CN105849369A - 密封构造及旋转机械 - Google Patents

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Abstract

密封构造是密封绕轴线旋转的转子(51)的外周面(54)与以从径向外周侧包围转子(51)的方式配置的定子(10)的内周面(13)之间的间隙的密封构造(2)，具有：多个台阶部(52)，沿轴线方向并列地设于转子(51)的外周面(54)和定子(10)的内周面(13)中的一方，具有朝向转子(51)的轴线方向的上游侧的台阶面(53)而向另一方侧突出；及密封片(5)，设于另一方，并向各台阶部(52)的周面(54)延伸出，在密封片(5)与对应的台阶部(52)的周面(54)之间形成微小间隙(H)，密封片(5)在径向上比距另一方为预定距离的区域更靠一方侧的前端附近朝向上游侧而倾斜。

Description

密封构造及旋转机械
技术领域
本发明涉及对转子与定子之间的间隙进行密封的密封构造及旋转机械。
本申请主张在2014年3月4日提出申请的日本特愿2014-042142号的优先权，并将其内容援用于本文中。
背景技术
如众所周知那样，作为旋转机械即蒸汽轮机的一种，具备：壳体；旋转自如地设于壳体的内部的轴体(转子)；固定配置在壳体的内周部的多个静叶片；及在上述多个静叶片的下游侧呈放射状地设于轴体的多个动叶片。在这样的蒸汽轮机中的冲动式汽轮机的情况下，通过静叶片将蒸汽(流体)的压力能量转换成速度能量，并通过动叶片将该速度能量转换成旋转能量(机械能量)。另外，在反动式汽轮机的情况下，在动叶片内也将压力能量转换成速度能量，并通过蒸汽喷出的反作用力转换成旋转能量(机械能量)。
在这种蒸汽轮机中，在动叶片的前端部与包围动叶片而形成蒸汽的流路的壳体之间形成有径向的间隙，另外，在静叶片的前端部与轴体之间也形成有径向的间隙。但是，在动叶片前端部与壳体的间隙中向下游侧通过的漏泄蒸汽不会对动叶片赋予旋转力。另外，在静叶片前端部与轴体的间隙中向下游侧通过的漏泄蒸汽的压力能量不会通过静叶片转换成速度能量，因此几乎不会对下游侧的动叶片赋予旋转力。因此，为了提高蒸汽轮机的性能，减少通过间隙的漏泄蒸汽的流量(漏泄流量)很重要。
以往，例如专利文献1那样提出了如下的构造的涡轮机：在动叶片的前端部设有高度从轴向上游侧朝向下游侧而逐渐升高的多个台阶部，在壳体上设有朝向各台阶部延伸出的多个密封片，并在各台阶部与各密封片的前端之间形成有微小间隙。
在该涡轮机中，从上游侧进入到间隙的流体与台阶部的台阶面发生碰撞，由此在台阶面的上游侧产生主涡流，在台阶面的下游侧(微小间隙的上游侧附近)产生剥离涡流。并且，通过在微小间隙的上游侧附近产生的剥离涡流，可使穿过微小间隙的泄漏流减少。即，可使通过动叶片的前端部与壳体的间隙的漏泄流体的流量减少。
专利文献1：日本特开2011-080452号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，对于提高蒸汽轮机的性能的愿望较强，因此要求漏泄流量地进一步的减少化。
本发明目的是提供一种在密封转子与定子之间的间隙的密封构造中，实现漏泄流量的进一步的减少化的高性能的密封构造及旋转机械。
用于解决课题的方案
根据本发明的第一形态，密封构造密封绕轴线旋转的转子的外周面与以从径向外周侧包围上述转子的方式配置的定子的内周面之间的间隙，其特征在于具有：多个台阶部，沿轴线方向并列地设于上述转子的外周面与上述定子的内周面中的一方，具有朝向上述转子的轴线方向的上游侧的台阶面而向另一方侧突出；及密封片，设于上述另一方，并向各上述台阶部的周面延伸出，在上述密封片与对应的台阶部的周面之间形成微小间隙，上述密封片在径向上比距上述另一方为预定距离的区域更靠上述一方侧的前端附近朝向上游侧而倾斜。
根据这样的结构，与以往的情况相同，从上游侧进入到间隙的流体与各台阶部的台阶面发生碰撞，由此在台阶面的上游侧产生主涡流。另外，在各台阶部的台阶面与周面的角部(边缘)，一部分流动从主涡流剥离，由此在位于台阶面的下游侧的各台阶部的周面上产生向与主涡流相反的方向旋转的剥离涡流。该剥离涡流产生从密封片的前端朝向台阶部的周面的下降流，因此剥离涡流起到减少通过密封片的前端与台阶部之间的微小间隙的流体的缩流效果。
并且，在密封片上从另一方侧向一方侧流动的流体由于密封片的前端附近的倾斜而向上游侧返回，并穿过微小间隙，由此流体以绕过密封片的前端附近的方式流动。通过该流体的流动和剥离涡流而能够增强缩流效果，减少漏泄流量。
在上述密封构造中，可以是，当将上述微小间隙设为H，将上述密封片与上述台阶部的上述轴线方向上游侧的台阶面之间的距离设为L时，满足以下的式子：
1.8<L/H<2.2。
根据这样的结构，如后述的模拟结果所示，由剥离涡流产生的缩流效果进一步提高，能够进一步减少漏泄流量。
在上述密封构造中，可以是，上述密封片的角度在径向上从上述另一方到预定距离的区域连续地变化。
根据这样的结构，产生的主涡流、剥离涡流的流动难以受到密封片的阻碍，因此能够进一步增强密封片的前端部附近的倾斜的效果。
另外，本发明提供一种具备上述任一个密封构造的旋转机械。
发明效果
根据本发明，在密封转子的外周面与以从径向外周侧包围转子的方式配置的定子的内周面之间的间隙的密封构造中，能够增强缩流效果，减少漏泄流量。
附图说明
图1是本发明的实施方式的蒸汽轮机的概略结构剖视图。
图2是表示本发明的实施方式的图，是表示图1的主要部分I的放大剖视图。
图3是表示本发明的实施方式的图，是表示图2的密封片的放大剖视图。
图4是本发明的实施方式的蒸汽轮机的作用说明图。
图5A是对在微小间隙内流动的蒸汽的运动进行说明的图，是对本发明的实施方式的密封片上的蒸汽的运动进行说明的图。
图5B是对在微小间隙内流动的蒸汽的运动进行说明的图，是对以往的没有倾斜的密封片上的蒸汽的运动进行说明的图。
图6是表示距离L与微小间隙H的纵横比L/H和通过微小间隙H的蒸汽的流量系数Cd的关系的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图对作为本发明的实施方式的旋转机械的蒸汽轮机详细地进行说明。
如图1所示，本实施方式的蒸汽轮机1具备：壳体10(定子)；旋转轴30，以旋转自如的方式设于壳体10的内部，并将动力向未图示的发电机等机械传递；静叶片40，保持于壳体10；动叶片50，设于旋转轴30；及轴承部60，将旋转轴30支撑为能够绕轴旋转。
蒸汽S经由与未图示的蒸汽供给源连接的蒸汽供给管20而从形成于壳体10的主流入口21被导入，从与蒸汽轮机1的下游侧连接的蒸汽排出管22排出。
壳体10的内部空间被气密地密封，并形成为蒸汽S的流路。在壳体10的内壁面上牢固地固定有供旋转轴30插通的环状的分隔板外圈11。
轴承部60具备径向轴承装置61及推力轴承装置62，将旋转轴30支撑为旋转自如。
静叶片40从壳体10向内周侧延伸，构成为以围绕旋转轴30的方式呈放射状地配置多个的环状静叶片组。多个静叶片40分别被保持于分隔板外圈11。
由多个静叶片40构成的环状静叶片组在旋转轴30的轴向(以下，简称为轴向)上隔开间隔地形成有多个。多个静叶片40将蒸汽的压力能量转换成速度能量，并使蒸汽向在下游侧相邻的动叶片50流入。
动叶片50牢固地安装于旋转轴30的旋转轴主体31的外周部，在各环状静叶片组的下游侧呈放射状地配置多个而构成环状动叶片组。
上述环状静叶片组和环状动叶片组设为一组一级。其中，最终级的动叶片50的前端部与在旋转轴30的周向(以下，简称为周向)上相邻的动叶片50的前端部彼此连接，被称为围带51(转子)。
如图2所示，成为动叶片50的前端部的围带51在与壳体10的分隔板外圈11之间隔着径向的间隙地相向配置。并且，在围带51与壳体10的分隔板外圈11之间设有密封构造2。以下，对密封构造2的构成要素详细地进行说明。
具有台阶面53(53A～53C)并向分隔板外圈11侧突出的三个台阶部52(52A～52C)沿轴向并列地设于围带51。
从动叶片50到三个台阶部52A～52C的外周面(周面)54A～54C(54)的三个台阶部52A～52C的突出高度设定为随着从轴向的上游侧向下游侧而逐渐升高。由此，各台阶部52的台阶面53朝向轴向的上游侧。另外，在本实施方式中，各台阶部52的台阶面53与径向平行，三个台阶面53A～53C的高度设定为相同。此外，在本实施方式中，各台阶部52的外周面54与轴向平行。
另一方面，在分隔板外圈11的与围带51对应的部位形成有沿周向延伸的环状槽12。在本实施方式中，环状槽12从分隔板外圈11的内周面向径向外侧凹陷而形成。围带51被配置为进入该环状槽12内。
并且，在以与三个台阶部52A～52C相向的方式朝向径向内侧的环状槽12的底部，沿轴向并列地形成有三个环状凹部13(13A～13C、内周面)。三个环状凹部13A～13C从上游侧向下游侧，通过台阶而逐渐扩径地形成。
另外，在位于轴向上相邻的两个环状凹部13、13的交界处的各壳体侧端缘部14设有朝向围带51向径向内侧延伸出的密封片5(5A～5C)。这些壳体侧端缘部14及密封片5的轴向位置设定成与各台阶部52的外周面54相向。具体而言，三个密封片5A～5C在轴向上隔开间隔地排列，设为与三个台阶部52A～52C以1：1的方式对应。并且，在本实施方式中，三个密封片5A～5C在轴向上等间隔地排列。
在各台阶部52的外周面54与各密封片5的前端之间划分有径向的微小间隙H(H1～H3)。微小间隙H的各尺寸在考虑了壳体10和动叶片50的热伸长量、动叶片50的离心伸长量等的基础上，在两者不接触的安全的范围内设定成最小的尺寸。并且，在本实施方式中，三个微小间隙H1～H3的尺寸设定为相同。
通过设置密封片5而在围带51与分隔板外圈11之间沿轴向排列地形成有三个腔室C(C1～C3)。各腔室C形成于各台阶部52所对应的密封片5与在轴向上游侧与该密封片5相向的隔板之间。
另外，如后所述，优选的是，各腔室C的径向尺寸D与轴向尺寸W之比D/W(腔室的纵横比D/W)设定成接近1.0，使得在同一腔室C内产生的剥离涡流SV的大小小于主涡流MV(参照图4)。
如图3所示，本实施方式的密封片5径向上比距环状凹部13为预定距离的区域R1更靠围带51侧的前端附近朝向上游侧而倾斜。即，本实施方式的密封片5中，仅密封片5的前端附近部分地弯曲，在前端部附近形成有向上游侧倾斜的弯曲部19。
另外，当将密封片5和与之对应的台阶部52的轴向上游侧的台阶面53之间的距离(从各微小间隙H到上游侧的台阶面53的各台阶部52的外周面54的长度尺寸)设为L时，该距离L中的至少一个满足以下的式(1)的方式形成。
1.25<L/H<2.75…(1)
即，距离L被设定为微小间隙H的2倍左右。
另外，密封片5整体的角度在径向上从环状凹部13到预定距离的区域R1连续地变化。即，在密封片5的径向上的区域R1中密封片5上未形成突起物。
在此，对由上述结构构成的蒸汽轮机1的动作进行说明。
首先，蒸汽S从未图示的锅炉等蒸汽供给源经由蒸汽供给管20而向壳体10的内部空间流入。
流入到壳体10的内部空间的蒸汽S依次通过各级的环状静叶片组和环状动叶片组。此时，压力能量通过静叶片40而转换成速度能量，经过了静叶片40的蒸汽S中的大部分流入构成同一级的动叶片50之间，通过动叶片50将蒸汽S的速度能量、压力能量转换成旋转能量，从而向轴体30赋予旋转。另一方面，蒸汽S中的一部分(例如，几％)从静叶片40流出之后，成为流入到环状槽12内(动叶片50的围带51与壳体10的分隔板外圈11的间隙)的所谓漏泄蒸汽。
如图4所示，流入到环状槽12内的蒸汽S首先流入第一腔室C1并与第一级的台阶部52A的台阶面53A发生碰撞，而以返回上游侧的方式流动。由此，在第一腔室C1内产生逆时针(第一旋转方向)旋转的主涡流MV1。
此时，尤其是在第一级的台阶部52A的台阶面53A与外周面54A的角部(边缘)，一部分流动从主涡流MV1剥离，由此在第一级的台阶部52A的外周面54A上产生与主涡流MV1相反的顺时针(第二旋转方向)旋转的剥离涡流SV1。
该剥离涡流SV1位于第一级的台阶部52A与密封片5A之间的第一微小间隙H1的上游侧附近。尤其是剥离涡流SV1中的朝向径向内侧的下降流在第一微小间隙H1的跟前产生，因此利用上述剥离涡流SV1能得到减少从第一腔室C1通过第一微小间隙H1向下游侧的第二腔室C2流入的泄漏流的缩流效果。
当蒸汽S从第一腔室C1穿过第一微小间隙H1而流入第二腔室C2内时，与第一腔室C1的情况同样，在第二腔室C2内产生主涡流MV2，并产生剥离涡流SV2。
此外，当蒸汽S通过第二微小间隙H2而流入第三腔室C3内时，与第一、第二腔室C1、C2的情况同样，在第三腔室C3内产生主涡流MV3，并产生剥离涡流SV3。
如图5A所示，在密封片5上从径向外周侧向径向内周侧流动的蒸汽S由于密封片的前端附近的弯曲部19的倾斜而返回上游侧，并穿过微小间隙H，由此蒸汽S以绕过密封片5的前端附近的方式流动。通过该蒸汽S的流动和剥离涡流SV而缩流效果增强，模拟的间隙V1变小，因此能够减少漏泄流量。
另一方面，如图5B所示，在以往的没有倾斜的密封片105的情况下，在密封片105上从径向外周侧向径向内周侧流动的蒸汽S的绕过量小，因此与本实施方式的密封片5相比，模拟的间隙V2较大，漏泄流量比本实施方式的密封构造大。
根据上述实施方式，在密封片5上从上游侧向下游侧流动的蒸汽S通过密封片5的前端附近的倾斜而返回上游侧，并穿过微小间隙H。由此，蒸汽S以绕过密封片5的前端附近的方式流动。通过该蒸汽S的流动和剥离涡流SV而能够增强缩流效果，减少漏泄流量。
另外，当将微小间隙设为H，将密封片5与台阶部52的轴向上游侧的台阶面53之间的距离设为L时，设定为满足数学式1.8<L/H<2.2。由此，如后述的模拟结果所示，能够进一步提高剥离涡流SV的缩流效果，进一步减少漏泄流量。
另外，密封片5整体的角度在径向上从环状凹部13到预定距离的区域R1连续地变化，由此，产生的主涡流MV和剥离涡流SV的流动难以受到密封凸片5的阻碍。由此，能够进一步增强密封片5的前端部附近的倾斜的效果。
另外，上述效果如图6所示根据发明者实施的实验的结果是显而易见的。
图6所示的曲线图是对台阶部52的纵横比L/H与通过对应的微小间隙H的蒸汽S的流量系数Cd的关系进行实验而得到的结果。在该曲线图中，表示流量系数Cd越小则通过微小间隙H的蒸汽S的流量越小。
根据该曲线图可知，关于微小间隙H，存在使流量系数Cd最小的纵横比L/H的最佳值。微小间隙H的纵横比L/H的最佳值为2.0。
以上，对本发明的详情进行了说明，但是本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够施加各种变更。
附图标记说明
1 蒸汽轮机
2 密封构造
5(5A～5C) 密封片
10 壳体(定子)
11 分隔板外圈
12 环状槽
13(13A～13C) 环状凹部(内周面)
14 端缘部
18 弯曲点
19 弯曲部
20 蒸汽供给管
21 主流入口
22 蒸汽排出管
30 旋转轴
31 旋转轴主体
40 静叶片
50 动叶片
51 围带(转子)
52(52A～52C) 台阶部
53(53A～53C) 台阶面
54(54A～54C) 外周面
60 轴承部
61 径向轴承装置
62 推力轴承装置
C(C1～C3) 腔室
D 径向尺寸
H(H1～H3) 微小间隙
L 距离
MV 主流
S 蒸汽
SV 剥离流
W 轴向尺寸

Claims (4)

1.一种密封构造，密封绕轴线旋转的转子的外周面与以从径向外周侧包围所述转子的方式配置的定子的内周面之间的间隙，所述密封构造具有：
多个台阶部，沿轴线方向并列地设于所述转子的外周面和所述定子的内周面中的一方，具有朝向所述转子的轴线方向的上游侧的台阶面而向另一方侧突出；及
密封片，设于所述另一方，并向各所述台阶部的周面延伸出，在所述密封片与对应的台阶部的周面之间形成微小间隙，
所述密封片在径向上比距所述另一方为预定距离的区域更靠所述一方侧的前端附近朝向上游侧而倾斜。
2.根据权利要求1所述的密封构造，其中，
当将所述微小间隙设为H，
将所述密封片与所述台阶部的所述轴线方向上游侧的台阶面之间的距离设为L时，满足以下的式子：
1.25<L/H<2.75。
3.根据权利要求1或2所述的密封构造，其中，
所述密封片的角度在径向上从所述另一方到预定距离的区域连续地变化。
4.一种旋转机械，具备权利要求1～3中任一项所述的密封构造。
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