CN100494746C - 轴密封机构 - Google Patents

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Abstract

提供一种轴密封机构，即使在主机发生偏心的情况下，也能够可靠地防止薄板的颤动现象，可以防止薄板的疲劳破坏，并且可以实现轴密封机构的长寿命化，并提高可靠性。本发明的轴密封机构，通过转子与定子之间的环状空间阻止沿着上述转子的轴方向流动的流体，其中，包括配置在多张薄板的高压侧区域的高压侧侧板以及配置在多张薄板的低压侧区域的低压侧侧板；上述多张薄板，在固定在上述定子侧的状态以及气压作用时，其一部分相互抵接。

Description

轴密封机构
技术领域
本发明涉及适用于燃气轮机、蒸汽轮机、压缩机、泵等大型流体机械的旋转轴等的轴密封机构。
背景技术
例如公知有特开2003—113945号公报公开的轴密封机构。该专利文献中公开的轴密封机构设在燃气轮机、蒸汽轮机等的旋转轴的轴周围，具有减少从高压侧泄漏到低压侧的气体的泄漏量的密封片。
但是，在上述专利文献中公开的轴密封机构中，在组装完密封片时以及气压作用时，构成密封片的各薄板的一端部成为自由端(不相互约束)。因此，燃气轮机、蒸汽轮机等的旋转轴因轴心仅移动滑动轴承的动压力引起的凸出的量而发生偏心的情况下，或者涡轮机的外壳发生热变形等而导致主机偏心的情况下，存在薄板的一端部引起颤动现象，从而使薄板疲劳破坏的可能性。
本发明是鉴于上述问题作出的，其目的在于提供一种轴密封机构，即使在主机发生偏心的情况下，也能够可靠地防止薄板的颤动现象，可以防止薄板的疲劳破坏，并且可以实现轴密封机构的长寿命化，能够提高轴密封机构的可靠性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明采用如下的装置。
本发明的轴密封机构，在转子和定子之间的环状空间排列多张薄板而配置环状的薄板群，将所述薄板的外周侧基端部固定到上述定子侧上，并且使所述薄板的内周侧前端相对上述转子的圆周面处于不固定状态，从而利用上述环状的薄板群将上述转子与上述定子之间的环状空间分为高压侧区域和低压侧区域，并通过上述转子与上述定子之间的环状空间阻止沿着上述转子的轴方向流动的流体，其中，包括配置在上述多张薄板的高压侧区域的高压侧侧板以及配置在上述多张薄板的低压侧区域的低压侧侧板；上述多张薄板，在固定在上述定子侧的状态以及气压作用时，各薄板的内周侧前端总是与紧邻的薄板的上述内周侧前端抵接。
根据如上所述的轴密封机构，由于多张薄板总是维持抵接的状态，因而即使在主机发生较大的偏心的情况下，也能够可靠地防止薄板的颤动现象，可以防止薄板的疲劳破坏，并且可以实现轴密封机构的长寿命化，能够提高轴密封机构的可靠性。
本发明的流体机械具有上述轴密封机构。
根据这种流体机械，由于具有实现长寿命化和提高可靠性的轴密封机构，因而可以延长该轴密封机构的保养检查间隔，从而可以降低保养检查费用，并且可以提高流体机械的可靠性。
根据本发明，具有如下的效果：即使在主机发生偏心的情况下，也能够可靠地防止薄板的颤动现象，可以防止薄板的疲劳破坏，并且可以实现轴密封机构的长寿命化，能够提高轴密封机构的可靠性。
附图说明
图1是具有本发明的轴密封机构的燃气轮机的简要结构图。
图2是表示将上述密封片装入定子上的结构的图，是通过包含旋转轴的轴线的剖面观察的剖视图。
图3是表示上述密封片上设有的衬垫的立体图。
图4是表示上述密封片的制造方法的图，是用于说明环安装工序的组装图。
图5A、图5B以及图5C是接着表示上述密封片的制造方法的图，图5A及图5B是表示薄板焊接工序后的薄板的图，并且图5C是表示弯曲工序后的薄板的图。
图6是表示本发明的轴密封机构的一个实施方式的图，是薄板前端部的剖视图。
图7是表示本发明的轴密封机构的另一实施方式的图，是薄板前端部的剖视图。
图8是用于说明图7所示的薄板的张数以及各薄板的尺寸的计算方法的图。
具体实施方式
下面参照图1至图6说明本发明的轴密封机构的一个实施方式。
图1是具有本发明的轴密封机构的流体机械(以下称为“燃气轮机”)100的简要结构图，图1中的标号20为压缩机、标号21为燃烧器、标号22为涡轮机。
首先，在图1中表示燃气轮机100的简要结构。在该图中，标号20为压缩机、标号21为燃烧器、标号22为涡轮机。压缩机20用于将大量空气引入到其内部并进行压缩。通常，在燃气轮机中，将利用后述的旋转轴(转子)23得到的动力的一部分用作压缩机的动力。燃烧器21用于使燃料与通过压缩机20压缩的空气混合而进行燃烧。涡轮机22用于将在燃烧器21产生的燃烧废气导入到内部而使其膨胀，并通过将其喷射到设置于旋转轴23上的转动叶片23e上，将燃烧废气的热能转换成机械性的旋转能而产生动力。
在涡轮机22上，除了配置在旋转轴23侧的多个转动叶片23c以外，还设有多个配置在定子24侧的定子叶片24a，所述转动叶片23e和定子叶片24a在旋转轴23的轴线方向上交替地排列。各转动叶片23e受到沿着旋转轴23的轴线方向流动的燃烧废气的压力而使旋转轴23旋转，施加到旋转轴23上的旋转能从轴端输出而被利用。作为用于减少从高压侧泄漏到低压侧的燃烧废气的泄漏量的轴密封机构，在各定子叶片24a及旋转轴23之间设有密封片25。
图2表示该密封片25的放大剖视图。在该图中，通过包含旋转轴23的轴线的剖面观察密封片25。在下述说明中，首先说明密封片25的基本结构，然后接着说明其特征点。
首先，说明密封片25的基本结构。如图2所示，该密封片25中，在旋转轴23和定子24之间的环状空间设有环状的薄板群29A，在所述薄板群29A中，使各板的宽度方向与旋转轴23的轴线方向一致，且在该旋转轴23的圆周方向上相互隔开微小间隔而多重地排列多个薄板29。
各薄板29，在其外周侧基端部上固定到定子24上，并且，在其内周侧前端部具有圆周方向的倾斜度而成锐角地配置在旋转轴23的圆周面23a上。由此，由各薄板29形成的环状的薄板群29A，将旋转轴23和定子24之间的环状空间分为高压侧区域和低压侧区域。
接着，参照图2而在以下说明具有上述基本结构的密封片25的特征点。
如图2所示，本实施方式的密封片25，包括：多个薄板29，形成对板宽度而言上述外周侧基端部的宽度大于上述内周侧前端部的宽度的大致T字形，并且多重地进行重叠；一对密封片保持器51、52(薄板保持环)，以环状状态夹持所述薄板29；环状的高压侧板53，夹在各薄板29的与高压侧区域相对的一侧边缘和一方密封片保持器51之间，并与上述各一侧边缘抵接；环状的低压侧板54，夹在各薄板29的与低压侧区域相对的另一侧边缘和另一方薄板保持环52之间，并与上述各另一侧边缘抵接；和衬垫55，夹持在各密封片保持器51、52之间而用于减少各薄板29相对于所述保持器产生的颤动。
各薄板29为具有可挠性的大致呈T字形的薄钢板，在其两侧边缘形成有切口29a。所述薄板29在其外周基端侧相互焊接固定(在图4的说明中，说明焊接部位)，从而形成全体具有可挠性的薄板群。
并且，如图6所示，在各薄板29的上表面36上分别设有一个俯视图例如呈圆形状的半球状的突起41。各突起41的高度设定为，在组装密封片25时使突起41的表面的一点(一部分)与相邻配置的薄板29的下表面37的一点(一部分)抵接。薄板29分别通过冲压加工或者蚀刻等方式制成。
如图2所示，高压侧板(高压侧侧板)53为环状的薄板，通过包含旋转轴23的轴线的剖面观察时，具有比内周部分壁厚大一段的外周部分，以使其一侧面侧形成阶梯。同样地，低压侧板(低压侧侧板)54也为环状的薄板，通过上述剖面观察时，具有比内周部分壁厚大一段的外周部分，以使其一侧面侧形成阶梯。对所述高压侧板53和低压侧板54，在其阶梯部分嵌入到上述各切口29a中而与各薄板29的两侧面重叠后，进一步夹入到各密封片保持器51、52之间而进行固定。
密封片保持器51、52为通过包含旋转轴23的轴线的剖面观察时大致呈“コ”字形状的、具有可挠性的金属部件，并在相互重叠时形成的凹部51a、52a中嵌入各薄板29的宽幅度部分和衬垫55。
如图3所示，衬垫55为在被加压的情况下因弹性变形产生作用力的形成多个凸起部55a的板簧，如图2所示，相对于所述凹部51a、52a施加从其外周侧压入环状的薄板群29A的作用力，以防止环状的薄板群29A在凹部51a、52a内产生颤动。通过在焊接部位y4对该衬垫55的上表面和各密封片保持器51、52之间进行焊接，可以固定这些部件之间的相对位置。
下面，参照图4和图5说明具有上面说明的结构的密封片25的制造方法。在该密封片25的制造中，大致经过薄板焊接工序、弯曲工序以及环安装工序而进行。
首先，在薄板焊接工序中，如图5A所示，使将钢板冲压成T字形的各薄板29隔开间隙，并且如图6所示在圆周方向多重且倾斜地重叠而使突起41表面的一点(一部分)与相邻配置的薄板29的下表面37的一点(一部分)抵接后，对其外周基端侧进行焊接。即，如图4和图5B所示，在各外周基端侧的外周端与两侧端，对各薄板29相互进行焊接(标号y1～y3)。
接着，在弯曲工序中，在相互进行焊接的各薄板29和各密封片保持器51、52双方，进行随后的轴密封机构插入工序之前，预先施加较大的弯曲。在图5C中表示弯曲工序后的各薄板29。
接着，在环安装工序中，如图4所示，将进行焊接的各薄板29的外周基端侧、高压侧板53、低压侧板54以及衬垫55夹入各密封片保持器51、52之间，然后对所述密封片保持器51、52之间进行固定。
即，在各薄板29的与高压侧区域相对的一侧边缘与一方密封片保持器51之间，夹入与上述各一侧边缘抵接的环状的高压侧板53并进行固定。同样地，在各薄板29的与低压侧区域相对的另一侧边缘与另一方密封片保持器52之间，夹入与上述各另一侧边缘抵接的环状的低压侧板54并进行固定。并且，在各薄板29的外周基端侧与各密封片保持器51、52之间，夹入用于限制与所述部件相对应的各薄板29的相对动作的衬垫55而进行固定。
由此，在各焊接部位y4(参照图2)，将夹入各部件后的各密封片保持器51、52焊接固定到衬垫55上。由此，进行各密封片保持器51、52之间的固定。
根据本实施方式的密封片25，通过形成于薄板29的上表面36上的突起41，在组装完密封片25时以及气压作用时，突起41的表面上的一点(一部分)与相邻配置的薄板29的下表面37上的一点(一部分)总是维持抵接的状态。因此，即使主机发生较大的偏心也能够可靠地防止薄板29的颤动现象，能够防止薄板29的疲劳破坏，并且还可以实现密封片25的长寿命化，可以提高密封片25的可靠性。
并且，根据本实施方式的密封片25的结构以及制造方法，即使密封片25的设置位置或直径的大小稍微不同，也不必像以往那样单独准备专用夹具，从而可以削减该密封片25的制造成本。并且，由于各密封片保持器51、52具有能够发挥可挠性的程度的厚度而实现薄壁化，因而可以减少所述密封片保持器51、52的外形尺寸，从而可以对整个密封片25的紧凑化作出贡献。
另外，在将组合后的轴密封部件(密封片25)组装到定子24内时，使其根据形成于该定子24的内周面侧上的凹槽71的曲率弯曲的同时插入即可。由此，因可根据设置场所而自由改变密封片25的曲率，从而不必单独准备现有的专用夹具。因此，可以削减密封片25的制造成本。
并且，本实施方式的密封片的制造方法，在上述环安装工序中，采用了在各薄板29的一侧边缘和一方薄板保持环51之间夹入高压侧板53并进行固定的方法。根据该方法，可以容易进行高压侧板53的安装，从而可以进一步削减制造成本。
并且，本实施方式的密封片的制造方法，在上述环安装工序中，采用了在各薄板29的另一侧边缘和另一方薄板保持环52之间夹入低压侧板54并进行固定的方法。根据该方法，可以容易进行低压侧板54的安装，从而可以进一步削减制造成本。
根据具有如上所述的密封片25的燃气轮机，由于即使存在高压差也能够维持密封性能，因而可以减少燃气泄漏引起的驱动力的损失。
利用图7和图8说明本发明的密封片的另一实施方式。
本实施方式的密封片45与前述的实施方式的密封片的不同点在于：如图7所示，代替突起41，薄板48的上表面46的前端和相邻配置的薄板48的下表面的前端在组装结束时抵接。由于其他构成元件与前述的实施方式相同，因而在此省略对所述构成元件的说明。
另外，对与前述的实施方式相同的部件标注相同的标号。
如图8所示，可通过几何学方法求出在组装结束时薄板48的上表面46的前端和相邻配置的薄板48的下表面的前端抵接的薄板48的张数以及各薄板48的尺寸(即，薄板48的基端部的厚度t0)。
首先，将应用密封片45的部位的内径和外径分别设定为R1、R2。
接着，指定薄板48的有效长度L时，通过以下式(1)和(2)确定α和β(参照图8A)。
式(1)   (R2)2＝(R1)2+L2-2×R1×L×cos(α+90°)
式(2)   (R1)2＝(R2)2+L2-2×R2×L×cos(90°-β)
指定薄板48的叶片厚度(蚀刻处理后的厚度)t，通过以下式(3)计算出薄板48的张数n(参照图8B)。
式3     n＝(2×π×R1)/(t/sinα)
并且，通过以下式(4)计算出薄板48的基端部的厚度(蚀刻处理前的厚度)t0(参照图8C)。
式4     t0＝((2×π×R2)/n)×sinβ
最后，通过式(5)计算出薄板48的蚀刻厚度减少量Δt(参照图8D)。
式(5)      Δt＝t0-t
根据本实施方式的密封片45，在组装完密封片45时以及气压作用时，薄板48的上表面46的前端与相邻配置的薄板48的下表面47的前端总是维持抵接的状态。因此，即使主机发生较大的偏心，也能够可靠地防止薄板48的颤动现象，能够防止薄板48的疲劳破坏，并且可以实现密封片45的长寿命化，可以提高密封片45的可靠性。
并且，由于其他作用效果与前述的实施方式相同，因而在此省略其说明。
另外，本发明并不限定于上述实施方式，只要在组装完密封片时以及气压作用时能够防止各薄板的颤动(摆动或振动)，可以采用任意方式。
因此，利用图6说明的突起41也可以设在薄板28的下表面37侧上，也可以设在薄板的上表面36和下表面37两侧上。
并且，在上述实施方式中，作为一个具体例而说明了俯视图呈圆形的半球状的突起41，但本发明并不限定于此，例如也可以是俯视图呈圆形状的圆锥状结构，也可以是俯视图呈多角形的多角锥状。
并且，在上述实施方式中，将应用本发明的大型流体机械为燃气轮机的涡轮机的情况作为例子进行了说明，但也可以应用于蒸汽轮机、压缩机、水轮机、冷冻机、泵、航空器用燃气轮机引擎等其他大型流体机械的旋转轴等上。
另外，薄板的有效长度L和叶片厚度(蚀刻处理后的厚度)t可以分别设计成在气压作用时(运转时)通过动压力保持平衡。

Claims (6)

1.一种轴密封机构，在转子和定子之间的环状空间排列多张薄板而配置环状的薄板群，将所述薄板的外周侧基端部固定到所述定子侧上，并且使所述薄板的内周侧前端相对所述转子的圆周面处于不固定状态，从而利用所述环状的薄板群将所述转子与所述定子之间的环状空间分为高压侧区域和低压侧区域，并通过所述转子与所述定子之间的环状空间阻止沿着所述转子的轴方向流动的流体，其中，
包括配置在所述多张薄板的高压侧区域的高压侧侧板以及配置在所述多张薄板的低压侧区域的低压侧侧板；
所述多张薄板，在固定在所述定子侧的状态以及气压作用时，各薄板的内周侧前端总是与紧邻的薄板的所述内周侧前端抵接。
2.一种流体机械，其具有权利要求1所述的轴密封机构。
3.如权利要求1所述的轴密封机构，所述各薄板的所述内周侧前端的上表面以点状或线状与紧邻的所述薄板的所述内周侧前端的下表面抵接。
4.如权利要求1所述的轴密封机构，所述薄板配置成满足以下的条件式(1)～(5)：
(R2)2＝(R1)2+L2-2×R1×L×cos(α+90°)   …(1)
(R1)2＝(R2)2+L2-2×R2×L×cos(90°-β)   …(2)
n＝(2×π×R1)/(t/sinα)   …(3)
t0＝((2×π×R2)/n)×sinβ   …(4)
Δt＝t0-t…   (5)
其中，
α：薄板的内周侧前端部上表面与环状空间的内周切面所成的角
β：薄板的外周侧固定部上表面与环状空间的外周切面所成的角
R1：环状空间的内径
R2：环状空间的外径
L：薄板的有效长度
n：薄板的张数
t：薄板的叶片厚度
t0：基端部的厚度
Δt：蚀刻厚度减少量。
5.如权利要求1所述的轴密封机构，在所述多张薄板的所述内周侧前端设有突起部。
6.如权利要求5所述的轴密封机构，所述突起部设置在所述内周侧前端的上表面和下表面。
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