CN102889386A - 用于减少旋转式机器中的泄漏的密封件 - Google Patents

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C.E.沃尔夫
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Abstract

本发明涉及用于减少旋转式机器中的泄漏的密封件。提供了一种用于旋转式机器的密封组件。该密封组件包括设置在固定式壳体和转子中间的多个密封装置节段。各个节段包括至少一个板和密封元件。密封组件还包括形成于多个密封装置节段之间的多个节段间间隙。另外，对于各个成对的相邻密封装置节段而言，至少一对相邻板包括在节段间间隙处搭接另一个板的一个板。

Description

用于减少旋转式机器中的泄漏的密封件
技术领域
本发明大体涉及用于减少泄漏的密封件，并且更具体而言，涉及用于减少旋转式机器中的节段间间隙之间的泄漏的密封组件。
背景技术
一般在工业旋转式机器(例如燃气轮机)中使用各种各样的密封件来控制流过转子和定子之间的空隙的冷却空气或吹扫空气的量。例如，具有转子接触元件的刷式密封件(例如刚毛部件(bristle pack))用于提供紧空隙。但是，在涡轮启动或停机期间，由于热瞬变在刚毛和转子之间导致的干涉，刚毛部件可经历严重磨损。这个磨损会随着时间的过去而积累，从而降低在稳态运行期间的密封件的泄漏性能。另一方面，通过以物理的方式使密封件移动远离转子，可回缩的刷式密封件会消除或减少由于在启动或停机期间的热干涉引起的密封件磨损。可回缩的刷式密封件可借助于片簧而被动地被促动，片簧对应于在涡轮启动或停机期间跨过密封件的变化的压差。可回缩的刷式密封件组装在高空隙位置上，并且，随着跨过旋转式机器的压差积聚(在启动期间)，片簧会变形，从而使得密封件更靠近转子。类似地，在停机期间，跨过密封件的下降的压差使片簧回缩，从而使密封件移动远离转子。这个机构消除刚毛/转子干涉(否则其可在启动和停机期间出现)，并且在其运行寿命里维持密封件的泄漏性能。
但是，这个类型的可回缩的刷式密封件会经历通过节段间间隙的泄漏，这在高空隙位置上时可为特别高的。甚至在稳态运行期间，在密封件处于其低空隙位置上时，节段间间隙泄漏可高达总密封泄漏的三分之一。由于增大的二次流的原因，过多的泄漏会导致发动机性能的损失。
因此，减少旋转式机器中的密封组件的节段间间隙之间的泄漏将是合乎需要的。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种用于旋转式机器的密封组件。该密封组件包括设置在固定式壳体和转子中间的多个密封装置节段。各个节段包括至少一个板和密封元件。密封组件还包括形成于多个密封装置节段之间的多个节段间间隙。另外，对于成对的相邻密封装置节段而言，成对的相邻板中的至少一个包括在相应的节段间间隙处搭接另一个板的一个板。
根据本发明的实施例，提供了一种减少旋转式机器中的泄漏的方法。该方法包括获得多个密封装置节段，其中，各个节段包括至少一个板和密封元件。该方法还包括在旋转式机器上设置多个密封装置节段，使得由于在各个相应的节段间间隙处搭接成对的相邻板而在节段间间隙处产生曲折流径。
根据本发明的实施例，提供了一种旋转式机器。旋转式机器包括沿周向在转子周围延伸的固定式壳体，转子可绕着轴线旋转。旋转式机器还包括密封组件，该密封组件具有设置在固定式壳体和转子中间的多个密封装置节段。各个节段包括至少一个板和密封元件。旋转式机器进一步包括形成于多个密封装置节段之间的多个节段间间隙。对于成对的相邻密封装置节段而言，成对的相邻板中的至少一个包括在相应的节段间间隙处搭接另一个板的一个板。
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，相同符号在所有图中标示相同部件，其中：
图1是根据本发明的实施例的旋转式机器的横截面图。
图2是根据本发明的实施例的旋转式机器的涡轮区段的横截面图。
图3是根据本发明的实施例的旋转式机器的密封组件的透视图。
图4是根据本发明的实施例的在打开式密封位置上的旋转式机器的密封组件的另一个透视图。
图5显示根据本发明的实施例的在关闭式密封位置上的旋转式机器的密封组件的另一个透视图。
图6是根据本发明的另一个实施例的旋转式机器的密封组件的透视图。
图7是根据本发明的实施例的在旋转式机器中的密封组件的透视图，该密封组件具有中间板而没有密封元件。
图8是根据本发明的实施例的减少旋转式机器中的泄漏的方法的流程图。
具体实施方式
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图指存在一个或多个该元件。用语“包括”、“包含”和“具有”意图为包括性的，并且指可存在所列元件以外的另外的元件。运行参数的任何实例不排除公开实施例的其它参数。
图1是根据本发明的实施例的旋转式机器10的实施例的横截面图。旋转式机器10包括具有各种各样的构件的燃气轮机构件，一些构件出于简单的原因而未显示。在示出的实施例中，旋转式机器10包括压缩机区段12、燃烧器区段14和涡轮区段16。涡轮区段16包括固定式壳体18和绕着轴线22旋转的旋转元件20或转子。活动叶片24附连到旋转元件20上，而固定式叶片26附连到固定式壳体18上。活动叶片24和固定式叶片26交替地沿轴向方向布置。旋转式机器还包括密封组件(如在图2和3中显示)，密封组件具有设置在固定式壳体18和旋转元件20中间的多个密封装置节段。存在可安装密封组件的若干可能位置。这样的位置的非限制性实例包括在带护罩的活动叶片24和固定式壳体18之间的位置28、在旋转元件20和固定式叶片26之间的位置30，或在旋转元件20和固定式壳体18之间的端部填料密封位置32。本文描述的密封组件提供了使得密封装置节段能够沿径向和沿周向两者移动的结构，并且在节段间间隙处提供曲折路径，从而潜在地减少泄漏和提高效率。本文描述的密封组件可用于任何适当的旋转式机器，例如(但不限于)图1的旋转式机器10或任何燃气轮机和蒸汽轮机、压缩机和航空发动机。
图2是根据本发明的实施例的旋转式机器的涡轮区段216的横截面图。在示出的实施例中，涡轮区段216包括可绕着轴线222旋转的旋转元件220和固定式壳体240，固定式壳体240相应地由上半部241和下半部242构成。涡轮区段216包括密封组件244，密封组件244具有多个密封装置节段246。仅出于实例的目的，在图2中显示了六个密封装置节段246，因为可使用其它数量的密封装置节段。在图2的实施例中，各个密封装置节段246包括位于前板和后板之间的密封元件。如本文所用，前板指设置在期望在运行中定位在密封组件的较高压力侧的密封装置节段246的一侧的平板，而后板指设置在期望在运行中定位在密封组件的较低压力侧的密封装置节段246的另一侧的平板。虽然本文在图3-5中出于说明的目的而描述了前板和后板，但是概念可类似地适用于对于每个密封装置节段具有一个板或不止两个板的实施例。如果采用刚毛部件之外的密封元件，例如迷宫式齿或蜂窝式密封件，则可存在板中的一个。另外，在图6和图7中显示的一些实施例中，可存在第三或“中间”板。在节段间间隙248处，成对的前板或成对的后板中的至少一个包括搭接另一个板的一个板。在一个实施例中，密封装置节段246具有弓形密封面，并且可在密封装置节段246的两端处包括斜面(未在图2中显示)，以易于组装固定式壳体240的上半部241和下半部242。斜面是在节段间间隙248处、在前板和后板两者的端部的角处的弯曲的表面或平的表面。下面参照图3、4和5进一步论述密封组件244的细节。
图3显示了示例性密封组件344的透视图，密封组件344用于促进减少图1、2中显示的旋转元件和固定式壳体之间的轴向泄漏。密封组件344包括设置在固定式壳体和旋转元件中间的多个密封装置节段346和446。各个密封装置节段包括前板354、454、后板356、456和位于前板和后板之间的密封元件(显示为节段346的元件358和节段446的元件458)。密封元件358、458的非限制性实例包括刷式密封件、迷宫式密封件、叶式密封件、瓦式密封件、蜂窝式密封件和耐磨密封件。密封装置节段可进一步包括可主动地或被动地回缩的节段。另外，密封组件344包括形成于多个密封装置节段346、446之间的多个节段间间隙360。在示出的实施例中，显示了成对的相邻密封装置节段346、446包括节段间间隙360。成对的前板354、454或成对的后板356、456中的至少一个包括在节段间间隙360处搭接另一个板的一个板。
在图3中显示的一个实施例中，相邻后板356、456在打开式密封位置(高空隙位置)上和在旋转式机器10(显示在图1中)的稳态运行期间在关闭式密封位置(低空隙位置)上搭接。相邻后板356、456的搭接在旋转式机器的启动状况、正常运行状况和停机状况的不同的部分期间有所不同，因为节段会沿周向朝向彼此和远离彼此而移动。如显示的那样，前板354、454和后板356、456的一部分在节段间间隙的区域中包括在密封装置节段346、446的第一端362、462和第二端364、464两者处的径向切割端。在密封装置节段446的一个第一端462处，后板456进一步包括第一斜角形轮廓(未显示)，第一斜角形轮廓延伸到相邻密封装置节段346中，并且因而或者在旋转式机器的启动期间在打开式密封位置上或者在旋转式机器的稳态运行期间在关闭式密封位置上搭接相邻后板356。在密封装置节段346的第二端364处，后板356包括第二斜角形轮廓366，第二斜角形轮廓366构造成适应相邻密封装置节段446的相邻的搭接的后板456的延伸的第一斜角形轮廓。图3的后板356、456还包括径向切割端轮廓367、467。在一个实施例中，具有第一斜角形轮廓和第二端成形轮廓366、466的后板356、456的部分可另外构造成支承密封元件。密封元件358、458的非限制性实例可包括刚毛部件，刚毛部件本身包括平行的切割端368、468，并且与相邻密封装置节段的第一斜角形轮廓和第二端成形轮廓366、466对准。在节段间间隙360处，前板354、454、密封元件358、458和搭接的后板356、456的这个布置导致在旋转式机器(显示在图1中)的启动或停机期间或在各种运行状况期间有曲折的流泄漏路径。如果期望的话，可通过改变前板354、454而非使其如图3中显示的那样齐平来形成额外的或备选的曲折路径。此外，在节段间间隙360处，前板354、454可包括在前板的角处的斜面363、463。斜面363、463是弯曲的表面或平的表面，以易于组装旋转式机器。在一个实施例中，后板356、456的径向切割端轮廓367、467还包括斜面367、467。
图4显示了密封组件444的另一个透视图，密封组件444呈图3的相反定向，使得后板356和456在朝外的位置上，并且图4另外示出了两个相邻密封元件358、458。密封组件444包括具有多个节段间间隙360的多个密封装置节段346、446。如显示的那样，后板456包括第一斜角形轮廓408，第一斜角形轮廓408支承密封元件458且延伸到相邻密封装置节段346中。要注意，在这个实施例中，密封元件458包括与后板356的第一斜角形轮廓408和第二端成形轮廓366对准的平行切割端。当后板456支承密封元件458使得或者后板456或者密封元件458的所有斜角形轮廓具有相同斜度时，防止相邻密封元件458、358和相邻后板356、456之间的干涉。密封元件458、358在它们的端部处分别完全由它们自己的后板456和356支承。这个特征在主动地或被动地被促动的密封件的情况下是特别重要的，在这种情况下，在节段端部处，密封节段沿径向向内和向外移动以及沿周向朝向彼此和远离彼此而移动。如上面关于图3所提到的那样，在一个实施例中，相邻密封装置节段346、446的前板354、454可在节段间间隙360处搭接，并且可包括后板356、456的类似特征。
在这个示出的实施例中，密封装置节段346、446沿径向方向以及周向方向自由地移动，而在节段间间隙360处没有干涉，并且同时在各种运行状况下保持后板356、456或前板354、454的搭接。这个导致在节段间间隙360处有曲折的流泄漏路径，并且进一步导致跨过密封组件444有较高的压降。此外，对于相同促动器刚度，较高的压降导致密封装置节段346、446有较大的径向移动。在一个实施例中，密封装置节段346、446的促动器包括弹簧。此外，对于相同的促动器刚度，较高的压降使密封装置节段346、446在启动循环期间关闭得更快，从而允许旋转式机器有高效的部分负荷运行。
图5显示在关闭式密封位置上的图3和图4的密封组件的另一个透视图544。如显示的那样，在旋转式机器的稳态运行期间，在关闭式密封位置上，密封装置节段345、446已经沿径向向内移动到关闭位置，从而减少节段间间隙560和由于曲折的节段间泄漏路径导致的流量。
图6是根据本发明的另一个实施例的旋转式机器的密封组件545的透视图。如显示的那样，密封元件562和563分别位于密封装置节段346和446的前板354、454和后板356、456之间。密封元件562、563在节段间间隙360处具有斜角形轮廓566(针对节段446而显示)。在这个实施例中，密封组件545包括位于前板354、454和后板356、456之间的中间板564，并且保持承座在密封元件562、563内。在一个实施例中，密封元件可在前板354、454和后板356、456之间位于中间板564的任一侧或两侧。图6显示仅在节段446中的这个中间板564，但是要理解，中间板存在于密封组件的每一个密封装置节段中。密封元件562、563的斜角形轮廓延伸到相邻密封装置节段中，并且与中间板564的斜角形轮廓对准。
图7是密封组件546的透视图，其具有分别位于密封装置节段446和346中的中间板564、565。密封元件562、563(如图6中显示)在图7中被省略，以凸显中间板564的细节。如显示的那样，在节段间间隙360处，中间板564、565包括径向切割端567、570。中间板564包括与密封元件的斜角形轮廓对准的第一斜角形轮廓576。中间板565还包括第二斜角形轮廓578，第二斜角形轮廓578支承密封元件，并且延伸到相邻密封装置节段446中。要注意，在这个实施例中，密封元件(未显示)包括与后板356的第一斜角形轮廓576和第二端成形轮廓578对准的平行切割端。
图8是根据本发明的实施例的减少旋转式机器中的泄漏的方法600。在步骤602处，方法600包括获得多个密封装置节段，其中，各个节段包括至少一个板和密封元件。最终在步骤604处，该方法包括将多个密封装置节段设置在旋转式机器上，使得由于在各个相应的节段间间隙处搭接至少一对相邻板而在节段间间隙处产生曲折流径。在一个实施例中，该方法包括获得多个密封装置节段，其中，各个节段包括前板、后板和可选的中间板，使得对于成对的相邻密封装置节段而言，一个或多个成对的后板、前板或中间板各自包括在相应的节段间间隙处搭接另一个板的一个板。在一个实施例中，该方法还包括获得密封装置节段，其中密封装置节段的搭接的板中的一个包括第一斜角形轮廓，在旋转式机器的启动期间在打开式密封位置上以及在旋转式机器的稳态运行期间在关闭式密封位置上，第一斜角形轮廓在第一节段间间隙处延伸到第一相邻密封装置节段中，并且密封装置节段的搭接的板中的一个包括第二斜角形轮廓，第二斜角形轮廓构造成适应第二相邻密封装置节段的搭接的板的延伸的第一斜角形轮廓。
有利地，本发明使得能够减少旋转式机器中的密封组件的节段间间隙之间的泄漏。在节段间间隙处的搭接的板以及密封元件产生曲折路径，从而导致减少节段端部间隙泄漏。这会改进旋转式机器的效率和输出。具体而言，对于可回缩的刷式密封件，这个有助于在密封装置节段的高空隙位置处建立压降，从而在启动期间允许有较快的密封封闭(对于相同促动器刚度)，这对于高效的部分负荷运行可为必要的。在节段间泄漏显著的任何时候，例如典型地较大直径(超过40英寸)的多节段(超过6个)刷式密封件的情况，还可针对被动地和主动地被促动的刷式密封件两者以及在固定的刷式密封件中实现密封组件。而且，当各个密封装置节段的刚毛始终通过其自身的后板支承到端部上时，公开的密封组件可更好地保护在节段间间隙附近的密封元件(刚毛)。
此外，熟练技术人员将认识到不同的实施例的各种特征的可互换性。类似地，描述的各种方法步骤和特征以及各个这样的方法和特征的其它已知等效物可由本领域普通技术人员混合和匹配，以根据本公开的原理构建额外的系统和技术。当然，要理解，不一定可根据任何特定实施例的实现上面描述的所有这样的目的或优点。因而，例如，本领域技术人员将认识到，本文描述的系统和技术可以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不必如本文可教导或建议的那样实现其它目的或优点。
虽然本文仅示出和描述了本发明的仅某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此应当理解，所附权利要求意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这样的修改和变化。

Claims (19)

1. 一种用于旋转式机器的密封组件，所述密封组件包括：
设置在固定式壳体和转子中间的多个密封装置节段，其中，所述节段中的各个包括至少一个板和密封元件，
其中，多个节段间间隙形成于所述多个密封装置节段之间，
其中，对于成对的相邻密封装置节段而言，成对的相邻板中的至少一个包括在相应的节段间间隙处搭接另一个板的一个板。
2. 根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述节段中的各个包括至少两个板和位于所述至少两个板之间的密封元件。
3. 根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述节段中的各个包括前板、后板和中间板，以及其中，所述板在所述节段间间隙处包括具有径向切割端的部分。
4. 根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封装置节段的搭接的板中的一个包括第一斜角形轮廓，在所述旋转式机器的启动期间在打开式密封位置上以及在所述旋转式机器的稳态运行期间在关闭式密封位置上，所述第一斜角形轮廓在第一节段间间隙处延伸到第一相邻密封装置节段中。
5. 根据权利要求4所述的密封组件，其特征在于，所述密封装置节段的搭接的板中的一个包括第二斜角形轮廓，所述第二斜角形轮廓构造成适应第二相邻密封装置节段的搭接的板的延伸的第一斜角形轮廓。
6. 根据权利要求5所述的密封组件，其特征在于，所述密封元件包括斜角形轮廓端，所述斜角形轮廓端构造成与所述搭接的板的所述第一斜角形轮廓和所述第二斜角形轮廓两者对准。
7. 根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封装置节段包括可回缩的密封装置节段，所述可回缩的密封装置节段构造成在所述节段间间隙处进行径向移动和周向移动两者。
8. 根据权利要求3所述的密封组件，其特征在于，所述搭接的板包括搭接的后板。
9. 根据权利要求3所述的密封组件，其特征在于，所述搭接的板包括搭接的前板。
10. 根据权利要求3所述的密封组件，其特征在于，所述搭接的板包括搭接的中间板。
11. 根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封元件包括刷式密封件、迷宫式密封件、叶式密封件、瓦式密封件、蜂窝式密封件或耐磨密封件。
12. 根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封装置节段包括促动式刷式密封件节段或固定式刷式密封件节段中的一个。
13. 一种减少旋转式机器中的泄漏的方法，所述方法包括：
获得多个密封装置节段，其中，所述节段中的各个包括至少一个板和密封元件；以及
将所述多个密封装置节段设置在所述旋转式机器上，使得由于在各个相应的节段间间隙处搭接至少一对相邻板而在节段间间隙处产生曲折流径。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，获得所述多个密封装置节段包括获得多个节段，所述多个节段各自包括前板、后板和可选的中间板，使得对于成对的相邻密封装置节段而言，成对的后板、成对的前板或可选的成对的中间板中的至少一个包括在相应的节段间间隙处搭接另一个板的一个板。
15. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括获得密封装置节段，其中，所述密封装置节段的搭接的板中的一个包括第一斜角形轮廓，在所述旋转式机器的启动期间在打开式密封位置上以及在所述旋转式机器的稳态运行期间在关闭式密封位置上，所述第一斜角形轮廓在第一节段间间隙处延伸到第一相邻密封装置节段中，以及其中，所述密封装置节段的搭接的板中的所述一个包括第二斜角形轮廓，所述第二斜角形轮廓构造成适应第二相邻密封装置节段的搭接的板的延伸的第一斜角形轮廓。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括获得具有斜角形轮廓端的密封元件，所述斜角形轮廓端构造成与所述搭接的板的所述第一斜角形轮廓和所述第二斜角形轮廓两者对准。
17. 一种旋转式机器，包括：
沿周向在转子周围延伸的固定式壳体，所述转子能够绕着轴线旋转；
密封组件，其包括设置在所述固定式壳体和所述转子之间的多个密封装置节段，其中，所述节段中的各个包括至少一个板和密封元件，
其中，多个节段间间隙形成于所述多个密封装置节段之间，
其中，对于成对的相邻密封装置节段而言，成对的相邻板中的至少一个包括在相应的节段间间隙处搭接另一个板的一个板。
18. 根据权利要求17所述的机器，其特征在于，所述机器进一步包括在所述节段间间隙处、在所述密封装置节段中的各个的所述至少一个板的第一端处的斜面，以及
在所述节段间端部间隙处、在所述密封装置节段中的各个的所述至少一个板的第二端处的斜面。
19. 根据权利要求17所述的机器，其特征在于，所述密封元件包括刷式密封件、迷宫式密封件、叶式密封件、瓦式密封件或蜂窝式密封件。
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