CN102410050A - 用于涡轮机的密封组件和其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机的密封组件和其组装方法。具体而言，本发明提供了一种用于涡轮机中的密封组件(152)。该密封组件包括可旋转元件(140)，其具有周向地限定于其中的至少一个通道(142，163)；以及定位于该至少一个通道内的至少一个密封元件(152)，该至少一个密封元件围绕该可旋转元件沿周向延伸并限定基本弯曲的通路。

Description

用于涡轮机的密封组件和其组装方法
技术领域
本发明大体而言涉及涡轮机，并且更特定而言涉及用于涡轮机的密封组件。
背景技术
已知的涡轮机包括限定的流动通路。举例而言，至少某些已知的蒸汽涡轮发动机包括延伸穿过其的限定的蒸汽通路。蒸汽泄漏可向蒸汽通路或者从蒸汽通路发生，以及从更高压力的区域向更低压力的区域发生。这种泄漏可不利地影响涡轮的操作信用(operating affiance)。举例而言，发生于涡轮中的在涡轮的旋转转子轴与周围涡轮壳体之间的蒸汽通路泄漏可降低涡轮的总体效率。同样，在壳与延伸于相邻涡轮之间的壳体的一部分之间的蒸汽通路泄漏也可降低蒸汽涡轮的总体效率。随着时间过去，蒸汽涡轮的操作效率的降低可导致增加的燃料成本。
为了减少流动通路泄漏的量，至少某些已知的涡轮机使用流约束装置，例如密封件和流阻挡器。这些流约束装置通常减小流可泄漏经过的区域的总体大小并且因此减少泄漏量。举例而言，刀刃式密封(knife-edge seal)可被用于可旋转构件与静止构件之间的腔空间中以最大程度地减少流泄漏。已知的刀刃式密封由简单的二维形状(例如梯形或矩形)形成。这种刀刃式密封沿着旋转轴线大体上平地延伸。为了降低流泄漏，显著地减小密封齿的顶部与相对的表面之间的间隙。但是，在已知的涡轮机中，因为流具有高切向速度，所以，在流朝下游间隙区域移动时，流可沿着表面或壁“打滑”。这种“打滑”可抑制已知刀刃式密封的效果，使得可能不在这些区域中显著地降低流泄漏。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种组装用于涡轮机中的密封组件的方法。该方法包括使至少一个密封元件定位于至少一个通道中，该至少一个密封元件包括限定于其中的基本弯曲的流动通路，该至少一个通道限定于涡轮机的可旋转元件中。该密封元件围绕可旋转元件沿周向延伸，从而使得密封元件延伸到限定于可旋转元件与静止元件之间的腔内。这有助于显著减少从腔的上游区域到腔的下游区域的流泄漏。
在另一实施例中，提供了一种用于涡轮机中的密封组件。该密封组件包括至少一个密封元件，其包括限定于其中的基本弯曲的流动通路。该密封元件的大小和形状形成为用以定位于至少一个通道内，该至少一个通道限定于涡轮机的可旋转元件中。此外，该密封元件基本包绕可旋转元件，从而使得密封元件延伸到限定于可旋转元件与静止元件之间的腔内。这有助于显著减少从腔的上游区域到腔的下游区域的流泄漏。
在进一步的实施例中，提供了一种涡轮机。该涡轮机包括可旋转元件，该可旋转元件具有周向地限定于其中的至少一个通道。该涡轮机包括静止元件，该静止元件至少部分地包绕该可旋转元件，从而使得该静止元件与可旋转元件在它们之间至少部分地限定腔。此外，包括至少一个密封元件，其包括限定于其中的基本弯曲的流动通路。该密封元件的大小和形状形成为用以定位于通道内。此外，该密封元件基本包绕该可旋转元件，以便于显著地减少从腔的上游区域到腔的下游区域的流泄漏。
附图说明
图1是已知的示例性反流式蒸汽涡轮发动机(opposed-flow steamturbine engine)的截面示意图；
图2是可用于图1中所示的涡轮发动机的示例性高压(HP)部段的一部分的截面示意图；
图3是可用于图2中所示的HP部段并沿着线3-3得到的密封组件的一部分的局部透视分解图；以及
图4是示出组装图2中所示的密封组件的一示例性方法的流程图。
项目清单
Figure BSA00000586456100031
Figure BSA00000586456100041
Figure BSA00000586456100051
具体实施方式
本文所述的示例性方法、设备和系统克服了与已知涡轮机相关联的缺点，已知涡轮机可操作带有涡轮机本身和/或其相关联的硬件构件内的流体泄漏。本文所述的实施例提供了一种用于涡轮机的密封组件，其显著地减少该机械中的流体泄漏，而这会改进涡轮性能。更具体而言，本文所述的密封组件包括至少一个密封元件，其包括限定于其中的基本弯曲的流动通路，并且该密封元件位于涡轮机的可旋转元件上，例如存在于燃气涡轮发动机的压缩机中或蒸汽涡轮发动机的转子轴上的可旋转元件。
图1示出一示例性反流式蒸汽涡轮发动机100的截面示意图，其包括高压(HP)部段102和中压(IP)部段104。虽然图1描述了一种示例性蒸汽涡轮发动机，但是，应当注意，本文所述的密封组件和方法并不限于任一特定的涡轮发动机。本领域普通技术人员应当理解，本发明可用于允许这样的设备和方法的任何合适构造下的任何涡轮机。
在该示例性实施例中，HP壳106轴向地分成相应的上半部段108和下半部段110。同样，IP壳或壳体112轴向地分成相应的上半部段114和下半部段116。在该示例性实施例中，壳106和108为内壳体。或者，壳106和108可为外壳体。位于HP部段102与IP部段104之间的中央部段118包括高压蒸汽入口120和中压蒸汽入口112。在壳体106和122内，HP部段102和IP部段104分别布置在由轴颈轴承126和128支承的单轴承跨距中。蒸汽密封组件130和132分别联接于每个轴颈轴承126和128的内侧。
环形部段分隔件134从中央部段118沿径向向内朝可旋转元件140延伸。在该示例性实施例中，可旋转元件140为转子轴。可旋转元件140在HP部段102与IP部段104之间延伸。更具体而言，分隔件134在第一HP部段入口喷嘴136与第一IP部段入口喷嘴138之间包绕可旋转元件140的一部分。分隔件134至少部分地插入限定于封装壳体144中的通道142中。更具体而言，在该示例性实施例中，通道142为C形通道142，其径向地延伸到封装壳体144内并围绕封装壳体144的外圆周延伸，从而使得通道142的中心开口(图1中未示出)径向地朝向外部。
在操作期间，高压蒸汽入口120从蒸汽源(例如动力锅炉(图1中未示出))接收高压和高温的蒸汽。蒸汽从入口喷嘴136引导通过HP部段102，其中来自蒸汽的功引起元件140的旋转。在该示例性实施例中，蒸汽撞击联接至可旋转元件140的多个涡轮叶片或动叶(图1中未示出)。在该示例性实施例中，每组动叶位于密封组件(图1中未示出)附近，其有助于将蒸汽引导至相关联的动叶。蒸汽离开HP部段102并返回锅炉，其在锅炉中被再次加热。再加热的蒸汽然后被传送到IP蒸汽入口122并在比进入HP部段102的蒸汽更低的压力下但在近似等于进入HP部段102的蒸汽的温度的温度下返回IP部段104。在基本类似于用于HP部段102的方式下从IP部段104中的蒸汽提取功。因此，HP部段102内的操作压力高于IP部段104内的操作压力，从而使得HP部段102内的蒸汽倾向于通过限定于HP部段102与IP部段104之间的泄漏通路朝IP部段104流动。一种这样的泄漏通路可限定为沿着可旋转元件140穿过封装壳体144沿轴向延伸。
在该示例性实施例中，蒸汽涡轮100为反流式HP和IP蒸汽涡轮发动机。或者，蒸汽涡轮100可与任何其它涡轮(包括但不限于低压涡轮)一起使用。此外，本发明并不限于用于反流式蒸汽涡轮，而是可用于任何蒸汽涡轮构造，包括(但不限于)单流或双流蒸汽涡轮发动机。此外，如上文所论述的那样，本发明并不限于仅用于蒸汽涡轮发动机，并且可用于其它涡轮系统中，例如燃气涡轮发动机。
图2是可用于蒸汽涡轮发动机100(在图1中示出)的示例性HP部段143的一部分的截面示意图。在该示例性实施例中，HP部段143包括上半壳体(图2中未示出)，当部段102完全组装时，该上半壳体被栓接至下半壳体(图2中未示出)。喷嘴载体顶部半件150与上半壳体配合，使得载体顶部半件150作用为壳体的径向向内的延伸部。HP部段143还包括可旋转元件140、密封组件152、环形凹槽153和静止元件155。喷嘴载体顶部半件150经由凹槽153提供对喷嘴138(在图1中示出)以及对静止元件155的支承。喷嘴载体底部半件(图2中未示出)联接至下半壳体，并以类似于喷嘴载体顶部半件150的方式容纳喷嘴138和可旋转元件140。HP部段143还包括固定地联接至可旋转元件140的可旋转的涡轮叶片或动叶组件(图2中未示出)。
在该示例性实施例中，可旋转元件140具有周向地限定于其中的至少一个通道163。可旋转元件140还包括表面166。在该示例性实施例中，可旋转元件140包括周向地限定于其中的四个通道。或者，可旋转元件140可包括能使可旋转元件140如本文所述起作用的任意数量的通道163。
静止元件155具有径向外部156、喷嘴部分158和径向内部160。静止元件155至少部分地包绕可旋转元件140，从而使得静止元件155和可旋转元件140在它们之间至少部分地限定腔162。
密封组件152包括基本包绕可旋转元件140的至少一个密封元件164。此外，密封元件164至少部分地插入通道163内。或者，密封元件164可与可旋转元件140整体地形成，从而使得密封元件164整体地形成于通道163内。在该示例性实施例中，密封元件164的大小和形状形成为用以定位于通道163中，从而使得密封元件164从通道163沿径向向外延伸一定距离167到腔162内。此外，在该示例性实施例中，每个密封元件164在其中限定基本弯曲的流动通路。
在该示例性实施例中，密封组件152包括四个密封元件164，每个密封元件164至少部分地插入单独的通道163内。或者，密封组件152可包括能使组件152如本文所述起作用的任意多个密封元件163。
在操作期间，蒸汽经由HP部段蒸汽入口120(在图1中示出)进入部段143且被引导通过部段102，如由箭头180所示的那样。入口喷嘴136(在图1中示出)和相关联的动叶组件(图2中未示出)限定发动机100的第一级。入口喷嘴136和喷嘴158有助于朝动叶组件引导蒸汽。更具体而言，蒸汽从上游区域177流经喷嘴部分158到下游区域179，如由相关联的箭头176所示的那样。蒸汽还从腔162的上游区域190流经腔162到腔162的下游区域192，如由相关联的箭头180所示的那样。
当蒸汽流被引导通过腔162时，该流与密封元件164接触。密封元件164包括限定于其中的基本弯曲的流动通路，其有助于减少通过腔162的流。更具体而言，密封元件164破坏流沿表面166“打滑”的能力，其显著地减少从腔162的上游区域190到腔的下游区域192的流泄漏。蒸汽流然后跨过喷嘴部分158转移。
图3示出沿着线3-3(在图2中示出)得到的密封组件152的一部分的局部透视分解图。密封元件164位于通道163内。更具体而言，在该示例性实施例中，三个密封元件164各自位于单独的通道163内。此外，在该示例性实施例中，一个密封元件190被显示为位于距通道163一定距离处，以允许本文中描述的密封元件164。
每个通道163形成为带有延伸穿过其的中心线203或对称轴线。此外，每个通道163形成有上游部分204和下游部分206，上游部分204和下游部分206各自从中心线沿轴向延伸一定距离207。上游通道部分204和下游通道部分206各自从中心线203沿轴向延伸。在该示例性实施例中，下游通道部分206与上游通道部分204关于中心线203基本对称地排列。
密封元件164具有限定于其上的中心线208或对称轴线。中心线208与通道中心线203基本共线。更具体而言，每个密封元件164基本居中地位于通道163内。
此外，在该示例性实施例中，密封元件164形成有上游部分210和下游部分212，上游部分210和下游部分212各自从通道中心线203沿轴向延伸，从而使得下游部分212与上游部分210基本对准并关于中心线203基本对准。或者，下游部分212和/或上游部分210可以倾斜方式对准和/或可不关于中心线203基本对称。
在该示例性实施例中，每个密封元件164具有基本三维的形状和限定于其中的基本弯曲的流动通路。此外，每个密封元件164包括第一部分214和第二部分216，第一部分214在第一方向上从通道中心线203沿轴向延伸一定距离215，第二部分216在第二方向上从通道中心线203沿轴向延伸一定距离217，并且第二方向不同于第一方向。举例而言，如图3中所示，第二部分216在与第一部分214相反的方向上延伸，从而使得密封元件164形成有大体上正弦的形状。
图4是示出组装密封组件(例如密封组件152(在图2和图3中示出)的)的一示例性方法300的流程图。该方法300包括使至少一个密封元件164(在图2和图3中示出)定位302于至少一个通道163(在图2和图3中示出)内，该至少一个密封元件164包括限定于其中的基本弯曲的流动通路，该至少一个通道163限定于可旋转元件140(在图1、图2和图3中示出)中。
使密封元件164围绕可旋转元件140延伸304，从而使得密封元件164延伸到限定于可旋转元件140与静止元件155(在图2中示出)之间的腔162(在图2中示出)内，以便于显著地减少从腔162的上游区域190(在图2中示出)到腔162的下游区域192(在图2中示出)的流泄漏。
使密封元件164至少部分地插入306通道162内，从而使得密封元件164从通道163沿径向向外延伸。或者，密封元件164可与可旋转元件140整体地形成308。
此外，当密封元件164定位302于通道163内时，密封元件164定位310成使得密封元件164基本居中位于通道163内。
此外，密封元件164的上游部分210(在图3中示出)和密封元件164的下游部分212(在图3中示出)各自定位312成从通道163的中心线203(在图3中示出)沿轴向延伸。此外，密封元件164的第一部分214(在图3中示出)在第一方向上从通道中心线203沿轴向延伸314并且密封元件的第二部分216(在图3中示出)在与第一部分214相反的方向上从通道中心线203沿轴向延伸。此外，当至少一个密封元件164定位302于通道163内时，具有基本正弦形状的至少一个密封元件164定位316于通道163内。
用于本文所述的密封组件的方法和设备有助于促进涡轮机的操作并且提供比目前所用的已知密封件和流阻挡器更牢靠的涡轮机密封构造。更具体而言，上文所述的实施例提供了一种用于涡轮机中的密封组件，其显著地减少该机械内的流体泄漏。该密封组件利用位于涡轮机的可旋转元件上的密封元件。该密封元件具有基本三维的形状并且限定基本弯曲的流动通路。密封元件破坏流沿着可旋转元件的表面打滑的能力，这因而显著地减少流泄漏。这样的密封构造有助于涡轮机的效率、可靠性和降低的维护成本。
上文中详细地描述了与涡轮机相关联的密封组件的示例性实施例。方法、设备和系统不限于本文所述的特定实施例，也不限于特定图示的密封组件。虽然关于各种特定实施例描述了本发明，但是，本领域技术人员应认识到，本发明可在所附权利要求的精神和范围内带有修改而实践。
虽然在某些附图中示出但未在其它附图中示出本发明的各种实施例的特定特征，但是，这只是出于方便起见。另外，在上文的描述中对“一个实施例”的参考不意图被理解为排除也包括所述特征的另外实施例的存在。根据本发明的原理，附图的任何特征可结合任何其它附图的任何特征而参考和/或进行权利要求。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机中的密封组件(152)，所述密封组件包括：
可旋转元件(140)，所述可旋转元件(140)具有周向地限定于其中的至少一个通道(142，163)；以及
至少一个密封元件(152)，所述至少一个密封元件(152)定位于所述至少一个通道内，所述至少一个密封元件围绕所述可旋转元件沿周向延伸并且限定基本弯曲的通路。
2.根据权利要求1所述的密封组件(152)，其特征在于，所述至少一个密封元件(164)定位于所述通道(142，163)内，从而使得所述至少一个密封元件从所述至少一个通道沿径向延伸。
3.根据权利要求1所述的密封组件(152)，其特征在于，所述至少一个密封元件(164)与所述旋转元件(140)整体地形成。
4.根据权利要求1所述的密封组件(152)，其特征在于，所述至少一个通道(142，163)包括限定于其中的中心线(203)，所述至少一个通道包括从所述通道中心线沿轴向延伸的上游部分(210)以及从所述通道中心线沿轴向延伸的下游部分(212)，其中，所述下游通道部分(206)与所述上游通道部分(204)关于所述通道中心线(208)基本对称。
5.根据权利要求4所述的密封组件(152)，其特征在于，所述至少一个密封元件(164)包括限定于其上的中心线(203)，所述中心线(203)与所述通道中心线(208)基本一致。
6.根据权利要求5所述的密封组件(152)，其特征在于，所述至少一个密封元件包括从所述密封元件中心线(203)沿轴向延伸的上游部分(210)以及从所述密封元件中心线沿轴向延伸的下游部分(212)，所述至少一个密封元件的所述上游部分的至少一部分定位于所述下游通道部分(206)的至少一部分内。
7.根据权利要求6所述的密封组件(152)，其特征在于，所述至少一个密封元件(164)还包括：
第一部分(214)，所述第一部分(214)在第一方向上从所述通道中心线(203)沿轴向延伸；以及
第二部分(216)，所述第二部分(216)在第二方向上从所述通道中心线(208)沿轴向延伸，其中，所述第二方向不同于所述第一方向。
8.根据权利要求1所述的密封组件(152)，其特征在于，所述至少一个密封元件(164)具有基本正弦的形状。
9.一种涡轮机，包括：
可旋转元件(140)，所述可旋转元件(140)具有周向地限定于其中的至少一个通道(142，163)；
静止元件(155)，所述静止元件(155)基本包绕所述可旋转元件，所述静止元件与所述可旋转元件在其之间至少部分地限定腔(162)；以及
至少一个密封元件(164)，所述至少一个密封元件(164)位于所述至少一个通道内，所述至少一个密封元件绕所述可旋转元件沿周向延伸并且限定基本弯曲的通路。
10.根据权利要求9所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个通道(142，163)包括限定于其中的中心线(203)，所述至少一个通道包括从所述通道中心线(208)沿轴向延伸的上游部分(210)以及从所述通道中心线(208)沿轴向延伸的下游部分(212)，其中，所述下游通道部分(206)与所述上游通道部分关于所述通道中心线基本对称，所述至少一个密封元件包括限定于其上的中心线，所述中心线与所述通道中心线基本一致。
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