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JP6012505B2 - 軸シール装置及び回転機械 - Google Patents

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Description

本発明は、ロータとステータとの間の環状空間を封止して、この環状空間を低圧側領域と高圧側領域とに分ける軸シール装置及び回転機械に関する。
ガスタービン、蒸気タービン等の回転機械におけるロータの周囲には、高圧側から低圧側に流れる作動流体の漏れ量を少なくするために、軸シール装置が設けられている。この軸シール装置の一例として、例えば、以下の特許文献1に記載された軸シール装置が知られている。
図9に従来の軸シール装置110の概略構成図を示す。この軸シール装置110は、ステータの内周面に支持されたハウジング109と、このハウジング109内に周方向に配置されたシール体112とを備えている。
シール体112は、多数の薄板シール片120がそれぞれの厚さ方向(図9の紙面方向)をロータ(回転軸6)の周方向に向け、互いに微小間隙をあけて積層されて構成されている。各々の薄板シール片120は、ロータの径方向内側の端部(先端)がその径方向外側の端部(後端)よりもロータの回転方向前方側に位置するよう傾斜して配置され、後端がろう付け部24を介して相互に連結されるとともに、先端が自由端とされている。
シール体112を構成する薄板シール片120はロータの軸線方向に所定の幅寸法を有する平板状の部材である。シール体112は頭部120dを有するT字形状をなし、ハウジング109はこれに対応するT字形状の内部空間109aを有している。
このように概略構成される軸シール装置110においては、ロータが静止している際には薄板シール片120の先端がロータと接触している。そして、ロータが回転するとロータの回転によって生じる動圧効果により、薄板シール片120の先端がロータの外周から浮上してロータと非接触状態となる。このため、この軸シール装置110では、薄板シール片120の摩耗が抑制され、シール寿命が長くなる。
特許第3616016号公報 特表2008−509369号公報
ところで、上記従来の軸シール装置110は、ロータとステータとの相対偏心量が大きい箇所に適用した際、換言すれば、ロータの回転中心が設計上の回転中心からずれた際、周方向における薄板シール片120の押付力に差が生じる。
即ち、ロータがステータに対して偏心し、一部でロータとステータとの間隔が小さくなり過大な押し付け力が発生する一方、ロータとステータとの間隔が大きくなり押し付け力が過小となる。これにより、過大な押し付け力が発生する箇所では、図10に示すように、薄板シール片120の剛性が増加して浮上特性が低下し、摩耗が発生する可能性がある。また、押し付け力が過小な場所では図11に示すように隙間G1,G2が増加し、漏れが増加する。
特許文献2には、シール体の端縁に面取り加工を施すことによって、ロータが偏心した場合においても、浮上特性の変化を抑制する軸シール装置が記載されている。
しかしながら、特許文献2に記載の軸シール装置は、シール体112とハウジング109との間の隙間が規定されていないため、浮上特性の調整が困難であるという問題がある。
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ロータとステータとの相対偏心量が大きくなった場合においても、軸シール装置を構成する薄板シール片の摩耗を抑制するとともに、高圧側から低圧側への漏れを低減することを可能にする軸シール装置を提供することにある。
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の軸シール装置は、ロータとステータとの間の空間を高圧側と低圧側とに区画する軸シール装置であって、前記ステータからロータ側に向かって延びる薄板シール片を、前記ロータの周方向に複数積層してなるシール体と、前記ステータに固定され、前記シール体を径方向外側から囲うように保持するとともに、前記シール体の高圧側端辺に対向する第一対向面と、前記シール体の低圧側端辺に対向する第二対向面とを有するハウジングと、を備え、前記シール体と第一対向面との間の高圧側隙間は、前記シール体と前記第二対向面との間の低圧側隙間よりも小さくされており、前記シール体の各薄板シール片の低圧側端辺に、前記ロータ側となる先端に向かうに従って漸次高圧側に傾斜する傾斜部が形成されていることを特徴とする。
上記構成によれば、押し付け量が大きいほど薄板シール片の浮上力が大きくなり、薄板シール片が摩耗することを防止することができる。また、押し付け量が小さいと薄板シール片の浮上力が小さくなるため、漏れを小さくすることができる。
また、高圧側隙間が低圧側隙間より小さくなるように設定されていることによって、低圧側端辺の傾斜部によって変化する低圧側隙間による薄板シール片間の圧力制御が容易となる。
上記軸シール装置において、前記傾斜部は、前記先端から前記第二対向面の前記ロータ側の端に対応する位置まで形成されていることが好ましい。
上記軸シール装置において、前記第二対向面の前記ロータ側となる端部は、前記傾斜部の傾斜に沿うように傾斜していることが好ましい。
上記構成によれば、押し付け量の変化に伴う低圧側隙間の変化量を調整することができる。
上記軸シール装置において、前記高圧側端辺には、前記高圧側隙間を規定するための高圧側側板が取り付けられていることが好ましい。
上記構成によれば、高圧側側板によって高圧側隙間が規定されるため、薄板シール片間の圧力の制御がより容易となる。
また、本発明は、上記いずれかの軸シール装置を備えた回転機械を提供する。
本発明によれば、押し付け量が大きいほど薄板シール片の浮上力が大きくなり、薄板シール片が摩耗することを防止することができる。また、押し付け量が小さいと薄板シール片の浮上力が小さくなるため、漏れを小さくすることができる。
本発明の第一実施形態に係るガスタービンの概略構成図である。 図1におけるS1−S1線断面図であり、回転軸の軸線方向からみた軸シール装置の概略構成図である。 図2におけるS2−S2線断面図であり、押し付け量が小さい箇所の軸シール装置の断面図である。 図1におけるS1−S1線断面図であり、ロータとステータとの相対偏心量が大きい場合を説明する断面図である。 図2におけるS2−S2線断面図であり、押し付け量が大きい箇所の軸シール装置の断面図である。 薄板シール片の動作を説明するための図である。 本発明の第二実施形態の押し付け量が小さい箇所の軸シール装置の断面図である。 本発明の第二実施形態の押し付け量が大きい箇所の軸シール装置の断面図である。 従来の軸シール装置の回転軸の軸線を含む断面における断面図である。 従来の軸シール装置の動作を説明する詳細図であって、回転軸の軸線方向からみた薄板シール片を示す図である。 従来の軸シール装置の動作を説明する詳細図であって、回転軸の軸線方向からみた薄板シール片を示す図である。
(第一実施形態)
以下、図面を参照し、本発明の第一実施形態に係る回転機械について説明する。
図1は本実施形態に係るガスタービン(回転機械)1の概略全体構成図である。
ガスタービン1は、図1に示すように、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機(回転機械)2と、この圧縮機2にて圧縮された圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器3と、燃焼器3から導入された燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するタービン(回転機械)4とを備えている。
圧縮機2及びタービン4は、それぞれ一体回転するように連結されたロータ2A,4Aと、ロータ2A,4Aの外周側を囲うステータ2B,4Bとを備えている。なお、以下の説明においては、特に言及しない限り、ロータ2A,4Aの軸線O方向を単に「軸線O方向」と、ロータ2A,4Aの周方向を単に「周方向」と、ロータ2A,4Aの径方向を単に「径方向」という。また、ロータ2A,4Aの軸線O方向において、高圧側を「一方側」、低圧側を「他方側」という。
ロータ2A,4Aは、回転軸6c,6と、軸線O方向に間隔を空けて固定されている複数の環状動翼群7c,7と、を有している。各環状動翼群7c,7は、回転軸6c,6の外周に、周方向に互いの間隔を空けて固定されている複数の動翼を有して構成されている。
ステータ2B,4Bは、それぞれケーシング2b,4bと、ケーシング2b,4b内において軸線O方向に間隔をあけて固定された複数の環状静翼群5c,5とを備えている。環状静翼群5c,5は、各ケーシング2b,4b内面に、周方向に互いの間隔をあけて固定されている複数の静翼を有している。各静翼の先端には、ハブシュラウドが形成されており、このハブシュラウド(ステータ)が周方向に連結されて全体として円環状になって回転軸6c,6の外周を囲んでいる。
この環状静翼群5c,5は、それぞれ、複数の環状動翼群7c,7と、軸線O方向に交互に配置されている。
圧縮機2及びタービン4には、高圧側から低圧側に作動流体(圧縮空気又は燃焼ガス)gが軸線O方向に漏出するのを防止するため、図1に示すように、各環状静翼群5c,5のハブシュラウドに軸シール装置10c,10が設けられている。また、ケーシング2b,4bが回転軸6c,6を支持する軸受け部(ステータ)2c,4cにおいても、作動流体gが高圧側から低圧側に漏出するのを防止するため、軸シール装置10c,10が設けられている。
以下、タービン4の軸シール装置10の実施形態について説明する。なお、以下では、タービン4の軸シール装置10について説明するが、圧縮機2の軸シール装置10cも、基本的に同様の構成なので、この説明を省略する。
図2は図1におけるS1−S1線断面図であり、図3は図2におけるS2−S2線断面図である。なお、図3に示す回転軸6は軸シール装置10との相対的位置関係を明確にするために模式的に示したものである。
図2及び図3に示すように、タービン4の軸シール装置10は、環状静翼群5のハブシュラウドと軸受け部4cの内周面とにそれぞれ支持されたハウジング9内に、周方向に延びるシール体12が収容されることで構成されている。
シール体12は多数の薄板シール片20と、薄板シール片20とハウジング9との間の隙間を規定する高圧側側板13(高圧側サイドプレート、第一対向面)によって構成されている。薄板シール片20は、それぞれの厚さ方向を回転軸6の周方向に向け、互いに微小間隙をあけて積層されている。各々の薄板シール片20は、その径方向内側の端部がその径方向外側の端部よりも回転軸6の回転方向前方側に位置するよう傾斜して配置され、後端が連結部24を介して相互にろう付けあるいは溶接されるとともに、先端が自由端とされている。
シール体12を構成する薄板シール片20は回転軸6の軸線方向に所定の幅寸法を有する平板状の部材である。薄板シール片20は、径方向内側が回転軸6の外周面に対し周方向の傾きをもって所定の予圧で鋭角に摺接している。薄板シール片20は頭部20dを有するT字形状をなし、ハウジング9はこれに対応するT字形状の収容空間9aを有している。
ハウジング9は、回転軸6の外周側を取り囲むように設けられており、収容空間9aも周方向に延在して形成されている。図3に示すように、ハウジング9の収容空間9aは、その開口側、すなわち径方向内側の部分が、幅寸法(軸線O方向の寸法)が小さく形成された内方側空間9bとされている。また、収容空間9aの開口から径方向外側に離間した空間、すなわち内方側空間9bよりも径方向外側の空間が、幅寸法が大きく形成された外方側空間9cとされている。これら内方側空間9bと外方側空間9cとは互いに連通状態とされている。そして、この内方側空間9bの開放部が径方向内側の回転軸6に向いている。
内方側空間9bは、その軸線O方向の寸法が薄板シール片20の軸線O方向の寸法(幅寸法)よりも僅かに大きくなるように形成されている。
また、ハウジング9の内方側空間9bの軸線O方向一方側は高圧側側壁21とされ、軸線O方向他方側は低圧側側壁22(第二対向面)とされている。即ち、高圧側側壁21は薄板シール片20の高圧側端辺20eの対向面であり、低圧側側壁22は薄板シール片20の低圧側端辺20aの対向面である。内方側空間9bは、高圧側側壁21と低圧側側壁22によって形成されている。高圧側側壁21と低圧側側壁22の径方向内側の端と回転軸6との間には所定の間隔が設けられている。
高圧側側板13は、多数の薄板シール片20における高圧側領域に対抗する一方の側縁と高圧側側壁21との間に挟み込まれている。高圧側側板13は、厚さ方向を軸線O方向に向け、回転軸6の軸線O方向から見た形状が円弧帯状をなしている。即ち、高圧側側板13は、軸線O方向を向く面を有し、周方向に湾曲して延びるように形成されている。
高圧側側板13は、径方向外側端の接合部14において、多数の薄板シール片10に溶接あるいは嵌合によって接合されている。これによって、高圧側側板13の低圧側を向く板面が、多数の薄板シール片20の高圧側を覆うように固定される。高圧側側板13によって、シール体12とハウジング9の高圧側側壁21との間の高圧側隙間t0が規定される。この高圧側隙間t0は、高圧側側板13を設けない場合のシール体12とハウジング9の高圧側側壁21との間の隙間に相当する。
また、低圧側側壁22の径方向内側の端部は薄板シール片20に対して軸線O方向に離間する段形状部23とされている。即ち、低圧側側壁22の基端側(径方向外側)と比較して、低圧側側壁22の先端側(径方向内側)は、薄板シール片20(シール体12)との隙間が大となるように形成されている。換言すれば、薄板シール片20の低圧側端辺20aと低圧側側壁22との隙間(低圧側隙間)は、薄板シール片20の基端側においては低圧側側壁22によって極力小さくされ、薄板シール片20の先端側においては、段形状部23によって大きくされている。薄板シール片20の先端側の低圧側隙間を符号t1で示す。
ここで、高圧側隙間t0は、低圧側隙間t1よりも小さくなるように設定されている。即ち、高圧側側板13の低圧側を向く面とシール体12の高圧側端辺20eとの間隔が、低圧側隙間t1よりも小さくなるように設定されている。
なお、高圧側側板13は必ずしも設ける必要はない。即ち、シール体12とハウジング9の高圧側側壁21との間の隙間が低圧側隙間t1よりも小さくなっていれば、高圧側側板13を設けない構成とすることもできる。
そして、本実施形態の薄板シール片20の低圧側端辺20aには、ロータ側となる先端に向かうに従って漸次高圧側(軸線O方向一方側)に傾斜する傾斜部20bが形成されている。即ち、各々の薄板シール片20の低圧側領域を向く一辺である低圧側端辺20aの先端側は、軸線O方向の寸法(幅寸法)がロータ(回転軸6)に近付くに従って漸次小さくなるように、面取り形状とされている。
具体的には、傾斜部20bの径方向外側の端は、低圧側側壁22の径方向内側の端と、径方向における位置が略同じとなるように設定されている。換言すれば、傾斜部20bによって薄板シール片20の幅が狭くなる領域は、径方向においてハウジング9の径方向内側端より径方向内側の領域である。
次に、本実施形態の軸シール装置の作用について説明する。
図4に示すように、ロータとステータとの相対偏心量が大きい場合、ロータとハウジングとが離間する箇所(符号Wで示す)と、ロータとハウジングとが接近する箇所(符号Nで示す)が生じる。図3に示すように、ロータとハウジングとが離間する箇所における低圧側側壁22と薄板シール片20との間の低圧側隙間はt1となる。即ち、薄板シール片20の押し付け力が無くなるか僅かになることによって、薄板シール片20が平面状態、又は平面状態に近い状態となるため、低圧側隙間t1は、段形状部23の内側壁と薄板シール片20の低圧側端辺20aとの距離となる。
図5に示すように、ロータとハウジングとが接近する箇所における低圧側側壁22と薄板シール片20との間の低圧側隙間はt1より大きいt2となる。即ち、薄板シール片20の押し付け力が大きくなることによって、薄板シール片20が湾曲した状態となるため、低圧側隙間t2は、段形状部23の内側壁と薄板シール片20の傾斜部20bとの距離となる。
以上まとめると、低圧側隙間t1,t2は、ロータとステータとが離間する位置においては小さくなる一方、ロータとステータとが接近する位置においては大きくなる。即ち、ロータとハウジングが接近して薄板シール片20の押し付け力が大きくなるに従って、低圧側隙間t1,t2が大きくなる。
ここで、低圧側隙間の大きさとシール体12の浮上力との関係について説明する。
図6(a)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々の薄板シール片20に加わった場合に、各々の薄板シール片20に対して、内周側先端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においては薄板シール片20はT字型形状としているが、図6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。
また、図6(b)に示す回転軸6の周方向に沿った断面図のように、薄板シール片20の回転軸6に面した面を下面20qとするとともに、その裏側を上面20pとする。そして、各々の薄板シール片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って、図6(a)のようにガス圧力分布40aが形成されるとき、各々の薄板シール片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。
この際、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、高圧側側壁21と回転軸6の外周面との間から流入する。そして、作動流体gは、図6(a)のように、回転軸6の外周面と薄板シール片20の内周側先端との間を流れるとともに、薄板シール片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、薄板シール片20の外周側基端に向かって低圧の領域が広がる。そのため、図6(b)に示すように、各々の薄板シール片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、薄板シール片20の内周側先端に近いほど大きくなるとともに薄板シール片20の外周側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20p及び下面20qのそれぞれにおけるガス圧力分布40b,40cは略等しい形状となるが、回転軸6の周面に対する角度が鋭角となるように各々の薄板シール片20が配置されているので、これら上面20p及び下面20qにおける各ガス圧力分布40b,40cの相対位置がずれる。よって、薄板シール片20の外周側基端から内周側先端に向かう任意の点Pにおける上面20p及び下面20qのガス圧に差が生じる。即ち、薄板シール片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。これによって、薄板シール片20内周側先端に対して回転軸6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、各々の薄板シール片20の上面20p及び下面20q間に圧力差を生じさせることで、各々の薄板シール片20に浮上力FLが作用し、薄板シール片20の内周側先端が回転軸6の外周面から浮上するように変形させられる。即ち、回転軸6の停止時には薄板シール片20の内周側先端は所定の予圧で回転軸6の周面に接触しているが、回転軸6の回転時には薄板シール片20の内周側先端に浮上力FLが作用するため、薄板シール片20が回転軸6から浮上して非接触状態となり、所定のシールクリアランスが形成されるのである。
ここで、高圧側隙間よりも低圧側隙間を大きくすることによって、高圧側から加圧された際に、薄板シール片20を通過して高圧側領域から低圧側領域へ流れるガスgは、各々の薄板シール片20の上面20p及び下面20qに沿って対角に向かって広く流れやすくなる。即ち、低圧側隙間が大きいほど、浮上力が大きくなる。
上記実施形態によれば、薄板シール片20の低圧側端辺20aに傾斜部20bを形成して、押し付け量が大きいほど低圧側隙間が大きくなるようにした。これにより、押し付け量が大きいほど薄板シール片20の浮上力が大きくなり、薄板シール片20が摩耗することを防止することができる。即ち、回転軸6が偏心した場合においても薄板シール片20への押し付け量の差を少なくすることができる。
また、押し付け量が小さいと薄板シール片20の浮上力が小さくなるため、漏れを小さくすることができる。
また、高圧側隙間t0を低圧側隙間t1よりも小さくしたことによって、低圧側端辺20aの傾斜部20bによって変化する低圧側隙間による薄板シール片20間の圧力制御が容易となる。
また、ハウジング9の低圧側側壁22の先端側に段形状部23が形成されていることによって、低圧側側壁22の先端側において低圧側隙間を大きくしながら、低圧側側壁22の基端側において薄板シール片20の変形を拘束することができる。
また、低圧側端辺20aに傾斜部20bを設けたことによって、薄板シール片20の剛性が低下する。これにより、薄板シール片20に発生する力に対する抵抗力が減少するため、回転軸6の偏心時の軸シール装置10の追従性を向上させることができる。
さらに、低圧側端辺20aに傾斜部20bを設けたことによって、薄板シール片20のねじれを低減することができる。
(第二実施形態)
以下、本発明の第二実施形態の軸シール装置を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
本実施形態のハウジング9Bは、低圧側側壁22Bの段形状部23Bの先端側が径方向内側に向かうに従って、軸線方向一方側に傾斜していることを特徴としている。具体的には、段形状部23Bの先端側は薄板シール片20の傾斜部20bに沿うように傾斜しており、段形状部23と薄板シール片20の傾斜部20bとの間の隙間が一定となるように形成されている。
次に、本実施形態の軸シール装置10Bの作用について説明する。
図7に示すように、ロータとハウジングとが離間し、押し付け量が小さい箇所における低圧側側壁22Bと薄板シール片20との間の低圧側隙間はt1Bとなる。
図8に示すように、ロータとハウジングとが接近し、押し付け量が大きい箇所における低圧側側壁22Bと薄板シール片20との間の低圧側隙間はt1Bより大きいt2Bとなる。
ここで、本実施形態の段形状部23Bは傾斜部20bと同一傾斜方向に傾斜しているため、t1Bとt2Bとの差は第一実施形態と比較すると小さなものとなる。即ち、ロータとハウジングとが離間する場所と接近する場所とで、低圧側隙間の変化が小さいものとなる。
上記実施形態によれば、段形状部23Bの形状を傾斜部20bに沿う形状とすることによって、押し付け量の変化に伴う低圧側隙間の変化量を調整することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
上記各実施形態の低圧側側壁には段形状部が設けられているが、段形状部を設けることなく、薄板シール片と低圧側側壁との隙間を一様にしてもよい。
また、上記各実施形態においては、段形状部によって低圧側隙間を規定する例を示したが、段形状部と同等の形状を有する側板(サイドプレート)を配置することとしてもよい。
1 ガスタービン(回転機械)
2A,4A ロータ
2B,4B ステータ
6 回転軸
9 ハウジング
10 軸シール装置
12 シール体
13 高圧側側板(第一対向面)
20 薄板シール片
20a 低圧側端辺
20b 傾斜部
21 高圧側側壁
22 低圧側側壁(第二対向面)
24 連結部
t0 高圧側隙間
t1,t2 低圧側隙間

Claims (5)

  1. ロータとステータとの間の空間を高圧側と低圧側とに区画する軸シール装置であって、
    前記ステータからロータ側に向かって延びる薄板シール片を、前記ロータの周方向に複数積層してなるシール体と、
    前記ステータに固定され、前記シール体を径方向外側から囲うように保持するとともに、前記シール体の高圧側端辺に対向する第一対向面と、前記シール体の低圧側端辺に対向する第二対向面とを有するハウジングと、を備え、
    前記シール体と第一対向面との間の高圧側隙間は、前記シール体と前記第二対向面との間の低圧側隙間よりも小さくされており、
    前記シール体の各薄板シール片の低圧側端辺に、前記ロータ側となる先端に向かうに従って漸次高圧側に傾斜する傾斜部が形成されていることを特徴とする軸シール装置。
  2. 前記傾斜部は、前記先端から前記第二対向面の前記ロータ側の端に対応する位置まで形成されていることを特徴とする請求項1に記載の軸シール装置。
  3. 前記第二対向面の前記ロータ側となる端部は、前記傾斜部の傾斜に沿うように傾斜していることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の軸シール装置。
  4. 前記高圧側端辺には、前記高圧側隙間を規定するための高圧側側板が取り付けられていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の軸シール装置。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の軸シール装置を備えることを特徴とする回転機械。
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