CN103362568A - 带有椭圆间隙的刷式密封系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及带有椭圆间隙的刷式密封系统，提供用于绕旋转机械的转子使用的刷式密封系统。该刷式密封系统可包括一些刷式密封区段，其中每个刷式密封区段具有一些刷毛，并且刷式密封区段中的一个或更多包括椭圆轮廓，以便改变刷式密封区段与转子之间的间隙。

Description

带有椭圆间隙的刷式密封系统
技术领域
本申请和所得专利大体上涉及用于与旋转机械一起使用的密封件，并且更特定地涉及用于与旋转机械(例如蒸汽涡轮等)一起使用的带有椭圆间隙的刷式密封(brush seal)系统，以通过对齐主轴线与主振动方向而适应转子振动。
背景技术
大体而言，蒸汽涡轮等可具有限定的蒸汽通路，其包括蒸汽入口、涡轮段和蒸汽出口。蒸汽泄漏(无论是从较高压力区域到较低压力区域离开蒸汽通路或进入蒸汽通路)可不利地影响蒸汽涡轮的操作效率。例如，涡轮中在旋转轴和周向环绕的涡轮壳体之间的蒸汽通路泄漏可降低蒸汽涡轮的效率。此外，在端部封装和转子之间穿过转子端部的蒸汽泄漏也可显著降低蒸汽涡轮的操作效率。随着时间推移，这些蒸汽通路损耗可导致燃料成本的整体增加。
为了便于和尽量减少泄漏，可在旋转构件和固定构件之间使用刷式密封件。刷式密封件可设计成与转子表面接触，以便尽量减少泄漏。刷式密封件的刷毛的柔性可适应转子偏位和发展，而不遭受密封件损坏。刷式密封件的内径因而被制成带有大致圆形取向，因为其刷毛是柔性和适应性的。这种做法大体上适应旋转构件和固定构件由于压力负载和离心力导致的变形，因为在各个操作阶段期间的热梯度、热膨胀和热收缩可能在周向上均匀。然而，对于带有负载很重的轴颈轴承的涡轮机械而言，旋转构件和固定构件之间的相对运动在竖直方向和横向方向之间可显著不同。例如，某些轴承在横向方向上比在竖直方向上提供大得多的阻尼。因此，当涡轮经历临界速度时，例如在启动、停机和其它类型的瞬态操作期间，竖直振动振幅可显著高于横向振动振幅。
此外，允许使用的刷式密封件的数量可能受限，因为这样的刷式密封件可导致对转子的非均匀加热，从而导致转子不稳定。一种允许更多刷式密封件的方式是使用可变间隙正压封装(“VCPPP”)密封技术等。大体而言，VCPPP密封技术使刷式密封件在启动过程期间缩回。然而，当刷式密封环打开时，区段端部处的刷毛可能落入缝隙中。如果污染物等积聚在其中，则刷式密封件环还可能有无法恰当闭合的风险。
因此，期望有用于与蒸汽涡轮和其它类型的旋转机械一起使用的改进的刷式密封系统。这种改进的刷式密封系统在瞬态操作等期间将对转子和其它构件具有更少的热输入，以便允许在其中使用更多的刷式密封区段，且因此允许更有效的密封。此外，与已知的刷式密封系统相比，这种改进的刷式密封系统可具有增加的效率和整体可靠性。
发明内容
因此，本申请和所得专利提供了一种用于绕旋转机械的转子使用的刷式密封系统。该刷式密封系统可包括一些刷式密封区段，其中每个刷式密封区段具有一些刷毛，并且刷式密封区段中的一个或更多包括椭圆轮廓，以便改变刷式密封区段与转子之间的间隙。
本申请和所得专利还提供了一种用于绕旋转机械的转子使用的刷式密封系统。该刷式密封系统可包括一些刷式密封区段，其中每个刷式密封区段具有一些刷毛，并且刷式密封区段中的一个或更多包括可变长度椭圆取向，以便改变刷式密封区段与转子之间的间隙。
本申请和所得专利还提供了一种用于绕旋转机械的转子使用的刷式密封系统。该刷式密封系统可包括一些刷式密封区段，其中每个刷式密封区段具有一些刷毛，并且刷式密封区段中的一个或更多区段包括成型刷毛椭圆取向，以便改变刷式密封区段与转子之间的间隙。
对本领域普通技术人员而言，当结合若干附图和所附权利要求来回顾下面的详细描述时，本申请和所得专利的这些和其它的特征及改进将变得显而易见。
附图说明
图1是蒸汽涡轮的一部分的示例的示意图。
图2是可与图1的蒸汽涡轮一起使用的刷式密封系统的示例的示意图。
图3是可如文中所述的刷式密封系统的示例的示意图。
图4是可如文中所述的刷式密封系统的一备选实施例的示例的示意图。
图5是图4的刷式密封系统的一部分的平面图。
附图标记：
10     蒸汽涡轮
15     高压段
20     中压段
25     壳体
30     上段
35     下段
40     中央段
45     高压蒸汽入口
50     中压蒸汽入口
55     转子
60     轴承
65     蒸汽密封单元
70     分隔件
75     封装壳体
80     刷式密封系统
85     刷式密封区段
90     刷毛
95     载体
98     固定部件
100   旋转机械
110   转子
120   刷式密封系统
130   刷式密封区段
140   刷毛
145   区段端部
150   载体
160   椭圆轮廓
170   间隙
175   可变长度取向
180   顶部区段
190   底部区段
210   侧部区段
215   成型取向(contoured orientation)
220   椭圆形状
225   可变直径
230   钩部
240   偏置直径
245   台肩
250   固定部件。
具体实施方式
现在参照附图，其中，在若干图中相似的标号始终表示相似的元件，图1示出蒸汽涡轮10的示例的示意图。大体而言，蒸汽涡轮10可包括高压段15和中压段20。其它压力和其它段也可用于本文中。外壳或壳体25可被轴向地分成分别上半段30和下半段35。壳体25的中央段40可包括高压蒸汽入口45和中压蒸汽入口50。在壳体25内，高压段15和中压段20可绕转子55布置。转子55可由一些轴承60支承。蒸汽密封单元65可位于每个轴承60的内侧。环形段分隔件70可从中央段40朝转子55径向向内延伸。分隔件70可由封装壳体75接纳。其它构件和其它配置可用于本文中。
在操作期间，高压蒸汽入口45从蒸汽源接收高压/高温蒸汽。该蒸汽可被导引通过高压段15，从而通过转子55的旋转而从蒸汽提取功。该蒸汽离开高压段15且然后可返回至蒸汽源以用于再加热。再加热的蒸汽然后可被导引至中压蒸汽入口50。该蒸汽可在与进入高压段15的蒸汽相比减小的压力但在与进入高压段15的蒸汽的温度大致相等的温度下返回至中压段20。因此，高压段15内的操作压力可高于中压段20内的操作压力，使得高压段15内的蒸汽倾向于穿过泄漏通路朝中压段20流动，该泄漏通路可形成于高压段15和中压段20之间。一个这样的泄漏通路可绕转子轴55延伸穿过封装壳体75。其它泄漏可跨过蒸汽密封单元65和在其它地方形成。
为了限制泄漏流，刷式密封系统80可与蒸汽涡轮10一起使用。刷式密封系统80可包括一些刷式密封区段85。每个刷式密封区段85可包括附连至载体95的一些刷毛90。载体95可附连至固定部件98，例如封装壳体75等。刷毛90可朝转子55或其它类型的旋转构件延伸以与其接触。如上所述，刷式密封系统80可导致对转子55的非均匀加热，从而在瞬态操作等期间形成不稳定。非均匀加热可始于转子55的偏心。这可导致转子55在转子55接收最多加热的方向上弯曲。继而，弯曲的转子55可进一步压入刷式密封区段85中，从而导致更多的非均匀加热。这种自进给过程可最终导致转子不稳定。
图3示出可如文中所述的旋转机械100的一部分。旋转机械100可为蒸汽涡轮等。旋转机械100可包括转子110或类似于上面所述的其它类型的旋转构件。旋转机械100还可包括刷式密封系统120，其可包括一些刷式密封区段130。如上所述，刷式密封区段130可包括附连至载体150的一些刷毛140。本文中可使用任何数量的刷式密封区段130以及任何数量的刷毛140。每个刷式密封区段130具有一对区段端部145。其它构件和其它配置可用于本文中。
刷式密封系统120的刷毛末端还可相对于转子110形成大致椭圆的轮廓160。当主转子振动处于竖直方向时，在竖直临界速度模式的情况下，椭圆轮廓160因而可关于指向竖直方向的主轴线取向。通过椭圆轮廓160，刷式密封区段130绕转子110在三(3)点钟和九(9)点钟位置处与在十二(12)点钟和六(6)点钟位置相比可具有更小的间隙170，并且在如图所示的大约两(2)点钟、五(5)点钟、七(7)点钟和十(10)点钟位置处具有甚至更小的间隙。通过使用用语“椭圆”，我们还包括各种类型的双曲面、抛物面和类似类型的形状及配置。如果振动方向从竖直方向倾斜，则椭圆间隙取向应使主轴线相应地倾斜。
可以一些不同方式获得椭圆轮廓160。如图3中所示，椭圆轮廓160可具有可变刷毛长度取向175。在可变刷毛长度取向175中，顶部区段180和/或底部区段190的刷毛140可具有与一些侧部区段210上的刷毛140相比更短的长度。不同长度的刷毛140可用于本文中。本文中可使用其它构件和其它配置。
备选地，如图4和图5中所示，椭圆轮廓160可具有成型取向215，其使区段在刷式密封件载体150的刷式密封件钩部230上偏置至可变直径225。在文中的成型取向215中，椭圆形状220可被机械加工或以其它方式形成为刷式密封件钩部230的直径225。这样，各个区段的刷毛长度可类似。
在另一示例中，椭圆轮廓160可形成为在固定部件250的台肩245上带有椭圆外形以具有偏置取向。在偏置取向中，刷式密封区段130中的一个或更多的载体150的钩部230可具有偏置直径240。如上所述，载体150可安装在固定部件250(例如封装壳体75等)中。偏置直径240的使用因而允许刷式密封区段130中的一个或更多的位置相对于转子110改变。
其它结构可用于本文中以便促进椭圆取向160。在任何椭圆轮廓160中，相邻区段130的区段端部145可或可不彼此接触。本文中可使用其它构件和其它配置。
因此，刷式密封系统120提供椭圆轮廓160，以便沿着顶部区段180和底部区段190与侧部区段210相对具有更大的间隙170。因此，椭圆轮廓160可适应可适用的转子动态，其在竖直方向上比在水平方向上具有更大的振动振幅。由椭圆轮廓160导致的更大间隙允许更多的转子竖直振动，而不使刷毛束过度偏转以及产生不稳定的热。这样，可使用更多刷式密封系统120。更多刷式密封系统120的使用应提高整体效率，而不在椭圆轮廓的主轴线方向上对转子增加显著的加热。由于一旦涡轮达到操作速度时在操作压力下的吹出效应，本文中的泄漏损失可较小。此外，本文所述的刷式密封系统120可比已知的VCPPP密封技术更便宜且更可靠。具体而言，刷式密封系统120可避免对区段端部刷毛造成损坏的风险。不同类型的椭圆取向175、215可在本文中一起使用。虽然已在本文中在旋转机械100的转子110的情境下描述了刷式密封系统120，但刷式密封系统120可适用于任何类型的旋转构件和固定构件之间，以便限制穿过其的泄漏损耗。
出于说明的原因，假设在前述描述中临界振动主要在竖直方向上。在现实中，振动矢量的峰值可关于竖直方向倾斜角度。所谓的“顶部”和“底部”实质上参考转子振动模式的主轴线。所谓的“侧部”参考转子振动模式的次轴线(minor axis)。主轴线和次轴线可彼此成90度的角度，但并非一直这样。类似地，顶部区段不限于顶部中央区段，而是还包括靠近顶部的区段。对于底部区段同样如此。
应当显而易见的是，上述内容仅仅涉及本申请和所得专利的某些实施例。在不脱离由所附权利要求及其等同物所限定的本发明的一般精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可在其中做出众多修改和变型。

Claims (19)

1.一种用于绕旋转机械的转子使用的刷式密封系统，包括：
多个刷式密封区段；
所述刷式密封区段中的每一个包括多个刷毛；并且
所述多个刷式密封区段中的一个或更多包括椭圆轮廓，以便改变所述多个刷式密封区段与所述转子之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的刷式密封系统，其特征在于，所述椭圆轮廓包括可变长度取向，其中，所述多个刷式密封区段中的一个或更多包括与所述多个刷式密封区段的其余部分相比具有更短长度的多个刷毛。
3.根据权利要求1所述的刷式密封系统，其特征在于，所述多个刷式密封区段包括带有第一长度的多个刷毛的一个或更多第一区段、带有第二长度的多个刷毛的一个或更多第二区段，并且其中，所述第一长度小于所述第二长度。
4.根据权利要求3所述的刷式密封系统，其特征在于，所述一个或更多第一区段包括顶部区段和/或底部区段，并且所述一个或更多第二区段包括一个或更多侧部区段。
5.根据权利要求1所述的刷式密封系统，其特征在于，所述多个刷式密封区段包括附连至所述多个刷毛的载体。
6.根据权利要求5所述的刷式密封系统，其特征在于，所述载体包括其上的钩部。
7.根据权利要求6所述的刷式密封系统，其特征在于，所述椭圆轮廓包括成型取向，其带有所述多个刷式密封区段中的一个或更多的钩部。
8.根据权利要求6所述的刷式密封系统，其特征在于，所述椭圆轮廓包括偏置取向，其带有包括偏置直径的一个或更多钩部。
9.根据权利要求1所述的刷式密封系统，其特征在于，所述多个刷式密封区段包括顶部区段、底部区段、多个侧部区段，并且其中，所述顶部区段和所述底部区段的相应端部不与所述多个侧部区段的相应端部接触。
10.根据权利要求9所述的刷式密封系统，其特征在于，所述多个侧部区段中的第一侧部区段和第二侧部区段的相应端部处于接触。
11.根据权利要求10所述的刷式密封系统，其特征在于，所述多个刷式密封区段均处于接触。
12.根据权利要求1所述的刷式密封系统，其特征在于，在所述转子上的大约三(3)点钟位置和大约九(9)点钟位置处的所述刷式密封区段包括第一间隙，其中，在大约十二(12)点钟位置和大约六(6)点钟位置处的所述刷式密封区段包括第二间隙，并且其中，所述第一间隙小于所述第二间隙。
13.根据权利要求1所述的刷式密封系统，其特征在于，在所述转子上的大约两(2)点钟位置和大约七(7)点钟位置处的所述刷式密封区段包括第一间隙，其中，在大约四(4)点钟位置和大约十(10)点钟位置处的所述刷式密封区段包括第二间隙，并且其中，所述第一间隙小于所述第二间隙。
14.根据权利要求1所述的刷式密封系统，其特征在于，所述椭圆轮廓包括可变长度取向、成型取向和/或偏置取向。
15.一种用于绕旋转机械的转子使用的刷式密封系统，包括：
多个刷式密封区段；
所述刷式密封区段中的每一个包括多个刷毛；并且
所述多个刷式密封区段中的一个或更多包括可变长度椭圆取向，以便改变所述多个刷式密封区段与所述转子之间的间隙。
16.根据权利要求15所述的刷式密封系统，其特征在于，所述可变长度取向包括，所述多个刷式密封区段中的一个或更多带有与所述多个刷式密封区段的其余部分相比具有更短长度的多个刷毛。
17.根据权利要求15所述的刷式密封系统，其特征在于，所述多个刷式密封区段包括带有第一长度的多个刷毛的一个或更多第一区段、带有第二长度的多个刷毛的一个或更多第二区段，并且其中，所述第一长度小于所述第二长度。
18.根据权利要求17所述的刷式密封系统，其特征在于，所述一个或更多第一区段包括一个或更多顶部区段和/或一个或更多底部区段，并且所述一个或更多第二区段包括一个或更多侧部区段。
19.一种用于与旋转机械的转子一起使用的刷式密封系统，包括：
多个刷式密封区段；
所述刷式密封区段中的每一个包括多个刷毛；并且
所述多个刷式密封区段中的一个或更多包括成型椭圆取向，以便改变所述多个刷式密封区段与所述转子之间的间隙。
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