JP2018159356A - 軸シール装置、回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シール特性への影響を抑えるとともに、シール体への異物の影響を低減させる。【解決手段】軸シール装置１Ａは、ロータ１０２とロータ１０２を囲うステータ１０３との間に設けられて、ロータ１０２とステータ１０３との間の空間をロータ１０２の中心軸方向Ｄａにおいて高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１とに仕切る。軸シール装置１Ａは、互いに周方向の端面２１ｓ同士が隣接するように周方向に複数設けられたシールセグメント２０Ａからなるシールリングと、シール部材本体２１に固定されてロータ１０２に対向する薄板シール２５と、を備える。軸シール装置１Ａは、少なくとも一つのシールセグメント２０Ａに形成され、端面２１ｓから凹むように形成されて、薄板シール２５を迂回するように高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１とを連通させる連通溝５０を備える。【選択図】図３

Description

この発明は、軸シール装置、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は、ロータの周囲で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、軸シール装置を備えている。軸シール装置は、ロータの周囲の高圧領域と低圧領域とを仕切るシール部材を備えている。

回転機械においては、回転機械の上流側よりスケール等の異物が侵入する場合がある。この異物は、シール部材においてロータの外周面に対向するように設けられたシール体に到達する可能性がある。シール体は、このように異物が到達することによって影響を受け、そのシール特性が変化する場合がある。

これに対し、特許文献１には、シール部材に、ロータの軸方向に貫通する貫通孔を備える構成が開示されている。この貫通孔により、低圧領域と前記高圧領域とが連通されてこの貫通孔を通して、異物を排出することができる。

特許第５８５１８９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のシール部材は、シール体を迂回するように貫通孔を形成する必要があり、加工の手間がかかる。
また、貫通孔を通して高圧領域から低圧領域に流体が移動することで、シール部材の前後の差圧が小さくなる。すると、ロータの径方向外側の周方向において、貫通孔が設けられた部分の周囲と、それ以外の部分とで、高圧領域と低圧領域との差圧に分布が生じる。その結果、回転機械の効率等が低下する場合がある。
この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シール特性への影響を抑えるとともに、シール体への異物の影響を低減させることができる軸シール装置、回転機械を提供することを目的とする。

この発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
この発明の第一態様によれば、軸シール装置は、ロータと前記ロータを囲うステータとの間に設けられて、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領域と低圧領域とに仕切る。軸シール装置は、互いに周方向の端面同士が隣接するように周方向に複数設けられたシールリング片からなるシールリングと、各前記シールリング片に固定されて前記ロータに対向するシール体と、を備える。少なくとも一つの前記シールリング片は、前記端面から凹むように形成されて、前記シール体を迂回するように前記高圧領域と前記低圧領域とを連通させる連通溝を備える。

このように構成することで、ロータとステータとの間の空間に侵入してシール体に到達した異物は、連通溝を介して、シール体を迂回して排出される。これによって、異物によってシール体が影響を受けることを抑える。
このような連通溝は、シールリング片の端面に形成され、周方向で隣接する他のシールリング片との合わせ面に形成されている。シールリング片の端面同士が隣接する部分においては、互いに隣接するシールリング片の端面同士の隙間を通して、高圧領域と低圧領域との間で作動流体が漏れるので、高圧領域と低圧領域との差圧が小さい。このように差圧が小さい部分に設けた連通溝を通して作動流体が漏れても、そもそも差圧が小さいので、連通溝を通しての作動流体の漏れによる影響が小さくて済む。
さらに、連通溝をシールリング片の端面に形成することで、シールリング片に貫通孔を形成する場合に比較すると、連通溝を形成するための加工を容易に行うことができる。

この発明の第二態様によれば、第一態様に係る軸シール装置は、前記シールリング片に対し、前記高圧領域及び前記低圧領域の少なくとも一方に設けられ、前記シール体と前記ロータの外周面との隙間よりも径方向外方に作動流体を導く案内部材を備えるようにしてもよい。
このように構成することで、案内部材によって作動流体がシール体とロータの外周面との隙間よりも径方向外方に案内される。これにより、異物は、作動流体とともにシール体とロータの外周面との隙間よりも径方向外方に導かれ、シール体とロータの外周面との隙間に異物が侵入することを抑える。したがって、シール体まで異物が到達することを抑える。

この発明の第三態様によれば、第二態様に係る案内部材は、前記ロータの外周面に設けられ、前記ロータと一体に回転することで前記作動流体を径方向外側に導く翼であるようにしてもよい。
このように構成することで、ロータの外周面に設けられた翼がロータと一体に回転すると、翼によって生成された径方向外側に向かう作動流体の流れによって、異物は、シール体とロータの外周面との隙間よりも径方向外方に案内される。

この発明の第四態様によれば、第二態様に係る案内部材は、前記ロータの外周面に設けられ、径方向外側に延びる壁体であるようにしてもよい。
このように構成することで、壁体によって、異物がシール体とロータの外周面との隙間に入り込むことが抑えられる。また、異物は、壁体に衝突した作動流体の流れとともに、径方向外方に案内される。

この発明の第五態様によれば、第二態様に係る前記案内部材は、前記シールリング片に設けられ、径方向内側に延びる傘状部材であるようにしてもよい。
このように構成することで、傘状の案内部材によって、異物がシール体とロータの外周面との隙間に入り込みにくくなる。

この発明の第六態様によれば、第一から第五態様の何れか一つの態様に係るシール体は、前記中心軸方向に間隔をあけて複数設けられてもよい。連通溝は、前記中心軸方向において互いに隣接する前記シール体同士の間に連通する分岐溝を備えるようにしてもよい。
このように構成することで、異物がシール体とロータの外周面との隙間に入り込んだ場合であっても、複数のシール体の間に設けられた分岐溝を通して、異物が連通溝を介して、シール体を迂回して排出される。

この発明の第七態様によれば、第六態様に係る軸シール装置は、前記シール体及び前記ロータの外周面の少なくとも一方に、前記シール体と前記ロータの外周面との隙間を前記中心軸方向に沿って流れる作動流体を、前記分岐溝側に案内する案内面が形成されているようにしてもよい。
このように構成することで、シール体とロータの外周面との隙間に入り込んだ異物は、案内面によって分岐溝側に案内される。これによって、異物を、より確実に分岐溝を通して連通溝に送り込むことができる。

この発明の第八態様によれば、第一から第七態様の何れか一つの態様に係る軸シール装置は、前記連通溝に対し、前記ロータが前記中心軸周りに回転することで前記ロータの径方向外側で生じる作動流体の前記周方向に沿った流れの下流側に、前記作動流体を前記連通溝に案内する周方向案内部材を備えるようにしてもよい。
このように構成することで、作動流体とともに周方向に沿って流れる異物が、周方向案内部材によって、連通溝に案内される。これによって、異物を、より確実に連通溝に送り込むことができる。

この発明の第九態様によれば、軸シール装置は、ロータと前記ロータを囲うステータとの間に設けられて、前記ロータの中心軸方向で高圧領域と低圧領域とを仕切る。軸シール装置は、互いに周方向の端面同士が隣接するように周方向に複数設けられたシールリング片からなるシールリングと、各前記シールリング片に固定されて前記ロータに対向するシール体と、を備える。軸シール装置は、前記シールリング片に対し、少なくとも前記高圧領域側に設けられ、前記シール体と前記ロータの外周面との隙間よりも径方向外方に作動流体を導く案内部材を備える。
このように構成することで、案内部材によって作動流体がシール体とロータの外周面との隙間よりも径方向外方に案内される。これにより、ロータとステータとの間の空間に侵入した異物は、作動流体とともにシール体とロータの外周面との隙間よりも径方向外方に導かれ、シール体とロータの外周面との隙間に異物が侵入することを抑える。したがって、シール体まで異物が到達することを抑える。これによって、異物によってシール体が影響を受けることを抑える。

この発明の第十態様によれば、回転機械は、第一から第九態様の何れか一つの態様における軸シール装置を備える。
このように構成することで、異物を、連通溝を介して、シール体を迂回して排出することで、異物によってシール体が影響を受けることを抑える。また、高圧領域と低圧領域との差圧が小さいシールリング片の端面同士が対向する部分に連通溝を形成することで、連通溝による影響が小さくて済み、回転機械の作動効率の低下を抑えることができる。さらに、連通溝をシールリング片の端面に形成することで、連通溝を形成するための加工を容易に行うことができる。

上記軸シール装置、回転機械によれば、シール特性への影響を抑えるとともに、シール体への異物の影響を低減させることができる。

この発明の一実施形態における、回転機械に設けられた軸シール装置の構成を、ロータの中心軸方向から見た図である。 上記軸シール装置の第一実施形態における構成を示す図であり、図１のＸ−Ｘ矢視断面図である。 上記軸シール装置を構成するシールセグメントの端面に形成された連通溝を示す図である。 上記連通溝が形成されたシール部材本体の斜視図である。 上記軸シール装置の第二実施形態における構成を示す断面図である。 上記軸シール装置の第二実施形態の第一変形例における構成を示す断面図である。 上記軸シール装置の第二実施形態の第二変形例における構成を示す断面図である。 上記軸シール装置の第三実施形態における構成を示す断面図である。 上記軸シール装置の第三実施形態の変形例における構成を示す断面図である。 上記軸シール装置の第四実施形態において、固定シール部材とシールセグメントとの対向部に設けられた周方向案内部材を、ロータの中心軸方向から見た図である。

以下、この発明の一実施形態における軸シール装置、回転機械を図面に基づいて説明する。
（第一実施形態）
図１は、この発明の一実施形態における回転機械に設けられた軸シール装置の構成を、ロータの中心軸方向から見た図である。図２は、図１のＸ−Ｘ矢視断面図である。図３は、軸シール装置を構成するシールセグメントの端面に形成された連通溝を示す図である。図４は、連通溝が形成されたシール部材本体の斜視図である。
図１、図２に示すように、蒸気タービンやガスタービン等の回転機械１００は、その車室（図示無し）に取り付けられたステータ１０３と、ステータ１０３の径方向Ｄｒの内側に配置され、軸受（図示無し）によって回転自在に設けられたロータ１０２と、を備えている。

軸シール装置１Ａ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。
図２に示すように、軸シール装置１Ａは、環状空間を、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａの第一の側に形成された低圧領域Ｓ１と、中心軸方向Ｄａの第二の側に形成された高圧領域Ｓ２とを区分する。

図１に示すように、軸シール装置１Ａは、円弧状に延びる複数（本実施形態では８つ）のシールセグメント（シールリング片）２０Ａを備えている。複数のシールセグメント（シールリング片）２０Ａは、周方向Ｄｃに沿って環状に配置されている。軸シール装置１Ａは、これら８つのシールセグメント２０Ａを周方向Ｄｃに配置することで、全体として円環状のシールリング５を構成している。即ち、軸シール装置１Ａのシールリング５は、ロータ１０２の周方向Ｄｃに複数に分割された構造となっている。

図２に示すように、シールセグメント２０Ａは、ステータ１０３の径方向Ｄｒの内側に設けられたハウジング１０４に保持されている。ハウジング１０４には、ロータ１０２の中心軸周りの周方向Ｄｃに連続して延びる溝１０５が形成されている。
溝１０５は、収容凹部（高圧流体導入部）１０６と、連通部１０７と、を有している。収容凹部１０６は、断面矩形状に形成されている。連通部１０７は、収容凹部１０６とハウジング１０４の内周面１０４ｆとを連通する。連通部１０７に対し、中心軸方向Ｄａの両側には、収容凹部１０６の内壁面１０６ａよりも中心軸方向Ｄａの内側に向かって突出する突出部１０８がそれぞれ形成されている。これら突出部１０８，１０８により、連通部１０７は、中心軸方向Ｄａの開口寸法が、収容凹部１０６の中心軸方向Ｄａの幅寸法よりも小さくなっている。

シールセグメント２０Ａは、シール部材本体２１と、薄板シール（シール体）２５と、シールフィン（シール体）２６と、を備えている。
シール部材本体２１は、受圧部２２と、ベース部２３と、連結部２４と、を一体に備えている。

受圧部２２は、収容凹部１０６内に収容されている。受圧部２２の径方向Ｄｒの外側には、受圧面２２ｆが形成されている。
ここで、シール部材本体２１は、周方向Ｄｃに間隔をあけた複数個所に、切欠き３５を備えている。これら切欠き３５は、受圧面２２ｆと収容凹部１０６の径方向Ｄｒの外側に位置する内周面１０６ｇとの間の空間１０６ｓと、高圧領域Ｓ２とを連通する。

ベース部２３は、ハウジング１０４の内周面１０４ｆよりも径方向Ｄｒ内側に配置されている。ベース部２３は、その中心軸方向Ｄａの幅寸法が、連通部１０７の中心軸方向Ｄａの幅寸法よりも大きくなっている。
連結部２４は、連通部１０７を通して受圧部２２とベース部２３とを連結している。

薄板シール２５は、ロータ１０２の周方向Ｄｃに互いに微少間隔を開けて多重に配列された複数枚の金属製の薄板シール片２７を備える。複数枚の薄板シール片２７は、径方向外側の基端部２７ａが、例えば溶接によって互いに固定されている。

薄板シール片２７は、径方向Ｄｒの外側の基端部２７ａが、保持部材２８によって保持されている。保持部材２８は、保持リング２８ａ，２８ｂと、接続部材２８ｃと、を備えている。保持リング２８ａ，２８ｂは、断面Ｕ字型に形成されている。接続部材２８ｃは、これらの保持リング２８ａ，２８ｂ同士を接続している薄板シール片２７の基端部２７ａには、中心軸方向Ｄａの両側に延びる凸部２７ｃ，２７ｄが形成されている。薄板シール片２７は、凸部２７ｃ，２７ｄが保持部材２８の保持リング２８ａ，２８ｂに嵌め込まれることで、保持部材２８に保持されている。これら薄板シール片２７は、ロータ１０２の回転方向に対してロータ１０２の外周面となす角が鋭角となるよう、保持部材２８に保持されている。
薄板シール片２７の基端部２７ａと保持部材２８との間には、各薄板シール片２７のがたつきを抑制するためのスペーサ２９が設けられている。

薄板シール２５及び保持部材２８は、シール部材本体２１に形成された凹溝３０に収容されている。凹溝３０は、外周溝部３１と、内周溝部３２と、を備えている。外周溝部３１は、シール部材本体２１の径方向Ｄｒの中間部に形成され、周方向Ｄｃ（図１参照）に連続して延びている。内周溝部３２は、外周溝部３１から径方向Ｄｒの内側に向かって延び、ベース部２３の内周面（言い換えれば、シール部材本体２１の内周面２１ｆ）に開口している。外周溝部３１は、内周溝部３２よりも、中心軸方向Ｄａの幅寸法が大きく形成されている。保持部材２８は、この外周溝部３１内に収容されている。薄板シール片２７は、その径方向Ｄｒの内側の先端部２７ｂが、内周溝部３２を通してベース部２３から径方向Ｄｒの内側に突出している。

保持部材２８の径方向Ｄｒの外側には、板バネ３３が設けられている。板バネ３３は、各薄板シール片２７を径方向Ｄｒの内側のロータ１０２に向かって付勢する。

このような薄板シール２５は、ロータ１０２の停止時には、各薄板シール片２７の先端部２７ｂが、所定の予圧でロータ１０２に接触する。薄板シール２５は、ロータ１０２の回転時には、ロータ１０２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２７の先端部２７ｂが径方向外側に変位してロータ１０２から浮上する。その結果、薄板シール片２７とロータ１０２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２７及びロータ１０２の磨耗が防止されるとともに高圧領域Ｓ２から低圧領域Ｓ１に向かっての作動流体（蒸気）の漏洩が抑制される。

シールフィン２６は、シール部材本体２１のベース部２３に設けられている。シールフィン２６は、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａに互いに間隔をあけて複数設けられている。各シールフィン２６は、シール部材本体２１のベース部２３から、径方向Ｄｒの内側に向かって突出している。シールフィン２６は、薄板シール２５を挟んで、中心軸方向Ｄａの両側にそれぞれ複数設けられている。これらのシールフィン２６によって、薄板シール２５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。

シールセグメント２０Ａは、定格運転時においては、シールセグメント２０Ａに対して中心軸方向Ｄａの両側の低圧領域Ｓ１と高圧領域Ｓ２とで流体の圧力に差が生じる。図２に示すように、高圧領域Ｓ２の高圧流体は、切欠き３５を通して、受圧面２２ｆと収容凹部１０６の径方向外側の内周面１０６ｇとの間の空間１０６ｓに流れ込む。すると、図１に示すように、流れ込んだ高圧流体によって、受圧面２２ｆを径方向Ｄｒの外側から内側に向かって押圧する背面圧力Ｐｈが生じる。この背面圧力Ｐｈによって、シール部材本体２１はロータ１０２側に移動する。これにより、薄板シール２５及びシールフィン２６とロータ１０２の外周面との間にクリアランスが減少し、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１とが仕切られて、シール機能が発現する。

上記したような軸シール装置１Ａは、シールセグメント２０Ａに、連通溝５０を備えている。この実施形態では、図３、図４に示すように、例えば、連通溝５０を、シールセグメント２０Ａのシール部材本体２１の周方向Ｄｃの端部に位置する端面２１ｓに形成した。

連通溝５０は、端面２１ｓに沿って延び、端面２１ｓから周方向Ｄｃの内方に凹む溝状に形成されている。連通溝５０は、その一端部５０ａが低圧領域Ｓ１に向かって開口し、他端部５０ｂが高圧領域Ｓ２に向かって開口している。連通溝５０は、一端部５０ａ、他端部５０ｂが、それぞれ中心軸方向Ｄａに延びている。連通溝５０は、一端部５０ａと他端部５０ｂとの間に、径方向流路５０ｃ，５０ｄと、軸方向流路５０ｅと、を有する。径方向流路５０ｃ，５０ｄは、一端部５０ａ，他端部５０ｂのそれぞれから径方向Ｄｒの外側に向かって延びている。軸方向流路５０ｅは、薄板シール２５の径方向Ｄｒの外側に位置する。軸方向流路５０ｅは、中心軸方向Ｄａに延び、径方向流路５０ｃ，５０ｄの径方向Ｄｒの外側の端部同士を接続している。つまり、連通溝５０は、薄板シール２５を迂回するように形成されている。この連通溝５０によって、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１とが連通されている。

この実施形態で例示する連通溝５０は、中心軸方向Ｄａにおいて互いに隣接するシールフィン２６，２６同士の間に連通する分岐溝５１を備えている。分岐溝５１は、シール部材本体２１の内周面２１ｆにおいて、径方向Ｄｒの内側に向かって開口している。分岐溝５１は、径方向Ｄｒの外側に向かって延び、連通溝５０の一端部５０ａ，他端部５０ｂに接続されている。

このような連通溝５０は、シールセグメント２０Ａのシール部材本体２１の端面２１ｓに形成される。シールセグメント２０Ａの端面２１ｓ同士が周方向Ｄｃで隣接する部分においては、互いに隣接する端面２１ｓ同士の隙間を通して、高圧領域Ｓ２から低圧領域Ｓ１に向けて作動流体が漏れる。ステータ１０３とロータ１０２との間の空間に侵入した異物は、この端面２１ｓ同士の隙間を流れる作動流体の漏れ流れとともに、連通溝５０を通過する。このようにして、ロータ１０２とステータ１０３との間の空間に侵入した異物は、連通溝５０を介して、薄板シール２５を迂回して低圧領域Ｓ１に排出される。
また、異物がシール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に入り込んだ場合、複数のシールフィン２６の間に設けられた分岐溝５１、連通溝５０を通して、異物が薄板シール２５を迂回して排出される。

したがって、上述した第一実施形態の軸シール装置１Ａ、回転機械１００によれば、ロータ１０２とステータ１０３との間の空間に侵入した異物が、連通溝５０を介して、薄板シール２５を迂回して排出される。これによって、異物によって薄板シール２５が影響を受けることを抑える。
また、シールセグメント２０Ａの端面２１ｓ同士の隙間を通して、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１との間で作動流体が漏れるため、連通溝５０が設けられた部分においては、そもそも高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１との差圧が小さい。このように差圧が小さい部分に設けた連通溝５０を通して作動流体が漏れても、そもそもの差圧が小さいので、連通溝５０における作動流体の漏れによる影響が小さくて済む。
さらに、連通溝５０をシール部材本体２１の端面２１ｓに形成することで、シール部材本体２１に貫通孔を形成する場合に比較すると、連通溝５０を形成するための加工を、エンドミルや放電加工等を用いて容易に行うことができる。

また、中心軸方向Ｄａにおいて互いに隣接するシールフィン２６同士の間に、連通溝５０に連通する分岐溝５１が設けられている。これによって、異物がシール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に入り込んだ場合であっても、分岐溝５１を通して、及び連通溝５０を介して、薄板シール２５を迂回して異物を排出することができる。

このようにして、軸シール装置１Ａとしてのシール特性への影響を抑えるとともに、薄板シール２５への異物の影響を低減させることができる。

（第二実施形態）
次に、この発明に係る軸シール装置、回転機械の第二実施形態について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態で示した構成に加えて、案内部材を備える構成のみが異なるので、図１を援用するとともに、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する。また第一実施形態と重複する説明は省略する。

図１に示すように、軸シール装置１Ｂは、上記第一実施形態で示した軸シール装置１Ａと同様、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１Ｂは、複数のシールセグメント（シールリング片）２０Ｂを備える。

図５は、軸シール装置の第二実施形態における構成を示す断面図である。
図５に示すように、軸シール装置１Ｂは、環状空間を、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａの第一の側に形成された低圧領域Ｓ１と、中心軸方向Ｄａの第二の側に形成された高圧領域Ｓ２とを区分する。
シールセグメント２０Ｂは、シール部材本体２１と、薄板シール２５と、シールフィン２６とを有している。

シールセグメント２０Ｂは、シール部材本体２１の端面２１ｓに、連通溝５０を備えている。
連通溝５０は、端面２１ｓに沿って延び、端面２１ｓから周方向Ｄｃの内方に凹む溝状に形成されている。連通溝５０は、その一端部５０ａが低圧領域Ｓ１に向かって開口し、他端部５０ｂが高圧領域Ｓ２に向かって開口している。連通溝５０は、一端部５０ａと他端部５０ｂとの間に、径方向流路５０ｃ，５０ｄと、軸方向流路５０ｅと、を有し、薄板シール２５迂回するように形成されている。この連通溝５０によって、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１とが連通されている。

また、連通溝５０は、中心軸方向Ｄａにおいて互いに隣接するシールフィン２６，２６同士の間に連通する分岐溝５１を備える。

シールセグメント２０Ｂは、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間よりも径方向Ｄｒの外側に作動流体を導く案内部材６０を備えている。この実施形態において、案内部材６０は、複数の翼６１からなる。翼６１は、ロータ１０２の外周面１０２ｆに、周方向Ｄｃに間隔をあけて複数設けられている。これら複数の翼６１は、ロータ１０２と一体に回転することで、作動流体を径方向Ｄｒの外側に導く。

このように構成することで、作動流体は、案内部材６０によって、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間よりも径方向Ｄｒの外側に案内される。これにより、異物は、作動流体とともに径方向Ｄｒの外側に導かれ、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に入り込みにくくなる。

したがって、上述した第二実施形態によれば、案内部材６０によって作動流体の流れＦｂがシール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間よりも径方向Ｄｒの外側に案内される。これにより、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に異物が侵入することを抑える。また、径方向Ｄｒの外側に作動流体の流れＦｂが案内されることで、異物は作動流体とともに連通溝５０に流入しやすくなる。その結果、薄板シール２５まで異物が到達することを抑えることができる。

また、上記第一実施形態と同様、ロータ１０２とステータ１０３との間の空間に侵入した異物が、連通溝５０を介して、薄板シール２５を迂回して排出される。これによって、異物によって薄板シール２５が影響を受けることを抑えることができる。
さらに、シールセグメント２０Ｂの端面２１ｓ同士の隙間を通して、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１との間で作動流体が漏れる部分に連通溝５０を設けた。これによって、連通溝５０を通して作動流体が漏れても、連通溝５０による影響が小さくて済む。
さらに、連通溝５０をシール部材本体２１の端面２１ｓに形成することで、シール部材本体２１に貫通孔を形成する場合に比較すると、連通溝５０を形成するための加工を容易に行うことができる。

このようにして、軸シール装置１Ｂとしてのシール特性への影響を抑えるとともに、薄板シール２５への異物の影響を低減させることができる。

（第二実施形態の第一変形例）
第二実施形態では、案内部材６０として、翼６１を備えるようにしたが、これに限るものではない。
図６は、軸シール装置の第二実施形態の第一変形例における構成を示す断面図である。
この図６に示すように、軸シール装置１Ｃのシールセグメント（シールリング片）２０Ｃは、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間よりも径方向Ｄｒの外側に作動流体を導く案内部材６０を備える。この実施形態において、案内部材６０は、ロータ１０２の外周面１０２ｆに設けられ、径方向Ｄｒの外側に延びる壁体６２である。
この壁体６２は、周方向Ｄｃに沿って連続して延びている。壁体６２は、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間よりも、径方向Ｄｒの外側に延びる高さに形成するようにしてもよい。

このように構成することで、作動流体が壁体６２に当たると、その流れＦｃが径方向Ｄｒの外側に向かって変わる。これによって、異物がシール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に入り込むことが抑えられる。また、径方向Ｄｒの外側に作動流体の流れＦｃが案内されることで、異物は作動流体とともに連通溝５０に流入しやすくなる。したがって、薄板シール２５まで異物が到達することを抑えることができる。

（第二実施形態の第二変形例）
図７は、軸シール装置の第二実施形態の第二変形例における構成を示す断面図である。
この図７に示すように、軸シール装置１Ｄのシールセグメント（シールリング片）２０Ｄは、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間よりも径方向Ｄｒの外側に作動流体を導く案内部材６０を備える。

この実施形態において、案内部材６０は、シール部材本体２１に設けられ、径方向Ｄｒの内側に延びる傘状部材６３である。傘状部材６３は、ロータ１０２の中心軸周りの周方向Ｄｃに連続して延びる円環状に形成されている。傘状部材６３は、連通溝５０の他端部５０ｂに対して、ロータ１０２の中心軸を中心とする径方向Ｄｒの内側に設けられている。傘状部材６３は、シール部材本体２１のベース部２３の側面から中心軸方向Ｄａに向かって離間するにしたがって、そのロータ１０２の中心軸を中心とした外径が漸次窄まる傘状に形成されている。この傘状部材６３は、ロータ１０２の外周面１０２ｆに接触しない。

このように構成することで、傘状部材６３からなる案内部材６０によって、傘状部材６３に当たった作動流体の流れＦｄは、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間よりも径方向Ｄｒの外側に導かれる。つまり、作動流体の流れＦｄは、連通溝５０の他端部５０ｂに向かって案内される。これにより、異物がシール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に入り込みにくくなる。また、径方向Ｄｒの外側に作動流体の流れＦｄが案内されることで、異物は作動流体とともに連通溝５０に流入しやすくなる。したがって、薄板シール２５まで異物が到達することを抑える。

第二実施形態及びその各変形例においては、連通溝５０及び分岐溝５１を備えない構成とすることも可能である。

（第三実施形態）
次に、この発明に係る軸シール装置、回転機械の第三実施形態について説明する。以下に説明する第三実施形態においては、第一実施形態で示した構成に加えて、案内面を備える構成のみが異なるので、図１を援用するとともに、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する。また、第一実施形態と重複する説明は省略する。

図１に示すように、軸シール装置１Ｅは、第一実施形態の軸シール装置１Ａと同様に、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１Ｅは、複数のシールセグメント（シールリング片）２０Ｅを備える。

図８は、軸シール装置の第三実施形態における構成を示す断面図である。
この図８に示すように、軸シール装置１Ｅは、環状空間を、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａの第一の側に形成された低圧領域Ｓ１と、中心軸方向Ｄａの第二の側に形成された高圧領域Ｓ２とを区分する。

シールセグメント２０Ｅは、シール部材本体２１と、薄板シール２５と、シールフィン２６とを有している。

シールセグメント２０Ｅは、シール部材本体２１の端面２１ｓに、連通溝５０を備えている。連通溝５０は、端面２１ｓに沿って延び、端面２１ｓから周方向Ｄｃの内方に凹む溝状に形成されている。連通溝５０は、その一端部５０ａが低圧領域Ｓ１に向かって開口し、他端部５０ｂが高圧領域Ｓ２に向かって開口している。連通溝５０は、一端部５０ａと他端部５０ｂとの間に、径方向流路５０ｃ，５０ｄと、軸方向流路５０ｅと、を有し、薄板シール２５を迂回するように形成されている。この連通溝５０は、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１とを連通させる。

また、連通溝５０は、中心軸方向Ｄａにおいて互いに隣接するシールフィン２６，２６同士の間に連通する分岐溝５１を備える。

シールセグメント２０Ｅは、案内面６４を備えている。案内面６４は、シールフィン２６において、作動流体の流れＦの上流側を向いて形成されている。
ロータ１０２は、案内面６５を備えている。案内面６５は、ロータ１０２の外周面１０２ｆに形成された、径方向Ｄｒの内側に凹む円環状の凹部６６に形成されている。案内面６５は、凹部６６において、作動流体の流れＦの上流側を向いて形成されている。中心軸方向Ｄａにおいて、凹部６６が形成された部分に配置されるシールフィン２６は、その先端部２６ａが凹部６６内に配置されるような長さで形成されている。

シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に流れ込んだ作動流体の流れＦｅは、シールフィン２６とロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間を通過した後、案内面６４又は案内面６５に当たることで、渦状に巻き上がり、径方向外側に案内される。これにより、作動流体は、分岐溝５１に効率良く流れ込む。このように構成することで、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に入り込んだ異物は、案内面６４，６５によって分岐溝５１に案内される。これによって、異物を、より確実に分岐溝５１を通して連通溝５０に送り込むことができる。

したがって、上述した第三実施形態の軸シール装置１Ｅ、回転機械１００によれば、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に流れ込んだ異物は、案内面６４，６５によって径方向Ｄｒの外側の分岐溝５１に向かう方向に導かれる。これにより、異物を、より確実に分岐溝５１を通して連通溝５０に送り込むことができる。
その結果、薄板シール２５まで異物が到達することを抑え、薄板シール２５が影響を受けることを抑えることができる。

上記第一実施形態と同様、シールセグメント２０Ｅの端面２１ｓ同士の隙間を通して、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１との間で作動流体が漏れる部分に連通溝５０を設けた。これによって、連通溝５０を通して作動流体が漏れても、連通溝５０による影響が小さくて済む。
さらに、連通溝５０をシール部材本体２１の端面２１ｓに形成することで、シール部材本体２１に貫通孔を形成する場合に比較すると、連通溝５０を形成するための加工を容易に行うことができる。

このようにして、軸シール装置１Ｅとしてのシール特性への影響を抑えるとともに、薄板シール２５への異物の影響を低減させることができる。

（第三実施形態の変形例）
第三実施形態では、ロータ１０２の外周面１０２ｆに形成した凹部６６に案内面６５を形成するようにしたが、これに限るものではない。
図９は、軸シール装置の第三実施形態の変形例における構成を示す断面図である。
この図９に示すように、この第三実施形態の変形例では、軸シール装置１Ｆのシールセグメント（シールリング片）２０Ｆは、シール部材本体２１の内周面２１ｆから径方向Ｄｒの内側に延びるシールフィン２６と、ロータ１０２の外周面１０２ｆから径方向Ｄｒの外側に延びるシールフィン（シール体）２６Ｆとが、中心軸方向Ｄａに沿って交互に配列されている。

シールセグメント２０Ｆは、案内面６４を備える。案内面６４は、シールフィン２６において、作動流体の流れＦの上流側を向いて形成されている。ロータ１０２は、ロータ１０２の外周面１０２ｆから径方向Ｄｒの外側に延びるシールフィン２６Ｆを備える。案内面６７は、シールフィン２６Ｆにおいて、作動流体の流れＦの上流側を向いて形成されている。

シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に流れ込んだ作動流体の流れＦｆは、シールフィン２６とロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間を通過した後、案内面６４又は案内面６７に当たることで、渦状に巻き上がり、径方向Ｄｒ外側に案内される。これにより、作動流体は、分岐溝５１に効率良く流れ込む。このように構成することで、シール部材本体２１の内周面２１ｆとロータ１０２の外周面１０２ｆとの隙間に入り込んだ異物を、より確実に分岐溝５１を通して連通溝５０に送り込むことができる。

（第四実施形態）
次に、この発明に係る軸シール装置、回転機械の第四実施形態について説明する。以下に説明する第四実施形態においては、第一実施形態で示した構成に加えて、周方向案内部材を備える構成のみが異なるので、図１を援用するとともに、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明する。さらに、第一実施形態と重複する説明は省略する。

図１に示すように、軸シール装置１Ｇは、上記第一実施形態で示した軸シール装置１Ａと同様、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１Ｇは、複数のシールセグメント（シールリング片）２０Ｇを備える。

図１０は、軸シール装置の第四実施形態において、固定シール部材とシールセグメントとの対向部に設けられた周方向案内部材を、ロータの中心軸方向から見た図である。
図１０に示すように、シールセグメント２０Ｇは、シール部材本体２１と、薄板シール２５と、シールフィン２６とを備えている。

シールセグメント２０Ｇは、シール部材本体２１の端面２１ｓに、連通溝５０を備えている。連通溝５０は、端面２１ｓに沿って延び、端面２１ｓから周方向Ｄｃの内方に凹む溝状に形成されている。この連通溝５０によって、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１とが連通されている。

シールセグメント２０Ｇは、周方向案内部材６８を備えている。周方向案内部材６８は、連通溝５０に対し、ロータ１０２が中心軸周りに回転することでロータ１０２の径方向Ｄｒの外側で生じる作動流体の周方向Ｄｃの流れＦｇの下流側に設けられている。周方向案内部材６８は、シールセグメント２０Ｃのシール部材本体２１の内周面２１ｆに、径方向Ｄｒの内側に向かって突出するよう形成されている。

ロータ１０２が回転すると、ロータ１０２の径方向の外側の作動流体は、ロータ１０２の外周面１０２ｆとの間に生じる摩擦力の影響などを受けて、ロータ１０２の回転方向Ｒ１と同方向に旋回する流れＦｇとなる。ロータ１０２の径方向Ｄｒの外側で生じる作動流体の周方向Ｄｃに沿った流れＦｇは、周方向案内部材６８に衝突することで、径方向外側の連通溝５０に案内される。

したがって、上述した第四実施形態によれば、ロータ１０２の径方向Ｄｒの外側で生じる作動流体の周方向Ｄｃへの流れＦｇは、周方向案内部材６８に衝突することで、径方向外側の連通溝５０に案内される。これによって、異物を、より確実に連通溝５０に送り込むことができる。その結果、薄板シール２５まで異物が到達することを抑え、薄板シール２５が影響を受けることを抑える。

また、上記第一実施形態と同様、シールセグメント２０Ｇの端面２１ｓ同士の隙間を通して、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１との間で作動流体が漏れる部分に連通溝５０を設けた。これによって、連通溝５０を通して作動流体が漏れても、連通溝５０による影響が小さくて済む。
さらに、連通溝５０をシール部材本体２１の端面２１ｓに形成することで、シール部材本体２１に貫通孔を形成する場合に比較すると、連通溝５０を形成するための加工を容易に行うことができる。

このようにして、軸シール装置１Ｇとしてのシール特性への影響を抑えるとともに、薄板シール２５への異物の影響を低減させることができる。

（その他の変形例）
この発明は、上述した各実施形態及び各変形例に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、軸シール装置１Ａ〜１Ｇは、薄板シール２５とシールフィン２６とを備えるようにしたが、高圧領域Ｓ２と低圧領域Ｓ１との間でシール機能を発揮できるのであれば、適宜他のシール構造を採用してもよい。

また、上記各実施形態で示した構成は、適宜組み合わせて採用することができる。
例えば、翼６１、壁体６２、傘状部材６３を、ロータ１０２の中心軸方向に隣り合うシールフィン２６の間、又はシールフィン２６，２６Ｆの間に形成して、流れＦを分岐溝５１側に導くようにしても良い。

さらに、上記の軸シール装置１Ａ〜１Ｇは、蒸気タービンやガスタービンに限らず、他の回転機械にも適用可能である。

１Ａ〜１Ｇ 軸シール装置
５ シールリング
２０Ａ〜２０Ｇ シールセグメント（シールリング片）
２１ シール部材本体
２１ｆ 内周面
２１ｓ 端面
２２ 受圧部
２２ｆ 受圧面
２３ ベース部
２４ 連結部
２５ 薄板シール（シール体）
２６、２６Ｆ シールフィン（シール体）
２６ａ 先端部
２７ 薄板シール片
２７ａ 基端部
２７ｂ 先端部
２７ｃ、２７ｄ 凸部
２８ 保持部材
２８ａ、２８ｂ 保持リング
２８ｃ 接続部材
２９ スペーサ
３０ 凹溝
３１ 外周溝部
３２ 内周溝部
３３ 板バネ
３５ 切欠き
５０ 連通溝
５０ａ 一端部
５０ｂ 他端部
５０ｃ、５０ｄ 径方向流路
５０ｅ 軸方向流路
５１ 分岐溝
６０ 案内部材
６１ 翼
６２ 壁体
６３ 傘状部材
６４、６５、６７ 案内面
６６ 凹部
６８ 周方向案内部材
１００ 回転機械
１０２ ロータ
１０２ｆ 外周面
１０３ ステータ
１０３ｆ 内周面
１０５ 溝
１０６ 収容凹部
１０６ａ 内壁面
１０６ｇ 内周面
１０６ｓ 空間
１０７ 連通部
１０８ 突出部
Ｄａ 中心軸方向
Ｄｃ 周方向
Ｄｒ 径方向
Ｆ 方向
Ｐｈ 背面圧力
Ｒ１ 回転方向
Ｒ２ 方向
Ｓ１ 低圧領域
Ｓ２ 高圧領域

Claims (10)

1. ロータと前記ロータを囲うステータとの間に設けられて、前記ロータの中心軸方向で高圧領域と低圧領域とを仕切る軸シール装置であって、
   互いに周方向の端面同士が隣接するように周方向に複数設けられたシールリング片からなるシールリングと、
   各前記シールリング片に固定されて前記ロータに対向するシール体と、を備え、
   少なくとも一つの前記シールリング片は、前記端面から凹むように形成されて、前記シール体を迂回するように前記高圧領域と前記低圧領域とを連通させる連通溝を備える軸シール装置。
2. 前記シールリング片に対し、少なくとも前記高圧領域側に設けられ、前記シール体と前記ロータの外周面との隙間よりも径方向外方に作動流体を導く案内部材を備える請求項１に記載の軸シール装置。
3. 前記案内部材は、前記ロータの外周面に設けられ、前記ロータと一体に回転することで前記作動流体を径方向外側に導く翼を備える請求項２に記載の軸シール装置。
4. 前記案内部材は、前記ロータの外周面に設けられ、径方向外側に延びる壁体である請求項２に記載の軸シール装置。
5. 前記案内部材は、前記シールリング片に設けられ、径方向内側に延びる傘状部材である請求項２に記載の軸シール装置。
6. 前記シール体は、前記中心軸方向に間隔をあけて複数設けられ、
   前記連通溝は、前記中心軸方向において互いに隣接する前記シール体同士の間に連通する分岐溝を備える請求項１から５の何れか一項に記載の軸シール装置。
7. 前記シール体及び前記ロータの外周面の少なくとも一方に、前記シール体と前記ロータの外周面との隙間を前記中心軸方向に沿って流れる作動流体を、前記分岐溝側に案内する案内面が形成されている請求項６に記載の軸シール装置。
8. 前記連通溝に対し、前記ロータが前記中心軸周りに回転することで前記ロータの径方向外側で生じる作動流体の前記周方向の流れの下流側に、前記作動流体を前記連通溝に案内する周方向案内部材を備える請求項１から７の何れか一項に記載の軸シール装置。
9. ロータと前記ロータを囲うステータとの間に設けられて、前記ロータの中心軸方向で高圧領域と低圧領域とを仕切る軸シール装置であって、
   互いに周方向の端面同士が隣接するように周方向に複数設けられたシールリング片からなるシールリングと、
   各前記シールリング片に固定されて前記ロータに対向するシール体と、
   前記シールリング片に対し、前記高圧領域及び前記低圧領域の少なくとも一方に設けられ、前記シール体と前記ロータの外周面との隙間よりも径方向外方に作動流体を導く案内部材と、
   を備える軸シール装置。
10. 請求項１から９の何れか一項に記載の軸シール装置を備えた回転機械。

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