CN100422509C - 用于减小联合循环蒸汽涡轮中自密封流的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种用于减小联合循环双流蒸汽涡轮(10)中自密封流的方法和设备，该方法和设备包括在限定双流蒸汽涡轮(10)的任一端部(36，38)处的填密环组件(116)的填密环(44)中提供刷密封件(60)。
Description
技术领域
本发明涉及蒸汽涡轮，并且更具体地涉及一种用于减小蒸汽密封系统需要的蒸汽流的量，以合适地“自密封”双流联合循环蒸汽涡轮的方法和设备。
背景技术
本发明受让人的当前可用联合循环系统包括单轴和多轴结构。单轴结构可以包括一个燃气涡轮、一个蒸汽涡轮、一个发生器和一个余热蒸汽发生器(HRSG)。燃气涡轮和蒸汽涡轮以单轴上的串联设置连接至单个发生器。另一方面，多轴系统可以具有一个或多个燃气涡轮发生器和能够通过公共蒸汽汇集器供给蒸汽至单独蒸汽涡轮发生器的HRSG。在任一情况，在一个或多个HRSG中产生蒸汽以输送至冷凝蒸汽涡轮。
已知当在低于它的自密封点的负载下操作蒸汽涡轮时，必须供给来自外部供给的蒸汽(也就是补偿蒸汽)至密封蒸汽汇集器，以保持涡轮密封，直至达到自密封点。
当蒸汽涡轮“自密封”时，它涉及以增压(也就是产生真空)和“密封”双流低压(LP)转子端部的涡轮的能力。当涡轮未能自密封时，它不能利用它的分配蒸汽在LP转子的端部增压和产生真空。在这种情况下，需要供给额外的“补偿”蒸汽至蒸汽密封汇集器。通过涡轮的高压(HP)和中压(IP)部分供给的需用于蒸汽密封系统的蒸汽流基于低压(LP)涡轮部分需要的蒸汽流需求。因此，如果降低了LP蒸汽流需求，则可以减少来自HP和IP部分的供给蒸汽。
从HP和IP部分获得的供给至蒸汽密封系统的“补偿蒸汽”一起绕过蒸汽通路，排除了通过涡轮叶片和喷嘴析取蒸汽能量的全部可能性。该绕过的蒸汽消耗的可能支出限制了涡轮达到权利(最大效率)的能力。
此外，如果涡轮经历“磨损”事件，其中金属填密环的齿与转子接触并被残损，齿和转子之间的径向间隙或距离增大。该径向间隙的增大引起自密封需要的流Q的增大。实际上，如果LP填密环经历重大的磨损，自密封的需求流Q则能够增加至超过HP和IP涡轮提供足够的蒸汽以供给蒸汽密封汇集器(SSH)，从而密封新近磨擦的LP填密环的能力。
因此，需要一种方法减少来自HP和IP涡轮，以供给蒸汽密封汇集器(SSH)的源蒸汽流需要和减小由于磨损事件产生的自密封失败的可能性。
发明内容
通过用于减小联合循环双流蒸汽涡轮中自密封流的方法在示范性实施例中克服或减轻上面讨论的和其它缺陷和缺点。该方法包括在限定双流蒸汽涡轮的任一端部处的填密环组件的填密环中提供刷密封件。
在另一示范性实施例中，披露了用于减小联合循环双流蒸汽涡轮中自密封流的设备。该设备包括设置于在限定双流蒸汽涡轮的任一端部处的填密环组件的填密环中的刷密封件。
在另一示范性实施例中，用于减小联合循环双流蒸汽涡轮中自密封流的方法包括利用在限定双流蒸汽涡轮的任一端部处的填密环组件的填密环中的刷密封件密封限定双流蒸汽涡轮的两端。
具体而言，本发明提供一种用于减小联合循环双流蒸汽涡轮中自密封流的方法，该方法包括：减小在第一位置处的填密环和转子之间的间隙，该第一位置是处在低压涡轮的第一端上，通过在第一位置设置第一刷密封件；减小在第二位置处的填密环和转子之间的间隙，该第二位置与所述第一位置相邻近，通过在第二位置设置第二刷密封件；减小在第三位置处的填密环和转子之间的间隙，该第三位置位于低压涡轮的第二端上，通过在第三位置设置第三刷密封件；和减小在第四位置处的填密环和转子之间的间隙，该第四位置是与所述第三位置相邻近，通过在第四位置处设置在第四刷密封件；借助通过四个特别定位的密封件提高蒸汽涡轮的总效率，并且借此减小对用于蒸汽涡轮的自密封的高压蒸汽源的需求。
从下面的详细描述和附图，本领域的普通技术人员可以获得和理解本发明上面讨论的和其它特征和优点。
附图说明
现在参考附图，其中在几幅附图中以类似的数字标记类似的元件：
图1示意性示出了联合循环双流涡轮和对应的流程，依据示范性实施例，其具有插进最接近于其LP涡轮部分的LP转子端部的“密封”和“排气”位置中的工业标准的填密环的四个刷密封件；
图2是贯穿涡轮机的定子和转子的截面图，其说明了用于控制图1的QLP-1流的现有技术“Hi-Lo”填密环；
图3是贯穿涡轮机的定子和转子的截面图，其说明了用于控制图1的QLP-2流的现有技术“Slant tooh”填密环；
图4是贯穿涡轮机的定子和转子的截面图，其说明了用于控制图1的QLP-1和/或QLP-2流的填密环中的刷密封件的示范性实施例。
具体实施方式
现在参照图1，所示蒸汽涡轮10包括高压部分12、中压部分13和低压部分14。蒸汽涡轮10也包括相关的高压密封件16和中压18，以及通常以20和22指示的低压密封件，其环绕转子或轴S。
通过密封蒸汽汇集器(SSH)30和支管32、34供给密封蒸汽至密封件20和22。
在这里采用的阀(未在附图中说明)处于常规的位置和操作中，并不需在此说明。现在说明依据示范性实施例系统的操作。
图1说明了用于SSH30的源蒸汽来自QHP和QIP，其中源蒸汽＝(QHP+QIP)。蒸汽密封汇集器30中的泄流用于密封双流低压(LP)涡轮部分14的端部36和38。用于LP涡轮部分14需要的密封蒸汽被称作需求蒸汽＝(QLP-1+QLP-2)。因此，当利用它的分配的密封蒸汽，涡轮14能够增压(也就是产生真空)和密封设置于LP转子40周围的端部36、38时，那么：
自密封＝(QHP+QIP)＝(QLP-1+QLP-2)
如果降低需要的需求蒸汽，也可以降低供给或源蒸汽，由于泄漏蒸汽(供给或源蒸汽)的减少增大了总涡轮性能。
参照图2和3，如设置于LP转子40周围的工业标准的填密环44说明用于控制双流LP涡轮14的自密封性能的当前硬件。具体地，图2说明了用于在端部36控制QLP-1流的典型“Hi-Lo”填密环50。图3说明了用于在端部38控制QLP-2流的典型“Slant Tooth”填密环52。
现在参照图1-3，如果涡轮14经历“磨损”事件，其中金属填密环44的齿42与转子40接触并被残损，如上面所述，径向间隙增大。该径向间隙的增大引起通过此处的流Q增大。如果LP填密环44经历重大的磨损，需求蒸汽(QLP-1+QLP-2)则能够增加至超过HP和IP涡轮12和13提供足够的蒸汽以密封新近磨擦的LP填密环44的能力。涡轮14然后在下面的条件下未能自密封：
自密封失败＝(QLP-1+QLP-2)＞(QHP+QIP)
当涡轮14未能自密封时，它不能利用它的分配蒸汽在LP转子40的端部36、38增压和产生真空。在这种情况下，需要供给额外的“补偿”蒸汽至蒸汽密封汇集器30，因此：
自密封w/补偿＝(QHP+QIP+QMAKE UP)＝(QLP-1+QLP-2)
再次参照图1，QMAKE-UP通常来自“节流”蒸汽。补偿节流蒸汽在入口环境处，这意味着它是高压、高温和高能量。入口气流绕过通常以虚线54全然表示的HP涡轮部分12，因此涡轮12不再获得从蒸汽析取能量的可能。当涡轮14未能自密封，并且需要从HP涡轮部分12获得补偿蒸汽时，估计的HP涡轮效率减少大约为0.5％。
现有技术方法具有的当前问题包括填密环制备、涡轮安装和涡轮操作中的变化。由于HP、IP和LP涡轮部分12、13、14的蒸汽流分别是LP转子40和填密齿42之间径向间隙的强函数，所以蒸汽涡轮14的自密封性能会存在大的变化。
径向间隙变化以及因此的蒸汽流变化是填密环44的制备过程能力和转子40相对于填密环44的安装和对准能力的联合结果。此外，在涡轮操作过程中，可能出现磨损事件，其中由于转子40和填密齿42之间的接触，填密齿材料几乎被“磨损”掉。该磨损事件引起随着永久间隙的扩大一起的填密环44的永久性损伤。变化的这三个根源(例如，制备变化、安装变化和涡轮误操作)使保持可接受的自密封性能水平非常困难。
现在结合图1参照图4，依据示范性实施例说明与填密环44一起的刷密封件60的实施。具体地，依据示范性实施例，将四个刷密封件60插进最接近其LP涡轮部分14的LP转子端部36、38的“密封”和“排气”位置中的相应工业标准的填密环中。“密封”和“排气”位置对应于通常以20和22表示的低压密封件，其环绕图1中的转子40。更具体地，设置于任一端部处的两个刷密封件的一个设置在填密外壳的排气环中，另一个设置于填密外壳的密封环中。与每一填密环44一起安装的刷密封件60的实施减小了在LP涡轮14中可见的径向间隙/蒸汽流变化。刷密封件60的刷毛62是柔顺和顺从的，因此，刷密封件60可以消减或衰减制备变化、安装变化和涡轮误操作，使得蒸汽流中大致较小的变化。
更具体地，图4说明了形成涡轮机的一部分的静止构件110和转动构件112，静止和转动构件110和112分别位于对应于图1中的轴或转子40的公共轴周围。静止构件110具有燕尾形凹槽114，用于容纳通常以116表示的填密环组件，其安装用于提供多级迷宫式密封的迷宫式密封齿118。通常，迷宫式密封件通过放置相对多个的部分障碍至从密封件一侧上的高压区域124至相对侧上的低压区域122的蒸汽流起作用。每一障碍，也就是齿118强制试图平行于涡轮轴112的轴流动的蒸汽跟随曲折路径，从而产生压力下降。这样，每一密封段120具有配备凸出径向齿118的密封表面126。通过彼此轴向离开存在的一对凸缘128形成密封件表面126，尽管在具体应用中仅一个这种凸缘将是必须的。密封段120的径向外部部分包括定位钩或凸缘130，其类似地从段120以轴向相对方向彼此远离地延伸。燕尾形凹槽114包括一对定位凸缘132，其轴向彼此相对地延伸，限定在其之间的缝隙134。每一段120的颈部136互连凸缘130和128，颈部136在缝隙134中延伸。
可以理解，段120可以包括可移动于轴112周围的开启的最外部大间隙和关闭的最内部小间隙位置之间的正压可变填密环段。通过没有示出的设置于凸缘130和定位凸缘132之间的弹簧移动段至它们的最外部位置，并通过蒸汽压而向内移动。在例如共同受让人的美国专利No.5,503,405中已知这些类型的可变间隙填密环段。
在填密环段中配备刷密封件，以提供联合迷宫式刷密封件。刷密封件包括包含多个刷毛144的刷密封件组的相对侧上的一对板140和142。板140包括轴向延伸凸缘148，其用于接合进容纳刷密封件的密封段120的缝隙中的轴向开口凹槽中。刷毛144优选在它们的径向最外端部处彼此焊接，并通常以倾斜角度径向向内凸出超过板140和142的径向最内部边缘，以终止于自由端部146。
可以理解，在涡轮的稳态操作过程中，传统的刷密封件实践需要刷毛束的自由端部146通常接合转子的表面，从而获得密封作用。认为刷毛充分柔软，以适应轴的径向偏移。
依据示范性实施例，并如图1和4所述，有意图地设计刷毛尖在涡轮机的稳态操作环境下接合转子轴。即，刷密封件尖相对于轴与转子接触，以在贯穿涡轮机的稳态操作的整个范围中保持转子和刷密封件尖之间的径向接触，从而使转子的动态特性不受刷毛和转子之间接触的影响。这样，转子的动态特性不受使用刷密封件的影响。
在由于刷毛尖和转子之间间隙引起密封性能降低时，具体在冷起动时，由于跨越刷密封件的操作压降处的刷毛吹倒效应，缓和了密封性能的降低，并且间隙减小至一定程度，该刷毛吹倒效应引起刷密封件朝向转子偏转，减小了间隙。
刷密封件60的刷毛60是柔顺和顺从的，因此，刷密封件60可以消减或衰减制备变化、安装变化以及涡轮误操作，使得蒸汽流中大致较小的变化。
利用本披露物受让人的六个西格马工具和内部热设计程序，执行DOE(实验设计)，以计算利用刷密封件的自密封益处。DOE的目的是开发传递函数，其预测联合循环蒸汽涡轮的自密封点作为分别设置于端部36和38处的填密环44或密封件22和22的径向间隙中的变化的函数。这些填密段中的径向间隙变化确定蒸汽密封汇集器30中的蒸汽流供给和需求，因此在给出的一组径向间隙处预测涡轮的自密封点。用于开发传递函数的热设计程序是用于设计蒸汽涡轮的GE私有代码，因此，认为相对于热设计程序的传递函数结果的精度是精确的。
传递函数计算具有安装于设置在LP涡轮14的任一端36、38上相同构造“密封”和“排气”位置(例如，基线设计)中的通常的钢铁填密环的标准联合循环蒸汽涡轮的预期的自密封点：
57.22％＝(QHP+QIP)＝(QLP-1+QLP-2)。
而传递函数计算具有安装于设置在LP涡轮14的任一端36、38上相同构造“密封”和“排气”位置中的四个刷密封件60的标准联合循环蒸汽涡轮的预期的自密封点为：
22.56％＝(QHP+QIP)＝(QLP-1+QLP-2)。
尽管已经说明了四个刷密封件安装于联合循环双流蒸汽涡轮中，可以理解安装两个也可以获得类似的结果。
可以进一步理解，在即将发生的预定检修停机过程中，可将依据上面所述的示范性实施例的刷密封件安装于每个可应用的联合循环蒸汽涡轮的转子端部中。该刷密封件容易地装配到操作中的已经存在的涡轮中。
也可将刷密封件安装进当前半成品(WIP)中的可应用的蒸汽涡轮中。可将新的刷密封件翻新到现在在GE Power Systems，Schenectady，NY处制造的蒸汽涡轮中。
最后，可将刷密封件嵌入还没有开始生产的新工程蒸汽涡轮设计。
在双流LP转子端部处刷密封件的安装减小了需用于自密封的LP需求蒸汽，(也就是QLP-1+QLP-2)。提供的技术优点包括用于刷密封件的顺从材料以及由于刷子的采用获得的增大的密封效率。刷子包括数千的金属刷毛，其骑靠转子，以产生具有金属填密环的有效径向间隙的大约1/10的有效径向间隙的密封。更具体地，当利用金属填密环时填密环组件和转子之间的有效径向间隙在大约20至大约60mil之间，而当与填密环组件一起利用刷密封件时有效间隙在大约0至大约5mil之间。可以认识到1mil等价于1英寸的1/1000。相关领域的普通技术人员知道，刷子的数量基于转子的直径。由于这些刷子是柔软和顺从的，相对于现有技术的金属填密环可以消减或衰减制备变化、安装变化和涡轮误操作。现有技术填密环对前面提到的三个变化根源极度敏感，并是蒸汽流变化的大的根源。
虽然在参照示范性实施例已经说明了本发明，但是本领域的普通技术人员可以理解可以获得各种改变以及等价物可以替代其元件，只要不脱离本发明的范围。此外，可以进行许多修改以适应本发明的教示的具体环境或材料，而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明不局限于如预期用于实现本发明的最佳模式披露的具体实施例，本发明将包括落入后附权利要求的范围的全部实施例。
136862部件清单
| 10 | 蒸汽涡轮 |
| 12 | 高压涡轮部分 |
| 13 | IP涡轮部分 |
| 14 | 低压涡轮部分 |
| 16 | 高压密封件 |
| 18 | 中压 |
| 20 | 低压密封件 |
| 22 | 低压密封件 |
| 30 | 密封蒸汽汇集器(SSH)系统 |
| 32 | 支管 |
| 34 | 支管 |
| 36 | 端部 |
| 38 | 端部 |
| 40 | 低压转子 |
| 42 | 填密齿 |
| 44 | 填密环 |
| 50 | “Hi-Lo”填密环 |
| 52 | “Slant Tooth”填密环 |
| 54 | 虚线 |
| 60 | 刷密封件 |
| 62 | 刷毛 |
| 110 | 静止构件 |
| 112 | 转动构件 |
| 114 | 燕尾形凹槽 |
| 116 | 填密环组件 |
| 118 | 填密齿 |
| 120 | 密封段 |
| 122 | 低压区域 |
| 124 | 高压区域 |
| 126 | 密封面 |
| 128 | 凸缘对 |
| 130 | 钩或凸缘 |
| 132 | 定位凸缘对 |
| 134 | 缝隙 |
| 136 | 颈部 |
| 140 | 板 |
| 142 | 板 |
| 144 | 多个刷毛 |
| 146 | 自由端部 |
| 148 | 凸缘 |
Claims (7)
1. 一种用于减小联合循环双流蒸汽涡轮中自密封流的方法，该方法包括：
减小在第一位置处的填密环和转子之间的间隙，该第一位置是处在低压涡轮的第一端上，通过在第一位置设置第一刷密封件；
减小在第二位置处的填密环和转子之间的间隙，该第二位置与所述第一位置相邻近，通过在第二位置设置第二刷密封件；
减小在第三位置处的填密环和转子之间的间隙，该第三位置位于低压涡轮的第二端上，通过在第三位置设置第三刷密封件；和
减小在第四位置处的填密环和转子之间的间隙，该第四位置是与所述第三位置相邻近，通过在第四位置处设置在第四刷密封件；
借助通过四个特别定位的密封件提高蒸汽涡轮的总效率，并且借此减小对用于蒸汽涡轮的自密封的高压蒸汽源的需求。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个所述第一、第二、第三和第四刷密封件具有多个刷毛，并且每个刷毛被构造成是柔软的和适应于限定蒸汽涡轮内的蒸汽流变化。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，每个所述第一、第二、第三和第四刷密封件的所述多个刷毛是金属刷毛。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，每个所述第一、第二、第三和第四刷密封件的所述多个刷毛在其径向最外端相互焊接，并且以倾斜角径向突出。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个第一、第二、第三、第四刷密封件在蒸汽涡轮的稳定状态工作范围与转子接触。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个第一、第二、第三、第四刷密封件被构造成产生一种密封，其具有使得所述填密环和所述转子之间的有效径向间隙在0至5mils之间。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在蒸汽涡轮内低蒸汽满足公式[QLP-1+QLP-2]，其中，Q为所需要的汽流，LP为低压。
Applications Claiming Priority (2)
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