CN103946488A - 旋转机械的密封结构及具备该密封结构的燃气轮机 - Google Patents

Abstract

该旋转机械的密封结构中，外周侧构件(1)具有朝向径向的内侧突出且绕轴延伸的环状的凸缘(11)，内周侧构件具有朝向径向的外侧突出且呈绕轴延伸的环状、从轴向与外周侧构件(1)的凸缘(11)对置的凸缘，在外周侧构件(1)的凸缘(11)及内周侧构件的凸缘中的任一方形成有从朝向另一方的凸缘侧的端面凹陷且绕轴延伸的环状的槽部(13)，在槽部(13)收容有以能够与另一方的凸缘抵接的方式进退的环状的密封体(14)，所述旋转机械的密封结构具备：对密封体(14)向另一方的凸缘侧施力的第一施力机构；对密封体(14)向槽部(13)的朝向径向的壁面(13b)施力的第二施力机构(22)。

Description

旋转机械的密封结构及具备该密封结构的燃气轮机

技术领域

本发明涉及一种旋转机械的密封结构及具备该密封结构的燃气轮机。

本申请基于2012年1月12日向日本提出申请的日本特愿2012-004079号而主张优先权，并将其内容援引于此。

背景技术

以往，已知有例如燃气轮机那样具有壳体和在所述壳体的内部绕轴旋转的旋转体的旋转机械。在燃气轮机的所述壳体具备机室(外周侧构件)、相对于机室配置在与涡轮轴(以下，称为轴)正交的径向的内侧的叶片环(内周侧构件)。

在燃气轮机中，根据冷却空气的用途，将机室与叶片环之间的空间通过呈环状的密封体沿着轴向分隔，而形成腔室。

作为这种燃气轮机的密封结构，在下述专利文献1中记载了如下的结构：形成于外机室(外周侧构件)、朝向径向的内侧突出且绕轴延伸的环状的凸缘与形成于内机室(内周侧构件)、朝向径向的外侧突出且绕轴延伸的环状的凸缘相互在轴向上对置配置，并且在上述凸缘彼此之间夹装有密封体。

在上述凸缘的任一方形成有从朝向另一方的凸缘侧的端面凹陷且绕轴延伸的环状的槽部，在该槽部内收容密封体，并使该密封体以能够与所述另一方的凸缘抵接的方式进退。

另外，还已知有像下述专利文献2那样密封体中的朝向径向的周面抵接于护罩(外周侧构件)来进行密封的结构。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开2002-161712号公报

【专利文献2】日本特开昭60-159306号公报

发明内容

【发明要解决的课题】

然而，在上述的以往的旋转机械的密封结构及使用了该密封结构的燃气轮机中，存在下述的课题。

即，在像专利文献2那样使用密封体的朝向径向的周面进行密封的结构的情况下，由于通过曲面彼此的抵接进行密封，所以可能会因运转时的热膨胀等而导致密封性下降。

另一方面，根据像专利文献1那样使用密封体的朝向轴向的端面进行密封的结构，由于能够通过平面彼此的抵接来进行密封，因此不易受到运转时的热膨胀等造成的影响，能稳定地确保密封性。然而，这种情况下，存在气体(流体)从密封体的朝向径向的周面与槽部中的朝向径向的壁面之间绕入的可能性，在进一步提高密封性方面还存在改善的余地。

本发明鉴于这样的情况而作出，其目的在于提供一种能够稳定地提高密封性的旋转机械的密封结构及使用了该密封结构的燃气轮机。

【用于解决课题的方案】

为了实现所述目的，本发明提出了以下的方案。

即，本发明涉及一种旋转机械的密封结构，所述旋转机械具有壳体和在所述壳体的内部绕轴旋转的旋转体，所述旋转机械的密封结构的特征在于，

所述壳体具备：外周侧构件；相对于所述外周侧构件配置在与所述轴正交的径向的内侧的内周侧构件，

所述外周侧构件具有朝向所述径向的内侧突出且绕轴延伸的环状的凸缘，

所述内周侧构件具有朝向所述径向的外侧突出且呈绕轴延伸的环状、从轴向与所述外周侧构件的凸缘对置的凸缘，

在所述外周侧构件的凸缘及所述内周侧构件的凸缘中的任一方形成有从朝向另一方的凸缘侧的端面凹陷且绕轴延伸的环状的槽部，

在所述槽部收容有以能够与所述另一方的凸缘抵接的方式进退的环状的密封体，

所述旋转机械的密封结构具备：

对所述密封体向所述另一方的凸缘侧施力的第一施力机构；

对所述密封体向所述槽部的朝向所述径向的壁面施力的第二施力机构。

另外，本发明的燃气轮机的特征在于，使用前述的旋转机械的密封结构。

根据本发明的旋转机械的密封结构及使用了该密封结构的燃气轮机，在外周侧构件及内周侧构件的轴向上对置的一对凸缘彼此中的一方的凸缘的槽部处配设的密封体从朝向轴向的端面与另一方的凸缘抵接来进行密封。即，通过密封体与凸缘的平面彼此的抵接能够进行密封，因此不易受到运转时的热膨胀等造成的影响，能稳定地确保密封性。

需要说明的是，在使用了该密封结构的燃气轮机中，所述外周侧构件例如为机室，所述内周侧构件例如为叶片环或排气扩散器。

并且，该密封结构具备对密封体向另一方的凸缘侧施力的第一施力机构，因此即使在因热膨胀等而使所述一对凸缘彼此的间隔发生增减的情况下，也能防止所述密封体从另一方的凸缘分离，从而稳定地维持它们的抵接。

此外，本发明的旋转机械的密封结构具备对密封体向槽部的朝向径向的壁面施力的第二施力机构，因此起到下述的效果。

即，前述的第一施力机构对密封体施力的方向是使所述密封体从槽部的底面(槽部中的朝向另一方的凸缘侧的面)分离的方向，因此在密封体与槽部的底面之间容易产生间隙。在具有这样的间隙的状态下，进而在槽部的朝向径向的壁面与密封体之间也产生了间隙的情况下，槽部的内表面整体与密封体成为分离的状态，存在气体(流体)从该间隙绕入而无法确保密封性的可能性。

因此，如本发明那样，第二施力机构对密封体向径向施力，由此确保所述密封体与槽部的壁面的密封性，因此能防止前述那样的气体的绕入，与前述的效果相结合，能稳定地提高密封性。

另外，在本发明的旋转机械的密封结构中，可以构成为，所述密封体由绕轴排列的多个扇形体构成，所述第一施力机构及所述第二施力机构分别设置在这多个扇形体上。

这种情况下，密封体由绕轴排列的多个扇形体构成，因此这些扇形体允许外周侧构件与内周侧构件的热伸长差或压力变形所引起的向轴向或径向的相对的移动，并同时能够防止密封结构的气体泄漏。

并且，对于这些扇形体分别能得到前述的效果，因此在密封体的沿着绕轴的各部分即使产生温度差所引起的热伸长差，也能稳定地提高密封性。

另外，在本发明的旋转机械的密封结构中，可以构成为，所述第二施力机构对所述密封体向所述径向的外侧施力。

根据本发明，即使在密封体发生了热膨胀的情况下，通过第二施力机构的作用力，也容易使所述密封体与槽部的壁面稳定地持续抵接。因此，能稳定地获得前述的效果。

【发明效果】

根据本发明的旋转机械的密封结构及使用了该密封结构的燃气轮机，能够稳定地提高密封性。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的燃气轮机的密封结构附近的纵剖视图。

图2是将外周侧构件的凸缘用轴向的中间部分(沿着涡轮轴向的所述凸缘的两端部间部分)剖切而得到的正剖视图(图1的X-X剖面)，并且是说明密封体的扇形体的图。

图3是将图1的A部放大表示的图。

图4是表示图2的B-B剖面的图。

图5是表示图2的C-C剖面的图。

图6A是在密封结构的组装中使用的临时固定构件的主视图。

图6B是在密封结构的组装中使用的临时固定构件的侧视图。

图7是说明密封结构的组装的图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的一实施方式。

本发明的一实施方式的燃气轮机具备压缩机、燃烧器、涡轮。燃气轮机构成为使在压缩机中生成的压缩空气在燃烧器中与燃料混合而燃烧，从而生成高温·高压的燃烧气体。并且，通过使该燃烧气体向涡轮流入，由此使涡轮的转子绕涡轮轴(轴)旋转，从而得到旋转动力。

需要说明的是，在本说明书中，将沿着轴向的燃烧器的压缩机侧称为上游侧，将燃烧器的涡轮侧称为下游侧。而且，将与轴向正交的方向称为径向，将以轴为中心旋转的方向称为绕轴旋转方向(或周向)。

该燃气轮机具有壳体30和在所述壳体30的内部绕轴旋转的所述转子等旋转体，本实施方式的旋转机械的密封结构使用于该所述燃气轮机(旋转机械)中。

如图1所示，壳体30具备筒状的外周侧构件1和相对于外周侧构件1配置在径向的内侧(图1中的下侧)的筒状的内周侧构件2。

在图示的例子中，示出了机室作为外周侧构件1，示出了叶片环作为内周侧构件2。上述机室及叶片环例如被在周向上分割成两部分，并且通过将这两部分在铅垂方向(上下方向)上组合，而整体呈环状(筒状)。需要说明的是，作为内周侧构件2，也可以取代叶片环而使用排气扩散器。

外周侧构件1具有朝向径向的内侧突出且绕轴延伸的环状的凸缘11。而且，内周侧构件2朝向径向的外侧突出且绕轴延伸而形成为环状。而且，内周侧构件2具有从轴向(图1中的左右方向)与外周侧构件1的凸缘11对置的凸缘12。

在图示的例子中，内周侧构件2的凸缘12从轴向的下游侧(图1中的右侧)面向外周侧构件1的凸缘11而配置。而且，在上述凸缘11、12彼此之间沿轴向形成有些许的间隙。

在外周侧构件1的凸缘11及内周侧构件2的凸缘12中的任一方形成有从朝向另一方的凸缘侧的端面凹陷且绕轴延伸的环状的槽部13，在该槽部13收容有以能够与所述另一方的凸缘抵接的方式进退的环状的密封体14。

在图示的例子中，槽部13形成在外周侧构件1的凸缘11中的朝向内周侧构件2的凸缘12侧(即轴向的下游侧)的端面上，在该槽部13收容有能朝向内周侧构件2的凸缘12进退并能与凸缘12抵接的密封体14。

如图3所示，槽部13具有朝向轴向的底面13a和朝向径向的一对壁面13b、13c。底面13a朝向轴向的下游侧(图3中的右侧)，且形成为与轴垂直的平面状。而且，壁面13b、13c中的配置在槽部13的径向外侧而朝向径向内侧的壁面13b形成为与轴平行且沿周向延伸的凹曲面状。配置在槽部13的径向内侧而朝向径向外侧的壁面13c形成为与轴平行且沿周向延伸的凸曲面状。

另外，在凸缘11的朝向轴向的上游侧(图3中的左侧)的面上开设的贯通孔13d沿周向隔开间隔地在槽部13的底面13a上形成多个。这些贯通孔13d分别配置在与密封体14的后述的销装配孔15a对应的位置。

在图3所示的纵剖观察(包含轴的剖面)下，槽部13形成朝向轴向的下游侧开口的矩形形状的孔。

另外，在外周侧构件1的周壁中的与各贯通孔13d的径向外侧对应的位置处，分别穿设有沿径向贯通所述周壁的螺纹孔3。螺纹孔3的内径形成为可供后述的临时固定构件5穿过的大小。在螺纹孔3螺合有能够从所述螺纹孔3装拆的螺纹构件4。

另外，在图3所示的纵剖观察下，密封体14呈矩形形状，且能够收容在槽部13内。具体而言，密封体14的沿轴向的长度(厚度)等于或小于槽部13的沿轴向的长度(槽深)。而且，密封体14的沿径向的长度(宽度)比槽部13的沿径向的长度(槽宽)小。

密封体14由绕轴排列的多个扇形体15构成。

在图2所示的正剖观察(横剖观察，与轴垂直的剖面)下，扇形体15呈圆弧状，在周向上相邻的扇形体15彼此使相互的朝向周向的端面彼此接近配置，由此使密封体14整体呈圆环状。需要说明的是，考虑到运转时的热膨胀，优选在周向上相邻的扇形体15彼此之间设置微小的间隙。

虽然未特别图示，但是在本实施方式中，扇形体15沿周向均等地排列24个。

如图2及图3所示，在密封体14的扇形体15中，在朝向槽部13的底面13a侧的端面上形成有开设于所述端面且朝向轴向的下游侧延伸的销装配孔15a。需要说明的是，销装配孔15a没有开设到扇形体15中的朝向槽部13的底面13a的相反侧的端面(朝向轴向的下游侧的端面，与凸缘12对置的面)上。

在以下的说明中，将密封体14中的朝向所述槽部13的底面13a的相反侧的端面简称为密封面。

在图2中，销装配孔15a配置在扇形体15的沿周向的中央部。而且，如图3所示，对销装配孔15a实施了内螺纹加工，且在该销装配孔15a中螺合有实施了外螺纹加工的销构件16。需要说明的是，图3的符号17表示销构件16的止转部。而且，在图2中，省略了配设在销装配孔15a内的销构件16、配设在后述的第一收容孔15b内的第一施力机构21、及配设在第二收容孔15c内的第二施力机构22的记载。

在图3中，销构件16从轴向的上游侧向外周侧构件1的凸缘11的贯通孔13d插入，且朝向下游侧延伸。销构件16的头部16a的外径大于贯通孔13d的内径，而且销构件16的颈部16b的外径小于贯通孔13d的内径。

如图2及图4所示，在密封体14的扇形体15中的朝向槽部13的底面13a侧的端面上，沿周向隔开间隔地形成有多个第一收容孔15b。

如图4所示，第一收容孔15b在扇形体15中，朝向槽部13的底面13a侧开口并朝向密封面(图4中的朝向右侧的面)侧延伸，但没有开设到所述密封面上。

另外，如图2所示，在密封体14的扇形体15中的朝向槽部13的壁面13c侧的内周面上，沿周向隔开间隔地形成有多个第二收容孔15c。在图示的例子中，第一收容孔15b及第二收容孔15c沿周向交替地配置于扇形体15。

如图5所示，第二收容孔15c在扇形体15中，朝向槽部13的壁面13c侧开口并朝向壁面13b侧(图5中的上侧)延伸，但没有开设到朝向所述壁面13b侧的外周面上。

另外，在图2～图5中，在密封体14的扇形体15的密封面上形成有从所述密封面突出且沿周向延伸的肋15d。并且，肋15d中的平坦的前端面(朝向轴向的下游侧的面)与凸缘12抵接。

在图2所示的正剖观察下，肋15d以随着从扇形体15的周向的一侧朝向另一侧而径向上的位置逐渐变化的方式延伸。在图示的例子中，肋15d为直线状，且所述肋15d的径向位置在扇形体15的周向的两端部配置于径向最外侧，在扇形体15的周向的中央部配置于径向最内侧。

并且，如图4及图5所示，该密封结构具备对密封体14向凸缘12侧施力的第一施力机构21、及对密封体14向槽部13的朝向径向的壁面13b、13c中的任一方施力的第二施力机构22。

第一施力机构21及第二施力机构22由弹性构件构成，在图示的例子中，使用压缩螺旋弹簧。

第一施力机构21及第二施力机构22分别设置在多个扇形体15上。

第一施力机构21收容于扇形体15的第一收容孔15b。而且，第二施力机构22收容于扇形体15的第二收容孔15c。

在图4中，第一施力机构21沿轴向能够伸缩地延伸，并且其两端部与槽部13的底面13a和第一收容孔15b的底面(朝向轴向的上游侧的里面)抵接。

在图5中，第二施力机构22沿径向能够伸缩地延伸，并且其两端部与槽部13的壁面13c和第二收容孔15c的底面(朝向径向的内侧的里面)抵接。在本实施方式中，第二施力机构22对密封体14向径向的外侧(即向槽部13的壁面13b)施力。

另外，图6A及图6B示出的是在本实施方式的密封结构的组装中使用的临时固定构件5。临时固定构件5具备与销构件16卡合的卡合部5a和与卡合部5a连结的绳带部5b。

在图6A所示的主视观察下，在卡合部5a的前端部形成有U字状的切口部5c，所述切口部5c的开口宽度比销构件16的颈部16b大，且比头部16a小。而且，在图6B所示的侧视观察下，卡合部5a的前端部以随着朝向前端侧而逐渐变得尖锐(尖细)的方式形成为锥状。

另外，绳带部5b由具有柔软性的金属丝线等构成，在图示的例子中，该绳带部5b通过钎焊与卡合部5a的前端部相反侧的端部结合。

接下来，对前述的密封结构的组装进行说明。

如图7所示，预先使临时固定构件5与密封体14的各扇形体15的销构件16卡合。

具体而言，在从外周侧构件1的螺纹孔3取下螺纹构件4的状态下，向所述螺纹孔3插入临时固定构件5。并且，在临时固定构件5的卡合部5a的前端部(切口部5c)收容销构件16的颈部16b，并同时使所述前端部克服第一施力机构21的作用力而插入到凸缘11中的朝向轴向的上游侧(图7中的左侧)的端面与销构件16的头部16a之间。

由此，密封体14的扇形体15被拉入到槽部13内，并且所述扇形体15的密封面(具体而言是密封面上的肋15d的前端面)配置成与凸缘11中的朝向轴向的下游侧(图7中的右侧)的端面成为同一面，或者比所述端面向轴向的上游侧后退。

从该状态起，使外周侧构件1与内周侧构件2在径向上接近移动，由此使各自的凸缘11、12彼此在轴向上对置配置。

此时，密封体14与凸缘11中的朝向轴向的下游侧的端面成为同一面或从所述端面后退，因此，能防止凸缘12的径向外侧的端部与密封体14接触而使密封体14破损的情况。

在外周侧构件1与内周侧构件2的相对位置确定之后，将临时固定构件5的绳带部5b从外周侧构件1的外侧穿过螺纹孔3而拉拽，解除卡合部5a与销构件16的卡合。

此时，由于卡合部5a的前端部形成为锥状，因此在拉拽出临时固定构件5时，在第一施力机构21的作用力下销构件16朝向轴向的下游侧逐渐移动。由此，能防止密封体14的密封面猛力地与凸缘12碰触而受到冲击所引起的变形或破损等，能够高精度地确保密封性。

将解除了与销构件16的卡合的临时固定构件5从螺纹孔3向外周侧构件1的外部取出，向所述螺纹孔3装配螺纹构件4进行密封。

如本实施方式那样，即使在组装中无法目视密封体14的情况下，根据该密封结构的组装方法，也能高精度且可靠地组装密封结构。

根据以上说明的本实施方式的密封结构及使用了该密封结构的燃气轮机，外周侧构件1及内周侧构件2的轴向上对置的一对凸缘11、12彼此中的一方的凸缘11的槽部13处配设的密封体14从朝向轴向的端面(密封面)与另一方的凸缘12抵接，由此进行密封。即，通过密封体14与凸缘12的平面彼此的抵接能够进行密封，因此不易受到运转时的热膨胀等造成的影响，能稳定地确保密封性。

并且，该密封结构具备对密封体14向另一方的凸缘12侧施力的第一施力机构21，因此即使在因热膨胀等而使一对凸缘11、12彼此的间隔增减的情况下，也能防止所述密封体14从凸缘12分离，从而稳定地维持它们的抵接。

此外，在本实施方式中，具备对密封体14向槽部13的朝向径向的壁面13b、13c中的任一方施力的第二施力机构22，因此起到下述的效果。

即，前述的第一施力机构21对密封体14施力的方向是使所述密封体14从槽部13的底面13a分离的方向，因此在密封体14与槽部13的底面13a之间容易产生间隙。在具有这样的间隙的状态下，进而在槽部13的朝向径向的壁面13b、13c与密封体14之间也产生了间隙的情况下，槽部13的内表面整体与密封体14成为分离的状态，存在气体从该间隙绕入而无法确保密封性的可能性。

因此，如本实施方式那样，第二施力机构22对密封体14向径向的任一方施力，由此确保所述密封体14与槽部13的壁面13b或壁而13c的密封性，因此能够防止前述那样的气体的绕入，与前述的效果相结合，能稳定地提高密封性。

具体而言，在本实施方式中，第二施力机构22对密封体14向径向的外侧(向槽部13的壁面13b)施力，因此起到下述的效果。

即，根据该结构，即使在密封体14发生了热膨胀的情况下，通过第二施力机构22的作用力，也容易使所述密封体14与槽部13的壁面13b稳定地持续抵接。因此，能稳定地得到前述的效果。

另外，密封体14由绕轴排列的多个扇形体15构成，因此这些扇形体15允许外周侧构件1与内周侧构件2的热伸长差或压力变形所引起的向轴向或径向的相对的移动，并同时能够防止密封结构的气体泄漏。

并且，对于这些扇形体15分别能得到前述的效果，因此在密封体14的沿着绕轴的各部分即使产生温度差所引起的热伸长差，也能稳定地提高密封性。

需要说明的是，本发明没有限定为前述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够施加各种变更。

例如，在前述的实施方式中，使用机室作为外周侧构件1并使用叶片环或排气扩散器作为内周侧构件2来进行了说明，但没有限定于此。即，外周侧构件1和内周侧构件2只要是对形成在它们之间的环状空间或筒状空间要求轴向的密封性那样的双重环状体或双重筒状体即可，在前述以外的部位也可以采用本发明。

另外，在本实施方式中，使用燃气轮机作为旋转机械来进行了说明，但也可以是燃气轮机以外的旋转机械。

另外，在前述的实施方式中，槽部13形成在外周侧构件1的凸缘11中的朝向内周侧构件2的凸缘12侧的端面上，且在该槽部13收容有能朝向内周侧构件2的凸缘12进退并能与凸缘12抵接的密封体14，但没有限定于此。即，也可以将槽部13形成在内周侧构件2的凸缘12中的朝向外周侧构件1的凸缘11侧的端面上，且在该槽部13收容能朝向外周侧构件1的凸缘11进退并能与凸缘11抵接的密封体14。

另外，在前述的实施方式中，内周侧构件2的凸缘12从轴向的下游侧面向外周侧构件1的凸缘11配置。然而，也可以与之相反，使外周侧构件1的凸缘11从轴向的下游侧面向内周侧构件2的凸缘12配置。

此外，本发明的前述的实施方式及变形例(前述附文等)中说明的构成要素可以适当组合。而且，在不脱离本发明的主旨的范围内，也可以将前述的构成要素置换成周知的构成要素。

【符号说明】

1         外周侧构件

2         内周侧构件

11        凸缘(一方的凸缘)

12        凸缘(另一方的凸缘)

13        槽部

13b、13c  壁面

14        密封体

15        扇形体

21        第一施力机构

22        第二施力机构

30        壳体

Claims (4)

1.一种旋转机械的密封结构，所述旋转机械具有壳体和在所述壳体的内部绕轴旋转的旋转体，所述旋转机械的密封结构的特征在于，

所述壳体具备：

外周侧构件；

相对于所述外周侧构件配置在与所述轴正交的径向的内侧的内周侧构件，

所述外周侧构件具有朝向所述径向的内侧突出且绕轴延伸的环状的凸缘，

所述内周侧构件具有朝向所述径向的外侧突出且绕轴延伸而形成为环状、从轴向与所述外周侧构件的凸缘对置的凸缘，

在所述外周侧构件的凸缘及所述内周侧构件的凸缘中的任一方形成有从朝向另一方的凸缘侧的端面凹陷且绕轴延伸的环状的槽部，

在所述槽部收容有以能够与所述另一方的凸缘抵接的方式进退的环状的密封体，

所述旋转机械的密封结构具备：

对所述密封体向所述另一方的凸缘侧施力的第一施力机构；

对所述密封体向所述槽部的朝向所述径向的壁面施力的第二施力机构。

2.根据权利要求1所述的旋转机械的密封结构，其中，

所述密封体由绕轴排列的多个扇形体构成，

所述第一施力机构及所述第二施力机构分别设置在这多个扇形体上。

3.根据权利要求1或2所述的旋转机械的密封结构，其中，

所述第二施力机构对所述密封体向所述径向的外侧施力。

4.一种燃气轮机，其使用权利要求1～3中任一项所述的旋转机械的密封结构。