WO2013132936A1 - 軸シール装置 - Google Patents

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WO2013132936A1
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seal
rotor
pressure side
seal device
seal ring
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上原　秀和
篠原　種宏
西本　慎
中野　隆
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a shaft seal device that seals an annular space between a rotor and a stator and divides the annular space into a low pressure side region and a high pressure side region.
  • a shaft seal device is provided around a rotor in a rotary machine such as a gas turbine or a steam turbine in order to reduce the amount of leakage of the working fluid flowing from the high pressure side to the low pressure side.
  • a shaft sealing device described in Patent Document 1 below is known.
  • the shaft seal device includes a housing provided on the stator and a seal body made up of a large number of thin plate seal pieces.
  • a large number of thin plate seal pieces are laminated with their respective thickness directions in the circumferential direction of the rotor, with a minute gap therebetween.
  • Each thin plate seal piece is disposed so as to be inclined such that its radially inner end (front end) is positioned on the front side in the rotational direction of the rotor with respect to its radially outer end (rear end).
  • Each thin plate seal piece has a rear end connected to each other and a front end that is a free end.
  • piping scale such as rust
  • the piping scale may flow into the seal body from the upstream side.
  • the piping scale is interposed between the gaps between the thin plate seal pieces or between the seal body and the rotor surface, resulting in a decrease in sealing performance or wear, resulting in a decrease in durability.
  • the starter / stop is used to move the seal body radially outward by the biasing force.
  • an automatic gap adjustment function is known that moves the seal body radially inward with the seal differential pressure.
  • the shaft seal device with an automatic clearance adjustment function, the foreign matter discharge performance at the time of starting / stopping is improved, but the foreign matter during rated operation cannot be discharged.
  • the differential pressure generated before and after the seal body increases during rated operation, which may cause a problem with the pressure resistance of the seal body.
  • the present invention provides a shaft seal device that can improve performance stability of a seal body in a shaft seal device including a seal body formed by laminating a plurality of thin plate seal pieces.
  • the shaft seal device is provided in an annular space between the rotor and the stator surrounding the outer peripheral side of the rotor, and the seal device main body is supported by the stator.
  • the shaft seal device divides the annular space into a low pressure side region and a high pressure side region in the axial direction of the rotor, and the seal device body is a seal ring supported by the stator so as to surround the rotor.
  • the communication portion is preferably a plurality of through holes formed in the seal body and penetrating in the axial direction of the rotor.
  • the sealing body is configured by laminating the thin plate sealing pieces, the communication portion can be formed more easily. Further, the size of the communication part can be easily adjusted.
  • the communication portion is formed in the seal ring, bypasses the seal body, and includes a high pressure side region and a low pressure side region immediately before the seal body. It may be a bypass channel that communicates with each other.
  • the pressure applied to the seal body can be reduced by the brush seal, durability required for the seal body can be further reduced.
  • the arrangement of the brush seal on the upstream side can also suppress the inflow of foreign matter to the downstream seal body.
  • At least one of the upstream side and the downstream side of the seal body is spaced from the inner surface of the seal ring along the axial direction of the rotor. It is preferable that a plurality of seal fins that are attached at a distance from the outer surface of the rotor and are in contact with the outer surface of the rotor are provided.
  • the shaft seal device 1 of this embodiment is applied to, for example, a gas turbine (rotary machine). As shown in FIGS. 1 and 2, the shaft seal device 1 of this embodiment is provided in an annular space between the rotor 2 and the stator 3.
  • the shaft seal device 1 is a device that divides an annular space into a low pressure side region and a high pressure side region.
  • a recess 14 formed in an annular shape around the central axis of the rotor 2 is formed on the inner peripheral surface of the stator 3 facing the outer peripheral surface of the rotor 2. Stored.
  • the shaft seal device 1 includes a seal device main body 4 supported by the stator 3, and an automatic gap adjustment mechanism 7 that automatically adjusts the gap between the seal device main body 4 and the rotor 2.
  • the seal device main body 4 includes two movable seal device main bodies 5 and two fixed seal device main bodies 6.
  • the movable seal device main body 5 is movable in a direction away from the rotor 2.
  • the fixed seal device body 6 is fixed to the stator 3 side.
  • the two movable seal device main bodies 5 and the two fixed seal device main bodies 6 both have an outer diameter as viewed from the direction along the central axis of the rotor 2 and are connected to form an annular shape. It is configured. That is, the shaft seal device 1 has a structure divided in the circumferential direction of the rotor 2.
  • the movable seal device body 5 will be described. As shown in FIG. 1, the movable seal device main body 5 is attached to the movable seal ring 12 stored in the recess 14 and the inner surface of the movable seal ring 12 at intervals from each other along the axial direction of the rotor 2. And a seal body 9 in which a plurality of thin plate seal pieces 10 extending from the movable seal ring 12 toward the radially inner side of the rotor 2 are stacked in the circumferential direction of the rotor 2. .
  • the seal body 9 includes a plurality of thin plate seal pieces 10 made of metal that are arranged in a plurality at small intervals in the circumferential direction of the rotor 2, and a base end on the outer peripheral side of the thin plate seal piece 10. It has U-shaped holding rings 15 and 16 for sandwiching the thin plate sealing piece 10 from both sides.
  • a high-pressure side plate 17 is sandwiched between the holding ring 15 and one side edge facing the high-pressure side region of the thin plate seal piece 10.
  • a low pressure side plate 18 is sandwiched between the other side edge of the thin plate seal piece 10 facing the low pressure side region and the holding ring 16.
  • connection member 19 for connecting the holding rings 15, 16 and a spacer for suppressing rattling of each thin plate seal piece 10 held between the holding rings 15, 16.
  • 20 and a leaf spring 21 that supports each thin plate seal piece 10 held between the holding rings 15 and 16 in a biased state so as to be coaxial with the rotor 2.
  • a vapor pressure acting surface 31 is provided on the outer peripheral surface of the movable seal ring 12.
  • the movable seal ring 12 is provided with a plurality of notches 32 in the circumferential direction that allow the high pressure side region and the vapor pressure acting surface 31 to communicate with each other.
  • the thin plate seal piece 10 has an inner peripheral side width (an axial width of the rotor 2) as compared with an outer peripheral base end width (an axial direction width of the rotor 2). It is comprised by the thin steel plate of the substantially T shape which becomes narrow. On both side edges of the thin plate seal piece 10, notches 10a and 10b are formed at positions where the widths thereof are narrowed.
  • the thin plate seal pieces 10 are stacked so as to have the same width in the axial direction of the rotor 2, and are fixed to each other at the base end on the outer peripheral side by, for example, welding.
  • such a thin plate seal piece 10 is designed to have a predetermined rigidity determined by the plate thickness in the circumferential direction of the rotor 2, and further, the rotor with respect to the rotation direction of the thin plate seal piece 10 and the rotor 2. 2 are attached to the holding rings 15 and 16 so that the angle formed with the outer peripheral surface of 2 is an acute angle.
  • the high-pressure side plate 17 and the low-pressure side plate 18 are provided with stepped portions 17a and 18a so that the outer peripheral sides of the rotor 2 are widened in the axial width.
  • the step portions 17a and 18a are fitted into the cutout portions 10a and 10b of the thin plate seal piece 10, respectively.
  • the holding ring 15 is provided with a concave groove 15a on the surface facing one side edge (high pressure side) at the outer peripheral side base ends of the plurality of thin plate seal pieces 10.
  • the holding ring 16 includes a concave groove 16 a on the surface facing the other side edge (low pressure side) at the outer peripheral side base ends of the plurality of thin plate seal pieces 10.
  • connection member 19 is inserted between the holding rings 15 and 16 into which the outer peripheral proximal end sides of the plurality of thin plate seal pieces 10 are fitted, and the connection member 19 is welded to the holding rings 15 and 16.
  • the retaining rings 15 and 16 are fixed to each other.
  • a spacer 20 is inserted between the outer peripheral side base end of each thin plate seal piece 10 and the holding rings 15, 16 so as to contact the outer peripheral side base end of each thin plate seal piece 10 and the holding rings 15, 16.
  • a leaf spring 21 is fixed on the outer peripheral side of the spacer 20 and the holding rings 15 and 16 so as to be in contact with the spacer 20 and the holding rings 15 and 16.
  • the seal body 9 configured in this manner is fitted into the annular concave groove 24 formed on the inner peripheral surface of the movable seal ring 12 from the holding rings 15 and 16 side together with the annular mounting piece 23.
  • the annular concave groove 24 faces one side edge (high-pressure side) of the thin plate seal piece 10 so that the width on the outer peripheral side is wider than the width on the inner peripheral side in the radial direction of the rotor 2. It is the shape where the level
  • a slidable contact surface 24a is formed as a surface facing the outer peripheral side of the step.
  • the slidable contact surface 24 a is in slidable contact with the inner peripheral surface of the holding ring 15 of the seal body 9.
  • a slidable contact surface 24 b that is a surface facing the inner peripheral side of the concave groove 24 is in sliding contact with the leaf spring 21 provided on the outer peripheral side of the seal body 9.
  • the width on the inner peripheral side of the concave groove 24 is formed to be sufficiently wider than the width of the seal body 9 in the axial width of the rotor 2.
  • the mounting piece 23 has the other side edge (low pressure side) of the thin plate seal piece 10 so that the outer circumferential side width is narrower than the inner circumferential side width in the radial direction of the rotor 2.
  • a step is provided on the side surface facing the. And the surface which faces the outer peripheral side in this level
  • step difference is made into the slidable contact surface 23a.
  • the sliding contact surface 23 a is in sliding contact with the surface facing the inner peripheral side of the holding ring 16.
  • a side surface of the mounting piece 23 that faces the other side edge (low pressure side) of the thin plate seal piece 10 is a pressure receiving surface 23 b that contacts the low pressure side plate 18.
  • the seal body 9 is held on the outer peripheral proximal end side by the concave groove 24 and the mounting piece 23 of the movable seal ring 12 having the above-described configuration. That is, the inner peripheral surfaces of the holding rings 15 and 16 are in sliding contact with the sliding contact surface 24a of the concave groove 24 and the sliding contact surface 23a of the mounting piece 23, and are fixed to the outer peripheral side of the holding rings 15 and 16.
  • the seal body 9 is held in a state of being fitted into the movable seal ring 12.
  • the seal body 9 is movable relative to the concave groove 24 in the axial direction of the rotor 2.
  • a plurality of seal fins 8 projecting toward the rotor 2 are embedded in the inner peripheral surface 11a of the movable seal ring 12 located on the high pressure side and the low pressure side of the concave groove 24 in the movable seal ring 12.
  • a labyrinth seal is configured on the high pressure side and the low pressure side of the seal body 9.
  • the plurality of seal fins 8 are provided for the purpose of further reducing the amount of leakage of the working fluid, but are not necessarily provided, and the shaft seal device 1 may be composed of only the seal body 9. . Further, the seal fin 8 may be formed by cutting out integrally with the movable seal ring 12.
  • the fixed seal device main body 6 is substantially the same as the movable seal device main body 5 except that the movable seal device main body 5 is movable but fixed to the stator 3 side. It is the same configuration.
  • the automatic clearance adjustment mechanism 7 is a mechanism that moves the movable seal device body 5 constituting the seal device body 4 to the outer diameter side of the rotor 2 when the gas turbine is started / stopped.
  • a recess 14 formed in an annular shape is formed on the inner peripheral surface of the stator 3 so as to extend over the entire circumference around the central axis of the rotor 2.
  • a protruding portion 25 that protrudes toward the inner side of the recess 14 is provided at an inner peripheral side end of the recess 14 so as to extend over substantially the entire circumference.
  • the movable seal ring 12 and the fixed seal ring 13 are formed with fitting grooves 26 that engage with the protrusions 25.
  • the movable seal ring 12 and the fixed seal ring 13 are held by the stator 3 by engaging the fitting groove 26 with the protruding portion 25.
  • the seal ring 11 is divided in the circumferential direction, and is composed of a pair of upper and lower movable seal rings 12 and a pair of left and right fixed seal rings 13.
  • the movable seal ring 12 extends over a circumferential direction of 120 ° at a central position when viewed from the direction along the axis of the rotor 2.
  • fixed seal rings 13 are arranged in a range of 30 ° on each side from the horizontal dividing surface of the rotary machine.
  • the joint surface 27 between the movable seal ring 12 and the fixed seal ring 13 is formed as a flat surface in a substantially horizontal direction.
  • a pressing plate 29 urged by a disc spring 28 is attached to the fixed seal ring 13 side of the joint surface 27.
  • the pressing plate 29 always presses the movable seal ring 12 upward or downward by a disc spring 28.
  • the movable seal ring 12 is guided in the vertical direction by a guide member (not shown).
  • the seal body 9 of the present embodiment is provided with a plurality of communication portions 34 that are through holes that allow the low-pressure side region and the high-pressure side region to communicate with each other.
  • the communication portion 34 is provided at a plurality of locations in the circumferential direction of the seal body 9 provided continuously in the circumferential direction.
  • the communication portion 34 is used when the movable seal device main body 5 is positioned radially inside the rotor 2 during rated operation, that is, when there is only a slight seal clearance between the seal body 9 and the rotor 2. It functions as a hole connecting the low pressure side region and the high pressure side region of the body 9.
  • the communication portion 34 is formed by shortening the length of a plurality of continuous thin plate seal pieces 10 constituting the seal body 9 as compared with other thin plate seal pieces.
  • the size G of the communication portion 34 is preferably set to a size that can discharge a scale having a size of about 1 mm, for example. For example, if the thickness of the thin plate sealing piece 10 is 0.05 mm, the length of the continuous 20 thin plate sealing pieces 10 can be reduced to 1 mm by reducing the thickness by 1 mm.
  • the communication part 34 is formed between the adjacent seal bodies 9 by connecting the seal bodies 9 divided into a plurality (for example, 6) in the circumferential direction.
  • the shaft seal device 1 When the rotary machine such as a steam turbine is started / stopped, the movable seal ring 12 is urged by the disc spring 28, so that the movable seal device body 5 moves outward in the radial direction of the rotor 2, and the seal body 9 and the seal A predetermined clearance is maintained between the fin 8 and the outer peripheral surface of the rotor 2. At this time, when a pipe scale such as rust flows into the seal body 9, the pipe scale passes through the clearance, and therefore, the possibility of deterioration of the function and wear of the seal body 9 is low.
  • a working fluid is generated inside the rotary machine and the pressure rises, so that a high pressure side region and a low pressure side region can be divided.
  • the pressure in the high-pressure side region acts on the vapor pressure acting surface 31 via the bypass hole 32 and overcomes the urging force of the disc spring 28, and the movable seal device body 5 moves to the rotor 2 side. That is, there is no clearance between the seal body 9 and the seal fin 8 and the outer peripheral surface of the rotor 2.
  • the pipe scale passes through the communication portion 34 formed in the seal body 9 and is discharged to the low pressure side region.
  • FIG. 6 is a graph for explaining the difference in pressure change of the working fluid from the high pressure side region to the low pressure side region, where the vertical axis indicates the pressure and the horizontal axis indicates the position in the axial direction.
  • the line indicated by the alternate long and short dash line does not have a seal body in which thin plate seal pieces are laminated, and all the stages show the pressure change of the shaft seal device by the fins, and it can be seen that the pressure gradually decreases.
  • a line indicated by a broken line indicates a pressure change of a conventional shaft seal device having an automatic gap adjustment mechanism.
  • the differential pressure between the pressure of the working fluid after passing through the seal fin on the upstream side of the seal body and the pressure of the working fluid after passing through the seal body is ⁇ P1, and the pressure suddenly decreases in the seal body. You can see that the body is heavily burdened.
  • the solid line indicates the pressure change of the shaft seal device of the present embodiment having the automatic gap adjustment mechanism.
  • the differential pressure between the pressure of the working fluid after passing through the seal fin upstream of the seal body and the pressure of the working fluid after passing through the seal body is ⁇ P2.
  • the communication part 34 By forming the communication part 34, the differential pressure of the working fluid before and after the seal body 9 is reduced. That is, the burden on the seal body is reduced.
  • the shaft seal device 1 having the automatic gap adjustment function and including the seal body 9 in which a plurality of the thin plate seal pieces 10 are stacked in the circumferential direction of the rotor 2 foreign matters are detected from the upstream side during rated operation. Even in the case of flowing in, foreign matter can be discharged. Thereby, the sealing function fall and abrasion of the seal body 9 can be prevented. Further, the burden on the seal body 9 during rated operation can be reduced.
  • the differential pressure can be adjusted by changing the size and quantity of the communication portion 34.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing a shaft seal device 1B according to the second embodiment of the present invention.
  • differences from the first embodiment described above will be mainly described, and description of similar parts will be omitted.
  • a bypass communication portion 36 as a bypass flow path is provided instead of the communication portion 34 (see FIG. 2) of the first embodiment.
  • the bypass communication portion 36 is formed so as to pass through the seal ring 11 and the attachment piece 23 so as to bypass the seal body 9, and communicates the high pressure side region and the low pressure side region.
  • a plurality of bypass communication portions 36 are provided in the circumferential direction of the seal ring 11.
  • the bypass communication portion 36 functions as a hole that connects the low-pressure side region and the high-pressure side region when the movable seal device body 5 is positioned radially inside the rotor 2 during rated operation.
  • the shaft seal device 1 having the automatic gap adjustment function and including the seal body 9 in which a plurality of thin plate seal pieces 10 are stacked in the circumferential direction of the rotor 2 the foreign matter from the upstream side during rated operation. Even in the case of flowing in, foreign matter can be discharged. Thereby, the sealing function fall and abrasion of the seal body 9 can be prevented. Further, the burden on the seal body 9 during rated operation can be reduced.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing a shaft seal device 1C according to the third embodiment of the present invention.
  • differences from the first embodiment described above will be mainly described, and description of similar parts will be omitted.
  • a brush seal 38 is provided in addition to the configuration of the first embodiment.
  • the brush seal 38 is an annular component attached to the most upstream side of the seal ring 11, and is divided into a plurality of, for example, six segments in the circumferential direction.
  • the brush seal 38 includes a support portion 39 and a large number of thin wires 40 welded to the support portion 39. The tip of the wire 40 protrudes toward the rotor 2 side.
  • the brush seal 38 performs sealing by elastically deforming the plurality of wires 40.
  • FIG. 9 is a graph for explaining the difference in pressure change of the working fluid from the high pressure side region to the low pressure side region, where the vertical axis indicates the pressure and the horizontal axis indicates the position in the axial direction.
  • the one-dot chain line and the broken line are the same as those in the first embodiment.
  • the differential pressure ⁇ P2B before and after the seal body 9 can be further reduced as compared with the first embodiment. That is, the burden on the seal body can be further reduced. Further, the arrangement of the brush seal 38 on the upstream side can also suppress the inflow of foreign matter to the downstream seal body.
  • the above-described shaft seal device can be applied to, for example, a shaft seal device that seals an annular space between a rotor and a stator and divides the annular space into a low pressure side region and a high pressure side region.
  • the shaft seal device provided with a seal body formed by laminating a plurality of plate seal pieces is suitable for a shaft seal device capable of improving the performance stability of the seal body.

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Description

軸シール装置
　本発明は、ロータとステータとの間の環状空間を封止して、この環状空間を低圧側領域と高圧側領域とに分ける軸シール装置に関する。
　本願は、２０１２年３月８日に、日本に出願された特願２０１２－０５１４６４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
ガスタービン、蒸気タービン等の回転機械におけるロータの周囲には、高圧側から低圧側に流れる作動流体の漏れ量を少なくするために、軸シール装置が設けられている。この軸シール装置の一例として、例えば、以下の特許文献１に記載された軸シール装置が知られている。
　この軸シール装置は、ステータに設けられたハウジングと、多数の薄板シール片からなるシール体とを備えている。
　シール体は、多数の薄板シール片がそれぞれの厚さ方向をロータの周方向に向け、互いに微小間隙をあけて積層されている。各薄板シール片は、その径方向内側の端部（先端）がその径方向外側の端部（後端）よりもロータの回転方向前方側に位置するよう傾斜して配置されている。各薄板シール片は、後端が相互に連結されるとともに、先端が自由端とされている。
　このように概略構成される軸シール装置においては、ロータが静止している際には各薄板シール片の先端がロータと接触している。そして、ロータが回転すると該ロータの回転によって生じる動圧効果により、薄板シール片の先端がロータの外周から浮上してロータと非接触状態となる。このため、この軸シール装置では、各薄板シール片の磨耗が抑制され、シール寿命を長くできる可能性がある。
　一方、特に回転機械の起動時においては、上流側より配管スケール（錆など）がシール体に流入する場合がある。これにより、各薄板シール片間の隙間やシール体とロータ表面との間に配管スケールが介在してしまい、シール性能が低下したり、摩耗が生じて耐久性が低下したりする可能性がある。
　この現象を回避する手段としては、ハウジングをロータ径方向外側に付勢するような付勢手段を設けることによって、起動／停止時においては、付勢力でシール体を径方向外側に移動させ、定格運転時においては、シール差圧でシール体を径方向内側に移動させる自動隙間調整機能が知られている。
日本国特許第３６１６０１６号公報
　しかしながら、軸シール装置に自動隙間調整機能を持たせることで、起動／停止時における異物排出性は向上するが、定格運転中における異物は排出することができない。また、通常、自動隙間調整を備えた軸シール装置が機能する高圧差条件では、定格運転時において、シール体の前後に生じる差圧が大きくなり、シール体の耐圧に問題が生じる場合がある。
　本発明は、薄板シール片を複数積層させてなるシール体を備えた軸シール装置において、シール体の性能安定性を向上させることができる軸シール装置を提供する。
　（１）本発明の第１の態様によれば、軸シール装置は、ロータと該ロータの外周側を囲うステータとの間の環状空間に設けられ、前記ステータに支持されているシール装置本体によって前記環状空間を前記ロータの軸方向において低圧側領域と高圧側領域とに分ける軸シール装置であって、前記シール装置本体は、前記ロータを取り囲むように前記ステータに支持されているシールリングであって、円周方向端が互いに隣接する可動シールリングと、固定シールリングとから分割構造に形成され、前記可動シールリングが弾性体により径方向外側に付勢されているシールリングと、前記シールリングから前記ロータの径方向内側に向かって延出する薄板シール片を前記ロータの周方向に複数積層させてなるシール体と、を備え、前記低圧側領域と前記高圧側領域とを連通させる連通部を有することを特徴とする。
　上記構成によれば、定格運転時においても連通部を介して異物を排出されるため、異物によるシール機能低下や摩耗を防止することができる。また、定格運転時において、シール体前後に生じる差圧が小さくなるため、シール体に要求される耐圧を満足することができる。
　（２）上記（１）に記載の軸シール装置において、前記連通部は、前記シール体に形成され前記ロータの軸方向に貫通する複数の貫通孔であることが好ましい。
　上記構成によれば、シール体は薄板シール片を積層させて構成しているので、より容易に連通部を形成することができる。また、連通部の大きさの調整が容易である。
　（３）上記（１）又は（２）に記載の軸シール装置において、前記連通部は、前記シールリングに形成され前記シール体を迂回しつつ前記シール体直前の高圧側領域と低圧側領域とを連通させるバイパス流路であってもよい。
　（４）上記（１）～（３）に記載の軸シール装置において、前記シール体の上流側に、前記シールリングに取り付けられた支持部と、該支持部よりロータ側に突出する複数のワイヤとからなるブラシシールが設けられ、該ブラシシールは、前記複数のワイヤブラシが弾性変形し、前記ロータに接触することでシールを行うことが好ましい。
　上記構成によれば、ブラシシールによって、シール体に係る圧力を低下させることができるため、シール体に要求される耐久性をより低くすることができる。また、上流側にブラシシールを配置することで下流側のシール体への異物の流入も抑制することができる。
　（５）上記（１）～（４）に記載の軸シール装置において、前記シール体の上流側及び下流側の少なくとも一方には、前記シールリングの内面に前記ロータの軸方向に沿って互いに間隔をおいて取り付けられ、前記ロータの外面に接する複数のシールフィンが設けられていることが好ましい。
　本発明の上記各態様に係る軸シール装置によれば、定格運転時においても連通部を介して異物を排出されるため、異物によるシール機能低下や摩耗を防止することができる。また、定格運転時において、シール体前後に生じる差圧が小さくなるため、シール体に要求される耐圧を満足することができる。
軸方向を含む断面における本発明の第一実施形態に係る軸シール装置の概略構成図である。 本発明の第一実施形態における自動隙間調整機構と複数の連通部を説明する軸方向から見た断面図である。 図１のシール体の拡大図である。 図２の連通部の拡大図である。 本発明の第一実施形態における一端側の薄板シール片を短く形成したシール体を示す図である。 本発明の第一実施形態に係る軸シール装置前後の圧力の変化を説明するグラフである。 軸方向を含む断面における本発明の第二実施形態に係る軸シール装置の概略構成図である。 軸方向を含む断面における本発明の第三実施形態に係る軸シール装置の概略構成図である。 本発明の第三実施形態に係る軸シール装置前後の圧力の変化を説明するグラフである。
（第一実施形態）
　以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
　本実施形態の軸シール装置１は、例えばガスタービン（回転機械）に適用される。図１及び図２に示すように、本実施形態の軸シール装置１は、ロータ２とステータ３との間の環状空間に設けられている。軸シール装置１は、環状空間を低圧側領域と高圧側領域とに分ける装置である。ロータ２の外周面に対向するステータ３の内周面には、ロータ２の中心軸を中心として環状に形成された凹所１４が形成されており、軸シール装置１は、凹所１４内に格納されている。
　図２に示すように、軸シール装置１は、ステータ３に支持されているシール装置本体４と、このシール装置本体４とロータ２との隙間を自動的に調整する自動隙間調整機構７とを有している。シール装置本体４は、２つの可動シール装置本体５、及び２つの固定シール装置本体６とから構成されており、可動シール装置本体５は、ロータ２より離間する方向に移動可能とされている。固定シール装置本体６は、ステータ３側に固定されている。
　２つの可動シール装置本体５と２つの固定シール装置本体６とは、何れもロータ２の中心軸に沿う方向から視た外径が円弧状とされており、連結することで円環状をなすように構成されている。即ち、軸シール装置１は、ロータ２の周方向に分割された構造である。
　ここでまず、可動シール装置本体５について説明する。
　図１に示すように、可動シール装置本体５は、凹所１４に格納された可動シールリング１２と、可動シールリング１２の内面にロータ２の軸方向に沿って互いに間隔をおいて取り付けられている複数のシールフィン８と、可動シールリング１２からロータ２の径方向内側に向かって延出する薄板シール片１０をロータ２の周方向に複数積層させてなるシール体９とを有している。
　図３に示すように、シール体９は、ロータ２の周方向に互いに微少間隔を開けて多重に配列された金属からなる複数の薄板シール片１０と、薄板シール片１０の外周側基端において薄板シール片１０を両側から挟持するコの字型の保持リング１５，１６とを有している。
　また、薄板シール片１０における高圧側領域に対向する一方の側縁と保持リング１５との間には高圧側側板１７が挟み込まれている。薄板シール片１０における低圧側領域に対向する他方の側縁と保持リング１６との間には低圧側側板１８が挟み込まれている。
　また、薄板シール片１０の外周側には、保持リング１５，１６を接続する接続部材１９と、保持リング１５，１６で狭持される各薄板シール片１０のがたつきを抑制するためのスペーサ２０と、保持リング１５，１６で狭持される各薄板シール片１０をロータ２と同軸をなすように付勢状態に支持する板バネ２１とが設けられている。
　また、可動シールリング１２の外周面には、蒸気圧作用面３１が設けられている。可動シールリング１２には、高圧側領域と蒸気圧作用面３１とを連通させる周方向複数箇所の切り欠３２が設けられている。
　このように構成されるシール体９において、薄板シール片１０は、外周側基端の幅（ロータ２の軸方向の幅）に比べて内周側の幅（ロータ２の軸方向の幅）が狭くなる略Ｔ字型の薄い鋼板によって構成されている。薄板シール片１０の両方の側縁には、その幅が狭くなる位置において切り欠き部１０ａ，１０ｂが形成されている。
　そして、この薄板シール片１０は、ロータ２の軸方向に同一の幅となるように重ねられるとともに、その外周側基端において、例えば溶接が施されることによって互いに固定されている。
　なお、このような薄板シール片１０は、その板厚で決まる所定の剛性をロータ２の周方向に有するように設計されており、さらに、薄板シール片１０とロータ２の回転方向に対してロータ２の外周面となす角が鋭角となるように保持リング１５，１６に取り付けられている。
　また、高圧側側板１７及び低圧側側板１８には、それぞれのロータ２の軸方向の幅において、その外周側が広くなるように段差部１７ａ，１８ａが設けられている。この段差部１７ａ，１８ａは、それぞれが薄板シール片１０の切り欠き部１０ａ，１０ｂに嵌め込まれている。
　また、保持リング１５は、複数の薄板シール片１０の外周側基端における一方の側縁（高圧側）に対面する面に、凹溝１５ａを備えている。保持リング１６は、複数の薄板シール片１０の外周側基端における他方の側縁（低圧側）に対面する面に、凹溝１６ａを備えている。そして、切り欠き部１０ａ，１０ｂに高圧側側板１７及び低圧側側板１８のそれぞれの段差部１７ａ，１８ａが嵌め込まれた複数の薄板シール片１０に対し、その外周基端側における一方の側縁（高圧側）に保持リング１５の凹溝１５ａが嵌め込まれ、さらに、その外周基端側における他方の側縁（低圧側）が保持リング１６の凹溝１６ａに嵌め込まれている。
　このように複数の薄板シール片１０の外周基端側が嵌め込まれる保持リング１５，１６の間に、接続部材１９が挿入されるとともに、この接続部材１９が保持リング１５，１６と溶接されることで、保持リング１５，１６が互いに固定される。また、各薄板シール片１０の外周側基端と保持リング１５，１６との間には、各薄板シール片１０の外周側基端及び保持リング１５，１６と当接するようにスペーサ２０が挿入される。そして、このスペーサ２０及び保持リング１５，１６の外周側にこれらスペーサ２０及び保持リング１５，１６に接するようにして板バネ２１が固定される。
　このように構成されるシール体９は、環状をなす取付ピース２３とともに、可動シールリング１２の内周面に形成された環状の凹溝２４に保持リング１５，１６側から嵌め込まれている。
　ここで、環状の凹溝２４は、ロータ２の径方向において、外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、薄板シール片１０の一方の側縁（高圧側）に対向する側面に段差が設けられた形状とされている。これによって、この段差における外周側を向く面となる摺接面２４ａが形成される。そして、この摺接面２４ａがシール体９の保持リング１５の内周面と摺接する。また、凹溝２４における内周側を向く面となる摺接面２４ｂがシール体９の外周側に設けられる板バネ２１と摺接する。
　なお、この凹溝２４の内周側の幅は、ロータ２の軸方向の幅において、シール体９の幅よりも十分に広くなるように形成されている。
　また、取付ピース２３は、図１に示すように、ロータ２の径方向において外周側の幅が内周側の幅よりも狭くなるように、薄板シール片１０の他方の側縁（低圧側）に対向する側面に段差が設けられている。そして、この段差における外周側を向く面が摺接面２３ａとされている。この摺接面２３ａは、保持リング１６の内周側を向く面と摺接する。
　また、取付ピース２３における薄板シール片１０の他方の側縁（低圧側）に対向する側面が、低圧側側板１８に当接する受圧面２３ｂとされている。
　以上のような構成の可動シールリング１２の凹溝２４及び取付ピース２３によって、シール体９は、その外周基端側で保持される。即ち、保持リング１５，１６のそれぞれの内周面が、凹溝２４の摺接面２４ａ及び取付ピース２３の摺接面２３ａと摺接するとともに、保持リング１５，１６の外周側に固定された板バネ２１が凹溝２４の摺接面２４ｂと摺接することで、シール体９が可動シールリング１２に嵌め込まれた状態で保持される。
　また、この際、シール体９は、凹溝２４に対して、ロータ２の軸方向に相対移動可能とされる。これによって、高圧側領域から低圧側領域に向かって作動流体が流れるとき、そのガス圧がシール体９の複数の薄板シール片１０に作用するため、シール体９が低圧側に向かって移動し、低圧側側板１８が取付ピース２３の受圧面２３ｂに当接する。
　このようなシール体９においては、ロータ２の停止時には薄板シール片１０の内周側先端が所定の予圧でロータ２に接触する。そして、ロータ２の回転時には、ロータ２が回転することで生じる動圧効果によって薄板シール片１０の内周側先端がロータ２から浮上して、薄板シール片１０とロータ２とが僅かなシールクリアランスを介して非接触状態となる。これにより、薄板シール片１０及びロータ２の磨耗が防止されるとともに高圧側領域から低圧側領域に向かっての作動流体の漏洩が抑制される。
　可動シールリング１２における凹溝２４よりも高圧側及び低圧側に位置する可動シールリング１２の内周面１１ａには、ロータ２側に向かって突出する複数のシールフィン８が埋設されており、これによってシール体９の高圧側及び低圧側にラビリンスシールが構成されている。
　これら複数のシールフィン８は、作動流体の漏れ量をより低減させる目的で設けられているが、必ずしも設けられている必要はなく、軸シール装置１がシール体９のみから構成されていてもよい。また、シールフィン８は、可動シールリング１２と一体で、削り出しによって形成されるようにしてもよい。
　以上、可動シール装置本体５について説明したが、固定シール装置本体６は可動シール装置本体５が移動可能であるのに対しステータ３側に固定されていることを除けば可動シール装置本体５と略同一の構成である。
　次に、自動隙間調整機構７について説明する。自動隙間調整機構７は、ガスタービンの起動／停止時において、シール装置本体４を構成する可動シール装置本体５をロータ２の外径側に移動させる機構である。
　ステータ３の内周面には、ロータ２の中心軸を中心として全周に亘り延在するように環状に形成された凹所１４が形成されている。凹所１４の内周側端部には、凹所１４の内側に向けて突出する突出部２５が略全周に亘り延在するように設けられている。可動シールリング１２及び固定シールリング１３には、突出部２５に係合する嵌合溝２６が形成されている。この嵌合溝２６が突出部２５に係合することにより、可動シールリング１２及び固定シールリング１３は、ステータ３に保持されている。
　図２に示すように、シールリング１１は、周方向に分割されており、上下一対の可動シールリング１２と左右一対の固定シールリング１３とで構成されている。可動シールリング１２は、ロータ２の軸線に沿う方向から視てその中央位置に周方向１２０°に亘って延びている。その両端には、回転機械の水平分割面から両側各３０°の範囲で固定シールリング１３が配置されている。
　可動シールリング１２と固定シールリング１３との接合面２７は、略水平方向に平坦な面で形成されている。接合面２７おける固定シールリング１３側には皿バネ２８で付勢される押圧板２９が装着されている。押圧板２９は、皿バネ２８によって可動シールリング１２を上あるいは下方向に常時押圧している。可動シールリング１２は図示しない案内部材によって上下方向に案内される。
　次に、シール体９に設けられている連通部３４について説明する。
　図２に示すように、本実施形態のシール体９には低圧側領域と高圧側領域とを連通させる貫通孔である、複数の連通部３４が設けられている。連通部３４は、周方向に連続して設けられるシール体９の周方向の複数個所に設けられている。
　連通部３４は、定格運転時において可動シール装置本体５がロータ２の径方向内側に位置している場合、即ち、シール体９とロータ２との間に僅かなシールクリアランスしかない場合に、シール体９の低圧側領域と高圧側領域とを接続する孔として機能する。
　図４に示すように、連通部３４は、シール体９を構成する薄板シール片１０のうち連続する複数枚の長さを他の薄板シール片よりも短くすることにより形成される。連通部３４の大きさＧは、例えば１ｍｍ程度の大きさのスケールを排出可能な大きさとすることが好ましい。例えば、薄板シール片１０の厚さを０．０５ｍｍとすると、連続する２０枚の薄板シール片１０を１ｍｍ短くすることにより、１ｍｍ四方の大きさとすることができる。
　図５に示すように、符号Ｓで示すシール体９の周方向一端側の領域Ｓに設けられた２０枚の薄板シール片１０を他の薄板シール片１０よりも短く形成することが好ましい。このように形成することによって、周方向に複数（例えば６つ）に分割されたシール体９を接続することで、連通部３４が隣合うシール体９との間に形成されるようになる。
　次に、軸シール装置１の作用について説明する。
　蒸気タービンなどの回転機械の起動／停止時には、可動シールリング１２が皿バネ２８で付勢されることによって、可動シール装置本体５は、ロータ２の径方向外側に移動し、シール体９及びシールフィン８とロータ２の外周面との間に所定のクリアランスが保たれる。
　この際、錆などの配管スケールがシール体９に流入した場合は、配管スケールはクリアランスを通過するため、シール体９の機能低下や摩耗が発生する可能性が低い。
　次いで、定格運転時には、回転機械の内部に作動流体が生じ圧力が上昇し、高圧側領域と低圧側領域の区分ができる。高圧側領域の圧力がバイパス孔３２を経て蒸気圧作用面３１に作用して、皿バネ２８の付勢力に打ち勝って、可動シール装置本体５はロータ２側に移動する。即ち、シール体９及びシールフィン８とロータ２の外周面との間にクリアランスがなくなる。
　ここで、配管スケールがシール部に流入した場合は、配管スケールは、シール体９に形成されている連通部３４を通過して、低圧側領域に排出される。
　次に、従来の自動隙間調整機能を有する軸シール装置と、本実施形態の軸シール装置１における高圧側領域から低圧側領域へ至る作動流体の圧力変化の違いについて説明する。
　図６は、高圧側領域から低圧側領域へ至る作動流体の圧力変化の違いを説明するグラフであり、縦軸は圧力を示し、横軸は軸方向の位置を示している。ここで、一点鎖線で示すラインは薄板シール片を積層させたシール体を有さず、全段がフィンによる軸シール装置の圧力変化を示しており、緩やかに圧力が下がっていることがわかる。
　破線で示すラインは、自動隙間調整機構を有する従来の軸シール装置の圧力変化を示す。シール体の上流側のシールフィンを通過した後の作動流体の圧力と、シール体を通過した後の作動流体の圧力との差圧はΔＰ１であり、シール体において急激に圧力が低下し、シール体に大きな負担がかかっていることがわかる。
　一方、実線で示すラインは、自動隙間調整機構を有する本実施形態の軸シール装置の圧力変化を示す。シール体の上流側のシールフィンを通過した後の作動流体の圧力と、シール体を通過した後の作動流体の圧力との差圧はΔＰ２である。連通部３４が形成されることによって、シール体９前後の作動流体の差圧が小さくなる。即ち、シール体への負担が小さくなる。
　上記実施形態によれば、自動隙間調整機能を有し、薄板シール片１０をロータ２の周方向に複数積層させてなるシール体９を備える軸シール装置１において、定格運転時において上流側より異物が流入した場合においても、異物を排出することができる。これにより、シール体９のシール機能低下や摩耗を防止することができる。
　また、定格運転時においてシール体９にかかる負担を軽減することができる。
　また、連通部３４の大きさや数量を変更することによって、差圧を調節することもできる。
（第二実施形態）
　図７は、本発明の第二実施形態に係る軸シール装置１Ｂを示す概略構成図である。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
　図７に示すように、本実施形態による軸シール装置１Ｂでは、第一実施形態の連通部３４（図２参照）に代わって、バイパス流路としての迂回連通部３６が設けられている。迂回連通部３６は、シール体９を迂回するようにシールリング１１及び取付ピース２３を貫通して形成されており、高圧側領域と低圧側領域とを連通させている。また、迂回連通部３６は、シールリング１１の周方向に複数設けられている。
　迂回連通部３６は、定格稼働時において可動シール装置本体５がロータ２の径方向内側に位置している場合、低圧側領域と高圧側領域とを接続する孔として機能する。
　本実施形態によれば、自動隙間調整機能を有し、薄板シール片１０をロータ２の周方向に複数積層させてなるシール体９を備える軸シール装置１において、定格運転時において上流側より異物が流入した場合においても、異物を排出することができる。これにより、シール体９のシール機能低下や摩耗を防止することができる。
　また、定格運転時においてシール体９にかかる負担を軽減することができる。
（第三実施形態）
　図８は、本発明の第三実施形態に係る軸シール装置１Ｃを示す概略構成図である。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
　図８に示すように、本実施形態による軸シール装置１Ｃでは、第一実施形態の構成に加えて、ブラシシール３８が設けられている。ブラシシール３８は、シールリング１１の最も上流側に取り付けられた円環状部品であり、周方向に複数、例えば、６個のセグメントに分割されている。ブラシシール３８は、支持部３９と、支持部３９に溶接された多数の細いワイヤ４０とから構成されている。ワイヤ４０の先端がロータ２側に突出している。
このブラシシール３８は、複数のワイヤ４０が弾性変形することによってシールを行う。
　次に、従来の自動隙間調整機能を有する軸シール装置と、本実施形態の軸シール装置１Ｃにおける高圧側領域から低圧側領域へ至る作動流体の圧力変化の違いについて説明する。
　図９は、高圧側領域から低圧側領域へ至る作動流体の圧力変化の違いを説明するグラフであり、縦軸は圧力を示し、横軸は軸方向の位置を示している。一点鎖線と破線のラインは第一実施形態と同様である。
　図９に示すように、ブラシシール３８とフィン８によって、十分圧力が低下するため、シール体９前後の差圧ΔＰ２Ｂを第一実施形態と比較して更に小さくすることができる。
即ち、シール体への負担を更に小さくすることできる。
　また、上流側にブラシシール３８を配置することで下流側のシール体への異物の流入も抑制することができる。
上記した軸シール装置は、例えば、ロータとステータとの間の環状空間を封止して、この環状空間を低圧側領域と高圧側領域とに分ける軸シール装置に適用可能である。特に、板シール片を複数積層させてなるシール体を備えた軸シール装置において、シール体の性能安定性を向上させることができる軸シール装置に適している。
　１　軸シール装置
　２　ロータ
　３　ステータ
　４　シール装置本体
　７　自動隙間調整機構
　８　シールフィン
　９　シール体
　１０　薄板シール片
　１１　シールリング
　１２　可動シールリング
　１３　固定シールリング
　２８　皿バネ（弾性体）
　３４　連通部
　３６　迂回連通部
　３８　ブラシシール
　３９　支持部
　４０　ワイヤ

Claims (5)

  1. 　ロータと該ロータの外周側を囲うステータとの間の環状空間に設けられ、前記ステータに支持されているシール装置本体によって前記環状空間を前記ロータの軸方向において低圧側領域と高圧側領域とに分ける軸シール装置であって、
    　前記シール装置本体は、
    　前記ロータを取り囲むように前記ステータに支持されているシールリングであって、円周方向端が互いに隣接する可動シールリングと固定シールリングとから分割構造に形成され、前記可動シールリングが弾性体により径方向外側に付勢されているシールリングと、
    　前記シールリングから前記ロータの径方向内側に向かって延出する薄板シール片を前記ロータの周方向に複数積層させてなるシール体と、を備え、
    　前記低圧側領域と前記高圧側領域とを連通させる連通部を有することを特徴とする軸シール装置。
  2. 　前記連通部は、前記シール体に形成され前記ロータの軸方向に貫通する複数の貫通孔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。
  3. 　前記連通部は、前記シールリングに形成され前記シール体を迂回しつつ前記シール体直前の高圧側領域と低圧側領域とを連通させるバイパス流路であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の軸シール装置。
  4. 　前記シール体の上流側に、前記シールリングに取り付けられた支持部と、該支持部よりロータ側に突出する複数のワイヤとからなるブラシシールが設けられ、該ブラシシールは、前記複数のワイヤブラシが弾性変形し、前記ロータに接触することでシールを行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の軸シール装置。
  5. 　前記シール体の上流側及び下流側の少なくとも一方には、前記シールリングの内面に前記ロータの軸方向に沿って互いに間隔をおいて取り付けられ、前記ロータの外面に接する複数のシールフィンが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の軸シール装置。
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