(57)【要約】【課題】リーフシールの分割部近傍でのガス圧分布を改善して、シール性能を改良する手段の提供に関する。【解決手段】ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１つ以上の分割部を有する環状の軸シール機構をステータに取付ける構造であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ外周面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、前記軸シール機構を収容可能な凹溝がステータに形成され、前記軸シール機構を前記凹溝に組み込んだ後に生ずる隙間に、取付ピースを嵌挿して軸シール機構をステータに取付ける構造であって、前記取付ピースの低圧側プレートに対向する面に環状凹部が設けられている軸シール機構をステータに取付ける構造。【選択図】  図１
2006052765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１以上の分割部を有する環状の軸シール機構であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、少なくとも前記軸シール機構の分割部近傍における低圧すきまが、分割部近傍を除く周方向の低圧すきまより大きく設定されていることを特徴とする軸シール機構。
【請求項２】
ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１以上の分割部を有する環状の軸シール機構であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、少なくとも前記軸シール機構の分割部近傍における低圧すきまが、ステータ内壁又は取付ピース内壁と対向する薄板縁部の間に形成される隙間より大きく設定されていることを特徴とする軸シール機構。
【請求項３】
ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１以上の分割部を有する環状の軸シール機構であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、少なくとも前記軸シール機構の分割部近傍において、前記薄板の表面を流下する作動流体により、前記薄板に押付力が発生しないような低圧すきまが設定されていることを特徴とする軸シール機構。
【請求項４】
ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１以上の分割部を有する環状の軸シール機構をステータに取付ける構造であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、前記軸シール機構を収容可能な凹溝がステータに形成され、前記軸シール機構を前記凹溝に組み込んだ後に生ずる隙間に、取付ピースを嵌挿してなる軸シール機構をステータに取付ける構造であって、前記取付ピースの低圧側プレートに対向する面に環状凹部が設けられていることを特徴とする軸シール機構をステータに取付ける構造。
【請求項５】
前記環状凹部が前記低圧側プレートの下端部と同一の高さから取付ピースの下端部まで設けられたことを特徴とする請求項４に記載の軸シール機構をステータに取付ける構造。
【請求項６】
ロータとステータ間の環状空間に設けられた環状の軸シール機構であって、該軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板群とが鋭角を形成するようにロータ表面に摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る軸シール機構であって、作動流体から前記薄板への押付力が生じないように、分割部を有せず一体に形成されたことを特徴とする軸シール機構。
【請求項７】
ロータとステータ間の環状空間に設けられ、分割部を有せず一体に成形された環状の軸シール機構をステータに取付ける構造であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、前記軸シール機構を収容可能な凹溝がステータに形成され、前記軸シール機構を前記凹溝に組み込んだ後に生ずる隙間に、取付ピースを嵌挿して前記軸シール機構をステータに取付けることを特徴とする軸シール機構をステータに取付ける構造。
【請求項８】
請求項１〜７に記載の軸シール機構または軸シール機構をステータに取付ける構造を備えたタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンに用いられる軸シール機構及び軸シール機構をステータに取付ける構造並びにそれらを備えたタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、タービンはロータ廻りに静翼及び動翼を具備して、高圧側から低圧側に流れる作動流体の漏洩量を低減するため、ロータ廻りに軸シール機構を有している。この種の軸シール機構の一例として、特開２００２−１３６４７、特開２００３−１１３９４５等に示されるリーフシールがある。
【０００３】
タービンにはガスタービンと蒸気タービンがあるが、一例としてガスタービンの全体構成を図８に示す。圧縮機１で圧縮された空気は燃料と混合され、燃焼器２で燃焼される。燃焼器２で発生した作動流体である燃焼ガスは、膨張して、ロータ４廻りに交互に設けられた静翼６及び動翼７を通過する過程で、燃焼ガスの持つ熱エネルギーが回転エネルギーに変換され電力として取り出される。各静翼６とロータ４の間に、高圧側から低圧側への燃焼ガスの漏れ量を低減するために軸シール機構１１が設けられ、その一例としてリーフシールが使われている。
【０００４】
従来のリーフシールからなる軸シール機構の一例を、図９に示す。この軸シール機構１１は、ロータ４の軸線方向に一定の幅を有する薄板１２１を多層に配置した構造であって、ロータ４の周方向に環状に配置され、かつロータ４の周方向に微小間隔をあけて配列された薄板群１２で構成される。またこれら薄板群１２は、外周基端部１２２で薄板群１２が接合され、内周自由端部１２３は接合されることなく、ロータ４に対して鋭角をなすようにロータ外周面４ａに摺接し、ロータ４とステータ５の間に設けられて、作動流体が流れる環状空間８を高圧側領域と低圧側領域に仕切っている。
【０００５】
またこれら薄板群１２は、一対の分割シールリング１４ａ、１４ｂを組み合わせたリーフシールリング１４に固定され、薄板１２１はロータ軸線を含む断面視でＴ字形状をしている。更に、リーフシールリング１４には、作動流体に対するガイド板として、薄板群１２を間に挟んで高圧側領域に隣接する側に高圧側プレート１５が設けられ、低圧側領域に隣接する側には低圧側プレート１６が設けられている。更に薄板１２１の上下面にかかるガス圧分布が浮上力を生ずるようにするため、ロータ軸線を含む断面視で、低圧側プレート１６の長さを高圧側プレート１５よりも短くしている。そのために、高圧側領域に隣接して設けられた高圧側プレート１５と薄板縁部１２４に挟まれた隙間（高圧すきまＸと呼ぶ）より、低圧側領域に隣接してステータ内壁５ａと薄板縁部１２５に挟まれた隙間（低圧すきまＹ１と呼ぶ）の方が大きくなっている（Ｘ＜Ｙ１）。
【０００６】
このような構成の軸シール機構１１が、ステータ５に設けられた凹溝３１に嵌挿され、薄板１２１に働く作動流体による浮上力とロータ４の回転による作動流体の動圧効果により、各薄板１２１の内周自由端部１２３をロータ４の外周面４ａから浮上させ、非接触とすることにより、各薄板の磨耗防止と発熱防止を図っている。
【０００７】
【特許文献１】特開平２００２−０１３６４７号公報
【特許文献２】特開平２００３−１１３９４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このようなリーフシールからなる軸シール機構は、通常、組み立て易さの観点からロータ軸心に対して半径方向に分割部を有する。複数片に分割されたリーフシールは、順次ステータに組み込まれて、一体の状態でシール機能を発揮している。しかし、組み込まれた状態で一体の環状シールを形成しても、ロータ軸心に対して半径方向に１以上（通常は複数以上）の分割部を有するため、分割部の隙間を経由して、高圧作動流体がリーフシール内に流入することになる。リーフシールの分割部近傍での作動流体の流れを模式的に示したものを、図１０に示す。尚、実際のリーフシールは、ロータ軸線を含む断面視で、薄板１２１の頭部が幅広のＴ字形状をしているが、図１０では簡略的に矩形形状で表示している。分割部１９から軸シール機構１１内に流入した作動流体は、高圧側プレート１５と薄板１２１の薄板縁部１２４の隙間（高圧すきま）から、周方向に高圧側プレート１６に沿って内部に流入し、薄板１２１の上面及び下面に沿って薄板１２１の表面を流下する。特開平２００２−０１３６４７号でも開示されているように、リールシールの分割部近傍を除く周方向の任意の地点では、作動流体は高圧側プレート１５の下端部とロータ外周面４ａの間を通過して、薄板１２１の内周自由端部１２３側から外周基端部１２２側に向かって、薄板１２１の上面及び下面を流れる。
しかし、分割部近傍においては、ロータ軸線を含む断面視で、高圧側プレート１５の全長に渡り、作動流体が分割部１９から同じ圧力を維持して軸シール機構１１内へ流入するため、薄板１２１の薄板縁部１２４付近では、外周基端部１２２側及び内周自由端部１２３側ともほぼ同じ圧力となる。この点が、従来例と異なる点であり、ガス圧分布の違いにより薄板に押付力が生じて、内周自由端部１２３がロータ外表面４ａに接触して、薄板の磨耗と発熱が発生するという問題が生ずる（詳細は後述する）。
【０００９】
本発明は、分割部を有するリーフシールについて、分割部近傍では薄板にかかるガス圧分布が乱れて、薄板に押付力が働き、シールの磨耗と発熱という問題点の解決策を提供することを目的とするとともに、かかるリーフシールからなる軸シール機構のタービンへの取付を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係わる発明は、ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１以上の分割部を有する環状の軸シール機構であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、少なくとも前記軸シール機構の分割部近傍における低圧すきまが、分割部近傍を除く周方向の他の低圧すきまより大きく設定されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係わる発明は、ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１以上の分割部を有する環状の軸シール機構であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、少なくとも前記軸シール機構の分割部近傍における低圧すきまが、ステータ内壁又は取付ピース内壁と対向する薄板縁部の間に形成される隙間より大きく設定されていることを特徴とする軸シール機構。
【００１２】
請求項３に係わる発明は、ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１以上の分割部を有する環状の軸シール機構であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ表面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、少なくとも前記軸シール機構の分割部近傍において、前記薄板の表面を流下する作動流体により、前記薄板に押付力が発生しないような低圧すきまを設定したことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に係わる発明は、ロータとステータ間の環状空間に設けられ、１以上の分割部を有する環状の軸シール機構をステータに取付ける構造であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ外周面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、前記軸シール機構を収容可能な凹溝がステータに形成され、前記軸シール機構を前記凹溝に組み込んだ後に生ずる隙間に、取付ピースを嵌挿して軸シール機構をステータに取付ける構造であって、前記取付ピースの低圧側プレートに対向する面に環状凹部が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係わる発明は、前記環状凹部が前記低圧側プレートの下端部と同一の高さから取付ピースの下端部にまで設けられたことを特徴とする。
【００１５】
請求項６に係わる発明は、ロータとステータ間の環状空間に設けられた環状の軸シール機構であって、該軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ外周面と該薄板群とが鋭角を形成するようにロータ外周面に摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る軸シール機構であって、作動流体から前記薄板への押付力が生じないように、分割部を有せず一体に形成されたことを特徴とする。
【００１６】
請求項７に係わる発明は、ロータとステータ間の環状空間に設けられ、分割部を有せず一体に形成された環状の軸シール機構をステータに取付ける構造であって、前記軸シール機構は多数の薄板を積層する薄板群からなり、該薄板群はその外周基端部で接合され、内周自由端部は接合されずにロータ外周面と該薄板とが鋭角を形成するようにロータに摺接して、前記環状空間を高圧側領域と低圧側領域に仕切る構造であり、前記軸シール機構を収容可能な凹溝がステータに形成され、前記軸シール機構を前記凹溝に組み込んだ後に生ずる隙間に、取付ピースを嵌挿して前記軸シール機構をステータに取付けることを特徴とする。
【００１７】
請求項８に係わる発明は、タービンが前記軸シール機構または軸シール機構をステータに取付ける構造を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、１以上の分割部を有する軸シール機構の分割部近傍であって、分割部断面より高圧作動流体の洩れこみにより、薄板の上下面でのガス圧分布が乱れる場合においても、少なくとも軸シール機構の分割部近傍における低圧すきまが、分割部近傍を除く周方向の他の低圧すきまより大きく設定しているので、分割部近傍でのガス圧分布が改善される。そのため、分割部近傍でも、薄板に掛かる押付力がなくなり、薄板がロータ外表面から浮上して、シールの磨耗の防止が図られ、薄板とロータ外表面の接触による発熱も防止される。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、１以上の分割部を有する軸シール機構の分割部近傍であって、分割部断面より高圧作動流体の洩れこみにより、薄板の上下面でのガス圧分布が乱れる場合においても、少なくとも軸シール機構の分割部近傍における低圧すきまが、ステータ内壁又は取付ピース内壁と対向する薄板縁部の間に形成される低圧すきまより大きく設定しているので、分割部近傍でもガス圧分布が乱れることはない。そのため、分割部近傍を含め軸シール機構の前周に渡り、薄板群に掛かる押付力がなくなり、シールの磨耗の防止が防止できる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、１以上の分割部を有する軸シール機構の分割部近傍であって、分割部断面より高圧作動流体の洩れこみにより、薄板の上下面でのガス圧分布が乱れる場合においても、前記軸シール機構の分割部近傍における前記薄板の表面を流下する作動流体のガス圧分布により、前記薄板に押付力が発生しないような低圧すきまを設定するので、薄板の内周自由端部には上向きの浮上力が働く。即ち、軸シール機構の分割部近傍における低圧すきまを、少なくとも分割部近傍を除く他の低圧すきまより大きく設定するので、薄板を流下する作動流体の流線がロータ軸線に対して並行流となり、薄板には作動流体からの押付力が発生しない。そのため、薄板の内周自由端部での動圧効果により薄板がロータ外表面から浮上して、シールの磨耗の防止が図られ、シールとロータ外表面の接触による発熱も防止される。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、軸シール機構が１以上の分割部を有する場合であっても、取付ピースに環状凹部を設けることにより、更に低圧すきまが拡大して、薄板にかかるガス圧分布が改善される。そのため作動流体から薄板への押付力がなくなり、各薄板の内周自由端部とロータ外周面の間に生ずる接触抵抗が軽減され、シールの磨耗が防止できる。また薄板とロータとの接触による発熱が防止され、振動の発生も防止される。また軸シール機構をステータの凹溝に挿入後、ステータの隙間に取付ピースを嵌挿して固定するので、軸シール機構の取付が容易である。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、低圧側プレートの下端部と同一の高さから取付ピースの下端部まで、前記凹部を設けることにより、より効率的に低圧すきまを設定できるので、軸シール機構の全周に渡り、安定した圧力分布を得ることが出来る。また低圧すきまを設ける範囲を限定しているので、作動流体の漏洩ロスも低減される。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、軸シール機構が分割部を有せず一体型シールであるので、分割部断面部から軸シール機構内部への高圧作動流体の洩れ込みがない。そのため軸シール機構の全周に渡り、各薄板の上面及び下面に形成される作動流体の圧力分布が安定して、常に薄板には浮上力が働く。従って、ロータ外周面と薄板の内周自由端部間の接触抵抗も生じず、シールの磨耗が防止される。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、軸シール機構として一体型シールを採用しているので、分割部断面部から軸シール機構内部への高圧作動流体の洩れこみがなく、軸シール機構の全周に渡り、各薄板の上下面に安定した圧力分布が形成される。そのため、ロータ外周面と薄板の内周自由端部間の接触抵抗も生じない。また、かかる軸シール機構をステータの凹溝に挿入後、ステータの隙間に取付ピースを嵌挿して固定するので、軸シール機構の取付が容易である。
【００２５】
請求項８に記載の発明によれば、高圧領域から低圧領域への作動流体の洩れこみが少ないので、タービンの長期安定した運転が可能となり、ランニングコストも低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の軸シール機構及び軸シール機構をステータに取付ける構造に係わる実施の最良の形態について、以下に図面を参照しながら説明する。但し、これらは実施の形態の一例にすぎず、本発明の特徴である軸シール機構の機能、構造を有する限り、実施例に限定されるものではない。また本実施の形態はガスタービンを例として説明するが、蒸気タービンにも適用が可能である。
【００２７】
まず、第１の実施の形態として、１以上の分割部を有するリーフシールからなる軸シール機構（分割型リーフシールと呼ぶ）及び該軸シール機構をステータに取付ける構造について、図１を参照しながら、説明する。
図１は、ロータ軸線を含む断面視で、リーフシールからなる軸シール機構及び該軸シール機構のステータへの取付構造を示したものである。まずリーフシールからなる軸シール機構について説明する。軸シール機構１１は、薄板群１２、一対の薄板保持リング１３ａ，１３ｂ、高圧側プレート１５、低圧側プレート１６及びスペーサ１７から構成される。軸シール機構１１は、ロータ４とステータ５に挟まれた環状空間８に設けられ、高圧側領域と低圧側領域を仕切って、ロータ軸線に直行する面で環状シールを形成するように、ロータ４の周辺に配列されている。軸シール機構１１は、ロータ軸線方向に対してＴ字形状の一定幅を有する薄板群１２からなり、ロータ周方向に対して互いに微少間隔をあけて多数の薄板１２１を積層して、環状シールを形成している。薄板１２１はその外周基端部１２２において溶接等で固定され、内周自由端部１２３は接合されず、ロータ４に対して鋭角をなすように、ロータ外周面４ａに摺接している。
【００２８】
更に、作動流体の吹き抜けを防止するため、各薄板１２１を流れる作動流体の上流側及び下流側には、ガイド板としての高圧側プレート１５及び低圧側プレート１６が配置されている。高圧側プレート１５は、環状板であって、薄板１２１の高圧側領域に隣接する薄板縁部１２４に対向して配置され、高圧側プレート１５と薄板縁部１２４とが一定の隙間（高圧すきまＸ）を保つように、薄板１２１に設けられた受溝１２６で薄板１２１に固定されている。一方、低圧側プレート１６も、同様に環状板であって、薄板１２１の低圧側領域に隣接する薄板縁部１２５に対向して配置され、低圧側プレート１６と薄板縁部１２５とが一定の隙間を保つように、薄板１２１に設けられた受溝１２６で薄板１２１に固定されている。また、低圧側プレート１６は、ロータ軸線を含む断面視で、高圧側プレート１５よりも長さを短くして、低圧側プレート１６と薄板縁部１２５の間の隙間より拡張された隙間が設けられている。即ち、かかる隙間は、軸シール機構の分割部近傍を除く任意の点で、取付ピース内壁２１ａと薄板縁部１２５の間に挟まれた隙間（低圧すきまＹ１）として設けられている。その結果、薄板１２１の上下面で、作動流体のより安定した圧力分布が得られる。また前記薄板群１２と薄板保持リング１３ａ、１３ｂの間には、薄板群１２の半径方向の動きを拘束するためにスペーサ１７が配設されている。
【００２９】
次に、前記軸シール機構をステータに取付ける構造について、図１を参照して説明する。
ステータ５には、ロータ軸線を含む断面視で、軸シール機構１１が容易に収容可能なロータ軸心を中心とした環状の凹溝３１が形成されている。凹溝３１は、軸シール機構１１のロータ軸線方向の全幅より幅広に形成され、凹溝３１に軸シール機構１１を挿入し、更に残った隙間に取付ピース２１を嵌挿して、軸シール機構１１をステータ５に固定する。また、一対の薄板保持リング１３ａ、１３ｂの外周端とステータ５の間には付勢材（例えば、板ばね）１８が設けられ、薄板保持リング１３ａ、１３ｂをロータ４の軸心方向に押付けて、軸シール機構１１の半径方向の動きを拘束している。このような軸シール機構１１、凹溝３１、取付ピース２１、及び付勢材１８の構成により、軸シール機構の取付構造が形成されている。
【００３０】
更に、軸シール機構の分割部近傍では、取付ピース２１の低圧側プレート１６に対向する面に、ロータ軸心を中心とした環状凹部２２が形成され、薄板縁部１２５と環状凹部２２を形成する環状凹部内壁２２ａの間の隙間（低圧すきまＹ２）が設けられている。
【００３１】
尚、軸シール機構の分割部近傍では、高圧作動流体の分割部からの洩れこみにより、作動流体の圧力分布が乱れ、低圧すきま（Ｙ１）程度の隙間では圧力分布の乱れを吸収することが出来ず、各薄板１２１には下向きの押付力が働く。そのため、環状凹部２２を設けて、低圧すきま（Ｙ１）より更に大きな低圧すきま（Ｙ２）を確保することにより、薄板に働くガス圧分布が改善され、押付力を低減することが出来る（圧力分布改善の考え方は後述する）。環状凹部２２は、低圧側プレート１６の下端部と同じ高さから取付ピース２１の下端部までの間に設けてもよい。また、図１は、環状凹部２２を分割面から周方向に一定の長さだけ設けた場合を示しているが、環状凹部２２を取付ピース２１の全周に設けても良い。環状凹部を、全周でなく一定の長さに限れば、作動流体のリークによるロスが減少する利点がある。尚、分割部近傍とは、分割面に限らず、分割面から周方向に１００ｍｍ程度侵入した範囲までを分割部近傍と考える。
【００３２】
次に、本発明の機能及び動作について原理的な考え方を、従来のリーフシールからなる軸シール機構との比較で説明する。従来のリーフシールの場合をケース１、ケース１と同一の構成であって、分割型リーフシールの分割部近傍の場合をケース２、本発明に係わる第１の実施の形態の分割部近傍の場合をケース３とする。
まずケース１の考え方を、ガスタービンを一例として図２（ａ）、図２（ｂ）により説明する。尚、実際のリーフシールは、図１に示すようにロータ軸線を含む断面視で、ほぼＴ字形状を有しているが、本図では簡略的に矩形形状の断面で示している。図２（ａ）において、ロータ軸線を含む断面視で、高圧側プレート１５の長さよりも低圧側プレート１６の長さを短くしている。高圧側領域から低圧側領域への作動流体である燃焼ガスの流れにより、燃焼ガス圧が薄板１２１にかかった場合であって、高圧側プレート１５と対向する薄板縁部１２４の間の隙間（高圧すきまＸ）より、低圧側プレート１６と対向するステータ内壁５ａの間の隙間（低圧すきまＹ１）の方を大きくした場合、安定した圧力分布が得られる。即ち、薄板１２１の上下面に対して、内周自由端部１２３側かつ薄板縁部１２４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低下するほぼ三角形状のガス圧分布が形成される。即ち、内周自由端部１２３側で薄板縁部１２５に位置する角部をｒ３とすれば、各角部のガス圧比較は、ｒ１＞ｒ３＞ｒ２の関係が成立する。
【００３３】
このような圧力分布の形成により、図２（ｂ）に示すように、薄板１２１の幅方向でロータ軸線に直交する断面視で、薄板の上面１２１ａに加わるガス圧よりも下面１２１ｂに加わるガス圧が高くなる。即ち、薄板の上面１２１ａ及び下面１２１ｂに加わるガス圧分布は、図２（ｂ）に示すように、外周基端部１２２で小さく内周自由端部１２３で最も大きな圧力分布を示す三角分布形状となる。この結果、薄板１２１の長さ方向の任意点Ｐにおける上面１２１ａにかかるガス圧Ｆａ、下面１２１ｂにかかるガス圧Ｆｂ、ロータ外周面４ａと薄板１２１の内周自由端部１２３の間を流れる作動流体の動圧による内周自由端部１２３の先端を浮かせる圧力をＦｃとすれば、Ｆｂ＋Ｆｃ＞Ｆａが成立する。
【００３４】
ここで、Ｆｘ＝Ｆｂ＋Ｆｃ―Ｆａとすれば、Ｆｘ>0またはＦｘ＜０により、薄板１２１に浮上力が働くかあるいは押付力が働くかの判断基準とすることが出来る。即ち、Ｆｘ＞０が成立する場合には、薄板には浮上力が働き、Ｆｘ＜０の場合には、薄板には押付力が働くと考えて良い。また、Ｆｘ＝０の場合には、薄板には浮上力も働かず、押付力も働かない。ケース１の場合には、上述のようにＦｘ＞０となるため、薄板１２１には浮上力が働いて浮き上がり、内周自由端部１２３とロータ外周面４ａとが非接触の状態で保持されることになる。
【００３５】
次に、分割型リーフシールの分割部近傍での動作に関するケース２の場合を説明する。この場合は、従来技術の解決課題について図１０を参照しながら説明したように、作動流体が分割部断面部からリーフシール内部に洩れこむため、作動流体の圧力分布が乱れる。この状態を、図３（ａ）、図３（ｂ）により説明する。まず図３（ａ）に示すように、リーフシール１１の内部に流入した作動流体は、分割部から高圧側プレート１５と薄板縁部１２４の間の隙間（高圧すきまＸ）に流入し、高圧側プレート１５に沿って周方向に侵入する。内部に流入した作動流体は、薄板１２１の薄板縁部１２４の外周基端部１２２側から内周自由端部１２３側までの全長に渡り、薄板１２１の上下面に沿って、ロータ軸線に平行な流れとなって、積層された薄板群１２の微少隙間内部へ流入する。図２（ａ）で説明した従来のリーフシールの場合には、作動流体は高圧側プレート１５の下端部から流入して、各薄板の上下面を内周自由端部１２３側から外周基端部１２２側に向けて拡散しながら流れるため、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低下するほぼ三角形状のガス圧分布が形成され、上向きの浮上力が発生する。しかし、分割型リーフシールの分割部近傍に係わるケース２の場合には、同じようなガス圧分布は得られない。
【００３６】
即ち、図３（ａ）に示すように、薄板１２１の上下面に沿って、ロータ軸線に平行な流れとなって、積層された薄板群１２の微少隙間内部へ流入した作動流体は、薄板１２１の上下面に沿ってロータ軸線に対して平行流となって流下しようとする。しかし、作動流体の出口側、即ち低圧側領域に隣接する低圧すきまの間隔が十分でない場合には、作動流体は出口側抵抗のために、薄板内部で下向きの流れとなり、低圧側領域へ流出することになる。つまり、周方向で分割部のないシール部分では、作動流体は必ず高圧側プレート１５の下端からリーフシール１１の内部に流入するため、ステータ内壁５ａと薄板縁部１２５に挟まれた隙間（低圧すきまＹ１）が確保されていれば、必然的に各薄板内部では作動流体の上向きの流れが生じて、必ず浮上力が発生する。
【００３７】
しかし、分割型リーフシールでかつ分割部近傍の場合には、分割部断面からの作動流体の洩れこみが抑えられないため、薄板内部では作動流体の上向きの流れは発生し得ず、むしろ下向きの流れが生じる。その結果、高圧側領域に隣接する薄板縁部１２４であって、外周基端部１２２に位置する角部（ｒ１）及び内周自由端部１２３に位置する角部（ｒ１）はいずれも、最も圧力が高くなる。更に、作動流体が薄板内部を流下するとともに、圧力は低下するが、薄板内部で下向きの流れが生ずるため、薄板の低圧側領域に面する薄板縁部１２５であって外周基端部１２２に位置する角部（ｒ２）、出口側に最も近い低圧側領域に面する薄板縁部１２５であって内周自由端部１２３に位置する角部（ｒ３）とのガス圧比較をすれば、ｒ１＞ｒ２＞ｒ３となる。そのため、薄板１２１の上下面でのガス圧分布図は、図３（ｂ）に示すように、外周基端部１２２で最も圧力が大きく、内周自由端部１２３で最も圧力の小さい、ほぼ逆三角形状の圧力分布を示すことになる。
【００３８】
作動流体が、このような逆三角形状の圧力分布を示した場合、薄板の上面１２１ａ、下面１２１ｂに働くガス圧をＦａ、Ｆｂとすれば、Ｆａ＜Ｆｂとなる。即ち、Ｆｘ＝Ｆａ―Ｆｂとすれば、Ｆｘ＜０となり、薄板１２１には、下向きの押付力が働く。また、ケース１では、各薄板１２１には上向きのガス流れが発生するため、ロータ外表面４ａと薄板１２１の内周自由端部１２３の間を流れる燃焼ガスのガス圧により、内周自由端部１２３の先端には上向きの力Ｆｃが働いていた。ところが、本ケースの場合には、各薄板１２１には、上述のように下向きの押付力Ｆｘが働くため、内周自由端部１２３の先端はロータ外表面４ａに接触してしまい、ロータ外表面４ａと内周自由端部１２３の間での作動流体による動圧効果が期待できない。即ち、ケース２の場合に、各薄板１２１に働くガス圧は、Ｆａ、Ｆｂのみとなり、Ｆｘ＝Ｆａ―Ｆｂとすれば、Ｆｘ＜０となる。つまり、各薄板１２１には浮上力は発生せず、下向きの押付力が発生して、各薄板の内周自由端部１２３はロータ外周面４ａに押し付けられことになる。
【００３９】
次にケース３の本発明の場合を、図４（ａ）、図４（ｂ）を参照しながら説明する。本ケースの場合には、上述の従来のリーフシールの分割部近傍で発生している問題点に対して、分割部近傍の低圧側領域での低圧すきまを更に拡大して、押付力の低減を図った点が改善されている。具体的には、図４（ａ）に示すように、ステータ５の低圧側プレート１６に対向する面に環状凹部２２を設けて、低圧すきま（Ｙ１）の拡張を図っている。即ち、図４（ａ）に示すように、拡張後の低圧すきまをＹ２として、従来のリーフシール、言い換えれば、リーフシールの分割部近傍を除く周方向の他のシール部分におけるステータ内壁５ａと薄板縁部１２５の間の低圧すきまをＹ１とした場合、Ｙ２＞Ｙ１＞Ｘとなるように、ステータ内壁５に環状凹部２２を設けている。尚、図４（ａ）は、取付ピースを組み込む場合を表示していないが、取付ピース２１を組み込む場合には、ステータ５及びステータ内壁５ａを、夫々取付ピース２１及び取付ピース内壁２１ａと読み替えればよく、実質的な考え方は同じである。
【００４０】
このように、リーフシールの分割部近傍では、分割部近傍を除く周方向の低圧すきま（Ｙ１）より大きな低圧すきま（Ｙ２）を採用することにより、分割部断面から高圧すきま（Ｘ）を経由して流入した作動流体は、ほぼロータ軸線と平行な流れとなって、各薄板を流下して低圧側領域に抜けるので、薄板内部で下向きの流れがほとんど発生しない。即ち、図４（ａ）に示すように、作動流体の流線はロータ軸線に対して平行となる。次に、本ケースでの各薄板の上下面でのガス圧分布は、図４（ｂ）に示すように、ロータ軸線に直交する断面視で、ほぼ矩形形状の圧力分布を示す。つまり、作動流体の流線が平行流になるということは、各薄板のロータ軸線に垂直な任意の断面で見た場合、いずれのポイントでも高圧側プレート１５に面した薄板縁部１２４からの作動流体の圧力低下はほぼ同程度と考えられ、薄板の外周基端部１２２から内周自由端部１２３までほぼ一定の圧力分布を示していると言える。
【００４１】
つまり、リーフシールの分割部近傍では、作動流体の薄板上下面での流線がロータ軸線に対して平行流となるように低圧すきまを設定し、薄板の上面１２１ａ、下面１２１ｂに働くガス圧をＦａ、Ｆｂとすれば、Ｆａ、Ｆｂはともに、外周基端部１２２から内周自由端部１２３までほぼ同じ圧力であって、Ｆａ＝Ｆｂの関係が成立する。即ち、薄板１２１には、浮上力も生じないが、また押付力も発生しない。一方、ロータ４の回転数の増加とともに、内周自由端部１２３の下端には、回転に伴う作動流体の動圧が上向きにかかるので、この浮上力を受けて薄板１２１は若干浮き上がる。そのため、ロータ外周面４ａと内周自由端部１２３の間での接触抵抗は生ぜず、かつ摩擦抵抗も発生しない。
尚、分割部近傍を除くシール部分でのシール機構の動作、機能の考え方は、ケース１と同じと考えてよい。
【００４２】
リーフシールの分割部近傍で、このような効果を確実に発揮するためには、分割部近傍の低圧すきま（Ｙ２）の幅は、分割部近傍を除く周方向の低圧すきま（Ｙ１）の幅の少なくとも１．５倍以上であることが望ましい。尚、５倍以上の低圧すきまを設けると、作動流体の低圧すきまからのリーク量が増加するため、ランニングコスト上好ましくない。また、本実施の形態は、分割型リーフシールに係わるものであって、分割面はロータ軸線を含む平面内に設けてもよく、また分割面が該平面に対して傾斜角を有する場合であっても良い。また分割面は平面である必要はなく、曲面であってもよい。
【００４３】
次に、第２の実施の形態について、図５、図６により説明する。図５は、分割部のない一体型リーフシールからなる軸シール機構の外観構造図を示している。図５では、内部構造を示すため便宜的に分割断面を表示しているが、実際のリーフシールは一体に成形されていて分割部を有しない。また図６は、一体型リーフシールからなる軸シール機構をステータに取付ける構造を示している。軸シール機構１１が分割部を有せず一体に成形されている点が、第１の実施の形態と異なるが、他の構成は同じである。また前記軸シール機構をステータに取付ける構造についても、取付ピース２１に環状凹部２２を設けない点が、第１の実施の形態と異なるが、他の構成は同じである。従って、本実施の形態の詳細な構成の説明は省略する。
【００４４】
このような一体型のリーフシールからなる軸シール機構であれば、分割部がないため、分割部断面からの作動流体の洩れこみもなく、各薄板にかかるガス圧分布も安定しており、軸シール機構の全周に渡り、常に上向きの浮上力が働くことになる。そのため、薄板の内周自由端部とロータ外周面との接触抵抗もなく、摩擦抵抗も発生しないので、シールの磨耗を防止できる。更にステータに凹溝を設け、凹溝に軸シール機構を嵌挿し、その後残った隙間に取付ピースを嵌め込んで、軸シール機構のステータへの取付が出来るので、組付けが容易である。
【００４５】
次に、リーフシールからなる軸シール機構の製作方法について説明する。但し、この方法は一例であって、これに限定されるものではない。図７（ａ）に示すように、鋼板をＴ字状に打ち抜いた各薄板を多層かつ斜めに重ねて、外周基端部１２２を溶接にて接合する。具体的には、図７（ｂ）に示すように、各薄板１２１の幅広部である外周基端部１２２及び側端部１２７ａ、１２７ｂを溶接し、その後薄板保持リングに挿入し易いように、曲げを与える。次に、図１に示すように、各薄板の両側縁に設けられた一対の受溝１２６に、高圧側プレート１５及び低圧側プレート１６の頭部を挟み込み、更に一対の薄板保持リング１３ａ、１３ｂでスペーサ１７を介して薄板群１２を挟み込み、薄板保持リング１３ａ、１３ｂをスペーサ１７に溶接して、軸シール機構を完成させる。この方法によれば、高圧側プレート及び低圧側プレートともに、精度良く取付けられるので、高圧すきま、低圧すきまの調整が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の係わる分割型リーフシール及び該分割型リーフシールをステータに取付ける構造に関する構造断面図を示す。
【図２】従来のリーフシールの動作原理図を示す。
【図３】分割型リーフシールの分割部近傍での動作原理図を示す。
【図４】本発明に係わる分割型リーフシールの分割部近傍での動作原理図を示す。
【図５】本発明に係わる一体型リーフシールの外観構造図を示す。
【図６】本発明に係わる一体型リーフシールをステータに取付ける構造に関する構造断面図を示す。
【図７】本発明に係わるリーフシールの製作方法の説明図を示す。
【図８】ガスタービンの概略構造図を示す。
【図９】従来のリーフシールの構造断面図を示す。
【図１０】分割型リーフシールの分割部近傍の斜視図を示す。
【符号の説明】
【００４７】
１        圧縮機
２        燃焼器
３        タービン
４        ロータ
４ａ      ロータ外周面
５        ステータ
５ａ      ステータ内壁
６        静翼
７        動翼
８        環状空間
１１      軸シール機構（リーフシール）
１２      薄板群
１３ａ    薄板保持リング
１３ｂ    薄板保持リング
１４      リーフシールリング
１４ａ    分割シールリング
１４ｂ    分割シールリング
１５      高圧側プレート
１６      低圧側プレート
１７      スペーサ
１８      付勢材
１９      分割部
２１      取付ピース
２１ａ    取付ピース内壁
２２      環状凹部
２２ａ    環状凹部内壁
３１      凹溝
１２１    薄板
１２２    外周基端部
１２３    内周自由端部
１２４    薄板縁部
１２５    薄板縁部
１２６    受溝
１２７ａ  側端部
１２７ｂ  側端部
ｒ１      角部
ｒ２      角部
ｒ３      角部
ＰＤ      圧力分布
Ｘ        高圧すきま
Ｙ１      低圧すきま
Ｙ２      低圧すきま
【図１】
2006052765.tif 000003
【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６】
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【図７】
2006052765.tif 000009
【図８】
2006052765.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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