CN100590297C - 用于蒸汽涡轮机的膨胀密封条 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机(10)，在示范性实施例中，其包括外壳体(22)，转动地支撑在所述外壳体中的涡轮机轴(12)；以及多个沿所述涡轮机轴定位的涡轮机段。每个所述涡轮机段包括与所述壳体连接的隔板(20)，具有多个叶片(16)和叶片盖(52)、与所述涡轮机轴固定连接的转子(46)，以及安装在所述隔板中的第一周向延伸槽(56)中的密封环(54)。所述密封环包括密封罩(58)和密封装置(60)并且邻近于所述涡轮机轴定位。所述密封罩由具有第一膨胀系数的第一材料制成，而所述隔板由具有第二膨胀系数的第二材料制成。所述第一和第二材料选定为，在第一温度时的所述涡轮机轴和所述隔板之间的所述间隙大于在第二更高温度时的所述涡轮机轴和所述隔板之间的所述间隙。

Description

用于蒸汽涡轮机的膨胀密封条
技术领域
本发明一般地涉及一种旋转式机器，例如，蒸汽和燃气涡轮机，并且更特别地涉及一种用于具有密封组件的旋转式机器，该密封组件用于控制旋转式机器的转动转子叶片的尖端和静止外壳体之间的间隙。
背景技术
蒸汽和燃气涡轮机的其他用途之一是用于给发电机提供动力。蒸汽涡轮机具有蒸汽通道，该蒸汽通道按照串行流的关系典型地包括蒸汽入口、涡轮机，以及蒸汽出口。燃气涡轮机具有燃气通道，该燃气通道按照串行流的关系典型地包括空气进口(入口)、压缩机、燃烧室、涡轮机和燃气出口(排气喷嘴)。压缩机和涡轮机的各自部分包括至少一排周向的转动浆片。转动浆片的自由端或尖端由定子壳体所包围。
涡轮机的效率部分取决于转子浆片尖端和周围的壳体之间的径向间隔或间隙以及转子和隔板密封件之间的间隔。如果间隔太大，更多的蒸汽或燃气流会通过转子浆片尖端和周围的壳体之间的间隙或隔板和转子之间的间隙泄漏，从而减小涡轮机的效率。如果间隙太小，转子浆片尖可能会在某些涡轮机工作状态期间撞击周围的壳体。燃气或蒸汽从高压区向低压区泄漏，或是从燃气或蒸汽通道泄露出来、或是泄漏进燃气或蒸汽通道通常是不希望的。例如，在燃气涡轮机的涡轮机或压缩机区域中、涡轮机或压缩机的转子与圆周上围绕的涡轮机或压缩机外壳之间的燃气通道泄漏将降低燃气涡轮机的效率，因此造成燃油成本的增加。同样，蒸汽涡轮机的涡轮机区域中、涡轮机的转子与圆周上围绕的壳体之间的蒸汽通道泄漏将降低涡轮机蒸汽机效率，因此造成燃油成本的增加。
所公知的是，在加速或减速期间，由于浆片尖端上的离心作用力的变化和由于转动的转子和静止的壳体之间的相对热膨胀，因此间隔发生变化。在不同的离心力以及转子和壳体的热膨胀期间，间隙变化可以导致移动的浆片在静止壳体上的严重摩损。该增加的间隙导致了效率的损失。
在过去使用了例如刚硬耐磨的罩来容纳转子与壳体之间的间隔变化。然而，这并不被认为是代表了用于控制该间隔的最佳设计。还有，已经使用了包括可移动密封件的正压力密封件，该可移动密封件可以在起动期间位于缩回位置而在涡轮机的稳定状态工作期间位于延伸位置。然而，移动部件在工作期间可能会粘住，阻碍了密封件在延伸和缩回位置之间的移动。
发明内容
在一个方面，提供了一种蒸汽涡轮机，其包括外壳体，转动地支撑在所述外壳体中的涡轮机轴，以及多个沿所述涡轮机轴定位并且容纳在所述外壳体内的涡轮机段。每个所述涡轮机段包括与所述壳体连接的隔板，与所述涡轮机轴固定连接的转子，以及安装在所述隔板中的第一周向延伸槽(56)中的密封环。所述转子包括多个叶片和叶片盖。所述密封环包括密封罩和密封装置。所述密封环邻近于所述涡轮机轴定位以给所述涡轮机轴和所述隔板之间的间隙提供密封件。所述密封罩由具有第一膨胀系数的第一材料制成，而所述隔板由具有第二膨胀系数的第二材料制成。所述第一和第二材料选定为，在第一温度时的所述涡轮机轴和所述隔板之间的所述间隙大于在第二更高温度时的所述涡轮机轴和所述隔板之间的所述间隙。
在另一方面，提供了一种用于蒸汽涡轮机的隔板。涡轮机包括可转动的轴和至少一个固定连接在所述轴上的转子，该转子包括多个叶片和叶片盖。所述隔板包括多个喷嘴和安装在所述隔板中的第一周向延伸槽中的密封环。所述密封环包括密封罩和密封装置，所述密封环设置成邻近于所述涡轮机轴定位以给所述涡轮机轴和所述隔板之间的间隙提供密封件；所述密封罩由具有第一膨胀系数的第一材料制成，而所述隔板由具有第二膨胀系数的第二材料制成。所述第一和第二材料选定为，在第一温度时的所述涡轮机轴和所述隔板之间的所述间隙大于在第二更高温度时的所述涡轮机轴和所述隔板之间的所述间隙。
附图说明
图1是蒸汽涡轮机的剖面示意图；
图2是如图1所示的蒸汽涡轮机的隔板的一个实施例在第一温度时的剖面示意图；
图3是如图1所示的蒸汽涡轮机的隔板的一个实施例在第二更高温度时的剖面示意图。
具体实施方式
在下面对蒸汽涡轮机隔板和所附密封环以及溢流条(spill-strip)密封环做详细说明。隔板、密封环和溢流条密封环由具有不同膨胀系数的材料制成，不同的膨胀系数允许这些不同部件受控热膨胀。这使涡轮机中的移动和非移动部件之间可以有间隔变化，以使得在冷起动期间，各部件可以相对地离得较“远”，但在正常稳定状态的工作时，各间隔自动地减小到最小值以防止蒸汽泄漏并且增加涡轮机的效率。
参考附图，图1是蒸汽涡轮机的剖面示意图。蒸汽涡轮机10包括穿过涡轮机10并且其两端由轴承座14支撑的轴12。多个涡轮机叶片段16连接到轴12上。在涡轮机叶片段16之间设置有多个非转动的涡轮机喷嘴18。涡轮机叶片或叶片16连接到涡轮机轴12上而涡轮机喷嘴18连接到支撑构件或喷嘴隔板20上，该喷嘴隔板连接到包围涡轮叶片16和喷嘴18的壳体或外壳22。蒸汽入口24与高温蒸气源连接并且将蒸汽导入涡轮机10中。主蒸汽控制阀26控制蒸汽向涡轮机10中的流动。蒸汽通过喷嘴18导入以撞击叶片16，从而使叶片16沿涡轮机轴12转动。一些蒸汽进入抽汽室30和32并且预定数量的蒸汽有意地导向多个馈水加热器(未示出)。在剩下的蒸汽经过所有的涡轮机叶片之后，其经过蒸汽废气壳体34和排气出口36排出，并且导回到冷凝器(未示出)中，然后导回到再热器和/或沸腾器(未示出)以重新转换成蒸汽。
图2是蒸汽涡轮机10的隔板20的一个实施例在第一温度时的剖面示意图，而图3是隔板20在第二更高温度时的剖面示意图。参考图2和3，隔板20包括与外涡轮机壳体22连接的外环部38(如图1所示)，支撑在外环部38内的蒸汽导向喷嘴18的环40，以及包含在喷嘴环40内的内环部42。各涡轮机叶片16在其内端44处紧固在涡轮机轮46上，所述涡轮机轮由绕轴线48可转动的涡轮机轴12延伸。叶片16的径向外端50包括与叶片16一起转动的叶片盖52。在一个实施例中，盖52定位在各叶片16的径向外端50上，而在可替代实施例中，盖52定位在呈组形式的两个或多个叶片16的各外端50上，从而使邻近叶片16能够与公共盖或组52连接。
密封环54安装在隔板内环部42中的周向延伸槽56中。密封环54包括密封罩58和密封装置60。密封环54邻近于涡轮机轴12定位以给涡轮机轴12和隔板内环部42之间的间隙62提供密封件。密封环密封装置60包括多个从密封罩58延伸的轴向隔开的迷宫式密封齿64。密封环密封装置60还包括刷式密封件(未示出)或轴向隔开的迷宫式密封齿64和刷式密封件的组合件。
密封罩58由具有第一膨胀系数的第一材料制造，而隔板内环部42由具有第二膨胀系数的第二材料制造。第一和第二材料选定为，使得在第一温度时涡轮机轴12和隔板20之间的间隙62大于在第二更高温度时涡轮12和隔板20之间的间隙，所述第一更高温度例如为蒸汽涡轮机10的起动温度，所述第二温度例如为蒸汽涡轮机10的工作温度。图2示出在涡轮机10的起动温度时的间隙62，而图3示出在涡轮机10的工作温度时的间隙62。如图3所示，间隙62足够地小以使密封装置60能够密封通过间隙62的蒸汽流动。表1列出了用作上述第一和第二材料的合适材料的一些非限制性实例。
表1
  材料   在500F时的热膨胀系数(10<sup>-6</sup>in/(in-°F))
  12Cr、17Cr、27Cr   5.92
  灰铸铁   6.28
  5Cr Mo至9Cr Mo   6.50
  韧铁   6.85
  3.5Nickel   6.93
  CrMoV   7.02
  Ni-Gr-Fe   7.80
  蒙镍合金 67Ni、30Cu   8.40
  Ni-Fe-Cr   8.90
  25Cr、20Ni   8.93
  奥氏体不锈钢18Cr，8Ni   9.70
  青铜   10.32
  铜   10.47
  铝   13.90
例如，当将高铬含量的钢(12Cr、17CR、27Cr)的热膨胀与典型地用在涡轮机中的CrMoV钢的热膨胀相比，其热膨胀系数的差为1.10*10-6in/(in-°F)。对于由CrMoV钢制成的22英寸的密封直径转子，每一100°F的直径增加量可以近似为100*7.02*10-6*22＝0.0154英寸(391.1μm)。将转子材料改为高铬含量的钢(12Cr、17CR、27Cr)，每一100°F的直径增加量可以近似为100*5.92*10-6*22＝0.0130英寸(330.1μm)。因此，对于每一100°F的温度升高，径向间隙变化大约0.0024英寸(61.0μm)。
溢流条密封环66安装在所述隔板内环部38中的第二周向延伸槽67中。溢流条密封环66包括密封罩68和密封装置70。溢流条密封环66邻近于叶片盖52定位以给叶片盖52和隔板外环部38之间的间隙72提供密封件。溢流条密封环密封装置70包括多个从密封罩68延伸的轴向隔开的迷宫式密封齿74和刷式密封件76。在其他的实施例中，密封环密封装置70包括单独的刷式密封件76或单独的轴向隔开的迷宫式密封齿74。
溢流条密封环66的密封罩68由具有第三膨胀系数的第三材料制造。第一和第二材料选定为，在第一温度时叶片盖52和隔板20之间的间隙72大于在第二更高温度时叶片盖52和隔板20之间的间隙，所述第一温度例如为蒸汽涡轮机10的起动温度，所述第二更高温度例如为蒸汽涡轮机10的工作温度。图2示出了在涡轮机10的起动温度时的间隙72，而图3示出了在涡轮机10的工作温度时的间隙70。如图3所示，间隙72足够地小以使密封装置70能够密封通过间隙72的蒸汽流动。用作第三材料的合适材料的一些非限制性实例列出在以上的表1中。
可以理解的是，可以使用具有各种膨胀系数的各种材料。本领域的技术人员会理解，隔板20的膨胀系数可以大于或小于密封环54和溢流条密封环66任一个的膨胀系数并且密封环54的膨胀系数可以等于、大于或小于溢流条密封环66的膨胀系数。
上述隔板20可以有内置的间隙，该间隙足够地大以防止在起动状况时涡轮机部件的摩损。由于对隔板20、密封环54和溢流条密封环66的热膨胀进行了控制，上述隔板20还使“大”间隙得以减小，从而防止蒸汽泄漏。减小在叶片15的周围的蒸汽泄漏使涡轮机10的效率增加。
虽然根据各种特定实施例对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员会认识到，可以在本发明的本质和范围内对本发明实施修改。

Claims (10)

1、一种蒸汽涡轮机，包括：
外壳体(22)；
转动地支撑在所述外壳体中的涡轮机轴(12)；以及
多个涡轮机段，其沿所述涡轮机轴定位并且包含在所述外壳体内，每个所述涡轮机段包括：
与所述外壳体连接的隔板(20)，所述隔板包括多个喷嘴(18)；
与所述涡轮机轴固定连接的转子(46)，所述转子包括多个叶片(16)和叶片盖(52)；以及
密封环(54)，其安装在所述隔板中的第一周向延伸槽(56)中，所述密封环包括密封罩(58)和密封装置(60)，所述密封环邻近于所述涡轮机轴定位以给所述涡轮机轴和所述隔板之间的间隙提供密封件；
所述密封罩由具有第一膨胀系数的第一材料制成，所述隔板由具有第二膨胀系数的第二材料制成，所述第一和第二材料选定为，在第一温度时的所述涡轮机轴和所述隔板之间的所述间隙大于在第二更高温度时的所述涡轮机轴和所述隔板之间的所述间隙。
2、如权利要求1所述的涡轮机(10)还包括溢流条密封环(66)，其安装在所述隔板(20)中的第二周向延伸槽(67)中，所述溢流条密封环(66)包括密封罩(68)和密封装置(70)，所述溢流条密封环邻近于所述叶片盖(52)定位以向所述叶片盖和所述隔板之间的间隙(72)提供密封件；所述溢流条密封环的所述密封罩由具有第三膨胀系数的第三材料制成，所述第三材料选定为，在第一温度时的所述叶片盖和所述隔板之间的间隙大于在第二更高温度时的所述叶片盖和所述隔板之间的间隔。
3、如权利要求1所述的涡轮机(10)，其中，所述密封环密封装置(60)包括多个密封齿和刷式密封件的至少其中之一。
4、如权利要求2所述的涡轮机(10)，其中，所述溢流条密封环密封装置(70)包括多个密封齿和刷式密封件的至少其中之一。
5、如权利要求1所述的涡轮机(10)，其中，所述第二材料的所述膨胀系数大于所述第一材料的所述膨胀系数。
6、如权利要求2所述的涡轮机(10)，其中，所述第二材料的所述膨胀系数大于所述第三材料的所述膨胀系数。
7、如权利要求6所述的涡轮机(10)，其中，所述第一材料的所述膨胀系数大于等于所述第三材料的所述膨胀系数。
8、如权利要求1所述的涡轮机(10)，其中，所述第二材料的所述膨胀系数小于所述第一材料的所述膨胀系数。
9、如权利要求2所述的涡轮机(10)，其中，所述第二材料的所述膨胀系数小于所述第三材料的所述膨胀系数。
10、如权利要求9所述的涡轮机(10)，其中，所述第一材料的所述膨胀系数大于等于所述第三材料的所述膨胀系数。
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