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WO2010146797A1 - 軸シール装置 - Google Patents

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Info

Publication number
WO2010146797A1
WO2010146797A1 PCT/JP2010/003809 JP2010003809W WO2010146797A1 WO 2010146797 A1 WO2010146797 A1 WO 2010146797A1 JP 2010003809 W JP2010003809 W JP 2010003809W WO 2010146797 A1 WO2010146797 A1 WO 2010146797A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
seal
thin plate
shaft
pressure side
rotating shaft
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/003809
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
上原秀和
篠原種宏
中野隆
西本慎
平川裕一
Original Assignee
三菱重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱重工業株式会社 filed Critical 三菱重工業株式会社
Priority to CN201080012896.5A priority Critical patent/CN102362109B/zh
Priority to US13/203,874 priority patent/US20110309585A1/en
Priority to JP2011519519A priority patent/JP5738184B2/ja
Priority to EP10789181.4A priority patent/EP2444701B1/en
Publication of WO2010146797A1 publication Critical patent/WO2010146797A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/44—Free-space packings
    • F16J15/447—Labyrinth packings
    • F16J15/4472—Labyrinth packings with axial path
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/3284—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings characterised by their structure; Selection of materials
    • F16J15/3292—Lamellar structures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/44—Free-space packings
    • F16J15/445—Free-space packings with means for adjusting the clearance
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals
    • F05D2240/57—Leaf seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals
    • F05D2240/59—Lamellar seals

Definitions

  • annular gap is formed between a stationary member such as a stationary blade and a rotating member such as a rotating shaft.
  • the working fluid passes through the annular gap and leaks from the high pressure side toward the low pressure side.
  • a shaft seal device is used.
  • non-contact type labyrinth seals have been widely used as one of such shaft seal devices.
  • such a shaft seal mechanism needs to prevent the tip of the fin from coming into contact with surrounding members due to shaft vibration during a rotational transition period or thermal transient thermal deformation. For this reason, the clearance between the fin tips, that is, the seal clearance has to be increased to some extent, which increases the amount of leakage of the working fluid.
  • An abradable seal is known as a shaft seal device that compensates for the drawbacks of such a labyrinth seal (see, for example, Patent Document 1).
  • the abradable seal has a plurality of rows of protruding seal fins on either the rotating shaft or the stationary member, and the other has a low amount of heat generated by sliding and excellent cutting performance (hereinafter referred to as free cutting). (Referred to as a material).
  • free cutting (Referred to as a material).
  • this abradable seal even if the seal fin and the free cutting material come into contact with each other for some reason during operation, the free cutting material is easily cut by the seal fin. Therefore, generation of sliding heat generation and bending deformation of the rotating shaft due to the heat generation are suppressed, and occurrence of problems such as vibration due to the deformation can be prevented.
  • a thin plate seal having a structure in which flat plate-like thin plates are arranged in multiple layers in the circumferential direction of the rotating shaft is known (for example, see Patent Document 2).
  • this thin plate seal when the rotating shaft is stopped, the inner peripheral tip of the thin plate comes into contact with the rotating shaft with a predetermined preload, and when the rotating shaft rotates, the leading end of the thin plate floats due to the dynamic pressure effect generated by rotating the rotating shaft. To do. As a result, the thin plate and the rotary shaft are not in contact with each other when the rotary shaft rotates, thereby preventing wear of each thin plate and the rotary shaft.
  • Patent Document 3 discloses a hybrid brush / honeycomb seal in which a single shaft seal device is configured by combining a brush seal and a honeycomb seal to improve the leakage prevention performance of the working fluid. ing.
  • the seal clearance can be reduced.
  • the seal clearance increases after contact sliding. Therefore, since the flow rate of the working fluid increases at the sliding portion, there is a drawback that it is impossible to prevent the leakage stably over a long period of time.
  • the pressure difference between the high pressure side region and the low pressure side region is larger than a predetermined value, the seal clearance becomes too large and the flow rate increases, so the pressure between the usable high pressure side region and the low pressure side region can be increased. The difference must be set below a certain level.
  • both the brush seal and the honeycomb seal to be used are configured to separate the high pressure side and the low pressure side by sliding in contact between the rotating side and the fixed side. Therefore, there exists a fault that these will wear out gradually as both seals are used. Therefore, it is inferior in durability and cannot prevent leakage stably over a long period of time.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and even when the pressure difference between the high-pressure side region and the low-pressure side region is large, it is possible to stably prevent the working fluid from leaking between these regions.
  • An object of the present invention is to provide a shaft seal device capable of achieving the above.
  • a shaft seal device is a shaft seal device that seals between the outer peripheral surface of a rotating shaft and a stationary member provided on the outer peripheral side of the rotating shaft, and is disposed along the circumferential direction of the rotating shaft.
  • a thin plate seal having a plurality of thin plates, a free-cutting material disposed at a position different from the thin plate seal in the axial direction, and disposed on one of the rotating shaft and the stationary member, and the rotating shaft and the stationary member
  • an abradable seal having a seal fin protruding from the other side toward the one side.
  • the shaft seal device having such characteristics, even if the wear of the free-cutting material in the abradable seal progresses and the seal clearance increases, the thin plate seal and the abradable seal share the differential pressure. Is done. Thereby, since the differential pressure generated by the abradable seal alone is reduced, it is possible to suppress the flow rate change from the high pressure side region toward the low pressure region in the abradable seal. In particular, when the seal clearance of the abradable seal increases, the share ratio of the differential pressure by the thin plate seal becomes larger than the share ratio of the abradable seal. Therefore, the flow rate change in the abradable seal can be effectively suppressed. By sharing the differential pressure, the differential pressure generated in the thin plate seal can be reduced.
  • the free-cutting material means any member as long as it has excellent machinability with respect to the seal fin, and is made of a known abradable film or abradable layer, or a metal or ceramic. A honeycomb structure is also included.
  • the thin plate seal may be disposed on a higher pressure side than the abradable seal.
  • the abradable seal is disposed on the high-pressure side of the thin plate seal
  • the cutting material is generated when the free-cutting material comes into contact with the seal fin and wears, and the cutting powder is applied to the thin plate seal. Inflow.
  • the cutting powder is interposed between the thin plates of the thin plate seal, it is impossible to maintain an appropriate gap between the thin plates, and the rigidity is increased. Therefore, the pressing force of the thin plate increases to cause wear, and the flow rate change in the thin plate seal occurs.
  • the thin plate seal since the thin plate seal is disposed on the higher pressure side than the abradable seal, the thin plate seal is not affected by cutting powder, and the rigidity of the thin plate does not increase. Therefore, it is possible to prevent the working fluid from leaking stably in the thin plate seal.
  • a housing is provided between the outer peripheral surface of the rotating shaft and the stationary member, and the thin plate seal and one of the seal fin and the free-cutting material of the abradable seal are adjacent to the inner periphery of the housing. May be arranged.
  • the shaft seal device having such a feature, since the thin plate seal and the abradable seal are disposed in the housing so as to be adjacent to each other, it is possible to share the appropriate differential pressure as described above. .
  • the shaft seal device of the present invention when the differential pressure between the high-pressure side region and the low-pressure side region is large by providing the thin plate seal with excellent wear resistance and high durability and the abradable seal with high differential pressure resistance. Even so, it is possible to stably prevent the working fluid from leaking over a long period of time.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a shaft seal device according to an embodiment in a cross section including an axial direction.
  • the shaft seal device 10 is installed between a rotating shaft 1 and a stator (stationary member) 2 in a rotary machine such as a gas turbine, for example, and an annular space formed between the rotating shaft 1 and the stator 2 is used.
  • the working fluid is prevented from leaking from the high pressure side region (the right side region in FIG. 1) toward the low pressure side region (the left side region in FIG. 1).
  • the shaft seal device 10 of the present embodiment is not only applied to the gas turbine, but also, for example, a large-scale fluid machine such as a steam turbine, a compressor, a water turbine, a refrigerator, a pump, etc. Therefore, it can be widely used for rotating machines that convert energy into work.
  • a large-scale fluid machine such as a steam turbine, a compressor, a water turbine, a refrigerator, a pump, etc. Therefore, it can be widely used for rotating machines that convert energy into work.
  • the shaft seal device 10 is composed of two seals, a thin plate seal 20 and an abradable seal 30.
  • a recess 2 a formed in an annular shape around the axial direction is formed on the inner peripheral surface of the stator 2 that faces the outer peripheral surface of the rotating shaft 1 of the stator 2.
  • the thin plate seal 20 and the abradable seal 30 are arranged adjacent to each other at different positions in the axial direction on the inner peripheral side of the housing 3 fitted and fixed in the recess 2a.
  • the configuration of the thin plate seal 20 will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the thin plate seal 20 is disposed on the high pressure region side of the abradable seal 30.
  • a plurality of thin plates 21, U-shaped holding rings 22 and 23, and a high pressure side plate are provided. 24, a low-pressure side plate 25, a connection member 26, a spacer 27, and a leaf spring 28.
  • the plurality of thin plates 21 are made of metal arranged in a multiple manner at minute intervals in the circumferential direction of the rotating shaft 1.
  • the holding rings 22 and 23 sandwich the thin plate 21 from both sides at the base end on the outer peripheral side of the thin plate 21.
  • the high-pressure side plate 24 is sandwiched between one side edge facing the high-pressure side region of the thin plate 21 and the holding ring 22.
  • the low-pressure side plate 25 is sandwiched between the other side edge facing the low-pressure side region of the thin plate 21 and the holding ring 23.
  • the connecting member 26 connects the holding rings 22 and 23 on the outer peripheral side of the thin plate 21.
  • the spacer 27 suppresses rattling of the thin plates 21 held between the holding rings 22 and 23.
  • the leaf spring 28 supports each thin plate 21 held between the holding rings 22 and 23 in a biased state so as to be coaxial with the rotary shaft 1.
  • the thin plate 21 has a width at the tip on the inner peripheral side (in the axial direction of the rotary shaft 1) as compared with the width at the base end on the outer peripheral side (in the axial direction of the rotary shaft 1). It is comprised by the substantially T-shaped thin steel plate with which a width
  • the plurality of thin plates 21 are stacked so as to have the same width in the axial direction of the rotary shaft 1.
  • the plurality of thin plates 21 are fixed to each other at their base ends by, for example, welding.
  • the thin plate 21 has a predetermined rigidity determined by its thickness in the circumferential direction of the rotary shaft 1. Further, the thin plate 21 is attached to the holding rings 22 and 23 so that an angle formed between the thin plate 21 and the outer peripheral surface of the rotary shaft 1 with respect to the rotation direction of the rotary shaft 1 is an acute angle.
  • Step portions 24a and 25a are provided so that the axial width of the rotary shaft 1 on the outer peripheral side of the high-pressure side plate 24 and the low-pressure side plate 25 is wider than other positions.
  • the step portions 24a and 25a are fitted into the notches 21a and 21b of the thin plate 21, respectively.
  • the holding ring 22 includes a groove 22a on a surface facing one side edge (high pressure side) at the base ends of the plurality of thin plates 21.
  • the holding ring 23 includes a groove 23 a on the surface facing the other side edge (low pressure side) at the base ends of the plurality of thin plates 21.
  • a groove 22a of the retaining ring 22 is fitted into one side edge (high pressure side) of the plurality of thin plates 21 on the base end side.
  • the other side edge (low pressure side) on the base end side of the plurality of thin plates 21 is fitted in the groove 23 a of the holding ring 23.
  • connection member 26 is inserted between the holding rings 22 and 23 into which the outer peripheral base end sides of the plurality of thin plates 21 are fitted, and the connection member 26 is welded to the holding rings 22 and 23 to hold the connection.
  • the rings 22 and 23 are fixed to each other.
  • a spacer 27 is inserted between the base end of each thin plate 21 and the holding rings 22 and 23 so as to contact the base end of each thin plate 21 and the holding rings 22 and 23.
  • a leaf spring 28 that is in contact with the spacer 27 and the holding rings 22 and 23 is fixed to the outer peripheral side of the spacer 27 and the holding rings 22 and 23.
  • the thin plate seal 20 configured in this manner is fitted into the annular groove 5 formed on the inner peripheral surface of the housing 3 from the holding rings 22 and 23 side together with the annular mounting piece 4.
  • the annular groove 5 is formed on the side surface facing one side edge (high-pressure side) of the thin plate 21 so that the outer peripheral side width is wider than the inner peripheral side width in the axial direction of the rotary shaft 1.
  • a step is provided.
  • a slidable contact surface 5a is formed as a surface facing the outer peripheral side at the step. The sliding contact surface 5 a is in sliding contact with the inner peripheral surface of the holding ring 23 of the thin plate seal 20.
  • the slidable contact surface 5 b that is a surface facing the inner peripheral side in the groove 5 is in slidable contact with the leaf spring 28 provided on the outer peripheral side of the thin plate seal 20.
  • the width of the inner peripheral side of the groove 5 is formed to be sufficiently wider than the width of the thin plate seal 20 in the axial width of the rotating shaft 1.
  • the mounting piece 4 faces the other side edge (low pressure side) of the thin plate 21 so that the outer peripheral side width is narrower than the inner peripheral side width in the axial direction of the rotary shaft 1.
  • a step is provided on the side surface.
  • a surface facing the outer peripheral side in this step is formed as a sliding contact surface 4a.
  • the sliding contact surface 4 a is in sliding contact with the surface facing the inner peripheral side of the holding ring 22.
  • a side surface of the mounting piece 4 that faces the other side edge (low pressure side) of the thin plate 21 is a pressure receiving surface 4 b that contacts the low pressure side plate 25.
  • the thin plate seal 20 is held on the base end side by the groove 5 and the mounting piece 4 of the housing 3 having the above-described configuration. That is, the inner peripheral surfaces of the holding rings 22 and 23 are in sliding contact with the sliding contact surface 5a of the groove 5 and the sliding contact surface 4a of the mounting piece 4, and are fixed to the outer peripheral side of the holding rings 22 and 23.
  • the thin plate seal 20 is held in a state in which the thin plate seal 20 is fitted into the housing 3 by the sliding contact 28 with the sliding contact surface 5 b of the groove 5. At this time, the thin plate seal 20 can be moved relative to the groove 5 in the axial direction of the rotary shaft 1.
  • the gas pressure acts on the plurality of thin plates 21 of the thin plate seal 20, so that the thin plate seal 20 moves toward the low pressure side and the low pressure side plate. 25 abuts against the pressure receiving surface 4 b of the mounting piece 4.
  • the abradable seal 30 includes a low pressure side inner peripheral surface 6 that is an inner peripheral surface of the housing 3 located on the low pressure side of the groove 5 and a rotary shaft 1 that faces the low pressure side inner peripheral surface 6. It is configured between. Specifically, a plurality of seal fins 31 projecting from the rotating shaft 1 side toward the stator 2 side, that is, the housing 3 side, and the stator 2 side, that is, the inner peripheral surface 6 on the low pressure side of the housing 3 are arranged. And the free-cutting material 32 made.
  • a plurality of seal fins 31 are formed at substantially equal intervals in the axial direction of the rotary shaft 1, and in this embodiment, the seal fins 31 from the outer peripheral surface of the rotary shaft 1 are formed.
  • the amount of protrusion differs between adjacent seal fins 31. Note that the protruding amounts of these seal fins 31 may all be equal.
  • the free-cutting material 32 is laminated over the entire area of the low pressure side inner peripheral surface 6 of the housing 3 facing the region where the seal fin 31 of the rotating shaft 1 is formed.
  • the amount of lamination toward the inner peripheral side in the axial direction is different so that the clearances with the seal fins 31 are substantially equal according to the protruding amount of the seal fins 31.
  • a uniform amount may be laminated over the entire area of the low pressure side inner peripheral surface 6.
  • the free-cutting material 32 is made of a material that has low sliding frictional heat and excellent cutting properties.
  • a material that has low sliding frictional heat and excellent cutting properties For example, cobalt, nickel, chromium, aluminum, and yttrium-based materials (CoNiCrAlY-based materials), nickel, chromium, and aluminum-based materials are used.
  • abradable materials made of various known free-cutting materials such as nickel, chromium, iron, aluminum, boron, and nitrogen-based materials (NiCrFeAlBN-based materials).
  • a honeycomb layer made of metal or ceramic can be used in addition to the abradable material.
  • the inner peripheral surface 7 on the high pressure side which is the inner peripheral surface of the housing 3, which is located on the higher pressure side than the groove 5 in the housing 3, projects toward the rotary shaft 1 side.
  • the first labyrinth seal 40 is configured on the high-pressure side of the thin plate seal 20. Further, a part of the inner peripheral surface of the mounting piece 4 has a shape protruding toward the rotating shaft 1, whereby the second labyrinth seal 41 is provided between the thin plate seal 20 and the abradable seal 30. It is configured.
  • the first labyrinth seal 40 and the second labyrinth seal 41 are provided for the purpose of further reducing the leakage amount of the working fluid. These do not necessarily have to be provided, and the shaft seal device 10 may be composed of only the thin plate seal 20 and the abradable seal 30.
  • the free-cutting material 32 is caused by the seal fin 31. It is easily cut, and generation of sliding heat generation and bending deformation of the rotating shaft 1 due to the heat generation are suppressed. Further, since the contact between the seal fin 31 and the free-cutting material 32 is allowed in this way, the gap between the two, that is, the seal clearance can be set small. Therefore, the flow rate of the working fluid leaking from the high pressure side region to the low pressure side region can be effectively suppressed.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view including the axial direction of the shaft seal device 50 according to the comparative example.
  • This shaft seal device 50 is constituted only by the abradable seal 30 described above.
  • a plurality of seal fins 31 are formed on the rotating shaft 1 side, and a free-cutting material 32 is laminated on the inner peripheral surface 8 of the housing 3 facing the seal fins 31.
  • FIG. 5A is a graph showing a differential pressure curve from the high pressure side toward the low pressure side in the initial stage of rotation.
  • FIG. 5B is a graph showing a differential pressure curve from the high pressure side to the low pressure side after sliding.
  • the flow rate Q that leaks from the high pressure side to the low pressure side is three as shown in FIG. Shows proportional relationship with parameters.
  • the seal fin 31 slides in contact with the free-cutting material 32 and cuts, so that the average seal clearance ⁇ increases as compared with the initial rotation shown in FIG. 5A. If this increase is ⁇ , the average seal clearance after sliding is ⁇ + ⁇ , as shown in FIG. 5B. Accordingly, the flow rate Q ′ after sliding increases by an amount of ⁇ from the initial flow rate Q. That is, in the shaft seal device 50 of the comparative example, the leakage flow rate increases as the cutting amount of the free cutting material 32 by the seal fin 31 increases.
  • FIG. 6A is a graph showing a differential pressure curve from the high pressure side toward the low pressure side in the initial stage of rotation.
  • FIG. 6B is a graph showing a differential pressure curve from the high pressure side to the low pressure side after sliding.
  • the flow rate Q at which the abradable seal 30 leaks from the high pressure side to the low pressure side is, as shown in FIG. 6A, the average seal clearance ⁇ , the differential pressure ⁇ P ′, and the reciprocal 1 / The proportional relationship is shown with the three parameters N ′.
  • the differential pressure ⁇ P ′ applied to the abradable seal 30 in the shaft seal device 10 of the embodiment is more than the differential pressure ⁇ P applied to the shaft seal device 10 as a whole by sharing the differential pressure with the thin plate seal 20. It will be small.
  • the average seal clearance ⁇ increases as compared with the initial rotation shown in FIG. 6A.
  • the average seal clearance after sliding is ⁇ + ⁇ , as shown in FIG. 6B.
  • the share of the differential pressure ⁇ P changes. That is, the amount of differential pressure sharing in the thin plate seal 20 increases, and the amount of differential pressure sharing in the abradable seal 30 decreases. As a result, a differential pressure ⁇ P ′′ smaller than the differential pressure ⁇ P ′ at the initial rotation is applied to the abradable seal 30.
  • the shaft seal device 10 of the embodiment although the average seal clearance of the abradable seal 30 increases after sliding, the differential pressure applied to the abradable seal 30 decreases. Therefore, as a result, the fluctuation of the flow rate Q ′ after sliding from the flow rate Q at the initial rotation can be kept low. That is, in the shaft seal device 10 of the embodiment, even when the free-cutting material 32 is cut by the seal fins 31, the working fluid can be effectively prevented from leaking.
  • the shaft seal device 10 of the embodiment even when the wear of the free-cutting material 32 in the abradable seal 30 progresses and the seal clearance increases, the differential pressure with the thin plate seal 20 is increased. Thus, the differential pressure generated in the abradable seal 30 alone can be reduced. Therefore, it is possible to suppress a change in flow rate from the high pressure side region toward the low pressure side region in the abradable seal 30.
  • the seal clearance of the abradable seal 30 is increased, the share ratio of the differential pressure by the thin plate seal 20 is larger than the share ratio of the abradable seal 30. Therefore, the flow rate change in the abradable seal 30 can be effectively suppressed, thereby preventing the working fluid from leaking in the shaft seal device 10 as a whole.
  • the sheet seal 20 cannot normally be used alone.
  • the differential pressure is shared by the thin plate seal 20 and the abradable seal, the differential pressure generated in the thin plate seal 20 can be reduced. Therefore, even if the differential pressure between the high pressure side region and the low pressure side region is so large that the thin plate seal 20 alone cannot be sealed, the thin plate seal 20 can be applied. Furthermore, since the thin plate seal 20 has high wear resistance, it is possible to stably prevent leakage over a long period of time.
  • the thin plate seal 20 having excellent wear resistance and high durability and the abradable seal 30 having high differential pressure resistance are provided. Even when the differential pressure between the low pressure side region and the low pressure side region is large, it is possible to stably prevent the working fluid from leaking over a long period of time.
  • the abradable seal 30 when it is assumed that the abradable seal 30 is disposed on the high pressure side of the thin plate seal 20, the free cutting material 32 comes into contact with the seal fins 31 and wears, whereby the free cutting material 32 is cut.
  • the powder flows into the thin plate seal 20.
  • This cutting powder increases the rigidity of the thin plate 21 in the thin plate seal 20, which causes wear and changes in the flow rate in the thin plate seal 20.
  • the thin plate seal 20 is disposed on the high pressure side with respect to the abradable seal 30, so that the rigidity of the thin plate 21 of the thin plate seal 20 does not increase as described above, and the thin plate seal In 20, the working fluid can be stably prevented from leaking.
  • one thin plate seal 20 and one abradable seal 30 are arranged, but at least one of them may be arranged in plural.
  • the thin plate seal 20 is arranged on the high pressure side of the abradable seal 30, but this is the opposite, that is, the abradable seal 30 is arranged on the high pressure side of the thin plate seal 20. May be.
  • the cutting powder of the free cutting material 32 flows into the thin plate seal 20.
  • a shaft seal device that makes use of the advantages of the thin plate seal 20 and the abradable seal 30 is configured. Can do.
  • the seal shaft 31 is formed on the rotating shaft 1 and the free cutting material 32 is arranged on the stator 2 side, that is, the housing 3. 1 may have a configuration in which the free-cutting material 32 is arranged and the seal fin 31 is formed on the stator 2 side.
  • the shaft seal device of the present invention when the differential pressure between the high-pressure side region and the low-pressure side region is large by providing the thin plate seal with excellent wear resistance and high durability and the abradable seal with high differential pressure resistance. Even so, it is possible to stably prevent the working fluid from leaking over a long period of time.
  • Rotating shaft Stator (stationary member) 3 Housing 10 Shaft seal device 20 Thin plate seal 21 Thin plate 24 High pressure side plate 25 Low pressure side plate 30 Abradable seal 31 Seal fin 32 Free-cutting material

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Abstract

　回転軸の外周面と該回転軸の外周側に設けられた静止部材との間をシールする軸シール装置であって、回転軸の周方向に沿って配設された複数の薄板を有する薄板シールと、該薄板シールと軸方向に異なる位置に配置され、前記回転軸及び前記静止部材の一方に配された快削材、及び、前記回転軸及び前記静止部材の他方から前記一方に向かって突出したシールフィンを有するアブレイダブルシールとを備える。

Description

軸シール装置
　本発明は、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の回転軸に対してシールを施す軸シール装置に関する。
　本願は、２００９年０６月１６日に日本出願された特願２００９－１４３１２４に基づいて優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　一般的に、ガスタービンや蒸気タービン等の回転機械において、静翼等の静止する部材と回転軸などの回転する部材との間には環状の隙間ができる。作動流体は、この環状の隙間を通過して高圧側から低圧側に向かって漏洩してしまう。これを防止するために、軸シール装置が用いられている。このような軸シール装置の一つとして、従来、非接触型のラビリンスシールが幅広く用いられていた。しかし、このような軸シール機構は、回転過渡期の軸振動や熱過渡的な熱変形によってフィン先端が周囲の部材に接触しないようにする必要があった。そのため、フィン先端の隙間、即ち、シールクリアランスをある程度大きくしなければならず、これによって作動流体の漏れ量が多くなってしまっていた。
　このようなラビリンスシールの欠点を補う軸シール装置として、アブレイダブルシールが知られている（例えば特許文献１参照）。
　アブレイダブルシールは、回転軸と静止する部材とのいずれか一方に複数列の突形のシールフィンを配置するとともに、他方に摺動発熱量が低く切削性に優れた部材（以下、快削材と称する）を介在させる。このアブレイダブルシールによれば、仮に運転中に何らかの要因でシールフィンと快削材とが接触することがあっても、快削材がシールフィンによって容易に切削される。そのため、摺動発熱の発生や該発熱による回転軸の曲がり変形が抑止され、この変形による振動等の不具合発生を防止することができる。
　上記ラビリンスシールにおける作動流体の漏れ量を低減させる技術として、上記アブレイダブルシールの他に、平板状の薄板を回転軸の周方向に多層に配置した構造をなす薄板シールが知られている（例えば特許文献２参照）。
　この薄板シールは、回転軸の停止時には薄板の内周側先端が所定の予圧で回転軸に接触し、回転軸の回転時には該回転軸が回転することで生じる動圧効果によって薄板の先端が浮上する。これによって、回転軸の回転時には薄板と回転軸とが非接触状態となり、各薄板及び回転軸との磨耗防止を図っている。
　以上の他に、ブラシシールとハニカムシールとを組み合わせて一の軸シール装置を構成することで、作動流体の漏れ防止性能の向上を図ったハイブリッド型ブラシ・ハニカムシールが例えば特許文献３に開示されている。
特開２００２－２２８０１３号公報 特許第３９１７９９３号公報 特開２００４－１５０４３０号公報
　上記アブレイダブルシールにおいては、シールフィンと快削材との接触が許容されるため、シールクリアランスの低減を図ることができる。しかし、接触摺動後には当該シールクリアランスが増大してしまう。したがって、この摺動箇所において作動流体の流量が増加してしまうため、長期に亙って安定的な漏れ防止を図ることができないという欠点がある。
　上記薄板シールにおいては、高圧側領域と低圧側領域との圧力差が所定以上大きい場合、シールクリアランスが大きくなり過ぎて流量が増加してしまうため、使用できる高圧側領域と低圧側領域との圧力差を所定以下に設定しなければならない。また、当該薄板シールを複数連設すれば圧力差が大きい場合でも使用可能であるものの、コスト高となってしまう。
　上記ハイブリッド型ブラシ・ハニカムシールにおいては、使用されるブラシシール及びハニカムシールがともに回転側と固定側との間に接触摺動することにより高圧側と低圧側とを隔てる構成である。そのため、両シールを使用するに従ってこれらが徐々に摩耗してしまうという欠点がある。したがって、耐久性に劣り、長期にわたって漏れ防止を安定的に図ることができない。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、高圧側領域と低圧側領域との間の圧力差が大きい場合であっても、これら領域間で安定的に作動流体の漏れ防止を図ることが可能な軸シール装置を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するため、この発明は以下の手段を提案している。
　本発明に係る軸シール装置は、回転軸の外周面と該回転軸の外周側に設けられた静止部材との間をシールする軸シール装置であって、回転軸の周方向に沿って配設された複数の薄板を有する薄板シールと、該薄板シールと軸方向に異なる位置に配置され、前記回転軸及び前記静止部材の一方に配された快削材、及び、前記回転軸及び前記静止部材の他方から前記一方に向かって突出したシールフィンを有するアブレイダブルシールとを備える。
　このような特徴の軸シール装置によれば、アブレイダブルシールにおける快削材の摩耗が進行してシールクリアランスが増大した場合であっても、薄板シールとアブレイダブルシールとによって差圧の分担が行なわれる。これにより、アブレイダブルシール単体により生じる差圧は小さくなるため、該アブレイダブルシールにおける高圧側領域から低圧領域に向かっての流量変化を抑制することが可能となる。特に、アブレイダブルシールのシールクリアランスが増大した場合には、薄板シールによる差圧の分担比率の方がアブレイダブルシールの分担比率に比べて大きくなる。そのため、アブレイダブルシールにおける流量変化を効果的に抑制することができる。
　差圧の分担によって、薄板シールに生じる差圧を小さくすることができる。高圧側領域と低圧側領域との差圧が薄板シール単体ではシールできない程に大きい場合であっても、当該薄板シールを適用して、安定したシールを施すことが可能となる。さらに、この薄板シールは、耐摩耗性が高いため、長期にわたって安定的に漏れ防止を図ることができる。
　なお、快削材とは、シールフィンに対して切削性に優れた部材ならばいかなる部材をも含み意味であり、周知のアブレイダブル皮膜やアブレイダブル層の他、金属又はセラミック等からなるハニカム構造体も含む。
　前記薄板シールが前記アブレイダブルシールよりも高圧側に配置されていてもよい。
　ここで、アブレイダブルシールが薄板シールよりも高圧側に配置されたものと仮定した場合、快削材がシールフィンと接触して摩耗することで切削粉が生じ、該切削粉が薄板シールに流入する。この切削粉が薄板シールの薄板間に介在すると、薄板間の適正隙間を維持することができなくなり、また、剛性を増加させてしまう。そのため、薄板の押付力が増加して摩耗を引き起こすとともに、該薄板シールにおける流量変化が生じてしまう。
　この点、本発明においては薄板シールがアブレイダブルシールよりも高圧側に配置されているため、薄板シールが切削粉の影響を受けることはなく、薄板の剛性が増加することはない。したがって、薄板シールにおいて安定的に作動流体の漏れが防止を図ることができる。
　前記回転軸の外周面と前記静止部材との間にハウジングが設けられ、該ハウジングの内周に、前記薄板シールと、前記アブレイダブルシールの前記シールフィン及び前記快削材の一方とが隣接して配置されていてもよい。
　このような特徴の軸シール装置によれば、薄板シール及びアブレイダブルシールが互いに隣接するようにハウジングに配置されているため、上記のような適切な差圧の分担を図ることが可能となる。
　本発明の軸シール装置によれば、耐摩耗性に優れ耐久性の高い薄板シールと耐差圧性の高いアブレイダブルシールとを備えることにより、高圧側領域と低圧側領域の差圧が大きい場合であっても長期にわたって安定的に作動流体の漏れ防止を図ることが可能となる。
軸方向を含む断面における実施形態に係る軸シール装置の概略構成図である。 図１における薄板シールの拡大図である。 図１におけるアブレイダブルシールの拡大図である。 軸方向を含む断面における比較例に係る軸シール装置の概略構成図である。 比較例の軸シール装置における、回転初期の高圧側から低圧側に向かっての差圧曲線を示すグラフである。 比較例の軸シール装置における、摺動後の高圧側から低圧側に向かっての差圧曲線を示すグラフである。 実施形態の軸シール装置における、回転初期の高圧側から低圧側に向かっての差圧曲線を示すグラフである。 実施形態の軸シール装置における、摺動後の高圧側から低圧側に向かっての差圧曲線を示すグラフである。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
　図１は軸方向を含む断面における実施形態に係る軸シール装置の概略構成図である。軸シール装置１０は、例えばガスタービン等の回転機械における回転軸１とステータ（静止部材）２との間に設置され、回転軸１とステータ２との間に形成される環状の空間を介して高圧側領域（図１において右側の領域）から低圧側領域（図１において左側の領域）に向かって作動流体が漏洩するのを防止する。
　本実施形態の軸シール装置１０は、上記ガスタービンへの適用のみならず、例えば、蒸気タービン、圧縮機、水車、冷凍機、ポンプ等の大型流体機械のように、軸の回転と流体の流動の関係でエネルギーを仕事に変換する回転機械全般に広く採用することができる。
　軸シール装置１０は、薄板シール２０とアブレイダブルシール３０との２つのシールから構成されている。本実施形態においては、図１に示すように、ステータ２の回転軸１の外周面と対向するステータ２の内周面に、軸方向を中心として環状に形成された凹所２ａが形成されており、該凹所２ａ内に嵌め込まれて固定されたハウジング３の内周側における軸方向の異なる位置に薄板シール２０及びアブレイダブルシール３０が互いに隣接するようにして配置されている。
　薄板シール２０の構成について図１及び図２を参照して説明する。
　この薄板シール２０は、アブレイダブルシール３０よりも高圧領域側に配置されており、詳しくは図２に示すように、複数の薄板２１と、Ｕ字型の保持リング２２，２３と、高圧側板２４と、低圧側板２５と、接続部材２６と、スペーサ２７と、板バネ２８とから構成されている。複数の薄板２１は、回転軸１の周方向に互いに微少間隔を開けて多重に配列された金属からなる。保持リング２２，２３は、該薄板２１の外周側基端において薄板２１を両側から挟持する。高圧側板２４は、薄板２１における高圧側領域に対向する一方の側縁と保持リング２２とによって挟み込まれている。低圧側板２５は、薄板２１における低圧側領域に対向する他方の側縁と保持リング２３とで挟み込まれている。接続部材２６は、両保持リング２２，２３を薄板２１の外周側で接続する。スペーサ２７は、保持リング２２，２３で狭持される各薄板２１のがたつきを抑制する。板バネ２８は、保持リング２２，２３で狭持される各薄板２１を回転軸１と同軸をなすように付勢状態に支持する。
　このように構成される薄板シール２０において、薄板２１は、外周側の基端の幅（回転軸１の軸方向の幅）に比べて内周側の先端の幅（回転軸１の軸方向の幅）が狭くなる略Ｔ字型の薄い鋼板によって構成されている。薄板２１の幅が狭くなる位置において、その両方の側縁に切り欠き部２１ａ，２１ｂが形成されている。
　複数の薄板２１は、回転軸１の軸方向に同一の幅となるように重ねられている。これら複数の薄板２１は、その基端において、例えば溶接が施されることによって互いに固定されている。
　薄板２１は、その板厚で定まる所定の剛性を回転軸１の周方向に有する。さらに、薄板２１は、薄板２１と回転軸１の回転方向に対して回転軸１の外周面となす角が鋭角となるように保持リング２２，２３に取り付けられている。
　高圧側板２４及び低圧側板２５の外周側における回転軸１の軸方向の幅は、他の位置よりも広くなるように段差部２４ａ，２５ａが設けられている。段差部２４ａ，２５ａは、それぞれが薄板２１の切り欠き部２１ａ，２１ｂに嵌め込まれている。
　保持リング２２は、複数の薄板２１の基端における一方の側縁（高圧側）に対面する面に、溝２２ａを備えている。同様に、保持リング２３は、複数の薄板２１の基端における他方の側縁（低圧側）に対面する面に、溝２３ａを備えている。複数の薄板２１の基端側における一方の側縁（高圧側）に保持リング２２の溝２２ａが嵌め込まれている。同様に、複数の薄板２１の基端側における他方の側縁（低圧側）が保持リング２３の溝２３ａに嵌め込まれている。
　このように、複数の薄板２１の外周基端側が嵌め込まれる保持リング２２，２３の間に接続部材２６が挿入されるとともに、この接続部材２６が保持リング２２，２３と溶接されることで、保持リング２２，２３が互いに固定される。各薄板２１の基端と保持リング２２，２３との間には、各薄板２１の基端及び保持リング２２，２３と当接するようにスペーサ２７が挿入される。そして、このスペーサ２７及び保持リング２２，２３の外周側にこれらスペーサ２７及び保持リング２２，２３に接するようにしていた板バネ２８が固定される。
　このように構成される薄板シール２０は、環状をなす取付ピース４とともに、ハウジング３の内周面に形成された環状の溝５に保持リング２２，２３側から嵌め込まれる。ここで、環状の溝５は、回転軸１の軸方向において、外周側の幅が内周側の幅よりも広くなるように、薄板２１の一方の側縁（高圧側）に対向する側面に段差が設けられている。この段差における外周側を向く面となる摺接面５ａが形成される。そして、この摺接面５ａが薄板シール２０の保持リング２３の内周面と摺接する。また、溝５における内周側を向く面となる摺接面５ｂが薄板シール２０の外周側に設けられる板バネ２８と摺接する。なお、この溝５の内周側の幅は、回転軸１の軸方向の幅において、薄板シール２０の幅よりも十分に広くなるように形成されている。
　取付ピース４は、図１に示すように、回転軸１の軸方向において外周側の幅が内周側の幅よりも狭くなるように、薄板２１の他方の側縁（低圧側）に対向する側面に段差が設けられている。この段差における外周側を向く面が摺接面４ａとして形成される。この摺接面４ａは、保持リング２２の内周側を向く面と摺接する。取付ピース４における上記薄板２１の他方の側縁（低圧側）に対向する側面が、低圧側板２５に当接する受圧面４ｂとされている。
　以上のような構成のハウジング３の溝５及び取付ピース４によって、薄板シール２０は、その基端側で保持される。即ち、保持リング２２，２３のそれぞれの内周面が、溝５の摺接面５ａ及び取付ピース４の摺接面４ａと摺接するとともに、保持リング２２，２３の外周側に固定された板バネ２８が溝５の摺接面５ｂと摺接することで、薄板シール２０がハウジング３に嵌め込まれた状態で保持される。
　この際、薄板シール２０は、溝５に対して、回転軸１の軸方向に相対移動可能とされる。これによって、高圧側領域から低圧側領域に向かって作動流体が流れるとき、そのガス圧が薄板シール２０の複数の薄板２１に作用するため、薄板シール２０が低圧側に向かって移動し、低圧側板２５が取付ピース４の受圧面４ｂに当接する。
　このような薄板シールは１０においては、回転軸１の停止時には薄板２１の先端が所定の予圧で回転軸１に接触する。そして、回転軸１の回転時には、該回転軸１が回転することで生じる動圧効果によって薄板２１の先端が回転軸１から浮上して、薄板２１と回転軸１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２１及び回転軸１の磨耗が防止されるとともに高圧側領域から低圧側領域に向かっての作動流体の漏洩が抑制される。
　次に、アブレイダブルシール３０の構成について図１及び図３を用いて説明する。
　このアブレイダブルシール３０は、上記溝５よりも低圧側に位置するハウジング３の内周面である低圧側の内周面６と該低圧側の内周面６に対向する回転軸１との間に構成されている。具体的には、回転軸１側からステータ２側、即ち、ハウジング３側に向かって突出した複数のシールフィン３１と、ステータ２側、即ち、ハウジング３の上記低圧側の内周面６に配された快削材３２とから構成されている。
　シールフィン３１は回転軸１の軸方向に略等間隔を空けて複数（本実施形態では４つ）形成されており、本実施形態においては、これらシールフィン３１の回転軸１の外周面からの突出量は隣り合うシールフィン３１同士で互いに異なる。なお、これらシールフィン３１の突出量が全て等しくてもよい。
　快削材３２は、回転軸１のシールフィン３１が形成された領域に対向するハウジング３の上記低圧側内周面６全域にわたって積層されている。なお、本実施形態においては、上記シールフィン３１の突出量に応じてこれらシールフィン３１とのクリアランスが略等しくなるように、軸方向における内周側に向かっての積層量が異なるものとされているが、上記シールフィン３１の突出量が等しい場合には、低圧側内周面６全域にわたって均一量が積層されていてもよい。
　この快削材３２は、摺動摩擦熱が少なく切削性に優れた材質から構成されており、例えば、コバルト、ニッケル、クロム、アルミニウム及びイットリウム系の材料（ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ系材料）、ニッケル、クロム、アルミニウム系の材料（ＮｉＣｒＡｌ系材料）、あるいは、ニッケル、クロム、鉄、アルミニウム、ホウ素及び窒素系の材料（ＮｉＣｒＦｅＡｌＢＮ系材料）等、公知の快削性材料各種からなるアブレイダブル材が用いられる。
　快削材３２としては上記アブレイダブル材のほか、金属又はセラミック等からなるハニカム層を用いることができる。
　本実施形態の軸シール装置１０においては、ハウジング３における溝５よりも高圧側に位置する該ハウジング３の内周面である高圧側の内周面７には、回転軸１側に向かって突出するフィン４０ａが埋設されており、これによって薄板シール２０の高圧側に第１ラビリンスシール４０が構成されている。
　さらに、上記取付ピース４の内周面の一部は回転軸１側に向かって突出した形状をなしており、これによって薄板シール２０とアブレイダブルシール３０との間に第２ラビリンスシール４１が構成されている。
　これら第１ラビリンスシール４０及び第２ラビリンスシール４１は、作動流体の漏れ量をより低減させる目的で設けられている。これらは、必ずしも設けられている必要はなく、軸シール装置１０が薄板シール２０及びアブレイダブルシール３０のみから構成されていてもよい。
　このようなアブレイダブルシール３０によれば、仮に運転中に何らかの要因でシールフィン３１と快削材３２とが接触して摺動することがあっても、快削材３２がシールフィン３１によって容易に切削され、摺動発熱の発生や該発熱による回転軸１の曲がり変形が抑止される。また、このようにシールフィン３１と快削材３２との接触が許容されるため、両者の隙間の間隔、即ち、シールクリアランスを小さく設定することができる。そのため、高圧側領域から低圧側領域に漏洩する作動流体の流量を効果的に抑制することができる。
　次に、上記のような薄板シール２０及びアブレイダブルシール３０を備えた本実施形態の軸シール装置１０の作用を、以下説明する比較例の軸シール装置５０と対比しながら説明する。
　図４に比較例に係る軸シール装置５０の軸方向を含む断面図を示す。この軸シール装置５０は、上述したアブレイダブルシール３０のみから構成されている。回転軸１側に複数のシールフィン３１（この比較例においては８つ）が形成され、これらシールフィン３１に対向するハウジング３の内周面８に快削材３２が積層されている。
　このような比較例の軸シール装置５０における作動流体の漏洩する流量Ｑと、高圧側と低圧側の差圧ΔＰとの関係を、図５Ａ及び図５Ｂを用いて説明する。
　図５Ａは回転初期の高圧側から低圧側に向かっての差圧曲線を示すグラフである。図５Ｂは摺動後の高圧側から低圧側に向かっての差圧曲線を示すグラフである。
　ここで、高圧側から低圧側に向かって漏洩する流量Ｑは、図５Ａに示すように、平均シールクリアランスδ、差圧ΔＰ及びシールフィン３１の設置数（段数）の逆数１／Ｎの３つのパラメータと比例関係を示す。また、図５Ｂに示す摺動後においては、シールフィン３１が快削材３２と摺接して切削することにより、図５Ａに示す回転初期と比較して平均シールクリアランスδが増加する。そして、この増加分をΔδとすると、図５Ｂに示すように、摺動後の平均シールクリアランスはδ＋Δδとなる。したがって、摺動後の流量Ｑ’はΔδの分だけ回転初期の流量Ｑよりも増加する。
　即ち、比較例の軸シール装置５０においては、シールフィン３１による快削材３２の切削量が増加するに連れて漏洩する流量が増加してしまう。
　次に、実施形態の軸シール装置１０における作動流体の漏洩する流量Ｑと、高圧側と低圧側の差圧ΔＰとの関係を、図６Ａ及び図６Ｂを用いて説明する。
　図６Ａは回転初期の高圧側から低圧側に向かっての差圧曲線を示すグラフである。図６Ｂは摺動後の高圧側から低圧側に向かっての差圧曲線を示すグラフである。
　アブレイダブルシール３０を高圧側から低圧側に向かって漏洩する流量Ｑは、図６Ａに示すように、平均シールクリアランスδ、差圧ΔＰ’及びシールフィン３１の設置数（段数）の逆数１／Ｎ’の３つのパラメータと比例関係を示す。
　なお、実施形態の軸シール装置１０におけるアブレイダブルシール３０にかかる差圧ΔＰ’は、薄板シール２０との差圧の分担が行なわれることにより、軸シール装置１０全体にかかる差圧ΔＰよりも小さいものとなる。
　シールフィン３１が快削材３２と摺接して切削すると図６Ａに示す回転初期と比較して平均シールクリアランスδが増加する。そして、この増加分をΔδとすると、図６Ｂに示すように、摺動後の平均シールクリアランスはδ＋Δδとなる。
　また、このようにアブレイダブルシール３０における平均シールクリアランスδが増加すると、実施形態の軸シール装置１０においては、差圧ΔＰの分担量が変化する。即ち、薄板シール２０における差圧の分担量が増加し、アブレイダブルシール３０における差圧の分担量が減少する。これにより、アブレイダブルシール３０に対しては、回転初期の差圧ΔＰ’よりも小さい差圧ΔＰ”がかかる。
　したがって、実施形態の軸シール装置１０においては、摺動後にはアブレイダブルシール３０の平均シールクリアランスが増大するものの該アブレイダブルシール３０にかかる差圧が減少する。そのため、結果として回転初期の流量Ｑからの摺動後の流量Ｑ’の変動を低く抑えることができる。即ち、実施形態の軸シール装置１０においては、シールフィン３１による快削材３２の切削された場合であっても、有効に作動流体の漏れ防止を図ることができる。
　以上のように、実施形態の軸シール装置１０によれば、アブレイダブルシール３０における快削材３２の摩耗が進行してシールクリアランスが増大した場合であっても、薄板シール２０との差圧の分担が行なわれることで、アブレイダブルシール３０単体に生じる差圧を小さくすることができる。そのため、該アブレイダブルシール３０における高圧側領域から低圧側領域に向かっての流量変化を抑制することが可能となる。
　特にアブレイダブルシール３０のシールクリアランスが増大した場合には、薄板シール２０による差圧の分担比率の方がアブレイダブルシール３０の分担比率に比べて大きくなる。そのため、アブレイダブルシール３０における流量変化を効果的に抑制し、これによって軸シール装置１０全体の作動流体の漏れ防止を図ることができる。
　通常、高圧側領域と低圧側領域との差圧が大きい場合には通常薄板シール２０単独で使用することはできない。本実施形態においては、薄板シール２０とアブレイダブルシールとによって差圧が分担されるため、薄板シール２０に生じる差圧を小さくすることができる。したがって、高圧側領域と低圧側領域との差圧が薄板シール２０単体ではシールできない程に大きい場合であっても、当該薄板シール２０を適用することができる。さらに、この薄板シール２０は耐摩耗性が高いため、長期にわたって安定的に漏れ防止を図ることができる。
　以上のように、本実施形態の軸シール装置１０によれば、耐摩耗性に優れ耐久性の高い薄板シール２０と、耐差圧性の高いアブレイダブルシール３０とを備えることにより、高圧側領域と低圧側領域の差圧が大きい場合であっても長期にわたって安定的に作動流体の漏れ防止を図ることが可能となる。
　ここで、アブレイダブルシール３０が薄板シール２０よりも高圧側に配置されたものと仮定した場合、快削材３２がシールフィン３１と接触して摩耗することにより、該快削材３２の切削粉が薄板シール２０に流入してしまう。この切削粉によって、薄板シール２０における薄板２１の剛性が増加してしまうため、摩耗を引き起こすとともに、該薄板シール２０における流量変化が生じてしまう。
　この点、本実施形態においては薄板シール２０がアブレイダブルシール３０よりも高圧側に配置されているため、上記のように薄板シール２０の薄板２１の剛性が増加することはなく、当該薄板シール２０において安定的に作動流体の漏れ防止を図ることができる。
　以上、本発明での実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。
　例えば、本実施形態の軸シール装置１０においては、薄板シール２０及びアブレイダブルシール３０をそれぞれ一つ配置した構成としたが、これらの少なくとも一方が、複数配置されていてもよい。
　実施形態においては、薄板シール２０がアブレイダブルシール３０の高圧側に配置された構成としたが、この逆、即ち、アブレイダブルシール３０が薄板シール２０の高圧側に配置された構成であってもよい。この場合、薄板シール２０に快削材３２の切削粉が流入してしまうという短所があるが、実施形態同様、薄板シール２０及びアブレイダブルシール３０の長所を生かした軸シール装置を構成することができる。
　実施形態の軸シール装置１０のアブレイダブルシール３０においては回転軸１にシールフィン３１が形成され、ステータ２側、即ち、ハウジング３に快削材３２が配された構成としたが、回転軸１に快削材３２が配されて、ステータ２側にシールフィン３１が形成された構成であってもよい。
　本発明の軸シール装置によれば、耐摩耗性に優れ耐久性の高い薄板シールと耐差圧性の高いアブレイダブルシールとを備えることにより、高圧側領域と低圧側領域の差圧が大きい場合であっても長期にわたって安定的に作動流体の漏れ防止を図ることが可能となる。
１　　回転軸
２　　ステータ（静止部材）
３　　ハウジング
１０　軸シール装置
２０　薄板シール
２１　薄板
２４　高圧側板
２５　低圧側板
３０　アブレイダブルシール
３１　シールフィン
３２　快削材

Claims (3)

  1. 　回転軸の外周面と該回転軸の外周側に設けられた静止部材との間をシールする軸シール装置であって、
    　回転軸の周方向に沿って配設された複数の薄板を有する薄板シールと、
    　該薄板シールと軸方向に異なる位置に配置され、前記回転軸及び前記静止部材の一方に配された快削材、及び、前記回転軸及び前記静止部材の他方から前記一方に向かって突出したシールフィンを有するアブレイダブルシールとを備える軸シール装置。
  2. 　前記薄板シールが前記アブレイダブルシールよりも高圧側に配置されている請求項１に記載の軸シール装置。
  3. 　前記回転軸の外周面と前記静止部材との間にハウジングが設けられ、該ハウジングの内周に、前記薄板シールと、前記アブレイダブルシールの前記シールフィン及び前記快削材の一方とが隣接して配置されている請求項１又は２に記載の軸シール装置。
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