特許 6888976 軸シール装置、及び回転機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6888976

(24)【登録日】2021年5月24日

(45)【発行日】2021年6月18日

(54)【発明の名称】軸シール装置、及び回転機械

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/16 20060101AFI20210607BHJP

   F01D 25/24 20060101ALI20210607BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20210607BHJP

   F02C 7/28 20060101ALI20210607BHJP

   F01D 11/00 20060101ALI20210607BHJP

【ＦＩ】

   F16J15/16 B

   F01D25/24 P

   F01D25/00 M

   F02C7/28 B

   F01D11/00

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-36290(P2017-36290)

(22)【出願日】2017年2月28日

(65)【公開番号】特開2018-141527(P2018-141527A)

(43)【公開日】2018年9月13日

【審査請求日】2019年12月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100210572

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 太一

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100126893

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 哲男

(72)【発明者】

【氏名】尾▲崎▼ 昂平

(72)【発明者】

【氏名】上原 秀和

(72)【発明者】

【氏名】吉田 亜積

【審査官】 保田 亨介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０６７８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９３７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０９７３５２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ１／００−１５／１２

２３／００−２５／３６

Ｆ０２Ｃ１／００−９／５８

Ｆ１６Ｊ１５／１６−１５／３２

１５／３２４−１５／３２９６

１５／４０−１５／５６

Ｆ２３Ｒ３／００−７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータと該ロータを囲うステータとの間に設けられ、前記ロータと前記ステータとの間の空間を前記ロータの中心軸方向において、高圧流体が流れる高圧側領域と低圧流体が流れる低圧側領域とに分けるとともに、可動シール部材を含む軸シール装置であって、
前記可動シール部材は、前記ステータの内周側に配置され、該ステータに固定されたハウジングと、
隙間を介在させた状態で、前記ハウジング内に一部が収容され、かつ隙間を介在させた状態で前記ロータの外周面と対向するシール部材本体と、
前記シール部材本体を前記ロータの径方向の外側に付勢する弾性部材と、
を備え、
前記可動シール部材は、前記シール部材本体のうち、前記ロータの周方向に配置された端部の端面側に形成され、かつ該ロータの周方向の内側に向かって窪んだキャビティと、
前記キャビティと前記低圧側領域とを連通させる連通部と、
を備え、
前記キャビティの周方向における深さは、前記ハウジングと前記シール部材本体との間に流れ込んだ前記高圧流体が前記シール部材本体に及ぼす背面圧力を相対的に大きくすることが可能な深さで、かつ１０ｍｍ以下の範囲内にある軸シール装置。

【請求項2】

固定シール部材を含んでおり、
前記キャビティの底面と該底面と対向する前記固定シール部材の端面との間に、前記可動シール部材の端面と前記固定シール部材の端面とを互いに離間させる方向に付勢する補助付勢部材を有する請求項１記載の軸シール装置。

【請求項3】

前記シール部材本体は、前記隙間を介在させて前記ハウジング内に配置された受圧部と、前記ハウジングの外側に配置されたベース部と、前記受圧部と前記ベース部とを接続する接続部と、を含み、
前記ハウジングは、前記隙間に前記高圧流体が導入されて前記シール部材本体が前記ステータの中心軸方向に移動した際に、前記接続部の一部が当接される当接面を有する請求項１または２記載の軸シール装置。

【請求項4】

請求項１ないし３のうち、いずれか１項記載の軸シール装置を含む回転機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、軸シール装置、及び回転機械に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンや蒸気タービン等の回転機械は、ロータの周囲において、高圧側から低圧側に流れる作動流体の漏れ量を少なくする軸シール装置を備える。

【0003】

特許文献１には、ロータの径方向外側に設けられて径方向に移動可能に設けられたシール部材本体、及びシール部材本体を径方向外側に向かって付勢する弾性体を有する可動シール部材を備えた軸シール装置が開示されている。

【0004】

このような構成とされた軸シール装置では、回転機械の起動及び停止時において、シール部材本体が弾性体によって径方向外側に付勢され、ロータと可動シール部材との間のシール間隙が十分に確保される。

【0005】

一方、回転機械の運転時には、高圧側の作動流体（例えば、作動蒸気）がシール部材本体の径方向外側の背面に回り込むことで、シール部材本体に背面圧力が作用する。この背面圧力は、弾性体の付勢力に抗して、シール部材本体を径方向内側に変位させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００３−６５０７６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、上記構成とされた軸シール装置では、回転機械の運転を開始時において、高圧側の作動流体がシール部材本体の背面に回り込んだ際、シール部材本体の背面に作用する背面圧力によってシール部材本体が径方向内側に迅速に変位することが好ましい。
つまり、回転機械の運転の開始時において、高圧側の作動流体がシール部材本体の背面に回り込んだ際、大きな背面圧力が印加されることが好ましい。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、可動シール部材の作動性を高めることの可能な軸シール装置、及び回転機械を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る軸シール装置は、ロータと該ロータを囲うステータとの間に設けられ、前記ロータと前記ステータとの間の空間を前記ロータの中心軸方向において、高圧流体が流れる高圧側領域と低圧流体が流れる低圧側領域とに分けるとともに、可動シール部材を含む軸シール装置であって、前記可動シール部材は、前記ステータの内周側に配置され、該ステータに固定されたハウジングと、隙間を介在させた状態で、前記ハウジング内に一部が収容され、かつ隙間を介在させた状態で前記ロータの外周面と対向するシール部材本体と、前記シール部材本体を前記ロータの径方向の外側に付勢する弾性部材と、を備え、前記可動シール部材は、前記シール部材本体のうち、前記ロータの周方向に配置された端部の端面側に形成され、かつ該ロータの周方向の内側に向かって窪んだキャビティと、前記キャビティと前記低圧側領域とを連通させる連通部と、を備え、前記キャビティの周方向における深さは、前記ハウジングと前記シール部材本体との間に流れ込んだ前記高圧流体が前記シール部材本体に及ぼす背面圧力を相対的に大きくすることが可能な深さで、かつ１０ｍｍ以下の範囲内にある。

【0010】

本発明によれば、シール部材本体のうち、ロータの周方向に配置された端部の端面側に形成され、かつロータの周方向の内側に向かって窪んだキャビティと、キャビティと低圧側領域とを連通させる連通部と、を有することで、連通部を通じて、キャビティ内に低圧側領域を流れる低圧流体を導入させて、キャビティ内を低圧流体で満たすことが可能となる。

【0011】

これにより、回転機械の運転開始時において、キャビィティ内に高圧流体が流れ込んだ場合でもキャビティ内の圧力が低圧に保たれるため、シール部材本体の端面に加わる流体の力を小さくすることが可能となる。

【0012】

そして、シール部材本体が受ける背面圧力は、シール部材本体の端面が受ける流体の力の反対方向に働く力である。したがって、シール部材本体の端面が受ける流体の力を小さくすることで、相対的にシール部材本体が受ける背面圧力を大きくすることが可能となる。
このように、相対的にシール部材本体が受ける背面圧力を大きくすることで、可動シール部材の作動性（特に、回転機械の運転の開始時における可動シール部材の作動性）を高めることができる。

【0013】

また、上記本発明の一態様に係る軸シール装置において、固定シール部材を含んでおり、前記キャビティの底面と該底面と対向する前記固定シール部材の端面との間に、前記可動シール部材の端面と前記固定シール部材の端面とを互いに離間させる方向に付勢する補助付勢部材を有してもよい。

【0014】

上記構成とされた補助付勢部材を有することで、シール部材本体の端面と固定シール部材の端面とが互いに対向した際に生じる圧力を、補助付勢部材による付勢力によって低減することが可能となるので、可動シール部材の姿勢を安定して維持させることができる。

【0015】

また、上記本発明の一態様に係る軸シール装置において、前記シール部材本体は、前記隙間を介在させて前記ハウジング内に配置された受圧部と、前記ハウジングの外側に配置されたベース部と、前記受圧部と前記ベース部とを接続する接続部と、を含み、前記ハウジングは、前記隙間に前記高圧流体が導入されて前記シール部材本体が前記ステータの中心軸方向に移動した際に、前記接続部の一部が当接される当接面を有してもよい。

【0016】

このように、ステータの中心軸方向に移動した際に、接続部の一部が当接される当接面をハウジングが備えることで、接続部の一部とステータの当接面との間に摩擦力が発生してしまう。
しかしながら、上述したように、シール部材本体が受ける背面圧力を大きくすることで、上記摩擦力の影響を小さくすることが可能となるので、可動シール部材の作動性（特に、回転機械の運転の開始時における可動シール部材の作動性）を高めることができる。

【0017】

本発明の一態様に係る回転機械は、上記軸シール装置を含んでもよい。

【0018】

このように、上述した軸シール装置を含むことで、相対的にシール部材本体の背面圧力を大きくすることが可能となるので、可動シール部材の作動性（特に、回転機械の運転の開始時における可動シール部材の作動性）を高めることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、可動シール部材の作動性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る回転機械の主要部をロータの中心軸方向から見た図である。

【図2】図１に示す軸シール装置のＸ−Ｘ線方向の断面図である。

【図3】図２に示す可動シール部材に背面圧力が印加された初期状態を模式的に示す断面図である。

【図4】図２に示すシール部材本体に背面圧力が印加され、シール部材本体がロータ側に変位し、かつシール部材本体がハウジングの当接面に当接された状態を模式的に示す断面図である。

【図5】図１に示す可動シール部材の端部の概略構成を示す斜視図である。

【図6】可動シール部材の端面とロータとの関係を説明するための図である。

【図7】本発明の第２の実施形態に係る回転機械の主要部を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の蒸気タービンの寸法関係とは異なる場合がある。

【0022】

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転機械の主要部をロータの中心軸方向から見た図である。図１では、ロータのみを断面で図示する。図１において、Ｄｃはロータ１０２の周方向（以下、「周方向Ｄｃ」という）、Ｐｓは可動シール部材２０の周方向の端部の端面２１ｓが受ける端面圧力Ｐｓ、Ｐｈは可動シール部材２０に印加され、端面圧力Ｐｓとは反対側に働く背面圧力（以下、「背面圧力Ｐｈ」という）、Ｍはシール部材本体２１の移動方向（以下、「Ｍ方向」という）、Ｓ１は低圧流体（低圧作動流体）が存在する領域（以下、「低圧側領域Ｓ１」という）、Ｓ２は低圧流体よりも圧力の高い高圧流体（高圧作動流体）が存在する領域（以下、「高圧側領域Ｓ２」という）をそれぞれ示している。図１では、図２に示す複数のシールフィン２６の図示を省略する。
また、図１では、軸シール装置１の一例として、軸シール装置１を２つの固定シール部材１０及び２つの可動シール部材２０で構成した場合を例に挙げて説明する。

【0023】

図２は、図１に示す軸シール装置のＸ−Ｘ線方向の断面図である。図２において、図１に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
図３は、図２に示す可動シール部材に背面圧力が印加された初期状態を模式的に示す断面図である。図３において、Ｆは弾性部材３０による弾性力（以下、「弾性力Ｆ」という）、ｆは、接続部２４の第１の面２４ｆが突出部１０８の当接面１０８ａに当接されることで発生する摩擦力（以下、「摩擦力ｆ」という）である。弾性力Ｆ及び摩擦力ｆは、ロータ１０２の半径方向Ｄｒに働く力である。図３において、図１及び図２に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。

【0024】

図４は、図２に示すシール部材本体に背面圧力が印加され、シール部材本体がロータ側に変位し、かつシール部材本体がステータの当接面に当接された状態を模式的に示す断面図である。図４において、図１〜図３に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
図５は、図１に示す可動シールの端部の概略構成を示す斜視図である。図５において、図１〜図４に示す構造体と同一構成部分には同一符号を付す。
図６は、可動シール部材の端面とロータとの関係を説明するための図である。図６では、ロータを断面で図示する。また、図６において、図１〜図５に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
なお、第１の実施形態では、シール構造の一例として、アブレイダブルシール構造を例に挙げて説明する。

【0025】

図１〜図５を参照して、第１の実施形態の回転機械１００は、ロータ１０２と、ステータ１０３と、固定シール部材１０及び可動シール部材２０を含む軸シール装置１と、を有する。

【0026】

ロータ１０２は、所定の方向に延在している。ロータ１０２の形状は、例えば、円柱形状とすることが可能である。ロータ１０２は、外周面１０２ａを有する。ロータの１０２の外周面１０２ａのうち、可動シール部材２０を構成するシール体２５と対向する面には、複数のシールフィン２６が設けられている。複数のシールフィン２６は、ロータ１０２と一体に構成されている。

【0027】

また、ロータの１０２の外周面１０２ａのうち、固定シール部材１０を構成するシール体（図示せず）と対向する面には、複数のシールフィン（図示せず）が設けられている。これら複数のシールフィンは、ロータ１０２と一体に構成されている。

【0028】

ステータ１０３は、回転機械１００の車室（図示せず）に取り付けられている。ステータ１０３は、ロータ１０２の外側に設けられている。ステータ１０３の内周面１０３ａは、ロータ１０２から離間した状態で、ロータ１０２の外周面１０２ａと対向している。ステータ１０３とロータ１０２との間には、環状空間が形成されている。

【0029】

軸シール装置１は、ロータ１０２とステータ１０３との間の環状空間に設けられている。軸シール装置１は、リング形状とされている。軸シール装置１は、ロータ１０２とステータ１０３との間に形成された環状空間を低圧側領域Ｓ１と高圧側領域Ｓ２とに分けている。

【0030】

低圧側領域Ｓ１及び高圧側領域Ｓ２は、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａに配置されている。低圧側領域Ｓ１は、軸シール装置１の一方の側に配置されている。高圧側領域Ｓ２は、軸シール装置１の他方の側に配置されている。
低圧側領域Ｓ１は、低圧流体（低圧の作動流体）が流れる領域である。高圧側領域Ｓ２は、低圧側領域Ｓ１を流れる低圧流体よりも圧力の高い高圧流体（高圧の作動流体）が流れる領域である。

【0031】

軸シール装置１は、２つの固定シール部材１０と、２つの可動シール部材２０（シール部材）と、を備える。２つの可動シール部材２０及び２つの固定シール部材１０は、円弧形状とされている。２つの可動シール部材２０は、ロータ１０２を介して、対向配置されている。

【0032】

固定シール部材１０は、２つの可動シール部材２０の間に配置されている。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いる。対をなす上側部材１０Ａ及び下側部材１０Ｂは、合せ面１０ｂで合わさっている。
ロータ１０２の周方向における可動シール部材２０の長さは、ロータ１０２の周方向Ｄｃにおける固定シール部材１０の長さよりも長くなるように構成されている。
固定シール部材１０の両端とロータ１０２の中心軸とを結ぶ２本の直線が成す角度は、例えば、６０°とすることが可能である。この場合、可動シール部材２０の両端とロータ１０２の中心軸とを結ぶ２本の直線が成す角度は、例えば、１２０°とすることが可能である。

【0033】

固定シール部材１０は、ロータ１０２の外周面１０２ａに設けられた複数のシールフィン（図示せず）と対向する複数の溝（図示せず）を有するシール体（図示せず）を有する。固定シール部材１０は、複数の溝内にシールフィンが挿入されることで、ラビリンス効果を発現させる。回転機械１００として蒸気タービンを用いる場合、固定シール部材１０は、蒸気の漏れを抑制する。

【0034】

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いる。固定シール部材１０は、ロータ１０２と接触したときにロータ１０２の径方向外側に変位可能ではあるが基本的には不動のシール部材であり、回転機械１００の稼動状態に応じて移動するものではない。

【0035】

可動シール部材２０は、ロータ１０２を挟んで上下方向において対向するように配置されている。可動シール部材２０は、円弧形状とされた部材であり、２つの端部を有する。可動シール部材２０は、ハウジング１０４と、シール部材本体２１と、弾性部材３０と、シール体２５と、を有する。

【0036】

ハウジング１０４は、ステータ１０３の内周面１０３ａに固定されている。ハウジング１０４の内周面１０４ｆ側には、リング状の溝１０５が形成されている。リング状の溝１０５には、隙間１０６を介在させた状態で、シール部材本体２１の一部が収容されている。
ハウジング１０４は、ハウジング１０４の内周面１０４ｆ側に位置する溝１０５の端部の開口幅を狭くする一対の突出部１０８を有する。

【0037】

一対の突出部１０８は、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａにおいて対向配置されている。一対の突出部１０８は、シール部材本体２１がハウジング１０４から抜け落ちることを防止するための突出部である。
突出部１０８は、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａに対して直交する当接面１０８ａを有する。当接面１０８ａは、シール部材本体２１の接続部２４が当接される面である。当接面１０８ａに接続部２４の一部が当接されると、摩擦力が発生する。

【0038】

シール部材本体２１は、円弧形状とされた部材であり、受圧部２２と、ベース部２３と、接続部２４と、を有する。

【0039】

受圧部２２は、ハウジング１０４に形成された溝１０５に収容されている。ロータ１０２の中心軸方向Ｄａにおける受圧部２２の幅は、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａにおける溝１０５の幅よりも狭くなるように構成されている。また、ロータ１０２の径方向Ｄｒにおける受圧部２２の厚さは、ロータ１０２の径方向Ｄｒにおける溝１０５の幅よりも小さくなるように構成されている。

【0040】

受圧部２２は、接続部２４が接続される側とは反対側に配置された受圧面２２ｆを有する。受圧面２２ｆは、流体による圧力が印加される面である。受圧面２２ｆは、ロータ１０２の半径方向Ｄｒにおいて溝１０５の内面（ロータ１０２の半径方向Ｄｒに対して直交する面）と対向している。
上記構成とされた受圧部２２は、溝１０５内においてロータ１０２の中心軸方向Ｄａ及び径方向Ｄｒに変位可能な構成とされている。

【0041】

ベース部２３は、ハウジング１０４の内周面１０４ｆよりもロータ１０２側に配置されている。ロータ１０２の中心軸方向Ｄａにおけるベース部２３の幅は、一対の突出部１０８間の溝幅よりも大きくなるように構成されている。ベース部２３は、複数のシールフィン２６と対向する内周面２３ａを有する。

【0042】

接続部２４は、受圧部２２とベース部２３との間に配置されている。接続部２４は、受圧部２２とベース部２３とを接続している。接続部２４は、ロータ１０２の中心軸方向Ｄａに配置された第１及び第２の面２４ｆ，２４ｇを有する。

【0043】

第１の面２４ｆは、低圧側領域Ｓ１に配置された突出部１０８の当接面１０８ａと対する面である。第２の面２４ｇは、高圧側領域Ｓ２に配置された突出部１０８と対する面である。
ロータ１０２の中心軸方向Ｄａにおける接続部２４の幅は、一対の突出部１０８間の溝幅よりも狭くなるように構成されている。接続部２４は、突出部１０８の当接面１０８ａと対向している。

【0044】

回転機械１００の起動時及び停止時において、シール部材本体２１は、ロータ１０２の径方向外側に離間する。これにより、可動シール部材２０とロータ１０２との間の隙間が大きくなる。
回転機械１００の定格運転時において、シール部材本体２１は、Ｍ方向に移動する。これにより、可動シール部材２０とロータ１０２との間の隙間が狭くなる。

【0045】

シール体２５は、ベース部２３の内周面２３ａを覆うように設けられている。シール体２５のうち、複数のシールフィン２６と対向する部分には、シールフィン２６が挿入可能な複数の溝が形成されている。

【0046】

弾性部材３０は、溝１０５の内面と受圧部２２の受圧面２２ｆとを接続するように設けられている。弾性部材３０は、可動シール部材２０をロータ１０２の径方向Ｄｒの外側に付勢している。弾性部材３０としては、例えば、皿バネを用いることが可能である。なお、皿バネに替えて、弾性部材３０として、板バネや金属ベローズ等を用いてもよい。

【0047】

ここで、回転機械１００の起動時、停止時、及び定格運転時における可動シール部材２０の動作について説明する。
回転機械１００の起動時及び停止時において、シール部材本体２１は、弾性部材３０による弾性力Ｆによってロータ１０２の径方向Ｄｒの外側に引き込まれる。これにより、シール体２５とロータ１０２との間に形成された隙間は、広がる。

【0048】

一方、回転機械１００の定格運転時には、低圧側領域Ｓ１と高圧側領域Ｓ２との間で流体（作動流体）の圧力に差が生じる。シール部材本体２１は、低圧側領域Ｓ１と高圧側領域Ｓ２との間の圧力差によって、高圧側領域Ｓ２から低圧側領域Ｓ１に向かうスラスト力Ｆ０を受ける。これにより、シール部材本体２１は、低圧側領域Ｓ１側（図４の場合、可動シール部材２０の右側）に移動する。

【0049】

このように、シール部材本体２１が低圧側領域Ｓ１側に移動することで、接続部２４の第１の面２４ｆは、突出部１０８の当接面１０８ａに当接される。これにより、高圧側領域Ｓ２側に配置された突出部１０８と接続部２４の第２の面２４ｇとの間に形成される隙間１０６が広がる。

【0050】

そして、突出部１０８と接続部２４の第２の面２４ｇとの間に形成された隙間１０６を通じて、溝１０５と受圧部２２との間に高圧側領域Ｓ２に存在する高圧流体が流入し、溝１０５内の圧力が上昇する。
これにより、受圧部２２の受圧面２２ｆは、ロータ１０２の径方向Ｄｒの内側に押圧される。すると、受圧部２２の受圧面２２ｆに、ロータ１０２の径方向Ｄｒの内側に向かう背面圧力Ｐｈが印加され、シール部材本体２１がロータ１０２の径方向Ｄｒの内側に変位させられる。そして、シール体２５の溝にシールフィン２６が突き当たることで、可動シール部材２０は、高圧側領域Ｓ２と低圧側領域Ｓ１とを仕切ってシール機能を発現する。

【0051】

ここで、ロータ１０２の周方向Ｄｃに配置されたシール部材本体２１の２つの端部２０Ａ（可動シール部材２０の端部の構成要素）の構成について説明する。
シール部材本体２１の端部２０Ａは、固定シール部材１０に突き当たる端面２１ｓと、キャビティ２７と、連通部２８と、を有する。

【0052】

キャビティ２７は、シール部材本体２１の２つの端部２０Ａの端面２１ｓ側にそれぞれ形成されている。キャビティ２７は、端部２０Ａの端面２１ｓの中央部に設けられている。キャビティ２７は、ロータ１０２の周方向Ｄｃの内側に向かって窪んでいる。キャビティ２７は、連通部２８を通じて、低圧側領域Ｓ１に存在する低圧流体を導入することで、キャビティ２７内の圧力状態を低圧にするための凹部である。キャビティ２７の底面２７ａは、平面とされている。

【0053】

端面２１ｓを基準としたときのキャビティ２７の深さｄ（端面２１ｓから底面２７ａまでの深さ）は、例えば、背面圧力Ｐｈを相対的に大きくすることが可能な深さで、かつ１０ｍｍ以下の範囲内にするとよい。通常、キャビティがない場合はこの端面の圧力状態は高圧が支配的であるため、この圧力により背面圧力Ｐｈは相対的に小さくなる。
また、キャビティ２７の深さｄが浅すぎると、キャビティ２７内に高圧流体が流れ込んだ際に、キャビティ２７内の圧力状態を低圧に維持することが困難となる可能性がある。これにより、端面２１ｓに印加される端面圧力Ｐｓはあまり減少せず、背面圧力Ｐｈが相対的に小さくなる恐れがある。

【0054】

一方、キャビティ２７の深さｄが１０ｍｍよりも深くなると、ロータ１０２の半径方向Ｄｒにおけるシール部材本体２１の厚さを厚くする必要があるため、可動シール部材２０のサイズが大型化してしまう恐れがあった。
したがって、キャビティ２７の深さｄを、背面圧力Ｐｈを相対的に大きくすることが可能な深さで、かつ１０ｍｍ以下の範囲内にすることで、可動シール部材２０のサイズの大型化を抑制した上で、背面圧力Ｐｈを相対的に大きくすることができる。

【0055】

連通部２８は、端部２０Ａの端面２１ｓ側に設けられている。連通部２８は、キャビティ２７と低圧側領域Ｓ１とを連通可能な溝である。連通部２８は、低圧側領域Ｓ１に存在する低圧流体をキャビティ２７内に導くための経路である。

【0056】

回転機械１００の定格運転時において、可動シール部材２０には、高圧側領域Ｓ２から溝１０５内に流入した高圧流体による背面圧力Ｐｈが作用している。これに対し、可動シール部材２０の２つの端部２０Ａには、連通部２８を通して、キャビティ２７内に低圧側領域Ｓ１に存在する低圧流体が導入される。
これにより、キャビティ２７及び連通部２８を有していない従来の可動シール部材２０と比較して、２つの端部２０Ａの端面２１ｓに加わる端面圧力Ｐｓは低下する。

【0057】

また、キャビティ２７には、高圧側領域Ｓ２に存在する高圧流体が流入する場合もあるが、キャビティ２７内全体に低圧流体が存在するため、キャビティ２７内の圧力は、低圧流体の圧力に近づく。これによって、２つの端部２０Ａの端面２１ｓに加わる圧力Ｐｓは、キャビティ２７内の低圧流体によって支配的となる。
このようにして、端面２１ｓに加わる圧力Ｐｓが小さくなることで、受圧部２２の受圧面２２ｆに作用する背面圧力Ｐｈは、相対的に大きくなる。

【0058】

このとき、可動シール部材２０が径方向Ｄｒの内側に変位するためには、下記（１）式を満たす必要がある。
｛（背面圧力Ｐｈ）×（受圧部２２の受圧面積Ａ）｝＞（弾性部材３０の弾性力Ｆ＋摩擦力ｆ） ・・・（１）
ここでの摩擦力ｆは、接続部２４の第１の面２４ｆと溝１０５の突出部１０８の当接面１０８ａとの摺動部分における摩擦係数μにスラスト力Ｆ０を乗じたものである。

【0059】

上記（１）式に示すように、キャビティ２７を設けて背面圧力Ｐｈを高めることで、弾性部材３０による径方向Ｄｒ外側への弾性力Ｆ、及び第１の面２４ｆと突出部１０８の当接面１０８ａとの間の摩擦力ｆに抗して、可動シール部材２０が径方向Ｄｒの内側に変位しやすくなる。

【0060】

第１の実施形態の軸シール装置１によれば、シール部材本体２１のうち、ロータ１０２の周方向Ｄｃに配置された端部２０Ａの端面２１ｓ側に形成され、かつロータ１０２の周方向Ｄｃの内側に向かって窪んだキャビティ２７と、キャビティ２７と低圧側領域Ｓ１とを連通させる連通部２８と、を有することで、連通部２８を通じて、キャビティ２７内に低圧側領域Ｓ１を流れる低圧流体を導入させて、キャビティ２７内を低圧流体で満たすことが可能となる。

【0061】

これにより、回転機械１００の運転開始時において、溝１０５と受圧部２２との間に形成された隙間１０６を通じてキャビティ２７内に高圧流体が流れ込んだ場合でもキャビティ２７内の圧力が低圧に保たれるため、シール部材本体２１の端面２１ｓに加わる流体の力を小さくすることが可能となる。

【0062】

そして、可動シール部材２０に印加される背面圧力Ｐｈは、シール部材本体２１の端面２１ｓが受ける流体の力の反対方向に働く力である。したがって、可動シール部材２０の端面２１ｓが受ける流体の力を小さくすることで、シール部材本体２１が受ける背面圧力Ｐｈを相対的に大きくすることが可能となる。
このように、シール部材本体２１が受ける背面圧力Ｐｈを大きくすることで、可動シール部材２０の作動性（特に、回転機械１００の運転の開始時における可動シール部材２０の作動性）を高めることができる。

【0063】

また、高圧流体の導入によってシール部材本体２１が中心軸方向Ｄａに沿って移動し、接続部２４の第１の面２４ｆが突出部１０８の当接面１０８ａに当接されると、第１の面２４ｆと当接面１０８ａとの間に摩擦力ｆが発生する。
これに対し、上述したように、キャビティ２７内に低圧流体を導入して可動シール部材２０の端部２０Ａが受ける背面圧力Ｐｓを低減して背面圧力Ｐｈを相対的に高めることで、第１の面２４ｆと当接面１０８ａとの間に生じる摩擦力ｆに抗して、可動シール部材２０を効率良く変位させることができる。

【0064】

上述した構成とされた可動シール部材２０を含む回転機械１００は、シール部材本体２１が受ける背面圧力Ｐｈを相対的に大きくすることが可能となるので、可動シール部材２０の作動性（特に、回転機械１００の運転の開始時における可動シール部材２０の作動性）を高めることができる。

【0065】

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る回転機械の主要部を模式的に示す図である。図７では、図１〜図６に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。また、図７では、可動シール部材のみを断面で図示する。

【0066】

ここで、図７を参照して、第２の実施形態の回転機械について説明する。
可動シール部材２０のキャビティ２７の底面２７ａと、底面２７ａと対向する固定シール部材１０の端面１０ａとの間に、底面２７ａと端面１０ａとを互いに離間する方向の付勢力を有した補助付勢部材５０を設けてもよい。
補助付勢部材５０としては、例えば、コイルスプリングを用いることが可能である。補助付勢部材５０としては、例えば、補助付勢部材５０の周囲に存在する流体力の値に対して、十分に小さいバネ力を有したものを用いるとよい。

【0067】

第２の実施形態の回転機械によれば、キャビティ２７の底面２７ａと、底面２７ａと対向する固定シール部材１０の端面１０ａとの間に、底面２７ａ（或いは、端面２１ｓ）と端面１０ａとを互いに離間する方向の付勢力を有した補助付勢部材５０を備えることで、可動シール部材２０の端面２１ｓと固定シール部材１０の端面１０ａとが互いに対向した際に生じる圧力を、補助付勢部材５０による付勢力によって低減することが可能となる。これにより、可動シール部材２０の姿勢を安定して維持させることができる。

【0068】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【0069】

第１及び第２の実施形態では、シール構造の一例として、アブレイダブルシール構造を例に挙げて説明したが、例えば、アブレイダブルシール構造以外のシール構造（例えば、ラビリンスシール構造）にも適用可能であり、第１及び第２の実施形態と同様な効果を得ることができる。

【産業上の利用可能性】

【0070】

本発明は、軸シール装置、及び回転機械に適用できる。

【符号の説明】

【0071】

１…軸シール装置、１０…固定シール部材、１０ａ，２１ｓ…端面、１０ｂ…合せ面
１０Ａ…上側部材、１０Ｂ…下側部材、２０…可動シール部材、２０Ａ…端部、２１…シール部材本体、２２…受圧部、２２ｆ…受圧面、２３…ベース部、２３ａ…内周面、２４…接続部、２４ｆ…第１の面、２４ｇ…第２の面、２５…シール体、２６…シールフィン、２７…キャビティ、２７ａ…底面、２８…連通部、３０…弾性部材、５０…補助付勢部材、１００…回転機械、１０２…ロータ、１０２ａ…外周面、１０３…ステータ、１０３ａ，１０４ｆ…内周面、１０４…ハウジング、１０５…溝、１０６…隙間、１０８…突出部、Ｄａ…中心軸方向、Ｄｃ…周方向、Ｄｒ…径方向、Ｆ…付勢力、Ｆ０…スラスト力、Ｍ…方向、Ｐｈ…背面圧力、Ｐｓ…端面圧力、Ｓ１…低圧側領域、Ｓ２…高圧側領域、ｆ…摩擦力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】