CN101765736A - 密封结构 - Google Patents

Abstract

提供一种密封结构，能够得到厚的耐磨膜，并由此提高密封性能。本发明的密封结构(1)具备：凸片(5)，其从旋转轴(3)的周面环状地突出，且沿轴线方向L至少设置一个；密封部件(9)，其具有与凸片(5)相对的环状密封面(19)，在密封面(19)形成有喷镀耐磨材料的耐磨层(25)，其中，在密封面(19)的轴线方向L端部具有向半径方向(K)倾斜的锥部(21)。

Description

密封结构

技术领域

本发明涉及在旋转机械的旋转轴部使用的密封结构。

背景技术

在汽轮机、燃气轮机、压缩机等旋转机械中作为旋转轴部的密封结构而广泛使用例如如专利文献1和专利文献2所示的所谓迷宫式密封结构。

迷宫式密封结构为：在旋转轴或与其相对的静止部环状突出，并且沿轴线方向设置多个凸片和与该凸片相对的面(相对面)。凸片为了缓和与相对的面接触而造成的影响，把前端加工尖0.2mm左右，但由于本质上是金属之间接触，所以在重接触时滑动发热量大，引起轴振动，不能简单地把凸片与相对面的间隙变狭窄。

由于密封性能，换言之，旋转机械性能是由凸片数量和凸片与相对面的间隙来决定，所以为了提高旋转机械的性能，就要求减小凸片与相对面的间隙。例如专利文献1应用了活性间隙调节(ACC)密封，在起动时的过渡期和额定运转时利用差压而使间隙变化的结构。专利文献2在静止部的凸片相对面的接触面应用了简单切削的耐磨部分，以谋求降低接触时的发热。

旋转机械一般被设计成在额定转速区域旋转轴静定旋转，在起动后不久，旋转速度上升中存在有旋转轴的振动水平成为最大的速度区域(以下把它叫做危险速度区域)。旋转轴是经过该危险速度区域而到达额定转速区域。有时有起动时由于温度差而引起静止部的不均匀变形、由上下的热延伸差而引起的间隙成为过渡最小的情况。当这样起动时，间隙最小时，凸片与相对面重接触，则由过度滑动发热而使旋转轴侧被局部加热，有可能产生使轴弯曲，进而引发重接触的反复恶性循环。关于这点，若应用耐磨材料，则能够设计成其本身滑动发热量小，且能够容许达到某种程度的接触。

专利文献1：特开2002-228013号公报

专利文献2：特开2003-65076号公报

如上所述，通过应用耐磨材料而在间隙设计上的好处大，作为耐磨材料而知道有各种材料。对于透平部件这样的环状形状且要求均匀膜厚的部件来说，认为例如内径喷镀的耐磨材料的镀层(膜)有效。由于喷镀处理中当喷镀的半熔化粒子向基体材料(凸片的相对面)附着后在凝固时要收缩，所以随之产生残留应力。该残留应力是膜越厚就越大。若该残留应力大，则在基体材料与膜的边界处膜剥离(产生边界剥离)。这点特别是在对透平的环状部件进行曲面施工的情况下显著。在膜的端部有影响变大的倾向。

因此，形成足够厚度的膜在现实中是困难的。因此，现状是不得不重视安全性，扩展额定转速区域的间隙，密封性能被限制。

发明内容

本发明鉴于上述课题而提供一种密封结构，能够得到厚的耐磨膜，并由此提高密封性能。

为了解决上述课题，本发明采用以下机构。

即本发明的一形态的密封结构，具备：凸片，其从旋转部件的周面环状地突出，且沿轴线方向至少设置一个；密封部件，其具有与该凸片相对的环状密封面，在该密封面形成有喷镀耐磨材料的耐磨膜，其中，在所述密封面的轴线方向端部具有向半径方向倾斜的倾斜部。

根据本形态，由于在密封面的轴线方向端部具有向半径方向倾斜的倾斜部，所以倾斜部的耐磨膜被形成为沿倾斜部的形状即向半径方向倾斜的形状。

因此，在倾斜部形成的耐磨膜成为与形成在轴线方向中间部分的耐磨膜是向不同方向层合，因此，耐磨膜成为层合方向在倾斜部变化的组织结构。

如果当耐磨膜的层合方向变化，则残留应力的作用方向就相互不同，所以能够分离其影响。

由于能够把轴线方向中间部分的影响分离，所以能够特别有效地抑制容易剥离的端部即倾斜部的边界剥离。因此，即使有大的残留应力，也能够抑制产生边界剥离，所以能够加厚耐磨膜的膜厚。

由于若能够加厚耐磨膜的膜厚，则例如能够把额定转速区域的凸片与密封面(换言之与耐磨膜面)的间隙设定小，所以能够提高密封结构的密封性能。

由此，例如能够谋求旋转机械的可靠性提高和性能提高。

这时，优选的是，把倾斜部设置在不影响密封作用的范围，把该耐磨膜的膜厚设定薄。

由于这样能够使倾斜部的残留应力更加降低，所以能够把进行密封作用的轴线方向中间部分的耐磨膜的膜厚更加加厚。

作为倾斜部例如也可以是把端部倒角形成，也可以在凸片侧形成堤坝状的凸部。也可以形成平面状，也可以形成曲面状。

在上述形态中，优选的是，在所述密封面的所述轴线方向中间部分沿所述轴线方向形成有凹凸。

由于这样则轴线方向中间部分的耐磨膜的层合方向就变化，所以能够分开残留应力的影响。

因此，由于能够减少向轴线方向中间部分的耐磨膜作用的残留应力，所以能够把耐磨膜的膜厚更加加厚。

这点例如对轴线方向中间部分的轴线方向长度长的情况特别有效。

在轴线方向中间部分的凹凸相对轴线方向是直角的情况下，由于凹凸侧面部相对喷镀方向平行而成为减弱膜密接力的原因之一，所以优选的是，使凹凸侧面部适当地向半径方向倾斜，而相对喷镀方向具有适当的角度。

在上述形态中，优选的是，在所述轴线方向的所述密封部件的端面，从所述密封面空开间隔实施覆盖并且形成所述耐磨膜。

这样，覆盖就不与密封面和耐磨膜的界面接合(係合)，所以能够防止在该界面由覆盖引起的微观裂纹的产生。

如果没有该微观裂纹则剥离的起点就消失，所以能够更抑制剥离的产生。由此，能够把耐磨膜的膜厚更加加厚。

在上述形态中，所述密封部件也可以由在周向能够被分割的分割密封部件构成。

由于这样就能够把密封部件在制造分割密封部件后，把它们进行组装来制造，所以例如即使是大型的密封部件，有能够抑制制造设备的巨大化。

在上述形态中，优选的是，所述分割密封部件的周向端部被如下形成：在把所述耐磨膜堆高后把该堆高部从所述耐磨膜侧向所述密封面侧进行机械加工切除。

为了维持耐磨膜到分割密封部件周向端部的希望膜厚，需要加厚耐磨膜而超过周向端部一定程度，即进行堆高。

由于该被堆高的堆高部在组装时成为障碍，所以通过机械加工切除。这时，由于堆高部从耐磨膜侧向密封面侧被机械加工而进行切除，所以在从密封面离开的方向没有作用于耐磨膜的力。

这样，由于在机械加工中没有作用于耐磨膜剥离方向力，所以能够抑制由机械加工引起的耐磨膜剥离(开裂)。由此，能够不被机械加工制约地进行耐磨膜的厚膜化。

作为机械加工例如能够使用锉刀、车床加工等。

在上述形态中，优选的是，所述耐磨材料含有树脂制材料。

这样，由于耐磨材料含有树脂制材料，所以在利用喷镀形成耐磨膜后能够通过热处理把树脂制材料部分除去。

由此，由于耐磨膜成为多孔质组织，所以能够减少在耐磨膜与凸片接触时的滑动发热量。

通过调节树脂制材料的含有率，而能够调节耐磨膜的硬度和气孔率。如果考虑到若把树脂制材料的部分除去，则耐磨膜与密封面的接触面积减少而使两者的接着力下降而产生剥离，所以需要把树脂制材料的含有率保持在不发生这种事态的范围。为了弥补粘接力的下降，也可以对密封面进行提高耐磨膜与密封面贴紧性的底涂层施工。

根据本发明，由于在密封面的轴线方向端部具有向半径方向倾斜的倾斜部，所以能够加厚耐磨膜的膜厚，例如是不产生剥离的3mm以上。

因此，能够把额定转速区域的凸片与密封面(换言之，耐磨膜面)的间隙设定小，所以能够提高密封性能。

由此，例如能够谋求旋转机械的可靠性提高和性能提高。

附图说明

图1是本发明一实施例密封结构的纵剖视图；

图2是表示本发明一实施例分割密封部件的立体图；

图3是表示本发明一实施例锥部近旁的耐磨层形成状态的局部剖视图；

图4是表示本发明一实施例突起部近旁的耐磨层形成状态的局部剖视图；

图5是表示本发明一实施例覆盖状态的局部主视图；

图6是表示本发明一实施例在周向端部形成的堆高部的局部侧视图；

图7是表示本发明一实施例耐磨层滑动试验装置的概略局部主视图。

符号说明

1密封结构   3旋转轴         5凸片      9密封环    11端面

19密封面    21锥部          23凸部     24凸部倾斜部

25耐磨层    27分割密封部件  29周向端面

31突起部    33覆盖          35堆高部   C周向

K半径方向   L轴线方向

具体实施方式

以下，一边参照图1～图7一边说明本发明一实施例的在汽轮机、燃气轮机、压缩机等旋转机械的旋转轴部所使用的密封结构1。

图1是本实施例密封结构1的纵剖视图。

密封结构1具备：多个凸片5，其在旋转轴(旋转部件)3的周面环状地突出；密封部件9，其被设定为在壳体等静止部7以覆盖凸片5外周侧的方式而被保持的圈形状。

多个凸片5沿轴线方向L空开间隔地配置。凸片5与旋转轴3成一体地被切削形成。

凸片5也可以与旋转轴3分体形成，例如通过植入等方法而固定于旋转轴3。

密封部件9被设定成沿轴线方向L的截面是大致矩形。在密封部件9的轴线方向L两侧的端面11设置有跨越大致整周延伸的嵌合槽13。

在静止部7的内面设置有跨越大致整周延伸的周槽15。在周槽15的内周侧端部设置有向周槽15的内侧突出的延伸到大致全周的突出部17。

密封部件9使嵌合槽13与突出部17卡合地与周槽15嵌合而被静止部7保持。

密封部件9也可以能够调节半径方向K的位置。

密封部件9的内周侧的面即密封面19位于与凸片5相对的位置。

在密封部件9的轴线方向L端部分别设置有被大倒角的锥部(倾斜部)21。锥部21的轴线方向L端部的半径方向K位置位于在与中央侧的其相比更靠外周侧。即锥部21向半径方向K倾斜。

在密封部件9的轴线方向L中间部分设置有延伸到大致全周且向内周侧突出的凸部23，是在轴线方向L空开间隔地设置有多个例如3个。

因此，密封面19成为沿轴线方向L形成有凹凸。

在密封面19大致达整个面地以大致均匀的膜厚T1形成有喷镀耐磨材料而形成的耐磨层(耐磨膜)25。

在凸部23的侧面部设置有相对喷镀方向具有适当角度地向半径方向恰当倾斜的凸部倾斜部24。

由于耐磨层25是沿密封面19形成，所以耐磨层25被形成得沿轴线方向L不连续。

即，在锥部21是向半径方向K倾斜，在轴线方向L的中间部分随凸部23而成凹凸状态。

如图3所示，在锥部21的耐磨层25的膜厚T2比其他部分的膜厚T1薄。

在密封部件9的轴线方向L端部也可以代替锥部21而设置图4所示那样的成堤坝状的突起部(倾斜部)31。

这时，耐磨层25也是在突起部31的位置被形成得沿轴线方向L不连续。

且在突起部31的耐磨层25的膜厚T2比其他部分的膜厚T1薄。

密封部件9由在周向C被分割成多个，例如6个的分割密封部件27构成。该分割的数量是考虑密封部件9的大小、制造设备、旋转机械的结构等各种条件来适当决定。

图2是表示分割密封部件27的立体图。被设置成在分割密封部件27的周向C端部有周向端面29向半径方向K延伸。

密封部件9也可以不是组装分割密封部件27而是作为一体形成。

说明以上那样构成的密封结构1的密封部件9的制造。

首先，把分割密封部件27的本体例如通过机械加工而加工成图2所示形状。

该加工例如如下进行。

把长的板材切断成规定的长度和宽度。接着，把密封面19切削成残留有凸部23，在端面11加工嵌合槽13和锥部21。然后，进行弯曲加工以形成具有规定曲率半径的圆弧。

接着，在密封面19形成耐磨层25。

首先如图5所示那样为了在端面11不形成喷镀膜而进行覆盖33，为了制作喷镀前的基底而实施喷丸处理。

这时，覆盖33的密封面19侧端部离开密封面19地空开有间隔。该间隔例如是2～3mm。

在该状态下，例如使用大气压等离子喷镀(APS：Atmosphric PlasmaSpraying)而把耐磨材料向密封面19喷射。

作为耐磨材料而使用把包含钴、镍、铬、铝、钇(以后叫做CoNiCrAlY)的金属成分作为主体，且含有作为固体润滑材料的氮化硼(h-BN)和用于控制气孔率的聚酯(树脂制材料)的材料。

这表示了耐磨材料的一例，能够使用适当的材料。

喷镀则为了极力降低熔化量而花费时间施工，且为了能够维持贴紧力而设定恰当的电流-电压进行施工。

由此，能够减少耐磨层25的残留应力。

在该喷镀施工时，在被熔化了的耐磨材料附着到密封面19的瞬间而被急速冷却、凝固并收缩。因此，在被形成的耐磨层25产生有残留应力。

本实施例由于把密封面19利用锥部21和凸部23沿轴线方向L不连续地形成，所以耐磨层25中残留应力的作用方向相互不同，能够分开其影响。

由于能够这样分开轴线方向L的残留应力的影响，所以不会有大的残留应力向特定的场所集中。换言之，能够减少发生边界剥离的残留应力。

因此，由于能够抑制边界剥离的发生，所以能够把耐磨层25的膜厚加厚。

对于具有图3所示锥部21的分割密封部件27、具有图4所示突起部31的分割密封部件27和不具有这些的平面形状的分割密封部件27，形成厚度不同的耐磨层25，观察检查有无边界剥离。把其状况表示在表1。

[表1]

※○：无边界剥离   ×：发生边界剥离

看表1，在具有图3所示的锥部21和具有图4所示的突起部31的分割密封部件27的情况下，即使超过膜厚3mm也不发生边界剥离，但在平面分割密封部件27的情况下，当超过膜厚3mm则发生边界剥离。

特别是在残留应力容易集中的端部，由于利用锥部21而能够把轴线方向中间部分的影响分离，所以能够有效地抑制边界剥离。

且由于在锥部21的耐磨层25的膜厚比其他部分小，所以能够更加减少发生的残留应力。由此，能够更加加厚进行密封作用部分的耐磨层25的膜厚。

另外，例如在轴线方向L中间部分的沿轴线方向L的长度短的情况下或必要的膜厚薄的情况下，也可以不形成凸部23。

这样，如果当加厚耐磨层25的膜厚T1，则例如能够把额定转速区域的凸片5与耐磨层25的间隙设定小，所以能够提高密封结构1的密封性能。

由此，例如能够谋求旋转机械的可靠性提高和性能提高。

如果覆盖33的密封面19侧端部离开密封面19地空开有间隔，所以覆盖33不与密封面19和耐磨层25的界面卡合。因此，能够防止在该界面由覆盖33引起的发生微观裂纹。

由于当没有该微观裂纹则就没有剥离的起点，所以能够更加抑制发生剥离。由此，能够进一步加厚耐磨层25的膜厚T1。

当喷镀的规定膜厚T1的耐磨层25形成完成，则进行后处理。

在分割密封部件27的周向C端部，由于把耐磨层25的希望膜厚T1维持到端，如图6所示那样越过周向端面29并且堆积有膜。

该堆高部35以从耐磨层25侧朝向密封面19侧的加工方向37通过机械加工例如锉刀、车床加工等被切除。这时，加工面39比周向端面29的延长面41还稍微向内侧倾斜。该倾斜例如使加工面39的表面端部位置从延长面41离开0.05mm以内的程度。

这样在把堆高部35切除时，由于仅向加工方向37作用有力，所以在该机械加工中耐磨层25不被作用有使从密封面19离开方向的力。

这样，由于在机械加工中没有作用把耐磨层25向剥离方向的力，所以能够抑制由机械加工引起的耐磨层25剥离(裂纹)。由此，能够不被机械加工所制约地进行耐磨层25的厚膜化。

当把这样形成的耐磨层25以500～650℃进行热处理，则利用该热量而使耐磨层25所包含的聚酯消失。

由此，由于耐磨层25成为多孔质量组织，所以能够减少与凸片5接触时的滑动发热量。

通过调节聚酯的含有率而能够调节耐磨层25的气孔率。

如图7所示，在旋转的旋转体43前端安装凸片45，使前端被施工有耐磨膜49的试验片47以一定的送进速度与凸片45接触，进行滑动试验。作为试验条件是按照试验温度：550℃、旋转体43的周速度：70m/S、试验片47的送进速度：10μm/S、送进量：0.5mm进行。

作为试验片而使用耐磨膜49的气孔率是0％、约15％、约40％的。作为发热量的基准而使用12Cr钢的试验片。

把滑动时试验片前端近旁的温度、阻力、切削力以3分力传感器取得，计算滑动时由平均切削力引起的发热量。

把该结果表示在表2。

[表2]

看表2则了解到随着气孔率的增大而能够减少滑动发热量。

由于考虑到若把聚酯的部分除去，则耐磨层25与密封面19的接触面积减少而使两者的粘接力下降也产生剥离，所以需要把聚酯的含有率保持在不发生这种事态的范围。

为了弥补粘接力的下降，也可以对密封面19进行提高耐磨层25与密封面19贴紧性的底涂层施工。

本发明并不限定于上述实施例，在不脱离本发明要旨的范围内而能够进行适当变更。

Claims (4)

1.一种密封结构，具备：凸片，其从旋转部件的周面环状地突出，且沿轴线方向至少设置一个；

密封部件，其具有与该凸片相对的环状密封面，在该密封面形成有喷镀耐磨材料的耐磨膜，其中，

在所述密封面的轴线方向端部具有向半径方向倾斜的倾斜部。

2.如权利要求1所述的密封结构，其中，在所述密封面的所述轴线方向中间部分沿所述轴线方向形成有凹凸，在该凹凸的侧面部具有向半径方向倾斜的凹凸倾斜部。

3.如权利要求1或权利要求2所述的密封结构，其中，所述密封部件由在周向被分割的分割密封部件构成。

4.如权利要求1到权利要求3任一项所述的密封结构，其中，作为所述耐磨材料，其在金属基体材料中含有树脂制材料，而通过热处理成为高气孔率材料，并且具有3mm以上的膜厚。

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