(57)【要約】  【課題】  リーフシールを複数段備えた軸シール機構であって、回転軸の長さを抑えることのできる軸シール機構を提供する。  【解決手段】  ステータ６０には、回転軸４の軸方向に沿って高圧側領域から低圧側領域に向けて順に、第１段目のリーフシール１２０、及び第２段目のリーフシール２２０が設置される。ステータ６０の内周面には、周方向に沿う取付け用溝８１が形成され、互いに隣接するリーフシール１２０、２２０同士の間には、共用の取付け用ピース１８２を備える。リーフシール１２０、２２０及び取付け用ピース１８２は、一体でステータ６０の取付け用溝８１に周方向に沿って嵌め込まれ、ボルト１８３によってステータ６０に固定される。【選択図】      図１
2006112512.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、より成る周方向に分割可能な軸シール部材を、前記静止部材に対して軸方向へ複数段取り付けた軸シール機構において、
前記静止部材の内周面に周方向に沿う取付け用溝が形成されていて、互いに隣接する前記各段の前記各軸シール部材同士の間に共用の取付け用部材を備えており、
前記各シール部材及び前記各取付け用部材は、一体で前記取付け用溝に周方向に沿って嵌め込まれて前記静止部材に固定されたことを特徴とする軸シール機構。
【請求項２】
前記各取付け用部材は、前記静止部材へ径方向に貫通するボルトで締結されて固定された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】
前記各取付け用部材は、この外周面に周方向に沿って形成された補助突起が、前記取付け用溝の底に周方向に沿って形成された補助溝に嵌合して固定された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４】
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、より成る周方向に分割可能な軸シール部材を、前記静止部材に対して軸方向へ複数段取り付けた軸シール機構において、
前記静止部材の内周面に周方向に沿う取付け用溝が形成されていて、内周面に周方向に沿う中間取付け用溝が形成された中間取付け用部材と、互いに隣接する前記各段の前記各軸シール部材同士の間に共用の取付け用部材とを備えており、
前記各シール部材及び前記各取付け用部材は、一体で前記中間取付け用溝に周方向に沿って嵌め込まれて前記中間取付け用部材に固定され、前記各シール部材及び前記各取付け用部材が固定された前記中間取付け用部材は、前記取付け用溝に周方向に沿って嵌め込まれて前記静止部材に固定されたことを特徴とする軸シール機構。
【請求項５】
前記各取付け用部材は、前記中間取付け用部材を径方向に貫通するボルトで締結されて固定された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】
前記各取付け用部材は、前記中間取付け用部材を軸方向に貫通するボルトで締結されて固定された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７】
前記各取付け用部材は、この外周面に周方向に沿って形成された補助突起が、前記中間取付け用溝の底に周方向に沿って形成された中間補助溝に嵌合して固定された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８】
前記各取付け用部材は、互いに隣接する前記各段の前記各シール部材を構成する前記保持部材の一部を兼ねることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の軸シール機構。
【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８〜図１５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８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９及び図１０に示すように、リーフシール２０は、静翼７，１１及び軸受け部９１２（図８参照）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１１（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１０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１２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１２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１１（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１０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１０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１３（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１０では各薄板２１をＴ字型形状としているが、図９や図１３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１３（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１３（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１３（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１３（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１１（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１１（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１４（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１４（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１３（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１５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、高圧側領域と低圧側領域の圧力差が極めて大きい個所のステータ６０に、上記したリーフシール２０を設置しようとする場合は、１つのリーフシール２０では、その圧力差に耐えることが困難であるため、リーフシール２０を回転軸４の軸方向に複数段に亘って設置し、これらのリーフシール２０でその圧力差を分担するようにしている。その一例として、リーフシール２０を２段に設置した状況を図１６に示す。ここでは、高圧側領域から低圧側領域に向けて順に、第１段目のリーフシール１２０、及び最終段である第２段目のリーフシール２２０が設置される。
【００３０】
第１段目のリーフシール１２０は、上記したリーフシール２０の基本構成のもと、多数の薄板１２１が積み重ねられて成る薄板群と、高圧側側板１２４と、低圧側側板１２５と、がリテーナ１２３，１２４によって保持されて成るものであり、同様に、第２段目のリーフシール２２０は、多数の薄板２２１が積み重ねられて成る薄板群と、高圧側側板２２４と、低圧側側板２２５と、がリテーナ２２３，２２４によって保持されて成るものである。ステータ６０の内周面には、第１、第２のリーフシール１２０、２２０それぞれを取り付けるための周方向に沿う環状の取付け用凹溝１６１、２６１が、回転軸４の軸方向に所定間隔をあけて形成されている。第１のリーフシール１２０は、分割環状の取付け用ピース１６２と一体で、凹溝１６１に周方向に沿って嵌め込まれ、同様に、第２のリーフシール２２０は、分割環状の取付け用ピース２６２と一体で、凹溝２６１に周方向に沿って嵌め込まれる。こうして第１、第２のリーフシール１２０、２２０がステータ６０に固定される。
【００３１】
また、別例として、図１７に示すように、第１、第２のリーフシール１２０、２２０を分割環状のホルダ９０を中間的に介在して、ステータ６０に取り付ける場合もある。この場合、ステータ６０の内周面には、ホルダ９０を取り付けるための周方向に沿う環状の取付け用凹溝９１が形成されている。一方、ホルダ９０の内周面には、第１、第２のリーフシール１２０、２２０それぞれを取り付けるための周方向に沿う環状の取付け用凹溝１６１、２６１が、図１６と同様に、回転軸４の軸方向に所定間隔をあけて形成されている。第１、第２のリーフシール１２０、２２０は、分割環状の各取付け用ピース１６２、２６２と一体で、各凹溝１６１、２６１に周方向に沿って嵌め込まれ、ホルダ９０に固定される。そして、このホルダ９０は凹溝９１に周方向に沿って嵌め込まれる。こうして第１、第２のリーフシール１２０、２２０がステータ６０に対して固定される。
【００３２】
しかし、これらのような複数段のリーフシール２０（第１、第２のリーフシール１２０、２２０）の設置態様では、リーフシール２０ごとに、回転軸４の軸方向である程度幅広い凹溝６１（凹溝１６１、２６１）を備える上、各凹溝６１同士の間にもある程度のスペースの確保を必要とする、すなわちリーフシール２０同士の間にある程度の間隔が必要であることから、必然的に回転軸４も長くなる。そうすると、これが適用される流体機械の軸方向への大型化を招き、回転軸４の軸振動の発生にも敏感になるという弊害がある。この問題は、リーフシール２０の設置段数を増すほど顕著である。
【００３３】
もっとも、各リーフシール２０をこれ単体でステータ６０やホルダ９０に取り付けることが可能であれば、取付け用ピース６２（取付け用ピース１６２、２６２）の分軸方向での幅を抑えることができるはずである。ところが現実には、特有の形状を有するリーフシール２０単体を周方向に沿って収めることが可能な凹溝を形成するのは、加工上で不可能に近い。結局のところ、上記したように、加工上で無理のない程度で凹溝６１を幅広く形成し、取付け用ピース６２を持ってしてリーフシール２０との隙間を埋めるようにしたわけである。
【００３４】
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、リーフシールを複数段備えた軸シール機構であって、回転軸の長さを抑えることのできる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】
【００３５】
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、より成る周方向に分割可能な軸シール部材を、前記静止部材に対して軸方向へ複数段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。
【００３６】
第１の特徴点としては、前記静止部材の内周面に周方向に沿う取付け用溝が形成されていて、互いに隣接する前記各段の前記各軸シール部材同士の間に共用の取付け用部材を備えており、前記各シール部材及び前記各取付け用部材は、一体で前記取付け用溝に周方向に沿って嵌め込まれて前記静止部材に固定される。
【００３７】
このようにすれば、複数の軸シール部材すなわちリーフシールを静止部材に取り付けるための取付け用溝が１つで済み、しかも、回転軸の軸方向でのリーフシール同士の間隔は、両者に共用の取付け用部材が収まる程度で足りる。従って、互いに隣接するリーフシール同士の間隔を大幅に抑えることができる。勿論、その取付け用溝を静止部材に形成するにあたって、その幅が加工上で十分許容できるリーフシール及び取付け用部材をすべて含む寸法であることから、その加工にはまったく支障はない。
【００３８】
ここで、静止部材に対するリーフシール及び取付け用部材の固定状態の安定性を確保する観点から、前記各取付け用部材は、前記静止部材へ径方向に貫通するボルトで締結されて固定されることが好ましい。同様の観点から、前記各取付け用部材は、この外周面に周方向に沿って形成された補助突起が、前記取付け用溝の底に周方向に沿って形成された補助溝に嵌合して固定されてもよい。
【００３９】
第２の特徴点としては、前記静止部材の内周面に周方向に沿う取付け用溝が形成されていて、内周面に周方向に沿う中間取付け用溝が形成された中間取付け用部材と、互いに隣接する前記各段の前記各軸シール部材同士の間に共用の取付け用部材とを備えており、前記各シール部材及び前記各取付け用部材は、一体で前記中間取付け用溝に周方向に沿って嵌め込まれて前記中間取付け用部材に固定され、前記各シール部材及び前記各取付け用部材が固定された前記中間取付け用部材は、前記取付け用溝に周方向に沿って嵌め込まれて前記静止部材に固定される。
【００４０】
このようにすれば、複数の軸シール部材すなわちリーフシールが中間取付け用部材を介在して静止部材に取り付けられるわけであるが、それらのリーフシールを中間取付け用部材に取り付けるための取付け用溝が１つで済み、しかも、回転軸の軸方向でのリーフシール同士の間隔は、両者に共用の取付け用部材が収まる程度で足りる。従って、互いに隣接するリーフシール同士の間隔を大幅に抑えることができる。勿論、その取付け用溝を中間取付け用部材に形成するにあたって、その幅が加工上で十分許容できるリーフシール及び取付け用部材をすべて含む寸法であることから、その加工にはまったく支障はない。
【００４１】
ここで、静止部材に対するリーフシール及び取付け用部材の固定状態の安定性を確保する観点から、前記各取付け用部材は、前記中間取付け用部材を径方向に貫通するボルトで締結されて固定されることが好ましい。同様の観点から、前記各取付け用部材は、前記中間取付け用部材を軸方向に貫通するボルトで締結されて固定されてもよいし、前記各取付け用部材は、この外周面に周方向に沿って形成された補助突起が、前記中間取付け用溝の底に周方向に沿って形成された中間補助溝に嵌合して固定されてもよい。
【００４２】
また、シール機構全体としての部品点数を削減する目的で、前記各取付け用部材は、互いに隣接する前記各段の前記各シール部材を構成する前記保持部材の一部を兼ねることが好ましい。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の軸シール機構によれば、回転軸の軸方向で互いに隣接するリーフシール同士の間隔を大幅に抑えることができるため、これに伴って回転軸の長さを抑えることが可能になり、リーフシールが適用される流体機械の軸方向への大型化を招くことはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
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実施形態におけるリーフシールを複数段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。なお、図中で図８〜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、本発明の特徴点について特筆する。特に本実施形態では、リーフシール２０を２段に設置した場合を一例として示す。後述する第２〜第７実施形態においても同様とする。
【００４５】
図１に示すように、ステータ６０には、回転軸４の軸方向に沿って高圧側領域から低圧側領域に向けて順に、第１段目のリーフシール１２０、及び最終段である第２段目のリーフシール２２０が設置される。ステータ６０の内周面には、第１、第２のリーフシール１２０、２２０を取り付けるための周方向に沿う環状の取付け用凹溝８１が１つだけ形成されている。第１、第２のリーフシール１２０、２２０は、これらの両者の間に軸方向で挟み込まれた分割環状の取付け用ピース１８２と一体で、凹溝８１に周方向に沿って嵌め込まれる。
【００４６】
ここで、凹溝８１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、第１のリーフシール１２０における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るとともに、最終段である第２のリーフシール２２０における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である。これらの段差のうち、高圧側領域の方に位置する段差の外周側の面８１ａが、第１のリーフシール１２０のリテーナ１２２の内周面と摺接する摺接面となり、低圧側領域の方に位置する段差の外周側の面８１ｅが、最終段である第２のリーフシール２２０のリテーナ２２３の内周面と摺接する摺接面となる。更に、最終段である第２のリーフシール２２０における薄板群の低圧側である他側と対向する側面８１ｇが、その低圧側側板２２５と当接する受圧面となる。
【００４７】
また、凹溝８１の底には、取付け用ピース１８２の外周面に周方向に沿って形成された補助突起１８２ｃと嵌合する補助凹溝８１ｃが形成されていて、この補助凹溝８１ｃに対しての高圧側に位置する外周面８１ｂが、第１のリーフシール１２０の外周側に設けられる板バネ１２８と摺接する摺接面となり、他方の低圧側に位置する外周面８１ｆが、第１のリーフシール１２０に隣接する第２のリーフシール２２０の外周側に設けられる板バネ２２８と摺接する摺接面となる。
【００４８】
一方、取付け用ピース１８２は、回転軸４の軸方向において、外周側の幅が内周側の幅よりも狭くなるように、第１のリーフシール１２０における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るとともに、最終段である第２のリーフシール２２０における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である。これらの段差のうち、高圧側領域の方に位置する段差の外周側の面１８２ａが、第１のリーフシール１２０のリテーナ１２３の内周面と摺接する摺接面となり、低圧側領域の方に位置する段差の外周側の面１８２ｅが、第１のリーフシール１２０に隣接する第２のリーフシール２２０のリテーナ２２２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１８２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、第１のリーフシール１２０における薄板群の低圧側である他側と対向する側面１８２ｂが、その低圧側側板１２５と当接する受圧面となる。
【００４９】
こうして、取付け用ピース１８２は、軸方向で互いに隣接する第１、第２のリーフシール１２０、２２０に共用となり、第１、第２のリーフシール１２０、２２０は、共用の取付け用ピース１８２と共に、ステータ６０の凹溝８１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１２２，１２３それぞれの内周面が、凹溝８１の摺接面８１ａ及び取付け用ピース１８２の摺接面１８２ａと摺接するとともに、リテーナ１２２，１２３の外周側に固定された板バネ１２８が凹溝８１の摺接面８１ｂと摺接し、他方では、リテーナ２２２，２２３それぞれの内周面が、取付け用ピース１８２の摺接面１８２ｅ及び凹溝８１の摺接面８１ｅと摺接するとともに、リテーナ２２２，２２３の外周側に固定された板バネ２２８が凹溝８１の摺接面８１ｆと摺接することで、第１、第２のリーフシール１２０、２２０がステータ６０に対して嵌め込まれた状態で維持される。
【００５０】
そして、共用の取付け用ピース１８２が、その内周面から径方向外方へ貫通するボルト１８３の締結によってステータ６０に固定されることで、第１、第２のリーフシール１２０、２２０がステータ６０に固定される。これにより、ステータ６０に対するリーフシール１２０、２２０及び取付け用ピース１８２の固定状態が十分に安定して確保できる。
【００５１】
このような構成にすれば、第１、第２のリーフシール１２０、２２０をステータ６０に取り付けるための取付け用凹溝８１が１つで済み、しかも、回転軸４の軸方向でのリーフシール１２０、２２０同士の間隔は、両者に共用の取付け用ピース１８２が収まる程度で足りる。従って、互いに隣接するリーフシール１２０、２２０同士の間隔を大幅に抑えることができ、これに伴って回転軸４の長さを抑えることが可能になり、流体機械の軸方向への大型化を招くことはない。また、その取付け用凹溝８１をステータ６０に形成するにあたって、その幅がリーフシール１２０、２２０及び取付け用ピース１８２をすべて含む寸法であることから、加工上で十分許容でき、その加工にはまったく支障はない。
【００５２】
次に、本発明の第２実施形態について図２を参照しながら説明する。図２は第２実施形態におけるリーフシールを複数段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。なお、図中で図１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。後述する第３〜第７実施形態においても同様とする。本第２実施形態の特徴は、第１実施形態における取付け用ピース１８２の固定手法を変形した点にある。
【００５３】
つまり本実施形態では、図２に示すように、ステータ６０の凹溝８１の底に形成された補助凹溝８１ｃがあり溝形状になっていて、この補助凹溝８１ｃに取付け用ピース１８２の補助突起１８２ｃが周方向に沿って嵌め込まれることで、そのまま、取付け用ピース１８２が第１、第２のリーフシール１２０、２２０と共にステータ６０に固定される。
【００５４】
このようにしても、ステータ６０に対するリーフシール１２０、２２０及び取付け用ピース１８２の固定状態が十分に安定して確保できる。しかもこの場合、第１実施形態のようなボルト１８３が一切不要であることから、部品調達や組立工数に関する製造コストの低減に対して有利であるし、流体機械の運転に伴って生じ得るボルト１８３の緩みによる脱落の懸念も一切ないことから、流体機械の性能保障に対しても有利である。
【００５５】
次に、本発明の第３実施形態について図３を参照しながら説明する。図３は第３実施形態におけるリーフシールを複数段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。本第３実施形態の特徴は、第１、第２実施形態に対して部品点数の削減を図った点にある。なお、図３では第２実施形態の変形例を示している。
【００５６】
つまり本実施形態では、図３に示すように、共用の取付け用ピース１８２と隣接する第１、第２のリーフシール１２０、２２０のうちの高圧側領域の方に位置する第１のリーフシール１２０の構成要素である低圧側のリテーナ１２３を取付け用ピース１８２と一体成形し、そのリテーナ１２３の機能を取付け用ピース１８２に兼用させるようにしている。これにより、部品としてのリテーナ１２３を削減でき、経済性に優位である。
【００５７】
次に、本発明の第４実施形態について図４を参照しながら説明する。図４は第４実施形態におけるリーフシールを複数段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。本第４実施形態の特徴は、第１実施形態における第１、第２のリーフシール１２０、２２０を分割環状のホルダ９０を中間的に介在して、ステータ６０に取り付けた点にある。
【００５８】
つまり本実施形態では、図４に示すように、ステータ６０の内周面には、ホルダ９０を取り付けるための周方向に沿う環状の取付け用凹溝９１が形成されている。一方、ホルダ９０の内周面には、上記した第１実施形態と同様に、第１、第２のリーフシール１２０、２２０を取り付けるための周方向に沿う環状の取付け用凹溝８１が１つだけ形成されている。第１、第２のリーフシール１２０、２２０は、共用の取付け用ピース１８２と一体で、ホルダ９０の凹溝８１に周方向に沿って嵌め込まれる。続いて、共用の取付け用ピース１８２が、ホルダ９０の外周面から径方向内方へ貫通するボルト１８３の締結によってホルダ６０に固定されることで、第１、第２のリーフシール１２０、２２０がホルダ６０に十分に安定した状態で固定される。そして、このホルダ９０はステータ６０の凹溝９１に周方向に沿って嵌め込まれる。こうして、ステータ６０に対してリーフシール１２０、２２０及び取付け用ピース１８２が取り付けられる。
【００５９】
このような構成にすれば、第１、第２のリーフシール１２０、２２０がホルダ９０を介在してステータ６０に取り付けられるわけであるが、第１実施形態と同様、それらのリーフシール１２０、２２０をホルダ９０に取り付けるための取付け用凹溝８１が１つで済み、しかも、回転軸４の軸方向でのリーフシール１２０、２２０同士の間隔は、両者に共用の取付け用ピース１８２が収まる程度で足りる。従って、互いに隣接するリーフシール１２０、２２０同士の間隔を大幅に抑えることができ、これに伴って回転軸４の長さを抑えることが可能になり、流体機械の軸方向への大型化を招くことはない。また、その取付け用凹溝８１をホルダ９０に形成するにあたって、その幅がリーフシール１２０、２２０及び取付け用ピース１８２をすべて含む寸法であることから、加工上で十分許容でき、その加工にはまったく支障はない。
【００６０】
特に本実施形態では、取付け用ピース１８２をホルダ９０に締結するボルト１８３が、ステータ６０の凹溝８１内に収容された格好になるため、例え大きく緩んだとしても、脱落に至ることはない。なお、上記した第１実施形態と同様にして、取付け用ピース１８２の内周面から径方向外方へ貫通するボルト１８３により、ホルダ９０に対して取付け用ピース１８２を締結しても構わない。
【００６１】
次に、本発明の第５実施形態について図５を参照しながら説明する。図５は第５実施形態におけるリーフシールを複数段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。本第５実施形態の特徴は、第４実施形態における取付け用ピース１８２のボルト１８３による締結手法を変形した点にある。
【００６２】
つまり本実施形態では、図５に示すように、ホルダ９０の凹溝８１に嵌め込まれた取付け用ピース１８２が、ホルダ９０の側面から回転軸４の軸方向に沿って貫通するボルト１８３の締結によってホルダ６０に固定される。
【００６３】
このようにしても、ホルダ９０に対するリーフシール１２０、２２０及び取付け用ピース１８２の固定状態が十分に安定して確保できる。しかもこの場合、ボルト１８３の負担できる許容強度を増すべくその径を太くすることが可能であることから、その所要本数を少なくしても、ホルダ９０に対しての取付け用ピース１８２の安定的な固定を十分に確保できる。第４実施形態のような径方向でのボルト１８３による締結では、回転軸４の軸方向でのスペースの制約から、ボルト１８３の径の拡大は制限されるからである。
【００６４】
次に、本発明の第６、第７実施形態について図６、図７に示す。図６、図７はそれぞれ第６、第７実施形態におけるリーフシールを複数段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。第６実施形態では、図６に示すように、第１実施形態に対しての第２実施形態の変形態様と同様にして、第４、第５実施形態における取付け用ピース１８２の固定手法を変形している。第７実施形態では、図７に示すように、第１、第２実施形態に対しての第３実施形態の変形態様と同様にして、第４、第５実施形態に対しての部品点数の削減を図っている。
【００６５】
なお、上記した各実施形態では、リーフシール２０を２段に設置した構成について説明したが、３段以上であってもよい。その場合、互いに隣接するリーフシール２０同士の間にそれぞれ取付け用ピース１８２を備えれば足りる。
【００６６】
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８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】
【００６７】
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】
【００６８】
【図１】本発明の第１実施形態におけるリーフシールを複数段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】本発明の第２実施形態におけるリーフシールを複数段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３】本発明の第３実施形態におけるリーフシールを複数段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】本発明の第４実施形態におけるリーフシールを複数段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５】本発明の第５実施形態におけるリーフシールを複数段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】本発明の第６実施形態におけるリーフシールを複数段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７】本発明の第７実施形態におけるリーフシールを複数段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】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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１５】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。
【図１６】従来におけるリーフシールを複数段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１７】従来におけるリーフシールを複数段備えた他の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。
【符号の説明】
【００６９】
４    回転軸
２０，１２０，２２０    リーフシール
２１，１２１，２２１    薄板
２２，２３，１２２，１２３，２２２，２２３    リテーナ
２４，１２４，２２４    高圧側側板
２５，１２５，２２５    低圧側側板
２８，１２８，２２８    板バネ
６０    ステータ
６１，８１    取付け用凹溝
９０    ホルダ
９１    取付け用凹溝
１８２    取付け用ピース
１８３    ボルト
【図１】
2006112512.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】
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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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