(57)【要約】  【課題】  回転軸の相対的な偏芯が過大に生じても、作動流体の漏れ量を抑えることができるリーフシールを採用した軸シール機構を提供する。  【解決手段】  リーフシール２０の構成要素である高圧側側板２４は、薄板群の各薄板２１へ向けて順に第２の環状板３２と第１の環状板３１が積み重ねられて成る。第１の環状板３１は、その内径が第２の環状板３２の内径よりも大きく、各薄板２１の高圧側である一側に当接する。第２の環状板３２の内周縁部には、各薄板２１の高圧側である一側に当接する突条３８が設けられている。【選択図】      図１
2006112491.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構であって、
前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して取り付けた軸シール機構において、
前記高圧側側板は前記薄板群に近いほど各々の内径が大きい複数の環状板が積み重ねられて成り、これらの各環状板のうちで前記薄板群に最も近い環状板以外の環状板は、その内周縁部から前記薄板群へ向けて突出して前記薄板群の前記一側に当接する突条を有することを特徴とする軸シール機構。
【請求項２】
前記突条とこれを有する前記環状板とが一体成形品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】
回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構であって、
前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して取り付けた軸シール機構において、
前記高圧側側板における鉛直方向での下半分の内周が鉛直方向下方へ偏芯されたことを特徴とする軸シール機構。
【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、ポンプ等の大型流体機械の回転軸に対しての軸シール機構に関し、特に、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービンや蒸気タービン等の大型流体機械においては、圧縮空気や燃焼ガスや蒸気等の作動流体（以下、単に「ガス」と記すことがある）を本質的に流動させる主流路以外に、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材（例えば静翼の内周端を保持する環状部材）の内周面との間に環状の隙間が形成されるのは避けられない。その隙間に対して何ら工夫を施さなければ、その隙間を通じてガスが高圧側から低圧側へ向けて不用意に漏れ、結果として流体機械の効率が低下してしまう。従って、その隙間を通じたガスの漏れを最小限に抑えることは極めて重要であり、これを実現すべく、その隙間に軸シール機構が適用される。
【０００３】
軸シール機構としては、従来一般には、静止部材の内周面から複数のフィンが突出して成る非接触型のいわゆるラビリンスシールが幅広く用いられる。しかし、ラビリンスシールでは、回転過渡期の軸振動や熱過渡的な熱変形時にもフィン先端が回転軸の周面に接触しないように構成する必要があるため、回転軸の周面とフィン先端との隙間をある程度確保しなければならず、その結果、ガスの漏れを大きく抑えることができないという問題がある。
【０００４】
一方近年では、ガスの漏れ量を格段に低減できる軸シール機構として、回転軸の軸方向に一定幅を有する平板状の薄板を回転軸の周方向に多重に配置した構造となるいわゆるリーフシールがある（例えば特許文献１参照）。以下、このリーフシールの詳細構成について、図１０〜図１７を参照しながら説明していく。なお、ここではリーフシールが適用される大型流体機械として、その代表格であるガスタービンを一例に挙げて説明する。
【０００５】
図１０に示すガスタービンＧｔは、多量の空気を内部に取り込んで圧縮する圧縮機１と、圧縮機１にて圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器２と、燃焼器２で発生した高温高圧の燃焼ガスが内部に導入されこの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３と、タービン３の回転エネルギーを直接受けてその一部を圧縮機１の動力として伝達する回転軸４と、を有している。
【０００６】
タービン３では、回転軸４に軸方向で複数段設けられた複数の動翼１０が、吹き付けられた燃焼ガスの圧力を受けることで回転軸４と共に回転する。こうして、燃焼ガスの熱エネルギーを回転軸４の回転という機械的な回転エネルギーに変換して動力が発生する。回転軸４に与えられた回転エネルギーは軸端から取り出されて発電に利用される。また、タービン３には、回転軸４側の動翼１０の他に、タービン３のケーシング９側に複数の静翼１１が設けられていて、これら動翼１０と静翼１１とが、回転軸４の軸方向に交互に配置される。そして、回転軸４と静翼１１（実際には、静翼１１の内周端を保持する環状の静止部材）との間には、その隙間を通じて高圧側から低圧側へ漏れる燃焼ガスの漏れ量を低減するための軸シール機構として、リーフシール２０が設けられる。
【０００７】
また、圧縮機１は回転軸４にてタービン３と同軸につながれており、タービン３での回転軸４の回転を利用して、外気を吸引するとともに圧縮してこの圧縮空気を燃焼機２に供給する。圧縮機１でもタービン３と同様に、回転軸４に複数の動翼６と、圧縮機１のケーシング５側に複数の静翼７とが設けられており、動翼６と静翼７とが回転軸４の軸方向に交互に配置される。そして、回転軸４と静翼７（ここでも実際には、静翼７の内周端を保持する環状の静止部材）との間には、その隙間を通じて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機構として、リーフシール２０が設けられる。
【０００８】
更に、圧縮機１のケーシング５が回転軸４を支持する軸受け部８や、タービン３のケーシング９が回転軸４を支持する軸受け部１２においても、その隙間を通じて高圧側から低圧側に圧縮空気や燃焼ガスが漏れるのを防止するための軸シール機構として、リーフシール２０が設けられる。
【０００９】
続いて図１１及び図１２に示すように、リーフシール２０は、静翼７，１１及び軸受け部８，１２（図１０参照）に相当する静止部材であるステータ６０に挿入されて、回転軸４の周面とステータ６０の内周面との隙間の環状空間におけるガスの漏れを防ぐための軸シール機構として設置される。このリーフシール２０は、回転軸４の周方向に互いに微小隙間を隔てて多重に積み重ねられた複数の薄板２１より成る環状の薄板群と（図１３（ａ）参照）、この薄板群を薄板２１の外周基端側において軸方向での両側から挟持する各々コの字型のリテーナ２２，２３と、薄板群における高圧側（ガス圧が高い側）に位置する一側と一方のリテーナ２２とで挟み込まれて薄板群のその一側に接触する分割環状の高圧側側板２４と、薄板群における低圧側（ガス圧が低い側）に位置する他側と他方のリテーナ２３とで挟み込まれて薄板群のその他側に接触する分割環状の低圧側側板２５と、リテーナ２２，２３同士を薄板２１の外周側で接続する接続部材２６と、リテーナ２２，２３で狭持された各薄板２１のがたつきを抑制するスペーサ２７と、リテーナ２２，２３で狭持された薄板群が回転軸４に対して一定位置となるように付勢力を与える板バネ２８と、を備える。
【００１０】
薄板群の構成要素である各薄板２１は、図１２に示すように、外周側基端における回転軸４の軸方向での幅が内周端側の幅に比べて広い略Ｔ字型の薄い鋼板によって構成され、その両側には、その幅の段差部分において切欠き部２１ａ，２１ｂが設けられる。ここで、各薄板２１は、圧延成形された厚さ０．１ｍｍ程度の鋼板（例えばステンレス、インコネル、ハステロイ等の金属鋼板）を素材とし、これをプレス等によって型抜きすることで先ずは一定厚さの所定形状（Ｔ字型）に成形される。そして、図１４に示すように、この薄板２１の外周側基端部をそのまま残しつつ内周端側の片面のみ（図１４の網掛け部分２１ｄに相当）をエッチングして取り除くことで、その厚みに段差が形成される。但し、こうしたＴ字型の輪郭形成と段差形成とをエッチングによって同時に成形することも可能である。
【００１１】
このような薄板２１を回転軸４の軸方向に同一の幅となるように重ねるとともに、図１３（ｂ）に示すように、その外周基端及び外周基端側となる幅広部分の側面に溶接Ｗｄを施して固定し、これにより薄板群が形成される。また、各薄板２１はエッチングされた内周端側の板厚ｔで決まる所定の剛性を回転軸４の周方向に持つように設計されるとともに、回転軸４の回転方向に対して回転軸４の周面となす角θが鋭角となるようにリテーナ２２，２３で保持される。なお、薄板群においては、各薄板２１のエッチングにて取り除かれる部分２１ｄの深さｃが、薄板２１同士の微小隙間となる。
【００１２】
高圧側側板２４及び低圧側側板２５には、それぞれの外周縁部において、回転軸４の軸方向に突出する突起２４ａ，２５ａが設けられており、この突起２４ａ，２５ａは、薄板群の切欠き部２１ａ，２１ｂにそれぞれ嵌め込まれる。また、高圧側に位置するリテーナ２２は、薄板群における外周基端側の高圧側である一側に対向する面に凹溝２２ａを備え、他方の低圧側に位置するリテーナ２３は、薄板群における外周基端側の低圧側である他側に対向する面に凹溝２３ａを備える。そして、切欠き部２１ａ，２１ｂに高圧側側板２４及び低圧側側板２５それぞれの突起２４ａ，２５ａが嵌め込まれた薄板群は、その外周基端側の高圧側である一側がリテーナ２２の凹溝２２ａに嵌め込まれるとともに、その外周基端側の低圧側である他側がリテーナ２３の凹溝２３ａに嵌め込まれる。
【００１３】
ここで、高圧側側板２４は、その内径が回転軸の径よりも若干量大きく、低圧側側板２５は、その内径が高圧側側板２４の内径よりも所定量大きくなっている。従って、薄板群における各薄板２１の内周端部は、高圧側である一側よりも低圧側である他側の方が軸方向での表出域がはるかに大きくなる。
【００１４】
薄板群の外周基端側が嵌め込まれたリテーナ２２，２３の間には、接続部材２６が挿入されるとともに、この接続部材２６がリテーナ２２，２３と溶接されることで、リテーナ２２，２３が固定される。薄板群の外周基端とリテーナ２２，２３との間には、両者の隙間を埋めるスペーサ２７が挿入される。更に、スペーサ２７が挿入されたリテーナ２２，２３の外周側には凹溝２２ｂ，２３ｂが設けられていて、この凹溝２２ｂ，２３ｂによって形成される１つの凹溝に板バネ２８が嵌め込まれ、これにより板バネ２８がリテーナ２２，２３の外周側に固定される。
【００１５】
このような構成のリーフシール２０は、図１２に示すように、分割環状の取付け用ピース６２と一体で、ステータ６０側の内周壁面に周方向に沿って形成された環状の取付け用凹溝６１に、リテーナ２２，２３側から周方向に沿って嵌め込まれる。ここで、凹溝６１は、回転軸４の軸方向において、底となる外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、薄板群の高圧側である一側と対向する側面に段差が設けられた形状とし、この段差の外周側の面６１ａが、リーフシール２０のリテーナ２２の内周面と摺接する摺接面となる。更に、凹溝６１の底である外周面６１ｂが、リーフシール２０の外周側に設けられる板バネ２８と摺接する摺接面となる。また、凹溝６１の内周側の幅は、回転軸４の軸方向の幅において、リーフシール２０の幅よりも十分に広くなるように形成される。
【００１６】
一方、取付け用ピース６２は、回転軸４の軸方向において、図１２に示すように、外周側の幅が内周側の幅よりも狭くなるように、薄板群の低圧側である他側と対向する側面に段差が設けられた形状とし、この段差の外周側の面６２ａが、リーフシール２０のリテーナ２３の内周面と摺接する摺接面となる。更に、この取付け用ピース６２は、回転軸４の軸方向での幅の広い内周側の部分において、薄板群の低圧側である他側と対向する側面６２ｂが、低圧側側板２５と当接する受圧面となる。なお、この取付け用ピース６２の内周面の一部を突出させた形状とすることで、ラビリンスシール６２ｄを具備する。つまり、リーフシール２０の下流側に取付け用ピース６２が設置され、これにより、リーフシール２０よりも下流において、ガスの漏れ量を更に低減させるラビリンスシール６２ｄが設置されることとなる。
【００１７】
このように、リーフシール２０は、取付け用ピース６２と共に、ステータ６０の凹溝６１に対しその外周基端側で保持されることとなる。つまり、リテーナ２２，２３それぞれの内周面が、凹溝６１の摺接面６１ａ及び取付け用ピース６２の摺接面６２ａと摺接するとともに、リテーナ２２，２３の外周側に固定された板バネ２８が凹溝６１の摺接面６１ｂと摺接することで、リーフシール２０がステータ６０に対して嵌め込まれた状態で維持される。ちなみに、取付け用ピース６２を用いてリーフシール２０がステータ６０の凹溝６１に嵌め込まれるため、その組み付け作業を容易に行うことができる。
【００１８】
このとき、リーフシール２０は、凹溝６１内に対して、回転軸４の軸方向に若干の相対移動が可能である。そのため、高圧側領域から低圧側領域に向かってガスが流れるとき、そのガス圧がリーフシール２０の各薄板２１に作用するため、リーフシール２０が低圧側領域に向かって移動し、後述するように、低圧側側板２５が取付け用ピース６２の受圧面６２ｂと当接するようになる。
【００１９】
引き続き、このように構成されるリーフシール２０の作用について説明する。図１５（ａ）に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かうガス圧が各薄板２１に加わった場合に、各薄板２１に対して、内周端側で且つ最も高圧側領域に位置する角部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分布７０ａが形成される。なお、図１２では各薄板２１をＴ字型形状としているが、図１１や図１５では、便宜上、撓みを生じる長方形部分のみを図示している。
【００２０】
また、図１５（ｂ）に示す回転軸４の周方向に沿った断面図のように、各薄板２１の回転軸４に面した面を下面２１ｑとするとともに、その裏側を上面２１ｐとする。そして、各薄板２１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１５（ａ）のようなガス圧分布７０ａが形成されるとき、各薄板２１の断面に沿った任意位置における上面２１ｐに加わるガス圧よりも下面２１ｑ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。
【００２１】
このとき、高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるガスｇは、高圧側側板２４と回転軸４の周面との間から流入する。そして、ガスｇは、図１５（ａ）のように、回転軸４の周面と薄板２１の内周端との間を流れるとともに、互いに隣接する各薄板２１の上面２１ｐ及び下面２１ｑとの隙間に沿って、角部ｒ１から角部ｒ２の方向へ放射状に流れる。このようにガスｇが流れることで、各薄板２１の外周基端に向かって低圧の領域が広がる。そのため、図１５（ｂ）に示すように、各薄板２１の上面２１ｐ及び下面２１ｑに垂直に加わるガス圧分布７０ｂ，７０ｃは、各薄板２１の内周端部分に近いほど大きくなるとともに各薄板２１の外周基端に向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
【００２２】
この上面２１ｐ及び下面２１ｑそれぞれにおけるガス圧力分布７０ｂ，７０ｃは、略等しい形状となるが、回転軸４の周面に対する角度θが鋭角となるように各薄板２１が配置されているので、これら上面２１ｐ及び下面２１ｑにおける各ガス圧分布７０ｂ，７０ｃの相対位置が薄板２１に対してずれる。これにより、薄板２１の外周基端側から内周端側に向かう任意の点Ｐにおける上面２１ｐ及び下面２１ｑのガス圧に差が生じる。こうして、各薄板２１において、下面２１ｑに加わるガス圧が上面２１ｐに加わるガス圧よりも高くなることから、回転軸４の周面と薄板２１の内周端との間を流れるガスのガス圧が、各薄板２１の内周端を回転軸４より浮かせる方向に発生する。
【００２３】
このように、各薄板２１の上面２１ｐ及び下面２１ｑ間に圧力差を生じさせることで、各薄板２１の内周端が回転軸４の周面より浮くように変形する。つまり、回転軸４の回転停止時には薄板２１の内周端は所定の予圧で回転軸４の周面に接触しているが（図１３（ａ）参照）、回転軸４の回転時には回転軸４が回転することで生じる動圧効果によって薄板２１の内周端が浮上するため、薄板２１と回転軸４の周面が非接触状態となる（図１３（ｃ）参照）。こうして、リーフシール２０は、回転軸４の周囲の空間を高圧側領域と低圧側領域とに分け、回転軸４の外周をシールする。
【００２４】
その際、このようにガスｇが高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるため、薄板群に対して、図１６（ａ）に示すように、高圧側領域から低圧側領域に向かって流体力Ｆが作用する。この流体力Ｆを薄板群が受けることで、リーフシール２０が高圧側領域から低圧側領域に向かって移動する。そして、図１６（ｂ）に示すように、低圧側側板２５が取付け用ピース６２の受圧面６２ｂに当接することで、リーフシール２０の位置が規制され、このとき、薄板群における低圧側である他側と取付け用ピース６２の受圧面６２ｂとの距離が、低圧側側板２５の厚さと等しくなる。
【００２５】
これは、低圧側側板２５の内径が薄板群の内径よりも大きいため、薄板群における各薄板２１の内周端側において、低圧側側板２５と当接しない表出域が存在することになるからであり、その結果として、薄板群における各薄板２１の内周端側において、低圧側である他側と取付け用ピース６２の受圧面６２ｂとの間に、低圧側側板２５の厚さと等しい隙間を確保できるわけである。一方、高圧側側板２４の内径が低圧側側板２５の内径よりも小さいことから、結果として、薄板群における各薄板２１の内周端側において、高圧側での表出域が低圧側での表出域よりも小さくなる。
【００２６】
従って、図１５（ａ）のように、高圧側側板２４の内周面と回転軸４の周面との隙間を通じて各薄板２１（薄板群）へ流入したガスｇは、各薄板２１の上面２１ｐ及び下面２１ｑに沿って対角に向かって広く流れるとともに、薄板２１の外周基端側に低圧の領域が広がって、各薄板２１の内周端を回転軸４の周面から浮上させ、低圧側側板２５の内周面と回転軸４の周面との隙間を通じて流出する。このように、高圧側側板２４及び低圧側側板２５は、各薄板２１の内周端を有効に浮上させるべく、各薄板２１へのガスの流入量やガス圧を調整するというリーフシール２０にとって重要な機能を果たす。
【００２７】
なお、上記のリーフシール２０では、各薄板２１をＴ字型形状としているが、単なる長方形状としても構わない。また、薄板群とリテーナ２２，２３との間にスペーサ２７がないものとしても構わないし、リテーナ２２，２３と接続部材２６とがボルトで固定されるものとしても構わないし、板バネ２８がないものとしても構わない。
【００２８】
また、リーフシール２０を大型流体機械に組み付ける場合、環状の状態のまま回転軸４に軸方向に沿って挿入して取り付けることは困難であることから、回転軸４の周面に沿って環状に構成されるリーフシール２０は、実際には、図１７に示すように、その周方向に４〜８分割された複数の分割体より構成される。このとき、分割体個々の端面が回転軸４の回転方向に対して回転軸４の周面となす角度は、各薄板２１が回転軸４の周面となす角度と等しい角度となる。
【特許文献１】特開２００２−１３６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
ところで、上記したリーフシール２０では、ここへのガスの流入量を各薄板２１の内周端を浮上させることが可能な程度に抑えるべく、高圧側側板２４の内径は、回転軸４の径よりも若干量大きい程度になっている。一方、流体機械の運転条件によっては回転軸４に軸振動が生じることがあり、特に大型流体機械の場合はその軸振動に伴う回転軸４のステータ６０（リーフシール２０）に対する偏芯が著しい。また、高温の作動流体を取り扱う大型流体機械（例えばガスタービンや蒸気タービン）では、熱影響によって機械のケーシング全体が鉛直方向へ湾曲し、これにより、回転軸４に対してステータ６０（リーフシール２０）全体が鉛直方向上方へ偏芯することがある。
【００３０】
そのため、回転軸４の相対的な偏芯量が過大になった場合、回転軸４の周面と高圧側側板２４の内周とが不用意に接触し、高圧側側板２４そのものが変形したり割れたりして破損してしまうおそれがある。高圧側側板２４の破損が生じると、薄板群へガスが過剰に流入することから、各薄板２１の浮上作用が失われ、その結果、各薄板２１の内周端と回転軸４の周面とが常時接触状態におかれて磨耗してしまい、ガスの漏れが増大する状況を招く。
【００３１】
そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、回転軸の相対的な偏芯が過大に生じても、ガスの漏れ量を抑えることができるリーフシールを採用した軸シール機構を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
上記目的を達成するため、本発明による軸シール機構は、回転軸の周面とこの回転軸に同軸状で静止した静止部材の内周面との隙間においての高圧側から低圧側への作動流体の漏れを抑える軸シール機構であって、前記回転軸の軸方向に一定幅を有し、各々が前記回転軸の周方向へ互いに微小隙間を隔てながら前記回転軸の周面に対して鋭角に積み重ねられつつ、各々の内周端が回転停止時の前記回転軸の周面に接触する可撓性のある多数の薄板より成る環状の薄板群と、この薄板群における軸方向での両側のうちの高圧側に位置する一側に当接し、前記回転軸の径よりも所定量大きい内径を有する環状の高圧側側板と、前記薄板群における軸方向での両側のうちの低圧側に位置する他側に当接し、前記高圧側側板の内径よりも所定量大きい内径を有する環状の低圧側側板と、前記薄板群、前記高圧側側板、及び前記低圧側側板をこれらの外周部で一体に保持する環状の保持部材と、より成る軸シール部材を、前記静止部材に対して取り付けた軸シール機構において、以下の点を特徴とする。
【００３３】
第１の特徴点としては、前記高圧側側板は前記薄板群に近いほど各々の内径が大きい複数の環状板が積み重ねられて成り、これらの各環状板のうちで前記薄板群に最も近い環状板以外の環状板は、その内周縁部から前記薄板群へ向けて突出して前記薄板群の前記一側に当接する突条を有する。このようにすれば、回転軸の相対的な偏芯が過大に生じた場合、回転軸の周面に対する高圧側側板の内周の接触は、事実上、薄板群から離れている環状板すなわち高圧側に位置する環状板でなされるため、高圧側側板の破損はその高圧側の環状板に止められる。従って、高圧側の環状板が損傷してその機能を失ったとしても、低圧側の環状板すなわち薄板群に近い環状板によって高圧側側板の機能を補えることになり、ガスの漏れ量を抑えることが可能になる。
【００３４】
ここで、突条が環状板と別体に成形されたものであって、両者が溶接等で組み付けられて成る場合は、部品点数の増加や組立作業効率の悪化を伴うため、これを防止する観点から、前記突条とこれを有する前記環状板とが一体成形品であることが好ましい。
【００３５】
第２の特徴点としては、前記高圧側側板における鉛直方向での下半分の内周が鉛直方向下方へ偏芯されている。このようにすれば、回転軸に対して軸シール部材を含む静止部材全体が鉛直方向上方へ偏芯することにより、回転軸の相対的な偏芯が過大に生じた場合であっても、互いに接近する状況下にある高圧側側板の下半分の内周と回転軸の周面とが接触することはない。従って、高圧側側板の破損を回避できるため、高圧側側板の機能を維持できることになり、ガスの漏れ量を抑えることが可能になる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の軸シール機構によれば、回転軸の相対的な偏芯が過大に生じても、高圧側側板としての機能を維持できることから、その結果として、ガスの漏れ量を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下に、本発明の実施形態であるリーフシールを採用した軸シール機構について、図面を参照しながら詳述する。先ず、本発明の第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図、図２はそのリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。なお、図中で図１０〜図１７と同じ名称で同じ機能を果たす部分には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略するとともに、本発明の特徴点である高圧側側板について特筆する。後述する第２〜第５実施形態においても同様とする。
【００３８】
図１及び図２に示すように、高圧側側板２４は、２枚の環状板３１、３２が回転軸４の軸方向へ積み重ねられて成る。環状板３１（以下、説明の便宜上「第１の環状板」と記すことがある）は薄板群に近い側に配置されるものであって、薄板群における各薄板２１の高圧側である一側に当接する。環状板３２（以下、説明の便宜上「第２の環状板」と記すことがある）は薄板群から離れた側に配置されるものである。なお、第１の環状板３１、第２の環状板３２は、大型流体機械への組付け性から、実際には、従来一般のリーフシール２０での高圧側側板２４の構成と同様に、周方向に複数に分割されたものである。
【００３９】
ここで、第１の環状板３１と第２の環状板３２は外径が等しく、互いに積み重ねられた状態で第１の環状板３１の外周縁部には、回転軸４の軸方向に突出する突起３５が設けられている。本実施形態では、その突起３５は、スポット溶接等（溶接部を図１及び図２中に符号「Ｗ１」で示す）によって、第１の環状板３１に対してのみならず第２の環状板３２に対しても固定され、これにより３者は一体化される。そして突起３５は、従来一般の高圧側側板２４における突起２４ａ（図１２参照）に相当するものであって、第１の環状板３１及び第２の環状板３２より成る高圧側側板２４を薄板群に組み付ける際、薄板群における各薄板２１の切欠き部２１ａに嵌め込まれる。薄板群の切欠き部２１ａに突起３５が嵌め込まれた第１の環状板３１及び第２の環状板３２は、リテーナ２２によって保持される。
【００４０】
また、第２の環状板３２の内径は、従来一般の高圧側側板２４の内径と同じに設定されており、第１の環状板３１の内径は、第２の環状板３２の内径よりも所定量（例えば片側１ｍｍ程度）大きく設定されている。そして第２の環状板３２の内周縁部には、回転軸４の軸方向であって薄板群へ向けて突出する突条３８が設けられている。この突条３８は、第２の環状板３２の内径と同じ内径で、第１の環状板３１の内径よりも僅かに小さい外径を有しつつ、第１の環状板３１と同じ厚さを有しており、薄板群における各薄板２１の高圧側である一側に当接する。本実施形態では、その突条３８は、第２の環状板３２とは別体に成形されたものであって、スポット溶接等（溶接部を図１及び図２中に符号「Ｗ２」で示す）によって、第２の環状板３２に対して固定され、これにより両者は一体化される。
【００４１】
このような構成の高圧側側板２４を備えたリーフシール２０にすると、回転軸４の相対的な偏芯が過大に生じた場合、回転軸４の周面に対する高圧側側板２４の内周の接触は、事実上、薄板群から離れている第２の環状板３２でなされるため、高圧側側板２４の破損は第２の環状板３２に止められ、第１の環状板３１は無傷にできる。従って、第２の環状板３２が損傷してその機能を失ったとしても、第１の環状板３１によって高圧側側板２４の機能を補えることになり、その機能を維持できることから、その結果として、ガスの漏れ量を抑えることが可能になる。
【００４２】
もっとも、第２の環状板３２が破損に至らない正規の状態では、この第２の環状板３２が有する突条３８により、薄板群の各薄板２１の内周端側における高圧側である一側での表出域を従来一般の高圧側側板２４での表出域と同じにできるため、高圧側側板２４の機能に遜色はない。
【００４３】
次に、本発明の第２実施形態について、図３及び図４を参照しながら説明する。図３は第２実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図、図４はそのリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。本第２実施形態の特徴は、第１実施形態における第２の環状板３２の構成を変形した点にある。
【００４４】
つまり本実施形態では、図３及び図４に示すように、第２の環状板３２が有する突条３８は、第２の環状板３２と一体成形品になっている。このような第２の環状板３２を製作するにあたっては、その素材として、外径及び内径が第１実施形態での第２の環状板３２と等しく、突条３８を含む一定厚さを有する環状板を準備し、この素材の片面について、突条３８となる内周縁部をそのまま残しつつ第１の環状板３１の厚さと同じ深さまでエッチングして取り除く。これにより、突条３８とこれを有する第２の環状板３２とが一体成形品として得られる。
【００４５】
このような構成によれば、第１実施形態での第２の環状板３２の場合は、突条３８が第２の環状板３２と別体に成形されたものであって、両者が溶接等で組み付けられて成るため、部品点数の増加や組立作業効率の悪化を伴うが、本第２実施形態での第２の環状板３２の場合は、部品点数の増加も溶接等による組立作業効率の悪化もない。
【００４６】
次に、本発明の第３実施形態について、図５及び図６を参照しながら説明する。図５は第３実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図、図６はそのリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。本第３実施形態の特徴は、第１、第２実施形態を更に変形して、高圧側側板２４としての機能をより確実に確保できるよう図った点にある。第１、第２実施形態の高圧側側板２４では、第１の環状板３１と第２の環状板３２とが１つの突起３５を含めて一体化されているため、第２の環状板３２の内周と回転軸４の周面との接触に伴う第２の環状板３２の破損の際、第１の環状板３２にまで不必要な外力を与えてしまうおそれがある。なお、図５及び図６では、第２実施形態の変形例として図示している。
【００４７】
本実施形態では、図５及び図６に示すように、第１の環状板３１の外径が第２の環状板３２の外径よりも所定量小さく、第１の環状板３１の外周縁部には、回転軸４の軸方向に突出する第１の突起３６が設けられ、他方の第２の環状板３２の外周縁部には、同じく回転軸４の軸方向に突出する第２の突起３７が設けられている。第１の突起３６は、スポット溶接等（溶接部を図５及び図６中に符号「Ｗ３」で示す）によって、第１の環状板３１に対して固定され、これにより両者は一体化される。同様に第２の突起３７は、スポット溶接等（溶接部を図５及び図６中に符号「Ｗ４」で示す）によって、第２の環状板３２に対して固定され、これにより両者は一体化される。
【００４８】
そして、第１の環状板３１と第２の環状板３２とが互いに積み重ねられ、この状態で第１の突起３６と第２の突起３７とが１つの突起となり、この第１の突起３６及び第２の突起３７は、薄板群における各薄板２１の切欠き部２１ａに嵌め込まれる。薄板群の切欠き部２１ａに第１の突起３６及び第２の突起３７が嵌め込まれた第１の環状板３１及び第２の環状板３２は、リテーナ２２によって保持される。
【００４９】
このような構成によれば、第１の環状板３１と第２の環状板３２とが事実上一体化されているわけではないため、第２の環状板３２の内周と回転軸４の周面との接触に伴う第２の環状板３２の破損の際にも、第１の環状板３２に不必要な外力は付与されない。従って、残された第１の環状板３２をもってして高圧側側板２４としての機能をより確実に確保できる。しかも、第２の環状板３２が破損した場合、その交換が簡単であるし、また、第２の環状板３２のみの交換で済むことから経済性に優れる。
【００５０】
次に、本発明の第４実施形態について、図７及び図８を参照しながら説明する。図７は第４実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図、図８はそのリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。本第４実施形態の特徴は、第１〜第３実施形態を更に変形して、高圧側側板２４としての機能をより機動的に確保できるよう図った点にある。第１〜第３実施形態での高圧側側板２４は、第１の環状板３１と第２の環状板３２という２枚の環状板より成るため、回転軸４の相対的な偏芯が予定以上に過大に生じた場合、第１の環状板３１の内周まで回転軸４の周面と接触する事態が想定されるからである。ちなみに、第１の環状板３１の内径を第２の環状板３２の内径よりも格段に大きく設定すれば、第１の環状板３１の内周と回転軸４の周面との接触を回避できるが、この場合、第２の環状板３２が破損した際、直ちに、薄板群の各薄板２１の内周端側における高圧側である一側での表出域が過剰に大きくなり、その結果高圧側側板２４としての機能が著しく低下するため、決して得策とは言えない。なお、図７及び図８では、第２実施形態の変形例として図示している。
【００５１】
本実施形態では、図７及び図８に示すように、第１の環状板３１と第２の環状板３２の間に第３の環状板３３が挟み込まれている。つまり、高圧側側板２４は、薄板群に向けて順に、第２の環状板３２、第３の環状板３３、及び第１の環状板３１という３枚の環状板が積み重ねられて成る。ここで、第３の環状板３３の内径は、第２の環状板３２の内径よりも所定量（例えば片側１ｍｍ程度）大きく設定され、第１の環状板３１の内径は、第３の環状板３３の内径よりも更に所定量（例えば片側１ｍｍ程度）大きく設定されている。
【００５２】
また、第３の環状板３３は、第２の環状板３２に準じた構成となっていて、その内周縁部には、回転軸４の軸方向であって薄板群へ向けて突出する突条３９が設けられている。この突条３９は、第３の環状板３３の内径と同じ内径で、第１の環状板３１の内径よりも僅かに小さい外径を有しつつ、第１の環状板３１と同じ厚さを有しており、薄板群における各薄板２１の高圧側である一側に当接する。なお、ここでの第２の環状板３２の突条３８は、第２の環状板３２の内径と同じ内径で、第３の環状板３３の内径よりも僅かに小さい外径を有しつつ、第３の環状板３３における突条３７を含む厚さを有しており、薄板群における各薄板２１の高圧側である一側に当接する。
【００５３】
このような構成の高圧側側板２４では、回転軸４の相対的な偏芯が過大に生じた場合、回転軸４の周面に対する高圧側側板２４の内周の接触は、事実上、薄板群から最も離れている第２の環状板３２で先ずはなされ、更に過大な偏芯が生じた場合は、次に控えている第３の環状板３３でなされる。そのため、高圧側側板２４の破損は、第２の環状板３２、更には第３の環状板３３に段階的に止められる。従って、第２の環状板３２が損傷してその機能を失ったとしても、次の第３の環状板３３によって高圧側側板２４の機能を補え、更に第３の環状板３３が損傷してその機能を失ったとしても、次の第１の環状板３１によって高圧側側板２４の機能を補えることになり、その機能を機動的に維持できる。
【００５４】
なお、本実施形態では、高圧側側板２４が３枚の環状板が積み重ねられて成るが、更に枚数（第３の環状板３３の枚数）を増すことも可能である。但し、環状板の枚数を増した場合、薄板群に近い環状板ほどその内径が大きくなるため、高圧側側板２４としての機能の若干の低下は否めないが、環状板が有する突条により、薄板群の各薄板の内周端側における高圧側である一側での表出域を最大限に狭めることができるため、その機能低下を著しく抑えることができる。
【００５５】
次に、本発明の第５実施形態について、図９を参照しながら説明する。図９は本発明の第５実施形態のリーフシールを環状に配置した状態を示す平面図である。
【００５６】
本第５実施形態では、図９に示すように、高圧側側板２４の内周について、鉛直方向での下半分が鉛直方向下方へ偏芯（オフセット）されている。その偏芯量ｄは、その高圧側側板２４を備えたリーフシール２０が流体機械の軸シール機構として設置される場所によって適宜設定される。
【００５７】
このような構成にすると、回転軸４に対してリーフシール２０を含むステータ６０全体が鉛直方向上方へ偏芯することにより、回転軸４の相対的な偏芯が過大に生じた場合であっても、互いに接近する状況下にある高圧側側板２４の下半分の内周と回転軸４の周面とが接触することはない。従って、高圧側側板２４の破損を回避できるため、高圧側側板２４の機能を維持できることになり、ガスの漏れ量を抑えることが可能になる。これは、高温の作動流体を取り扱う大型流体機械（例えばガスタービンや蒸気タービン）に有効である。
【００５８】
但し、本実施形態では高圧側側板２４の内周の下半分のみを偏芯させているが、これと併せて、上半分を鉛直方向上方へすなわち下半分の偏芯方向とは逆方向へ偏芯させることも有効である。大型流体機械においては、起動の際や停止に至る際にその運転条件によってはケーシング全体の変形方向や変形量が不安定になる場合があり、この場合でも、高圧側側板２４の上半分の内周と回転軸４の周面との接触を防止できるからである。
【００５９】
なお、本実施形態の構成は、上記の第１〜第４実施形態にも適用が可能である。
【００６０】
その他本発明は上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、図１０に示すガスタービンにリーフシールを採用しているものを例示しているが、それに限定されるものではなく、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、軸の回転と作動流体の流動の関係でエネルギーを仕事に変換するものに広く採用することができる。また、回転軸の周面に沿った軸方向での作動流体の流動を抑えるためにも用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、大型流体機械の回転軸に対しての軸シール機構として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図である。
【図２】第１実施形態のリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。
【図３】本発明の第２実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図である。
【図４】第２実施形態のリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。
【図５】本発明の第３実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図である。
【図６】第３実施形態のリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。
【図７】本発明の第４実施形態のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図である。
【図８】第４実施形態のリーフシールの構成要素である高圧側側板の斜視図である。
【図９】本発明の第５実施形態のリーフシールを環状に配置した状態を示す平面図である。
【図１０】従来一般のリーフシールを備えた大型流体機械の一例であるガスタービンの構成を示す概略図である。
【図１１】従来一般のリーフシールの基本構成を示す斜視図である。
【図１２】従来一般のリーフシールを備えた大型流体機械の要部を示す回転軸の軸方向に沿う断面図である。
【図１３】従来一般のリーフシールの基本構成を示す回転軸の周方向に沿う側面図及び断面図である。
【図１４】従来一般のリーフシールの構成要素である薄板の側面図である。
【図１５】従来一般のリーフシールの作用を説明するための模式図である。
【図１６】従来一般のリーフシールの作用を説明するための模式図である。
【図１７】従来一般のリーフシールを環状に配置した状態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００６３】
４    回転軸
２０    リーフシール
２１    薄板
２２，２３    リテーナ
２４    高圧側側板
２５    低圧側側板
２６    接続部材
２７    スペーサ
２８    板バネ
３１，３２，３３    環状板
３５，３６，３７    突起
３８，３９    突条
６０    ステータ
６１    取付け用凹溝
６２    取付け用ピース
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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