(57)【要約】【課題】  軸シール機構のシールセグメントの半径方向内周側への移動を円滑にする。【解決手段】  軸シール機構は、回転軸１の外側を環状に延びて複数個が相互に周方向に隣接して全体で円周を取り囲むように配置されたシールセグメント５と、シールセグメント５の内側に固定されて回転軸１に向かって突出して周方向に延びるシールフィン６と、隔壁に固定されて内部に高圧室２の流体が引き込まれる圧力室８を形成し、シールセグメント５の外周部が圧力室８に接するようにして、シールセグメント５が半径方向に移動できるようにシールセグメント５を保持する環状のシールリングホルダー４と、シールセグメント５を外周側に付勢する弾性部材９と、を有する。シールセグメント５は高圧室２と低圧室３の圧力差によって軸方向に押されて接触押圧面１０でシールリングホルダー４と接触しており、接触押圧面１０が低圧室３側に向かって径が小さくなるように傾斜している。【選択図】  図１
2006132691.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転機械内の軸方向に並んで配置された高圧室と低圧室を隔てる圧力隔壁を回転軸が貫通するその貫通部に配置される軸シール機構であって、
前記回転軸の外側を環状に延びて、複数個が相互に周方向に隙間をあけて隣接して、全体でほぼ円周を取り囲むように配置された複数のシールセグメントと、
前記シールセグメントそれぞれの内側に固定されて前記回転軸に向かって突出して周方向に延びるシールフィンと、
前記隔壁に固定されて内部に前記高圧室の流体が引き込まれるように構成された圧力室を形成し、前記複数のシールセグメントの外周部が前記圧力室に接するようにして、しかもそのシールセグメントが半径方向に移動できるようにシールセグメントを保持する環状のシールリングホルダーと、
前記シールセグメントを外周側に付勢する弾性部材と、
を有し、
前記シールセグメントは前記高圧室と低圧室の圧力差によって低圧室側に向けて軸方向に押されて接触押圧面で前記シールリングホルダーと接触しており、この接触押圧面が低圧室側に向かって径が小さくなるように傾斜していて、前記圧力室の圧力上昇によって前記シールセグメントが半径方向内側に押されて移動するとき、前記シールセグメントが前記接触押圧面に沿って低圧室側に向けて斜めに移動するように構成されていること、
を特徴とする軸シール機構。
【請求項２】
前記接触押圧面が、前記シールセグメントの半径方向外周側の背面と前記シールリングホルダー内面との接触部であること、を特徴とする請求項１に記載の軸シール機構。
【請求項３】
前記シールセグメントの前記接触押圧面に、周方向に延びて潤滑剤を保持できる少なくとも一つの周方向溝が形成されていること、を特徴とする請求項１または２に記載の軸シール機構。
【請求項４】
前記周方向溝は前記シールセグメントの周方向端部にまで延びていないこと、を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の軸シール機構。
【請求項５】
前記周方向溝は複数個が互いにほぼ平行に形成され、これらの周方向溝を互いに連絡する半径方向溝が前記シールセグメントの前記接触押圧面に形成されていること、を特徴とする請求項４に記載の軸シール機構。
【請求項６】
前記シールリングホルダーの前記接触押圧面に、周方向に延びて潤滑剤を保持できる少なくとも一つの周方向溝が形成されていること、を特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の軸シール機構。
【請求項７】
前記周方向溝は複数個が互いにほぼ平行に形成され、これらの周方向溝を互いに連絡する半径方向溝が前記シールリングホルダーの前記接触押圧面に形成されていること、を特徴とする請求項６に記載の軸シール機構。
【請求項８】
前記接触押圧面の軸方向に対する半径方向の傾斜率が、前記シールセグメントの移動範囲内で変化すること、を特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の軸シール機構。
【請求項９】
前記接触押圧面の軸方向に対する半径方向の傾斜率が、半径方向外周部に比べて内周部の方が大きいように、前記シールセグメントの移動範囲内で変化すること、を特徴とする請求項８に記載の軸シール機構。
【請求項１０】
前記接触押圧面の軸方向に対する半径方向の傾斜率が、前記シールセグメントの移動範囲内で滑らかに変化すること、を特徴とする請求項８または９に記載の軸シール機構。
【請求項１１】
回転軸方向に並んで高圧室および低圧室が形成され、これら高圧室および低圧室を互いに隔てる隔壁を回転軸が貫通する回転機械において、
前記圧力隔壁を回転軸が貫通するその貫通部に設けられた軸シール機構が、
前記回転軸の外側を環状に延びて、複数個が相互に周方向に隙間をあけて隣接して、全体でほぼ円周を取り囲むように配置された複数のシールセグメントと、
前記シールセグメントそれぞれの内側に固定されて前記回転軸に向かって突出して周方向に延びるシールフィンと、
前記隔壁に固定されて内部に前記高圧室の流体が引き込まれるように構成された圧力室を形成し、前記複数のシールセグメントの外周部が前記圧力室に接するようにして、しかもそのシールセグメントが半径方向に移動できるようにシールセグメントを保持する環状のシールリングホルダーと、
前記シールセグメントを外周側に付勢する弾性部材と、
を有し、
前記シールセグメントは前記高圧室と低圧室の圧力差によって低圧室側に向けて軸方向に押されて接触押圧面で前記シールリングホルダーと接触しており、この接触押圧面が低圧室側に向かって径が小さくなるように傾斜していて、前記圧力室の圧力上昇によって前記シールセグメントが半径方向内側に押されて移動するとき、前記シールセグメントが前記接触押圧面に沿って低圧室側に向けて斜めに移動するように構成されていること、
を特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、多段軸流ターボ機械などの回転機械の回転軸が圧力隔壁を貫通する部分の軸シール機構およびそのような軸シール機構を有する回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気タービン、ガスタービン、コンプレッサなどの多段軸流型ターボ機械は作動流体を密閉する圧力容器の内部に回転軸を有し、その回転軸は軸長手方向（軸方向）に隣接する圧力室を貫通しさらに圧力容器の殻を貫通し、発電機、ポンプ、電動機などと連結している。
【０００３】
したがって、回転軸が各圧力室、圧力容器を貫通する部分には内部の圧力を封止するための軸シール装置が配置されている。事業用の発電システム、大型の自家発電システム、大型の給水ポンプシステムに利用するターボ機械では、これらの軸シール装置にラビリンスシール装置を使用することが一般的である（特許文献１〜３参照）。
【０００４】
ラビリンスシール装置は、回転軸が圧力室を貫通する圧力隔壁の部分において、回転軸表面と対面した圧力隔壁に半径方向に一定のすきまを保持し狭窄部を形成する、シールフィンを圧力隔壁の貫通部内周面に回転軸を囲むように円周方向に一周分延在させて単数もしくは複数列配置する。これにより、高圧側の圧力室内の流体の低圧側への流出を妨げ高圧側の圧力室内部の圧力を保持する。
【０００５】
最も古くから使用されているものでは、回転軸とシールフィン先端で形成されるすきまは初期組立時に固定され、機械の運用中においてもシールフィンの位置は変化しない。
【０００６】
さらに、ラビリンスシールの原理を利用して、機械の運用中に能動的にシール部のすきまを変化させることができるシールすきま自動調整型軸シール装置（リトラクタブルシール装置）も知られている。この装置では、可動シールリング分割片（シールセグメント）の外周側背面と、シールセグメントを保持しているシールリングホルダーの内周面との間に圧力室を備える。この圧力室にシール部の上流側の高圧室の流体を引き込むことにより、流体の圧力でシールセグメントを半径方向内周側に押し出し、その内周側に固定されているシールフィンの先端と回転軸表面のすきまが変更されて狭くなり、シール部の漏洩量を減少させることができる。
【０００７】
シールセグメントの作動力となる上流側の流体の圧力は、ターボ機械の出力が高くなるに従って機械内部の作動流体の量が増加し、高くなる。そこでシールセグメントの初期位置をばねなどでシールリングホルダー内の可動範囲のもっとも外周側に押しておく。すなわち、ターボ機械の出力が低く、熱的に過渡状態で、回転速度変化中の回転軸の振れまわりが大きい起動、停止操作時において、シールセグメントは、各分割片の周方向端面に備えたコイルばねによって外周側へ押し付けられるようにしておき、回転軸とシールフィンの隙間を大きく確保する。これによりシールフィンと回転軸の接触、磨耗によるシールすきまの拡大を防ぎ、作動流体の漏洩損失の増加を防ぎ、経年的なターボ機械の熱消費効率低下を防止することができる。
【０００８】
一方、ターボ機械の負荷が高く、各部の熱膨張による変形が安定し、さらに回転軸の回転状態が安定した定常負荷運転時においては、シールセグメントの外周側背面に引き込んだシール部上流側の作動流体圧力が高くなり、シールセグメントが半径方向内周側に押し出され、自動的に回転軸とのすきまを小さく変化させることが可能である。
【０００９】
上述のような作用から、熱過渡状態ではシール部すきまを大きく保持することによって回転軸との接触によるシールフィンの磨耗を防止し、起動停止を繰り返すことによる経年的な軸シールすきまの増加を防ぎ、出力が高い定常状態においては、シール部すきまを小さくして、作動流体の漏洩量を減少させ、熱消費効率を向上させることが可能な軸シール装置である。
【特許文献１】特開２０００−９７３５０号公報
【特許文献２】特表２０００−１５４８７７号公報
【特許文献３】特開平１１−３０３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のリトラクタブルシール装置において、シールセグメントは、シールリングホルダーにより半径方向の位置を保持されていると同時に、回転軸に対して軸長手方向の位置も保持されており、シール部の高圧側と低圧側の差圧力によって、シールセグメントの軸方向位置の保持面（接触面、接触押圧面）は、シールリングホルダーの内面に接触している。このため運用に入ってから高圧側の圧力をシールセグメントの背面に受け、シールセグメントが半径方向の内周側へ移動するときに、軸方向位置接触面において摩擦を生じ、シールセグメント５の半径方向内周側への移動を妨げることがある。
【００１１】
また、前述接触面の表面の摩擦状態は、製作時の接触面の平面度の仕上がり状態あるいは経年的に表面に異物が付着するなどの状況によって変化するため、シールセグメント５が円滑に作動するように、接触面に潤滑剤を塗付するが、潤滑剤の流出あるいは劣化により長時間一定の潤滑状態を保持することはあまり期待できない。
【００１２】
ここで、従来のリトラクタブルシール装置の構造を図１８〜図２１を用いて説明する。図１８に示すように、回転軸１はターボ機械の高圧室２と低圧室３を仕切る圧力隔壁であるシールリングホルダー４を貫通している。シールリングホルダー４の内周面には可動シールリング分割片（シールセグメント）５を備え、シールセグメント５の内周側には、回転軸１の表面と向き合うように円周方向に延在するシールフィン６が軸方向に固定されている。シールフィン６は回転軸１の表面と一定のすきまCL1を保ち、狭窄部を形成して、高圧室２の流体が低圧室３へ流出することを防いでいる。
【００１３】
シールセグメント５は、高圧室２側から高圧室２と低圧室３の差圧力で軸方向へ押し付けられシール面（接触押圧面）７でシールリングホルダー４と接触し、軸方向の位置を保持されている。さらにシールセグメント５はその外周側背面とシールリングホルダー４の内周面との間に圧力室８を備える。この圧力室８に高圧室２側の流体を引き込むことによって、図１９に示すように、シールセグメント５を背面側から内周側へ押し出し、回転軸１とシールフィン６のすきまをCL2にせばめ、高圧室２から低圧室３への漏洩量を低減することができる。
【００１４】
さらに、図２０に示すように、回転軸１を取り巻くシールリングホルダー４の内周面に固定されるシールセグメント５は円周方向に複数に分割されており、各シールセグメント５の周方向端面に円周方向ばね９がその初期長さより圧縮された状態で備えられ、ばね力によってシールセグメント５は互いに接線方向に反発しあって外周側へ移動し保持されており、図１８に示すようにシール部すきまを広く保っている。
【００１５】
次に、圧力室８内部に高圧室２の流体が流れ込むとシールセグメント５を内周側へ押し付ける流体力が生じ、前述ばね力に打ち勝ち、シールセグメント５は半径方向内周側へ移動し、図１９に示すようにシール部すきまをせまくする。
【００１６】
図２１は、シールリングホルダー４とシールセグメント５の接触面７の部分に作用する力を説明する図である。シールセグメント５の背面側から作用しシールセグメント５を半径方向内周側へ移動させようとする流体力Fpはターボ機械の出力を上昇させることで大きくなり内周側へ移動し易くなる。しかし、同時にシール差圧力Ftも大きくなり、シールセグメント５はシールリングホルダー４との接触面に強く押し付けられ、接触面の摩擦係数αと差圧力Ftの積で表わされる摩擦力Ffがシールセグメント５の内周側への移動を妨げることになる。
【００１７】
したがって、シールセグメント５の作動力はFp−Ffとなり、作動のための流体力を大きくしようとしてシール部差圧を増加しても、接触面の摩擦も大きくなり、接触面の摩擦係数を決定する表面の状態によっては効果が出ないことがある。
【００１８】
本発明は上記課題を解決するものであって、本発明の目的は、軸シール機構のシールセグメントの半径方向内周側への作動力を大きくし、さらの軸方向位置接触面の摩擦を軽減し、シールセグメントの半径方向への移動を円滑にせしめ、シール部の確実なすきま調整行い、予定した漏洩損失の低減効果を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明に係る軸シール機構は、回転機械内の軸方向に並んで配置された高圧室と低圧室を隔てる圧力隔壁を回転軸が貫通するその貫通部に配置される軸シール機構であって、前記回転軸の外側を環状に延びて、複数個が相互に周方向に隙間をあけて隣接して、全体でほぼ円周を取り囲むように配置された複数のシールセグメントと、前記シールセグメントそれぞれの内側に固定されて前記回転軸に向かって突出して周方向に延びるシールフィンと、前記隔壁に固定されて内部に前記高圧室の流体が引き込まれるように構成された圧力室を形成し、前記複数のシールセグメントの外周部が前記圧力室に接するようにして、しかもそのシールセグメントが半径方向に移動できるようにシールセグメントを保持する環状のシールリングホルダーと、前記シールセグメントを外周側に付勢する弾性部材と、を有する。そして、前記シールセグメントは前記高圧室と低圧室の圧力差によって低圧室側に向けて軸方向に押されて接触押圧面で前記シールリングホルダーと接触しており、この接触押圧面が低圧室側に向かって径が小さくなるように傾斜していて、前記圧力室の圧力上昇によって前記シールセグメントが半径方向内側に押されて移動するとき、前記シールセグメントが前記接触押圧面に沿って低圧室側に向けて斜めに移動するように構成されている。
【００２０】
また、本発明に係る回転機械は、  回転軸方向に並んで高圧室および低圧室が形成され、これら高圧室および低圧室を互いに隔てる隔壁を回転軸が貫通する回転機械において、前記圧力隔壁を回転軸が貫通するその貫通部に設けられた軸シール機構が、前記回転軸の外側を環状に延びて、複数個が相互に周方向に隙間をあけて隣接して、全体でほぼ円周を取り囲むように配置された複数のシールセグメントと、前記シールセグメントそれぞれの内側に固定されて前記回転軸に向かって突出して周方向に延びるシールフィンと、前記隔壁に固定されて内部に前記高圧室の流体が引き込まれるように構成された圧力室を形成し、前記複数のシールセグメントの外周部が前記圧力室に接するようにして、しかもそのシールセグメントが半径方向に移動できるようにシールセグメントを保持する環状のシールリングホルダーと、前記シールセグメントを外周側に付勢する弾性部材と、を有する。そして、前記シールセグメントは前記高圧室と低圧室の圧力差によって低圧室側に向けて軸方向に押されて接触押圧面で前記シールリングホルダーと接触しており、この接触押圧面が低圧室側に向かって径が小さくなるように傾斜していて、前記圧力室の圧力上昇によって前記シールセグメントが半径方向内側に押されて移動するとき、前記シールセグメントが前記接触押圧面に沿って低圧室側に向けて斜めに移動するように構成されている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、シールセグメントとシールリングホルダーが接触する接触押圧面が軸方向に対して傾斜しているので、シールセグメントの背面から作用する流体力の一部が、接触押圧面に沿う作動力になると同時に、シールセグメントをシールリングホルダーの接触面から引き離す力になる。一方、シール部の差圧によって生ずる軸方向押付け力の一部は傾斜接触押圧面に沿うシールセグメント作動力になる。残りの一部はシールセグメントをシールリングホルダーの傾斜接触面に押し付ける力になる。このため、シールセグメントの作動力が増加し、同時に摺動面の摩擦力が軽減し、シールセグメントの移動が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る軸シール機構の実施形態を、図面を参照しながら説明する。ここで、前述の従来技術と、または互いに、同一もしくは類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２３】
［第１の実施形態］
図１および図２は本発明に係る軸シール機構の第１の実施形態の円周方向の任意の位置の断面図であって、図１は初期組立状態、図２は軸シールの作動状態を示す。図３は第１の実施形態の軸シールの作動状態における傾斜接触面（接触押圧面）に作用する力の説明図である。
【００２４】
図１に示すように、回転軸１は、ターボ機械の高圧室２と低圧室３を仕切る圧力隔壁であるシールリングホルダー４を貫通している。シールリングホルダー４の内周面にはシールセグメント５を備え、シールセグメント５の内周側には、回転軸１の表面と向き合うように円周方向に延在するシールフィン６が軸方向に単数あるいは複数（図示の例では複数）固定されている。シールフィン６の先端は回転軸１の表面と一定のすきまCL1を保ち、狭窄部を形成して、高圧室２の流体が低圧室３へ流出することを抑制している。
【００２５】
シールセグメント５は、高圧室側から高圧室２と低圧室３との差圧力で軸方向へ押し付けられ、傾斜接触面（接触押圧面）１０でシールリングホルダー４と接触し、軸方向の位置を保持されている。ここで傾斜接触面１０は低圧室３側へ向かって径が小さくなるような傾斜を備える接触面である。さらに、シールセグメント５はその外周側背面とシールリングホルダー４の内周面との間に圧力室８を備え、ここに高圧室２側の流体を引き込むことができる。これによって、図２に示すように、シールセグメント５を背面側から内周側へ押し出し、回転軸１とシールフィン６のすきまをCL2にせばめ、高圧室２から低圧室３への漏洩量を低減することができる。
【００２６】
シールセグメント５は従来のリトラクタブルシール装置の構造と同様に円周方向に分割されており、各シールセグメント５の周方向端面に圧縮された円周方向ばね９が備えられ、ばね力によって互いに接線方向に反発しあって外周側へ移動し、保持されている。
【００２７】
図３は、シールリングホルダー４とシールセグメント５の傾斜接触面１０の部分（図２中のＣ部分）に作用する力を説明する図で、シールセグメント５の背面側にかかる流体力Fpは接触面１０に沿う作動力Fpoと接触面に対して法線方向の接触面を引き離そうとする力Fprとなる。したがってターボ機械の出力を上昇させることで作動力は大きくなり、その一部は接触面１０に対する法線方向の押付け力を生ずるので、接触面１０の摩擦力Ffを低減する。
【００２８】
さらに、シール部の差圧力Ftは、接触面を押し付ける力Ftrを生ずると同時に、接触面に沿う作動力Ftoを生じる。したがって傾斜接触面の摩擦力Ffは（Ftr−Fpr）と摩擦係数αとの積で表される。また、作動力は流体力の一部にシール部差圧力の一部が加わることで、（Fto＋Fpo−Ff）となり、傾斜のない接触面をもつ構造より大きくなる。
【００２９】
このように、シールセグメント５とシールリングホルダー４の接触面１０が軸方向に傾斜していることにより、シールセグメント５の背面から作用する流体力の一部は、傾斜接触面１０に沿う作動力になると同時に、シールセグメント５をシールリングホルダー４の傾斜接触面１０から引き離す力になる。
【００３０】
一方、シール部の差圧によって生ずる軸方向押付け力の一部は、傾斜接触面１０に沿うシールセグメント５作動力になる。残りの一部は、シールセグメント５をシールリングホルダー４の傾斜接触面に押し付ける力になる。
【００３１】
この実施形態によれば、接触面がシール部差圧力に対して直角に配置する従来のリトラクタブルシール装置に比較し、シールセグメント５の作動力を増加させ、同時に摺動面の摩擦力を軽減するため、シールセグメント５の移動を容易にすることが可能である。
【００３２】
［第２の実施形態］
図４は本発明に係る軸シール機構の第２の実施形態の円周方向の任意の位置の断面図である。この実施形態では、シールセグメント５が摺動する傾斜接触面１０ａをシールセグメント５の半径方向外周側に備え、これに向かい合うシールリングホルダー４の内面の傾斜接触面と接触する。ただしシールセグメント５の外周側背面よりシールセグメント５を半径方向内周側へ押し出す流体力が作用するようにシールセグメント５の傾斜接触面１０ａの高圧室２側の一部はシールリングホルダー４内面の傾斜接触面に接触せず、圧力室８を形成する構造とする。
【００３３】
シールセグメント５の半径方向外周側背面の一部に傾斜接触面１０ａと圧力室８を備えることにより、シールセグメント５の背面の圧力室８に作用する流体力の一部は、傾斜接触面１０ａに沿う作動力になると同時に、シールセグメント５をシールリングホルダー４の傾斜接触面１０ａから引き離す力になる。
【００３４】
一方、シール部の差圧によって生ずる軸方向押付け力の一部は、傾斜接触面１０ａに沿うシールセグメント作動力に変換される。また一部はシールセグメント５をシールリングホルダー４の傾斜接触面に押し付ける力になる。
【００３５】
接触面がシール部差圧力に対して直角に配置する従来のリトラクタブルシール装置に比較し、シールセグメント５の作動力を増加させ、同時に摺動面の摩擦力を軽減するため、シールセグメント５の移動を容易にすることが可能である。傾斜接触面の配置が異なるが、第１の実施形態と同等の効果を得ることができる。
【００３６】
［第３の実施形態］
図５および図６は本発明に係る軸シール機構の第３の実施形態のシールセグメント５の形状を示すもので、図５はシールセグメント５の傾斜接触面の周方向断面図であり、図６はシールセグメント５の傾斜接触面の表面形状図である。この実施形態では、シールセグメント５の傾斜接触面（接触押圧面）１１の表面に単数または複数（図５、図６の例では３個）の溝１２を備える。溝は図６に示すようにシールグメントの傾斜接触面１１に円周方向に円弧形状になっている。また溝１２は、シールセグメント５の傾斜接触面の接触面を確保できるような幅を持つ。さらに傾斜接触面１１には潤滑剤を塗付している。
【００３７】
この実施形態によれば、傾斜接触面１１に備えた溝１２内に潤滑剤を保持することができ、シールセグメント５が半径方向に移動する際にシールセグメント５の溝１２内に保持された潤滑剤が、これと向き合うシールリングホルダー４の傾斜接触面に付着する。シールセグメント５の可動範囲で前述作用が得られ、シールリングホルダー４の傾斜接触面に潤滑剤が付着する。
【００３８】
このようにして、傾斜接触面内に潤滑剤を保持することが可能となり、シールセグメント５が作動するごとに潤滑剤が自動的に塗付され、傾斜接触面の潤滑状態を長期にわたり確保し、シールセグメント５の作動を円滑にできる。
【００３９】
［第４の実施形態］
図７は本発明に係る軸シール機構の第４の実施形態のシールセグメント５の傾斜接触面の表面形状図である。この実施形態では、シールセグメント５の傾斜接触面１１に単数または複数（図７の例では３個）の溝１２を備える。溝１２はシールグメントの傾斜接触面の表面に円周方向に円弧形状になっており、シールセグメント５の円周方向の端部１３の手前で止めてある。さらに傾斜接触面には潤滑剤を塗付している。
【００４０】
この実施形態によれば、傾斜接触面内に保持した潤滑剤をシールセグメント５の円周方向端部から漏らすことなく、長期間にわたり傾斜接触面内に保持する。このため、長期間にわたりシールセグメント５の作動を円滑に行うことが可能となる。
【００４１】
［第５の実施形態］
図８は本発明に係る軸シール機構の第５の実施形態のシールセグメント５の傾斜接触面の表面を示す図である。この実施形態では、シールセグメント５の傾斜接触面１１の表面に複数（図８の例では３個）の溝１２を備える。溝１２はシールセグメント５の傾斜接触面１１に円周方向に円弧形状になっており、シールセグメント５の円周方向の端部１３の手前で止めてある。さらに単数あるいは複数（図８の例では３個）の半径方向の溝１４が円周方向の溝１２と交差し、溝の経路が傾斜接触面内で閉塞している。また傾斜接触面には潤滑剤を塗付している。
【００４２】
傾斜接触面の円周方向の溝１２に保持された潤滑剤は、当該面内に半径方向の溝１４を伝って半径方向に異なる位置にある別の円周方向の溝１２に入ることが可能となり、当該面内のすべての溝に移動することができる。潤滑剤の塗付状態の偏りがあるような場合でも潤滑剤が溝の内部を移動して全体にいきわたる。このように、本実施形態によれば、初期組立時の潤滑剤の塗付状態に偏りがある場合においてもシールセグメント５の作動を円滑に行うことができる。
【００４３】
［第６の実施形態］
図９は本発明に係る軸シール機構の第６の実施形態のシールセグメント５の傾斜接触面の周方向断面図である。この実施形態では、シールリングホルダー４の傾斜接触面１５の表面に単数または複数（図９の例では３個）の溝１２ａを備える。溝１２ａはシールリングホルダー４の傾斜接触面１５の表面に円周方向に円弧形状になっている。また溝１２ａは、シールリングホルダー４の傾斜接触面の接触面を確保できるような幅を持つ。さらに傾斜接触面には潤滑剤を塗付している。
【００４４】
シールリングホルダー４側の傾斜接触面１５の溝１２ａ内に潤滑剤を保持することができ、シールセグメント５が半径方向に移動する際にシールリングホルダー４の溝１２ａ内に保持された潤滑剤が、これと向き合うシールセグメント５の傾斜接触面１１に付着する。シールセグメント５の可動範囲で前述作用が得られ、シールセグメント５の傾斜接触面１１に潤滑剤が付着する。
【００４５】
本実施形態によれば、潤滑剤を保持することが可能となり、シールセグメント５が作動するごとに潤滑剤が塗付され傾斜接触面の潤滑状態を長期にわたり確保し、シールセグメント５の作動を円滑にできる。これにより、第４の実施形態（図７）と同等の効果を得ることが可能である。
【００４６】
［第７の実施形態］
この実施形態は第６の実施形態（図９）の変形例であって、シールリングホルダー４の傾斜接触面に複数の溝１２ａを備え、溝１２ａはシールリングホルダー４の傾斜接触面の表面に円周方向に円弧形状に配置する。そして単数あるいは複数の半径方向の溝（図示せず）が円周方向の溝１２ａと交差し、溝の経路が傾斜接触面内で閉塞している。またそれぞれの溝は、シールリングホルダー４の傾斜接触面の接触面を確保できるような幅である。さらに傾斜接触面には潤滑剤を塗付している。
【００４７】
本実施の形態によれば、シールリングホルダー４側の傾斜接触面の溝１２ａ内に潤滑剤を保持することができ、半径方向の溝を伝って半径方向に異なる位置にある別の円周方向溝１２ａに入ることが可能となり、当該面内のすべての溝１２ａに移動することができる。潤滑剤の塗付状態の偏りがあるような場合でも潤滑剤が溝の内部を移動して全体にいきわたり、第５の実施形態（図８）と同等な作用を得る。このように、初期組立時の潤滑剤の塗付状態に偏りがある場合においてもシールセグメント５の作動を円滑に行うことができる。
【００４８】
上述の第３〜第５の実施形態（図５〜図８）ではシールリングホルダー４に溝を設けることとし、第６および第７の実施形態（図９）ではシールセグメント５に溝を設けることとしたが、シールリングホルダー４およびシールセグメント５の両方に溝を設けてもよいことはいうまでもない。
【００４９】
［第８の実施形態］
図１０〜図１２は本発明に係る軸シール機構の第８の実施形態の構成を示すもので、図１０は初期組立状態における円周方向の任意位置の断面図、図１１は作動状態における円周方向の任意位置の断面図であり、図１２はシールセグメントの傾斜接触面の周方向断面図である。
【００５０】
この実施形態では、図１０に示すように、回転軸１は、ターボ機械の高圧室２と低圧室３を仕切る圧力隔壁であるシールリングホルダー４を貫通している。シールリングホルダー４の内周面にはシールセグメント５を備え、シールセグメント５の内周側には、回転軸１の表面と向き合うように円周方向に延在するシールフィン６が軸方向に単数あるいは複数（図示の例では複数）固定されている。シールフィン６の先端は回転軸１の表面と一定のすきまCL1を保ち、狭窄部を形成して、高圧室２の流体が低圧室３へ流出することを抑制している。
【００５１】
初期組立状態においては、シールセグメント５は従来のリトラクタブルシール装置の構造と同様に円周方向に分割されており、各シールセグメント５の周方向端面に配置されて圧縮された円周方向ばね９のばね力によって互いに接線方向に反発しあって外周側へ移動し、保持されている。シールセグメント５はシールリングホルダー４と第１の傾斜接触面（接触押圧面）１６にて接触する。
【００５２】
シールセグメント５が、高圧室２側から高圧室２と低圧室３との差圧力により低圧室３に向けて軸方向へ押し付けられ、かつシールセグメント５の背面側に流体力を受けると、シールリングホルダー４の第１の傾斜接触面１６に沿って軸方向に低圧室３側へ移動しながら、内周側へ斜めに移動する。このときの軸方向と半径方向内周側への移動量の割合は、第１の傾斜接触面１６の傾斜率となる。
【００５３】
さらに流体力と差圧力が増加すると、図１１に示すように、シールセグメント５は軸方向の低圧室３側へ移動し、第２の傾斜接触面（接触押圧面）１７でシールリングホルダー４と接触し、この第２の傾斜接触面１７に沿って、軸方向と半径方向内周側へ斜めに移動する。ターボ機械の定常状態においては、回転軸１とシールフィン６のすきまをCL2にせばめ、高圧室２から低圧室３への漏洩量を低減することができる。このときシールセグメント５の軸方向の位置は初期組立状態よりＺ２だけ低圧室３側へ移動している。
【００５４】
図１２に示すようにシールリングホルダー４とシールセグメント５の傾斜接触面１６、１７の傾斜率が異なり、図示の例では、第１の傾斜接触面１６の傾斜率の方が第２の傾斜接触面１７の傾斜率よりも小さい。
【００５５】
ターボ機械の運用を開始し、シール部に差圧力が発生し始めると、シールセグメント５はシールリングホルダー４と第１の傾斜接触面１６で接触し、半径方向の作動力と軸方向の押付け力に応じ、第１の傾斜接触面１６の傾斜率で、軸方向と半径方向内周側に同時に移動する。
【００５６】
さらにターボ機械の出力を上昇させシール部の差圧力が上昇すると、シールセグメント５は第１の傾斜接触面１６の最も低圧室３側まで移動し、第２の傾斜接触面１７で接触するようになる。さらに出力の上昇によりシール部差圧力が上昇するとシールセグメント５は第２の傾斜接触面１７の傾斜率で軸方向と半径方向に移動することが可能である。
【００５７】
この実施形態では、傾斜接触面に２種類の傾斜率を持つことで、作動途中でシールセグメント５の半径方向と軸方向の移動量の割合を変えることが可能となり、ターボ機械の回転軸１と静止部の熱膨張特性に合わせた軸方向のシール部位置とシール部すきまを得ることができる。
【００５８】
［第９の実施形態］
図１３は本発明に係る軸シール機構の第９の実施形態のシールセグメント５の傾斜接触面周方向の断面図である。この実施形態では、第８の実施形態と同様に、第１の傾斜接触面１６と第２の傾斜接触面１７の傾斜率が異なる。ただし本実施形態では、第１の傾斜接触面１６と第２の傾斜接触面１７が接する角部で二つの面が軸方向に円弧で接続されている。
【００５９】
傾斜接触面の傾斜率が変化する箇所を軸方向に円弧でつなぐことにより、シールセグメント５とシールリングホルダー４が摺動する面に角部がなくなり摺動がなめらかになる。そのため、傾斜接触面の傾斜率が変化する箇所をシールセグメント５が通過する際に、角部で引っかかることなく、シールすきまを円滑かつ確実に変更可能となる。
【００６０】
［第１０の実施形態］
次に、図１４〜図１７を用いて、本発明に係る軸シール機構の第１０の実施形態を説明する。図１４はタービン起動時の過渡状態における典型的な回転数、出力および伸び差の変化を示すグラフ、図１５は本発明に係る軸シール機構の第１０の実施形態の典型的なシール部差圧とシールセグメントの移動量の関係を示すグラフである。また、図１６および図１７は第１０の実施形態の軸シール機構の円周方向の任意の位置の断面図であって、図１６は初期組立状態、図１７は作動状態を示す。
【００６１】
一般に発電用の蒸気タービンなどの大型の多段軸流ターボ機械では、回転軸１およびそれを取り囲む圧力室８あるいは圧力容器などの静止構造が軸方向に長い形状となる。またこれらのターボ機械は運用時において機械本体の温度が室温より高くなることが一般的で、構成部材の熱膨張による軸長手方向の伸びは避けられない。さらに回転軸１とこれを取り囲む静止構造は形状の差あるいは材質の差、温度分布の差などから伸び量の差（伸び差）が生じる。これらはあらかじめ設計段階で考慮され、できるだけ伸び差が生じない位置に回転軸１と静止構造の熱膨張の基点を決めているが、一般的には全くなくすことはできない。
【００６２】
たとえば図１４に、大型蒸気タービンの起動時における高圧タービンセクションの回転軸１と静止構造の伸び差とタービン出力の時間変化の状況を示すが、起動してから３０％程度出力を上昇するまでの熱過渡状態であるＡの範囲では、伸び差が０から１０ｍｍ程度まで変化しており、それ以降の熱定常状態であるＢの範囲では伸び差の変化はあまりない。
【００６３】
ここで熱過渡状態であるＡの範囲では、伸び差の変化率が大きいため、回転軸１と静止構造側の両方に凹凸のラビリンスフィンを備えた食い違い型軸シールを使用する場合は、軸方向の接触を考慮して凹凸の軸方向間隔を広くするなどのシール性能に不利な形状を取らざるを得ない。
【００６４】
さらにＡの範囲では静止構造の半径方向の熱膨張による変形も生じており、回転軸１が圧力室８を貫通する軸シール装置のシールすきまを広く保持し、接触によるシール装置の磨耗を防ぎたい範囲である。
【００６５】
逆にＢの範囲では熱膨張による熱変形は定常状態になっているため、回転軸１と静止構造の相対位置の変化は少ない。そのため、できるだけ軸シール装置のシールすきまを狭くして、漏洩損失を低減させたい範囲である。
【００６６】
したがって軸シール装置のシールフィン６を固定しているシールセグメント５の軸方向および半径方向内周側への移動量をシール部差圧力に対して図１５のように変化させることができれば、起動時の熱変形に合わせ、シールフィン６を接触させることなくシールすきまを変更することができる。
【００６７】
図１６に示すように、食い違い型シールフィン１８を備えた回転軸１はターボ機械の高圧室２と低圧室３を仕切る圧力隔壁であるシールリングホルダー４を貫通している。シールリングホルダー４の内周面にはシールセグメント５を備え、シールセグメント５の内周側には、回転軸１の表面と向き合うように円周方向に延在する食い違い型のシールフィン６が軸方向に単数あるいは複数（図示の例では複数）固定され、回転軸１の表面と一定のすきまCL1を保ち、狭窄部を形成して、高圧室２の流体が低圧室３へ流出することを防いでいる。
【００６８】
初期組立状態においては、シールセグメント５は、従来のリトラクタブルシール装置の構造と同様に円周方向に分割されており、各シールセグメント５の周方向端面に配置された円周方向ばね９のばね力によって外周側へ移動し、保持されている。このとき、シールセグメント５はシールリングホルダー４と第１の傾斜接触面１６にて接触する。
【００６９】
タービンを起動し出力が３０％に達するまでは、シールセグメント５が、高圧室２側から高圧室２と低圧室３との差圧力で軸方向へ押し付けられ、かつシールセグメント５の背面側に流体力を受け、シールリングホルダー４の第１の傾斜接触面１６に沿いながら軸方向に低圧室３側へ移動し、半径方向内周側へ移動をする。軸方向の移動量に対する半径方向内周側への移動量の割合は第１の傾斜接触面１６の傾斜率である。第１の傾斜接触面１６では傾斜率を０．２〜０．５にしておく。
【００７０】
タービン出力が上昇し３０％に達すると、図１７に示すように、シールセグメント５は軸方向の低圧室３側へＺ２移動し、第２の傾斜接触面１７でシールリングホルダー４と接触する。このとき回転軸１も軸方向にＺ２移動しているため、食い違い型のシールフィン６が回転軸１のシールフィン１８に接触することはない。
【００７１】
さらにタービン出力を上昇し３０％を超え、流体力と差圧力が増加すると、シールセグメント５は軸方向の低圧室３側へ移動し、第２の傾斜接触面１７でシールリングホルダー４と接触し、この傾斜面に沿って、軸方向と半径方向内周側へ移動する。このときの軸方向の移動量に対する半径方向内周側への移動量の割合である第２の傾斜接触面１７の傾斜率は、第１の傾斜接触面１６の傾斜率よりも大きく、例えば１．０程度にしておく。ターボ機械の定常状態においては、回転軸１とシールフィン６のすきまをCL2にせばめ、高圧室２から低圧室３への漏洩量を低減することができる。
【００７２】
ここで、第２の傾斜接触面１７の傾斜率を第１の傾斜接触面１６の傾斜率よりも大きくする理由は、図１４に示すように、定常状態（第２の傾斜接触面１７で接触押圧されているとき、図１４のＢの範囲）の方が、熱過渡状態（第１の傾斜接触面１６で接触押圧されているとき、図１４のＡの範囲）に比べて、軸方向の移動距離を少なくして半径方向の移動量を多く取ることが望まれるからである。
【００７３】
大型蒸気タービンの高圧タービンセクションの起動時における回転軸１と静止部の軸方向への熱膨張特性に合わせた傾斜接触面の傾斜率を持つシールセグメント５を備えることにより、作動中において回転軸１の表面とこれに対面するシールセグメント５に固定されたシールフィン６からなるシール部の軸方向の相対位置を変えることなくシール部の半径すきまのみを変更できる。
【００７４】
本実施形態によれば、食い違い型軸シールにおいて、ターボ機械の熱膨張によってシールフィン６と回転軸１の表面の軸方向の接触を防止しつつ、半径方向のシール部すきまを変化させることが可能となり、シール部の漏洩量を低減できる。
【００７５】
以上説明した第３〜第１０の実施形態（図５〜図１７）では第１の実施形態（図１〜図３）と同様にシールセグメント５とシールリングホルダー４が接触する傾斜接触面（接触押圧面）がシールセグメント５の内面の低圧室３寄りの位置であるとした。しかし、第３より第１０の実施形態における傾斜接触面（接触押圧面）を、第２の実施形態（図４）と同様にシールセグメント５の外周側としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る軸シール機構の第１の実施形態の初期組立状態における円周方向の任意の位置の断面図。
【図２】本発明に係る軸シール機構の第１の実施形態の作動状態における円周方向の任意の位置の断面図。
【図３】図２のＣ部を拡大して模式的に示す断面図であって、本発明に係る軸シール機構の第１の実施形態の作動状態における傾斜接触面に作用する力の説明図。
【図４】本発明に係る軸シール機構の第２の実施形態の円周方向の任意の位置の断面図。
【図５】本発明に係る軸シール機構の第３の実施形態の傾斜接触面の円周方向の任意の位置の断面図。
【図６】本発明に係る軸シール機構の第３の実施形態のシールセグメントの傾斜接触面の表面形状を示す正面図。
【図７】本発明に係る軸シール機構の第４の実施形態のシールセグメントの傾斜接触面の表面形状を示す正面図。
【図８】本発明に係る軸シール機構の第５の実施形態のシールセグメントの傾斜接触面の表面形状を示す正面図。
【図９】本発明に係る軸シール機構の第６の実施形態の傾斜接触面の円周方向の任意の位置の断面図。
【図１０】本発明に係る軸シール機構の第８の実施形態の初期組立状態における円周方向の任意の位置の断面図。
【図１１】本発明に係る軸シール機構の第８の実施形態の作動状態における円周方向の任意の位置の断面図。
【図１２】本発明に係る軸シール機構の第８の実施形態の作動状態における傾斜接触面の円周方向の任意の位置の断面図。
【図１３】本発明第９の実施形態の作動状態における傾斜接触面の円周方向の任意の位置の断面図。
【図１４】タービン起動時の過渡状態における典型的な回転数、負荷および伸び差の変化を示すグラフ。
【図１５】本発明に係る軸シール機構の第１０の実施形態の典型的なシール部差圧とシールセグメントの移動量の関係を示すグラフ。
【図１６】本発明に係る軸シール機構の第１０の実施形態の初期組立状態における円周方向の任意の位置の断面図。
【図１７】本発明に係る軸シール機構の第１０の実施形態の作動状態における円周方向の任意の位置の断面図。
【図１８】従来のリトラクタブル軸シール機構の初期組立状態を示す円周方向の任意の位置の断面図。
【図１９】従来のリトラクタブル軸シール機構の作動状態を示す円周方向の任意の位置の断面図。
【図２０】従来のリトラクタブル軸シール機構の軸方向全体断面図
【図２１】図１９のＤ部を拡大して模式的に示す断面図であって、従来のリトラクタブル軸シール機構のシールセグメントの接触面に作用する力の説明図。
【符号の説明】
【００７７】
１…回転軸
２…高圧室
３…低圧室
４…シールリングホルダー
５…シールセグメント
６…シールフィン
７…接触面
８…圧力室
９…ばね（弾性部材）
１０，１０ａ…傾斜接触面（接触押圧面）
１１…シールセグメントの傾斜接触面（接触押圧面）
１２…シールセグメントの傾斜接触面に設けられた円周方向の溝
１２ａ…シールリングホルダーの傾斜接触面に設けられた円周方向の溝
１３…シールセグメントの円周方向端部
１４…半径方向の溝
１５…シールリングホルダーの傾斜接触面（接触押圧面）
１６…第１の傾斜接触面（接触押圧面）
１７…第２の傾斜接触面（接触押圧面）
１８…回転軸のシールフィン
【図１】
2006132691.tif 000003
【図２】
2006132691.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006132691.tif 000007
【図６】
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【図７】
2006132691.tif 000009
【図８】
2006132691.tif 000010
【図９】
2006132691.tif 000011
【図１０】
2006132691.tif 000012
【図１１】
2006132691.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2006132691.tif 000015
【図１４】
2006132691.tif 000016
【図１５】
2006132691.tif 000017
【図１６】
2006132691.tif 000018
【図１７】
2006132691.tif 000019
【図１８】
2006132691.tif 000020
【図１９】
2006132691.tif 000021
【図２０】
2006132691.tif 000022
【図２１】
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