CN108368743A - 阶梯型密封体、密封结构、透平机械及阶梯型密封体的制造方法 - Google Patents

阶梯型密封体、密封结构、透平机械及阶梯型密封体的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够稳定地得到高的泄漏抑制效果，进而稳定地降低透平机械的泄漏损失的阶梯型密封体、密封结构、透平机械及阶梯型密封体的制造方法。阶梯型密封体(5)抑制流体(SL)从相互隔开间隙(Gd)而在径向(R)上相对并绕轴线相对旋转的第一结构体(51)与第二结构体(10)之间的间隙(Gd)泄漏，阶梯型密封体(5)与设置于第二结构体(10)的密封翅片(6)隔开余隙(m)地设置于第一结构体(10)，其中，阶梯型密封体(5)具备：阶梯型密封体主体，具有朝向流体(SL)的流通方向上游侧的台阶面(511)和朝向第二结构体(10)的相对面(512)；及突起部(513)，形成在台阶面(511)与相对面(512)之间。

Description

阶梯型密封体、密封结构、透平机械及阶梯型密封体的制造 方法
技术领域
本发明涉及抑制流体从两个结构体的相互之间泄漏的阶梯型密封体、密封结构、使用了该密封结构的透平机械及阶梯型密封体的制造方法。
背景技术
在蒸汽涡轮、燃气轮机及涡轮压缩机等透平机械中，当蒸汽等工作流体从在静止侧与旋转侧之间形成的间隙泄漏时，该泄漏会引起透平机械的效率的损失(泄漏损失)。因此，在透平机械中，为了防止工作流体的泄漏而使用迷宫密封等非接触型的密封结构。
作为迷宫密封，已知有阶梯型的密封，具有在成为透平机械的外廓的壳体的内周朝向动叶片延伸的密封翅片等密封构件、在动叶片的前端设置的阶梯状的护罩(例如专利文献1)。
在这样的阶梯型的迷宫密封中，利用护罩的阶梯部(阶梯型密封体)的沿径向的径向壁面而在工作流体产生主涡，并且在密封翅片的上游侧，利用阶梯部的角部的作用而从主涡产生剥离涡(剥离流的涡流)。利用该剥离涡能得到所谓缩流效果，能够减少工作流体从密封翅片与护罩之间的微小间隙的泄漏量。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012-072689号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1公开的以往的阶梯型的迷宫密封中，泄漏抑制效果甚至透平机械的泄漏损失抑制效果无法说是充分的。这是因为，阶梯型密封体的构成角部的朝向上游侧的径向壁面是沿径向延伸的笔直的形状，作为使工作流体积极地产生主涡(即回旋)的形状并不充分。
由于布局上的制约而无法确保充分的阶梯型密封体的高度的情况下，或者护罩在透平机械的运转时由于热量而沿轴向(透平机械的旋转轴方向)延伸，密封翅片与阶梯型密封体之间的距离从设计点偏离的情况下，在上述形状中，特别是对于主涡的发展容易产生影响，主涡未充分地发展。
因此，在阶梯部的角部，从主涡的剥离不充分，剥离涡未充分地发展而无法得到符合期待的缩流效果，甚至无法充分地得到工作流体的泄漏抑制效果及透平机械的泄漏损失抑制效果。
本发明鉴于上述那样的课题而创立，其目的在于提供一种能稳定地得到高泄漏抑制效果，而且能稳定地减少透平机械的泄漏损失的阶梯型密封体、密封结构、透平机械及阶梯型密封体的制造方法。
用于解决课题的方案
(1)为了实现上述的目的，本发明的阶梯型密封体在抑制流体从相互隔开间隙而在径向上相对并绕轴线相对旋转的第一结构体与第二结构体之间的所述间隙泄漏的密封结构中，所述阶梯型密封体与设置于所述第二结构体的密封翅片隔开余隙地设置于所述第一结构体，其特征在于，具备：阶梯型密封体主体，具有朝向所述流体的流通方向上游侧的台阶面和朝向所述第二结构体的相对面；及突起部，形成在所述台阶面与所述相对面之间。
(2)优选的是，所述突起部是前端尖锐的尖锐突起部。
(3)优选的是，所述突起部的沿所述轴线的长度尺寸为所述密封翅片的所述长度尺寸的1.5倍以下，所述突起部的角度为75度以下，所述突起部的倾斜角度设定在-30度以上且150度以下的范围内。
(4)优选的是，所述突起部朝向所述第二结构体凸出。
(5)优选的是，所述突起部朝向所述上游侧凸出。
(6)优选的是，所述突起部的沿所述轴线的长度尺寸为所述密封翅片的所述长度尺寸的0.1倍以上且0.5倍以下。
(7)为了实现上述的目的，本发明的密封结构抑制流体从相互隔开间隙而在径向上相对并绕轴线相对旋转的第一结构体与第二结构体之间的所述间隙泄漏，其特征在于，具备：设置于所述第一结构体的(1)～(6)中任一项记载的阶梯型密封体；及密封翅片，在比所述阶梯型密封体的所述台阶面靠所述流体的流通方向下游侧处朝向所述阶梯型密封体的所述相对面延伸，在与所述相对面之间隔开余隙地设置于所述第二结构体。
(8)为了实现上述的目的，本发明的透平机械的特征在于，具备(7)记载的密封结构。
(9)为了实现上述的目的，本发明的阶梯型密封体的制造方法中，在抑制流体从相互隔开间隙而在径向上相对并绕轴线相对旋转的第一结构体与第二结构体之间的所述间隙泄漏的密封结构中，所述阶梯型密封体与设置于所述第二结构体的密封翅片隔开余隙地设置于所述第一结构体，所述阶梯型密封体的制造方法的特征在于，包括切削步骤，该切削步骤在具有第一面和与所述第一面交叉的第二面的阶梯型密封体原材料中，对于所述第一面及所述第二面中的任一方的面，将从表面起的厚度方向上的一定范围设定作为被切削部，沿着与所述厚度方向交叉的切削方向对所述被切削部进行切削，由此在与所述切削方向交叉的面上形成向所述切削方向凸出的突起部。
(10)优选的是，所述阶梯型密封体的制造方法包括研磨步骤，该研磨步骤对所述突起部进行研磨而使所述突起部形成为前端尖锐的尖锐突起部。
发明效果
根据本发明，使朝向阶梯型密封体与密封翅片之间的余隙的流体的流动在密封翅片的上游侧，利用设置于阶梯型密封体的突起部从余隙偏离，由此积极地进行朝向余隙的流体的减弱化和余隙的上游侧的剥离涡的发展的促进(即缩流效果的提高的促进)。由此，能够稳定地得到基于密封结构的泄漏抑制效果、以及透平机械的泄漏损失的降低效果。
另外，利用与切削加工相伴的毛刺的产生而能够设置突起部，因此能够廉价且容易地设置突起部，能够抑制由于设置突起部引起的制造成本的上升。
附图说明
图1是表示本发明的各实施方式的蒸汽涡轮的整体结构的示意性的纵向剖视图。
图2是本发明的第一实施方式的蒸汽涡轮的主要部分剖视图，是图1的I部的放大剖视图。
图3是表示本发明的第一实施方式的阶梯型密封体的结构的示意性的剖视图(省略表示阶梯型密封体的截面的斜线)。
图4A及图4B是用于说明本发明的第一实施方式的阶梯型密封体的作用的示意性的剖视图，图4A是关于本发明的第一实施方式的阶梯型密封体的图，图4B是关于以往的阶梯型密封体的图(图4A及图4B都省略表示阶梯型密封体的截面的斜线)。
图5是用于说明本发明的第一实施方式的阶梯型密封体的主要尺寸的设定范围的示意图，是表示泄漏流量的抑制效果E、尖锐突起部的在轴向A上的长度尺寸L1、尖锐突起部的角度θ1的相关关系的解析结果的图。
图6A、图6B及图6C是用于说明本发明的第一实施方式的阶梯型密封体的制造方法的示意性的剖视图，图6A是表示切削步骤的图，图6B是表示研磨步骤的图，图6C是表示研磨步骤后的制品完成状态的图(图6A、图6C及图6B都省略表示阶梯型密封体的截面的斜线)。
图7是表示本发明的第二实施方式的阶梯型密封体的结构的示意性的剖视图(省略表示阶梯型密封体的截面的斜线)。
图8是用于说明本发明的第二实施方式的阶梯型密封体的作用的示意性的剖视图(省略表示阶梯型密封体的截面的斜线)。
图9A、图9B及图9C是用于说明本发明的第二实施方式的阶梯型密封体的制造方法的示意性的剖视图，图9A是表示切削步骤的图，图9B是表示研磨步骤的图，图9C是表示研磨步骤后的制品完成状态的图(图9A、图9B及图9C都省略表示阶梯型密封体的截面的斜线)。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。
在本实施方式中，说明将本发明的阶梯型密封体、密封结构、透平机械及密封翅片的制造方法适用于蒸汽涡轮的例子。
需要说明的是，以下所示的实施方式只不过是例示，并没有排除以下的实施方式中未明示的各种变形或技术的适用。以下的实施方式的各结构在不脱离上述的主旨的范围内能够进行各种变形地实施，并且根据需要可以进行取舍选择，或者进行适当组合。
在以下的说明中，在记载为上游、下游时，只要没有特别说明，就是指相对于蒸汽涡轮内的蒸汽S的流动的上游、下游。即，图1～图4B、图6A～图9C中的左侧为上游侧，右侧为下游侧。
另外，将朝向蒸汽涡轮的轴线CL的方向作为内周侧或内侧，将其相反侧、远离轴线CL的方向作为外周侧或外侧进行说明。
[1.第一实施方式]
[1-1.蒸汽涡轮的整体结构]
如图1所示，本实施方式的蒸汽涡轮(透平机械)1具备：壳体(第二结构体)10；旋转自如地设置在壳体10的内部并将动力向未图示的发电机等机械传递的旋转轴30；设置于壳体10的静叶片40；设置于旋转轴30的动叶片50；以轴线CL为中心将旋转轴30支承为能够旋转的轴承部70。静叶片40及动叶片50是沿旋转轴30的径向R延伸的叶片。
壳体10静止，相对于此，动叶片50以轴线CL为中心旋转。即，壳体10与动叶片50(包括后述的护罩51)相互进行相对旋转。
蒸汽(流体)S经由与未图示的蒸汽供给源连接的蒸汽供给管20，从形成于壳体10的主流入口21被导入，从与蒸汽涡轮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作为蒸汽S的流路。供旋转轴30插通的环状的隔板外圈11牢固地固定于该壳体10的内壁面。
轴承部70具备轴颈轴承装置71及推力轴承装置72，将旋转轴30支承为旋转自如。
静叶片40从壳体10朝向内周侧延伸，构成以围绕旋转轴30的方式呈放射状地配置多个的环状静叶片组，分别保持于上述的隔板外圈11。
这些由多个静叶片40构成的环状静叶片组在旋转轴30的轴向(以下，仅称为轴向)A上隔开间隔地形成多个，将蒸汽S的压力能量转换成速度能量，使速度能量增加后的蒸汽S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。
这些环状静叶片组和环状动叶片组设置成一组一级。其中，在最终级的动叶片组中，在旋转轴30的周向(以下，仅称为周向)上相邻的动叶片50的前端部彼此由环状的护罩(第一结构体)51连结。也可以是，不仅是最终级的动叶片组，而且关于其他的动叶片组、进而静叶片组也由护罩51连结。
[1-2.密封结构]
[1-2-1.密封结构的整体结构]
如图2所示，在隔板外圈11的轴向下游侧形成有从隔板外圈11扩径并将壳体10的内周面作为底面(以下，也称为壳体底面)13的圆环状的槽(以下，称为环状槽)12。在环状槽12收容护罩51，壳体底面13隔着间隙Gd而在径向R上与护罩51相对。
蒸汽S中的大部分的蒸汽SM向动叶片50流入，其能量被转换成旋转能量，其结果是，向旋转轴30赋予旋转。另一方面，蒸汽S中的一部分(例如，约几％)的蒸汽(以下，称为泄漏蒸汽)SL未向动叶片50流入而向环状槽12泄漏。由于泄漏蒸汽SL的能量未被转换成旋转能量，因此泄漏蒸汽SL会招致使蒸汽涡轮1的效率下降的泄漏损失。
因此，在壳体10与动叶片50之间的间隙Gd设有作为本发明的第一实施方式的密封结构(阶梯型的迷宫密封)2。以下，对密封结构2进行说明。
如图2所示，如前所述，在动叶片50的前端部配置有环状的护罩51。该护罩51在整周上将图2所示的台阶状的横截面形状(与周向垂直的截面的形状)形成为一定，在此具备3个阶梯型密封体5A、5B、5C。以下，在不区分阶梯型密封体5A、5B、5C的情况下标记为阶梯型密封体5。
阶梯型密封体5A具备：朝向上游侧并沿着径向R的径向壁面(台阶面)511a；朝向底面13(换言之，壳体10的内壁面)并沿着轴向A的轴向壁面(相对面)512a；形成在这些壁面511a、512a之间的突起部513a。径向壁面511a在整体上呈沿径向R具有宽度的圆环状，轴向壁面512a在整体上呈沿轴向A具有宽度的圆筒状，突起部513a在整体上呈沿径向R具有宽度的圆环状。
阶梯型密封体5B、5C分别与阶梯型密封体5A同样地构成。即，阶梯型密封体5B具备朝向上游侧的径向壁面(台阶面)511b、朝向底面13的轴向壁面(相对面)512b、及在这些壁面511b、512b之间形成的突起部513b，阶梯型密封体5C具备朝向上游侧的径向壁面(台阶面)511c、朝向底面13的轴向壁面(相对面)512c、在这些壁面511c、512c之间形成的突起部513c。
以下，在不特别区分径向壁面511a、511b、511c的情况下，标记为径向壁面511，在不特别区分轴向壁面512a、512b、512c的情况下，标记为轴向壁面512，在不特别区分突起部513a、513b、513c的情况下，标记为突起部513。
需要说明的是，护罩51的截面形状没有限定为本实施方式的形状而可以适当设计变更，设置于护罩51的阶梯型密封体5的个数只要是1个以上即可，没有限定为3个。
另一方面，在图2所示的隔板外圈11的内周面形成有上述的环状槽12。并且，在该环状槽12的底面13，以沿径向R突出的方式分别设有3个密封翅片6A、6B、6C。
在此，在蒸汽S的流通方向上位于最上游侧的密封翅片6A比护罩51的阶梯型密封体5A的径向壁面511a稍靠下游侧设置，在密封翅片6A的前端与护罩51的轴向壁面512a之间沿径向R形成有微小间隙ma。而且，3个密封翅片6中的第二靠上游侧的密封翅片6B比阶梯型密封体5B的径向壁面511b稍靠下游侧设置，在密封翅片6B的前端与护罩51的轴向壁面512b之间也沿径向R形成有微小间隙mb。此外，3个密封翅片6中的最下游侧的密封翅片6C比阶梯型密封体5C的径向壁面511c稍靠下游侧设置，在密封翅片6C的前端与护罩51的轴向壁面512c之间也沿径向形成有微小间隙mc。密封翅片6A、密封翅片6B、及密封翅片6C的长度依次变短(密封翅片6A的长度>密封翅片6B的长度>密封翅片6C的长度)。
在不区分密封翅片6A、6B、6C的情况下，以下，标记为密封翅片6。而且，在不区分微小间隙ma、mb、mc的情况下，以下，标记为微小间隙m。
需要说明的是，密封翅片6的长度、形状、设置位置、个数等没有限定为本实施方式，根据护罩51及/或隔板外圈11的截面形状等能够适当设计变更。而且，微小间隙m的尺寸优选在考虑了壳体10、动叶片50的热伸长量、动叶片的离心伸长量等的基础上，在密封翅片6与护罩51不接触的安全的范围内，设定为最小的值。在本实施方式中，将3个微小间隙m全部设定为相同尺寸，但是根据需要，也可以根据各密封翅片6而将微小间隙m设定为不同的尺寸。
[1-2-2.阶梯型密封体]
如上所述，阶梯型密封体5在具备突起部513的方面具有较大的特征。关于该突起部513的结构，参照图3及图4进行说明。
如图3所示，阶梯型密封体5具备：具有径向壁面511和轴向壁面512的阶梯型密封体主体510；及形成在阶梯型密封体主体510的径向壁面511与轴向壁面512之间的突起部513。
在突起部513的突起前端516〔与径向壁面511连续的上游侧的面(以下，称为前表面)514和下游侧的面(以下，称为背面)515相交的部位〕，在原封不动的状态下(未加工的状态下)存在圆角(在此所说的“圆角”是对流体的流动会造成影响的一定曲率半径以上的圆角)，因此实施尖锐加工。因此，以下，将突起部513也称为尖锐突起部513。换言之，尖锐突起部513称为通过尖锐加工而与未加工的情况相比突起前端516相对地尖锐化的突起部。
在本实施方式中，尖锐突起部513沿径向R向外周侧延伸设置，其前表面514形成为与阶梯型密封体主体510的径向壁面511齐平，但也可以如双点划线所示，相对于径向壁面511倾斜(也可以相对于径向R倾斜)。
如图4B所示，在没有尖锐突起部513的以往的护罩51′的阶梯型密封体5′中，原本就不是对泄漏蒸汽SL充分地给予压力损失那样的形状，而且其角部516′带有圆角，因此泄漏蒸汽SL如单点划线的箭头所示那样流动，缩流效果低。本来的话(未带有圆角的话)，泄漏蒸汽SL由于阶梯型密封体5′的径向壁面511′而向外周侧偏离地流动，因此在阶梯型密封体5′的角部516′附近会产生基于泄漏蒸汽SL的剥离涡。由此，通过泄漏蒸汽SL由于向外周侧偏离地流动而朝向微小间隙m的流动减弱的情况与剥离涡的缩流效果的相乘效应，应该能得到一定的泄漏抑制效果。
然而，由于角部516′带有圆角，因此泄漏蒸汽SL沿着该圆角流动，因此泄漏蒸汽SL仅是如单点划线的箭头所示那样稍向外周侧偏离，在朝向下游侧的力未充分地减弱的状态下流入微小间隙m。
此外，在泄漏蒸汽SL的流动与相对面512′之间未充分地生成用于形成剥离涡〔参照图4A的剥离涡SS〕的空间，剥离涡未充分地发展。如果剥离涡充分地发展，则由于该剥离涡，在微小间隙m的上游侧处产生在图4B中朝向下侧的高速流动，能得到缩流效果，但是由于剥离涡未充分发展，因此得不到缩流效果。换言之，泄漏蒸汽SL的流动的有效高度h1′比较高，有效高度h1′相对于密封翅片6与阶梯型密封体5′之间的间隙尺寸h之比即缩流效果(＝h1′/h)不充分。
尤其是如“发明要解决的课题”一栏说明那样，在无法确保阶梯型密封体的高度的情况下，或者由于热量而在护罩51′产生轴向A上的伸长，密封翅片6与阶梯型密封体5′的位置关系从作为最适点的设计点偏离的情况下，缩流效果降低。
相对于此，在图4A的本发明的第一实施方式的护罩51中，由于泄漏蒸汽SL如单点划线的箭头所示那样流动，因此泄漏蒸汽SL的流动的有效高度h1比使用了以往的护罩51′时的有效高度h1′低，作为有效高度h1相对于密封翅片6与护罩51之间的间隙尺寸h之比的缩流效果(＝h1/h)比使用了以往的护罩51′时的缩流效果(＝h1′/h)提高〔(h1/h)<(h1′/h)〕。
这是因为，由于在径向R上向外周侧凸出的尖锐突起部513的存在，除了对于泄漏蒸汽SL的流通阻力增大的情况之外，还将泄漏蒸汽SL如图4A中的单点划线所示积极地向外周侧引导，因此在朝向下游侧的力充分地减弱的基础上，还诱发剥离涡SS的生成，由于生成的剥离涡SS，在微小间隙m的上游侧产生在图4A中朝向下方向的高速流动，由此能得到缩流效果。即，是因为，泄漏蒸汽SL较大地迂回而流入密封翅片6与护罩51之间的微小间隙m，因此在泄漏蒸汽SL的流动与相对面512之间形成比以往宽的空间，利用该宽的空间能促进剥离涡SS的发展，由于发展的剥离涡SS而能得到高的缩流效果。
而且，阶梯型密封体5的尖锐突起部513由于突起前端516成为尖锐形状，因此不存在如以往的护罩51′的阶梯型密封体5′那样角部516′具有圆角引起的泄漏抑制效果的损耗。
在此，参照图3及图5来说明尖锐突起部513的主要尺寸L1、θ1、θ2的优选范围。
图5是表示泄漏流量的抑制效果E、尖锐突起部513的在轴向A上的长度尺寸L1、尖锐突起部513的角度(前表面514与背面515所成的角度)θ1的相关关系的解析结果的图。抑制效果E是将角度θ1为45度[degree]且尖锐突起部513的长度尺寸L1相对于密封翅片6的在轴向A上的长度尺寸L0而为0.25倍时得到的最大的泄漏降低量作为100％来表示泄漏降低量的值。
如果尖锐突起部513的长度尺寸L1过长，则泄漏蒸汽SL从尖锐突起部513剥离的点(剥离点)比密封翅片6向上游侧过度分离，因此剥离涡SS减弱(对于要通过密封翅片6的泄漏蒸汽SL的影响减弱)，长度尺寸L1与泄漏流量的抑制效果E的关系成为图5所示那样。
根据图5，尖锐突起部513的长度尺寸L1从得到50％以上的抑制效果E的情况出发而优选为密封翅片6的在轴向A上的长度尺寸L0的1.5倍以下(L1≤1.5×L0)，从得到80％以上的抑制效果E的情况出发而更优选为尺寸L0的0.1倍以上且0.5倍以下(0.1×L0≤L1≤0.5×L0)。
另外，尖锐突起部513的角度θ1有助于泄漏蒸汽SL的剥离点的固定和剥离点处的泄漏蒸汽SL的行进方向。如果角度θ1过大，则泄漏蒸汽SL旋入尖锐突起部513而将剥离点固定，因此无法发挥作为角(突起)的功能，泄漏蒸汽SL沿着尖锐突起部513流动，利用剥离涡产生的缩流减弱。
即，尖锐突起部513优选为角度θ1小且薄，如果角度θ1为75度[degree]以下，则能够充分地发挥作为剥离点的固定点的功能，如果为45度[degree]以下，则尖锐化提高而能够高精度地控制剥离点处的泄漏蒸汽SL的行进方向。因此，角度θ1优选为75度[degree]以下(θ1≤75)，更优选为45度[degree]以下(θ1≤45)。
图3中的θ2是尖锐突起部513的倾斜角度，是对尖锐突起部513的角度θ1进行二等分的二等分线B与轴向壁面512的平行线P的交叉角度(即二等分线B与轴向壁面512的交叉角度)。
在此，着眼于比二等分线B与平行线P的交点靠左侧的交叉角时，将二等分线B比平行线P成为下方那样的交叉角设为负(minus)，将二等分线B比平行线P成为上方那样的交叉角设为正(plus)。因此，在图3所示的例子中，尖锐突起部513的倾斜角度θ2为正。
倾斜角度θ2也与角度θ1同样地有助于泄漏蒸汽SL的剥离点的固定和剥离点处的泄漏蒸汽SL的行进方向。如果倾斜角度θ2比-30度[degree]小，则尖锐突起部513相对于泄漏蒸汽SL的流动而过度朝向对抗方向，突起前端516即剥离点处的泄漏蒸汽SL的流动方向过度朝向微小间隙m，因此无法形成强的缩流。同样，如果角度θ2比150度[degree]大，则泄漏蒸汽SL的流动方向过度朝向微小间隙m，无法形成强的缩流。
因此，角度θ2的范围优选为-30度[degree]以上且150度[degree]以下(-30≤θ2≤150)。
需要说明的是，图5所示的解析结果是尖锐突起部513的倾斜角度θ2为75度[degree]的情况的结果。
[1-3.阶梯型密封体的制造方法]
参照图6A、图6B及图6C来说明作为本发明的第一实施方式的阶梯型密封体的制造方法时，在本制造方法中，首先，进行图6A所示的切削步骤，接下来进行图6B所示的研磨步骤，如图6C所示阶梯5的加工完成，阶梯型密封体5的制造完成。
在图6A所示的切削步骤中，使用切削机的切削刀200对于在原材料(阶梯型密封体原材料)100的阶梯部101设置的被切削部102(图6A中，网点所示的部分)进行切削。阶梯部101具备台阶面101a和与台阶面101a交叉的相对面101b。被切削部102设定为从台阶面(第一面及第二面中的任一方的面)101a起的在厚度方向T(向蒸汽涡轮1安装时与轴向A一致的方向)上一定的范围(即从台阶面101a起的规定厚度量ΔT)。换言之，原材料100的阶梯部101相对于完成品(阶梯型密封体5)而预估被切削部102的厚度ΔT量地设定尺寸。
然后，使切削刀200如虚线的箭头所示推进，首先，沿厚度方向T推进而啮入台阶面101a与相对面103的交界之后，沿着与厚度方向T交叉的切削方向C(向蒸汽涡轮1安装时的沿径向R的方向)而向从相对面103分离的方向推进，对被切削部102进行切削。当切削进展而被切削部102的剩余部分变得微小时，该剩余部分无法抵抗切削刀200的推进力而向切削方向C侧折弯，成为突起部102′(即作为毛刺残留)，护罩原材料100成为中间制品100′。需要说明的是，切削加工也可以通过放电加工进行。
在图6B所示的研磨步骤中，突起部102′的与切削面104相反的一侧的面(以下，称为未加工面)105未被实施加工，因此利用研磨机201来研磨。由此，如图6C所示，突起部102′形成作为前端尖锐的尖锐突起部513，阶梯型密封体5的制造完成。
尖锐突起部513的角度θ1(参照图3)可以根据研磨量或研磨角度来调节。尖锐突起部513的倾斜角度θ2(参照图3)在利用研磨机201对突起部102′进行研磨而成为尖锐突起部513时，可以通过利用研磨机201向突起部102′施加的按压力进行调整。也可以与研磨步骤另行地设置对尖锐突起部513的倾斜角度θ2进行调节的弯曲加工等的加工步骤。
[1-4.效果]
根据作为本发明的第一实施方式的阶梯型密封体、密封结构、蒸汽涡轮及护罩的制造方法，具有以下的优点。
通过在阶梯型密封体5突出设置的突起部513的引导而使朝向微小间隙m的泄漏蒸汽SL的流动向外周侧偏离，由此能积极地进行朝向微小间隙m的泄漏蒸汽SL的流动的减弱化和微小间隙m的上游侧的剥离涡SS的发展的促进(即缩流效果的提高的促进)。由此，即使在无法确保阶梯型密封体的高度的情况下，或者由于热量而在护罩51产生轴向A上的伸长，密封翅片6与阶梯型密封体5的位置关系从设计点偏离的情况下，也能够将其抵消而稳定地得到高的泄漏抑制效果。
此外，突起部513形成作为前端尖锐的尖锐突起部，因此能够防止突起部513的前端带有圆角引起的泄漏抑制效果的损耗。
此外，通过将尖锐突起部513的主要尺寸即长度尺寸L1、角度θ1及倾斜角度θ2设定为适当的范围，能够得到更高的泄漏抑制效果。
另外，通过使用这样的泄漏抑制效果高的阶梯型密封体5，能够抑制蒸汽涡轮1的泄漏损失而得到高的涡轮效率。
另外，也可考虑在阶梯型密封体5的角部通过折弯加工来设置倾斜，利用该倾斜如突起部513那样引导泄漏流的情况，或者通过铸造而预先制造出具备突起部的突起部513的情况，但是在本发明中，能够利用与切削加工相伴的毛刺的产生来设置突起部513，因此能够廉价地设置突起部513。
[2.第二实施方式]
本实施方式相对于第一实施方式而言，仅仅是阶梯型密封体的结构不同，因此仅说明阶梯型密封体的结构。
[2-1.阶梯型密封体]
本实施方式对于图2的护罩51，将阶梯型密封体5A、5B、5C分别置换为图7所示的阶梯型密封体15而构成。
如图7所示，阶梯型密封体15具备：具有径向壁面511和轴向壁面512的阶梯型密封体主体510；及形成在阶梯型密封体主体510的径向壁面511与轴向壁面512之间的突起部513A。
突起部513A中，与阶梯型密封体主体510的径向壁面511连续的上游侧的面(以下，称为前表面)514和朝向壳体10的底面13(参照图2)的面(以下，称为背面)515相交的突起前端516被加工成没有圆角的前端尖锐的形状。因此，以下，将突起部513A也称为尖锐突起部513A。换言之，尖锐突起部513A是指通过尖锐加工而与未加工的情况相比突起前端相对地尖锐化的突起部。
在本实施方式中，尖锐突起部513A沿着轴向A向上游侧延伸设置，其背面515形成为与阶梯型密封体主体510的轴向壁面512齐平。
尖锐突起部513A的主要尺寸L1、θ1、θ2的优选范围与第一实施方式相同。即，长度尺寸L1优选为密封翅片6的在轴向A上的长度尺寸L0的1.5倍以下(L1≤1.5×L0)，更优选为上述尺寸L0的0.1倍以上且0.5倍以下(0.1×L0≤L1≤0.5×L0)，尖锐突起部513A的角度θ1优选为75度[degree]以下(θ1≤75)，更优选为45度[degree]以下(θ1≤45)，尖锐突起部513的倾斜角度θ2优选为-30度[degree]以上且150度[degree]以下。
如图8的单点划线所示，泄漏蒸汽SL由于向上游侧凸出的尖锐突起部513A，除了受到大的流通阻力的情况之外，还被向上游侧(即与微小间隙m相反的一侧)引导。由此，与第一实施方式的向外周侧凸出的尖锐突起部513相比，泄漏蒸汽SL朝向微小间隙m的流动减弱化，而且，与上述的第一实施方式相比，泄漏蒸汽SL较大地迂回而流向微小间隙m，因此在泄漏蒸汽SL的流动与相对面512之间形成更大的空间，利用该空间来促进剥离涡SS的发展，能得到基于剥离涡SS的高的缩流效果。因此，能得到比上述的第一实施方式更高的泄漏抑制效果。
其结果是，在本发明的第二实施方式的阶梯型密封体15中，与第一实施方式的阶梯型密封体5同样，能够使泄漏流量比图4B所示的以往的阶梯型密封体5′降低。换言之，泄漏蒸汽SL的流动的有效高度h2比使用了以往的阶梯型密封体5′时的有效高度h1′低，作为有效高度h2相对于密封翅片6与轴向壁面512之间的间隙尺寸h之比的缩流效果(＝h2/h)比使用了以往的阶梯型密封体5′时的缩流效果(＝h1′/h)提高〔(h2/h)<(h1′/h)〕。
此外，阶梯型密封体5A的尖锐突起部513A与第一实施方式的尖锐突起部513同样，由于突起前端516成为尖锐形状，因此不存在泄漏抑制效果的损耗。
[2-2.阶梯型密封体的制造方法]
参照图9A、图9B及图9C来说明作为本发明的第二实施方式的阶梯型密封体的制造方法时，在本阶梯型密封体的制造方法中，首先，进行图9A所示的切削步骤，接下来进行图9B所示的研磨步骤，如图9C所示，阶梯型密封体15的制造完成。
在图9A所示的切削步骤中，使用切削机的切削刀200对于在原材料150的阶梯部151设置的被切削部152(图9A中，网点所示的部分)进行切削。阶梯部151具备台阶面151b和与台阶面151b交叉的相对面151a，被切削部152设定为从相对面(第一面及第二面中的任一方的面)151a起的在厚度方向T1(向蒸汽涡轮1安装时的径向R)上一定的范围(即从相对面151a起的规定厚度量ΔT1)。换言之，原材料150的阶梯部151相对于完成品的阶梯型密封体15而预估被切削部152的厚度ΔT1量地设定尺寸。
然后，使切削刀200如虚线的箭头所示那样推进，首先，沿厚度方向T1朝向相对面151a推进，啮入相对面151a与台阶面153的交界之后，沿着与厚度方向T1交叉的切削方向C1(向蒸汽涡轮1安装时的轴向A)向远离台阶面153的方向推进，对被切削部152进行切削。当切削进展而被切削部152的剩余部分变得微小时，该剩余部分无法抵抗切削刀200的推进力而向切削方向C侧折弯，成为突起部152′(即作为毛刺残留)，原材料150成为中间制品150′。需要说明的是，切削加工也可以通过放电加工进行。
在图9B所示的研磨步骤中，突起部152′的与切削面154相反的一侧的面(以下，称为未加工面)155未被实施加工，因此利用研磨机201进行研磨。由此，突起部152′如图9C所示形成作为前端尖锐的尖锐突起部513A，阶梯型密封体15的制造完成。
尖锐突起部513A的角度θ1(参照图7)可以根据研磨量或研磨角度进行调节。尖锐突起部513A的倾斜角度θ2(参照图7)在利用研磨机201对突起部152′进行研磨而成为尖锐突起部513A时，可以通过利用研磨机201向突起部152′施加的按压力来进行调整。当然，也可以与研磨步骤另行地设置对尖锐突起部513A的倾斜角度θ2进行调节的弯曲加工等的加工步骤。
本实施方式的阶梯型密封体的制造方法没有限定为上述的图9A～图9C所示的方法。例如，也可以与第一实施方式同样，如图6A所示对台阶面101a的切削部102进行了切削之后，如图6B所示对未加工面105进行研磨，在该研磨时，利用研磨机201向突起部102′施加研磨，并将突起部102′压倒成与相对面103平行，由此制造出图7所示的本第二实施方式的阶梯型密封体15。
[2-3.效果]
根据作为本发明的第二实施方式的阶梯型密封体、密封结构、蒸汽涡轮，通过朝向上游侧(即与微小间隙m相反的一侧)的尖锐突起部513A，与尖锐突起部513朝向外周侧的第一实施方式相比，能够向泄漏蒸汽SL赋予大的流通阻力并使剥离流发展，因此能够得到比第一实施方式高的泄漏抑制效果及高的涡轮效率。
另外，作为本发明的第二实施方式的阶梯型密封体的制造方法如上所述进行，因此能得到与第一实施方式的阶梯型密封体的制造方法同样的效果。
[3.其他]
(1)在上述各实施方式中，将护罩51设为本发明的第一结构体，并将壳体10设为本发明的第二结构体，在护罩51设置阶梯型密封体5、15，在壳体10设置了密封翅片6，但也可以相反地将壳体10设为本发明的第一结构体并将护罩51设为本发明的第二结构体。即，也可以将阶梯型密封体5、15设置于壳体10，并将密封翅片6安装于护罩51。
(2)在上述各实施方式中，将本发明的密封结构适用于壳体10与动叶片50之间的密封结构，但也可以适用于旋转轴主体31与静叶片40之间的密封结构。
(3)在上述第一实施方式中，在护罩的全部的阶梯型密封体5A、5B、5C设置尖锐突起部513，在上述第二实施方式中，在护罩的全部的阶梯型密封体5A、5B、5C设置了尖锐突起部513A，但是只要在阶梯型密封体5A、5B、5C中的至少1个设置尖锐突起部513或尖锐突起部513A即可。而且，在一个护罩中，也可以使具备尖锐突起部513的阶梯型密封体与具备尖锐突起部513A的阶梯型密封体混杂。
(4)在上述各实施方式中，利用研磨步骤对突起部513、513A进行研磨而形成为前端尖锐的尖锐突起部，但也可以省去研磨步骤。换言之，也可以将图6B所示的研磨前的中间制品100′或图9B所示的研磨前的中间制品150′作为具有突起部102′、152′的护罩的完成品而使用于本发明的密封结构或透平机械。即使不将突起部102′、152′作为尖锐突起部，利用突起部102′、152′也能够将泄漏蒸汽SL向上游引导，因此能抵消圆角的影响而得到泄漏抑制效果。
(4)尖锐突起部的形状及其加工没有限定为上述实施方式的情况。例如，也可以设为图7的双点划线所示的尖锐突起部513B。
(5)在上述各实施方式中，说明了在蒸汽涡轮适用本发明的例子，但是本发明也可以适用于燃气轮机或涡轮压缩机等蒸汽涡轮以外的透平机械的密封，此外，只要是相对旋转的两个结构体之间的密封即可，也可以适用于透平机械以外的结构(例如旋转接头)的密封。
标号说明
1 蒸汽涡轮(透平机械)
2 密封结构
5、5A、5B、5C、15 阶梯型密封体
6、6A、6B、6C 密封翅片
10 壳体(第二结构体或第一结构体)
11 隔板外圈
12 环状槽
13 底面
15 阶梯型密封体
30 旋转轴
31 旋转轴主体
40 静叶片
50 动叶片
51 护罩(第一结构体或第二结构体)
100 原材料(阶梯型密封体原材料)
100′ 中间制品
101 阶梯部
101a 台阶面(第一面及第二面中的任一方的面)
101b 相对面
102 被切削部
102′ 突起部(毛刺)
103 相对面
104 切削面
105 未加工面
150 原材料(阶梯型密封体原材料)
150′ 中间制品
151 阶梯部
151a 相对面
151b 台阶面
152 被切削部
152′ 突起部(毛刺)
153 台阶面
154 切削面
155 未加工面
200 切削刀
201 研磨机
510 阶梯型密封体主体
511、511a、511b、511c 阶梯型密封体5的径向壁面(台阶面)
512、512a、512b、512c 阶梯型密封体5的轴向壁面(相对面)
513、513a、513b、513c 阶梯型密封体5的尖锐突起部
513A、513B 阶梯型密封体15的尖锐突起部
514 尖锐突起部513的前表面
515 尖锐突起部513的背面
516 突起前端
A 轴向
B 角度θ1的二等分线
C 切削方向CL轴线
Gd 间隙
h 密封翅片6与护罩51之间的间隙尺寸
h1、h1′ 泄漏蒸汽SL的有效高度
L0 翅片主体61的在轴向A上的长度尺寸
L1 尖锐突起部513的在轴向A上的长度尺寸
m、ma、mb、mc 微小间隙(余隙)
R 径向
S 蒸汽(流体)
SL 泄漏蒸汽
SS 剥离涡
T、T1 厚度方向
ΔT 被切削部102的厚度
ΔT1 被切削部152的厚度
θ1 尖锐突起部513的角度
θ2 尖锐突起部513的倾斜角度。

Claims (10)

1.一种阶梯型密封体，抑制流体从相互隔开间隙而在径向上相对并绕轴线相对旋转的第一结构体与第二结构体之间的所述间隙泄漏，所述阶梯型密封体与设置于所述第二结构体的密封翅片隔开余隙地设置于所述第一结构体，所述阶梯型密封体的特征在于，具备：
阶梯型密封体主体，具有朝向所述流体的流通方向上游侧的台阶面和朝向所述第二结构体的相对面；及
突起部，形成在所述台阶面与所述相对面之间。
2.根据权利要求1所述的阶梯型密封体，其特征在于，
所述突起部是前端尖锐的尖锐突起部。
3.根据权利要求1或2所述的阶梯型密封体，其特征在于，
所述突起部的沿所述轴线的长度尺寸为所述密封翅片的所述长度尺寸的1.5倍以下，所述突起部的角度为75度以下，所述突起部的倾斜角度设定在-30度以上且150度以下的范围内。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的阶梯型密封体，其特征在于，
所述突起部朝向所述第二结构体凸出。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的阶梯型密封体，其特征在于，
所述突起部朝向所述上游侧凸出。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的阶梯型密封体，其特征在于，
所述突起部的沿所述轴线的长度尺寸为所述密封翅片的所述长度尺寸的0.1倍以上且0.5倍以下。
7.一种密封结构，抑制流体从相互隔开间隙而在径向上相对并绕轴线相对旋转的第一结构体与第二结构体之间的所述间隙泄漏，所述密封结构的特征在于，具备：
设置于所述第一结构体的权利要求1～6中任一项所述的阶梯型密封体；及
密封翅片，在比所述阶梯型密封体的所述台阶面靠所述流体的流通方向下游侧朝向所述阶梯型密封体的所述相对面延伸，与所述相对面之间隔开余隙地设置于所述第二结构体。
8.一种透平机械，其特征在于，具备权利要求7所述的密封结构。
9.一种阶梯型密封体的制造方法，在抑制流体从相互隔开间隙而在径向上相对并绕轴线相对旋转的第一结构体与第二结构体之间的所述间隙泄漏的密封结构中，所述阶梯型密封体与设置于所述第二结构体的密封翅片隔开余隙地设置于所述第一结构体，所述阶梯型密封体的制造方法的特征在于，
包括切削步骤，该切削步骤在具有第一面和与所述第一面交叉的第二面的阶梯型密封体原材料中，对于所述第一面及所述第二面中的任一个面，将从表面起的厚度方向上的一定范围设定为被切削部，沿着与所述厚度方向交叉的切削方向对所述被切削部进行切削，从而在与所述切削方向交叉的面上形成向所述切削方向凸出的突起部。
10.根据权利要求9所述的阶梯型密封体的制造方法，其特征在于，
包括研磨步骤，该研磨步骤对所述突起部进行研磨而使所述突起部形成为前端尖锐的尖锐突起部。
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