軸シール装置及び軸シール装置を備える回転機械
【課題】薄板シール片の磨耗を抑止することができる軸シール装置及びこの軸シール装置を備える回転機械を提供する。
【解決手段】回転軸の周囲に沿って周方向に多数枚の薄板シール片２０が積層され、これら多数枚の薄板シール片２０の径方向外方端側が互いに連結されると共に径方向内方端２０ｂが自由端とされて、相互に隣接する二つの薄板シール片２０毎に微小間隙ｓが形成されていると共に回転軸に対して微小隙間ｓを形成するシール片積層体１２を備えた軸シール装置であって、薄板シール片２０には、内方端２０ｂ側の表面に耐磨耗処理層２５が形成されていることを特徴とする。
【解決手段】回転軸の周囲に沿って周方向に多数枚の薄板シール片２０が積層され、これら多数枚の薄板シール片２０の径方向外方端側が互いに連結されると共に径方向内方端２０ｂが自由端とされて、相互に隣接する二つの薄板シール片２０毎に微小間隙ｓが形成されていると共に回転軸に対して微小隙間ｓを形成するシール片積層体１２を備えた軸シール装置であって、薄板シール片２０には、内方端２０ｂ側の表面に耐磨耗処理層２５が形成されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸シール装置及び軸シール装置を備える回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の回転機械において、回転軸に対してシールを施す軸シール機構として下記特許文献１のものがある。
【０００３】
図１２は、従来の軸シール機構１００の概略構成斜視図である。
この軸シール機構１００は、ステータ側において回転軸Ｒを囲繞するハウジング１０１に収容された軸シール装置１０２を備えている。
【０００４】
軸シール装置１０２は、回転軸Ｒの周囲に沿って周方向に多数枚の薄板シール片１０３ａが積層されたシール片積層体１０３と、軸方向の流体高圧側においてシール片積層体１０３の一部を覆う高圧側サイドシール板１０４と、軸方向の流体低圧側においてシール片積層体１０３の一部を覆う低圧側サイドシール板１０５とを備えている。上記シール片積層体１０３においては、多数枚の薄板シール片１０３ａの径方向外方端側が互いに連結され、径方向内方端が自由端となっており、外方端側がハウジング１０１に収容され、各薄板シール片１０３ａがそれぞれ接線方向に傾くようにしてハウジング１０１から回転軸Ｒに向けて延出している。
【０００５】
このような構成の軸シール機構１００は、回転軸Ｒの停止時には薄板シール片１０３ａの内方端が所定の予圧で回転軸Ｒに接触するが、回転軸Ｒの回転時には動圧効果によって薄板シール片１０３ａに浮上力が作用する。この浮上力を利用することにより、薄板シール片１０３ａと回転軸Ｒとに微小な隙間を形成して作動流体をシールすると共に、回転軸Ｒと各薄板シール片１０３ａとの磨耗を防止している。
【０００６】
また、隣接する二つの薄板シール片毎に形成される微小間隙のガス圧力分布を、高圧側サイドシール板及び低圧側サイドシール板の径方向寸法を調整することで設定している。例えば、高圧側サイドシール板に比べて低圧側サイドシール板を短くすると、微小間隙のガス圧力分布を内方端側から外方端側に向かって次第に小さくなるように設定することができ、上述した動圧効果による浮上力を補助するように圧力を作用させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９１７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の技術では、回転機械の起動時や停止時、あるいは、ターニング時等において、比較的に動圧が小さくなることで薄板シール片に作用する浮上力も小さくなり、薄板シール片の内方端側が回転軸に接触摺動することによって薄板シール片が磨耗してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、薄板シール片の磨耗を抑止することができる軸シール装置及びこの軸シール装置を備える回転機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る軸シール装置は、回転軸の周囲に沿って周方向に多数枚の薄板シール片が積層され、これら多数枚の薄板シール片の径方向外方端側が互いに連結されると共に径方向内方端が自由端とされて、相互に隣接する二つの薄板シール片毎に微小間隙が形成されていると共に前記回転軸に対して微小隙間を形成するシール片積層体を備えた軸シール装置であって、前記薄板シール片には、前記内方端側の表面に耐磨耗処理層が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、薄板シール片の内方端側の表面に耐磨耗処理層が形成されているので、回転機械の起動時等において薄板シール片に作用する浮上力が小さい場合、あるいは、薄板シール片に作用する浮上力が不測に低下した場合には、耐磨耗処理層が回転軸と摺動する。これにより、接触摺動による磨耗を耐磨耗処理層が軽減するので、薄板シール片が磨耗することを抑止することができる。
【００１１】
また、前記耐磨耗処理層は、メッキ処理層であることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層がメッキ処理層であるので、薄板シール片のうち耐磨耗処理層が形成された部分における厚みがメッキ処理層の分だけ増加する。これにより、相互に隣接する薄板シール片の間に形成されている微小間隙の少なくとも一部を狭めることが可能となる。これにより、微小間隙のうち少なくとも一部を更に狭めるので、作動流体が微小間隙を流れ難くなり、シール性を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、前記シール片積層体は、前記薄板シール片の内方端側における幅方向両側端部がそれぞれ多数集合してなる二つの小口側面を有し、軸方向における流体高圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を露出させた高圧側サイドシール板と、軸方向における流体低圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を前記高圧側サイドシール板よりも大きく露出させた低圧側サイドシール板とを備え、前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記内方端から前記高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層が、軸方向に見て、内方端から高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されているので、小口側面のうち高圧側サイドシール板から露出する部分に相当する位置の微小間隙を狭めることができる。これにより、微小間隙のうち作動流体が流入する部分が更に狭められて微小間隙に作動流体が流入し難くなるので、シール性を更に向上させることが可能となる。
【００１３】
また、前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層が、軸方向に見て、低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されているので、径方向外方側にメッキ処理層が形成されずに薄板シール片の剛性の変化が必要最小限になる。これにより、薄板シール片の良好な弾力性の維持とシール性の向上とを両立させることができる。
【００１４】
また、前記耐磨耗処理層は、拡散浸透処理層であることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層が拡散浸透処理層であるので、微小間隙の大きさを変えることなく、耐磨耗性を向上させることができる。
【００１５】
また、前記シール片積層体は、前記薄板シール片の内方端側における幅方向両側端部がそれぞれ多数集合してなる二つの小口側面を有し、軸方向における流体高圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を露出させた高圧側サイドシール板と、軸方向における流体低圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を前記高圧側サイドシール板よりも大きく露出させた低圧側サイドシール板とを備え、前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記内方端から前記高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていると共に、前記低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層が、軸方向に見て、内方端から高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていると共に、低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されているので、径方向外方側に耐磨耗処理層が形成されずに薄板シール片の剛性の変化が必要最小限になる。これにより、薄板シール片の良好な弾力性を維持することができる。
【００１６】
また、本発明に係る回転機械は、上記のうちいずれかの軸シール装置を前記回転軸の周囲に備えたことを特徴とする。
この構成によれば、上記のうちいずれかのシール装置を備えるので、薄板シール片の磨耗が抑止されてシール性能が持続する。これにより、耐寿命性かつメンテナンス性に優れた回転機械とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る軸シール装置によれば、薄板シール片の磨耗を抑止することができる。
【００１８】
本発明に係る軸シール装置を備える回転機械によれば、耐寿命性かつメンテナンス性に優れた回転機械とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一実施形態に係るガスタービン１の概略全体構成図である。
【図２】図１におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る軸シール機構１０の概略構成断面図であって、回転軸５の軸線に沿った断面を示している。
【図４】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント１１の分解構成図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係るシール片積層体１２の要部拡大図であって、図４におけるII−II線矢視図である。
【図６】本発明の第一実施形態に係る薄板シール片２０の要部拡大図である。
【図７】本発明の第一実施形態に係る薄板シール片２０の薄板シール片２０を周方向に展開し、軸方向に交差する断面を示した展開断面図である。
【図８】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント１１の要部断面図であって、図７におけるIII−III線断面図である。
【図９】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント１１の微小間隙ｓに形成される作動流体ｇのガス圧力分布図である。
【図１０】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント１１における薄板シール片２０の胴部２２の要部断面図であって、回転軸５の軸方向に交差する胴部２２の切断面を示すと共に胴部２２に作用する圧力をベクトルで示した図である。
【図１１】本発明の第二実施形態に係るシールセグメント５１の薄板シール片５２を周方向に展開し、軸方向に交差する断面を示した展開断面図である。
【図１２】従来の軸シール機構１００の概略構成斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
〈第一実施形態〉
（ガスタービンの全体構成）
図１は、本発明の第一実施形態に係るガスタービン（回転機械）１の概略全体構成図であり、図２は、図１におけるＩ−Ｉ線断面図である。
図１に示すように、ガスタービン１は、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タービン（回転機械）４とを有しており、圧縮機２のローター２ａとタービン４のローター４ａとが連結されて回転軸５が構成されている。
【００２１】
圧縮機２及びタービン４においては、図１に示すように、圧縮機ケーシング２ｂ及びタービンケーシング４ｂのそれぞれの内周部において周方向に間隔を空けて複数の静翼が環状に固定された環状静翼群６と、回転軸５の外周部において周方向に間隔を空けて複数の動翼が環状に固定された環状動翼群７とが回転軸５の軸方向に交互に配列されている。
【００２２】
このようなガスタービン１においては、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に、各環状静翼群６の内周部に軸シール機構１０が配設されている。
また、圧縮機ケーシング２ｂが回転軸５を支持する軸受け部２ｃ、及び、タービンケーシング４ｂが回転軸５を支持する軸受け部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に軸シール機構１０が配設されている。
【００２３】
図２に示すように、各軸シール機構１０は、円弧状に延びるシールセグメント（軸シール装置）１１が回転軸５の周囲に周方向に複数（本第一実施形態では八つ）環状に配置されることで構成されている。
【００２４】
（シールセグメントの構成）
図３は、回転軸５の軸線に沿った断面における軸シール機構１０の概略構成断面図であり、図４は、シールセグメント１１の分解構成図であり、図５は、図４におけるII−II線矢視図である。
図３に示すように、各シールセグメント１１は、ハウジング（環状静翼群６及び軸受け部２ｃ，４ｃに相当）９に挿入されている。
【００２５】
このシールセグメント１１は、図３に示すように、薄板シール片２０が多数枚積層されたシール片積層体１２と（図５参照）、断面コ字状の保持リング１３，１４と、背面スペーサ１５と、高圧側サイドシール板１６と、低圧側サイドシール板１７とから構成されている。
【００２６】
シール片積層体１２は、図５に示すように、薄板状の薄板シール片２０が多数枚積層され（図２参照）、これら多数枚の薄板シール片２０の径方向外方端２０ａ側が互いに連結されたものである。
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５の接線方向から見てＴ字状に形成され、その幅方向を回転軸５の軸方向に向けている。この薄板シール片２０は、図４に示すように、外方端２０ａ側の頭部２１と、頭部２１よりも幅寸法及び厚さ寸法（図５参照）が小さく形成されると共に頭部２１の径方向内縁における軸方向中央から延出する胴部２２とを備えている。
このような薄板シール片２０は、図４に示すように、胴部２２のうち頭部２１との境界部分（径方向外方側）において、切り欠き部２０ｘ，２０ｙが形成されている。
【００２７】
各薄板シール片２０は、それぞれの頭部２１の側方突出部２１ｃが溶接されており、相互に連結されている。一方、各薄板シール片２０の胴部２２は、弾性変形可能であり、各薄板シール片２０の内方端２０ｂが自由端となっている。
このような薄板シール片２０は、図５に示すように、頭部２１の厚さ寸法が胴部２２の厚さ寸法よりも大きいことにより、積層すると相互に隣接する二つの薄板シール片２０の胴部２２毎に微小間隙ｓが形成されている。
【００２８】
このような薄板シール片２０が多数枚積層されたシール片積層体１２は、各薄板シール片２０の胴部２２の側端部２０ｃが多数集合してなる小口側面１２ｃが高圧側に向けられ、各薄板シール片２０の胴部２２の側端部２０ｄが多数集合してなる小口側面１２ｄが低圧側に向けられた状態で、ハウジング９に挿入されている。このシール片積層体１２は、回転軸５の停止時においては、各薄板シール片２０の内方端２０ｂ側が回転軸５に所定の予圧で接触するようになっている。
【００２９】
図６は、薄板シール片２０の要部拡大図であり、図７は、薄板シール片２０の薄板シール片１１を周方向に展開し、軸方向に交差する断面を示した展開断面図であり、図８は、図７におけるIII−III線断面図である。
図６〜図８に示すように、各薄板シール片２０の内方端２０ｂ側の表面には、メッキ処理層（耐磨耗処理層）２５が形成されている。
【００３０】
メッキ処理層２５は、クロムメッキによって形成されており、固体潤滑成分として二酸化モリブデン（ＭｏＳ２）を含有し、薄板シール片２０の基材（鋼）と比べて、硬度が向上し、また、回転軸５（鋼）に対する摩擦係数が低くなっている。
このメッキ処理層２５は、図７及び図８に示すように、その層厚さｔがμｍレベルとなっており、相互に隣接する薄板シール片２０の胴部２２間に形成される微小間隙ｓが、膜厚さｔの２倍（ｔ×２）だけ狭められている。
【００３１】
図８に示すように、メッキ処理層２５は、薄板シール片２０の軸方向に交差する断面の全周に形成されており、具体的には、回転軸５に面する下面２０ｑ及びその裏面である上面２０ｐ、並びに、側端部２０ｃ，２０ｄ上に形成されている。
【００３２】
このようなメッキ処理層２５は、軸方向に見て、薄板シール片２０の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されている。換言すれば、図６及び図７に示すように、小口側面１２ｄのうち高圧側サイドシール板１６から露出する部分（詳しくは後述する。）の径方向の寸法ｍ１よりもメッキ処理層２５の径方向の寸法ｎが大きく形成されている。
また、メッキ処理層２５は、小口側面１２ｄのうち低圧側サイドシール板１７から露出する範囲に含まれるように形成されている。換言すれば、図６及び図７に示すように、小口側面１２ｄのうち低圧側サイドシール板１７から露出する部分（詳しくは後述する。）の径方向の寸法ｍ２よりもメッキ処理層２５の径方向寸法ｎが小さく形成されている。
【００３３】
高圧側サイドシール板１６は、回転軸５の軸方向から見た場合において扇形状の板状部材であり、図３に示すように、回転軸５の軸方向の高圧側においてシール片積層体１２の一部を覆っている。この高圧側サイドシール板１６は、図３及び図４に示すように、径方向外方側において幅寸法（回転軸５の軸方向）が大きく形成された段差部１６ａが薄板シール片２０の切り欠き部２０ｘに嵌め込まれた状態で、シール片積層体１２と保持リング１３とに挟まれている。
このような構成により、図６に示すように、小口側面１２ｃのうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を径方向の寸法ｍ１だけ露出させている。
【００３４】
低圧側サイドシール板１７は、回転軸５の軸方向から見た場合において扇形状の板状部材であり、図３に示すように、回転軸５の軸方向の低圧側においてシール片積層体１２の一部を覆っている。この低圧側サイドシール板１７は、径方向外方側において幅寸法（回転軸５の軸方向）が大きく形成された段差部１７ａが薄板シール片２０の切り欠き部２０ｙに嵌め込まれた状態で、シール片積層体１２と保持リング１４とに挟まれている。
このような構成により、図６に示すように、低圧側サイドシール板１７は、小口側面１２ｄのうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を高圧側サイドシール板１６よりも大きく径方向の寸法ｍ２だけ露出させている。
【００３５】
すなわち、これら高圧側サイドシール板１６及び低圧側サイドシール板１７は、回転軸５の径方向の寸法が、高圧側サイドシール板１６よりも低圧側サイドシール板１７が小さく形成されており、後述する微小間隙ｓが所定のガス圧力分布になるように設計されている。
【００３６】
保持リング１３，１４は、断面コ字状で回転軸５の周方向に延びる円弧状部材である。
保持リング１３は、図３及び図４に示すように、複数の薄板シール片２０の頭部２１の側方突出部２１ｃに対向する面に、凹溝１３ａが形成されている。
保持リング１４は、図３及び図４に示すように、複数の薄板シール片２０の頭部２１の側方突出部２１ｄに対面する面に、凹溝１４ａが形成されている。
背面スペーサ１５は、薄板シール片２０の頭部２１と保持リング１３，１４との間に介挿されている。
【００３７】
上記の保持リング１３，１４は、図３に示すように、保持リング１３の凹溝１３ａ及び保持リング１４の凹溝１４ａに、シール片積層体１２における各薄板シール片２０の頭部２１が背面スペーサ１５を介して嵌め込まれることにより、シール片積層体１２を保持している。
【００３８】
このようなシールセグメント１１は、図３に示すように、ハウジング９の内周部において断面Ｔ字状に形成されると共に回転軸５の周方向に延在するＴ字環状溝９ａに収容されている。具体的には、Ｔ字環状溝９ａのうち径方向外周側において溝幅（回転軸５の軸方向）が大きく形成された部分に保持リング１３，１４が収容されており、径方向内周側において溝軸が小さく形成された部分に、高圧側サイドシール板１６及び低圧側サイドシール板１７と、薄板シール片２０の胴部２２が収容されている。そして、Ｔ字環状溝９ａの開口部から回転軸５に向けて胴部２２の先端（内方端２０ｂ）が突出している。
【００３９】
（シールセグメントの作用）
続いて、上記のように製造されたシールセグメント１１の作用について説明する。図９は、微小間隙ｓに形成される作動流体ｇのガス圧力分布図であり、図１０は、回転軸５の軸方向に交差する胴部２２の切断面を示すと共に胴部２２に作用する圧力をベクトルで示した図である。
【００４０】
ガスタービン１が停止状態から起動されると、回転軸５が回転し、この回転軸５と所定の与圧で接触している薄板シール片２０の内方端２０ｂ側と回転軸５とが摺動摩擦する。
この際、薄板シール片２０の内方端２０ｂの表面には、メッキ処理層２５が形成されていることから、メッキ処理層２５と回転軸５とが摺動摩擦することとなる。メッキ処理層２５は、比較的に高い硬度を有すると共に回転軸５に対する摩擦係数が低くなっており、比較的に磨耗量が少なくなる。
さらに、メッキ処理層２５が固体潤滑成分の二酸化モリブデン（ＭｏＳ２）を含有していることから、回転軸５に対する摩擦係数がさらに低くなっており、薄板シール片２０磨耗量が極めて少量となる。
なお、回転軸５に対する摩擦係数が低減されていることで、回転軸５の磨耗量も極めて少量となる。
【００４１】
このようにして、回転軸５とメッキ処理層２５とが摺動摩擦しながら回転軸５の回転数が上昇していく。そして、ガスタービン１が所定の回転数になると、回転軸５の動圧効果によって回転軸５とメッキ処理層２５に隙間が形成されて摩擦摺動が解消される。この状態においては、図９に示すように、軸シール機構１０を境にして作動流体ｇの高圧側領域と低圧側領域とが形成される。
高圧側領域と低圧側領域が形成されると、シールセグメント１１が高圧側領域から低圧側領域に向けて圧力を受けて、低圧側サイドシール板１７がハウジング９に密着する。
【００４２】
そして、図９に示すように、作動流体ｇが回転軸５の外周面と薄板シール片２０の内方端２０ｂとの間を流れる。
また、小口側面１２ｃのうち高圧側サイドシール板１６から露出した部分から各微小間隙ｓに作動流体ｇが侵入する。この際、図６及び図７に示すように、メッキ処理層２５が、軸方向に見て、薄板シール片２０の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されていることで、各微小間隙ｓがメッキ処理層２５の膜厚さｔの２倍（ｔ×２）だけ狭められている。このため、作動流体ｇが微小間隙ｓに侵入し難くなっている。
【００４３】
微小間隙ｓに侵入した作動流体ｇは、図９に示すように、微小間隙ｓを介して対向する上面２０ｐと下面２０ｑとに沿って、角部ｒ１から角部ｒ２の方向へ放射状に流れる。
つまり、低圧側サイドシール板１７の径方向寸法が、高圧側サイドシール板１６の径方向寸法よりも大きくされることで、図９に示すように、薄板シール片２０の内方端２０ｂかつ高圧側に位置する角部ｒ１で最もガス圧が高く、対角の角部ｒ２に向かって徐々にガス圧が弱まるガス圧力分布４０ａが形成される。
【００４４】
図９に示すように、ガス圧力分布４０ａは、薄板シール片２０の外方端２０ａに向かって低圧の領域が広がる。そのため、図１０に示すように、各薄板シール片２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑに加わるガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、薄板シール片２０の内方端２０ｂに近いほど大きくなると共に外方端２０ａに向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
【００４５】
図１０に示すように、上面２０ｐ及び下面２０ｑのそれぞれにおけるガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは略等しい形状となるが、回転軸５の外周の接線方向に傾くようにして各薄板シール片２０が配置されているので、これら上面２０ｐ及び下面２０ｑにおける各ガス圧力分布４０ｂ，４０ｃの相対位置がずれる。よって、薄板シール片２０の外方端２０ａから内方端２０ｂに向かう任意の点Ｐにおける上面２０ｐ及び下面２０ｑのガス圧に差が生じ、下面２０ｑに加わるガス圧が上面２０ｐに加わるガス圧よりも高くなる。これによって、薄板シール片２０の内方端２０ｂに対して回転軸５より浮かせる方向に浮上力ＦＬが発生する。
【００４６】
以上のようにして、薄板シール片２０に浮上力ＦＬが作用し、動圧効果による浮上力を補助することにより、回転軸５との間にシールクリアランスが形成される。
【００４７】
ガスタービン１の停止時、ターニング時、あるいは、不測の事態等の場合において、薄板シール片２０に作用する浮上力が不十分になって薄板シール片２０と回転軸５とが接触摺動したとしても、上記の起動時と同様の作用により、薄板シール片２０の内方端２０ｂ側の磨耗量が極めて少量となる。このため、各シールセグメント１１のシール性能が持続する。
【００４８】
以上説明したように、本第一実施形態に係るシールセグメント１１によれば、薄板シール片２０の内方端２０ｂ側の表面にメッキ処理層２５が形成されているので、ガスタービン１の起動時等において薄板シール片２０に作用する浮上力が小さい場合、あるいは、薄板シール片２０に作用する浮上力が不測に低下した場合には、メッキ処理層２５が回転軸５と摺動する。これにより、接触摺動による磨耗をメッキ処理層２５が軽減する。
さらに、メッキ処理層２５が固体潤滑成分の二酸化モリブデン（ＭｏＳ２）を含有しているので、メッキ処理層２５と回転軸５との摩擦係数をさらに低くすることができ、磨耗量を極めて少量とすることができる。
従って、薄板シール片２０が磨耗することを抑止することができる。
【００４９】
また、薄板シール片２０のうちメッキ処理層２５が形成された部分における厚みがメッキ処理層２５の分だけ増加する。これにより、相互に隣接する薄板シール片２０の胴部２２間に形成されている微小間隙ｓの少なくとも一部を狭めることが可能となる。これにより、微小間隙ｓを更に狭めるので、作動流体ｇが微小間隙ｓを流れ難くなり、シール性を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、メッキ処理層２５が、軸方向に見て、薄板シール片２０の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されているので、小口側面１２ｃのうち高圧側サイドシール板１６から露出する部分に相当する位置の微小間隙ｓを狭めることができる。これにより、微小間隙ｓのうち作動流体ｇが流入する部分が更に狭められて微小間隙ｓに作動流体ｇが流入し難くなるので、シール性を更に向上させることが可能となる。
【００５１】
また、軸方向に見て、低圧側サイドシール板１７から露出する範囲に含まれるように形成されているので、径方向外方側にメッキ処理層２５が形成されずに薄板シール片２０の剛性の変化が必要最小限になる。これにより、薄板シール片２０の良好な弾力性の維持とシール性の向上とを両立させることができる。
【００５２】
また、ガスタービン１は、シールセグメント１１を備えるので、薄板シール片２０の磨耗が抑止されてシール性能が持続する。これにより、耐寿命性かつメンテナンス性に優れたガスタービンとすることができる。
【００５３】
なお、上述した構成では、メッキ処理層２５をクロムメッキにより形成したが、薄板シール片２０の硬度の向上、及び、回転軸５に対する摩擦係数の低下のうちの少なくとも一方の効果が得られれば、その他の方法によってメッキ処理層を形成しても構わない。
例えば、ニッケルメッキや貴金属メッキ、あるいは、これらの合金等によってメッキ処理層を形成しても構わない。
また、硬い微粒子（「炭化ケイ素（ＳｉＣ）」「炭化タングステン（ＷＣ）」「ダイヤモンド」）や自己潤滑性を有する微粒子（「ＰＴＦＥ（フッ素系高分子）」、「グラファイト」、「窒化ホウ素（ＢＮ）」）を共折させてもよい。
なお、メッキ方法としては、各種メッキ方法を用いることができる。
【００５４】
〈第二実施形態〉
次に、本発明の第二実施形態に係るシールセグメント（軸シール装置）５１について説明する。
図１１は、本発明の第二実施形態に係るシールセグメント５１の薄板シール片５２を周方向に展開し、軸方向に交差する断面を示した展開断面図である。
【００５５】
シールセグメント５１は、シールセグメント１１とほぼ同様に構成されたものであるが、薄板シール片２０に代えて薄板シール片５２を用いている点でシールセグメント１１と相違する。また、薄板シール片５２は、薄板シール片２０とほぼ同様に構成されたものであるが、内方端２０ｂ側においてメッキ処理層２５の代わりに拡散浸透処理層（耐磨耗処理層）２６が形成されている点で薄板シール片２０と相違している。
なお、上述した第一実施形態と同様の構成要素については、同様の符号を付して、その説明を省略する。
【００５６】
拡散浸透処理層２６は、窒化処理によって形成されており、薄板シール片２０と比べて硬度が向上している。
この拡散浸透処理層２６は、図１１に示すように、薄板シール片２０の内部に窒素元素が浸透することによって形成されているために、メッキ処理層２５と異なり、薄板シール片２０の厚さを変えることなく胴部２２間に形成された微小間隙ｓを狭めない。
このような拡散浸透処理層２６は、図１１に示すように、内方端２１ｂから径方向の寸法ｎ（ｍ１＜ｎ＜ｍ２）だけ径方向外方側に形成されている。すなわち、拡散浸透処理層２６は、薄板シール片５２の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されていると共に、低圧側サイドシール板１７から露出する範囲に含まれるように形成されている。
【００５７】
この構成によれば、薄板シール片２０の表面に拡散浸透処理層２６が形成されているので、拡散浸透処理の前後において薄板シール片２０の厚さが変わらない。これにより、微小間隙ｓの大きさを変えることなく、耐磨耗性を向上させることができる。
【００５８】
また、拡散浸透処理層２６が、軸方向に見て、薄板シール片５２の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されていると共に、低圧側サイドシール板１７から露出する範囲に含まれるように形成されているので、径方向外方側に拡散浸透処理層２６が形成されずに薄板シール片２０の剛性の変化が必要最小限になる。これにより、薄板シール片２０の良好な弾力性を維持することができる。
【００５９】
なお、上述した構成では、拡散浸透処理層２６を窒化処理によって形成する構成としたが、ボロナイズ等によって形成してもよい。
【００６０】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、本発明に係る軸シール機構１０をガスタービン１へ適用する場合について説明したが、例えば、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の回転機械全般に広く採用することができる。
【００６１】
また、上述した実施の形態では、メッキ処理層２５，拡散浸透処理層２６は、薄板シール片２０の軸方向に交差する断面の全周に形成したが、薄板シール片２０における内方端２１ｂ側のうち、回転軸５と面する下面２０ｑ及び径方向内端部２０ｂのうち少なくとも一方だけに形成しても構わない。
【００６２】
また、上述した実施の形態では、薄板シール片２０，５２を鋼材（例えば耐熱鋼）で形成したが、その他の材料で形成してもよい。
【００６３】
また、上述した実施の形態では、回転軸５を鋼材（例えば耐熱鋼）で形成したが、その他の材料で形成してもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１…ガスタービン（回転機械）
２…圧縮機（回転機械）
４…タービン（回転機械）
５…回転軸
１１，５１…シールセグメント（軸シール装置）
１２，５２…シール片積層体
１２ｂ…小口内方端面
１２ｃ，１２ｄ…小口側面
１６…高圧側サイドシール板
１７…低圧側サイドシール板
２０…薄板シール片
２０ａ…外方端
２０ｂ…内方端
２０ｃ，２０ｄ…側端部
２５…メッキ処理層（耐磨耗処理層）
２６…拡散浸透処理層（耐磨耗処理層）
ｓ…微小間隙
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸シール装置及び軸シール装置を備える回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、ガスタービン、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の回転機械において、回転軸に対してシールを施す軸シール機構として下記特許文献１のものがある。
【０００３】
図１２は、従来の軸シール機構１００の概略構成斜視図である。
この軸シール機構１００は、ステータ側において回転軸Ｒを囲繞するハウジング１０１に収容された軸シール装置１０２を備えている。
【０００４】
軸シール装置１０２は、回転軸Ｒの周囲に沿って周方向に多数枚の薄板シール片１０３ａが積層されたシール片積層体１０３と、軸方向の流体高圧側においてシール片積層体１０３の一部を覆う高圧側サイドシール板１０４と、軸方向の流体低圧側においてシール片積層体１０３の一部を覆う低圧側サイドシール板１０５とを備えている。上記シール片積層体１０３においては、多数枚の薄板シール片１０３ａの径方向外方端側が互いに連結され、径方向内方端が自由端となっており、外方端側がハウジング１０１に収容され、各薄板シール片１０３ａがそれぞれ接線方向に傾くようにしてハウジング１０１から回転軸Ｒに向けて延出している。
【０００５】
このような構成の軸シール機構１００は、回転軸Ｒの停止時には薄板シール片１０３ａの内方端が所定の予圧で回転軸Ｒに接触するが、回転軸Ｒの回転時には動圧効果によって薄板シール片１０３ａに浮上力が作用する。この浮上力を利用することにより、薄板シール片１０３ａと回転軸Ｒとに微小な隙間を形成して作動流体をシールすると共に、回転軸Ｒと各薄板シール片１０３ａとの磨耗を防止している。
【０００６】
また、隣接する二つの薄板シール片毎に形成される微小間隙のガス圧力分布を、高圧側サイドシール板及び低圧側サイドシール板の径方向寸法を調整することで設定している。例えば、高圧側サイドシール板に比べて低圧側サイドシール板を短くすると、微小間隙のガス圧力分布を内方端側から外方端側に向かって次第に小さくなるように設定することができ、上述した動圧効果による浮上力を補助するように圧力を作用させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９１７９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の技術では、回転機械の起動時や停止時、あるいは、ターニング時等において、比較的に動圧が小さくなることで薄板シール片に作用する浮上力も小さくなり、薄板シール片の内方端側が回転軸に接触摺動することによって薄板シール片が磨耗してしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、薄板シール片の磨耗を抑止することができる軸シール装置及びこの軸シール装置を備える回転機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る軸シール装置は、回転軸の周囲に沿って周方向に多数枚の薄板シール片が積層され、これら多数枚の薄板シール片の径方向外方端側が互いに連結されると共に径方向内方端が自由端とされて、相互に隣接する二つの薄板シール片毎に微小間隙が形成されていると共に前記回転軸に対して微小隙間を形成するシール片積層体を備えた軸シール装置であって、前記薄板シール片には、前記内方端側の表面に耐磨耗処理層が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、薄板シール片の内方端側の表面に耐磨耗処理層が形成されているので、回転機械の起動時等において薄板シール片に作用する浮上力が小さい場合、あるいは、薄板シール片に作用する浮上力が不測に低下した場合には、耐磨耗処理層が回転軸と摺動する。これにより、接触摺動による磨耗を耐磨耗処理層が軽減するので、薄板シール片が磨耗することを抑止することができる。
【００１１】
また、前記耐磨耗処理層は、メッキ処理層であることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層がメッキ処理層であるので、薄板シール片のうち耐磨耗処理層が形成された部分における厚みがメッキ処理層の分だけ増加する。これにより、相互に隣接する薄板シール片の間に形成されている微小間隙の少なくとも一部を狭めることが可能となる。これにより、微小間隙のうち少なくとも一部を更に狭めるので、作動流体が微小間隙を流れ難くなり、シール性を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、前記シール片積層体は、前記薄板シール片の内方端側における幅方向両側端部がそれぞれ多数集合してなる二つの小口側面を有し、軸方向における流体高圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を露出させた高圧側サイドシール板と、軸方向における流体低圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を前記高圧側サイドシール板よりも大きく露出させた低圧側サイドシール板とを備え、前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記内方端から前記高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層が、軸方向に見て、内方端から高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されているので、小口側面のうち高圧側サイドシール板から露出する部分に相当する位置の微小間隙を狭めることができる。これにより、微小間隙のうち作動流体が流入する部分が更に狭められて微小間隙に作動流体が流入し難くなるので、シール性を更に向上させることが可能となる。
【００１３】
また、前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層が、軸方向に見て、低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されているので、径方向外方側にメッキ処理層が形成されずに薄板シール片の剛性の変化が必要最小限になる。これにより、薄板シール片の良好な弾力性の維持とシール性の向上とを両立させることができる。
【００１４】
また、前記耐磨耗処理層は、拡散浸透処理層であることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層が拡散浸透処理層であるので、微小間隙の大きさを変えることなく、耐磨耗性を向上させることができる。
【００１５】
また、前記シール片積層体は、前記薄板シール片の内方端側における幅方向両側端部がそれぞれ多数集合してなる二つの小口側面を有し、軸方向における流体高圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を露出させた高圧側サイドシール板と、軸方向における流体低圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を前記高圧側サイドシール板よりも大きく露出させた低圧側サイドシール板とを備え、前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記内方端から前記高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていると共に、前記低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、耐磨耗処理層が、軸方向に見て、内方端から高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていると共に、低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されているので、径方向外方側に耐磨耗処理層が形成されずに薄板シール片の剛性の変化が必要最小限になる。これにより、薄板シール片の良好な弾力性を維持することができる。
【００１６】
また、本発明に係る回転機械は、上記のうちいずれかの軸シール装置を前記回転軸の周囲に備えたことを特徴とする。
この構成によれば、上記のうちいずれかのシール装置を備えるので、薄板シール片の磨耗が抑止されてシール性能が持続する。これにより、耐寿命性かつメンテナンス性に優れた回転機械とすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る軸シール装置によれば、薄板シール片の磨耗を抑止することができる。
【００１８】
本発明に係る軸シール装置を備える回転機械によれば、耐寿命性かつメンテナンス性に優れた回転機械とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一実施形態に係るガスタービン１の概略全体構成図である。
【図２】図１におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係る軸シール機構１０の概略構成断面図であって、回転軸５の軸線に沿った断面を示している。
【図４】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント１１の分解構成図である。
【図５】本発明の第一実施形態に係るシール片積層体１２の要部拡大図であって、図４におけるII−II線矢視図である。
【図６】本発明の第一実施形態に係る薄板シール片２０の要部拡大図である。
【図７】本発明の第一実施形態に係る薄板シール片２０の薄板シール片２０を周方向に展開し、軸方向に交差する断面を示した展開断面図である。
【図８】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント１１の要部断面図であって、図７におけるIII−III線断面図である。
【図９】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント１１の微小間隙ｓに形成される作動流体ｇのガス圧力分布図である。
【図１０】本発明の第一実施形態に係るシールセグメント１１における薄板シール片２０の胴部２２の要部断面図であって、回転軸５の軸方向に交差する胴部２２の切断面を示すと共に胴部２２に作用する圧力をベクトルで示した図である。
【図１１】本発明の第二実施形態に係るシールセグメント５１の薄板シール片５２を周方向に展開し、軸方向に交差する断面を示した展開断面図である。
【図１２】従来の軸シール機構１００の概略構成斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
〈第一実施形態〉
（ガスタービンの全体構成）
図１は、本発明の第一実施形態に係るガスタービン（回転機械）１の概略全体構成図であり、図２は、図１におけるＩ−Ｉ線断面図である。
図１に示すように、ガスタービン１は、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タービン（回転機械）４とを有しており、圧縮機２のローター２ａとタービン４のローター４ａとが連結されて回転軸５が構成されている。
【００２１】
圧縮機２及びタービン４においては、図１に示すように、圧縮機ケーシング２ｂ及びタービンケーシング４ｂのそれぞれの内周部において周方向に間隔を空けて複数の静翼が環状に固定された環状静翼群６と、回転軸５の外周部において周方向に間隔を空けて複数の動翼が環状に固定された環状動翼群７とが回転軸５の軸方向に交互に配列されている。
【００２２】
このようなガスタービン１においては、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に、各環状静翼群６の内周部に軸シール機構１０が配設されている。
また、圧縮機ケーシング２ｂが回転軸５を支持する軸受け部２ｃ、及び、タービンケーシング４ｂが回転軸５を支持する軸受け部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に軸シール機構１０が配設されている。
【００２３】
図２に示すように、各軸シール機構１０は、円弧状に延びるシールセグメント（軸シール装置）１１が回転軸５の周囲に周方向に複数（本第一実施形態では八つ）環状に配置されることで構成されている。
【００２４】
（シールセグメントの構成）
図３は、回転軸５の軸線に沿った断面における軸シール機構１０の概略構成断面図であり、図４は、シールセグメント１１の分解構成図であり、図５は、図４におけるII−II線矢視図である。
図３に示すように、各シールセグメント１１は、ハウジング（環状静翼群６及び軸受け部２ｃ，４ｃに相当）９に挿入されている。
【００２５】
このシールセグメント１１は、図３に示すように、薄板シール片２０が多数枚積層されたシール片積層体１２と（図５参照）、断面コ字状の保持リング１３，１４と、背面スペーサ１５と、高圧側サイドシール板１６と、低圧側サイドシール板１７とから構成されている。
【００２６】
シール片積層体１２は、図５に示すように、薄板状の薄板シール片２０が多数枚積層され（図２参照）、これら多数枚の薄板シール片２０の径方向外方端２０ａ側が互いに連結されたものである。
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５の接線方向から見てＴ字状に形成され、その幅方向を回転軸５の軸方向に向けている。この薄板シール片２０は、図４に示すように、外方端２０ａ側の頭部２１と、頭部２１よりも幅寸法及び厚さ寸法（図５参照）が小さく形成されると共に頭部２１の径方向内縁における軸方向中央から延出する胴部２２とを備えている。
このような薄板シール片２０は、図４に示すように、胴部２２のうち頭部２１との境界部分（径方向外方側）において、切り欠き部２０ｘ，２０ｙが形成されている。
【００２７】
各薄板シール片２０は、それぞれの頭部２１の側方突出部２１ｃが溶接されており、相互に連結されている。一方、各薄板シール片２０の胴部２２は、弾性変形可能であり、各薄板シール片２０の内方端２０ｂが自由端となっている。
このような薄板シール片２０は、図５に示すように、頭部２１の厚さ寸法が胴部２２の厚さ寸法よりも大きいことにより、積層すると相互に隣接する二つの薄板シール片２０の胴部２２毎に微小間隙ｓが形成されている。
【００２８】
このような薄板シール片２０が多数枚積層されたシール片積層体１２は、各薄板シール片２０の胴部２２の側端部２０ｃが多数集合してなる小口側面１２ｃが高圧側に向けられ、各薄板シール片２０の胴部２２の側端部２０ｄが多数集合してなる小口側面１２ｄが低圧側に向けられた状態で、ハウジング９に挿入されている。このシール片積層体１２は、回転軸５の停止時においては、各薄板シール片２０の内方端２０ｂ側が回転軸５に所定の予圧で接触するようになっている。
【００２９】
図６は、薄板シール片２０の要部拡大図であり、図７は、薄板シール片２０の薄板シール片１１を周方向に展開し、軸方向に交差する断面を示した展開断面図であり、図８は、図７におけるIII−III線断面図である。
図６〜図８に示すように、各薄板シール片２０の内方端２０ｂ側の表面には、メッキ処理層（耐磨耗処理層）２５が形成されている。
【００３０】
メッキ処理層２５は、クロムメッキによって形成されており、固体潤滑成分として二酸化モリブデン（ＭｏＳ２）を含有し、薄板シール片２０の基材（鋼）と比べて、硬度が向上し、また、回転軸５（鋼）に対する摩擦係数が低くなっている。
このメッキ処理層２５は、図７及び図８に示すように、その層厚さｔがμｍレベルとなっており、相互に隣接する薄板シール片２０の胴部２２間に形成される微小間隙ｓが、膜厚さｔの２倍（ｔ×２）だけ狭められている。
【００３１】
図８に示すように、メッキ処理層２５は、薄板シール片２０の軸方向に交差する断面の全周に形成されており、具体的には、回転軸５に面する下面２０ｑ及びその裏面である上面２０ｐ、並びに、側端部２０ｃ，２０ｄ上に形成されている。
【００３２】
このようなメッキ処理層２５は、軸方向に見て、薄板シール片２０の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されている。換言すれば、図６及び図７に示すように、小口側面１２ｄのうち高圧側サイドシール板１６から露出する部分（詳しくは後述する。）の径方向の寸法ｍ１よりもメッキ処理層２５の径方向の寸法ｎが大きく形成されている。
また、メッキ処理層２５は、小口側面１２ｄのうち低圧側サイドシール板１７から露出する範囲に含まれるように形成されている。換言すれば、図６及び図７に示すように、小口側面１２ｄのうち低圧側サイドシール板１７から露出する部分（詳しくは後述する。）の径方向の寸法ｍ２よりもメッキ処理層２５の径方向寸法ｎが小さく形成されている。
【００３３】
高圧側サイドシール板１６は、回転軸５の軸方向から見た場合において扇形状の板状部材であり、図３に示すように、回転軸５の軸方向の高圧側においてシール片積層体１２の一部を覆っている。この高圧側サイドシール板１６は、図３及び図４に示すように、径方向外方側において幅寸法（回転軸５の軸方向）が大きく形成された段差部１６ａが薄板シール片２０の切り欠き部２０ｘに嵌め込まれた状態で、シール片積層体１２と保持リング１３とに挟まれている。
このような構成により、図６に示すように、小口側面１２ｃのうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を径方向の寸法ｍ１だけ露出させている。
【００３４】
低圧側サイドシール板１７は、回転軸５の軸方向から見た場合において扇形状の板状部材であり、図３に示すように、回転軸５の軸方向の低圧側においてシール片積層体１２の一部を覆っている。この低圧側サイドシール板１７は、径方向外方側において幅寸法（回転軸５の軸方向）が大きく形成された段差部１７ａが薄板シール片２０の切り欠き部２０ｙに嵌め込まれた状態で、シール片積層体１２と保持リング１４とに挟まれている。
このような構成により、図６に示すように、低圧側サイドシール板１７は、小口側面１２ｄのうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を高圧側サイドシール板１６よりも大きく径方向の寸法ｍ２だけ露出させている。
【００３５】
すなわち、これら高圧側サイドシール板１６及び低圧側サイドシール板１７は、回転軸５の径方向の寸法が、高圧側サイドシール板１６よりも低圧側サイドシール板１７が小さく形成されており、後述する微小間隙ｓが所定のガス圧力分布になるように設計されている。
【００３６】
保持リング１３，１４は、断面コ字状で回転軸５の周方向に延びる円弧状部材である。
保持リング１３は、図３及び図４に示すように、複数の薄板シール片２０の頭部２１の側方突出部２１ｃに対向する面に、凹溝１３ａが形成されている。
保持リング１４は、図３及び図４に示すように、複数の薄板シール片２０の頭部２１の側方突出部２１ｄに対面する面に、凹溝１４ａが形成されている。
背面スペーサ１５は、薄板シール片２０の頭部２１と保持リング１３，１４との間に介挿されている。
【００３７】
上記の保持リング１３，１４は、図３に示すように、保持リング１３の凹溝１３ａ及び保持リング１４の凹溝１４ａに、シール片積層体１２における各薄板シール片２０の頭部２１が背面スペーサ１５を介して嵌め込まれることにより、シール片積層体１２を保持している。
【００３８】
このようなシールセグメント１１は、図３に示すように、ハウジング９の内周部において断面Ｔ字状に形成されると共に回転軸５の周方向に延在するＴ字環状溝９ａに収容されている。具体的には、Ｔ字環状溝９ａのうち径方向外周側において溝幅（回転軸５の軸方向）が大きく形成された部分に保持リング１３，１４が収容されており、径方向内周側において溝軸が小さく形成された部分に、高圧側サイドシール板１６及び低圧側サイドシール板１７と、薄板シール片２０の胴部２２が収容されている。そして、Ｔ字環状溝９ａの開口部から回転軸５に向けて胴部２２の先端（内方端２０ｂ）が突出している。
【００３９】
（シールセグメントの作用）
続いて、上記のように製造されたシールセグメント１１の作用について説明する。図９は、微小間隙ｓに形成される作動流体ｇのガス圧力分布図であり、図１０は、回転軸５の軸方向に交差する胴部２２の切断面を示すと共に胴部２２に作用する圧力をベクトルで示した図である。
【００４０】
ガスタービン１が停止状態から起動されると、回転軸５が回転し、この回転軸５と所定の与圧で接触している薄板シール片２０の内方端２０ｂ側と回転軸５とが摺動摩擦する。
この際、薄板シール片２０の内方端２０ｂの表面には、メッキ処理層２５が形成されていることから、メッキ処理層２５と回転軸５とが摺動摩擦することとなる。メッキ処理層２５は、比較的に高い硬度を有すると共に回転軸５に対する摩擦係数が低くなっており、比較的に磨耗量が少なくなる。
さらに、メッキ処理層２５が固体潤滑成分の二酸化モリブデン（ＭｏＳ２）を含有していることから、回転軸５に対する摩擦係数がさらに低くなっており、薄板シール片２０磨耗量が極めて少量となる。
なお、回転軸５に対する摩擦係数が低減されていることで、回転軸５の磨耗量も極めて少量となる。
【００４１】
このようにして、回転軸５とメッキ処理層２５とが摺動摩擦しながら回転軸５の回転数が上昇していく。そして、ガスタービン１が所定の回転数になると、回転軸５の動圧効果によって回転軸５とメッキ処理層２５に隙間が形成されて摩擦摺動が解消される。この状態においては、図９に示すように、軸シール機構１０を境にして作動流体ｇの高圧側領域と低圧側領域とが形成される。
高圧側領域と低圧側領域が形成されると、シールセグメント１１が高圧側領域から低圧側領域に向けて圧力を受けて、低圧側サイドシール板１７がハウジング９に密着する。
【００４２】
そして、図９に示すように、作動流体ｇが回転軸５の外周面と薄板シール片２０の内方端２０ｂとの間を流れる。
また、小口側面１２ｃのうち高圧側サイドシール板１６から露出した部分から各微小間隙ｓに作動流体ｇが侵入する。この際、図６及び図７に示すように、メッキ処理層２５が、軸方向に見て、薄板シール片２０の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されていることで、各微小間隙ｓがメッキ処理層２５の膜厚さｔの２倍（ｔ×２）だけ狭められている。このため、作動流体ｇが微小間隙ｓに侵入し難くなっている。
【００４３】
微小間隙ｓに侵入した作動流体ｇは、図９に示すように、微小間隙ｓを介して対向する上面２０ｐと下面２０ｑとに沿って、角部ｒ１から角部ｒ２の方向へ放射状に流れる。
つまり、低圧側サイドシール板１７の径方向寸法が、高圧側サイドシール板１６の径方向寸法よりも大きくされることで、図９に示すように、薄板シール片２０の内方端２０ｂかつ高圧側に位置する角部ｒ１で最もガス圧が高く、対角の角部ｒ２に向かって徐々にガス圧が弱まるガス圧力分布４０ａが形成される。
【００４４】
図９に示すように、ガス圧力分布４０ａは、薄板シール片２０の外方端２０ａに向かって低圧の領域が広がる。そのため、図１０に示すように、各薄板シール片２０の上面２０ｐ及び下面２０ｑに加わるガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは、薄板シール片２０の内方端２０ｂに近いほど大きくなると共に外方端２０ａに向かうほど小さくなる三角分布形状となる。
【００４５】
図１０に示すように、上面２０ｐ及び下面２０ｑのそれぞれにおけるガス圧力分布４０ｂ，４０ｃは略等しい形状となるが、回転軸５の外周の接線方向に傾くようにして各薄板シール片２０が配置されているので、これら上面２０ｐ及び下面２０ｑにおける各ガス圧力分布４０ｂ，４０ｃの相対位置がずれる。よって、薄板シール片２０の外方端２０ａから内方端２０ｂに向かう任意の点Ｐにおける上面２０ｐ及び下面２０ｑのガス圧に差が生じ、下面２０ｑに加わるガス圧が上面２０ｐに加わるガス圧よりも高くなる。これによって、薄板シール片２０の内方端２０ｂに対して回転軸５より浮かせる方向に浮上力ＦＬが発生する。
【００４６】
以上のようにして、薄板シール片２０に浮上力ＦＬが作用し、動圧効果による浮上力を補助することにより、回転軸５との間にシールクリアランスが形成される。
【００４７】
ガスタービン１の停止時、ターニング時、あるいは、不測の事態等の場合において、薄板シール片２０に作用する浮上力が不十分になって薄板シール片２０と回転軸５とが接触摺動したとしても、上記の起動時と同様の作用により、薄板シール片２０の内方端２０ｂ側の磨耗量が極めて少量となる。このため、各シールセグメント１１のシール性能が持続する。
【００４８】
以上説明したように、本第一実施形態に係るシールセグメント１１によれば、薄板シール片２０の内方端２０ｂ側の表面にメッキ処理層２５が形成されているので、ガスタービン１の起動時等において薄板シール片２０に作用する浮上力が小さい場合、あるいは、薄板シール片２０に作用する浮上力が不測に低下した場合には、メッキ処理層２５が回転軸５と摺動する。これにより、接触摺動による磨耗をメッキ処理層２５が軽減する。
さらに、メッキ処理層２５が固体潤滑成分の二酸化モリブデン（ＭｏＳ２）を含有しているので、メッキ処理層２５と回転軸５との摩擦係数をさらに低くすることができ、磨耗量を極めて少量とすることができる。
従って、薄板シール片２０が磨耗することを抑止することができる。
【００４９】
また、薄板シール片２０のうちメッキ処理層２５が形成された部分における厚みがメッキ処理層２５の分だけ増加する。これにより、相互に隣接する薄板シール片２０の胴部２２間に形成されている微小間隙ｓの少なくとも一部を狭めることが可能となる。これにより、微小間隙ｓを更に狭めるので、作動流体ｇが微小間隙ｓを流れ難くなり、シール性を向上させることが可能となる。
【００５０】
また、メッキ処理層２５が、軸方向に見て、薄板シール片２０の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されているので、小口側面１２ｃのうち高圧側サイドシール板１６から露出する部分に相当する位置の微小間隙ｓを狭めることができる。これにより、微小間隙ｓのうち作動流体ｇが流入する部分が更に狭められて微小間隙ｓに作動流体ｇが流入し難くなるので、シール性を更に向上させることが可能となる。
【００５１】
また、軸方向に見て、低圧側サイドシール板１７から露出する範囲に含まれるように形成されているので、径方向外方側にメッキ処理層２５が形成されずに薄板シール片２０の剛性の変化が必要最小限になる。これにより、薄板シール片２０の良好な弾力性の維持とシール性の向上とを両立させることができる。
【００５２】
また、ガスタービン１は、シールセグメント１１を備えるので、薄板シール片２０の磨耗が抑止されてシール性能が持続する。これにより、耐寿命性かつメンテナンス性に優れたガスタービンとすることができる。
【００５３】
なお、上述した構成では、メッキ処理層２５をクロムメッキにより形成したが、薄板シール片２０の硬度の向上、及び、回転軸５に対する摩擦係数の低下のうちの少なくとも一方の効果が得られれば、その他の方法によってメッキ処理層を形成しても構わない。
例えば、ニッケルメッキや貴金属メッキ、あるいは、これらの合金等によってメッキ処理層を形成しても構わない。
また、硬い微粒子（「炭化ケイ素（ＳｉＣ）」「炭化タングステン（ＷＣ）」「ダイヤモンド」）や自己潤滑性を有する微粒子（「ＰＴＦＥ（フッ素系高分子）」、「グラファイト」、「窒化ホウ素（ＢＮ）」）を共折させてもよい。
なお、メッキ方法としては、各種メッキ方法を用いることができる。
【００５４】
〈第二実施形態〉
次に、本発明の第二実施形態に係るシールセグメント（軸シール装置）５１について説明する。
図１１は、本発明の第二実施形態に係るシールセグメント５１の薄板シール片５２を周方向に展開し、軸方向に交差する断面を示した展開断面図である。
【００５５】
シールセグメント５１は、シールセグメント１１とほぼ同様に構成されたものであるが、薄板シール片２０に代えて薄板シール片５２を用いている点でシールセグメント１１と相違する。また、薄板シール片５２は、薄板シール片２０とほぼ同様に構成されたものであるが、内方端２０ｂ側においてメッキ処理層２５の代わりに拡散浸透処理層（耐磨耗処理層）２６が形成されている点で薄板シール片２０と相違している。
なお、上述した第一実施形態と同様の構成要素については、同様の符号を付して、その説明を省略する。
【００５６】
拡散浸透処理層２６は、窒化処理によって形成されており、薄板シール片２０と比べて硬度が向上している。
この拡散浸透処理層２６は、図１１に示すように、薄板シール片２０の内部に窒素元素が浸透することによって形成されているために、メッキ処理層２５と異なり、薄板シール片２０の厚さを変えることなく胴部２２間に形成された微小間隙ｓを狭めない。
このような拡散浸透処理層２６は、図１１に示すように、内方端２１ｂから径方向の寸法ｎ（ｍ１＜ｎ＜ｍ２）だけ径方向外方側に形成されている。すなわち、拡散浸透処理層２６は、薄板シール片５２の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されていると共に、低圧側サイドシール板１７から露出する範囲に含まれるように形成されている。
【００５７】
この構成によれば、薄板シール片２０の表面に拡散浸透処理層２６が形成されているので、拡散浸透処理の前後において薄板シール片２０の厚さが変わらない。これにより、微小間隙ｓの大きさを変えることなく、耐磨耗性を向上させることができる。
【００５８】
また、拡散浸透処理層２６が、軸方向に見て、薄板シール片５２の内方端２０ｂから高圧側サイドシール板１６と重なる位置まで形成されていると共に、低圧側サイドシール板１７から露出する範囲に含まれるように形成されているので、径方向外方側に拡散浸透処理層２６が形成されずに薄板シール片２０の剛性の変化が必要最小限になる。これにより、薄板シール片２０の良好な弾力性を維持することができる。
【００５９】
なお、上述した構成では、拡散浸透処理層２６を窒化処理によって形成する構成としたが、ボロナイズ等によって形成してもよい。
【００６０】
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、本発明に係る軸シール機構１０をガスタービン１へ適用する場合について説明したが、例えば、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の回転機械全般に広く採用することができる。
【００６１】
また、上述した実施の形態では、メッキ処理層２５，拡散浸透処理層２６は、薄板シール片２０の軸方向に交差する断面の全周に形成したが、薄板シール片２０における内方端２１ｂ側のうち、回転軸５と面する下面２０ｑ及び径方向内端部２０ｂのうち少なくとも一方だけに形成しても構わない。
【００６２】
また、上述した実施の形態では、薄板シール片２０，５２を鋼材（例えば耐熱鋼）で形成したが、その他の材料で形成してもよい。
【００６３】
また、上述した実施の形態では、回転軸５を鋼材（例えば耐熱鋼）で形成したが、その他の材料で形成してもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１…ガスタービン（回転機械）
２…圧縮機（回転機械）
４…タービン（回転機械）
５…回転軸
１１，５１…シールセグメント（軸シール装置）
１２，５２…シール片積層体
１２ｂ…小口内方端面
１２ｃ，１２ｄ…小口側面
１６…高圧側サイドシール板
１７…低圧側サイドシール板
２０…薄板シール片
２０ａ…外方端
２０ｂ…内方端
２０ｃ，２０ｄ…側端部
２５…メッキ処理層（耐磨耗処理層）
２６…拡散浸透処理層（耐磨耗処理層）
ｓ…微小間隙
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周囲に沿って周方向に多数枚の薄板シール片が積層され、これら多数枚の薄板シール片の径方向外方端側が互いに連結されると共に径方向内方端が自由端とされて、相互に隣接する二つの薄板シール片毎に微小間隙が形成されていると共に前記回転軸に対して微小隙間を形成するシール片積層体を備えた軸シール装置であって、
前記薄板シール片には、前記内方端側の表面に耐磨耗処理層が形成されていることを特徴とする軸シール装置。
【請求項２】
前記耐磨耗処理層は、メッキ処理層であることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
【請求項３】
前記シール片積層体は、前記薄板シール片の内方端側における幅方向両側端部がそれぞれ多数集合してなる二つの小口側面を有し、
軸方向における流体高圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を露出させた高圧側サイドシール板と、
軸方向における流体低圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を前記高圧側サイドシール板よりも大きく露出させた低圧側サイドシール板とを備え、
前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記内方端から前記高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていることを特徴とする請求項２に記載の軸シール装置。
【請求項４】
前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の軸シール装置。
【請求項５】
前記耐磨耗処理層は、拡散浸透処理層であることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
【請求項６】
前記シール片積層体は、前記薄板シール片の内方端側における幅方向両側端部がそれぞれ多数集合してなる二つの小口側面を有し、
軸方向における流体高圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を露出させた高圧側サイドシール板と、
軸方向における流体低圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を前記高圧側サイドシール板よりも大きく露出させた低圧側サイドシール板とを備え、
前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記内方端から前記高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていると共に、前記低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の軸シール装置。
【請求項７】
請求項１から６のうちいずれか一項に記載の軸シール装置を前記回転軸の周囲に備えたことを特徴とする回転機械。
【請求項１】
回転軸の周囲に沿って周方向に多数枚の薄板シール片が積層され、これら多数枚の薄板シール片の径方向外方端側が互いに連結されると共に径方向内方端が自由端とされて、相互に隣接する二つの薄板シール片毎に微小間隙が形成されていると共に前記回転軸に対して微小隙間を形成するシール片積層体を備えた軸シール装置であって、
前記薄板シール片には、前記内方端側の表面に耐磨耗処理層が形成されていることを特徴とする軸シール装置。
【請求項２】
前記耐磨耗処理層は、メッキ処理層であることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
【請求項３】
前記シール片積層体は、前記薄板シール片の内方端側における幅方向両側端部がそれぞれ多数集合してなる二つの小口側面を有し、
軸方向における流体高圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を露出させた高圧側サイドシール板と、
軸方向における流体低圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を前記高圧側サイドシール板よりも大きく露出させた低圧側サイドシール板とを備え、
前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記内方端から前記高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていることを特徴とする請求項２に記載の軸シール装置。
【請求項４】
前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の軸シール装置。
【請求項５】
前記耐磨耗処理層は、拡散浸透処理層であることを特徴とする請求項１に記載の軸シール装置。
【請求項６】
前記シール片積層体は、前記薄板シール片の内方端側における幅方向両側端部がそれぞれ多数集合してなる二つの小口側面を有し、
軸方向における流体高圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を露出させた高圧側サイドシール板と、
軸方向における流体低圧側の前記小口側面のうち径方向外方側を覆うと共に径方向内方側を前記高圧側サイドシール板よりも大きく露出させた低圧側サイドシール板とを備え、
前記耐磨耗処理層は、軸方向に見て、前記内方端から前記高圧側サイドシール板と重なる位置まで形成されていると共に、前記低圧側サイドシール板から露出する範囲に含まれるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の軸シール装置。
【請求項７】
請求項１から６のうちいずれか一項に記載の軸シール装置を前記回転軸の周囲に備えたことを特徴とする回転機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１８５２１９（Ｐ２０１１−１８５２１９Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３６５７（Ｐ２０１０−５３６５７）
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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