CN105697784A - 密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种密封装置及其制造方法，该密封装置防止产生导致工作流体的沟流状态的、在对接面整体的轴向上无大阻力而贯通的间隙，并且能够防止相邻的密封扇形彼此之间的固着。具备将多个密封扇形体连成环状配置而构成的环状的密封环(10)、和在上述密封环的内周面沿轴向设有多个的密封凸片(12)的密封装置(9)具备：形成于上述密封扇形体的周向端部且与相邻的其他密封扇形体对置的接合面(8)；向半径方向延伸设置在上述接合面(8)的槽(20)；以及将构成上述槽的长边的面的一部分朝向上述接合面的外侧进行弯曲加工而形成的突起部(22)。

Description

密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法

技术领域

本发明涉及密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法。

背景技术

蒸汽轮机或燃气轮机等大型旋转机械通常为了将工作流体密封而采用将配置于内部的旋转体的周围用壳体包围的构造。壳体通常以上下开合状态制造，在将旋转体夹在内部之后组成。上半壳体与下半壳体的接触面部分形成为一部分向外侧突出的凸缘构造，利用贯通该凸缘部并加以紧固的螺栓，保持内部的气密性。

这样的旋转机械在旋转体与静止体之间存在间隙，如果工作流体从该间隙泄漏则导致能量损失，因此采用用于使该泄漏量为最小限的密封机构。该密封机构在组成完毕状态下为环状，而组成前是如壳体那样由分割成两部分或分割成四部分的扇形体构成的扇形构造。

密封机构除了防止泄漏功能之外有必要同时具有在万一与转子接触时也能在径向上移动从而避免不必要损伤的功能，在这点上与壳体不同。因此，密封机构的扇形件彼此之间通常不利用螺栓等连结而是仅通过将平滑的接触面对接而组成。

该密封机构运转时在高温工作流体环境下使用，因此受到不同于制造/组装时的大的热变形。因此，为了不在接触面产生不必要的间隙，产生以考虑了该变形量的尺寸制造各个扇形体的必要。但是，正确预测运转时的热分布，并且制造以根据预测值求出的尺寸分割的各个密封环非常困难，因此通常为允许某种程度公差的设计。因此可认为实际上在相邻扇形体的接合部存在间隙，由源自间隙的沟流(吹き抜け)导致的泄漏导致产生能量损失。

针对该密封机构的问题，有如下技术：在保持制造时寸法公差的富余量的同时，为了避免对接面整体具有间隙造成的工作流体沟流状态，使密封环对接面的一方形成为凸形状，使另一方形成为凹形状，进行嵌合(例如参照专利文献1)。

另外，有如下技术：在密封环对接面的半径方向也适用与专利文献1同样的机构(例如参照专利文献2)。

另外，有如下技术：虽然适用部位不同，但是作为壳体接合面的密封机构，通过在设于接合面的槽中插入板状的楔，来实现避免工作流体的沟流状态(例如参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-298286号公报

专利文献2：日本特开2012-92829号公报

专利文献3：日本特开2003-262102号公报

发明内容

通过采用上述的专利文献1或2的技术，能够避免工作流体的沟流状态。但是，由于设有嵌合部，产生相邻的扇形彼此固着的可能性。该固着在形成于对接面的凹部与凸部的间隙过窄的情况、来自上游的水垢等杂质在间隙中堆积的情况下发生。如果产生扇形彼此之间的固着，则在密封凸片与转子相接触的情况下，不能使密封凸片向半径方向外侧避让，因此产生密封凸片的不必要的损伤的同时产生转子振动的可能性高。

另外，在使用上述的专利文献3的技术的情况下，通过插入设在接合面的槽中的板状楔，在接合部总是产生轴向的重合部，因此能够避免工作流体的沟流状态。但是，由于存在重合部，在它们之间产生强的接触摩擦力，由此，产生扇形彼此之间固着的可能性变高。

本发明基于上述的情况而做出，其目的在于提供一种密封装置及其制造方法，该密封装置防止产生导致工作流体的沟流状态的、在对接面整体的轴向上无大阻力而贯通的间隙，并且能够防止相邻的密封扇形彼此之间的固着。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，采用例如以下方案记载的结构。本申请包含解决上述课题的多种手段，列举其一个例子如下。一种密封装置，具备：将多个密封扇形体连成环状配置而构成的环状的密封环；以及在上述密封环的内周面沿轴向设有多个的密封凸片，上述密封装置的特征在于，具备：形成于上述密封扇形体的周向端部且与相邻的其他密封扇形体对置的接合面；朝向半径方向延伸设在上述接合面的槽；以及将构成上述槽的长边的面的一部分向上述接合面的外侧进行弯曲加工而形成的突起部。

本发明的效果如下。

根据本发明，能够不提高相邻密封扇形彼此之间固着风险地避免工作流体的沟流状态。由此，不会发生起因于密封扇形固着的故障，能够减少密封扇形接合面中工作流体的不必要泄漏。其结果为，能实现涡轮机成套设备效率提高。

附图说明

图1是表示具备本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的蒸汽轮机的级的简略结构图。

图2是本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的密封环的从转子的旋转轴方向观察到的示意图。

图3是表示本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的密封环的立体图。

图4是本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的密封环的接合部附近的从环内周侧观察到的立体图。

图5是将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式以图4的V-V面剖切后，从斜上方观察到的局部剖视立体图。

图6是表示将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式以图4的V-V面剖切后，从垂直于剖切面方向观察到的剖面形状的一个例子与间隙流动的关系的示意图。

图7是表示将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式以图4的V-V面剖切后，从垂直于剖切面方向观察到的剖面形状的其他例子的示意图。

图8是表示将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式以图4的V-V面剖切后，从垂直于剖切面方向观察到的剖面形状的又一其他例子与间隙流动的关系的示意图。

图9A是用于说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的槽的制造方法的一个例子的第一步骤的示意图。

图9B是用于说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的槽的制造方法的一个例子的第二步骤的示意图。

图9C是用于说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的槽的制造方法的一个例子的第三步骤的示意图。

图10是用于说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的槽的制造方法的其他例子的示意图。

图11是表示将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第二实施方式以图4的V-V面剖切后，从垂直于剖切面方向观察到的剖面形状的一个例子与对置的相邻密封扇形的关系的示意图。

图中：

1—转子，2—动叶片，3—静叶片，4a—隔板内环，4b—隔板外环，5—内部壳体，6—密封架，7a、7b、7c、7d—密封扇形体，8—扇形体的周向端部接合面，9—密封装置，10—密封环，12—密封凸片，20—槽，21a、21b—密封环剖面(V-V剖面)，22—通过弯曲加工形成的突起部(构成槽的壁面的一部分)，30—示意性地表示间隙流动情形的箭头。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的实施方式。

实施例1

图1是表示具备本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的蒸汽轮机的级的简略结构图。

如图1所示，蒸汽轮机的级是包括与转子1连结的动叶片2、安装在隔板外环4b及隔板内环4a之间的静叶片3的一组构成要素的名称，该级在转子1的轴向上具备多组，从而构成涡轮机级整体。而且，通过形成将涡轮机级整体的周围用一层或者多层壳体包围的构造，来保持涡轮机内部的气密性。在本实施方式中，具备内部壳体5和未图示的外部壳体。

在如此构成的蒸汽轮机中，为了通过在内部壳体5内部流动的蒸汽高效地使转子1旋转，要求提高作为旋转部的转子1及动叶片2与作为静止体的静叶片3之间的密封性能，抑制从形成于旋转部与静止体之间的间隙泄漏的工作流体(蒸汽)的量，设有迷宫密封等密封装置9。

在本实施方式中，如图1所示，在各级中的隔板内环4a的内周侧、和设在与转子1的轴端部对置的位置的密封架6的内周侧设有密封装置9。配置在作为旋转体的转子1的周围的密封装置9是环状的密封环10，将多个密封扇形体连成环状配置而构成。而且，在本实施方式的说明中，密封装置9的形态中，轴向、半径方向、周向等是指与作为旋转部的转子1的轴向、半径方向、周向相同的方向。

图2是本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的密封环的从转子的旋转轴方向观察到的示意图，图3是表示本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的密封环的立体图。如图2以及图3所示，作为密封装置9的密封环10由分割成四部分后的环状密封扇形体7a、7b、7c、7d构成，将它们经由四个接合面11a～d配置为圆环状从而构成环状的密封环10。

在各密封扇形体7a、7b、7c、7d的轴向侧面形成有凹凸部。通过将该凹凸部嵌合到隔板内环4a、密封架6，从而密封环10被保持。另外，各密封扇形体7a、7b、7c、7d的周向端部形成为平滑平面。通过将在各接合部11a～d对置的密封扇形体7a、7b、7c、7d的周向端部彼此对接，从而构成环状的密封环10。

但是，如在背景技术中所述的那样，这样的密封装置在高温工作流体下使用时，产生以考虑了运转时的热变形量的尺寸制造密封环的必要。但是，正确预测运转时的热分布，并且以严格根据预测值求出的尺寸制作密封环非常困难，因此通常为允许某种程度公差的设计。因此可认为，实际上在相邻的密封扇形体之间，例如在图2中的密封扇形体7a与密封扇形体7b的对置的周向端部的对接面之间存在间隙，由于从该间隙产生的沟流导致的泄漏产生了能量损失。

尤其是，如图1中所示，在转子1的轴端部，配置多级密封装置9从而缓慢减压，消除与外部之间大的压力差从而减少泄漏量。但是在设为多级的密封装置9中，形成密封环10的密封扇形体间的接合部的位置在各密封环之间通常是一致的。因此，在密封扇形体的具有平面形状的对接面产生了间隙流动的情况下，在密封装置9的多级中产生沟流，由于在其两端产生的大的压力差(或者压力比)而产生泄漏量超乎预想增加的可能性。进而在由于该大的压力差(或者压力比)导致工作流体大幅度地隔热膨胀/静温下降的情况下，由于也助长局部的热变形，因此产生泄漏量进一步增加的可能性。

本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式用于解决这样的问题。具体而言，其特征在于，在构成密封环10的密封扇形体的周向端部的对接面形成了特定的槽构造。以下使用图4至图8进行说明。

图4是本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的密封环的接合部附近的从环内周侧观察到的立体图，图5是将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式以图4的V-V面剖切后，从斜上方观察到的局部剖面立体图，图6是表示将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式以图4的V-V面剖切后，从垂直于剖切面方向观察到的剖面形状的一个例子与间隙流动的关系的示意图，图7是表示将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式以图4的V-V面剖切后，从垂直于剖切面方向观察到的剖面形状的其他例子的示意图，图8是表示将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式以图4的V-V面剖切后，从垂直于剖切面方向观察到的剖面形状的又一其他例子与间隙流动的关系的示意图。图4至图8中，与图1至图3中所示符号为相同符号的为同一部分，因此省略其详细说明。

如图4所示，在密封扇形体7a、7b的内周面，在转子的旋转轴方向设有多个在半径方向突起的密封凸片12，在密封凸片12与密封凸片12之间形成有半径方向上较宽阔的空间。通过该多个密封凸片12和其间的空间，发挥作为密封装置9的效果。

在本实施方式的密封环10中，其特征在于，形成为：对置的密封扇形体7a、7b的至少一方的周向端部具有在半径方向上延伸的多个槽，构成该槽的长边的面的一部分具有朝向该接合面的外侧翘起的形状。

如图5所示，以图4的V-V面剖切出的剖面21中的槽20的形状并非形成为相对于密封扇形体7b的接合面8以直角挖出的穴状，而是形成为相对于接合面8直至深部倾斜挖出的穴状。另外，构成槽20的面的一端形成有突出到槽20外侧的突起部22。在图3至图5中，例示了槽20为三个的情况，但是不限于此。另外，轴向或者周向的槽长度、深度也没有必要相同。

接着，使用图6至图8说明涡轮机运转时的状况。图6是表示本实施方式的基本构造的图，尤其表示在相邻的密封扇形彼此之间产生了间隙的情况。图8表示同样状况下相邻的槽彼此之间的关系。

在图6和图8中，箭头表示工作流体的泄漏流动30的方向。另外，槽20为从工作流体的泄漏流动30的上游侧朝向下游侧倾斜挖出的剖面形状。此处，剖面21a的密封扇形体的接合面8与剖面21b的密封扇形体的接合面8彼此分离，但是如图所示，由于构成槽20的面的一端形成有向槽20的外侧弯曲的突起部22，因此即使在相邻的密封扇形体彼此之间产生了一些间隙的情况下，也不会成为无大阻力而贯通的沟流状态。另外，即使在产生了突起部22所不能堵塞程度的间隙的情况下，如图6的箭头所示，该突起部22和槽20赋予迷宫密封效果，因此能够抑制泄漏量。

图7是与图6同样的剖面示意图，尤其表示在相邻的密封扇形体彼此之间没有间隙的情况。该情况下，突起部22被相对的接合面8挤压，因此结果起到与不存在突起部22的情况同样的作用，因此不会成为不良情况的主要原因。因此，根据本实施方式的构造，突起部22进行弹簧状的动作，某种程度追随对置面，从而在接合面8处存在间隙的情况和不存在间隙的情况，都能发挥本来的密封环的功能。

接着，使用图9A至图10说明密封装置的制造方法。图9A是用于说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的槽的制造方法的一个例子的第一步骤的示意图，图9B是用于说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的槽的制造方法的一个例子的第二步骤的示意图，图9C是用于说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的槽的制造方法的一个例子的第三步骤的示意图，图10是用于说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式的槽的制造方法的其他例子的示意图。在图9A至图10中，与图1至图8所示符号为相同符号的为同一部分，省略其详细说明。

图9A是同样地将密封扇形体的接合面以图4的V-V面剖切后的剖视图。槽20的制造方法的第一步骤为，以从工作流体的上游侧朝向下游侧倾斜，并且在构成槽的长边侧形成的两个面大致平行的方式进行挖掘。

槽20的制造方法的第二步骤为，如图9B所示，从图9A中所示的状态将槽20的里侧的、具有三角形状剖面侧的面进一步挖掘，从而形成突起部22。此处，进一步挖掘的理由是为了使构成槽20的长边的面的一部分相对于弯曲加工为柔软的厚度。

槽20的制造方法的第三步骤为，如图9C所示，从图9B中所示的状态，将具有三角形状剖面的面朝向槽20的外侧从虚线部如实线部那样进行弯曲加工，从而形成为突起部22相比接合面8向外侧弯曲的形状。通过这样的步骤，形成了本发明的密封装置9的构造。

另外，图10是说明槽20的制造方法的其他例子的图，表示替代上述的槽20的制造方法的第三步骤的方法。具体而言，在通过图9A或者到图9B为止，在以构成槽20的长边的面的一部分的剖面形状成为大致三角形的方式形成槽20之后，将接合面8的表面从虚线部所示原有状态如实线部所示那样切削，从而能够形成突起部22相比接合面8向外侧弯曲的形状。

根据上述的本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式，能够不提高相邻的密封扇形彼此之间固着风险地避免工作流体的沟流状态。由此，不会发生起因于密封扇形的固着的故障，能够减少密封扇形接合面中工作流体的不必要泄漏。其结果为，能实现涡轮机成套设备效率提高。

而且，在本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第一实施方式中，以蒸汽轮机的4分割型密封环为例进行了说明，但是不限于此。能够适用于分割为多个的密封环。另外，不仅是蒸汽轮机，还能够适用于燃气轮机等其他旋转机械。

实施例2

以下，使用附图说明本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第二实施方式。图11是表示将本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第二实施方式以图4的V-V面剖切后，从垂直于剖切面方向观察到的剖面形状的一个例子与相对的相邻密封扇形的关系的示意图。在图11中，与图1至图10所表示的符号为相同符号的为同一部分，因此省略其详细说明。

图11表示尤其是剖面21a的密封扇形体的接合面8与剖面21b的密封扇形体的接合面8彼此分离而产生了间隙的情况。在上述的第一实施方式中，例示了在相对的两个密封扇形体的接合面8的仅一方适用本发明的槽构造的情况，但在本实施方式中，在双方的接合面8形成有本发明的槽构造。这里，一方的密封扇形体的突起部22加工成与另一方的密封扇形体的接合面8的平面部的位置对置。由此，不仅迷宫密封功能提高，还能将突起部22彼此之间互相干扰从而产生固着等不良情况的可能性控制得很低。

根据上述的本发明的密封装置、旋转机械以及密封装置的制造方法的第二实施方式，能够取得与第一实施方式相同的效果。

而且，本发明不限于上述的第一以及第二实施方式，包含各种变形例。上述的实施方式是为了易懂地说明本发明而详细进行的说明，不限于一定具备所说明的所有结构。

Claims (7)

1.一种密封装置，具备：将多个密封扇形体连成环状配置而构成的环状的密封环；以及在上述密封环的内周面沿轴向设有多个的密封凸片，

上述密封装置的特征在于，具备：

形成于上述密封扇形体的周向端部且与相邻的其他密封扇形体对置的接合面；

朝向半径方向延伸设置在上述接合面的槽；以及

将构成上述槽的长边的面的一部分朝向上述接合面的外侧进行弯曲加工而形成的突起部。

2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，

朝向半径方向延伸设置在上述接合面的上述槽的构造是：

在从与轴正交方向观察上述槽的剖面时，从工作流体流动的上游侧朝向下游侧倾斜挖出的形状。

3.根据权利要求1或2所述的密封装置，其特征在于，

朝向半径方向延伸设置在上述接合面的上述槽的构造沿轴向形成有多个。

4.根据权利要求3所述的密封装置，其特征在于，

朝向半径方向延伸设置在上述接合面的上述槽的构造设置在彼此相邻的扇形体的两端部，

设置在对置的扇形体的上述突起部彼此以一方的突起部与另一方的密封扇形体的接合面的平面部的位置对置的方式交替配置。

5.一种旋转机械，其特征在于，

在旋转轴与静止体之间具备权利要求1～4任一项中所述的密封装置。

6.一种密封装置的制造方法，该密封装置具备：将多个密封扇形体连成环状配置而构成的环状的密封环；在上述密封环的内周面沿轴向设有多个的密封凸片；形成于上述密封扇形体的周向端部且与相邻的其他密封扇形体对置的接合面；朝向半径方向延伸设置在上述接合面的槽；以及将构成上述槽的长边的面的一部分朝向上述接合面的外侧进行弯曲加工而形成的突起部，

在从与轴正交方向观察上述槽的剖面时，是从工作流体流动的上游侧朝向下游侧倾斜挖出的形状，

上述密封装置的制造方法的特征在于，具备：

第一步骤：以从与轴正交方向观察上述槽的剖面时从工作流体流动的上游侧朝向下游侧倾斜的方式挖掘；

第二步骤：以构成上述槽的长边的面的一部分相对于弯曲加工成为柔软厚度的方式挖掘；以及

第三步骤：对构成上述槽的长边的面的一部分朝向上述接合面的外侧进行弯曲加工。

7.一种密封装置的制造方法，该密封装置具备：将多个密封扇形体连成环状配置而构成的环状的密封环；在上述密封环的内周面沿轴向设有多个的密封凸片；形成于上述密封扇形体的周向端部且与相邻的其他密封扇形体对置的接合面；朝向半径方向延伸设置在上述接合面的槽；以及将构成上述槽的长边的面的一部分朝向上述接合面的外侧进行弯曲加工而形成的突起部，

在从与轴正交方向观察上述槽的剖面时，是从工作流体流动的上游侧朝向下游侧倾斜挖出的形状，

上述密封装置的制造方法的特征在于，具备：

第一步骤：以从与轴正交方向观察上述槽的剖面时从工作流体流动的上游侧朝向下游侧倾斜的方式挖掘；

第二步骤：以构成上述槽的长边的面的一部分的剖面形状成为大致三角形的方式挖掘；以及

第三步骤：通过对上述接合面的表面进行切削，从而将上述突起部形成为朝向上述接合面的外侧弯曲的形状。