JP6888976B2 - Shaft sealing device and rotating machine - Google Patents
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Description
本発明は、軸シール装置、及び回転機械に関する。 The present invention relates to a shaft sealing device and a rotating machine.
ガスタービンや蒸気タービン等の回転機械は、ロータの周囲において、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軸シール装置を備える。 Rotating machines such as gas turbines and steam turbines are provided with a shaft seal device that reduces the amount of leakage of the working fluid flowing from the high pressure side to the low pressure side around the rotor.
特許文献1には、ロータの径方向外側に設けられて径方向に移動可能に設けられたシール部材本体、及びシール部材本体を径方向外側に向かって付勢する弾性体を有する可動シール部材を備えた軸シール装置が開示されている。
このような構成とされた軸シール装置では、回転機械の起動及び停止時において、シール部材本体が弾性体によって径方向外側に付勢され、ロータと可動シール部材との間のシール間隙が十分に確保される。 In the shaft sealing device having such a configuration, the sealing member main body is urged radially outward by the elastic body when the rotating machine is started and stopped, and the sealing gap between the rotor and the movable sealing member is sufficiently sufficient. Secured.
一方、回転機械の運転時には、高圧側の作動流体(例えば、作動蒸気)がシール部材本体の径方向外側の背面に回り込むことで、シール部材本体に背面圧力が作用する。この背面圧力は、弾性体の付勢力に抗して、シール部材本体を径方向内側に変位させる。 On the other hand, when the rotating machine is operated, the working fluid on the high pressure side (for example, working steam) wraps around the back surface on the radial outer side of the sealing member body, so that the back surface pressure acts on the sealing member body. This back pressure displaces the sealing member body inward in the radial direction against the urging force of the elastic body.
ところで、上記構成とされた軸シール装置では、回転機械の運転を開始時において、高圧側の作動流体がシール部材本体の背面に回り込んだ際、シール部材本体の背面に作用する背面圧力によってシール部材本体が径方向内側に迅速に変位することが好ましい。
つまり、回転機械の運転の開始時において、高圧側の作動流体がシール部材本体の背面に回り込んだ際、大きな背面圧力が印加されることが好ましい。
By the way, in the shaft sealing device having the above configuration, when the working fluid on the high pressure side wraps around the back surface of the sealing member main body at the start of operation of the rotating machine, the sealing is performed by the back pressure acting on the back surface of the sealing member main body. It is preferable that the member body is rapidly displaced inward in the radial direction.
That is, it is preferable that a large back pressure is applied when the working fluid on the high pressure side wraps around the back surface of the seal member main body at the start of operation of the rotating machine.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、可動シール部材の作動性を高めることの可能な軸シール装置、及び回転機械を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a shaft sealing device capable of enhancing the operability of a movable sealing member, and a rotating machine.
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る軸シール装置は、ロータと該ロータを囲うステータとの間に設けられ、前記ロータと前記ステータとの間の空間を前記ロータの中心軸方向において、高圧流体が流れる高圧側領域と低圧流体が流れる低圧側領域とに分けるとともに、可動シール部材を含む軸シール装置であって、前記可動シール部材は、前記ステータの内周側に配置され、該ステータに固定されたハウジングと、隙間を介在させた状態で、前記ハウジング内に一部が収容され、かつ隙間を介在させた状態で前記ロータの外周面と対向するシール部材本体と、前記シール部材本体を前記ロータの径方向の外側に付勢する弾性部材と、を備え、前記可動シール部材は、前記シール部材本体のうち、前記ロータの周方向に配置された端部の端面側に形成され、かつ該ロータの周方向の内側に向かって窪んだキャビティと、前記キャビティと前記低圧側領域とを連通させる連通部と、を備え、前記キャビティの周方向における深さは、前記ハウジングと前記シール部材本体との間に流れ込んだ前記高圧流体が前記シール部材本体に及ぼす背面圧力を相対的に大きくすることが可能な深さで、かつ10mm以下の範囲内にある。 In order to solve the above problems, the shaft sealing device according to one aspect of the present invention is provided between the rotor and the stator surrounding the rotor, and the space between the rotor and the stator is formed in the direction of the central axis of the rotor. In the shaft sealing device including a movable sealing member, which is divided into a high pressure side region through which the high pressure fluid flows and a low pressure side region through which the low pressure fluid flows, the movable sealing member is arranged on the inner peripheral side of the stator. A housing fixed to the stator, a seal member main body facing the outer peripheral surface of the rotor with a part accommodated in the housing with a gap interposed therebetween, and the seal. The movable seal member includes an elastic member that urges the member body to the outside in the radial direction of the rotor, and the movable seal member is formed on the end face side of the end portion of the seal member body arranged in the circumferential direction of the rotor. A cavity that is recessed inward in the circumferential direction of the rotor and a communication portion that communicates the cavity with the low-pressure side region are provided, and the depth of the cavity in the circumferential direction is determined by the housing and the above. in flown the high pressure fluid is said sealing member is capable of depth to increase relatively the back pressure on the body between the sealing member main body, and are within the range of not less 10 mm.
本発明によれば、シール部材本体のうち、ロータの周方向に配置された端部の端面側に形成され、かつロータの周方向の内側に向かって窪んだキャビティと、キャビティと低圧側領域とを連通させる連通部と、を有することで、連通部を通じて、キャビティ内に低圧側領域を流れる低圧流体を導入させて、キャビティ内を低圧流体で満たすことが可能となる。 According to the present invention, in the seal member main body, a cavity formed on the end face side of an end portion arranged in the circumferential direction of the rotor and recessed toward the inside in the circumferential direction of the rotor, and a cavity and a low pressure side region. By having a communication portion for communicating with each other, it is possible to introduce a low-pressure fluid flowing in the low-pressure side region into the cavity through the communication portion and fill the inside of the cavity with the low-pressure fluid.
これにより、回転機械の運転開始時において、キャビィティ内に高圧流体が流れ込んだ場合でもキャビティ内の圧力が低圧に保たれるため、シール部材本体の端面に加わる流体の力を小さくすることが可能となる。 As a result, at the start of operation of the rotating machine, even if a high-pressure fluid flows into the cavity, the pressure inside the cavity is maintained at a low pressure, so it is possible to reduce the force of the fluid applied to the end face of the sealing member body. Become.
そして、シール部材本体が受ける背面圧力は、シール部材本体の端面が受ける流体の力の反対方向に働く力である。したがって、シール部材本体の端面が受ける流体の力を小さくすることで、相対的にシール部材本体が受ける背面圧力を大きくすることが可能となる。
このように、相対的にシール部材本体が受ける背面圧力を大きくすることで、可動シール部材の作動性(特に、回転機械の運転の開始時における可動シール部材の作動性)を高めることができる。
The back pressure received by the seal member body is a force acting in the opposite direction of the fluid force received by the end face of the seal member body. Therefore, by reducing the force of the fluid received by the end face of the seal member body, it is possible to relatively increase the back pressure received by the seal member body.
In this way, by relatively increasing the back pressure received by the seal member main body, the operability of the movable seal member (particularly, the operability of the movable seal member at the start of operation of the rotating machine) can be improved.
また、上記本発明の一態様に係る軸シール装置において、固定シール部材を含んでおり、前記キャビティの底面と該底面と対向する前記固定シール部材の端面との間に、前記可動シール部材の端面と前記固定シール部材の端面とを互いに離間させる方向に付勢する補助付勢部材を有してもよい。 Further, in the shaft sealing device according to one aspect of the present invention, a fixed sealing member is included, and an end surface of the movable sealing member is provided between the bottom surface of the cavity and the end surface of the fixed sealing member facing the bottom surface. It may have an auxiliary urging member that urges the fixed seal member and the end surface of the fixed seal member in a direction that separates them from each other.
上記構成とされた補助付勢部材を有することで、シール部材本体の端面と固定シール部材の端面とが互いに対向した際に生じる圧力を、補助付勢部材による付勢力によって低減することが可能となるので、可動シール部材の姿勢を安定して維持させることができる。 By having the auxiliary urging member having the above configuration, it is possible to reduce the pressure generated when the end face of the seal member main body and the end face of the fixed seal member face each other by the urging force of the auxiliary urging member. Therefore, the posture of the movable seal member can be stably maintained.
また、上記本発明の一態様に係る軸シール装置において、前記シール部材本体は、前記隙間を介在させて前記ハウジング内に配置された受圧部と、前記ハウジングの外側に配置されたベース部と、前記受圧部と前記ベース部とを接続する接続部と、を含み、前記ハウジングは、前記隙間に前記高圧流体が導入されて前記シール部材本体が前記ステータの中心軸方向に移動した際に、前記接続部の一部が当接される当接面を有してもよい。 Further, in the shaft sealing device according to one aspect of the present invention, the sealing member main body includes a pressure receiving portion arranged inside the housing with the gap interposed therebetween, and a base portion arranged outside the housing. The housing includes a connecting portion that connects the pressure receiving portion and the base portion, and the housing is said to be formed when the high-pressure fluid is introduced into the gap and the sealing member main body moves in the central axis direction of the stator. It may have a contact surface to which a part of the connecting portion is in contact.
このように、ステータの中心軸方向に移動した際に、接続部の一部が当接される当接面をハウジングが備えることで、接続部の一部とステータの当接面との間に摩擦力が発生してしまう。
しかしながら、上述したように、シール部材本体が受ける背面圧力を大きくすることで、上記摩擦力の影響を小さくすることが可能となるので、可動シール部材の作動性(特に、回転機械の運転の開始時における可動シール部材の作動性)を高めることができる。
In this way, the housing is provided with a contact surface to which a part of the connection portion is brought into contact when moving in the central axis direction of the stator, so that a part of the connection portion and the contact surface of the stator are provided with each other. Friction force is generated.
However, as described above, by increasing the back pressure applied to the seal member main body, the influence of the frictional force can be reduced, so that the operability of the movable seal member (particularly, the start of operation of the rotating machine) The operability of the movable seal member at the time) can be improved.
本発明の一態様に係る回転機械は、上記軸シール装置を含んでもよい。 The rotary machine according to one aspect of the present invention may include the shaft sealing device.
このように、上述した軸シール装置を含むことで、相対的にシール部材本体の背面圧力を大きくすることが可能となるので、可動シール部材の作動性(特に、回転機械の運転の開始時における可動シール部材の作動性)を高めることができる。 In this way, by including the shaft sealing device described above, it is possible to relatively increase the back pressure of the sealing member main body, so that the operability of the movable sealing member (particularly at the start of operation of the rotating machine) The operability of the movable seal member) can be improved.
本発明によれば、可動シール部材の作動性を高めることができる。 According to the present invention, the operability of the movable seal member can be enhanced.
以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の蒸気タービンの寸法関係とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments to which the present invention has been applied will be described in detail with reference to the drawings. The drawings used in the following description are for explaining the configuration of the embodiment of the present invention, and the size, thickness, dimensions, etc. of the illustrated parts may differ from the actual dimensional relations of the steam turbine. There is.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る回転機械の主要部をロータの中心軸方向から見た図である。図1では、ロータのみを断面で図示する。図1において、Dcはロータ102の周方向(以下、「周方向Dc」という)、Psは可動シール部材20の周方向の端部の端面21sが受ける端面圧力Ps、Phは可動シール部材20に印加され、端面圧力Psとは反対側に働く背面圧力(以下、「背面圧力Ph」という)、Mはシール部材本体21の移動方向(以下、「M方向」という)、S1は低圧流体(低圧作動流体)が存在する領域(以下、「低圧側領域S1」という)、S2は低圧流体よりも圧力の高い高圧流体(高圧作動流体)が存在する領域(以下、「高圧側領域S2」という)をそれぞれ示している。図1では、図2に示す複数のシールフィン26の図示を省略する。
また、図1では、軸シール装置1の一例として、軸シール装置1を2つの固定シール部材10及び2つの可動シール部材20で構成した場合を例に挙げて説明する。
(First Embodiment)
FIG. 1 is a view of the main part of the rotating machine according to the first embodiment of the present invention as viewed from the direction of the central axis of the rotor. In FIG. 1, only the rotor is shown in cross section. In FIG. 1, Dc is the circumferential direction of the rotor 102 (hereinafter, referred to as “circumferential direction Dc”), Ps is the end face pressure Ps received by the
Further, in FIG. 1, as an example of the
図2は、図1に示す軸シール装置のX−X線方向の断面図である。図2において、図1に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
図3は、図2に示す可動シール部材に背面圧力が印加された初期状態を模式的に示す断面図である。図3において、Fは弾性部材30による弾性力(以下、「弾性力F」という)、fは、接続部24の第1の面24fが突出部108の当接面108aに当接されることで発生する摩擦力(以下、「摩擦力f」という)である。弾性力F及び摩擦力fは、ロータ102の半径方向Drに働く力である。図3において、図1及び図2に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the shaft sealing device shown in FIG. 1 in the XX line direction. In FIG. 2, the same components as those of the structure shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an initial state in which a back surface pressure is applied to the movable seal member shown in FIG. In FIG. 3, F is an elastic force due to the elastic member 30 (hereinafter, referred to as “elastic force F”), and f is that the
図4は、図2に示すシール部材本体に背面圧力が印加され、シール部材本体がロータ側に変位し、かつシール部材本体がステータの当接面に当接された状態を模式的に示す断面図である。図4において、図1〜図3に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
図5は、図1に示す可動シールの端部の概略構成を示す斜視図である。図5において、図1〜図4に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
図6は、可動シール部材の端面とロータとの関係を説明するための図である。図6では、ロータを断面で図示する。また、図6において、図1〜図5に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
なお、第1の実施形態では、シール構造の一例として、アブレイダブルシール構造を例に挙げて説明する。
FIG. 4 is a cross section schematically showing a state in which a back pressure is applied to the seal member main body shown in FIG. 2, the seal member main body is displaced toward the rotor side, and the seal member main body is in contact with the contact surface of the stator. It is a figure. In FIG. 4, the same components as those of the structures shown in FIGS. 1 to 3 are designated by the same reference numerals.
FIG. 5 is a perspective view showing a schematic configuration of an end portion of the movable seal shown in FIG. In FIG. 5, the same components as those of the structures shown in FIGS. 1 to 4 are designated by the same reference numerals.
FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the end face of the movable seal member and the rotor. In FIG. 6, the rotor is illustrated in cross section. Further, in FIG. 6, the same components as those of the structures shown in FIGS. 1 to 5 are designated by the same reference numerals.
In the first embodiment, an abradable seal structure will be described as an example of the seal structure.
図1〜図5を参照して、第1の実施形態の回転機械100は、ロータ102と、ステータ103と、固定シール部材10及び可動シール部材20を含む軸シール装置1と、を有する。
With reference to FIGS. 1 to 5, the
ロータ102は、所定の方向に延在している。ロータ102の形状は、例えば、円柱形状とすることが可能である。ロータ102は、外周面102aを有する。ロータの102の外周面102aのうち、可動シール部材20を構成するシール体25と対向する面には、複数のシールフィン26が設けられている。複数のシールフィン26は、ロータ102と一体に構成されている。
The
また、ロータの102の外周面102aのうち、固定シール部材10を構成するシール体(図示せず)と対向する面には、複数のシールフィン(図示せず)が設けられている。これら複数のシールフィンは、ロータ102と一体に構成されている。
Further, a plurality of seal fins (not shown) are provided on the outer
ステータ103は、回転機械100の車室(図示せず)に取り付けられている。ステータ103は、ロータ102の外側に設けられている。ステータ103の内周面103aは、ロータ102から離間した状態で、ロータ102の外周面102aと対向している。ステータ103とロータ102との間には、環状空間が形成されている。
The
軸シール装置1は、ロータ102とステータ103との間の環状空間に設けられている。軸シール装置1は、リング形状とされている。軸シール装置1は、ロータ102とステータ103との間に形成された環状空間を低圧側領域S1と高圧側領域S2とに分けている。
The
低圧側領域S1及び高圧側領域S2は、ロータ102の中心軸方向Daに配置されている。低圧側領域S1は、軸シール装置1の一方の側に配置されている。高圧側領域S2は、軸シール装置1の他方の側に配置されている。
低圧側領域S1は、低圧流体(低圧の作動流体)が流れる領域である。高圧側領域S2は、低圧側領域S1を流れる低圧流体よりも圧力の高い高圧流体(高圧の作動流体)が流れる領域である。
The low-pressure side region S1 and the high-pressure side region S2 are arranged in the central axial direction Da of the
The low pressure side region S1 is a region through which a low pressure fluid (low pressure working fluid) flows. The high-pressure side region S2 is a region in which a high-pressure fluid (high-pressure working fluid) having a higher pressure than the low-pressure fluid flowing through the low-pressure side region S1 flows.
軸シール装置1は、2つの固定シール部材10と、2つの可動シール部材20(シール部材)と、を備える。2つの可動シール部材20及び2つの固定シール部材10は、円弧形状とされている。2つの可動シール部材20は、ロータ102を介して、対向配置されている。
The
固定シール部材10は、2つの可動シール部材20の間に配置されている。一対の上側部材10A及び下側部材10Bがロータ2の左右両側にそれぞれ配置されている。対をなす上側部材10A及び下側部材10Bは、合せ面10bで合わさっている。
ロータ102の周方向における可動シール部材20の長さは、ロータ102の周方向Dcにおける固定シール部材10の長さよりも長くなるように構成されている。
固定シール部材10の両端とロータ102の中心軸とを結ぶ2本の直線が成す角度は、例えば、60°とすることが可能である。この場合、可動シール部材20の両端とロータ102の中心軸とを結ぶ2本の直線が成す角度は、例えば、120°とすることが可能である。
The fixed
The length of the
The angle formed by the two straight lines connecting both ends of the fixed
固定シール部材10は、ロータ102の外周面102aに設けられた複数のシールフィン(図示せず)と対向する複数の溝(図示せず)を有するシール体(図示せず)を有する。固定シール部材10は、複数の溝内にシールフィンが挿入されることで、ラビリンス効果を発現させる。回転機械100として蒸気タービンを用いる場合、固定シール部材10は、蒸気の漏れを抑制する。
The fixed
固定シール部材10は、背面から板ばね等で弾性的に支持されている。固定シール部材10は、ロータ102と接触したときにロータ102の径方向外側に変位可能ではあるが基本的には不動のシール部材であり、回転機械100の稼動状態に応じて移動するものではない。
The fixed
可動シール部材20は、ロータ102を挟んで上下方向において対向するように配置されている。可動シール部材20は、円弧形状とされた部材であり、2つの端部を有する。可動シール部材20は、ハウジング104と、シール部材本体21と、弾性部材30と、シール体25と、を有する。
The
ハウジング104は、ステータ103の内周面103aに固定されている。ハウジング104の内周面104f側には、リング状の溝105が形成されている。リング状の溝105には、隙間106を介在させた状態で、シール部材本体21の一部が収容されている。
ハウジング104は、ハウジング104の内周面104f側に位置する溝105の端部の開口幅を狭くする一対の突出部108を有する。
The
The
一対の突出部108は、ロータ102の中心軸方向Daにおいて対向配置されている。一対の突出部108は、シール部材本体21がハウジング104から抜け落ちることを防止するための突出部である。
突出部108は、ロータ102の中心軸方向Daに対して直交する当接面108aを有する。当接面108aは、シール部材本体21の接続部24が当接される面である。当接面108aに接続部24の一部が当接されると、摩擦力が発生する。
The pair of
The
シール部材本体21は、円弧形状とされた部材であり、受圧部22と、ベース部23と、接続部24と、を有する。
The seal member
受圧部22は、ハウジング104に形成された溝105に収容されている。ロータ102の中心軸方向Daにおける受圧部22の幅は、ロータ102の中心軸方向Daにおける溝105の幅よりも狭くなるように構成されている。また、ロータ102の径方向Drにおける受圧部22の厚さは、ロータ102の径方向Drにおける溝105の幅よりも小さくなるように構成されている。
The
受圧部22は、接続部24が接続される側とは反対側に配置された受圧面22fを有する。受圧面22fは、流体による圧力が印加される面である。受圧面22fは、ロータ102の半径方向Drにおいて溝105の内面(ロータ102の半径方向Drに対して直交する面)と対向している。
上記構成とされた受圧部22は、溝105内においてロータ102の中心軸方向Da及び径方向Drに変位可能な構成とされている。
The
The
ベース部23は、ハウジング104の内周面104fよりもロータ102側に配置されている。ロータ102の中心軸方向Daにおけるベース部23の幅は、一対の突出部108間の溝幅よりも大きくなるように構成されている。ベース部23は、複数のシールフィン26と対向する内周面23aを有する。
The
接続部24は、受圧部22とベース部23との間に配置されている。接続部24は、受圧部22とベース部23とを接続している。接続部24は、ロータ102の中心軸方向Daに配置された第1及び第2の面24f,24gを有する。
The connecting
第1の面24fは、低圧側領域S1に配置された突出部108の当接面108aと対する面である。第2の面24gは、高圧側領域S2に配置された突出部108と対する面である。
ロータ102の中心軸方向Daにおける接続部24の幅は、一対の突出部108間の溝幅よりも狭くなるように構成されている。接続部24は、突出部108の当接面108aと対向している。
The
The width of the connecting
回転機械100の起動時及び停止時において、シール部材本体21は、ロータ102の径方向外側に離間する。これにより、可動シール部材20とロータ102との間の隙間が大きくなる。
回転機械100の定格運転時において、シール部材本体21は、M方向に移動する。これにより、可動シール部材20とロータ102との間の隙間が狭くなる。
When the
During the rated operation of the
シール体25は、ベース部23の内周面23aを覆うように設けられている。シール体25のうち、複数のシールフィン26と対向する部分には、シールフィン26が挿入可能な複数の溝が形成されている。
The
弾性部材30は、溝105の内面と受圧部22の受圧面22fとを接続するように設けられている。弾性部材30は、可動シール部材20をロータ102の径方向Drの外側に付勢している。弾性部材30としては、例えば、皿バネを用いることが可能である。なお、皿バネに替えて、弾性部材30として、板バネや金属ベローズ等を用いてもよい。
The
ここで、回転機械100の起動時、停止時、及び定格運転時における可動シール部材20の動作について説明する。
回転機械100の起動時及び停止時において、シール部材本体21は、弾性部材30による弾性力Fによってロータ102の径方向Drの外側に引き込まれる。これにより、シール体25とロータ102との間に形成された隙間は、広がる。
Here, the operation of the
When the
一方、回転機械100の定格運転時には、低圧側領域S1と高圧側領域S2との間で流体(作動流体)の圧力に差が生じる。シール部材本体21は、低圧側領域S1と高圧側領域S2との間の圧力差によって、高圧側領域S2から低圧側領域S1に向かうスラスト力F0を受ける。これにより、シール部材本体21は、低圧側領域S1側(図4の場合、可動シール部材20の右側)に移動する。
On the other hand, during the rated operation of the
このように、シール部材本体21が低圧側領域S1側に移動することで、接続部24の第1の面24fは、突出部108の当接面108aに当接される。これにより、高圧側領域S2側に配置された突出部108と接続部24の第2の面24gとの間に形成される隙間106が広がる。
By moving the seal member
そして、突出部108と接続部24の第2の面24gとの間に形成された隙間106を通じて、溝105と受圧部22との間に高圧側領域S2に存在する高圧流体が流入し、溝105内の圧力が上昇する。
これにより、受圧部22の受圧面22fは、ロータ102の径方向Drの内側に押圧される。すると、受圧部22の受圧面22fに、ロータ102の径方向Drの内側に向かう背面圧力Phが印加され、シール部材本体21がロータ102の径方向Drの内側に変位させられる。そして、シール体25の溝にシールフィン26が突き当たることで、可動シール部材20は、高圧側領域S2と低圧側領域S1とを仕切ってシール機能を発現する。
Then, the high-pressure fluid existing in the high-pressure side region S2 flows between the
As a result, the
ここで、ロータ102の周方向Dcに配置されたシール部材本体21の2つの端部20A(可動シール部材20の端部の構成要素)の構成について説明する。
シール部材本体21の端部20Aは、固定シール部材10に突き当たる端面21sと、キャビティ27と、連通部28と、を有する。
Here, the configuration of the two
The
キャビティ27は、シール部材本体21の2つの端部20Aの端面21s側にそれぞれ形成されている。キャビティ27は、端部20Aの端面21sの中央部に設けられている。キャビティ27は、ロータ102の周方向Dcの内側に向かって窪んでいる。キャビティ27は、連通部28を通じて、低圧側領域S1に存在する低圧流体を導入することで、キャビティ27内の圧力状態を低圧にするための凹部である。キャビティ27の底面27aは、平面とされている。
The
端面21sを基準としたときのキャビティ27の深さd(端面21sから底面27aまでの深さ)は、例えば、背面圧力Phを相対的に大きくすることが可能な深さで、かつ10mm以下の範囲内にするとよい。通常、キャビティがない場合はこの端面の圧力状態は高圧が支配的であるため、この圧力により背面圧力Phは相対的に小さくなる。
また、キャビティ27の深さdが浅すぎると、キャビティ27内に高圧流体が流れ込んだ際に、キャビティ27内の圧力状態を低圧に維持することが困難となる可能性がある。これにより、端面21sに印加される端面圧力Psはあまり減少せず、背面圧力Phが相対的に小さくなる恐れがある。
The depth d (depth from the
Further, if the depth d of the
一方、キャビティ27の深さdが10mmよりも深くなると、ロータ102の半径方向Drにおけるシール部材本体21の厚さを厚くする必要があるため、可動シール部材20のサイズが大型化してしまう恐れがあった。
したがって、キャビティ27の深さdを、背面圧力Phを相対的に大きくすることが可能な深さで、かつ10mm以下の範囲内にすることで、可動シール部材20のサイズの大型化を抑制した上で、背面圧力Phを相対的に大きくすることができる。
On the other hand, if the depth d of the
Therefore, by setting the depth d of the
連通部28は、端部20Aの端面21s側に設けられている。連通部28は、キャビティ27と低圧側領域S1とを連通可能な溝である。連通部28は、低圧側領域S1に存在する低圧流体をキャビティ27内に導くための経路である。
The
回転機械100の定格運転時において、可動シール部材20には、高圧側領域S2から溝105内に流入した高圧流体による背面圧力Phが作用している。これに対し、可動シール部材20の2つの端部20Aには、連通部28を通して、キャビティ27内に低圧側領域S1に存在する低圧流体が導入される。
これにより、キャビティ27及び連通部28を有していない従来の可動シール部材20と比較して、2つの端部20Aの端面21sに加わる端面圧力Psは低下する。
During the rated operation of the
As a result, the end face pressure Ps applied to the end faces 21s of the two
また、キャビティ27には、高圧側領域S2に存在する高圧流体が流入する場合もあるが、キャビティ27内全体に低圧流体が存在するため、キャビティ27内の圧力は、低圧流体の圧力に近づく。これによって、2つの端部20Aの端面21sに加わる圧力Psは、キャビティ27内の低圧流体によって支配的となる。
このようにして、端面21sに加わる圧力Psが小さくなることで、受圧部22の受圧面22fに作用する背面圧力Phは、相対的に大きくなる。
Further, the high-pressure fluid existing in the high-pressure side region S2 may flow into the
In this way, as the pressure Ps applied to the
このとき、可動シール部材20が径方向Drの内側に変位するためには、下記(1)式を満たす必要がある。
{(背面圧力Ph)×(受圧部22の受圧面積A)}>(弾性部材30の弾性力F+摩擦力f) ・・・(1)
ここでの摩擦力fは、接続部24の第1の面24fと溝105の突出部108の当接面108aとの摺動部分における摩擦係数μにスラスト力F0を乗じたものである。
At this time, in order for the
{(Back pressure Ph) x (Pressure receiving area A of pressure receiving portion 22)}> (Elastic force F + friction force f of elastic member 30) ... (1)
The frictional force f here is obtained by multiplying the friction coefficient μ at the sliding portion between the
上記(1)式に示すように、キャビティ27を設けて背面圧力Phを高めることで、弾性部材30による径方向Dr外側への弾性力F、及び第1の面24fと突出部108の当接面108aとの間の摩擦力fに抗して、可動シール部材20が径方向Drの内側に変位しやすくなる。
As shown in the above equation (1), by providing the
第1の実施形態の軸シール装置1によれば、シール部材本体21のうち、ロータ102の周方向Dcに配置された端部20Aの端面21s側に形成され、かつロータ102の周方向Dcの内側に向かって窪んだキャビティ27と、キャビティ27と低圧側領域S1とを連通させる連通部28と、を有することで、連通部28を通じて、キャビティ27内に低圧側領域S1を流れる低圧流体を導入させて、キャビティ27内を低圧流体で満たすことが可能となる。
According to the
これにより、回転機械100の運転開始時において、溝105と受圧部22との間に形成された隙間106を通じてキャビティ27内に高圧流体が流れ込んだ場合でもキャビティ27内の圧力が低圧に保たれるため、シール部材本体21の端面21sに加わる流体の力を小さくすることが可能となる。
As a result, at the start of operation of the
そして、可動シール部材20に印加される背面圧力Phは、シール部材本体21の端面21sが受ける流体の力の反対方向に働く力である。したがって、可動シール部材20の端面21sが受ける流体の力を小さくすることで、シール部材本体21が受ける背面圧力Phを相対的に大きくすることが可能となる。
このように、シール部材本体21が受ける背面圧力Phを大きくすることで、可動シール部材20の作動性(特に、回転機械100の運転の開始時における可動シール部材20の作動性)を高めることができる。
The back pressure Ph applied to the
In this way, by increasing the back pressure Ph received by the seal member
また、高圧流体の導入によってシール部材本体21が中心軸方向Daに沿って移動し、接続部24の第1の面24fが突出部108の当接面108aに当接されると、第1の面24fと当接面108aとの間に摩擦力fが発生する。
これに対し、上述したように、キャビティ27内に低圧流体を導入して可動シール部材20の端部20Aが受ける背面圧力Psを低減して背面圧力Phを相対的に高めることで、第1の面24fと当接面108aとの間に生じる摩擦力fに抗して、可動シール部材20を効率良く変位させることができる。
Further, when the sealing member
On the other hand, as described above, the first method is to introduce a low pressure fluid into the
上述した構成とされた可動シール部材20を含む回転機械100は、シール部材本体21が受ける背面圧力Phを相対的に大きくすることが可能となるので、可動シール部材20の作動性(特に、回転機械100の運転の開始時における可動シール部材20の作動性)を高めることができる。
Since the
(第2の実施形態)
図7は、本発明の第2の実施形態に係る回転機械の主要部を模式的に示す図である。図7では、図1〜図6に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。また、図7では、可動シール部材のみを断面で図示する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a diagram schematically showing a main part of a rotary machine according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 7, the same components as those of the structures shown in FIGS. 1 to 6 are designated by the same reference numerals. Further, in FIG. 7, only the movable seal member is shown in cross section.
ここで、図7を参照して、第2の実施形態の回転機械について説明する。
可動シール部材20のキャビティ27の底面27aと、底面27aと対向する固定シール部材10の端面10aとの間に、底面27aと端面10aとを互いに離間する方向の付勢力を有した補助付勢部材50を設けてもよい。
補助付勢部材50としては、例えば、コイルスプリングを用いることが可能である。補助付勢部材50としては、例えば、補助付勢部材50の周囲に存在する流体力の値に対して、十分に小さいバネ力を有したものを用いるとよい。
Here, the rotary machine of the second embodiment will be described with reference to FIG. 7.
An auxiliary urging member having an urging force in a direction in which the
As the
第2の実施形態の回転機械によれば、キャビティ27の底面27aと、底面27aと対向する固定シール部材10の端面10aとの間に、底面27a(或いは、端面21s)と端面10aとを互いに離間する方向の付勢力を有した補助付勢部材50を備えることで、可動シール部材20の端面21sと固定シール部材10の端面10aとが互いに対向した際に生じる圧力を、補助付勢部材50による付勢力によって低減することが可能となる。これにより、可動シール部材20の姿勢を安定して維持させることができる。
According to the rotary machine of the second embodiment, the
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various aspects are described within the scope of the claims of the present invention. It can be transformed and changed.
第1及び第2の実施形態では、シール構造の一例として、アブレイダブルシール構造を例に挙げて説明したが、例えば、アブレイダブルシール構造以外のシール構造(例えば、ラビリンスシール構造)にも適用可能であり、第1及び第2の実施形態と同様な効果を得ることができる。 In the first and second embodiments, an abrasive seal structure has been described as an example of the seal structure, but for example, a seal structure other than the abrasive seal structure (for example, a labyrinth seal structure) may also be used. It is applicable and the same effect as that of the first and second embodiments can be obtained.
本発明は、軸シール装置、及び回転機械に適用できる。 The present invention can be applied to a shaft sealing device and a rotating machine.
1…軸シール装置、10…固定シール部材、10a,21s…端面、10b…合せ面
10A…上側部材、10B…下側部材、20…可動シール部材、20A…端部、21…シール部材本体、22…受圧部、22f…受圧面、23…ベース部、23a…内周面、24…接続部、24f…第1の面、24g…第2の面、25…シール体、26…シールフィン、27…キャビティ、27a…底面、28…連通部、30…弾性部材、50…補助付勢部材、100…回転機械、102…ロータ、102a…外周面、103…ステータ、103a,104f…内周面、104…ハウジング、105…溝、106…隙間、108…突出部、Da…中心軸方向、Dc…周方向、Dr…径方向、F…付勢力、F0…スラスト力、M…方向、Ph…背面圧力、Ps…端面圧力、S1…低圧側領域、S2…高圧側領域、f…摩擦力
1 ... Shaft sealing device, 10 ... Fixed sealing member, 10a, 21s ... End face, 10b ...
Claims (4)
前記可動シール部材は、前記ステータの内周側に配置され、該ステータに固定されたハウジングと、
隙間を介在させた状態で、前記ハウジング内に一部が収容され、かつ隙間を介在させた状態で前記ロータの外周面と対向するシール部材本体と、
前記シール部材本体を前記ロータの径方向の外側に付勢する弾性部材と、
を備え、
前記可動シール部材は、前記シール部材本体のうち、前記ロータの周方向に配置された端部の端面側に形成され、かつ該ロータの周方向の内側に向かって窪んだキャビティと、
前記キャビティと前記低圧側領域とを連通させる連通部と、
を備え、
前記キャビティの周方向における深さは、前記ハウジングと前記シール部材本体との間に流れ込んだ前記高圧流体が前記シール部材本体に及ぼす背面圧力を相対的に大きくすることが可能な深さで、かつ10mm以下の範囲内にある軸シール装置。 It is provided between the rotor and the stator surrounding the rotor, and the space between the rotor and the stator is divided into a high-pressure side region through which the high-pressure fluid flows and a low-pressure side region through which the low-pressure fluid flows in the direction of the central axis of the rotor. It is a shaft sealing device that is separated and includes a movable sealing member.
The movable seal member is arranged on the inner peripheral side of the stator, and has a housing fixed to the stator and a housing.
A seal member main body that is partially housed in the housing with a gap interposed therebetween and faces the outer peripheral surface of the rotor with the gap interposed therebetween.
An elastic member that urges the seal member body to the outside in the radial direction of the rotor, and
With
The movable seal member includes a cavity formed on the end face side of an end portion of the seal member body arranged in the circumferential direction of the rotor and recessed inward in the circumferential direction of the rotor.
A communication portion that communicates the cavity with the low pressure side region,
With
Depth in the circumferential direction of the cavity is in the housing and the sealing member main body depth that can the high pressure fluid flowing to relatively large back pressure on the sealing member main body between the of And a shaft seal device within a range of 10 mm or less.
前記キャビティの底面と該底面と対向する前記固定シール部材の端面との間に、前記可動シール部材の端面と前記固定シール部材の端面とを互いに離間させる方向に付勢する補助付勢部材を有する請求項1記載の軸シール装置。 Includes fixed seal member,
An auxiliary urging member is provided between the bottom surface of the cavity and the end surface of the fixed seal member facing the bottom surface in a direction in which the end surface of the movable seal member and the end surface of the fixed seal member are separated from each other. The shaft sealing device according to claim 1.
前記ハウジングは、前記隙間に前記高圧流体が導入されて前記シール部材本体が前記ステータの中心軸方向に移動した際に、前記接続部の一部が当接される当接面を有する請求項1または2記載の軸シール装置。 The seal member main body includes a pressure receiving portion arranged inside the housing with the gap interposed therebetween, a base portion arranged outside the housing, and a connecting portion connecting the pressure receiving portion and the base portion. Including
Claim 1 has a contact surface in which a part of the connection portion is brought into contact with the housing when the high-pressure fluid is introduced into the gap and the sealing member main body moves in the central axis direction of the stator. Or the shaft sealing device according to 2.
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