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JP2005308039A - 軸シール用部材及び軸シール機構及び大型流体機械 - Google Patents

軸シール用部材及び軸シール機構及び大型流体機械 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、各分割部間からの漏洩量を低減することができる軸シール用部材及び軸シール機構及びこれを備えた大型流体機械を提供することを目的とする。
【解決手段】 回転軸6の周方向に対するハウジング2a,2bの端部2xに設置された金属薄板1に、更に、複数枚の金属薄板1xが回転軸6の周方向に積層された構成とされる。このとき、金属薄板1,1xは、回転軸6の軸方向でその幅が一致するように積層される。
【選択図】 図6

Description

本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプなどの大型流体機械の回転軸に対してシールを行う軸シール機構に関するもので、特に、回転軸の周方向に配置される静翼を保持するステータと回転軸との間のシールを行う軸シール機構及びこの軸シール機構を構成するための軸シール用部材及びこの軸シール機構を用いた大型流体機械に関する。
一般的に、ガスタービンや蒸気タービンなどの流体機械において、静止側と回転側との間にできる環状の隙間より、高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩するのを防止するために、軸シール機構が用いられている。このような軸シール機構の一つとして、従来、非接触型のラビリンスシールが幅広く用いられていたが、回転過渡期の軸振動や熱過渡的な熱変形時にもフィン先端が接触しないように構成する必要がある。そのため、フィン先端の隙間をある程度大きくしなければならないためにガスの漏れ量が多くなる。
このような軸シール機構におけるガスの漏れ量を低減させるために、本出願人は、回転軸の軸方向に所定の幅寸法を有する平板状の薄板を回転軸の周方向に多層に配置した構造となるリーフシールを提案している(特許文献1参照)。このリーフシールの構成を、図15に示す。図15は、リーフシールの構成を示す斜視図である。
図15に示すリーフシール100は、、回転軸101の外周に回転軸101を囲繞するように配置されるハウジング102と、ハウジング102のガス圧が低い側(低圧側)に設置される低圧側側板103と、低圧側側板103の反対側でガス圧が高い側(高圧側)に設置される高圧側側板104と、ハウジング102に嵌着されてリング状に積層された金属薄板105と、を備えている。このとき、金属薄板105が回転軸101の外周をシールすることで、回転軸101の周囲空間を軸方向に高圧側領域と低圧側領域とに分けている。又、金属薄板105の両側には、高圧側領域に高圧側側板104が、低圧側領域には低圧側側板103がそれぞれ圧力作用方向のガイド板として装着されている。
金属薄板105は板厚で決まる所定の剛性を回転軸101の周方向に持つように設計されている。また、金属薄板105は回転軸101の回転方向に対して回転軸101の周面となす角が鋭角となるようにハウジング102に取り付けられており、回転軸101の停止時には金属薄板105の先端は所定の予圧で回転軸101に接触しているが、回転軸101の回転時には回転軸101が回転することで生じる動圧効果によって金属薄板105の先端が浮上するため、回転軸101の回転時には金属薄板105と回転軸101は非接触状態となる。
又、この金属薄板105は、その外周側基端がハウジング102にロウ付けされて多層に配置されるが、このとき、隣接する金属薄板105それぞれの間には、僅かに隙間が設けられる。この隙間は、回転軸101の径が十分に大きいために、金属薄板105の外周側基端から内周側先端まで実質的にほぼ一定とみなすことができる。更に、回転軸101の軸方向に幅を有する金属薄板105を回転軸101の周方向に多層に配置して、これら金属薄板105に回転軸101の周方向に柔らかい可撓性を与えるとともに、回転軸101の軸方向には剛性の高いシール機構を構成させる。
特開2002−13647号公報
しかしながら、大型流体機械を構成するために、回転軸101を取り付ける際、その端部から挿入して取り付けることが困難である。そのため、回転軸101の外周に沿ってリング状に構成されるリーフシール100は、その周方向に4〜8分割された複数の分割リングとなる軸シール用部材として構成される。即ち、図16のように、回転軸101の回転方向に対して角度を持つ方向で分割される分割リングとしてリーフシール100が構成される。このとき、そのハウジング102の端面が回転軸101の回転方向に対して回転軸101の周面となす角度が、金属薄板105が回転軸101の周面となす角度と等しい角度となる。
このように、複数の分割リングとして構成されるリーフシール100を回転軸101の外周に設置したとき、隣接するリーフシール100の結合部分に隙間110が形成される。このように形成された隙間110が、高圧側領域から低圧側領域に向かって直線的に作動流体を通過させる流路を形成してしまうため、この流路抵抗の低い流路を通って漏れる漏洩量が増加し、大型流体機械の機械効率を低下させてしまうという問題が生じる。
このような問題を鑑みて、本発明は、各分割部間からの漏洩量を低減することができる軸シール用部材及び軸シール機構及びこれを備えた大型流体機械を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の軸シール用部材は、回転軸の周方向に沿って積層されるとともに外周基端側が固定された複数の第1金属薄板と、前記複数の第1金属薄板の外周基端側を嵌合して固定するハウジングと、前記複数の第1金属薄板それぞれの一方の側縁に当接するとともに前記ハウジング及び前記複数の第1金属薄板によって保持される第1プレートと、前記複数の第1金属薄板それぞれの他方の側縁に当接するとともに前記ハウジング及び前記複数の第1金属薄板によって保持される第2プレートと、を備えるとともに、分割環形状となる軸シール部材において、前記ハウジングの端部に前記回転軸の周方向に沿って積層されるとともに外周基端側が固定された複数の第2金属薄板を備えることを特徴とする。
このような軸シール用部材において、前記第2金属薄板が前記第1金属薄板と同一形状であるとともに、隣接する前記第1金属薄板及び前記第2金属薄板それぞれの外周基端側が固定されるものとしても構わない。このとき、前記第1金属薄板及び前記第2金属薄板が、前記外周基端側と前記先端側とで、回転軸の周方向に対する厚さが異なる段差が設けられる。
このとき、前記第1金属薄板及び前記第2金属薄板それぞれが、回転軸の軸方向に対して、前記外周側基端側の幅を前記先端側の幅より広いT字型形状とする。又、前記第1金属薄板において、前記外周側基端側の幅と前記先端側の幅との段差に相当する部分における両側縁それぞれに切り欠きを設けるとともに、当該切り欠きに前記第1プレート及び前記第2プレートの外周側を嵌め込む事によって、前記第1プレート及び前記第2プレートを固定する。
又、前記第2金属薄板が、前記第1金属薄板と前記ハウジングと前記第1プレートと前記第2プレートによって構成される端面を覆う形状であるとともに、前記ハウジングの端部に当接する前記第2金属薄板の外周基端側が前記ハウジングに固定されるものとしても構わない。
このとき、更に、前記第2金属薄板が低圧側に面する側縁の先端側に切り欠き部を備えるものとしても構わない。そして、前記第2プレートが低圧側に面する側縁と当接するとともに、前記第1プレートが前記第2プレートよりも長く、前記切り欠き部の幅が前記第2プレートの厚さ以上の幅とするものとしても構わない。又、このように切り欠き部を設けて、前記第2金属薄板の形状を、前記ハウジングと前記第1金属薄板と前記第1プレートと前記第2プレートによって形成される端面と同一の形状とするものとしても構わない。
又、このように構成するとき、前記第2金属薄板の外周側基端から先端までの長さが、前記ハウジングの外周側端面から前記第1金属薄板の先端までの長さより短くなるようにしても構わない。このとき、前記第2金属薄板の厚さを前記第1金属薄板よりも厚くしても構わない。
更に、前記第2金属薄板が前記ハウジングの両端部それぞれに複数枚ずつ積層されるようにしても構わない。このとき、前記ハウジングの一方の端部に積層される前記第2金属薄板の厚さと、前記ハウジングの他方の端部に積層される前記第2金属薄板の厚さとを異なるものとしても構わない。
又、本発明の軸シール機構は、上述のいずれかに記載の軸シール用部材を前記ステータの内周面に沿って環状に設けた溝に複数嵌め込むことによって、当該複数の軸シール用部材を前記回転軸の周面に沿って環状に配置するとともに、隣接する前記軸シール用部材の前記ハウジング間の隙間を前記第2金属薄板の枚数を調整して埋めることによって、構成されることを特徴とする。
このような軸シール機構において、前記回転軸の軸方向において、前記溝の幅を前記軸シール用部材の幅よりも広くするとともに、前記第2プレート側と当接するとともに前記ハウジングを前記溝とともに嵌合する取付部材が、前記軸シール用部材とともに前記溝に嵌め込まれることによって、構成されるものとしても構わない。
又、前記回転軸が回転して流れる作動流体の移動方向に対して、ステータが、設置された前記軸シール用部材の下流側に、前記軸シール用部材と異なる軸シール部材が設置されるものとしても構わない。当該別の軸シール部材として、ラビリンスシールが設置されるものとしても構わない。
本発明の大型流体機械は、複数段の翼を備えた回転軸と、該回転軸を支持するステータと、を備えるとともに、前記回転軸と前記ステータとの間の空間を前記翼によって複数に分割する大型流体機械において、前記回転軸に沿った作動流体の漏れを低減する軸シール機構が、上述のいずれかに記載の軸シール機構によって構成されることを特徴とする。
このとき、前記軸シール機構が、前記回転軸に設けられた各段の前記翼の間に配置されるとともに前記ステータに設置される静翼と前記回転軸との間の作動流体の漏れをシールするように設置されるものとしても構わない。又、前記軸シール機構が、前記回転軸を支持するとともに前記ステータに設置される軸受けと前記回転軸との間の作動流体の漏れをシールするように設置されるものとしても構わない。
又、このような大型流体機械を、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプなどとしても構わない。
本発明によると、このように軸シール部材の端部に複数枚の金属薄板を積層して突出させることで、複数の軸シール部材を環状に配置して軸シール機構を構成したときにできる隙間を埋め込むことができる。よって、軸シール機構による作動流体の漏れ量を低減させることができる。又、端部に積層する第2金属薄板をハウジングに嵌合された第1金属薄板と同一形状とすることで、同一工程で作成することができる。
又、端部に積層する第2金属薄板の形状を、ハウジングをも覆う形状とすることによって、軸シール機構による作動流体の漏れ量を更に低減させることができる。又、第2金属薄板の長さを短くすることで、予圧による第2金属薄板の回転軸の周面への押付力を小さくすることができる。更に、第2金属薄板に切り欠き部を設けることで、回転軸が回転してガスが流れ込むことで発生するガス圧による、第2金属薄板の回転軸の周面に対する押付力を調整することができる。
本発明の実施形態、図面を参照して以下に説明する。
<軸シール機構を備えた大型流体機械の構成例>
まず、以下の各実施形態において説明する軸シール機構を備えた大型流体機械について、ガスタービンを一例に挙げて、以下に説明する。図1は、本例におけるガスタービンの構成を示す概略配置図である。
図1に示すガスタービンGtは、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機3と、圧縮機3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4と、燃焼器4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5と、タービン5の回動する動力の一部を圧縮機3に伝達させて圧縮機3を回動させる回転軸6と、を有している。
このように構成されるガスタービンGtにおいて、タービン5は、回転軸6に設けられた動翼51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して動力を発生する。又、このタービン5には、回転軸6側の複数の動翼51のほかに、タービン5のケーシング50側に複数の静翼52が設けられるとともに、これら動翼51と静翼52とが、回転軸6の軸方向に交互に配列される。よって、動翼51は回転軸6の軸方向に流れる燃焼ガスの圧力を受けて回転軸6を回転させ、回転軸6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。そして、静翼52と回転軸6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、リーフシール10が設けられる。
又、圧縮機3は回転軸6にてタービン5と同軸でつながれており、タービン5の回転を利用して外気を圧縮して圧縮空気を燃焼機4に供給している。圧縮機3でもタービン同様に回転軸6に複数の動翼31と、圧縮機3のケーシング30側に複数の静翼32が設けられており、動翼31と静翼32とが回転軸6の軸方向に交互に配列される。そして、静翼32と回転軸6との間においても、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のリーフシール10が設けられる。更に、圧縮機3のケーシング30が回転軸6を支持する軸受け部33、及び、タービン5のケーシング50が回転軸6を支持する軸受け部53においても、高圧側から低圧側に圧縮空気又は燃焼ガスが漏れるのを防止するための軸シールとしてリーフシール10が設けられる。
尚、以下の各実施形態においては、図1に示すガスタービンにリーフシールを採用しているものを例示しているが、それに限定されるものではなく、例えば、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプなどの大型流体機械のように、軸の回転と流体の流動の関係でエネルギーを仕事に変換するものに広く採用することができる。又、回転軸の軸方向の流体の流動を抑えるためにも用いることができる。
<リーフシールの基本構成例>
上述のように構成されるガスタービンGtに設けられるリーフシール10の基本構成例について、図面を参照して以下に説明する。図2が、回転軸6の軸方向に対するリーフシール10の断面図であり、図3が、回転軸6の周方向に対するリーフシール10の側面図及び断面図である。
リーフシール10は、ステータ60(静翼32,52及び軸受け部33,53に相当する)に挿入されて、回転軸6とステータ60との間の環状空間における作動流体の漏れを防ぐための軸シールとして設置される。このリーフシール10は、図2に示すように、図3(a)のように回転軸6の周方向に互いに微少間隔を開けて多重に配列された複数の金属薄板1と、金属薄板1の外周基端側において金属薄板1の両側から挟持するコの字型のハウジング2a,2bと、金属薄板1の高圧側領域に対向する一方の側縁とハウジング2aとで挟み込まれて金属薄板1の一方の側縁に接触する分割環状の高圧側プレート21aと、金属薄板1の低圧側領域に対向する他方の側縁とハウジング2bとで挟み込まれて金属薄板1の他方の側縁に接触する分割環状の低圧側プレート21bと、ハウジング2a,2bとを前記金属薄板1の外周側で接続する接続部材22と、ハウジング2a,2bで狭持される各金属薄板1のがたつきを抑制するスペーサ23と、ハウジング2a,2bで狭持される各金属薄板1を回転軸6と同軸をなすように浮上状態に指示する板バネ24と、を備える。
このように構成されるリーフシール10において、金属薄板1が、図2のように、外周側基端の幅(回転軸6の軸方向の幅)に比べて内周側の幅(回転軸6の軸方向の幅)が狭くなる略T字型の薄い鋼板によって構成され、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13a,13bが設けられる。そして、この金属薄板1を回転軸6の軸方向に同一の幅となるように重ねるとともに、図3(b)のように、その外周基端及び外周基端側となる幅の広い部分の側面に溶接Wdを施して固定する。又、この金属薄板1は板厚tで決まる所定の剛性を回転軸6の周方向に持つように設計されるとともに、金属薄板1は回転軸6の回転方向に対して回転軸6の周面となす角θが鋭角となるようにハウジング2a,2bに取り付けられる。
又、高圧側プレート21a及び低圧側プレート21bそれぞれの回転軸6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211a,211bが設けられるとともに、この段差部分211a,211bそれぞれが複数の金属薄板1の切り欠き部13a,13bに嵌め込まれる。更に、ハウジング2aが、複数の金属薄板1の外周基端側における一方の側縁(高圧側)に対面する面に、凹溝25aを備えるとともに、ハウジング2bが、複数の金属薄板1の外周基端側における他方の側縁(低圧側)に対面する面に、凹溝25bを備える。そして、切り欠き部13a,13bに高圧側プレート21a及び低圧側プレート21bそれぞれの段差211a,211bが嵌め込まれた複数の金属薄板1は、その外周基端側における一方の側縁(高圧側)がハウジング2aの凹溝25aに嵌め込まれるとともに、その外周基端側における他方の側縁(低圧側)がハウジング2bの凹溝25bに嵌め込まれる。
このように、複数の金属薄板1の外周基端側が嵌め込まれるハウジング2a,2bの間に接続部材22が挿入されるとともに、この接続部材22がハウジング2a,2bと溶接されることで、ハウジング2a,2bが固定される。又、各金属薄板1の外周基端とハウジング2a,2bとの間には、各金属薄板1の外周基端及びハウジング2a,2bと当接するように、スペーサ23が挿入される。更に、スペーサ23で固定されたハウジング2a,2bの外周側には凹溝26a,26bが設けられる。そして、この凹溝26a,26bに依って形成される1つの凹溝に板バネ24が嵌め込まれることによって、板バネ24がハウジング2a,2bの外周側に固定される。
このようにリーフシール10が構成されるとき、このリーフシール10は、図2に示すように、環状となる取付ピース62とともに、ステータ60側の内周壁面に形成された環状の凹溝61にハウジング2a,2b側から嵌め込まれる。このとき、環状の凹溝61は、回転軸6の軸方向において、図2に示すように、外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、金属薄板1の一方の側縁(高圧側)に対向する側面に段差が設けられた形状とする。よって、この段差の外周側の面となる摺接面61aが形成される。そして、この摺接面61aがリーフシール10のハウジング2aの内周面と摺接する。又、凹溝61の外周面となる摺接面61bがリーフシール10の外周側に設けられる板バネ24と摺接する。更に、この凹溝61の内周側の幅は、回転軸6の軸方向の幅において、リーフシール10の幅よりも十分に広くなるように形成される。
又、取付ピース62は、回転軸6の軸方向において、図2に示すように、外周側の幅が内周側の幅よりも狭くなるように、金属薄板1の他方の側縁(低圧側)に対向する側面に段差が設けられた形状とする。よって、この段差の外周側の面となる摺接面62aが形成される。そして、この摺接面62aがリーフシール10のハウジング2bの内周面と摺接する。又、この取付ピース62は、回転軸6の軸方向の幅の狭い内周側の部分において、金属薄板1の他方の側縁(低圧側)に対向する側面が、低圧側プレート21bが当接する受圧面62bとなる。更に、この取付ピース62の内周面の一部を突起させた形状とすることで、ラビリンスシール62dを具備する。即ち、リーフシール10の下流側に取付ピース62が設置されるため、リーフシール10よりも下流において更に作動流体の漏れ量を低減させるラビリンスシール62dが設置されることとなる。
このように、ステータ60の凹溝61及び取付ピース62が構成されるため、リーフシール10は、その外周基端側で保持されることとなる。即ち、ハウジング2a,2bそれぞれの内周面が、凹溝61の摺接面61a及び取付ピース62の摺接面62aと摺接するとともに、ハウジング2a,2bの外周側に固定された板バネ24が凹溝61の摺接面61bと摺接することで、リーフシール10がステータ60に嵌め込まれた状態で保持される。このとき、取付ピース62を用いてリーフシール10がステータ60の凹溝61に嵌め込まれるため、そのはめ込み作業を容易に行うことができる。
このとき、リーフシール10は、凹溝61内に対して、回転軸6の軸方向に相対移動可能となるように取り付けられる。よって、高圧側領域から低圧側領域に向かって作動流体が流れるとき、そのガス圧がリーフシール10の複数の金属薄板1に作用するため、リーフシール10が低圧側領域に向かって移動し、後述するように、低圧側プレート21bが取付ピース62の受圧面62bと当接する。
このように構成されるリーフシール10は、図4(a)に示すように高圧側領域から低圧側領域に向かうガス圧が各金属薄板1に加わった場合に、各金属薄板1に対して、内周先端側でかつ高圧側領域に位置する角部r1で最もガス圧が高く、かつ対角の角部r2に向かって徐々にガス圧が弱まるガス圧分布70aが形成される。尚、図2において、金属薄板1はT字型形状としているが、図4においては、説明を簡単にするために、撓みを生じる長方形部分のみを図示する。
又、図4(b)に示す回転軸6の周方向に沿った断面図のように、金属薄板1の回転軸6に面した面を下面1qとするとともに、その裏側を上面1pとする。そして、各金属薄板1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って、図4(a)のようにガス圧分布70aが形成されるとき、各金属薄板1の断面に沿った任意位置における上面1pに加わるガス圧よりも下面1q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。
このとき、高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるガスgは、高圧側側板21aと回転軸6の周面との間から流入する。そして、ガスgは、図4(a)のように、回転軸6の周面と金属薄板1の先端との間を流れるとともに、各金属薄板1の上面1p及び下面1qとに沿って、角部r1から角部r2の方向へ放射状に流れる。このようにガスgが流れることで、金属薄板1の外周基端に向かって低圧の領域が広がる。そのため、各金属薄板1の上面1p及び下面1qに垂直に加わるガス圧分布70b,70cは、図4(b)に示すように、金属薄板1の先端部分に近いほど大きくなるとともに金属薄板1の外周基端に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
この上面1p及び下面1qそれぞれにおけるガス圧力分布70b,70cは、略等しい形状となるが、回転軸6の周面に対する角度θが鋭角となるように各金属薄板1が配置されているので、これら上面1p及び下面1qにおける各ガス圧分布70b,70cの相対位置がずれる。よって、金属薄板1の外周基端側から先端側に向かう任意の点Pにおける上面1p及び下面1qのガス圧に差が生じる。即ち、金属薄板1において、下面1qに加わるガス圧が上面1pに加わるガス圧よりも高くなるとともに、回転軸6の周面と金属薄板1の先端との間を流れるガスのガス圧が、金属薄板1を回転軸6より浮かせる方向に発生する。
このように、各金属薄板1の上面1p及び下面1q間に圧力差を生じさせることで、各金属薄板1が回転軸6の周面より浮くように変形させる。即ち、回転軸6の停止時には金属薄板1の先端は所定の予圧で回転軸6の周面に接触しているが(図3(a)参照)、回転軸6の回転時には回転軸6が回転することで生じる動圧効果によって金属薄板1の先端が浮上するため、金属薄板1と回転軸6の周面が非接触状態となる(図3(c)参照)。このように、リーフシール10は、回転軸6の外周をシールすることによって回転軸6の周囲の空間を高圧側領域と、低圧側領域とに分けている。
又、このようにガスgが高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるため、複数の金属薄板1に対して、図5(a)のように、高圧側領域から低圧側領域に向かって流体力Fが作用する。この流体力Fを複数の金属薄板1が受けることで、リーフシール10が高圧側領域から低圧側領域に向かって移動する。そして、図5(b)のように、低圧側プレート21bが取付ピース62の受圧面62bに当接することで、リーフシール10の位置が固定される。このとき、金属薄板1の他方の側縁(低圧側)と取付ピース62の受圧面62bとの距離が、低圧側プレート21bの厚みと等しくなる。
又、回転軸6の径方向に対して、低圧側プレート21bの長さが金属薄板1の幅の狭い部分の長さよりも短いため、金属薄板1の先端側において、低圧側プレート21bと当接しない部分が存在する。よって、金属薄板1の先端側において、金属薄板1の他方の側縁(低圧側)と取付ピース62の受圧面62bとの間に、低圧側プレート21bの厚みと等しい隙間を確保することができる。よって、金属薄板1の他方の側縁側(低圧側)に、金属薄板1の一方の側縁側(高圧側)よりも広い空間を空けることができる。
これにより、図4(a)のように、金属薄板1を通過して流れるガスgが、各金属薄板1の上面1p及び下面1qに沿って対角に向かって広く流れるとともに、金属薄板1の外周基端側に低圧の領域が広がる。そして、前述したように、金属薄板1の幅方向に垂直な断面に沿った任意位置で、金属薄板1の上面1p及び下面1qそれぞれに加わるガス圧分布を、金属薄板1の先端側から外周基端に向かって徐々に小さくなる三角形状とすることができる。よって、結果的に、回転軸6が回転してガスgが流れ込むことで発生するガス圧による押付力を調整することができる。
以下の各実施形態におけるリーフシールは、上述した構成を基本構成とする。尚、上述の構成は、基本構成の一例であり、例えば、T字型とする金属薄板1を長方形状としても構わないし、又、金属薄板1とハウジング2a,2bとの間にスペーサ23がないものとしても構わないし、又、ハウジング2a,2bと接続部22とがボルトで固定されるものとしても構わないし、又、板バネ24のないものとしても構わない。
<第1の実施形態>
本発明の第1の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。図6は、本実施形態におけるリーフシールの構成を示す側面図である。又、図7は、本実施形態におけるリーフシールの製造工程の概要を説明するための図である。
本実施形態のリーフシール10aは、図6(a)に示すように、上述の基本構成例における構成(図3(a)参照)に対して、回転軸6の周方向に対するハウジング2a,2bの端部2xに設置された金属薄板1に、更に、複数枚の金属薄板1xが回転軸6の周方向に積層された構成とされる。このとき、金属薄板1xは、ハウジング2a,2bで狭持される複数の金属薄板1と同様、図6(b)のように、回転軸6の軸方向でその幅が一致するように積層される。尚、図6(a)は、リーフシール10aを高圧側領域より見た外観図であり、図6(b)は、リーフシール10aをハウジング2a,2bの端部2x側から見た外観図である。
このように構成されるリーフシール10aは、まず、金属薄板1,1xが、圧延にて形成された厚さ0.1mm程度の鋼板(例えばステンレス、インコネル、ハステロイ等を金属材料とする鋼板)をエッチングすることで所定の形状(T字型)で形成される。このとき、金属薄板1,1xの先端側の片面のみ(図7(a)の網掛け部分1dに相当する)を部分的にエッチングして取り除くことで、その厚みに段差を設ける。このようにエッチングにて取り除かれる部分1dが、金属薄板1,1xを積層したときに金属薄板1,1x同士の隙間となる。又、この隙間に相当する部分1dが取り除かれて得られた金属薄板1,1xの先端部分1cの厚さによって、金属薄板1,1xの剛性が設定され、予圧による回転軸6の周面に対する押付力が調整される。
このようにしてT字型に形成された各金属薄板1,1xは、図7(b)のように、金属薄板1xが端部に配置されるように、多重且つ斜めに重ね合わせた後、その外周基端側を溶接する。即ち、積層された金属薄板1,1xの外周基端及び外周基端側となる幅の広い部分の側面に溶接Wdを施して固定する。このように外周基端側で溶接Wdが施されて接続された複数の金属薄板1,1xに対して、図7(c)のように、金属薄板1,1xの先端が回転軸6の周方向に沿うように大まかな曲げが与えられる。
その後、図7(d)のように、金属薄板1に設けられた切り欠き部13a,13bそれぞれに、高圧側プレート21aの段差部分211aと低圧側プレート21bの段差部分211bとが嵌め込まれるとともに、金属薄板1の外周基端側がハウジング2a,2bに嵌め込まれる。このとき、ハウジン2a,2bと金属薄板1の外周基端との間には、スペーサ23が挿入される。そして、ハウジング2a,2bの間に接続部分22が挿入されるとともに、この接続部分22とハウジング2a,2bとが溶接固定される。
このハウジング2a,2bによって金属薄板1を狭持した後、ハウジング2a,2bの外周側に設けられた凹溝26a,26bに板バネ24を嵌め込むとともに固定し、分割環形状となるリーフシール10aを形成する。このリーフシール10aは、溶接された金属薄板1,1xのうちの金属薄板1が積層された部分がハウジング2a,2bに狭持されるとともに、スペーサ23がハウジング2a,2bとの間に挿入されて、金属薄板1,1xが固定される。
このようにして形成されたリーフシール10aは、取付ピース62とともにステータ60の凹溝61に嵌め込まれることによって、ステータ60に固定される。このとき、分割環形状に構成されたリーフシール10aが、図8(a)のように、回転軸6の周方向に複数配置されることによって、回転軸6とステータ60との空間をシールする環状の軸シール機構が構成される。
このように環状に配置するとき、リーフシール10aを形成したときの製造誤差によって、周方向に隣接するリーフシール10aにおいて、図8(b)に示すように、それぞれのハウジング2a(2b)の間に隙間2yが生じるが、ハウジング2a(2b)の片方の端部2xに設けられた金属薄板1xによって隙間2yを遮蔽することができる。このとき、隙間2yの幅に応じて、ハウジング2a(2b)の片方の端部2xに積層する金属薄板1xの枚数を調整する。即ち、隙間2yの幅が積層された複数の金属薄板1xの厚さよりも狭い場合は、積層された金属薄板1xを剥がすことによって、その厚さが隙間2yの幅と等しくなる枚数となるように調整される。
このようにリーフシール10aの片側の端部に金属薄板1xを積層して複数枚の金属薄板1xを突出させることで、リーフシール10aを環状に配置したときにできる隙間を埋め込むことができる。又、金属薄板1xをハウジング2a,2bで狭持される金属薄板1と同一形状とすることで、金属薄板1,1xを同一工程で作成することができ、軸シール機構の製作工程を変更する必要がない。
<第2の実施形態>
本発明の第2の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。図9は、本実施形態におけるリーフシールの構成を示す図である。又、図10は、本実施形態におけるリーフシールの製造工程の概要を説明するための図である。
本実施形態のリーフシール10bは、図9(a)に示すように、上述の基本構成例における構成(図3(a)参照)に対して、回転軸6の周方向に対するハウジング2a,2bの端部2xに、更に、複数枚の金属薄板1yが回転軸6の周方向に積層された構成とされる。このとき、金属薄板1yは、図9(b)のように、回転軸6の軸方向において、その外周基端側がハウジング2a,2b及び接続部22による幅と同一の幅とされるとともに、その先端側が高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、及び金属板1による幅と同一の幅とされる。
そして、図9(b)のように、回転軸6の軸方向でハウジング2a,2b、高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、接続部22、スペーサ23、及び金属薄板1によって構成される端部2xにおける端面に重なるように積層される。尚、図9(a)は、リーフシール10bを高圧側領域より見た外観図であり、図9(b)は、リーフシール10bをハウジング2a,2bの端部2x側から見た外観図である。又、図9(b)において、破線によって、ハウジング2a,2b、高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、接続部22、スペーサ23、及び、金属薄板1が示される。
このように構成されるリーフシール10bは、まず、金属薄板1,1yがそれぞれ、圧延にて形成された鋼板をエッチングすることで所定の形状(T字型)で形成される。このとき、金属薄板1については、第1の実施形態と同様、その先端側の片面のみを部分的にエッチングして取り除いてその厚みに段差を設けるが、金属薄板1yについては段差を設けない。そして、まず、図10(a)のように、T字型に形成された複数の金属薄板1が、第1の実施形態と同様にして、多重且つ斜めに重ね合わされた後、その外周基端側が溶接されて固定される。
このように複数の金属薄板1が積層されて固定されると、図10(b)のように、金属薄板1の先端が回転軸6の周方向に沿うように大まかな曲げが与えられる。その後、図10(c)のように、高圧側プレート21a及び低圧側プレート21bが嵌め込まれた金属薄板1が、ハウジング2a,2bと金属薄板1の外周基端との間にスペーサ23が挿入された状態で、ハウジング2a,2bに嵌め込まれるとともに、接続部分22によって、ハウジング2a,2bが溶接固定される。
このハウジング2a,2bによって金属薄板1を狭持して分割環形状を形成すると、図10(d)のように、ハウジング2a,2bの端部2xに、複数の金属薄板1yを多重且つ斜めに重ね合わせるとともに、その外周基端及び外周基端側の側面を溶接Wdによって固定する。このとき、ハウジング2a,2bの端部2xにおいて、ハウジング2a,2b、高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、接続部22、スペーサ23、及び金属薄板1によって形成される端面と接する金属薄板1yは、溶接によって、ハウジング2a,2b及び接続部22と溶接固定される。その後、ハウジング2a,2bの外周側に板バネ24が固定されることで、分割環形状となるリーフシール10bが形成される。
このようにして形成されたリーフシール10bは、取付ピース62とともにステータ60の凹溝61に嵌め込まれることによって、ステータ60に固定される。このとき、分割環形状に構成されたリーフシール10bが、図11(a)のように、回転軸6の周方向に複数配置されることによって、回転軸6とステータ60との空間をシールする環状の軸シール機構が構成される。そして、第1の実施形態と同様、図11(b)のように、周方向に隣接するリーフシール10bそれぞれのハウジング2a(2b)の間に生じる隙間2yが、ハウジング2a(2b)の片方の端部2xに設けられた金属薄板1yによって遮蔽される。このとき、金属薄板1yの剥がす枚数を調整することで、隙間2yの幅に応じた枚数の金属薄板1yにより隙間2yを遮蔽することができる。
このようにリーフシール10bの片側の端部に金属薄板1yを複数枚積層することで、リーフシール10aを環状に配置したときにできる隙間を埋め込むことができる。又、金属薄板1yの形状を、ハウジング2a,2b、高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、接続部22、スペーサ23、及び金属薄板1によって形成される端面を覆うような形状とすることにより、金属薄板1とハウジング2a,2bとの間に相当する空間をも遮蔽することができ、流体の漏れ量を低減することができる。
<第3の実施形態>
本発明の第3の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。図12は、本実施形態におけるリーフシールの構成を示す図である。
本実施形態のリーフシール10cは、第2の実施形態と同様、図12(a)に示すように、上述の基本構成例における構成(図3(a)参照)に対して、回転軸6の周方向に対するハウジング2a,2bの端部2xに、更に、複数枚の金属薄板1zが回転軸6の周方向に積層された構成とされる。この金属薄板1zは、回転軸6の径方向に対する長さが、第2の実施形態の金属薄板1y(図9参照)よりも短くなるように形成される。よって、図12(b)のように、金属薄板1zは、ハウジング2a,2b、高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、接続部22、スペーサ23、及び金属薄板1によって形成される端面のうち、金属薄板1の先端側を除いた部分と重なるような形状とされる。
即ち、金属薄板1zは、その先端が金属薄板1の先端に対して外周側にわずかにずれた形状とされる。尚、図12(a)は、リーフシール10cを高圧側領域より見た外観図であり、図12(b)は、リーフシール10cをハウジング2a,2bの端部2x側から見た外観図である。又、図12(b)において、破線によって、ハウジング2a,2b、高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、接続部22、スペーサ23、及び、金属薄板1が示される。
このように構成されるリーフシール10cは、第2の実施形態と同様の手順(図10参照)によって分割環形状となるように形成された後、取付ピース62とともにステータ60の凹溝61に嵌め込まれることによって、ステータ60に固定される。このとき、第2の実施形態と同様、複数のリーフシール10cが回転軸6の周方向に配置されるとともに(図11(a)参照)、回転軸6の周方向に隣接するリーフシール10cそれぞれのハウジング2a(2b)の間に生じる隙間2yが、ハウジング2a(2b)の片方の端部2xに設けられた金属薄板1zによって遮蔽される(図11(b)参照)。
このようにリーフシール10cの片側の端部に金属薄板1zを複数枚積層することで、リーフシール10cを環状に配置したときにできる隙間を埋め込むことができる。又、金属薄板1zを、その先端が金属薄板1の先端に対して外周側にわずかにずれた形状とすることで、停止時にかかる予圧による回転軸6の周面への押付力を調整することができる。よって、金属薄板1zの厚さを金属薄板1より厚くして金属薄板1よりも剛性を持たせた場合においても、金属薄板1zと回転軸6の周面とに距離を与えて、回転軸6の周面への押付力を小さくすることができる。
<第4の実施形態>
本発明の第4の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。図13は、本実施形態におけるリーフシールの構成を示す図である。
本実施形態のリーフシール10dは、第2の実施形態と同様、図13(a)に示すように、上述の基本構成例における構成(図3(a)参照)に対して、回転軸6の周方向に対するハウジング2a,2bの端部2xに、更に、複数枚の金属薄板1wが回転軸6の周方向に積層された構成とされる。この金属薄板1wは、図13(b)のように、金属薄板1y(図9(b)参照)のようなT字型の形状に対して、その先端部分における低圧側の他方の側縁に切り欠き部15を設けた形状となる。この切り欠き部15の回転軸6の軸方向に対する幅を、低圧側プレート21bの幅とほぼ等しい幅とする。
即ち、金属薄板1wの形状が、ハウジング2a,2b、高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、接続部22、スペーサ23、及び金属薄板1によって形成される端面と略同一形状とされる。尚、図13(a)は、リーフシール10dを高圧側領域より見た外観図であり、図13(b)は、リーフシール10dをハウジング2a,2bの端部2x側から見た外観図である。又、図13(b)において、破線によって、ハウジング2a,2b、高圧側プレート21a、低圧側プレート21b、接続部22、スペーサ23、及び、金属薄板1が示される。
このように構成されるリーフシール10dは、第2の実施形態と同様の手順(図10参照)によって分割環形状となるように形成された後、取付ピース62とともにステータ60の凹溝61に嵌め込まれることによって、ステータ60に固定される。このとき、第2の実施形態と同様、複数のリーフシール10dが回転軸6の周方向に配置されるとともに(図11(a)参照)、回転軸6の周方向に隣接するリーフシール10dそれぞれのハウジング2a(2b)の間に生じる隙間2yが、ハウジング2a(2b)の片方の端部2xに設けられた金属薄板1wによって遮蔽される(図11(b)参照)。
このようにリーフシール10dの片側の端部に金属薄板1wを複数枚積層することで、リーフシール10dを環状に配置したときにできる隙間を埋め込むことができる。又、金属薄板1wに切り欠き部15を設けることで、金属薄板1wの先端部分における他方の側縁(低圧側)と取付ピース62の受圧面62bとの間に隙間が形成される。よって、金属薄板1の先端部分における他方の側縁(低圧側)と取付ピース62の受圧面62bとの間に隙間を設けることと同様の効果が得られる。即ち、回転軸6が回転してガスが流れ込むことで発生するガス圧による、金属薄板1wの回転軸6の周面に対する押付力を調整することができる。
尚、本実施形態において、第3の実施形態の金属薄板1z(図12参照)と同様、金属薄板1wを、切り欠き部15を備えるとともに、その先端が金属薄板1の先端に対して外周側にわずかにずれた形状としても構わない。又、金属薄板1wの厚さを金属薄板1xと異なるものとしても構わない。
<第5の実施形態>
本発明の第5の実施形態について、図面を参照して以下に説明する。図14は、本実施形態におけるリーフシールの構成を示す図である。
本実施形態のリーフシール10eは、第4の実施形態と同様、図14に示すように、上述の基本構成例における構成(図3(a)参照)に対して、回転軸6の周方向に対するハウジング2a,2bの両方の端部2x,2zそれぞれに、更に、複数枚の金属薄板1wa,1wbが回転軸6の周方向に積層された構成とされる。この金属薄板1wa,1wbは、第4の実施形態と同様の形状であり(図13(b)参照)、金属薄板1wのようなT字型の形状に対して、その先端部分における低圧側の他方の側縁に切り欠き部15を設けた形状となる。
このように構成されるリーフシール10eは、第2〜第4の実施形態と同様(図10参照)、積層した複数の金属薄板1をハウジング2a,2bで固定した後、その両方の端部2x,2zそれぞれに、金属薄板1wa,1wbを積層させて構成される。よって、このリーフシール10eが取付ピース62とともにステータ60の凹溝61に嵌め込まれることによって、ステータ60に固定されるとき、回転軸6の周方向に隣接するリーフシール10eそれぞれのハウジング2a(2b)の間に生じる隙間2yが、適当な枚数の金属薄板1wa,1wbによって遮蔽される。
このとき、例えば、金属薄板1waの幅を金属薄板1wbの幅よりも厚くすることで、調整前のリーフシール10eが隣接するリーフシール10eと重なる幅が厚い場合は、金属薄板1waを剥がすことによって調整し、そして、この重なる幅に対して微調整を施すときは、金属薄板1wbを剥がすことによって調整することで、隙間2yの幅に対してより適正な調整を施すことができる。
尚、本実施形態において、金属薄板1wと同一形状の金属薄板1wa,1wbが、その両端に積層されるものとしたが、第1〜第3の実施形態における金属薄板1x〜1zそれぞれの同一形状の金属薄板が、その両端に積層されるものとしても構わない。又、第1〜第5の実施形態において、複数の分割環形状のリーフシールを用いて環状の軸シール機構を構成するものとしている。このとき、分割環形状のリーフシールの少なくとも1つが、第1〜第5の実施形態で説明したリーフシール10a〜10eのいずれかとし、調整手段のない分割環形状のリーフシールを複数組み合わせて環状にしたときに生じる隙間を遮蔽するものとしても構わない。
以上のように説明したリーフシールによる軸シール機構は、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプなどの大型流体機械のように、軸の回転と流体の流動の関係でエネルギーを仕事に変換するものに広く採用することができる。
は、軸シール機構を備えた大型流体機械の構成の一例を示す概略配置図である。 は、リーフシールの基本構成を示す回転軸の軸方向に対する断面図である。 は、リーフシールの基本構成を示す回転軸の周方向に対する側面図及び断面図である。 は、基本構成となる図2のリーフシールの動作を説明するための図である。 は、基本構成となる図2のリーフシールの動作を説明するための図である。 は、第1の実施形態におけるリーフシールの構成を示す外観図である。 は、図6のリーフシールの製造工程の概要を説明するための図である。 は、図6のリーフシールを環状に配置したときの関係を示す外観図である。 は、第2の実施形態におけるリーフシールの構成を示す外観図である。 は、図9のリーフシールの製造工程の概要を説明するための図である。 は、図9のリーフシールを環状に配置したときの関係を示す外観図である。 は、第3の実施形態におけるリーフシールの構成を示す外観図である。 は、第4の実施形態におけるリーフシールの構成を示す外観図である。 は、第5の実施形態におけるリーフシールの構成を示す外観図である。 は、従来のリーフシールの構成を示す斜視図である。 は、従来のリーフシールを環状に配置したときの構成を示す概略構成図である。
符号の説明
1,1x〜1w,1wa,1wb 金属薄板
2a,2b ハウジング
21a 高圧側プレート
21b 低圧側プレート
22 接続部
23 スペーサ
24 板バネ
6 回転軸
60 ステータ
61 凹溝
62 取付ピース

Claims (9)

  1. 回転軸の周方向に沿って積層されるとともに外周基端側が固定された複数の第1金属薄板と、前記複数の第1金属薄板の外周基端側を嵌合して固定するハウジングと、前記複数の第1金属薄板それぞれの一方の側縁に当接するとともに前記ハウジング及び前記複数の第1金属薄板によって保持される第1プレートと、前記複数の第1金属薄板それぞれの他方の側縁に当接するとともに前記ハウジング及び前記複数の第1金属薄板によって保持される第2プレートと、を備えるとともに、分割環形状となる軸シール部材において、
    前記ハウジングの端部に前記回転軸の周方向に沿って積層されるとともに外周基端側が固定された複数の第2金属薄板を備えることを特徴とする軸シール用部材。
  2. 前記第2金属薄板が前記第1金属薄板と同一形状であるとともに、隣接する前記第1金属薄板及び前記第2金属薄板それぞれの外周基端側が固定されることを特徴とする請求項1に記載の軸シール用部材。
  3. 前記第2金属薄板が、前記第1金属薄板と前記ハウジングと前記第1プレートと前記第2プレートによって構成される端面を覆う形状であるとともに、前記ハウジングの端部に当接する前記第2金属薄板の外周基端側が前記ハウジングに固定されることを特徴とする請求項1に記載の軸シール用部材。
  4. 前記第2金属薄板が低圧側に面する側縁の先端側に切り欠き部を備えることを特徴とする請求項3に記載の軸シール用部材。
  5. 前記第2金属薄板の外周側基端から先端までの長さが、前記ハウジングの外周側端面から前記第1金属薄板の先端までの長さより短いことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の軸シール用部材。
  6. 前記第2金属薄板が前記ハウジングの両端部それぞれに複数枚ずつ積層されることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の軸シール用部材。
  7. 請求項1〜請求項6のいずれかに記載の軸シール用部材をステータの内周面に沿って環状に設けた溝に複数嵌め込むことによって、当該複数の軸シール用部材を前記回転軸の周面に沿って環状に配置するとともに、
    隣接する前記軸シール用部材の前記ハウジング間の隙間を前記第2金属薄板の枚数を調整して埋めることによって、
    構成されることを特徴とする軸シール機構。
  8. 前記回転軸の軸方向において、前記溝の幅を前記軸シール用部材の幅よりも広くするとともに、
    前記第2プレート側と当接するとともに前記ハウジングを前記溝とともに嵌合する取付部材が、前記軸シール用部材とともに前記溝に嵌め込まれることによって、
    構成されることを特徴とする請求項7に記載の軸シール用部材。
  9. 複数段の翼を備えた回転軸と、該回転軸を支持するステータと、を備えるとともに、前記回転軸と前記ステータとの間の空間を前記翼によって複数に分割する大型流体機械において、
    前記回転軸に沿った作動流体の漏れを低減する軸シール機構が、請求項7又は請求項8に記載の軸シール機構によって構成されることを特徴とする大型流体機械。
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