CN102733865A - 涡轮机的膜控式密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的改进的密封件，具有安装在涡轮机的静止部件上的第一密封表面和安装在涡轮机的旋转部件上的第二密封表面，所述密封表面被如此构造，即，在运行中，在两个密封表面之间生成流体介质的薄膜以减少与如此安装的第一或第二密封表面中的至少一个的接触和/或渗漏，以便当涡轮机静止或者处于缓慢的转速时其经受打开密封件的缩回力并且在涡轮机处于操作转速时经受抵消所述缩回力的作用力。密封表面的表面可能结合有实质上直边或者螺旋状的图案以协助将流体引导到间隙中并维持流体薄膜。

Description

涡轮机的膜控式密封件

技术领域

本发明涉及一种安装在涡轮机的旋转部件和静止部件之间，特别是安装在旋转的涡轮机叶片的末端和静止的外壳或其延伸部之间的密封件。

背景技术

在以下说明中，术语“涡轮机”用来指旋转发动机，其具有通过例如水或者气体的流体介质进行力接合的定子和旋转部件。对于本发明，特别感兴趣的是轴流式涡轮机，其包括与径向安装的运动的转子叶片交替的径向地固定安装的定子叶片或者桨叶。运动通常是指相对于外壳或者机壳的运动。

涡轮机的许多部件由于流体介质漏入到所要求流动路径外的涡轮机的部件中而遭遇效率损失。重要的泄漏路径例如位于转子和外壳之间、或者位于静止的叶片或导向桨叶的末端和转子之间。在涡轮机的设计和运行中所遇到的另一个问题是转子叶片的末端和外壳之间的泄漏。径流式涡轮机的运行需要在转动的运行叶片和静止的壁外壳之间有最小的末端间隙。该间隙产生了由压力侧和吸入侧之间的压力差所驱动的漏流。同样的问题出现在平衡活塞的区域中的涡轮转子和外壳之间，并且为了清楚起见在本文中被归入到末端泄漏下。

为了减少泄漏且特别是末端泄漏，公知的是通过合适的密封件来封闭旋转部件和静止部件之间的间隙。用于该目的的最常见的密封型式是迷宫式密封。迷宫式密封一般具有位于一个部件上的许多径向延伸的环形刀片和位于另一部件上的相应的环状密封表面或者螺纹或凹槽的布置。所有的变型具有为流体通过间隙提供弯曲路径的常见特征。对于涡轮机，密封件经常呈现为通常如位于外壳内部并被外壳支承的二等分或者四等分的区段所组装成的一完整的环状。

因为迷宫式密封是众所周知的，所以对于本发明的目的，强调所述密封是需要精密的尺寸公差以正确地运行的复杂形状就足够了。密封件的一部分从其默认位置的任何运动或者在运行期间的磨损通常导致运动部件和静止部件之间泄漏或者摩擦的显著增加。

为了适应在叶片的径向膨胀或者收缩的情况下密封件的部件的相对运动，某些密封件被组装成弹簧加载式包装。在弹簧加载式密封件中，弹力将密封件的一部分推靠到另一部分上，从而当移动的叶片收缩或者膨胀时避免了扩大间隙或者过大的摩擦。

对于迷宫式密封的已知备选方案是刷式密封和指状密封。所述密封通常包括安装在一个部件上的许多挠性元件，其与另一部件上的合适表面形成密封。

另一已知的备选方案是具有两个接合表面的膜控式密封(film ridingseal)，虽然通常其很少被应用。当涡轮机转动时，在表面之间产生了具有较小提升力的流体薄膜以保持它们分开。一般，在密封设计中包括弹性构件以施加回复力，其反抗提升力并且维持密封表面之间大致恒定的间隙。

然而，假定膜控式密封需要非常精确的加工和对密封表面及其距离的控制，所以没有发现该特殊类型的密封在发电行业中的广泛应用。因此，本发明的目的是改进已知的膜控式密封以适应大型涡轮机(特别是当用于公共电网的发电中的大型蒸汽涡轮机)要求的环境。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种用于涡轮机的密封件，其包括安装在涡轮机的静止部件上的第一密封表面和安装在涡轮机的旋转部件上的第二密封表面，所述表面被构造成在运行中在两个表面之间产生流体介质的薄膜以减小接触和/或泄漏，所述第一或第二密封表面中的至少一个被安装成，第一或第二密封表面中的至少一个当涡轮机静止或者处于缓慢转速时经受打开密封件的缩回力并且在涡轮机处于工作转速时经受抵销缩回力的力。

在本发明的一优选变型中，密封表面被安装在涡轮机叶片的罩盖或末端和邻近的涡轮机的静止部件处。

在本发明的一优选变型中，至少一个表面被连接至流体供给线路，该流体供给线路将加压液体供给到密封表面后面的空间内，从而当涡轮机处于工作转速时流体的压力提供抵销缩回力的力。

密封表面中的至少一个表面可以形成有例如直的或者螺旋形的台阶以协助引导流体进入间隙中并且协助维持流体薄膜。

在本发明的上述方面的另一优选实施例中，至少一个密封表面被安装在能够在支承结构内部沿轴向扩展的承载件上。在该实施例的一变型中，承载件由外壳支承。

在本发明的上述方面的另一实施例中，至少一个密封表面安装有挠性构件以提供作用来脱开两个密封表面的缩回力。

在本发明的上述方面的另一实施例中，两个密封表面垂直于涡轮机的轴向方向安装。该实施例的特殊优点是在不影响密封表面之间的间隙宽度的情况下适应涡轮机叶片的大量的径向膨胀或者收缩。

在该实施例的备选方案中，两个密封表面可以垂直于涡轮机的径向方向安装。所述实施例具有更少受密封部件在轴向方向上的相对位移的影响的优点。

在本发明的上述变型中，流体供给线路可以穿过转动叶片的罩盖或者穿过由外壳支承的(静止)承载件。在前一种情况下，流体线路提供了从叶片的上游侧进入密封表面后面的空间内的管道，而在后一种情况下，管道连接涡轮机的上游段与密封表面后面的空间。

在上述变型的一更优选实施例中，流体线路包括周向的(相对于涡轮机的主轴线)凹槽或者沟道。

在另一优选实施例中，密封件被设置为成对的薄膜密封表面，优选被如此安装在外壳或者静止的膜片(diaphragm)上，即，沿轴向方向将转动的末端相对于两侧密封。

还可行的是，为转动叶片的末端或罩盖设置另外的延伸构件以使叶片的末端或罩盖和外壳之间的间隙变窄。所述延伸部可以采取翅片和端头的形式并且可以被用作密封表面之一的承载件的一部分或者用作例如邻近于膜控式密封放置的迷宫式密封的另外密封的承载件。

本发明的所述和进一步的方面从以下的详细描述和如下所列的图中变得显而易见了。

附图说明

现在参照附图来描述本发明的示例实施例，其中：

图1描绘了(已知的)蒸汽涡轮机的示意性横截面以图解本发明所处的环境；

图2A和2B显示了根据本发明的、沿轴向方向定向且通过旋转涡轮叶片的罩盖供给蒸汽的膜控式密封的示意性实例；

图3示意性地显示了根据本发明的、沿轴向方向定向且通过连接至静止外壳的密封表面的承载件供给蒸汽的膜控式密封；

图4示意性地显示了根据本发明的、沿轴向方向定向且通过密封表面的静止承载件供给蒸汽的膜控式密封，该密封表面具有成对地设置的两个密封件以改善轴向密封；

图5示意性地显示了根据本发明的、放置在沿径向方向定向的罩盖的延伸部上且通过连接至静止外壳的密封表面的承载件供给蒸汽的膜控式密封；

图6显示了根据本发明的膜控式密封的另一实例，其沿径向方向定向、通过连接至位于放置在端头上的辅助密封件之间的静止外壳的密封表面的承载件来供给蒸汽；以及

图7以示意性横截面显示了形成膜控式密封的表面结构的实例。

具体实施方式

首先，在以下涉及如图1所示的所谓的“紧凑式膜片”设计的描述中更详细地描述了本发明的方面和实例的细节，其再现了共同拥有的公开的美国专利申请号2008/0170939中的图2的有关特征。

图1中示出了轴流式涡轮机的局部径向截面草图，显示了在蒸汽涡轮机中位于运动叶片12、13的相继环形排之间的固定叶片或者膜片的环的剖面。运动叶片各设有径向内部“T形根”部分14、15，该“T形根”部分14、15位于在转子鼓18的边缘中加工的相应狭槽16、17中。它们的末端还设有被称为罩盖19、20的径向外部构件。在所示的实例中，罩盖承载迷宫式密封的运动部件。界定出的分段环21、22支承密封件的静止部分。它们被刚性连接到上游和下游的膜片环33、34上，所述膜片环33、34进而被安装在涡轮机的外壳10的内部。连接到膜片环33、34上的是静止的桨叶30、31。如已知的，叶片末端或罩盖19、20和环21、22之间的密封件由唇缘或者翅片23、24实现，所述唇缘或者翅片23、24被嵌塞到在分段环21、22中加工出的凹槽内，从而形成了传统的迷宫式密封。

在以下描述中，通过以下参照图2-5详细描述的各种配置的膜控式密封来替代图1的迷宫式密封。在全部图中，当可能时，具有类似功能的类似构件或多个构件由相同的附图标记来标识。

参见图2A，示出了旋转涡轮机叶片的末端区段13具有罩盖20，该罩盖20载有径向延伸构件201。安装到该延伸部件上的是膜控式密封24的第一密封表面或者运转表面241。密封表面241垂直于轴向方向定向。与第一密封表面或者运转表面241并置的是第二密封表面242，其实际上是密封垫243的一部分。旋转密封表面241一般包括硬涂层，而静止的密封表面242一般是由更软的材料制成的，其可以依据工作温度从例如PTFE的聚合物材料变化到钢或者碳。

密封垫243安装在较大的承载件构件22的凹进部内。弹簧构件244提供较小的力以使承载件22居中并且在没有任何其他力的情况下推动密封表面相接触，例如，在涡轮机启动期间。承载件22驻留在外壳10或者连接至外壳的部件(例如，外部膜片)内的狭槽内。狭槽留有间隙地支承承载件以适应在外壳10内沿承载件结构的轴向方向上的(热)膨胀。

由穿过径向延伸构件201和罩盖20的多个孔来提供供给线路202，以将蒸汽从上游侧(具有高压)导向到密封表面241、242之间的间隙中。在其入口点，孔202最好被弯曲成这样的角度，即，指向上游侧上的旋转方向以利用速度头。

应当注意到，所示的孔纯粹是示意性的，并且其路径将取决于几个设计参数。这些参数包括罩盖的尺寸、压力差等。孔的理想轨迹很可能是从上游侧上的压力较高的位置至沟道203的直线路，其沿膜控式密封件24的周向的第一密封表面或者运转表面241均匀地分配高压流体。

在工作条件下，蒸汽从较高压力侧进入供给管202以被排出到分配沟道203并且进入密封表面241、242之间的间隙中，由于叶片的末端或罩盖20周围的压力损失，该间隙一般处于较低压力。流体的该喷射与密封表面241、242的相对转动及任何表面结构一起在该区段中的转动部件与静止部件之间形成了流体薄膜。该薄膜在宽度方面上是某种程度自动调节的并且密封间隙可以被维持在非常小的公差内。

当相对的密封表面241、242垂直于轴向方向时，它们能容许叶片沿径向方向的显著运动。任何径向膨胀或者收缩基本上仅引起密封表面241、242的横向偏移，而不会加宽两者之间的间隙。结果，轴向定向的膜控式密封被看作可能克服迄今为止阻碍该密封技术在涡轮机工业中应用的重要障碍中的一个。

图2B中示出了图2A的实例的变型。在这里，引入弹簧构件245以直接作用在密封垫243上。弹簧以很小的闭合力作用在垫上并且可以替换图2A中所示的对中(centralizing)弹簧构件244或者与其结合作用。以上已经描述了图2B的其他构件。

图3中示出了上述实例的替代方案。在这里，流体供给管202被从具有较高压力的上游级导向通过静止的承载件区段22。加压流体被引导到密封垫243后面的空间内。在密封垫243和承载件22之间使用波纹或者弹簧构件246，以偏压密封件并且通过提供缩回力来确保在涡轮机启动或者其他非运行事件期间密封件的位置。

如上述实例，相对的密封表面241、242也垂直于轴向方向定向，并且从而能容许叶片沿径向方向的移动。

图4中示出了图3的实例的变型。在图4的实例中，罩盖20的径向延伸部201设置在一对膜控式密封件24、24’的旋转表面之间并且承载所述旋转表面。密封件24、24’中的每个用与上述图3的密封件24相同的方法来构造，并且用相同的附图标记表示相同的构件。图4的变型提供了改进的密封，其更容许部件沿轴线方向的相对运动。

在不同的设计约束条件下，提供沿径向方向定向的膜控式密封件可能是重要的。带有该定向的密封件具有对涡轮机转子的轴向运动的更大容忍度。在以下的图5中示出了为该目的设计的实施例的实例。

在由图5所图解的实例中，密封件24被安装在承载件22内的凹槽中，并且与其垂直于径向方向的密封表面241、242对准。在该径向定向的膜控式密封布置中，蒸汽供给管202可以通过承载件结构被直接导向到密封垫243后面的压力分配沟道203中。波纹件(bellow)246提供了缩回力以偏压密封件。

供给到压力分配沟道203中的蒸汽克服波纹件246的缩回力移动密封垫，其在该情况下被设计成缩回密封垫的打开力，以当一旦压力超过波纹件的弹簧力时关闭密封件。由泄漏到罩盖上并进入密封表面之间的蒸汽形成的薄膜防止了密封垫与罩盖之间的接触。该变型提供了在不引入任何附加泄漏流的情况下使用高压蒸汽来减小操作间隙的优点。当流体动力大到足以平衡作用在密封垫上的压力时，该系统将自我平衡。

密封表面241是罩盖20的末端延伸部或者端头(castellation)201的一部分。在该实施例中，环形的密封垫243被有利地制造成联锁片(interlocking tiles)的形式，这容许与外壳10一起的径向膨胀，而没有在轴线方向上的压力泄漏。

承载件22驻留在外壳10内的狭槽内或者驻留在连接至外壳的部件内。然而，狭槽留有间隙地支承承载件以适应承载件结构的(热)膨胀。

如图6中的示例性方式所示的，在涡轮机叶片13的末端20的区域中设置另外的密封件可能也是有利的。在该实例中，相对于两个另外的迷宫式密封件25、26之间的上游压力和下游压力来包围实际的膜控式密封件24，该两个另外的迷宫式密封件25、26按传统方式安装在延伸构件205、206上。

图7的示意性剖视图中所图解的样式表面可能经常对薄膜的最初构成和对转动期间它的维持起支持作用。所述样式例如可以是切入表面242中的小台阶或凹槽，其可以是如所示的直边的或者螺旋状的。箭头指出了静止表面242和转动表面241之间的转动方向。值得注意是，如图7所示的构造表面可以支持本发明的上述实施例中的任一个。

以上已经仅通过举例来描述了本发明，并且可以在本发明范围内进行改进。本发明还可能包括本文中描述或暗示的或者在附图中显示或暗示的任何单独特征或者任何所述特征的任何组合或任何所述特征或组合的任何概括，这扩展至其等同物。因此，本发明的宽度和范围不受任何上述示例性实施例的限制。用于相同的、等同的或者类似目的替代特征可以替换说明书中所公开的各特征，包括附图，除非另有明确的说明。

除非本文中明确地说明过，否则整个说明书的现有技术的任何论述不认为所述现有技术是本领域普遍公知的或者形成了本领域公知常识的一部分。

附图标记列表

外壳10

转动叶片12、13

径向的内部”T形根”部分14、15

相应狭槽16、17

转子鼓18

罩盖19、20

径向延伸构件201

供给管202、202’

压力分配沟道203

延伸构件205、206

定子密封件的支承件、承载件21、22

密封件/密封翅片23、24、24’

第一密封表面或者运转表面241

第二密封表面242

密封垫243、243’

弹簧构件、波纹件244、245、246

开口246

迷宫式密封件25、26

静止叶片30、31

上游和下游的膜片环33、34

Claims (14)

1.一种用于涡轮机的密封件，包括安装在涡轮机的静止部件上的第一密封表面和安装在所述涡轮机的旋转部件上的第二密封表面，所述表面被构造成在运行中在所述两个表面之间产生流体介质的薄膜以减小接触和/或泄漏，所述第一或第二密封表面中的至少一个被安装成，所述第一或第二密封表面中的至少一个当所述涡轮机静止或者处于缓慢转速时经受打开所述密封件的缩回力并且在所述涡轮机处于工作转速时经受抵销缩回力的力。

2.如权利要求1所述的密封件，其中所述密封表面中的一个被连接至流体供给线路，该流体供给线路将加压液体供给到所述密封表面中的至少一个后面的空间内，从而当所述涡轮机处于工作转速时流体的压力提供抵销缩回力的力。

3.如权利要求1所述的密封件，所述密封表面实质上垂直于所述涡轮机的主轴线。

4.如权利要求1所述的密封件，其中所述流体供给线路包括孔，该孔穿过所述罩盖将所述密封表面中至少一个后面的空间连接至上游压力下的流体。

5.如权利要求1所述的密封件，其中所述流体供给线路包括孔，该孔穿过涡轮机的静止部件将所述密封表面中至少一个后面的空间连接至上游压力下的流体。

6.如权利要求1所述的密封件，其中所述流体供给线路包括周向沟道，该周向沟道补偿沿着所述密封表面中至少一个后面的空间的压力。

7.如权利要求1所述的密封件，其中所述密封表面中的至少一个安装密封垫上，该密封垫直接或者间接地连接至弹性构件，以提供起到脱开所述密封件的两个表面的作用的缩回力。

8.如权利要求1所述的密封件，其中所述密封表面安装在涡轮机叶片的罩住的末端和邻近的所述涡轮机的静止部件处。

9.如权利要求1所述的密封件，具有实质上垂直于所述涡轮机的主轴线定向的两对第一和第二密封表面，涡轮机叶片的罩住的末端在该对密封表面之间运转。

10.如权利要求1所述的密封件，其中安装在涡轮机的静止部件上的第一密封表面被安装在承载件构件上，其进而具有容许外壳的热膨胀而不使密封件移位的足够的间隙。

11.如权利要求1所述的密封件，其结合有设置在所述转动叶片的末端处的另外的密封件，以密封所述末端周围的从所述叶片的上游侧到下游侧的流体的通道。

12.如权利要求1所述的密封件，所述密封表面实质上垂直于径向方向。

13.如权利要求12所述的密封件，所述密封表面安装在所述罩盖的径向延伸部上或所述转动叶片的末端的径向延伸部上。

14.如权利要求1所述的密封件，其中至少所述密封表面被成形为便于在所述表面之间生成流体薄膜。

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