WO2015115400A1 - 軸シール装置及び回転機械 - Google Patents

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WO2015115400A1
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thin plate
pressure side
shaft seal
seal device
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昂平 尾▲崎▼
上原　秀和
西本　慎
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三菱重工業株式会社
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    • F01D11/001—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between stator blade and rotor
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    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals
    • F05D2240/59—Lamellar seals

Definitions

  • the present invention relates to a shaft seal device and a rotary machine.
  • a shaft seal device is used.
  • a non-contact type labyrinth seal has been widely used.
  • such a non-contact type labyrinth seal needs to be configured so that the tip of the seal fin does not come into contact even during shaft vibration or thermal transient thermal deformation during the rotational transition period (starting and stopping). there were. For this reason, it was necessary to increase the clearance (seal clearance) at the tip of the seal fin to some extent. On the other hand, if the seal clearance is too large, the working fluid leaks.
  • Patent Document 1 discloses a shaft seal device as a technique for reducing such leakage of working fluid.
  • This shaft sealing device includes a sealing body in which flat thin plates having a predetermined width dimension in the axial direction of the rotor are arranged in multiple layers along the circumferential direction of the rotor.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a rotating machine capable of suppressing flutter.
  • the shaft seal device includes a housing disposed to face the outer peripheral surface of the rotor that rotates about the axis, and extends radially inward from the housing in the rotor circumferential direction.
  • a shaft sealing device comprising a sealing body in which a plurality of thin plates are laminated, a contact portion formed from a region including a radially inner end portion in surface contact with another thin plate in the front-rear direction of the rotor rotation direction, A non-contact portion that is formed from a region outside the contact portion in the radial direction and is not in contact with the other thin plate.
  • the movement of the thin plates is constrained when the tips of the thin plates adjacent to each other are in surface contact with each other in the operating state of the rotor.
  • the low pressure side plate and the high pressure side plate are provided on the low pressure side and the high pressure side, respectively, with the thin plate interposed therebetween, and the low pressure side plate It is good also as a structure from which the exposure of the thin plate from is larger than a high voltage
  • the exposure on the high pressure side of the shaft seal device can be made smaller than that on the low pressure side.
  • the thin plate in the shaft seal device according to any one of the above aspects, may be in surface contact with another thin plate in the front-rear direction in the rotational direction in a state where the thin plate is not in contact with the rotor. Good.
  • the biasing member is provided between the seal body and the housing and biases the seal body outward in the rotor radial direction. It is good also as a structure which has.
  • the rotating machine according to the fifth aspect of the present invention includes the shaft seal device according to any one of the above aspects.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas turbine 1 according to the present embodiment.
  • a gas turbine 1 shown in FIG. 1 includes a compressor 2 that takes in a large amount of air and compresses it, a combustor 3 that mixes and burns fuel into the air compressed by the compressor 2, and a combustor 3.
  • the generated combustion gas is introduced into the turbine 4, and the turbine 4 that rotates by converting the thermal energy of the combustion gas into rotation energy and a part of the rotation power of the turbine 4 are transmitted to the compressor 2.
  • the turbine 4 generates power by converting the thermal energy of the combustion gas into mechanical rotational energy by blowing the combustion gas onto the rotor blades 7 provided in the rotor 5.
  • the turbine 4 is provided with a plurality of stationary blades 6 on the casing 8 side of the turbine 4 in addition to the plurality of rotor blades 7 on the rotor 5 side. These moving blades 7 and stationary blades 6 are alternately arranged in the axial direction of the rotor 5.
  • the moving blade 7 receives the pressure of the combustion gas flowing in the axial direction and rotates the rotor 5 around the axis.
  • the rotational energy given to the rotor 5 is extracted from the shaft end and used.
  • a seal body 10 is provided as a shaft seal for reducing the amount of combustion gas leaking from the high pressure side to the low pressure side.
  • the compressor 2 is coaxially connected to the turbine 4 by a rotor 5. Thereby, the compressor 2 compresses outside air using the rotation of the turbine 4 to generate compressed air. This compressed air is supplied to the combustor 3.
  • a plurality of moving blades 7 are provided on the rotor 5, and a plurality of stationary blades 6 are provided on the casing 8 side of the compressor 2.
  • the rotor blades 7 and the stationary blades 6 are alternately arranged in the axial direction of the rotor 5.
  • a seal body 10 is also provided between the stationary blade 6 and the rotor 5. The seal body 10 is provided to reduce the amount of compressed air leaking from the high pressure side to the low pressure side.
  • the seal body 10 is not limited to the application to the gas turbine 1.
  • it can be widely used for rotating machines that convert energy into work by rotating a shaft and flowing a fluid, such as large fluid machines such as steam turbines, compressors, water turbines, refrigerators, and pumps.
  • the seal body 10 can also be used to suppress the flow of fluid in the axial direction of the rotor 5.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the seal body 10 viewed from the axial direction of the rotor 5.
  • the seal body 10 has a plurality of arc-shaped (eight in the present embodiment) shaft seal devices 11 arranged in an annular shape along the circumferential direction of the rotor 5.
  • a gap t is formed between the circumferential ends 12, 12 of the adjacent shaft seal devices 11 arranged in this way.
  • each shaft seal device 11 will be described with reference to FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional configuration diagram of the shaft seal device 11 in a cross section including the axis of the rotor 5.
  • Each shaft seal device 11 is inserted into the housing 30 (corresponding to the stationary blade 6, the moving blade 7, and the bearing portions 8 a and 9 a) to prevent leakage of working fluid in the annular space between the rotor 5 and the housing 30. Installed.
  • the shaft seal device 11 includes a plurality of thin plates 20, holding rings 21 and 22, a high-pressure side plate 23, and a low-pressure side plate 24.
  • the thin plate 20 is a metal member that is arranged in a multiple manner at a minute interval along the circumferential direction of the rotor 5.
  • the holding rings 21 and 22 are configured to sandwich the thin plate 20 from both sides at the outer peripheral side base end 27 of the thin plate 20.
  • the cross section in the circumferential direction of the holding rings 21 and 22 is formed in a substantially C shape.
  • the high-pressure side plate 23 is sandwiched between the holding ring 21 and one edge that faces the high-pressure side region of the thin plate 20.
  • the low-pressure side plate 24 is sandwiched between the other edge of the thin plate 20 facing the low-pressure side region and the holding ring 22.
  • the thin plate 20 has an inner peripheral side width (axial width of the rotor 5) narrower than the width of the outer peripheral side base end 27 (axial width of the rotor 5). It is comprised by the thin steel plate which made the substantially T-shape by being formed. On both side edges, notches 20a and 20b are formed at positions where the width is narrowed. A plurality of thin plates 20 are stacked along the circumferential direction (rotation direction d) of the rotor 5. Further, the adjacent thin plates 20 are fixedly connected to each other at the outer peripheral side base end 27 by, for example, welding.
  • the thin plate 20 has a predetermined rigidity based on the plate thickness in the circumferential direction of the rotor 5. Furthermore, it is fixed to the holding rings 21 and 22 so that an angle formed between the thin plate 20 and the circumferential surface of the rotor 5 with respect to the rotation direction of the rotor 5 is an acute angle.
  • the thin plate 20 gradually increases in angle with the circumferential surface of the rotor 5 from the rear side in the rotational direction d of the rotor 5 toward the front side (in an obtuse angle). Arranged).
  • a gap g is formed.
  • a plurality of adjacent thin plates 20 are in surface contact with each other in the vicinity of the inner peripheral side end portion 26 in the rotation direction d front-rear direction of the rotor 5 to form a contact portion 28.
  • the thin plate 20 is in contact with each other to form the contact portion 28 in a region including the radially inner end of the thin plate 20.
  • the thin plates 20 are separated from each other to form a non-contact portion 28b.
  • the non-contact part 28b refers to a region on the surface of the thin plate 20 in a region separated from each other.
  • the thin plate 20 Since the thin plate 20 is formed of a steel plate as described above, it has a certain elastic restoring force (flexibility). In other words, forces that press against each other act on a plurality of adjacent thin plates 20. Therefore, the curved portion 29 is formed on the outer peripheral side of the contact portion 28 by elastic deformation. In the bending portion 29, the thin plate 20 is bent backward in the rotation direction d.
  • the high-pressure side plate 23 and the low-pressure side plate 24 are provided with stepped portions 23 a and 24 a so that the outer circumferential side is wide in the axial width of each rotor 5.
  • the step portions 23a and 24a are fitted into the notches 20a and 20b of the thin plate 20, respectively.
  • the holding ring 21 has a concave groove 21a on a surface facing one side edge (high-pressure side) of the outer peripheral side base ends 27 of the plurality of thin plates 20.
  • the holding ring 22 has a concave groove 22 a on the surface facing the other side edge (low pressure side) of the outer peripheral side base ends 27 of the plurality of thin plates 20.
  • a holding ring is provided on one side edge (high-pressure side) on the outer peripheral side. 21 concave grooves 21a are fitted. Further, the other side edge (low pressure side) on the outer peripheral side is fitted into the concave groove 22 a of the holding ring 22.
  • annular concave groove 31 is formed on the inner peripheral wall surface of the housing 30, and the annular concave groove 31 is wider on the outer peripheral side in the axial direction of the rotor 5 than on the inner peripheral side.
  • it is set as the shape by which the level
  • the thin plate 20, the holding rings 21 and 22, and the high-pressure side are placed in the groove 31 of the housing 30 so that the surface facing the outer peripheral side of the step contacts the inner peripheral surface of the holding rings 21 and 22.
  • the side plate 23 and the low-pressure side plate 24 are fitted.
  • the inner peripheral side end portion 26 of the thin plate 20 protrudes more toward the rotor 5 than the high pressure side plate 23.
  • the inner peripheral side end portion 26 of the thin plate 20 protrudes to the rotor 5 side from the low pressure side plate 24, but the protruding amount is set smaller than that of the high pressure side. That is, the thin plate 20 is more exposed to the working fluid G on the low pressure side than on the high pressure side.
  • the high-pressure side plate 23 shields a wider area on the side surface of the thin plate 20 from the working fluid G.
  • FIG. 5A when the gas pressure of the working fluid from the high pressure side region to the low pressure side region is applied to each thin plate 20, the thin plate 20 is near the inner peripheral side end portion 26 and on the high pressure side.
  • a gas pressure distribution 40a is formed, in which the gas pressure is highest at the corner portion r1, and the gas pressure gradually decreases toward the diagonal corner portion r2.
  • the thin plate 20 has a T-shape.
  • FIGS. 5A and 5B only the rectangular portion where the bending occurs is shown and the other portions are not shown for the sake of simplicity. ing.
  • the surface of the thin plate 20 facing the rotor 5 is a lower surface 20q, and the back side is an upper surface 20p.
  • a gas pressure distribution 40a is formed as shown in FIG. 5A.
  • the gas pressure is adjusted so that the gas pressure applied to the lower surface 20q is higher than the gas pressure applied to the upper surface 20p at an arbitrary position along the cross section of each thin plate 20.
  • the working fluid G flowing from the high pressure side region toward the low pressure side region flows from between the high pressure side plate 23 and the outer peripheral surface of the rotor 5. Thereafter, as shown in FIG. 5A, the working fluid G flows between the outer peripheral surface of the rotor 5 and the inner peripheral side end portion 26 of the thin plate 20, and along the upper surface 20p and the lower surface 20q of each thin plate 20, It flows radially from the portion r1 to the corner r2. As the working fluid G flows in this way, a low pressure region expands toward the outer peripheral side base end 27 of the thin plate 20. Therefore, the gas pressure distributions 40b and 40c applied perpendicularly to the upper surface 20p and the lower surface 20q of each thin plate 20 are as shown in FIG. 5B. More specifically, the gas pressure distributions 40 b and 40 c have a triangular distribution shape that increases as it approaches the inner peripheral side end portion 26 of the thin plate 20 and decreases toward the outer peripheral side base end 27 of the thin plate 20.
  • the gas pressure distributions 40b and 40c on the upper surface 20p and the lower surface 20q are axisymmetric about the thin plate 20.
  • the thin plates 20 are arranged so that the angle with respect to the circumferential surface of the rotor 5 is an acute angle, the relative positions of the gas pressure distributions 40b and 40c in the radial direction of the rotor 5 are shifted. Therefore, there is a difference in gas pressure between the upper surface 20p and the lower surface 20q at an arbitrary point P from the outer peripheral base end 27 to the inner peripheral end 26 of the thin plate 20.
  • the gas pressure applied to the lower surface 20q is higher than the gas pressure applied to the upper surface 20p.
  • a levitation force FL is generated in the direction of floating from the rotor 5 with respect to the inner peripheral end 26 of the thin plate 20.
  • the thin plate 20 in this embodiment is in surface contact with another adjacent thin plate 20. Therefore, the inner peripheral side end portion 26 of the thin plate 20 is restrained from moving in the circumferential direction while maintaining the elastic force. Thereby, generation
  • the thin plate 20 in the present embodiment is in surface contact with the other adjacent thin plates 20, so that the occurrence of flutter and the fatigue failure of the thin plate 20 resulting therefrom are suppressed.
  • the levitation force FL also acts on the inner peripheral side end portion 26 of the thin plate 20 when the rotor 5 rotates, the thin plate 20 floats from the rotor 5 and is stably maintained in a non-contact state.
  • the inner peripheral side end part 26 of the thin plate 20 maintains flexibility and restrains the movement in the circumferential direction, the occurrence of flutter at the inner peripheral side end part 26 of the thin plate 20 is suppressed. Can do. Furthermore, even when the rotor 5 is displaced in the radial direction due to vibration, such as when the rotor 5 is started or stopped, due to the elastic force of the thin plate 20, a high sealing effect can be maintained.
  • the high-pressure side plate 23 protrudes to the rotor 5 side than the low-pressure side plate 24 as described above, the high-pressure side through which the working fluid G circulates operates in a wider range than the low-pressure side. The fluid G is shielded. Therefore, the pressure inside the leaf seal balances the force applied to the leaf so that the tip of the leaf rises. As a result, the leaf does not come into strong contact with the rotor and prevents damage due to leaf wear. be able to.
  • FIG. 6 is a circumferential cross-sectional view of the shaft seal device 11 according to the second embodiment of the present invention.
  • the shaft seal device 11 in this embodiment is different from the above-described embodiment in that a known ACC system (active clearance control system) 50 is provided on the radially outer side.
  • the ACC system includes a biasing member 51 inside the housing 30.
  • the urging member 51 for example, a spring member is used.
  • an air cylinder may be used as the urging member 51.
  • the urging member 51 needs to be a member designed for normal operation at high temperatures.
  • the biasing member 51 is connected to the holding rings 121 and 122 and the housing 30, respectively. Further, the urging member 51 is urged outward in the extending direction. Therefore, the shaft sealing device 11 according to the present embodiment is urged radially outward by the action of the urging member 51.
  • a gap is provided between the thin plate 20 and the rotor 5. Therefore, the wear caused by the sliding contact between the rotor 5 and the thin plate 20 at the time of startup is suppressed.
  • the force by the urging member 51 and the above-described levitation force FL are balanced, so that a sealing effect can be stably obtained.
  • a seal body can be employed even at a location that undergoes large thermal deformation during operation.
  • the shaft seal device described above can be applied to rotating machines such as a centrifugal compressor and a gas turbine. In such a shaft seal device and a rotary machine, the occurrence of flutter can be suppressed in the operating state of the rotor.

Abstract

軸線回りに回転するロータ（５）と、ロータ（５）の外周面に対向して配置されるシールハウジング（３０）と、シールハウジング（３０）から径方向内側に向かって延びて周方向に複数積層される薄板（２０）を有するシール体（１０）と、を備え、複数の薄板（２０）のうちの一の薄板（２０）は、ロータ（５）に接触していない状態において、回転方向前後方向側の他の薄板（２０）に対して接触する形状を有するシール体（１０）を備える回転機械（１００）。

Description

軸シール装置及び回転機械
　本発明は、軸シール装置及び回転機械に関する。
　一般的に、ガスタービンや蒸気タービン等の回転機械において、静止側と回転側との間にできる環状の隙間を通過して高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩してしまうことを防止するために、軸シール装置が用いられている。このような軸シール装置の一つとして、非接触型のラビリンスシールが幅広く用いられてきた。しかしながら、このような非接触型のラビリンスシールは、回転過渡期（始動、停止時）の軸振動や熱過渡的な熱変形時であってもシールフィンの先端が接触しないように構成する必要があった。このため、シールフィン先端の隙間（シールクリアランス）をある程度大きくする必要があった。その一方で、シールクリアランスが大き過ぎれば、作動流体の漏洩が生じてしまう。
　このような作動流体の漏洩を低減する技術として、例えば特許文献１に軸シール装置が開示されている。この軸シール装置は、ロータの軸方向に所定の幅寸法を有する平板状の薄板をロータの周方向に沿って多層に配置したシール体を備えている。
　このシール装置では、ロータの停止時には、薄板の内周側端部がロータに接触する。一方、ロータの回転時には、動圧効果によって薄板に浮上効果が作用し、薄板の内周側端部がロータから浮上する。これにより、ロータの回転時には、薄板とロータとが最低限のクリアランスを保持しながら非接触状態となる。
特開２０１３－１０４５６２号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された軸シール装置では、隣接する複数の薄板同士の間に隙間が形成されているために、ロータの運転時に、薄板の内周側端部がフラッターを起こす可能性がある。
　本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、フラッターを抑制できる回転機械を提供することを目的とする。
　本発明の第一の態様によれば、軸シール装置は、軸線回りに回転するロータの外周面に対向して配置されるハウジングと、ハウジングからロータ径方向内側に向かって延びてロータ周方向に複数の薄板が積層されたシール体からなる軸シール装置において、薄板がロータ回転方向前後方向の他の薄板と面接触して径方向内側の端部を含む領域から形成される接触部と、該接触部の径方向外側の領域から形成されて前記他の薄板に非接触となる非接触部と、を有する。
　上記構成によれば、ロータの運転状態において、互いに隣接する薄板の先端部同士が面接触していることでこれら薄板の動きが拘束される。
　本発明の第二の態様によれば、上記第一の態様に係る軸シール装置において、薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ低圧側側板及び高圧側側板が設けられ、前記低圧側側板からの薄板の露出が高圧側より大きい構成としてもよい。
　上記構成によれば、軸シール装置の高圧側における露出を、低圧側に比して小さくすることができる。
　本発明の第三の態様によれば、上記いずれか１つの態様に係る軸シール装置において、薄板がロータに接触していない状態で、回転方向前後方向の他の薄板と面接触する構成としてもよい。
　上記構成によれば、互いに隣り合う複数の薄板同士が面接触しているため、ロータの始動又は停止時等、回転数が低い状態であっても、高いシール効果を得ることができる。
　本発明の第四の態様によれば、上記いずれか１つの態様に係る軸シール装置において、シール体とハウジングとの間に設けられて、シール体をロータ径方向外側に付勢する付勢部材を有する構成としてもよい。
　上記構成によれば、ロータが運転状態にある時に、付勢部材による力と薄板に作用する浮上力が均衡するため、安定的にシール効果を得ることができる。
　さらに、本発明の第五の態様に係る回転機械は、上記いずれか１つの態様に係る軸シール装置を備える。
　上記構成によれば、高いシール効果を有するとともに、長い耐用年数を有する回転機械を得ることができる。
　上記した軸シール装置及び回転機械によれば、運転状態のロータにおけるフラッターの発生を抑制することができる。
本発明の各実施形態に係るガスタービン（回転機械）の概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体を回転機械の軸方向から見た概略構成図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体の周方向断面図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体の要部拡大図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体における圧力分布を示す図である。 本発明の第一実施形態に係るシール体における圧力分布を示す図である。 本発明の第二実施形態に係るシール体の周方向断面図である。
（第一実施形態）
　以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態においては、シール体１０をガスタービン（回転機械）１に適用した例を示す。図１は本実施形態に係るガスタービン１の概略構成図である。
　図１に示すガスタービン１は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機２と、圧縮機２にて圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３で発生させた燃焼ガスがその内部に導入されるとともに燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して回動するタービン４と、該タービン４の回動する動力の一部を圧縮機２に伝達して圧縮機２を回動させるロータ５とを有している。
　タービン４は、ロータ５に設けられた動翼７に燃焼ガスを吹き付けることで燃焼ガスの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換することで、動力を発生する。タービン４には、ロータ５側の複数の動翼７の他に、タービン４のケーシング８側に複数の静翼６が設けられる。これら動翼７と静翼６は、ロータ５の軸方向に交互に配列されている。
　動翼７は軸方向に流れる燃焼ガスの圧力を受けて軸線回りにロータ５を回転させる。ロータ５に与えられた回転エネルギーは軸端から取り出されて利用される。静翼６とロータ５との間には、高圧側から低圧側に漏れる燃焼ガスの漏れ量を低減するための軸シールとして、シール体１０が設けられている。
　圧縮機２は、ロータ５によってタービン４と同軸で接続されている。これにより、圧縮機２は、タービン４の回転を利用して外気を圧縮して圧縮空気を生成する。この圧縮空気は燃焼器３に供給される。タービン４と同様に、圧縮機２においてもロータ５に複数の動翼７と、圧縮機２のケーシング８側に複数の静翼６が設けられている。これら動翼７と静翼６とは、ロータ５の軸方向に交互に配列されている。さらに、静翼６とロータ５との間にも、シール体１０が設けられている。このシール体１０は、高圧側から低圧側に漏れる圧縮空気の漏れ量を低減するために設けられる。加えて、圧縮機２のケーシング８がロータ５を支持する軸受け部９ａ、及びタービン４のケーシング８がロータ５を支持する軸受け部８ａにおいても、高圧側から低圧側への圧縮空気又は燃焼ガスの漏れを防止するためのシール体１０が設けられている。
　ここで、本実施形態に係るシール体１０は、ガスタービン１への適用に限定されるものではない。例えば蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の大型流体機械のように、軸の回転と流体の流動によりエネルギーを仕事に変換する回転機械全般に広く採用することができる。さらに、シール体１０は、ロータ５の軸方向の流体の流動を抑えるために用いることも可能である。
　次に、上述のように構成されるガスタービン１に設けられるシール体１０の構成について、図面を参照して説明する。図２は、ロータ５の軸方向から見たシール体１０の概略構成図である。このシール体１０は、ロータ５の周方向に沿って環状に配置された、円弧状の複数（本実施形態では８つ）の軸シール装置１１を有している。このように配置された隣り合う軸シール装置１１の周方向端部１２，１２間には、隙間ｔが形成される。
　各軸シール装置１１の構成について、図３を参照して説明する。図３はロータ５の軸線を含む断面における軸シール装置１１の断面構成図である。各軸シール装置１１は、ハウジング３０（静翼６、動翼７及び軸受け部８ａ，９ａに相当）に挿入されて、ロータ５とハウジング３０との間の環状空間における作動流体の漏れを防ぐために設置される。
　軸シール装置１１は、複数の薄板２０と、保持リング２１，２２と、高圧側側板２３と、低圧側側板２４とを備えている。薄板２０は、ロータ５の周方向に沿って互いに微小間隔を空けて多重に配列された、金属製の部材である。保持リング２１，２２は、薄板２０の外周側基端２７において薄板２０を両側から挟持するように構成されている。保持リング２１，２２の周方向における断面は略Ｃ字型に形成されている。高圧側側板２３は、薄板２０の高圧側領域に対向する一方の縁端と保持リング２１とによって挟持されている。さらに、低圧側側板２４は、薄板２０の低圧側領域に対向する他方の縁端と保持リング２２とによって挟持されている。
　上述のように構成されたシール体１０において、薄板２０は外周側基端２７の幅（ロータ５の軸方向の幅）に比べて内周側の幅（ロータ５の軸方向の幅）が狭くなるように形成されることで略Ｔ字型をなした、薄い鋼板によって構成されている。その両方の側縁には、その幅が狭くなる位置において切り欠き部２０ａ，２０ｂが形成されている。
　薄板２０は、ロータ５の周方向（回転方向ｄ）に沿って複数積層されている。さらに、隣接する複数の薄板２０は、外周側基端２７において、例えば溶接によって互いに固定連結されている。
　薄板２０は、ロータ５の周方向において、板厚に基づく所定の剛性を有している。さらに、薄板２０とロータ５の回転方向に対してロータ５の周面となす角が鋭角となるように保持リング２１，２２に固定されている。
　薄板２０の配置について、図４を参照してより詳細に説明する。図４に示すように、薄板２０は、各軸シール装置１１内において、ロータ５の回転方向ｄ後方側から前方側に向かうにしたがって、ロータ５の周面となす角が次第に大きくなる（鈍角になる）ように配列されている。
　薄板２０におけるロータ５側の端部である内周側端部２６と、ロータ５との間には、タービンの過渡変化（温度・圧力）中のリーフのロータへの接触を防ぐため、微小な隙間ｇが形成されている。
　加えて、隣接する複数の薄板２０は、ロータ５の回転方向ｄ前後方向において、内周側端部２６の近傍で互いに面接触して、接触部２８を形成している。言い換えると、薄板２０の径方向内側の端部を含む領域において、薄板２０は互いに接触して接触部２８を形成している。一方で、接触部２８の外周側においては、薄板２０は互いに離間して非接触部２８ｂを形成する。ここで、非接触部２８ｂは、互いに離間した領域における薄板２０表面上の領域を指す。
　薄板２０は、上述のように鋼板から形成されているため、一定の弾性復元力（可撓性）を有する。換言すると、隣接する複数の薄板２０には、互いに押し付け合う力が作用している。したがって、接触部２８の外周側においては、弾性変形により、湾曲部２９が形成される。湾曲部２９において、薄板２０は回転方向ｄ後方側に湾曲している。
　さらに、図３に示すように、高圧側側板２３及び低圧側側板２４には、それぞれのロータ５の軸方向の幅において、その外周側が広くなるように段差部２３ａ，２４ａが設けられており、この段差部２３ａ，２４ａは、それぞれが薄板２０の切り欠き部２０ａ，２０ｂに嵌め込まれている。
　保持リング２１は、複数の薄板２０の外周側基端２７における一方の側縁（高圧側）に対向する面に、凹溝２１ａを有している。保持リング２２は、複数の薄板２０の外周側基端２７における他方の側縁（低圧側）に対面する面に、凹溝２２ａを有している。切り欠き部２０ａ，２０ｂに高圧側側板２３及び低圧側側板２４のそれぞれの段差部２３ａ，２４ａが嵌め込まれた複数の薄板２０に対し、その外周側における一方の側縁（高圧側）に保持リング２１の凹溝２１ａが嵌め込まれている。さらに、その外周側における他方の側縁（低圧側）が保持リング２２の凹溝２２ａに嵌め込まれている。このような構成により、各薄板２０が保持リング２１，２２に固定される。
　一方、ハウジング３０の内周壁面には、環状の凹溝３１が形成されており、該環状の凹溝３１は、ロータ５の軸方向において外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、薄板２０の一方の側縁（高圧側）及び他方の側縁（低圧側）に対向する側面に段差が設けられた形状とされている。そして、この段差における外周側を向く面に保持リング２１，２２の内周側を向く面が当接するようにして、ハウジング３０の凹溝３１内に、薄板２０、保持リング２１，２２、高圧側側板２３及び低圧側側板２４が嵌め込まれている。薄板２０の内周側端部２６が高圧側側板２３よりもロータ５側に突出している。一方で、薄板２０の内周側端部２６は低圧側側板２４よりもロータ５側に突出しているが、その突出量は高圧側よりも小さく設定されている。すなわち、薄板２０は高圧側よりも低圧側において作動流体Ｇに対してより大きく露出している。言い換えると、高圧側側板２３は薄板２０の側面におけるより広い範囲を作動流体Ｇから遮蔽している。
　次に、上記のように構成されるシール体１０の動作について、図５Ａ、及び図５Ｂを参照して説明する。
　図５Ａに示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かう作動流体のガス圧が各薄板２０に加わった場合に、各薄板２０に対して、内周側端部２６の近傍かつ高圧側に位置する角部ｒ１で最もガス圧が高く、対角の角部ｒ２に向かって徐々にガス圧が弱まるガス圧力分布４０ａが形成される。なお、図３においては薄板２０はＴ字型形状としているが、図５Ａ，図５Ｂにおいては説明を簡単にするために、撓みが生じる長方形部分のみを図示してその他の部分は図示を省略している。
　図５Ｂに示すように、薄板２０のロータ５に向かう面を下面２０ｑとし、その裏側を上面２０ｐとする。各薄板２０に対して高圧側領域から低圧側領域に向かうガス圧が加わると、図５Ａのようにガス圧力分布４０ａが形成される。このとき、各薄板２０の断面に沿った任意位置における上面２０ｐに加わるガス圧よりも下面２０ｑに加わるガス圧の方が高くなるように、ガス圧が調整される。
　高圧側領域から低圧側領域に向かって流れる作動流体Ｇは、高圧側側板２３とロータ５の外周面との間から流入する。その後、作動流体Ｇは、図５Ａのように、ロータ５の外周面と薄板２０の内周側端部２６との間を流れるとともに、各薄板２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑとに沿って、角部ｒ１から角部ｒ２の方向へ放射状に流れる。このように作動流体Ｇが流れることで、薄板２０の外周側基端２７に向かって低圧の領域が広がる。そのため、各薄板２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑに垂直に加わるガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、図５Ｂに示すような状態になる。より詳細には、ガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、薄板２０の内周側端部２６に近いほど大きくなるとともに薄板２０の外周側基端２７に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
　上面２０ｐ及び下面２０ｑにおけるガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、薄板２０を中心にして線対称をなしている。しかしながら、ロータ５の周面に対する角度が鋭角となるように各薄板２０が配置されているので、各ガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、ロータ５の径方向における相対位置がずれる。よって、薄板２０の外周側基端２７から内周側端部２６に向かう任意の点Ｐにおける上面２０ｐ及び下面２０ｑのガス圧に差が生じる。換言すると、薄板２０において、下面２０ｑに加わるガス圧が上面２０ｐに加わるガス圧よりも高くなる。これにより、薄板２０の内周側端部２６に対してロータ５より浮かせる方向に浮上力ＦＬが発生する。
　以上のようにして各薄板２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑ間に圧力差が生じることで、各薄板２０に浮上力ＦＬが作用する。さらに、薄板２０の内周側端部２６がロータ５の外周面から浮上するように弾性変形する。
　ここで、隣接する薄板２０が互いに間隙を保って配列されている場合、薄板２０に付加される圧力の変動と、薄板２０自身の弾性復元力により、薄板２０の内周側端部２６においてフラッター（微小振動）が生じる。
　しかしながら、本実施形態における薄板２０は、隣接する他の薄板２０に対して面接触している。そのため、薄板２０の内周側端部２６は、弾性力を維持しながらも、周方向の動きを拘束されている。これにより、薄板２０の内周側端部２６におけるフラッターの発生が抑止される。
　薄板２０にフラッター（微小振動）が発生した場合、振動の支点となる領域において局所的に曲げ応力が集中するため、経年使用に伴う疲労破壊を生じる可能性がある。しかしながら、上述のように本実施形態における薄板２０は隣接する他の薄板２０に対して面接触しているため、フラッターの発生とそれに起因する薄板２０の疲労破壊が抑止される。
　さらに、ロータ５の回転時には薄板２０の内周側端部２６に浮上力ＦＬも作用するため、薄板２０がロータ５から浮上して、安定的に非接触の状態に維持される。
　これにより、薄板２０の内周側端部２６は、可撓性を維持するとともに、周方向の動きを拘束されているため、薄板２０の内周側端部２６におけるフラッターの発生を抑止することができる。
　さらに、薄板２０の弾性力により、ロータ５の起動、停止時等、振動によってロータ５に径方向の変位が生じた場合であっても、高いシール効果を維持することができる。
　加えて、上述のように高圧側側板２３は低圧側側板２４よりもロータ５側に突出しているため、作動流体Ｇが流通してくる高圧側は、低圧側に比してより広い範囲が作動流体Ｇに対して遮蔽されている。したがって、リーフシールの内部の圧力は、リーフの先端が浮上するようにリーフに係る力のバランスが保たれ、その結果、リーフがロータに強く接触することが無くなり、リーフの摩耗による損傷を防止することができる。
（第二実施形態）
　次に、本発明の第二実施形態について、図６を参照して説明する。第一実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
　図６は、本発明の第二実施形態に係る軸シール装置１１の周方向断面図である。
　本実施形態における軸シール装置１１は、公知のＡＣＣシステム（アクティブ・クリアランス・コントロール・システム）５０を、径方向外側に備えている点で上述の実施形態と異なる。ＡＣＣシステムは、ハウジング３０の内部に付勢部材５１を備えている。
　付勢部材５１としては、例えばばね部材が用いられる。また、その他、付勢部材５１としては、空気シリンダを用いてもよい。ただし、回転機械１は高温高圧の作動流体がその内部を流通するため、付勢部材５１も高温化における正常動作を志向して設計された部材であることが必要である。
　付勢部材５１は、保持リング１２１，１２２とハウジング３０に、それぞれ接続されている。さらに、付勢部材５１は、延在方向外方に向けて付勢されている。
　したがって、付勢部材５１の作用により、本実施形態に係る軸シール装置１１は、径方向外側に向けて付勢されている。
　これにより、ロータ５の停止時においては、薄板２０の内周側端部２６は、ロータ５の外表面からわずかな間隙を有して支持される。一方で、ロータ５が回転している場合においては、高圧側と低圧側との差圧の作用により、軸シール装置１１に対して径方向内側に付勢する圧力が生じる。言い換えると、薄板２０の内周側端部２６とロータ５の外表面との間隙は、ロータ５の停止時に比して、小さくなる。
　このように、ＡＣＣシステム５０を設けることにより、薄板２０とロータ５との間に間隙が設けられる。したがって、起動時にロータ５と薄板２０が摺接することで発生する摩耗が抑止される。加えて、ロータ５の運転状態にあっては、付勢部材５１による力と上述の浮上力ＦＬが均衡するため、安定的にシール効果を得ることができる。さらに、運転時に大きな熱変形を伴う箇所においても、シール体を採用することができる。
　以上、本発明の実施形態、及び実施例について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
　上述した軸シール装置は、遠心圧縮機やガスタービン等の回転機械に適用することが可能である。このような軸シール装置及び回転機械では、ロータの運転状態において、フラッターの発生を抑制することができる。
１　　　回転機械（ガスタービン）
２　　　圧縮機
３　　　燃焼器
４　　　タービン
５　　　ロータ
６　　　静翼
７　　　動翼
８　　　ケーシング
８ａ、９ａ　軸受部
１０　　シール体
１１　　軸シール装置
１２　　周方向端部
２０　　薄板
２０ａ　切欠き部
２０ｐ　上面
２０ｑ　下面
２１、２２　保持リング
２３　　高圧側側板
２４　　低圧側側板
２６　　内周側端部
２７　　外周側基端
２８　　接触部
２８ｂ　非接触部
２９　　湾曲部
３０　　ハウジング
３１　　凹溝
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ　ガス圧力分布
５０　　ＡＣＣシステム
５１　　付勢部材
１２１、１２２　保持リング
ＦＬ　　浮上力
ｇ　　　隙間
Ｇ　　　作動流体
ｒ１、ｒ２　角部

Claims (5)

  1. 　軸線回りに回転するロータの外周面に対向して配置されるハウジングと、前記ハウジングから前記ロータ径方向内側に向かって延びて前記ロータの周方向に複数の薄板が積層されたシール体からなる軸シール装置において、
    　前記薄板が前記ロータ回転方向前後方向の他の薄板と面接触して前記径方向内側の端部を含む領域から形成される接触部と、
    　該接触部の径方向外側の領域から形成されて前記他の薄板に非接触となる非接触部と、を有する軸シール装置。
  2. 　該薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ低圧側側板及び高圧側側板が設けられ、前記低圧側側板からの薄板の露出が高圧側より大きい請求項１に記載の軸シール装置。
  3. 前記薄板が前記ロータに接触していない状態で、回転方向前後方向の他の薄板と面接触する請求項１又は２に記載の軸シール装置。
  4. 　前記シール体と前記ハウジングとの間に設けられて、前記シール体を前記径方向外側に付勢する付勢部材を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の軸シール装置。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の軸シール装置を備える回転機械。
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