CN101092886B - 用于涡轮机械内可调整的密封件的促动压力控制 - Google Patents

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Abstract

促动压力控制系统影响在静止和旋转的涡轮机械构件之间的可调整的密封段(14)的促动。至少一个促动器(18)与可调整的密封段的每个联接且分别控制密封段的位置。布置在涡轮机械内的压力系统测量或估计代表作用在促动器上的促动器背压的环境压力。压力调节器(40)通过控制器将促动器加压到足以用于希望的密封运行的压力水平且基于促动器背压控制促动器压力。

Description

用于涡轮机械内可调整的密封件的促动压力控制
技术领域
本发明一般地涉及旋转机器，且更特定地涉及用于旋转机器的促动密封件。 
背景技术
旋转机器不受限制地包括蒸汽涡轮机、燃气涡轮机和压缩机。蒸汽涡轮机具有蒸汽通道，蒸汽通道典型地以串联流动关系包括蒸汽入口、涡轮机和蒸汽出口。燃气涡轮机具有燃气通道，燃气通道典型地以串联流动关系包括空气进口(或入口)、压缩机、燃烧器、涡轮机和气体出口(或排放喷嘴)。燃气或蒸汽从燃气或蒸汽通道的泄漏出或泄漏到燃气或蒸汽通道内，即从较高的压力区域到较低的压力区域的泄漏一般地是不希望的。例如，在燃气涡轮机的涡轮机区域或压缩机区域内的、在涡轮机或压缩机转子和周向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，从而导致增加的燃料成本。在蒸汽涡轮机的涡轮机区域内的、在涡轮机转子和周向围绕的外壳之间的蒸汽通道泄漏也将降低蒸汽涡轮机的效率，从而导致增加的燃料成本。 
在蒸汽涡轮机领域中已知，在涡轮机转子和周向围绕的外壳之间单独地或组合地以周向阵列定位带有或不带有刷密封件的迷宫密封段，以最小化蒸汽通道泄漏。弹簧径向向内地保持段靠外壳的表面，使得在密封件和转子之间建立了径向间隙，但在转子接触情况中允许段径向向外移动。虽然单独地或组合地带有刷密封件的迷宫密封件被证明是相当可靠的，但迷宫密封件的性能随时间退化，其原因是其中静止部件和旋转部件干涉的瞬态情况，从而将迷宫齿磨损为“蘑菇形”外形，且打开了密封间隙。 
降低因磨损的退化的一个装置已使用了“正压力”可变间隙迷宫式填塞，其中弹簧用于在无流动或低流动情况下保持填塞环段的打开，在此期间最可能发生这样的磨损。在作用为将环关闭到关闭运行位置的更高的载荷下，环境蒸汽力克服了弹簧。然而，希望的是提供 “主动控制”可变间隙设备，其中通过内部促动器在最可能发生磨损的情况期间将填塞环段保持为抵抗弹簧和蒸汽力而打开。在磨损不可能的运行情况下，促动器力降低，从而允许弹簧和蒸汽力将段移动到其关闭运行位置。 
为促动这样的“主动”或“可调节”密封件抵抗蒸汽力，经常要求促动器内的高压。另外，在某些当密封件需要快速打开的情况中，必须在促动器内在非常短的时间周期内建立高压。然而产生了这样的问题，即促动器内过度高的压力差趋向于降低其使用寿命。另外，因为促动介质的可压缩性，例如在以空气或其他气体或液体作为介质的情况中，在促动器内建立压力所用的时间可能比希望促动且因此保护密封件的时间长。另外，在某些当涡轮机蒸汽压力下降的情况中，希望相应地使促动器降压以避免在促动器内相对于环境蒸汽压力的过度的压力。因为促动介质的可压缩性，如果此通气过程所用时间过长，则在促动器内的过度的压力可能降低其使用寿命。 
发明内容
在本发明的典型实施例中，在静止和旋转的涡轮机械构件之间的可调整的密封段的促动被主动地控制。可调整的密封段的每个与至少一个控制了密封段位置的促动器联接。方法包括如下步骤：监测或估计涡轮机械内的环境压力，该环境压力代表了作用在促动器上的促动器背压，和将促动器加压到足以用于希望的密封运行(例如打开或关闭)的水平且基于促动器背压控制促动器压力。 
在本发明的另一个典型的实施例中，促动系统促动了在静止和旋转的涡轮机械构件之间的可调整的密封段。系统包括至少一个与可调整的密封段的每个联接的促动器，促动器分别控制密封段的位置。至少一个压力系统布置在涡轮机械内，压力系统测量或估计涡轮机械内的环境压力，其中环境压力代表作用在促动器上的促动器背压。控制器基于希望的密封运行(例如打开或关闭)确定促动压力，且与控制器和压力系统通信且与促动器流体连通的压力调节器为促动器加压到促动压力(例如使用空气供给)且基于促动器背压控制促动器压力。 
附图说明
图1图示了典型的蒸汽涡轮机； 
图2示出了典型的蒸汽涡轮机的序号2(N2)填塞内的密封件的典型应用，其中填塞环包括在填塞头内，又位于组合高压(HP)和中间压力(IP)区的壳(外壳)内； 
图3是在图2中示出的N2填塞头的视图，带有已降压并收回的促动器； 
图4是N2填塞头的视图，带有已加压和延伸的促动器；和 
图5是用于促动介质供给和压力调节的控制系统和硬件的示意性图示。 
具体实施方式
图1图示了如典型旋转机器的典型的蒸汽涡轮机。在轴填塞位置序号N1、N2和N3之间，涡轮机包括压力变化区，包括高压区(HP)和中间压力区(IP)。(低压区(LP)在位于填塞N4和N5之间的第二外壳内使用)。在此情况中，N2填塞包括在填塞头内，该填塞头包括在组合HP-IP壳(或外壳)内。 
图2是N2填塞头12的部分截面视图，填塞头12包括在壳13内且布置为围绕旋转构件，例如转子15。N2填塞头12包括多个由环段14构成的填塞环，用于密封关闭旋转构件15。填塞环典型地例如限定有六个60度的段。面向旋转构件的径向内表面提供有不同高度的齿构件16，它们限定了困难的通道或迷宫密封件，以防止蒸汽沿轴的泄漏。如上所论述，其中静止部件和旋转部件有害地接触的瞬态情况可能发生在涡轮机内，因此磨损了迷宫齿16，打开了密封间隙且使齿的锋利尖端变钝从而失去功能性。 
存在气动促动密封段14关闭到旋转构件和从旋转构件离开以因此保护密封件不受磨损且改进机器性能的技术。参考图3，可调整的密封段14与控制了密封段14的位置的促动器18联接。密封段14的每个可以由促动器18打开或保持打开，使得密封段14收回到径向最外侧位置(图4)，或密封段14可以由弹簧力和蒸汽压力关闭或保持关闭(图3)，使得密封段14布置在径向最内侧位置，其中段14的齿16关闭到旋转构件15。 
图5是用于空气供给和压力控制的系统和硬件的示意性图示。空气供给30提供了加压空气或气体到压力调节器40。促动器18示意性地图示。在优选布置中，对于每个密封段14存在三个促动器18，且因此对于每个填塞环存在十八个促动器。可以少到每个段一个促动器而足以用于一些应用。 
在机器内无压力时，弹簧或弹簧组将密封段14偏置为关闭到旋转构件15，此位置被称为关闭情况。在使用期间，在区域22和23内即填塞环段14的上游和下游(图3)处分别建立了显著的蒸汽压力，该压力是涡轮机械内的环境压力。这些压力在图5中标为P1和P2。在向前流动的情况中，当密封段向右偏置时，在密封段后的区域24具有压力P1。在相反的流动情况中，当密封段向左偏置时，在密封段后的区域24具有压力P2。 
在区域24内的压力代表了作用在促动器18上的促动器背压。在优选实施例中，环境压力通过例如压力换能器的合适的压力测量设备被直接测量，且通过例如CPU等的控制器31监测。在替代实施例中，这些环境压力可以由控制器间接估计。在任一情况中，控制器基于环境压力发送合适的命令到压力调节器40，压力调节器40又将促动器18加压到足以用于希望的密封运行(打开、保持打开、关闭或保持关闭)的水平，使得促动器18从不被过度加压或过度反向加压，过度加压是当促动器压力超过用于某一密封运行所需要的压力的情况，过度反向加压是当促动器压力下降到显著低于背压的情况。这两种情况能静态地或动态地导致促动器18的过早失效。压力调节器40使用反馈回路来控制促动器压力，该反馈回路提供了对促动器压力的测量或估计。 
控制器31也检测了在例如跳脱(trip)的机器运行情况中的突变。在全负荷跳脱期间，控制器发送命令到压力调节器40以维持促动器18内的先前压力。在机器跳脱期间，当环境压力且因此促动器背压下降时，密封件自促动。即，对于恒定的内部压力和下降的背压，跨过促动器建立了压力差，从而导致促动器促动，因此打开密封件。这避免了使压力调节器40接纳促动介质，例如空气或其他气体或液体到促动器18内以在非常短的时间内增加压力的需要，考虑到促动介质的可压缩性，该需要可能是不可行的。此自促动方案显著地减轻了在机器跳脱期间促动器18过压的风险，该方案对于任何取决于压力的壳变形行 为是稳健的，从而尽管压力调节器40的响应时间有限也足够快速地将密封段14移开，且对促动器18是无害的。 
促动器的加压水平优选地根据基于涡轮机械的运行情况和促动器背压的公式来确定。例如，如果运行情况规定密封段14应保持关闭，则促动器加压水平(PA)确定为：PA＝PB+K1(psi)，其中PB是促动器背压且K1是常数。替代地，如果运行情况规定密封段14应从关闭状态打开，则促动器加压水平(PA)确定为：PA＝PB+K2*(Pdrop)，其中PB是促动器背压、K2是常数且Pdrop是跨过密封段14的压力下降。对于向前流动的情况，PB与P1相同，且Pdrop＝P1-P2。对于相反的流动情况，PB＝P2，且Pdrop＝P2-P1。一般地，常数K2可以取决于运行情况具有不同的值。 
如上文中已提及，在跳脱情况中，促动器压力被控制为允许促动器自促动且以及时的方式打开密封段。一旦跳脱发生且填塞密封件被打开，则控制器31将促动器压力维持为充分地高于促动器背压，以当环境压力和促动器背压在跳脱后下降时保持密封段14的打开。自促动的构思与气动响应时间无关。 
在预定关机中，与跳脱不同，控制系统31优选地当环境压力且因此促动器背压下降到预先确定的水平以下时打开密封段14。在机器启动期间，密封段14维持打开直至满足了如下典型标准的至少一个或多个：(1)已经过预先确定的时间，(2)机器达到其额定RPM，(3)已达到稳态负荷，和(4)任何热瞬态已衰减。一般地，可以具有其他在以上未提及的标准，可考虑这些标准。 
用于密封件打开的情况可以替代地或补充地通过具有位置传感器测量转子相对于定子的径向位置从而测量定子和转子之间的径向间隙来确定。如果此间隙降预先确定的距离以下，则控制系统可以触发密封段的打开。 
控制系统31不仅确定用于促动器18的合适的促动压力，它也监测促动系统的健康。因为控制系统31连续地感测环境压力P1和P2，它可以确定如期望地打开还是关闭密封段14。例如，如果在某一情况中密封段14按命令打开，则环境压力P1和P2应以可预测的方式改变。此信息被编程到控制系统31内，如果P1和P2偏离其期望的行为，则该信息允许控制系统31确定密封段14没有按命令打开。 
使用本发明的压力控制系统和方法避免了促动器的过压和过度的反向加压，因此增加了促动器的使用寿命。另外，在机器关闭期间的自促动使得能及时控制密封件位置。虽然本发明参考蒸汽涡轮机的典型应用描述，将认识到的是本文中的构思也适用于所有涡轮机械，包括但不限制于蒸汽涡轮机、燃气涡轮机、航空发动机等。 
虽然本发明结合目前被考虑为最实用和优选的实施例描述，但应理解的是，本发明不限制于所披露的实施例而是相反意图于覆盖附带的权利要求书的精神和范围内所包括的多种修改和等价设备。 
零件列表 
N2填塞头   12 
壳         13 
密封段     14 
转子       15 
齿构件     16 
促动器     18 
空气供给   30 
压力调节器 40 
区域       22 
区域       23 
区域       24 
控制器     31 

Claims (9)

1.一种控制静止和旋转涡轮机械构件(13、15)之间的可调整的密封段(14)的促动的方法，可调整的密封段的每个与至少一个控制其位置的促动器(18)联接，该方法包括：
监测或估计涡轮机械内的环境压力，环境压力代表了作用在促动器上的促动器背压；和
将促动器加压到足以用于希望的密封运行的水平，并且基于促动器背压控制促动器压力，其中如果希望的密封运行是保持密封段(14)的打开，则加压步骤通过将促动器压力维持为高于背压来执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中促动器(18)向其中密封段(14)被关闭的位置偏置，且其中加压步骤通过将促动器加压为使得取决于希望的密封运行在促动器加压水平和背压之间存在预先限定的压力差来执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中促动器加压水平根据基于涡轮机械的运行情况和促动器背压的公式来确定。
4.根据权利要求3所述的方法，其中如果运行情况规定密封段(14)应保持关闭，则促动器加压水平即PA确定为PA＝PB+K1，其中PB是促动器背压且K1是常数，且K1的单位为psi。
5.根据权利要求3所述的方法，其中如果运行情况规定密封段(14)应从关闭状态打开，则促动器加压水平即PA确定为PA＝PB+K2*(Pdrop)，其中PB是促动器背压、K2是常数且Pdrop是跨过密封段的压力下降。
6.根据权利要求1所述的方法，其中如果运行情况反应出发生了跳脱，则方法进一步包括当促动器背压因跳脱而降低时维持促动器加压水平以打开密封段(14)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中如果运行情况反应出预定关机，则方法包括当促动器背压下降到预先限定的水平下时打开密封段(14)。
8.根据权利要求1所述的方法，其中如果运行情况反应出启动机器，则方法包括维持密封段(14)打开直至满足至少如下之一：(1)已经过预先确定的时间，(2)机器达到其额定RPM，(3)已达到稳态负荷，和(4)热瞬态已衰减。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过确定密封段是否如希望地基于促动器加压水平和涡轮机械环境压力定位来监测促动器(18)和密封段(14)的运行健康。
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