JP2012007668A - 軸シール機構、及びこれを備えた回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の振動や偏芯回転による軸シール機構の高圧側規制部材の損傷を回避しつつ、軸シール機構の各薄板シール片に対する浮上力を十分に確保する。
【解決手段】周方向に微小空間を開けて配列された多数の薄板シール片２０の高圧側に沿い、回転軸６の外周に沿って、高圧側から多数の薄板シール片２０へ流体の流れを規制する高圧側規制部材３０を備えている。高圧側規制部材３０は、可撓性を有する多数の線材３５を有している。多数の線材３５は、長手方向が回転軸６の径方向成分を有する方向を向き、線材の径方向内側端である先端３５ｂは、自由端を成して、回転軸６の外周面に近接又は接触している。周方向で互いに隣り合っている線材３５の相互は、その長手方向の一部で接触している。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸回りに、多数の薄板シール片が互いに周方向に微小間隔を開けて配置されて、軸方向の流体の流れを抑える軸シール機構、及びこれを備えた回転機械に関する。

ガスタービン、蒸気タービン等の回転機械の回転軸回りには、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、軸シール機構が設けられている。この軸シール機構の一例として、例えば、以下の特許文献１に記載された軸シール機構がある。

この軸シール機構は、多数の薄板シール片を備えている。この軸シール機構では、多数の薄板シール片がそれぞれの厚さ方向を回転軸の周方向に向け、且つ互いに該周方向に微小間隙を開けて回転軸の周囲に配列されている。各薄板シール片は、その径方向内側端がその径方向外側端よりも回転軸の回転方向側に位置するよう傾斜配置されている。

この軸シール機構において、各薄板シール片の径方向内側端は、自由端で、回転軸が静止している際には、回転軸と接触しているものの、回転軸が回転すると、回転軸の回転によって生じる動圧効果により、回転軸の外周面から浮上して、非接触状態となる。このため、この軸シール機構では、各薄板シール片の磨耗が抑制され、シール寿命が長くなる。

ところで、各薄板シール片に対する浮上力は、各薄板シール片の高圧側縁と、ケーシングに固定されこの高圧側縁に対向する高圧側固定部材との間の隙間の存在に影響を受ける。高圧側の作動流体は、基本的に、薄板シール片の相互の微小間隙を通って、低圧側に抜ける。この際、高圧側の作動流体は、低圧側に向かいつつ、各薄板シール片の高圧側縁とケーシングの一部である高圧側固定部材との間の隙間を径方向外側に向かって流れてから、各薄板シール片の相互の微小間隙に径方向外側から入り込む。そして、微小間隙に入り込んだ作動流体は、低圧側に向かいつつ、径方向内側に向かって流れる。このため、この作動流体の各薄板シール片の微小間隙での流れは、前述の動圧効果で生じる各薄板シール片に対する径方向外側への力を相殺する力として作用する。

そこで、この軸シール機構では、高圧側から各薄板シール片の微小間隙への作動流体の流れを規制するための高圧側規制手段として、各薄板シール片の高圧側面と高圧側固定部材との間の隙間に可撓板を配置し、各薄板シール片に対する浮上力の確保を図っている。

ところで、この可撓板の内周縁と回転軸の外周面との間の隙間は、高圧側から各薄板シール片の微小間隙への作動流体の流れを規制するためには、できる限り小さいことが好ましいが、振動時や偏芯回転時における回転軸と接触を考慮すると、ある程度の大きさが必要である。

そこで、この軸シール機構では、可撓板の内周側に多数のスリットを形成し、可撓板の外周側よりも内周側の方の可撓性を高めると共に、可撓板の内周縁と回転軸の外周面との間の隙間を小さくし、可撓板が振動時や偏芯回転時に回転軸と接触しても、可撓板の内周側を変形させることで、可撓板の損傷等を回避しつつ、高圧側から各薄板シール片の微小間隙への作動流体の流れを規制している。

特許第４０３１６９９号公報

上記特許文献１に記載の技術は、高圧側規制手段としての可撓板の内周側の可撓性を高めると共に、可撓板の内周縁と回転軸の外周面との間の隙間を小さくするとで、可撓板の破損等を回避しつつ、高圧側から各薄板シール片の微小間隙への作動流体の流れを規制できる優れた技術である。しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、可撓板の内周側に多数のスリットを形成して、可撓板の内周側の可撓性を高めているため、この多数のスリットから各薄板シール片の微小間隙へ作動流体の流れ込みがあり、作動流体の流れを十分に規制できない。このため、上記特許文献１に記載の技術においても、前述の間の動圧効果で生じる各薄板シール片に対する径方向外側への力が、この作動流体の流れにより相殺され、各薄板シール片に対する浮上力を十分に確保できないという問題点がある。

本発明は、このような従来技術の問題点に着目し、回転軸の振動や偏芯回転による高圧側規制手段の損傷を回避しつつ、各薄板シール片に対する浮上力を十分に確保できる軸シール機構を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するための発明に係る軸シール機構は、
回転軸の外周側と該回転軸の周囲を囲むケーシングとの間の環状空間内に、多数の薄板シール片がそれぞれの厚さ方向を該回転軸の周方向に向け、且つ互いに該周方向に微小間隙を開けて配列され、多数の該薄板シール片の径方向内側端が自由端になっており、多数の該薄板シール片の径方向外側端が互いに連結されて、該環状空間を該回転軸の軸方向で高圧側領域と低圧側領域に分ける軸シール機構において、
前記環状空間内に配置され、多数の前記薄板シール片の高圧側に沿い、且つ前記回転軸の外周に沿って、高圧側から多数の該薄板シール片へ流体の流れを規制する高圧側規制手段を備え、前記高圧側規制手段は、前記回転軸の周方向に密集配置された、可撓性を有する多数の線材を有し、多数の前記線材は、それぞれの長手方向が前記回転軸の径方向成分を有する方向を向き、多数の該線材のそれぞれの径方向内側端である先端は、自由端を成し、該回転軸の外周面に近接又は接触し、前記周方向で互いに隣り合っている該線材相互が前記長手方向の少なくとも一部で接触するよう、多数の該線材のそれぞれの径方向外側端である基端相互が連結されている、ことを特徴とする。

該軸シール機構では、高圧側規制手段の構成要素である可撓性を有する多数の線材は、周方向で互いに隣り合っている線材相互が長手方向の少なくとも一部で接触しているので、流体が高圧側規制手段を通って、多数の薄板シール片間の微小空間に径方向外側から入り込む量を少なくすることができる。このため、回転軸との間の動圧効果で生じる各薄板シール片に対する径方向外側への力が、微小空間内の作動流体の流れにより相殺される量を少なくすることができる。よって、該軸シール機構によれば、各薄板シール片に対する浮上力を十分に確保することができる。さらに、該軸シール機構によれば、回転軸の振動や偏芯回転に対して、高圧側規制手段の多数の線材が変形して対処するので、当該高圧規制手段の損傷を回避することができる。

ここで、前記軸シール機構において、前記高圧側規制手段は、前記回転軸の軸方向に密集配置された複数の線材群を有し、複数の前記線材群のそれぞれは、前記回転軸の周方向に密集配置された多数の前記線材を有していてもよい。

該軸シール機構では、高圧側規制手段が回転軸の軸方向に密集配置された複数の線材群を有しているので、流体が高圧側規制手段を通って、多数の薄板シール片間の微小空間に径方向外側から入り込む量をさらに少なくすることができる。

また、前記軸シール機構において、多数の前記線材は、それぞれ、前記基端を基準にして前記先端が前記回転軸の回転方向側に位置するよう、傾いている、ことが好ましい。

該軸シール機構では、各線材が上記のように傾いているため、各線材の先端側が径方向外側に曲がり易く、高圧側規制部材に対して回転軸が相対的に遠近方向に移動しても、各線材が無理なく径方向に変形することができる。

この場合、多数の前記薄板シール片は、それぞれ、前記径方向外側端を基準にして前記径方向内側端が前記回転軸の回転方向側に位置するよう、傾いており、多数の前記線材の傾き量は、多数の前記薄板シール片の傾き量と異なっている、ことが好ましい。

該軸シール機構では、多数の線材の傾き量と多数の薄板シール片の傾き量とが異なっているため、流体が高圧側規制手段を通って、多数の薄板シール片間の微小空間に入り込む量をさらに少なくすることができる。

また、前記軸シール機構において、前記高圧側規制手段は、厚さ方向を前記回転軸の軸方向に向け、該軸方向から見た形状が円弧帯状を成し、多数の前記線材の前記基端側であって、多数の該線材の高圧側及び／又は低圧側に、近接又は接触するサイドプレートを有し、前記サイドプレートの径方向内側端は、前記ケーシングの径方向内側縁よりも、径方向外側に位置していてもよい。

該軸シール機構では、多数の該線材の高圧側及び／又は低圧側に、近接又は接触するサイドプレートを有しているので、流体が高圧側規制手段を通って、多数の薄板シール片間の微小空間に径方向外側から入り込む量をさらに少なくすることができる。

この場合、多数の前記線材の前記基端と該サイドプレートの径方向外側端部とが互いに接合され、該線材は、該サイドプレートの部分であって、該径方向外側端部よりも径方向内側の部分とは接合されていない、ことが好ましい。

該軸シール機構では、径方向において、サイドプレートに対して線材が独自に変形できる部分を多くすることができる。

また、前記問題点を解決するための発明に係る回転機械は、前記軸シール機構と、前記回転軸と、前記ケーシングとを備えていることを特徴とする。

本発明では、回転軸の振動や偏芯回転による高圧側規制手段の損傷を回避しつつ、各薄板シール片に対する浮上力を十分に確保できる。

本発明に係る一実施形態におけるガスタービン設備の構成図である。 図１におけるII−II線断面図である。 本発明に係る第一実施形態における軸シール機構の要部切欠き斜視図である。 本発明に係る第一実施形態における軸シール機構の断面図である。 本発明に係る第一実施形態において、軸方向から見た薄板シール片を示す図である。 図３におけるＶI−ＶI線端面図である。 図３におけるＶII矢視図である。 本発明に係る第一実施形態における軸シール機構中の作動流体の流れ及び圧力分布を示す説明図である。 本発明に係る第二実施形態における軸シール機構の断面図である。

以下、図面を参照し、本発明に係る軸シール機構及びこれを備えているガスタービン設備の実施形態について説明する。

「ガスタービン設備の構成」
ガスタービン設備は、図１に示すように、多量の空気を内部に取り入れて圧縮する圧縮機（回転機械）２と、この圧縮機２にて圧縮された圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる燃焼器３と、燃焼器３から導入された燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換するガスタービン（回転機械）４とを備えている。

圧縮機２及びタービン４は、それぞれ、ケーシング２ｂ，４ｂと、このケーシング２ｂ，４ｂ内で回転するロータ２ａ，４ａとを有している。各ケーシング２ｂ，４ｂ内には、複数の環状静翼群５ｃ，５が軸方向に間隔を開けて固定されている。各環状静翼群５ｃ，５は、各ケーシング２ｂ，４ｂ内面に、周方向に互いの間隔を開けて固定されている複数の静翼を有して構成されている。また、各ロータ２ａ，４ａは、回転軸６ｃ，６と、この回転軸６ｃ，６の軸方向に間隔を開けて固定されている複数の環状動翼群７ｃ，７と、を有している。各環状動翼群７ｃ，７は、この回転軸６ｃ，６の外周に、周方向に互いの間隔を開けて固定されている複数の動翼を有して構成されている。複数の環状静翼群５ｃ，５と複数の環状動翼７ｃ，７は、回転軸６ｃ，６の軸方向に交互に配置されている。圧縮機２のローター２ａとガスタービン４のローター４ａとは、一体回転するよう、連結されている。

圧縮機２及びガスタービン４には、高圧側から低圧側に作動流体（圧縮空気又は燃焼ガス）ｇが軸方向に漏出するのを防止するため、各環状静翼群５ｃ，５の内周部に軸シール機構１０ｃ，１０が設けられている。また、ケーシング２ｂ，４ｂが回転軸６ｃ，６を支持する軸受け部２ｃ，４ｃにおいても、作動流体ｇが高圧側から低圧側に漏れるのを防止するため、軸シール機構１０ｃ，１０が設けられている。

ガスタービン４の軸シール機構１０は、図２に示すように、円弧状に延びるシールセグメント１１が回転軸６の周囲に、周方向に複数（本実施形態では８つ）に配置されることで構成されている。なお、図２は、図１におけるII−II線断面図である。

以下、ガスタービン４の軸シール機構１０の実施形態について説明する。なお、以下では、ガスタービン４の軸シール機構１０について説明するが、圧縮機２の軸シール機構１０ｃも、基本的に同様の構成なので、この説明を省略する。

「軸シール機構の第一実施形態」
軸シール機構１０は、図３及び図４に示すように、ガスタービンのケーシングに設けられている環状静翼群５及び軸受け部４ｃ（以下、環状静翼群５及び軸受け部４を単にケーシング９とする）の内周面から外側に向かって凹んだ環状空間Ｒ内に配置されている。

軸シール機構１０は、多数の薄板シール片２０と、断面コ字状を成して多数の薄板シール片２０を保持する保持リング１３，１４と、多数の薄板シール片２０のケーシング９側に配置される背面スペーサ１５と、多数の薄板シール片２０の高圧側に配置される高圧側規制部材３０と、多数の薄板シール片２０の低圧側に配置される低圧側規制部材４０と、を備えている。

薄板シール片２０は、図３に示すように、主に薄い鋼板によって形成された部材であり、回転軸６の周方向から見てＴ字状に形成され、その幅方向を回転軸６の軸方向に向け、言い換えると、その厚さ方向を回転軸６の周方向に向けている。

この薄板シール片２０は、頭部２１と、この頭部２１よりも幅寸法及び厚さ寸法が小さく形成されている胴部２３と、頭部２１と胴部２３の間に位置して、これらよりも幅寸法が小さく形成されている首部２２と、を有している。この薄板シール片２０は、回転軸６の径方向において、外側から内側に向かって、頭部２１、首部２２、胴部２３の順に形成されている。

多数の薄板シール片２０は、それぞれの頭部２１の径方向外側端、つまり、当該薄板シール片２０の径方向外側端２０ａが互いに溶接されて、相互に連結されている。また、多数の薄板シール片２０の胴部２３は、弾性変形可能であり、それぞれの胴部２３の径方向内側端、つまり当該薄板シール片２０の径方向内側端２０ｂが自由端になっており、回転軸６が回転しなない際には回転軸６の外周面と接している。

多数の薄板シール片２０は、図５に示すように、互いに周方向に微小間隔ｓを開けて配列されている。具体的に、多数の薄板シール片２０は、頭部２１の厚さ寸法が首部２２及び胴部２３の厚さ寸法よりも大きいことにより、それぞれの厚さ方向で相互に隣接する二つの薄板シール片２０の胴部２３間に微小間隙ｓが形成される。

保持リング１３，１４としては、図３及び図４に示すように、高圧側保持リング１３と低圧側保持リング１４とがある。これらの保持リング１３，１４は、いずれも、断面コ字状で、コ字の内側が溝部を成し、且つ回転軸６の周方向に延びる円弧状部材である。各保持リング１３，１４の溝部の幅（回転軸６の径方向における溝部の寸法）は、薄板シール片２０の頭部２１の、径方向における寸法0よりも若干大きい。薄板シール片２０の頭部２１の高圧側は、高圧側保持リング１３の溝部内に入れられ、薄板シール片２０の頭部２１の低圧側は、低圧側保持リング１４の溝部内に入れられている。各保持リング１３，１４の溝部の側壁と、薄板シール片２０の頭部２１との間には、背面スペーサ１５が嵌め込まれている。これにより、多数の薄板シール片２０の頭部２１は、保持リング１３，１４により保持されている。

低圧側規制部材４０は、厚さ方向を軸方向に向け、軸方向から見た形状が円弧帯状を成す低圧側サイドシール板で、多数の薄板シール片２０の低圧側に配置されている。この低圧側サイドシール板４０は、径方向外側のベース部４２と径方向内側の薄板シール部４３とを有している。ベース部４２は、その厚さ（軸方向の寸法）が薄板シール部４３の厚さよりも厚く、薄板シール部４３を基準にして高圧側に突出している。このベース部４２は、薄板シール片２０の頭部２１と胴部２３との間の低圧側の凹みに入り込み、薄板シール片２０の首部２２と断面コ字状の低圧側保持リング１４の「コ」の腕部先端との間で挟み込まれている。

低圧側サイドシール板４０の薄板シール部４３は、ベース部４２から径方向内側へ、ケーシング９の内周面９ａの位置より幾らか外側の位置までに伸びている。言い換えると、回転軸６の外周面から薄板シール板４３の径方向内側端４３ｂまでの距離は、回転軸６の外周面からケーシング９の内周面９ａまでの距離より大きい。

高圧側規制部材３０は、多数の線材３５から成る第一線材群３４及び第二線材群３９と、各線材群３４，３９を構成する全線材３５の一方の端がロウ付けされている線材ベース３１と、を有している。線材ベース３１は、高圧側と低圧側の二枚の板で形成されている。各線材３５は、その長手方向が回転軸６の径方向成分を有する方向を向いている。各線材３５は、径方向外側端が基端３５ａを成し、この基端３５ａが線材ベース３１の二枚の板の間に挟まれた状態で、線材ベース３１を構成する二枚の板にロウ付けされている。この結果、各線材３５の基端３５ａは互いに連結され、線材ベース３１を構成する二枚の板も互いに接合される。なお、図４中、符号「ｂ」はろう付け部を示している。また、各線材３５の径方向内側端は、自由端としての先端３５ｂを成し、回転軸６の外周面と接している。

線材ベース３１は、薄板シール片２０の頭部２１と胴部２３との間の高圧側の凹みに入り込み、薄板シール片２０の首部２２と断面コ字状の高圧側保持リング１３の「コ」の腕部先端との間で挟み込まれている。

図６は、図３におけるＶI−ＶI線端面図である。この図６に示すように、第一線材群３４，３９及び第二線材群３４，３９を構成する各線材３５は、周方向に配列されている。各線材３５の基端３５ａ相互の間には、周方向において所定の間隔がある。また、第一線材群３４と第二線材群３９とは軸方向に並んでいる。第二線材群３９を構成する線材３５は、周方向において、第一線材群３５を構成する複数の線材の間の位置に配置され、第二線材群３９を構成する線材３５の基端３５ａが、第一線材群３４を構成する線材３５の基端３５ａと相互に軸方向で接している。すなわち、本実施形態では、多数の薄板シール片２０の高圧側において、多数の線材３５が周方向及び軸方向に密集配置されている。

図７は、図３におけるＶII矢視図である。この図７に示すように、高圧側規制部材３０の各線材３５は、その基端３５ａを基準にして、その先端３５ｂが回転軸６の回転方向側に位置するよう傾斜している。また、各薄板シール片２０も、径方向外側端２０ａを基準にして、径方向内側端２０ｂが回転軸６の回転方向側に位置するよう傾斜している。各線材３５の傾斜量、つまり線材３５と回転軸６の法線との角度αは、各薄板シール片２０の傾き量、つまり薄板シール片２０と回転軸６の法線との角度βよりも大きい。ところで、各線材３５の基端３５ａ相互の間には、周方向において所定の間隔があり、しかも、各線材３５と回転軸６の法線との角度αであるが、各線材３５の先端３５ｂ側部分の相互は、周方向において接触している。回転軸６における複数の法線の相互間隔は、回転軸６の中心から遠い位置での間隔よりも、回転軸６の中心から近い位置での間隔の方が狭い。そこで、本実施形態では、周方向において、各線材３５の先端３５ｂ側部分の相互が接触するよう、各線材３５の基端３５ａ相互の間の間隔を設定している。

薄板シール片２０、高圧側規制部材３０の各線材３５、低圧規制部材である低圧側サイドシール板４０は、いずれも、弾性に富み、優れた耐熱性を有するＮｉ基合金であるインコネル（登録商標）系合金や、Ｃｏ基合金であるステライト（登録商標）系合金等で形成されている。

次に、本実施形態における軸シール機構の作用について説明する。

燃焼器３（図１に示す）から燃焼ガスである作動流体ｇがガスタービン４に流入して、回転軸６が回転すると、薄板シール片２０の径方向内側端２０ｂ、及び薄板シール片２０の胴部２３は、回転軸６の回転によって生じる動圧効果により、図８に示すように、径方向外側向きの力ＦＬを受け、各薄板シール片２０の径方向内側端２０ｂは、回転軸６の外周面から浮上する。これにより、薄板シール片２０と回転軸６との間での摩擦がなくなり、薄板シール片２０の磨耗が抑えられ、当該軸シール機構１０の寿命が長くなる。

また、高圧側規制部材３０の各線材３５も、回転軸６が回転すると、線材３５の先端３５ｂ、及び線材３５の胴部２３は、回転軸６の回転によって生じる動圧効果により、径方向外側向きの力ＦＬを受ける。しかしながら、薄板シール片２０の胴部２３は平面であり、この平面で半径外向きの力を受けるのに対して、各線材３５の胴部２３は断面円形で、曲面で半径外向きの力を受ける等の理由により、各線材３５にかかる半径外向きの力は弱い。このため、各線材３５の先端３５ｂは、回転軸６の外周面から浮上しない、又は、極めて僅かにしか浮上しない。

また、各線材３５は、高圧側から作動流体の圧力を受けて変形し、その先端３５ｂ側が薄板シール片２０の高圧側縁に密着する。

ところで、作動流体ｇは、高圧側から、高圧側規制部材３０の多数の線材３５間、多数の薄板シール片２０の微小隙間ｓ及び多数の薄板シール片２０の径方向内側端２０ｂと回転軸６の外周面との間を通って、低圧側に幾らか漏れる。

仮に、高圧側規制部材３０が存在しない場合、背景技術の欄で述べたように、作動流体ｇは、高圧側から低圧側に向かいつつ、環状空間Ｒを形成するケーシング９の凹部（凹部の底が径方向外側に向く）の高圧側側壁９ｂと薄板シール片２０との間の間隙を径方向外側に向かって流れてから、各薄板シール片２０の微小間隙ｓに入り込む。そして、微小間隙ｓに入り込んだ作動流体ｇは、低圧側に向かいつつ、半径内側に向かって流れ、微小空間ｓから出る。このため、作動流体ｇの各薄板シール片２０の微小間隙ｓでの流れは、回転軸６の回転による動圧効果で生じる各薄板シール片２０に対する径方向外側への力ＦＬを相殺する力として作用する。

一方、本実施形態のように、高圧側規制部材３０が存在した場合、作動流体ｇが、高圧側から低圧側に向かいつつ、環状空間Ｒを形成すケーシング９の凹部の高圧側側壁９ｂと薄板シール片２０との間の間隙を径方向外側に向かって流れてから、各薄板シール片２０の微小間隙に入り込もうとしても、各薄板シール片２０の高圧側に高圧側規制部材３０が存在するため、径方向外側の位置から各薄板シール片２０の微小空間ｓにはほとんど入り込まない。

このため、高圧側規制部材３０が存在する場合、作動流体ｇのほとんどは、高圧側規制部材３０よりも低圧側で、作動流体ｇに対する流れの抵抗が最も小さい部分、つまり、各薄板シール片２０の高圧側縁の径方向内側端２０ｂ（以下、高圧側先端２０ｃとする）と回転軸６の外周面との間の部分から、各薄板シール片２０の微小間隙ｓに入り込む。

さらに、本実施形態では、各薄板シール片２０の低圧側に、低圧規制部材としての低圧側サイドシール板４０を配置し、環状空間Ｒを形成すケーシング９の凹部の低圧側側壁９ｃと薄板シール片２０との間に比較的大きな隙間を確保しているので、各薄板シール片２０の微小空間ｓに入り込んだ作動流体は、低圧側に流れつつも、径方向外側に向かい易い。

すなわち、本実施形態では、図８中で破線で示すように、作動流体ｇは、主として、各薄板シール片２０の高圧側先端２０ｃから、各薄板シール片２０の微小間隙ｓに入り込み、そこから低圧側に向かいつつ径方向外側に向かって流れて、微小間隙ｓから流出することになる。

言い換えると、本実施形態において、各薄板シール片２０の微小間隙ｓの圧力分布Ｐは、図８中で一点破線で示すように、各薄板シール片２０の高圧側先端２０ｃが最も高く、この位置を基準として、低圧側で且つ径方向外側へ向かうに連れて低くなる。

以上のように、本実施形態では、作動流体ｇは、各薄板シール片２０の微小間隙ｇを低圧側に流れる際に、径方向外側にも進むので、この流れが、各薄板シール片２０を若干ではあるが浮上させる力Ｆｕとして作用する。よって、本実施形態によれば、各薄板シール板に対する浮上力を確保でき、各薄板シール片２０の磨耗を抑えることができる。

また、本実施形態では、回転軸６が偏芯回転する等で、高圧側規制部材３０に対して回転軸６が相対的に遠近方向に移動しても、高圧側規制部材３０の構成要素である各線材３５が径方向に弾性変形するので、高圧側規制部材３０の損傷を回避することができる。特に、本実施形態において、図７を用いて前述したように、各線材３５は、その基端３５ａを基準にして、その先端３５ｂが回転軸６の回転方向側に位置するよう傾斜しているため、各線材３５の先端３５ｂ側が径方向外側に曲がり易く、高圧側規制部材３０に対して回転軸６が相対的に遠近方向に移動しても、各線材３５が無理なく径方向に弾性変形することができる。すなわち、本実施形態の高圧側規制部材３０は、回転軸６の振動や偏芯回転に対して極めて高い耐久性を備えている。なお、特許文献１に記載のように、可撓板（高圧側規制部材）にスリットを形成する場合、可撓板の径方向内側部分にしかスリットを形成できず、このスリットを径方向外側部分まで伸ばすことができない。このため、本実施形態のように、高圧側規制部材３０を多数の線材３５で構成する方が、特許文献１に記載の技術よりも、高圧規制部材３０のうちで、無理なく径方向に弾性変形できる領域を、設計及び製造の両面から容易に広げることができ、高圧側規制部材３０に対する回転軸６の遠近方向の移動に対して、高圧側規制部材３０を極めて無理なく変形させることができる。

なお、高圧側規制部材３０の多数の線材３５は、前述したように、回転軸６が回転しても、ほとんど浮上しないため、磨耗するものの、ある程度磨耗が進んで、回転軸６との間に僅かでも隙間が形成されると、以降、ほとんど磨耗しなくなる。

また、本実施形態では、図６及び図７を用いて前述したように、高圧側規制部材３０の多数の線材３５の長手方向の少なくとも一部が、周方向において、互いに接触するので、線材３５相互間を作動流体が通る量を少なくすることができる。しかも、本実施形態では、第一線材群３４と第二線材群３９とが軸方向に密集配置され、第二線材群３９を構成する線材３５が、周方向において、第一線材群３５を構成する複数の線材の間の位置に配置されている上に、各線材３５の傾き量と各薄板シール片２０の傾き量とを変えているので、高圧側規制部材３０の高圧側から、この高圧側規制部材３０を通って、各薄板シール片２０の微小隙間ｓに入り込む作動流体ｇの量を極めて少なくすることができる。このため、本実施形態では、作動流体ｇが径方向外側の位置から各薄板シール片２０の微小隙間ｓに入り込むことによる、各薄板シール片２０の浮上力の減少を抑えることができ、結果として、各薄板シール片２０に対する浮上力を十分に確保できる。

さらに、本実施形態では、前述したように、各線材３５の先端３５ｂ側を径方向外側に曲がり易くするために、各線材３５を傾けているものの、その基端３５ａを基準にして、その先端３５ｂが回転軸６の回転方向側に位置するよう傾けているため、その先端３５ｂが回転軸６の回転反対方向側に位置するよう傾ける場合よりも、回転軸６との間の摩擦抵抗を小さくでき、結果として、各線材３５の磨耗を少なくすることができる。また、本実施形態では、前述したように、第一線材群３４を構成する各線材３５と第二線材群３９を構成する各線材３５とを、軸方向で接触させているものの、第二線材群３９を構成する線材３５を、周方向において、第一線材群３５を構成する複数の線材の間の位置に配置して、第一線材群３４を構成する各線材３５と第二線材群３９を構成する各線材３５とを、軸方向で接触させているので、第一線材群３４を構成する各線材３５の高圧側縁と第二線材群３９を構成する各線材３５の低圧側縁との最短距離を狭めることができる。

「軸シール機構の第二実施形態」
次に、本発明に係る軸シール機構の第二実施形態について、図９を用いて説明する。

本実施形態の軸シール機構１０ｘは、第一実施形態の軸シール機構１０に対して、高圧側規制部材の構成のみが異なり、その他の構成は第一実施形態と同様である。よって、以下では、高圧側規制部材３０ｘの構成を主として説明する。

本実施形態の高圧側規制部材３０ｘは、多数の線材３５から成る第一線材群３４及び第二線材群３９と、各線材群３４，３９を構成する全線材３５の基端３５ａがロウ付けされているサイドプレート３１ｘ，３６ｘと、を有している。サイドプレート３１ｘ，３６ｘとしては、第一線材群３４の高圧側に位置する第一サイドプレート３１ｘと、第二線材群３９の低圧側に位置する第二サイドプレート３６ｘとがある。すなわち、本実施形態では、軸方向において、第一サイドプレート３１ｘと第二サイドプレート３６ｘとで、第一線材群３４及び第二線材群３９を挟み込んでいる。

第一サイドプレート３１ｘ及び第二サイドプレート３６ｘは、いずれも、厚さ方向を軸方向に向け、軸方向から見た形状が円弧帯状を成し、円弧帯状の外円弧側に形成されているベース部３２，３７と、円弧帯状の内円弧側に形成されている薄板シール部３３，３８と、を有している。各ベース部３２，３７の厚さ（軸方向の寸法）は、いずれも、薄板シール部３３，３８の厚さよりも厚く形成されている。各薄板シール部３３，３８は、対応するベース部３２，３７から径方向内側へ、ケーシング９の最内周縁９ｄの位置より幾らか外側の位置まで伸びている。言い換えると、回転軸６の外周面から薄板シール部３３，３８の径方向内側端３３ｂまでの距離は、回転軸６の外周面からケーシング９の最内周縁９ｄまでの距離より大きい。

第一サイドプレート３１ｘのベース部３２は、第一線材群３４を構成する全線材３５の基端３５ａの高圧側及び径方向外側を覆い、第二サイドプレート３６ｘのベース部３７は、第二線材群３９を構成する全線材３５の基端３５ａの低圧側及び径方向外側を覆う。この第二サイドプレート３６ｘのベース部３７は、第二サイドプレート３６ｘの薄板シール部３８を基準にして低圧側に突出し、薄板シール片２０の頭部２１と胴部２３との間の高圧側の凹みに入り込んでいる。

第一線材群３４を構成する全線材３５の基端３５ａ及び第二線材群３９を構成する全線材３５の基端３５ａは、いずれもサイドプレート３１ｘ，３６ｘのベース部３２，３７にロウ付けされて、互いに連結されている。このロウ付けにより、第一サイドプレート３１ｘのベース部３２と第二サイドプレート３６ｘのベース部３７とは接合している。

以上、本実施形態では、第一線材群３４の各線材３５の高圧側及び第二線材群３９の低圧側に、薄板シール部３３，３８が存在するため、作動流体ｇが、高圧側規制部材３０ｘを通って、径方向外側の位置から各薄板シール片２０の微小隙間ｓに入り込む量を実質的に０にすることができる。よって、本実施形態では、第一実施形態よりも、各薄板シール片２０の浮上力の減少を抑えることができ、各薄板シール片２０に対する浮上力をより確保できる。

なお、本実施形態では、サイドプレート３１ｘ，３６ｘのベース部３２，３７に線材３５の基部のみをロウ付けしているが、薄板シール部３３，３８に対しても線材３５をロウ付けしてもよい。但し、薄板シール部３３，３８に対しても線材３５をロウ付けすると、ロウ付けした部分が薄板シール部３３，３８と一体になり、線材３５として独自に弾性変形しなくなるため、本実施形態のように、線材３５の基部のみをロウ付けすることが好ましい。

また、本実施形態では、第一線材群３４の高圧側及び第二線材群３９の低圧側のそれぞれに、サイドプレート３１ｘ，３６ｘを配置しているが、いずれか一方の側のみにサイドプレートを配置しても、基本的に同様の効果を得ることができる。

また、以上の実施形態では、第一線材群と第二線材群の二つの線材群を軸方向に密集配置しているが、線材群は一つであってもよいし、３以上であってもよい。

また、以上では、軸シール機構１０，１０ｘをガスタービン４に適用する場合について説明したが、本発明の軸シール機構はこれに限定されるものではなく、例えば、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等、各種回転機械にも適用できることは言うまでもない。

2：圧縮機、２ａ，４ａ：ロータ、２ｂ，４ｂ，９：ケーシング、3：燃焼器、４：ガスタービン、５，５ｃ：環状静翼群、６，６ｃ：回転軸、７，７ｃ：環状動翼群、１０，１０ｘ：軸シール機構、１１：シールセグメント、２０：薄板シール片、２０ａ：（薄板シール片の）径方向外側端、２０ｂ：（薄板シール片の）径方向内側端、３０，３０ｘ：高圧側規制部材、３１：線材ベース、３１ｘ、３６ｘ：サイドプレート、３５：線材、３５ａ：（線材の）基端、３５ｂ：（線材の）先端、３４：第一線材群、３９：第二線材群、４０：低圧側規制部材（低圧側サイドシール板）

Claims (7)

1. 回転軸の外周側と該回転軸の周囲を囲むケーシングとの間の環状空間内に、多数の薄板シール片がそれぞれの厚さ方向を該回転軸の周方向に向け、且つ互いに該周方向に微小間隙を開けて配列され、多数の該薄板シール片の径方向内側端が自由端になっており、多数の該薄板シール片の径方向外側端が互いに連結されて、該環状空間を該回転軸の軸方向で高圧側領域と低圧側領域に分ける軸シール機構において、
   前記環状空間内に配置され、多数の前記薄板シール片の高圧側に沿い、且つ前記回転軸の外周に沿って、高圧側から多数の該薄板シール片へ流体の流れを規制する高圧側規制手段を備え、
   前記高圧側規制手段は、前記回転軸の周方向に密集配置された、可撓性を有する多数の線材を有し、
   多数の前記線材は、それぞれの長手方向が前記回転軸の径方向成分を有する方向を向き、多数の該線材のそれぞれの径方向内側端である先端は、自由端を成し、該回転軸の外周面に近接又は接触し、前記周方向で互いに隣り合っている該線材相互が前記長手方向の少なくとも一部で接触するよう、多数の該線材のそれぞれの径方向外側端である基端相互が連結されている、
   ことを特徴とする軸シール機構。
2. 請求項１に記載の軸シール機構において、
   前記高圧側規制手段は、前記回転軸の軸方向に密集配置された複数の線材群を有し、
   複数の前記線材群のそれぞれは、前記回転軸の周方向に密集配置された多数の前記線材を有する、
   ことを特徴とする軸シール機構。
3. 請求項１又は２に記載の軸シール機構において、
   多数の前記線材は、それぞれ、前記基端を基準にして前記先端が前記回転軸の回転方向側に位置するよう、傾いている、
   ことを特徴とする軸シール機構。
4. 請求項３に記載の軸シール機構において、
   多数の前記薄板シール片は、それぞれ、前記径方向外側端を基準にして前記径方向内側端が前記回転軸の回転方向側に位置するよう、傾いており、
   多数の前記線材の傾き量は、多数の前記薄板シール片の傾き量と異なっている、
   ことを特徴とする軸シール機構。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の軸シール機構において、
   前記高圧側規制手段は、厚さ方向を前記回転軸の軸方向に向け、該軸方向から見た形状が円弧帯状を成し、多数の前記線材の前記基端側であって、多数の該線材の高圧側及び／又は低圧側に、近接又は接触するサイドプレートを有し、
   前記サイドプレートの径方向内側端は、前記ケーシングの径方向内側縁よりも、径方向外側に位置している、
   ことを特徴とする軸シール機構。
6. 請求項５に記載の軸シール機構において、
   多数の前記線材の前記基端と該サイドプレートの径方向外側端部とが互いに接合され、該線材は、該サイドプレートの部分であって、該径方向外側端部よりも径方向内側の部分とは接合されていない、
   ことを特徴とする軸シール機構。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の軸シール機構と、前記回転軸と、前記ケーシングとを備えていることを特徴とする回転機械。

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