CN105745398A - 包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造 - Google Patents

Abstract

包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造具备：内侧壳体，在内部将涡轮转子收容成旋转自如；外侧壳体，收容所述内侧壳体，且在与所述内侧壳体的外侧的面之间形成能够供流体流通的空间部；突起部，从所述内侧壳体的外侧的面及所述外侧壳体的内侧的面中的任一方的面朝向所述空间部内突出设置且沿着该面的周向形成为环状；及分隔板，从所述外侧的面及所述内侧的面中的任一另一方的面朝向所述空间部内延伸且沿着该面的周向形成为环状，将该空间部分隔成所述涡轮转子的轴向一方侧的第一空间部和另一方侧的第二空间部，并且能够利用所述第一空间部及所述第二空间部内的流体的压力差而沿着所述涡轮转子的轴向发生挠曲变形。

Description

包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造

技术领域

本公开涉及对包含蒸气涡轮的热机内的蒸气室间进行密封的流体密封构造。

背景技术

作为热机的一例的蒸气涡轮通常具备收容涡轮转子的内侧壳体和收容该内侧壳体的外侧壳体。蒸气涡轮将高压蒸气从设于外侧壳体的蒸气入口部导入到内侧壳体内。在内侧壳体内，将导入的高压蒸气以高速喷出，利用该蒸气力向涡轮转子的多个级施加旋转力，使涡轮转子旋转。在多个级中施加旋转力的高压蒸气随着从多个级的上游侧向下游侧移动而一边使温度及压力降低一边从排气口流出。

然而，在专利文献1中公开了具备高中压级的蒸气涡轮。该蒸气涡轮如专利文献1记载那样在高压级与中压级之间具备高中压一体虚设环，在高中压一体虚设环与外侧壳体(外机室)之间设有环状分隔板。利用该环状分隔板，保护内侧壳体(内机室)免于遭受高温的中压蒸气，能够实现内侧壳体的热应力降低、将内侧壳体固定的螺栓应力的降低等。

需要说明的是，内侧壳体在周缘部具有沿水平方向延伸的对合面且具有能够上下分割成两部分的构造，在使上下的各部分的对合面彼此接触的状态下利用多个螺栓将它们紧固，由此上下的各部分被一体地固定。外侧壳体也与内侧壳体同样地构成。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开昭62-284905(参照图1)

发明内容

【发明要解决的课题】

如前所述，在高压蒸气通过多个级而向排气口流出的蒸气涡轮的情况下，通过了多个级的高压蒸气的一部分有时会成为紊流，不向排气口侧流动而向外侧壳体与内侧壳体之间的空间部流动。当通过了这多个级的低温蒸气在空间部中流动时，外侧壳体沿着涡轮转子的轴向被冷却。另一方面，当高压蒸气从排气口的相反侧流向空间部时，外侧壳体沿着涡轮转子的轴向成为高温状态。因此，外侧壳体在涡轮转子的轴向上产生温度差，尤其是在与高温的蒸气相接的外侧壳体的部分和温度降低的蒸气相接的外侧壳体的部分，产生更大的温度差。因此，设置在温度急剧降低的位置的周边并将外侧壳体的上下的各部分紧固的螺栓的紧固力可能会变弱。

因此，可考虑将专利文献1记载的分隔板设置在空间部内，利用该分隔板将空间部分隔。若能够利用该分隔板将低温蒸气的流动完全隔断，则能够防止外侧壳体的急剧的温度变化。然而，在蒸气涡轮的组装时，即便以使分隔板的两侧的空间部彼此成为气密的方式设置分隔板，在蒸气涡轮的运转时，蒸气涡轮内的温度成为高温，而且根据情况的不同而产生温度差，因此在分隔板与外侧壳体之间、分隔板与内侧壳体之间也可能会产生间隙。因此，低温蒸气向上游侧的空间部流动，将外侧壳体的上下的各部分紧固的螺栓的紧固力可能会变弱。

由此，希望开发出一种在空间部设有分隔板的情况下，在蒸气涡轮的运转时不会产生间隙，能够将利用分隔板分隔的一对空间部间形成为气密的密封构造。

鉴于上述的情况，本发明的至少若干实施方式的目的在于，提供一种在热机的运转时能够将利用分隔板分隔的一对空间部间形成为气密的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造。

【用于解决课题的方案】

本发明的若干的实施方式涉及的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造构成为，具备：

内侧壳体，在内部将涡轮转子收容成旋转自如；

外侧壳体，收容所述内侧壳体，且在与所述内侧壳体的外侧的面之间形成能够供流体流通的空间部；

突起部，从所述内侧壳体的外侧的面及所述外侧壳体的内侧的面中的任一方的面朝向所述空间部内突出且沿着该面的周向形成为环状；及

分隔板，从所述外侧的面及所述内侧的面中的任一另一方的面朝向所述空间部内延伸且沿着该面的周向形成为环状，将该空间部分隔成所述涡轮转子的轴向一方侧的不包含所述突起部的第一空间部和另一方侧的包含所述突起部的第二空间部，并且能够利用所述第一空间部及所述第二空间部内的流体的压力差而沿所述涡轮转子的轴向发生挠曲变形，

所述分隔板在承受所述流体的压力差而向所述第二空间部侧挠曲时与所述突起部接触。

根据上述包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造，在热机的运转时，在第一空间部及第二空间部内的各流体产生压力差，在该压力差为不包含突起部的第一空间部侧的压力比包含突起部的第二空间部侧的压力大时的压力差的情况下，分隔板向涡轮转子的轴向的第二空间部侧挠曲而分隔板与突起部接触。因此，分隔板与突起部之间的间隙消失。因此，在涡轮转子的轴向另一方侧的第二空间部中流动的流体即使要向轴向一方侧的第一空间部侧流动，也能够利用分隔板可靠地隔断向第一空间部侧的流体的流动。由此，能够实现在热机的运转时可将由分隔板分隔的一对第一空间部及第二空间部间形成为气密的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造。

在若干的实施方式中构成为，

所述分隔板以至少前端部的涡轮转子的轴向的厚度随着向径向外侧延伸而变薄的方式形成。

这种情况下，分隔板的至少前端部形成为尖细状，因此分隔板的弯曲刚性随着向前端侧前进而变弱。因此，当朝向涡轮转子轴向中的突起部侧的力作用于分隔板时，分隔板的前端部以分隔板的涡轮转子径向内侧的端部为支点而向突起部侧挠曲。因此，能够使分隔板的至少前端部可靠地与突起部接触。由此，在热机的运转时能够将由分隔板分隔的一对第一空间部及第二空间部之间更可靠地形成为气密。

在若干的实施方式中构成为，

所述外侧壳体包含向所述内侧壳体供给所述流体的流体供给流路，

所述内侧壳体包含将从所述流体供给流路供给的流体向所述涡轮转子引导而驱动该涡轮转子的驱动流路，

所述驱动流路与第一空间部经由连接流路而连通。

这种情况下，能够经由连接流路将在驱动流路中流动的流体向第一空间部供给。在此，利用在驱动流路中流动的流体向涡轮转子施加旋转力，因此驱动流路将流体形成为更高压。因此，通过将在驱动流路中流动的流体导入第一空间部，能够进一步提高第一空间部内的流体压力。因此，能够进一步增大第一空间部及第二空间部之间的流体的压力差，能够使分隔板更容易与突起部接触。由此，能够实现在热机的运转时可将由分隔板分隔的一对第一空间部及第二空间部间形成为气密的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造。

在一实施方式中构成为，

在所述突起部的与所述分隔板侧相对的侧面设置有由线膨胀率比所述突起部大的材料形成的环状密封构件。

这种情况下，当分隔板向突起部侧挠曲而与环状密封构件接触时，环状密封构件变形。并且，当分隔板向突起部侧进一步挠曲时，在使环状密封构件变形的状态下分隔板与突起部接触。因此，分隔板除了与突起部接触之外也与环状密封构件接触，因此能够进一步提高一对空间部间的气密性。

【发明效果】

根据本发明的至少若干的实施方式，能够提供一种在热机的运转时可将由分隔板分隔的一对空间部间形成为气密的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造。

附图说明

图1是表示流体密封构造的构成例的蒸气涡轮的局部剖视图。

图2是一实施方式的蒸气涡轮的内部构造图。

图3是包含一实施方式的密封环的内侧壳体的概略立体图。

图4是用于说明一实施方式的密封环的作用的蒸气涡轮的局部剖视图。

图5是一实施方式的另一密封环的局部剖视图。

图6(a)是一实施方式的另一密封环的局部剖视图，图6(b)是另一密封环的立体图。

具体实施方式

以下，根据附图，说明本发明的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造的实施方式。在本实施方式中，以热机中的蒸气涡轮为例，以下进行说明。但是，本实施方式记载的构成零件的材质、形状、其相对配置等没有将本发明的范围限定于此，只不过是说明例。

如图1(局部剖视图)及图2(内部构造图)所示，蒸气涡轮的流体密封构造1具有：内侧壳体10，在内部将涡轮转子2收容成旋转自如；外侧壳体20，收容内侧壳体10，且与内侧壳体10的外侧的面10a之间形成能够供蒸气流通的空间部4；突起部30，从外侧壳体20的内侧的面20a向空间部4内突出而沿着内侧的面20a的周向形成为环状；及分隔板40，从内侧壳体10的外侧的面10a向空间部4内延伸而沿着外侧的面10a的周向形成为环状，将空间部4分隔成涡轮转子2的轴向一方侧的第一空间部4a和另一方侧的第二空间部4b，并且利用第一空间部4a及第二空间部4b内的蒸气的压力差而能够沿涡轮转子2的轴向发生挠曲变形。

在若干的实施方式中，内侧壳体10为金属制(例如，Cr铸钢)，与涡轮转子2的动叶片列3(参照图1)相对的静叶片列11(参照图1)沿着涡轮转子2的轴向延伸。以下，将动叶片列3和静叶片列11合在一起记为“高压级6”。在动叶片列3与静叶片列11之间形成能够供高温高压蒸气流通的驱动流路50(参照图1)。当高温高压蒸气向该驱动流路50流动时，动叶片列3承受高温高压蒸气的流动而使涡轮转子2旋转。

内侧壳体10在周缘部具有沿水平方向延伸的对合面(未图示)而能够上下分割成两部分，在内侧壳体10的下侧部分设置涡轮转子2。内侧壳体10在该下侧部分上载置上侧部分，在使下侧部分与上侧部分的对合面彼此接触的状态下利用多个螺栓将它们紧固，由此将内侧壳体10的下侧部分与上侧部分一体化地固定。在内侧壳体10的外侧的面10a上，如图1及图3(概略立体图)所示，形成有向涡轮转子2的径向外侧突出而沿着外侧的面10a的周向形成为环状的分隔板40。分隔坂40与内侧壳体10一体成形。关于分隔板40的详情，在后文叙述。

在若干的实施方式中，外侧壳体20为金属制(例如，Cr-Mo铸钢)，与内侧壳体10同样地在周缘部具有沿水平方向延伸的对合面(未图示)而能够上下分割成两部分。外侧壳体20在其下侧部分上载置上侧部分，在使下侧部分与上侧部分的对合面彼此接触的状态下利用多个螺栓将它们紧固，由此外侧壳体20的下侧部分与上侧部分一体化而固定。

如图1及图2所示，外侧壳体20在收容有内侧壳体10的状态下，在外侧壳体20的内侧的面20a与内侧壳体10的外侧的面10a之间形成能够供蒸气流通的空间部4。在外侧壳体20的上部设有用于导入高温高压蒸气的高压蒸气入口部21，高压蒸气入口部21经由流体供给通路22而与内侧壳体10的驱动流路50连通。因此，高温高压蒸气通过高压蒸气入口部21及流体供给通路22而向驱动流路50供给。在比高压蒸气入口部21靠涡轮转子2的轴向右侧处设有从中压的蒸气取出旋转动力的中压级7，高温高压蒸气S3经由空间部4向中压级7供给。

而且，在比高压级6靠涡轮转子2的轴向左侧处设有用于使从驱动流路50排出的低温蒸气排出的排气口8(参照图2)。需要说明的是，从驱动流路50排出的低温蒸气通过空间部4而从排气口8排出之后，由再热加热器(未图示)加热。

在若干的实施方式中，突起部30形成在与形成有高压级6的静叶片列11的内侧壳体10的外侧的面10a面对的外侧壳体20的内侧的面20a上。突起部30在外侧壳体20的内侧的面20a上沿着周向形成为环状，与外侧壳体20一体成形。突起部30在剖视观察下形成为长方形形状。需要说明的是，突起部30的截面形状并不局限于长方形形状，也可以是梯形形状。

如图1及图4(局部剖视图)所示，突起部30配置在比分隔板40的涡轮转子2的轴向位置稍靠涡轮转子2的轴向左侧的位置处。即，突起部30向第二空间部4b内突出。因此，在分隔板40未挠曲的情况下，在分隔板40的前端部与突起部30之间形成有间隙31。因此，在外侧壳体20的组装作业时，不需要形成为分隔板40与突起部30接触的状态，能够使组装作业容易。

能够与该突起部30接触的分隔板40为金属制(例如，Cr铸钢)且具有弹性，与内侧壳体10一体成形。分隔板40的厚度(涡轮转子2的轴向厚度)随着从内侧壳体10的外表面向涡轮转子2的径向外侧延伸而变薄。因此，能够减弱由高温高压蒸气产生的压力P从分隔板40的涡轮转子2的轴向作用时的弯曲刚性。由此，在朝向涡轮转子2的轴向的压力P作用于分隔板40的侧面时，能够使分隔板40沿着涡轮转子2的轴向容易挠曲。

需要说明的是，分隔板40并不局限于以从内侧壳体10的外侧的面10a变得尖细的方式形成的结构，也可以如图5所示，分隔板40的前端侧变得尖细的程度比根侧变得尖细的程度大。

如以上说明那样，根据若干的实施方式的蒸气涡轮的流体密封构造1，如图1及图2所示，当高温高压蒸气S1(例如，500℃～600℃，170～240kg/cm²)向高温蒸气入口部21供给时，高温高压蒸气S1通过内侧壳体10内而向高压级6的驱动流路50以高速导入。当高速的高温高压蒸气S1在驱动流路50中流动时，高温高压蒸气S1向高压级6的动叶片列3施加旋转力，并且温度及压力逐渐降低。该温度降低的蒸气S2(例如，300～400℃，35～60kg/cm²)的大部分通过空间部4从排气口8排出而被再加热。

然而，温度降低了的蒸气S2的一部分在空间部4中成为紊流，不朝向排气口8侧而流向外侧壳体20与内侧壳体10之间的空间部4。当温度降低了的蒸气S2流向该空间部4时，外侧壳体20沿着涡轮转子2的轴向被冷却。

另一方面，在比高压蒸气入口部21靠涡轮转子2的轴向右侧处，如前所述设有中压级7，高温高压蒸气S3经由空间部4向该中压级7供给。因此，利用该高温高压蒸气S3，比高压蒸气入口部21靠涡轮转子2的轴向右侧的外侧壳体20成为高温状态。因此，外侧壳体20在涡轮转子2的轴向的不同的位置产生温度差，尤其是在与高温的蒸气相接的外侧壳体20的部分和温度降低了的蒸气S2相接的外侧壳体20的部分，产生更大的温度差。因此，温度急剧变化的外侧壳体20的部分中的温度上升了的外侧壳体20的部分伸长，温度降低了的外侧壳体20的部分收缩，将外侧壳体20的上侧部分和下侧部分紧固固定的螺栓的紧固力可能会变弱。

然而，在本实施方式中，当比配置于空间部4内的分隔板40靠涡轮转子2的轴向右侧的空间部4(以下，记为“第一空间部4a”)内的高温高压蒸气S3与涡轮转子2的轴向左侧的空间部(以下，记为“第二空间部4b”)内的低温低压蒸气S2之间的压力差超过规定值时，分隔板40向突起部30侧挠曲而分隔板40的前端部与突起部30气密地接触。

因此，第一空间部4a与第二空间部4b被隔断，能够阻止低温低压蒸气S2向第一空间部4a流入。因此，仅是高温高压蒸气S3向第一空间部4a流动，因此能够使高温高压蒸气S3相接的外侧壳体20的涡轮转子2的轴向的温度差比较小。而且，仅是低温低压蒸气S2向第二空间部4b流动，因此能够使该低温低压蒸气S2相接的外侧壳体20的涡轮转子2的轴向的温度差比较小。即，能够防止在第一空间部4a及第二空间部4b分别相接的外侧壳体20的涡轮转子2的轴向的温度斜率的急剧变化。由此，能够防止将外侧壳体20的上侧部分和下侧部分紧固固定的固定用的螺栓的松脱。

需要说明的是，第一空间部4a的涡轮转子2的轴向长度比第二空间部4b的涡轮转子2的轴向长度长，因此第一空间部4a中的第二空间部4b侧的端的外侧壳体20的温度与低温低压蒸气S2相接的外侧壳体20的温度之差比较小。因此，配置在第一空间部4a与第二空间部4b相邻的位置的外侧壳体20的螺栓不会松脱。

接下来，关于例示的实施方式的个别的内容，参照图1、图6(a)、图6(b)进行说明。在图1所示的例示的实施方式中，在内侧壳体10设有将驱动流路50与第一空间部4a连通的连接流路12。该连接流路12将在驱动流路50中流动的高压蒸气向第一空间部4a供给而能够调整第一空间部4a内的压力。连接流路12的个数根据第一空间部4a内所需的压力来选定。由此，能够利用连接流路12任意地进行第一空间部4a内的压力设定，能够进行暴露在第一空间部4a内的蒸气中的外侧壳体20及内侧壳体10的材质、壁厚的最适设计。

在图6所示的例示的实施方式中，如图6(a)所示，在突起部30的与分隔板40侧相对的侧面30a上设有由线膨胀率比突起部30大的材料(例如，奥氏体系不锈钢或镍铬铁合金等)形成的环状密封构件60。该环状密封构件60装配于在突起部30的侧面30a设置的环状槽30b内。环状密封构件60以随着从轴向一端侧向另一端侧进入而外径增大的方式具有圆锥台状的侧面60a并形成为环状。

环状密封构件60具有形成为带状的密封主体61和将密封主体61的两端部连结而形成为环状的插口62。环状密封构件60在与分隔板40非接触的状态下，环状密封构件60的轴向一端部从环状槽30b突出，在与分隔板40接触时向环状密封构件60的轴向另一端侧挠曲。因此，当分隔板40与突起部30接触时，分隔板40成为除了与突起部30接触之外也与环状密封构件60接触的状态，因此能够进一步提高第一空间部4a(参照图4)与第二空间部4b(参照图4)之间的气密性。

以上，虽然说明了本发明的实施方式，但是本发明没有限定为上述的方式，能够进行不脱离本发明的目的的范围内的各种变更。例如，本发明不仅适用于蒸气涡轮，也适用于燃气轮机，而且也可以将上述的各种实施方式适当组合。

【标号说明】

1蒸气涡轮的流体密封构造

2涡轮转子

3动叶片列

4空间部

4a第一空间部

4b第二空间部

6高压级

7中压级

8排气口

10内侧壳体

10a外侧的面

11静叶片列

12连接流路

20外侧壳体

20a内侧的面

21高压蒸气入口部

30突起部

30a、60a侧面

30b环状槽

31间隙

40分隔板

50驱动流路

60环状密封构件

61密封主体

62插口

Claims (4)

1.一种包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造，其特征在于，具备：

内侧壳体，在内部将涡轮转子收容成旋转自如；

外侧壳体，收容所述内侧壳体，且在与所述内侧壳体的外侧的面之间形成能够供流体流通的空间部；

突起部，从所述内侧壳体的外侧的面及所述外侧壳体的内侧的面中的任一方的面朝向所述空间部内突出且沿着该面的周向形成为环状；及

分隔板，从所述外侧的面及所述内侧的面中的任一另一方的面朝向所述空间部内延伸且沿着该面的周向形成为环状，将该空间部分隔成所述涡轮转子的轴向一方侧的不包含所述突起部的第一空间部和另一方侧的包含所述突起部的第二空间部，并且能够利用所述第一空间部及所述第二空间部内的流体的压力差而沿所述涡轮转子的轴向发生挠曲变形，

所述分隔板在承受所述流体的压力差而向所述第二空间部侧挠曲时与所述突起部接触。

2.根据权利要求1所述的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造，其特征在于，

所述分隔板以至少前端部的所述涡轮转子的轴向的厚度随着向该涡轮转子的径向外侧延伸而变薄的方式形成。

3.根据权利要求1或2所述的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造，其特征在于，

所述外侧壳体包含向所述内侧壳体供给所述流体的流体供给流路，

所述内侧壳体包含将从所述流体供给流路供给的流体向所述涡轮转子引导而驱动该涡轮转子的驱动流路，

所述驱动流路与第一空间部经由连接流路而连通。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的包含蒸气涡轮的热机的流体密封构造，其特征在于，

在所述突起部的与所述分隔板侧相对的侧面设置有由线膨胀率比所述突起部大的材料形成的环状密封构件。