(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周囲に円環状に積層される可撓性板状のシール部材であって、前記シール部材の径方向の複数の部分に他の部分よりも硬化され、板状の部分のねじれ剛性を向上させる硬化処理が施された硬化処理部を有することを特徴とする、シール部材。
【請求項２】
前記硬化処理部が、前記回転軸の軸方向に設けられた、請求項１に記載のシール部材。
【請求項３】
前記硬化処理部が、前記回転軸の軸方向の少なくとも一端側の前記回転軸の径方向に設けられた、請求項１又は請求項２に記載のシール部材。
【請求項４】
前記硬化処理部が、前記シール部材の対角線上に設けられた、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項５】
前記硬化処理部が、前記シール部材を通過する作動流体により前記シール部材の板状の部分に発生する圧力分布の等圧線と交差する方向に設けられた、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項６】
前記シール部材の金属母材は、第１金属材料を含有する第１金属母材と第２金属材料を含有する第２金属母材とが積層されてなり、前記硬化処理部は、前記第２金属母材に設けられた、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項７】
前記シール部材の金属母材は、熱処理条件が異なる第１金属部材と第２金属部材とが積層されてなる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項８】
前記硬化処理部は、前記シール部材の金属母材が加熱処理により時効硬化されてなる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項９】
前記硬化処理部は、前記シール部材の金属母材がレーザーピーニング処理により硬化されてなる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項１０】
前記硬化処理部は、前記シール部材の金属母材がショットピーニング処理により硬化されてなる、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項１１】
前記シール部材の金属母材は、アルミニウム及びチタンの含有量の合計が１質量％以上であるＮｉ基合金を含有する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項１２】
可撓性を有する板状のシール部材の製造方法であって、
シール部材の金属母材の硬化処理により、当該シール部材の一端側の強度を向上させ、他の部分よりも硬化され、板状の部分のねじれ剛性を向上させる硬化処理部を径方向の複数の部分に設ける硬化処理工程を含むことを特徴とする、シール部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、蒸気タービン及びガスタービンに用いられるシール部材及びシール部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガスタービン、蒸気タービン及び圧縮機などの回転装置では、回転軸の周囲をシールする軸シール部材としてのリーフシールが用いられている（例えば、特許文献１参照）。このリーフシールにおいては、複数のリーフシールがリング状に配置されたリーフ群に対する低圧空間側のリーフ群の厚さを高圧空間側よりも厚さを大きくすることにより、リーフ群における圧力降下を低圧空間側で起こるようにして、低圧空間側でのリーフ間の間隙を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２３８３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来のリーフシールでは、リーフ群のリーフ間の隙間が均一ではなく、特定のリーフシールと当該特定のリーフシールの近傍のリーフシールとの間の隙間に被密封流体が入り込む場合がある。このような場合には、被密封流体のばね剛性による振動伝搬により、リーフシールの先端部にバタツキが発生してリーフシールの先端部に過大な応力が作用してリーフに疲労損傷が発生する場合がある。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、リーフ群の剛性を向上でき、軸シール部材の疲労損傷を防ぐことが可能なシール部材及びシール部材の製造方法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】
【０００６】
本発明のシール部材は、回転軸の周囲に円環状に積層される可撓性板状のシール部材であって、前記可撓性板状シール部材の一部に硬化処理が施された硬化処理部を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明のシール部材によれば、シール部材に設けられた硬化処理部により、軸シール部材にねじれ剛性が付与されるので、軸シール装置の使用時にシール部材の先端部のバタツキを防ぐことが可能となり、シール部材の使用時における疲労損傷を防ぐことが可能となる。
【０００８】
本発明のシール部材においては、前記硬化処理部が、前記回転軸の軸方向に設けられたことが好ましい。この構成により、シール部材は、シール部材の捻じれ剛性を更に向上させることができるので、シール部材の使用時における疲労損傷をより一層防ぐことが可能となる。
【０００９】
本発明のシール部材においては、前記硬化処理部が、前記回転軸の軸方向の少なくとも一端側の前記回転軸の径方向に設けられたことが好ましい。この構成により、シール部材は、シール部材の捻じれ剛性を更に向上させることができるので、シール部材の使用時における疲労損傷をより一層防ぐことが可能となる。
【００１０】
本発明のシール部材においては、前記硬化処理部が、前記シール部材の対角線上に設けられたことが好ましい。この構成により、シール部材は、シール部材の捻じれ剛性を更に向上させることができるので、シール部材の使用時における疲労損傷をより一層防ぐことが可能となる。
【００１１】
本発明のシール部材においては、前記硬化処理部が、前記シール部材を通過する作動流体により前記シール部材部分に発生する圧力分布の等圧線と交差する方向に設けられたことが好ましい。この構成により、シール部材は、シール部材の捻じれ剛性を更に向上させることができるので、シール部材の使用時における疲労損傷をより一層防ぐことが可能となる。
【００１２】
本発明のシール部材においては、前記金属母材は、第１金属材料を含有する第１金属母材と第２金属材料を含有する第２金属母材とが積層されてなり、前記硬化処理部は、前記第２金属板に設けられたことが好ましい。この構成により、シール部材は、シール部材の捻じれ剛性を更に向上させることができるので、シール部材の使用時における疲労損傷をより一層防ぐことが可能となる。
【００１３】
本発明のシール部材においては、前記金属母材は、熱処理条件が異なる第１金属部材と第２金属部材とが積層されてなることが好ましい。この構成により、シール部材は、シール部材の捻じれ剛性を更に向上させることができるので、シール部材の使用時における疲労損傷をより一層防ぐことが可能となる。
【００１４】
本発明のシール部材においては、前記硬化処理部は、前記金属母材が加熱処理により時効硬化されてなることが好ましい。この構成により、軸シール装置は、硬化処理部を任意の領域に設けることが出るので、軸シール部材に所望のねじれ剛性を付与することが可能となる。
【００１５】
本発明のシール部材においては、前記硬化処理部は、前記金属母材がレーザーピーニング処理により硬化されてなることが好ましい。この構成により、軸シール装置は、硬化処理部を任意の領域に設けることが出るので、軸シール部材に所望のねじれ剛性を付与することが可能となる。
【００１６】
本発明のシール装置部材においては、前記硬化処理部は、前記金属母材がショットピーニング処理により硬化されてなることが好ましい。この構成により、軸シール装置は、硬化処理部を任意の領域に設けることが出るので、軸シール部材に所望のねじれ剛性を付与することが可能となる。
【００１７】
本発明のシール装置においては、前記金属母材は、アルミニウム及びチタンの含有量の合計が１質量％以上であるＮｉ基合金を含有することが好ましい。この構成により、この構成により、６００℃級の高温下で使用可能な高温強度及び耐酸化性を具備することができるので、リーフ間の隙間に発生し得る酸化スケールによるリーフ同士の固着に伴う、リーフの浮上性能の低下によるリーフとロータとの接触を防ぐことが可能となる。
【００１８】
本発明のシール部材の製造方法は、可撓性を有する板状のシール部材の製造方法であって、シール部材の金属母材の硬化処理により、当該シール部材の一端側の強度を向上する硬化処理部を設ける硬化処理工程を含むことを特徴とする。
【００１９】
本発明のシール部材の製造方法によれば、軸シール部材の金属母材に軸シール部材にねじれ剛性を付与する硬化処理部を設けるので、軸シール装置の使用時に軸シール部材の先端部のバタツキを防ぐことが可能となり、使用時における疲労損傷を防ぐことが可能な軸シール部材を製造できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、リーフ群の剛性を向上でき、軸シール部材の疲労損傷を防ぐことが可能なシール部材及びシール部材の製造方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るガスタービンシステムの一例を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る軸シール装置の概略を示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る軸シール装置の一部を模式的に示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る軸シール装置の概略を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る軸シール装置の分解図である。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施の形態に係るリーフの一例を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６ＡのＶＩＢ−ＶＩＢ線における矢視断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６ＡのＶＩＣ−ＶＩＣ線における矢視断面図である。
【図７】図７は、レーザーを用いた金属母材の加熱処理の説明図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係るリーフの他の例を示す平面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の実施の形態に係るリーフの別の例を示す平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９ＡのＩＸＢ−ＩＸＢ線における矢視断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９ＡのＩＸＣ−ＩＸＣ線における矢視断面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、図９ＡのＩＸＤ−ＩＸＤ線における矢視断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の実施の形態に係るリーフの別の例を示す平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０ＡのＸＢ−ＸＢ線における矢視断面図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図１０ＡのＸＣ−ＸＣ線における矢視断面図である。
【図１１】図１１は、軸シール装置の使用時の燃料ガスの流れの説明図である。
【図１２】図１２は、一般的な軸シール装置の使用時のリーフの説明図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態に係る軸シール装置の使用時のリーフの説
【図１４】図１４は、本実施の形態に係る軸シール装置のロータの軸線を含む断面の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の一実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。また、以下の各実施の形態は適宜組み合わせて実施可能である。また、各実施の形態において共通する構成要素には同一の符号を付し、説明の重複を避ける。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係る回転機械を備えたガスタービンシステム１の一例を示す模式図である。図１に示すように、このガスタービンシステム１は、空気Ｇ１を圧縮して圧縮空気Ｇ２とする圧縮機（回転機械）２と、圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ｇ２に燃料を供給して混合して燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３で燃焼された燃焼ガスＧ３が供給されるタービン（回転機械）４と、圧縮機２内に配置された回転軸５１とタービン４内に配置された回転軸５２とを接続する回転軸５０を有するロータ５とを備える。
【００２４】
圧縮機２は、内部空間に空気Ｇ１が導入されるケーシング２Ｋを有する。圧縮機２は、ケーシング２Ｋの内部空間に導入された空気を圧縮して圧縮空気Ｇ２とする。圧縮機２には、回転軸５０を回転可能に支持する軸受を有する支持部２Ｓが設けられている。
【００２５】
タービン４は、内部空間に燃焼ガスＧ３が導入されるケーシング４Ｋを有する。タービン４は、タービン４は、燃焼器３で発生した燃焼ガスＧ３をケーシング４Ｋの内部空間に導入して膨張させて、燃焼ガスＧ３の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。タービン４には、回転軸５０を回転可能に支持する軸受を有する支持部４Ｓが設けられている。
【００２６】
ロータ５は、ケーシング２Ｋの内部空間に配置された回転軸５１に設けられた動翼５１Ａと、ケーシング４Ｋの内部空間に配置された回転軸５２に設けられた動翼５２Ａとを有する。
【００２７】
圧縮機２は、ケーシング２Ｋに配置された静翼２Ａを有する。圧縮機２の静翼２Ａと回転軸５１に設けられた動翼５１Ａとは、回転軸５０の軸ＡＸの軸線方向と平行な方向に交互に複数配置される。
【００２８】
タービン４は、ケーシング４Ｋに配置された静翼４Ａを有する。タービン４の静翼４Ａと回転軸５２に設けられた動翼５２Ａとは、回転軸５０の軸方向に交互に複数配置される。
【００２９】
また、ガスタービンシステム１は、圧縮機２のケーシング２Ｋ内の静翼２Ａの内周部に配置され、回転軸５１の周囲をシールする軸シール装置１０と、タービン４のケーシング４Ｋ内に配置された回転軸５２の周囲をシールする軸シール装置１０と、を備える。圧縮機２に配置される軸シール装置１０は、作動気体である圧縮空気Ｇ２が高圧空間側から低圧空間側に漏出することを抑制する。また、圧縮機２の軸シール装置１０は、支持部２Ｓに配置される。タービン４に配置される軸シール装置１０は、作動気体である燃焼ガスが高圧側から低圧側に漏出することを抑制する。タービン４の軸シール装置１０は、静翼４Ａの内周部に配置される。また、タービン４の軸シール装置１０は、支持部４Ｓに配置される。
【００３０】
ガスタービンシステム１においては、燃焼器３から導入された燃焼ガスＧ３がタービン４内の動翼５２Ａに供給される。これにより、燃焼ガスＧ３の熱エネルギーが機械的な回転エネルギーに変換されて動力が発生する。タービン４で発生した動力の一部は、回転軸５０を介して圧縮機２に伝達される。タービン４で発生した動力の一部は、圧縮機２の動力として利用される。
【００３１】
次に、図２を参照して本実施の形態に係る軸シール装置１０について説明する。図２は、本実施の形態に係る軸シール装置１０の概略を示す断面模式図であり、図３は、本実施形態に係る軸シール装置１０の一部を模式的に示す斜視図であり、図４は、本実施の形態に係る回転軸５０の軸ＡＸを含む軸シール装置１０の概略を示す断面図である。図５は、本実施の形態に係る軸シール装置１０の分解図である。なお、図２においては、図１のＡ―Ａ線矢視断面図を示し、図３においては、軸シール装置１０の一部を破断して示している。
【００３２】
以下の説明においては、圧縮機２及びタービン４のそれぞれに設けられた軸シール装置１０のうち、タービン４に設けられた軸シール装置１０について説明する。なお、圧縮機２に設けられた軸シール装置１０の構成は、タービン４に設けられた軸シール装置１０の構成と同様である。
【００３３】
図２〜図５に示すように、に示すように、軸シール装置１０は、回転軸５２の周囲に配置される複数のシールセグメント１１を有する。各シールセグメント１１は、軸ＡＸと直交する平面内において円弧状の形状を有している。本実施の形態においては、シールセグメント１１は、回転軸５０の周囲に８つ配置される。
【００３４】
シールセグメント１１は、回転軸５０の周囲に配置される複数のリーフ（薄板）２０と、リーフ２０を保持する保持リング１３及び保持リング１４を含む保持部材１３４と、リーフ２０と保持部材１３４との間に配置される背面スペーサ１５と、回転軸５０の軸方向Ｄ１におけるリーフ２０の一端側に配置された高圧側サイドシール板１６と、回転軸５０の軸方向Ｄ１におけるリーフ２０の他端側に配置された低圧側サイドシール板１７とを備える。
【００３５】
シールセグメント１１は、静翼４Ａに相当するハウジング９の凹部９ａに挿入され、少なくとも一部がハウジング９の凹部９ａに配置される。凹部９ａは、回転軸５２の外周面に面する開口９ｋを有する。凹部９ａは、回転軸５０の周方向Ｄ２に延在する。凹部９ａの外側に、リーフ２０の一部が突出する。なお、ハウジング９は、静翼２Ａ、支持部２Ｓ、及び支持部４Ｓにもそれぞれ設けられている。
【００３６】
リーフ２０は、回転軸５２の周方向Ｄ２おける可撓性を有する板状部材であり、弾性変形可能である。本実施の形態においては、リーフ２０は、薄い鋼板である。リーフ２０の表面の法線は、回転軸５２の回転方向である周方向Ｄ２と略平行である。リーフ２０の幅方向は、回転軸５２の軸方向とほぼ一致する。リーフ２０の厚さ方向は、回転軸５２の周方向Ｄ２とほぼ一致する。このような構成により、リーフ２０は、回転軸５２の軸方向Ｄ１に高い剛性を有する。
【００３７】
リーフ２０は、回転軸５２の周方向Ｄ２に間隔をあけて複数配置される。リーフ２０と、当該リーフ２０に隣り合うリーフ２０との間に隙間Ｓが形成される。複数のリーフ２０によって複数のリーフ２０の集合体（積層体）であるリーフ積層体１２が形成される。
【００３８】
複数のリーフ２０からなるリーフ積層体１２は、回転軸５２の周囲をシールすることによって、回転軸５２の周囲の空間を回転軸５２の軸方向Ｄ１において２つの空間に区分する。本実施の形態においては、リーフ積層体１２は、回転軸５２の周囲の空間を高圧空間と当該高圧空間よりも相対的に圧力が低い低圧空間とに区分する。
【００３９】
複数のリーフ２０は、回転軸５２の軸ＡＸに対して直交する径方向Ｄ３における外側の基端部（外側端部）２０ａと、内側の先端部（内側端部）２０ｂと、回転軸５０の軸方向における高圧空間側の側端部２０ｃと、低圧空間側の側端部２０ｄとをそれぞれ有する。
【００４０】
以下の説明においては、複数のリーフ２０の基端部２０ａを合わせてリーフ積層体１２の基端部１２ａともいい、複数のリーフ２０の先端部２０ｂを合わせてリーフ積層体１２の先端部１２ｂともいい、複数のリーフ２０の側端部２０ｃを合わせてリーフ積層体１２の側端部１２ｃともいい、複数のリーフ２０の側端部２０ｄを合わせてリーフ積層体１２の側端部１２ｄともいう。基端部１２ａは、複数の基端部２０ａの集合体である。先端部１２ｂは、複数の先端部２０ｂの集合体である。側端部１２ｃは、複数の側端部２０ｃの集合体である。側端部１２ｄは、複数の側端部２０ｄの集合体である。
【００４１】
基端部１２ａは、回転軸５２の径方向における外側に向けられる。先端部１２ｂは、回転軸５２の外周面と対向するように、回転軸５２の径方向における内側に向けられる。また、先端部１２ｂ（先端部２０ｂ）は、開口９ｋを介して凹部９ａの外側に配置される。側端部１２ｃは、回転軸５２の軸方向における一端側である高圧空間側に向けられる。側端部１２ｄは、回転軸５２の軸方向における他端側である低圧空間側に向けられる。
【００４２】
本実施の形態においては、複数のリーフ２０の基端部２０ａは、それぞれ背面スペーサ１５に固定されて固定端となる。また、複数のリーフ２０の先端部２０ｂは、それぞれ固定されない自由端となる。複数のリーフ２０（リーフ積層体１２）は、基端部２０ａが固定された状態で保持部材１３４に保持される。
【００４３】
リーフ２０は、基端部２０ａが設けられる頭部２１と、先端部２０ｂ、側端部２０ｃ、及び側端部２０ｄが設けられ、弾性変形可能な胴部２２とを有する。回転軸５２の軸方向であるリーフ２０の幅方向における胴部２２の寸法は、頭部２１の寸法よりも小さい。回転軸５２の周方向である厚さ方向における胴部２２の寸法は、頭部２１の寸法よりも小さい。胴部２２は、胴部２２の頭部２１との境界部に切欠部２０ｘ及び切欠部２０ｙが設けられている。頭部２１は、切欠部２０ｘ及び切欠部２０ｙより基端部２０ａ側がそれぞれ幅方向に突出した側方突出部２１ｃ及び側方突出部２１ｄとなっている。本実施の形態においては、複数のリーフ２０は、頭部２１の側方突出部２１ｃ及び側方突出部２１ｄのそれぞれにおいて溶接により接続される。
【００４４】
保持部材１３４は、ハウジング９に支持され、リーフ積層体１２を保持する。ハウジング９は、凹部９ａの内側に保持部材１３４を支持する支持面９ｓを有する。保持部材１３４は、支持面９ｓに支持される。
【００４５】
保持部材１３４は、回転軸５２の周方向Ｄ２に延在する円弧状の部材である保持リング１３及び保持リング１４を含む。保持リング１３は、リーフ２０の側方突出部２１ｃを含む頭部２１の一部が配置される凹部１３ａを有する。保持リング１４は、リーフ２０の側方突出部２１ｄを含む頭部２１の一部が配置される凹部１４ａを有する。背面スペーサ１５は、リーフ２０の頭部２１と保持リング１３及び保持リング１４との間に配置される。リーフ２０は、頭部２１が背面スペーサ１５を介して凹部１３ａ及び凹部１４ａにはめ込まれる。これにより、リーフ積層体１２が保持部材１３４に保持される。
【００４６】
高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０（リーフ積層体１２）に隣接するように高圧空間に配置される。低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０（リーフ積層体１２）に隣接するように低圧空間に配置される。高圧側サイドシール板１６は、高圧空間においてリーフ積層体１２の側端部１２ｃの一部と対向するように配置される。低圧側サイドシール板１７は、低圧空間においてリーフ積層体１２の側端部１２ｄの一部と対向するように配置される。
【００４７】
高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０の側端部２０ｃ（リーフ積層体１２の側端部１２ｃ）の少なくとも一部と対向する対向面１６１と、対向面１６１の反対方向を向く表面１６２とを有する。高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０の切欠部２０ｘに配置される凸部１６ａを有する。切欠部２０ｘに配置された凸部１６ａは、リーフ２０（リーフ積層体１２）及び保持リング１３により固定される。
【００４８】
本実施の形態においては、高圧側サイドシール板１６の先端部１６３は、リーフ２０の先端部２０ｂよりも回転軸５２から離れている。高圧側サイドシール板１６は、径方向において基端部２０ａ側の側端部２０ｃ（側端部１２ｃ）の一部と対向し、先端部２０ｂ側の側端部２０ｃ（側端部１２ｃ）の一部と対向しない。
【００４９】
低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０の側端部２０ｄ（リーフ積層体１２の側端部１２ｄ）の少なくとも一部と対向する対向面１７１と、対向面１７１の反対方向を向く表面１７２とを有する。低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０の切欠部２０ｙに配置される凸部１７ａを有する。切欠部２０ｙに配置された凸部１７ａは、リーフ２０（リーフ積層体１２）及び保持リング１４により固定される。
【００５０】
本実施の形態においては、低圧側サイドシール板１７の先端部１７３は、リーフ２０の先端部２０ｂよりも回転軸５２から離れている。低圧側サイドシール板１７は、径方向に関して基端部２０ａ側の側端部２０ｄ（側端部１２ｄ）の一部と対向し、先端部２０ｂ側の側端部２０ｄ（側端部１２ｄ）の一部と対向しないように配置される。
【００５１】
また、本実施の形態においては、低圧側サイドシール板１７の先端部１７３は、高圧側サイドシール板１６の先端部１６３よりも回転軸５２から離れている。本実施の形態において、回転軸５２の径方向Ｄ３において、高圧側サイドシール板１６の寸法は、低圧側サイドシール板１７の寸法よりも大きい。
【００５２】
次に、図６Ａ〜図６Ｃを参照して、本実施の形態に係るリーフ２０について詳細に説明する。図６Ａは、本実施の形態に係るリーフ２０の一例を示す平面図であり、図６Ｂは、図６ＡのＶＩＢ−ＶＩＢ線における矢視断面図であり、図６Ｃは、図６ＡのＶＩＣ−ＶＩＣ線における矢視断面図である。
【００５３】
図６Ａ〜図６Ｃに示すように、本実施の形態に係るリーフ２０は、金属材料を含有する金属母材２０１を有する。この金属母材２０１は、硬化処理によってリーフ２０の少なくとも一部に設けられ、リーフ２０のねじれ剛性を向上させる硬化処理部２０２を有する。本実施の形態では、硬化処理部２０２は、平面視において回転軸５２（図４参照）の軸方向に沿った金属母材２０１の幅方向Ｘの一端側の側端部２０ｃから他端側の側端部２０ｄに向けて複数が並設される。また、硬化処理部２０２は、金属母材２０１の表面２０１ａから所定範囲に亘って設けられる。硬化処理部２０２は、例えば、金属母材２０１の加熱処理による時効硬化で設けてもよく、金属母材２０１をレーザーピーニング処理により硬化して設けてもよく、金属母材２０１がショットピーニング処理により硬化して設けてもよい。
【００５４】
図７は、レーザーを用いた金属母材２０１の加熱処理の説明図である。なお、図７においては、縦軸に金属母材２０１の硬さを示し、横軸にレーザーを用いた金属母材２０１の時効処理の温度及び時間を示している。図７に示すように、リーフ２０の金属母材２０１としては、例えば、所定の硬度（Ｐ１参照）を有する溶体化処理が施されたものが用いられる。この金属母材２０１にレーザーを照射して加熱する時効処理を施すと、金属母材２０１は、レーザーが照射された照射領域の硬さが増大して時効硬化する。このように硬化処理部２０２を設けることにより、リーフ２０の一端側の側端部２０ｃから他端側の側端部２０ｄに向けてリーフ２０の強度が向上するので、リーフ２０のねじれ剛性を向上させることが可能となる。また、この硬化処理部２０ａを設けることにより、リーフ２０の先端部２０ｂと回転軸５２とが接触してリーフ２０が摩耗した際に、金属母材２０１の硬化処理部２０ａが露出して回転軸５２と接触する。これにより、リーフ２０は、先端部２０ｂの摩耗を防ぐことが可能となり、先端部２０ｂと回転軸５２との間の間隔を小さく保つことができるので、リーフ装置１０のシール性能の劣化を防止できる。
【００５５】
金属母材２０１として用いられる金属材料としては、アルミニウム及びチタンの含有量の合計が１質量％以上であるＮｉ基合金を含有することが好ましい。この構成により、６００℃級の高温下で使用可能な高温強度及び耐酸化性を具備することができるので、リーフ間の隙間に発生し得る酸化スケールによるリーフ同士の固着に伴う、リーフの浮上性能の低下によるリーフとロータとの接触を防ぐことが可能となる。またこのような合金を用いることにより、引張り強度、疲労強度及びクリープ破断強度などの強度が良好となり、高温下の優れた耐酸化性、応力腐食割れ及び孔食に対する耐性が得られる。また、Ｎｉ基合金としては、上述した作用効果を一層向上する観点から、時効処理により高温強度を向上させた析出型のＮｉ基合金が好ましい。また、リーフ２０には、基材とは異なる時効硬化による硬化が大きい異種材料を積層させることにより、１種類の材料で構成した場合よりも大きい硬度差を付与してもよい。
【００５６】
なお、上述した実施の形態では、レーザーの照射などによる時効処理で金属母材２０１に硬化処理部２０２を設ける例について説明したが、レーザーの照射による時効処理で軟化した軟化部を設けてもよい。この場合であっても、レーザーの非照射領域の強度と照射領域の強度とを異ならせることができるので、リーフ２０のねじれ剛性を向上させることが可能となる。
【００５７】
図８は、本実施の形態に係るリーフ２０の他の例を示す平面図である。図８に示す例では、硬化処理部２０２は、リーフ２０の対角線上に設けられている。この硬化処理部２０２は、金属母材２０１の幅方向Ｘの一端側の角部２０ｅから他端側の角部２０ｆに向けた対角線上に２つ設けられる。このように硬化処理部２０２を設けた場合であっても、硬化処理部２０２が金属母材２０１の梁として機能するので、リーフ２０のねじれ剛性を向上させることができる。また、硬化処理部２０２は、作動流体である燃焼排ガスによりリーフ２０部分に発生する圧力分布の等圧線と交差する方向に設けてもよい。
【００５８】
図９Ａは、本実施の形態に係るリーフ２０の別の例を示す平面図であり、図９Ｂは、図９ＡのＩＸＢ−ＩＸＢ線における矢視断面図であり、図９Ｃは、図９ＡのＩＸＣ−ＩＸＣ線における矢視断面図であり、図９Ｄは、図９ＡのＩＸＤ−ＩＸＤ線における矢視断面図である。
【００５９】
図９Ａ〜図９Ｄに示す例では、リーフ２０は、回転軸５２の軸方向の少なくとも一端側の回転軸５２の径方向である他端側の側端部２０ｄに沿った所定範囲に金属母材２０１が硬化した硬化処理部２０２が設けられている。このようにリーフ２０の一端側の金属母材２０１を未処理の状態とし、他端側を硬化処理部２０２とすることによっても、リーフ２０にねじれ剛性を付与することができると共に、疲労損傷が生じる片側のみを硬化させて疲労強度を高めることができるので、リーフ２０の疲労損傷を防ぐことが可能となる。
【００６０】
図１０Ａ〜図１０Ｃは、本実施の形態に係るリーフ２０の別の例を示す平面図であり、図１０Ｂは、図１０ＡのＸＢ−ＸＢ線における矢視断面図であり、図１０Ｃは、図１０ＡのＸＣ−ＸＣ線における矢視断面図である。
【００６１】
図１０Ａ〜図１０Ｃに示す例では、リーフ２０は、第１金属材料を含有する第１の金属母材２０１と第２金属材料を含有する第２の金属母材２０３とが積層されてなる。このリーフ２０は、圧延及び圧着などによりクラッド構造材として用いられる。第１の金属部材２０１は、図６Ａ〜図６Ｄに示した例と同様に、リーフ２０の一端側の側端部２０ｃから他端側の側端部２０ｄに向けて設けられた硬化処理部２０２を有する。第２金属材料としては、第１金属材料と組成が異なる時効硬化による硬化が大きい金属材料を用いてもよく、第１金属材料と同一の組成で異なる熱処理が施されたものを用いてもよい。この場合には、例えば、第２金属材料として時効処理材を用い、第１金属材料として溶体化処理材を用いてもよい。このように、第１の金属母材２０１と第２の金属母材２０３とを積層することにより、リーフ２０のねじれ剛性が更に向上するので、リーフ２０の疲労破壊をより一層低減できる。
【００６２】
次に、軸シール装置１０の使用時におけるリーフ２０の燃焼ガスＧ３の流れについて説明する。図１１は、軸シール装置１０の使用時の燃焼ガスＧ３の流れの説明図であり、図１２は、軸シール装置１０の使用時のリーフ２０の説明図である。
【００６３】
図１１に示すように、本実施の形態に係る軸シール装置１０においては、使用時には燃焼ガスＧ３が回転軸５２とリーフ２０の先端部２０ｂとの間を流れると共に、燃焼ガスＧ３の一部がリーフ２０間に不均一に生じた隙間Ｓ１を介して高圧空間側から低圧空間側に流れる。このため、図１２に示すように、リーフ２０を流れる燃焼ガスＧ３により、リーフ２０に流体ばねの剛性に基づく振動伝搬現象が発生しし、リーフ２０の先端部２０ｂに振れが生じて先端部２０ｂに過大な応力が作用して疲労損傷が発生する場合がある。
【００６４】
図１３は、本実施の形態に係る軸シール装置１０の使用時のリーフ２０の説明図である。図１３に示すように、本実施の形態にリーフ２０は、上述したように、金属母材２０１に設けた硬化処理部２０２によりリーフ２０のねじれ剛性が向上するので、先端部２０ｂのバタツキを防ぐことができ、リーフ２０の疲労損傷を防ぐことが可能となる。
【００６５】
図１４は、本実施の形態に係る軸シール装置１０のロータ５の回転軸５２の軸線を含む断面の拡大図である。なお、図１４においては、リーフ２０を簡略的に矩形形状で示している。図１４に示すように、ロータ５の回転軸５２の軸線を含む断面視では、高圧側サイドシール板１６の長さよりも低圧側サイドシール板１７の長さを短くなっている。このため、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Ｇ３の流れにより、燃焼ガス圧がリーフ２０にかかった場合に、高圧側サイドシール板１６と対向する側端部２０ｃの間の隙間Ｄ１より、低圧側サイドシール板１７と対向する側端部２０ｄとの間の隙間Ｄ２の方を大きくなる。この結果、リーフ２０の上下面に対して、内周自由端部２０ｂ側かつ側端部２０ｃ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略三角形状のガス圧分布が形成される。このため、先端部２０ｂ側で側端部２０ｄに位置する角部をｒ３とすると、各角部のガス圧は、角部ｒ１＞角部ｒ３＞角部ｒ２となり、角部ｒ１から角部ｒ２に向けて斜めの等圧線が発生する（図１４の曲線参照）。このため、図１４に示すように、図８で説明した硬化処理部２０２を、リーフ２０における圧力分布の等圧線と交差する方向である、角部ｒ１と角部ｒ２との間の対角線に沿って設けることにより、リーフ２０に作用する燃焼ガス圧を分散できるので、リーフ２０のねじれを防ぐことができる。
【００６６】
以上説明したように、本実施の形態に係る軸シール装置１０によれば、金属母材２０１に設けられた硬化処理部２０２によってリーフ２０のねじれ剛性を向上することができるので、使用時におけるリーフ２０の疲労損傷を防ぐことが可能となる。
【符号の説明】
【００６７】
１  ガスタービンシステム
２  圧縮機（回転機械）
２Ａ  静翼
２Ｋ  ケーシング
２Ｓ  支持部
３  燃焼器
４  タービン（回転機械）
４Ａ  静翼
４Ｋ  ケーシング
５  ロータ
５０，５１，５２  回転軸
５１Ａ，５２Ａ  動翼
９  ハウジング
９ａ  凹部
９ｋ  開口
９ｓ  支持面
１０  軸シール装置
１１  シールセグメント
１２  リーフ積層体
１２ｃ  側端部
１３，１４  保持リング
１３ａ，１４ａ  凹部
１５  背面スペーサ
１６  高圧側サイドシール板
１６ａ  凸部
１６１  対向面
１６２  表面
１６３  先端部
１７  低圧側サイドシール板
１７ａ  凸部
１７１  対向面
１７２  表面
２０  リーフ
２０ａ  基端部（外側端部）
２０ｂ  内側の先端部（内側端部）
２０ｃ，２０ｄ  側端部
２０ｘ，２０ｙ  切欠部
２０１，２０３  金属母材
２０２  硬化処理部
２１  頭部
２１ｃ，２１ｄ  側方突出部
２２  胴部
ＡＸ  軸
Ｄ１  軸方向
Ｄ２  周方向
Ｄ３  径方向
Ｇ１  空気
Ｇ２  圧縮空気
Ｇ３  燃焼ガス
【図１】
0006617004.tif 000002
【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】
0006617004.tif 000008
【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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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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