JP5653801B2 - Rotary shaft seal structure - Google Patents
Rotary shaft seal structure Download PDFInfo
- Publication number
- JP5653801B2 JP5653801B2 JP2011053823A JP2011053823A JP5653801B2 JP 5653801 B2 JP5653801 B2 JP 5653801B2 JP 2011053823 A JP2011053823 A JP 2011053823A JP 2011053823 A JP2011053823 A JP 2011053823A JP 5653801 B2 JP5653801 B2 JP 5653801B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- spring
- seal structure
- inner peripheral
- peripheral surface
- rotary shaft
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Compressor (AREA)
- Sealing Devices (AREA)
Description
本発明は、タービンや圧縮機等の回転軸のシール構造に関する。 The present invention relates to a seal structure for a rotating shaft of a turbine or a compressor.
タービンや圧縮機等の回転機械において、高圧側と低圧側との間における流体漏れを防止するため、静止部品側に固定されたブラシシールを回転軸(ロータ)側に接触させるシール構造が採用されている。例えば、特許文献1においては、コイルばねや板ばねを用いて、ブラシシールを回転軸に押し付けて、接触させている。
In rotating machines such as turbines and compressors, in order to prevent fluid leakage between the high pressure side and the low pressure side, a seal structure is adopted in which a brush seal fixed to the stationary component side is brought into contact with the rotating shaft (rotor) side. ing. For example, in
上述したコイルばねや板ばねを用いたシール構造においては、ブラシシールの押付力が小さいと、シールに隙間ができて、シール性能低下につながり、押付力が大きいと、ブラシの摩耗が早くなり、隙間が大きくなる可能性がある。 In the seal structure using the coil spring or the leaf spring described above, if the pressing force of the brush seal is small, a gap is formed in the seal, leading to a decrease in sealing performance, and if the pressing force is large, the wear of the brush is accelerated, The gap may become large.
従って、上述したシール構造のばねとしては、ばね変位が小さいうちは、変位に対する押付力が線形となり、シールがしっかりと回転軸に押し付けられるが、ある程度の押付力でシールが接触した後は、それ以上、押付力が増加しないような非線形性を持つばねが望ましい。例えば、理想的な特性を図12に示すと、ばね変位xが小さい0〜x0の領域においては、押付力Fは0〜F0まで線形に変化し、ばね変位xがx0を越えると、ばね変位xが増えても、押付力Fが増えず、例えば、押付力F0で一定となるような非線形特性が望ましい。この場合の押付力F0は、差圧に耐えうる接触力を生む最低限の押付力である。 Therefore, as for the spring of the seal structure described above, while the spring displacement is small, the pressing force against the displacement is linear, and the seal is firmly pressed against the rotating shaft, but after the seal contacts with a certain amount of pressing force, As described above, a spring having nonlinearity that does not increase the pressing force is desirable. For example, when ideal characteristics are shown in FIG. 12, in the region of 0 to x0 where the spring displacement x is small, the pressing force F changes linearly from 0 to F0, and when the spring displacement x exceeds x0, the spring displacement Even if x increases, the pressing force F does not increase. For example, a nonlinear characteristic that is constant at the pressing force F0 is desirable. The pressing force F0 in this case is a minimum pressing force that generates a contact force that can withstand the differential pressure.
又、上述したコイルばねや板ばねを用いたシール構造において、そのばね特性は、ばね変位量に対して押付力が線形に変化するだけであり、運転状況(起動中/定格運転中)によってばね特性を変化させることはできなかった。しかしながら、運転状況に応じてばね特性を変化させることも望まれている。 Further, in the seal structure using the above-described coil spring or leaf spring, the spring characteristic is that the pressing force changes only linearly with respect to the amount of spring displacement, and the spring characteristic depends on the operating condition (starting up / during rated operation). The characteristics could not be changed. However, it is also desired to change the spring characteristics according to the operating conditions.
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、変位量や運転状況に応じて特性を変化させたばねを用いた回転軸のシール構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a seal structure for a rotating shaft using a spring whose characteristics are changed in accordance with the amount of displacement and operating conditions.
上記課題を解決する第1の発明に係る回転軸のシール構造は、
回転軸周囲の筐体の内周側に環状に設けられた溝部と、
前記溝部に環状に配置された複数の円弧状のセグメントと、
各々の前記セグメントの内周側に設けられ、前記回転軸の外周面と接触するブラシとを有し、
前記ブラシにより前記回転軸をシールする回転軸のシール構造において、
皿ばねとコイルばねとを直列に接続してばね構造を構成すると共に、当該ばね構造を前記溝部の内周面と各々の前記セグメントの外周面との間に配置して、前記セグメントを前記回転軸側へ押し付けるようにしたことを特徴とする。
The seal structure of the rotating shaft according to the first invention for solving the above problem is as follows.
A groove provided in an annular shape on the inner peripheral side of the casing around the rotation axis;
A plurality of arc-shaped segments arranged annularly in the groove;
A brush provided on the inner peripheral side of each of the segments, and in contact with the outer peripheral surface of the rotary shaft;
In the seal structure of the rotary shaft that seals the rotary shaft with the brush,
A disc spring and a coil spring are connected in series to form a spring structure, and the spring structure is disposed between the inner peripheral surface of the groove and the outer peripheral surface of each segment, and the segment is rotated. It is characterized by being pressed against the shaft side.
上記課題を解決する第2の発明に係る回転軸のシール構造は、
上記第1の発明に記載の回転軸のシール構造において、
前記皿ばねを複数枚重ねることを特徴とする。
The seal structure of the rotating shaft according to the second invention for solving the above problem is as follows:
In the rotary shaft seal structure according to the first invention,
A plurality of the disc springs are stacked.
上記課題を解決する第3の発明に係る回転軸のシール構造は、
回転軸周囲の筐体の内周側に環状に設けられた溝部と、
前記溝部に環状に配置された複数の円弧状のセグメントと、
各前記セグメントの内周側に設けられ、前記回転軸の外周面と接触するブラシとを有し、
前記ブラシにより前記回転軸をシールする回転軸のシール構造において、
コの字断面の開口部分が前記溝部の内周面に接する環状の形状であり、前記開口部分が拡がるように弾性変形する環状部材を配置すると共に、当該環状部材の内周面と各々の前記セグメントの外周面との間にコイルばねを接続してばね構造を構成して、前記セグメントを前記回転軸側へ押し付けるようにしたことを特徴とする。
The seal structure of the rotating shaft according to the third invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
A groove provided in an annular shape on the inner peripheral side of the casing around the rotation axis;
A plurality of arc-shaped segments arranged annularly in the groove;
A brush provided on the inner peripheral side of each of the segments, and in contact with the outer peripheral surface of the rotary shaft;
In the seal structure of the rotary shaft that seals the rotary shaft with the brush,
The opening portion of the U-shaped cross section has an annular shape that is in contact with the inner peripheral surface of the groove portion, and an annular member that is elastically deformed so that the opening portion expands is disposed, and the inner peripheral surface of the annular member and each of the above-mentioned A coil spring is connected to the outer peripheral surface of the segment to constitute a spring structure, and the segment is pressed against the rotating shaft side.
上記課題を解決する第4の発明に係る回転軸のシール構造は、
上記第3の発明に記載の回転軸のシール構造において、
前記環状部材の両側面を、前記開口部分に向かって拡げた形状としたことを特徴とする。
The seal structure of the rotating shaft according to the fourth invention for solving the above-mentioned problems is as follows.
In the rotary shaft seal structure according to the third invention,
The both side surfaces of the annular member are shaped to expand toward the opening.
上記課題を解決する第5の発明に係る回転軸のシール構造は、
上記第3又は第4の発明に記載の回転軸のシール構造において、
前記環状部材の前記開口部分が接する前記溝部の内周面を、前記環状部材の両側面が外側に向かって拡がるように傾斜させたことを特徴とする。
A seal structure for a rotating shaft according to a fifth invention for solving the above-described problems is as follows.
In the seal structure of the rotating shaft according to the third or fourth invention,
An inner peripheral surface of the groove portion that is in contact with the opening portion of the annular member is inclined so that both side surfaces of the annular member expand outward.
上記課題を解決する第6の発明に係る回転軸のシール構造は、
回転軸周囲の筐体の内周側に環状に設けられた溝部と、
前記溝部に環状に配置された複数の円弧状のセグメントと、
各前記セグメントの内周側に設けられ、前記回転軸の外周面と接触するブラシとを有し、
前記ブラシにより前記回転軸をシールする回転軸のシール構造において、
外周側から順に、コイルばね、中間ブロック及び他のコイルばねを直列に接続してばね構造を構成し、当該ばね構造を前記溝部の内周面と各々の前記セグメントの外周面との間に配置すると共に、起動前及び起動中は前記中間ブロックとの間に間隙を有し、運転中は熱膨張により前記中間ブロックと接触する接触部を前記溝部の両側面に設け、起動前及び起動中は、コイルばね及び他のコイルばねにより、前記セグメントを前記回転軸側へ押し付けるようにし、運転中は、他のコイルばねにより、前記セグメントを前記回転軸側へ押し付けるようにしたことを特徴とする。
The seal structure of the rotating shaft according to the sixth invention for solving the above-described problems is as follows.
A groove provided in an annular shape on the inner peripheral side of the casing around the rotation axis;
A plurality of arc-shaped segments arranged annularly in the groove;
A brush provided on the inner peripheral side of each of the segments, and in contact with the outer peripheral surface of the rotary shaft;
In the seal structure of the rotary shaft that seals the rotary shaft with the brush,
In order from the outer peripheral side, a coil spring, an intermediate block, and other coil springs are connected in series to form a spring structure, and the spring structure is disposed between the inner peripheral surface of the groove and the outer peripheral surface of each segment. In addition, before and during startup, there is a gap between the intermediate block and during operation, contact portions that come into contact with the intermediate block by thermal expansion are provided on both side surfaces of the groove, and before startup and during startup. The segment is pressed against the rotating shaft by a coil spring and another coil spring, and the segment is pressed against the rotating shaft by another coil spring during operation.
本発明によれば、回転軸のシール構造において、ばねに必要な非線形性を確保できるので、流体シールの性能が向上し、その結果、信頼性が向上し、タービン効率や圧縮効率が向上することになる。 According to the present invention, since the non-linearity required for the spring can be secured in the seal structure of the rotating shaft, the performance of the fluid seal is improved, and as a result, the reliability is improved and the turbine efficiency and the compression efficiency are improved. become.
又、本発明によれば、回転軸のシール構造において、運転状況に応じてばね特性を変化させることができる。そのため、回転軸の振れ、過渡時の熱伸び差、偏心等があっても、流体シールの性能を維持し、その結果、信頼性が向上し、タービン効率や圧縮効率が向上することになる。 Further, according to the present invention, in the seal structure of the rotating shaft, the spring characteristics can be changed according to the operating condition. Therefore, even if there is runout of the rotating shaft, thermal expansion difference at the time of transient, eccentricity, etc., the performance of the fluid seal is maintained, and as a result, reliability is improved and turbine efficiency and compression efficiency are improved.
以下、本発明に係る回転軸のシール構造の実施形態のいくつかを、図1〜図11を参照して説明する。なお、ここでは、一例として、ガスタービンの回転軸のシール構造を例示するが、圧縮機等の回転軸のシール構造としても適用可能である。 Hereinafter, some embodiments of the seal structure of the rotating shaft according to the present invention will be described with reference to FIGS. Here, as an example, the seal structure of the rotary shaft of the gas turbine is illustrated, but the present invention can also be applied as a seal structure of the rotary shaft of a compressor or the like.
(実施例1)
図1(a)は、本実施例のシール構造を示す軸方向断面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A線矢視断面図である。又、図2(a)は、図1に示したシール構造におけるばね特性のグラフであり、図2(b)は、図2(a)のF1におけるばね構造を示す概略図であり、図2(c)は、図2(a)のF2におけるばね構造を示す概略図である。又、図3は、本実施例のばね構造の変形例を示す概略図である。
Example 1
Fig.1 (a) is an axial sectional view which shows the seal structure of a present Example, FIG.1 (b) is an AA arrow directional cross-sectional view of Fig.1 (a). 2A is a graph of spring characteristics in the seal structure shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a schematic diagram showing the spring structure at F1 in FIG. 2A. (C) is the schematic which shows the spring structure in F2 of Fig.2 (a). FIG. 3 is a schematic view showing a modification of the spring structure of this embodiment.
ガスタービンの回転軸1は、その軸受け(図示省略)に支持されており、シールが行われる部分には、回転軸1の外周を囲むようにシールホルダ2(筐体)が設けられている。シールホルダ2は、ガスタービンのケーシング(図示省略)に設けられており、このシールホルダ2の内周側(回転軸1側)にシール溝3(溝部)が環状に形成されている。このシール溝3の内部に、本実施例のシール構造10が組み込まれている。
The
シール溝3において、その対向する側面3aには、断面形状が凸形状の凸形状部4が形成されている。そして、シール構造10のシールセグメント11において、凸形状部4に対向する位置には、断面形状が凹形状の凹形状部12が形成されており、凸形状部4と凹形状部12が当接面5で係合する構成となっている。なお、凸形状部4、凹形状部12は、互いに逆の形状として、係合させてもよい。
In the
シール構造10において、シールセグメント11は、例えば、図1(b)に示すように、1/4円弧形状に4つに分割されて、回転軸1の周囲に環状に配置されている。なお、シールセグメント11の分割数は、4分割に限られるものではなく、加工性、組立の容易性、メンテナンスの容易性等を考慮して、適宜分割数を増減してもよい。これは、後述する実施例でも同様である。
In the
各々のシールセグメント11の内周面には、微細な金属製のワイヤを多数束ねたブラシ12(ブラシシール)が溶接されており、その先端は、一定の角度を持って、回転軸1の外周面と接触している。ガスタービンの運転が開始して、回転軸1が回転すると、作動流体が高圧側Hから低圧側Lへ流れようとするが、高圧側Hと低圧側Lとの間が周方向にブラシ12で仕切られているため、作動流体の流れが遮断されて両者間の気密性が保たれることになる。
A brush 12 (brush seal) in which a large number of fine metal wires are bundled is welded to the inner peripheral surface of each
このとき、従来は、コイルばねや板ばねを用いて、ブラシシールを回転軸に押し付けて、接触させていたが、その場合、前述したように、ブラシシールの押付力が小さいと、シールに隙間ができて、シール性能低下につながり、押付力が大きいと、ブラシの摩耗が早くなり、隙間が大きくなる可能性がある。 At this time, conventionally, the brush seal is pressed against the rotating shaft by using a coil spring or a leaf spring, and in this case, as described above, if the pressing force of the brush seal is small, there is a gap in the seal. If it is possible to reduce the sealing performance and the pressing force is large, the wear of the brush is accelerated and the gap may be increased.
そのため、シール構造のばね特性としては、ばね変位が小さいうちは、変位に対する押付力が線形となり、ブラシがしっかりと回転軸に押し付けられるが、ある程度の押付力でブラシが接触した後は、それ以上、押付力が増加しないような非線形性を持つものが望ましい。 Therefore, as a spring characteristic of the seal structure, as long as the spring displacement is small, the pressing force against the displacement is linear and the brush is firmly pressed against the rotating shaft, but after the brush contacts with a certain amount of pressing force, it is more than that It is desirable to have non-linearity that does not increase the pressing force.
そこで、本実施例では、以下のような構成とすることで、非線形性を持つばね構造を用いるようにしている。 Therefore, in this embodiment, a spring structure having nonlinearity is used by adopting the following configuration.
具体的には、コの字断面の開口部分がシール溝3の内周面3bに接するように、環状の環状部材13を配置し、その環状部材13の内周面と各シールセグメント11の外周面との間に、コイルばね14をシールセグメント11毎に設けている。この環状部材13は、例えば、金属板から形成されており、又、シール溝3の内周面3bに固定されてはおらず、接触している状態である。そのため、環状部材13に押付力Fが働いた場合、後述の図2(c)に示すように、それ自身が弾性変形すると共にシール溝3の内周面3bとの間に動摩擦力μが生じ、これにより、ばね構造が、即ち、環状部材13とコイルばね14との組み合わせが、非線形性を持つことになる。
Specifically, the
ここで、図2を参照して、環状部材13とコイルばね14の変位(変形)について更に説明する。
Here, the displacement (deformation) of the
本実施例では、ばね構造を環状部材13とコイルばね14とから構成している。そのため、変位xが小さい領域、即ち、図2(a)のグラフにおけるF1においては、図2(b)に示すように、環状部材13の変位(変形)は殆ど無く、コイルばね14の弾性力が主に作用して、変位xに対する押付力F1は線形性を有することになる。
In this embodiment, the spring structure is composed of an
一方、変位xが大きい領域、即ち、図2(a)のグラフにおけるF2においては、図2(c)に示すように、環状部材13がたわみ、内周面3bとの接触部分の最大静止摩擦力を越える剪断力が生じた後は、環状部材13の両側面が外側に拡がるように変位(変形)するが、動摩擦力μとの関係により、変位xに対する押付力F2は線形性でありながら、その勾配が押付力F1より緩やかになる。この結果、環状部材13とコイルばね14とからなるばね構造が変位xに対して非線形性を持つことになる。
On the other hand, in the region where the displacement x is large, that is, in F2 in the graph of FIG. 2A, as shown in FIG. 2C, the
従って、変位xが小さいうちは、主にコイルばね14の弾性力によって、変位xに対する押付力F1が線形となり、ブラシ12がしっかりと回転軸1に押し付けられるため、ブラシ12と回転軸1との接触を確実なものとすることができ、シール性能が維持される。又、変位xが所定の変位x0より大きくなり、所定の押付力F0でブラシ12が接触すると、その後は、環状部材13とコイルばね14との弾性力によって、押付力F2が緩やかに増加するようになり、ブラシの摩耗を防止し、隙間の拡大を防ぎ、シール性能の低下を抑制することができる。
Therefore, while the displacement x is small, the pressing force F1 with respect to the displacement x is linear due to the elastic force of the
例えば、回転軸1が軸方向に垂直な方向に変動した場合(軸振れや偏心した場合)、環状部材13、コイルばね14の弾性力により、シールセグメント11が殆ど動かず、その変動をブラシ12で吸収できるので、隙間が生じなくなり、ブラシ12が回転軸1と接触する部分において作動流体は殆ど漏れなくなる。
For example, when the
加えて、シールセグメント11も、凸形状部4の当接面5に押し付けられるため、凹形状部12と凸形状部4との密着性を保つことができ、当接面5を通って漏れる作動流体はほとんどなくなる。
In addition, since the
なお、上記環状部材13に替えて、図3に示すような環状部材15、即ち、その両側面が開口部分に向かって拡がるような形状のものを用いてもよい。
Instead of the
(実施例2)
図4は、本実施例のシール構造のばね構造を示す概略図である。又、図5は、図4に示したシール構造におけるばね特性のグラフである。又、図6は、本実施例のばね構造の変形例を示す概略図である。なお、ここでは、実施例1と同等の部材には同じ符号を付している。
(Example 2)
FIG. 4 is a schematic view showing a spring structure of the seal structure of the present embodiment. FIG. 5 is a graph of spring characteristics in the seal structure shown in FIG. FIG. 6 is a schematic view showing a modification of the spring structure of this embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member equivalent to Example 1 here.
本実施例は、実施例1の図1に示した構成と略同等の構成であるが、ばね構造の構成を実施例1とは異なる構成とすることで、非線形性を持つばね構造を用いるようにしている。 The present embodiment is substantially the same as the structure shown in FIG. 1 of the first embodiment, but the spring structure having a non-linearity is used by making the structure of the spring structure different from that of the first embodiment. I have to.
具体的には、図4に示すように、シール溝3の内周面3bと各シールセグメント11の外周面との間に、直列に連結した皿ばね21とコイルばね14とをシールセグメント11毎に設けている。この皿ばね21は、例えば、金属から形成されている。通常、皿ばねは、非線形のばね特性有しているが、その許容変位が小さいという欠点がある。そのため、本実施例では、皿ばね21とコイルばね14とを直列に連結することにより、非線形のばね特性を利用すると共に許容変位が小さいという欠点を補っている、具体的には、図5に示すように、皿ばね21の特性とコイルばね14の特性を足し合わせることにより、非線形性を持つことになる。
Specifically, as shown in FIG. 4, a
従って、変位xが小さいうちは、変位xに対する押付力Fが略線形となり、ブラシ12がしっかりと回転軸1に押し付けられて、シール性能が維持される。一方、変位xが所定の変位より大きくなり、所定の押付力でブラシ12が接触すると、その後は、それ以上押付力Fが増加しないようになり、ブラシ12の摩耗を防止し、隙間の拡大を防ぎ、シール性能の低下を抑制することができる。
Therefore, while the displacement x is small, the pressing force F with respect to the displacement x is substantially linear, and the
なお、本実施例における皿ばね21の部分は、図6に示すように、皿ばね21同士を更に複数枚重ねて構成してもよい。その場合、たわみと押付力との関係から、図6に示すように、皿ばね21を反対向きに交互に重ねてもよいし(直列組みと呼ばれる。)、皿ばね21を同じ方向に重ねてもよいし(並列組みと呼ばれる。)、直列組みと並列組みとを組み合わせてもよい。
In addition, as shown in FIG. 6, the part of the
(実施例3)
図7は、本実施例のシール構造のばね構造を示す概略図である。又、図8は、図7に示したシール構造におけるばね特性のグラフである。又、図9は、本実施例のばね構造の変形例を示す概略図である。なお、ここでも、実施例1と同等の部材には同じ符号を付している。
Example 3
FIG. 7 is a schematic view showing the spring structure of the seal structure of the present embodiment. FIG. 8 is a graph of spring characteristics in the seal structure shown in FIG. FIG. 9 is a schematic view showing a modification of the spring structure of this embodiment. In this case as well, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
本実施例も、実施例1の図1に示した構成と略同等の構成としているが、ばね構造と接触する内周面3bの構成を実施例1とは異なる構成としている。
Although the present embodiment also has a configuration that is substantially equivalent to the configuration shown in FIG. 1 of the first embodiment, the configuration of the inner
実施例1において、環状部材13が接触する内周面3bは平面であったが、本実施例においては、図7に示すように、シール溝3の内周面3bに、台形断面の突設部6を突設し、この突設部6の斜面6aに環状部材13が接触するように配置している。これにより、環状部材13の両側面が、実施例1と比較して、小さい変位xで、その外側方向に拡がることになる。
In the first embodiment, the inner
このように、環状部材13が接触する部分を斜面6aとし、例えば、斜面6aの傾斜角θを変更することで、環状部材13のたわみにより生じた剪断力が斜面6aとの最大静止摩擦力を越える変位点を調整すること、つまり、非線形性への変化点を調整することができる。例えば、図8のグラフに示すように、実施例1においては、変位x0より大きくなると、押付力FがF0から緩やかに増加するようになるが、本実施例のように、環状部材13が接触する部分を傾斜角θの斜面6aとすると、変位x0より小さい変位x3で、押付力FがF3から緩やかに増加するようになる。このように、斜面6aの傾斜角θを変更することで、押付力Fの勾配が緩やかになる変化点(変位x)を調整可能である。
In this way, the portion in contact with the
従って、変位xが小さいうちは、変位xに対する押付力Fが線形となり、ブラシ12がしっかりと回転軸に押し付けられて、シール性能が維持される。一方、変位xが所定の変位より大きくなり、所定の押付力でブラシ12が接触すると、その後は、それ以上押付力Fが増加しないようになり、ブラシ12の摩耗を防止し、隙間の拡大を防ぎ、シール性能の低下を抑制することができる。
Therefore, while the displacement x is small, the pressing force F with respect to the displacement x is linear, and the
なお、本実施例における台形断面の突設部6に替えて、図9に示すように、円弧断面の突設部7(斜面7a)を用いてもよく、同様の効果を得ることができる。
In addition, it replaces with the
(実施例4)
図10(a)は、本実施例のシール構造を示す軸方向断面図であり、図10(b)は、図10(a)のB−B線矢視断面図である。又、図11は、本実施例のばね構造の変形例を示す軸方向断面図である。なお、ここでも、実施例1と同等の部材には同じ符号を付している。
Example 4
Fig.10 (a) is an axial sectional view which shows the seal structure of a present Example, FIG.10 (b) is a BB arrow sectional drawing of Fig.10 (a). FIG. 11 is an axial sectional view showing a modification of the spring structure of this embodiment. In this case as well, the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
本実施例も、実施例1の図1に示した構成と略同等の構成としているが、ばね構造の構成を実施例1とは異なる構成とすることで、ガスタービンの運転状況(起動中/定格運転中)に応じた特性を持つばね構造を用いるようにしている。 The present embodiment also has a configuration that is substantially equivalent to the configuration shown in FIG. 1 of the first embodiment. However, by changing the configuration of the spring structure from that of the first embodiment, the operating status of the gas turbine (starting / A spring structure with characteristics corresponding to the rated operation) is used.
ガスタービンの回転軸1は、その軸受け(図示省略)に支持されており、シールが行われる部分には、回転軸1の外周を囲むようにシールホルダ2(筐体)が設けられている。シールホルダ2は、ガスタービンのケーシング(図示省略)に設けられており、このシールホルダ2の内周側(回転軸1側)にシール溝3(溝部)が環状に形成されている。このシール溝3の内部に、本実施例のシール構造30が組み込まれている。
The
シール溝3において、その対向する側面3aには、断面形状が凸形状の凸形状部4が形成されているが、シール構造30のシールセグメント31においては、その外周側が凸形状部4同士の間を挿通する幅に形成されており、実施例1と異なり、シールセグメント31にシール溝3(凸形状部4)と係合する部分はない。そのため、本実施例においては、図10(a)に示すように、凸形状部4とシールセグメント31とに交互にシールフィンを配置することで、ラビリンスシール36を設けている。このようなラビリンスシール36においては、交互にシールフィンを設けることにより経路長さが増し、更に、流れが屈曲することによる抵抗が加わるため、作動流体の漏れ量を低減させることができる。
In the
シール構造30において、シールセグメント31は、例えば、図10(b)に示すように、1/4円弧形状に4つに分割されて、回転軸1の周囲に環状に配置されている。なお、シールセグメント31の分割数は、4分割に限られるものではなく、加工性、組立の容易性、メンテナンスの容易性等を考慮して、適宜分割数を増減してもよい。
In the
各々のシールセグメント31の内周面には、微細な金属製のワイヤを多数束ねたブラシ12(ブラシシール)が溶接されており、その先端は、一定の角度を持って、回転軸1の外周面と接触している。ガスタービンの運転が開始して、回転軸1が回転すると、作動流体が高圧側Hから低圧側Lへ流れようとするが、高圧側Hと低圧側Lとの間が周方向にブラシ12で仕切られているため、作動流体の流れが遮断されて両者間の気密性が保たれることになる。
A brush 12 (brush seal) in which a large number of fine metal wires are bundled is welded to the inner peripheral surface of each
このとき、従来は、コイルばねや板ばねを用いて、ブラシシールを回転軸に押し付けて、接触させていたが、その場合、前述したように、ばね特性は、ばね変位量に対して押付力が線形に変化するだけであり、運転状況(起動中/定格運転中)によってばね特性を変化させることはできなかった。 At this time, conventionally, the brush seal is pressed against the rotating shaft by using a coil spring or a leaf spring, and in this case, as described above, the spring characteristic is the pressing force against the spring displacement amount. However, the spring characteristics could not be changed depending on the operating conditions (starting up / during rated operation).
そのため、シール構造のばね特性としては、起動中(ガスタービンであれば、昇温中)はばね定数が弱く、定格運転中はばね定数が強いものが望ましい。 Therefore, it is desirable that the spring characteristics of the seal structure have a low spring constant during startup (in the case of a gas turbine, during temperature rise) and a high spring constant during rated operation.
そこで、本実施例では、以下のような構成とすることで、運転状況に応じてばね特性を変化させたばね構造を用いるようにしている。 Therefore, in this embodiment, the following structure is used to use a spring structure in which the spring characteristics are changed according to the operating condition.
具体的には、図10(a)、(b)に示すように、シールセグメント31の外周面とシール溝3の内周面3bとの間にばね構造を設けているが、このばね構造を、外周側から順に、コイルばね32、中間ブロック33及びコイルばね34を直列に接続して構成すると共に、所定の条件下において、中間ブロック33と接触して摩擦を生じさせる接触部35をシール溝3の側面3aに各々設けた構成としている。
Specifically, as shown in FIGS. 10A and 10B, a spring structure is provided between the outer peripheral surface of the
より詳細には、停止中〜起動中(昇温時)は、中間ブロック33と接触部35との間に隙間を生じるようにして、中間ブロック33と接触部35が接触しないようにしている。この場合、中間ブロック33は拘束されていないので、例えば、コイルばね32とコイルばね34のばね係数を共に「k」とすると、ばね構造全体のばね係数は「1/2k」となる。
More specifically, a gap is formed between the
一方、定格運転中は、昇温による中間ブロック33、接触部35の熱膨張により、停止中〜起動中に生じていた隙間を解消し、中間ブロック33と接触部35が接触するようにしている。この場合、摩擦により中間ブロック33が拘束されるので、例えば、コイルばね32とコイルばね34のばね係数を共に「k」とすると、コイルばね34のみが機能し、ばね構造全体のばね係数は「k」となる。
On the other hand, during rated operation, the
このようにして、シール構造30のばね特性を、起動中(昇温中)はばね定数が弱く、定格運転中はばね定数が強いものとしている。この特性は、中間ブロック33及び接触部35の熱容量、線膨張係数を適宜に設定することにより、調整可能である。これにより、回転軸1の振れ、過渡時の熱伸び差、偏心等があっても、流体シールの性能を維持し、その結果、信頼性が向上し、タービン効率や圧縮効率が向上することになる。
In this manner, the spring characteristics of the
なお、本実施例における接触部35の中間ブロック33との接触部分を、図11に示すような形状としてもよい。具体的には、中間ブロック33の変位する方向に沿って、非接触面35a、接触面35bを設けている。この場合、変位初期において、中間ブロック33が非接触面35aの範囲に位置することで、接触部35と接触することはない。一方、ある程度変位した場合、中間ブロック33が接触面35bの範囲に位置することで、接触部35と接触し、中間ブロック33を拘束するようになる。つまり、非接触面35a、接触面35bの位置や範囲を適宜に設定することにより、接触部35による摩擦を効かせる領域を調整可能である。更に、変位が過大となる場合、接触部35の外周側に設けたストッパ部35cを用いて、中間ブロック33がそれ以上移動しないように拘束してもよい。
In addition, the contact part with the
なお、本実施例は、上述した実施例1〜実施例3のばね構造をコイルばね34の部分に用いることで、変位量に対して非線形性を持たせると共に、運転状況に応じてばね特性を変化させる構成とすることもできる。
In addition, a present Example uses a spring structure of Example 1- Example 3 mentioned above for the part of the
本発明に係る回転軸のシール構造は、タービンや圧縮機等の回転機械における高圧側と低圧側とのシールに好適なものである。 The seal structure of the rotating shaft according to the present invention is suitable for sealing between a high pressure side and a low pressure side in a rotary machine such as a turbine or a compressor.
3 シール溝
6、7 突設部
10、30 シール構造
11、31 シールセグメント
13、15 環状部材
14、32、34 コイルばね
15 ブラシシール
21 皿ネジ
33 中間ブロック
3
Claims (6)
前記溝部に環状に配置された複数の円弧状のセグメントと、
各々の前記セグメントの内周側に設けられ、前記回転軸の外周面と接触するブラシとを有し、
前記ブラシにより前記回転軸をシールする回転軸のシール構造において、
皿ばねとコイルばねとを直列に接続してばね構造を構成すると共に、当該ばね構造を前記溝部の内周面と各々の前記セグメントの外周面との間に配置して、前記セグメントを前記回転軸側へ押し付けるようにしたことを特徴とする回転軸のシール構造。 A groove provided in an annular shape on the inner peripheral side of the casing around the rotation axis;
A plurality of arc-shaped segments arranged annularly in the groove;
A brush provided on the inner peripheral side of each of the segments, and in contact with the outer peripheral surface of the rotary shaft;
In the seal structure of the rotary shaft that seals the rotary shaft with the brush,
A disc spring and a coil spring are connected in series to form a spring structure, and the spring structure is disposed between the inner peripheral surface of the groove and the outer peripheral surface of each segment, and the segment is rotated. A rotary shaft seal structure characterized by being pressed against the shaft side.
前記皿ばねを複数枚重ねることを特徴とする回転軸のシール構造。 The rotary shaft seal structure according to claim 1,
A rotating shaft seal structure, wherein a plurality of disc springs are stacked.
前記溝部に環状に配置された複数の円弧状のセグメントと、
各前記セグメントの内周側に設けられ、前記回転軸の外周面と接触するブラシとを有し、
前記ブラシにより前記回転軸をシールする回転軸のシール構造において、
コの字断面の開口部分が前記溝部の内周面に接する環状の形状であり、前記開口部分が拡がるように弾性変形する環状部材を配置すると共に、当該環状部材の内周面と各々の前記セグメントの外周面との間にコイルばねを接続してばね構造を構成して、前記セグメントを前記回転軸側へ押し付けるようにしたことを特徴とする回転軸のシール構造。 A groove provided in an annular shape on the inner peripheral side of the casing around the rotation axis;
A plurality of arc-shaped segments arranged annularly in the groove;
A brush provided on the inner peripheral side of each of the segments, and in contact with the outer peripheral surface of the rotary shaft;
In the seal structure of the rotary shaft that seals the rotary shaft with the brush,
The opening portion of the U-shaped cross section has an annular shape that is in contact with the inner peripheral surface of the groove portion, and an annular member that is elastically deformed so that the opening portion expands is disposed, and the inner peripheral surface of the annular member and each of the above-mentioned A rotating shaft sealing structure characterized in that a coil spring is connected to the outer peripheral surface of a segment to constitute a spring structure, and the segment is pressed against the rotating shaft side.
前記環状部材の両側面を、前記開口部分に向かって拡げた形状としたことを特徴とする回転軸のシール構造。 In the seal structure of the rotating shaft according to claim 3,
A seal structure for a rotating shaft, wherein both side surfaces of the annular member have a shape expanded toward the opening.
前記環状部材の前記開口部分が接する前記溝部の内周面を、前記環状部材の両側面が外側に向かって拡がるように傾斜させたことを特徴とする回転軸のシール構造。 In the seal structure of the rotating shaft according to claim 3 or claim 4,
A seal structure for a rotating shaft, wherein an inner peripheral surface of the groove portion that is in contact with the opening portion of the annular member is inclined so that both side surfaces of the annular member expand outward.
前記溝部に環状に配置された複数の円弧状のセグメントと、
各前記セグメントの内周側に設けられ、前記回転軸の外周面と接触するブラシとを有し、
前記ブラシにより前記回転軸をシールする回転軸のシール構造において、
外周側から順に、コイルばね、中間ブロック及び他のコイルばねを直列に接続してばね構造を構成し、当該ばね構造を前記溝部の内周面と各々の前記セグメントの外周面との間に配置すると共に、起動前及び起動中は前記中間ブロックとの間に間隙を有し、運転中は熱膨張により前記中間ブロックと接触する接触部を前記溝部の両側面に設け、起動前及び起動中は、コイルばね及び他のコイルばねにより、前記セグメントを前記回転軸側へ押し付けるようにし、運転中は、他のコイルばねにより、前記セグメントを前記回転軸側へ押し付けるようにしたことを特徴とする回転軸のシール構造。 A groove provided in an annular shape on the inner peripheral side of the casing around the rotation axis;
A plurality of arc-shaped segments arranged annularly in the groove;
A brush provided on the inner peripheral side of each of the segments, and in contact with the outer peripheral surface of the rotary shaft;
In the seal structure of the rotary shaft that seals the rotary shaft with the brush,
In order from the outer peripheral side, a coil spring, an intermediate block, and other coil springs are connected in series to form a spring structure, and the spring structure is disposed between the inner peripheral surface of the groove and the outer peripheral surface of each segment. In addition, before and during startup, there is a gap between the intermediate block and during operation, contact portions that come into contact with the intermediate block by thermal expansion are provided on both side surfaces of the groove, and before startup and during startup. The segment is pressed against the rotating shaft side by a coil spring and another coil spring, and the segment is pressed against the rotating shaft side by another coil spring during operation. Shaft seal structure.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011053823A JP5653801B2 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Rotary shaft seal structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2011053823A JP5653801B2 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Rotary shaft seal structure |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012189158A JP2012189158A (en) | 2012-10-04 |
| JP5653801B2 true JP5653801B2 (en) | 2015-01-14 |
Family
ID=47082560
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2011053823A Expired - Fee Related JP5653801B2 (en) | 2011-03-11 | 2011-03-11 | Rotary shaft seal structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5653801B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101475272B1 (en) * | 2013-06-07 | 2014-12-29 | 삼성중공업 주식회사 | Sealing apparatus for wind turbine |
| EP3252353B1 (en) | 2015-01-29 | 2019-12-25 | Eagle Industry Co., Ltd. | Brush seal |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3008A (en) * | 1843-03-21 | Machine for tttrnzstg or cutting irregular forms | ||
| KR20010112226A (en) * | 2000-02-01 | 2001-12-20 | 제이 엘. 차스킨, 버나드 스나이더, 아더엠. 킹 | Positive biased packing ring brush seal combination |
| JP2003004145A (en) * | 2001-06-20 | 2003-01-08 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Seal for rotary shaft |
| US8113771B2 (en) * | 2009-03-20 | 2012-02-14 | General Electric Company | Spring system designs for active and passive retractable seals |
-
2011
- 2011-03-11 JP JP2011053823A patent/JP5653801B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2012189158A (en) | 2012-10-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5738184B2 (en) | Shaft seal device | |
| JP5830247B2 (en) | Method and apparatus for labyrinth seal packing ring | |
| CN1329680C (en) | Rotary machine with seal | |
| JP5864912B2 (en) | Method and apparatus for labyrinth seal packing ring | |
| JP5600542B2 (en) | Rotating machinery shaft seal device | |
| JP5174241B2 (en) | Shaft seal and rotating machine equipped with the same | |
| EP2318738B1 (en) | Leaf seal | |
| JP5848372B2 (en) | Shaft seal device and rotary machine | |
| KR20140052916A (en) | Shaft sealing device, and rotary machine equipped therewith | |
| CN112128381A (en) | A sealing device for gas-liquid two-phase fluid medium with variable working conditions | |
| KR100659414B1 (en) | Rolling machine with self-aligning brush seal | |
| JP5653801B2 (en) | Rotary shaft seal structure | |
| JP2003004145A (en) | Seal for rotary shaft | |
| JP2017036799A (en) | Shaft seal device | |
| US6935634B2 (en) | Steam turbine packing spring | |
| JP4643228B2 (en) | Shaft seal | |
| JP7175428B1 (en) | Sealing structure and sealing method | |
| JP2016153625A (en) | Turbine seal device, turbine and thin plate for seal device | |
| JP2006132636A (en) | Shaft seal and rotating machine | |
| JP7542648B2 (en) | Sealing Device | |
| JP2015140861A (en) | sealing device | |
| JP2006112491A (en) | Shaft seal mechanism | |
| JP6276209B2 (en) | Turbine sealing device and turbine, and thin plate for sealing device | |
| JP2019173724A (en) | Shaft seal device and rotating machine having shaft seal device | |
| JPWO2017141929A1 (en) | Brush seal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20140204 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20141016 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20141021 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20141119 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5653801 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |