專利名稱：密封結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)軸部使用的密封結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：
在汽輪機、燃?xì)廨啓C、壓縮機等旋轉(zhuǎn)機械中作為旋轉(zhuǎn)軸部的密封結(jié)構(gòu)而廣泛使用例如如專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)2所示的所謂迷宮式密封結(jié)構(gòu)。
迷宮式密封結(jié)構(gòu)為在旋轉(zhuǎn)軸或與其相對的靜止部環(huán)狀突出，并且沿軸線方向設(shè)置多個凸片和與該凸片相對的面(相對面)。凸片為了緩和與相對的面接觸而造成的影響，把前端加工尖0.2mm左右，但由于本質(zhì)上是金屬之間接觸，所以在重接觸時滑動發(fā)熱量大，引起軸振動，不能簡單地把凸片與相對面的間隙變狹窄。
由于密封性能，換言之，旋轉(zhuǎn)機械性能是由凸片數(shù)量和凸片與相對面的間隙來決定，所以為了提高旋轉(zhuǎn)機械的性能，就要求減小凸片與相對面的間隙。例如專利文獻(xiàn)1應(yīng)用了活性間隙調(diào)節(jié)(ACC)密封，在起動時的過渡期和額定運轉(zhuǎn)時利用差壓而使間隙變化的結(jié)構(gòu)。專利文獻(xiàn)2在靜止部的凸片相對面的接觸面應(yīng)用了簡單切削的耐磨部分，以謀求降低接觸時的發(fā)熱。
旋轉(zhuǎn)機械一般被設(shè)計成在額定轉(zhuǎn)速區(qū)域旋轉(zhuǎn)軸靜定旋轉(zhuǎn)，在起動后不久，旋轉(zhuǎn)速度上升中存在有旋轉(zhuǎn)軸的振動水平成為最大的速度區(qū)域(以下把它叫做危險速度區(qū)域)。旋轉(zhuǎn)軸是經(jīng)過該危險速度區(qū)域而到達(dá)額定轉(zhuǎn)速區(qū)域。有時有起動時由于溫度差而引起靜止部的不均勻變形、由上下的熱延伸差而引起的間隙成為過渡最小的情況。當(dāng)這樣起動時，間隙最小時，凸片與相對面重接觸，則由過度滑動發(fā)熱而使旋轉(zhuǎn)軸側(cè)被局部加熱，有可能產(chǎn)生使軸彎曲，進(jìn)而引發(fā)重接觸的反復(fù)惡性循環(huán)。關(guān)于這點，若應(yīng)用耐磨材料，則能夠設(shè)計成其本身滑動發(fā)熱量小，且能夠容許達(dá)到某種程度的接觸。
專利文獻(xiàn)1特開2002-228013號公報 專利文獻(xiàn)2特開2003-65076號公報 如上所述，通過應(yīng)用耐磨材料而在間隙設(shè)計上的好處大，作為耐磨材料而知道有各種材料。對于透平部件這樣的環(huán)狀形狀且要求均勻膜厚的部件來說，認(rèn)為例如內(nèi)徑噴鍍的耐磨材料的鍍層(膜)有效。由于噴鍍處理中當(dāng)噴鍍的半熔化粒子向基體材料(凸片的相對面)附著后在凝固時要收縮，所以隨之產(chǎn)生殘留應(yīng)力。該殘留應(yīng)力是膜越厚就越大。若該殘留應(yīng)力大，則在基體材料與膜的邊界處膜剝離(產(chǎn)生邊界剝離)。這點特別是在對透平的環(huán)狀部件進(jìn)行曲面施工的情況下顯著。在膜的端部有影響變大的傾向。
因此，形成足夠厚度的膜在現(xiàn)實中是困難的。因此，現(xiàn)狀是不得不重視安全性，擴展額定轉(zhuǎn)速區(qū)域的間隙，密封性能被限制。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述課題而提供一種密封結(jié)構(gòu)，能夠得到厚的耐磨膜，并由此提高密封性能。
為了解決上述課題，本發(fā)明采用以下機構(gòu)。
即本發(fā)明的一形態(tài)的密封結(jié)構(gòu)，具備凸片，其從旋轉(zhuǎn)部件的周面環(huán)狀地突出，且沿軸線方向至少設(shè)置一個；密封部件，其具有與該凸片相對的環(huán)狀密封面，在該密封面形成有噴鍍耐磨材料的耐磨膜，其中，在所述密封面的軸線方向端部具有向半徑方向傾斜的傾斜部。
根據(jù)本形態(tài)，由于在密封面的軸線方向端部具有向半徑方向傾斜的傾斜部，所以傾斜部的耐磨膜被形成為沿傾斜部的形狀即向半徑方向傾斜的形狀。
因此，在傾斜部形成的耐磨膜成為與形成在軸線方向中間部分的耐磨膜是向不同方向?qū)雍?，因此，耐磨膜成為層合方向在傾斜部變化的組織結(jié)構(gòu)。
如果當(dāng)耐磨膜的層合方向變化，則殘留應(yīng)力的作用方向就相互不同，所以能夠分離其影響。
由于能夠把軸線方向中間部分的影響分離，所以能夠特別有效地抑制容易剝離的端部即傾斜部的邊界剝離。因此，即使有大的殘留應(yīng)力，也能夠抑制產(chǎn)生邊界剝離，所以能夠加厚耐磨膜的膜厚。
由于若能夠加厚耐磨膜的膜厚，則例如能夠把額定轉(zhuǎn)速區(qū)域的凸片與密封面(換言之與耐磨膜面)的間隙設(shè)定小，所以能夠提高密封結(jié)構(gòu)的密封性能。
由此，例如能夠謀求旋轉(zhuǎn)機械的可靠性提高和性能提高。
這時，優(yōu)選的是，把傾斜部設(shè)置在不影響密封作用的范圍，把該耐磨膜的膜厚設(shè)定薄。
由于這樣能夠使傾斜部的殘留應(yīng)力更加降低，所以能夠把進(jìn)行密封作用的軸線方向中間部分的耐磨膜的膜厚更加加厚。
作為傾斜部例如也可以是把端部倒角形成，也可以在凸片側(cè)形成堤壩狀的凸部。也可以形成平面狀，也可以形成曲面狀。
在上述形態(tài)中，優(yōu)選的是，在所述密封面的所述軸線方向中間部分沿所述軸線方向形成有凹凸。
由于這樣則軸線方向中間部分的耐磨膜的層合方向就變化，所以能夠分開殘留應(yīng)力的影響。
因此，由于能夠減少向軸線方向中間部分的耐磨膜作用的殘留應(yīng)力，所以能夠把耐磨膜的膜厚更加加厚。
這點例如對軸線方向中間部分的軸線方向長度長的情況特別有效。
在軸線方向中間部分的凹凸相對軸線方向是直角的情況下，由于凹凸側(cè)面部相對噴鍍方向平行而成為減弱膜密接力的原因之一，所以優(yōu)選的是，使凹凸側(cè)面部適當(dāng)?shù)叵虬霃椒较騼A斜，而相對噴鍍方向具有適當(dāng)?shù)慕嵌取?br> 在上述形態(tài)中，優(yōu)選的是，在所述軸線方向的所述密封部件的端面，從所述密封面空開間隔實施覆蓋并且形成所述耐磨膜。
這樣，覆蓋就不與密封面和耐磨膜的界面接合(係合)，所以能夠防止在該界面由覆蓋引起的微觀裂紋的產(chǎn)生。
如果沒有該微觀裂紋則剝離的起點就消失，所以能夠更抑制剝離的產(chǎn)生。由此，能夠把耐磨膜的膜厚更加加厚。
在上述形態(tài)中，所述密封部件也可以由在周向能夠被分割的分割密封部件構(gòu)成。
由于這樣就能夠把密封部件在制造分割密封部件后，把它們進(jìn)行組裝來制造，所以例如即使是大型的密封部件，有能夠抑制制造設(shè)備的巨大化。
在上述形態(tài)中，優(yōu)選的是，所述分割密封部件的周向端部被如下形成在把所述耐磨膜堆高后把該堆高部從所述耐磨膜側(cè)向所述密封面?zhèn)冗M(jìn)行機械加工切除。
為了維持耐磨膜到分割密封部件周向端部的希望膜厚，需要加厚耐磨膜而超過周向端部一定程度，即進(jìn)行堆高。
由于該被堆高的堆高部在組裝時成為障礙，所以通過機械加工切除。這時，由于堆高部從耐磨膜側(cè)向密封面?zhèn)缺粰C械加工而進(jìn)行切除，所以在從密封面離開的方向沒有作用于耐磨膜的力。
這樣，由于在機械加工中沒有作用于耐磨膜剝離方向力，所以能夠抑制由機械加工引起的耐磨膜剝離(開裂)。由此，能夠不被機械加工制約地進(jìn)行耐磨膜的厚膜化。
作為機械加工例如能夠使用銼刀、車床加工等。
在上述形態(tài)中，優(yōu)選的是，所述耐磨材料含有樹脂制材料。
這樣，由于耐磨材料含有樹脂制材料，所以在利用噴鍍形成耐磨膜后能夠通過熱處理把樹脂制材料部分除去。
由此，由于耐磨膜成為多孔質(zhì)組織，所以能夠減少在耐磨膜與凸片接觸時的滑動發(fā)熱量。
通過調(diào)節(jié)樹脂制材料的含有率，而能夠調(diào)節(jié)耐磨膜的硬度和氣孔率。如果考慮到若把樹脂制材料的部分除去，則耐磨膜與密封面的接觸面積減少而使兩者的接著力下降而產(chǎn)生剝離，所以需要把樹脂制材料的含有率保持在不發(fā)生這種事態(tài)的范圍。為了彌補粘接力的下降，也可以對密封面進(jìn)行提高耐磨膜與密封面貼緊性的底涂層施工。
根據(jù)本發(fā)明，由于在密封面的軸線方向端部具有向半徑方向傾斜的傾斜部，所以能夠加厚耐磨膜的膜厚，例如是不產(chǎn)生剝離的3mm以上。
因此，能夠把額定轉(zhuǎn)速區(qū)域的凸片與密封面(換言之，耐磨膜面)的間隙設(shè)定小，所以能夠提高密封性能。
由此，例如能夠謀求旋轉(zhuǎn)機械的可靠性提高和性能提高。



圖1是本發(fā)明一實施例密封結(jié)構(gòu)的縱剖視圖； 圖2是表示本發(fā)明一實施例分割密封部件的立體圖； 圖3是表示本發(fā)明一實施例錐部近旁的耐磨層形成狀態(tài)的局部剖視圖； 圖4是表示本發(fā)明一實施例突起部近旁的耐磨層形成狀態(tài)的局部剖視圖； 圖5是表示本發(fā)明一實施例覆蓋狀態(tài)的局部主視圖； 圖6是表示本發(fā)明一實施例在周向端部形成的堆高部的局部側(cè)視圖； 圖7是表示本發(fā)明一實施例耐磨層滑動試驗裝置的概略局部主視圖。
符號說明 1密封結(jié)構(gòu) 3旋轉(zhuǎn)軸 5凸片 9密封環(huán)11端面 19密封面21錐部 23凸部 24凸部傾斜部 25耐磨層27分割密封部件 29周向端面 31突起部33覆蓋 35堆高部 C周向 K半徑方向 L軸線方向
具體實施例方式 以下，一邊參照圖1～圖7一邊說明本發(fā)明一實施例的在汽輪機、燃?xì)廨啓C、壓縮機等旋轉(zhuǎn)機械的旋轉(zhuǎn)軸部所使用的密封結(jié)構(gòu)1。
圖1是本實施例密封結(jié)構(gòu)1的縱剖視圖。
密封結(jié)構(gòu)1具備多個凸片5，其在旋轉(zhuǎn)軸(旋轉(zhuǎn)部件)3的周面環(huán)狀地突出；密封部件9，其被設(shè)定為在殼體等靜止部7以覆蓋凸片5外周側(cè)的方式而被保持的圈形狀。
多個凸片5沿軸線方向L空開間隔地配置。凸片5與旋轉(zhuǎn)軸3成一體地被切削形成。
凸片5也可以與旋轉(zhuǎn)軸3分體形成，例如通過植入等方法而固定于旋轉(zhuǎn)軸3。
密封部件9被設(shè)定成沿軸線方向L的截面是大致矩形。在密封部件9的軸線方向L兩側(cè)的端面11設(shè)置有跨越大致整周延伸的嵌合槽13。
在靜止部7的內(nèi)面設(shè)置有跨越大致整周延伸的周槽15。在周槽15的內(nèi)周側(cè)端部設(shè)置有向周槽15的內(nèi)側(cè)突出的延伸到大致全周的突出部17。
密封部件9使嵌合槽13與突出部17卡合地與周槽15嵌合而被靜止部7保持。
密封部件9也可以能夠調(diào)節(jié)半徑方向K的位置。
密封部件9的內(nèi)周側(cè)的面即密封面19位于與凸片5相對的位置。
在密封部件9的軸線方向L端部分別設(shè)置有被大倒角的錐部(傾斜部)21。錐部21的軸線方向L端部的半徑方向K位置位于在與中央側(cè)的其相比更靠外周側(cè)。即錐部21向半徑方向K傾斜。
在密封部件9的軸線方向L中間部分設(shè)置有延伸到大致全周且向內(nèi)周側(cè)突出的凸部23，是在軸線方向L空開間隔地設(shè)置有多個例如3個。
因此，密封面19成為沿軸線方向L形成有凹凸。
在密封面19大致達(dá)整個面地以大致均勻的膜厚T1形成有噴鍍耐磨材料而形成的耐磨層(耐磨膜)25。
在凸部23的側(cè)面部設(shè)置有相對噴鍍方向具有適當(dāng)角度地向半徑方向恰當(dāng)傾斜的凸部傾斜部24。
由于耐磨層25是沿密封面19形成，所以耐磨層25被形成得沿軸線方向L不連續(xù)。
即，在錐部21是向半徑方向K傾斜，在軸線方向L的中間部分隨凸部23而成凹凸?fàn)顟B(tài)。
如圖3所示，在錐部21的耐磨層25的膜厚T2比其他部分的膜厚T1薄。
在密封部件9的軸線方向L端部也可以代替錐部21而設(shè)置圖4所示那樣的成堤壩狀的突起部(傾斜部)31。
這時，耐磨層25也是在突起部31的位置被形成得沿軸線方向L不連續(xù)。
且在突起部31的耐磨層25的膜厚T2比其他部分的膜厚T1薄。
密封部件9由在周向C被分割成多個，例如6個的分割密封部件27構(gòu)成。該分割的數(shù)量是考慮密封部件9的大小、制造設(shè)備、旋轉(zhuǎn)機械的結(jié)構(gòu)等各種條件來適當(dāng)決定。
圖2是表示分割密封部件27的立體圖。被設(shè)置成在分割密封部件27的周向C端部有周向端面29向半徑方向K延伸。
密封部件9也可以不是組裝分割密封部件27而是作為一體形成。
說明以上那樣構(gòu)成的密封結(jié)構(gòu)1的密封部件9的制造。
首先，把分割密封部件27的本體例如通過機械加工而加工成圖2所示形狀。
該加工例如如下進(jìn)行。
把長的板材切斷成規(guī)定的長度和寬度。接著，把密封面19切削成殘留有凸部23，在端面11加工嵌合槽13和錐部21。然后，進(jìn)行彎曲加工以形成具有規(guī)定曲率半徑的圓弧。
接著，在密封面19形成耐磨層25。
首先如圖5所示那樣為了在端面11不形成噴鍍膜而進(jìn)行覆蓋33，為了制作噴鍍前的基底而實施噴丸處理。
這時，覆蓋33的密封面19側(cè)端部離開密封面19地空開有間隔。該間隔例如是2～3mm。
在該狀態(tài)下，例如使用大氣壓等離子噴鍍(APSAtmosphric PlasmaSpraying)而把耐磨材料向密封面19噴射。
作為耐磨材料而使用把包含鈷、鎳、鉻、鋁、釔(以后叫做CoNiCrAlY)的金屬成分作為主體，且含有作為固體潤滑材料的氮化硼(h-BN)和用于控制氣孔率的聚酯(樹脂制材料)的材料。
這表示了耐磨材料的一例，能夠使用適當(dāng)?shù)牟牧稀?br> 噴鍍則為了極力降低熔化量而花費時間施工，且為了能夠維持貼緊力而設(shè)定恰當(dāng)?shù)碾娏?電壓進(jìn)行施工。
由此，能夠減少耐磨層25的殘留應(yīng)力。
在該噴鍍施工時，在被熔化了的耐磨材料附著到密封面19的瞬間而被急速冷卻、凝固并收縮。因此，在被形成的耐磨層25產(chǎn)生有殘留應(yīng)力。
本實施例由于把密封面19利用錐部21和凸部23沿軸線方向L不連續(xù)地形成，所以耐磨層25中殘留應(yīng)力的作用方向相互不同，能夠分開其影響。
由于能夠這樣分開軸線方向L的殘留應(yīng)力的影響，所以不會有大的殘留應(yīng)力向特定的場所集中。換言之，能夠減少發(fā)生邊界剝離的殘留應(yīng)力。
因此，由于能夠抑制邊界剝離的發(fā)生，所以能夠把耐磨層25的膜厚加厚。
對于具有圖3所示錐部21的分割密封部件27、具有圖4所示突起部31的分割密封部件27和不具有這些的平面形狀的分割密封部件27，形成厚度不同的耐磨層25，觀察檢查有無邊界剝離。把其狀況表示在表1。
[表1]
※○無邊界剝離 ×發(fā)生邊界剝離 看表1，在具有圖3所示的錐部21和具有圖4所示的突起部31的分割密封部件27的情況下，即使超過膜厚3mm也不發(fā)生邊界剝離，但在平面分割密封部件27的情況下，當(dāng)超過膜厚3mm則發(fā)生邊界剝離。
特別是在殘留應(yīng)力容易集中的端部，由于利用錐部21而能夠把軸線方向中間部分的影響分離，所以能夠有效地抑制邊界剝離。
且由于在錐部21的耐磨層25的膜厚比其他部分小，所以能夠更加減少發(fā)生的殘留應(yīng)力。由此，能夠更加加厚進(jìn)行密封作用部分的耐磨層25的膜厚。
另外，例如在軸線方向L中間部分的沿軸線方向L的長度短的情況下或必要的膜厚薄的情況下，也可以不形成凸部23。
這樣，如果當(dāng)加厚耐磨層25的膜厚T1，則例如能夠把額定轉(zhuǎn)速區(qū)域的凸片5與耐磨層25的間隙設(shè)定小，所以能夠提高密封結(jié)構(gòu)1的密封性能。
由此，例如能夠謀求旋轉(zhuǎn)機械的可靠性提高和性能提高。
如果覆蓋33的密封面19側(cè)端部離開密封面19地空開有間隔，所以覆蓋33不與密封面19和耐磨層25的界面卡合。因此，能夠防止在該界面由覆蓋33引起的發(fā)生微觀裂紋。
由于當(dāng)沒有該微觀裂紋則就沒有剝離的起點，所以能夠更加抑制發(fā)生剝離。由此，能夠進(jìn)一步加厚耐磨層25的膜厚T1。
當(dāng)噴鍍的規(guī)定膜厚T1的耐磨層25形成完成，則進(jìn)行后處理。
在分割密封部件27的周向C端部，由于把耐磨層25的希望膜厚T1維持到端，如圖6所示那樣越過周向端面29并且堆積有膜。
該堆高部35以從耐磨層25側(cè)朝向密封面19側(cè)的加工方向37通過機械加工例如銼刀、車床加工等被切除。這時，加工面39比周向端面29的延長面41還稍微向內(nèi)側(cè)傾斜。該傾斜例如使加工面39的表面端部位置從延長面41離開0.05mm以內(nèi)的程度。
這樣在把堆高部35切除時，由于僅向加工方向37作用有力，所以在該機械加工中耐磨層25不被作用有使從密封面19離開方向的力。
這樣，由于在機械加工中沒有作用把耐磨層25向剝離方向的力，所以能夠抑制由機械加工引起的耐磨層25剝離(裂紋)。由此，能夠不被機械加工所制約地進(jìn)行耐磨層25的厚膜化。
當(dāng)把這樣形成的耐磨層25以500～650℃進(jìn)行熱處理，則利用該熱量而使耐磨層25所包含的聚酯消失。
由此，由于耐磨層25成為多孔質(zhì)量組織，所以能夠減少與凸片5接觸時的滑動發(fā)熱量。
通過調(diào)節(jié)聚酯的含有率而能夠調(diào)節(jié)耐磨層25的氣孔率。
如圖7所示，在旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)體43前端安裝凸片45，使前端被施工有耐磨膜49的試驗片47以一定的送進(jìn)速度與凸片45接觸，進(jìn)行滑動試驗。作為試驗條件是按照試驗溫度550℃、旋轉(zhuǎn)體43的周速度70m/S、試驗片47的送進(jìn)速度10μm/S、送進(jìn)量0.5mm進(jìn)行。
作為試驗片而使用耐磨膜49的氣孔率是0％、約15％、約40％的。作為發(fā)熱量的基準(zhǔn)而使用12Cr鋼的試驗片。
把滑動時試驗片前端近旁的溫度、阻力、切削力以3分力傳感器取得，計算滑動時由平均切削力引起的發(fā)熱量。
把該結(jié)果表示在表2。
[表2]
看表2則了解到隨著氣孔率的增大而能夠減少滑動發(fā)熱量。
由于考慮到若把聚酯的部分除去，則耐磨層25與密封面19的接觸面積減少而使兩者的粘接力下降也產(chǎn)生剝離，所以需要把聚酯的含有率保持在不發(fā)生這種事態(tài)的范圍。
為了彌補粘接力的下降，也可以對密封面19進(jìn)行提高耐磨層25與密封面19貼緊性的底涂層施工。
本發(fā)明并不限定于上述實施例，在不脫離本發(fā)明要旨的范圍內(nèi)而能夠進(jìn)行適當(dāng)變更。
權(quán)利要求
1.一種密封結(jié)構(gòu)，具備凸片，其從旋轉(zhuǎn)部件的周面環(huán)狀地突出，且沿軸線方向至少設(shè)置一個；
密封部件，其具有與該凸片相對的環(huán)狀密封面，在該密封面形成有噴鍍耐磨材料的耐磨膜，其中，
在所述密封面的軸線方向端部具有向半徑方向傾斜的傾斜部。
2.如權(quán)利要求1所述的密封結(jié)構(gòu)，其中，在所述密封面的所述軸線方向中間部分沿所述軸線方向形成有凹凸，在該凹凸的側(cè)面部具有向半徑方向傾斜的凹凸傾斜部。
3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的密封結(jié)構(gòu)，其中，所述密封部件由在周向被分割的分割密封部件構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1到權(quán)利要求3任一項所述的密封結(jié)構(gòu)，其中，作為所述耐磨材料，其在金屬基體材料中含有樹脂制材料，而通過熱處理成為高氣孔率材料，并且具有3mm以上的膜厚。
全文摘要
提供一種密封結(jié)構(gòu)，能夠得到厚的耐磨膜，并由此提高密封性能。本發(fā)明的密封結(jié)構(gòu)(1)具備凸片(5)，其從旋轉(zhuǎn)軸(3)的周面環(huán)狀地突出，且沿軸線方向L至少設(shè)置一個；密封部件(9)，其具有與凸片(5)相對的環(huán)狀密封面(19)，在密封面(19)形成有噴鍍耐磨材料的耐磨層(25)，其中，在密封面(19)的軸線方向L端部具有向半徑方向(K)傾斜的錐部(21)。
文檔編號F16J15/453GK101765736SQ20098010002
公開日2010年6月30日 申請日期2009年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月25日
發(fā)明者平川裕一, 上原秀和, 中野隆, 西本慎 申請人:三菱重工業(yè)株式會社