(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可撓性を有する板状部材が円環状に積層されてなるシール部材であって、
前記板状部材は、第１金属材料を含有する第１金属板と、エッチング加工可能な第２金属材料を含有する第２金属板とが積層されてなり、一端側の厚さが他端側の厚さに対して相対的に小さく、
前記第２金属板は、前記第１金属板の表面の全域に配置され、一端側の厚さが他端側の厚さに対して相対的に小さいことを特徴とする、シール部材。
【請求項２】
前記板状部材は、前記他端側から前記一端側に向けて厚さが減少する、請求項１に記載のシール部材。
【請求項３】
前記板状部材は、第２金属板の表面に凸状部が設けられた、請求項１又は請求項２に記載のシール部材。
【請求項４】
前記第１金属板は、一対の前記第２金属板に挟持されてなる、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】
前記第１金属材料は、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４のいずれか１項に記載のシール部材。
【請求項６】
前記第２金属材料は、クロムの含有量が１０質量％以上であって、モリブデンの含有量が３質量％未満であるステンレス鋼及びＮｉ基合金の少なくとも１種を含む請求項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】
可撓性を有する板状部材が積層されてなるシール部材の製造方法であって、
第１金属材料を含有する第１金属板と、エッチング加工可能な第２金属材料を含有する第２金属板とを積層する積層工程と、
前記第２金属板をエッチングして前記第２金属板の一端側の厚さを他端側の厚さに対して相対的に小さくしたシール部材を得るエッチング工程と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円環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過大な応力が作用するので、リーフシールの先端部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、可撓性を有する板状部材が円環状に積層されてなるシール部材であって、前記部材は、第１金属材料を含有する第１金属板と、エッチング加工可能な第２金属材料を含有する第２金属板とが積層されてなり、一端側の厚さが他端側の厚さに対して相対的に小さいことを特徴とする。
【０００７】
本発明のシール部材によれば、第２金属板がエッチング加工可能な第２金属材料を含有するので、エッチング加工によってシール部材の一端側の厚さと他端側の厚さとを異ならせることが可能となる。これにより、シール部材は、シール部材の一端側における剛性を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、板状部材は、前記一端側から前記他端側に向けて厚さが減少することが好ましい。この構成により、シール部材は、シール部材の一端側における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、前記板状部材は、第２金属板の表面に凸状部が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、使用時にシール部材が隣接するシール部材と接触した際にダンパ効果が得られるので、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、前記第１金属板は、一対の前記第２金属板に挟持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、シール部材の一端側における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、前記第１金属材料は、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、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。
【００１２】
本発明のシール部材においては、前記第２金属材料は、クロムの含有量が１０質量％以上であって、モリブデンの含有量が３質量％未満であるステンレス鋼及びＮｉ基合金の少なくとも１種を含むことが好ましい。この構成により、６００℃級の高温下での耐酸化性が向上すると共に、エッチング液に対する耐食性が上がりすぎによるエッチング加工精度の低下を防ぐことができるので、第２金属板の板厚方向の高精度なエッチング加工が可能となり、シール部材の任意の形状への板厚方向の加工が容易となる。
【００１３】
本発明のシール部材の製造方法は、可撓性を有する板状部材が積層されてなるシール部材の製造方法であって、第１金属材料を含有する第１金属板と、エッチング加工可能な第２金属材料を含有する第２金属板とを積層する積層工程と、前記第２金属板をエッチングして前記第２金属板の一端側の厚さを他端側の厚さに対して相対的に小さくした軸シール部材を得るエッチング工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
本発明のシール部材の製造方法によれば、第２金属板がエッチング加工可能な第２金属材料を含有するので、エッチング加工によってシール部材の一端側の厚さと他端側の厚さとを異ならせることが可能となる。これにより、シール部材の製造方法により得られるシール部材は、シール部材の一端側における剛性を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防ぐことが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
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】
【００１６】
【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６Ｄ】図６Ｄは、図６ＡのＶＩＣ−ＶＩＣ線における矢視断面図である。
【図７Ａ】図７Ａ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７Ｂ】図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線における矢視断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７ＡのＶＩＩＣ−ＶＩＩＣ線における矢視断面図である。
【図８Ａ】図８Ａ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８Ｂ】図８Ｂは、図８ＡのＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線における矢視断面図である。
【図８Ｃ】図８Ｃは、図８ＡのＶＩＩＩＣ−ＶＩＩＩＣ線における矢視断面図である。
【図９】図９は、一般的な軸シール装置の使用時の流体の流れの説明図である。
【図１０】図１０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１１】図１１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明図である。
【図１２】図１２は、第２金属材料におけるクロム（Ｃｒ）含有量とモリブデン（Ｍｏ）含有量との関係を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態に係るリーフシールの製造方法のフロー図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の実施の形態に係るリーフシールの製造方法の説明図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の実施の形態に係るリーフシールの製造方法の説明図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、本発明の実施の形態に係るリーフシールの製造方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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（板状部材：シール部材）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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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が積層された集合体（積層体）であるリーフ積層体１２が形成される。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、図６Ａ〜図６Ｄ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及び図６Ｄは、図６ＡのＶＩＣ−ＶＩＣ線における矢視断面図である。
【００４８】
図６Ａ〜図６Ｄに示すように、本実施の形態に係るリーフ２０は、可撓性を有する板状部材であり、高温（例えば、５００℃以上７００℃以下）での高温強度及び耐酸化性を有する第１金属材料を含有する第１金属板２０１と、耐酸化性を有すると共にエッチング加工可能な第２金属材料を含有する第２金属板２０２とが積層されてなる。このリーフ２０は、高圧空間側に配置されるリーフ２０の一端側の側端部２０ｃの厚さｄ１が低圧空間側に配置される他端側の側端部２０ｄの厚さｄ２に対して相対的に小さく形成される。第１金属板２０１の厚さｄ３は略均一である。本実施の形態においては、第１金属板２０１と第２金属板２０２とを圧延及び圧着などによりクラッド構造材とした後、第２金属板２０２の他端側をエッチングして第２金属板２０２の他端側の厚さｄ４を一端側の厚さｄ５に対して小さくする。このように、高温強度及び耐酸化性に優れた第１金属板２０１と耐酸化性を有すると共にエッチング可能な第２金属板２０２とを積層することにより、リーフ２０の高温での耐酸化性及び強度を損なうことなく、第２金属板２０２の厚さをエッチングで変化させることができる。これにより、リーフ２０は、リーフ２０の低圧空間側の剛性を増大させることができるので、リーフ２０の使用時の疲労損傷を防止することが可能となる。厚さｄ４と厚さｄ５の差は、リーフ間隙間が、例えば、０μｍ以上１００μｍ以下の差となるよう選定される。
【００４９】
リーフ２０の厚さは、一端側から他端側に向けて厚さが減少すれば特に制限はない。リーフ２０は、一端側から他端側に向けて厚さが連続的に減少するテーパー形状であってもよく（図６Ｃ参照）、一端側から他端側に向けて厚さが段階的に変化する形状であってもよい（図６Ｄ参照）。これらの中でも、リーフ２０としては、リーフ２０の可撓性を向上して軸シール装置１０の使用時のもれ損失を低減する観点から、一端側から他端側に向けて厚さが連続的に減少するテーパー形状が好ましく、またリーフ２０の製造時のエッチング加工を容易にする観点から、一端側から他端側に向けて厚さが段階的に変化する形状が好ましい。
【００５０】
図７Ａ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り、図７Ｂは、図７ＡのＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線における矢視断面図であり、図７Ｃは、図７ＡのＶＩＩＣ−ＶＩＩＣ線における矢視断面図である。
【００５１】
図７Ａに示すリーフ２０は、高温強度及び耐酸化性を有する第１金属材料を含有する第１金属板２０１と、この第１金属板２０１の一方の主面上に積層され、耐酸化性を有すると共にエッチング加工可能な第２金属材料を含有する第２金属板２０２Ａと、この第１金属板２０１の他方の主面上に積層され、耐食性を有すると共にエッチング加工可能な第２金属材料を含有する第２金属板２０２Ｂとが積層されてなる。このリーフ２０は、図６Ａ〜図６Ｄに示したリーフ２０と同様に、高圧空間側に配置されるリーフ２０の一端側の側端部２０ｃにおける厚さｄ１が低圧空間側に配置される他端側の厚さｄ２に対して相対的に小さく形成される。第１金属板２０１の厚さｄ３は略均一である。
【００５２】
本実施の形態においては、第１金属板２０１、第２金属板２０２Ａ及び第２金属板２０２Ｂを圧延及び圧着などによりクラッド構造材とした後、第２金属板２０２Ａ及び第２金属板２０２Ｂの他端側をそれぞれエッチングして第２金属板２０２Ａの一端側の厚さｄ４を他端側の厚さｄ５に対して小さくすると共に、第２金属板２０２Ｂの一端側の厚さｄ６を一端側の厚さｄ７に対して小さくする。このように一対の第２金属板２０２Ａ，２０２Ｂで第１金属板２０１を挟持することにより、低圧空間側に配置されるリーフ２０の一端側の強度を更に増大させることができるので、リーフ２０の剛性をより向上して疲労損傷を低減できる。なお、図７Ａ〜図７Ｃに示す例では、一対の第２金属板２０２Ａ，２０２Ｂをそれぞれエッチングした例について説明したが、必ずしも一対の第２金属板２０２Ａ，２０２Ｂをそれぞれエッチングする必要はなく、少なくとも一方の第２金属板２０２Ａ及び第２金属板２０２Ｂをエッチングすればよい。また、第２金属板２０２Ａ，２０２Ｂは、リーフ２０の一端側から他端側に向けて厚さが連続的に変化してもよく、段階的に変化してもよい。
【００５３】
図８Ａ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８Ｂは、図８ＡのＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ線における矢視断面図であり、図８Ｃは、図８ＡのＶＩＩＩＣ−ＶＩＩＩＣ線における矢視断面図である。図８Ａ〜図８Ｃに示すように、このリーフ２０は、図６に示したリーフ２０の構成に加えて第２金属板２０２の表面２０２ａに凹部２０２ｂが設けられている。この凹部２０２ｂは、例えば、第２金属板２０２のエッチング加工などにより設けられる。このようにリーフ２０に凹部２０２ｂを設けて第２金属板２０２の表面２０２ａに、凹部２０２ｂの底部から突出した凸状部（２０２ａ参照）を設けることにより、軸シール装置１０の使用時に、隣接するリーフ２０同士が接触した際にダンパ効果が作用してリーフ２０に作用する衝撃が緩和されるので、より一層リーフ２０の疲労損傷を防ぐことが可能となる。なお、図８Ａ〜図８Ｃに示した例では、第２金属板２０２の表面２０２ａに規則的に凹部２０２ｂを設けて凹凸構造とした例にについて説明したが、第２金属板２０２の表面２０２ａには必ずしも凹凸構造を設ける必要はなく、例えば、第２金属板２０２の表面２０２ａに不規則に突起などを凸状部として設けてもよい。
【００５４】
次に、一般的な軸シール装置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９は、一般的な軸シール装置１０の使用時の燃焼ガスＧ３の流れの説明図であり、図１０は、一般的な軸シール装置１０の使用時のリーフ２０の説明図である。
【００５５】
図９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１０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。
【００５６】
図１１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。本実施の形態にリーフ２０は、上述したように、低圧空間側に配置されるリーフ２０の一端側の厚さｄ１が他端側の厚さｄ２に対して大きくなっている。これにより、リーフ２０のねじれ剛性が向上して先端部２０ｂのバタツキを防ぐことができるので、リーフ２０の疲労損傷を防ぐことが可能となる。
【００５７】
第１金属材料としては、高温での強度と耐酸化性に優れたＮｉ基合金（インコネル、ハステロイなど）が用いられる。Ｎｉ基合金としては、アルミニウム（Ａｌ）とチタン（Ｔｉ）との含有量の合計が１質量％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、軸シール装置１０は、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良い。
【００５８】
図１２は、第２金属材料におけるクロム（Ｃｒ）含有量とモリブデン（Ｍｏ）含有量との関係を示す図である。下記表１では、第２金属材料として用いられる金属材料の具体例の一例を示している。なお、図１２及び表１においては、対象の金属材料に最適なエッチング液を用いて金属材料を３分間エッチングした際に、均一な深さ（±１０μｍ）にエッチングできたものを○とし、エッチングできなかったものを×としている。また、下記表１においては、ステンレス鋼Ａ：ＳＵＳ４３０、ステンレス鋼Ｂ：ＳＵＳ３０４、Ｎｉ基合金Ａ：Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ、Ｎｉ基合金Ｂ：Ａｌｌｏｙ ６０１、Ｎｉ基合金Ｃ：Ａｌｌｏｙ ６２５、Ｎｉ基合金Ｄ：Ｎｉｍｏｎｉｃ ＰＫ３３、Ｎｉ基合金Ｅ：Ａｌｌｏｙ Ｘ７５０及びＮｉ基合金Ｆ：Ａｌｌｏｙ ７１８の金属含有量とエッチング加工の可否との関係を示している。また、図１２においては、ｂａｌ．とは、金属含有量の残部を示している。
【００５９】
【表１】
0006621303.tif 000002
【００６０】
図１２及び上記表１に示すように、第２金属材料としては、上記表１に示すように、クロム（Ｃｒ）の含有量が１０質量％以上であって、モリブデンの含有量が３質量％未満であるステンレス鋼及びＮｉ基合金の少なくとも１種を含むことが好ましい。この構成により、軸シール装置１０は、６００℃級の高温下での耐酸化性が向上すると共に、エッチング液に対する耐食性が上がりすぎによるエッチング加工精度の低下を防ぐことができるので、第２金属板の板厚方向の高精度なエッチング加工が可能となり、シール部材の任意の形状への板厚方向の加工が容易となる。Ｃｒの含有量は、一般的なステンレス鋼を用いることができる観点及び６００℃級の高温下での耐酸化性の観点から、１０質量％以上が好ましい。また、モリブデン（Ｍｏ）は、３質量％未満であれば、エッチング液に対する耐食性が上がりすぎによる板厚方向のエッチング加工の精度の低下をふせぐことができる。以上の観点から、第２金属材料としては、ステンレス鋼及びＮｉ基合金としては、Ｃｒの含有量は、１２．５質量％以上がより好ましく、１５質量％以上が更に好ましく、またＭｏ含有量は、２質量％以下がより好ましく、１質量％以下が更に好ましい。
【００６１】
次に、図１３を参照して、本実施の形態に係るリーフシール２０の製造方法について説明する。図１３は、本実施の形態に係るリーフシール２０の製造方法のフロー図である。図１３に示すように、本実施の形態に係るリーフシール２０の製造方法は、第１金属材料を含有する第１金属板２０１と、エッチング加工可能な第２金属材料を含有する第２金属板２０２とを積層する積層工程ＳＴ１１と、第２金属板２０２をエッチングして第２金属板２０２の一端側の厚さｄ４を他端側の厚さｄ５に対して小さくしたリーフシール２０を得るエッチング工程ＳＴ１２とを含む。
【００６２】
図１４Ａ〜図１４Ｃは、本実施の形態に係るリーフシール２０の製造方法の説明図である。図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、積層工程ＳＴ１１では、第２金属板２０２に対して相対的に強度が高い第１金属板２０１とエッチング加工可能な第２の金属板２０２とを圧延及び圧着などにより積層してラッド構造体とする。次に、図１３Ｃに示すように、第２の金属板２０２をエッチング加工して一端側の側端部２０ｃの厚さｄ１が他端側２０ｄの厚さｄ２に対して相対的に小さいリーフ２０を得る。エッチングの条件としては、特に制限はなく、ニッケル−クロム−鉄合金をエッチング可能な従来公知のエッチング方法を適用することが可能である。
【００６３】
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、第２金属板２０２がエッチング加工可能な第２金属材料を含有するので、エッチング加工によってリーフ２０の一端側の厚さｄ１と他端側の厚さｄ２とを異ならせることが可能となる。これにより、軸シール装置１０は、リーフ２０の一端側におけるねじれ剛性を向上させ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】
【００６４】
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  第１金属板
２０２，２０２Ａ，２０２Ｂ  第２金属板
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
ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４，ｄ５，ｄ６，ｄ７  厚さ
【図１】
0006621303.tif 000003
【図２】
0006621303.tif 000004
【図３】
0006621303.tif 000005
【図４】
0006621303.tif 000006
【図５】
0006621303.tif 000007
【図６Ａ】
0006621303.tif 000008
【図６Ｂ】
0006621303.tif 000009
【図６Ｃ】
0006621303.tif 000010
【図６Ｄ】
0006621303.tif 000011
【図７Ａ】
0006621303.tif 000012
【図７Ｂ】
0006621303.tif 000013
【図７Ｃ】
0006621303.tif 000014
【図８Ａ】
0006621303.tif 000015
【図８Ｂ】
0006621303.tif 000016
【図８Ｃ】
0006621303.tif 000017
【図９】
0006621303.tif 000018
【図１０】
0006621303.tif 000019
【図１１】
0006621303.tif 000020
【図１２】
0006621303.tif 000021
【図１３】
0006621303.tif 000022
【図１４Ａ】
0006621303.tif 000023
【図１４Ｂ】
0006621303.tif 000024
【図１４Ｃ】
0006621303.tif 000025