JP3593082B2 - 軸シール機構及びタービン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、ポンプなどの大型流体機械の回転軸等に用いて好適な軸シール機構に関する。また、流体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させるタービンに関し、特にその回転軸に適用される軸シール機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ガスタービンや蒸気タービンには、回転軸の軸周りに、高圧側から低圧側に漏れるガスの漏れ量を低減するための軸シール機構が設けられている。この軸シール機構の一例として、図１２に示すリーフシール１がある。
【０００３】
このリーフシール１は、回転軸２の軸方向に所定の幅寸法を有する平板状の薄板３を、回転軸２の周方向に多層に配置した構造となっている。
これら薄板３は、その外周基端側が、ろう付け部４を介してリーフシールリング５に固定され、内周側の先端が、回転軸２に所定の予圧で摺接している。各薄板３の先端は、同図及び図１３に示すように、回転軸２の回転方向（図中の矢印ｄに示す方向）に対して、回転軸２の周面と成す角が鋭角となるようして、回転軸２の周面に摺接している。
このようにしてリーフシールリング５に取り付けられた各薄板３は、回転軸２の外周をシールすることによって、回転軸２の周囲空間を高圧側領域と低圧側領域とに分けている。
リーフシールリング５には、各薄板３を間に挟む両側において、高圧領域側には高圧側側板７、低圧領域側には低圧側側板８が、圧力作用方向のガイド板として配置されている。
【０００４】
上記のように構成されたリーフシール１において、回転軸２が回転されると、回転軸２の回転によって生じる動圧効果により、各薄板３の先端が回転軸２の周面から浮上し、各薄板３の先端と回転軸２との接触が回避される。これにより摩耗が防止される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記リーフシール１では、次のような問題点がある。
このリーフシール１は、回転軸２の回転によって生じる動圧効果によって、各薄板３の先端を回転軸２の周面から浮上させ、回転軸２と各薄板３との接触を回避して、過大な発熱及び摩耗を防止する構造となっている。しかし、低圧側側板８及び各薄板３間の隙間と高圧側側板７及び各薄板３間の隙間とが等しくなるように、低圧側側板８並びに高圧側側板７を設けた場合、高圧側から加圧された際に、各薄板３に対してこれを回転軸２の半径方向中心に向かって変形させるような圧力荷重が加わる。したがって、動圧効果の小さい起動時等には非接触状態をつくることが困難となっていた。
【０００６】
この問題を解決するため、高圧側側板７と各薄板３との間に、回転軸２の軸方向に可撓性を有するサイドリーフを取り付けた構造が提案されている。サイドリーフは、その外周側がスポット溶接によって高圧側側板７に対して取り付けられている。
このリーフシールでは、高圧側から加圧された際、高圧側のガス圧によってサイドリーフが回転軸２の軸方向に撓んで薄板３の側辺に接し、各薄板３と高圧側側板７との間の隙間が各薄板３と低圧側側板８との間の隙間よりも小さくなる。このため、高圧側側板７と回転軸２との間から流入したガスが、各薄板３の先端から外周基端側に向けて流れることとなり、各薄板３が浮上する。
【０００７】
しかしながら、上記リーフシールでは、次のような問題点がある。
上記リーフシールにおいては、サイドリーフが高圧側側板７に対して取り付けられているため、低圧側に向けて撓む際、サイドリーフの外周に曲げ力が働く。しかも、サイドリーフの外周は、高圧側側板７にスポット溶接で取り付けられているため、溶接箇所の強度が比較的弱い。したがって、低圧側と高圧側の圧力差が大きくなって、サイドリーフの外周に強い曲げ力が働いた場合には、サイドリーフが高圧側側板７から外れてしまう可能性があった。この場合には、十分なシール機能を満足できなくなる。
【０００８】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高圧側から低圧側へのガスの漏れ量を低減すると共に、高シール差圧においても好適なシール機能を維持できる軸シール機構及びこの軸シール機構を備えたタービンを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の軸シール機構は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って、回転軸の軸方向に流れる流体を阻止する軸シール機構において、静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側がリーフシールリング内に固定され、各先端が回転軸の周面と鋭角を成し、かつ回転軸の軸方向に幅を有して回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、各薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、各薄板と高圧側側板との間に配置されて回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、高圧側側板と可撓板との間の高圧側隙間が、低圧側側板と各薄板との間の低圧側隙間よりも小さくなるようにして、可撓板が、各薄板に対して取り付けられていることを特徴としている。
【００１０】
この軸シール機構では、各薄板をその幅方向に垂直な仮想平面で断面視し、該薄板の回転軸に面した面を下面、その裏側を上面とし、各薄板に対して高圧側側板から低圧側側板に向かうガス圧が加わった場合に、各薄板の前記断面に沿った任意位置における上面に加わるガス圧よりも下面に加わるガス圧の方が高くなるので、各薄板の先端が浮上して回転軸と非接触状態となる。
【００１１】
これについて詳しく説明すると、高圧側から加圧された際に、各薄板を通過してガスが高圧側から低圧側へ流れようとするが、このとき、各薄板と高圧側側板との間に可撓板を配置し、各薄板と高圧側側板との隙間を各薄板と低圧側側板との間の隙間よりも小さくすることで、高圧側側板と回転軸周面との間から流入したガスは薄板の上下面に沿って対角に向かって広く流れると同時に、外周基端には低圧の領域が広がる。これにより、薄板の幅方向に垂直な断面に沿った任意位置で、各薄板の上下面に加わるガス圧分布が、薄板の先端側から外周基端に向かって徐々に小さくなる三角形状となる。この上下面それぞれの圧力分布形状は互いに略同じものとなるが、各薄板が回転軸の周面に対して鋭角をなすように斜めに配置されているので、これら上下面における各圧力分布の相対位置がずれており、薄板の外周基端側から先端側に向かう任意点における上下面のガス圧を比較した場合、両者で差が生じることとなる。
【００１２】
つまり、下面に加わるガス圧（これをＦｂとする）の方が上面に加わるガス圧（これをＦａとする）よりも高くなるので、各薄板を回転軸より浮かせるように変形させる方向に作用する。このとき、薄板の先端近傍部分では逆となり、上面にのみガス圧が加わる（薄板の最先端部分を、回転軸周面に対して面接触するように斜めに切り取った場合、下面に相当する部分がなくなるので。）が、この力は、回転軸周面と薄板先端との間を流れるガスのガス圧が、薄板先端を回転軸周面から浮かせる方向に作用（これをＦｃとする）して打ち消すので、薄板先端を回転軸に押さえ込もうとする力を生じさせない。したがって、各薄板に加わるガス圧による圧力荷重は、（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａとなるので、各薄板が回転軸周面より浮くようにこれを変形させることが可能となる。
【００１３】
また、可撓板は、各薄板に対して取り付けられているので、これが高圧側側板に対して取り付けられている場合と比べて、回転軸の軸方向に向かって、固定部に対する相対的な撓みが少なくなり、可撓板の外周に働く曲げ力が小さくなる。したがって、可撓板が外れ難くなる。これにより、高差圧においても、軸シール機構のシール機能を維持することができる。
【００１４】
請求項２記載の軸シール機構は、請求項１記載の軸シール機構において、可撓板が、その外周部を回転軸の周方向に沿って各薄板に溶接固定されていることを特徴としている。
【００１５】
この軸シール機構では、可撓板が薄板に対して強力に取り付けられるので、高圧側と低圧側とに高圧差が生じた場合でも、曲げ力によって可撓板が外れるのをより確実に防ぐことができる。したがって、高差圧においても、軸シール機構のシール機能を維持することができる。
また、可撓板を取り付けるために、各薄板の形状を変更したり、特別な加工を施す必要がない。
【００１６】
請求項３記載の軸シール機構は、請求項１記載の軸シール機構において、可撓板が、薄板に形成された凹部に嵌合固定されていることを特徴している。
【００１７】
この軸シール機構では、可撓板を各薄板の凹部に嵌合して取り付けるため、各薄板及び可撓板に熱を加える必要がない。したがって、可撓板を取り付ける際、溶接の熱により各薄板と可撓板とが熱変形や損傷するのを防ぐことができる。これにより、各薄板及び可撓板の熱変形や損傷によるシール機能の低下を防ぐことができる。
【００１８】
請求項４記載の軸シール機構は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って、回転軸の軸方向に流れる流体を阻止する軸シール機構において、静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側がリーフシールリング内に固定され、各先端が回転軸の周面と鋭角を成し、かつ回転軸の軸方向に幅を有して回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、各薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、各薄板と高圧側側板との間に配置されて回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、可撓板に、リーフシールリングと薄板との間に挟持される凸部が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
この軸シール機構では、各薄板の各外周基端側をリーフシールリング内に固定する際に、可撓板の凸部をリーフシールリングと薄板との間に挟むだけで、各薄板と高圧側側板との間に可撓板を設けることができる。したがって、可撓板を各薄板に対して取り付ける際、締め付け力や熱により、各薄板及び可撓板が変形や損傷するのを防ぐことができる。これにより、各薄板及び可撓板の変形や損傷によるシール機能の低下を防ぐことができる。
【００２０】
請求項５記載の軸シール機構は、請求項１〜４の何れか１項記載の軸シール機構において、可撓板が、各薄板の側辺に当接されていることを特徴としている。
【００２１】
この軸シール機構では、可撓板が常に各薄板の側辺に接して支えられるため、可撓板の外周に働く曲げ力がさらに小さくなる。したがって、可撓板が外れるのをより確実に防ぐことができる。これにより、高差圧においても、シール機能を維持することができる。
【００２２】
請求項６記載のタービンは、高温高圧の流体を、ケーシングに導き、このケーシング内部に回転可能に支持された回転軸の動翼に吹き付けることで、流体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において、請求項１〜５の何れか１項記載の軸シール機構を備えていることを特徴としている。
【００２３】
このタービンでは、高差圧においても、ガス漏れ量を低減できる軸シール機構を備えている。したがって、ガスの漏れによる駆動力の損失を低減することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る軸シール機構及びこれを備えたタービンの各実施形態について説明を行うが、本発明がこれらのみに限定解釈されるものではない。また、本発明に係るタービンをガスタービンにおいて説明するが、本発明は特にガスタービンに限定されるものではないことは勿論である。
【００２５】
まず、図１〜図７を参照しながら、第１の実施形態について説明を行う。
図１は、ガスタービンの概略構成を示す図である。同図において、符号２０は圧縮機、符号２１は燃焼器、符号２２はタービンである。圧縮機２０は、多量の空気をその内部にとり入れて圧縮するものである。通常、ガスタービンでは、後述する回転軸２３で得られる動力の一部が、圧縮機２０の動力として利用されている。燃焼器２１は、圧縮機２０で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させるものである。タービン２２は、燃焼器２１で発生した燃焼ガス（流体）をその内部に導入して膨張させ、回転軸２３に設けられた動翼２３ｅに吹き付けることで、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させるものである。
【００２６】
タービン２２には、回転軸２３側の複数の動翼２３ｅの他に、ケーシング２４側に複数の静翼（静止部）２４ａが設けられている。これら動翼２３ｅと静翼２４ａとは、回転軸２３の軸方向に交互に配列されている。動翼２３ｅは、回転軸２３の軸方向に流れる燃焼ガスの圧力を受けて回転軸２３を回転させ、回転軸２３に与えられた回転エネルギーが軸端から取り出されて利用されるようになっている。静翼２４ａと回転軸２３との間には、静翼２４ａと回転軸２３との環状空間を通り、高圧側から低圧側に向かって回転軸２３の軸方向に流れる燃焼ガスを阻止する軸シール機構として、リーフシール２５が設けられている。
【００２７】
このリーフシール２５は、図２に示すように、静翼２４ａの内部に保持されたリーフシールリング２６と、回転軸２３の周方向に互いに隙間２７を開けて設けられた複数の薄板２８とを有している。
リーフシールリング２６には、各薄板２８を間に挟む両側において、高圧領域側には高圧側側板２９、低圧領域側には低圧側側板３０が、圧力作用方向のガイド板として配置されている。
各薄板２８は、その各外周基端２８ａ側がリーフシールリング２６内に固定され、各先端２８ｂが回転軸２３の周面２３ａと鋭角を成し、かつ回転軸２３の軸方向に幅を有して回転軸２３の周面２３ａに摺接される。各薄板２８は、回転軸２３の軸方向に、板厚で決まる所定の剛性を有し、回転軸２３の周方向には、柔らかい可撓性を有している。
各薄板２８と高圧側側板２９との間には、回転軸２３の軸方向に可撓性を有する可撓板３１が設けられている。
【００２８】
図３は、リーフシール２５を図２の矢印Ａより見た場合の断面図である。この図に示すように、リーフシールリング２６の横断面及び各薄板２８は、それぞれＴ字型をしている。
可撓板３１の外周は、高圧側において、各薄板２８のＴ字型をした頭部の根元（高圧側頭部Ｈの根元）に、溶接によって強力に取り付けられている。この可撓板３１は、各薄板２８の側辺３３に軽く当接している。この可撓板３１は、高圧側から加圧された際には、回転軸２３の軸方向に向かって撓み、各薄板２８の側辺３３に当接して支えられる。
高圧側側板２９と可撓板３１との間の高圧側隙間３４は、低圧側側板３０と各薄板２８との間の低圧側隙間３５よりも小さくなっている。
【００２９】
このように、高圧側側板２９側を比較的狭く設けることで、例えば図４及び図５に示すように、高圧側から加圧された際に、各薄板２８を通過して高圧側領域から低圧側領域へ流れるガスｇは、各薄板２８の上面３６及び下面３７に沿って対角に向かって広く流れると同時に、外周基端２８ａ側には低圧の領域が広がる。
つまり、各薄板２９の上面３６及び下面３７に対して、先端２８ｂ側でかつ高圧側側板２９側に位置する角部ｒ１で最もガス圧が高く、かつ対角の角部ｒ２に向かって徐々にガス圧が弱まる三角形状のガス圧分布４０ａを形成する。
【００３０】
これについて詳しく説明すると、高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるガスｇは、回転軸２３の周面２３ａと各薄板２８の各先端２８ｂとの間、ならびに、各薄板２８の上面３６及び下面３７に沿って流れるときに、高圧側側板２９と回転軸２３の周面２３ａとの間から流入し、ｒ１からｒ２の方向へ放射状に流れるので、外周基端２８ａ側には低圧の領域が広がる。したがって、図５に示すように、各薄板２８の上面３６及び下面３７に垂直に加わるガス圧分布４０ｂ、４０ｃは、各薄板２８の各先端２８ｂに近いほど大きく、かつ外周基端２８ａに向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
【００３１】
この上面３６及び下面３７それぞれにおけるガス圧力分布４０ｂ、４０ｃの形状は互いに略同じものとなるが、各薄板２８が回転軸２３の周面２３ａに対して鋭角をなすように斜めに配置されているので、これら上面３６及び下面３７における各ガス圧分布４０ｂ、４０ｃの相対位置が寸法ｓ１だけずれている。したがって、薄板２８の外周基端２８ａ側から先端２８ｂ側に向かう任意点Ｐにおける上面３６及び下面３７のガス圧を比較した場合、下面３７に加わるガス圧（これをＦｂとする）の方が上面３６に加わるガス圧（これをＦａとする）よりも高くなり、薄板２８を回転軸２３より浮かせるように変形させる方向に作用する。
【００３２】
このとき、薄板２８の先端２８ａ近傍部分では逆となり、上面３６にのみガス圧のみが加わる（薄板２８の最先端部分は、周面２３ａに対して面接触するように斜めに切り取られて切断面３８が設けられているので、下面３７に相当する部分がなくなる。）が、この力は、周面２３ａと薄板２８の先端２８ｂとの間を流れるガスのガス圧が、薄板２８の先端２８ｂを周面２３ａから浮かせる方向に作用（これをＦｃとする）して打ち消すので、薄板２８の先端２８ｂを回転軸２３に対して押さえ込もうとする力を生じさせない。したがって、各薄板２８に加わるガス圧による圧力荷重は、（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａとなるので、各薄板２８を周面２３ａより浮かせるように変形させることが可能となる。
したがって、各薄板２８の上面３６及び下面３７間に圧力差を生じせしめて、これら薄板２８が周面２３ａより浮くように変形させて非接触状態を形成することができる。
【００３３】
次に、リーフシール２５の組み立て方を説明する。
まず、エッチングとマスキングとにより製作した各薄板２８を、隙間２７を空けて周方向に配列する。次に、各薄板２８の各外周基端２８ａをろう付けし、各薄板２８をつなぐ。次に、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの根元に、可撓板３１の外周を溶接固定する。最後に、軸方向に２分割されたリーフシールリング２６を、各薄板２８の低圧側と可撓板３１側とにそれぞれ配置し、これら各薄板２８と可撓板３１とを挟むようにして、互いに接合させる。
なお、各薄板２８の頭部上面と同様に、各薄板２８の頭部側面をろう付けしても良い。
【００３４】
このリーフシール２５によれば、高圧側側板２９と各薄板２８との間の高圧側隙間３４を、低圧側側板３０と各薄板２８との間の低圧側隙間３５よりも小さくする可撓板３１を設けたことで、動圧効果の小さい起動時等においても各薄板２８の上面３６及び下面３７との間に圧力荷重差（（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａ）を生じさせ、各薄板２８の各先端２８ｂを回転軸２３の周面２３ａから浮上させて回転軸２３との接触を回避することができる。したがって、各薄板２８と回転軸２３との接触による過大な発熱及び摩耗を防止することができる。
【００３５】
可撓板３１は、共に撓むことのできる各薄板２８に対して取り付けられているので、これが、撓みを生じない強固な高圧側側板２９に対して取り付けられている場合と比べて、回転軸２３の軸方向に向かって、固定部に対する相対的な撓みが少なくなり、可撓板３１の外周（固定部）に働く曲げ力が低減される。したがって、可撓板３１が外れ難くなる。
しかも、可撓板３１は、溶接により各薄板２８に対して強力に取り付けられるので、高圧側と低圧側とに高圧差が生じた場合でも、曲げ力によって外れることがさらに防止される。
【００３６】
さらに、可撓板３１は、常に各薄板２８の側辺３３に接して支えられるため、可撓板３１の外周に働く曲げ力がさらに小さくなる。したがって、可撓板３１が外れるのをより確実に防ぐことができる。これにより、高差圧においても、リーフシール２５のシール機能が維持される。
また、可撓板３１を各薄板２８に対して取り付けるために、各薄板２８の形状を変更したり、特別な加工を施す必要がない。
【００３７】
このリーフシールリング２５を備えたガスタービンによれば、高差圧においてもシール機能が維持されるので、ガスの漏れによる駆動力の損失が低減される。
【００３８】
これより以下、本発明の他の実施形態について、説明する。なお、他の実施形態においては、その特徴的部分を中心に説明し、上記第１の実施形態と同様の構成要素については、同符号を付してその説明を省略する。また、ガスタービンの概略構成については、上記第１の実施形態と同様であるとして説明を省略する。
【００３９】
図６は、第２の実施形態のリーフシール２５を回転軸２３の軸線を通る断面より見た断面図である。このリーフシール２５では、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの根元に、凹部４１が形成されている。この凹部４１には、可撓板３１の外周が嵌合固定されている。
【００４０】
各薄板２８の凹部４１に可撓板３１の外周を嵌合固定するには、凹部４１に可撓板３１の外周をはめ込んだ後、凹部４１を締め付けて、可撓板３１の外周に嵌合固定させる。
【００４１】
本実施形態のリーフシール２５によれば、可撓板３１を各薄板２８に取り付ける際に、可撓板３１を各薄板２８に溶接するための熱を加える必要がない。したがって、熱によって、可撓板３１と各薄板２８とが熱変形または損傷する恐れが少ない。これにより、可撓板３１及び各薄板２８の熱変形や損傷によるシール機能の低下が防止される。
【００４２】
次に、第３の実施形態のリーフシール２５を、図７を参照して説明する。本実施形態のリーフシール２５では、同図に示すように、各薄板２８の側辺３３の上部に、回転軸２３の軸方向に向けて開口した凹部４２が形成されている。また、可撓板３１の外周には、この凹部に嵌合される凸部４３が形成されている。
この可撓板３１の凸部４３を各薄板２８の凹部４２に嵌合固定するには、各薄板２８の凹部４２に、可撓板３１の凸部４３をはめ込むだけでよい。
【００４３】
本実施形態のリーフシール２５では、凹部４２が回転軸２３の軸方向に向けて開口しているので、可撓板３１の凸部４３が凹部４２に係合し、可撓板３１の荷重が凸部４３によって支えられる。したがって、可撓板３１の凸部４３をはめ込んだ後、凹部４２を締め付ける必要がない。また、可撓板３１を溶接するために熱を加えなくてもよい。これにより、締め付け力や熱によって、可撓板３１と各薄板２８とが変形あるいは損傷し、リーフシール２５のシール機能が低下するのを防止することができる。
【００４４】
次に、第４の実施形態のリーフシール２５を図８及び図９を参照して説明する。
このリーフシール２５では、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの幅が、低圧側頭部の幅よりも狭く形成されている。また、図９に示すように、可撓板３１の外周には、高圧側に向かって突出し、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの底面とリーフシールリング２６との間に挟持される凸部４４が形成されている。
【００４５】
このリーフシール２５を組み立てるには、可撓板３１を、各薄板２８の側辺３３に当接するように配置した後、軸方向に２分割されたリーフシールリング２６を、各薄板２８と可撓板３１とを挟むようにして、互いに接合させる。すると、可撓板３１の凸部４４が、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの底面とリーフシールリング２６との間に挟持され、可撓板３１が取り付けられる。
【００４６】
本実施形態のリーフシール２５によれば、可撓板２８の凸部４４がリーフシールリング２６と各薄板２８との間に挟持されるので、可撓板３１を各薄板２８に対して取り付ける際、締め付け力や熱により、各薄板２８及び可撓板３１が変形や損傷する恐れがない。したがって、可撓板３１及び各薄板２８の熱変形や損傷によるシール機能の低下が防止される。
【００４７】
次に、第５の実施形態のリーフシール２５を図１０及び図１１を参照して説明する。
本実施形態のリーフシール２５では、図１０に示すように、各薄板２８の高圧側頭部がなく、各薄板２８は、低圧側においてのみ、その頭部が突きだしたＬ字型をしている。
また、可撓板３１の外周には、図１１にも示すように、低圧側に突き出した凸部４５が形成されている。この凸部４５は、回転軸２３の周方向に一定の距離を空けて複数個が設けられている。
【００４８】
このリーフシール２５を組み立てるには、第４実施形態と同様に、各薄板２８の側辺３３に当接するように配置した後、軸方向に２分割されたリーフシールリング２６を、各薄板２８と可撓板３１とを挟むようにして互いに接合させる。すると、可撓板３１の凸部４５が、各薄板２８の頭部上面とリーフシールリング２６との間に挟持され、可撓板３１が取り付けられる。
【００４９】
本実施形態のリーフシール２５によれば、可撓板３１の凸部４５が回転軸２３の周方向に一定の距離を空けて設けられているため、可撓板３１が撓みやすく、各薄板２８の側辺３３に追従しやすくなる。つまり、高圧側からのガスｇが、可撓板３１と各薄板２８の側辺３３との間の隙間に流れることがない。
したがって、各薄板２８の上面３６及び下面３７に垂直に加わるガス圧分布４０ｂ、４０ｃを、より確実に各薄板２８の各先端２８ｂに近いほど大きく、かつ外周基端２８ａに向かうほど小さくなる三角分布形状にすることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の軸シール機構及びこれを備えたタービンによれば、下記の効果を得ることができる。
請求項１記載の軸シール機構は、静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側がリーフシールリング内に固定され、各先端が回転軸の周面と鋭角を成し、かつ回転軸の軸方向に幅を有して回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、各薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、各薄板と高圧側側板との間に配置されて回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、高圧側側板と可撓板との間の高圧側隙間が、低圧側側板と各薄板との間の低圧側隙間よりも小さくなるようにして、可撓板が、各薄板に対して取り付けられている構造を採用した。この構造によれば、各薄板に対して高圧側側板から低圧側側板に向かうガス圧が加わった際に、各薄板の断面に沿った任意位置における上面に加わるガス圧よりも下面に加わるガス圧の方が高くなり、各薄板の先端が浮上して回転軸と非接触状態となる。したがって、各薄板と回転軸との接触による発熱が防止される。
【００５１】
また、可撓板は、各薄板に対して取り付けられているので、これが高圧側側板に対して取り付けられている場合と比べて、回転軸の軸方向に向かって、固定部に対する相対的な撓みが少なくなり、可撓板の外周に働く曲げ力が小さくなる。したがって、可撓板が外れ難くなり、高シール差圧においてもシール機能を維持することができる。
【００５２】
請求項２記載の軸シール機構によれば、請求項１記載の軸シール機構において、可撓板の外周が、溶接によって各薄板に対して強力に固定されているため、高シール差圧の場合にも、曲げ力によって可撓板が外れるのをより確実に防ぐことができる。したがって、高シール差圧においても、シール機能を維持することができる。
また、可撓板を取り付けるために、各薄板の形状を変更したり、特別な加工を施す必要がない。
【００５３】
請求項３記載の軸シール機構によれば、請求項１記載の軸シール機構において、可撓板が、薄板に形成された凹部に嵌合固定されているため、可撓板を各薄板に対して取り付ける際、各薄板及び可撓板に熱を加える必要がない。したがって、溶接の熱により、各薄板と可撓板とが熱変形や損傷するのを防ぐことができる。これにより、各薄板及び可撓板の熱変形や損傷によるシール機能の低下を防ぐことができる。
【００５４】
請求項４記載の軸シール機構は、静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側がリーフシールリング内に固定され、各先端が回転軸の周面と鋭角を成し、かつ回転軸の軸方向に幅を有して回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、各薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、各薄板と高圧側側板との間に配置されて回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、可撓板に、リーフシールリングと薄板との間に挟持される凸部が設けられた構造を採用した。この構造によれば、各薄板の各外周基端側をリーフシールリング内に固定する際は、可撓板の凸部をリーフシールリングと薄板との間に挟むだけで、各薄板と高圧側側板との間に可撓板を設けることができる。したがって、可撓板を各薄板に対して取り付ける際、締め付け力や熱により、各薄板及び可撓板が変形や損傷するのを防ぐことができる。これにより、各薄板及び可撓板の変形や損傷によるシール機能の低下を防ぐことができる。
【００５５】
請求項５記載の軸シール機構によれば、請求項１〜４の何れか１項記載の軸シール機構において、可撓板が各薄板の側辺に当接されているので、可撓板が常に各薄板の側辺に支えられることになり、可撓板の外周に働く曲げ力がさらに小さくなる。したがって、可撓板が外れるのをより確実に防ぐことができる。これにより、高シール差圧においても、シール機能を維持することができる。
【００５６】
請求項６記載のタービンによれば、高温高圧の流体を、ケーシングに導き、このケーシング内部に回転可能に支持れた回転軸の動翼に吹き付けることで、流体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において、高差圧においても、ガス漏れ量を低減できる軸シール機構を備えているため、ガスの漏れによる駆動力の損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸シール機構を備えたガスタービンの第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同実施形態のリーフシール（軸シール機構）の斜視図である。
【図３】同実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図４】同実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図５】同実施形態のリーフシールを図４のＢ−Ｂ線より見た断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図９】同実施形態の可撓板の斜視図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図１１】同実施形態の可撓板の斜視図である。
【図１２】従来の軸シール機構を示す図である。
【図１３】従来の軸シール機構の断面図である。
【符号の説明】
２３ 回転軸
２３ａ 周面
２３ｅ 動翼
２４ ケーシング
２４ａ 静翼（静止部）
２５ リーフシール（軸シール機構）
２６ リーフシールリング
２７ 隙間
２８ 薄板
２８ａ 外周基端
２８ｂ 先端
２９ 高圧側側板
３０ 低圧側側板
３１ 可撓板
３３ 側辺
４１、４２ 凹部
４４、４５ 凸部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、ポンプなどの大型流体機械の回転軸等に用いて好適な軸シール機構に関する。また、流体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させるタービンに関し、特にその回転軸に適用される軸シール機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ガスタービンや蒸気タービンには、回転軸の軸周りに、高圧側から低圧側に漏れるガスの漏れ量を低減するための軸シール機構が設けられている。この軸シール機構の一例として、図１２に示すリーフシール１がある。
【０００３】
このリーフシール１は、回転軸２の軸方向に所定の幅寸法を有する平板状の薄板３を、回転軸２の周方向に多層に配置した構造となっている。
これら薄板３は、その外周基端側が、ろう付け部４を介してリーフシールリング５に固定され、内周側の先端が、回転軸２に所定の予圧で摺接している。各薄板３の先端は、同図及び図１３に示すように、回転軸２の回転方向（図中の矢印ｄに示す方向）に対して、回転軸２の周面と成す角が鋭角となるようして、回転軸２の周面に摺接している。
このようにしてリーフシールリング５に取り付けられた各薄板３は、回転軸２の外周をシールすることによって、回転軸２の周囲空間を高圧側領域と低圧側領域とに分けている。
リーフシールリング５には、各薄板３を間に挟む両側において、高圧領域側には高圧側側板７、低圧領域側には低圧側側板８が、圧力作用方向のガイド板として配置されている。
【０００４】
上記のように構成されたリーフシール１において、回転軸２が回転されると、回転軸２の回転によって生じる動圧効果により、各薄板３の先端が回転軸２の周面から浮上し、各薄板３の先端と回転軸２との接触が回避される。これにより摩耗が防止される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記リーフシール１では、次のような問題点がある。
このリーフシール１は、回転軸２の回転によって生じる動圧効果によって、各薄板３の先端を回転軸２の周面から浮上させ、回転軸２と各薄板３との接触を回避して、過大な発熱及び摩耗を防止する構造となっている。しかし、低圧側側板８及び各薄板３間の隙間と高圧側側板７及び各薄板３間の隙間とが等しくなるように、低圧側側板８並びに高圧側側板７を設けた場合、高圧側から加圧された際に、各薄板３に対してこれを回転軸２の半径方向中心に向かって変形させるような圧力荷重が加わる。したがって、動圧効果の小さい起動時等には非接触状態をつくることが困難となっていた。
【０００６】
この問題を解決するため、高圧側側板７と各薄板３との間に、回転軸２の軸方向に可撓性を有するサイドリーフを取り付けた構造が提案されている。サイドリーフは、その外周側がスポット溶接によって高圧側側板７に対して取り付けられている。
このリーフシールでは、高圧側から加圧された際、高圧側のガス圧によってサイドリーフが回転軸２の軸方向に撓んで薄板３の側辺に接し、各薄板３と高圧側側板７との間の隙間が各薄板３と低圧側側板８との間の隙間よりも小さくなる。このため、高圧側側板７と回転軸２との間から流入したガスが、各薄板３の先端から外周基端側に向けて流れることとなり、各薄板３が浮上する。
【０００７】
しかしながら、上記リーフシールでは、次のような問題点がある。
上記リーフシールにおいては、サイドリーフが高圧側側板７に対して取り付けられているため、低圧側に向けて撓む際、サイドリーフの外周に曲げ力が働く。しかも、サイドリーフの外周は、高圧側側板７にスポット溶接で取り付けられているため、溶接箇所の強度が比較的弱い。したがって、低圧側と高圧側の圧力差が大きくなって、サイドリーフの外周に強い曲げ力が働いた場合には、サイドリーフが高圧側側板７から外れてしまう可能性があった。この場合には、十分なシール機能を満足できなくなる。
【０００８】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高圧側から低圧側へのガスの漏れ量を低減すると共に、高シール差圧においても好適なシール機能を維持できる軸シール機構及びこの軸シール機構を備えたタービンを提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の軸シール機構は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って、回転軸の軸方向に流れる流体を阻止する軸シール機構において、静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側がリーフシールリング内に固定され、各先端が回転軸の周面と鋭角を成し、かつ回転軸の軸方向に幅を有して回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、各薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、各薄板と高圧側側板との間に配置されて回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、高圧側側板と可撓板との間の高圧側隙間が、低圧側側板と各薄板との間の低圧側隙間よりも小さくなるようにして、可撓板が、各薄板に対して取り付けられていることを特徴としている。
【００１０】
この軸シール機構では、各薄板をその幅方向に垂直な仮想平面で断面視し、該薄板の回転軸に面した面を下面、その裏側を上面とし、各薄板に対して高圧側側板から低圧側側板に向かうガス圧が加わった場合に、各薄板の前記断面に沿った任意位置における上面に加わるガス圧よりも下面に加わるガス圧の方が高くなるので、各薄板の先端が浮上して回転軸と非接触状態となる。
【００１１】
これについて詳しく説明すると、高圧側から加圧された際に、各薄板を通過してガスが高圧側から低圧側へ流れようとするが、このとき、各薄板と高圧側側板との間に可撓板を配置し、各薄板と高圧側側板との隙間を各薄板と低圧側側板との間の隙間よりも小さくすることで、高圧側側板と回転軸周面との間から流入したガスは薄板の上下面に沿って対角に向かって広く流れると同時に、外周基端には低圧の領域が広がる。これにより、薄板の幅方向に垂直な断面に沿った任意位置で、各薄板の上下面に加わるガス圧分布が、薄板の先端側から外周基端に向かって徐々に小さくなる三角形状となる。この上下面それぞれの圧力分布形状は互いに略同じものとなるが、各薄板が回転軸の周面に対して鋭角をなすように斜めに配置されているので、これら上下面における各圧力分布の相対位置がずれており、薄板の外周基端側から先端側に向かう任意点における上下面のガス圧を比較した場合、両者で差が生じることとなる。
【００１２】
つまり、下面に加わるガス圧（これをＦｂとする）の方が上面に加わるガス圧（これをＦａとする）よりも高くなるので、各薄板を回転軸より浮かせるように変形させる方向に作用する。このとき、薄板の先端近傍部分では逆となり、上面にのみガス圧が加わる（薄板の最先端部分を、回転軸周面に対して面接触するように斜めに切り取った場合、下面に相当する部分がなくなるので。）が、この力は、回転軸周面と薄板先端との間を流れるガスのガス圧が、薄板先端を回転軸周面から浮かせる方向に作用（これをＦｃとする）して打ち消すので、薄板先端を回転軸に押さえ込もうとする力を生じさせない。したがって、各薄板に加わるガス圧による圧力荷重は、（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａとなるので、各薄板が回転軸周面より浮くようにこれを変形させることが可能となる。
【００１３】
また、可撓板は、各薄板に対して取り付けられているので、これが高圧側側板に対して取り付けられている場合と比べて、回転軸の軸方向に向かって、固定部に対する相対的な撓みが少なくなり、可撓板の外周に働く曲げ力が小さくなる。したがって、可撓板が外れ難くなる。これにより、高差圧においても、軸シール機構のシール機能を維持することができる。
【００１４】
請求項２記載の軸シール機構は、請求項１記載の軸シール機構において、可撓板が、その外周部を回転軸の周方向に沿って各薄板に溶接固定されていることを特徴としている。
【００１５】
この軸シール機構では、可撓板が薄板に対して強力に取り付けられるので、高圧側と低圧側とに高圧差が生じた場合でも、曲げ力によって可撓板が外れるのをより確実に防ぐことができる。したがって、高差圧においても、軸シール機構のシール機能を維持することができる。
また、可撓板を取り付けるために、各薄板の形状を変更したり、特別な加工を施す必要がない。
【００１６】
請求項３記載の軸シール機構は、請求項１記載の軸シール機構において、可撓板が、薄板に形成された凹部に嵌合固定されていることを特徴している。
【００１７】
この軸シール機構では、可撓板を各薄板の凹部に嵌合して取り付けるため、各薄板及び可撓板に熱を加える必要がない。したがって、可撓板を取り付ける際、溶接の熱により各薄板と可撓板とが熱変形や損傷するのを防ぐことができる。これにより、各薄板及び可撓板の熱変形や損傷によるシール機能の低下を防ぐことができる。
【００１８】
請求項４記載の軸シール機構は、回転軸と静止部との間の環状空間を通って、回転軸の軸方向に流れる流体を阻止する軸シール機構において、静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側がリーフシールリング内に固定され、各先端が回転軸の周面と鋭角を成し、かつ回転軸の軸方向に幅を有して回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、各薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、各薄板と高圧側側板との間に配置されて回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、可撓板に、リーフシールリングと薄板との間に挟持される凸部が設けられていることを特徴としている。
【００１９】
この軸シール機構では、各薄板の各外周基端側をリーフシールリング内に固定する際に、可撓板の凸部をリーフシールリングと薄板との間に挟むだけで、各薄板と高圧側側板との間に可撓板を設けることができる。したがって、可撓板を各薄板に対して取り付ける際、締め付け力や熱により、各薄板及び可撓板が変形や損傷するのを防ぐことができる。これにより、各薄板及び可撓板の変形や損傷によるシール機能の低下を防ぐことができる。
【００２０】
請求項５記載の軸シール機構は、請求項１〜４の何れか１項記載の軸シール機構において、可撓板が、各薄板の側辺に当接されていることを特徴としている。
【００２１】
この軸シール機構では、可撓板が常に各薄板の側辺に接して支えられるため、可撓板の外周に働く曲げ力がさらに小さくなる。したがって、可撓板が外れるのをより確実に防ぐことができる。これにより、高差圧においても、シール機能を維持することができる。
【００２２】
請求項６記載のタービンは、高温高圧の流体を、ケーシングに導き、このケーシング内部に回転可能に支持された回転軸の動翼に吹き付けることで、流体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において、請求項１〜５の何れか１項記載の軸シール機構を備えていることを特徴としている。
【００２３】
このタービンでは、高差圧においても、ガス漏れ量を低減できる軸シール機構を備えている。したがって、ガスの漏れによる駆動力の損失を低減することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る軸シール機構及びこれを備えたタービンの各実施形態について説明を行うが、本発明がこれらのみに限定解釈されるものではない。また、本発明に係るタービンをガスタービンにおいて説明するが、本発明は特にガスタービンに限定されるものではないことは勿論である。
【００２５】
まず、図１〜図７を参照しながら、第１の実施形態について説明を行う。
図１は、ガスタービンの概略構成を示す図である。同図において、符号２０は圧縮機、符号２１は燃焼器、符号２２はタービンである。圧縮機２０は、多量の空気をその内部にとり入れて圧縮するものである。通常、ガスタービンでは、後述する回転軸２３で得られる動力の一部が、圧縮機２０の動力として利用されている。燃焼器２１は、圧縮機２０で圧縮された空気に燃料を混合して燃焼させるものである。タービン２２は、燃焼器２１で発生した燃焼ガス（流体）をその内部に導入して膨張させ、回転軸２３に設けられた動翼２３ｅに吹き付けることで、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させるものである。
【００２６】
タービン２２には、回転軸２３側の複数の動翼２３ｅの他に、ケーシング２４側に複数の静翼（静止部）２４ａが設けられている。これら動翼２３ｅと静翼２４ａとは、回転軸２３の軸方向に交互に配列されている。動翼２３ｅは、回転軸２３の軸方向に流れる燃焼ガスの圧力を受けて回転軸２３を回転させ、回転軸２３に与えられた回転エネルギーが軸端から取り出されて利用されるようになっている。静翼２４ａと回転軸２３との間には、静翼２４ａと回転軸２３との環状空間を通り、高圧側から低圧側に向かって回転軸２３の軸方向に流れる燃焼ガスを阻止する軸シール機構として、リーフシール２５が設けられている。
【００２７】
このリーフシール２５は、図２に示すように、静翼２４ａの内部に保持されたリーフシールリング２６と、回転軸２３の周方向に互いに隙間２７を開けて設けられた複数の薄板２８とを有している。
リーフシールリング２６には、各薄板２８を間に挟む両側において、高圧領域側には高圧側側板２９、低圧領域側には低圧側側板３０が、圧力作用方向のガイド板として配置されている。
各薄板２８は、その各外周基端２８ａ側がリーフシールリング２６内に固定され、各先端２８ｂが回転軸２３の周面２３ａと鋭角を成し、かつ回転軸２３の軸方向に幅を有して回転軸２３の周面２３ａに摺接される。各薄板２８は、回転軸２３の軸方向に、板厚で決まる所定の剛性を有し、回転軸２３の周方向には、柔らかい可撓性を有している。
各薄板２８と高圧側側板２９との間には、回転軸２３の軸方向に可撓性を有する可撓板３１が設けられている。
【００２８】
図３は、リーフシール２５を図２の矢印Ａより見た場合の断面図である。この図に示すように、リーフシールリング２６の横断面及び各薄板２８は、それぞれＴ字型をしている。
可撓板３１の外周は、高圧側において、各薄板２８のＴ字型をした頭部の根元（高圧側頭部Ｈの根元）に、溶接によって強力に取り付けられている。この可撓板３１は、各薄板２８の側辺３３に軽く当接している。この可撓板３１は、高圧側から加圧された際には、回転軸２３の軸方向に向かって撓み、各薄板２８の側辺３３に当接して支えられる。
高圧側側板２９と可撓板３１との間の高圧側隙間３４は、低圧側側板３０と各薄板２８との間の低圧側隙間３５よりも小さくなっている。
【００２９】
このように、高圧側側板２９側を比較的狭く設けることで、例えば図４及び図５に示すように、高圧側から加圧された際に、各薄板２８を通過して高圧側領域から低圧側領域へ流れるガスｇは、各薄板２８の上面３６及び下面３７に沿って対角に向かって広く流れると同時に、外周基端２８ａ側には低圧の領域が広がる。
つまり、各薄板２９の上面３６及び下面３７に対して、先端２８ｂ側でかつ高圧側側板２９側に位置する角部ｒ１で最もガス圧が高く、かつ対角の角部ｒ２に向かって徐々にガス圧が弱まる三角形状のガス圧分布４０ａを形成する。
【００３０】
これについて詳しく説明すると、高圧側領域から低圧側領域に向かって流れるガスｇは、回転軸２３の周面２３ａと各薄板２８の各先端２８ｂとの間、ならびに、各薄板２８の上面３６及び下面３７に沿って流れるときに、高圧側側板２９と回転軸２３の周面２３ａとの間から流入し、ｒ１からｒ２の方向へ放射状に流れるので、外周基端２８ａ側には低圧の領域が広がる。したがって、図５に示すように、各薄板２８の上面３６及び下面３７に垂直に加わるガス圧分布４０ｂ、４０ｃは、各薄板２８の各先端２８ｂに近いほど大きく、かつ外周基端２８ａに向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
【００３１】
この上面３６及び下面３７それぞれにおけるガス圧力分布４０ｂ、４０ｃの形状は互いに略同じものとなるが、各薄板２８が回転軸２３の周面２３ａに対して鋭角をなすように斜めに配置されているので、これら上面３６及び下面３７における各ガス圧分布４０ｂ、４０ｃの相対位置が寸法ｓ１だけずれている。したがって、薄板２８の外周基端２８ａ側から先端２８ｂ側に向かう任意点Ｐにおける上面３６及び下面３７のガス圧を比較した場合、下面３７に加わるガス圧（これをＦｂとする）の方が上面３６に加わるガス圧（これをＦａとする）よりも高くなり、薄板２８を回転軸２３より浮かせるように変形させる方向に作用する。
【００３２】
このとき、薄板２８の先端２８ａ近傍部分では逆となり、上面３６にのみガス圧のみが加わる（薄板２８の最先端部分は、周面２３ａに対して面接触するように斜めに切り取られて切断面３８が設けられているので、下面３７に相当する部分がなくなる。）が、この力は、周面２３ａと薄板２８の先端２８ｂとの間を流れるガスのガス圧が、薄板２８の先端２８ｂを周面２３ａから浮かせる方向に作用（これをＦｃとする）して打ち消すので、薄板２８の先端２８ｂを回転軸２３に対して押さえ込もうとする力を生じさせない。したがって、各薄板２８に加わるガス圧による圧力荷重は、（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａとなるので、各薄板２８を周面２３ａより浮かせるように変形させることが可能となる。
したがって、各薄板２８の上面３６及び下面３７間に圧力差を生じせしめて、これら薄板２８が周面２３ａより浮くように変形させて非接触状態を形成することができる。
【００３３】
次に、リーフシール２５の組み立て方を説明する。
まず、エッチングとマスキングとにより製作した各薄板２８を、隙間２７を空けて周方向に配列する。次に、各薄板２８の各外周基端２８ａをろう付けし、各薄板２８をつなぐ。次に、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの根元に、可撓板３１の外周を溶接固定する。最後に、軸方向に２分割されたリーフシールリング２６を、各薄板２８の低圧側と可撓板３１側とにそれぞれ配置し、これら各薄板２８と可撓板３１とを挟むようにして、互いに接合させる。
なお、各薄板２８の頭部上面と同様に、各薄板２８の頭部側面をろう付けしても良い。
【００３４】
このリーフシール２５によれば、高圧側側板２９と各薄板２８との間の高圧側隙間３４を、低圧側側板３０と各薄板２８との間の低圧側隙間３５よりも小さくする可撓板３１を設けたことで、動圧効果の小さい起動時等においても各薄板２８の上面３６及び下面３７との間に圧力荷重差（（Ｆｂ＋Ｆｃ）＞Ｆａ）を生じさせ、各薄板２８の各先端２８ｂを回転軸２３の周面２３ａから浮上させて回転軸２３との接触を回避することができる。したがって、各薄板２８と回転軸２３との接触による過大な発熱及び摩耗を防止することができる。
【００３５】
可撓板３１は、共に撓むことのできる各薄板２８に対して取り付けられているので、これが、撓みを生じない強固な高圧側側板２９に対して取り付けられている場合と比べて、回転軸２３の軸方向に向かって、固定部に対する相対的な撓みが少なくなり、可撓板３１の外周（固定部）に働く曲げ力が低減される。したがって、可撓板３１が外れ難くなる。
しかも、可撓板３１は、溶接により各薄板２８に対して強力に取り付けられるので、高圧側と低圧側とに高圧差が生じた場合でも、曲げ力によって外れることがさらに防止される。
【００３６】
さらに、可撓板３１は、常に各薄板２８の側辺３３に接して支えられるため、可撓板３１の外周に働く曲げ力がさらに小さくなる。したがって、可撓板３１が外れるのをより確実に防ぐことができる。これにより、高差圧においても、リーフシール２５のシール機能が維持される。
また、可撓板３１を各薄板２８に対して取り付けるために、各薄板２８の形状を変更したり、特別な加工を施す必要がない。
【００３７】
このリーフシールリング２５を備えたガスタービンによれば、高差圧においてもシール機能が維持されるので、ガスの漏れによる駆動力の損失が低減される。
【００３８】
これより以下、本発明の他の実施形態について、説明する。なお、他の実施形態においては、その特徴的部分を中心に説明し、上記第１の実施形態と同様の構成要素については、同符号を付してその説明を省略する。また、ガスタービンの概略構成については、上記第１の実施形態と同様であるとして説明を省略する。
【００３９】
図６は、第２の実施形態のリーフシール２５を回転軸２３の軸線を通る断面より見た断面図である。このリーフシール２５では、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの根元に、凹部４１が形成されている。この凹部４１には、可撓板３１の外周が嵌合固定されている。
【００４０】
各薄板２８の凹部４１に可撓板３１の外周を嵌合固定するには、凹部４１に可撓板３１の外周をはめ込んだ後、凹部４１を締め付けて、可撓板３１の外周に嵌合固定させる。
【００４１】
本実施形態のリーフシール２５によれば、可撓板３１を各薄板２８に取り付ける際に、可撓板３１を各薄板２８に溶接するための熱を加える必要がない。したがって、熱によって、可撓板３１と各薄板２８とが熱変形または損傷する恐れが少ない。これにより、可撓板３１及び各薄板２８の熱変形や損傷によるシール機能の低下が防止される。
【００４２】
次に、第３の実施形態のリーフシール２５を、図７を参照して説明する。本実施形態のリーフシール２５では、同図に示すように、各薄板２８の側辺３３の上部に、回転軸２３の軸方向に向けて開口した凹部４２が形成されている。また、可撓板３１の外周には、この凹部に嵌合される凸部４３が形成されている。
この可撓板３１の凸部４３を各薄板２８の凹部４２に嵌合固定するには、各薄板２８の凹部４２に、可撓板３１の凸部４３をはめ込むだけでよい。
【００４３】
本実施形態のリーフシール２５では、凹部４２が回転軸２３の軸方向に向けて開口しているので、可撓板３１の凸部４３が凹部４２に係合し、可撓板３１の荷重が凸部４３によって支えられる。したがって、可撓板３１の凸部４３をはめ込んだ後、凹部４２を締め付ける必要がない。また、可撓板３１を溶接するために熱を加えなくてもよい。これにより、締め付け力や熱によって、可撓板３１と各薄板２８とが変形あるいは損傷し、リーフシール２５のシール機能が低下するのを防止することができる。
【００４４】
次に、第４の実施形態のリーフシール２５を図８及び図９を参照して説明する。
このリーフシール２５では、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの幅が、低圧側頭部の幅よりも狭く形成されている。また、図９に示すように、可撓板３１の外周には、高圧側に向かって突出し、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの底面とリーフシールリング２６との間に挟持される凸部４４が形成されている。
【００４５】
このリーフシール２５を組み立てるには、可撓板３１を、各薄板２８の側辺３３に当接するように配置した後、軸方向に２分割されたリーフシールリング２６を、各薄板２８と可撓板３１とを挟むようにして、互いに接合させる。すると、可撓板３１の凸部４４が、各薄板２８の高圧側頭部Ｈの底面とリーフシールリング２６との間に挟持され、可撓板３１が取り付けられる。
【００４６】
本実施形態のリーフシール２５によれば、可撓板２８の凸部４４がリーフシールリング２６と各薄板２８との間に挟持されるので、可撓板３１を各薄板２８に対して取り付ける際、締め付け力や熱により、各薄板２８及び可撓板３１が変形や損傷する恐れがない。したがって、可撓板３１及び各薄板２８の熱変形や損傷によるシール機能の低下が防止される。
【００４７】
次に、第５の実施形態のリーフシール２５を図１０及び図１１を参照して説明する。
本実施形態のリーフシール２５では、図１０に示すように、各薄板２８の高圧側頭部がなく、各薄板２８は、低圧側においてのみ、その頭部が突きだしたＬ字型をしている。
また、可撓板３１の外周には、図１１にも示すように、低圧側に突き出した凸部４５が形成されている。この凸部４５は、回転軸２３の周方向に一定の距離を空けて複数個が設けられている。
【００４８】
このリーフシール２５を組み立てるには、第４実施形態と同様に、各薄板２８の側辺３３に当接するように配置した後、軸方向に２分割されたリーフシールリング２６を、各薄板２８と可撓板３１とを挟むようにして互いに接合させる。すると、可撓板３１の凸部４５が、各薄板２８の頭部上面とリーフシールリング２６との間に挟持され、可撓板３１が取り付けられる。
【００４９】
本実施形態のリーフシール２５によれば、可撓板３１の凸部４５が回転軸２３の周方向に一定の距離を空けて設けられているため、可撓板３１が撓みやすく、各薄板２８の側辺３３に追従しやすくなる。つまり、高圧側からのガスｇが、可撓板３１と各薄板２８の側辺３３との間の隙間に流れることがない。
したがって、各薄板２８の上面３６及び下面３７に垂直に加わるガス圧分布４０ｂ、４０ｃを、より確実に各薄板２８の各先端２８ｂに近いほど大きく、かつ外周基端２８ａに向かうほど小さくなる三角分布形状にすることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の軸シール機構及びこれを備えたタービンによれば、下記の効果を得ることができる。
請求項１記載の軸シール機構は、静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側がリーフシールリング内に固定され、各先端が回転軸の周面と鋭角を成し、かつ回転軸の軸方向に幅を有して回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、各薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、各薄板と高圧側側板との間に配置されて回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、高圧側側板と可撓板との間の高圧側隙間が、低圧側側板と各薄板との間の低圧側隙間よりも小さくなるようにして、可撓板が、各薄板に対して取り付けられている構造を採用した。この構造によれば、各薄板に対して高圧側側板から低圧側側板に向かうガス圧が加わった際に、各薄板の断面に沿った任意位置における上面に加わるガス圧よりも下面に加わるガス圧の方が高くなり、各薄板の先端が浮上して回転軸と非接触状態となる。したがって、各薄板と回転軸との接触による発熱が防止される。
【００５１】
また、可撓板は、各薄板に対して取り付けられているので、これが高圧側側板に対して取り付けられている場合と比べて、回転軸の軸方向に向かって、固定部に対する相対的な撓みが少なくなり、可撓板の外周に働く曲げ力が小さくなる。したがって、可撓板が外れ難くなり、高シール差圧においてもシール機能を維持することができる。
【００５２】
請求項２記載の軸シール機構によれば、請求項１記載の軸シール機構において、可撓板の外周が、溶接によって各薄板に対して強力に固定されているため、高シール差圧の場合にも、曲げ力によって可撓板が外れるのをより確実に防ぐことができる。したがって、高シール差圧においても、シール機能を維持することができる。
また、可撓板を取り付けるために、各薄板の形状を変更したり、特別な加工を施す必要がない。
【００５３】
請求項３記載の軸シール機構によれば、請求項１記載の軸シール機構において、可撓板が、薄板に形成された凹部に嵌合固定されているため、可撓板を各薄板に対して取り付ける際、各薄板及び可撓板に熱を加える必要がない。したがって、溶接の熱により、各薄板と可撓板とが熱変形や損傷するのを防ぐことができる。これにより、各薄板及び可撓板の熱変形や損傷によるシール機能の低下を防ぐことができる。
【００５４】
請求項４記載の軸シール機構は、静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側がリーフシールリング内に固定され、各先端が回転軸の周面と鋭角を成し、かつ回転軸の軸方向に幅を有して回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、各薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、各薄板と高圧側側板との間に配置されて回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、可撓板に、リーフシールリングと薄板との間に挟持される凸部が設けられた構造を採用した。この構造によれば、各薄板の各外周基端側をリーフシールリング内に固定する際は、可撓板の凸部をリーフシールリングと薄板との間に挟むだけで、各薄板と高圧側側板との間に可撓板を設けることができる。したがって、可撓板を各薄板に対して取り付ける際、締め付け力や熱により、各薄板及び可撓板が変形や損傷するのを防ぐことができる。これにより、各薄板及び可撓板の変形や損傷によるシール機能の低下を防ぐことができる。
【００５５】
請求項５記載の軸シール機構によれば、請求項１〜４の何れか１項記載の軸シール機構において、可撓板が各薄板の側辺に当接されているので、可撓板が常に各薄板の側辺に支えられることになり、可撓板の外周に働く曲げ力がさらに小さくなる。したがって、可撓板が外れるのをより確実に防ぐことができる。これにより、高シール差圧においても、シール機能を維持することができる。
【００５６】
請求項６記載のタービンによれば、高温高圧の流体を、ケーシングに導き、このケーシング内部に回転可能に支持れた回転軸の動翼に吹き付けることで、流体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において、高差圧においても、ガス漏れ量を低減できる軸シール機構を備えているため、ガスの漏れによる駆動力の損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸シール機構を備えたガスタービンの第１の実施形態を示す概略構成図である。
【図２】同実施形態のリーフシール（軸シール機構）の斜視図である。
【図３】同実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図４】同実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図５】同実施形態のリーフシールを図４のＢ−Ｂ線より見た断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図９】同実施形態の可撓板の斜視図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態のリーフシールを回転軸の軸線を通る断面より見た断面図である。
【図１１】同実施形態の可撓板の斜視図である。
【図１２】従来の軸シール機構を示す図である。
【図１３】従来の軸シール機構の断面図である。
【符号の説明】
２３ 回転軸
２３ａ 周面
２３ｅ 動翼
２４ ケーシング
２４ａ 静翼（静止部）
２５ リーフシール（軸シール機構）
２６ リーフシールリング
２７ 隙間
２８ 薄板
２８ａ 外周基端
２８ｂ 先端
２９ 高圧側側板
３０ 低圧側側板
３１ 可撓板
３３ 側辺
４１、４２ 凹部
４４、４５ 凸部
Claims (6)
- 回転軸と静止部との間の環状空間を通って、前記回転軸の軸方向に流れる流体を阻止する軸シール機構において、
前記静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、
前記回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側が前記リーフシールリング内に固定され、各先端が前記回転軸の周面と鋭角を成し、かつ前記回転軸の軸方向に幅を有して前記回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、
該薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、
前記各薄板と前記高圧側側板との間に配置されて前記回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、
前記高圧側側板と前記可撓板との間の高圧側隙間が、前記低圧側側板と前記各薄板との間の低圧側隙間よりも小さくなるようにして、前記可撓板は、前記各薄板に対して取り付けられていることを特徴とする軸シール機構。 - 前記可撓板は、その外周部が前記各薄板に溶接固定されていることを特徴とする請求項１記載の軸シール機構。
- 前記可撓板は、前記薄板に形成された凹部に嵌合固定されていることを特徴する請求項１記載の軸シール機構。
- 回転軸と静止部との間の環状空間を通って、前記回転軸の軸方向に流れる流体を阻止する軸シール機構において、
前記静止部の内部に保持されたリーフシールリングと、
前記回転軸の周方向に互いに隙間を開けて設けられ、各外周基端側が前記リーフシールリング内に固定され、各先端が前記回転軸の周面と鋭角を成し、かつ前記回転軸の軸方向に幅を有して前記回転軸の周面に摺接される複数の薄板と、
該薄板を間に挟み低圧側及び高圧側にそれぞれ設けられた低圧側側板及び高圧側側板と、
前記各薄板と前記高圧側側板との間に配置されて前記回転軸の軸方向に可撓性を有する可撓板とを有し、
前記可撓板には、前記リーフシールリングと前記各薄板との間に挟持される凸部が設けられていることを特徴とする軸シール機構。 - 前記可撓板は、前記各薄板の側辺に当接されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の軸シール機構。
- 高温高圧の流体を、ケーシングに導き、該ケーシング内部に回転可能に支持された回転軸の動翼に吹き付けることで、前記流体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において、
請求項１〜５の何れか１項記載の軸シール機構を備えていることを特徴とするタービン。
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