CN100343557C

CN100343557C - 密封组件、燃气涡轮和密封组件的组合件及其密封单元的控制方法

Info

Publication number: CN100343557C
Application number: CNB008120005A
Authority: CN
Inventors: J·J·利本贝格; J·F·德维利尔斯
Original assignee: Pebble Bed Modular Reactor Pty Ltd
Current assignee: Pebble Bed Modular Reactor Pty Ltd
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-08-23
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2020-08-23
Also published as: ATE288042T1; CN1371456A; US6746019B1; KR100663640B1; WO2001016510A1; EP1206657A1; JP2003508699A; DE60017756D1; CA2382478A1; EP1206657B1; CA2382478C; AU6586600A; KR20020036847A

Abstract

一种密封组件(10)，它包括：一形成第一密封表面(14)的第一密封单元(12)；位移装置，它包括至少一个与第一密封单元(12)连接的电磁体(20)，位移装置可运行，以通过电磁体或每一电磁体(20)位移第一密封单元(12)；以及一形成与第一密封表面(14)相关联的第二密封表面(28)的第二密封单元，第一和第二密封单元形成一密封件。本发明还涉及一种机器与密封件的组合，它包括一燃气涡轮和一密封组件。此外，本发明还涉及一种控制两密封单元的各自密封表面之间的空间关系的方法。

Description

密封组件、燃气涡轮和密封组件的组合件及其密封单元的控制方法

本发明涉及一种密封件。本发明尤其涉及一种密封组件。本发明还涉及一种控制两个密封表面之间的空间关系的方法。此外，本发明还涉及一种采用密封组件的机器。

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种密封组件，该密封组件包括：

一支承件；

一形成第一密封表面的第一密封单元；

一相对支承件和第一密封单元可转动的第二密封单元，第二密封单元形成一第二密封表面，该表面与第一密封表面一起形成一密封件；以及

一位移装置，它包括至少一个作用在第一密封单元与支承件之间的电磁体(electromagnet)，以使第一密封单元可相对支承件和第二密封单元作位移。

密封组件可包括一检测第二密封单元偏离第一基准位置的位移量的传感器装置。

密封组件还包括连接于传感器装置和位移装置的控制装置，该控制装置可控制位移装置以使第一密封表面与第二密封表面保持预定的空间关系。

密封组件可包括一偏置装置，使第一密封单元偏置在预定方向。偏置装置可使第一密封单元朝第二密封单元偏置。或者，偏置装置可偏置第一密封单元使第一密封单元离开第二密封单元。

位移装置包括多个彼此隔开的电磁体，控制装置通过运行可控制每一电磁体。此时，传感器装置可包括多个传感器，一个传感器与一个电磁体相关联。控制装置通过运行可分别独立地控制每一电磁体。或者，控制装置通过运行控制电磁体的若干子组合。

第一密封单元包括一形成一环形第一密封表面的环形圈，第二密封单元形成一环形第二密封表面。密封组件可包括一刚性支架，第一环形密封单元安装在该支架上，这些电磁体与支架相连并彼此隔开一定的角度，以使支架可相对支承件作位移。

此外，位移装置的每一电磁体有一可相对于线圈位移的核心元件，核心元件和线圈中的一个连接于第一密封单元的支架，另一个连接于支承件。

在本发明的一个实施例中，密封组件可为一机器的转动件提供一密封件。其中，第一密封单元包括一形成一环形第一密封表面的环形圈。第二单元可以是机器的转动件并形成一第二密封表面，该表面也包括一环形圈。第一环形密封单元可安装在一刚性支架上。位移装置包括多个与支架相连并在支架上彼此相隔一定角度的电磁体。位移装置的这些电磁体有一可动核心元件。可动核心元件连接于第一密封单元的支架。每一电磁体的线圈连接于固定在位的支承件。可以理解的是，通过控制每一电磁体的线圈中的电流，可有选择地改变该电磁体的磁通量，由此有选择地改变作用于电磁体核心元件上的力。因此，在每一电磁体位置，一预定强度的横向力可施加于第一密封单元。还要理解的是，通过有选择地改变每一电磁体的横向力，整个环形第一密封单元可位移，使得第一密封单元形成的平面沿垂直于该平面的方向位移。或者，该平面沿相对于第一密封单元的对称轴线的预定方向倾斜。

在本发明的一个特定实施例中，第二密封单元包括一发电机燃气涡轮的下游部分。要理解的是，在轴上绕一旋转线轴转动的涡轮在其轴承上可在轴向和径向运动。此外，涡轮的纵向轴线可进动(precess)。还要理解的是，形成在涡轮转子的下游端(提供第二密封单元)的下游密封表面与密封在所述下游密封表面的一环形密封单元(提供第一密封单元)的密封表面之间的间隙将随涡轮转子的位移而改变。因此，如果所述间隙要被保持在预定范围内，必需允许第一密封单元以与涡轮转子的转动的第二密封表面的运动相关的方式运动。检测装置可检测涡轮轴或任何可转动地固定于轴的转动构件、诸如涡轮转子的下游密封表面的位移量。或者，检测装置可包括多个可在预定位置检测第一和第二密封表面之间的距离的传感器。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种机器与密封组件的组合(以下简称“组合”)，它包括一燃气涡轮和后面将要描述的密封组件，该燃气涡轮包括一具有一下游端的涡轮转子，密封组件的第二密封表面设置在涡轮转子的下游端。

密封组件的传感器装置可直接检测第二密封单元离开第一基准位置的位移量。密封组件的传感器装置包括多个传感器，在各预定位置，每一个传感器可检测第一和第二密封表面之间的距离，在所述预定位置，第一密封表面的位置形成第一基准位置。

或者，密封组件的传感器装置也可通过检测机械地固定于转子上的燃气涡轮的一个构件离开基准位置的位移量而间接地检测第二密封单元离开第一基准位置的位移量。

该组合包括沿一预定方向偏置第一密封单元的偏置装置，至少一个电磁体构造成可使第一密封单元相对支承件沿与预定方向相反的方向位移。

此外，偏置装置包括一环形的不渗透气体的波纹软管，该波纹软管设置在支架与支承件之间。

根据本发明的另一方面，本发明提供一控制两密封单元的各自密封表面之间的空间关系的方法，该方法包括如下的步骤：

检测密封单元中的一个离开基准位置的位移量；该密封单元可相对一支承件和另一密封单元转动，以及

通过包括至少一个在另一密封单元与支承件之间作用的电磁体的位移装置位移另一密封单元，所述另一密封单元通过电磁体或每一电磁体与位移装置相连，以在两密封表面之间保持预定的空间关系。

基准位置可由所述另一密封单元的密封表面所形成，该方法可包括检测两密封表面之间的距离，位移所述一个密封单元，以在两密封表面之间保持一预定距离。

位移装置可包括多个电磁体，该方法中包括有选择地改变每一电磁体中的磁通量。

下面作为例子并结合附图描述本发明。

附图中：

图1示出了根据本发明第一方面的密封组件的第一实施例的示意性侧剖视图；

图2示出了密封组件的第二实施例的示意性侧剖视图；

图3示出了用于一涡轮转子的密封组件的细节的侧剖视图；

图4是图3密封组件的一部分的立体图；

图5是图3密封组件的一部分的又一立体图。

在附图中，标号10总的表示本发明的密封组件。

在图1和2中，密封组件10有一形成第一密封表面14的第一密封单元12。第一密封单元是一安装在刚性圆环形支架18上的圆环形密封件16。密封组件10还有多个电磁体20，图1和2中仅示出其中的两个。电磁体20的一可动构件22连接于支承件18，而电磁体20的固定构件24连接于一固定的支承件26。在附图中，所示的第一密封表面14形成了与一第二密封表面28共同作用的密封件15，该密封表面形成在一机器32的旋转件30上，该机器是一个发电机燃气涡轮(powergenerator gas turbine)，旋转件30安装在一轴34上。密封组件10还包括一偏置装置，在附图中该偏置装置用标号36表示。

在图1所示的密封组件10的实施例中，偏置装置36通常促使环形支架18离开支承件26，从而通常促使第一和第二密封表面14和28分别朝向对方。电磁体20运行时可迫使支架18朝向支承件26移动，因此使第一和第二密封表面14和28彼此分开。通过控制这些电磁体20的磁通量，偏置装置36施加在环形支架18上的力可以被电磁体20施加在支架18上的相反的力所平衡。这样，就可在第一和第二密封表面14和28之间保持预定的间隙。

可以理解的是，偏置装置36也可构造成通常促使支架18朝向支承件26偏置，从而通常促使第一和第二密封表面14和28彼此分开。这样的构造设置在图2所示的实施例中。

总的来讲，机器32的轴34事实上不能完美地运行。因此，轴如附图中箭头“B”所示作旋转运动时，轴34可能如箭头“A”所示沿轴向在其轴承上运动，或沿径向作横向运动，或两者兼而有之。此外，轴34可绕自身轴线进动，如附图中用箭头“C”所示。因此，如果第一密封表面12固定在位，第一和第二密封表面14和28之间的间隙一般随轴34的每一次转动而改变。为了减少间隙的改变程度，通过一附图中用标号38表示的传感器探测和测量第二密封表面28的运动，该传感器探测轴34离开基准位置的位移量，轴34的位移与第二密封表面28的位移之间有一已知的关系。可以理解的是，第二密封表面28的位移量可直接探测和测量，且第一和第二密封表面14和28之间的间隙的改变也可以直接探测和测量。在附图中用标号40表示的控制器可以通过改变每一电磁体20的磁通量来分别独立地控制每一个电磁体20，由此可有选择地增加或降低由电磁体20施加在支架18上的力。这样，整个支架18也就是第一密封表面14可以作轴向位移，或沿任何所需方向倾斜。第一密封表面14可以被控制以仿效第二密封表面28偏离其基准位置的运动。或者，可控制第一密封表面14，以保持第一和第二密封表面14和28之间的预定的平均间隙。

现在请参阅图3至5，它们示出了用于一燃气涡轮发电机转子50的密封组件10。在图3至5中，除另有说明之外，与图1及图2类似的构件均用类似于图1和2的标号表示。

涡轮转子50有多个在圆周上分隔开的叶片，其中的一个例子用52标出，密封组件10位于转子50的下游端。密封组件10安装在一固定的支承组件56上并具有16个绕支承组件56的圆周均匀隔开的电磁体20。每一电磁体20有一线圈58和一可动的核心元件60，这些线圈58安装在支承组件56上，而这些核心元件60安装在一环形支架18上。可以理解的是，也可以反过来，即电磁体的线圈58安装在支架18上，而核心元件60安装在支承组件56上。一环形迷宫式密封件62设置在支架18的下侧64并形成了一迷宫式表面66，该表面包括密封组件10的第一密封表面14。密封组件10的第二密封表面28包括一形成在涡轮转子50下游端54上的环形。可以理解的是，第二密封表面可以任何方式形成，例如使得一第二迷宫式密封件设置在涡轮转子50的下游端54，以形成第二密封表面28。第二迷宫式密封件可构造成与环形支架18的迷宫式密封件62一起合作。

一环形钢可伸缩软管(bellows)74设置在支承组件56与支架18之间，环形钢软管74的第一端76连接于支承组件56，软管74的第二端78连接于环形支架18。钢软管74构造成一偏置装置80，通常促使迷宫式密封件62离开涡轮转子50的下游端54。在这种构造中，如果电磁体的电源被截断，迷宫式密封件62将移离涡轮转子50的下游端54，由此避免由于直接接触快速旋转的涡轮转子50而造成的密封件62的严重损坏。但是要理解的是，偏置装置80可构造成通常迫使迷宫式密封件62朝向第二密封表面28偏置。

要理解的是，在大的燃气涡轮机器上，以高压从涡轮转子50的上游端68流向转子50的下游端54的气流将对涡轮轴(图中未示出)产生大的轴向力。为了解决这个问题，将高压气流导向与涡轮转子50的下游端54相邻的下游区域70，以降低分别作用在涡轮转子50的下游端和上游端54和68上的力之间的差异，平衡作用在涡轮轴上轴向力。在下游区域70与通常是大气压的低压区域72之间，通过软管74提供一可延伸、可收缩的不渗透的密封件82。要理解的是，总的来讲，将要求这样一种诸如密封件82的可延伸、可收缩的密封件在高压区域70与低压区域72之间提供不渗透的屏障，以及考虑转子50的如上所述的轴向位移。为了使下游区域70保持一相对高的压力，必须在快速旋转的转子50的贴近处保持一密封件，使渗漏到低压区域72的气体最少。但是，为了抑制密封件的快速磨损，密封表面14和28不应接触。因此，密封表面14与28之间应保持在预定间隙。总的来讲，如上所述，大机器的轴实际上不会完美地运转。因此，为了保持预定间隙，或将间隙保持在预定范围之内，第一密封表面14必需能够跟踪第二密封表面28。必须提供至少一个检测涡轮转子50离开基准位置的位移量的传感器(未示出)和一连接于传感器和诸电磁体20的控制器(未示出)，以响应来自传感器所检测到的、涡轮转子50离开其基准位置的位移量的信号而改变电磁体20的磁通量。要理解的是，如果需要，控制器可独立地控制每一电磁体20。或者，控制器控制16个组成若干子组的电磁体20，例如四个相邻的电磁体20的若干子组合，使它们同时运行。

Claims

1.一种密封组件，该密封组件包括：

一支承件；

一形成第一密封表面的第一密封单元；

一可相对支承件和第一密封单元转动的第二密封单元，第二密封单元形成一第二密封表面，该表面与第一密封表面一起形成一密封件；以及

位移装置，它包括至少一个作用在第一密封单元与支承件之间的电磁体，使第一密封单元相对支承件和第二密封单元作位移。

2.如权利要求1所述的密封组件，其特征在于，它包括一检测第二密封单元偏离第一基准位置的位移量的传感器装置。

3.如权利要求2所述的密封组件，其特征在于，它包括可运行地连接于传感器装置和位移装置的控制装置，控制装置可控制位移装置使第一密封表面与第二密封表面保持预定的空间关系。

4.如前述权利要求中的任何一项所述的密封组件，其特征在于，它包括一偏置装置，该偏置装置使第一密封单元偏置在预定方向。

5.如权利要求3所述的密封组件，其特征在于，位移装置包括多个彼此隔开的电磁体，控制装置通过运行可控制每一电磁体。

6.如权利要求5所述的密封组件，其特征在于，控制装置可通过运行分别独立地控制每一电磁体。

7.如权利要求5所述的密封组件，其特征在于，控制装置可通过运行一致地控制电磁体的若干子组合。

8.如权利要求5所述的密封组件，其特征在于，第一密封单元包括一形成一环形第一密封表面的环形圈，第二密封单元形成一环形第二密封表面。

9.如权利要求8所述的密封组件，其特征在于，它包括一刚性支架，第一环形密封单元安装在该支架上，该电磁体与支架相连并彼此隔开一定的角度，以允许支架相对支承件作位移。

10.如权利要求9所述的密封组件，其特征在于，位移装置的每一电磁体有一可相对于线圈位移的核心元件，核心元件和线圈中的一个连接于第一密封单元的支架，另一个连接于支承件。

11.一种燃气涡轮与密封组件的组合件，它包括一燃气涡轮和一如权利要求1所述的密封组件，该燃气涡轮包括一具有一下游端的涡轮转子，密封组件的第二密封表面设置在涡轮转子的下游端。

12.如权利要求11所述的组合件，其特征在于，还包括一检测第二密封单元离开第一基准位置的位移量的传感器装置。

13.如权利要求12所述的组合件，其特征在于，传感器装置直接检测第二密封单元离开第一基准位置的位移量。

14.如权利要求13所述的组合件，其特征在于，传感器装置包括多个传感器，在各预定位置，每一个传感器可检测第一和第二密封表面之间的距离，在所述预定位置，第一密封表面的位置形成第一基准位置。

15.如权利要求12所述的组合件，其特征在于，传感器装置也可通过检测机械地固定于转子上的燃气涡轮的一个构件离开基准位置的位移量而间接地检测第二密封单元离开第一基准位置的位移量。

16.如权利要求12至15中的任何一项所述的组合件，其特征在于，该组合包括沿一预定方向偏置第一密封单元的偏置装置，该至少一个电磁体构造成使第一密封单元相对支承件沿与预定方向相反的方向作位移。

17.如权利要求12至15中的任何一项所述的组合件，其特征在于，该组合包括可运行地连接于传感器装置和位移装置的控制装置，该控制装置可运行以控制位移装置使第一密封表面与第二密封表面保持预定的空间关系。

18.如权利要求17所述的组合件，其特征在于，位移装置包括多个彼此隔开的电磁体，控制装置通过运行可控制每一电磁体。

19.如权利要求18所述的组合件，其特征在于，第一密封单元包括一形成一环形第一密封表面的环形圈，第二密封单元形成一环形第二密封表面。

20.如权利要求19所述的组合件，其特征在于，该组合包括一刚性支架，第一环形密封单元安装在该支架上，这些电磁体与支架相连并彼此隔开一定的角度。

21.如权利要求20所述的组合件，其特征在于，位移装置的每一电磁体有一可相对于线圈位移的核心元件，核心元件和线圈中的一个连接于第一密封单元的支架，另一个连接于支承件。

22.如权利要求21所述的组合件，其特征在于，偏置装置包括一环形的不渗透气体的波纹软管，该波纹软管设置在支架与支承件之间。

23.如权利要求16所述的组合件，其特征在于，该组合包括可运行地连接于传感器装置和位移装置的控制装置，该控制装置可运行以控制位移装置使第一密封表面与第二密封表面保持预定的空间关系。

24.一种控制两密封单元的各自密封表面之间的空间关系的方法，该方法包括如下的步骤：

检测密封单元中的一个离开基准位置的位移量，该密封单元可相对一支承件和另一密封单元转动；以及

通过包括至少一个作用在另一密封单元与支承件之间的电磁体的位移装置来位移另一密封单元，所述另一密封单元通过电磁体或每一电磁体与位移装置相连，以在两密封表面之间保持预定的空间关系。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，基准位置可由所述另一密封单元的密封表面所形成，该方法包括检测两密封表面之间的距离，以及位移所述一个密封单元以在两密封表面之间保持一预定距离。

26.如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，位移装置包括多个电磁体，该方法包括可有选择地改变每一电磁体中的磁通量。