JP2013155784A - 軸シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンネル型ブラシシールのチャンネル部の加工精度は高くなくても、回転軸に対するブラシシールリングの取付精度を確保することができ、作動流体の漏洩低減効果を格段に向上できるようにする。
【解決手段】チャンネル部３０が外周側になるようにした内巻のチャンネル型ブラシシールリング２６と、高圧側ブラシホルダ２７と、低圧側ブラシホルダ２８と、からなり、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８の突き合わせ面にはチャンネル部３０が収容する空間を形成する溝が形成され、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とでチャンネル型ブラシシールリング２６を挟持して固定する環状のブラシホルダと、を備え、高圧側ブラシホルダ２７および／または低圧側ブラシホルダ２８は、設置位置での圧力隔壁または圧力容器との嵌め合い構造を形成しチャンネル型ブラシシールリングの設置位置を決定する位置基準面を有している。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、軸シール装置に関する。

蒸気タービン、ガスタービン、空気圧縮機、ポンプなどの回転機械では、作動流体の差圧が生じる領域をまたがって回転軸が延びている回転機械がある。この種の回転機械においては、回転軸に沿って作動流体が低圧領域に漏出することを防止するために軸シール装置を必要不可欠としている。

この種の軸シール装置としては、多数の細線で構成されるブラシを利用したブラシシールが知られている。高圧領域と低圧領域を区画する圧力隔壁を回転軸が貫通する穴の内周面には、ブラシシールがラビリンスシールなどと組み合わせて固定されている。

従来、この種のブラシシールには、大きく分けると、溶接型ブラシシールと、チャンネル型ブラシシールとの２種類がある。
このうち、溶接型ブラシシールは、機械加工で加工したリング状の前板と背板の間に、一定の厚さに整列した細線束を挟み、前板と背板の外周側を溶接により固定したブラシシールである。この溶接型ブラシシールに関する先行技術としては、例えば、特許文献１に記載された溶接型ブラシシールを挙げることができる。

他方、チャンネル型ブラシシールは、細線に芯金を入れて折り曲げ、その折り曲げ部分に薄板を外側から折り曲げカシメることでチャンネル部を形成し、全体をリング状に曲げ成形したものである。このチャンネル型ブラシシールに関する先行技術としては、例えば、特許文献２に記載されたチャンネル型ブラシシールがある。

ＵＳ４２０４６２９号公報 特開２００４−０４４８０３号公報

ブラシシールによる作動流体の漏洩低減効果は、回転軸の外周面とブラシ先端との間にできる隙間の管理状態如何によるところが大きい。漏洩低減効果を高めるためには、回転軸とブラシシーリングとの相対位置が予め定めた位置になるように、ブラシシールリングを正確に位置決めして、回転軸の外周面とブラシ先端との間の隙間を管理する必要がある。

この点、溶接型ブラシシールでは、前板と背板も機械加工によって精密に加工されるため、完成したブラシシールリングの寸法精度は、回転機械の組立寸法精度と同等にすることが可能である。したがって、圧力隔壁の内周側あるいはラビリンスシールリングの内周側に開口するリング状の溝にブラシシールリング本体を直接嵌め込むことにより、ブラシシールリングの位置決めを正確に行い、回転軸の外周面とブラシ先端との間の隙間を正確に管理することは容易である。

しかし、溶接型ブラシシールの製作には、直径０．１mm以下の極めて細い細線を前板と背板に正確に巻き付ける作業に特殊な治具や巻付機を必要とし、さらには、細線を溶接する作業や、溶接後の熱処理作業が必要となり、製作コストが高額になるという短所がある。

他方、チャンネル型ブラシシールは、チャンネル部をカシメてリング状に曲げ成形することで製作コストを大幅に低減することができるという利点はあるものの、精度の面からは、チャンネル部をカシメおよび曲げ加工をすることになるため、装着対象である回転機械の組立精度並みの加工仕上がり精度を期待することができない。

このため、仕上がり精度の高いチャンネル型ブラシシールにするためには、材料の前加工の精度を上げたり、あるいはカシメ加工装置での加工精度を高める必要があり、製作コストが格段に上昇してしまうという問題がある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、チャンネル型ブラシシールのチャンネル部の加工精度は高くなくても、回転軸に対するブラシシールリングの取付精度を確保することができ、作動流体の漏洩低減効果を格段に向上できるようにする軸シール装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、回転機械の回転軸の軸方向に隣接する高圧領域と低圧領域の間をシールする軸シール装置において、帯状の細線束の長手方向中央に芯金を当てて折り曲げ、前記細線束の折り曲げ部の外側から帯状の薄板を被せて長手方向に折り曲げたチャンネル部と前記芯金の間に前記細線束を挟んでチャンネルブラシを形成し、前記チャンネル部が外周側になるように前記チャンネルブラシを環状に成形した内巻のチャンネル型ブラシシールリングと、前記高圧側領域に面する高圧側ブラシホルダと、前記低圧側領域に面する低圧側ブラシホルダと、からなり、前記高圧側ブラシホルダと低圧側ブラシホルダの突き合わせ面には前記チャネル型ブラシシールリングのチャンネル部が収容する空間を形成する溝が形成され、前記高圧側ブラシホルダと低圧側ブラシホルダとで前記チャンネル型ブラシシールリングを挟持して固定する環状のブラシホルダと、を備え、 前記高圧側ブラシホルダおよび／または低圧側ブラシホルダは、設置位置での圧力隔壁または圧力容器との嵌め合い構造を形成し前記チャンネル型ブラシシールリングの設置位置を決定する位置基準面を有することを特徴とするものである。

また、本発明は、回転機械の回転軸の軸方向に隣接する高圧領域と低圧領域の間をシールする軸シール装置において、前記回転軸表面との間に所定の隙間が設定された複数枚の環状フィンを有し、高圧領域と低圧領域を区画する隔壁に設置されるラビリンスシールリングと、帯状の細線束の長手方向中央に芯金を当てて折り曲げ、前記細線束の折り曲げ部の外側から帯状の薄板を被せて長手方向に折り曲げたチャンネル部と前記芯金の間に前記細線束を挟んでチャンネルブラシを形成し、前記チャンネル部が外周側になるように前記チャンネルブラシを環状に成形した内巻のチャンネル型ブラシシールリングと、前記高圧側領域に面する高圧側ブラシホルダと、前記低圧側領域に面する低圧側ブラシホルダと、からなり、前記高圧側ブラシホルダと低圧側ブラシホルダの突き合わせ面には前記チャネル型ブラシシールリングのチャンネル部が収容する空間を形成する溝が形成され、前記高圧側ブラシホルダと低圧側ブラシホルダとで前記チャンネル型ブラシシールリングを挟持して前記ラビリンスシールリングと同芯でかつ並行に当該チャンネル型ブラシシールリングを保持する環状のブラシホルダと、を備え、前記高圧側ブラシホルダおよび／または低圧側ブラシホルダは、前記ラビリンスシールリングとの嵌め合い構造を形成し前記チャンネル型ブラシシールリングの設置位置を決定する位置基準面を有することを特徴とするものである。

本発明による軸シール装置が適用される回転機械である軸流タービンを示す縦断面図である。 本発明の第１実施形態による軸シール装置を示す縦断面図である。 本発明の第１実施形態による軸シール装置を構成するチャンネル型ブラシシールリングの一部を示す斜視図である。 図３のチャンネル型ブラシシールリングの製作方法の説明図である。 本発明の第２実施形態による軸シール装置を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態による軸シール装置を示す縦断面図である。 本発明の第４実施形態による軸シール装置を示す縦断面図である。 図７の軸シール装置の変形例を示す縦断面図である。 本発明の第５実施形態による軸シール装置を示す側面図である。 本発明の第６実施形態による軸シール装置を示す縦断面図である。 本発明の第７実施形態による軸シール装置を示す縦断面図である。

以下、本発明による軸シール装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１は、本発明による軸シール装置が適用される回転機械の一例である軸流タービンを示す断面図である。この図１において、参照番号１０は、軸流タービン全体を示す。参照番号１２は、軸流タービン１０は回転軸である。この軸流タービン１０は、回転軸１２を蒸気などの作動流体Ｆで回転させて、運動エネルギを出力軸端１３から得たり、あるいはこれとは逆に、回転軸１２を回転させて作動流体Ｆにエネルギを伝達する回転機械である。

圧力容器１４の内部は、圧力隔壁１６によって、高圧領域としての高圧室１５と、低圧領域である低圧室１７との２つの圧力室に区画されている。回転軸１２は、圧力容器１４および圧力隔壁１６を貫通しており、圧力容器１４の外部に設置されている軸受１８、１９によって回転自在に水平に支持されている。

圧力容器１４には、高圧室１５に作動流体Ｆを導入する流体入口部２０と、低圧室１７から作動流体Ｆを導出する流体出口部２１が形成されている。圧力隔壁１６には、高圧室１５の作動流体Ｆが噴き出るノズル部２２が複数形成されている。回転軸１２では、ディスク２３の外周に複数の羽根２４が取り付けられており、ノズル部２２から羽根２４に向けて高圧の作動流体Ｆが噴き出されることで、回転軸１２は回転するようになっている。

このような軸流タービン１０では、回転軸１２の軸方向に隣接している高圧領域と低圧領域の間には軸シール装置２５が設けられ、回転軸１２に沿って作動流体Ｆが漏出することを防止している。この実施形態では、軸シール装置２５は、高圧室１５と低圧室１７を仕切る圧力隔壁１６のシールと、高圧室１５と外気とのシールと、低圧室１７と外気とのシールのために、合計３ヶ所に配置されている。

次に、図２は、圧力隔壁１６に設置されている軸シール装置２５の横断面を示す。この軸シール装置２５は、チャンネル型ブラシシールリング２６と、このチャンネル型ブラシシールリング２６を保持するブラシホルダである、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とから構成されている。

図３は、チャンネル型ブラシシールリング２６の一部を示す図である。このチャンネル型ブラシシールリング２６は、鋼を材質とする無数の細線からなるブラシを、薄い帯板を折り曲げたチャンネル部３０で固定したリング状のブラシシールである。

ここで、図４は、チャンネル型ブラシシールリング２６の製作方法を示す図である。材料となる細線は一定の長さに切断されて、それらが束ねられて長尺な帯状の細線束３１に成形されている。そして、帯状の細線束３１の長さ方向の中心線に沿って芯金３２を添える。さらに、細線束３１の折り曲げ部の下面には、帯状の薄板３３を当てておく。そして、細線束３１とともに帯状の薄板３３の両縁部を長さ方向にロールカシメ加工などにより折り曲げることで、直線状のチャンネルブラシに成形される。折り曲がった薄板３３は、芯金３２が中に入った状態で細線束３１を２つ折りに保持するチャンネル部３０を構成するようになっている。

次に、細線束３１の先端が内側になるように、チャンネル部３０を環状に曲げ加工することで、図３に示す内巻ブラシ、すなわち、チャンネル型ブラシシールリング２６が成形される。チャンネル型ブラシシールリング２６の場合、薄板３３にカシメ加工を施したり、チャンネル部３０を曲げて環状に成形するので、仕上がりでの寸法精度は比較的低くなってしまうが、比較的安価に製作出来る点が大きな長所である。

このようにして成形されたチャンネル型ブラシシールリング２６は、図２に示されるように、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とによって挟持される。高圧側ブラシホルダ２７の突き合わせ面には、周方向に連続する溝３４が形成され、低圧側ブラシホルダ２８の内側面にも溝３５が形成されており、これらの対向し合う溝３４、３５によってチャンネル型ブラシシールリング２６のチャンネル部３０が嵌合する空間が形成されている。高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８の先端部では、細線束３１が突き出るように挟み込まれている。高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８の突き合わせ面同士は、お互いに隙間なく嵌り合うようになっており、この実施形態では、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とは溶接されることによって一体に接合されている。これら高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８は、設置位置で圧力隔壁１６や圧力容器１４と嵌め合い構造を形成するようになっている。

この第１実施形態では、軸シール装置２５の高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８には、チャンネル型ブラシシールリング２６を予定した設置位置に正確に取り付けるための位置基準面が次のように形成されている。

高圧側ブラシホルダ２７の外周面には、回転軸１２の半径方向の位置基準面３６が形成されており、高圧側ブラシホルダ２７の外側面は、軸方向の位置基準面３７が形成されている。これらの位置基準面３６、３７は、旋盤などの工作機械で精密に加工されており、正確な位置決めに必要な寸法精度はあらかじめ確保されている。同様に、低圧側ブラシホルダ２８の外周面には、半径方向の位置基準面３８が形成されており、低圧側ブラシホルダ２８の外側面には軸方向の位置基準面３９が形成されている。

なお、この実施形態では、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とも半径方向の位置基準面は外周面に設定してあるが、内周面を半径方向の位置基準面とすることも可能である。

本実施形態による軸シール装置は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。
軸シール装置２５に組み込まれているチャンネル型ブラシシールリング２６は、上述したように、カシメ加工や曲げ加工を経て製作されるため、チャンネル部３０の仕上がり形状には高い寸法精度を期待することはできない。仮に、チャンネル型ブラシシールリング２６を、圧力隔壁１６に形成した設置用の溝に挿入して取り付けようとすると、チャンネル部３０の仕上がり精度が低いため、半径方向および軸方向の予定した設置位置に正確に取り付けることは困難である。

そこで、チャンネル型ブラシシールリング２６を圧力隔壁１６の設置位置に正確に取り付ける場合は次のようにすることになる。

図２に示されるように、チャンネル部３０を挟持する高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８を、圧力隔壁１６の側面の予定された設置位置に図示しない組立ボルトを用いて固定する。圧力隔壁１６の高圧側の側面には、回転軸１２が貫通する穴の開口縁にそって回転軸１２と同心の円環状に切欠溝４０が形成されており、高圧側ブラシホルダ２７および低圧側ブラシホルダ２８を切欠溝４０に嵌合させる。切欠溝４０を形成している溝外周面と溝側面は工作機械によって精密に加工されている。
この実施形態では、高圧側ブラシホルダ２７は旋盤などの工作機械によって切欠溝４０の溝外周面に形状に合わせて予め高精度に曲面加工されている半径方向の位置基準面３６を有し、低圧側ブラシホルダ２８も予め高精度に切欠溝４０の形状に合わせて加工されている半径方向の位置基準面３８および回転軸に垂直な平面を構成するように精密に平面加工されている軸方向の位置基準面３９を有している。高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とでチャンネル型ブラシシールリング２６を挟んだ一体構造が切欠溝４０に嵌合する嵌め合い構造では、位置基準面３６、３８を基準にしてチャンネル型ブラシシールリング２６の半径方向の位置が決まることになる。そして、軸方向の位置は、位置基準面３９により決まることになる。したがって、寸法精度の低いチャンネル型ブラシシールリング２６であるにもかかわらず、予定位置に精度良く固定することが可能になる。しかも、チャンネル型ブラシシールリング２６は、溶接型ブラシシールに較べて比較的安価に製作することができることから、製作コストの大幅な削減が可能である。

さらに、チャンネル型ブラシシールリング２６の場合、細線束３１の先端と回転軸１２の外周面との間にできるわずかな隙間Ｇの設定が極めて重要になる。そこで、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８を一体にして圧力隔壁１６の設置用の切欠溝４０に嵌め合わせて取り付けた後、半径方向の位置基準面３６、３８を基準にして、チャンネル型ブラシシールリング２６の内径部を加工してその内径を精密に仕上げることにより、回転軸１２との隙間Ｇを正確に設定することができる。この隙間Ｇについては、０．０mmの範囲での精密な設定が可能である。

このように、位置基準面を有する高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８を利用してチャンネル型ブラシシールリング２６を圧力隔壁１６に固定することにより、予定した位置に正確に固定し、回転軸１２との隙間Ｇを精度高く設定することが可能になる。チャンネル型ブラシシールリング２６によるシール効果は、細線束３１の内径部と回転軸１２の外周面との間の隙間Ｇが大きかったりばらつきがあると、著しく低下するが、上述したように、チャンネル型シールリング２６を正確に取り付けて隙間Ｇを極めて小さく正確に設定できるため、シール効果を高めて作動流体Ｆの漏洩を格段に低減させ、蒸気タービンの熱効率の向上を実現することができる。

さらに、軸流タービン１０のような回転機械の場合、作動流体Ｆが蒸気であると、蒸気の熱で回転軸１２は膨張して回転軸１２にぶれが生じることがある。圧力隔壁１６にチャンネル型ブラシシールリング２６が設置されていれば、ブラシシールを形成している細線束３１は、回転軸１２のぶれに追従して撓むので、チャンネル型ブラシシールリング２６により高圧室１４の作動流体Ｆが低圧室１５に漏洩することを低減することができる。

なお、以上、本実施形態では、軸シール装置２５を圧力隔壁１６に設置する例を説明したが、圧力容器１４についても全く同じように設置される。

第２実施形態
次に、本発明の軸シール装置の第２実施形態について、図５を参照しながら説明する。なお、第１実施形態の図２に示した軸シール装置と同一の構成要素には同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。

上述した第１実施形態では、チャンネル型ブラシシールリング２６を保持し位置基準面を有する高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とが溶接によって接合されているのに対して、この第２実施形態では、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８をボルトで締め付けて一体構造に接合した実施の形態である。

図５において、参照番号４２は、締付ボルトを示す。この実施形態では、低圧側ブラシホルダ２８には、その厚さ方向に雌ねじ孔４３が形成され、この雌ねじ孔４３は所定の間隔をおいて周方向に複数配列している。高圧側ブラシホルダ２７にも同様に厚さ方向にねじ孔４４が形成されている。チャンネル型ブラシシールリング２６のチャンネル部３０を溝３４、３５に収容して、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とを嵌め合わせてから、締付ボルト４２を雌ねじ孔４３に締め込んでいくと、チャンネル側ブラシシールリング２６を高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とで挟んで固定することができる。

以上のように構成される本発明の第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、寸法精度の低いチャンネル型ブラシシールリング２６であるにもかかわらず、位置基準面３６、３８、３９を基準にして、予定位置に精度良く固定することが可能になる。また、半径方向の位置基準面３６、３８を基準にして、細線束３１の内径部を加工して内径部の内径を精密に仕上げることにより、回転軸１２との隙間Ｇを正確に設定することができる。この隙間Ｇについては、０．０mmの範囲での精密な設定が可能になり、第１実施形態と同様に、隙間Ｇを極めて小さく正確に設定できるため、シール効果を高めて作動流体Ｆの漏洩を格段に低減させ、蒸気タービンの熱効率の向上を実現することができる。

さらに、本発明の第２実施形態によれば、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８を溶接ではなく締付ボルト４２で締結しているので、次のような効果を得ることができる。

すなわち、チャンネル型ブラシシールリング２６では、ブラシシールを形成する細線束３１の細線の先端が高速回転する回転軸１２に接触して摩耗が進行し、間隙Ｇが次第に大きくなったり、細線が抜け落ちるというように経年劣化が進んでいく。また、軸流タービン１０の不適切な運用により、細線束３１に水撃を受けたりスケールの衝突により破損が生じることがある。この場合には、締付ボルト４２を緩めて取り外すことで、劣化したり破損したチャンネル型ブラシシールリング２６のみを取り外して、新しいものに交換して、容易に復旧することが可能になる。

第３実施形態
次に、図６は、本発明の第３実施形態による軸シール装置を示す図である。なお、第２実施形態の図５と同一の構成要素には同一の参照符合を付して、その詳細な説明は省略する。

高圧側ブラシホルダ２７の突き合わせ面には、周方向に連続する溝３４が形成され、低圧側ブラシホルダ２８の内側面にも溝３５が形成されており、これらの溝３４、３５によってチャンネル型ブラシシールリング２６のチャンネル部３０を収容する空間が形成されている。高圧側ブラシホルダ２７には位置基準面３６が、低圧側ブラシホルダ２８には位置基準面３８、３９が設けられている点は第１実施形態および第２実施形態と同様である。

チャンネル型ブラシシールリング２６のチャンネル部３０は、カシメ加工や曲げ加工を経ているため、外径の寸法精度はあまり高くなく、溝３４、３５の内面との間に隙間が生じる場合がある。この隙間を通じて、高圧室１５の作動流体Ｆが低圧室１７に吹き抜けて漏洩量が増大するおそれがある。

そこで、この第３実施形態では、カーボングラファイトなどの耐熱性のある充填材４５を用い、チャンネル型ブラシシールリング２６のチャンネル部３０と溝３４、３５の内面との間に充填材４５を詰めて隙間が生じないようにしている。

以上のように構成される本発明の第３実施形態によれば、外径の寸法精度はあまり高くないチャンネル部３０であっても、溝３４、３５の内面との間に隙間が生じないので、作動流体Ｆの吹き抜けを防止し、チャンネル型ブラシシールリング２６に所期のシール効果を発揮させることが可能になる。

第４実施形態
次に、本発明の第４実施形態による軸シール装置について、図７、図８を参照しながら説明する。なお、第２実施形態の図５同一の構成要素には同一の参照符合を付して、その詳細な説明は省略する。
この第４実施形態は、図７に示すように、低圧側ブラシホルダ２８の内周面に、半径方向に突き出した環状のフィン４６を形成した実施の形態である。この場合、回転軸１２の外周面とフィン４６の先端との隙間Ｇ‘は、細線束３１との隙間Ｇに較べて大きく設定されている。図８は、フィン４６を２枚設けた例である。

既に述べたように、チャンネル型ブラシシールリング２６では、細線束３１の細線の先端が高速回転する回転軸１６に接触して摩耗が進行したり、あるいは、破損したりして、間隙Ｇが次第に大きくなることがある。間隔Ｇの増大により、高圧室１４の作動流体Ｆが低圧室１５側に漏洩する量が増えることになる。

これに対して、本発明の第４実施形態によれば、仮に、細線束３１に摩耗や破損が生じても、フィン４６が併設されていることによって、作動流体Ｆの漏洩量の急激な増加を抑止することができる。

細線束３１に摩耗や破損が生じると、軸流タービン１０を非常停止させることになるが、この間の停止操作中も、フィン４６で作動流体Ｆの機外への漏出を食い止めることが可能になる。

なお、図７には、低圧側ブラシホルダ２８の内周面にフィン４６を設けた例を示したが、高圧側ブラシホルダ２７の内周面にフィンを設けたり、あるいはその双方にフィンを設けるようにしてもよい。また、フィンの数については、特に限定されものでない。

第５実施形態
次に、本発明の第５実施形態による軸シール装置について、図９を参照しながら説明する。

この第５実施形態は、チャンネル型ブラシシールリング２６を円周方向に等分割し、複数個、例えば４つのブラシシールリング分割体２６ａ乃至２６ｄに分けるとともに、ブラシホルダについても同数のブラシホルダ分割体５０ａ乃至５０ｄに等分割した実施の形態である。ブラシホルダ分割体５０ａ乃至５０ｄは、図５に示したような高圧側ブラシホルダ２７と、低圧側ブラシホルダ２８と、から構成されている点は第１実施形態と同様である。個々のブラシシール分割体２６ａ乃至２６ｄとブラシホルダ分割体５０ａ乃至５０ｄは、圧力隔壁１６に設置する前に予め組み立てられて、４個一組のブラシシール分割組立体が用意される。

大型の回転機械の中には、水平面にそって２分割された圧力容器あるいは圧力隔壁で構成される蒸気タービンのような回転機械がある。本実施形態の軸シール装置２５を２分割された圧力隔壁１６ａ、１６ｂに設置する場合には、次のようにすればよい。

この種の回転機械では、下半分の圧力隔壁１６ａの方から先に設定される。下半分の圧力隔壁１６ａには、下半分のブラシシール組立体、すなわちブラシシールリング分割体２６ｃ、２６ｄとブラシホルダ分割体５０ｃ、５０ｄとからなるブラシシール組立体が組立ねじ４７を用いて固定される。次いで、回転軸１２が設定される。この後に、上半分のブラシシール分割組立体、すなわちブラシシールリング分割体２６ａ、２６ｂとブラシホルダ分割体５０ａ、５０ｂとからなるブラシシール組立体が組立ねじ４７を用いて固定された上半分の圧力隔壁１６ｂが設定される。

以上のような第５実施形態の軸シール装置２５によれば、周方向に分割したブラシシール分割組立体、ブラシシールリング分割体２６ａとブラシホルダ分割体５０ａの組立体、ブラシシールリング分割体２６ｂとブラシホルダ分割体５０ｂの組立体、ブラシシールリング分割体２６ｃとブラシホルダ分割体５０ｃの組立体、ブラシシールリング分割体２６ｄとブラシホルダ分割体５０ｄの組立体として構成することで、水平面にそって２分割された圧力容器１４あるいは圧力隔壁１６をもつ大型の回転機械に対しても、軸シール装置を予定した設置容易に正確に固定することが可能になり、細線束３１の内径部と回転軸１２の外周面との間の隙間Ｇを極めて小さく正確に設定にできるため、作動流体Ｆの漏洩を格段に低減させ、蒸気タービンの熱向上を実現することができる。

第６実施形態
次に、図１０は、本発明の第６実施形態による軸シール装置を示す図である。なお、第１実施形態の図２と同一の構成要素には同一の参照符合を付して、その詳細な説明は省略する。

この第６実施形態は、軸シール装置２５を圧力隔壁１６あるいは圧力容器１４に固定する構造として、圧力隔壁１６あるいは圧力容器１４の内周面に形成された溝であって、高圧側あるいは低圧側には開口せず、内径側にのみ開口する環状溝を利用て軸シール装置２５を固定するようにした実施の形態である。

図１０において、圧力隔壁１６は第５実施形態と同様に２分割されており、先に、図示しない下半分の圧力隔壁１６の環状溝５２にはチャンネル型ブラシシールリング２６を保持するブラシホルダ２７、２８の下側半分を嵌合させている。次いで、回転軸１２を設定してから、チャンネル型ブラシシールリング２６を保持しているブラシホルダ２７、２８の上側半分を上半分の圧力隔壁１６ｂの環状溝５２に嵌合させることになる。

このようにして、チャンネル型ブラシシールリング２６を保持するブラシホルダ２７、２８を環状溝５２に嵌合させることにより、チャンネル型シールリング２６を固定することができる。この第６実施形態においても、ブラシホルダを構成している高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８の外周面はそれぞれ半径方向の位置基準面３６、３８となっており、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８の外側面はそれぞれ軸方向の位置基準面３７、３９となっている点は第１実施形態および第２実施形態と同様である。

以上のように構成される第６実施形態によれば、ブラシホルダ２７、２８を環状溝５２に嵌合させるだけで、取付ボルトなどを必要とせずに、チャンネル型シールリング２６を予定した設置位置に容易に正確に固定することが可能になる上、細線束３１の内径部と回転軸１２の外周面との間の隙間Ｇを極めて小さく正確に設定にできるため、作動流体Ｆの漏洩を格段に低減させ、蒸気タービンの熱向上を実現することができる。また、細線束３１が摩耗したときには、組立ボルトがないため、取り外しが容易であり、チャンネル型ブラシシールリング２６の交換作業が容易になる利点もある。

第７実施形態
次に、図１１は、本発明の第７実施形態による軸シール装置を示す図である。
これまで説明してきた第１乃至第６実施形態は、チャンネル型ブラシシールリング２６を圧力隔壁１６あるいは圧力容器１４に設置する実施形態であるが、この第７実施形態は、圧力隔壁１６あるいは圧力容器１４の内周側に設置されて、回転軸１２に沿って作動流体Ｆが高圧側から低圧側に漏洩するのを防止するシール装置であるラビリンスシールリングと、チャンネル型ブラシシールリング２６を組み合わせて構成した実施の形態である。

図１１において、参照番号５４は、ラビリンスシールリングを示す。このラビリンスシールリング５４の内径部には、複数枚の環状のシールフィン５５が低圧側に設けられている。これらのシールフィン５４の先端と、回転軸１２の外周面との間には、所定の大きさの隙間Ｇ‘が設定されている。

チャンネル型ブラシシールリング２６をラビリンスシールリング５４と同芯でかつ並行に挟持している高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８とを貫通するようにボルト穴５６が周方向に複数形成されており、このボルト穴５６には、チャンネル型ブラシシールリング２６を挟持した高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８をラビリンスシールリング５４に固定するための取付ボルト５７が挿入されている。ラビリンスシールリング５４の高圧室側の側面には、ブラシホルダ２７、２８が嵌合する環状の切欠溝６０が形成されている。切欠溝６０の底面には取付ボルト５７が螺入される雌ねじ穴６１が形成されている。

チャンネル型ブラシシールリング２６は、第１実施形態乃至第３実施形態と同様に、高圧側ブラシホルダ２７と低圧側ブラシホルダ２８に設けている位置基準面３６、３８、３９を基準にして、寸法精度の低いチャンネル型ブラシシールリング２６であるにもかかわらず、ラビリンスシールリング５４に対して予定位置に精度良く同芯かつ並行に固定することが可能になる。また、半径方向の位置基準面３６、３８を基準にして、細線束３１の内径部を加工して内径を精密に仕上げることにより、回転軸１２との隙間Ｇを正確に設定することができる。この隙間Ｇについては、０．０mmの範囲での精密な設定が可能になり、隙間Ｇを極めて小さく正確に設定できるため、シール効果を高めて作動流体Ｆの漏洩を格段に低減させることができる。

しかも、高圧側に配置されているチャンネル型ブラシシールリング２６は、隣接しているラビリンスシールリング５４に較べて漏洩低減効果が高く、また、回転軸１２にぶれが生じても作動流体Ｆの漏洩を防ぐことができる。他方、低圧側に配置されているラビリンスシールリング５４のシールフィン５５は、チャンネル型ブラシシールリング２６の細線束３１に摩耗や破損が生じても、作動流体Ｆの漏洩量の急激な増加を抑止することができる。

このように本実施形態では、チャンネル型ブラシシールリング２６をラビリンスシールリング５４と組み合わせて２段の軸シールを構成することが可能になり、より大きな圧力差を仕切ることが可能になる。

とりわけ、本実施形態のチャンネル型ブラシシールリング２６は、既設のラビリンスシールリング５４に追加設置するときに、予定する位置に確実に精度良く設置することができるという利点がある。

以上の実施形態では、一体構造のラビリンスシールリング５４に一体構造のチャンネル型ブラシシールリング２６を取り付けているが、ラビリンスシールリング５４が分割構成される場合もある。特に、大型の蒸気タービンなどの回転機械では、周方向に分割構成されているラビリンスシールリング５４軸シール装置２５として用いられていることがある。この場合の圧力隔壁１６の内周面には、周方向に延びるアリ溝が形成されており、アリ溝には複数のばねが配置されており、ラビリンスシールリング５４は、ばねの弾性力によって半径方向内側に付勢されている。

このようなタイプのラビリンスシールリング５４を有する回転機械であって既に稼働している回転機械にチャンネル型シールリング２６を追加設置する場合は、第５実施形態のように周方向に等分割したチャンネル型シールリングであれば、チャンネル型シールリング２６の追加設置が容易であり、２段の軸シールの構成により、より大きな圧力差を仕切ることが可能になる。

１０…軸流タービン、１２…回転軸、１４…圧力容器、１５…高圧室、１６…圧力隔壁、１７…低圧室、２２…ノズル部、２５…シール装置、２６…チャンネル型シールリング、２７…高圧側ブラシホルダ、２８…低圧側ブラシホルダ、３０…チャンネル部、３１…細線束、３６…半径方向の位置基準面、３７…軸方向の位置基準面、３８…半径方向の位置基準面、３９…軸方向の位置基準面、４２…締付ボルト、４５…充填材

Claims (9)

1. 回転機械の回転軸の軸方向に隣接する高圧領域と低圧領域の間をシールする軸シール装置において、
   帯状の細線束の長手方向中央に芯金を当てて折り曲げ、前記細線束の折り曲げ部の外側から帯状の薄板を被せて長手方向に折り曲げたチャンネル部と前記芯金の間に前記細線束を挟んでチャンネルブラシを形成し、前記チャンネル部が外周側になるように前記チャンネルブラシを環状に成形した内巻のチャンネル型ブラシシールリングと、
   前記高圧側領域に面する高圧側ブラシホルダと、前記低圧側領域に面する低圧側ブラシホルダと、からなり、前記高圧側ブラシホルダと低圧側ブラシホルダの突き合わせ面には前記チャネル型ブラシシールリングのチャンネル部が収容する空間を形成する溝が形成され、前記高圧側ブラシホルダと低圧側ブラシホルダとで前記チャンネル型ブラシシールリングを挟持して固定する環状のブラシホルダと、を備え、
   前記高圧側ブラシホルダおよび／または低圧側ブラシホルダは、設置位置での圧力隔壁または圧力容器との嵌め合い構造を形成し前記チャンネル型ブラシシールリングの設置位置を決定する位置基準面を有することを特徴とする軸シール装置。
2. 回転機械の回転軸の軸方向に隣接する高圧領域と低圧領域の間をシールする軸シール装置において、
   前記回転軸表面との間に所定の隙間が設定された複数枚の環状フィンを有し、高圧領域と低圧領域を区画する隔壁に設置されるラビリンスシールリングと、
   帯状の細線束の長手方向中央に芯金を当てて折り曲げ、前記細線束の折り曲げ部の外側から帯状の薄板を被せて長手方向に折り曲げたチャンネル部と前記芯金の間に前記細線束を挟んでチャンネルブラシを形成し、前記チャンネル部が外周側になるように前記チャンネルブラシを環状に成形した内巻のチャンネル型ブラシシールリングと、
   前記高圧側領域に面する高圧側ブラシホルダと、前記低圧側領域に面する低圧側ブラシホルダと、からなり、前記高圧側ブラシホルダと低圧側ブラシホルダの突き合わせ面には前記チャネル型ブラシシールリングのチャンネル部が収容する空間を形成する溝が形成され、前記高圧側ブラシホルダと低圧側ブラシホルダとで前記チャンネル型ブラシシールリングを挟持して前記ラビリンスシールリングと同芯でかつ並行に当該チャンネル型ブラシシールリングを保持する環状のブラシホルダと、を備え、
   前記高圧側ブラシホルダおよび／または低圧側ブラシホルダは、前記ラビリンスシールリングとの嵌め合い構造を形成し前記チャンネル型ブラシシールリングの設置位置を決定する位置基準面を有することを特徴とする軸シール装置。
3. 前記高圧側ブラシホルダおよび／または低圧側ブラシホルダは、正確な位置決めに必要な寸法精度が予め確保された外周面および突き合わせ面と反対側の側面を有し、それぞれ前記外周面が半径方向の位置基準面を形成し、前記側面が軸方向の位置基準面を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の軸シール装置。
4. 前記高圧側ブラシホルダおよび／または低圧側ブラシホルダの半径方向の位置基準面は、前記チャンネル型ブラシシールリングの細線束の内径部と前記回転軸の間の隙間を設定する基準面であることを特徴とする請求項３に記載の軸シール装置。
5. 前記ブラシホルダの内周面には、回転軸の半径方向に突き出し、前記回転軸表面との間に所定の隙間が設定された環状のフィンを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載の軸シール装置。
6. 前記高圧側ブラシホルダと前記低圧側ブラシホルダとは、締付ボルトにより一体的に締結されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかの項に記載の軸シール装置。
7. 前記チャンネル部を収容する空間を形成する前記高圧側ブラシホルダおよび前記低圧側ブラシホルダの溝の内面と当該チャンネル部の間には、耐熱性の充填材が充填されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの項に記載の軸シール装置。
8. 前記ブラシホルダは、隔壁または圧力容器若しくは前記ラビリンスシールリングに形成した環状溝に嵌合させて固定することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかの項に記載の軸シール装置。
9. 前記チャンネル型ブラシシールリングおよびブラシホルダは、周方向に複数に等分割された分割体からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかの項に記載の軸シール装置。

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