CN104870871B - 轴封装置及旋转机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴封装置及旋转机械。该轴封装置(10)将转子(6)与定子之间的空间分为高压侧与低压侧，其中，所述轴封装置(10)具备：密封体(12)，沿转子的周向层叠多个从定子朝向转子侧延伸的薄板密封片(20)而成；及壳体(9)，其具有第1对置面(13)及第2对置面(22)，所述第1对置面固定于定子且将密封体(12)保持为从径向外侧包围，并且与密封体(12)的高压侧端边相对置，所述第2对置面与密封体的低压侧端边(20a)相对置，密封体(12)与第1对置面(13)之间的高压侧间隙(t0)被设为比密封体(12)与第2对置面(22)之间的低压侧间隙(t1)小，且在密封体(12)的各薄板密封片(20)的低压侧端边(20a)形成有随着朝向前端即转子侧而逐渐向高压侧倾斜的倾斜部(20b)。

Description

轴封装置及旋转机械

技术领域

本发明涉及一种密封转子与定子之间的环状空间并将该环状空间分为低压侧区域与高压侧区域的轴封装置及旋转机械。

本申请主张基于2013年2月22日于日本申请的日本专利申请2013-033202号的优先权，并将其内容援用于此。

背景技术

为了减少从高压侧流向低压侧的工作流体的泄漏量，在燃气轮机、汽轮机等旋转机械中的转子周围设置有轴封装置。作为该轴封装置的一例，已知有例如以下专利文献1中记载的轴封装置。

图9中示出现有的轴封装置110的概略结构图。该轴封装置110具备支承于定子内周面的壳体109和在该壳体109内沿周向配置的密封体112。

密封体112构成为使多个薄板密封片120的各自的厚度方向(图9的纸面方向)朝向转子(旋转轴6)的周向，并相互隔着微小間隙而进行层叠。各薄板密封片120以转子的径向内侧的端部(前端)位于比其径向外侧的端部(后端)更靠转子的旋转方向前侧的位置的方式倾斜配置，后端经由钎焊部24相互连结，并且前端设为自由端。

构成密封体112的薄板密封片120为在转子的轴线方向上具有规定宽度尺寸的平板状的部件。密封体112呈具有头部120d的T字形状，壳体109具有与此对应的T字形状的内部空间109a。

在大致如此构成的轴封装置110中，转子静止时薄板密封片120的前端与转子接触。并且，若转子进行旋转，则由于通过转子的旋转而产生的动压效果，薄板密封片120前端从转子的外周上浮而成为与转子不接触的状态。因此，该轴封装置110中，薄板密封片120的磨损得到抑制，密封寿命变长。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3616016号公报

专利文献2：日本专利公表2008-509369号公报

发明的概要

发明要解决的技术课题

但是，上述以往的轴封装置110适用于转子与定子之间的相对偏心量较大的部位时，换言之，转子的旋转中心从设计上的旋转中心偏离时，在周向上的薄板密封片120的压紧力产生差异。

即，转子相对于定子偏心，且在一部分转子与定子之间的间隔变小并产生过大的压紧力，另一方面转子与定子之间的间隔变大且压紧力变得过小。由此，在产生过大的压紧力的部位中，如图10所示，薄板密封片120的刚性増加而上浮特性降低，且有产生磨损的可能性。并且，如图11所示，在压紧力过小的位置间隙G1、G2増大且泄漏増加。

专利文献2中记载有通过在密封体的端边实施倒角加工，即使在转子偏心时也能够抑制上浮特性的变化的轴封装置。

然而，专利文献2中记载的轴封装置中由于密封体112与壳体109之间的间隙并未被规定，因此存在上浮特性调整困难的问题。

该发明的目的在于提供一种即使在转子与定子之间的相对偏心量变大时，也能够抑制构成轴封装置的薄板密封片的磨损，并且能够减少从高压侧向低压侧的泄漏的轴封装置。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的第1方式提供一种轴封装置，其将转子与定子之间的空间分为高压侧与低压侧，其中，该轴封装置具备：密封体，沿所述转子的周向层叠多个从所述定子朝向转子侧延伸的薄板密封片而成；及壳体，其具有第1对置面及第2对置面，所述第1对置面固定于所述定子且将所述密封体保持为从径向外侧包围，并且与所述密封体的高压侧端边相对置，所述第2对置面与所述密封体的低压侧端边相对置，所述密封体与第1对置面之间的高压侧间隙被设为比所述密封体与所述第2对置面之间的低压侧间隙小，且在所述密封体的各薄板密封片的低压侧端边形成有随着朝向前端即所述转子侧而逐渐向高压侧倾斜的倾斜部。

根据上述结构，压紧量越大则薄板密封片的上浮力变得越大，并能够防止薄板密封片磨损。并且，若压紧量较小则薄板密封片的上浮力变小，因此能够减少泄漏。

并且，将高压侧间隙设定为小于低压侧间隙，由此，容易控制由通过低压侧端边的倾斜部变化的低压侧间隙引起的薄板密封片之间的压力。

上述轴封装置中，所述倾斜部也可以设为形成在从所述前端对应于所述第2对置面的所述转子侧的末端的位置的结构。

上述轴封装置中，端部即所述第2对置面的所述转子侧也可以设为沿着所述倾斜部的倾斜的而倾斜的结构。

根据上述结构，能够调整伴随压紧量的变化的低压侧间隙的变化量。

上述轴封装置中，也可以设为在所述高压侧端边安装有用于规定所述高压侧间隙的高压侧侧板的结构。

根据上述结构，由于高压侧间隙由高压侧侧板规定，因此更容易控制薄板密封片之间的压力。

并且，本发明提供一种具备上述任一轴封装置的旋转机械。

发明效果

根据本发明，压紧量越大则薄板密封片的上浮力变得越大，能够防止薄板密封片磨损。并且，若压紧量较小则薄板密封片的上浮力变小，因此能够减少泄漏。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式所涉及的燃气轮机的概略结构图。

图2是图1中的S1-S1线剖视图，是从旋转轴的轴线方向观察的轴封装置的概略结构图。

图3是图2中的S2-S2线剖视图，是压紧量较小的部位的轴封装置的剖视图。

图4是图1中的S1-S1线剖视图，是对转子与定子之间的相对偏心量较大的情况进行说明的剖视图。

图5是图2中的S2-S2线剖视图，是压紧量较大的部位的轴封装置的剖视图。

图6A是用于说明薄板密封片的动作的图。

图6B是用于说明薄板密封片的动作的图。

图7是本发明的第2实施方式的压紧量较小的部位的轴封装置的剖视图。

图8是本发明的第2实施方式的压紧量较大的部位的轴封装置的剖视图。

图9是包含现有轴封装置的旋转轴的轴线的剖面的剖视图。

图10是说明现有轴封装置的动作的详细图，是表示从旋转轴的轴线方向观察的薄板密封片的图。

图11是说明现有轴封装置的动作的详细图，是表示从旋转轴的轴线方向观察的薄板密封片的图。

具体实施方式

(第1实施方式)

以下，参考附图，对本发明的第1实施方式所涉及的旋转机械进行说明。

图1是本实施方式所涉及的燃气轮机(旋转机械)1的整体概略结构图。

如图1所示，燃气轮机1具备：压缩机(旋转机械)2，将大量空气引入内部并进行压缩；燃烧器3，向通过该压缩机2压缩的压缩空气中混合燃料并进行燃烧；及涡轮机(旋转机械)4，将从燃烧器3导入的燃烧气体的热能转换为转动能。

压缩机2及涡轮机4具备分别以一体旋转的方式连结的转子2A、4A及包围转子2A、4A的外周侧的定子2B、4B。另外，以下说明中，只要未特别提及，则将转子2A、4A的轴线O方向简称为“轴线O方向”，将转子2A、4A的周向简称为“周向”，将转子2A、4A的径向简称为“径向”。

转子2A、4A具有旋转轴6c、6及在轴线O方向上隔开间隔而固定的多个环状动叶片组7c、7。各环状动叶片组7c、7构成为在旋转轴6c、6的外周具有沿周向相互隔开间隔而固定的多个动叶片。

定子2B、4B分别具备壳体2b、4b及在壳体2b、4b内沿轴线O方向隔开间隔而固定的多个环状静叶片组5c、5。环状静叶片组5c、5在各壳体2b、4b的内表面具有在周向上相互隔开间隔而固定的多个静叶片。各静叶片的前端形成有轮毂罩，且该轮毂罩(定子)沿周向连结而整体呈圆环状而包围旋转轴6c、6的外周。

该环状静叶片组5c、5分别与多个环状动叶片组7c、7沿轴线O方向交替配置。

压缩机2及涡轮机4中，为了防止工作流体(压缩空气或燃烧气体)g从高压侧向低压侧沿轴线O方向漏出，如图1所示，在各环状静叶片组5c、5的轮毂罩上设置有轴封装置10c、10。并且，在壳体2b、4b支承旋转轴6c、6的轴承部(定子)2c、4c中，为了防止工作流体g从高压侧向低压侧漏出，也设置有轴封装置10c、10。

以下，对涡轮机4的轴封装置10的实施方式进行说明。另外，以下虽然对涡轮机4的轴封装置10进行说明，但压缩机2的轴封装置10c也是基本相同的结构，因此省略该说明。

图2是图1中的S1-S1线剖视图，图3是图2中的S2-S2线剖视图。另外，图3中示出的旋转轴6是为了明确与轴封装置10之间的相对位置关系而示意表示的图。

如图2及图3所示，涡轮机4的轴封装置10通过在分别被环状静叶片组5的轮毂罩及轴承部4c的内周面支承的壳体9内容纳沿周向延伸的密封体12来构成。

密封体12由多个薄板密封片20及规定薄板密封片20与壳体9之间的间隙的高压侧侧板13(高压侧侧板、第1对置面)构成。薄板密封片20使各自的厚度方向朝向旋转轴6的周向，并相互隔着微小間隙而进行层叠。各薄板密封片20以其径向内侧的端部位于比其径向外侧的端部更靠旋转轴6的旋转方向前侧的方式倾斜配置，后端经连结部24相互被钎焊或焊接，并且前端设为自由端。

构成密封体12的薄板密封片20为在旋转轴6的轴线方向上具有规定宽度尺寸的平板状的部件。薄板密封片20中径向内侧相对于旋转轴6的外周面带呈周向倾斜而通过规定的加压以锐角滑动抵接。薄板密封片20呈具有头部20d的T字形状，壳体9具有与此对应的T字形状的容纳空间9a。

壳体9以包围旋转轴6的外周侧的方式设置，且容纳空间9a也向周向延伸而形成。如图3所示，壳体9的容纳空间9a中，其开口侧即径向内侧的部分成为形成较小宽度尺寸(轴线O方向的尺寸)的内侧空间9b。并且，从容纳空间9a的开口向径向外侧远离的空间即比内侧空间9b更靠径向外侧的空间成为形成较大宽度尺寸的外侧空间9c。这些内侧空间9b与外侧空间9c设为相互连通的状态。而且，该内侧空间9b的开放部朝向径向内侧的旋转轴6。

内侧空间9b形成为使其轴线O方向的尺寸稍大于薄板密封片20的轴线O方向的尺寸(宽度尺寸)。

并且，将壳体9的内侧空间9b的轴线O方向的高压侧设为高压侧侧壁21，将轴线O方向的低压侧设为低压侧侧壁22(第2对置面)。即，高压侧侧壁21为薄板密封片20的高压侧端边20e的对置面，低压侧侧壁22为薄板密封片20的低压侧端边20a的对置面。内侧空间9b通过高压侧侧壁21和低压侧侧壁22形成。高压侧侧壁21和低压侧侧壁22的径向内侧的末端与旋转轴6之间设有规定的间隔。

高压侧侧板13夹持在多个薄板密封片20中与高压侧区域对抗的一侧的侧边与高压侧侧壁21之间。使高压侧侧板13的厚度方向朝向轴线O方向，且从旋转轴6的轴线O方向观察时的形状呈圆弧带状。即，高压侧侧板13形成为具有朝向轴线O方向的一面且沿周向弯曲延伸。

高压侧侧板13在径向外侧端的接合部14上通过焊接或嵌合接合于多个薄板密封片20。由此，高压侧侧板13的朝向低压侧的板面以覆盖多个薄板密封片20的高压侧的方式被固定。通过高压侧侧板13规定密封体12与壳体9的高压侧侧壁21之间的高压侧间隙t0。该高压侧间隙t0相当于未设置高压侧侧板13的情况下的密封体12与壳体9的高压侧侧壁21之间的间隙。

并且，低压侧侧壁22的径向内侧的端部设为相对于薄板密封片20向轴线O方向远离的阶梯状部23。即，形成为与低压侧侧壁22的基端侧(径向外侧)相比，低压侧侧壁22的前端侧(径向内侧)与薄板密封片20(密封体12)之间的间隙变得更大。换言之，使薄板密封片20的低压侧端边20a与低压侧侧壁22之间的间隙(低压侧间隙)在薄板密封片20的基端侧通过低压侧侧壁22尽可能设为较小，在薄板密封片20的前端侧通过阶梯状部23设为较大。用符号t1表示薄板密封片20的前端侧的低压侧间隙。

在此，高压侧间隙t0设定为比低压侧间隙t1小。即，设定为朝向高压侧侧板13的低压侧的一面与密封体12的高压侧端边20e之间的间隔比低压侧间隙t1小。

另外，高压侧侧板13无需一定要设置。即，只要密封体12与壳体9的高压侧侧壁21之间的间隙比低压侧间隙t1小，则也可设为不设置高压侧侧板13的结构。

并且，在本实施方式的薄板密封片20的低压侧端边20a形成有随着朝向前端即转子侧逐渐向高压侧(轴线O方向的高压侧)倾斜的倾斜部20b。即，朝向各薄板密封片20的低压侧区域的一边即低压侧端边20a的前端侧以使轴线O方向的尺寸(宽度尺寸)随着靠近转子(旋转轴6)而逐渐变小的方式被设为倒角形状。

具体而言，倾斜部20b的径向外侧的末端被设定为低压侧侧壁22的径向内侧的末端与径向上的位置大致相同。换言之，通过倾斜部20b使得薄板密封片20的宽度变窄的区域为在径向上比壳体9的径向内侧端更靠近径向内侧的区域。

接着，对本实施方式的轴封装置的作用进行说明。

如图4所示，转子与定子之间的相对偏心量较大时，产生转子与壳体远离的部位(以符号W表示)和转子与壳体靠近的部位(以符号N表示)。如图3所示，在转子与壳体远离的部位中的低压侧侧壁22与薄板密封片20之间的低压侧间隙为t1。即，薄板密封片20的压紧力消失或变得很小，由此薄板密封片20成为平面状态或接近平面状态的状态，因此低压侧间隙t1成为阶梯状部23的内侧壁与薄板密封片20的低压侧端边20a之间的距离。

如图5所示，转子与壳体靠近的部位中的低压侧侧壁22与薄板密封片20之间的低压侧间隙为比t1大的t2。即，薄板密封片20的压紧力变大，由此薄板密封片20成为弯曲的状态，因此低压侧间隙t2成为阶梯状部23的内侧壁与薄板密封片20的倾斜部20b之间的距离。

综上所述，低压侧间隙t1、t2在转子与定子远离的位置变小，而在转子与定子靠近的位置变大。即，随着转子与壳体靠近而薄板密封片20的压紧力变大，低压侧间隙t1、t2变大。

在此，对低压侧间隙的大小与密封体12的上浮力之间的关系进行说明。

如图6A所示，当从高压侧区域流向低压侧区域的工作流体的气压施加于各薄板密封片20时，形成相对于各薄板密封片20，在位于内周侧前端且高压侧的角部r1气压最高，朝向对角的角部r2气压逐渐减弱的气体压力分布40a。另外，在图3中薄板密封片20呈T字型形状，但在图6中为了便于说明，仅示出产生挠曲的长方形部分而省略其他部分的图示。

并且，如图6B所示的沿旋转轴6的周向的剖视图，将与薄板密封片20的旋转轴6相对的面设为下表面20q，并且将其背面设为上表面20p。并且，对各薄板密封片20施加从高压侧区域朝向低压侧区域的气压，如图6A那样形成气体压力分布40a时对气压进行调整，以使在沿着各薄板密封片20的剖面的任意位置上的施加于上表面20p的气压比施加于下表面20q的气压高。

此时，从高压侧区域流向低压侧区域的工作流体g从高压侧侧壁21与旋转轴6的外周面之间流入。并且，如图6A所示，工作流体g流经旋转轴6的外周面与薄板密封片20的内周侧前端之间，并且沿着薄板密封片20的上表面20p及下表面20q从角部r1向角部r2的方向以放射状流动。如此通过工作流体g的流动，低压的区域朝向薄板密封片20的外周侧基端扩展。因此，如图6B所示，向各薄板密封片20的上表面20p及下表面20q垂直施加的气体压力分布40b、40c为越靠近薄板密封片20的内周侧前端变得越大，并且越朝向薄板密封片20的外周侧基端变得越小的三角分布形状。

分别在该上表面20p及下表面20q的气体压力分布40b、40c为大致相同的形状，但各薄板密封片20以相对于旋转轴6的周面的角度呈锐角的方式配置，因此这些上表面20p及下表面20q中的各气体压力分布40b、40c的相对位置偏离。由此，从薄板密封片20的外周侧基端朝向内周侧前端的任意点P上的上表面20p及下表面20q的气压产生偏差。即，在薄板密封片20中施加于下表面20q的气压比施加于上表面20p的气压高。由此，针对薄板密封片20内周侧前端，在从旋转轴6浮起的方向上产生上浮力FL。

如上所述，通过在各薄板密封片20的上表面20p及下表面20q之间产生压力差，上浮力FL作用于各薄板密封片20，使薄板密封片20的内周侧前端变形为从旋转轴6的外周面上浮。即，当旋转轴6停止时，薄板密封片20的内周侧前端通过规定的加压而与旋转轴6的周面接触，但是当旋转轴6旋转时，上浮力FL作用于薄板密封片20的内周侧前端，因此薄板密封片20从旋转轴6上浮而成为非接触状态，形成规定的密封间隙。

在此，通过将低压侧间隙设得比高压侧间隙大，从高压侧加压时，通过薄板密封片20而从高压侧区域流向低压侧区域的气体g变得易于沿着各薄板密封片20的上表面20p及下表面20q朝向对角广泛流动。即，低压侧间隙越大，则上浮力变得越大。

根据上述实施方式，通过在薄板密封片20的低压侧端边20a形成倾斜部20b，压紧量越大，则低压侧间隙变得越大。由此，压紧量越大，则薄板密封片20的上浮力变得越大，且能够防止薄板密封片20磨损。即，即使在旋转轴6偏心时也能够减少向薄板密封片20的压紧量之差。

并且，若压紧量较小，则薄板密封片20的上浮力变小，因此能够减少泄漏。

并且，通过将高压侧间隙t0设为比低压侧间隙t1小，容易控制由通过低压侧端边20a的倾斜部20b变化的低压侧间隙引起的薄板密封片20之间的压力。

并且，在壳体9的低压侧侧壁22的前端侧形成阶梯状部23，由此能够一边在低压侧侧壁22的前端侧使低压侧间隙增大，一边在低压侧侧壁22的基端侧限制薄板密封片20的变形。

并且，通过在低压侧端边20a设置倾斜部20b，薄板密封片20的刚性降低。由此，相对于在薄板密封片20上产生的力的阻力减小，因此能够提高旋转轴6偏心时的轴封装置10的追随性。

另外，通过在低压侧端边20a设置倾斜部20b，能够减少薄板密封片20的扭曲。

(第2实施方式)

以下，根据附图对本发明的第二实施方式的轴封装置进行说明。另外，本实施方式中，以与上述第一实施方式的差异点为中心进行叙述，对于相同的部分省略其说明。

本实施方式的壳体9B随着低压侧侧壁22B的阶梯状部23B的前端侧朝向径向内侧，而向轴线方向的高压侧倾斜。具体而言，形成为阶梯状部23B的前端侧沿薄板密封片20的倾斜部20b而倾斜，阶梯状部23B与薄板密封片20的倾斜部20b之间的间隙成为恒定。

接着，对本实施方式的轴封装置10B的作用进行说明。

如图7所示，转子与壳体远离，且压紧量较小的部位中的低压侧侧壁22B与薄板密封片20之间的低压侧间隙为t1B。

如图8所示，转子与壳体靠近，且压紧量较大的部位中的低压侧侧壁22B与薄板密封片20之间的低压侧间隙为比t1B大的t2B。

其中，由于本实施方式的阶梯状部23B与倾斜部20b向同一倾斜方向倾斜，因此t1B和t2B之间的差与第一实施方式相比变得较小。即，在转子与壳体远离的位置和靠近的位置，低压侧间隙的变化较小。

根据上述实施方式，通过将阶梯状部23B的形状设为沿倾斜部20b的形状，能够调整伴随压紧量的变化的低压侧间隙的变化量。

另外，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可加以各种变更。

虽然在上述各实施方式的低压侧侧壁设置有阶梯状部，但是也可不设置阶梯状部而将薄板密封片与低压侧侧壁之间的间隙设为相同。

并且，在上述各实施方式中示出了通过阶梯状部规定低压侧间隙的一例，但也可设为配置具有与阶梯状部相同形状的侧板(侧板)。

根据该轴封装置，压紧量越大，则薄板密封片的上浮力变得越大，能够防止薄板密封片磨损。并且，若压紧量较小，则薄板密封片的上浮力变小，因此能够减少泄漏。

符号说明

1-燃气轮机(旋转机械)，2A、4A-转子，2B、4B-定子，6-旋转轴，9-壳体，10-轴封装置，12-密封体，13-高压侧侧板(第1对置面)，20-薄板密封片，20a-低压侧端边，20b-倾斜部，21-高压侧侧壁，22-低压侧侧壁(第2对置面)，24-连结部，t0-高压侧间隙，t1、t2-低压侧间隙。

Claims (5)

1.一种轴封装置，其将转子与定子之间的空间分为高压侧与低压侧，所述轴封装置中，具备：

密封体，沿所述转子的周向层叠多个从所述定子朝向转子侧延伸的薄板密封片而成；及

壳体，其具有第1对置面及第2对置面，所述第1对置面固定于所述定子且将所述密封体保持为从径向外侧包围，并且与所述密封体的高压侧端边相对置，所述第2对置面与所述密封体的低压侧端边相对置，

所述密封体与第1对置面之间的高压侧间隙被设为比所述密封体与所述第2对置面之间的低压侧间隙小，所述轴封装置的特征在于，

在所述密封体的各薄板密封片的低压侧端边形成有随着朝向前端即所述转子侧而逐渐向高压侧倾斜的倾斜部。

2.根据权利要求1所述的轴封装置，其中，

所述倾斜部形成在从所述前端至对应于所述第2对置面的所述转子侧的末端的位置。

3.根据权利要求1或2所述的轴封装置，其中，

端部即所述第2对置面的所述转子侧沿着所述倾斜部而倾斜。

4.根据权利要求1或2所述的轴封装置，其中，

在所述高压侧端边安装有用于规定所述高压侧间隙的高压侧侧板。

5.一种旋转机械，其特征在于，具备：

权利要求1至4中任一项所述的轴封装置。