(57)【要約】【課題】回転軸に軸方向と径方向の振動が同時に発生しても、シールフィンの摩耗を抑制すること。【解決手段】シールフィン５を内周に形成する環状のシール体４は、回転軸６を取り囲むケーシング１の環状溝７に設けられた突き出し片９に切り込み溝８が係合されるとともに、弾性部材２で内周側に付勢された保持部材３によって端面１３が押圧されて支持されている。ここで、シール体４は、突き出し片９との当接面に形成される環状の凸条１１が突き出し片の断面円弧の凹面１２と線接触するとともに、端面１３が保持部材３に形成される断面円弧の凸面１４と線接触することにより、水平姿勢を保ちながら移動することができる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸とこれを取り囲むケーシングとの間をシールする軸シール装置において、前記ケーシングに支持されて前記回転軸を取り囲むように環状に設けられたシール体と、このシール体の内周面から前記回転軸の外周面に向かって突出して環状に形成されるシールフィンとを有し、
前記シール体の軸方向の両側に形成される環状の切り込み溝が前記ケーシングの内周に形成される環状溝に設けられた突き出し片に係合され、前記環状溝内の弾性部材により内周側に付勢された保持部材が前記環状溝内の前記シール体の端面を押圧してなり、
前記環状溝内のシール体は、前記突き出し片との当接面に形成される環状の凸条が前記突き出し片の断面円弧の凹面と線接触するとともに、前記端面が前記保持部材に形成される断面円弧の凸面と線接触してなることを特徴とする軸シール装置。
【請求項２】
前記シール体の前記端面は、断面円弧の凹面であることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービンなどの回転軸の軸シール装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、蒸気タービンやガスタービンなどにおいては、例えば、回転軸とこれを周方向で包囲する静止体（例えば、ケーシング）との隙間に作動流体の漏洩を防止するシール構造が施されている。このシール構造としては、現在、多くのタービンにおいてラビランス型のシール構造が採用されている。
【０００３】
図４に従来のラビランス型のシール構造の一例を示す。図４に示すように、回転軸６を周方向で取り囲むケーシング１の内周面には環状の溝７が形成され、溝７内にシール体４が支持されている。シール体４の内周面には、回転軸６に向かって突出するシールフィン５が軸方向に複数形成されており、シールフィン５の先端と回転軸６の表面との隙間を流れる作動流体をシールフィン５により仕切られた空間内で膨張させることにより、作動流体の漏れを防止するようにしている。
【０００４】
シール体４をケーシング１の溝７内で支持する構造としては、例えば、シール体４の軸方向の両側に一対の切り込み部８を形成し、この切り込み部８を溝７に形成される突き出し片９に係合するとともに、溝７内に設けられた弾性部材２がシール体４の端面を内周側に付勢することにより、シール体４を突き出し片９に押し付けて支持するようになっている。
【０００５】
このようなシール構造においては、シールフィンの先端と回転軸との隙間の寸法が小さい程、作動流体の漏洩を抑制することができる。しかし、この隙間が小さくなると、例えば、回転軸に軸振動が生じた際、回転軸がシールフィンと強く接触（ラビング）することにより、シールフィンに局部的な摩耗が生じるおそれがある。このようにシールフィンの摩耗が進行すると、漏洩量が次第に増加してタービンの効率を低下させることになる。
【０００６】
これに対し、例えば、ケーシングの溝内に形成されるテーパ状の嵌合面にシール体を接触させて支持することにより、シール体を嵌合面に沿って移動可能とするタービンの軸シール装置が知られている（特許文献１参照。）。これによれば、シール体がタービンの運転負荷に応じて適宜移動するため、シールフィンと回転軸との隙間を所定の寸法に保つことができ、回転軸とシールフィンとの強い接触を抑制することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３０３３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、蒸気タービンなどの回転軸に生じる振動は、軸方向や径方向にそれぞれ単独で発生する場合に限らず、これらの方向の振動が同時に発生する場合も考えられる。このような場合、例えば、回転軸はシールフィンと接触することにより、シール体を斜め方向に押し上げるように作用する。
【０００９】
これに対し、特許文献１の軸シール装置によれば、シール体は案内面となるケーシングの嵌合面に沿った方向にしか移動できないため、テーパ状の嵌合面と異なる方向、例えば、回転軸が嵌合面の方向と反対側の斜め方向に移動した場合、回転軸がシールフィンと軸方向で片当りすることにより、シール体はモーメントの作用を受けて回転軸に対して水平姿勢を維持できなくなり、シールフィンに摩耗が生じるおそれがある。
【００１０】
本発明は、回転軸に軸方向と径方向の振動が同時に発生した場合においても、シール体が水平姿勢を維持したまま移動することによりシールフィンの摩耗を抑制することができる軸シール装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の軸シール装置は、回転軸とこれを取り囲むケーシングとの間をシールする軸シール装置において、ケーシングに支持されて回転軸を取り囲むように環状に設けられたシール体と、このシール体の内周面から回転軸の外周面に向かって突出して環状に形成されるシールフィンとを有し、シール体の軸方向の両側に形成される環状の切り込み溝がケーシングの内周に形成される環状溝に設けられた突き出し片に係合され、環状溝内の弾性部材により内周側に付勢された保持部材が環状溝内のシール体の端面を押圧してなり、環状溝内のシール体は、突き出し片との当接面に形成される環状の凸条が突き出し片の断面円弧の凹面と線接触するとともに、端面が保持部材に形成される断面円弧の凸面と線接触してなることを特徴としている。
【００１２】
本発明において、シール体は、ケーシングの溝内において断面方向で３点により支持され、そのうち２点は、シール体の凸条がそれぞれ突き出し片に形成される断面円弧の凹面の中央位置（底面）と接した状態となっている。ここで、回転軸の振動などによりシール体に外力が加わると、摩擦抵抗が小さいことから、シール体は凸条が凹面に沿って移動する。このため、回転軸が軸方向の前後のいずれかにおいて斜め方向に移動する場合もシール体は軸方向に対して水平姿勢を維持したまま移動することができる。これにより、回転軸の移動する方向に関係なく、シールフィンと回転軸との強い接触を防止することができるため、シールフィンの摩耗を抑制し、作動流体の漏洩によるタービンの効率の低下を抑えることができる。
【００１３】
この場合において、シール体の端面は、断面円弧の凹面であることが好ましい。これによれば、シール体は、姿勢をより安定に保ちながら移動することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回転軸に軸方向と径方向の振動が同時に発生した場合においても、シールフィンの摩耗を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を適用してなる軸シール装置の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明を適用してなる軸シール装置の一実施の形態の断面図である。図２は図１の軸シール装置において回転軸の振動に伴いシール体が移動する様子を説明する図である。図３は本発明を適用してなる軸シール装置の他の実施の形態の断面図である。図４は従来の軸シール装置の一例の断面図である。図５は図４の軸シール装置において回転軸の振動に伴いシール体がモーメントの作用を受ける様子を説明する図である。なお、本発明の実施の形態は、蒸気タービンの回転軸とケーシングとの隙間に本発明の軸シール装置を適用した例であり、図４、図５に示した従来の装置と対応する構成の部分については、その構造の相違にかかわらず、説明を簡単にするため同一の符号を付している。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態の軸シール装置は、回転軸６の外周を覆うケーシング１に支持されるシール体４を有しており、このシール体４が回転軸６を取り囲むように周方向に配設されている。シール体４は、周方向で複数に分割されて構成され、その内周面には回転軸６の外周面に向かって突出するシールフィン５が軸方向に沿って複数形成されている。シールフィン５の先端は回転軸の表面と微小隙間があくように設定されている。ここで、回転軸の外周面には環状の突起１０が所定間隔をあけて軸方向に複数配置されており、シールフィン５は回転軸６の軸方向において隣接する突起１０同士の隙間と突起１０の外周面とにそれぞれ対向させて一つずつ配置しているが、これに限られるものではない。
【００１８】
ケーシング１の内周面には環状の溝７が形成されており、シール体４はこの溝内に一部が組み込まれて支持されている。具体的に、シール体４は、回転軸の軸方向の両側に一対の切り込み部８を有して断面Ｉ字状に形成されており、切り込み部８が溝７に形成される突き出し片９に係合されている。そして、シール体４は、溝７内の弾性部材２により内周側に付勢された環状の保持部材３が端面と接することにより、突き出し片９に押し付けられた状態となっている。なお、保持部材３は、シール体４と同様、周方向で複数に分割されて構成される。
【００１９】
シール体４には突き出し片９と接触する面に環状で断面円弧の凸条１１が形成されており、この凸条１１は、突き出し片９に環状で形成される断面円弧の凹面１２と線接触、つまり断面方向で点接触するようになっている。ここで、凸条１１の曲率半径は凹面１２の曲率半径よりも小さく設定されている。
【００２０】
またシール体４は、保持部材３と接触する面が断面円弧の凹面１３で形成されており、この凹面１３と接する保持部材３の内周面には断面円弧の凸面１４が形成されている。凸面１４は、凹面１３と線接触、つまり断面方向で点接触するようになっている。ここで、凸面１４の曲率半径は凹面１３の曲率半径よりも小さく設定されている。なお、保持部材３の外周面は平坦面となっており、一端がケーシング１に固定された弾性部材２の他端が固定されている。
【００２１】
また本実施の形態では、シール体の保持部材３と接触する面が凹面１３で形成される例を示したが、これに限られず、平坦面であってもよい。
【００２２】
次に、本実施の形態の軸シール装置の理解を容易にするため、従来技術の軸シール装置の動作を説明する。
【００２３】
図５に示すように、従来の軸シール装置では、例えば、回転軸６が軸振動によって軸方向にのみ移動するときは、シール体４が突き出し片９と接触しながらこれに支持されて移動するため水平姿勢を維持できる。しかし、回転軸６に軸方向と径方向の振動が同時に発生した場合、回転軸６が斜め方向（矢印ａ）に移動してシールフィン５と接触することにより、シール体４はモーメントの作用を受けて（矢印ｂ）大きく傾斜するため水平姿勢を維持できなくなる。このためシールフィン５は軸方向において回転軸６と局部的に接触する部分が生じ、偏摩耗を生じる要因となる。
【００２４】
これに対し、本実施の形態の軸シール装置によれば、図２に示すように、回転軸６が斜め方向（矢印ａ）に移動した場合、シール体４は保持部材３によってケーシング１の突き出し片９に押し付けられ、つまり溝７の断面方向において保持部材３と突き出し片９によって３点で支持された状態で水平姿勢を維持しながら斜め方向（矢印ｃ）に移動する。
【００２５】
このように、シール体４は、凹面１３が保持部材３の凸面１４と接触するとともに、凸条１１が突き出し片９の凹面１２の中央位置を基点として凹面１２の曲面に沿って移動するため、蒸気の漏洩を防ぎ、高いシール性能を保つことができる。またシール体４はケーシング１との接触面積が小さい分、摩擦抵抗を少なくできるため、容易に移動することができ、加えて、移動の際に水平姿勢を保つことができるため、回転軸６に軸方向と径方向の軸振動が同時に生じてもシールフィン５の局部的な磨耗の進行を抑制することができる。これによりシールフィン５の性能劣化を抑制し、軸シール装置の寿命を向上させることができる。
【００２６】
次に、シール体４の凸条１１の他の実施の形態を説明する。
【００２７】
図１のシール体４では、凸条１１を断面円弧状に形成する例を示したが、図３に示すように、断面Ｖ字状の突起形状とすることもできる。このように凹面１２と接触する先端部分の曲率半径を小さくすることにより、シール体４の移動をより滑らかにするとともに、凹面１２との密着性を向上できるため、シール性をより向上させることができる。さらに、凹面１２においても、断面円弧状に代えて斜面を形成するようにしてもよい。
【００２８】
以上述べたように、本実施の形態の軸シール装置によれば、シール体はケーシングの溝内で断面方向において３点で支持され、水平姿勢を維持しながら容易に移動することができるため、回転軸の振動する方向などに関係なく、シールフィンと回転軸との強い接触を防止することができる。これにより、シールフィン局部的な摩耗を抑制し、作動流体の漏洩によるタービンの効率の低下を抑えることができる。
【００２９】
なお、本実施の形態では、本発明の軸シール装置を蒸気タービンの回転軸とケーシングとの隙間に適用する例を説明したが、これに限られるものではなく、ガスタービンなどの他の軸流流体機械においても同様に適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を適用してなる軸シール装置の一実施の形態の断面図である。
【図２】図１の軸シール装置において回転軸の振動に伴いシール体が移動する様子を説明する図である。
【図３】本発明を適用してなる軸シール装置の他の実施の形態の断面図である。
【図４】従来の軸シール装置の一例の断面図である。
【図５】図４の軸シール装置において回転軸の振動に伴いシール体がモーメントの作用を受ける様子を説明する図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  ケーシング
２  弾性部材
３  保持部材
４  シール体
５  シールフィン
６  回転軸
７  溝
８  切り込み部
９  突き出し片
１１  凸条
１２  凹面
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009019598.tif 000005
【図４】
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【図５】
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