(57)【要約】  複数のシールセグメントを回転軸の周方向に環状に配置して構成された軸シールであって、各シールセグメントは、回転軸の周方向に沿って配設された複数の薄板と、前記複数の薄板を軸方向の両側から挟み込む側板と、前記複数の薄板の基端及び前記側板の基部を保持する保持リングとを有し、前記側板の先端よりも前記薄板の先端は前記回転軸に向って突出し、隣り合う前記シールセグメント同士が接続される周方向端部近傍における前記薄板の前記先端の突出量は、前記シールセグメントの周方向中央部における前記薄板の前記先端の突出量よりも小さく設定されている。
2010146805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のシールセグメントを回転軸の周方向に環状に配置して構成された軸シールであって、
各シールセグメントは、
回転軸の周方向に沿って配設された複数の薄板と、
前記複数の薄板を軸方向の両側から挟み込む側板と、
前記複数の薄板の基端及び前記側板の基部を保持する保持リングとを有し、
前記側板の先端よりも前記薄板の先端は前記回転軸に向って突出し、
隣り合う前記シールセグメント同士が接続される周方向端部近傍における前記薄板の前記先端の突出量は、前記シールセグメントの周方向中央部における前記薄板の前記先端の突出量よりも小さく設定されている軸シール。
【請求項２】
前記周方向端部近傍における前記薄板の前記突出量は、前記シールセグメントの周方向内側から前記周方向端部に向かうにしたがって漸次小さくなる請求項１に記載の軸シール。
【請求項３】
前記周方向端部近傍における前記薄板の前記突出量を小さく設定する領域が、前記周方向中央部に対して相対的に浮上力が低減する領域である請求項１又は２に記載の軸シール。
【請求項４】
前記回転軸の回転時における各前記薄板の前記突出量が等しくなるように、前記回転軸の停止時における各前記薄板の突出量が設定されている請求項１から３のいずれか一項に記載の軸シール。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の軸シールを前記回転軸の外周に配置した回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の回転機械の回転軸に対してシールを施す軸シール機構に関し、特に、平板状の薄板を回転軸の周方向に多層に配置した構造をなす軸シールに関する。
本願は、２００９年０６月１６日に日本出願された特願２００９−１４３１４０に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
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、静翼等の静止する部材と回転軸などの回転する部材との間には環状の隙間ができる。作動流体は、この環状の隙間を通過して高圧側から低圧側に向かって漏洩してしまう。これを防止するために、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。しかし、このような軸シール機構は、回転過渡期の軸振動や熱過渡的な熱変形によってフィン先端が周囲の部材に接触しないようにする必要があった。そのため、フィン先端の隙間、即ち、シールクリアランスをある程度大きくしなければならず、これによって作動流体の漏れ量が多くなってしまっていた。【０００３】
このような軸シール機構における作動流体の漏れ量を低減させる技術として、回転軸の軸方向に所定の幅寸法を有する薄板を回転軸の周方向に多層に配置した構造をなす軸シールが知られている（例えば特許文献１参照）。この軸シールの構成の一例を図９に示す。図９は軸シールの構成を示す斜視図である。【０００４】
この軸シール１００は、回転軸１０１の外周に回転軸１０１を囲うように配置されるハウジング１０２と、ハウジング１０２に嵌着されて回転軸１０１の周方向にリング状に配設された薄板１０５とを有する。この軸シール１００においては、薄板１０５が回転軸１０１の外周をシールすることにより、回転軸１０１の周囲空間は薄板１０５を境にして高圧側領域と低圧側領域とに隔てられる。薄板１０５の高圧側には高圧側板１０４（サイドリーフ）が、薄板１０５の低圧側には低圧側板（バックリーフ）１０３が設けられている。これら高圧側板１０４及び低圧側板１０３は、薄板１０５を支えるガイド板としてハウジング１０２に装着されている。【０００５】
このような軸シール１００においては、回転軸１０１の停止時には薄板１０５の先端が所定の予圧で回転軸１０１に接触するが、回転軸１０１の回転時には動圧効果によって薄板１０５に浮上力が作用するため、該薄板１０５の先端が回転軸１０１から浮上する。これによって、回転軸１０１の回転時には薄板１０５と回転軸１０１とが非接触状態となり、各薄板及び回転軸の磨耗防止を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９１７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、回転軸１０１を大型回転機械に取り付ける際には、その端部から軸シール１００を挿入して取り付けることが困難である。そのため、組み立て易さの観点から、回転軸１０１の外周に沿ってリング状に構成される軸シール１００は、周方向に２〜８分割された複数の分割リングとなるシールセグメントとして構成される。これらシールセグメントの周方向端部を、隣り合うシールセグメント同士で接続することで円環状をなす軸シール１００が構成される。【０００８】
複数のシールセグメントとして構成される軸シール１００を回転軸１０１の外周に設置した際、隣接するシールセグメントの接続部分である周方向端部間に隙間が形成される。高圧側領域から低圧側領域に向かって作動流体がこの隙間を通過してしまう。つまり、高圧側領域から低圧側領域に向かって作動流体の流路が形成されてしまう。【０００９】
図１０は、シールセグメントの周方向端部の形態を示す斜視図である。上述のように隙間により流路が形成されるため、隙間においては作動流体の流れＣが生じる。さらに、これにより高圧側板１０４と薄板１０５との間に漏洩する流れＡ、及び、低圧側板１０３と薄板１０５との間に漏洩する流れＢが発生する。これら漏洩する流れＡ及びＢによってシールセグメントの周方向端部近傍における薄板１０５間の圧力分布が不安定となる。そのため、浮上力に抗して薄板１０５を回転軸１０１側に向かって押し付ける押付力が作用する。そして、この押付力が発生により薄板１０５の浮上力１０５が相殺され、薄板１０５の浮上特性が低下してしまう。その結果、薄板１０５と回転軸１０１外周との適正隙間が形成できなくなる。そのため、高回転時における薄板１０５と回転軸１０１との接触によって、薄板１０５及び回転軸１０１が磨耗してしまうという問題があった。【００１０】
これに対し、上記特許文献１に記載の軸シールにおいては、軸シールの分割部近傍（シールセグメントの周方向端部近傍）における隙間を、分割部近傍を除く周方向の他の隙間より大きく設定することで圧力分布の適正を図り、これによって薄板１０５に掛かる押付力を低減させている。しかしながら、これでもまだ薄板１０５の浮上特性を回復することができない場合がある。特に、回転軸１０１の高回転時には薄板１０５と回転軸１０１との接触が生じてしまい、薄板１０５及び回転軸１０１が磨耗を招いてしまっていた。【００１１】
この発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、シールセグメントの周方向端部近傍において回転時に薄板が回転軸に接触するのを回避して、各薄板及び回転軸の磨耗防止を図り、作動流体が漏洩するのを効果的に抑制することのできる軸シール及び該軸シールを備えた回転機械を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するため、この発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る軸シールは、複数のシールセグメントを回転軸の周方向に環状に配置して構成された軸シールであって、各シールセグメントは、回転軸の周方向に沿って配設された複数の薄板と、前記複数の薄板を軸方向の両側から挟み込む側板と、前記複数の薄板の基端及び前記側板の基部を保持する保持リングとを有し、前記側板の先端よりも前記薄板の先端は前記回転軸に向って突出し、隣り合う前記シールセグメント同士が接続される周方向端部近傍における前記薄板の前記先端の突出量は、前記シールセグメントの周方向中央部における前記薄板の前記先端の突出量よりも小さく設定されている。【００１３】
このような特徴の軸シールによれば、流体漏れにより圧力分布が不安定となるシールセグメントの周方向端部近傍において、薄板の先端の突出量が小さく設定されているため、回転時に該薄板に押付力が作用して該薄板の浮上特性が低下したとしても、薄板の先端が回転軸に接触してしまうことを防止することができる。【００１４】
前記周方向端部近傍における前記薄板の前記突出量は、前記シールセグメントの周方向内側から前記周方向端部に向かうにしたがって漸次小さくなってもよい。【００１５】
ここで、流体漏れによる圧力分布は、シールセグメントの周方向端部にて最も不安定な状態となり、周方向内側に向かうに連れて徐々に解消されていく。したがって、薄板に生じる押付力も、シールセグメントの周方向端部で最大となり周方向内側に向かうに連れて小さくなる。一方、作動流体が漏洩するのを防止するためには、回転時において薄板の先端と回転軸の外周面との間隔、即ち、シールクリアランスが大きくなるのは好ましくない。
これに対し、本発明においては、薄板の突出量がシールセグメントの周方向内側から周方向端部に向かうにしたがって漸次小さくなるように設定されていることから、回転時に薄板に対して押付力が生じた際に、該薄板の先端と回転軸との非接触を維持しつつも、シールクリアランスを最小限に維持し、高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩するのを効果的に抑制することができる。【００１６】
前記周方向端部近傍における前記薄板の前記突出量を小さく設定する領域が、前記周方向中央部に対して相対的に浮上力が低減する領域であってもよい。【００１７】
このような特徴の軸シールによれば、周方向中央部に対して相対的に浮上力が低減する領域、即ち、回転時に薄板に押付力が作用する領域において、薄板の突出量を小さくすることで、軸シールの周方向全域に亙って薄板の先端と回転軸との非接触を維持しながらもシールクリアランスを最小限に抑え、高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩するのを効果的に防止することが可能となる。【００１８】
前記回転軸の回転時における各前記薄板の前記突出量が等しくなるように、前記回転軸の停止時における各前記薄板の突出量が設定されていてもよい。【００１９】
これにより、回転軸の回転時には、軸シールの周方向全域においてシールクリアランスが均一となる。よって、周方向全域における圧力分布を均一とすることができ、軸シールによる作動流体の漏れ防止効果を高く得ることができる。【００２０】
本発明に係る回転機械は、上記いずれかの軸シールを前記回転軸の外周に配置している。
このような特徴の回転機械によれば、上記軸シールを備えていることから、薄板の先端が回転軸に接触することを防止することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の軸シール及び回転機械によれば、シールセグメントの周方向端部近傍における薄板の先端の突出量が小さく設定されているため、回転時に薄板の浮上特性が低下しても該薄板の内周側端部が回転軸に接触してしまうことを防止することができる。したがって、各薄板及び回転軸の磨耗を防止し、また、作動流体の漏洩を効果的に抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】回転軸の軸方向から見た軸シールの概略構成図である。
【図３】回転軸の軸線を含む断面におけるシールセグメントの断面図である。
【図４】回転軸の軸方向から見たシールセグメントの概略構成図である。
【図５】隣り合うシールセグメント同士の周方向端部付近を回転軸の軸方向から見た模式図である。
【図６Ａ】シールセグメントの周方向中央における薄板の動作を説明するための図である。
【図６Ｂ】シールセグメントの周方向中央における薄板の動作を説明するための図である。
【図７Ａ】シールセグメントの周方向端部における薄板の動作を説明する図である。
【図７Ｂ】シールセグメントの周方向端部における薄板の動作を説明する図である。
【図８】機械研磨によって突出量減少領域の突出量を設定する方法を説明する図である。
【図９】軸シールの構成の一例を示す斜視図である。
【図１０】シールセグメントの周方向端部の形態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の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、軸シール１０をガスタービン（回転機械）１に適用した例を示す。図１は実施形態に係るガスタービン１の概略構成図である。
【００２４】
図１に示すガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４と、回転軸５とを有している。圧縮機２は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する。燃焼器３は、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。タービン４は、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。回転軸５は、タービン４の回動する動力の一部を圧縮機２に伝達させて圧縮機２を回動させる。
【００２５】
このような構成のガスタービン１において、タービン４は、回転軸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して動力を発生する。このタービン４には、回転軸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とは、回転軸５の軸方向に交互に配列されている。
動翼７は回転軸５の軸方向に流れる燃焼ガスの圧力を受けて回転軸５を回転させ、回転軸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と回転軸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に軸シール１０が設けられている。
【００２６】
圧縮機２は回転軸５にてタービン４と同軸でつながれており、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燃焼器３に供給している。圧縮機２でもタービン４同様に回転軸５に複数の動翼７と、圧縮機２のケーシング９側に複数の静翼６とが設けられている。動翼７と静翼６とが回転軸５の軸方向に交互に配列されている。静翼６と回転軸５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軸シール１０が設けられる。圧縮機２のケーシング９が回転軸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が回転軸５を支持する軸受け部８ａ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１０が設けられる。
【００２７】
なお、本実施形態の軸シール１０は、ガスタービン１への適用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、ポンプ等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回転機械全般に広く採用することができる。さらに、軸シール１０は、回転軸５の軸方向の流体の流動を抑えるためにも用いることが可能である。
【００２８】
上述のように構成されるガスタービン１に設けられる軸シール１０の構成について図面を参照して以下に説明する。図２は回転軸５の軸方向から見た軸シール１０の概略構成図である。組み立て易さの観点から、この軸シール１０は、円弧状に延びるシールセグメント１１が、上記ガスタービン１の回転軸５周方向に複数（本実施形態では８つ）環状に配置されることで構成されている。このように配置された隣り合うシールセグメント１１の周方向端部１２間には、隙間ｔが形成される。
【００２９】
各シールセグメント１１の構成について、図３及び図４を参照して説明する。図３は回転軸５の軸線を含む断面におけるシールセグメント１１の断面構成図、図４は回転軸５の軸方向から見たシールセグメント１１の構成図である。なお、図３においては、紙面左側が高圧側、紙面右側が低圧側とされている。
【００３０】
各シールセグメント１１は、ハウジング（静翼６、動翼７及び軸受け部８ａ，９ａに相当）３０に挿入されて、回転軸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。図３に示すように、このシールセグメント１１は、複数の薄板２０と、保持リング２１，２２と、高圧側板２３と、低圧側板２４とから構成されている。複数の薄板２０は、回転軸５の周方向に互いに微少間隔を開けて多重に配列され、金属からなる。保持リング２１，２２は、薄板２０の基端において薄板２０を両側から挟持するようにＵ字型に形成されている。高圧側板２３の基部は、薄板２０の高圧側領域に対向する一方の側縁と保持リング２１とによって挟み込まれている。低圧側板２４の基部は、薄板２０の低圧側領域に対向する他方の側縁と保持リング２２とで挟み込まれている。
【００３１】
このように構成される軸シール１０において、薄板２０は、図３に示すように、基端の幅（回転軸５の軸方向の幅）に比べて内周側の幅（回転軸５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ている。薄板２０の幅が狭くなる位置において、その両方の側縁に切り欠き部２０ａ，２０ｂが形成されている。
複数の薄板２０は、回転軸５の軸方向に同一の幅となるように重ねられている。これら複数の薄板２０は、その基端において、例えば溶接が施されることによって互いに固定連結されている。
【００３２】
薄板２０は、その板厚で定まる所定の剛性を回転軸５の周方向に持つ。さらに、薄板２０は、薄板２０と回転軸５の回転方向に対して回転軸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。
【００３３】
高圧側板２３及び低圧側板２４の外周側における回転軸５の軸方向の幅は、他の位置よりも広くなるように段差部２３ａ，２４ａが設けられている。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。
【００３４】
保持リング２１は、複数の薄板２０の基端における一方の側縁（高圧側）に対面する面に、溝２１ａを備えている。同様に、保持リング２２は、複数の薄板２０の基端における他方の側縁（低圧側）に対面する面に、溝２２ａを備えている。複数の薄板２０の基端側における一方の側縁（高圧側）に保持リング２１の溝２１ａが嵌め込まれている。同様に、複数の薄板２０の基端側における他方の側縁（低圧側）が保持リング２２の溝２２ａに嵌め込まれている。これによって、各薄板２０が保持リング２１，２２に固定される。
【００３５】
ハウジング３０の内周壁面には、環状の溝３１が形成されている。該環状の溝３１は、回転軸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の側縁に対向する側面に段差が設けられている。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の溝３１内に、薄板２０、保持リング２１，２２、高圧側板２３及び低圧側板２４が嵌め込まれている。
【００３６】
このようにハウジング３０に嵌め込まれた軸シール１０においては、薄板２０の先端が高圧側板２３よりも回転軸５側に突出している。
本実施形態においては、図４に示すように、シールセグメント１１の周方向端部１２近傍の領域Ｗに配置された薄板２０は、周方向中央に配置された薄板２０よりも高圧側板２３からの薄板２０の先端の突出量Ｌが短く形成されている。
【００３７】
隣り合うシールセグメント１１の周方向端部１２付近を回転軸５の軸方向から見た模式図を図５に示す。この図５の示すように、各シールセグメント１１の周方向端部１２近傍の所定領域（接触力減少領域）Ｗにおいて、突出量Ｌが小さく設定されている。
特に、本実施形態においては、接触力減少領域Ｗにおける薄板２０は、シールセグメント１１の周方向内側から周方向端部１２に向かうにしたがって漸次突出量Ｌが小さくなるように設定されている。回転軸５の軸方向から見た突出量減少領域Ｗにおける複数の薄板２０の先端がなす形状は、略円弧形状とされている。
【００３８】
回転軸５の停止時には、上記領域Ｗ以外の箇所の薄板２０の先端は回転軸５の外周面に当接するように回転軸５側に向かって突出しているため、回転軸５の外周面には薄板２０による予圧が与えられている。上記領域Ｗに配置された薄板２０においては、突出量Ｌが小さく設定されているため、上記領域Ｗ以外の箇所よりも予圧が小さい。また、回転軸５の停止時においてその先端が回転軸５の外周面に必ずしも接触することはない。つまり、薄板２０の先端と回転軸５との間に隙間が形成されても良い。
【００３９】
上記接触力減少領域Ｗは、各シールセグメント１１の周方向端部１２から周方向内側に向かって約５〜５０ｍｍの範囲に設定されていることが好ましい。さらに、この突出量減少領域Ｗにおける突出量Ｌの大きさは、約０〜５ｍｍの範囲に設定されていることが好ましい。
【００４０】
本実施形態においては、上記突出量減少領域Ｗに配置される薄板２０のみを他の領域と長さの異なるものを使用してシールセグメント１１を組み立てることで、該突出量減少領域Ｗにおける薄板２０の先端の突出量Ｌが小さくなるように構成されている。この際、シールセグメント１１の周方向内側から周方向端部１２に向かうにしたがって漸次突出量Ｌが小さくなるように各薄板２０の配置箇所に応じてその長さが個々に選定される。
【００４１】
上記のように構成される軸シール１０の挙動について説明する。まず、各シールセグメント１１の周方向中央、即ち、周方向端部１２から離間した箇所に配置された薄板２０の挙動について図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。
【００４２】
図６Ａ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、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において薄板２０はＴ字型形状としているが、図６Ａ及び図６Ｂ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。
【００４３】
図６Ｂに示す回転軸５の周方向に沿った断面図のように、薄板２０の回転軸５に面した面を下面２０ｑとし、その裏側を上面２０ｐとする。そして、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って、図６Ａのようにガス圧力分布４０ａが形成されるとき、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。
【００４４】
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、高圧側板２３と回転軸５の外周面との間から流入する。そして、作動流体ｇは、図６Ａの示すように、回転軸５の外周面と薄板２０の先端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の基端に向かって低圧の領域が広がる。そのため、図６Ｂに示すように、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、薄板２０の先端に近いほど大きくなるとともに薄板２０の基端に向かうほど小さくなる。
【００４５】
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。そのため、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２０の基端から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２０の先端に対して回転軸５より浮かせる方向に浮上力ＦＬが発生する。
【００４６】
以上のようにして、各シールセグメント１１の周方向中央においては、各薄板２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑ間に圧力差を生じさせることで、各薄板２０に浮上力ＦＬが作用する。これにより、薄板２０の先端が回転軸５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５の停止時には薄板２０の先端は所定の予圧で回転軸５の周面に接触しているが、回転軸５の回転時には薄板２０の先端に浮上力ＦＬが作用する。そのため、薄板２０が回転軸５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。
【００４７】
次に、各シールセグメント１１の周方向端部１２近傍における薄板２０の挙動について図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。
この周方向端部１２近傍においては、ガス圧が隣り合うシールセグメント１１同士の周方向端部１２間に形成された隙間ｔより作動流体ｇが流れ込むため、圧力分布に乱れが生じる。
【００４８】
即ち、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って、図７Ａのようにガス圧力分布５０ａが形成されるとき、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小さくなる。
【００４９】
より詳細には、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、隙間ｔの間から流入し、図７Ａのように、薄板２０における高圧側の側縁全域から各薄板２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑに沿って軸方向に並行に流れ、その後、薄板２０内部で下向きの流れに変化し、低圧側領域へ流出する。
このように作動流体ｇが流れることで、薄板２０の先端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５０ｂ，５０ｃは、図７Ｂに示すように、薄板２０の先端に近いほど小さくなるとともに薄板２０の基端に向かうほど大きくなる。
【００５０】
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５０ｂ，５０ｃは略等しい形状となるが、回転軸５の外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。そのため、これら上面２０ｐ及び下面２０ｑにおける各ガス圧力分布５０ｂ，５０ｃの相対位置がずれる。よって、薄板２０の基端から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２０において、上面２０ｐに加わるガス圧が下面２０ｑに加わるガス圧よりも高くなり、薄板２０を回転軸５側に向かって押し付ける押付力Ｆｄが発生する。
【００５１】
このようにして、各シールセグメント１１の周方向端部１２においては、各薄板２０に押付力Ｆｄが作用する。これにより、薄板２０に作用している浮上力ＦＬが相殺されて、該薄板２０の浮上特性が低下してしまう。
【００５２】
この点、本実施形態の軸シール１０においては、シールセグメント１１の周方向端部１２近傍に押付力Ｆｄが発生し、薄板２０の浮上特性が低下しようとも、各薄板２０の先端が回転軸５に接触してしまうことはない。
【００５３】
即ち、本実施形態では、圧力分布が不安定となるシールセグメント１１の周方向端部１２近傍において、薄板２０の先端の突出量Ｌが小さく設定されている。したがって、回転軸５の回転時に薄板２０に回転軸５に向かっての押付力Ｆｄが作用しようとも、薄板２０の先端が回転軸５の外周面に達することはない。これにより、各薄板２０及びガスタービン１の回転軸５の磨耗及び発熱を防止して、これら部材の長寿命化を図ること可能となる。
【００５４】
ここで、上記圧力分布は、シールセグメント１１の周方向端部１２にて最も不安定な状態となり、周方向内側に向かうに連れて徐々に解消されていく。したがって、薄板２０に生じる押付力Ｆｄも、シールセグメント１１の周方向端部１２で最大となり周方向内側に向かうに連れて小さくなる。一方、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は、回転時におけるシールクリアランスが大きくなるのは好ましくない。
【００５５】
これに対し、本発明においては、薄板２０の突出量Ｌがシールセグメント１１の周方向内側から周方向端部１２に向かうにしたがって漸次小さくなるように設定されている。これにより、回転時に接触力減少領域Ｗにおける薄板２０に対して押付力Ｆｄが作用して浮上特性が低下した際に、該薄板２０の先端と回転軸との非接触を維持しつつも、シールクリアランスを最小限とし、高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩するのを確実に防止することができる。
【００５６】
また、上記押付力Ｆｄは、軸シール１０の径や高圧側領域と低圧側領域との圧力差にもよるが、各シールセグメント１１の周方向端部１２から周方向に沿って約５〜５０ｍｍの範囲において発生する。この点、本実施形態においては、突出量減少領域Ｗの範囲が、各シールセグメント１１の周方向端部１２から周方向に沿って約５〜５０ｍｍの範囲に設定されている。即ち、上記押付力Ｆｄが作用して浮上特性が低下する範囲に対応するようにして突出量減少領域Ｗの範囲が設定されている。
このように、回転軸５を回転させた際に薄板２０に浮上特性が低下する範囲の当該薄板２０のみの突出量が小さくされている。そのため、軸シール１０の周方向全域に亙って、薄板２０の先端と回転軸５との非接触を維持しながらシールクリアランスを最小限とし、作動流体が漏洩するのを効果的に抑制することができる。
【００５７】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。
例えば、各薄板２０の突出量Ｌを設定するに当たっては、回転軸５の回転時にシールセグメント１１における全薄板２０の突出量Ｌが等しくなるように、停止時の各前記薄板２０の突出量Ｌを個別に設定してもよい。
【００５８】
即ち、回転軸５の回転時においては、各シールセグメント１１の薄板２０にその配置箇所に応じて浮上力ＦＬ及び押付力Ｆｄが作用する。このような浮上力ＦＬ及び押付力Ｆｄが作用した際の各薄板２０の浮上特性を把握して、回転時の各薄板２０の突出量Ｌが等しくなるように薄板２０の長さ寸法を個々に設定することで、回転時に軸シール１０の周方向全域において薄板２０の先端と回転軸５との距離を均一とすることができる。これにより、軸シール１０の周方向全域に亙って、薄板２０の先端と回転軸５の外周面との非接触を維持しながら高圧側から低圧側に向かって作動流体が漏洩するのを確実に防止することが可能となる。
【００５９】
回転軸５の軸方向から突出量減少領域Ｗに配置された薄板２０の先端がなす形状は、実施形態のように略円弧状とされることが好ましいが、これに限られるものではない。例えば、直線状であってもよいし、その他の形状であってもよい。即ち、突出量減少領域Ｗにおける薄板２０の突出量Ｌが、該突出量減少領域Ｗ以外の領域における薄板２０の突出量Ｌよりも小さければいかなる形状であってもよい。これにより、回転軸５の回転時に薄板２０の先端が回転軸５の外周面に接触するのを防止することができる。
【００６０】
なお、実施形態においては、突出量減少領域Ｗに配置される薄板２０のみ長さの異なるものを使用してシールセグメント１１を組み立てることで、該突出量減少領域Ｗにおける薄板２０の先端の突出量Ｌが小さくなるように構成したが、これに限られるものではない。例えば、全て同じ長さの薄板２０を使用してシールセグメント１１を組み立てた後に、図８に示すように、これらシールセグメント１１の内周側から突出量減少領域Ｗの薄板２０群に対して機械研磨等を行ってもよい。これによって、シールセグメント１１の周方向内側から周方向端部１２に向かうにしたがって漸次突出量Ｌが小さくなる軸シール１０を容易に成形することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明の軸シール及び回転機械によれば、薄板及び回転軸の磨耗を防止し、作動流体の漏洩を効果的に抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００６２】
１  ガスタービン(回転機械)
５  回転軸
１０  軸シール
１１  シールセグメント
１２  周方向端部
２０  薄板
２３  高圧側板（側板）
２４  低圧側板（側板）
１００  軸シール
１０１  回転軸
１０２  ハウジング
１０３  低圧側板
１０４  高圧側板
１０５  薄板
Ｌ  突出量
ｔ  隙間
Ｗ  突出量減少領域
Ｆｄ  押付力
ＦＬ  浮上力
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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