CN105745476A - 轴封以及制造轴封的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轴封(10)，用于减少被轴封(10)分开的两个流体空间(2、4)、尤其是相对于轴(1)在轴向上布置的两个气体空间之间的泄漏，其中轴封(10)具有固定在凹部(15)中的多个柔性板件(12)，其中凹部(15)形成轴封(10)的第一直径(17)，并且其中板件(12)的背向凹部(15)定向的端部(13)限定第二直径(18)，其中板件(12)在背向凹部(15)定向的端部(13)处具有凹部(16)，其特征在于，板件(12)具有第一边缘区域(21)和第二边缘区域(22)，其中第二边缘区域(22)比第一边缘区域(21)宽。

Description

轴封以及制造轴封的方法
技术领域
本发明涉及一种轴封(shaftseal)以及制造轴封的方法，其中该轴封用于减少被轴封分开的两个流体空间之间的泄漏。
背景技术
在燃气涡轮机、涡轮增压器或压缩机中，气体沿着其通流方向相对于旋转轴以大致多级过程被轴向地压缩或膨胀。为了提高压缩机或涡轮机的效率，位于相应的压缩级或膨胀级的上游的气体空间相对于该压缩级或膨胀级的下游的气体空间被密封以减少泄漏。为此，使用迷宫式密封件、刷式密封件或所谓的叶片式密封件，等等。
迷宫式密封件是涡轮机械中经典的密封元件。迷宫式密封件是众所周知的并且对于制造商而言制造起来相对简单且成本有效。迷宫式密封件的缺点在于对大的转子运动公差相对较低，这频繁地导致显著的磨损。为了改善这一点，建造人员被迫提供相应大的间隙，而这对密封效果和性能有不利的影响。
刷式密封件和叶片式密封件是在工作中时被转子偏斜的密封构思。刷式密封件具有在所有方向上都是弹性的成块的线状物，因此不能很好地适于对相对较高的压差进行密封，这是因为密封刷会移向旁边。为了支撑密封刷，部分地使用支撑环。如果转子变得更靠近密封刷，那么转子将向后弯曲，结果相对较宽的间隙导致较高的压差。这里，叶片式密封件提供了显著的优点，这是因为叶片式密封件的各个板件显著地比刷式密封件的密封刷要硬。然而，与刷式密封件相比，叶片式密封件的缺点在于，当起动旋转轴时，板件产生相对较高的摩擦扭矩。通过形成沿着两个相邻的板件之间的边界的较窄但却轴向较长的密封间隙，建造人员在使用叶片式密封件时必须依赖于在叶片式密封件的整个工作持续时间内都保留该密封间隙。由于安装空间和成本方面的原因，多个接续的刷式密封件或叶片式密封件的布置是不常见的。EP1302708公开了用于密封涡轮机中的轴的叶片式密封件。EP1890059公开了通过板件与壳体之间的迷宫式密封件而另外地拓宽了叶片式密封件的原理的叶片式密封件。
US2012/0007318A1公开了一种具有多个柔性密封条的密封件。
发明内容
本发明的目的是提供一种轴封，该轴封在相同的结构条件下受到比已知的密封构思少的机械负载和/或热负载。
该目的通过本申请的权利要求1、11和12的特征而实现。在其他的权利要求中明确了本发明的优选实施方式。
本发明的轴封用于减少被轴封分开的两个流体空间、尤其是相对于轴在轴向上布置的两个气体空间之间的泄漏，包括固定在凹部中的多个柔性板件，其中凹部限定轴封的第一直径，并且其中板件的背向凹部定向的端部限定第二直径，所述轴封的特征在于，板件在背向凹部定向的端部具有凹部。
本发明的轴封具有如下优点：位于板件的背向凹部定向的端部的凹部减小了板件与轴或壳体之间的起动扭矩或摩擦扭矩。由于较低的摩擦扭矩，进入板件中的热导入也得到了减少，因此板件能够在凹部中以较小的间隙被引导。
通过从属权利要求中阐述的措施，能够对独立权利要求中声明的轴封进行有利的提高和改进。
一个有利的改进在于，在板件中设置有附加的凹部。所述附加的凹部使得能够相对于轴径向地进一步减小板件的刚度，即在轴的旋转方向上进一步减小板件的刚度，由此进一步减小起动扭矩。另外，通过凹部，轴向相对于轴的刚度、即板件的密封方向上的刚度得到了必要的保持。这在凹部以蜂窝形状或以方格形状(checkshape)布置的情况下是特别有利的。这种配置使得小的涡流室能够引入到板件中，其中，产生的涡流室在板件与轴机械接触的情况下减少了摩擦表面并且减少了热量的引入。涡流室的形成也是有利的，因为与迷宫式密封件相比，能够特别好地消除流动的涡流分量。
另外，第一直径是轴封的外径并且第二直径是轴封的内径是有利的设置。在此配置中，凹部形成轴封的外径，其中凹部能够简单且成本有效地固定在壳体中。
本发明的轴封的另一个改进在于，板件具有第一边缘区域和第二边缘区域，其中第二边缘区域比第一边缘区域宽。板件的非对称配置提供了多种优点。一方面，在同向的平行布置的情况下，较宽的第二边缘区域能够具有特别优良的密封效果。另一方面，特别地，如果第二边缘区域的宽度比第一边缘区域的宽度宽近似一个凹部的宽度，那么板件的这种非对称配置能够实现通过板件的仅仅一个变型就建立密封件的可能性；在该密封件中，一个板件中的相应的凹部被在旋转180度布置的下一个板件中布置在凹部之间的辐条(web)完全覆盖。为此，辐条被制成比凹部宽以允许凹部被辐条完全覆盖。
进一步有利的设置是，轴封的至少一个板件没有凹部，即至少一个没有凹部的板件布置在具有凹部的板件之间。这种没有凹部的板件使得能够提高密封效果，通过没有凹部的板件或没有凹部的各个板件——这些板件优选地布置在周边上——摩擦和起动力矩仅有不显著的增加。
另一个有利的改进在于，当轴封安装在轴上时，轴上的隆起的部分接合在板件的凹部中。这里，在板件同向布置的情况下，取决于隆起部分的高度，可以在板件的凹部中实现附加的迷宫式密封件；可替代地，在轴上可以存在小的隆起部分，这些小的隆起部分在板件与轴之间的密封边缘上产生涡流，密封边缘的区域中的涡流提高了密封效果。
本发明还涉及一种制造轴封的方法，其中特别设置成提供非对称板件的仅仅一种变型，所述板件可以例如通过成本有效的方式制造成注塑模制件和冲压件。在这种情况下，每第二个板件分别相对于相邻的板件旋转180度布置，使得一个板件的凹部相应地被相邻的板件的辐条完全地封闭。
附图说明
下面参照附图论述根据本发明的轴封的示例性实施方式。在本文中，相同的部件或具有相同功能的部件标有相同的附图标记。
图1示出了具有本发明的轴封的轴。
图2示出了具有本发明的轴封的轴的径向截面。
图3示出了本发明的轴封的板件。
图3a示出了本发明的轴封的替代性板件。
图3b示出了本发明的轴封的板件的另一个示例性实施方式。
图4示出了本发明的轴封的多个板件的布置。
具体实施方式
图1示出了本发明的轴封10的示例性实施方式。轴封10具有凹部15，多个柔性板件12固定在凹部15中。轴封10插入壳体5中，其中凹部15例如通过被压入形状配合而固定至壳体5。凹部15的朝向壳体5定向的那侧于是限定了第一直径17。板件12具有背向凹部15并且朝向轴1定向的端部13，其中，当轴1固定时，板件12的端部13支靠在轴1上。轴封10在沿着轴1的轴向方向上相对于第二流体空间4密封第一流体空间2。板件12的端部13于是限定了第二直径18。
板件12在其朝向轴1定向的端部13具有多个凹部16，凹部16通过辐条19彼此分开。在轴1上可以形成隆起部分41，隆起部分41与板件12的凹部16相对地布置并且能够接合在凹部16中。隆起部分41接合在凹部16中产生了提高在沿着板件12的轴向方向上的密封效果的迷宫式结构。
轴1在工作期间旋转，其中在起动阶段，轴封10的板件12一开始仍然支靠在轴1上，并且由于动力学原因而在达到特定轴速以上后与轴1脱离，因而形成密封间隙11。图2示出了径向截面中的旋转轴1，其中轴1的旋转方向由箭头表示。凹部16减少了板件12与轴1之间的接触表面并且减小了板件12的刚度，因此减小了起动过程期间的摩擦和进而减小进入板件12中的热导入。
图3公开了本发明的轴封10的板件12的示例性实施方式。板件12在其端部13处具有被辐条19分开的多个凹部16。因此，板件12的形状是非对称的，其中板件12在凹部16的区域中被第一边缘区域21和第二边缘区域22限界。凹部16具有宽度l，宽度l比辐条19的宽度b小。在这里，第一边缘区域21比第二边缘区域22窄近似宽度l。
图3a示出了板件12的替代性实施方式，该实施方式虽然具有与图3所示的实施方式基本相同的结构，但还具有附加的凹部23，凹部23例如是方格形或菱形。附加的凹部23进一步减小了板件12的导热性和板件12相对于轴1在径向方向上的刚度，同时能够基本上保持在轴向方向上的刚度。附加的凹部23产生了涡流室24。如果板件12的表面是光滑的，那么流动中的湍流就较少，从而在入口涡流之后形成纯净的间隙流，这有助于通过间隙的流动。
然而，在密封元件的情况下，这是不理想的。由于这个原因，涡流室24产生附加的湍流，该附加的湍流提高了两个相邻的板件12之间的密封效果。在板件12与轴1之间机械接触的情况下，热量输入大为减少，这是因为凹部16和涡流室24减少了摩擦表面并且减少了沿着板件12的导热。
图3b示出了板件12的另一个示例性实施方式。在这里，板件12a示出为相对于图3a的图示位置旋转了180度，成为板件12b。如果板件12在每种情况下都相对于另一个板件12旋转180度地排序、使得每个板件12a与板件12b相邻，那么板件12a的辐条19在每种情况下都覆盖板件12b的凹部16，并且板件12b的辐条19覆盖板件12a的凹部16，其中另外的凹部23分别产生板件12a、12b之间的涡流室24。在图4中示出了这种在轴封10的周边上的多个板件12a、12b的布置。
可替代地，至少一个板件12也可以被没有凹部的板件替代，以提高密封效果。可替代地，各个没有凹部的板件12也可以布置在轴封10的周边上，优选地在周边上均匀地布置。
另外，轴1也可以具有隆起的部分41，隆起的部分41在轴1的动态运行中时不接合在板件12的凹部16中，或者仅在极小的程度上接合在凹部16中。取代迷宫式密封件，这种结构产生了沿着轴1的小的涡流；与平坦轴1相比，这也能够提高密封效果。
尽管已经通过优选的示例性实施方式更详细地描述了本发明，但本发明不限于所公开的示例性实施方式，并且本领域技术人员在不偏离本发明的保护范围的情况下能够从这些示例性实施方式中得到其他的变型。

Claims (12)

1.一种轴封(10)，用于减少被所述轴封(10)分开的两个流体空间(2、4)、尤其是相对于轴(1)在轴向上布置的两个气体空间之间的泄漏，其中所述轴封(10)具有固定在凹部(15)中的多个柔性板件(12)，其中所述凹部(15)限定所述轴封(10)的第一直径(17)，并且其中所述板件(12)的背向所述凹部(15)定向的端部(13)限定第二直径(18)，其中所述板件(12)在背向所述凹部(15)定向的端部(13)处具有凹部(16)，其特征在于，所述板件(12)具有第一边缘区域(21)和第二边缘区域(22)，其中所述第二边缘区域(22)比所述第一边缘区域(21)宽。
2.根据权利要求1所述的轴封(10)，其特征在于，所述板件(12)具有附加的凹部(23)，特别地，所述附加的凹部(23)为蜂窝形凹部或方格形凹部。
3.根据权利要求2所述的轴封(10)，其特征在于，所述附加的凹部(23)形成涡流室(24)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的轴封(10)，其特征在于，所述第一直径(17)为所述轴封(10)的外径，而所述第二直径(18)为所述轴封(10)的内径。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的轴封(10)，其特征在于，所述第二边缘区域(22)比所述第一边缘区域(21)宽近似一个凹部(16)的宽度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的轴封(10)，其特征在于，在所述凹部(16)之间设置有辐条(19)。
7.根据权利要求6所述的轴封(10)，其特征在于，所述辐条(19)比所述凹部(16)宽。
8.根据权利要求7所述的轴封(10)，其特征在于，所述板件(12)旋转180度交替地布置，从而使一个板件(12a)的凹部(16)或附加的凹部(23)被下一个板件(12b)的辐条(19)完全地封闭。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的轴封(10)，其特征在于，不具有凹部(16、23)的至少一个板件(32)布置在所述板件(12)之间。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的轴封(10)，其特征在于，当所述轴封(10)安装在所述轴(1)上时，所述轴(1)上的隆起部分(41)接合在所述板件(12)的凹部(16)中。
11.一种燃气涡轮，具有根据权利要求1至10中任一项所述的轴封(10)。
12.一种制造轴封(10)的方法，所述轴封(10)用于减少被所述轴封(10)分开的两个流体空间(2、4)之间的泄漏，其中所述轴封(10)特别地布置成将相对于轴(1)在轴向上布置的两个气体空间分开，其中多个柔性板件(12)固定在凹部(15)中，其中所述凹部(15)限定所述轴封(10)的第一直径(17)，并且其中所述板件(12)的背向所述凹部(15)定向的端部(13)限定第二直径(18)，其中在所述板件(12)的背向所述凹部(15)定向的端部(13)处在所述板件(12)中引入有凹部(16)，其特征在于，每第二个板件(12)分别旋转180度地布置，使得一个板件(12a)的凹部(16)被下一个板件(12b)的辐条(19)完全地封闭。
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