密封段及旋转机械
技术领域
本发明涉及一种密封段及旋转机械。
本申请主张基于2018年2月19日于日本申请的日本专利申请2018-026749号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
为了在燃气涡轮机、蒸汽涡轮等旋转机械中的转子的周围减少从高压侧向低压侧流动的工作流体的泄漏量，设置了轴封装置。作为该轴封装置的一例，已知例如在以下专利文献1中公开的轴封装置。
专利文献1中公开的轴封装置具有壳体和与壳体卡合的多个薄板密封片。专利文献1中公开的轴封装置通过设置于旋转面的周围而对旋转面的周围进行密封。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-261498号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
在设置于旋转面的周围的情况下，轴封装置有时设为沿周向分割的多个区段结构。
此时，在各密封段之间，流体的流动发生变化，有时在薄板密封片中产生颤动。
本发明提供一种能够抑制在薄板密封片中产生的颤动的密封段及旋转机械。
用于解决技术课题的手段
第1方式的密封段具备：密封体，具有随着朝向旋转轴的径向内侧向该旋转轴的旋转方向前方侧倾斜延伸并且沿所述旋转轴的周向层叠有多个的薄板密封片；一对侧板，以从所述旋转轴的轴向的两侧覆盖该密封体的方式沿周向延伸；及壳体，具有在使所述密封体向所述径向内侧突出的同时容纳所述密封体的壳体主体及设置于该壳体主体的所述周向的端部且朝向所述径向内侧沿所述密封体的所述周向的端面延伸的延伸突出部。
在本方式中，壳体具有朝向径向内侧沿密封体的周向端面倾斜延伸的延伸突出部。因此，可抑制流体泄漏到密封体的周向端面。因此，密封段能够抑制因流体的泄漏而在薄板密封片中产生的颤动。
第2方式的密封段在第1方式的密封段中，随着朝向所述径向内侧，所述延伸突出部向所述旋转轴的旋转方向前方侧倾斜延伸。
在本方式中，延伸突出部向与密封体相同的方向倾斜，因此能够减小延伸突出部与密封体之间的间隙。因此，可抑制流体泄漏到密封体的周向端面。因此，密封段能够进一步抑制因流体的泄漏而在薄板密封片中产生的颤动。
第3方式的密封段在第1或第2方式的密封段中，所述延伸突出部相对于所述径向比施加预压时的所述密封体的所述周向的端面更倾斜延伸。
在本方式中，延伸突出部相对于径向比施加预压时的所述密封体的所述周向的端面更倾斜，由此成为延伸突出部的延伸突出端不易与密封体的周向端面接触的结构。因此，可抑制因延伸突出部的延伸突出端与密封体的周向端面接触而引起的薄板密封片的刚性增加。因此，密封段能够抑制薄板密封片的磨损。
第4方式的密封段在第1至第3中任一方式的密封段中，所述延伸突出部相对于所述径向比所述侧板的所述周向的端面更倾斜延伸。
在本方式中，延伸突出部相对于径向比侧板的周向的端面更倾斜，由此成为延伸突出部的延伸突出端不易与密封体的周向端面接触的结构。因此，可抑制因延伸突出部的延伸突出端与密封体的周向端面接触而引起的薄板密封片的刚性增加。因此，密封段能够抑制薄板密封片的磨损。
第5方式的密封段在第1至第4中任一方式的密封段中，所述壳体在所述壳体主体的所述周向的两侧分别具有所述延伸突出部。
在本方式中，壳体在壳体主体的周向的两侧分别具有延伸突出部，由此可抑制流体泄漏到密封体的周向两端面。因此，即使在周向上相邻的密封段之间存在间隙，密封段也能够在壳体主体的周向的两侧抑制因流体的泄漏而在薄板密封片中产生的颤动。
第6方式的密封段在第1至第5中任一方式的密封段中，所述壳体在所述壳体主体的所述周向的两侧中的仅一侧具有所述延伸突出部。
在本方式中，仅在壳体的一侧设置延伸突出部，因此结构简单，并且密封段能够在壳体主体的所述周向的两侧中的至少一侧抑制因流体的泄漏而在薄板密封片中产生的颤动。而且，在沿周向排列多个密封段的情况下，密封段能够在壳体主体的周向的两侧抑制因流体的泄漏而在薄板密封片中产生的颤动。
第7方式的旋转机械具备多个第1至第6中任一方式的密封段，所述多个密封段沿所述周向排列。
在本方式中，各密封段具有朝向径向内侧沿密封体的周向端面倾斜延伸的延伸突出部。因此，可抑制流体泄漏到各密封段之间。因此，旋转机械能够抑制因流体的泄漏而在薄板密封片中产生的颤动。
发明效果
根据本发明的一方式，能够抑制在薄板密封片中产生的颤动。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式所涉及的燃气涡轮机(旋转机械)的概略整体结构图。
图2是本发明的第一实施方式所涉及的轴封装置的概略结构图。
图3是本发明的第一实施方式所涉及的密封段的周向的剖视图。
图4是本发明的第一实施方式所涉及的密封段的主要部分立体图。
图5是本发明的第一实施方式所涉及的密封段的主要部分侧视图。
图6是本发明的第二实施方式所涉及的密封段的主要部分侧视图。
图7是本发明的各实施方式的变形例所涉及的密封段的周向的剖视图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明所涉及的各种实施方式进行说明。
＜第一实施方式＞
以下，根据图1～图5对本发明的第一实施方式进行说明。
另外，在本实施方式中，示出将轴封装置10适用于燃气涡轮机(旋转机械)1的例子。
图1所示的燃气涡轮机1具有将大量的空气导入到内部进行压缩的压缩机2和在通过压缩机2压缩的空气中混合燃料并使其燃烧的燃烧器3。燃气涡轮机1还具有转动的涡轮4和将该涡轮4转动的动力的一部分传递至压缩机2而使压缩机2转动的转子5(旋转轴)。
涡轮4将在燃烧器3中产生的燃烧气体导入至其内部，并且将燃烧气体的热能转换为旋转能来转动。
另外，在以下说明中，将转子5的轴线Ax延伸的方向设为“轴向Da”，将转子5的周向设为“周向Dc”，将转子5的径向设为“径向Dr”，将转子5的旋转方向设为“旋转方向Bc”。
在如上所述的结构的燃气涡轮机1中，涡轮4通过对设置于转子5的转动叶片7喷吹燃烧气体，将燃烧气体的热能转换为机械旋转能来产生动力。涡轮4中，除转子5侧的多个转动叶片7以外，在涡轮4的外壳8侧还设置有多个固定叶片6，并且这些转动叶片7和固定叶片6在轴向Da上交替排列。
转动叶片7受沿轴向Da流动的燃烧气体的压力而使转子5绕轴线旋转，并从轴端提取赋予到转子5的旋转能来利用。在固定叶片6与转子5之间，设置有轴封装置10，作为用于减少从高压侧向低压侧泄漏的燃烧气体的泄漏量的轴封。
压缩机2通过转子5与涡轮4同轴连接，利用涡轮4的旋转压缩外部气体而向燃烧器3供给压缩空气。与涡轮4相同地，在压缩机2中，在转子5上也设置有多个转动叶片7且在压缩机2的外壳9侧也设置有多个固定叶片6，并且转动叶片7和固定叶片6在轴向Da上交替排列。而且，在固定叶片6与转子5之间，也设置有用于减少从高压侧向低压侧泄漏的压缩空气的泄漏量的轴封装置10。
此外，在压缩机2的外壳9支承转子5的轴承部9a及涡轮4的外壳8支承转子5的轴承部8a中，也设置有防止压缩空气或燃烧气体从高压侧向低压侧泄漏的轴封装置10。
在此，本实施方式所涉及的轴封装置10并不限定于适用于燃气涡轮机1。例如，如蒸汽涡轮、压缩机、水力涡轮、冷冻机、泵等的大型流体机械那样，轴封装置10能够广泛地采用到通过轴的旋转和流体的流动将能量转换为工作的所有旋转机械中。此时，轴封装置10也可以为了抑制轴向Da的流体的流动而广泛地使用。
接着，参考附图对设置于如上构成的燃气涡轮机1的轴封装置10的结构进行说明。图2是从轴向Da观察的图。如图2所示，该轴封装置10具备沿周向Dc排列的多个(在本实施方式中为8个)密封段11。多个密封段11包围转子5的周面。多个密封段11分别圆弧状延伸，并且沿周向Dc环状配置。
在本实施方式中，彼此相邻的密封段11的周向端部12、12彼此无间隙地配置。
参考图3对各密封段11的结构进行说明。图3所示的密封段11的截面的切割位置与示于图2的密封段11的III-III线的位置对应。
各密封段11具备壳体30。
各密封段11设置于转子5与固定叶片6之间。各密封段11为了抑制转子5与固定叶片6之间的环状空间内的工作流体的泄漏而设置。
各密封段11还设置于转子5与转动叶片7之间。各密封段11为了抑制转子5与转动叶片7之间的环状空间内的工作流体的泄漏而设置。
各密封段11还分别设置于转子5与轴承部8a之间、转子5与轴承部9a之间。各密封段11为了抑制转子5与轴承部8a之间、转子5与轴承部9a之间的各自的环状空间内的工作流体的泄漏而设置。
密封段11还具备密封体13、固定器21、22及一对侧板25。在本实施方式中，密封段11具有高压侧侧板23和低压侧侧板24作为一对侧板25。
密封体13、固定器21、22及侧板25容纳于壳体30内。
密封体13具备沿周向Dc彼此隔着微小间隔而多重排列的金属制部件即多个薄板密封片20。该多个薄板密封片20在转子5的周向Dc的一部分区域内沿周向Dc(旋转方向Bc)层叠，当从轴向Da观察时整体具有圆弧带形状。
固定器21、22构成为在薄板密封片20的外周侧基端27处从两侧夹持薄板密封片20。固定器21、22的周向Dc上的截面形成为大致C字型。并且，固定器21、22的轴向Da上的截面形成为圆弧带形状。
高压侧侧板23由薄板密封片20的与高压侧区域对置的高压侧的缘端和固定器21夹持。由此，高压侧侧板23以从轴向Da的高压侧覆盖多个薄板密封片20的高压侧侧面的方式沿径向Dr及周向Dc延伸。
低压侧侧板24由薄板密封片20的与低压侧区域对置的低压侧的缘端和固定器22夹持。由此，低压侧侧板24以从轴向Da的低压侧覆盖多个薄板密封片20的低压侧侧面的方式沿径向Dr及周向Dc延伸。
在如上构成的密封体13中，薄板密封片20由内周侧的宽度(轴向Da的宽度)小于外周侧基端27的宽度(轴向Da的宽度)的大致T字型的薄钢板构成。其两侧的侧缘上的宽度小的位置形成有缺口部20a、20b。
相邻的多个薄板密封片20在外周侧基端27处例如通过焊接彼此固定连结。
薄板密封片20在周向Dc上具有基于板厚的规定的刚性。而且，薄板密封片20以使形成于薄板密封片20与转子5的周面之间的角朝向旋转方向Bc成为锐角的方式固定于固定器21、22。
因此，随着朝向径向Dr内侧，薄板密封片20向旋转方向Bc前方侧伸出。
在如此构成的密封段11中，当转子5静止时，各薄板密封片20的前端与转子5接触。若转子5旋转，则通过由该转子5的旋转产生的动压效果，薄板密封片20的前端从转子5的外周浮起而成为不与转子5接触的状态。因此，在该密封段11中，各薄板密封片20的磨损得到抑制，密封寿命增加。
高压侧侧板23在外周侧具有嵌入高低差部23a。嵌入高低差部23a的轴向Da的宽度大于内周侧的高压侧侧板23的轴向Da的宽度。
低压侧侧板24在外周侧具有嵌入高低差部24a。嵌入高低差部24a的轴向Da的宽度大于内周侧的低压侧侧板24的轴向Da的宽度。
嵌入高低差部23a、24a分别嵌入于薄板密封片20的缺口部20a、20b。
而且，固定器21在与多个薄板密封片20的外周侧基端27的一个侧缘(高压侧的侧缘)相对的面上具有凹槽21a。固定器22在与多个薄板密封片20的外周侧基端27的另一个侧缘(低压侧的侧缘)相对的面上具有凹槽22a。缺口部20a、20b中嵌入有高压侧侧板23的嵌入高低差部23a、低压侧侧板24的嵌入高低差部24a。嵌入有嵌入高低差部23a及嵌入高低差部24a的多个薄板密封片20的外周侧的一个侧缘(高压侧的侧缘)嵌入于固定器21的凹槽21a。而且，其外周侧的另一个侧缘(低压侧的侧缘)嵌入于固定器22的凹槽22a。通过这种结构，各薄板密封片20固定于固定器21、22。
壳体30的内周壁面上形成有环状的凹槽31。环状的凹槽31为以在转子5的轴向上使外周侧的宽度大于内周侧的宽度的方式在与薄板密封片20的一个侧缘(高压侧的侧缘)及另一个侧缘(低压侧的侧缘)对置的侧面设置有高低差的形状。以使固定器21、22的朝向内周侧的面与该高低差的朝向外周侧的面抵接的方式，在壳体30的凹槽31内嵌入有薄板密封片20、固定器21、22、高压侧侧板23及低压侧侧板24。薄板密封片20的内周侧端部26比高压侧侧板23更靠转子5侧突出。另一方面，薄板密封片20的内周侧端部26比低压侧侧板24更靠转子5侧突出，其突出量设定为大于高压侧。即，薄板密封片20在低压侧比高压侧更多地暴露于工作流体G。换言之，高压侧侧板23在薄板密封片20的侧面上的更广的范围内屏蔽工作流体G。
高压侧侧板23利用由工作流体G的流动产生的压力紧贴于薄板密封片20的侧面20c，由此抑制工作流体G大量流入多个薄板密封片20之间的间隙。由此，高压侧侧板23在多个薄板密封片20之间的间隙部分形成从内周侧端部26朝向外周侧基端27的朝上的流动，以流体力使薄板密封片20的内周侧端部26浮起，使其不接触。
并且，低压侧侧板24被高压侧侧板23和薄板密封片20按压而紧贴于壳体30的内周壁面的低压侧壁面32。低压侧侧板24的内径大于高压侧侧板23的内径，因此使多个薄板密封片20之间的间隙的流动成为容易浮起的流态。
如图3及图4所示，壳体30具有在轴向Da上被分割为第一部件30a和第二部件30b的分割结构。壳体30在轴向Da高压侧具有第一部件30a，在轴向Da低压侧具有第二部件30b。
通过以从轴向Da两侧夹持密封体13的方式组合第一部件30a和第二部件30b，密封体13容纳于壳体30内。
在本实施方式中，以平面30c分割了壳体30。
为了方便说明壳体30，在图4中，方便起见，仅示出了1个密封段11中的壳体30及密封体13。
参考图5对本实施方式的壳体30进行详细说明。
如图5所示，壳体30具有壳体主体34和延伸突出部35。在本实施方式中，如上所述，壳体30被分割为第一部件30a和第二部件30b，因此第一部件30a、第二部件30b分别具有壳体主体34和延伸突出部35。
为了便于说明壳体30的结构，在图5中，示出了卸下密封段11中的壳体30的第一部件30a的状态的结构。
壳体主体34和延伸突出部35一体成型。在本实施方式中，如上所述，壳体30被分割为第一部件30a、第二部件30b，因此在第一部件30a、第二部件30b中，构成壳体主体34的部分和构成延伸突出部35的部分分别一体成型。
壳体主体34在使密封体13向径向Dr内侧突出的同时容纳密封体13。
延伸突出部35设置于壳体主体34的周向Dc的端部。
延伸突出部35朝向径向Dr内侧沿密封体13的周向Dc的端面延伸。在本实施方式中，随着朝向径向Dr内侧，延伸突出部35向旋转方向Bc前方侧倾斜延伸。尤其，在本实施方式中，延伸突出部35相对于径向Dr以与密封体13的周向Dc的端面相同的倾斜角度倾斜。
在本实施方式中，壳体30在壳体主体34的周向Dc的两侧分别具有延伸突出部35。即，壳体30在旋转方向Bc前方侧具有第一延伸突出部35f，在旋转方向Bc后方侧具有第二延伸突出部35b。
第一延伸突出部35f和第二延伸突出部35b相对于径向Dr以彼此相同的倾斜角度倾斜。因此，若沿周向Dc环状配置多个密封段11，则延伸突出部35与相邻的密封段11的延伸突出部35整体面接触。
对本实施方式的作用、效果进行说明。
在本实施方式中，壳体30具有朝向径向Dr内侧沿密封体13的周向Dc端面延伸的延伸突出部35。因此，可抑制流体泄漏到密封体13的周向Dc端面。因此，密封段11能够抑制因流体的泄漏而在薄板密封片20中产生的颤动。
并且，在本实施方式中，延伸突出部35向与密封体13相同的方向倾斜，因此能够减小延伸突出部35与密封体13之间的间隙。因此，可进一步抑制流体泄漏到密封体13的周向Dc端面。
并且，在本实施方式中，通过壳体30在壳体主体34的周向Dc的两侧分别具有延伸突出部35，可进一步抑制流体泄漏到密封体13的周向Dc两端面。因此，即使在周向Dc上相邻的密封段11之间存在间隙，密封段11也能够在壳体主体34的周向的两侧抑制流体的泄漏。
尤其，在组装到燃气涡轮机1中的情况下，轴封装置10通常如多个密封段11那样采用在周向Dc上被分割的分割结构。
若将轴封装置10设为分割结构，则在分割部位，侧板25也会被分割，因此出现侧板25难以紧贴于密封体13的部位，密封体13内部的流动发生变化，有时不会成为适当的悬浮力。若悬浮特性降低，则密封体13的磨损进展。
而且，有时会在分割部位具有侧板25不覆盖密封体13侧面的部位，因此在密封体13内部产生轴向Da的流体的流动。因此，容易产生颤动。
相对于此，在本实施方式中，使壳体30的周向端部12的形状与密封体13的形状匹配，具有相对于径向倾斜地切割的形状。而且，壳体30掩盖分割部位。因此，可抑制流体泄漏到分割部位。
因此，轴封装置10能够抑制泄漏到分割部位导致的意外的压力平衡，能够减少分割部位的磨损。
而且，在本实施方式中，延伸突出部35延伸至密封段11彼此的贴合面。因此，例如，在排列多个密封段11时，即使薄板密封片20从侧板25向周向Dc突出，也能够通过延伸突出部35抑制突出的薄板密封片20与相邻的密封段11的薄板密封片20接触。
＜第二实施方式＞
以下，参考图6对本发明的第二实施方式进行说明。
与第一实施方式相比，第二实施方式的不同点在于，密封段111的延伸突出部相对于径向Dr更倾斜。关于其他方面，与第一实施方式相同。
如图6所示，密封段111具备壳体130。
壳体130具有壳体主体134和延伸突出部135。
延伸突出部135相对于径向Dr以大于施加预压时的密封体13的周向Dc的端面的角度倾斜延伸。此时，通过预先求出施加预压时的密封体13的周向Dc的端面的倾斜角度来构成延伸突出部135。
对本实施方式的作用、效果进行说明。
若延伸突出部相对于径向Dr以与密封体13的周向Dc的端面相同的倾斜角度倾斜，则在对密封体13施加预压的情况下，延伸突出部与密封体13接触。因此，有时密封体13的刚性会增加。
在这种情况下，认为若延伸突出部相对于径向Dr以大于密封体13的周向Dc的端面的角度预先倾斜，则可防止接触导致的刚性上升。
因此，在本实施方式中，如图6所示，延伸突出部135构成为相对于径向Dr比施加预压时的密封体13的周向Dc的端面更倾斜延伸。
根据本实施方式，即使在施加预压时，延伸突出部135也不易与密封体13的周向Dc端面接触。
因此，可抑制延伸突出部135与密封体13接触。
作为本实施方式的变形例，也可以构成为相对于径向Dr使延伸突出部135的倾斜角度大于侧板25的周向Dc的端面。
通常，侧板25具有覆盖密封体13的周向Dc的侧面的形状。因此，若相对于径向Dr延伸突出部135比侧板25的周向Dc的端面更倾斜，则即使在对密封体13施加预压的情况下，延伸突出部135也不易与密封体13的周向Dc端面接触。
因此，此时，同样地，延伸突出部135也不易与密封体13的周向Dc端面接触，延伸突出部135与密封体13的接触也得到抑制。
＜变形例＞
在上述各实施方式中，壳体主体在使密封体向径向Dr内侧突出的同时容纳密封体。作为变形例，壳体主体也可以在使侧封向径向Dr内侧进一步突出的同时容纳侧封。
在上述各实施方式中，壳体在壳体主体的周向Dc的两侧分别具有延伸突出部。作为变形例，壳体也可以在壳体主体的周向的两侧中的仅一侧具有延伸突出部。即，壳体可以仅在旋转方向Bc前方侧具有延伸突出部，也可以仅在旋转方向Bc后方侧具有延伸突出部。
在上述各实施方式中，无间隙地配置了相邻的密封段的周向端部彼此。作为变形例，也可以隔着间隙配置相邻的密封段的周向端部。此时，延伸突出部不与相邻的密封段的延伸突出部面接触，将具有间隙。
在上述各实施方式中，第一延伸突出部和第二延伸突出部相对于径向Dr以彼此相同的倾斜角度倾斜。作为变形例，第一延伸突出部和第二延伸突出部也可以相对于径向Dr以彼此不同的倾斜角度倾斜。此时，延伸突出部不与相邻的密封段的延伸突出部整体面接触，而局部接触。
在上述各实施方式中，壳体主体和延伸突出部一体成型。
作为变形例，也可以在壳体主体内安装延伸突出部，而不一体成型。例如，可以通过钎焊或焊接在壳体主体内安装延伸突出部。
作为其他变形例，也可以以能够装卸的方式在壳体主体内安装延伸突出部，而不一体成型。例如，可以构成为壳体主体和延伸突出部彼此能够用螺丝固定，也可以构成为在壳体主体内嵌入延伸突出部。
在上述各实施方式中，壳体用平面分割为第一部件和第二部件，但作为变形例，也可以如壳体230那样构成。
如图7所示，壳体230用高低差面230c分割为第一部件230a和第二部件230b。因此，第一部件230a和第二部件230b在高低差面230c处彼此嵌合。因此，本变形例的密封段具有第一部件230a和第二部件230b不易错开的结构。而且，本变形例的密封段容易组装第一部件230a和第二部件230b。
产业上的可利用性
根据本发明的一方式，能够抑制在薄板密封片中产生的颤动。
符号说明
1-燃气涡轮机(旋转机械)，2-压缩机，3-燃烧器，4-涡轮，5-转子，6-固定叶片，7-转动叶片，8-外壳，8a-轴承部，9-外壳，9a-轴承部，10-轴封装置，11-密封段，12-周向端部，13-密封体，20-薄板密封片，20a-缺口部，20b-缺口部，20c-侧面，21-固定器，21a-凹槽，22-固定器，22a-凹槽，23-高压侧侧板，23a-嵌入高低差部，24-低压侧侧板，24a-嵌入高低差部，25-侧板，26-内周侧端部，27-外周侧基端，30-壳体，30a-第一部件，30b-第二部件，30c-平面，31-凹槽，32-低压侧壁面，34-壳体主体，35-延伸突出部，35b-第二延伸突出部，35f-第一延伸突出部，111-密封段，130-壳体，134-壳体主体，135-延伸突出部，230-壳体，230a-第一部件，230b-第二部件，230c-高低差面，Ax-轴线，Bc-旋转方向，Da-轴向，Dc-周向，Dr-径向，G-工作流体。
