CN102086783A - 压力平衡的低摩擦密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力平衡的低摩擦密封件，具体而言，一种压力平衡密封件(110)包括面朝向内的径向方向的密封面(116)和包括与定子交界的至少一个表面的定子界面。该压力平衡密封件(110)还包括摩擦减少特征(120)。该摩擦减少特征(120)包括在密封面(116)上的腔。该腔(120)被构造为接受流体，使得作用在压力平衡密封件(110)上的法向力被由流体的压力所产生的力所平衡。

Description

压力平衡的低摩擦密封件

技术领域

本发明一般地涉及密封件领域，并且更特别地，涉及用于在具有包括轴向运动的相对运动的元件之间获得压力平衡的密封件的系统和方法。

背景技术

活塞环已广泛用在燃气涡轮发动机中具有轴向运动的活塞和静止的室之间，以防止从具有高压的部分到具有低压的部分的泄漏。此相同的压力起作用来抵靠活塞推动环并且引起摩擦负载。在燃气或蒸汽涡轮机的启动过程期间，因为可存在变化的压力水平，产生的作用在活塞环上的压力可在很大程度上变化。随着压力增大，活塞环和活塞之间产生的摩擦增大。

因此，存在对开发更有效的技术以减少涡轮机中具有相对的轴向运动的元件之间的摩擦的需要。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种压力平衡密封件。该压力平衡密封件包括面朝向内的径向方向的密封面，和包括与定子交界的至少一个表面的定子界面。该压力平衡密封件还包括摩擦减少特征(结构/部件(feature))。该摩擦减少特征包括密封面上的腔。该腔被构造为接受流体，使得作用在压力平衡密封件上的法向力被流体的压力所产生的力平衡。

在一个实施例中，压力平衡密封件被结合在蒸汽涡轮机中。

根据另一实施例，提供了一种用于装配包括定子、转子和非接触的表面密封组件的大型涡轮机的方法。该用于装配涡轮机的方法包括提供至少包括第一密封元件和第二密封元件的压力平衡密封件。然后，将该至少一个密封元件安置在定子组件内的环形空隙内。

附图说明

当参考附图阅读下文的详细描述时，本发明的这些和其它特性、方面以及优点将变得更好地理解，贯穿附图中相似的符号代表相似的部件，其中：

图1图示了体现本发明的一方面的密封组件的局部透视图和一部分的放大视图。

图2是在图1的密封组件的环形腔内的压力平衡密封件的侧视图。

图3是图1的压力平衡密封件的局部前视图。

图4是体现了本发明的另一方面的压力平衡密封件的局部视图。

图5是图示了根据本发明的若干方面的压力平衡密封件的通孔构造的压力平衡密封件的侧视图。

部件清单：

100密封组件

102第一定子元件

104第二定子元件

106102和104之间的环形空隙

108防旋转特征，或保持器槽

110压力平衡密封件，或活塞环

112重叠部

114与第一定子元件交界的第一表面

116面朝用于活塞的运动的内部圆柱形中空体积的密封面

118与第二定子元件交界的第二表面

120摩擦减少特征——116上的腔或槽

121槽120的起(或端)点

122通孔或孔

124与表面116相反的后表面

126114和124的边缘上的轮廓——斜面

128沿着密封元件140的第二表面118的凸出部

130第一密封元件

140第二密封元件

150作用在斜面126的表面上的力

152作用在后表面124上的力

154在向外的径向方向上作用在凸出部128上的力

160轴向方向

170径向方向

400压力平衡的密封元件的第二实施例

402重叠部

404第一表面

406密封面

408第二表面

410406上的槽

411槽410的起(或端)点

412缺口

414后表面

416斜面

418沿着密封元件400的第二表面408的凸出部

500在后表面124处出现的来自腔120的通孔

502在倒角126处出现的来自腔120的通孔

504在第二表面118处出现的来自腔120的通孔

具体实施方式

如本文所用，以单数叙述并且前面有用词“一”或“一个”的元件或功能应理解为不排除多个所述的元件或功能，除非此类排除被明确地叙述。此外，对要求保护的发明的“一个实施例”的提及不应理解为排除了也结合了所述特征的另外的实施例的存在。

图1是可用于例如蒸汽涡轮机中的体现了本发明的一方面的密封组件100的局部横截面视图。图1图示了定子的第一定子元件102和第二定子元件104、在定子元件102、104之间的环形空隙106和至少部分地安置在该环形空隙106内的辅助压力平衡密封件110。图示的定子元件102、104限定了用于沿着轴向方向160的活塞(未显示)的运动的圆柱形体积。径向方向在图1中由数字170图示。根据特定的实施例为活塞环110的压力平衡密封件110被构造为在蒸汽涡轮机内提供处在不同压力下的至少两个蒸汽(或空气)腔之间的密封。根据一个实施例，蒸汽涡轮机中的高压区域典型地可包含大约1200°F的温度下的空气和/或蒸汽，以及典型地高至1800psi并且有时高达3000psi的压力差。本领域中的技术人员将领会的是，温度和压力差将随着不同的涡轮机应用而变化。活塞环110包括有包含密封面116的密封界面，以及包括与例如包括定子元件102、104的定子交界的多个表面的定子界面。例如，在图1和图2的图示中，定子界面包括大体上与密封面116相对的后表面124、大体上与第一定子元件102交界的第一表面114以及大体上与第二定子元件104交界的第二表面118。定子界面指的是与定子或定子元件102、104交界的压力平衡密封件110的所有表面。定子(图中仅显示了其一部分)可包括整体单件式定子或可包括两部分(如图1和图2中所示)或可包括多于两部分。定子元件102、104被清楚地标示，仅是为了识别压力平衡密封件110处于其中的环形空隙106。因此，在一个实施例中，定子元件102、104属于定子的单独部分。根据其它实施例，定子元件102、104属于多件式定子的不同的部分，例如如图1中所图示，第一定子元件102和第二定子元件104分别属于两件式定子的第一部分和第二部分。

另外，在图示的示例中，活塞环110即压力平衡密封件110分别被分成基本相等的第一半圆形密封元件130和第二半圆形密封元件140，提供了半分的活塞环。该半分的活塞环110包括通过预设计的重叠部112在第二密封元件140之上延伸的第一密封元件130。如图1中所图示，例如，通过沿着活塞环110的密封面116的紧密匹配的重叠部的轮廓，预设计的重叠部112减少了两个密封元件130和140之间的泄漏。压力平衡密封件110环还可包括至少一个抗旋转特征，例如保持器槽108。根据一个实施例，保持器槽108是在沿着后表面124的预设计的重叠部112内的空间，该空间与来自定子(或定子元件102、104的其中之一)的凸出部(未显示)互锁，并且阻止环形腔106内的活塞环110的相对的圆周运动。此处可理解的是，除非另外陈述，否则关于密封元件140所讨论的概念通常应用于压力平衡密封件110(包括密封元件130)，并且反之亦然。此处还可理解是，尽管图示了半分的压力平衡密封件110，但本发明还可包括带有多于两个密封元件的密封件，或例如沿着完整的环的圆周分段至少一次的完整的环形密封件。

现参考图2，图示了位于环形腔106内的密封元件140的前视图。该密封元件140包括在第一表面114和后表面124的边缘上产生的轮廓，例如斜面126。根据运行优点的其中之一，斜面126起到避免密封元件140和定子部件(包括例如第一定子元件102和第二定子元件104)之间的干涉和互锁。密封元件140还包括从第二表面118垂直地延伸的凸出部128。根据若干实施例，该凸出部128贯穿密封元件140的长度延伸，例如由图3所图示。凸出部128可操作来阻止密封元件140例如在向内的径向方向上从环形腔140移开。斜面126和凸出部128也可操作来阻止压力平衡密封件110的扭曲。例如，斜面126(图2中图示为位于密封件110横截面的左上处)和凸出部128(在图2中图示，从密封件110横截面的左下凸出)可被构造成不同于图2所图示地定位。在一个备选实施例中，斜面126和凸出部128连续地沿着压力平衡密封件110横截面的左下而构造。有利的是，斜面126和凸出部128可定位成调整压力平衡密封件110(或密封元件140)的横截面的重心，使得产生的力在压力平衡密封件110上作用的点和压力平衡密封件110的横截面的重心之间的距离减小。减小该距离降低了密封元件140在环形空隙106内扭曲的可能性。

图2还图示了例如通过在涡轮机(例如，蒸汽涡轮机)的运行期间受压的涡轮机内的流体所形成的在环形腔106内围绕压力平衡密封元件110形成的压力轮廓的示例，使得不同的力作用在包括后表面124、斜面126和凸出部128的定子界面表面上。图2还图示了由环形腔106内的流体压力形成的在密封元件140的定子界面上的力150、152和154的示例。选择活塞环110的最大厚度和对应的槽尺寸来提供小的但有限的空隙。这限制了活塞环110相对于环形空隙106的轴向运动，和在活塞的轴向运动和循环性压力的联合影响下活塞环110横截面的任何扭曲或变形。此处值得注意的是，图示的图并不是按比例的，并且特定方面或特征可为了图示的清晰而夸大。例如，表面114和第一定子元件102，和/或第二表面118(或凸出部128)和第二定子元件118之间的空隙距离在图2中为了便于查看而被放大。

另外，在运行中，密封元件140(通常，以及压力平衡密封件110)的密封面116上的流体压力通常小于在环形腔106内作用在密封元件140上的流体压力。产生的法向力在向内的径向方向上推动密封元件140，抵靠可在轴向方向上移动的活塞(未在图中显示)而压迫密封元件。此类法向力增大了密封元件140和与密封面116交界的活塞之间的摩擦。

现参考图3，图示了体现本发明的一个方面的图1的压力平衡密封件110的密封元件140的局部视图。该密封元件140被构造成放置在图1中所图示的第一定子元件102和第二定子元件104之间的环形空隙106(图1)内。在运行中，在环形空隙106中在密封元件130、140和定子(，包括第一定子元件102和第二定子元件104)之间存在(或在其内形成)高的压力。该高的压力由于压力平衡密封件110的定子界面和定子之间的区域内的流体(例如蒸汽或空气)而产生。密封面116典型地经历在相对较低的压力下的流体，产生了压力平衡密封件110上的净法向力。该法向力在向内的径向方向上作用在压力平衡密封件110上，增加了压力平衡密封件110和活塞之间的摩擦。根据本发明的一个有利的方面，摩擦减少特征120包括在密封面116上用于接收流体的腔120(例如槽)，使得作用在密封元件140上的法向力被腔120中的流体的压力所平衡。在一个更具体的实施例中，如图3中所示，腔120包括在密封元件130、140其中之一的密封面116上的闭合的槽，该槽包括起点121和类似于在图3的密封元件140的密封面116内的起点121的端点(未显示)。就是说，槽120并不继续穿过分离的密封元件，例如图1的分离的密封元件130和140。因此，在运行中，除了如由公开的实施例有利地提供并且在下文中讨论的开口(孔或缺口)以外，槽120限定了在密封表面116上通过活塞表面闭合的(或基本闭合的)腔。换言之，腔120被密封面116的连续的边界所环绕。除了如由公开的实施例有利地提供的开口(例如缺口)以外，在运行期间，沿着密封面116环绕腔120的连续的边界与活塞表面接触。

在由图3所图示的实施例中，摩擦减少特征120还包括从密封面116上的腔120延伸至压力平衡密封件110的定子界面的至少其中一个表面的通孔，也被称为孔122。该孔122提供了更高压力的区域和在例如密封面116的密封/活塞界面处的槽120之间的路径。如所讨论的，在运行中根据一个实施例，除孔122外，槽120提供了在密封面116处基本闭合的腔，并且活塞在接近该密封面116的位置上。

在由图3所图示的实施例中，孔122从在密封面116上的摩擦减少特征120的腔延伸至密封元件140的后表面124。摩擦减少特征120允许接近后表面124的否则被密封的高压流体移动至邻近密封面116的更低压力的区域，并且更具体地，移动至腔120。因此，邻近密封面116的区域中的压力增加，产生了在向外的径向方向上作用在密封元件140之上的力，并且因此减少(或平衡)作用在密封元件140上的净法向力。在密封元件140上的净法向力的减少降低了密封元件140和活塞之间的摩擦。根据一个实施例，图5图示了孔122延伸通过至后表面124，作为孔500出现。根据另一实施例，孔122延伸通过腔120和第二表面118之间，在第二表面118处作为孔504出现。在又另一实施例中，孔122延伸通过至斜面126，并且作为孔502出现。此处会理解的是，孔122起到在靠近压力平衡密封件110的具有变化的压力的区域之间提供路径的作用，并且因此，孔122不限于由图3和5所图示的通孔构造。此处还会理解的是，用语“平衡”指通过引入在相反(反向)方向上的力来减少压力平衡密封件110的净力，并且不必然意味着(除非另外指出)力的完全平衡或无效，使得净力为零。

图4图示了体现本发明的另一方面的密封元件400的局部视图。除了其它特征之外，该密封元件400还包括密封面406、包括第一表面404、第二表面408和后表面414的定子界面。密封元件400还包括摩擦减少特征410，其提供在密封元件400的密封面406上的腔410(例如槽)。槽410包括起点411和在密封元件400的密封面406内的端点(未显示)。摩擦减少特征410还包括至少一个缺口412来提供用于接近密封元件400的高压和低压区域之间的流体的泄漏路径。具体而言，图4图示了在至少两个否则实质上密封的区域之间的泄漏路径，这些区域包括接近密封面406的区域和接近第二表面408的区域。根据不同的实施例，缺口412为沿着密封元件400的表面产生的通道。在该图示的实施例中，缺口412为在密封元件400的密封面406上产生的通道，从而产生用于从第二表面408到密封面406的流体的路径。包括缺口412的摩擦减少特征410允许接近第二表面408的高压流体移动至邻近密封面406的较低的压力的区域，并且更具体而言，至腔410。所以，邻近密封面406的区域中的压力增大，产生了在向外的径向方向上作用在密封元件400上的力，并且因此减少了作用在密封元件400上的净法向力。密封元件400上的净法向力的减少降低了密封元件400和可在轴向方向上移动的活塞之间的摩擦。如所讨论的，在运行中，除缺口412外，槽410提供在密封面406处的实质上闭合的腔，且活塞在接近密封面406的位置上。

如参考图3和图4所讨论的，通过维持接近密封元件140(或400)的高压区域和低压区域之间的压力的动态平衡，摩擦减少特征物理地维持压力补偿机制。另外，贯穿密封元件140的圆周，类似于图3的穿过密封元件140的中平面的孔122的多个径向通孔可用于在环形空隙106内的高压区域和密封面116处的低压区域之间的泄漏路径中连通平均压力。类似地，贯穿密封元件140的圆周，类似于图4的缺口412的多个缺口可用于在环形空隙106内的高压区域和密封面406处的低压区域之间的泄漏路径中连通平均压力。并且，如果需要，缺口和孔可与指定的密封元件一起使用。

再次参考图2和3，斜面126有利地提供了压力平衡密封件110在轴向方向上的改善的压力平衡。第一表面114与第一定子元件102接合来形成辅助密封面。在运行中，在向内的径向方向上存在跨越第一表面114的从上游压力到下游压力的压力下降。斜面126起到减小第一表面114的径向长度的作用，并且因此减少了承受较低压力的第一表面116的面积。例如，如图所示，由于斜面126的存在，在轴向方向上获得了压力平衡密封件(或活塞环)110的改善的压力平衡，使得将活塞环110的第一表面114推向第一定子元件102的力减小。此活塞环110的轴向压力平衡的改善减少了在径向方向上在第一表面114上的摩擦力，并且允许活塞环140在例如环形腔106内在径向方向上相对自由地移动。对活塞环110的径向移动的减小的阻力降低了在运行动态情况下作用在密封面116上的力，这间接地改善了活塞环110的摩擦性能。

如上文所讨论的，压力平衡密封件110和400有各种运行模式，并且有本领域中的技术人员将轻易想到的符合上文所展现的描述并且包括在本发明的范围和精神内的多种情形。此类运行模式提供了若干优势。例如，如图4中所图示的分离的活塞环设计的使用允许转子的水平安装。更具体而言，通过使用由两半组成的活塞环设计，有可能允许在静止的燃气涡轮机和蒸汽涡轮机应用上装配转子。考虑了重叠部的设计来减小活塞环两半之间的泄漏。还提出了阻止密封件的两半的旋转的额外的特性。通过在活塞环中获得压力平衡，所提出的活塞环概念减小了发生在活塞环和活塞表面之间的摩擦力。在起到在非接触的面密封上的辅助密封件作用的环中的摩擦力的减小导致主要密封件的动态响应的改善。

此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域中的技术人员能够制造和使用本发明。本发明的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它实例。如果它们具有并非不同于权利要求的字面语言的结构元件，或如果它们包括并非实质上不同于权利要求的字面语言的等价的结构元件，则此类其它实例意在处在权利要求的范围内。

除非另外限定，否则本文使用的技术和科学用语具有与本发明所属的领域中的技术人员通常所理解的同样的含义。如本文所使用，用语“第一”、“第二”等不指示任何顺序、数量或重要性，而是用来区别一种元件和另一种元件。同样，用语“一”和“一个”不指示数量的限制，而是指示至少一个所指示项的出现，并且，除非另外指出，用语“前”、“后”、“底部”和/或“顶部”仅用于描述的方便，并且不限制于任一位置或空间方向。如果公开了范围，则指向同样的部件或属性的所有范围的端点为包含的并且可独立地联合(例如，“多达大约25wt.％，或更具体而言，大约5wt.％至大约20wt.％”的范围包含端点和“大约5wt.％至大约25wt.％”的范围的所有中间值，等)。与数量结合使用的修饰语“大约”包括所述的值，并且具有由上下文所指示的含义(例如，包括与特定的量的测量相关联的误差度)。

Claims (10)

1.一种压力平衡密封件(110)，其位于包括第一定子元件(102)和第二定子元件(104)的定子的环形腔(106)内，所述压力平衡密封件(110)包括：

面向向内的径向方向的密封面(116)；

包括与所述定子交界的至少一个表面的定子界面；以及

包括在所述密封面(116)上的腔的摩擦减少特征(120)，所述腔被构造为沿着所述密封面(116)的槽(120)，以允许流体从邻近所述定子界面的至少一部分的至少一个更高压力的区域移动至邻近所述密封面(116)的至少一个更低压力的区域，使得作用在所述压力平衡密封件(110)上的法向力被由所述流体的压力产生的力平衡，从而减少所述压力平衡密封件(110)和在轴向方向(160)上运动的活塞之间的摩擦。

2.根据权利要求1所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述摩擦减少特征(120)还包括延伸通过所述活塞环的至少一个通孔(122)，以将来自所述至少一个更高压力的区域的流体提供至接近所述密封面(116)的区域，并且其中所述通孔在所述槽(120)以及所述定子界面的后表面(124)、第二表面(118)和斜面(126)的至少其中一个之间延伸。

3.根据权利要求1所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述摩擦减少特征(120/410)包括从所述密封面(116/406)延伸至第二表面(408)的至少一个缺口(412)。

4.根据权利要求1所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述压力平衡密封件还包括在所述第一表面(114)的边缘上产生的斜面(126)和所述压力平衡密封件(110)的后表面(124)，所述斜面(126)构造成减少所述压力平衡密封件(110)的扭曲的可能性。

5.根据权利要求1所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述压力平衡密封件还包括垂直于第二表面(118)延伸的凸出部(128)，所述凸出部(128)构造成减少所述压力平衡密封件(110)的扭曲的可能性。

6.根据权利要求1所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述压力平衡密封件包括分段至少一次的完整的环，或多段环。

7.根据权利要求6所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述多段环包括以预设计的重叠部(112)在半个第二密封元件(140)之上延伸的半个第一密封元件(130)。

8.根据权利要求6所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述压力平衡密封件还包括构造成阻止所述压力平衡密封件和所述第一定子元件(102)以及所述第二定子元件(104)之间的所述环形空隙(106)的相对旋转的至少一个防旋转特征，其中所述至少一个防旋转特征包括保持器槽(108)和从所述定子凸出的保持器，以阻止所述多段环相对于所述定子的旋转。

9.根据权利要求1所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述腔(120)被沿着所述密封面(116)的连续的边界包围，环绕所述腔(120)的所述连续的边界构造为在运行期间至少部分地接触所述活塞。

10.根据权利要求1所述的压力平衡密封件，其特征在于，所述压力平衡密封件(110)包括在涡轮机内的非接触的面密封组件(100)的活塞环。

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