CN102362109B - 轴封装置 - Google Patents

Abstract

一种轴封装置，将旋转轴的外周面和在该旋转轴的外周侧设置的静止构件之间密封，具有：薄板密封件，其具有沿着旋转轴的周向配设的多个薄板；可磨密封件，其具有易切削加工件及密封凸片，所述易切削加工件配置于在轴向上与该薄板密封件不同的位置，且配置于所述旋转轴及所述静止构件中的一方上，所述密封凸片从所述旋转轴及所述静止构件中的另一方朝向所述一方突出。

Description

轴封装置

技术领域

本发明涉及相对于燃气轮机、汽轮机、压缩机、水轮机、冷冻机、泵等旋转机械的旋转轴实施密封的轴封装置。

本申请主张于2009年6月16日在日本申请的特愿2009-143124的优先权，在此援引其内容。

背景技术

通常，在燃气轮机或汽轮机等旋转机械中，在静翼等静止构件和旋转轴等旋转构件之间形成环状的间隙。工作流体通过该环状的间隙从高压侧朝向低压侧泄漏。为了防止该泄漏，使用轴封装置。作为如此的轴封装置之一，一直以来广泛地使用的是非接触型的迷宫式密封件。但是，这样的轴封机构需要防止因旋转过渡期的轴振动或热过渡的热变形而使凸片前端与周围的构件接触。因此，必须将凸片前端的间隙即密封间隙增大到某种程度，由此工作流体的泄漏量变多。

作为对这样的迷宫式密封件的缺陷进行弥补的轴封装置，公知的是可磨密封件(例如参照专利文献1)。

可磨密封件在旋转轴和静止构件中的任意一方配置多列突形的密封凸片，并且在另一方设置滑动发热量低且切削性优越的构件(以下，称为易切削加工件)。根据该可磨密封件，即使假设在运转中因为某种要因而使密封凸片和易切削加工件接触，也由密封凸片容易地切削易切削加工件。因此，能够抑制产生滑动发热和因该发热导致的旋转轴的弯曲变形，能够防止产生该变形导致的振动等不良情况。

作为使上述迷宫式密封件的工作流体的泄漏量降低的技术，除了上述可磨密封件之外，公知的是呈将平板状的薄板沿着旋转轴的周向多层配置的结构的薄板密封件(例如参照专利文献2)。

该薄板密封件在旋转轴停止时使薄板的内周侧前端以规定的预压力与旋转轴接触，在旋转轴旋转时在该旋转轴旋转所产生的动压效果的作用下薄板的前端浮起。由此，在旋转轴旋转时薄板和旋转轴成为非接触状态，从而防止各薄板及旋转轴的磨损。

除以上之外，例如专利文献3公开了通过将刷密封件和蜂窝密封件组合构成一个轴封装置来提高工作流体的泄漏防止性能的混合型刷·蜂窝密封件。

专利文献1：特开2002-228013号公报

专利文献2：特许第3917993号公报

专利文献3：特开2004-150430号公报

在上述可磨密封件中，由于容许密封凸片和易切削加工件的接触，因此能够降低密封间隙。但是，在接触滑动后该密封间隙增大。因而，由于在该滑动部位工作流体的流量增加，因此存在无法长期稳定地防止泄漏的缺陷。

在上述薄板密封件中，在高压侧区域和低压侧区域的压力差大于规定以上的情况下，由于密封间隙变得过大而使流量增加，因此必须将能够使用的高压侧区域和低压侧区域的压力差设定为规定以下。另外，若连接设置多个该薄板密封件，则即使在压力差大的情况下也能够使用，但是成本变高。

在上述混合型刷·蜂窝密封件中，使用的刷密封件及蜂窝密封件都在旋转侧和固定侧之间接触滑动，由此将高压侧和低压侧隔开。因此，存在两密封件随着使用而逐渐磨损的缺陷。因而，耐久性差，无法长期稳定地防止泄漏。

发明内容

本发明正是鉴于这样的课题而提出的，其目的在于提供一种即使在高压侧区域和低压侧区域之间的压力差大的情况下也能够在所述区域间稳定地防止工作流体泄漏的轴封装置。

为了解决所述课题，该发明提出了以下的手段。

本发明提供一种轴封装置，将旋转轴的外周面和在该旋转轴的外周侧设置的静止构件之间密封，其中，具有：薄板密封件，其具有沿着旋转轴的周向配置的多个薄板；可磨密封件，其具有易切削加工件及密封凸片，所述易切削加工件配置于在轴向上与该薄板密封件不同的位置，且配置于所述旋转轴及所述静止构件中的一方上，所述密封凸片从所述旋转轴及所述静止构件中的另一方朝向所述一方突出。

根据如此特征的轴封装置，即使在可磨密封件的易切削加工件的磨损进行而使密封间隙增大的情况下，也由薄板密封件和可磨密封件分担差压。由此，由于由可磨密封件单体产生的差压变小，因此能够抑制该可磨密封件的从高压侧区域朝向低压区域的流量变化。尤其是，在可磨密封件的密封间隙增大的情况下，薄板密封件的差压分担比率大于可磨密封件的分担比率。因此，能够有效地抑制可磨密封件的流量变化。

利用差压的分担，能够减小在薄板密封件产生的差压。即使在高压侧区域和低压侧区域的差压大到无法以薄板密封件单体进行密封的程度的情况下，也能够应用该薄板密封件实施稳定的密封。进而，由于该薄板密封件的耐磨损性高，因此能够长期稳定地防止泄漏。

还有，所谓易切削加工件只要是相对于密封凸片来说切削性优越的构件则也包括任何构件，除了周知的可磨皮膜或可磨层之外，也包括由金属或陶瓷等构成的蜂窝结构体。

所述薄板密封件与所述可磨密封件相比配置于高压侧。

在此，在假定可磨密封件与薄板密封件相比配置于高压侧的情况下，易切削加工件与密封凸片接触并磨损，由此产生切削粉，且该切削粉流入薄板密封件。若该切削粉介于薄板密封件的薄板间，则无法维持薄板间的适当间隙，另外，使刚性增加。因此，薄板的按压力增加而引起磨损，并且该薄板密封件的流量产生变化。

关于这一点，由于在本发明中薄板密封件与可磨密封件相比配置于高压侧，因此薄板密封件不会受到切削粉的影响，薄板的刚性不会增加。因而，在薄板密封件中能够稳定地防止工作流体的泄漏。

在所述旋转轴的外周面和所述静止构件之间设有壳体，在该壳体的内周邻接配置有所述薄板密封件和所述可磨密封件的所述密封凸片及所述易切削加工件中的一方。

根据如此特征的轴封装置，由于薄板密封件及可磨密封件以相互邻接的方式配置于壳体中，因此能够实现上述的适当的差压分担。

发明效果

根据本发明的轴封装置，通过具有耐磨损性优越且耐久性高的薄板密封件和耐差压性高的可磨密封件，即使在高压侧区域和低压侧区域的差压大的情况下也能够长期稳定地防止工作流体的泄漏。

附图说明

图1是包括轴向在内的截面的实施方式的轴封装置的概略构成图。

图2是图1的薄板密封件的放大图。

图3是图1的可磨密封件的放大图。

图4是包括轴向在内的截面的比较例的轴封装置的概略构成图。

图5A是表示比较例的轴封装置的旋转初期的从高压侧朝向低压侧的差压曲线的图表。

图5B是表示比较例的轴封装置的滑动后的从高压侧朝向低压侧的差压曲线的图表。

图6A是表示实施方式的轴封装置的旋转初期的从高压侧朝向低压侧的差压曲线的图表。

图6B是表示实施方式的轴封装置的滑动后的从高压侧朝向低压侧的差压曲线的图表。

具体实施方式

以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。

图1是包括轴向在内的截面的实施方式的轴封装置的概略构成图。轴封装置10例如设置于燃气轮机等旋转机械的旋转轴1和定子(静止构件)2之间，防止工作流体经由在旋转轴1和定子2之间形成的环状的空间从高压侧区域(在图1中，右侧的区域)朝向低压侧区域(在图1中，左侧的区域)泄漏。

本实施方式的轴封装置10不仅能够应用于上述燃气轮机，例如还能够广泛地被采用于汽轮机、压缩机、水轮机、冷冻机、泵等大型流体机械之类的利用轴的旋转和流体的流动的关系将能量转换为功的所有旋转机械。

轴封装置10由薄板密封件20和可磨密封件30这2个密封件构成。在本实施方式中，如图1所示，在定子2的与旋转轴1的外周面对置的定子2的内周面形成有以轴向为中心形成为环状的凹部2a，在嵌入固定于该凹部2a内的壳体3的内周侧的轴向的不同位置以相互邻接的方式配置有薄板密封件20及可磨密封件30。

参照图1及图2说明薄板密封件20的构成。

该薄板密封件20与可磨密封件30相比配置于高压区域侧，详细地说，如图2所示，由多个薄板21、U字型的保持环22、23、高压侧板24、低压侧板25、连接构件26、衬垫27和板簧28构成。多个薄板21由在旋转轴1的周向上相互空开微小间隔而多重排列的金属构成。保持环22、23在该薄板21的外周侧基端从两侧夹持薄板21。高压侧板24由薄板21的与高压侧区域对置的一侧缘和保持环22夹入。低压侧板25由薄板21的与低压侧区域对置的另一侧缘和保持环23夹入。连接构件26在薄板21的外周侧连接两保持环22、23。衬垫27抑制由保持环22、23夹持的各薄板21的晃动。板簧28支承为施力状态以使由保持环22、23夹持的各薄板21与旋转轴1同轴。

在如此构成的薄板密封件20中，薄板21由与外周侧的基端的宽度(旋转轴1的轴向的宽度)相比内周侧的前端的宽度(旋转轴1的轴向的宽度)窄的大致T字型的薄钢板构成。在薄板21的宽度变窄的位置，在其两方的侧缘形成有切口部21a、21b。

多个薄板21以沿旋转轴1的轴向成为同一宽度的方式重叠。所述多个薄板21在其基端例如被实施焊接而相互被固定。

薄板21在旋转轴1的周向具有由其板厚确定的规定的刚性。进而，薄板21以相对于薄板21和旋转轴1的旋转方向而与旋转轴1的外周面所成的角为锐角的方式安装于保持环22、23。

高压侧板24及低压侧板25的外周侧的旋转轴1的轴向的宽度以比其他位置宽的方式设置有台阶部24a、25a。台阶部24a、25a分别嵌入薄板21的切口部21a、21b。

保持环22在与多个薄板21的基端的一侧缘(高压侧)面对的面具有槽22a。同样地，保持环23在与多个薄板21的基端的另一侧缘(低压侧)面对的面具有槽23a。多个薄板21的基端侧的一侧缘(高压侧)嵌入保持环22的槽22a。同样地，多个薄板21的基端侧的另一侧缘(低压侧)嵌入保持环23的槽23a。

在如此嵌入有多个薄板21的外周基端侧的保持环22、23之间插入连接构件26，并且使该连接构件26与保持环22、23焊接，由此保持环22、23被相互固定。在各薄板21的基端和保持环22、23之间以与各薄板21的基端及保持环22、23抵接的方式插入衬垫27。然后，在该衬垫27及保持环22、23的外周侧以与所述衬垫27及保持环22、23相接的方式固定板簧28。

如此构成的薄板密封件20与呈环状的安装零件4一起从保持环22、23侧嵌入于在壳体3的内周面形成的环状的槽5中。在此，环状的槽5在旋转轴1的轴向上以外周侧的宽度宽于内周侧的宽度的方式在与薄板21的一侧缘(高压侧)对置的侧面设有台阶。形成有该台阶的朝向外周侧的面即滑接面5a。而且，该滑接面5a与薄板密封件20的保持环23的内周面滑接。另外，槽5的朝向内周侧的面即滑接面5b与在薄板密封件20的外周侧设置的板簧28滑接。还有，该槽5的内周侧的宽度以在旋转轴1的轴向的宽度上比薄板密封件20的宽度充分长的方式形成。

如图1所示，安装零件4在与薄板21的另一侧缘(低压侧)对置的侧面设有台阶，以使在旋转轴1的轴向上外周侧的宽度窄于内周侧的宽度。该台阶的朝向外周侧的面作为滑接面4a形成。该滑接面4a与保持环22的朝向内周侧的面滑接。安装零件4的与上述薄板21的另一侧缘(低压侧)对置的侧面形成为与低压侧板25抵接的受压面4b。

利用以上构成的壳体3的槽5及安装零件4，在薄板密封件20的基端侧保持薄板密封件20。即，保持环22、23的各自的内周面与槽5的滑接面5a及安装零件4的滑接面4a滑接，并且在保持环22、23的外周侧固定的板簧28与槽5的滑接面5b滑接，由此薄板密封件20以嵌入壳体3中的状态被保持。

此时，薄板密封件20相对于槽5能够在旋转轴1的轴向上相对移动。由此，在工作流体从高压侧区域朝向低压侧区域流动时，其气体压力作用于薄板密封件20的多个薄板21上，因此薄板密封件20朝向低压侧移动，低压侧板25与安装零件4的受压面4b抵接。

在这样的薄板密封件10中，在旋转轴1停止时薄板21的前端以规定的预压力与旋转轴1接触。而且，在旋转轴1旋转时，在该旋转轴1旋转所产生的动压效果的作用下薄板21的前端从旋转轴1浮起，薄板21和旋转轴1经由微小的密封间隙成为非接触状态。由此，能够防止薄板21及旋转轴1的磨损，并且抑制工作流体从高压侧区域朝向低压侧区域泄漏。

接着，使用图1及图3说明可磨密封件30的构成。

该可磨密封件30设置于与上述槽5相比位于低压侧的壳体3的内周面即低压侧的内周面6和与该低压侧的内周面6对置的旋转轴1之间。具体地说，由从旋转轴1侧朝向定子2侧即壳体3侧突出的多个密封凸片31和在定子2侧即壳体3的上述低压侧的内周面6配置的易切削加工件32构成。

密封凸片31在旋转轴1的轴向上空开大致等间隔而形成有多个(在本实施方式中是4个)，在本实施方式中，所述密封凸片31的从旋转轴1的外周面突出的突出量在相邻的密封凸片31彼此之间相互不同。还有，所述密封凸片31的突出量也可以全都相等。

易切削加工件32在与旋转轴1的形成有密封凸片31的区域对置的壳体3的上述低压侧内周面6整个区域上层叠。还有，在本实施方式中，朝向轴向的内周侧的层叠量不同，以便对应于上述密封凸片31的突出量而使其与所述密封凸片31的间隙大致相等，不过在上述密封凸片31的突出量相等的情况下，也可以使在低压侧内周面6整个区域上层叠均匀量。

该易切削加工件32由滑动摩擦热少且切削性优越的材质构成，例如，可以使用由钴、镍、铬、铝及钇系的材料(CoNiCrAlY系材料)、镍、铬、铝系的材料(NiCrAl系材料)、或者镍、铬、铁、铝、硼及氮系的材料(NiCrFeAlBN系材料)等各种公知的易切削加工性材料构成的可磨件。

作为易切削加工件32，除了上述可磨件之外，也可以使用由金属或陶瓷等构成的蜂窝层。

在本实施方式的轴封装置10中，在壳体3的与槽5相比位于高压侧的该壳体3的内周面即高压侧的内周面7埋设有朝向旋转轴1侧突出的凸片40a，由此在薄板密封件20的高压侧构成第一迷宫式密封件40。

进而，上述安装零件4的内周面的一部分呈朝向旋转轴1侧突出的形状，由此在薄板密封件20和可磨密封件30之间构成第二迷宫式密封件41。

所述第一迷宫式密封件40及第二迷宫式密封件41是为了更加降低工作流体的泄漏量而设置的。它们不需要必须设置，轴封装置10也可以只由薄板密封件20及可磨密封件30构成。

根据这样的可磨密封件30，即使假设在运转中因为某种要因而使密封凸片31和易切削加工件32接触并滑动，由于易切削加工件32被密封凸片31容易地切削，因此也能够抑制产生滑动发热和因该发热导致的旋转轴1的弯曲变形。另外，由于如此容许密封凸片31和易切削加工件32的接触，因此能够将两者间的间隔即密封间隙设定为较小。因此，能够有效地抑制从高压侧区域向低压侧区域泄漏的工作流体的流量。

接着，与以下说明的比较例的轴封装置50进行对比而说明具有上述的薄板密封件20及可磨密封件30的本实施方式的轴封装置10的作用。

图4表示比较例的轴封装置50的包括轴向在内的截面图。该轴封装置50只由上述可磨密封件30构成。在旋转轴1侧形成有多个密封凸片31(在该比较例中是8个)，在与所述密封凸片31对置的壳体3的内周面8上层叠有易切削加工件32。

使用图5A及图5B说明如此的比较例的轴封装置50的工作流体的泄漏流量Q和高压侧与低压侧的差压ΔP之间的关系。

图5A是表示旋转初期的从高压侧朝向低压侧的差压曲线的图表。图5B是表示滑动后的从高压侧朝向低压侧的差压曲线的图表。

在此，从高压侧朝向低压侧泄漏的流量Q，如图5A所示，与平均密封间隙δ、差压ΔP及密封凸片31的设置数(级数)的倒数1/N这3个参数呈比例关系。另外，在图5B所示的滑动后，密封凸片31与易切削加工件32滑接而切削，由此与图5A所示的旋转初期比较，平均密封间隙δ增加。而且，若将其增加量设为Δδ，则如图5B所示，滑动后的平均密封间隙为δ+Δδ。因而，滑动后的流量Q’比旋转初期的流量Q增加了Δδ的量。

即，在比较例的轴封装置50中，随着密封凸片31切削易切削加工件32的切削量增加，泄漏流量增加。

接着，使用图6A及图6B说明实施方式的轴封装置10的工作流体的泄漏流量Q和高压侧与低压侧的差压ΔP之间的关系。

图6A是表示旋转初期的从高压侧朝向低压侧的差压曲线的图表。图6B是表示滑动后的从高压侧朝向低压侧的差压曲线的图表。

在可磨密封件30中从高压侧朝向低压侧泄漏的流量Q，如图6A所示，与平均密封间隙δ、差压ΔP’及密封凸片31的设置数(级数)的倒数1/N’这3个参数呈比例关系。

还有，由于进行与薄板密封件20的分担差压，因此实施方式的轴封装置10的施加于可磨密封件30上的差压ΔP’小于施加于轴封装置10整体上的差压ΔP。

若密封凸片31与易切削加工件32滑接而切削，则与图6A所示的旋转初期比较，平均密封间隙δ增加。而且，若将其增加量设为Δδ，则如图6B所示，滑动后的平均密封间隙为δ+Δδ。

另外，若可磨密封件30的平均密封间隙δ如此增加，则在实施方式的轴封装置10中，差压ΔP的分担量变化。即，薄板密封件20的差压的分担量增加，可磨密封件30的差压的分担量减少。由此，小于旋转初期的差压ΔP’的差压ΔP”施加于可磨密封件30上。

因而，在实施方式的轴封装置10中，虽然在滑动后可磨密封件30的平均密封间隙增大，但是施加于该可磨密封件30上的差压减少。因此，其结果是能够将旋转初期的流量Q和滑动后的流量Q’之间的变动抑制为较低。即，在实施方式的轴封装置10中，即使在由密封凸片31切削了易切削加工件32的情况下，也能够有效地防止工作流体的泄漏。

如上所述，根据实施方式的轴封装置10，即使在可磨密封件30的易切削加工件32的磨损进行而使密封间隙增大的情况下，通过利用薄板密封件20来分担差压，也能够减小在可磨密封件30单体产生的差压。因此，能够抑制该可磨密封件30的从高压侧区域朝向低压侧区域的流量变化。

尤其是在可磨密封件30的密封间隙增大的情况下，薄板密封件20的差压分担比率比可磨密封件30的分担比率大。因此，能够有效地抑制可磨密封件30的流量变化，由此防止轴封装置10整体的工作流体的泄漏。

通常，在高压侧区域和低压侧区域的差压大的情况下通常无法单独使用薄板密封件20。在本实施方式中，由于利用薄板密封件20和可磨密封件分担差压，因此能够减小在薄板密封件20上产生的差压。因而，即使在高压侧区域和低压侧区域的差压大到以薄板密封件20单体无法进行密封的程度的情况下，也能够应用该薄板密封件20。进而，由于该薄板密封件20的耐磨损性高，因此能够长期稳定地防止泄漏。

如以上所示，根据本实施方式的轴封装置10，通过具有耐磨损性优越且耐久性高的薄板密封件20和耐差压性高的可磨密封件30，即使在高压侧区域和低压侧区域的差压大的情况下，也能够长期稳定地防止工作流体的泄漏。

在此，在假定可磨密封件30与薄板密封件20相比配置于高压侧的情况下，由于易切削加工件32与密封凸片31接触而磨损，因此该易切削加工件32的切削粉流入薄板密封件20。在该切削粉的作用下，薄板密封件20的薄板21的刚性增加，因此引起磨损并且该薄板密封件20的流量产生变化。

关于这一点，在本实施方式中，由于薄板密封件20与可磨密封件30相比配置于高压侧，因此能够在所述薄板密封件20的薄板21的刚性不如上所述那样增加的情况下在该薄板密封件20中稳定地防止工作流体的泄漏。

以上，详细地说明了本发明的实施方式，但是只要不脱离本发明的技术思想，则并不限定于所述实施方式，也可以实施些许的设计变更等。

例如，在本实施方式的轴封装置10中，构成为分别配置一个薄板密封件20及可磨密封件30，但是也可以将它们的至少之一配置多个。

在实施方式中，构成为薄板密封件20配置于可磨密封件30的高压侧，不过也可以相反地构成，即构成为可磨密封件30配置于薄板密封件20的高压侧。此时，虽然存在易切削加工件32的切削粉流入薄板密封件20的缺点，但是与实施方式同样地能够构成发挥了薄板密封件20及可磨密封件30的长处的轴封装置。

在实施方式的轴封装置10的可磨密封件30中，构成为在旋转轴1形成有密封凸片31、且在定子2侧即壳体3配置有易切削加工件32，不过也可以构成为在旋转轴1形成易切削加工件32、且在定子2侧形成密封凸片31。

产业上的可利用性

根据本发明的轴封装置，通过具有耐磨损性优越且耐久性高的薄板密封件和耐差压性高的可磨密封件，即使在高压侧区域和低压侧区域的差压大的情况下也能够长期稳定地防止工作流体的泄漏。

符号说明

1旋转轴

2定子(静止构件)

3壳体

10轴封装置

20薄板密封件

21薄板

24高压侧板

25低压侧板

30可磨密封件

31密封凸片

32易切削加工件

Claims (1)

1.一种轴封装置，将旋转轴的外周面和在该旋转轴的外周侧设置的静止构件之间密封，其中，具有：

薄板密封件，其具有沿着旋转轴的周向配设的多个薄板；

可磨密封件，其具有易切削加工件及密封凸片，所述易切削加工件配置于在轴向上与该薄板密封件不同的位置，且配置于所述旋转轴及所述静止构件中的一方上，所述密封凸片从所述旋转轴及所述静止构件中的另一方朝向所述一方突出；

壳体，其设置在所述旋转轴的外周面和所述静止构件之间；

安装零件，其在所述轴向上，设置在所述薄板密封件和所述可磨密封件之间，

在所述壳体上形成有配置所述安装零件和所述薄板密封件的槽，

配置于所述槽的所述安装零件的内周面的一部分具备朝向所述旋转轴突出形成的迷宫式密封件，

所述薄板密封件在所述轴向上与所述迷宫式密封件相比设置于高压侧，

所述可磨密封件在所述轴向上与所述迷宫式密封件相比配置于低压侧。