JP2012067878A - Self-adjusting seal for turbo rotary machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、蒸気タービン、ガスタービン、コンプレッサ等のターボ回転機械に用いられる自動調整シールに関する。ここで、自動調整シールとは、ターボ回転機械の稼動状態に応じてシール間隙が自動的に調整されるシールをいう。 The present invention relates to a self-adjusting seal used in a turbo rotating machine such as a steam turbine, a gas turbine, or a compressor. Here, the self-adjusting seal refers to a seal in which the seal gap is automatically adjusted according to the operating state of the turbo rotating machine.
蒸気タービン、ガスタービン、コンプレッサ等のターボ回転機械では、運転効率の向上の観点から、回転部材(ロータや動翼)と静止部材(車室や静翼)との間隙を介した作動流体の漏洩を防止するシールが様々な箇所に設けられている。
例えば、高中圧室一体型の蒸気タービンの高圧部と中圧部の間などに設けられるダミー環シール、ロータが車室を貫通する部位に設けられるグランドシール、動翼先端と車室の間に設けられる動翼チップシール、静翼先端とロータの間に設けられる静翼チップシール等が挙げられる。
In turbo rotating machines such as steam turbines, gas turbines, and compressors, from the viewpoint of improving operating efficiency, leakage of working fluid through a gap between a rotating member (rotor or moving blade) and a stationary member (chamber or stationary blade) Seals are provided at various locations to prevent this.
For example, a dummy ring seal provided between the high-pressure part and the intermediate-pressure part of a high- and medium-pressure chamber integrated steam turbine, a ground seal provided at a site where the rotor penetrates the vehicle compartment, and between the blade tip and the vehicle compartment Examples thereof include a moving blade tip seal provided, a stationary blade tip seal provided between a stationary blade tip and a rotor.
この種のシールは、従来、複数条のフィンを有するラビリンスブロックと、ラビリンスブロックを背面から弾性的に支持する板ばねとで構成されるラビリンスシールを用いるのが一般的であった。この場合、静止部材に形成された溝にラビリンスブロックを嵌着した状態で、該ラビリンスブロックを板ばねで背面から押さえつけることで、フィンと回転部材との間隙が一定に維持されるようになっている。これにより、フィンと回転部材との微小な隙間の通過時に、流体は急激に膨張して圧力が低下するので、流体の漏れが抑制される。 Conventionally, this type of seal has generally used a labyrinth seal composed of a labyrinth block having a plurality of fins and a leaf spring that elastically supports the labyrinth block from the back. In this case, with the labyrinth block fitted in the groove formed in the stationary member, the labyrinth block is pressed from the back with a leaf spring so that the gap between the fin and the rotating member is maintained constant. Yes. As a result, when the minute gap between the fin and the rotating member passes, the fluid rapidly expands and the pressure decreases, so that fluid leakage is suppressed.
ところが、上記構成のラビリンスシールでは、フィンと回転部材との隙間が小さすぎると、ターボ回転機械の運転状態によっては(特に、起動・停止時)、回転部材と静止部材の熱伸び差の影響で、フィンが回転部材と接触してしまい、フィンの摩耗や軸振動が発生することがあった。一方、フィンと回転部材の隙間を大きくすると、流体の漏れを十分に防止することができず、ターボ回転機械の運転効率が低下してしまうという問題があった。 However, in the labyrinth seal configured as described above, if the gap between the fin and the rotating member is too small, depending on the operating state of the turbo rotating machine (especially when starting and stopping), it may be affected by the difference in thermal expansion between the rotating member and the stationary member. In some cases, the fin comes into contact with the rotating member, causing wear of the fin or axial vibration. On the other hand, when the gap between the fin and the rotating member is increased, there is a problem that fluid leakage cannot be sufficiently prevented and the operation efficiency of the turbo rotating machine is lowered.
そこで、従来のラビリンスシールに代わるものとして、特許文献1には、ターボ回転機械の稼動状態に応じてシール間隙が自動的に調整される自動調整シールが記載されている。
このシールは、回転部材(ロータ)の水平分割面寄りに配置された固定シールリングと、中央寄りに配置された可動シールリングとで構成されている。このうち可動シールリングは、弾性体(波板ばね、皿ばね、金属ベローズ等)により半径方向外方に付勢されており、ターボ回転機械の起動・停止時におけるシール間隙が十分に確保されるようになっている。一方、ターボ回転機械の定格運転時では、可動シールリングは、ターボ回転機械内の流体の圧力によって、弾性体の付勢力に抗して半径方向内方に押されるので、シール間隙を最小限にすることができる。
Therefore, as an alternative to the conventional labyrinth seal,
This seal includes a fixed seal ring disposed near the horizontal dividing surface of the rotating member (rotor) and a movable seal ring disposed near the center. Among these, the movable seal ring is urged radially outward by an elastic body (such as a wave plate spring, a disc spring, or a metal bellows), and a sufficient seal clearance is ensured when the turbo rotating machine is started and stopped. It is like that. On the other hand, during the rated operation of the turbo rotating machine, the movable seal ring is pushed radially inward against the urging force of the elastic body by the pressure of the fluid in the turbo rotating machine, so that the seal gap is minimized. can do.
ところで、特許文献1に記載の自動調整シールは、可動シールリングとこれが固定される静止部材との摺動部の摩擦力(f)を考慮に入れて、可動シールリングの背面の流体圧力(P)が、弾性体による付勢力(F)よりも十分に大きくなるように設計される。
すなわち、ターボ回転機械の定格運転時において次の不等式(1)が成立するように、可動シールリングの形状(有効面積)や弾性体の材質及び形状等が決定される。
背面圧力(P)×シールリング有効面積(A)>付勢力(F)+摩擦力(f)・・・(1)
Incidentally, the self-adjusting seal described in
That is, the shape (effective area) of the movable seal ring and the material and shape of the elastic body are determined so that the following inequality (1) is established at the rated operation of the turbo rotating machine.
Back pressure (P) x effective area of seal ring (A)> biasing force (F) + frictional force (f) (1)
しかしながら、現実には、このような手法で設計した自動調整シールは必ずしもうまく作動せず、ターボ回転機械の定格運転時におけるシール間隙が過大となり、流体の漏れを十分に防止できなかったり、逆にターボ回転機械の非定常運転時のクリティカルポイントを通過するまでに、可動シールリングが作動してしまい回転部材と接触したりすることが起こり得る。特に、近年開発が盛んに行われているACCアブレイダブルシールについて後者の事態が起きてしまうと、可動シールリング表面に設けられたアブレイダブル材が想定以上に損傷し、それ以降、所望のシール間隙を形成することができなくなってしまう。なお、ここでいうACCアブレイダブルシールとは、仮に可動シールリングが何らかの要因で回転部材に接触しても、回転部材の曲がり変形の原因となる発熱が抑制されるよう、容易に切削されるアブレイダブル材を可動シールリング表面に設けた自動調整シールをいう。
また、ダミー環シールとして自動調整シールを複数並べて配置した場合、可動シールリングが動作するタイミングがばらついてしまうことがある。
However, in reality, the self-adjusting seal designed by such a method does not always work well, and the seal clearance during the rated operation of the turbo rotating machine becomes excessive, and fluid leakage cannot be prevented sufficiently. It may happen that the movable seal ring operates and contacts the rotating member before passing the critical point during the unsteady operation of the turbo rotating machine. In particular, when the latter situation occurs in ACC abradable seals that have been actively developed in recent years, the abradable material provided on the surface of the movable seal ring is damaged more than expected, and thereafter The seal gap cannot be formed. Note that the ACC abradable seal here is easily cut so that even if the movable seal ring comes into contact with the rotating member for some reason, heat generation that causes bending deformation of the rotating member is suppressed. An automatic adjustment seal with an abradable material provided on the surface of a movable seal ring.
In addition, when a plurality of self-adjusting seals are arranged side by side as dummy ring seals, the timing at which the movable seal ring operates may vary.
そこで、本発明者らは自動調整シールの動作に影響を与える因子について検討した結果、可動シールリングと静止部材との摺動部の摩擦力(f)は、自動調整シールの個体差によるばらつきが大きく、自動調整シールの動作に大きく影響するとの知見を得た。 Therefore, as a result of examining the factors affecting the operation of the automatic adjustment seal, the present inventors have found that the frictional force (f) of the sliding portion between the movable seal ring and the stationary member varies due to individual differences of the automatic adjustment seal. It was found that the operation of the self-adjusting seal is greatly affected.
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで動作し、シール間隙を適切に調整しうる自動調整シールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an automatically adjusting seal that operates at a desired timing according to the operating state of a turbo rotating machine and can appropriately adjust a seal gap. To do.
本発明に係るターボ回転機械用の自動調整シールは、回転部材が静止部材に対峙しながら回転し、該回転部材と流体とのエネルギーの受け渡しを行うターボ回転機械用の自動調整シールであって、前記回転部材に沿うように、前記静止部材に設けられた溝に嵌着された可動シール部材と、前記回転部材との間隙が広がるように前記可動シール部材を付勢する付勢手段とを備え、少なくとも前記ターボ回転機械の定格運転時において、前記可動シール部材の高圧側端面と前記溝との間を介して前記溝の内部に流入した前記流体によって、前記可動シール部材が前記付勢手段の付勢力に抗して前記回転部材側に押圧されるように構成されるとともに、前記可動シール部材の低圧側端面および該低圧側端面に対向する前記溝の壁面のうち少なくとも一方に、前記可動シール部材の前記低圧側端面と前記溝の前記壁面との摺動を円滑化する処理が施されたことを特徴とする。 An automatic adjustment seal for a turbo rotating machine according to the present invention is an automatic adjustment seal for a turbo rotating machine in which a rotating member rotates while facing a stationary member and transfers energy between the rotating member and a fluid. A movable seal member fitted in a groove provided in the stationary member along the rotary member, and a biasing means for biasing the movable seal member so that a gap between the rotary member and the rotary member is widened. At least during the rated operation of the turbo rotating machine, the movable seal member is urged by the fluid flowing into the groove through the gap between the high-pressure end surface of the movable seal member and the groove. At least one of the low pressure side end surface of the movable seal member and the wall surface of the groove facing the low pressure side end surface is configured to be pressed against the rotating member against an urging force. Write to, wherein the process that facilitates sliding between the wall surface of the low-pressure side end face and the groove of the movable seal member is applied.
本明細書において、「摺動を円滑化する処理」とは、摺動部における摩擦係数を低減する任意の処理を指す。なお、摺動部における摩擦係数は、可動シール部材及び静止部材の材質等によって異なるが、特段の処理を行わない場合、通常0.5よりも大きい。よって、「摺動を円滑化する処理」は、摺動部の摩擦係数を0.5以下とする処理ということもでき、例えば摺動部の摩擦係数を0.1〜0.5とする処理を意味する。 In the present specification, “a process for facilitating sliding” refers to an arbitrary process for reducing a friction coefficient in a sliding part. In addition, although the friction coefficient in a sliding part changes with materials etc. of a movable seal member and a stationary member, when special processing is not performed, it is usually larger than 0.5. Therefore, “the process of smoothing the sliding” can also be referred to as a process of setting the friction coefficient of the sliding part to 0.5 or less, for example, a process of setting the friction coefficient of the sliding part to 0.1 to 0.5. Means.
上記自動調整シールでは、可動シール部材の低圧側端面および該低圧側端面に対向する静止部材の溝の壁面(すなわち可動シール部材と静止部材との摺動部)のうち少なくとも一方に、両者の摺動を円滑化する処理が施されている。このため、上記不等式(1)における右辺第2項の「摩擦力(f)」が小さくなり、主として、左辺の「背面圧力(P)×シールリング有効面積(A)」および右辺第1項の「付勢力(F)」の大小関係で自動調整シールの動作タイミングが決定される。これにより、自動調整シールの個体差によるばらつきが生じやすい摺動部の摩擦力が、自動調整シールの動作にあまり影響しなくなるので、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで自動調整シールを動作させることができる。
また、可動シール部材と静止部材との摺動部に摺動を円滑化する処理を施すことで、摺動部の摩擦力のばらつき自体も低減されるので、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで自動調整シールを動作させることができる。
In the automatic adjustment seal, at least one of the low pressure side end surface of the movable seal member and the wall surface of the groove of the stationary member facing the low pressure side end surface (that is, the sliding portion between the movable seal member and the stationary member) is slid on both. Processing to smooth the movement is applied. For this reason, the “frictional force (f)” in the second term on the right side in the inequality (1) is reduced, and mainly “the back pressure (P) × the effective area of the seal ring (A)” on the left side and the first term on the right side. The operation timing of the self-adjusting seal is determined based on the magnitude relationship of “biasing force (F)”. As a result, the frictional force of the sliding part, which tends to vary due to individual differences in the self-adjusting seal, does not significantly affect the operation of the self-adjusting seal, so the self-adjusting seal at a desired timing according to the operating state of the turbo rotating machine. Can be operated.
In addition, by applying a process for smoothing the sliding of the sliding portion between the movable seal member and the stationary member, the variation in the frictional force of the sliding portion itself is reduced, so that depending on the operating state of the turbo rotating machine The self-adjusting seal can be operated at a desired timing.
上記ターボ回転機械用の自動調整シールにおいて、前記摺動を円滑化する処理として、前記可動シール部材の低圧側端面および該低圧側端面に対向する前記溝の壁面のうち少なくとも一方に潤滑皮膜を形成してもよい。 In the self-adjusting seal for the turbo rotating machine, as a process for smoothing the sliding, a lubricating film is formed on at least one of the low-pressure side end surface of the movable seal member and the wall surface of the groove facing the low-pressure side end surface May be.
この場合、前記潤滑皮膜は、例えば塗布、溶射又はめっきにより形成することができる。 In this case, the lubricating film can be formed by, for example, coating, thermal spraying or plating.
また、前記潤滑皮膜は、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステン、フッ化黒鉛、窒化ホウ素、銅、ニッケル、鉛、錫、銀、四フッ化エチレン、ポリイミド及び高密度ポリエチレンの少なくとも一つからなる固体潤滑剤を含んでいてもよい。 The lubricating coating is made of at least one of molybdenum disulfide, graphite, tungsten disulfide, graphite fluoride, boron nitride, copper, nickel, lead, tin, silver, tetrafluoroethylene, polyimide, and high-density polyethylene. A solid lubricant may be included.
固体潤滑材を含む潤滑皮膜を用いる場合、前記可動シール部材の低圧側端面および該低圧側端面に対向する前記溝の壁面のうち少なくとも一方に、前記固体潤滑剤を定着させるためのディンプルを形成することが好ましい。
これにより、可動シール部材と静止部材の溝壁面との摺動の円滑化効果が失われることを防止し、自動調整シールの正常な動作を長期に亘って維持することができる。
When using a lubricating coating containing a solid lubricant, dimples for fixing the solid lubricant are formed on at least one of the low-pressure side end surface of the movable seal member and the wall surface of the groove facing the low-pressure side end surface. It is preferable.
Thereby, it is possible to prevent the effect of smooth sliding between the movable seal member and the groove wall surface of the stationary member from being lost, and to maintain the normal operation of the automatic adjustment seal for a long period of time.
上記ターボ回転機械用の自動調整シールにおいて、前記摺動を円滑化する処理として、前記可動シール部材の前記低圧側端面に対向する前記溝の壁面の角部を面取り加工してもよい。 In the self-adjusting seal for the turbo rotating machine, as a process of smoothing the sliding, a corner portion of the wall surface of the groove facing the low pressure side end surface of the movable seal member may be chamfered.
あるいは、上記ターボ回転機械用の自動調整シールにおいて、前記摺動を円滑化する処理として、前記可動シール部材の低圧側端面および該低圧側端面に対向する前記溝の壁面の少なくとも一方の表面粗度Raを6.3μm以下としてもよい。 Alternatively, in the self-adjusting seal for the turbo rotating machine, as a process for smoothing the sliding, the surface roughness of at least one of the low pressure side end surface of the movable seal member and the wall surface of the groove facing the low pressure side end surface Ra may be 6.3 μm or less.
上記ターボ回転機械用の自動調整シールにおいて、前記可動シール部材の前記回転部材に対向する表面上に、アブレイダブル材の皮膜が形成されていることが好ましい。
このように可動シール部材の表面にアブレイダブル材を設けた自動調整シール(いわゆるACCアブレイダブルシール)は、仮にターボ回転機械の運転中に可動シール部材が何らかの要因で回転部材に接触することがあっても、アブレイダブル材が容易に切削されるので発熱を抑制することができ、発熱に起因する回転部材の曲がり変形を防止できるため、実用化が強く望まれている。ところが、ACCアブレイダブルシールの場合、可動シール部材が所望のタイミングよりも早く動作してしまい、ターボ回転機械が定格運転に達する前(特に、非定常運転時のクリティカルポイントを通過するまで)にシール間隙が狭まり、回転部材と接触してしまうと、アブレイダブル材が想定以上に損傷し、それ以降、所望のシール間隙を形成することができなくなってしまう。
この点、上記自動調整シールは、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで動作可能であるから、ACCアブレイダブルシールに適用すれば、アブレイダブル材の想定以上の損傷を防止できる。
In the self-adjusting seal for the turbo rotating machine, it is preferable that a film of an abradable material is formed on a surface of the movable seal member facing the rotating member.
Thus, the automatic adjustment seal (so-called ACC abradable seal) provided with the abradable material on the surface of the movable seal member is such that the movable seal member contacts the rotary member for some reason during the operation of the turbo rotating machine. However, since the abradable material is easily cut, heat generation can be suppressed, and the bending deformation of the rotating member due to the heat generation can be prevented. Therefore, practical application is strongly desired. However, in the case of the ACC abradable seal, the movable seal member operates faster than the desired timing, and before the turbo rotating machine reaches the rated operation (especially, until it passes the critical point during the unsteady operation). When the seal gap becomes narrow and comes into contact with the rotating member, the abradable material is damaged more than expected, and thereafter, a desired seal gap cannot be formed.
In this respect, since the automatic adjustment seal can be operated at a desired timing according to the operating state of the turbo rotating machine, if applied to the ACC abradable seal, damage beyond the abradable material can be prevented. .
本発明によれば、可動シール部材と静止部材との摺動部に、両者の摺動を円滑化する処理を施したので、主として、付勢手段による付勢力と、該付勢力に抗して可動シール部材を回転部材側に押す流体の圧力との関係によって、自動調整シールの動作タイミングが決定される。したがって、自動調整シールの個体差によるばらつきが生じやすい摺動部の摩擦力が、自動調整シールの動作にあまり影響しなくなるので、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで自動調整シールを動作させることができる。
また、可動シール部材と静止部材との摺動部に摺動を円滑化する処理を施すことで、摺動部の摩擦力のばらつき自体も低減されるので、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで自動調整シールを動作させることができる。
According to the present invention, since the sliding portion between the movable seal member and the stationary member has been subjected to a process for smoothing the sliding of the both, the biasing force by the biasing means and the biasing force are mainly resisted. The operation timing of the self-adjusting seal is determined by the relationship with the pressure of the fluid that pushes the movable seal member toward the rotating member. Therefore, the frictional force of the sliding part, which tends to vary due to individual differences in the self-adjusting seal, does not affect the operation of the self-adjusting seal so much. It can be operated.
In addition, by applying a process for smoothing the sliding of the sliding portion between the movable seal member and the stationary member, the variation in the frictional force of the sliding portion itself is reduced, so that depending on the operating state of the turbo rotating machine The self-adjusting seal can be operated at a desired timing.
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態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、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, and are merely illustrative examples. Only.
[第1実施形態]
図1はターボ回転機械用の自動調整シールの全体構成例を示す正面図である。同図に示すように、自動調整シール1は、ターボ回転機械のロータ2に沿って環状に設けられた固定シール部材10及び可動シール部材20により構成される。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a front view showing an overall configuration example of an automatic adjustment seal for a turbo rotating machine. As shown in the figure, the
自動調整シール1は、ターボ回転機械の車室(不図示)に取り付けられたダミー環4(図2参照)に形成された溝に嵌着され、ロータ2とダミー環4との間隙をシールするようになっている。なお、以降、ターボ回転機械の「静止部材」としてのダミー環4と、「回転部材」としてのロータ2との間に設けられたダミー環シールに自動調整シール1を適用する例について説明するが、本発明に係る自動調整シールはグランドシール、動静翼チップシール等を含む種々のターボ回転機械用シールとして使用可能である。
The self-adjusting
固定シール部材10は、一対の上側部材10A及び下側部材10Bがロータ2の左右両側にそれぞれ配置されており、対をなす上側部材10A及び下側部材10Bは合せ面12で合わさっている。固定シール部材10の内周側にはシールフィンが設けられており、該シールフィンと、ロータ2の周方向に沿って形成された凹凸溝とでラビリンス効果を発現し、固定シール部材10とロータ2の間を介した流体(ターボ回転機械が蒸気タービンの場合は蒸気)の漏れを抑制している。
固定シール部材10は、背面から板ばね等で弾性的に支持されており、ロータ2と接触したときに半径方向外方に逃げうるようになっているが、基本的には不動であり、ターボ回転機械の稼動状態に応じて移動するものではない。
In the fixed seal member 10, a pair of upper member 10 </ b> A and lower member 10 </ b> B are disposed on both the left and right sides of the
The fixed seal member 10 is elastically supported from the back by a leaf spring or the like, and is configured to be able to escape radially outward when it comes into contact with the
一方、可動シール部材20は、以下で説明するように、ターボ回転機械の起動・停止時にはロータ2とのシール間隙が大きく、ターボ回転機械の定格運転時には、合せ面14で固定シール部材10に当接するように図中の矢印方向に移動し、シール間隙が狭まるようになっている。
On the other hand, as described below, the
図2は、可動シール部材20の構成例を示す断面図である。同図に示すように、可動シール部材20は、車室(ケーシング)に取り付けられたダミー環4に形成された溝6に嵌着されている。
可動シール部材20の内周側にはシールフィン22が設けられており、ロータ2の周方向に沿って形成された凹凸溝8とシールフィン22とでラビリンス効果を発現し、可動シール部材20とロータ2との間を介した流体の漏れを抑制している。
また、ダミー環4の溝6の内部には、可動シール部材20の上部押え板24を半径方向外方に付勢する皿ばね30と、皿ばね30を下方から支持する支持板32とが設けられている。これにより、可動シール部材20は、シールフィン22とロータ2との間隙が広がるように、皿ばね30によって付勢される。なお、皿ばね30に代えて、板ばね、金属ベローズ等の任意の付勢手段を用いてもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the
Further, a
図3はターボ回転機械の稼動状態に応じて可動シール部材20が移動する様子を模式的に示す図であり、図3(a)がターボ回転機械の起動・停止時における可動シール部材20の状態を、図3(b)がターボ回転機械の定格運転時における可動シール部材20の状態を示している。
FIG. 3 is a diagram schematically showing how the
図3(a)に示すように、ターボ回転機械の起動・停止時において、可動シール部材20は、皿ばね30による付勢力Fによって半径方向外方に押し上げられ、シールフィン22とロータ2との間隙は広がっている。
一方、ターボ回転機械の定格運転時では、図3(b)に示すように、可動シール部材20の両側における流体の圧力に差が生じ、可動シール部材20はスラスト力(圧力差に起因する力)F0を受けて低圧側(同図に示す例では可動シール部材20の右側)に移動し、可動シール部材20の低圧側端面26がダミー環4の溝壁面(低圧側端面26に対向する溝6の壁面9)と接触する。このとき、高圧側の流体は、可動シール部材20の高圧側端面28とダミー環4の溝6との間を通過し、溝6の内部空間7に流入するので、溝6の内部空間7の圧力が上昇する(なお、図示は省略するが、高圧側の流体を溝6の内部空間7に導くためのバイパス溝が、図1における固定シール部材20の周方向に沿って数箇所設けられている)。その結果、可動シール部材20は、溝6の内部空間7に流入した高圧の流体によって半径方向内方に押圧される。
As shown in FIG. 3A, when the turbo rotating machine is started / stopped, the
On the other hand, during the rated operation of the turbo rotating machine, as shown in FIG. 3B, there is a difference in the fluid pressure on both sides of the
このとき、可動シール部材20が実際に半径方向内方に移動するには、次の不等式を満足する必要がある。
背面圧力(P)×シールリング有効面積(A)>付勢力(F)+摩擦力(f)・・・(1)
ここで、摩擦力(f)は、可動シール部材20の低圧側端面26と溝6の壁面9との摺動部29における摩擦係数μ0に、スラスト力F0を乗じたものである。
At this time, in order for the
Back pressure (P) x effective area of seal ring (A)> biasing force (F) + frictional force (f) (1)
Here, the frictional force (f) is obtained by multiplying the friction coefficient μ 0 at the sliding
本発明者らは、鋭意検討の結果、摺動部29の摩擦力(f)がばらつきやすい傾向にあり、摺動部29における摩擦力(f)が自動調整シール1の動作に大きく影響することを認識するに至った。
As a result of intensive studies, the inventors have a tendency that the frictional force (f) of the sliding
そこで、本実施形態では、可動シール部材20の低圧側端面26および該低圧側端面26に対向する溝6の壁面9のうち少なくとも一方に潤滑皮膜を設け、摺動部29の摺動を円滑化する処理を施している。
Therefore, in the present embodiment, a lubricating film is provided on at least one of the low pressure
図4は、摺動部29に潤滑皮膜を設けた可動シール部材20の構成例を示す断面図である。同図に示す例では、可動シール部材20の低圧側端面26および該低圧側端面26に対向する溝6の壁面9の両方に潤滑皮膜40を設けているが、いずれか一方のみに潤滑皮膜40を設けてもよい。なお、潤滑皮膜40の膜厚は、摺動部29における摺動を十分に円滑化する観点から2〜7μmであることが好ましい。
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the
潤滑皮膜40の形成手法は、潤滑皮膜40の構成材料に応じて適切なものを選択することが好ましく、塗布、溶射又はめっきであってもよい。例えば、減摩性を有する粉末状固体又は鱗状固体の固体潤滑剤を分散させたグリースやペーストを塗布することで、潤滑皮膜40を形成してもよい。
As a method for forming the
潤滑皮膜40に用いる固体潤滑剤は、二硫化モリブデン、グラファイト、二硫化タングステン、フッ化黒鉛、窒化ホウ素、銅、ニッケル、鉛、錫、銀、四フッ化エチレン、ポリイミド及び高密度ポリエチレンの少なくとも一つからなることが好ましい。なかでも、潤滑性及び耐熱性に優れる二硫化モリブデンは、潤滑皮膜40の材料として好適に用いることができる。
The solid lubricant used for the
潤滑皮膜40が固体潤滑剤を含む場合、可動シール部材20の低圧側端面26および該低圧側端面26に対向する溝6の壁面9のいずれか一方にディンプル42を設け、固体潤滑剤を定着させることが好ましい。なお図4には、低圧側端面26に対向する溝6の壁面9にディンプル42を設けた例を示した。
これにより、可動シール部材20と溝6の壁面との摺動の円滑化効果が失われることを防止し、自動調整シール1の正常な動作を長期に亘って維持することができる。
ディンプル42は、例えばショットピーニングによって10μm程度の深さの凹部として形成してもよい。
When the
Thereby, it is possible to prevent the sliding smoothing effect between the
The
[第2実施形態]
次に、第2実施形態の自動調整シールについて説明する。
本実施形態の自動調整シールは、可動シール部材20の低圧側端面26および該低圧側端面26に対向する溝6の壁面9の摺動部29における摺動を円滑化する処理の具体的態様を除けば、第1実施形態の自動調整シールと共通する。したがって、ここでは、摺動部29における摺動の円滑化処理についてのみ説明する。
[Second Embodiment]
Next, the automatic adjustment seal of the second embodiment will be described.
The self-adjusting seal of the present embodiment is a specific aspect of the process of smoothing the sliding at the sliding
図5は、本実施形態の自動調整シールにおける可動シール部材20の低圧側端面26の周辺の構成例を示す断面図である。同図に示すように、摺動部29の摺動を円滑化する処理として、可動シール部材20の低圧側端面26に対向する溝6の壁面9の角部44に面取り加工(好ましくは1mm以上の面取り加工)が施されている。角部44に面取り加工を施すことで、角部44が可動シール部材20の低圧側端面26に引っかかることを防止し、摺動部29の摺動を円滑にすることができる。
なお、角部44の面取り加工後の形状は特に限定されないが、図5に示すように、角部44をR形状(湾曲形状)とすることで、角部44が可動シール部材20の低圧側端面26に引っかかることを確実に防止することができる。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example around the low-pressure side end face 26 of the
The shape of the
[第3実施形態]
続いて、第3実施形態の自動調整シールについて説明する。
本実施形態の自動調整シールは、可動シール部材20の低圧側端面26および該低圧側端面26に対向する溝6の壁面9の摺動部29における摺動を円滑化する処理の具体的態様を除けば、第1実施形態の自動調整シールと共通する。したがって、ここでは、摺動部29における摺動の円滑化処理についてのみ説明する。
[Third Embodiment]
Next, the automatic adjustment seal according to the third embodiment will be described.
The self-adjusting seal of the present embodiment is a specific aspect of the process of smoothing the sliding at the sliding
図6は、本実施形態の自動調整シールにおける可動シール部材20の低圧側端面26の周辺の構成例を示す断面図である。本実施形態では、可動シール部材20の低圧側端面26および該低圧側端面26に対向する溝6の壁面9の少なくとも一方の表面粗度Raを6.3μm以下にしている。これにより、摺動部29の摩擦係数μ0を小さくし、摺動部29における摺動を円滑にすることができる。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of the configuration around the low-pressure side end face 26 of the
以上説明したように、第1実施形態〜第3実施形態では、可動シール部材20の低圧側端面26および該低圧側端面26に対向する溝6の壁面9のうち少なくとも一方に、両者の摺動を円滑化する何らかの処理が施されている。このため、上述の不等式(1)における右辺第2項の「摩擦力(f)」が小さくなり、主として、左辺の「背面圧力(P)×シールリング有効面積(A)」および右辺第1項の「付勢力(F)」の大小関係で自動調整シール1の動作タイミングが決定される。これにより、自動調整シール1の個体差によるばらつきが生じやすい摺動部29の摩擦力が、自動調整シール1の動作にあまり影響しなくなるので、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで自動調整シール1を動作させることができる。
また、可動シール部材20の低圧側端面26および該低圧側端面26に対向する溝6の壁面9のうち少なくとも一方に、両者の摺動を円滑化する処理を施すことで、摺動部29の摩擦力のばらつき自体も低減されるので、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで自動調整シール1を動作させることができる。
As described above, in the first to third embodiments, the sliding of the low pressure side end face 26 of the
Further, by applying a process for smoothing the sliding of the sliding
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this, In the range which does not deviate from the summary of this invention, various improvement and deformation | transformation may be performed.
例えば、上述の実施形態では、単一の処理によって摺動部29の摺動を円滑化する例について説明したが、第1実施形態〜第3実施形態における摺動部29の摺動の円滑化処理を適宜組み合わせて採用してもよい。
For example, in the above-described embodiment, the example in which the sliding of the sliding
また、上述の実施形態では、固定シール部材10及び可動シール部材20を備え、固定シール部材10及び可動シール部材20の内周側にシールフィンが設けられ、該シールフィンと、ロータ2の周方向に沿って形成された凹凸溝とで流体の漏れを抑制する構成の自動調整シール1について説明したが、本発明に係る自動調整シールはこの例に限定されない。例えば、固定シール部材10及び可動シール部材20に凹凸溝を設け、回転部材(ロータ2)にシールフィンを設けてもよい。
図7は、可動シール部材20に凹凸溝を設け、ロータ2にシールフィンを設けた例を示す断面図である。同図に示すように、可動シール部材20のロータ2と対向する内周面に凹凸溝50が周方向に沿って形成されており、ロータ2にシールフィン52が周方向に沿って形成されている。
In the above-described embodiment, the fixed seal member 10 and the
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example in which the concave and convex grooves are provided in the
また図7に示すように、可動シール部材20のロータ2に対向する表面上に、アブレイダブル材からなる皮膜54が溶射によって形成されていることが好ましい。
これにより、仮にターボ回転機械の運転中に可動シール部材20が何らかの要因でロータ2に接触することがあっても、皮膜54が容易に切削されるので発熱を抑制することができ、発熱に起因する回転部材の曲がり変形を防止できる。一方、上述の構成を有する自動調整シール1は、ターボ回転機械の稼動状態に応じて所望のタイミングで動作可能であり、ターボ回転機械が定格運転に達する前ターボ回転機械が定格運転に達する前(特に、非定常運転時のクリティカルポイントを通過するまで)にシール間隙が狭まるようなことはないから、アブレイダブル材からなる皮膜54のロータ2との接触による想定以上の損傷を防止できる。
As shown in FIG. 7, it is preferable that a
As a result, even if the
1 自動調整シール
2 ロータ
4 ダミー環
6 溝
7 内部空間
8 凹凸溝
9 壁面
10 固定シール部材
12 合せ面
14 合せ面
20 可動シール部材
22 シールフィン
24 上部押え板
26 低圧側端面
28 高圧側端面
29 摺動部
30 皿ばね
32 支持板
40 潤滑皮膜
42 ディンプル
44 角部
50 凹凸溝
52 シールフィン
54 皮膜
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記回転部材に沿うように、前記静止部材に設けられた溝に嵌着された可動シール部材と、
前記回転部材との間隙が広がるように前記可動シール部材を付勢する付勢手段とを備え、
少なくとも前記ターボ回転機械の定格運転時において、前記可動シール部材の高圧側端面と前記溝との間を介して前記溝の内部に流入した前記流体によって、前記可動シール部材が前記付勢手段の付勢力に抗して前記回転部材側に押圧されるように構成されるとともに、
前記可動シール部材の低圧側端面および該低圧側端面に対向する前記溝の壁面のうち少なくとも一方に、前記可動シール部材の前記低圧側端面と前記溝の前記壁面との摺動を円滑化する処理が施されたことを特徴とするターボ回転機械用の自動調整シール。 A rotating member rotates while facing a stationary member, and is an automatic adjustment seal for a turbo rotating machine that transfers energy between the rotating member and a fluid,
A movable seal member fitted in a groove provided in the stationary member so as to follow the rotating member;
Urging means for urging the movable seal member so that a gap with the rotating member is widened,
At least during rated operation of the turbo rotating machine, the movable seal member is attached to the biasing means by the fluid flowing into the groove through the gap between the high-pressure end surface of the movable seal member and the groove. It is configured to be pressed against the rotating member against the force,
A process for facilitating sliding between the low pressure side end surface of the movable seal member and the wall surface of the groove on at least one of the low pressure side end surface of the movable seal member and the wall surface of the groove facing the low pressure side end surface. Self-adjusting seal for turbo rotating machines, characterized in that
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