JP2012211615A

JP2012211615A - 回転軸のシール構造

Info

Publication number: JP2012211615A
Application number: JP2011076692A
Authority: JP
Inventors: Naoki Hagi; 直樹萩
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2012-11-01
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP5734052B2

Abstract

【課題】シール空気の漏れ量が少なく、且つ確実にシール能力を発揮することができる回転軸のシール構造を提供する。
【解決手段】回転軸と、該回転軸の外周面の周方向に配置されるシールとを有する回転軸のシール構造であって、前記シールの回転軸と対向する面が、軸方向両端に位置する両端面と該両端面間に位置して両端面よりも回転軸からの位置が遠い中間面とを有することで、前記中間面と回転軸との間に空間部が形成され、前記空間部内部に外部から流体を供給する流体供給手段を備え、前記シールは、前記回転軸側に押圧されており、前記空間部内部に供給される流体が所定の圧力以上で前記回転軸から浮上する。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸と、該回転軸の外周面の周方向に配置されるシールとを有する回転軸のシール構造に関するものである。

ガスタービンや蒸気タービン等の回転機械では、回転軸外周面と回転軸外周側に設けられる静止部との間の隙間を回転軸の軸方向に沿って流れる流体のシール構造の１つとして、ラビリンスシールを用いた回転軸のシール構造が広く知られている。

ここで、ラビリンスシールとは、静止部側にフィンを設けることによって、回転軸と静止部の間に凹凸の隙間を複数段形成して、各段ごとに徐々に漏れ圧を下げて漏れ量を低減するものである。

このようなラビリンスシールを用いた回転軸のシール構造は、回転軸と静止部との間にラビリンスシールを設けるとともに、シール部にシール空気を供給するものであり、シール空気とラビリンスシールとによって回転軸の軸方向に沿って流れる流体をシールするものである。このような回転軸のシール構造は例えば特許文献１などに開示されている。

特開２００３−３４３２０６号公報

ラビリンスシールにおける流体の漏洩量を削減するためには、回転軸とラビリンスシールを形成するフィンとのクリアランスを小さくすることが好ましい。しかしながら、従来のラビリンスシールにおいては、ラビリンスシールを形成するために金属材料を使用している。そのため、流体の漏洩量を削減するために、前記クリアランスを小さくすると、回転軸と前記フィンとが接触して回転軸を損傷する可能性がある。そのため、クリアランスの削減量即ち流体の漏洩量低減によるシール性能向上には限界があり、製作公差を考慮するとクリアランスを大きめに確保する必要がある。

ところで、ラビリンスシールは、非接触式のシールであるから、前記シール空気のラビリンスシールからの漏れ量は、ラビリンスシールのクリアランスの設定に依存する。そのため、前記クリアランスを大きめに設定すると、ラビリンスシールからのシール空気の漏れ量が多くなる。

つまり、従来のラビリンスシールを用いた回転軸のシール構造においては、回転軸の損傷防止のためには前記クリアランスを削減することには限界がある。そのため、前記クリアランスを大きめに確保する必要があるが、その場合ラビリンスシールからのシール空気の漏れ量が多くなり回転機械の効率が低下する可能性がある。

そこで、シール空気量を削減することが考えられるが、シール空気量が少ないと、シール構造として充分な性能を発揮することができない場合がある。例えばガスタービンにラビリンスシールが用いられている場合であって前記クリアランスが大きいと、ガスタービン起動時にシール空気の供給圧不足となりラビリンスシール部で流体の逆流が生じる可能性がある。

また、ラビリンスシールがガスタービンの軸受シールである場合、前記逆流が生じると、潤滑油が周辺の高温空気に晒されて劣化したり、潤滑油が外部に漏洩して、周辺の汚損や潤滑油量が不足したりする可能性がある。

従って、本発明は係る従来技術の問題点に鑑み、シール空気の漏れ量が少なく、且つ確実にシール能力を発揮することができる回転軸のシール構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明においては、回転軸と、該回転軸の外周面の周方向に配置されるシールとを有する回転軸のシール構造であって、前記シールの回転軸と対向する面が、軸方向両端に位置する両端面と該両端面間に位置して両端面よりも回転軸からの位置が遠い中間面とを有することで、前記中間面と回転軸との間に空間部が形成され、前記空間部内部に外部から流体を供給する流体供給手段を備え、前記シールは、前記回転軸側に押圧されており、前記空間部内部に供給される流体が所定の圧力以上で前記回転軸から浮上することを特徴とする。
ここで、前記押圧については、例えばバネ等の押圧手段を設けて前記シールを前記回転軸側に押圧してもよく、シールの変形や自重によってシールが回転軸側に押圧されるものであってもよい。

これにより、前記空間部内部に前記流体供給手段より流体を供給することで、前記シールを回転軸から浮上させることができる。つまり、流体の供給により、回転軸とシールとの非接触状態を作り出すことができる。また、前記流体の供給圧力、供給量を調整することにより、シールの浮上量をコントロールすることができる。
つまり、前記流体の前記空間部内部への供給により、シールと回転軸との間隙を小さく確保することができるため、少ないシール空気でも確実にシール能力を発揮することができ、しかも例えばシール空気等の前記流体の漏れ量を小さく抑えることができる。

また、前記シールは、前記回転軸に対向する面が前記回転軸よりも硬度が低い材料で形成されているとよい。
これにより、シールと回転軸が接触した場合でも、該接触に起因して回転軸が損傷することを防止できる。前記回転軸が低合金鋼である場合には、前記回転軸よりも硬度が低い材料として弾性材料を使用することが特に好ましい。弾性材料としては、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、カーボンナノチューブからなる粘弾性体等を挙げることができる。

また、前記シールは、前記回転軸に対向する面を含む弾性材料部と、前記弾性材料部の外周側を補強する高剛性材料部とから形成されるとよい。
弾性材料部は、回転軸に対向する面を含んでいるため、シールと回転軸が接触した場合には弾性材料部が回転軸と接触することとなる。弾性材料部が回転軸と接触するため、該接触により回転軸が損傷することを防止できる。
また、弾性材料部の外側を金属材料で補強することにより、前記空間部内部に前記流体を導入して空間部の内圧が高くなることで弾性材料部が変形することを防止できる。

また、前記シールは、前記回転軸の周方向に分割された複数のセグメントより構成されているとよい。
例えば回転軸の上部と下部とでは、シールに対して回転軸方向にかかる重力が異なる。そのため、前記シールを例えば１つのリング状の形状とした場合は、前記空間部に流体を供給した場合のシールの浮上量が位置によって異なる可能性がある。そこで、前記シールを複数のセグメントより構成することにより、セグメント毎に適切な流体量、流体圧力を調整することで、シール全体の回転軸からの浮上量を均一にすることができる。

また、前記シール部を前記回転軸側に付勢する付勢手段を備えるとよい。
これにより、前記空間部への前記流体の非供給時にはシールと回転軸を接触した状態とすることができる。

また、前記流体供給手段は、前記流体を前記空間部内に噴出するノズルを備えるとよい。
これにより、ノズルにより空間部内に流体を噴出することで、噴出された流体は膨張により空間部内で温度が低下する。そのため、ノズルを用いて流体温度を低下させることで、ノズルを使用しない場合の流体温度への耐熱性を有さない物質のシールが可能となる。

前記中間面の少なくとも一部は、前記シールの軸方向中央側に向けて前記回転軸との距離が大きくなる傾斜面であるとよい。
これにより、空間部内に導入された流体の圧力を、前記傾斜面で回転軸から離れる方向に受けるので、少ない流体量でシールを回転軸から浮上させることができる。

また、前記回転軸はガスタービンの回転軸であって、前記流体をシール空気とすることができる。
これにより、ガスタービンのジャーナル軸受など従来ラビリンスシールが使用されている箇所でのシール空気の漏れ量を削減できる。また、従来ラビリンスシールが使用されていた箇所にはシール空気が供給されている。そのため、流体としてシール空気を使用することで、既設ガスタービンは流体の供給系統を新たに設けることなく改造することが可能である。また、新設ガスタービンについては従来と大きく設計を変更する必要がなく、設計に係る費用を抑えることができる。

また、前記回転軸は蒸気タービンの回転軸であって、前記流体は蒸気であり、蒸気タービンのグランドシールに適用されるとよい。
蒸気タービンのグランドシール部には、グランドシール蒸気が供給されている。そのため、そのため、流体として蒸気を使用することで、既設蒸気タービンは流体の供給系統を新たに設けることなく改造することが可能である。また、新設蒸気タービンについては従来と大きく設計を変更する必要がなく、設計に係る費用を抑えることができる。

本発明によれば、シールに用いる流体の漏れ量が少なく、且つ確実にシール能力を発揮することができる回転軸のシール構造を提供することができる。

実施例に係る回転軸のシール構造が適用されるガスタービン最終ディスク後部のキャビティ部を示す断面図である。実施例に係るシール部１２を示す概略構成図である。実施例に係るシール部１２を構成するセグメントの１つを示す斜視図である。実施例に係るシール部１２を構成するセグメントの１つ及びその周辺を示す断面図である。シール部１２を構成するセグメントの１つを示す別の例の断面図である。セグメントを構成する弾性材料部を示す別の例の断面図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

まず、図１を用いて、本発明のシール構造が適用される一例であるガスタービンの構成について説明する。
図１は、実施例に係る回転軸のシール構造が適用されるガスタービン最終ディスク後部のキャビティ部を示す断面図である。

図１に示すように、ガスタービン１の最終段のディスク２の周縁に植設されたブレード２ａの後端部と隙間１０を介して、タービン軸６方向にやや傾斜を設けて配設された円環状のディフューザ４が設けられている。ディフューザ４とディフューザ４の内周側のタービン軸６外周面上に配設された排気側軸受部９で周囲が包囲されたキャビティ部Ａには、軸シール用空気管１４の一端側が開口している。また、軸シール用空気管１４からキャビティＡに圧縮空気が供給されるように構成されており、該供給された圧縮空気の一部を、前端のシール部１２を介してシール部７に供給できるように構成されている。

図１に示す構成においては、キャビティ部Ａには、軸シール用空気管１４が取付けられていて、高温排気ガスＥ／Ｇの圧力ＰG より高圧のシール空気を送り込めるようになっている。そのため、シール空気によって、排気側軸受部９を構成する軸受８、軸受油切り１１、シール部７などの部品は、高温排気ガスＥ／Ｇから隔離されている。

以上の構成において、本発明の回転軸のシール構造は、シール部７、シール部１２に適用されるものである。

次に、図２を用いて本発明のシール構造の構成の概略について説明する。
図２は、実施例に係るシール部１２を示す概略構成図である。

図２に示すように、回転軸６の周方向にはシール部１２が設けられている。シール部１２は、回転軸６の周に沿って配置される８つのセグメント１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ及び１２ｈから構成されている。また、各セグメント１２ａ〜１２ｈは、それぞれ幅ａの間隙１３を有して配置されている。ここで、幅ａについては、後述するシール空気を排出することができる幅であればよい。また、各セグメント１２ａ〜１２ｈの回転軸６と対向する面であって軸方向両端に位置する両端面２３ａ〜２３ｈは、対向する回転軸６の外表面に沿って形成されている。

次に、図３及び図４を用いてシール部１２を構成するセグメントの構成について説明する。
図３は実施例に係るシール部１２を構成するセグメントの１つを示す斜視図であり、図４は実施例に係るシール部１２を構成するセグメントの１つ及びその周辺を示す断面図である。なお、図３及び図４においては回転軸６の上側に配置されるセグメント１２ａについて示している。セグメント１２ｂ〜１２ｇは以下において特に説明する場合を除きセグメント１２ａと同じ構造であるので、セグメント１２ａについてのみ説明しセグメント１２ｂ〜１２ｇについては説明を省略する。

図３及び図４に示すように、セグメント１２ａは、弾性材料部２２、高剛性材料部２４及びシール空気供給手段２６とを有して構成されている。
また、セグメント１２ａは、図４に示すように、排気側軸受部９のセグメント固定部１３に固定されている。

弾性材料部２２は、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性体などのガスタービン１の仕様に耐えうる耐熱性を有し、且つ回転軸６よりも例えばビッカース硬さなどの硬度が低い弾性材料で形成されている。
特に、カーボンナノチューブを主成分とする粘弾性材料は、耐熱性に優れ、１０００℃程度まで粘弾性を維持できるので、高温の過酷な環境下でも十分に用いることができる。
なお、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を主成分とする粘弾性材料は、例えば、スパッタリングによりシリコン基板上に鉄触媒を付着させ、アルゴンイオンによる反応性イオンエッチングにより触媒を調製した後、この基板上にスーパーグロース法によってＣＮＴを合成して得たＣＮＴ構造体を圧縮することで作製できる。なお、ＣＮＴを主成分とする粘弾性材料は、参考文献「Ming Xu, Don N. Futaba, Takao Yamada, Motoo Yumura and Kenji Hata, "Carbon Nanotubes with Temperature-Invariant Viscoelasticity from -196℃ to 1000℃," Science, Vol. 330, No. 6009, pp.1364-1368 (2010), Published online 3 December 2010. DOI:10.1126/science.1194865」に記載された手法により作製してもよい。

また、弾性材料部２２は、回転軸６と対向する面が、回転軸の軸方向両端に位置する両端面２３ａと該両端面２３ａ間に位置して両端面よりも回転軸からの位置が遠い中間面２５ａとを有することで、中間面２５ａと回転軸６との間に空間部２８が形成されるように構成されており、その断面は図４に示すようにΩ状の形状である。

高剛性材料部２４は、金属材料などの高剛性材料で形成されており、弾性材料部２２の外周側に弾性材料部２２を補強して取り付けられている。

シール空気供給手段２６は、軸シール用空気管１４からのシール空気を空間部２８に供給するために設けられている。シール空気手段２６は、セグメント固定部１３内に形成されるキャビティ３２と、空間部２８とを連通するように、セグメント固定部１３に固定されている。また、キャビティ３２には、軸シール用空気管１４からのシール空気が供給される供給路３４が設けられている。なお、本実施例においては、軸シール用空気管１４からのシール空気をシール空気供給手段２６より空間部２８に供給しているが、軸シール用空気管１４からのシール空気とは別系統の空気をシール空気供給手段２６より空間部２８に供給してもよい。

また、図４において、付勢手段であるコイルバネ３０が設けられている。コイルバネ３０は、セグメント１２ａを回転軸６側に押圧するものである。コイルバネ３０は、空間部２８へのシール空気非供給時にセグメント１２ａの両端面２３ａが回転軸６の外表面に接触し、空間部２８へのシール空気供給時に空間部２８内の空気圧、空間部２８内の前記空気の受圧面積、セグメント１２ａの自重を考慮してセグメント１２ａの両端面２３ａが回転軸６の外表面から浮上する程度のバネ力を有するコイルバネを採用する。なお、例えばセグメント１２ａや１２ｈのように回転軸６の上部に位置するセグメントにおいては、その重さによっては、自重によってコイルバネ３０を設けなくても空間部２８へのシール空気非供給時にセグメントの回転軸対向面が回転軸６の外表面に接する場合がある。この場合にはコイルバネ３０は設けなくてもよい。

以上の構成のシール部１２を例にした本発明の回転軸のシール構造の動作について説明する。
ガスタービン１の非駆動時即ち回転軸６の非回転時や、ガスタービン１の起動時即ち回転軸６が低速回転である段階には、空間部２８へのシール空気の供給を遮断又は供給量を微量にする。これにより、セグメント１２ａはコイルバネ３０によって、回転軸６方向に押圧され両端面２３ａが回転軸６の外表面に接触している状態となる。セグメント１２ｂ〜１２ｈも同様である。セグメント１２ａ〜１２ｈと回転軸６が接触することにより、シール部１２で確実にシールを行うことができる。また、回転軸６が非回転または低速回転であり、各セグメント１２ａ〜１２ｈの回転軸６と接触する両端面２３ａ〜２３ｈは、前述のように回転軸６よりも硬度の低い弾性材料で形成しているため、各セグメント１２ａ〜１２ｈと回転軸６との接触により回転軸６が損傷することもない。

そして、ガスタービン１が駆動され回転軸６が高速の定速回転の状態になると、軸シール用空気管１４からのシール空気が、供給路３４及びキャビティ３２を介してシール空気供給手段２６より空間部２８内へ連続的に導入される。空間部２８内にシール空気が連続的に導入されると、空間部２８内部の圧力が高まり、セグメント１２ａが回転軸６から浮上する。セグメント１２ａの空間部２８へのシール空気の供給圧力、供給量を調整することにより、シールの浮上量をコントロールすることができる。セグメント１２ａが浮上すると、空間部２８に連続的に供給されたシール空気は、前記浮上により形成されたセグメント１２ａと回転軸６との間の隙間及び各セグメント間の隙間１３より排出されるため、空間部２８における圧力は低下するので、セグメント１２ａが回転軸６から一定の浮上量を保った状態でバランスする。なお、該浮上量を、回転軸６の回転によってもセグメント１２ａと回転軸６が接触しない範囲で出来る限り小さくするようにコントロールすると、シール空気の使用量が少なくなり、またシール空気の漏洩量が少なくなるため好ましい。また、セグメント１２ａの空間部２８から排出されたシール空気は、セグメント１２ａの浮上により両端面２３ａと回転軸６の形成された隙間やセグメント間の隙間１３から空間部２８外に排出されエアカーテンの役割を果たす。なお、セグメント１２ｂ〜１２ｈについても同様である。
以上の動作により、回転軸６の定速回転時には、シール空気の空間部２８内部への供給により、各セグメント１２ａ〜１２ｈと回転軸６との間隙を小さく確保することができるので、シール空気の漏れ量が少なく、且つ確実にシール能力を発揮することができる。

ここで、図５はシール部１２を構成するセグメントの１つを示す別の例の断面図である。図５において、図４と同一の符号は図４と同様の構成のものであるから説明を省略する。
シール空気として高温の空気を用い、シール部１２によりシール空気の高温への耐熱性を有さない物質をシールする場合には、図５に示すようにシール空気供給手段をノズル２６’とし、空間部２８にシール空気を噴出する機構とすることが好ましい。ノズルにより空間部２８内にシール空気を噴出することで、噴出されたシール空気は膨張により空間部２８内で温度が低下するからである。なお、３８はシール空気用のマニホールドであり、３１は板バネであって後述するコイルバネ３０と同様の役割を果たすものである。

また、図６はセグメント２３ａを構成する弾性材料部２２を示す別の例の断面図である。図６において、図４と同一の符号は図４と同様の構成のものであるから説明を省略する。
図６に示した弾性材料部２２においては、中間面２５ａの一部に、軸方向中央側に向けて回転軸６との距離が大きくなる傾斜面２７ａが形成されている。中間面２５ａの一部を傾斜面２７ａとすることで、空間部２８内に導入されたシール空気の圧力を傾斜面２７ａで回転軸から離れる方向に受けるので、少ないシール空気量で弾性部材２２（セグメント１２ａ）を回転軸から浮上させることができる。

以上に説明した本実施例によれば、少ないシール空気の供給量で、確実にシール能力を発揮することができる。

また、回転軸６と接触する可能性のある両端面２３ａ〜２３ｈを回転軸よりも硬度の低い弾性材料で形成することにより、両端面２３ａ〜２３ｈと回転軸６が接触した場合でも、該接触に起因して回転軸６が損傷することを防止できる。

また、弾性材料部２２の外側を高剛性材料部２４で補強することにより、空間部２８内部にシール空気を導入し、空間部２８の内圧が高くなることで弾性材料部２２が変形することを防止できる。

また、シール部１２を複数（本実施例においては８つ）のセグメント１２ａ〜１２ｈより構成することによって、例えばセグメント毎にシール空気の供給量、供給圧力を調整することで、シール１２全体の回転軸からの浮上量を均一にすることができる。

なお、本実施例においては、発明の回転軸のシール構造をガスタービンに適用した場合について説明したが、蒸気タービンのグランドシール部に適用することもできる。この場合、空間部にシール空気でなく蒸気を供給するとよい。

シール空気の漏れ量が少なく、且つ確実にシール能力を発揮することができる回転軸のシール構造として利用することができる。

１ガスタービン
６回転軸
１２シール部（シール）
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈセグメント
２２弾性材料部
２４金属材料部
２６シール空気供給手段（流体供給手段）
２６’ ノズル（流体供給手段）
２８空間部
３０コイルバネ（付勢手段）
３１板バネ（付勢手段）

Claims

回転軸と、該回転軸の外周面の周方向に配置されるシールとを有する回転軸のシール構造であって、
前記シールの回転軸と対向する面が、軸方向両端に位置する両端面と該両端面間に位置して両端面よりも回転軸からの位置が遠い中間面とを有することで、前記中間面と回転軸との間に空間部が形成され、
前記空間部内部に外部から流体を供給する流体供給手段を備え、
前記シールは、前記回転軸側に押圧されており、前記空間部内部に供給される流体が所定の圧力以上で前記回転軸から浮上することを特徴とする回転軸のシール構造。
前記シールは、前記回転軸に対向する面が前記回転軸よりも硬度が低い材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転軸のシール構造。
前記シールは、
前記回転軸に対向する面を含む弾性材料部と、
前記弾性材料部の外周側を補強する高剛性材料部とから形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の回転軸のシール構造。
前記シールは、前記回転軸の周方向に分割された複数のセグメントより構成されていることを特徴とする請求項１〜３何れかに記載の回転軸のシール構造。
前記シール部を前記回転軸側に付勢する付勢手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４何れかに記載の回転軸のシール構造。
前記流体供給手段は、前記流体を前記空間部内に噴出するノズルを備えたことを特徴とする請求項１〜５何れかに記載の回転軸のシール構造。
前記中間面の少なくとも一部は、前記シールの軸方向中央側に向けて前記回転軸との距離が大きくなる傾斜面であることを特徴とする請求項１〜６何れかに記載の回転軸のシール構造。
前記回転軸はガスタービンの回転軸であって、
前記流体はシール空気であることを特徴とする請求項１〜７何れかに記載の回転軸のシール構造。
前記回転軸は蒸気タービンの回転軸であって、
前記流体は蒸気であり、
蒸気タービンのグランドシールに適用されることを特徴とする請求項１〜７何れかに記載の回転軸のシール構造。