CN104769226A - 蒸汽涡轮的密封结构 - Google Patents

蒸汽涡轮的密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于不导致成本上涨地增加堆叠环的密封面的表面压力，由此提高蒸汽涡轮的蒸汽配管与机室之间的密封性能，堆叠环(10A)由外侧环(10a)及内侧环(10b)构成，向形成在进气套筒(16)与内机室(18)之间的环状间隙(s1)插入。外侧环(10a)的外周面及内侧环(10b)的内周面由具有平坦面的脊面部(40)和在脊面部(40)的上下两侧形成的锥面(42、44)构成。脊面部(40)的长度(L1)相对于上下方向全长(L0)之比为0.3～0.7。外侧环(10a)或内侧环(10b)的截面积(S)相对于假想矩形(BCDE)的面积(S0)之比设定为0.95以上，锥面(42、44)的倾斜角(θ)设定为1～10°。

Description

蒸汽涡轮的密封结构
技术领域
本发明涉及在蒸汽涡轮的主蒸汽入口管等蒸汽配管与机室之间的环状间隙内夹装堆叠环(stack ring)而形成的密封结构。
背景技术
在蒸汽涡轮的外机室设置的蒸汽入口部设有进气套筒，以防止高温高压的蒸汽向在外机室与内机室之间划分的低压蒸汽通路的泄漏。进气套筒的前端向穿设于内机室的导入孔插入，在进气套筒的外周面和与进气套筒外周面相对的内机室的内周面之间的环状间隙设有堆叠环，从而对该环状间隙进行密封。通过图8来说明以往的堆叠环的结构。
在图8中，在外机室102形成的主蒸汽入口管104的进气套筒106朝向内机室108延伸设置，进气套筒106的下端向在内机室108的蒸汽入口部穿设的导入孔插入。在进气套筒106的外周面与内机室108的内周面108a之间形成的环状间隙s内夹装有堆叠环100。堆叠环100允许进气套筒106的热膨胀，并将环状间隙s密封。
堆叠环100由具有矩形截面的多个外侧环100a及内侧环100b构成。外侧环100a和内侧环100b的直径微小不同，外侧环100a与内侧环100b相比以微小差形成为大径。外侧环100a及内侧环100b沿着进气套筒106的轴向交替配置。外侧环100a为了在与内机室108的内周面108a之间形成密封面而设置，但是以在常温下与内机室108的内周面之间具有微小的间隙的方式设计。内侧环100b为了在与进气套筒106的外周面之间形成密封面而设置，但是以在常温下与进气套筒106的外周面之间具有微小的间隙的方式设计。
外侧环100a的线膨胀系数比内机室108的线膨胀系数大，由此在蒸汽涡轮的运转时，外侧环100a的外周面与内机室108的内周面108a密接，防止蒸汽的泄漏。同样，通过使进气套筒106的线膨胀系数比内侧环100b的线膨胀系数大，由此在蒸汽涡轮的运转时，进气套筒106的外周面与内侧环100b的内周面密接，防止蒸汽的泄漏。
外侧环100a的上下表面与内侧环100b的上下表面彼此相接而形成密封面，防止蒸汽的泄漏。外侧环100a的内周面与进气套筒106的外周面之间、及内侧环100b的外周面与内机室108的内周面之间，在常温时及运转时都形成间隙。在内机室108的上端固定按压件110，通过按压件110来按压堆叠环100的最上端。
在专利文献1中公开有一种蒸汽涡轮，进气套筒与外机室分体形成，防止堆叠环从环状间隙s脱落，且具备具有进气套筒的防旋功能的机构。在专利文献2中公开了一种在构成堆叠环的外侧环与内侧环之间能够形成间隙，为了防止蒸汽从该间隙泄漏，因而将外侧环与内侧环的接触面加工成球面的结构。而且，在专利文献2中公开了如下技术：在外侧环与内机室之间对线膨胀系数设置差异，由此在蒸汽涡轮的运转时使两者密接，并在内侧环与进气套筒之间对线膨胀系数设置差异，由此在蒸汽涡轮的运转时使两者密接。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本实开昭59-115803号公报
【专利文献2】日本特开2001-271608号公报
发明内容
【发明要解决的课题】
以往，堆叠环的外侧环使用线膨胀系数大的奥氏体系钢，在进气套筒及内机室使用线膨胀系数为中等程度的铁素体系钢。而且，内侧环使用线膨胀系数小的马氏体系钢。然而，近年来，为了提高蒸汽涡轮的输出，需要实现蒸汽温度的高温化。因此，需要提高进气套筒的高温强度，因此，将进气套筒的材质变更为与内侧环的材质同种的马氏体系钢。因此，在内侧环与进气套筒之间，线膨胀系数差减小，难以确保密封所需的面压。
作为其对策，考虑了在内侧环使用比马氏体系钢的线膨胀系数小的超合金的情况，但是使用超合金时会导致成本上涨。作为另一对策，考虑了减小内侧环与进气套筒之间的间隙的情况。然而，这种情况下，存在被要求精密的加工精度，导致成本上涨，并且组装也不容易的问题。需要说明的是，在专利文献1中，图示了与内机室的内周面相接的外侧环的接触面、及与进气套筒的外周面相接的内侧环的接触面被倒角的情况。然而，通过倒角无法确保密封所需的接触面压力。
本发明鉴于上述现有技术的课题，其目的在于不导致成本上涨地增加堆叠环的密封面的表面压力，由此来提高蒸汽涡轮的蒸汽配管与机室之间的密封性能。
【用于解决课题的方案】
为了实现上述目的，本发明的蒸汽涡轮的密封结构配置在蒸汽配管的套筒部与机室之间的环状间隙内，具备堆叠环，该堆叠环包括：至少一个外侧环，具有与机室密接的外周面；及至少一个内侧环，与外侧环交替地配置在环状间隙内，且具有与蒸汽配管的套筒部密接的内周面。并且，该堆叠环的外侧环和内侧环中的至少一方具有使假想矩形的外周面侧或内周面侧的一边局部缺损的截面形状，截面形状中的与机室或套筒部密接的部分的长度L1相对于假想矩形的一边的长度L0之比为0.3以上且0.7以下。
在本发明中，作为构成所述堆叠环的外侧环或内侧环的截面形状，假定了假想矩形。假定的假想矩形的面积从如下观点出发来设定，该观点是能得到为了在外侧环或内侧环与内机室的内周面或蒸汽配管的套筒部的外周面之间产生必要的接触面压力所需的刚性。接着，通过使假想矩形的外周面侧或内周面侧的一边局部缺损，能够增加与接触面的表面压力。尤其是在与缺损部的交界区域，能够大幅增加接触面压力。因此，能够增加与内机室的内周面或蒸汽配管的套筒部的外周面的接触面压力，能够提高密封性能。此外，通过使L1/L0为0.3以上且0.7以下，能够提高密封性能并能够由内侧环稳定支承套筒部。
因此，不使用特殊的材质的堆叠环，可以使用以往使用的材质的堆叠环，不会导致成本上涨。而且，即使不减小与堆叠环的间隙，也能够提高接触面压力，因此以往的加工精度即可，不会导致成本上涨，且组装也容易。
在本发明中，为了确保产生必要表面压力所需的外侧环或内侧环的刚性，可以是，所述截面形状的面积S相对于假想矩形的面积S0之比为0.95以上。
另外，可以是，所述截面形状具有使假想矩形的一边的两端部呈锥形形状地缺损而形成的锥面。通过形成为锥面，能够增加与该锥面的交界附近的接触面压力，并能够将外侧环或内侧环的刚性的下降抑制成最小限度。而且，通过在假想矩形的一边的两端部形成锥面，能够在假想矩形的中央区域形成对套筒部的支承面，能够稳定支承套筒部。而且，在套筒部的插入时，通过使套筒部沿着锥面，而套筒部的插入变得容易。
此外，可以是，锥面相对于接触面所成的角度为1度以上且10度以下。由此，能够较高地维持与锥面的交界附近的接触面的接触面压力，并将外侧环或内侧环的刚性的下降抑制成最小限度。
在本发明中，可以是，外侧环或内侧环的截面形状具有至少一个使假想矩形的一边局部缺损的凹部。这样，通过减少对于套筒部或机室的壁面的接触面积，能够增加接触面压力。尤其是通过与凹部的交界附近的接触面来增加外侧环或内侧环的接触面压力，能够提高密封性能。而且，通过使1个以上的凹部分散配置，能够稳定支承套筒部，由此，能够稳定保持接触面压力。
此外，可以是，所述凹部是使假想矩形的一边的两端部缺损的一对凹部。这样，通过将凹部设置在接触边的两端部并将接触面形成在中央区域，能够防止接触面相对于套筒部等的相对面的倾斜，能够稳定支承套筒部。因此，能够稳定保持接触面压力。
在本发明中，可以是，所述截面形状具有使假想矩形的一边呈梳齿状缺损的多个凹部。这样，通过分散形成凹部，能够将产生高接触面压力的区域分散形成于接触面整体，并且能够稳定支承套筒部。
在本发明中，即使套筒部和内侧环由具有比较接近的线膨胀系数的马氏体系钢形成的情况下，通过使内侧环的截面形状形成为以该截面形状的与套筒部密接的部分的长度L1相对于一边的长度L0成为0.3倍以上且0.7倍以下的方式使内侧环的假想矩形的内周面侧的一边局部缺损的形状，也能够较高地维持内侧环的相对于套筒部的接触面压力，能够提高内侧环与套筒部之间的密封性能。
【发明效果】
根据本发明，不导致成本上涨，增加与蒸汽配管的套筒部的外周面及内机室的内周面的接触面压力，能够提高在机室与套筒部之间形成的环状间隙的密封性能。
附图说明
图1是表示适用了本发明的第一实施方式的密封结构的蒸汽涡轮的一部分的主视剖视图。
图2是图1中的A部放大图。
图3是表示第一实施方式的堆叠环的截面形状的说明图。
图4是表示第一实施方式的堆叠环的接触面压力的线图。
图5是本发明的第二实施方式的密封结构的剖视图。
图6是本发明的第三实施方式的密封结构的剖视图。
图7是本发明的第四实施方式的密封结构的剖视图。
图8是表示以往的蒸汽涡轮的蒸汽配管的密封结构的主视剖视图。
具体实施方式
以下，使用图示的实施方式来详细说明本发明。其中，本实施方式记载的构成零件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别特定的记载，就不是将本发明的范围仅限定于此。
(实施方式1)
基于图1来说明本发明的第一实施方式。在图1中，在外机室12形成的主蒸汽入口管14的进气套筒16朝向内机室18延伸设置。进气套筒16的下端向在内机室18的蒸汽入口部穿设的导入孔插入。在进气套筒16的外周面16a与内机室18的内周面18a之间形成的环状间隙s1夹装堆叠环10A，利用堆叠环10A对环状间隙s1进行密封。利用螺栓24将按压件22固定在内机室18的上端面，利用按压件22按压堆叠环10A的最上端。
进气套筒16将形成于内机室18的导入孔贯通，导向设置到喷嘴室20的内部。在进气套筒16的外周面16a与喷嘴室20的内周面20a之间形成的环状间隙s2夹装本实施方式的堆叠环10A，对环状间隙s2进行密封。利用螺栓28将按压件26固定在喷嘴室20的上端面，对堆叠环10A的最上端进行按压。
另外，在主蒸汽入口管14的附近的外机室12设有辅助蒸汽入口管30。为了增加蒸汽涡轮的输出，而从辅助蒸汽入口管30向内机室18供给辅助蒸汽。辅助蒸汽入口管30的进气套筒32向内机室18侧延伸设置，向在内机室18穿设的导入孔插入。在进气套筒32的外周面32a与内机室18的内周面18b之间形成有环状间隙s3。在环状间隙s3夹装堆叠环10A，对环状间隙s3进行密封。利用螺栓36将按压件34固定在内机室18的上端面，利用按压件34对堆叠环10A的最上端进行按压。
以下，以夹装于环状间隙s1的堆叠环10A为例，通过图2及图3来说明堆叠环10A的结构。堆叠环10A由具有矩形截面的多个外侧环10a及内侧环10b构成，外侧环10a与内侧环10b相比以微小差形成为大径。外侧环10a和内侧环10b沿上下方向交替配置于环状间隙s1。外侧环10a以在常温下与内机室18的内周面18a之间具有微小的间隙的方式设计，内侧环10b以在常温下与进气套筒16的外周面16a之间具有微小的间隙的方式设计。
外侧环10a例如由Ni·Co·Cr合金等的线膨胀系数大的奥氏体系合金构成。内机室18及喷嘴室20由线膨胀系数为中等程度的铁素体系钢或线膨胀系数小的马氏体系钢构成。这样，通过使外侧环10a的线膨胀系数大于内机室18及喷嘴室20的线膨胀系数，在蒸汽涡轮的运转时，外侧环10a的外周面与内机室18的内周面18a及喷嘴室20的内周面20a密接，防止蒸汽的泄漏。而且，进气套筒16由于蒸汽涡轮的输出增加，而使用例如9％Cr·1％Mo钢等的高强度且线膨胀系数小的马氏体系钢。内侧环10b与进气套筒16同样由线膨胀系数小的马氏体系钢构成。
外侧环10a的上下表面与内侧环10b的上下表面彼此相接而形成密封面，防止蒸汽的泄漏。外侧环10a的内周面与进气套筒16的外周面之间、及内侧环10b的外周面与内机室18的内周面18a之间在常温时及运转时都形成间隙。由此，将外侧环10a及内侧环10b向环状间隙s1插入的作业变得容易。
如图3所示，在决定内侧环10b的截面形状的情况下，首先，设定以具有必要刚性的方式设定了截面积的假想正方形BCDE。内侧环10b的内周面在中央形成有与进气套筒16的外周面16a平行的脊面部40，在脊面部40的上下两侧形成有锥面42及44。脊面部40的内周面构成接触面。对于脊面部40及锥面42、44的上下方向长度，脊面部40是锥面42或44的2倍。例如，在内侧环10b的上下方向全长L0＝14.0mm时，脊面部40的接触面的上下方向长度L1＝7.0mm，锥面42、44的上下方向长度L2或L3＝3.5mm。而且，锥面42、44的端部的倾斜量t为t＝0.5mm。外侧环10a的截面形状也通过与内侧环10b相同的方法决定，在外周面形成有脊面部和锥面。
图4示出内侧环10b的从中央部(编号1)到最上端(编号15)的接触面压力的解析值。接触面压力解析值X是使内侧环10b的截面形状如本实施方式那样形成为带锥形的面FGHIDE(参照图3)时的接触面压力，接触面压力解析值Y是将截面形状形成为假想正方形BCDE(平坦面)时的接触面压力的解析值。可知在带锥形的面的整体，接触面压力比平坦面高约1.5倍，尤其是锥面42的起点附近即G点，接触面压力突出。内侧环10b的从中央部(编号1)起的下侧的接触面压力以中央部(编号1)为中心成为上下对称的解析值。而且，在内侧环10a中也成为表现同样的倾向的结果。
根据本实施方式，能够增加构成堆叠环10A的外侧环10a及内侧环10b的接触面压力，尤其是在与锥面42、44的交界附近的区域，能够形成突出的接触面压力。因此，能够提高堆叠环10A的密封性能。而且，尽管进气套筒16和内侧环10b由具有比较接近的线膨胀系数的马氏体系钢构成，也能得到高接触面压力，能得到高密封性能。因此，无需使用线膨胀系数小的高价的材料作为内侧环10b的材料，因此不会导致成本上涨。而且，无需特别减小与相对面之间的间隙，只要是以往的加工精度即可，不会导致成本上涨，且组装也容易。
另外，由于脊面部40形成在外侧环10a及内侧环10b的上下方向中央部，因此在上下方向上以中央部为中心而产生对称的接触面压力。因此，外侧环10a及内侧环10b在上下方向上不会产生倾斜。因此，能够始终良好地保持外侧环10a与内侧环10b之间形成的密封面的密封性能。而且，由于在脊面部40的两侧形成锥面42、44，因此具有容易插入进气套筒16的优点。
需要说明的是，在本实施方式中，可知与内机室18的内周面18a或进气套筒16的外周面16a密接的脊面部40的接触面的上下方向长度L1相对于上下方向全长L0的比例为0.3以上且0.7以下时，能得到充分的接触面压力和密封性能。而且，可知只要本实施方式的外侧环10a或内侧环10b的截面积S相对于假想正方形BCDE的截面积S0为0.95以上，就不会减少外侧环10a及内侧环10b的刚性，能得到良好的密封性能。
另外，可知即使锥面42、44相对于脊面部40的接触面的角度θ为1度以上且10度以下，在与锥面42、44的交界附近的脊面部40也能产生大的接触面压力，能得到良好的密封性能。因此，通过将角度θ设为前述范围，能确保外侧环10a及内侧环10b的刚性，并得到大的接触面压力。
(实施方式2)
接着，基于图5来说明本发明的第二实施方式。在本实施方式中，就堆叠环10B而言，与内机室18的内周面18a相对的外侧环50a的相对面构成包括：在上下方向中央具有与内机室18的内周面18a平行的平坦面的脊面部52；经由台阶54a而在脊面部52的上端连接且与内周面18a平行的平坦面54；及经由台阶56a而在脊面部52的下端连接且与内周面18a平行的平坦面56。
对于脊面部52及平坦面54、56的上下方向长度，脊面部52是平坦面54或56的2倍。例如，在外侧环50a的上下方向全长L0＝14.0mm时，脊面部52的上下方向长度L1＝7.0mm，平坦面54、56的上下方向长度L2或L3＝3.5mm。而且，台阶52a、54a的高度t为t＝0.5mm。内侧环50b的内周面的结构也与外侧环10a的外周面的结构相同。
根据本实施方式，与第一实施方式同样，能够增加外侧环50a及内侧环50b的接触面压力，能够提高密封性能。尤其是在脊面部52的上下端区域，与第一实施方式相比，能够提高接触面压力。而且，在本实施方式中，也可知，当与内机室18的内周面18a或进气套筒16的外周面16a密接的部分的长度L1相对于假想正方形BCDE的接触面的上下方向全长L0为0.3以上且0.7以下时，能得到充分的接触面压力和密封性能。而且，可知，只要本实施方式的带锥面的截面形状的截面积S相对于假想正方形BCDE的截面积S0为0.95以上，就不会减少外侧环50a及内侧环50b的刚性，而能得到良好的密封性能。
(实施方式3)
接着，通过图6说明本发明的第三实施方式。在本实施方式中，堆叠环10C在与内机室18的内周面18a相对的外侧环60a的接触面、及与进气套筒16的外周面16a相对的内侧环60b的接触面上形成了多个具有圆弧状截面的凹部62。多个凹部62沿水平方向且等间隔地配置。凹部62也形成在外侧环60a及内侧环60b的接触面的上下两端，因此不需要在该上下两端形成的倒角。
根据本实施方式，除了能够提高密封性能之外，在外侧环60a及内侧环60b的上下方向上均等地产生接触面压力，因此能够稳定地形成与内机室18或进气套筒16的密封面。而且，由于外侧环60a及内侧环60b相对于内机室18的内周面18a或进气套筒16的外周面16a发生倾斜的可能性不存在，因此也能够良好地维持外侧环60a与内侧环60b之间的密封面的密封性能。
(实施方式4)
接着，通过图7说明本发明的第四实施方式。在本实施方式中，堆叠环10D在与内机室18的内周面18a相对的外侧环70a的接触面、及与进气套筒16的外周面16a相对的内侧环70b的接触面上形成了多个具有矩形形状截面的凹部72。凹部72沿水平方向且等间隔地配置。根据本实施方式，除了能得到第三实施方式的同样的作用效果之外，由于凹部72为矩形形状截面，因此具有凹部72的形成比较容易这样的优点。
【工业实用性】
根据本发明，不会导致成本上涨地增加堆叠环的密封面的表面压力，由此能够提高在蒸汽涡轮的蒸汽配管的套筒部与机室之间形成的环状间隙的密封性能。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种蒸汽涡轮的密封结构，所述蒸汽涡轮的密封结构通过在蒸汽涡轮的蒸汽配管与机室之间的环状间隙夹装堆叠环而形成，其特征在于，
所述堆叠环包括：至少一个外侧环，具有与所述机室密接的外周面；及至少一个内侧环，与所述外侧环交替地配置在所述环状间隙内，且具有与所述蒸汽配管的套筒部密接的内周面，
所述至少一个外侧环以在常温下与所述机室的内周面之间具有微小的间隙的方式设计，或者所述至少一个内侧环以在常温下与所述蒸汽配管的套筒部的外周面之间具有微小的间隙的方式设计，
所述外侧环或所述内侧环中的至少一方具有使假想矩形的所述外周面侧或所述内周面侧的一边局部缺损的截面形状，
所述截面形状中的与所述机室或所述套筒部密接的部分的长度L1相对于所述假想矩形的所述一边的长度L0之比为0.3以上且0.7以下。
2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状的面积S相对于所述假想矩形的面积S0之比为0.95以上。
3.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状具有使所述假想矩形的所述一边的两端部呈锥形形状地缺损而形成的锥面。
4.根据权利要求3所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述锥面相对于所述一边所形成的角度为1度以上且10度以下。
5.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状具有至少一个使所述假想矩形的所述一边局部缺损的凹部。
6.根据权利要求5所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状具有使所述假想矩形的所述一边的两端部缺损的一对所述凹部。
7.根据权利要求5所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状具有使所述假想矩形的所述一边呈梳齿状缺损的多个所述凹部。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述套筒部和所述内侧环均由马氏体系钢形成，
所述内侧环的所述截面形状是以该截面形状的与所述套筒部密接的部分的长度L1相对于所述一边的长度L0成为0.3倍以上且0.7倍以下的方式使所述内侧环的所述假想矩形的所述内周面侧的所述一边局部缺损的形状。

Claims (8)

1.一种蒸汽涡轮的密封结构，所述蒸汽涡轮的密封结构通过在蒸汽涡轮的蒸汽配管与机室之间的环状间隙夹装堆叠环而形成，其特征在于，
所述堆叠环包括：至少一个外侧环，具有与所述机室密接的外周面；及至少一个内侧环，与所述外侧环交替地配置在所述环状间隙内，且具有与所述蒸汽配管的套筒部密接的内周面，
所述外侧环或所述内侧环中的至少一方具有使假想矩形的所述外周面侧或所述内周面侧的一边局部缺损的截面形状，
所述截面形状中的与所述机室或所述套筒部密接的部分的长度L1相对于所述假想矩形的所述一边的长度L0之比为0.3以上且0.7以下。
2.根据权利要求1所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状的面积S相对于所述假想矩形的面积S0之比为0.95以上。
3.根据权利要求1或2所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状具有使所述假想矩形的所述一边的两端部呈锥形形状地缺损而形成的锥面。
4.根据权利要求3所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述锥面相对于所述一边所形成的角度为1度以上且10度以下。
5.根据权利要求1或2所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状具有至少一个使所述假想矩形的所述一边局部缺损的凹部。
6.根据权利要求5所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状具有使所述假想矩形的所述一边的两端部缺损的一对所述凹部。
7.根据权利要求5所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述截面形状具有使所述假想矩形的所述一边呈梳齿状缺损的多个所述凹部。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的蒸汽涡轮的密封结构，其特征在于，
所述套筒部和所述内侧环均由马氏体系钢形成，
所述内侧环的所述截面形状是以该截面形状的与所述套筒部密接的部分的长度L1相对于所述一边的长度L0成为0.3倍以上且0.7倍以下的方式使所述内侧环的所述假想矩形的所述内周面侧的所述一边局部缺损的形状。
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