CN102817642B - 用于涡轮机的顺从性板密封组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮机的顺从性板密封组件。提供了一种用于涡轮机的密封组件。涡轮机包括旋转式构件和固定式构件。密封组件设置在旋转式构件和固定式构件之间。密封组件构造成在涡轮机的高压区和低压区之间提供密封。密封组件包括沿着固定式构件沿周向联接的多个顺从性板。各个顺从性板包括设置成面向旋转式构件的尖部。在顺从性板的尖部上提供尖部槽口，其中，尖部槽口设置在紧邻高压区的尖部的部分处。顺从性板进一步包括从固定式构件延伸向尖部的板槽口。联接到固定式构件上的环形阻力部件设置在顺从性板中的板槽口中。

Description

用于涡轮机的顺从性板密封组件
技术领域
本文提供的实施例大体涉及密封系统，并且具体而言，涉及用于涡轮机的顺从性板密封组件。
背景技术
涡轮机一般设有诸如旋转的轴和转子的活动构件以及诸如涡轮机壳体和定子的固定式构件。涡轮机一般以高工作流体压力运行。在这些高压下，工作流体易于通过活动构件和固定式构件之间的间隙泄漏。这种泄漏可影响涡轮机的性能。在本领域中已知动态密封装置。密封装置可包括迷宫式密封件、簧片密封件等。虽然迷宫式密封件不抵靠着涡轮机的活动构件而摩擦，但是迷宫式密封件所提供的密封不是非常高效。簧片密封件提供较好的密封，但是易于有密封件摩擦，以及密封件磨损。此外，传统的密封件不能取决于运行压力和机器类型而进行修改。
因而，存在对这样的涡轮机密封件的需要：其中，可调节密封件和旋转构件之间的间隔。
发明内容
提供了一种用于涡轮机的密封组件。密封组件设置在涡轮机的旋转式构件和固定式构件之间。密封组件构造成在涡轮机的高压区和低压区之间提供密封。密封组件包括沿着固定式构件沿周向联接的多个顺从性板。各个顺从性板包括设置成面向旋转式构件的尖部。在顺从性板的尖部上提供尖部槽口，其中，尖部槽口设置在紧邻高压区的尖部的部分处。顺从性板进一步包括从固定式构件延伸向尖部的板槽口。联接到固定式构件上的环形阻力部件设置在顺从性板中的板槽口中。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同附图在所有图中表示相同部件，其中：
图1是根据本发明的一个示例性实施例的顺从性板密封组件的透视图；
图2示出根据一个实施例的顺从性板密封件的阻力部件；
图3示出根据另一个实施例的顺从性板密封件的阻力部件；
图4是根据本发明的一个示例性实施例的典型的顺从性板密封组件的横截面图；
图5示出通过根据本发明的一个示例性实施例的顺从性板密封组件的泄漏流的两个分量；
图6示出作用在紧邻根据本发明的一个示例性实施例的涡轮机的高压区的顺从性板上的力；
图7示出作用在紧邻根据本发明的一个示例性实施例的涡轮机的低压区的顺从性板上的力；
图8示出在根据一个实施例的涡轮机中的示例性顺从性板密封组件的透视图；
图9是根据本发明的一个实施例的示例性顺从性板密封件的横截面图；
图10示出根据本发明的一个实施例的具有三角形形状的槽口的顺从性板；
图11示出根据本发明的一个实施例的具有长方形形状的槽口的顺从性板；
图12是在示例性顺从性板的尖部上和在具有紧邻根据本发明的一个示例性实施例的涡轮机的高压区的尖部槽口的顺从性板的尖部上的压力变化的曲线图；以及
图13是示出顺从性板密封件和具有紧邻根据本发明的一个示例性实施例的涡轮机的高压区的尖部槽口的顺从性板密封件的流体静压扭矩对尖部间隙的影响的曲线图。
图14是设有传统密封件的涡轮机的透视图。
具体实施方式
本文提供的实施例涉及用于涡轮机的密封组件。本文公开的密封组件可用于任何涡轮机，例如(但不限于)燃气轮机、蒸汽轮机、压缩机或航空发动机。涡轮机包括诸如定子或壳体的固定式构件，或设置成紧邻旋转式构件的任何其它固定式部件。旋转式构件可包括涡轮机的转子。涡轮机可典型地包括一系列的交替的定子级和转子级。加压流体通过该一系列的定子级和转子级而传送通过涡轮机。转子大体构造成在加压流体传送通过涡轮机时旋转。备选地，转子的旋转可使加压流体流动。典型地，在旋转式构件和固定式构件支架提供间隔，以避免由于接触引起的磨损。加压流体可通过该间隔而泄漏，并且这种泄漏可影响涡轮机的性能。这种流称为泄漏流或二次流。发生从涡轮机的高压区到低压区的泄漏流。在图1中显示了用于密封流体泄漏的示例性顺从性板密封组件。
图1示出涡轮机40(未完全显示)。涡轮机40包括固定式构件54和旋转式构件56。密封组件50包括设置在涡轮机40的固定式构件54和旋转式构件56之间的多个顺从性板52。密封组件50构造成密封固定式构件54和旋转式构件56之间的间隔。各个顺从性板52具有设置成紧邻固定式构件54的根部58和设置成紧邻旋转式构件56的尖部68。尖部68指设置成紧邻旋转式构件56的顺从性板52的自由端。在连续的顺从性板52之间的间隔69从旋转式构件56到固定式构件54而增大。在一个实施例中，该多个顺从性板52定向成相对于旋转式构件56成角度θ。
各个顺从性板52进一步包括从根部58延伸向尖部68的板槽口70。阻力部件72设置在该多个顺从性板52的板槽口70中。在一个实施例中，阻力部件72的形状为环形，并且在固定式构件54周围沿周向延伸。阻力部件72可为连续环。在另一个实施例中，阻力部件72可包括组装而形成环的多个节段。
图2示出阻力部件72的正视图。阻力部件72是在固定式构件54周围沿周向设置的环形环。在一个实施例中，阻力部件可为图2中显示的连续环。换句话说，阻力部件可为单件式环形环。
在一个备选实施例中，阻力部件可包括图3中显示的多个节段302。节段302可连结在一起而形成完整的环形环。可注意到，图3中显示的阻力部件72用于说明的目的，并且可预见具有任何适当的数量的节段的阻力部件。
可注意到，图1中显示的密封组件用于说明的目的，而不限制本文提供的教导的范围。例如，可预见具有多个板槽口和多个尖部阻力部件72的密封组件50的实施例。
图4示出顺从性板组件50的横截面图。密封组件50设置在高压区62和低压区66之间。密封组件50沿着涡轮机的轴线从高压区62延伸到低压区66。图4进一步示出阻力部件72，阻力部件72设置在顺从性板52的板槽口70内部。板槽口70包括面向阻力部件72的前表面76的第一表面82，以及面向阻力部件72的后表面78的第二表面84。前部间隔88限定在顺从性板52的第一表面82和阻力部件72的前表面76之间。类似地，后部间隔90限定在顺从性板52的第二表面84和阻力部件72的后表面78之间。桥接间隔限定在阻力部件72的下部表面80和板槽口70的下部表面86之间。
密封组件50可进一步包括前部环94和后部环96。前部环94和后部环96可联接到涡轮机的固定式构件54上。前部环94沿周向延伸跨过顺从性板52的前表面60，并且后部环96沿着顺从性板52的后表面64沿周向延伸。限定在前部环94和前表面60之间的间隔称为前部环间隔98，并且后部环96和后表面64之间的间隔称为后部环间隔100。
图5示出通过密封组件的加压流体的泄漏流。泄漏流包括两个分量。发生通过限定在尖部68和旋转式构件56之间的尖部间隙122的泄漏流的第一分量120。第二分量124流过邻近的顺从性板52之间的间隔。如前面所论述，邻近的顺从性板52之间的间隔从尖部68到根部58而增大。这些间隔对泄漏流124提供大的流动区和小的阻力。对泄漏流的第二分量124的主要阻力由前部间隔88和后部间隔90提供。因此，前部间隔88和后部间隔90必须较小，以限制泄漏流。
紧邻前部间隔88，泄漏流124沿径向向内且从高压区62朝向低压区66。在后部间隔90附近，流124沿径向向外且从高压区62朝向低压区66。
图6示出靠近限定在顺从性板52的第一表面和阻力部件的前表面之间的前部间隔88的压力梯度。靠近前部间隔88(截面D-D)的径向压力梯度是正的，即，压力从密封件内直径到密封件外直径而增大。在截面(D-D)中的箭头指示压力，并且箭头的长度与压力成比例。由于正的压力梯度的原因，在截面D-D处，顺从性板52的顶部面126上的压力略微大于顺从性板52的底部面128上的压力。这导致在顺从性板52的这个截面上产生流体静压吹下(blow down)扭矩。较小的前部间隔88确保有较大的压力梯度和较大的流体静压吹下扭矩。
图7示出靠近限定在顺从性板52的第二表面和阻力部件的后表面之间的后部间隔90的压力梯度。靠近后部间隔90的径向压力梯度是负的，即压力从密封件内直径到密封件外直径而降低。截面E-E中的箭头指示压力，并且箭头的长度与压力成比例。由于负的径向压力梯度的原因，在截面E-E处，顺从性板52的顶部表面126上的压力略微小于顺从性板52的底部表面128上的压力。这导致在顺从性板52的这个截面上产生流体静压升扭矩。较小的后部间隔90确保有较大的压力梯度和较大的流体静压升扭矩。
在顺从性板52的整个表面上面的流体静压扭矩的总和确定作用在顺从性板上的总流体静压扭矩是升扭矩或是吹下扭矩。在顺从性板的整个表面上面的流体静压扭矩的总和确定顺从性板的尖部相对于旋转式构件所保持的间隙。
参照图5-7，当尖部间隙122增大到较大的值时，泄漏流的第一分量120的流动区增大，并且相关联的流阻力降低。因此，泄漏流的第一分量120的流速显著增大，并且靠近尖部68的静压力与具有小尖部间隙的情况相比减小。泄漏流的第二分量124的流阻力保持基本相同，并且第二分量124的速度保持相同。因此，在顺从性板52的入口处(在前部环94附近且远离尖部68)的压力保持与在小尖部间隔的情况下基本相同。
比较较小的尖部间隙和较大的尖部间隙的两种情况，对于较大的尖部间隙，靠近尖部68的压力较低，而靠近根部58的压力在两种情况下基本相同。因此，对于较大的尖部间隙，存在较大的正径向压力梯度或较小的负径向压力梯度。如前面所论述，较大的正压力梯度导致在顺从性板52上有较大的吹下扭矩或较低的升离(lift off)扭矩，从而导致顺从性板52吹下和尖部间隙122减小。
作用在顺从性板52上的这个流体静压吹下扭矩在尖部间隙122增大时往往减小尖部间隙122。这导致有具有来自尖部间隙的无源反馈的自修正流体静压升/吹下扭矩。
一旦设计好，顺从性板定位以设定间隙定位。涡轮机可具有不同的间隙要求，这取决于密封件的运行可处于的压力。例如，与低压区段相比，涡轮机在高压区段处可需要低间隙。典型地，涡轮机具有一系列的旋转式构件和固定式构件。各个区段可以特定压力运行。另外，涡轮机可具有诸如高压(HP)区段、中压(IP)区段和低压(LP)区段的区段。这些区段中的各个可能需要密封，并且各个区段的间隙要求可为不同的。不同的涡轮机的另外的密封要求可为不同的。例如，燃气轮机的尖部间隙要求可不同于蒸汽轮机的尖部间隙要求。
关于图1-7所论述的顺从性板密封件以设定的间隙安置，并且从而避免密封件摩擦和密封件磨损。本文提供的实施例描述了这样的顺从性板密封组件：其可进一步提供柔性来改变设定的间隙，以满足密封组件设置在其中的涡轮机的要求。在图8上显示了根据一个实施例的密封组件。
图8示出涡轮机40。在图8中详细示出了涡轮机40的小部分以及密封组件150。涡轮机40包括固定式构件54和旋转式构件56。密封组件150包括设置在涡轮机40的固定式构件54和旋转式构件56之间的多个顺从性板152。密封组件150在高压区62和低压区66之间延伸。密封组件150构造成密封固定式构件54和旋转式构件56之间的间隔。各个顺从性板152具有设置成紧邻固定式构件54的根部154和设置成紧邻旋转式构件56的尖部162。尖部162指设置成紧邻旋转式构件56的顺从性板152的自由端。连续的顺从性板152之间的间隔156从旋转式构件56到固定式构件54而增大。在一个实施例中，顺从性板152定向成相对于旋转式构件56成角度θ。角度θ的值可在30°到60°之间变化。
各个顺从性板152进一步包括从根部154延伸向尖部162的板槽口158。阻力部件160设置在该多个顺从性板152的板槽口158中。在一个实施例中，阻力部件160的形状为环形，并且在固定式构件54周围沿周向延伸。阻力部件160可为连续环。在另一个实施例中，阻力部件160可包括组装而形成环的多个节段。阻力部件160可具有结合图2-3描述的构造。各个顺从性板152的尖部162设有紧邻高压区62的尖部槽口164。参照图9示出了尖部槽口164。
图9示出根据一个示例性实施例的顺从性板密封组件150。在示出的实施例中，密封件从高压区62延伸到低压区66。各个顺从性板152的尖部162具有紧邻高压区62的尖部槽口164。尖部槽口164沿着尖部162从高压区62延伸向低压区66。尖部槽口164可延伸高达尖部162的跨度166的50%。密封组件150的跨度166表示顺从性板152在高压区62和低压区66之间的宽度。
在一个实施例中，尖部槽口可为如图10中显示的三角形形状。图10示出紧邻顺从性板152的高压区62的三角形尖部槽口166。尖部槽口166可延伸高达顺从性板152的跨度168的一半。尖部槽口166的高度170可从30密尔到200密尔而变化。
在一个备选实施例中，尖部槽口可为如图11中显示的长方形。图11示出紧邻顺从性板152的高压区62的长方形尖部槽口172。尖部槽口172可延伸高达顺从性板152的跨度的一半。尖部槽口172的高度176可从30密尔到200密尔而变化。
通过改变尖部槽口沿着顺从性板的尖部的跨度，可改变尖部和旋转式构件之间的间隙。在图12的帮助下阐述了尖部槽口对尖部间隙的影响。
图12示出顺从性板的尖部上的压力变化。沿着Y轴描绘了尖部上的压力(以psi为单位)，并且沿着X轴描绘顺从性板的尖部的轴向跨度(以英寸(in)为单位)。图12包括两个曲线702和704。曲线702示出了顺从性板密封件的尖部上的压力变化。沿着X轴直到点706的距离表示高压区。从点706到708的跨度表示顺从性板的尖部的跨度。在点706和708之间，压力如曲线702显示的那样逐渐降低。超过点708，压力再次稳定在恒定值处。超过点708的区表示涡轮机的低压区。曲线704示出顺从性板密封件的尖部上的压力变化，尖部槽口设置在紧邻涡轮机的高压区的尖部上。如曲线704示出的那样，在具有尖部槽口的顺从性板的情况下，压力沿着X轴保持较高，直到点710。超过点710，压力逐渐降低，并且稳定在恒定值处。
可理解，沿着尖部的压力变化由于引入紧邻涡轮机的高压区的尖部槽口而改变。还可理解，在曲线702和704下的面积表示顺从性板的尖部上的流体静压力。如图12中示出的那样，在曲线704下的面积大于在曲线702下的面积。因而，在具有尖部槽口的顺从性板的尖部上的流体静压压力高于正常顺从性板的尖部上的流体静压压力。
增大的流体静压压力具有将尖部向上推离旋转式构件的作用。因而，增大的流体静压压力意味着较大的尖部间隙。可理解，通过改变尖部上的尖部槽口的形状和大小，沿着尖部的压力分配可有所变化，并且可使顺从性板密封件按照涡轮机的要求以期望的尖部间隙安置。因而可通过基于涡轮机类型和密封组件的运行压力在该多个顺从性板的尖部处提供尖部槽口来修改本文描述的顺从性板密封组件。
图13进一步示出提供紧邻涡轮机的高压区的尖部槽口的作用。图13示出顺从性板上的流体静压扭矩相对于尖部间隙的关系的曲线图。顺从性板的尖部会经受流体静压压力，从而导致在顺从性板上有流体静压扭矩。沿着Y轴描绘流体静压扭矩(以牛顿-米为单位)，并且沿着X轴描绘间隙(以英寸为单位)。图13包括两个曲线802和804。曲线802表示正常顺从性板的流体静压扭矩随尖部间隙的变化，而曲线804表示具有尖部槽口的顺从性板的流体静压扭矩随尖部间隙的变化。正流体静压扭矩意味着在顺从性板上存在净升扭矩。顺从性板以这样的间隙安置：其中净流体静压扭矩为零。如根据图13明显的那样，正常顺从性板以点806所表示的尖部间隙安置，而具有尖部槽口的顺从性板以点808表示的尖部间隙安置。因此，密封组件的平衡尖部间隙可由设计者通过在顺从性板的尖部上提供尖部槽口来改变。
参照图14，公开了具有传统密封组件182的涡轮机180。密封组件182可为可用的任何类型的传统密封件，例如(但不限于)刷式密封件、迷宫式密封件等。密封组件设置在涡轮机180的固定式构件184和旋转式构件186之间。根据本发明的各方面，涡轮机180可通过这样来进行修改：移除传统密封组件182，并且用参照图8-13所论述的密封组件150来代替传统密封组件182。
本文提供的实施例可有助于提供可修改来适应定制的要求的密封组件。根据各种实施例，密封组件可在制造之后进行修改，使得所制造的密封件可修改成适合任何类型的涡轮机和任何压力范围。
仅为说明的目的在若干实施例方面描述了本发明。根据本描述，本领域技术人员将认可，这样的实施例可用仅由所附权利要求的精神和范围限定的修改和变化来实践。

Claims (9)

1.一种密封组件，构造成在涡轮机中的高压区和低压区之间提供密封，所述密封组件包括：
多个顺从性板，其设置在所述涡轮机的固定式构件和旋转式构件之间，并且沿着所述固定式构件沿周向联接，其中，各个顺从性板包括：构造成设置成面向所述旋转式构件的尖部；在紧邻所述高压区的所述尖部的部分中的尖部槽口，其中，所述尖部槽口从紧邻所述高压区的所述尖部的侧部延伸向所述低压区，且包括三角形形状的槽口；以及从所述固定式构件延伸向所述旋转式构件的至少一个板槽口；以及
至少一个环形阻力部件，其构造成联接到所述固定式构件上且设置在所述顺从性板中的所述至少一个板槽口中。
2.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述尖部槽口延伸高达所述尖部的跨度的50%。
3.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述尖部槽口构造成在所述顺从性板的所述尖部上实现压力分配，使得在所述多个顺从性板的所述尖部和所述旋转式构件之间在所述涡轮机的运行期间建立限定的间隙。
4.根据权利要求3所述的密封组件，其特征在于，所述限定的间隙取决于所述密封组件运行所处的压力和涡轮机类型中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述顺从性板定向成相对于所述旋转式构件成角度。
6.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述环形阻力部件包括连续环。
7.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述环形阻力部件包括组装而形成环的多个节段。
8.一种涡轮机，包括：
固定式构件；
旋转式构件；以及
设置在所述固定式构件和所述旋转式构件之间的、前述权利要求中任一项中的密封组件。
9.一种方法，包括：
移除设置在涡轮机的固定式构件和旋转式构件之间的现有的密封组件；以及
用根据权利要求1－7中的任一项所述的密封组件来替代所述现有的密封组件。
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