(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の外周側で該回転軸の周方向に延びるリテーナと、
該リテーナから径方向内側に延出して、周方向に複数積層された第一薄板シール片を有する第一シール体と、
前記第一シール体と前記リテーナとに挟まれるように支持されて、前記第一シール体の軸方向一方側を周方向にわたって覆う高圧側側板と、
前記第一シール体と前記リテーナとに挟まれるように支持されて、前記第一シール体の軸方向他方側を周方向にわたって覆う低圧側側板と、
前記リテーナの周方向の端部に複数積層されて径方向内側に延出するとともに、前記第一薄板シール片よりも耐フラッタリング性の高い第二薄板シール片を有する第二シール体と、
を備え、
前記高圧側側板及び前記低圧側側板が、前記第二シール体の少なくとも周方向一部を覆っており、
前記第二シール体が、前記リテーナ及び前記第一シール体から取り外し可能であると共に、ブロック化されているシールセグメント。
【請求項２】
前記第二薄板シール片は、前記第一薄板シール片よりも剛性が大きい請求項１に記載のシールセグメント。
【請求項３】
前記第二薄板シール片は、前記第一薄板シール片よりも板厚が大きい請求項１又は２に記載のシールセグメント。
【請求項４】
前記第二薄板シール片は複数であって、前記第一薄板シール片に向かって板厚が小さくなっている請求項１から３のいずれか一項に記載のシールセグメント。
【請求項５】
前記第二薄板シール片は、前記第一薄板シール片よりも径方向内側に延出する長さが小さい請求項１から４のいずれか一項に記載のシールセグメント。
【請求項６】
前記第二薄板シール片は複数であって、前記第一薄板シール片に向かって径方向内側に延出する長さが大きくなっている請求項１から５のいずれか一項に記載のシールセグメント。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のシールセグメントを備える回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シールセグメント及び回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン、蒸気タービン等の回転機械におけるロータの周囲には、高圧側から低圧側に流れる作動流体の漏れ量を少なくするために、軸シール装置が設けられている。この軸シール装置の一例として、例えば、以下の特許文献１に記載された軸シール装置が知られている。
【０００３】
この軸シール装置は、ステータに設けられたハウジングと、多数の薄板シール片とからなるシール体と、ロータの周方向に複数に分割され、シール体の高圧側、低圧側に沿うようにそれぞれ設けられた高圧側側板、低圧側側板を備えている。そして、これら低圧側側板と高圧側側板とにより、薄板シール片の微小隙間への作動流体の流れを規制し、薄板シール片が浮上しやすい流れを作り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３０８０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、高圧側側板や低圧側側板の分割部では、薄板シール片の微小隙間への流れを規制しにくくなるため、薄板シール片の浮上性能が低下したり、薄板シール片においてフラッタリングが発生したりすることがある。
【０００６】
本発明は、薄板シール片の浮上特性の性能低下や薄板シール片に発生するフラッタリングを抑制できるシールセグメント及び回転機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様のシールセグメントは、回転軸の外周側で該回転軸の周方向に延びるリテーナと、該リテーナから径方向内側に延出して、周方向に複数積層された第一薄板シール片を有する第一シール体と、前記第一シール体と前記リテーナとに挟まれるように支持されて、前記第一シール体の軸線方向一方側を周方向にわたって覆う高圧側側板と、前記第一シール体と前記リテーナとに挟まれるように支持されて、前記第一シール体の軸線方向他方側を周方向にわたって覆う低圧側側板と、前記リテーナの周方向の端部に複数積層されて径方向内側に延出するとともに、前記第一薄板シール片よりも耐フラッタリング性の高い第二薄板シール片を有する第二シール体と、を備え、前記高圧側側板及び前記低圧側側板が、前記第二シール体の少なくとも周方向一部を覆っている。
【０００８】
本態様では、フラッタリングが発生しやすい個所において、薄板シール片が浮上しやすい流れを維持しつつ、薄膜シール片の耐フラッタリング性を高めているため、薄板シール片の浮上特性の性能低下や薄板シール片に発生するフラッタリングを抑制できる。
【０００９】
第２の態様のシールセグメントは、前記第二薄板シール片が、前記第一薄板シール片よりも剛性が大きい第１の態様のシールセグメントである。
【００１０】
本態様では、第二薄板シール片の構造や材料の選択、組み合わせによって、耐フラッタリング性を高めることができる。
【００１１】
第３の態様のシールセグメントは、前記第二薄板シール片が、前記第一薄板シール片よりも板厚が大きい第１又は第２の態様のシールセグメントである。
【００１２】
本態様では、第二薄板シール片の板厚の調整によって、耐フラッタリング性を高めることができる。
【００１３】
第４の態様のシールセグメントは複数であって、前記第二薄板シール片は、前記第一薄板シール片に向かって板厚が小さくなっている第１から第３のいずれか態様のシールセグメントである。
【００１４】
本態様では、第二薄板シール片にも浮上特性を与えることができる。
【００１５】
第５の態様のシールセグメントは、前記第二薄板シール片が、前記第一薄板シール片よりも径方向内側に延出する長さが小さい第１から第４のいずれか態様のシールセグメントである。
【００１６】
本態様では、第二薄板シール片の延出する長さの調整によって、耐フラッタリング性を高めることができる。
【００１７】
第６の態様のシールセグメントは複数であって、前記第二薄板シール片は、前記第一薄板シール片に向かって径方向内側に延出する長さが大きくなっている第１から第５のいずれか態様のシールセグメントである。
【００１８】
本態様では、第二薄板シール片にも浮上特性を与えることができる。
【００１９】
第７の態様の回転機械は、第１から６の態様のいずれかのシールセグメントを備える回転機械である。
【００２０】
本態様では、回転機械の板シール片の浮上特性の性能低下や薄板シール片に発生するフラッタリングを抑制できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のシールセグメントは、薄板シール片の浮上特性の性能低下や薄板シール片に発生するフラッタリングを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一実施形態に係るガスタービン（回転機械）の概略全体構成図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係る軸シール装置の概略構成図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント及びハウジングの周方向の断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るシールセグメントを軸方向から見た要部側面図である。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】図４におけるＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】図４におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】本発明の第一実施形態に係る第二シール体を説明する図である。
【図９】本発明の第二実施形態に係る第二シール体の側面図である。
【図１０】本発明の第三実施形態に係る第二シール体の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る各種実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
「第一実施形態」
以下、本発明の第一実施形態について詳細に説明する。なお、本実施形態においては、軸シール装置１０をガスタービン（回転機械）１に適用した例を示す。
【００２５】
図１に示すガスタービン１は、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機２と、圧縮機２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３と、回動するタービン４と、該タービン４の回動する動力の一部を圧縮機２に伝達して圧縮機２を回動させるロータ５（回転軸）とを有している。
タービン４は、燃焼器３で発生させた燃焼ガスがその内部に導入されるとともに燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換して回動する。
なお、以下の説明においては、特に言及しない限り、ロータ５の軸線Ａｘの延びる方向を単に「軸方向Ｄａ」と、ロータ５の周方向を単に「周方向Ｄｃ」と、ロータ５の径方向を単に「径方向Ｄｒ」、ロータ５の回転方向を単に「回転方向Ｂｃ」という。
【００２６】
上述のような構成のガスタービン１において、タービン４は、ロータ５に設けられた動翼７に燃焼ガスを吹き付けることで燃焼ガスの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換して動力を発生する。タービン４には、ロータ５側の複数の動翼７の他に、タービン４のケーシング８側に複数の静翼６が設けられるとともに、これら動翼７と静翼６とが、軸方向Ｄａに交互に配列されている。
動翼７は軸方向Ｄａに流れる燃焼ガスの圧力を受けて軸線回りにロータ５を回転させ、ロータ５に与えられた回転エネルギーは軸端から取り出されて利用される。静翼６とロータ５との間には、高圧側から低圧側に漏れる燃焼ガスの漏れ量を低減するための軸シールとして、軸シール装置１０が設けられている。
【００２７】
圧縮機２はロータ５にてタービン４と同軸で接続されており、タービン４の回転を利用して外気を圧縮して圧縮空気を燃焼器３に供給する。タービン４と同様に、圧縮機２においてもロータ５に複数の動翼７と、圧縮機２のケーシング９側に複数の静翼６が設けられており、動翼７と静翼６とが軸方向Ｄａに交互に配列されている。さらに、静翼６とロータ５との間においても、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装置１０が設けられている。
【００２８】
加えて、圧縮機２のケーシング９がロータ５を支持する軸受け部９ａ、及びタービン４のケーシング８がロータ５を支持する軸受け部８ａにおいても、高圧側から低圧側に圧縮空気又は燃焼ガスが漏れるのを防止する軸シール装置１０が設けられている。
【００２９】
ここで、本実施形態に係る軸シール装置１０は、ガスタービン１への適用に限定されるものではない。例えば蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の大型流体機械のように、軸の回転と流体の流動によりエネルギーを仕事に変換する回転機械全般に広く採用することができる。この場合、軸シール装置１０は、軸方向Ｄａの流体の流動を抑えるために広く用いることも可能である。
【００３０】
次に、上述のように構成されるガスタービン１に設けられる軸シール装置１０の構成について、図面を参照して説明する。図２は、軸方向Ｄａから見た図である。図２に示すように、この軸シール装置１０は、円弧状に延びる複数（本実施形態では８つ）のシールセグメント１１を備えている。複数のシールセグメント１１、周方向Ｄｃに沿って環状に配置されている。このように配置された隣り合うシールセグメント１１の周方向端部１２，１２間には、隙間ｔが形成される。
【００３１】
各シールセグメント１１の構成について、図３を参照して説明する。図３における軸シール装置１０の断面の切断位置は、図２の軸シール装置１０に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線の位置に対応する。
各シールセグメント１１は、ハウジング（静翼６、動翼７及び軸受け部８ａ，９ａに相当）３０に挿入されて、ロータ５とハウジング３０との間の環状空間における作動流体の漏れを防ぐために設置される。
【００３２】
シールセグメント１１は、第一シール体１３と、リテーナ２１，２２と、高圧側側板２３と、低圧側側板２４とを備える。
第一シール体１３は、周方向Ｄｃに沿って互いに微小間隔を空けて多重に配列された、金属製の部材である複数の第一薄板シール片２０を備える。当該複数の第一薄板シール片２０は、ロータ５の周方向Ｄｃの一部領域において、周方向Ｄｃ（回転方向Ｂｃ）に沿って積層されており、軸方向Ｄａからみて全体として円弧帯状をなしている。
リテーナ２１，２２は、第一薄板シール片２０の外周側基端２７において第一薄板シール片２０を両側から挟持するように構成されている。リテーナ２１，２２の周方向Ｄｃおける断面は略Ｃ字型に形成されている。また、リテーナ２１，２２の軸方向Ｄａおける断面は円弧帯形状に形成されている。
高圧側側板２３は、第一薄板シール片２０の高圧側領域に対向する一方の縁端とリテーナ２１とによって挟持されている。よって、高圧側側板２３は、複数の第一薄板シール片２０の高圧側側面を、軸方向Ｄａの高圧側から覆うように径方向Ｄｒ及び周方向Ｄｃに延びている。
低圧側側板２４は、第一薄板シール片２０の低圧側領域に対向する他方の縁端とリテーナ２２とによって挟持されている。よって、低圧側側板２４は、複数の第一薄板シール片２０の低圧側側面を、軸方向Ｄａの低圧側から覆うように径方向Ｄｒ及び周方向Ｄｃに延びている。
【００３３】
上述のように構成された第一シール体１３において、第一薄板シール片２０は外周側基端２７の幅（軸方向Ｄａの幅）に比べて内周側の幅（軸方向Ｄａの幅）が小さくなる略Ｔ字型の薄い鋼板によって構成されている。その両方の側縁には、その幅が小さくなる位置において切り欠き部２０ａ，２０ｂが形成されている。
隣接する複数の第一薄板シール片２０は、外周側基端２７において、例えば溶接によって互いに固定連結されている。
【００３４】
第一薄板シール片２０は、周方向Ｄｃにおいて、板厚に基づく所定の剛性を有している。さらに、第一薄板シール片２０と回転方向Ｂｃに対してロータ５の周面となす角が鋭角となるようにリテーナ２１，２２に固定されている。
したがって、第一薄板シール片２０は、径方向Ｄｒ内側に向かうにしたがって、回転方向Ｂｃ前方側に延出している。
【００３５】
このように構成されたシールセグメント１１においては、ロータ５が静止している際には各第一薄板シール片２０の先端がロータ５と接触している。そして、ロータ５が回転すると該ロータ５の回転によって生じる動圧効果により、第一薄板シール片２０の先端がロータ５の外周から浮上してロータ５と非接触状態となる。このため、このシールセグメント１１では、各第一薄板シール片２０の磨耗が抑制され、シール寿命が長くなる。
【００３６】
高圧側側板２３及び低圧側側板２４には、軸方向Ｄａの幅において、その外周側が広くなるように嵌込段差部２３ａ，２４ａが設けられており、この嵌込段差部２３ａ，２４ａは、それぞれが第一薄板シール片２０の切り欠き部２０ａ，２０ｂに嵌め込まれている。
【００３７】
さらに、リテーナ２１は、複数の第一薄板シール片２０の外周側基端２７における一方の側縁（高圧側）に対面する面に、凹溝２１ａを有している。リテーナ２２は、複数の第一薄板シール片２０の外周側基端２７における他方の側縁（低圧側）に対面する面に、凹溝２２ａを有している。切り欠き部２０ａ，２０ｂに高圧側側板２３及び低圧側側板２４のそれぞれの嵌込段差部２３ａ，２４ａが嵌め込まれた複数の第一薄板シール片２０に対し、その外周側における一方の側縁（高圧側）にリテーナ２１の凹溝２１ａが嵌め込まれている。さらに、その外周側における他方の側縁（低圧側）がリテーナ２２の凹溝２２ａに嵌め込まれている。このような構成により、各第一薄板シール片２０がリテーナ２１，２２に固定される。
【００３８】
ハウジング３０の内周壁面には、環状の凹溝３１が形成されている。環状の凹溝３１は、ロータ５の軸方向において外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、第一薄板シール片２０の一方の側縁（高圧側）及び他方の側縁（低圧側）に対向する側面に段差が設けられた形状とされている。そして、この段差における外周側を向く面にリテーナ２１，２２の内周側を向く面が当接するようにして、ハウジング３０の凹溝３１内に、第一薄板シール片２０、リテーナ２１，２２、高圧側側板２３及び低圧側側板２４が嵌め込まれている。第一薄板シール片２０の内周側端部２６が高圧側側板２３よりもロータ５側に突出している。一方で、第一薄板シール片２０の内周側端部２６は低圧側側板２４よりもロータ５側に突出しているが、その突出量は高圧側よりも大きく設定されている。すなわち、第一薄板シール片２０は高圧側よりも低圧側において作動流体Ｇに対してより大きく露出している。言い換えると、高圧側側板２３は第一薄板シール片２０の側面におけるより広い範囲を作動流体Ｇから遮蔽している。
【００３９】
高圧側側板２３は、作動流体Ｇの流れによる圧力によって、第一薄板シール片２０の側面２０ｃに密着することで、作動流体Ｇが複数の第一薄板シール片２０間の隙間に大きく流れ込むことを防ぐ。よって、高圧側側板２３は、複数の第一薄板シール片２０間の隙間部分において、内周側端部２６から外周側基端２７へ向かう上向き流れを作り出し、流体力で第一薄板シール片２０の内周側端部２６を浮上させ、非接触化させている。
また、低圧側側板２４は、高圧側側板２３と第一薄板シール片２０により押されてハウジング３０の内周壁面の低圧側壁面３２に密着する。低圧側側板２４は、高圧側側板２３よりも内径が大きくなっており、複数の第一薄板シール片２０間の隙間の流れを浮上しやすい流況にしている。
【００４０】
図４に示すように、本実施形態のシールセグメント１１は、第一シール体１３の周方向Ｄｃ両端側にさらに第二シール体３３を備える。
第二シール体３３及びその周辺の構造について、図４〜図８を参照して説明する。
【００４１】
第二シール体３３は、複数の第二薄板シール片４０を有する。
複数の第二薄板シール片４０は、複数の第一薄板シール片２０の周方向Ｄｃの隣に配置される複数の第二主薄板シール片６０と、さらに周方向Ｄｃの隣に配置される複数の第二副薄板シール片８０とを備える。
リテーナ２１，２２の周方向Ｄｃの端部に、複数の第二主薄板シール片６０、続いて複数の第二副薄板シール片８０が周方向Ｄｃに積層されている。
積層された各第二主薄板シール片６０及び各第二副薄板シール片８０は、径方向Ｄｒ内側に延出している。
第二主薄板シール片６０は、周方向Ｄｃに沿って互いに微小間隔を空けて多重に配列された、金属製の部材である複数の第二主薄板シール片６０を備える。
第二副薄板シール片８０は、周方向Ｄｃに沿って互いに微小間隔を空けて多重に配列された、金属製の部材である複数の第二副薄板シール片８０を備える。
【００４２】
図４に示すように、高圧側側板２３は、複数の第一薄板シール片２０の高圧側側面を覆うと共に、複数の第二主薄板シール片６０の高圧側側面を、軸方向Ｄａの高圧側から覆うように周方向Ｄｃにさらに延びている。
同様に、図４に示されない低圧側側板２４も、上記のとおり複数の第一薄板シール片２０の低圧側側面を覆うと共に、第二主薄板シール片６０の低圧側側面を、軸方向Ｄａの低圧側から覆うように周方向Ｄｃにさらに延びている。
したがって、高圧側側板２３及び前記低圧側側板２４は、第一シール体１３の軸線方向側面を周方向Ｄｃにわたって覆うと共に、第二シール体３３の軸線方向側面の少なくとも周方向Ｄｃ一部を覆っている。
【００４３】
よって、第二主薄板シール片６０は、高圧側側板２３と低圧側側板２４との間に嵌め込まれる構造となっており、第一薄板シール片２０と同様に、軸方向Ｄａに対向する高圧側側板２３と低圧側側板２４との間に配置されている。
【００４４】
高圧側側板２３は、周方向Ｄｃの縁部であって、外径側縁部２３ｂから径方向Ｄｒ内側に向かうに従って回転方向Ｂｃ前方側に延びて内径側縁部２３ｃに接続される周方向縁部２３ｄを有している。
本実施形態において、高圧側側板２３は、周方向Ｄｃについて、第二主薄板シール片６０の高圧側側面と第二副薄板シール片８０の高圧側側面との境界まで延びており、周方向縁部２３ｄは、当該境界に位置している。
【００４５】
低圧側側板２４も、高圧側側板２３と同様に、周方向Ｄｃの縁部であって、外径側縁部から径方向Ｄｒ内側に向かうに従って回転方向Ｂｃ前方側に延びて内径側縁部に接続される前側縁部を有している。また、高圧側側板２３と同様に、低圧側側板２４は、周方向Ｄｃについて、第二主薄板シール片６０の低圧側側面と第二副薄板シール片８０の低圧側側面との境界まで延びており、前側縁部は、当該境界に位置している。
【００４６】
よって、第二副薄板シール片８０は、高圧側側板２３と低圧側側板２４との間に嵌め込まれず、軸方向Ｄａ側面からみて、高圧側側板２３及び低圧側側板２４から周方向Ｄｃに露出している。
複数の第二副薄板シール片８０は、各シールセグメント１１間の分割部の隙間に合わせて枚数調整され、各シールセグメント１１間の分割部の隙間を遮蔽している。
複数の第二副薄板シール片８０は、高圧側側板２３及び低圧側側板２４から周方向Ｄｃに露出していることで第二副薄板シール片８０の一部を順に剥がすことができるため、各シールセグメント１１間の分割部の隙間に応じて、必要な薄板シール片の枚数調整がしやすい構造となっている。
【００４７】
第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａは、周方向Ｄｃに並べられた複数の第一薄板シール片２０全体にわたって、一定の大きさとなっている。
他方、図４に示すように、各第二主薄板シール片６０の板厚Ｐｔｂは、複数の第二主薄板シール片６０全体にわたって一定の大きさとなっており、第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａに比べて大きくなっている。各第二副薄板シール片８０の板厚Ｐｔｃも、複数の第二副薄板シール片８０全体にわたって一定の大きさとなっており、第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａに比べて大きくなっている。本実施形態では、板厚Ｐｔｂと板厚Ｐｔｃとを同じにしているが、異なっていてもよい。
【００４８】
図５〜図７に示すように、本実施形態の場合、周方向Ｄｃ断面における、第一薄板シール片２０、リテーナ２１及びリテーナ２２の組み合わせの輪郭の概形状と、第二主薄板シール片６０の輪郭の概形状と、第二副薄板シール片８０の輪郭の形状とは、いずれも寸法及び形状が同じである。
他方、周方向Ｄｃ断面における第一薄板シール片２０、リテーナ２１及びリテーナ２２の組み合わせと、複数の第二主薄板シール片６０と、複数の第二副薄板シール片８０とは、周方向Ｄｃ断面における当該各形状が周方向Ｄｃに向かって揃うように並べられている。
したがって、シールセグメント１１は、第一シール体１３及び第二シール体３３にわたって、軸方向Ｄａ側面が略面一になっているため、作動流体Ｇの流れの妨げにくい構造となっており、不均一な流れが発生することを抑制している。不均一な流れが発生することを抑制すれば、シール特性の劣化やフラッタリングの発生を抑制することができる。
なお、図５〜図７において、各構造に対して、同じ記号（Ｍａ〜Ｍｇ）で表した部分は、同じ寸法であることを示す。
また、不均一な流れが問題とならないときは、周方向Ｄｃ断面における寸法及び形状を同じとする必要はなく、軸方向Ｄａ側面が面一にする必要もない。
【００４９】
複数の第二薄板シール片４０は、リテーナ２１，２２で挟持されないが、外周側基端６７及び外周側基端８７において、溶接又はろう付けによって、互いに接合されている。
よって、第二シール体３３は、リテーナ２１、リテーナ２２及び第一シール体１３から取り外し可能な構成であると共に、ブロック化されている。
変形例として、複数の第二薄板シール片４０は、外周側基端６７及び外周側基端８７において、ネジ止め、帯掛け等によって、互いに拘止されブロック化されてもよい。
【００５０】
図８に示すように、ブロック化された第二シール体３３は、リテーナ２１，２２の周方向Ｄｃの端部に向かって、高圧側側板２３と低圧側側板２４との間に嵌め込まれる。したがって、第二シール体３３は、第一シール体１３の周方向Ｄｃの端面にキャップのように嵌められ、第一薄板シール片２０を保護している。
【００５１】
図６に示すように、複数の第二主薄板シール片６０には、高圧側側板２３の嵌込段差部２３ａが嵌め込まれる切欠き部６０a及び低圧側側板２４の嵌込段差部２４ａが嵌め込まれる切欠き部６０ｂが設けられている。したがって、嵌込段差部２３ａ，２４ａに切欠き部６０ａ，６０ｂがそれぞれ嵌っていることによって、ブロック化された第二シール体３３は、高圧側側板２３と低圧側側板２４との間に嵌め込まれる際、径方向Ｄｒに規制されつつ、周方向Ｄｃにスライド可能となっている。
【００５２】
第二シール体３３の作用及び効果について説明する。
本実施形態のシールセグメント１１は、第一シール体１３の周方向Ｄｃの端面に、第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａに比べて大きな板厚Ｐｔｂ，Ｐｔｃを有する複数の第二薄板シール片４０を備えているため、シールセグメント１１の周方向Ｄｃ端部における薄板シール片の剛性を高めている。したがって、シールセグメント１１間の分割部、すなわち、周方向Ｄｃに隣り合うシールセグメント１１の高圧側側板２３の間の分割部における薄板シール片の摩耗が抑制される。
他方でシールセグメント１１の端部より周方向Ｄｃ内側は、薄い板厚の薄板シール片を用いており、薄板シール片の浮上特性の性能が維持される。
また、剛性の大きい薄板シール片を有する第二シール体３３を、第一シール体１３の周方向Ｄｃの端面にキャップのように嵌めて、第一薄板シール片２０を保護している。
【００５３】
さらに、本実施形態のシールセグメント１１は、第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａに比べて、高圧側側板２３で覆われていない第二副薄板シール片８０の板厚Ｐｔｃだけではなく、周方向縁部２３ｄ付近の高圧側側板２３で第二主薄板シール片６０の板厚Ｐｔｂも大きくしている。すなわち、第二主薄板シール片６０及び第二副薄板シール片８０の剛性を大きくしていることによって、以下の作用、効果を有する。
高圧側側板２３の周方向縁部２３ｄは、薄板シール片の側面に密着しにくく、高圧側側板２３の軸方向Ｄａ内側にまで作動流体Ｇが回り込んでくる。
第二シール体３３を用いずに、高圧側側板２３の周方向縁部２３ｄにわたって第一薄板シール片２０を並べた場合、高圧側側板２３の軸方向Ｄａ内側にまで作動流体Ｇが回り込んでくるため、高圧側側板２３で覆われた第一薄板シール片２０にも作動流体Ｇの軸方向Ｄaの流れが漏れこむ。よって、高圧側側板２３で覆われていない第一薄板シール片２０だけではなく、周方向縁部２３ｄ付近の高圧側側板２３で覆われた第一薄板シール片２０においても、フラッタリングが発生する虞がある。
これに対し、本実施形態のシールセグメント１１は、上記のとおり、高圧側側板２３で覆われていない第二副薄板シール片８０の剛性だけではなく、周方向縁部２３ｄ付近の高圧側側板２３で覆われた第二主薄板シール片６０の剛性も大きくしている。
したがって、周方向縁部２３ｄ付近の高圧側側板２３で覆われた第二主薄板シール片６０についても、フラッタリングを抑制している。
【００５４】
加えて、本実施形態のシールセグメント１１は、通常の製作工程によって製作された大部分の第一シール体１３に、小部分のブロック化された第二シール体３３を嵌め込むことができる。すなわち、板厚の同じ多数枚の薄板シール片でシールセグメント１１の大部分を製作した後、周方向Ｄｃ端部だけ板厚の異なる少数枚の薄板シール片を設けることができる。
したがって、（通常の製作工程である）同じ板厚の薄板シール片を組み立てる製作工程を維持しながら、シールセグメント１１の分割部付近のみ板圧を変更することができるため、品質の維持及び生産効率の向上を図ることができる。
【００５５】
「第二実施形態」
以下、本発明の第二実施形態について、図９を参照して説明する。
【００５６】
本実施形態のシールセグメントは、第一実施形態と基本的に同じであるが、第二シール体の構造が異なっている。
【００５７】
本実施形態のシールセグメントは、第一シール体１３の周方向Ｄｃ両端側にさらに第二シール体１３３を備える。図９には、本実施形態の第二シール体１３３のみを示す。
本実施形態の第二シール体１３３は、複数の第二薄板シール片１４０を有する。
複数の第二薄板シール片１４０は、複数の第一薄板シール片２０の周方向Ｄｃの隣に配置される複数の第二主薄板シール片１６０と、さらに周方向Ｄｃの隣に配置される複数の第二副薄板シール片１８０とを備える。
また、第二シール体１３３は、第二シール体３３と同様に、リテーナ２１、リテーナ２２及び第一シール体１３から取り外し可能な構成であると共に、ブロック化されている。
【００５８】
各第二薄板シール片１４０の板厚は、第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａに比べて大きくなっている。さらに、図９に示すように、複数の第二薄板シール片１４０は、板厚一定ではなく、周方向Ｄｃについて、第一薄板シール片２０に向かって、板厚Ｐｔｃ´から板厚Ｐｔａ´へと連続的に小さくなって板厚Ｐｔａに近づくように構成されている。
したがって、シールセグメントの分割部から周方向Ｄｃに離れるにしたがって、薄板シール片の板厚は、薄板シール片に浮上特性を与えるのに適した板厚となるように徐々に変化している。
【００５９】
第二シール体１３３の作用及び効果について説明する。
よって、第二シール体１３３も、第二シール体３３と同様に、第二主薄板シール片１６０及び第二副薄板シール片１８０の剛性が大きい。したがって、シールセグメントの分割部の薄板シール片の摩耗が抑制されると共に、周方向縁部２３ｄ付近の高圧側側板２３で覆われた第二主薄板シール片１６０についても、フラッタリング摩耗を抑制している。
【００６０】
さらに、第二シール体１３３は、次のような作用、効果を有する。
シールセグメントの分割部から高圧側側板２３の軸方向Ｄａ内側にまで回り込んでくる作動流体Ｇの流れは、シールセグメントの分割部から離れるほど小さくなる。すなわち、シールセグメントの分割部から離れるほど、複数の薄板シール片間の隙間部分における作動流体Ｇの圧力バランスは、浮上特性の性能に適した理想的な圧力バランスに近づく。よって、シールセグメントの分割部から離れるほど、薄板シール片のフラッタリング発生のリスクは徐々に減少するため、薄板シール片の板厚を大きくする必要がなくなる。
これに対し、第二シール体１３３は、シールセグメントの分割部から離れるほど、薄板シール片の板厚が徐々に小さくなっている。
したがって、第二薄板シール片１４０のうち、フラッタリングによる摩耗を避けられないシールセグメントの分割部の第二薄板シール片１４０については、板厚が大きくして剛性を大きくしている。他方で、シールセグメントの分割部から離れるほど板厚を小さくすることで第二薄板シール片１４０の剛性を小さくして、第二薄板シール片１４０にも浮上特性を与えている。また、徐々に第二薄板シール片１４０の板厚を変化させることで、不均一な流れを抑制することもできる。
【００６１】
本実施形態の複数の第二薄板シール片１４０は、周方向Ｄｃについて、板厚Ｐｔｃ´からから板厚Ｐｔａ´へと板厚が連続的に小さくなって板厚Ｐｔａに近づくように構成されている。変形例として各第二副薄板シール片１８０の板厚Ｐｔｃ´は一定とし、各第二主薄板シール片１６０の板厚だけが、板厚Ｐｔｃ´から板厚Ｐｔａ´へと連続的に小さくなって板厚Ｐｔａに近づくように構成されてもよい。
【００６２】
「第三実施形態」
以下、本発明の第三実施形態について、図１０を参照して説明する。
【００６３】
本実施形態のシールセグメントは、第一実施形態と基本的に同じであるが、第三シール体の構造が異なっている。
【００６４】
本実施形態のシールセグメントは、第一シール体１３の周方向Ｄｃ両端側にさらに第二シール体２３３を備える。図１０は、本実施形態の第二シール体２３３のみを示す。
本実施形態の第二シール体２３３は、複数の第二薄板シール片２４０を有する。
複数の第二薄板シール片２４０は、複数の第一薄板シール片２０の周方向Ｄｃの隣に配置される複数の第二主薄板シール片２６０と、さらに周方向Ｄｃの隣に配置される複数の第二副薄板シール片２８０とを備える。
また、第二シール体２３３は、第二シール体３３と同様に、リテーナ２１、リテーナ２２及び第一シール体１３から取り外し可能な構成であると共に、ブロック化されている。
【００６５】
以下、各薄板シール片の径方向Ｄｒ内側に延出する長さを単に「薄板シール片の長さ」という。
【００６６】
第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａは、周方向Ｄｃに並べられた複数の第一薄板シール片２０全体にわたって、一定の大きさとなっている。
他方、図１０に示すように、各第二主薄板シール片２６０の板厚Ｐｔｂは、複数の第二主薄板シール片２６０全体にわたって一定の大きさとなっており、第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａに比べて大きくなっている。各第二副薄板シール片２８０の板厚Ｐｔｃも、複数の第二副薄板シール片２８０全体にわたって一定の大きさとなっており、第一薄板シール片２０の板厚Ｐｔａに比べて大きくなっている。本実施形態では、板厚Ｐｔｂと板厚Ｐｔｃとを同じにしているが、異なっていてもよい。
【００６７】
さらに、図１０に示すように、周方向Ｄｃについて、複数の第二薄板シール片２４０の長さは一定ではなく、第一薄板シール片２０に向かって、長さＰｌｃから長さＰｌａへと連続的に大きくなり、第一薄板シール片２０の隣の第二主薄板シール片２６０が長さＰｌａになるように構成されている。本実施形態では、長さＰｌａを第一薄板シール片２０の長さより小さくしているが、第一薄板シール片２０の長さと同じとしてもよい。
【００６８】
すなわち、シールセグメントの分割部では、薄板シール片の長さを小さくして、シールセグメントの分割部から周方向Ｄｃに離れるにしたがって、薄板シール片の長さを徐々に大きくしている。
したがって、第二薄板シール片２４０のうち、フラッタリングによる摩耗を避けられないシールセグメントの分割部の第二薄板シール片２４０については、薄板シール片の長さを小さくして、耐フラッタリング性を大きくしている。他方で、シールセグメントの分割部から離れるほど薄板シール片の長さを大きくして、第二薄板シール片２４０にも浮上特性を与えている。また、徐々に第二薄板シール片２４０の長さを変化させることで、不均一な流れを抑制することもできる。
【００６９】
本実施形態の複数の第二薄板シール片２４０は周方向Ｄｃについて、長さＰｌｃから長さＰｌａへ向かって、連続的に大きくなるように構成されている。変形例として各第二副薄板シール片２８０の長さＰｌｃは一定とし、各第二主薄板シール片２６０の長さだけが、長さＰｌｃから長さＰｌａへ向かって、連続的に大きくなるように構成されてもよい。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００７１】
本実施形態の軸シール装置１０が備えるシールセグメント１１の数は８つであるが、それ限らず、２つから７つのいずれか、さらには９つ以上であってもよい。
【００７２】
各実施形態では、第一薄板シール片と第二薄板シール片とで、薄板シール片の厚さを変えている。すなわち、第二薄板シール片の剛性が、第一薄板シール片の剛性よりも大きくなるように、薄板シール片の構造を変えている。変形例として、第一薄板シール片の材料より剛性の高い材料を第二薄板シール片に用いることによって、第二薄板シール片の剛性が、第一薄板シール片の剛性よりも大きくなるようにしてもよい。さらに、薄板シール片の剛性を変更できれば、薄板シール片の構造と材料との組み合わせを選択、調整して、薄板シール片の剛性を変えてもよい。
【００７３】
各実施形態及び各変形例では、第二薄板シール片の厚さ、長さ、又は材料を変更することによって、耐フラッタリング性を大きくなるように構成しているが、各種第二薄板シール片の厚さ、長さ、材料を選択、又は組み合わせて、耐フラッタリング性が大きくなるように構成してもよい。
【００７４】
各実施形態では、第二副薄板シール片を設けているが、各シールセグメント１１間の分割部の隙間の遮蔽が必要ない場合は、第二副薄板シール片を設けなくてもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１：ガスタービン
２：圧縮機
３：燃焼器
４：タービン
５：ロータ
６：静翼
７：動翼
８：ケーシング
８ａ：軸受け部
９：ケーシング
９ａ：軸受け部
１０：軸シール装置
１１：シールセグメント
１２：周方向端部
１３：第一シール体
２０：第一薄板シール片
２０ａ：切り欠き部
２０ｂ：切り欠き部
２０ｃ：側面
２１：リテーナ
２１ａ：凹溝
２２：リテーナ
２２ａ：凹溝
２３：高圧側側板
２３ａ：嵌込段差部
２３ｂ：外径側縁部
２３ｃ：内径側縁部
２３ｄ：周方向縁部
２４：低圧側側板
２４ａ：嵌込段差部
２６：内周側端部
２７：外周側基端
３０：ハウジング
３１：凹溝
３２：低圧側壁面
３３：第二シール体
４０：第二薄板シール片
６０：第二主薄板シール片
６０ａ：切欠き部
６０ｂ：切欠き部
６７：外周側基端
８０：第二副薄板シール片
８７：外周側基端
１３３：第二シール体
１４０：第二薄板シール片
１６０：第二主薄板シール片
１８０：第二副薄板シール片
２３３：第二シール体
２４０：第二薄板シール片
２６０：第二主薄板シール片
２８０：第二副薄板シール片
Ａｘ：軸線
Ｂｃ：回転方向
Ｄａ：軸方向
Ｄｃ：周方向
Ｄｒ：径方向
Ｇ：作動流体
【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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