説明

シール構造

【課題】互いに対向し、その間に空間を形成する第1の部材び第2の部材の少なくとも一方が第1および第2の部材の表面に垂直方向、平行方向の何れの方向に熱伸び等の変形をした場合であっても、シール性が悪化することのないシール構造を提供する。
【解決手段】互いに対向し、その間に空間を形成する第1の部材及び第2の部材とを備え、前記空間をシールするシール構造であって、前記第1の部材の表面に、前記第2の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第1の部材側シールフィンと、前記第2の部材の表面に、前記第1の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第2の部材側シールフィンとを備え、前記第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンは何れも弾性材料で形成され、前記第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンは、それぞれ第1の部材と第2の部材の間隔に対してオーバーラップするように配置されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はシール構造に関するものであり、詳しくは互いに対向する部材の間に形成される空間をシールするシール構造に関するものである。特に、同心に配置された外径側環状部材及び内径側環状部材との間に形成される軸方向に延びる空間をシールするシール構造に関するものである。
【背景技術】
【0002】
例えばガスタービンにおいては、間に空間を形成する互いに対向する部材、特に同心に配置され各々の間に軸方向に延びる空間を形成する外径側環状部材及び内径側環状部材が配置される箇所が存在し、前記空間からの流体の漏洩を防止するためのシール構造が必要な場合がある。
【0003】
このような、同心に配置される外径側環状部材及び内径側環状部材の間の空間をシールするシール構造として例えばフェイスシールが知られている。
フェイスシールは、外径側環状部材の内径側環状部材との対向面の周方向全周に亘って設けられた溝と、該溝内に挿入され外径側環状部材の径方向に移動できるシール部材と、前記溝内に設けられ前記シール部材を前記内径側環状部材側に付勢するバネとから構成されるものである。フェイスシールによれば、バネによって内径側環状部材側に付勢されたシール部材が内径側環状部材の外側表面に押し付けられて、シール部材と内径側環状部材との間の隙間が無くなり、外径側環状部材及び内径側環状部材の間の空間がシールされる。なお、フェイスシールは、内径側環状部材の外径側環状部材との対向面の周方向全周に亘って溝が設けられ、該溝にシール部材を挿入し、該シール部材をバネによって外径側環状部材側に付勢する構成とすることも可能である。
【0004】
フェイスシールに関する技術として、例えば特許文献1には固定子ベーンの環状列の内側シュラウドとガスタービンの径方向に内側の環状のシールハウジングとの間を固定的にシールするためのシール装置としてフェイスシールを用いたガスタービンが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許平2−3007号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、フェイスシールを外径側環状部材及び内径側環状部材の間の空間のシールに用いる場合、温度等の使用条件によっては外径側環状部材及び内径側環状部材の少なくとも一方が熱伸び等により変形する場合がある。
【0007】
フェイスシールは、前述のようにバネによってシール部材を付勢して、シール部材を環状部材の表面に押し付けてシールするものであるので、外径側環状部材及び内径側環状部材の径方向の熱伸び等の変形には前記バネの変形によって追従することができる。しかし、フェイスシールでは軸方向の外径側環状部材及び内径側環状部材の変形には追従することができないため、外径側環状部材及び内径側環状部材が軸方向に変形した場合には該変形に追従できずシール性が悪化する可能性がある。つまり、フェイスシールでは、互いに対向する第1の部材と第2の部材との間に形成される空間をシールする場合、第1および第2の部材の表面に垂直な方向の変形にはバネの変形によって追従できるが、第1および第2の部材の表面に水平な方向の変形には追従できない可能性がある。
【0008】
従って、本発明は係る従来技術の問題点に鑑み、互いに対向し、その間に空間を形成する第1の部材び第2の部材の少なくとも一方が第1および第2の部材の表面に垂直方向、平行方向の何れの方向に熱伸び等の変形をした場合であっても、シール性が悪化することのないシール構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の課題を解決するために、本発明においては、互いに対向し、その間に空間を形成する第1の部材び第2の部材とを備え、前記空間をシールするシール構造であって、前記第1の部材の表面に、前記第2の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第1の部材側シールフィンと、前記第2の部材の表面に、前記第1の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第2の部材側シールフィンと、を備え、前記第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンは何れも弾性材料で形成され、前記第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンは、それぞれ第1の部材と第2の部材の間隔に対してオーバーラップするように配置されていることを特徴とする。
【0010】
本発明によれば、前記空間が第1および第2の部材の表面に垂直方向に広がって第1および第2の部材の少なくとも何れかが変形した場合にあっては、第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンが所謂ラビリンスシールを形成し、シール性を確保することができる。
また、前記空間が第1および第2の部材の表面に垂直方向に狭まって第1および第2の部材の少なくとも何れかが変形した場合、第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンは対向する部材表面に押し当てられて変形し空間の変形に追従することができる。
【0011】
さらに、前記空間が第1および第2の部材の表面に水平方向に大きく移動する方向に第1および第2の部材の少なくとも何れかが変形した場合であっても、第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンは何れも弾性部材で形成されているため、第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが変形してすれ違うことができる。
【0012】
なお、複数のシールフィンを対向させたシール構造として、所謂ラビリンスシールがしられている。ラビリンスシールは、金属製のフィンを対向させたものである。このため非接触シールとせざるをえず、クリアランスが必要である。そのため、互いに対向する部材の表面に垂直方向、水平方向の変形が大きい箇所に適用する場合にはシール性能が充分ではない。それに対し、上記シール構造によれば、前記垂直方向、水平方向の変形が大きい箇所に適用する場合であっても充分なシール性能を確保することができる。
【0013】
なお、特に、前記第1の部材側シールフィンが前記第2の部材表面に接触する長さとすることが好ましい。この場合には、第1の部材側シールフィンが、第1の部材から第2の部材に亘って存在するので、第1の部材側シールフィンによって前記空間を密閉し、確実にシールすることができるためである。この場合において、前記第1の部材側シールフィンを弾性材料で形成しているため、第1の部材側シールフィンが第2の部材に接触していても、第1の部材側シールフィンによって第2の部材を損傷することはない。
【0014】
逆に、前記第2の部材側シールフィンが前記第1の部材表面に接触する長さとすることも好ましい。この場合も、前記第1の部材側シールフィンが前記第2の部材表面に接触する長さとする場合と同様の効果が得られる。もちろん、前記第1の部材側シールフィンが前記第2の部材表面に接触する長さとするとともに、前記第2の部材側シールフィンが前記第1の部材表面に接触する長さとするとしてもよい。
【0015】
また、前記第1の部材側シールフィンと前記第2の部材側シールフィンの少なくとも一方は、不等ピッチで配列されているとよい。
これにより、何れかの箇所で第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが接触している状態となる確率が高くなる。第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが接触すると、第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが何れも対向する部材と接触しない状態となっても、第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが接触している部分で前記空間を密閉することができ高いシール性を確保することができる。
【0016】
また、不等ピッチで配列されたシールフィンは、前記空間の高圧側から低圧側にいくに従ってピッチ間隔が狭くなることが好ましい。
ここで、ラビリンスシールは、フィンと相手部材との狭い隙間を通った流体が隣接するフィン間に流れ込む際に膨張し、圧力エネルギーを速度エネルギーを介して熱エネルギーに変換して各段毎に漏れ圧を下げるものである。そのため、高圧側はピッチを広くして膨張の効果を大きくすることで、シールフィン同士が接触しない状態となった場合には、高いラビリンスシールの効果を確保することができる。
【0017】
また、前記第1の部材側シールフィンと前記第2の部材側シールフィンの少なくとも一方は、前記第1および第2の部材の表面に垂直な方向に対して傾斜して配列されているとよい。
これによっても、何れかの箇所で第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンが接触している状態となる確率が高くなる。
【0018】
また、傾斜して配列されているシールフィンは、前記空間の高圧側に先端部が向くように傾斜しているとよい。
【0019】
また、前記第1の部材側シールフィン及び前記第2の部材側シールフィンは耐熱ゴムで形成されているとよい。
これにより、高温部でのシール構造としても利用することができる。耐熱ゴムとしては、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を主成分とする粘弾性体等を挙げることができる。
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、高温部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。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、対向するシールフィンが互いに接触することを許容することにより、互いに対向する第1の部材及び第2の部材の少なくとも一方が第1および第2の部材の表面に垂直な方向、水平な方向の何れの方向に熱伸び等の変形をした場合であっても、シール性が悪化を防止することができる。
【0021】
また、前記第1の部材と第2の部材は、それぞれ同心に配置され、各々の間に延びる空間を形成する外径側環状部材および内径側環状部材であるとよい。例えば、ガスタービンのディフューザと内車室との間のシールに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】実施形態1に係るシール構造が適用されるガスタービンのディフューザ周辺を示す概略断面図である。
【図2】実施形態1におけるシール構造を示した断面図である。
【図3】実施形態1におけるシールする空間が径方向に広がった場合におけるシール構造を示した断面図である。
【図4】実施形態1におけるシールする空間が軸方向に移動した場合におけるシール構造を示した断面図である。
【図5】実施形態2におけるシール構造を示した断面図である。
【図6】実施形態3におけるシール構造50を示した断面図である。
【図7】外径側シールフィンと内径側シールフィンの接触条件の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
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。
【実施例】
【0024】
(実施形態1)
本発明のシール構造は、例えばガスタービンのディフューザと内車室との間のシールに用いることができる。
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ディフューザ周辺の構成について説明する。
図1は、実施形態1に係るシール構造が適用されるガスタービンのディフューザ周辺を示す概略断面図である。
【0025】
図1に示すように、タービン本体1は、回転軸となるロータ2と、ロータ2に固定される動翼4と、ロータ2との間に燃焼ガスを流す空間を構成するようにロータ2の外周を覆う内車室6と、内車室6の内壁に設置される静翼8と、内車室6の外周側を覆うことで内車室6との間に冷却空気を流す空間を構成する外車室10と、を備える。尚、内車室6は外車室10と接続されることで固定される。又、ロータ2の後端(下流側)が、軸受ハウジング12に納められた軸受14によって支持される。
【0026】
そして、このタービン本体1の下流側に、動翼4及び静翼8を流れた燃焼ガスを排気するための2重環状で構成されたディフューザ16が設置される。このディフューザ16は、その外壁面が最終段の動翼4のシュラウド面と同一面を形成する内側円筒18と、その内壁面が内車室6の内壁面と同一面を形成する外側円筒20と、内側円筒21の内側に設置された軸受ハウジング12を支持するために放射状に配置されたストラット24と、このストラット24を覆うとともに内側円筒18と外側円筒20とを接続して内側円筒18を固定するストラットカバー26と、外側円筒20と外車室10のそれぞれに接続して外側円筒20を固定する固定用リング28と、を備える。
【0027】
ディフューザ16において、内側円筒18と外側円筒20とを同心に配置されることで、内側円筒18と外側円筒20との間に環状の流路が形成される。このとき、内側円筒18は円筒形状であるが、外側円筒20は下流ほど直径が大きくなる円錐台形状を呈しており、このため、ディフューザ16は、上流から下流に向かって流路の断面積が次第に大きくなる。そして、ストラットカバー26によって、内側円筒18と外側円筒20との間隔を保って環状流路の形状が維持される。
【0028】
以上の構成において、図1にaで示したように、ガスタービンの排気が内車室6と外側円筒20との間の隙間を通って、軸受14に流入することを防止するために図1にAで示す位置に本発明のシール構造が適用される。
【0029】
図2は、実施形態1におけるシール構造50を示した断面図である。
図2において、同心に配置される外径側環状部材である内車室6と内径側環状部材である外側円筒20との間には、軸方向に延びる空間56が形成されている。
【0030】
内車室6の内側表面には、全周にわたって外側円筒20に向かって突出し、軸方向に配列される複数の外径側シールフィン52が設けられている。外径側シールフィン52は、その先端部が外側円筒20の外側表面に接触している。
【0031】
一方、外側円筒20の外側表面には、全周にわたって内車室6に向かって突出し、軸方向に配列される環状の内径側シールフィン54が設けられている。内径側シールフィン54は、その先端部が内車室6の内側表面に接触している。
【0032】
外径側シールフィン52及び内径側シールフィン54は、何れも例えばシリコンゴム、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等の耐熱弾性部材で形成されている。
【0033】
図2に示したシール構造50により、空間56は、外径側シールフィン52及び内径側シールフィン54によって密閉されるため、確実にシールされる。
【0034】
次に、図2に示したシール構造50において、熱伸びにより内車室6が外側(図2におけるB方向)に変形するとともに、熱伸びにより外側円筒20が内側(図2におけるC方向)に変形した場合、即ちシールする空間56が径方向に広がった場合について説明する。
図3は、実施形態1におけるシールする空間が径方向に広がった場合におけるシール構造50を示した断面図である。
【0035】
図3に示すように、シールする空間56が径方向に広がった場合、外径側シールフィン52が外側円筒54に接触しなくなるとともに、内径側シールフィン54が内車室6に接触しなくなる。
【0036】
この場合、空間56は、外径側シールフィン52及び内径側シールフィン54の何れでも密閉されなくなる。しかし、外径側シールフィン52及び内径側シールフィン54によってラビリンスシールが形成されるため、該ラビリンスシールによって空間56のシール性が確保される。即ち、フィンと相手部材との狭い隙間を通った流体が隣接するフィン間の空間に流れ込むに際に膨張し、圧力エネルギーを速度エネルギーを介して熱エネルギーに変換して各段毎に漏れ圧を下げる。
【0037】
次に、外側円筒54が軸方向に移動した場合について説明する。
図4は、実施形態1におけるシールする空間が軸方向に移動した場合におけるシール構造を示した断面図である。図4においては説明の便宜上、外径側シールフィン52及び内径側シールフィン54はそれぞれ1つのみ示し、それぞれ外径側シールフィン52a、内径側シールフィン54aと称するものとする。また、図4(a)→図4(b)→図4(c)の順に外側円筒54が矢印D方向に変形したものとする。
【0038】
この場合、図4(a)において外側円筒20が矢印D方向に変形すると、外側円筒20に設けられた内径側シールフィン54aも矢印D方向に移動する。そして内径側シールフィン54aはやがて外径側シールフィン52aと接触する。さらに、内径側シールフィン54aが矢印D方向に移動すると、外径側シールフィン52a及び内径側シールフィン54aは何れも弾性部材で形成されているので、図4(b)に示したように外径側シールフィン52a及び内径側シールフィン54aが変形する。さらに、内径側シールフィン54aが矢印D方向に移動すると、外径側シールフィン52a及び内径側シールフィン54aの変形によって、外径側シールフィン52a及び内径側シールフィン54aがすれ違い図4(c)で示したように外径側シールフィン52aと内径側シールフィン54aとの軸方向の位置が逆転する。
つまり、外径側シールフィン52a及び内径側シールフィン54aの何れも弾性部材で形成しているため、外側円筒20が軸方向に移動した場合であっても、外径側シールフィン52aと内径側シールフィン54aとがすれ違うことで空間56のシール性を確保することができる。
【0039】
(実施形態2)
図5は、実施形態2におけるシール構造50を示した断面図である。
図5においては、複数の外径側シールフィン52間の各ピッチ(図5においてはa、a、a、a)を不等ピッチとするとともに、複数の内径側シールフィン54間の各ピッチ(図5においてはb、b、b)を不等ピッチとしている。
その他の構成については、図2に示した実施形態1におけるシール構造50と同じである。
【0040】
この場合、仮に軸方向、径方向に動いても、図5においてEで示したように、常に何れかの箇所で外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触している状態となる確率が高くなる。
外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触することで、外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触している部分で空間56を密閉することができ高いシール性を確保することができ、より好適である。即ち実施形態2においては、より好適な条件である外径側シールフィン52の側面と内径側シールフィン54の側面が接触している状態となる可能性が高い。
【0041】
(実施形態3)
図6は、実施形態3におけるシール構造50を示した断面図である。
図6においては、外径側シールフィン52と内径側シールフィン54を何れも内車室6及び外側円筒20の軸方向と直角方向に対して傾斜させて配列させている。
その他の構成については、図2に示した実施形態1におけるシール構造50と同じである。
【0042】
この場合、仮に軸方向、径方向に動いても、何れかの箇所で外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触している状態となる可能性が高くなる。
外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触することで、外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触している部分で56空間を密閉することができ高いシール性を確保することができ、より好適である。即ち実施形態3においては、より好適な条件である外径側シールフィン52と内径側シールフィン54が接触している状態となる可能性が高い。
【0043】
次に、外径側シールフィン52と内径側シールフィン54との接触条件について説明する。図7は外径側シールフィンと内径側シールフィンの接触条件の説明図である。
図7においては、外径側シールフィン52c、52dと、内径シールフィン54cがそれぞれP、Pで接触している状態を示している。
ここで、外径側シールフィン52c、52d又は内径側シールフィン54cの少なくとも何れかが軸方向に移動した場合においても内径シールフィン54cが外径側シールフィン52c、52dの少なくとも何れかに接触し続ける条件について説明する。
【0044】
図7において、Lは外径側シールフィン52c、52dの軸方向長さ、Lは内径側シールフィン54cの軸方向長さ、Lは外径側シールフィン52cと52dの軸方向ピッチ、Hは外径側シールフィン52c、の径方向高さ、Hは内径側シールフィン54cの径方向高さ、Hは内車室6の内周面と外側円筒20の外周面との径方向間隔を表している。またLはPから外径側シールフィン52c先端までの軸方向長さ、LはPからPまでの軸方向長さを表している。
【0045】
内径側シールフィン54cが外径側シールフィン52c、52dの少なくとも何れかにに接触するように、ピッチL5が設定されていると考える。
この場合、以下の(1)式が成り立つ。

+L≧L ・・・(1)
【0046】
ここで、図7に示したようにθ1、θ2を置くと、以下の(2)〜(4)式が成り立つ。



=H+H−H ・・・(4)
【0047】
(1)式に(2)(3)式を代入して、

【0048】
(5)式に(4)式を代入して整理すると、

【0049】
(6)式が成立するとき、外径側シールフィン52c、52d又は内径側シールフィン54cの少なくとも何れかが軸方向に移動した場合においても内径シールフィン54cが外径側シールフィン52c、52dの少なくとも何れかにに接触し続ける。
【0050】
ここで、(6)式を満たす場合において、空間56が径方向に縮まった場合には外径側シールフィン52と内径側シールフィン54とは接触した状態を継続するが、空間56が径方向に広がった場合には外径側シールフィン52と内径側シールフィン54とが離れる可能性がある。そこで、内車室6及び外側円筒20の材質、使用温度等より想定される最大のHのときに(6)を満たすようにL、L、H、Hを設定すれば、常に外径側シールフィン52と内径側シールフィン54とが接触した状態を維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【0051】
同心に配置され、各々の間に軸方向に延びる空間を形成する外径側環状部材及び内径側環状部材とを備え、前記空間をシールするシール構造であって、前記外径側環状部材及び内径側環状部材の少なくとも一方が径方向、軸方向の何れの方向に熱伸び等の変形をした場合であっても、対向するシールフィンが互いに接触することを許容することにより、シール性が悪化することのないシール構造を提供することができる。
【符号の説明】
【0052】
6 内車室(外径側環状部材)
20 外側円筒(内径側環状部材)
50 シール構造
52 外径側シールフィン
54 内径側シールフィン
56 空間

【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに対向し、その間に空間を形成する第1の部材及び第2の部材とを備え、前記空間をシールするシール構造であって、
前記第1の部材の表面に、前記第2の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第1の部材側シールフィンと、
前記第2の部材の表面に、前記第1の部材の表面に向って突出し、高圧側と低圧側との間に配列される複数の第2の部材側シールフィンと、を備え、
前記第1の部材側シールフィン及び第2の部材側シールフィンは何れも弾性材料で形成され、
前記第1の部材側シールフィンと第2の部材側シールフィンは、それぞれ第1の部材と第2の部材の間隔に対してオーバーラップするように配置されていることを特徴とするシール構造。
【請求項2】
前記第1の部材側シールフィンと前記第2の部材側シールフィンの少なくとも一方は、不等ピッチで配列されていることを特徴とする請求項1記載のシール構造。
【請求項3】
不等ピッチで配列されたシールフィンは、前記空間の高圧側から低圧側にいくに従ってピッチ間隔が狭くなることを特徴とする請求項2記載のシール構造。
【請求項4】
前記第1の部材側シールフィンと前記第2の部材側シールフィンの少なくとも一方は、前記第1および第2の部材の表面に垂直な方向に対して傾斜して配列されていることを特徴とする請求項1記載のシール構造。
【請求項5】
傾斜して配列されているシールフィンは、前記空間の高圧側に先端部が向くように傾斜していることを特徴とする請求項4記載のシール構造。
【請求項6】
前記第1の部材側シールフィン及び前記第2の部材側シールフィンは耐熱ゴムで形成されていることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載のシール構造。
【請求項7】
前記第1の部材と第2の部材は、それぞれ同心に配置され、各々の間に延びる空間を形成する外径側環状部材および内径側環状部材であることを特徴とする請求項1〜6の何れかに記載のシール構造。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2012−211614(P2012−211614A)
【公開日】平成24年11月1日(2012.11.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−76691(P2011−76691)
【出願日】平成23年3月30日(2011.3.30)
【出願人】(000006208)三菱重工業株式会社 (10,378)
【Fターム(参考)】