층(32A) 및 제2 시일층(33A)을 적층함으로써, 시일 부재(30A)로서, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제하여, 내구성을 향상시킬 수 있다.

또, 핀(21)과의 접촉면(33s)을 형성하는 시일 부재(30A)에 있어서 가장 표층이 기공률이 낮은 제2 시일층(33A)으로 형성되어 있다. 그 때문에, 시일 부재(30A)에 있어서 유체에 가장 노출되는 영역의 부식에 의한 감육을 억제하는 효과를 높일 수 있다.

또, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)의 기공률의 차(ΔH)가 10% 이상 40% 이하로 되어 있다. 그 때문에, 제1 시일층(32A)의 쾌삭성(핀(21)이 제2 시일층(33A)에 접촉함으로써 발생하는 열이나 진동을 억제하는 효과)과 제2 시일층(33A)의 내부식성(부식에 의한 감육을 억제하는 효과)의 밸런스를 최적으로 할 수 있다.

또, 제2 시일층(33A)은, 제2 기공률(H2)을 40% 이상 50% 이하로 함으로써, 내부식성이 효율적으로 높아진다. 또, 제1 시일층(32A)은, 제2 시일층(33A)보다 높은 제1 기공률(H1)을, 60% 이상 70% 이하로 함으로써, 쾌삭성이 효율적으로 높아진다.

또, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)은, 동질의 재료에 의하여 형성되어 있다. 이로써, 동질의 재료이면서, 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)에서 기공률이 상이하게 된다. 그 결과, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제한 마모성층(35)을 용이하게 작성할 수 있다.

상기 구성의 회전 기계(1)는, 상기한 바와 같은 제1 시일층(32A)과 제2 시일층(33A)을 구비함으로써, 축 시일 장치(10A)에 있어서의 부식에 의한 손상을 억제하여, 내구성을 향상시킬 수 있다.

(제2 실시형태)

다음으로, 본 개시에 관한 축 시일 장치 및 회전 기계의 제2 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 제2 실시형태에 있어서는, 상기 제1 실시형태와 공통되는 구성에 대해서는 도면 내에 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 제2 실시형태에서는, 축 시일 장치(10B)의 시일 부재(30B)의 구성이 제1 실시형태와 상이하다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태에 관한 회전 기계(1)의 축 시일 장치(10B)는, 상기 제1 실시형태와 동일하게, 로터(5)와 스테이터(6)의 사이에 배치되어 있다. 축 시일 장치(10B)는, 복수의 핀(21)과, 시일 부재(30B)를 구비하고 있다.

(시일 부재의 구성)

시일 부재(30B)에서는, 제1 실시형태와 상이하게, 제1 시일층(32B)과 제2 시일층(33B)의 두께가 서로 상이하다. 제2 실시형태의 시일 부재(30B)는, 제2 시일층(33B)의 직경 방향(Dr)에 있어서의 두께(t2)가, 제1 시일층(32B)의 직경 방향(Dr)에 있어서의 두께(t1)보다 작다. 본 실시형태에 있어서, 제2 시일층(33B)의 두께(t2)는, 제1 시일층(32B)의 두께(t1)와 제2 시일층(33B)의 두께(t2)의 합계(t1+t2)에 대하여, 10% 이상 40% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(작용 효과)

상기 구성의 축 시일 장치(10B)에서는, 기공률이 작은 제2 시일층(33B)의 두께(t2)는, 제1 시일층(32B)의 두께(t1)에 대하여 작게 되어 있다. 이로써, 제2 시일층(33B)의 영역이 작아져, 제1 시일층(32B)이 단독으로 형성되어 있는 경우에 가까운 성능의 쾌삭성을 확보할 수 있다. 한편, 얇더라도 제1 시일층(32B)의 표면이 제2 시일층(33B)으로 덮여 있음으로써, 내부식성도 확보할 수 있다. 그 결과, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제한 마모성층(35B)을 작성할 수 있다.

또, 기공률이 작은 제2 시일층(33B)의 두께(t2)는, 제1 시일층(32B)의 두께(t1)와 제2 시일층(33B)의 두께(t2)의 합계(t1+t2)에 대하여, 10% 이상 40% 이하로 되어 있다. 이로써, 쾌삭성을 최대한 유지하면서, 부식에 의한 손상을 최소한으로 억제한 마모성층(35B)을 작성할 수 있다.

또, 제2 시일층(33B)에서의 기공률을 작게 해 둠으로써, 제2 시일층(33B)을 매우 얇게 해도, 내부식성도 효과적으로 유지할 수 있다.

(그 외의 실시형태)

이상, 본 개시의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명했지만, 구체적인 구성은 이 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 개시의 요지를 벗어나지 않는 범위의 설계 변경 등도 포함된다.

또한, 상기 각 실시형태에서는, 회전 기계(1)로서, 가스 터빈을 예시했지만, 회전 기계(1)는 가스 터빈에 한정되는 것은 아니다. 회전 기계(1)는, 로터(5)와 스테이터(6)를 갖는 기계이면 된다. 따라서, 회전 기계(1)는, 예를 들면, 증기 터빈이나, 압축기나 펌프여도 된다.

또, 회전 기계(1)에 있어서, 축 시일 장치(10A 및 10B)가 배치되는 개소는, 로터(5)와 스테이터(6)의 사이를 시일할 필요가 있는 영역이면 되고, 결코 한정되는 것은 아니다.

또, 상기 각 실시형태에서는, 제2 시일층(33A 및 33B)에 있어서, 복수의 핀(21)에 접촉하는 접촉면(33s)을 평탄면상으로 형성하고 있지만 이와 같은 구조에 한정되는 것은 아니다. 제2 시일층(33A 및 33B)에 있어서, 접촉면(33s)이, 직경 방향(Dr)의 내측(Dri)으로 돌출 또는 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)으로 파이도록 요철을 갖는 면이 되어도 된다. 제2 시일층(33A 및 33B)에 있어서, 접촉면(33s)은, 만곡면이 되어도 된다. 그때, 제1 시일층(32A 및 32B)과, 제2 시일층(33A 및 33B)을 함께, 접촉면(33s)과 평행해지도록 요철이나 만곡되도록 형성해도 되고, 평탄한 제1 시일층(32A 및 32B) 상에 제2 시일층(33A 및 33B)만을 요철이나 만곡되도록 형성해도 된다.

또, 복수의 핀(21)의 설치 수, 설치 위치, 둘레 방향(Dc)에 있어서의 단면 형상 등은, 적절히 변경해도 된다.

<부기(付記)>

각 실시형태에 기재된 축 시일 장치(10A, 10B) 및 회전 기계(1)는, 예를 들면 이하와 같이 파악된다.

(1) 제1 양태에 관한 축 시일 장치(10A, 10B)는, 중심축(O) 둘레로 회전 가능한 로터(5)와 상기 로터(5)에 대하여 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)에 배치된 스테이터(6)의 사이에 배치되고, 상기 로터(5)의 외주면(5f)과 상기 스테이터(6)의 내주면(6g)의 사이의 환상 공간(15)을, 상기 중심축(O)이 뻗는 축방향(Da)의 제1 측(Da1)과 제2 측(Da2)으로 구획하는 축 시일 장치(10A, 10B)로서, 상기 직경 방향(Dr)에 있어서 상기 로터(5)로부터 상기 스테이터(6)를 향하여 돌출되는 핀(21)과, 상기 직경 방향(Dr)에서 상기 핀(21)에 대향하는 시일 부재(30A, 30B)를 구비하며, 상기 시일 부재(30A, 30B)는, 제1 기공률(H1)을 갖는 다공질의 마모성재로 형성된 제1 시일층(32A, 32B)과, 상기 제1 시일층(32A, 32B)에 대하여 상기 핀(21)에 가까운 위치에 적층되어 상기 핀(21)과의 접촉면을 형성하고, 상기 제1 시일층(32A, 32B)의 기공률보다 낮은 제2 기공률(H2)을 갖는 다공질의 마모성재로 형성된 제2 시일층(33A, 33B)을 구비한다.

이 축 시일 장치(10A, 10B)에서는, 제2 시일층(33A, 33B)은, 제1 시일층(32A, 32B)에 비교하여 치밀하고 경질이다. 이로써, 제2 시일층(33A, 33B)은, 제1 시일층(32A, 32B)에 비교하여 부식에 의한 감육이 발생하기 어려운 단단한 층이 된다. 또, 제1 시일층(32A, 32B)은, 제2 시일층(33A, 33B)보다 기공률이 높기 때문에, 제2 시일층(33A, 33B)에 비교하여 쾌삭성이 우수한 부드러운 층이 된다. 즉, 제1 시일층(32A, 32B)에 의하여, 핀(21)이 접촉함으로써 발생하는 열이나 진동을 억제할 수 있다. 이와 같이, 제1 시일층(32A, 32B) 및 제2 시일층(33A, 33B)이 적층되어 있음으로써, 시일 부재(30A, 30B)의 제1 시일층(32A, 32B) 및 제2 시일층(33A, 33B)의 전체가 단단해져 버리거나, 부드러워져 버리는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 제1 시일층(32A, 32B) 및 제2 시일층(33A, 33B)을 적층함으로써, 시일 부재(30A, 30B)로서, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제하여, 내구성을 향상시킬 수 있다.

(2) 제2 양태에 관한 축 시일 장치(10B)는, (1)의 축 시일 장치(10B)로서, 상기 제2 시일층(33B)의 상기 직경 방향(Dr)에 있어서의 두께(t2)가, 상기 제1 시일층(32B)의 상기 직경 방향(Dr)에 있어서의 두께(t1)보다 작다.

이로써, 제2 시일층(33B)의 영역이 작아져, 제1 시일층(32B)이 단독으로 형성되어 있는 경우에 가까운 성능의 쾌삭성을 확보할 수 있다. 한편, 얇더라도 제1 시일층(32B)의 표면이 제2 시일층(33B)으로 덮여 있음으로써, 내부식성도 확보할 수 있다. 그 결과, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제한 마모성층(35B)을 작성할 수 있다.

(3) 제3 양태에 관한 축 시일 장치(10B)는, (2)의 축 시일 장치(10B)로서, 상기 제2 시일층(33B)의 상기 직경 방향(Dr)에 있어서의 두께(t2)는, 상기 제1 시일층(32B)과 상기 제2 시일층(33B)의 상기 직경 방향(Dr)에 있어서의 두께(t1, t2)의 합계(t1+t2)에 대하여, 10% 이상 40% 이하이다.

이로써, 쾌삭성을 최대한 유지하면서, 부식에 의한 손상을 최소한으로 억제한 마모성층(35B)을 작성할 수 있다.

(4) 제4 양태에 관한 축 시일 장치(10A, 10B)는, (1) 또는 (2)의 축 시일 장치(10A, 10B)로서, 상기 제1 시일층(32A, 32B)에 있어서의 상기 제1 기공률(H1)과, 상기 제2 시일층(33A, 33B)에 있어서의 상기 제2 기공률(H2)의 차(ΔH)가, 10% 이상 40% 이하이다.

이로써, 제1 시일층(32A, 32B)의 쾌삭성과 제2 시일층(33A, 33B)의 내부식성의 밸런스를 최적으로 할 수 있다.

(5) 제5 양태에 관한 축 시일 장치(10A, 10B)는, (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 축 시일 장치(10A, 10B)로서, 상기 제1 시일층(32A, 32B)에 있어서의 상기 제1 기공률(H1)이, 60% 이상 70% 이하, 상기 제2 시일층(33A, 33B)에 있어서의 상기 제2 기공률(H2)이, 40% 이상 50% 이하이다.

이로써, 제2 시일층(33A, 33B)은, 부식에 의한 감육을 억제하는 효과를 높일 수 있다. 또, 제1 시일층(32A, 32B)은, 핀(21)이 제2 시일층(33A, 33B)에 접촉함으로써 발생하는 열이나 진동을 억제할 수 있다.

(6) 제6 양태에 관한 축 시일 장치(10A, 10B)는, (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 축 시일 장치(10A, 10B)로서, 상기 제1 시일층(32A, 32B)과 상기 제2 시일층(33A, 33B)은, 동질의 재료에 의하여 형성되어 있다.

이로써, 동질의 재료이면서, 제1 시일층(32A, 32B)과 제2 시일층(33A, 33B)에서 기공률이 상이하게 된다. 그 결과, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제한 마모성층(35)을 용이하게 작성할 수 있다.

(7) 제7 양태에 관한 회전 기계(1)는, 중심축(O) 둘레로 회전 가능한 로터(5)와, 상기 로터(5)의 직경 방향(Dr)의 외측(Dro)에 배치된 스테이터(6)와, (1) 내지 (6) 중 어느 하나의 축 시일 장치(10A, 10B)를 구비한다.

회전 기계로서는, 가스 터빈, 증기 터빈, 압축기를 들 수 있다.

이로써, 축 시일 장치(10A, 10B)에 있어서, 부식에 의한 손상을 억제하여, 내구성을 향상시킬 수 있다.

본 개시의 축 시일 장치 및 회전 기계에 의하면, 쾌삭성을 유지하면서, 부식에 의한 손상을 억제하여, 내구성을 향상시킬 수 있다.

1…회전 기계
2…압축기
3…연소기
4…터빈
5…로터
5f…외주면
6…스테이터
6a…압축기 정익
6b…터빈 정익
6g…내주면
7a…압축기 동익
7b…터빈 동익
8…터빈 케이싱
8a, 8b…베어링부
9…압축기 케이싱
9a, 9b…베어링부
10A, 10B…축 시일 장치
15…환상 공간
21…핀
30A, 30B…시일 부재
31…기재
31f…표면
32A, 32B…제1 시일층
33A, 33B…제2 시일층
33s…접촉면
35, 35B…마모성층
100…용사건
Da…축방향
Da1…제1 측
Da2…제2 측
Dc…둘레 방향
Dr…직경 방향
Dri…내측
Dro…외측
H1…제1 기공률
H2…제2 기공률
O…중심축
S1…저압 측 영역
S2…고압 측 영역
T1…제1 함유량
T2…제2 함유량
V1…제1 속도
V2…제2 속도
t1…제1 시일층의 두께
t2…제2 시일층의 두께
θ1…제1 각도
θ2…제2 각도

Claims (7)

1. 중심축 둘레로 회전 가능한 로터와 상기 로터에 대하여 직경 방향의 외측에 배치된 스테이터의 사이에 배치되고, 상기 로터의 외주면과 상기 스테이터의 내주면의 사이의 환상 공간을, 상기 중심축이 뻗는 축방향의 제1 측과 제2 측으로 구획하는 축 시일 장치로서,
   상기 직경 방향에 있어서 상기 로터로부터 상기 스테이터를 향하여 돌출되는 핀과,
   상기 직경 방향에서 상기 핀에 대향하는 시일 부재를 구비하며,
   상기 시일 부재는,
   제1 기공률을 갖는 다공질의 마모성재로 형성된 제1 시일층과,
   상기 제1 시일층에 대하여 상기 핀에 가까운 위치에 적층되어 상기 핀과의 접촉면을 형성하고, 상기 제1 시일층의 기공률보다 낮은 제2 기공률을 갖는 다공질의 마모성재로 형성된 제2 시일층을 구비하는 축 시일 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 시일층의 상기 직경 방향에 있어서의 두께가, 상기 제1 시일층의 상기 직경 방향에 있어서의 두께보다 작은 축 시일 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2 시일층의 상기 직경 방향에 있어서의 두께는, 상기 제1 시일층과 상기 제2 시일층의 상기 직경 방향에 있어서의 두께의 합계에 대하여, 10% 이상 40% 이하인 축 시일 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 시일층에 있어서의 상기 제1 기공률과, 상기 제2 시일층에 있어서의 상기 제2 기공률의 차가, 10% 이상 40% 이하인 축 시일 장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서
   상기 제1 시일층에 있어서의 상기 제1 기공률이, 60% 이상 70% 이하,
   상기 제2 시일층에 있어서의 상기 제2 기공률이, 40% 이상 50% 이하인 축 시일 장치.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 시일층과 상기 제2 시일층은, 동질의 재료에 의하여 형성되어 있는 축 시일 장치.
7. 중심축 둘레로 회전 가능한 로터와,
   상기 로터의 직경 방향의 외측에 배치된 스테이터와,
   청구항 1 또는 청구항 2에 있어서의 축 시일 장치를 구비하는 회전 기계.