CN101761362A - 自适应的顺应性板密封组件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自适应的顺应性板密封组件及方法，具体而言，本发明涉及一种蒸汽轮机(10)，其包括蒸汽轮机壳体(26)、转子(12)，以及位于壳体与转子之间的至少一个顺应性板密封组件(24)。顺应性板密封组件包括：相对于壳体静止的支撑部件(28)；多个板部件(48)，板部件(48)可动地安装到支撑部件上并朝向转子而延伸，各板部件相对于转子的转动方向倾斜；以及促动器(32)，该促动器(32)用于有选择地施加压力，以便使板部件沿着背离转子的方向缩回。

Description

自适应的顺应性板密封组件及方法

技术领域

本发明涉及密封组件(seal assemblies)。

背景技术

密封组件广泛地用于旋转元件与静止元件之间。例如，蒸汽轮机(steam turbine)通常包括(按照顺次流动的关系)蒸汽进口、涡轮和蒸汽出口。蒸汽从较高压力的区域泄漏到较低压力的区域(或者泄漏出蒸汽通道，或者泄漏进蒸汽通道)可对涡轮的运行效率产生不利的影响。相应地，在转子与环绕的壳体(定子)之间设有密封组件，用于使蒸汽泄漏降低到最低程度。

密封组件通常附连至转子或壳体，并且(在涡轮的稳定运行状态期间)或者处于摩擦配合中或者定位成在转子与壳体之间提供小的间隙。密封组件要求具有长的使用寿命，以便将维护及修理的需求降低到最低程度。然而，在例如涡轮启动或停机等的过渡工况(transient operation)期间，转子可能朝向环绕的密封件而偏斜，并由此导致非所期望的摩擦。相应地，密封组件可能不利地被磨损并由此遭受有所缩短的使用寿命及有所降低的密封效果。另外，在过渡工况期间，密封组件还与转子经受有差别的热膨胀和收缩运动，这同样可导致非所期望的摩擦。

需要一种改进的密封组件和密封方法以用于适应转子和定子的相对的瞬态的运动。

发明内容

根据本文公开的一实施例，蒸汽轮机包括蒸汽轮机壳体、转子、以及位于壳体与转子之间的至少一个顺应性板密封组件(compliant plate seal assembly)。顺应性板密封组件包括相对于壳体静止的支撑部件(supporting member)、多个板部件(plate member)、以及促动器(actuator)，板部件可动地安装到支撑部件上并朝向转子而延伸，各板部件相对于转子的转动方向倾斜(inclined)，该促动器用于有选择地施加压力以便使板部件沿着背离转子的方向缩回(retract)。

根据本文公开的另一实施例，密封组件包括位于定子与转子之间的至少一个顺应性板密封组件。顺应性板密封组件包括相对于定子静止的支撑部件、可动地安装到支撑部件上的板支撑件(platesupport)、安装到板支撑件上并朝向转子而延伸的多个板部件，以及促动器，该促动器用于有选择地施加压力，以便使板部件沿着背离转子的方向缩回。各板部件相对于转子的转动方向倾斜。板支撑件还包括至少一个辅助密封部分(supplementary sealing portion)，该辅助密封部分朝向转子而延伸并在面对转子的端部上包括可磨损的(abradable)材料。转子设有凸出部(projections)，凸出部相对于辅助密封部分大致垂直地取向。

根据本文公开的又一实施例，用于在壳体及由壳体包围的转子之间提供密封效果的密封组件包括位于壳体与转子之间的至少一个密封组件。密封组件包括相对于壳体静止的支撑部件、可动地安装到支撑部件上并朝向转子而延伸的多个密封部分(sealingportion)，以及促动器，该促动器用于有选择地施加压力以便使密封部分沿着背离转子的方向缩回。促动器包括支架(carrier)、支架中的多个孔(bore)、支撑部件与密封组件之间的多个压缩部件(compressionmember)，以及触发设备(trigger device)，该触发设备用于有选择地施加压力，以便提起压缩部件。支架包括多个支架段。共同的(common)支架段中的孔彼此连通，而不同的支架段的孔彼此隔离。

根据本文公开的又一实施例，一种密封方法包括：在壳体与转子之间提供至少一个顺应性板密封组件，该顺应性板密封组件包括相对于壳体静止的支撑部件以及可动地安装到支撑部件上并朝向转子而延伸的多个板部件；以及，有选择地施加压力以便在转子的过渡工况期间使板部件沿着背离转子的方向缩回。

附图简述

当参照附图阅读以下详细说明时，可更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和有利之处，在附图中，相同的符号代表遍及图纸的相同的零件，其中：

图1是蒸汽轮机结构的上半部的部分框图。

图2是显示根据本发明的一个实施例的密封组件的剖面侧视图。

图3是显示图2的密封组件的示例性的密封包(sealpacket)的透视图。

图4是安装于转子与周围的壳体之间的密封包的横截面图。

图5是示例性的促动器的透视图，该促动器用于使密封包沿着背离转子的方向缩回。

图6是部分切去的处于正常位置的促动器的放大部分的透视图。

图7是部分切去的处于缩回位置的促动器的放大部分的透视图。

图8和9是安装于转子与壳体之间的密封组件的剖面图，该密封组件用于补偿不圆的(out-of-round)壳体以及用于补偿偏离中心(off-center)状态。

图10显示了根据本发明的另一实施例的密封组件。

图11显示了根据本发明的又一实施例的密封组件。部件列表10蒸汽轮机12转子14发电机16高压涡轮18中压涡轮20低压涡轮22加压的流体24密封组件26壳体(定子构件)28支撑部件30密封包32促动器34顶部36侧壁38钩状物或突出部分(ledge)40腔体41板部件支撑件(plate member support)141板部件保持器(plate member holder)42肩部43中间部分44密封部分45辅助密封部分46间隙47高压区48间隔开的薄板49低压区50小间隙51槽52下部可磨损的材料54凸出部56凹槽57偏压元件58支架60孔62活塞64触发设备66导管(conduit)或管道68下端70上端72歧管(manifold)74管状的压缩波纹管(bellow)76支架段80触发设备82导管或管道84进口86出口88旁通控制阀90促动器92压缩元件

具体实施方式

本文所描述的不同的实施例涉及转子与定子之间的主动(active)密封系统。主动密封系统包括密封部分和促动器，该促动器用于有选择地施加压力，以便使密封部分沿着背离转子的方向缩回，并由此减少密封部分与转子之间的摩擦。在一个实施例中，促动器在转子的过渡工况(例如转子的启动或停机运行)期间使密封部分缩回。在一个实施例中，主动密封系统有益于蒸汽轮机或者对转子的摩擦热敏感并在稳态运行期间在原位具有一定程度的压力的任何其它旋转机械。当涉及长挠性转子时(就如对蒸汽轮机而言常为这种情况且在旋转式压缩机、燃气轮机、航空涡轮机等等中有时也为这种情况)，本文所描述的实施例尤其有用。

参照图1，示例性的蒸汽轮机10包括转子12，该转子12用于为联结到其上的发电机14提供动力。蒸汽轮机10基本上关于经由转子12而延伸的纵向或轴向中心线轴线S而轴对称，并绕着轴线S在方向X上转动。蒸汽轮机10可具有任何常规构型。例如，蒸汽轮机10可包括呈高压涡轮16、中压涡轮18和低压涡轮20等的形式的段，其均联结至公共的转子12，用于给发电机14提供动力。在蒸汽轮机的构型中，加压的流体22是在蒸汽锅炉(未示出)中产生的高温的、加压的蒸汽。蒸汽轮机10包括在公共的转子12的不同部位与定子(或周围的壳体)之间的密封装置。在一个实施例中，转子12是长挠性转子轴。转子12的长度的一个例子为在轴承之间大约10英尺至20英尺。

图2是蒸汽轮机10的部分横截面图，并显示了根据一个实施例的密封组件24的示例性的实施例。密封组件24包括安装到壳体26上的弧形的支撑部件28、可动地安装在支撑部件28中的密封包30和用于有选择地使密封包30缩回的促动器32。支撑部件28可包括相对于壳体26分离的部件(如在图2中所示)，或者可包括壳体26的集成部分(未示出)。

在分离的支撑部件实施例中，示例性的支撑部件28包括固定到壳体26上的顶部34、从顶部34朝向转子12延伸的成对的侧壁36、从该成对的侧壁36的下端彼此朝向对方而延伸的成对的钩状物或突出部分38、以及限定于顶部34、侧壁36和突出部分38之间的腔体40。

在一个实施例中，密封包30包括多个板部件48，板部件48可通过任何合适的板部件支撑件来固定。在一个实施例中，板部件支撑件41包括位于腔体40中的肩部42。间隙46限定于板部件支撑件41的肩部42与支撑部件28的顶部34之间。在一个实施例中，促动器32固定在肩部42与该对突出部分38之间，用于使板部件支撑件41和板部件48朝向支撑部件28的顶部34而缩回。在一个实施例中，密封包30还包括在间隙46中的至少一个偏压元件57。偏压元件57被预加载荷，以便在正常的密封条件下朝向转子12偏压板部件48。在某些实施例中，板部件支撑件41还包括延伸出腔体40的中间部分43，以及从中间部分43朝向转子12延伸的成对的辅助密封部分45。该对辅助密封部分45限定了在其之间的槽51，并且板保持器141可用来将板部件48固定在槽51中。在一备选的实施例中，板部件支撑件41包括仅一个朝向转子12而延伸的辅助密封部分45。在一个实施例中，各板部件48包括被板支撑件41的板部件保持器141所固定的一端以及在槽51中并朝向转子12而延伸的另一端或密封部分44。

在另一实施例中，未包括有辅助密封部分。图3是部分切去的密封包30的透视图，其显示了朝向转子12延伸的多个紧密地(tightly)间隔开的薄板部件48。示例性的板部件48具有1英寸至2英寸的高度、沿着转子12的纵向方向的0.2英寸至1.0英寸的宽度，以及沿着转子12的周向方向的0.004英寸至0.020英寸的厚度。小间隙50限定于每两个相邻的板部件48之间。在一个实施例中，间隙50在0.0001英寸和0.001英寸之间。

板部件48密封转子12的外周区域，使得沿着转子12的轴线S的有关的空间被划分成高压区47和低压区49。在某些实施例中，沿着转子12的轴向方向具有预定宽度的板部件48在多层的构型中沿着转子12的周向方向紧密地彼此间隔开，并由此沿着该周向方向具有挠性而沿着转子12的轴向方向具有高的刚性(rigidity)。换言之，相对于常规的刷式密封装置而言，密封板部件48在高压区47和低压区49之间的差压被施加的方向上不易变形。

参照图3和4，板部件48设计成依赖于沿着转子12的周向方向的板厚度而具有特定的刚性。另外，在一个实施例中，板部件48以如下方式紧固到支撑部件28上，即，使得板部件48相对于转子的转动方向X倾斜以便与转子12的外周表面(outer peripheral surface)形成锐角θ。在蒸汽轮机10的过渡工况(例如启动或停机运行)期间，促动器32有选择地使板部件48背离转子12而缩回。在启动及停机期间，转子12经过临界速度或频率且可能经历相关的偏心的旋转运动(orbiting)。过渡状态的其它例子包括在转子与壳体或密封段之间可能发生的有差别的热膨胀和收缩。

重新参照图2，在一个实施例中，密封组件24与可磨损的密封组件一起被使用。各辅助密封部分45的下部在面对转子的表面上包括可磨损的材料52。转子12设有凸出部54和凹槽56(显示在图2中)，其相对于可磨损的面对转子的表面垂直地取向。在某些实施例中，可磨损的材料52选择并施加成用于获得与转子12的凸出部54的紧密的余隙。例如，在运行期间，凸出部54磨损掉可磨损的材料52的一部分，在可磨损的材料52上留下与凸出部54和凹槽56的轮廓相近似的轮廓(未示出)并导致构件之间的更紧密的余隙。

可磨损的材料52可以是在共同地授予Turnquist等人的、本文的共同受让人的美国专利No.6,547,522中所描述及所显示的类型，该专利的公开内容通过引用结合在本文中。在一个例子中，可磨损的材料可包括具有第一组分和第二组分的合成物，其中，第一组分包括钴、镍、铬和钇，而第二组分选自由六角形氮化硼(hexagonal boronnitride)和聚合物组成的组。

图5-7显示了根据本发明的一个实施例的示例性的促动器32，该促动器32用于在(例如)蒸汽轮机10的过渡工况期间有选择地使密封组件24在背离转子12的方向上缩回。参照图5，促动器32包括环形支架58、限定于支架58的外周表面中的多个孔60、弹性地保持在相应的孔60中的多个活塞62、以及用于操纵(actuating)活塞的至少一个触发设备64。

图6和7显示了促动器32的放大部分，其包括在正常的密封位置(图6)和缩回的密封位置(图7)处的安装在相应的孔60中的活塞62。在一个实施例中，活塞62包括通过压缩波纹管74弹性地附连至孔60的实心金属(solid metal)。波纹管74包括例如通过焊接而密封地联结至活塞62的外部的一端68，以及例如通过焊接而密封地联结至围绕着孔60的内部的支架58的相应部分的另一端70。在一个实施例中，通过沿着支架58的一侧引入公共的弧形歧管72，支架58中的孔60可适当地联结成彼此流体连通。歧管72可沿着支架58的该侧形成为切口或凹部，并通过薄密封条而密封地被封闭，用于在孔60之间提供流连续性。

在一个实施例中，触发设备64为用于操纵活塞62的压力源(pressure source)，以便通过借助于控制阀(未示出)控制穿过导管或管道66的、波纹管74中的气体的量来操纵板部件的缩回。气体可以是空气或诸如氩气或氮气等的惰性气体，或者是任何其它适合用于控制波纹管74中的气体并由此将活塞62展开到生效的构型中的合适的压力流体。

重新参照图2，在一个实施例中，两个支架58布置在支撑部件28的该对突出部分38上且在密封包30的肩部42下方。相应地，当触发设备64被操纵以用于将加压的气体输送到支架58的孔60中时，加压的气体克服偏压元件57的向内的偏压力并将波纹管74按压到一起，导致活塞62向上移动，以便推动密封包30向上地朝向支撑部件26的顶部34而移动。当活塞62相对于转子12被展开时，板部件48相对于突出部分38被提起，用于增大板部件48与转子12之间的径向间隙D。这样，转子12的旋转运动或有差别的热运动将具有更多的可利用的径向空间以用于防止或限制密封组件与转子的、尤其在蒸汽轮机10的过渡工况期间的非所期望的摩擦。

在图5中显示的示例性的实施例中，支架58包括多个支架段76，支架段76围绕着转子12的周边周向地联结。支架段76可通过合适的导管66彼此联接。在一个实施例中，导管66可将相联结的支架段76的歧管72互连，用于在其间提供流动连通，以便将加压的气体引导至该处。这样，触发设备64可将加压的气体引导至一个段，用于依次串流至联结的密封段，用于同时地将其中所有的活塞62展开。

在另一实施例中，不同支架段76的歧管72彼此不连通，且支架段76由此彼此隔离。相应地，触发设备64可包括多个阀(未示出)，以便控制任何选择的支架段76。因此，参照图8和9，密封段62可单独地被调节以用于补偿不圆的壳体26(如在图8中所示)，或者，密封段可被调节以用于补偿归因于不对准或扭曲的偏离中心状态(如在图9中所示)。

在又一实施例中，密封组件24包括沿着转子12的周向方向的多个密封段(未示出)，且各密封段包括许多板部件48。相应地，触发设备64有选择地触发单独的支架段76且还可有选择地使相应的密封段缩回以用于补偿不圆的壳体26或用于补偿归因于不对准或扭曲的偏离中心状态(如在图8和9中所示的)。

参照图10，显示了根据本发明的另一实施例的触发设备80。触发设备80包括至少一个导管或管道82，该导管或管道82具有布置在高压区47处的进口84和布置在低压区49处的出口86，并且，该触发设备80与支架58的歧管72(图6和7)连通。导管90可从高压区47经过支撑部件28和静止的壳体26延伸至低压区49。导管82设有至少一个旁通控制阀88，用于控制穿过导管82的流体流(flow offluid)。阀88可手动地或自动地运行。自动运行可为直接的或者与机器控制器相结合的。

当阀88打开时，与穿过密封包30的转子12与壳体26之间的泄漏相比，导管82为蒸汽流提供了显著地更小的阻力。换言之，当阀88打开时，导管82有助于平衡分别邻近进口84和出口86的压力P1和P2，允许密封包30相对于支撑部件28缩回。阀88导引流体围绕顺应性板密封包30以降低越过顺应性板密封包30的压力降。

在蒸汽轮机10的过渡工况(诸如启动或停机运行)下，阀88打开以平衡高压区47和低压区49处的压力P1和P2，并且平衡的压力克服偏压元件57的偏压力，以推动波纹管74和活塞62向上地移动。相应地，顺应性板密封包30在活塞62的影响下缩回(即，打开)。当阀88关闭时，密封包30可被移动至关闭位置。在某些实施例中，只要转子12与密封部分44之间疑有或即将出现摩擦，顺应性板密封包30就可背离支撑部件26而被缩回。

参照图11，显示了根据本发明的另一实施例的促动器90。如所示，促动器90包括成对的弹簧元件92(例如弹簧圈)，其各处于相对应的突出部分38与密封包30的板部件保持器41之间，促动器90还包括至少一个导管或管道82，该导管或管道82具有布置在高压区47处的进口84和布置在低压区49处的出口86。导管82可从高压区47经过支撑部件28和静止的壳体26延伸至低压区49。导管82设有至少一个旁通控制阀88以用于控制穿过导管82的流体流。

当阀88打开，高压区47和低压区49处的压力P1和P2被平衡，并且，弹簧元件92朝向支撑部件28而偏压密封包30并将密封包30保持在打开位置。当阀88关闭时，压力47克服弹簧元件92的偏压力以推动密封组件30朝向转子12移动。因此，密封封闭(sealing closure)则可借助于旁通阀88而被越过(over-ridden)。

尽管本文已经描述了被视为优选的及示例性的本发明的实施例，但是，根据本文的教导内容，本发明的其它变更对于本领域技术人员而言将变得显而易见，因此，当其落入本发明的本质精神和范围内时，所有这些变更应在所附的权利要求中被保护。

Claims (10)

1.一种蒸汽轮机(10)，其包括：

蒸汽轮机壳体(26)；

转子(12)；以及

位于所述壳体与所述转子之间的至少一个顺应性板密封组件(24)，所述顺应性板密封组件包括：

相对于所述壳体静止的支撑部件(28)，

多个板部件(48)，所述板部件(48)可动地安装至所述支撑部件并朝向所述转子而延伸，各板部件相对于所述转子的转动方向倾斜；以及

促动器(32)，该促动器(32)用于有选择地施加压力，以便使所述板部件沿着背离所述转子的方向缩回。

2.根据权利要求1所述的蒸汽轮机，其特征在于，所述至少一个顺应性板密封组件还包括板支撑件，所述板部件安装在所述板支撑件中，其中，所述板支撑件还包括朝向所述转子而延伸的至少一个辅助密封部分。

3.根据权利要求2所述的蒸汽轮机，其特征在于，所述至少一个辅助密封部分在其面对转子的端部上包括可磨损的材料，并且其中，所述转子包括凸出部，所述凸出部相对于所述至少一个辅助密封部分的可磨损的面对转子的端部大致垂直地取向。

4.根据权利要求1所述的蒸汽轮机，其特征在于，所述促动器还包括支架、限定在所述支架的外周表面中的多个孔、在相应的孔中的多个压缩部件，以及附连至所述压缩部件并保持在相应的孔中的多个活塞。

5.根据权利要求4所述的蒸汽轮机，其特征在于，所述促动器还包括触发设备，用于将高压气体传输至所述支架的孔，并推动所述压缩部件朝向所述壳体而移动。

6.根据权利要求4所述的蒸汽轮机，其特征在于，所述促动器还包括用于与所述孔连通的歧管。

7.根据权利要求4所述的蒸汽轮机，其特征在于，所述触发设备包括用于操纵所述活塞的外部压力源。

8.根据权利要求7所述的蒸汽轮机，其特征在于，所述触发设备包括至少一个导管，该导管带有在所述转子的低压区处被布置的出口以及在高压区处被布置的进口。

9.根据权利要求8所述的蒸汽轮机，其特征在于，所述触发设备包括至少一个旁通控制阀，用于控制穿过导管的流体流。

10.一种密封组件，其包括：

位于定子(26)与转子(12)之间的至少一个顺应性板密封组件(24)，所述顺应性板密封组件包括：

相对于所述定子静止的支撑部件(28)，

可动地安装至所述支撑部件的板支撑件(41)；

多个板部件(48)，所述板部件(48)安装至所述板支撑件并朝向所述转子而延伸，各板部件相对于所述转子的转动方向倾斜，其中，所述板支撑件还包括至少一个辅助密封部分(141)，所述辅助密封部分(141)朝向所述转子而延伸并在面对转子的端部上包括可磨损的材料(52)，并且其中，所述转子设有凸出部(54)，该凸出部(54)相对于所述辅助密封部分大致垂直地取向；以及

促动器(32)，该促动器(32)用于有选择地施加压力以便使所述板部件沿着背离所述转子的方向缩回。

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