JP6572098B2 - 軸シール機構及び回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、軸シール機構及び回転機械に関する。

ガスタービン、蒸気タービン、及び圧縮機のような回転機械において、特許文献１に開示されているような、回転軸の周囲をシールする軸シール機構が知られている。特許文献１に開示されている軸シール機構は、回転軸の周囲に配置される複数のリーフ（薄板）と、そのリーフによって分けられた高圧空間及び低圧空間のそれぞれに配置されるサイドシール板とを有する。回転軸の停止時において、リーフの先端部（内方端部）は回転軸の外周面と接触する。回転軸の回転時において、リーフの先端部が回転軸から離れるように変位してリーフと回転軸とが非接触状態となる。サイドシール板は、圧力の作用によりリーフの側端部に近づいて、高圧空間の作動気体がリーフ間に過剰に流入することを抑制する。

また、特許文献２には、軸シール機構に用いるリーフに、リーフ群の低圧側の近傍にある後方セクションと、後方セクションからリーフ群の高圧側へ延びる前方セクションとを設け、後方セクションを、前方セクションよりも厚みが大きくする構造が記載されている。この構造とすることで、リーフ群での圧力降下の大部分が後方セクションで起こるように、後方セクションでのリーフ間間隙を低減している。
が記載されている。

特開２０１１−１８５２１９号公報 特開２０１３−２３８３１１号公報

ここで、軸シール機構は、複数の薄板のリーフの先端部が回転軸から離れるように変位するが、リーフによって変位（変形）に差が生じる場合がある。変位が大きくなるリーフは、他のリーフよりも疲労が蓄積し、損傷する場合がある。リーフは、回転軸側の部分である先端が損傷しやすい。リーフが損傷するとシール性能が低下する。

本発明は、リーフの損傷を抑制することができ、性能の低下を抑制できる軸シール機構及び回転機械を提供することを目的とする。

本発明に係る軸シール機構は、回転軸の周囲に複数のリーフを回転軸の周方向に隣接して配置し、前記回転軸の周囲の空間を前記回転軸の軸方向に関して２つの空間に分けるリーフ積層体と、前記リーフ積層体を保持する保持部材と、前記軸方向に関して前記リーフ積層体の両端のそれぞれに配置され、前記リーフ積層体の側端部と対向する対向面を有し、前記対向面に溝が形成された２つのサイドシール板と、前記保持部材と熱膨張率が異なる材料で形成され、２つの前記サイドシール板の溝の両方に挿入され、周方向の一端が固定され、かつ、他端が開放され、前記他端が前記溝に沿って周方向に伸縮移動可能な円弧状のガイド部と、を備え、前記ガイド部は、前記リーフと前記リーフの間に挿入され、前記回転軸の回転時に前記リーフを前記回転軸から離れる方向に支持する支持部を有することを特徴とする。

本発明に係る軸シール機構は、回転軸の周囲に複数のリーフを回転軸の周方向に隣接して配置し、前記回転軸の周囲の空間を前記回転軸の軸方向に関して高圧側の空間と低圧側の空間とに分けるリーフ積層体と、前記リーフ積層体を前記高圧側の空間側で保持する高圧側の保持部材と、前記リーフ積層体を前記低圧側の空間側で保持する低圧側の保持部材と、前記保持部材とは熱膨張率が異なる材料で形成され、前記高圧側の空間の固定部に形成された円弧状の溝及び低圧側の空間の固定部に形成された円弧状の溝に挿入されるとともに、前記高圧側の空間に配置された固定部及び低圧側の空間に配置された固定部と１か所で固定され、前記溝に沿って前記回転軸の周方向に伸縮可能な円弧状のガイド部と、前記ガイド部は、前記リーフと前記リーフの間に挿入され、前記回転軸の回転時に前記リーフを前記回転軸から離れる方向に支持する支持部を有することを特徴とする。

軸シール機構は、ガイド部を設けることで、回転時にリーフが回転軸に必要以上に近づくことを抑制することができる。これにより、リーフの振動を抑制し、リーフに疲労が蓄積することを抑制できる。これにより、リーフの損傷を抑制することができ、性能の低下を抑制できる。

また、前記ガイド部は、一方の前記溝に挿入され、前記軸方向において前記リーフ積層体よりも一方の前記溝側に配置された前記周方向に延在する第１円弧部材と、他方の前記溝に挿入され、前記軸方向において前記リーフ積層体よりも他方の前記溝側に配置された前記周方向に延在する第２円弧部材と、を有し、前記支持部は、一方の端部が前記第１円弧部材に固定され、他方の端部が前記第２円弧部材に固定されていることが好ましい。これにより、ガイド部の支持部をリーフに対して好適に移動させることができる。

また、前記ガイド部は、前記支持部を複数有し、前記支持部と周方向に隣接する支持部との間に複数枚の前記リーフが配置されていることが好ましい。これにより、構造を簡単にすることができる。

また、前記ガイド部は、前記保持部材よりも熱膨張率が高く、かつ、前記リーフ積層体と前記回転軸とのなす角が鋭角となる側の端部が固定されていることが好ましい。これにより、支持部でリーフをより確実に支持することができる。

また、前記ガイド部を複数有し、複数の前記ガイド部は、前記回転軸の周方向を分割した各領域に配置されていることが好ましい。これにより、支持部とリーフとの関係を周方向に平均化することができる。

また、前記保持部材は、６００℃における熱膨張率が１１．０×１０^-６／℃以上１３．０×１０^-６／℃以下のマルテンサイト系高クロム鋼で形成されることが好ましい。これにより、高温条件でも安定して使用することができ、回転軸の回転時に支持部でリーフをより確実に支持することができる。前記ガイド部は、６００℃における熱膨張率が、１４．０×１０^-６／℃以上１９．０×１０^-６／℃以下のオーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金で形成されてことが好ましい。これにより、高温条件でも安定して使用することができ、回転軸の回転時に支持部でリーフをより確実に支持することができる。

また、前記ガイド部は、一端から他端に向かうにしたがって、前記支持部の配置間隔が狭くなることが好ましい。これにより、支持部とリーフとの関係を周方向に平均化することができる。

本発明に係る回転機械は、回転軸と、前記回転軸の周囲に配置される上記のいずれかに記載の軸シール機構と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、リーフの損傷を抑制することができ、シール性能の低下を抑制することができる。

図１は、本実施形態に係るガスタービンシステムの一例を示す図である。 図２は、本実施形態に係る軸シール機構の概略を示す断面図である。 図３は、本実施形態に係る軸シール機構の一部を模式的に示す斜視図である。 図４は、本実施形態に係る軸シール機構の概略を示す断面図である。 図５は、本実施形態に係る軸シール機構の分解図である。 図６は、ガイド部とリーフ積層体との関係を示す側面図である。 図７は、ガイド部とリーフ積層体との関係を示す正面図である。 図８は、ガイド部とリーフ積層体との関係を示す側面図である。 図９は、他の例の軸シール機構の概略を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、以下で説明する実施形態における構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

図１は、本実施形態に係る回転機械を有するガスタービンシステム１の一例を示す図である。図１に示すように、ガスタービンシステム１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４と、回転軸５０を含むロータ５とを備えている。本実施形態において、回転機械は、圧縮機２及びタービン４の少なくとも一方を含む。

圧縮機２は、導入された空気を圧縮する。圧縮機２は、ケーシング２Ｋを有する。ケーシング２Ｋの内部空間に空気が導入される。

燃焼器３は、圧縮機２で圧縮された圧縮空気に燃料を混合して燃焼させる。

タービン４は、燃焼器３で発生した燃焼ガスを導入して膨張させ、その燃焼ガスの熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。タービン４は、ケーシング４Ｋを有する。ケーシング４Ｋの内部空間に燃焼ガスが導入される。

ロータ５は、回転軸５０と、回転軸５０に設けられた動翼５１Ａ及び動翼５２Ａとを有する。動翼５１Ａは、ケーシング２Ｋの内部空間に配置された回転軸５０の部分５１に設けられる。動翼５２Ａは、ケーシング４Ｋの内部空間に配置された回転軸５０の部分５２に設けられる。

圧縮機２は、ケーシング２Ｋに配置された静翼２Ａを有する。圧縮機２において、動翼５１Ａと静翼２Ａとは、回転軸５０の軸ＡＸと平行な方向（軸方向）に交互に複数配置される。

タービン４は、ケーシング４Ｋに配置された静翼４Ａを有する。タービン４において、動翼５２Ａと静翼４Ａとは、回転軸５０の軸方向に交互に複数配置される。

タービン４において、燃焼器３から導入された燃焼ガスが動翼５２Ａに供給される。これにより、燃焼ガスの熱エネルギーが機械的な回転エネルギーに変換されて動力が発生する。タービン４で発生した動力の一部は、回転軸５０を介して圧縮機２に伝達される。タービン４で発生した動力の一部は、圧縮機２の動力として利用される。

また、ガスタービンシステム１は、圧縮機２に配置され、回転軸５０を回転可能に支持する軸受を有する支持部２Ｓと、タービン４に配置され、回転軸５０を回転可能に支持する軸受を有する支持部４Ｓとを有する。

ガスタービンシステム１は、回転軸５０の周囲をシールする軸シール機構１０を備えている。軸シール機構１０は、圧縮機２及びタービン４のそれぞれに配置される。

圧縮機２に配置される軸シール機構１０は、作動気体Ｇである圧縮空気が高圧側から低圧側に漏出することを抑制する。圧縮機２の軸シール機構１０は、静翼２Ａの内周部に配置される。また、圧縮機２の軸シール機構１０は、支持部２Ｓに配置される。

タービン４に配置される軸シール機構１０は、作動気体Ｇである燃焼ガスが高圧側から低圧側に漏出することを抑制する。タービン４の軸シール機構１０は、静翼４Ａの内周部に配置される。また、タービン４の軸シール機構１０は、支持部４Ｓに配置される。

次に、軸シール機構１０について説明する。図２は、本実施形態に係る軸シール機構１０の概略を示す断面図である。図２は、図１のＡ―Ａ線断面図に相当する。図３は、本実施形態に係る軸シール機構１０の一部を模式的に示す斜視図である。図３は、軸シール機構１０の一部を破断して示す。図４は、回転軸５０の軸ＡＸを含む軸シール機構１０の概略を示す断面図である。図５は、軸シール機構１０の分解図である。図６は、ガイド部とリーフ積層体との関係を示す側面図である。図７は、ガイド部とリーフ積層体との関係を示す正面図である。図８は、ガイド部とリーフ積層体との関係を示す側面図である。

以下の説明においては、圧縮機２及びタービン４のそれぞれに設けられた軸シール機構１０のうち、タービン４に設けられた軸シール機構１０について説明する。圧縮機２に設けられた軸シール機構１０の構造と、タービン４に設けられた軸シール機構１０の構造とは同等である。

図２に示すように、軸シール機構１０は、回転軸５０の周囲に配置される複数のシールセグメント１１を有する。軸ＡＸと直交する平面内において、シールセグメント１１のそれぞれは、円弧状である。本実施形態においては、回転軸５０の周囲にシールセグメント１１が８つ配置される。

図３、図４、及び図５に示すように、シールセグメント１１は、回転軸５０の周囲に配置される複数のリーフ（薄板）２０と、回転軸５０の軸方向に関してリーフ２０の一側に配置された高圧側サイドシール板１６と、回転軸５０の軸方向に関してリーフ２０の他側に配置された低圧側サイドシール板１７と、リーフ２０を保持する保持リング１３及び保持リング１４を含む保持部材１３４と、リーフ２０と保持部材１３４との間に配置される背面スペーサ１５と、ガイド部１８と、を備えている。

図４に示すように、シールセグメント１１は、ハウジング９に挿入される。ハウジング９は、静翼２Ａ、支持部２Ｓ、静翼４Ａ、及び支持部４Ｓの少なくとも一つに相当する。ハウジング９は、凹部９ａを有する。凹部９ａは、回転軸５０の外周面に面する開口９ｋを有する。シールセグメント１１の少なくとも一部は、ハウジング９の凹部９ａに配置される。凹部９ａは、回転軸５０の周方向に延在する。凹部９ａの外側に、リーフ２０の一部が突出する。

リーフ２０は、可撓性を有する板状部材である。リーフ２０は、弾性変形可能である。本実施形態において、リーフ２０は、薄い鋼板である。リーフ２０の表面の法線は、回転軸５０の周方向（回転方向）とほぼ平行である。リーフ２０の幅方向は、回転軸５０の軸方向とほぼ一致する。リーフ２０の厚さ方向は、回転軸５０の周方向とほぼ一致する。リーフ２０は、回転軸５０の周方向に可撓性を有する。リーフ２０は、回転軸５０の軸方向に高い剛性を有する。

リーフ２０は、回転軸５０の周方向に間隔をあけて複数配置される。リーフ２０とリーフ２０との間には、隙間調整板２５が配置されている。リーフ２０は、隣接するリーフ２０との間に隙間調整板２５が配置されることで、回転軸５０の周方向に間隔が設けられる。リーフ２０と、そのリーフ２０に隣り合うリーフ２０との間に隙間Ｓが形成される。複数のリーフ２０によってリーフ積層体１２が形成される。リーフ積層体１２は、複数のリーフ２０の集合体（積層体）である。本実施形態のリーフ２０は、２種類のリーフ２０が積層されている。この点については後述する。

複数のリーフ２０（リーフ積層体１２）は、回転軸５０の周囲をシールすることによって、回転軸５０の周囲の空間を回転軸５０の軸方向に関して２つの空間に分ける。本実施形態において、複数のリーフ２０は、回転軸５０の周囲の空間を高圧空間と低圧空間とに分ける。高圧空間の圧力は、低圧空間の圧力よりも高い。

複数のリーフ２０のそれぞれは、回転軸５０の軸ＡＸに対する放射方向（径方向）に関して外側の基端部（外側端部）２０ａと、内側の先端部（内側端部）２０ｂと、回転軸５０の軸方向に関して高圧空間側の側端部２０ｃと、低圧空間側の側端部２０ｄとを有する。

以下の説明において、複数のリーフ２０の基端部２０ａを合わせて適宜、リーフ積層体１２の基端部１２ａ、と称し、複数のリーフ２０の先端部２０ｂを合わせて適宜、リーフ積層体１２の先端部１２ｂ、と称し、複数のリーフ２０の側端部２０ｃを合わせて適宜、リーフ積層体１２の側端部１２ｃ、と称し、複数のリーフ２０の側端部２０ｄを合わせて適宜、リーフ積層体１２の側端部１２ｄ、と称する。基端部１２ａは、複数の基端部２０ａの集合体である。先端部１２ｂは、複数の先端部２０ｂの集合体である。側端部１２ｃは、複数の側端部２０ｃの集合体である。側端部１２ｄは、複数の側端部２０ｄの集合体である。

基端部１２ａは、径方向に関して外側を向く。先端部１２ｂは、回転軸５０の外周面と対向するように、径方向に関して内側を向く。側端部１２ｃは、回転軸５０の軸方向に関して一側（高圧空間側）を向く。側端部１２ｄは、回転軸５０の軸方向に関して他側（低圧空間側）を向く。先端部１２ｂ（先端部２０ｂ）は、開口９ｋを介して凹部９ａの外側に配置される。

本実施形態において、複数のリーフ２０の基端部２０ａのそれぞれは、背面スペーサ１５に固定される。一方、複数のリーフ２０の先端部２０ｂのそれぞれは、固定されない。すなわち、本実施形態において、基端部２０ａは固定端であり、先端部２０ｂは自由端である。複数のリーフ２０（リーフ積層体１２）は、基端部２０ａが固定された状態で、保持部材１３４に保持される。

リーフ２０は、頭部２１と胴部２２とを有する。基端部２０ａは、頭部２１に配置される。先端部２０ｂ、側端部２０ｃ、及び側端部２０ｄは、胴部２２に配置される。幅方向（回転軸５０の軸方向）に関する胴部２２の寸法は、頭部２１の寸法よりも小さい。厚さ方向（回転軸５０の周方向）に関する胴部２２の寸法は、頭部２１の寸法よりも小さい。胴部２２は、胴部２２の頭部２１との境界部に切欠部２０ｘ及び切欠部２０ｙを有する。

本実施形態においては、複数のリーフ２０は、頭部２１の側方突出部２１ｃ及び側方突出部２１ｄのそれぞれにおいて溶接により接続される。胴部２２は、弾性変形可能である。

保持部材１３４は、リーフ積層体１２を保持する。保持部材１３４は、ハウジング９に支持される。ハウジング９は、凹部９ａの内側に支持面９ｓを有する。保持部材１３４は、支持面９ｓに支持される。

保持部材１３４は、保持リング１３及び保持リング１４を含む。保持リング１３及び保持リング１４のそれぞれは、回転軸５０の周方向に延在する円弧状の部材である。保持リング１３は、リーフ２０の側方突出部２１ｃを含む頭部２１の一部が配置される凹部１３ａを有する。保持リング１４は、リーフ２０の側方突出部２１ｄを含む頭部２１の一部が配置される凹部１４ａを有する。背面スペーサ１５は、リーフ２０の頭部２１と保持リング１３及び保持リング１４との間に配置される。

リーフ２０の頭部２１が背面スペーサ１５を介して凹部１３ａ及び凹部１４ａにはめ込まれる。これにより、リーフ積層体１２が保持部材１３４に保持される。

高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０（リーフ積層体１２）に隣接するように高圧空間に配置される。低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０（リーフ積層体１２）に隣接するように低圧空間に配置される。高圧側サイドシール板１６は、高圧空間においてリーフ積層体１２の側端部１２ｃの一部と対向するように配置される。低圧側サイドシール板１７は、低圧空間においてリーフ積層体１２の側端部１２ｄの一部と対向するように配置される。

高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０の側端部２０ｃ（リーフ積層体１２の側端部１２ｃ）の少なくとも一部と対向する対向面１６１を有する。高圧側サイドシール板１６は、対向面１６１に周方向に延在する溝１６４が形成されている。溝１６４は、回転軸５０と同心円の円弧となる。低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０の側端部２０ｄ（リーフ積層体１２の側端部１２ｄ）の少なくとも一部と対向する対向面１７１を有する。低圧側サイドシール板１７は、対向面１７１に周方向に延在する溝１７４が形成されている。溝１７４は、回転軸５０と同心円の円弧となる。溝１７４は、径方向の位置が溝１６４と一致している。つまり、溝１６４と溝１７４は同心円の円弧となる。

高圧側サイドシール板１６は、リーフ２０の切欠部２０ｘに配置される凸部１６ａを有する。切欠部２０ｘに配置された凸部１６ａは、リーフ２０（リーフ積層体１２）及び保持リング１３により固定される。

低圧側サイドシール板１７は、リーフ２０の切欠部２０ｙに配置される凸部１７ａを有する。切欠部２０ｙに配置された凸部１７ａは、リーフ２０（リーフ積層体１２）及び保持リング１４により固定される。

本実施形態において、高圧側サイドシール板１６の先端部１６３は、リーフ２０の先端部２０ｂよりも回転軸５０から離れている。高圧側サイドシール板１６は、径方向に関して基端部２０ａ側の側端部２０ｃ（側端部１２ｃ）の一部と対向し、先端部２０ｂ側の側端部２０ｃ（側端部１２ｃ）の一部と対向しない。

本実施形態において、低圧側サイドシール板１７の先端部１７３は、リーフ２０の先端部２０ｂよりも回転軸５０から離れている。低圧側サイドシール板１７は、径方向に関して基端部２０ａ側の側端部２０ｄ（側端部１２ｄ）の一部と対向し、先端部２０ｂ側の側端部２０ｄ（側端部１２ｄ）の一部と対向しない。

また、本実施形態において、低圧側サイドシール板１７の先端部１７３は、高圧側サイドシール板１６の先端部１６３よりも回転軸５０から離れている。本実施形態において、回転軸５０の径方向に関して、高圧側サイドシール板１６の寸法は、低圧側サイドシール板１７の寸法よりも大きい。

ガイド部１８は、高圧側サイドシール板１６に形成された溝１６４と低圧側サイドシール板１７に形成された溝１７４に挿入され、溝１６４、１７４に沿って周方向に延在している。ガイド部１８は、周方向において、シールセグメント１１と同じ角度範囲に配置されている。１つのガイド部１８は、周方向に伸縮可能な円弧形状である。軸シール機構１０は、複数のガイド部１８が周方向の異なる位置に設けられ、周方向のほぼ全周に配置されている。ガイド部１８は、周方向の一方の端部（一端）１１０が高圧側サイドシール板１６及び低圧側サイドシール板１７に固定され、他方の端部（他端）１１２が開放、つまり移動可能となっている。ここで、端部１１０は、リーフ積層体１２と回転軸５０とのなす角が鋭角となる側の端部となる。リーフ２０は、回転軸５０の回転時に、先端が端部１１２側に移動する。また、ガイド部１８は、溝１６４、１７４に挿入されており、一端１１０を支点として、溝１６４、１７４に沿って周方向に移動可能（伸縮可能）となっている。つまり、他端１１２は、溝１６４、１７４に沿って周方向に移動可能（伸縮可能）である。

ガイド部１８は、保持部材１３４と熱膨張率が異なる材料で形成されている。本実施形態のガイド部１８は、保持部材１３４よりも熱膨張率が高い材料で形成されている。例えば、リーフ２０を支持している保持部材１３４にマルテンサイト系高クロム鋼を用い、ガイド部１８にオーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金を用いる。

ガイド部１８は、第１円弧部材（円弧部材）１０２ａと第２円弧部材（円弧部材）１０２ｂと複数の支持部１０４とを有する。ガイド部１８は、第１円弧部材（円弧部材）１０２ａと第２円弧部材（円弧部材）１０２ｂが平行に配置され、第１円弧部材（円弧部材）１０２ａと第２円弧部材（円弧部材）１０２ｂとの間に、複数の支持部１０４が列状に配置された梯子形状である。

第１円弧部材１０２ａは、高圧側サイドシール板１６の溝１６４に挿入され、軸方向においてリーフ積層体１２よりも溝１６４側（高圧側サイドシール板１６側）に配置されている。第２円弧部材１０２ｂは、低圧側サイドシール板１７の溝１７４に挿入され、軸方向においてリーフ積層体１２よりも溝１７４側（低圧側サイドシール板１７側）に配置されている。第１円弧部材１０２ａと第２円弧部材１０２ｂとは、円弧形状の溝１６４、１７４に挿入されているため、円弧形状となるが、溝１６４、１７４から外した場合、円弧とならなくてもよい。つまり、第１円弧部材１０２ａと第２円弧部材１０２ｂとは、溝１６４、１７４に挿入されることで、溝１６４、１７４に沿って変形する弾性を有していればよい。

支持部１０４は、棒状（または線状）の部材であり、第１円弧部材１０２ａと第２円弧部材１０２ｂとの延在方向に直交する方向が棒の軸方向となる。支持部１０４は、一方の端部が第１円弧部材１０２ａに固定され、他方の端部が第２円弧部材１０２ｂに固定されている。支持部１０４は、周方向において、リーフ２０とリーフ２０との間に配置されている。ガイド部１８は、支持部１０４が周方向に所定の間隔で配置されている。具体的には、周方向において、支持部１０４は、複数枚のリーフ２０毎、に配置されている。

また、ガイド部１８は、一端１１０から他端１１２に向かうにしたがって、支持部１０４の配置間隔が狭くなる。つまり、幅Ｄａ、Ｄｂ、Ｄｃの関係が、Ｄａ≧Ｄｂ≧Ｄｃとなり、最も一端１１０側の支持部１０４間の幅が、最も他端１１２側の支持部１０４間の幅よりも広くなる。

ガイド部１８は、以上のような構成であり、回転軸５０が回転していない状態では、図６及び図７に示すようにリーフ２０に対して支持部１０４が力を作用させていない状態となる。次に、ガイド部１８は、回転軸５０が回転している状態となり、作動流体Ｇが流れると、図８に示すように、リーフ２０が変形し、具体的には、回転軸５０の下流側に曲がり、リーフ２０と回転軸５０との間に隙間が生じ、上述したようにリーフ２０と回転軸５０とが非接触な状態となる。また、軸シール機構１０は、回転軸５０が回転している状態となり運転が継続されると軸シール機構１０の全体が加熱された状態となり、各部が熱の影響で伸びる。ガイド部１８も一端１１０を支点として、溝１６４、１７４に沿って各部が他端１１２側に延びる。ガイド部１８は、保持部材１３４よりも熱膨張率が高いため、リーフ２０よりも他端側に移動する。これにより、ガイド部１８は、図８に示すようにリーフ２０が停止時に有った位置よりも回転方向下流側に支持部１０４が移動し、リーフ２０が回転軸５０側に移動することを規制する。つまり、支持部１０４は、リーフ２０を回転軸５０から離れる方向に支持する。

このように、軸シール機構１０は、ガイド部１８を設けることで、回転軸５０の回転時にリーフ２０が一定位置よりも回転軸５０に近づくことを規制でき、リーフ２０の移動範囲を規制できる。これにより、リーフ２０のばたつきを抑制して疲労損傷の恐れを低減することができる。また、ガイド部１８を設けることで、リーフ２０が回転軸５０と接触することを抑制でき、リーフ２０の先端の摩耗を低減することができる。これにより、例えば、リーフ２０が回転時に設計通り浮上しなかった場合でもリーフ２０が回転軸に接触することを抑制でき、リーフ２０の摩耗を抑制することができる。

また、ガイド部１８は、支持部１０４を複数有し、支持部１０４と周方向に隣接する支持部１０４との間に複数枚のリーフ２０が配置されている構造とすることで、ガイド部１８の構造を簡単にすることができる。ここで、ガイド部１８は、支持部１０４と支持部１０４との間のリーフ２０を２枚以上１００枚以下とすることが好ましい。なお、ガイド部１８は、リーフ２０とリーフ２０との間の全てに、つまり、１枚のリーフ２０毎に支持部１０４を配置してもよい。

また、ガイド部１８は、一端１１０から他端１１２に向かうにしたがって、支持部１０４の配置間隔を狭くすることで、回転時に、周方向の位置によって、支持部１０４と支持部１０４が支持するリーフ２０との位置関係を平均化することができる。

また、本実施形態のように、ガイド部１８は、保持部材１３４よりも熱膨張率が高く、かつ、リーフ積層体１２と回転軸５０とのなす角が鋭角となる側の端部１１０を固定することで、支持部１０４でより確実にリーフ２０を支持することができる。なお、ガイド部１８は、保持部材１３４よりも熱膨張率を低くし、かつ、リーフ積層体１２と回転軸５０とのなす角が鈍角となる側の端部１１２を固定してもよい。

また、軸シール機構１０は、本実施形態のように、複数のガイド部１８を回転軸５０の周方向を分割した各領域に配置することで、リーフ２０と支持部１０４との相対位置の、周方向の位置に応じた変化を小さくすることができる。これにより、支持部１０４でリーフ２０をより確実に支持することができる。

ここで、軸シール機構１０は、保持部材１３４がマルテンサイト系高クロム鋼で形成されることが好ましい。さらに、保持部材１３４は、６００℃における熱膨張率が１１．０×１０^-６／℃以上１３．０×１０^-６／℃以下のマルテンサイト系高クロム鋼で形成されることがより好ましい。つまり、軸シール機構１０は、上述した材料を用いて製造した、マルテンサイト系高クロム鋼の保持部材１３４を用いることが好ましい。これにより、保持部材１３４が、６００℃級の蒸気温度に対しても安定して使用可能な耐熱性を有することができ、軸シール機構１０を安定して使用することができる。

軸シール機構１０は、ガイド部１８がオーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金で形成されることが好ましい。さらにガイド部１８は、６００℃における熱膨張率が、１４．０×１０^-６／℃以上１９．０×１０^-６／℃以下のオーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金で形成されることがより好ましい。つまり、軸シール機構１０は、上述した材料を用いて製造した、オーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金のガイド部１８を用いることが好ましい。これにより、ガイド部１８の保持部材との線膨張係数の差を大きくすることができる。

軸シール機構１０は、保持部材１３４とガイド部１８に上述した好適な材料を用いることで、熱膨張率の差をおおきくすることができ、停止時に支持部がリーフを押すことを抑制しつつ、回転時にリーフの位置を支持部で規制することができる。

上記実施形態では、１つのシールセグメント１１に１つのガイド部１８を設けたが、これに限定されない。軸シール機構１０は、１つのシールセグメント１１に複数のガイド部１８を設けてもよい。つまり、１つのシールセグメント１１が配置された角度範囲を複数に分割し、それぞれの領域にガイド部１８を設けてもよい。また、軸シール機構１０は、複数のシールセグメント１１に対して１つのガイド部１８を配置してもよい。また、リーフ積層体１２を支持する保持部材１３４は、周方向の両端を、保持部材１３４を支持する部材に固定してもよいが、ガイド部１８が固定されている端部とは反対側の端部、つまり解放されている側の端部のみを固定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、組み立てが簡単になり、隙間の管理もより高い精度で行うことができるため、高圧側サイドシール板１６と、低圧側サイドシール板１７をハウジング９と別体としたが、ハウジング（固定部）９をサイドシール板として設けてもよい。軸シール機構は、リーフ積層体１２の軸方向の端面が対面する部分がサイドシール板となる。ガイド部は、リーフ積層体１２の軸方向の端面が対面する部分（例えばサイドシール板となるハウジング）に形成された溝に挿入されることで、周方向に移動可能な状態となる。またガイド部は、溝が形成された部材に周方向の一方の端部（一端）が固定される。

図９は、他の例の軸シール機構の概略を示す断面図である。図９に示す軸シール機構３１０のシールセグメント３１１は、保持部材１３４にリーフ積層体３１３が固定されている。リーフ積層体３１３は、複数のリーフ３２０が周方向に積層されている。リーフ３２０は、軸方向の中心に、径方向の外側の端部から径方向内側に延びた凹部３２４が形成されている。リーフ３２０の凹部３２４には、ハウジング９の突起部３３０が挿入されている。突起部３３０は、周方向に延在するリング状の部材である。突起部３３０は、軸方向上流側の面に、緩衝部３３２が設けられている。緩衝部３３２は、リーフ３２０を移動可能な状態で支持しつつ、突出部３３０とリーフ３２０との間の隙間を低減している。

図９に示す軸シール機構３１０のシールセグメント３１１は、ハウジング（固定部）９のリーフ積層体３１３と対面する面に溝３６４、３７４が形成されている。軸シール機構３１０は、溝３６４、３７４にガイド部１８が挿入されている。ガイド部１８の構造は、軸シール機構１０のガイド部１８と同様である。

このように、ハウジング９等の固定部側のリング状の部材がリーフ３２０の一部に突出した構造とした場合も、リーフ積層体３１３と対面する面に溝３６４、３７４を形成し、溝３６４、３７４に挿入するガイド部１８を設けることで、上記と同様の効果を得ることができる。また、図９に示す軸シール機構３１０は、サイドシール板を設けず、ハウジング９にガイド部１８を挿入する溝３６４、３７４を形成している。このように、ガイド部１８は、シール機構３１０と隣接して回転軸を軸とした同心円で設けられ、かつ固定部側の部材であれば、各種部材に設けることができる。

１ ガスタービンシステム
２ 圧縮機（回転機械）
３ 燃焼器
４ タービン（回転機械）
１０ 軸シール機構
１１ シールセグメント
１２ リーフ積層体
１２ｃ 側端部
１２ｄ 側端部
１３、１４ 保持リング
１６ 高圧側サイドシール板
１７ 低圧側サイドシール板
１８ ガイド部
２０ リーフ
２０ｃ 側端部
２０ｄ 側端部
５０ 回転軸
１０２ａ 第１円弧部材（円弧部材）
１０２ｂ 第２円弧部材（円弧部材）
１０４ 支持部

Claims (10)

1. 回転軸の周囲に複数のリーフを回転軸の周方向に隣接して配置し、前記回転軸の周囲の空間を前記回転軸の軸方向に関して２つの空間に分けるリーフ積層体と、
   前記リーフ積層体を保持する保持部材と、
   前記軸方向に関して前記リーフ積層体の両端のそれぞれに配置され、前記リーフ積層体の側端部と対向する対向面を有し、前記対向面に溝が形成された２つのサイドシール板と、
   前記保持部材と熱膨張率が異なる材料で形成され、２つの前記サイドシール板の溝の両方に挿入され、周方向の一端が固定され、かつ、他端が開放され、前記他端が前記溝に沿って周方向に伸縮可能な円弧状のガイド部と、を備え、
   前記ガイド部は、前記リーフと前記リーフの間に挿入され、前記回転軸の回転時に前記リーフを前記回転軸から離れる方向に支持する支持部を有することを特徴とする軸シール機構。
2. 回転軸の周囲に複数のリーフを回転軸の周方向に隣接して配置し、前記回転軸の周囲の空間を前記回転軸の軸方向に関して高圧側の空間と低圧側の空間とに分けるリーフ積層体と、
   前記リーフ積層体を前記高圧側の空間側で保持する高圧側の保持部材と、
   前記リーフ積層体を前記低圧側の空間側で保持する低圧側の保持部材と、
   前記保持部材とは熱膨張率が異なる材料で形成され、前記高圧側の空間の固定部に形成された円弧状の溝及び低圧側の空間の固定部に形成された円弧状の溝に挿入されるとともに、前記高圧側の空間に配置された固定部及び低圧側の空間に配置された固定部と１か所で固定され、前記溝に沿って前記回転軸の周方向に伸縮可能な円弧状のガイド部と、
   前記ガイド部は、前記リーフと前記リーフの間に挿入され、前記回転軸の回転時に前記リーフを前記回転軸から離れる方向に支持する支持部を有することを特徴とする軸シール機構。
3. 前記ガイド部は、一方の前記溝に挿入され、前記軸方向において前記リーフ積層体よりも一方の前記溝側に配置された前記周方向に延在する第１円弧部材と、他方の前記溝に挿入され、前記軸方向において前記リーフ積層体よりも他方の前記溝側に配置された前記周方向に延在する第２円弧部材と、を有し、
   前記支持部は、一方の端部が前記第１円弧部材に固定され、他方の端部が前記第２円弧部材に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸シール機構。
4. 前記ガイド部は、前記支持部を複数有し、前記支持部と周方向に隣接する支持部との間に複数枚の前記リーフが配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の軸シール機構。
5. 前記ガイド部は、前記保持部材よりも熱膨張率が高く、かつ、前記リーフ積層体と前記回転軸とのなす角が鋭角となる側の端部が固定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の軸シール機構。
6. 前記ガイド部を複数有し、
   複数の前記ガイド部は、前記回転軸の周方向を分割した各領域に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の軸シール機構。
7. 前記保持部材は、６００℃における熱膨張率が１１．０×１０^-６／℃以上１３．０×１０^-６／℃以下のマルテンサイト系高クロム鋼で形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の軸シール機構。
8. 前記ガイド部は、６００℃における熱膨張率が、１４．０×１０^-６／℃以上１９．０×１０^-６／℃以下のオーステナイト系ステンレス鋼またはＮｉ基合金で形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の軸シール機構。
9. 前記ガイド部は、一端から他端に向かうにしたがって、前記支持部の配置間隔が狭くなることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の軸シール機構。
10. 回転軸と、
    前記回転軸の周囲に配置される請求項１から９のいずれか一項に記載の軸シール機構と、を備えることを特徴とする回転機械。
    
    

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