(57)【要約】      （修正有）【課題】回転部と非回転部とを常に非接触状態に維持させてシール運転を行う回転機械のシール装置および回転機械を提供する。【解決手段】回転機械のシール装置は、回転部２０と非回転部２１との間にシール機構２５を設け、シール機構２５からの押圧力によって前記回転部２０と非回転部２１とを非接触状態に維持させ、作動流体のシールを行う回転機械のシール装置において、前記シール機構２５は、前記非回転部２１のケーシング２４に接続するシール機構ケーシング２６と、シール機構ケーシング２６に収容され、前記回転部２０のカラー２３に対峙させる非回転側移動体２７と、前記シール機構ケーシング２６に収容する仕切り２９を介装して直列配置し、一方を前記非回転側移動体２７に接続する第１コイルばね２８と、他方を前記シール機構ケーシング２６に接続する第２コイルばね３０と、前記仕切り２９の移動を拘束するストッパ３２とを設けたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転部と非回転部との間にシール機構を設け、このシール機構からの押圧力によって前記回転部と非回転部とを非接触状態に維持させ、作動流体のシールを行う回転機械のシール装置において、前記シール機構は、前記非回転部のケーシングに接続するシール機構ケーシングと、このシール機構ケーシングに収容され、前記回転部のカラーに対峙させる非回転側移動体と、前記シール機構ケーシングに収容する仕切りを介装して直列配置し、一方を前記非回転側移動体に接続する第１コイルばねと、他方を前記シール機構ケーシングに接続する第２コイルばねと、前記仕切りの移動を拘束するストッパとを設けたことを特徴とする回転機械のシール装置。
【請求項２】
前記第１コイルばねは、組立て時、原長の長さに維持させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
【請求項３】
前記第２コイルばねは、組立て時、圧縮させて原長よりも短く維持させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
【請求項４】
前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容する第１仕切りと第２仕切りとを介装して直列に配置し、前記第１仕切りの一方を前記非回転側移動体に接続する第１コイルばねと、他方を前記第２仕切りに接続する第２コイルばねと、前記第２仕切りを前記シール機構ケーシングに接続する第３コイルばねと、前記第１仕切りと、前記第２仕切りとのそれぞれの移動を拘束する第１ストッパおよび第２ストッパとを設けたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
【請求項５】
前記第３コイルばねは、組立て時、圧縮させて原長よりも短く維持させる構成にしたことを特徴とする請求項４記載の回転機械のシール装置。
【請求項６】
前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容し、並列配置の第１コイルばねおよび第２コイルばねのうち、前記第１コイルばねを介装して前記シール機構ケーシングと前記非回転側移動体とを接続させるとともに、前記シール機構ケーシングに接続する前記第２コイルばねに設けた係合片と前記非回転側移動体に設けた係止片とを接離自在に係合させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
【請求項７】
前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容し、並列配置の主コイルばね、補助第１コイルばねおよび補助第２コイルばねのうち、前記主コイルばねを介装して前記シール機構ケーシングと前記非回転側移動体とを接続させるとともに、前記シール機構ケーシングに接続する前記補助第１コイルばねおよび前記補助第２コイルばねのそれぞれに設けた係合片と、前記非回転側移動体に設けたばね支持部とを接離自在に係合させる構成にしたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
【請求項８】
前記主コイルばねは、組立て時、圧縮させて原長よりも短く維持させる構成にしたことを特徴とする請求項７記載の回転機械のシール装置。
【請求項９】
前記補助第１コイルばねおよび前記補助第２コイルばねは、組立て時、ともに引張を加え、原長よりも長く維持させる構成にしたことを特徴とする請求項７記載の回転機械のシール装置。
【請求項１０】
前記ばね支持部は、前記非回転側移動体に一体として長く延ばすＴ字形に構成し、このＴ字形の短辺を係止片として形成したことを特徴とする請求項７記載の回転機械のシール装置。
【請求項１１】
前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容する前記非回転側移動体と中間非回転側移動体とを設けるとともに、前記非回転側移動体に非回転側移動体用コイルばねを介装して前記中間非回転側移動体を接続し、さらに前記中間非回転側移動体に中間非回転側移動体用コイルばねを介装して前記シール機構ケーシングに接続する一方、前記中間非回転側移動体に中間非回転側移動体用従動子を装着させる窪みを形成する構成にしたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
【請求項１２】
前記中間回転側移動体従動子は、前記シール機構ケーシングに設けられ、案内ガイドに収容するコイルばねに支持させる構成にしたことを特徴とする請求項１１記載の回転機械のシール装置。
【請求項１３】
前記中間非回転側移動体に形成する窪みは、作動流体の低圧側に向って下り傾斜にして複数個に形成する構成にしたことを特徴とする請求項１１記載の回転機械のシール装置。
【請求項１４】
前記中間非回転側移動体に形成する窪みは、その深さを作動流体の高圧側に向って順次深く形成する構成にしたことを特徴とする請求項１１記載の回転機械のシール装置。
【請求項１５】
前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容する前記非回転側移動体と中間非回転側移動体とを設けるとともに、前記非回転側移動体に非回転側移動体用コイルばねを介装して前記中間非回転側移動体を接続し、さらに中間非回転側移動体に中間非回転側移動体用コイルばねを介装して前記シール機構ケーシングに接続する一方、前記シール機構ケーシングに形成するシール機構ケーシング摩擦片と、このシール機構ケーシング摩擦片に対応し、前記中間非回転側移動体に形成する中間非回転側移動体摩擦片とをそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１記載の回転機械のシール装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５記載の回転機械のシール装置のうち、いずれか１項記載のシール装置を備えたことを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械のシール装置および回転機械に係り、特に、運転中、回転部と非回転部とを非接触状態に維持させながら作動流体の領域外あるいは器外への漏出防止を図る回転機械のシール装置および回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン、コンプレッサー、ポンプ等の流体を取扱う回転機械においては、作動流体に圧力差が生じる領域間の場合、回転軸の軸方向に沿って作動流体の漏出防止を図るシール機構を備えており、その構成として図２３に示すものがある。
【０００３】
図２３に示す回転機械は、蒸気タービンの軸端部分の一部を例示的に示したものであり、回転部と非回転部とが非接触タイプになっている。
【０００４】
蒸気タービンは、大別して回転部１と非回転部２とで構成されている。
【０００５】
回転部１は、回転軸３に溶接または冷しばめ等の接続手段で接続させた円盤状の第１カラー４ａおよび第２カラー４ｂとで構成し、これら第１および第２カラー４ａ、４ｂを回転軸３とともに一体にして回転させている。
【０００６】
他方、非回転部２は、回転軸３、第１および第２カラー４ａ、４ｂを覆設するケーシング８、回転軸３を軸支するジャーナル軸受５、回転軸３のスラストを受けとめるスラスト軸受６、作動流体の異領域への漏出防止を図るシール機構７とで構成される。
【０００７】
シール機構７は、回転軸３の周方向に沿って形成された長筒状のシール機構ケーシング９に収容され、回転軸３の軸方向に自在に移動するリング状の非回転側移動体１０と、この非回転側移動体１０に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆを与えるコイルばね１１と、ケーシング８とシール機構ケーシング９との間をシールする第１補助シール１２ａと、シール機構ケーシング９をケーシング８に係合させる係合部１３とで構成される。
【０００８】
また、非回転側移動体１０は、シール機構ケーシング９の摺動部を摺動する際に、シールする第２補助シール１２ｂを設けるとともに、第２カラー４ｂに対峙する側にシール部１４を設けている。
【０００９】
また、非回転側移動体１０のシール部１４に対峙する第２カラー４ｂには、特許文献１に見られるように、図２４および図２５で示す凹所（溝）１５が回転方向と逆方向に向ってらせん状に設けられ、高圧側Ｈから低圧側Ｌに向って流れる作動流体に高い圧力を発生させている。
【００１０】
また、凹所１５は、別の例として特許文献２に見られるように、図２６および図２７で示す、平坦部１６が形成され、この平坦部１６から回転方向に下り傾斜する傾斜部１７を備え、この傾斜部１７の深さが平坦部１６から時計方向または反時計方向に向って深くしたものも提案されている。
【００１１】
このような構成を備える回転機械のシール装置において、シール機構７は、コイルばね１１をシール機構ケーシング９内に組み入れる際、原長（自然長さ）よりも短くなるよう圧縮させて組み入れ、コイルばね１１に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆを早く発揮させるようにし、この押圧力ｆによって非回転側移動体１０を第２カラー４ｂ側に移動させ、非回転側移動体１０のシール部１４を第２カラー４ｂに接触させる。
【００１２】
この状態から、回転機械の運転が開始されると、高圧側Ｈからの作動流体は、非回転側移動体１０のシール部１４と第２カラー４ｂとの隙間を介して低圧側Ｌに流れる。
【００１３】
その際、作動流体が第２カラー４ｂに設けた凹所１５を通過するとき、圧力が徐々に高まってくる。
【００１４】
圧力の高まった作動流体は、非回転側移動体１０をコイルばね１１側に向う方向に移動させようとする押圧力が発生する。
【００１５】
そして、作動流体の高圧に基づく押圧力とコイルばね１１の弾性エネルギに基づく押圧力ｆとがバランスすると、非回転側移動体１０のシール部１４と第２カラー４ｂとの隙間は、数μｍ〜数百μｍになり、回転部１と非回転部２とを非接触状態に維持させる。
【００１６】
このように、従来の回転機械のシール装置においては、シール機構ケーシング９に収容させた非回転側移動体１０を、作動流体の圧力に基づく押圧力とコイルばね１１の弾性エネルギに基づく押圧力ｆとでバランスさせた状態の下、第２カラー４ｂと非接触状態に維持させながら非回転側移動体１０のシール部１４で高圧側Ｈから低圧側Ｌに向う作動流体の流れをシールしていた。
【特許文献１】特開平９−１１２７０７号公報
【特許文献２】実開平５−９００４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、従来の回転機械のシール装置において、回転部１としての回転軸３と非回転部２としてのケーシング８とのそれぞれの伸びは、回転軸３の熱容量がケーシング８のそれに較べて小さいこともあって、図２８に示すように、回転軸３の方が早く上昇し、しかも高くなっている。ここで、図中、Ｘｒは、回転軸３のケーシング８に対する最大相対変位値であり、またＸｓは、定常（定格）運転時における回転軸３のケーシング８に対する相対変位値である。なお、相対変位Ｘとするときの回転軸３およびケーシング８の基準位置は、ともに、スラスト軸受６に置いている。
【００１８】
このような相対変位Ｘをベースにしてコイルばね１１の弾性エネルギに基づく押圧力ｆの変動を調べてみると、その特性線図は、図２９に示すように、いわゆる線形になっている。
【００１９】
ここで、図中、初期押圧力値ｆ０は、コイルばね１１をシール機構ケーシング９に組み入れる際、コイルばね１１を原長（自然長さ）よりも短く圧縮させていることに基づく。
【００２０】
このような初期押圧力値ｆ０を持つコイルばね１１の押圧力ｆと回転軸３の相対変位Ｘとの関係は、運転開始Ｘ＝０から定常（定格）運転に至るまでの間に、蒸気の熱を受けて回転軸３の伸びが出、定常運転時における回転軸３の相対変位値Ｘｓのとき、コイルばね１１が非回転側移動体１０に与える押圧力がｆｓとなり、さらに回転軸３の最大相対変位値Ｘｒのとき、その押圧力がｆｒとなり、互いが比例して変化している。
【００２１】
このように、運転開始から定常運転にいたるまで、コイルばね１１の押圧力ｆと回転軸３の相対変位Ｘとが比例していても、ターニング運転等の運転初期においては、コイルばね１１の初期押圧力値ｆ０が強い影響力を持ち、非回転側移動体１０のシール部１４を第２カラー４ｂに接触させたままにしている。
【００２２】
しかも、運転初期は、回転軸３の回転速度が低くなっていることを手伝って作動流体の第２カラー４ｂと非回転側移動体１０のシール部１４との間からの漏出もなく、作動流体の圧力に基づく押圧力も発生していない。
【００２３】
このため、コイルばね１１の初期押圧力値ｆ０が強く作用していると、摩擦力が高くなり、非回転側移動体１０のシール部１４に損傷を与える心配がある。
【００２４】
このため、コイルばね１１の初期押圧力値ｆ０を低くするには、シール機構ケーシング９に組み入れる際、原長（自然長さ）のままにしておくことも考えられる。
【００２５】
しかし、コイルばね１１の長さを原長にしてシール機構ケーシング９に組み入れると、コイルばね１１は、ばね定数を大きくする必要がある。
【００２６】
ばね定数が大きくなった場合、図３０に示す定常運転時における相対変位値Ｘｓが設計、製作等の誤差のために相対変位値Ｘｓ１からずれていると、コイルばね１１が非回転側移動体１０に与える押圧力ｆｓ１が従来に較べて大きくなりすぎ、非回転側移動体１０の第２カラー４ｂへの接触のおそれが出る。
【００２７】
他方、回転軸３とケーシング８との最大相対変位値Ｘｒにおけるコイルばね１１の押圧力ｆｒを小さくして無駄なエネルギの消費を少なくさせるには、特許文献１に示すように、非回転部にスラスト軸受を、さらに回転部にスラストカラーをそれぞれ別途設ける必要がある。
【００２８】
しかし、このような構成では、装置の複雑化に伴ってメンテナンスに多くの労力を要する等の支障をきたす。
【００２９】
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、初期運転時のコイルばねの押圧力を低くさせるとともに、回転軸とケーシングとの最大相対変位値におけるコイルばねの押圧力を少なくさせ、スラスト軸受を別途設けることもなく構造を簡素化させ、回転部と非回転部とを非接触状態に維持させつつ作動流体のシールを図る回転機械のシール装置および回転機械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】
【００３０】
本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、回転部と非回転部との間にシール機構を設け、このシール機構からの押圧力によって前記回転部と非回転部とを非接触状態に維持させ、作動流体のシールを行う回転機械のシール装置において、前記シール機構は、前記非回転部のケーシングに接続するシール機構ケーシングと、このシール機構ケーシングに収容され、前記回転部のカラーに対峙させる非回転側移動体と、前記シール機構ケーシングに収容する仕切りを介装して直列配置し、一方を前記非回転側移動体に接続する第１コイルばねと、他方を前記シール機構ケーシングに接続する第２コイルばねと、前記仕切りの移動を拘束するストッパとを設けたものである。
【００３１】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、前記第１コイルばねは、組立て時、原長の長さに維持させる構成にしたものである。
【００３２】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、前記第２コイルばねは、組立て時、圧縮させて原長よりも短く維持させる構成にしたものである。
【００３３】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容する第１仕切りと第２仕切りとを介装して直列に配置し、前記第１仕切りの一方を前記非回転側移動体に接続する第１コイルばねと、他方を前記第２仕切りに接続する第２コイルばねと、前記第２仕切りを前記シール機構ケーシングに接続する第３コイルばねと、前記第１仕切りと、前記第２仕切りとのそれぞれの移動を拘束する第１ストッパおよび第２ストッパとを設けたものである。
【００３４】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、前記第３コイルばねは、組立て時、圧縮させて原長よりも短く維持させる構成にしたものである。
【００３５】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容し、並列配置の第１コイルばねおよび第２コイルばねのうち、前記第１コイルばねを介装して前記シール機構ケーシングと前記非回転側移動体とを接続させるとともに、前記シール機構ケーシングに接続する前記第２コイルばねに設けた係合片と前記非回転側移動体に設けた係止片とを接離自在に係合させる構成にしたものである。
【００３６】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容し、並列配置の主コイルばね、補助第１コイルばねおよび補助第２コイルばねのうち、前記主コイルばねを介装して前記シール機構ケーシングと前記非回転側移動体とを接続させるとともに、前記シール機構ケーシングに接続する前記補助第１コイルばねおよび前記補助第２コイルばねのそれぞれに設けた係合片と、前記非回転側移動体に設けたばね支持部とを接離自在に係合させる構成にしたものである。
【００３７】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、前記主コイルばねは、組立て時、圧縮させて原長よりも短く維持させる構成にしたものである。
【００３８】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、前記補助第１コイルばねおよび前記補助第２コイルばねは、組立て時、ともに引張を加え、原長よりも長く維持させる構成にしたものである。
【００３９】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、前記ばね支持部は、前記非回転側移動体に一体として長く延ばすＴ字形に構成し、このＴ字形の短辺を係止片として形成したものである。
【００４０】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容する前記非回転側移動体と中間非回転側移動体とを設けるとともに、前記非回転側移動体に非回転側移動体用コイルばねを介装して前記中間非回転側移動体を接続し、さらに前記中間非回転側移動体に中間非回転側移動体用コイルばねを介装して前記シール機構ケーシングに接続する一方、前記中間非回転側移動体に中間非回転側移動体用従動子を装着させる窪みを形成する構成にしたものである。
【００４１】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、前記中間回転側移動体従動子は、前記シール機構ケーシングに設けられ、案内ガイドに収容するコイルばねに支持させる構成にしたものである。
【００４２】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、前記中間非回転側移動体に形成する窪みは、作動流体の低圧側に向って下り傾斜にして複数個に形成する構成にしたものである。
【００４３】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、前記中間非回転側移動体に形成する窪みは、その深さを作動流体の高圧側に向って順次深く形成する構成にしたものである。
【００４４】
また、本発明に係る回転機械のシール装置は、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、前記シール機構は、前記シール機構ケーシングに収容する前記非回転側移動体と中間非回転側移動体とを設けるとともに、前記非回転側移動体に非回転側移動体用コイルばねを介装して前記中間非回転側移動体を接続し、さらに中間非回転側移動体に中間非回転側移動体用コイルばねを介装して前記シール機構ケーシングに接続する一方、前記シール機構ケーシングに形成するシール機構ケーシング摩擦片と、このシール機構ケーシング摩擦片に対応し、前記中間非回転側移動体に形成する中間非回転側移動体摩擦片とをそれぞれ設けたものである。
【００４５】
また、本発明に係る回転機械は、上述の目的を達成するために、請求項１６に記載したように、請求項１〜１５記載の回転機械のシール装置のうち、いずれか１項記載のシール装置を備えたものである。
【発明の効果】
【００４６】
本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械は、回転部と非回転部との間に設けた少なくとも一つ以上の非回転側移動体に、少なくとも一つ以上のコイルばねを設け、コイルばねに蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力を非回転側移動体に与えて回転部と非回転部とを非接触状態に維持させる構成にしたので、作動流体の安定したシール運転を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
以下、本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の実施形態を、添付図を引用して説明する。
【００４８】
図１は、蒸気タービンの軸端部の一部を例に採って説明する本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第１実施形態を示す概念図である。なお、回転機械には回転電機も含まれる。
【００４９】
本実施形態に係る回転機械の例示としての蒸気タービンは、回転部２０と非回転部２１とを備えている。
【００５０】
回転部２０は、回転軸２２に溶接等の接続手段で接続させた円盤状のカラー２３を備え、回転軸２２と一体にして回転させている。
【００５１】
カラー２３は、シール機構２５に対峙する側に、例えば図２４〜図２７に示すような凹所（溝）３１を形成し、この凹所３１を介して高圧側Ｈの作動流体が低圧側Ｌに向って流れるとき、高い圧力を発生させている。そして、作動流体に高い圧力を発生させると、その圧力は押圧力として非回転部２に利用される。
【００５２】
他方、非回転部２１は、回転軸２２、カラー２３を覆設するケーシング２４、作動流体の異領域への漏出防止を図るシール機構２５を備えている。
【００５３】
シール機構２５は、回転軸２２の周方向に沿って形成される長筒状のシール機構ケーシング２６に収容され、回転軸２２の軸方向に沿って自在に移動するリング状の非回転側移動体２７と、この非回転側移動体２７に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆを与える第１コイルばね２８を備えている。
【００５４】
また、シール機構２５は、仕切り２９を介装させ、第１コイルばね２８に直列接続させる第２コイルばね３０と、この第２コイルばね３０の第１コイルばね２８側に向って移動する移動力を拘束するストッパ３２を備えている。
【００５５】
さらに、シール機構２５は、シール機構ケーシング２６をケーシング２４に係合させる係合部３３と、シール機構ケーシング２６とケーシング２４との隙間からの作動流体の漏出を防止する第１補助シール３４ａを備えている。
【００５６】
なお、非回転側移動体２７は、カラー２３に対峙する側にシール部３５を備え、ここを通過する作動流体のシールを行っている。
【００５７】
また、非回転側移動体２７は、シール機構ケーシング２６内を摺動する際、作動流体の流入を抑制する第２補助シール３４ｂを備えている。
【００５８】
このような構成を備える蒸気タービンにおいて、シール機構２５をシール機構ケーシング２６内にセットするとき、先ず、図１に示すように、第２コイルばね３０を原長（自然長さ）よりも短くなるよう圧縮し、蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力を仕切り２９に与えてストッパ３２に接触させ、その動きを拘束する。
【００５９】
次に、第１コイルばね２８は、原長（自然長さ）のまま維持させ、非回転側移動体２７を、回転軸２２に設けたカラー２３に接触させる。
【００６０】
シール機構２５のセットが完了し、運転が開始されると、回転軸２２は蒸気の熱を受け、一点鎖点で示す位置から実線に至るまでの位置、すなわち回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位をＸとすると、０≦Ｘ≦Ｐの範囲（Ｐは、仕切り２９がストッパ３２から離れるときの位置）を作動流体の高圧側Ｈに向って移動する。
【００６１】
この回転軸２２の移動に伴って非回転側移動体２７も作動流体の高圧側Ｈに向って移動し、第１コイルばね２８を圧縮させ、弾性エネルギを蓄えさせる。
【００６２】
相対変位Ｘが０≦Ｘ≦Ｐの範囲内のとき、第１コイルばね２８に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆは、第２コイルばね３０の弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２よりも小さいので、仕切り２９はストッパ３２に接触したままに維持されている。
【００６３】
このときの第１コイルばね２８の押圧力ｆは、
［数１］
ｆ＝Ｋ１Ｘ              （１）
として表わされる。そこで、Ｋ１は第１コイルばね２８のばね定数である。
【００６４】
なお、回転軸２２は、作動流体の低圧側Ｌに向って移動することもあるが、この場合、スラスト軸受（図示せず）がその移動を抑制するので、低圧側Ｌへの移動を考慮する必要はない。
【００６５】
蒸気が高温化し、相対変位Ｘが大きくなり、Ｐ≦Ｘの範囲に入ると、第１コイルばね２８の弾性エネルギに基づく押圧力ｆが第２コイルばね３０の弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２よりも大きくなっているので、図２に示すように、仕切り２９はストッパ３２から離れ、高圧側Ｈに移動する。
【００６６】
このときの第１コイルばね２８と第２コイルばね３０とは直列配置のコイルばねとして成立し、第１コイルばね２８と第２コイルばね３０との合計弾性エネルギに基づく合計の押圧力ｆは、
【数２】
2009127775.tif 000003
【００６７】
このように、本実施形態は、仕切り２９を介装させて第１コイルばね２８と第２コイルばね３０とを直列接続させ、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位が小さいとき、カラー２３と非回転側移動体２７のシール部３５との接触に伴う摩擦力発生防止を第１コイルばね２８で対処させるとともに、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位が大きくなると、カラー２３と非回転側移動体２７との接触に伴う摩擦力発生防止を第１コイルばね２８と第２コイルばね３０との両方で対処させる構成にしたので、第１コイルばね２８に蓄えられている弾性エネルギに基づく初期押圧力ｆ０を確保させることもなく、ゼロにし、また、高いばね定数を選定することもなく、カラー２３と非回転側移動体２７とを非接触状態に維持させて安定したシール運転を行うことができる。
【００６８】
図３は、非回転側移動体２７が第１コイルばね２８および第２コイルばね３０から受ける押圧力ｆと回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位との関係を示す押圧力線図である。
【００６９】
この押圧力線図は、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位Ｘが０≦Ｘ≦Ｐの範囲のとき、非回転側移動体２７が第１コイルばね２８に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆを受け、さらにその相対変位ＸがＰ≦Ｘの範囲のとき、非回転側移動体２７が第１コイルばね２８および第２コイルばね３０のそれぞれに蓄えられている弾性エネルギに基づく合計の押圧力を受けていることを示している。
【００７０】
そして、押圧力線図から、コイルばねは、初期押圧力値ｆ０を確保する必要もないし、またコイルばねは、高いばね定数を選定する必要もないことを示している。
【００７１】
このように、本実施形態は、コイルばねに初期押圧力値を確保させる必要がなく、またコイルばねに高いばね定数を選定することもなく、カラー２３と非回転側移動体２７との接触に基づく摩擦力増加に伴うシール部３５の損傷を確実に防止することができる。
【００７２】
図４は、蒸気タービンを例示とする本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第２実施形態を示す概念図である。
【００７３】
なお、第１実施形態の構成要素または対応する部分には、同一符号を付す。
【００７４】
また、回転機械には、回転電機も含まれる。
【００７５】
本実施形態に係る蒸気タービンは、シール機構２５のシール機構ケーシング２６に収容する非回転側移動体２７に、蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆ、ｇ２、ｇ３のそれぞれを与える第１コイルばね２８、第２コイルばね３０、第３コイルばね３６のそれぞれを設け、これらコイルばね２８、３０、３６に第１仕切り３７、第２仕切り３８を介装させて直列に接続させる構成にしたものである。
【００７６】
なお、他の構成については第１実施形態のものと同一なので、説明を省略する。
【００７７】
このような構成を備える蒸気タービンにおいて、シール機構２５をシール機構ケーシング２６内にセットするとき、先ず、図１に示すように、第２コイルばね３０および第３コイルばね３６のそれぞれは、原長（自然長さ）よりも短くなるよう圧縮し、蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力を第１仕切り３７および第２仕切り３８のそれぞれに与えて第１ストッパ３９および第２ストッパ４０のそれぞれに接触させ、それぞれの動きを拘束する。
【００７８】
次に、第１コイルばね２８は、原長（自然長さ）のままに維持させ、非回転側移動体２７を、回転軸２２に設けたカラー２３に接触させる。
【００７９】
シール機構２５のセットが完了し、運転が開始されると、回転軸２２は蒸気の熱を受け、一点鎖線の位置から実線の位置まで移動し、このときの回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位をＸとすると、０≦Ｘ≦Ｐの範囲を作動流体の高圧側Ｈに向って移動する。
【００８０】
この回転軸２２の移動に伴って非回転側移動体２７も、作動流体の高圧側Ｈに向って移動し、第１コイルばね２８を圧縮させ、弾性エネルギを蓄えさせる。
【００８１】
相対変位Ｘが０≦Ｘ≦Ｐの範囲内のとき、第１コイルばね２８に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆは、第２コイルばね３０および第３コイルばね３６のそれぞれに蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２、ｇ３よりも小さいので、第１仕切り３７、第２仕切り３８のそれぞれは、第１ストッパ３９、第２ストッパ４０のそれぞれに接触したまま維持される。
【００８２】
このときの第１コイルばね２８の押圧力ｆは（１）式で与えられる。
【００８３】
蒸気がより高温化し、相対変位Ｘが大きくなり、Ｐ≦Ｘ≦ｑの範囲に入り、押圧力ｆが押圧力ｇ２よりも大きくなると、図５に示すように、第１仕切り３７は第１ストッパ３９から離れ、高圧側Ｈに移動する。
【００８４】
このときの第１コイルばね２８と第２コイルばね３０とに蓄えられている弾性エネルギに基づく合計の押圧力ｆは、（２）式で与えられる。
【００８５】
この場合、第１コイルばね２８の弾性エネルギに基づく押圧力ｆが第２コイルばね３０の弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２よりも大きくなっているので、図５に示すように、第１仕切り３７は第１ストッパ３９から離れ、高圧側Ｈに移動する。
【００８６】
ただし、相対変位Ｘが、Ｐ≦Ｘ≦ｑ（ｑは、第２仕切り３８が第２ストッパから離れるときの位置）のとき、第２コイルばね３０の弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２が第３コイルばね３６の弾性エネルギに基づく押圧力ｇ３よりも小さくなっているので、第２仕切り３８は第２ストッパ４０に接触したまま維持される。
【００８７】
さらに、相対変位Ｘが大きくなり、ｑ≦Ｘ（ｑは、第２仕切り３８が第２ストッパ４０から離れるときの位置）の範囲になると、第２コイルばね３０の弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２が第３コイルばね３６の弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２よりも大きくなっているので、図６に示すように、第２仕切り３８は第２ストッパ４０から離れる。
【００８８】
このときの第１コイルばね２８、第２コイルばね３０および第３コイルばね３６は、直列配置のコイルばねとして成立するので、これら合計の押圧力ｆは、
【数３】
2009127775.tif 000004
【００８９】
図７は、非回転側移動体２７が第１コイルばね２８、第２コイルばね３０、第３コイルばね３６のそれぞれから受ける押圧力と、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位との関係を示す押圧力線図である。
【００９０】
この押圧力線図は、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位Ｘが０≦Ｘ≦Ｐの範囲のとき、非回転側移動体２７が第１コイルばね２８の弾性エネルギに基づく押圧力を受け、初期押圧力値がゼロからスタートし、相対変位ＸがＰ≦Ｘ≦ｑの範囲のとき、非回転側移動体２７が第１コイルばね２８、第２コイルばね３０のそれぞれの弾性エネルギに基づく合計の押圧力を受け、さらに相対変位Ｘがｑ≦Ｘの範囲のとき、非回転側移動体２７が第１コイルばね２８、第２コイルばね３０、第３コイルばね３６のそれぞれの弾性エネルギに基づく合計の押圧がｆｒ０を受けていることを示している。
【００９１】
そして、この押圧力線図から、コイルばねは、相対変位Ｘが相対最大変位値Ｘｒになっても、非回転側移動体２７に与えられる押圧力ｆｒ０が破線で示す従来の押圧力ｆｒに較べて小さくなっていることがわかった。すなわち、相対変位Ｘが相対最大変位値Ｘｒになっても、非回転側移動体２７に与えられる押圧力ｆｒ０が破線で示す従来のｆｒに較べて小さくなっているので、非回転側移動体２７のカラー２３への接触が防止されることを意味する。
【００９２】
なお、非回転側移動体２７に与えられる押圧力が従来に較べて小さくなっているのは、コイルばね定数が上式（２）のコイルばね定数１／［（１／Ｋ１）＋（１／Ｋ２））］から上式（３）のコイルばね定数１／［（１／Ｋ１）＋（１／Ｋ２）＋（１／Ｋ３）］に低下していることからも容易に理解される。
【００９３】
このように、本実施形態は、シール機構ケーシング２６内に、第１仕切り３２、第２仕切り３８を介装させ、第１コイルばね２８、第２コイルばね３０、および第３コイルばね３６を直列に接続させ、回転軸２３のケーシング２４に対する相対変位が大きくなっても、カラー２３と非回転側移動体２７との接触に基づく摩擦力増加に伴うシール部３５の損傷防止を、第１コイルばね２８、第２コイルばね３０および第３コイルばね３６とで対処させる構成にしたので、カラー２３と非回転側移動体２７とを非接触状態に維持させて安定したシール運転を行うことができる。
【００９４】
図８は、蒸気タービンを例示とする本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第３実施形態を示す概念図である。
【００９５】
また、図８は、本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械におけるシール機構を組み立てる前の状態を概念的に示す組立て分解図である。
【００９６】
なお、第１実施形態の構成要素または対応する部分には、同一符号を付す。
【００９７】
また、回転機械には、回転電機も含まれる。
【００９８】
本実施形態に係る蒸気タービンは、シール機構２６のシール機構ケーシング２６に収容する非回転側移動体２７に、蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆを与える第１コイルばね２８と、非回転側移動体２７から引張力Ｔが与えられる第２コイルばね３０とを並列配置に構成したものである。
【００９９】
また、本実施形態に係る蒸気タービンは、非回転側移動体２７から引張力Ｔが与えられる第２コイルばね３０の原長（自然長さ）を第１コイルばね２８の原長よりも短くするとともに、非回転側移動体２７に、例えば突状の係止片４２を設ける一方、第２コイルばね３０に、例えば板状の係合片４１を設ける。
【０１００】
このような構成を備えるシール機構２６をセットするとき、先ず、図９に示すように、第１コイルばね２８を、原長よりも短くなるよう圧縮させる。
【０１０１】
次に、第２コイルばね３０は、非回転側移動体２７から引張力Ｔが与えられ、原長よりも長く延ばした後、係合片４１を非回転側移動体２７の係止片４２に係合させ、引張力Ｔと第１コイルばね２８に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆとの合力がゼロになるようバラス調整を行うとともに、非回転側移動体２７のシール部３５をカラー２３に接触させる。
【０１０２】
シール機構２５のセットが終了し、運転が開始されると、回転軸２２は、蒸気の熱を受け、一点鎖線で示す位置から実線で示す位置まで移動する。このときの移動距離をケーシング２４との相対変位Ｘで表わすと、相対変位Ｘは、０≦Ｘ≦Ｐ（Ｐは、非回転側移動体２７の係止片４２から第２コイルばね３０の係合片４１が離れる位置）の範囲に亘っている。
【０１０３】
この回転軸２２の移動に伴って非回転側移動体２７も移動し、非回転側移動体２７に与えられる押圧力ｆ（第１コイルばね２８と第２コイルばね３０とから与えられる合押圧力）が変化する。
【０１０４】
相対変位Ｘが、０≦Ｘ≦Ｐの範囲においては、図９に示すように、第２コイルばね３０が原長より延びており、非回転側移動体２７の係止部４２に第２コイルばね３０の係合部４１が係合し、この間、引張力Ｔが作用し、係合状態が維持される。
【０１０５】
このときの第１コイルばね２８と第２コイルばね３０とは、並列ばねが成立し、相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係式は、
［数４］
ｆ＝（Ｋ１＋Ｋ２）Ｘ              （４）
として表わされる。
【０１０６】
ここで、Ｋ１とＫ２は、第１コイルばね２８、第２コイルばね３０のそれぞれのばね定数である。
【０１０７】
さらに、相対変位Ｘが増加し、Ｐ≦Ｘの範囲に入ると、図１０に示すように、第２コイルばね３０が原長（自然長さ）になり、その係合片４１が非回転側移動体２７の係止片４２から離れる。
【０１０８】
このとき、相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係式は、
［数５］
ｆ＝Ｋ１（Ｘ＋ｙ１）              （５）
として表わされる。
【０１０９】
ここで、ｙ１は第１コイルばね２８の初期圧縮量である。
【０１１０】
このように、本実施形態は、シール機構２５に並列配置の第１コイルばね２８と第２コイルばね３０とを設け、組み立て時、第１コイルばね２８を圧縮させて原長（自然長さ）よりも短くさせるとともに、第２コイルばね３０に引張力を加えて原長よりも長くさせ、第１コイルばね２８に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆと第２コイルばね３０に加えられた引張力Ｔとの合力がゼロになるようにバランス調整し、式（４）に基づいて非回転側移動体２７に押圧力ｆを与える一方、非回転側移動体２７の係止片４２から第２コイルばね３０の係合片４１が離れると、式（５）に基づいて非回転側移動体２７に押圧力ｆを与える構成にしたので、第１コイルばね２８に蓄えている弾性エネルギに基づく初期押圧力を確保させることもなくゼロにし、カラー２３と非回転側移動体２７とを非接触状態に維持させて安定したシール運転を行うことができる。
【０１１１】
図１１は、蒸気タービンを例示とする本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第４実施形態を示す概念図である。
【０１１２】
なお、第１実施形態の構成要素または対応する部分には同一符号を付す。
【０１１３】
また、回転機械には、回転電機も含まれる。
【０１１４】
本実施形態に係る蒸気タービンは、シール機構２６のシール機構ケーシング２６に収容する非回転側移動体２７に、予め蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆを与える主コイルばね４３と、非回転側移動体２７から引張力Ｔ１、Ｔ２が与えられる補助第１コイルばね４４および補助第２コイルばね４５とを並列配置に構成したものである。
【０１１５】
また、本実施形態に係る蒸気タービンは、主コイルばね４３の原長（自然長さ）をｌ、補助第１コイルばね４４の原長をｌ１、補助第２コイルばね４５の原長をｌ２とするとき、ｌ＞ｌ２＞ｌ１の関係式を満たすように設定するとともに、非回転側移動体２７に一体接続して長く延びる、例えばＴ字状の短辺を係止片４２ａ、４２ｂとして使用するばね支持部４６と、補助第１コイルばね４４、および補助第２コイルばね４５のそれぞれに接続し、Ｔ字状のばね支持部４６の係止片４２ａ、４２ｂのそれぞれに係合させる係止片４１ａ、４１ｂを設けたものである。
【０１１６】
このような構成を備えるシール機構２６をセットするとき、先ず、図１１に示すように、主コイルばね４３を、原長よりも短くなるよう圧縮させる。
【０１１７】
次に、補助第１コイルばね４４および補助第２コイルばね４５のそれぞれは、非回転側移動体２７から引張力Ｔが与えられ、原長よりも長く延ばした後、係合片４１ａ、４１ｂのそれぞれを、ばね支持部４６の係止片４２ａ、係止片４２ｂのそれぞれに係合させ、主コイルばね４３に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力と補助第１コイルばね４４および補助第２コイルばね４５のそれぞれが持つ引張力Ｔ１、Ｔ２との合力がゼロになるようバランス調整し、非回転側移動体２７のシール部３５をカラー２３に接触させる。
【０１１８】
シール機構２５のセットが終了し、運転が開始されると、回転軸２２は、蒸気の熱を受け、一点鎖線で示す位置から実線で示す位置に移動する。
【０１１９】
このときの移動距離をケーシング２４との相対変位Ｘで表わすと、相対変位Ｘは、０≦Ｘ≦Ｐ（Ｐは、非回転側移動体２７のばね支持部４６における係止片４２ａから補助第２コイルばね４５の係合片４１ａが離れる位置）の範囲に亘っている。
【０１２０】
この回転軸２２の移動に伴って非回転側移動体２７も移動し、非回転側移動体２７に与えられる押圧力ｆ（主コイルばね４３、補助第１コイルばね４４、補助第２コイルばね４５のそれぞれから与えられる合力）が変化する。
【０１２１】
相対変位Ｘが、０≦Ｘ≦Ｐの範囲においては、図１１に示すように、補助第１コイルばね４４および補助第２コイルばね４５が原長よりも長く延びており、非回転側移動体２７のばね支持部４６における係止部４２ａ、４２ｂのそれぞれに補助第１コイルばね４４の係合部４１ｂおよび補助第２コイルばね４５の係合部４１ａのそれぞれが係合し、引張力Ｔ１、Ｔ２の使用の下、係合状態が維持される。
【０１２２】
このときの主コイルばね４３と補助第１コイルばね４４および補助第２コイルばね４５とは、並列ばねが成立し、相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係式は、
［数６］
ｆ＝（Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３）Ｘ          （６）
として表わされる。
【０１２３】
ここで、Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３のそれぞれは、主コイルばね４３、補助第１コイルばね４４、補助第２コイルばね４５のそれぞれのばね定数である。
【０１２４】
さらに、相対変位Ｘが増加し、Ｐ≦Ｘ≦ｑ（ｑは、非回転側移動体２７の係止片４２ｂから補助第１コイルばね４４の係合片４１ｂが離れる位置）の範囲に入ると、図１２に示すように、補助第２コイルばね４５が原長になり、非回転側移動体２７のばね支持部４６における係止片４２ａから補助第２コイルばね４５の係合片４１ａが離れる。
【０１２５】
このとき、相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係式は、
［数７］
ｆ＝（Ｋ１＋Ｋ２）Ｘ＋Ｋ１ｙｉ−Ｋ２ｙ２      （７）
ここで、ｙ１は、主コイルばね４３の初期圧縮量であり、またｙ２は、補助第１コイルばね４４の初期引張量である。
【０１２６】
さらに、相対変位Ｘが増加し、ｑ≦Ｘの範囲に入ると、図１３に示すように、補助第１コイルばね４４が原長になり、非回転側移動体２７のばね支持部４６における係止片４２ａから補助第１コイルばね４４の係止片４１ｂが離れる。
【０１２７】
このとき、相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係式は、
［数８］
ｆ＝Ｋ１（Ｘ＋ｙ１）            （８）
として表わされる。
【０１２８】
このように、本実施形態は、シール機構２５に並列配置の主コイルばね４３、補助第１コイルばね４９および補助第２コイルばね４５を設け、組み立て時、主コイルばね４３を圧縮させて原長（自然長さ）よりも短くさせる一方、補助第１コイルばね４４および補助第２コイルばね４５に引張力を与えて原長よりも長くさせ、主コイルばね４３に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆと補助第１コイルばね４４および補助第２コイルばね４５に与えられる引張力Ｔ１、Ｔ２との合力がゼロになるようバランス調整し、式（６）に基づいて非回転側移動体２７に押圧力ｆを与えるとともに、非回転側移動体２７のばね支持部４６における係止片４２ａから補助第２コイルばね４５の係止片４１ａが離れると、式（７）に基づいて非回転側移動体２７に押圧力ｆを与え、さらに、非回転側移動体２７のばね支持部４６における係止片４２ｂから補助第１コイルばね４４の係止片４１ｂが離れると、式（８）に基づいて非回転側移動体２７に押圧力ｆを与える構成にしたので、主コイルばね４３に予め蓄えられる弾性エネルギに基づく初期押圧力ｆ０を確保させることもなくゼロにし、カラー２３と非回転側移動体２７のシール部３５とを非接触状態に維持させ、安定なシール運転を行うことができる。
【０１２９】
また、本実施形態は、主コイルばね４３、補助第１コイルばね４４および補助第２コイルばね４５のそれぞれを並列配置にし、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位Ｘを、Ｐ≦Ｘ≦ｑからｑ≦Ｘに変化させ、このときの各範囲におけるばね定数を比較すると、式（７）に基づく（Ｋ１＋Ｋ２）から式（８）に基づくＫ１に減少させる構成にしているので、回転軸２３のケーシング２４に対する相対変位が増加し、大きくなっても、カラー２３と非回転側移動体２７との接触に基づく摩擦力増加に伴うシール部３５の損傷を防止し、非接触状態に維持させて安定なシール運転を行うことができる。
【０１３０】
図１４は、蒸気タービンを例示とする本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第５実施形態を示す概念図である。
【０１３１】
なお、第１実施形態の構成要素または対応する部分には同一符号を付す。
【０１３２】
また、回転機械には、回転電機も含まれる。
【０１３３】
本実施形態に係る蒸気タービンは、シール機構２５のシール機構ケーシング２６に収容する非回転側移動体２７に、例えばリング状に形成する中間非回転側移動体４７を介装して直列に配置する非回転側移動体用コイルばね４８と中間非回転側移動体用コイルばね４９とを設けるとともに、シール機構ケーシング２６内の半径方向に設けた筒状の案内ガイド５０内を伸縮自在に変位するコイルばね５１に支持され、中間非回転側移動体４７に形成される、例えばくさび状の窪み５２への接離が自在な、例えば、先端が球形の錘状の中間非回転側移動体用従動子５８とを設けたものである。
【０１３４】
このような構成を備えるシール機構２５をセットするとき、先ず、図１４に示すように、非回転側移動体用コイルばね４８を原長（自然長さ）のままにして組み入れるとともに、中間非回転側移動体用コイルばね４９を原長よりも短くなるように圧縮して組み入れる。
【０１３５】
このとき、シール機構２５は、中間非回転側移動体用コイルばね４９に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２および非回転側移動体用コイルばね４８に蓄えている弾性エネルギに基づく押圧力ｆによって非回転側移動体２２のシール部３５をカラー２３に接触させるとともに、コイルばね５１によって支持される中間非回転側移動体用従動子５３を中間非回転側移動体４７に形成する窪み５２に装着する。
【０１３６】
その際、中間非回転側移動体用従動子５３の窪み５２への圧接力は、図１６に示すように、接触点Ａ、Ｂにおける法線方向圧接力ｈａ、ｈｂと中間非回転側移動体用従動子５３の半径方向圧接力ｈｒとに分解される。
【０１３７】
分解された法線方向圧接力ｈａ、ｈｂおよび半径方向圧接力ｈｒに対し、軸方向に向って非回転側移動体用コイルばね４８に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆと中間非回転側移動体用コイルばね４９に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２とが作用しているとき、その接触点の法線方向と中間非回転側移動体用従動子５３の半径方向とのなす角をθとすれば、法線方向圧接力ｈａ、ｈｂと押圧力ｆ、ｇ２との差が小さいとき、中間非回転側移動体４７は窪み５２に装着されたままの静止状態になっている。
【０１３８】
このとき、釣合いの条件から次式が成り立つ。  
［数９］
ｈａｃｏｓθ＋ｈｂｃｏｓθ＝ｈｒ    （垂直方向）  （９）
ｈａｓｉｎθ＋ｈｂｓｉｎθ＝ｆ−ｇ２（水平方向）  （10）
【０１３９】
窪み５２の法線方向に作用する圧接力ｈａ、ｈｒは、式（９）および式（１０）を整理すると、次式で表わされる。  
【数１１】
2009127775.tif 000005
【数１２】
2009127775.tif 000006
【０１４０】
このような圧接力ｈａ、ｈｂが中間非回転側移動体用従動子５３から中間非回転側移動体４７の窪み５２に加えられているシール機構２５は、運転を開始すると、蒸気の熱を受け、回転軸２２が図１４に示すように、一点鎖線で示す位置から実線で示す位置に移動する。
【０１４１】
このときの移動距離を、ケーシング２４との相対変位Ｘで表わすと、相対変位Ｘは、０≦Ｘ≦Ｐ（Ｐは、中間非回転側移動体用従動子５３が中間非回転側移動体４７の窪み５２から離れる位置）の範囲に亘っている。
【０１４２】
この回転軸２２の移動に伴って非回転側移動体２７も移動し、非回転側移動体用コイルばね４８から非回転側移動体２７に与えられている押圧力ｆが変化する。
【０１４３】
相対変位Ｘが、０≦Ｘ≦Ｐの範囲においては、非回転側移動体用コイルばね４８から非回転側移動体２７および中間非回転側移動体４７のそれぞれに与えられる押圧力ｆが小さいので、中間非回転側移動体用従動子５３を窪み５２に装着させたままの状態に維持される。
【０１４４】
このときの相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係は、式（１）で表わされる。
【０１４５】
さらに、相対変位Ｘが増加し、非回転側移動体用コイルばね４８から非回転側移動体２７および中間非回転側移動体４７のそれぞれに与えられる押圧力ｆが大きくなり、その押圧力ｆが
【数１３】
2009127775.tif 000007
【０１４６】
そして、非回転側移動体用コイルばね４８からの押圧力ｆと中間非回転側移動体用コイルばね４９からの押圧力ｇ２とがバランスするまで、中間非回転側移動体４７は移動し、この間、非回転側移動体用コイルばね４８と中間非回転側移動体用コイルばね４９とが直列コイルばねとして成立する。このときの相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係は、式（２）で表わされる。
【０１４７】
図１７は、非回転側移動体２７が非回転側移動体用コイルばね４８から受ける押圧力ｆと回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位との関係を示す押圧力線図である。
【０１４８】
この押圧力線図は、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位Ｘが０≦Ｘ≦Ｐの範囲のとき、非回転側移動体２７が非回転側移動体用コイルばね４８からの押圧力ｆを受けないゼロからスタートし、やがて押圧力ｆが式（１）に基づいて徐々に増加し、相対変位ＸがＸ＝Ｐになると、式（１３）が成立し、中間非回転側移動体用従動子５３が中間非回転側移動体４７の窪み５２から離れ、このとき押圧力ｆが低下し、その後再び定常（定格）運転時の相対変位Ｘｓまで押圧力ｆが式（２）に基づいて増加することを示している。
【０１４９】
すなわち、この押圧力線図から、非回転側移動体用コイルばね４８は、破線で示す従来のように、初期押圧力値ｆ０を確保させる必要がなく、また、高いばね定数を選定する必要もないことを示している。
【０１５０】
このように、本実施形態は、中間非回転側移動体４７を介装させて非回転側移動体用コイルばね４８と中間非回転側移動体用コイルばね４９とを直列接続させ、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位が小さいとき、カラー２３と非回転側移動体２７のシール部３５との接触に伴う摩擦力発生防止を、非回転側移動体用コイルばね４８で対処させるとともに、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位が大きくなると、カラー２３と非回転側移動体２７のシール部３５との接触に伴う摩擦力発生防止を、コイルばね５１を介装してシール機構ケーシング２６に設けた中間非回転側移動体用従動子５３が中間非回転側移動体４７の窪み５２から離れることを条件に押圧力ｆを低下させて対処する構成にしたので、非回転側移動体用コイルばね４８に蓄えられている弾性エネルギに基づく初期押圧力ｆ０を確保させることもなく、ゼロにし、また、各コイルばね４８、４９の高いばね定数を選定することもなく、カラー２３と非回転側移動体２７とを非接触状態に維持させて安定したシール運転を行うことができる。
【０１５１】
図１８は、蒸気タービンを例示とする本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第６実施形態を示す概念図である。
【０１５２】
なお、第１実施形態および第５実施形態の構成要素または対応する部分には同一符号を付す。
【０１５３】
また、回転機械には回転電機も含まれる。
【０１５４】
図１４〜図１７に示した第５実施形態においては、非回転側移動体２７のケーシング２４に対する相対変位ＸがＸ＝Ｐになると、中間非回転側移動体用従動子５３が中間非回転側移動体４７に設けた窪み５２から離れ、これに伴って非回転側移動体用コイルばね４８から非回転側移動体２７および中間非回転側移動体４７のそれぞれに与えられている押圧力ｆを減少させる構成を採っている。
【０１５５】
この変化が微小であれば、何らの支障もきたさないが、変化量が大きく、かつ急速に変化すると、作動流体の流量突変につながり、振動発生の要因になる。
【０１５６】
本実施形態は、このような事象を考慮したものであり、中間非回転側移動体用従動子５３が中間非回転側移動体４７の窪み５２から離れても、非回転側移動体用コイルばね４８からの押圧力ｆが緩やかに変化する構成を採ったものである。
【０１５７】
すなわち、本実施形態は、図１８に示すように、中間非回転側移動体用従動子５３を装着させる中間非回転側移動体４７の一つの窪み５２を、作動流体の低圧側Ｌに向って下り傾斜にして配置する複数の窪み５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、…に増加構成したものである。
【０１５８】
そして、この場合、中間非回転側移動体４７は、作動流体の高圧側Ｈに移動させるようにし、また、中間非回転側移動体用従動子５３は、作動流体の低圧側Ｌに移動させるようにしている。
【０１５９】
このように、中間非回転側移動体４７の一つの窪み５２を、作動流体の低圧側Ｌに向って下り傾斜に配置する複数の窪み５２ａ、５２ｂ、…に構成すると、非回転側移動体用コイルばね４８の押圧力線図は、図１９に示すように、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位Ｘが、Ｘ＝０で運転開始後、蒸気の熱を受けて相対変位Ｘの増加とともに押圧力ｆも増加し、相対変位ＸがＸ＝Ｐになると、式（１３）に基づいて中間非回転側移動体用従動子５３が窪み５２ａから離れる状態Ｐ１になる。
【０１６０】
このとき、押圧力ｆは低下し、状態Ｐ２になる。この場合、押圧力ｆの低下量は、窪み５２の個数を数多く増加させているので、破線で示す第５実施形態よりも緩やかにして少なくさせている。
【０１６１】
さらに、蒸気の温度が上昇し、相対変位Ｘが大きくなり、相対変位ＸがＸ＝ＰＬになると、式（１３）が再び成立し、中間非回転側移動体用従動子５３は窪み５２ｂから離れる状態Ｐ３になる。
【０１６２】
このように繰り返し行われる状態変化に伴って変動する押圧力ｆは、やがて定常運転に至ると予め求める押圧力ｆｓとなり、中間非回転側移動体用コイルばね４９から中間非回転側移動体４７に与えている押圧力ｇ２とバランスする。
【０１６３】
なお、複数の窪み５２ａ、５２ｂ、…を、作動流体の低圧側Ｌに向って下り傾斜にして配置したのは、次の理由による。
【０１６４】
図１９に示す押圧力線図において、状態３は、中間非回転側移動体用従動子５３を装着させている窪み５２ｂが、状態Ｐ１よりも作動流体の低圧側Ｌに１個移動させているのに対し、中間非回転側移動体４７は、その逆方向に移動しているため、中間非回転側移動体用コイルばね４９から受ける押圧力ｇ２が増加している。
【０１６５】
もし、状態Ｐ１と状態Ｐ３で式（１３）の右辺第２項のｔａｎθｈｒが同じであれば、中間非回転側移動体用従動子５３が窪み５２ａから離れるために必要な押圧力ｆは状態Ｐ３の方が大きくなる。同様に、中間非回転側移動体用従動子５３を装着させる窪み５２ｂが、作動流体の低圧側Ｌに１個ずれるごとに、その窪み５２ｂから離れるために必要な押圧力ｆはより大きくなり、ついには過度になるおそれが出る。
【０１６６】
本実施形態は、このような事象を考慮したものであり、複数の窪み５２ａ、５２ｂ、…を作動流体の低圧側Ｌに向って下り傾斜にして配置し、窪み５２が作動流体の低圧側Ｌに近づくにつれ、中間非回転側移動体用従動子５３を支持するコイルばね５１の長さが長くなり、中間非回転側移動体用従動子５３の窪み５２に対する圧接力ｈｒを小さくさせ、中間非回転側移動体用従動子５３の窪み５２から離れる押圧力を低くさせたものである。
【０１６７】
このように、本実施形態は、中間非回転側移動体用従動子５３を装着させる中間非回転側移動体４７の一つの窪み５２を、作動流体の低圧側Ｌに向って下り傾斜にして配置する複数の窪み５２ａ、５２ｂ、…に増加させ、非回転側移動体用コイルばね４８から非回転側移動体２７および中間非回転側移動体４７のそれぞれに与える押圧力の変動を少なくさせて緩やかにする構成にしたので、作動流体に擾乱を与えない安定したシール運転を行うことができる。
【０１６８】
なお、本実施形態は、中間非回転側移動体に設けた一つの窪み５２を複数の窪み５２ａ、５２ｂ、…にし、複数の窪み５２ａ、５２ｂ、…を作動流体の低圧側Ｌに向って下り傾斜にして配置したが、この例に限らず、例えば、図２０に示すように、窪み５２の法線方向と半径方向とのなす角度θが作動流体の低圧側Ｌに向って順次小さくなるように、傾斜面５４を変化させてもよい。つまり、中間非回転側移動体４７が作動流体の高圧側Ｈに向って移動し、中間非回転側移動体用従動子５３が作動流体の低圧側Ｌに向って移動するときの窪み５２の深さは、その高圧側Ｈからその低圧側Ｌに向って順次浅くしてもよい。
【０１６９】
図２１は、蒸気タービンを例示とする本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第８実施形態を示す概念図である。
【０１７０】
なお、第１実施形態および第５実施形態の構成要素または対応する部分には同一符号を付す。
【０１７１】
また、回転機械には、回転電機も含まれる。
【０１７２】
本実施形態に係る蒸気タービンは、シール機構２５のシール機構ケーシング２６に収容する非回転側移動体２７に、例えばリング状に形成する中間非回転側移動体４７を介装して直列に配置する非回転側移動体用コイルばね４８と中間非回転側移動体用コイルばね４９とを設けるとともに、シール機構ケーシング２６の半径方向内径側に向って突き出るシール機構ケーシング摩擦片５５と、このシール機構ケーシング摩擦片５５に対応し、中間非回転側移動体４７の半径方向外径側に向って突き出る中間非回転側移動体摩擦片５６とを設けたものである。
【０１７３】
なお、シール機構ケーシング摩擦片５５および中間非回転側移動体摩擦片５６は、ともに、例えば台形状に形成される。
【０１７４】
このようなシール機構２５をセットするとき、先ず、図２１に示すように、非回転側移動体用コイルばね４８を原長（自然長さ）のままにして組み入れるとともに、中間非回転側移動体用コイルばね４９を原長よりも短くなるように圧縮して組み入れる。
【０１７５】
このとき、シール機構２５は、シール機構摩擦片５５と中間非回転側移動体摩擦片５６とを互いに接触させて組み入れるとともに、中間非回転側移動体用コイルばね４９に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｇ２、非回転側移動体用コイルばね４８に蓄えられている弾性エネルギに基づく押圧力ｆ、およびシール機構ケーシング摩擦片５５と中間非回転側移動体摩擦片５６とによる摩擦力をバランスさせ、非回転側移動体２７のシール部３５をカラー２３に接触させる。
【０１７６】
このような状態から、運転が開始されると、回転軸２２は、蒸気の熱を受け、図２１に示すように、一点鎖線で示す位置から実線で示す位置に移動する。
【０１７７】
このときの移動距離を、ケーシング２４との相対変位Ｘで表わすと、相対変位Ｘは、０≦Ｘ≦Ｐ（Ｐは、中間非回転側移動体摩擦片５６がシール機構ケーシング摩擦片５５から離れる位置）の範囲に亘っている。
【０１７８】
この回転軸２２の移動に伴って非回転側移動体２７も移動し、非回転側移動体用コイルばね４８から非回転側移動体２７に与えられている押圧力ｆが変化する。
【０１７９】
相対変位Ｘが、０≦Ｘ≦Ｐの範囲においては、非回転側移動体用コイルばね４８から非回転側移動体２７および中間非回転側移動体４７のそれぞれに与えられる押圧力ｆが小さいので、中間非回転側移動体摩擦片５６をシール機構ケーシング摩擦片５５に接触させたままの状態に維持させる。
【０１８０】
このときの相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係は、式（１）で表わされる。
【０１８１】
さらに、相対変位Ｘが増加し、非回転側移動体用コイルばね４８から非回転側移動体２７および中間非回転側移動体４７のそれぞれに与えられている押圧力ｆが大きくなり、この大きくなった押圧力ｆが、中間非回転側移動体用コイルばね４９からの押圧力ｇ２および中間非回転側移動体摩擦片５６からの摩擦力の合計の合力よりも超えると、相対変位Ｘは、Ｐ≦Ｘの範囲に入る。
【０１８２】
このとき、中間非回転側移動体４７は、図２２に示すように、作動流体の高圧側Ｈに向って移動し、これに伴って中間非回転側移動体摩擦片５６がシール機構ケーシング摩擦片５５から離れる。
【０１８３】
このときの非回転側移動体用コイルばね４８と中間非回転側移動体用コイルばね４９とは直列ばねが成立する。この条件の下、相対変位Ｘと押圧力ｆとの関係は、式（２）で表わされる。
【０１８４】
このように、本実施形態は、中間非回転側移動体４７を介装させ非回転側移動体用コイルばね４８と中間非回転側移動体用コイルばね４９とを直列接続させるとともに、中間非回転側移動体４７に設けられ、シール機構ケーシングのシール機構ケーシング摩擦片５５に接触させて摩擦力を発生させる中間非回転側移動体摩擦片５６を備え、回転軸２２のケーシング２４に対する相対変位が小さいとき、カラー２３と非回転側移動体２７のシール部３５との接触に伴う摩擦力発生防止を、中間非回転側移動体用コイルばね４９と中間非回転側移動体摩擦片５６とで対処させる一方、回転軸２２のケーシングに対する相対変位が大きくなると、カラー２３と非回転側移動体２７のシール部３５との接触に伴う摩擦力発生防止を、非回転側移動体用コイルばね４８と中間非回転側移動体用コイルばね４９とで対処する構成にしたので、非回転側移動体用コイルばね４８に蓄えられている弾性エネルギに基づく初期押圧力ｆ０を確保させることもなく、ゼロにし、また、各コイルばね４８、４９の高いばね定数を選定することもなく、カラー２３と非回転側移動体２７とを非接触状態に維持させて安定したシール運転を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１８５】
【図１】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第１実施形態を示す概念図。
【図２】図１に示した回転部および非回転部の挙動を示す図。
【図３】図１に示した非回転部の挙動に基づくコイルばねの押圧力線図。
【図４】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第２実施形態を示す概念図。
【図５】図４に示した非回転部の挙動を示す概念図。
【図６】図５に示した非回転部のさらなる挙動を示す概念図。
【図７】図５および図６に示した非回転部の挙動に基づくコイルばねの押圧力線図。
【図８】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第３実施形態を示す分解状態の概念図。
【図９】図８に示した回転機械のシール装置および回転機械の組立て状態を示す概念図。
【図１０】図８に示した非回転部の挙動を示す概念図。
【図１１】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第４実施形態を示す概念図。
【図１２】図１１に示した非回転部の挙動を示す概念図。
【図１３】図１２に示した非回転部のさらなる挙動を示す概念図。
【図１４】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第５実施形態を示す図。
【図１５】図１４に示した非回転部の挙動を示す概念図。
【図１６】図１４に示した中間非回転側移動体を抜き出した部分拡大図。
【図１７】図１４に示した非回転部の挙動に基づくコイルばねの押圧力線図。
【図１８】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第６実施形態を示す概念図。
【図１９】図１８に示した非回転部の挙動に基づくコイルばねの押圧力線図。
【図２０】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第７実施形態を示す概念図。
【図２１】本発明に係る回転機械のシール装置および回転機械の第８実施形態を示す概念図。
【図２２】図２１に示した非回転部の挙動を示す概念図。
【図２３】従来の回転機械のシール装置および回転機械を示す概念図。
【図２４】図２３のＡ−Ａ矢視から見た切断正面図。
【図２５】図２４のＢ−Ｂ矢視方向で切断した部分断面図。
【図２６】図２３に示したカラーに凹所を設けたことを示す概念図。
【図２７】図２６のＣ−Ｃ矢視方向で切断した部分断面図。
【図２８】図２３に示した回転軸とケーシングとの伸びを示す伸び線図。
【図２９】図２３に示した非回転部の挙動に基づくコイルばねの押圧力線図。
【図３０】図２３に示した非回転部のコイルばねに初期押圧力値を与えないときの押圧力線図。
【符号の説明】
【０１８６】
１  回転部
２  非回転部
３  回転軸
４ａ  第１カラー
４ｂ  第２カラー
５  ジャーナル軸受
６  スラスト軸受
７  シール機構
８  ケーシング
９  シール機構ケーシング
１０  非回転側移動体
１１  コイルばね
１２ａ  第１補助シール
１２ｂ  第２補助シール
１３  係合部
１４  シール部
１５  凹所
１６  平坦部
１７  傾斜部
２０  回転部
２１  非回転部
２２  回転軸
２３  カラー
２４  ケーシング
２５  シール機構
２６  シール機構ケーシング
２７  非回転側移動体
２８  第１コイルばね
２９  仕切り
３０  第２コイルばね
３１  凹所
３２  ストッパ
３３  係合部
３４ａ  第１補助シール
３４ｂ  第２補助シール
３５  シール部
３６  第３コイルばね
３７  第１仕切り
３８  第２仕切り
３９  第１ストッパ
４０  第２ストッパ
４１、４１ａ、４１ｂ  係合片
４２、４２ａ、４２ｂ  係止片
４３  主コイルばね
４４  補助第１コイルばね
４５  補助第２コイルばね
４６  ばね支持部
４７  中間非回転側移動体
４８  非回転側移動体用コイルばね
４９  中間非回転側移動体用コイルばね
５０  案内ガイド
５１  コイルばね
５２  窪み
５３  中間非回転側移動体用従動子
５４  傾斜面
５５  シール機構ケーシング摩擦片
５６  中間非回転側移動体摩擦片
【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】
2009127775.tif 000020
【図１４】
2009127775.tif 000021
【図１５】
2009127775.tif 000022
【図１６】
2009127775.tif 000023
【図１７】
2009127775.tif 000024
【図１８】
2009127775.tif 000025
【図１９】
2009127775.tif 000026
【図２０】
2009127775.tif 000027
【図２１】
2009127775.tif 000028
【図２２】
2009127775.tif 000029
【図２３】
2009127775.tif 000030
【図２４】
2009127775.tif 000031
【図２５】
2009127775.tif 000032
【図２６】
2009127775.tif 000033
【図２７】
2009127775.tif 000034
【図２８】
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【図２９】
2009127775.tif 000036
【図３０】
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