CN103403300B - 轴向刷式密封件和功率涡轮 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有转子的涡轮机的刷式密封组件(100)可包括静止密封构件(105)、联接到静止密封构件上的浮动密封构件(110)以及设置于刷毛束中的周向成角度的刷毛(120)，刷毛束配置于浮动密封构件中且相对于转子轴向延伸。

Description

轴向刷式密封件和功率涡轮
技术领域
本文中公开的主题涉及涡轮机中的密封结构，并且更具体地涉及浮动轴向刷式密封件。
背景技术
径向刷式密封件在涡轮机中是一项成熟的技术。它们在功率涡轮中的实施会受到它们通过转子本体的摩擦发热而影响功率涡轮中的转子动力性能的趋势限制。例如，转子的不均匀的周向发热可引起转子弯曲，从而将不平衡导入涡轮而影响临界速度。此外，某些功率涡轮可不具有用于径向刷式密封件的足够空间。
需要的是一种刷式密封件，其减少转子发热并且可在具有有限的径向空间的涡轮中实施。
发明内容
根据本发明的一个方面，描述了一种用于具有转子的涡轮机的刷式密封组件。该组件可包括静止密封构件、可动地联接到静止密封构件上的浮动密封构件以及设置于刷毛束中的周向成角度的刷毛，刷毛束配置于浮动密封构件中且相对于转子轴向延伸。
根据本发明的另一方面，描述了一种功率涡轮。该功率涡轮可包括：第一涡轮叶轮；第二涡轮叶轮；配置于第一和第二涡轮叶轮之间并且联接到其上的转子；邻近转子的定子；以及轴向刷式密封组件，该轴向刷式密封件可包括：联接到定子上的静止密封构件；联接到静止密封构件上的浮动密封构件；设置于刷毛束中的周向成角度的刷毛，刷毛束配置于浮动密封构件中且相对于转子轴向延伸；以及配置于静止密封构件与浮动密封构件之间的径向刷式密封组件。
根据本发明的又一方面，描述了一种功率涡轮。该功率涡轮可包括：第一涡轮叶轮；第二涡轮叶轮；配置于第一和第二涡轮叶轮之间并且联接到其上的转子；邻近转子的定子；以及联接到定子上的轴向刷式密封组件，该轴向刷式密封件可包括：静止密封构件；联接到静止密封构件上的浮动密封构件；设置于刷毛束中的周向成角度的刷毛，刷毛束配置于浮动密封构件中且相对于转子轴向延伸；以及配置于静止密封构件与浮动密封构件之间的活塞环。
这些和其它优点及特征将从下文结合附图的说明变得更加明显。
附图说明
视为本发明的主题在作为说明书的总结的权利要求书中具体指出并清楚地主张权利。从以下结合附图的详细说明，本发明的前述和其它特征及优点显而易见，在附图中：
图1示出示例性轴向刷式密封组件的透视侧视图。
图2示出图1的示例性轴向刷式密封组件的另一透视侧视图。
图3示出图1和图2的示例性浮动轴向刷式密封组件在功率涡轮环境中的侧视图。
图4示出浮动刷式密封组件的另一实施例的局部侧视图。
详细说明参照附图通过示例的方式介绍了本发明的实施例以及优点和特征。
附图标记
100轴向刷式密封组件
105静止密封构件
106凹部
107凹部
110浮动密封构件
111钩部
112前板
113后板
114凹部
115间隙
116轴向齿
117倾斜部分
118倾斜部分
119齿
120刷毛
125侧轨
130侧轨
140箭头
150二级密封件
151侧轨
152侧轨
153刷毛
154表面
170功率涡轮环境
175转子
180定子
185第一涡轮叶轮
190第二涡轮叶轮
191叶轮空间
192叶轮空间
193箭头
194距离
400轴向刷式密封组件。
具体实施方式
本文中描述的示例性实施例包括浮动轴向刷式密封件。这些密封件可抵靠叶轮面密封，从而避免转子本体的摩擦发热并且消除对转子动力性能的影响。浮动轴向刷式密封件可以以跨密封件的涡轮叶轮空间中很高的压降(大于或等于500磅每平方英寸的差(psid)(3.45牛顿每平方厘米(N/mm2)))与在涡轮旋转和静止构件之间大的相对轴向移动(+/-0.5英寸(1.27厘米(cm)))的结合来实施。浮动轴向刷式密封件具有对功率涡轮的每个级处的叶轮空间中的压力变化自调整的结构。通过调节至转子的轴向位置并维持充足的刷毛支承以维持高压应用，浮动轴向刷式密封件可实现在每一个涡轮级实施刷式密封件。
通常，刷式密封组件包括静止密封构件，其具有构造成接纳处于可动构型下的浮动密封构件的一部分的凹部。浮动密封构件联接到静止密封构件上，使得在使用期间，浮动密封构件可例如基于刷式密封组件周围的压力变化横向和纵向移动。浮动密封构件的总体形状是有利于浮动密封组件的每一侧附近的期望压力(例如，达到PH>P1>P2>PL的压力(参见图3))。由此，刷式密封组件可具有使得叶轮空间191大于叶轮空间192的尺寸和几何形状。
图1示出了示例性轴向刷式密封组件100的透视侧视图。图2示出了示例性轴向刷式密封组件100的另一透视侧视图。图3示出了图1的示例性浮动轴向刷式密封组件100在功率涡轮环境170中的侧视图。涡轮环境170可包括配置于第一涡轮叶轮185与第二涡轮叶轮190之间的转子175，第一涡轮叶轮185可以是上游较高压力的旋转叶片组件，第二涡轮叶轮190可以是较低压力的旋转叶片组件。第一涡轮叶轮185和第二涡轮叶轮190可以是功率涡轮的任意级的一部分。此外，第一涡轮叶轮185和第二涡轮叶轮190以及转子175一致地旋转。
涡轮环境170还可包括围绕转子175并与其相对地配置的定子180。涡轮环境170还包括叶轮空间191、192。期望根据如文中进一步说明的期望涡轮操作来控制叶轮空间191、192中的压力和流体流(通过箭头193示出)。例如，可期望维持叶轮空间191中较高的压力和叶轮空间192中较低的压力。在示例性实施例中，浮动轴向刷式密封组件100对涡轮环境170中的任意期望压力和流体流作出响应并且自调整。
浮动轴向刷式密封组件100可包括配置于定子180上(例如，直接附接到定子上)的静止密封构件105。在示例性实施例中，静止密封构件105可与定子180一体形成或者是附着至定子180(例如，经由焊接)的单独部件。浮动轴向刷式密封组件100还可包括经由延伸到凹部106中的钩部111(例如，T形布置、燕尾件布置等)联接到静止密封构件105上的浮动密封构件110。在示例性实施例中，浮动密封构件110可通过凹部106和钩部111的T形布置联接到静止密封构件105上，在T形布置中，钩部111可响应于在转子175与定子180之间的相对移动和/或涡轮环境170中的压力变化而在凹部内轴向移动(即，轴向浮动布置)。如图所示，凹部106相对大于钩部111，以使得钩部111可响应于例如在涡轮环境170内的压力变化而在凹部111内移动。钩部111具有充分的尺寸和互补的几何形状，以防止其脱离凹部106，同时允许钩部111在凹部106内的预期移动范围。如技术人员清楚理解地，钩部111可由从后板113到凹部106中的延伸部形成，在延伸部的端部附近有突出部，使得突出部具有大于通向凹部的开口的尺寸。
浮动轴向刷式密封组件100还可包括配置于静止密封构件105与浮动密封构件110之间的二级密封件150(例如，活塞环)。该二级密封件150可与浮动密封构件110摩擦接触，例如以防止在叶轮空间191、192之间不希望的泄漏。二级密封件150可配置于静止密封构件105上的凹部107中。二级密封件150在凹部107内就位并且通过在二级密封件150与凹部107之间的摩擦力保持。凹部107足够大以容纳其所收容的二级密封件150。二级密封件150具有足够大的尺寸以耐受来自涡轮环境170的压力负荷和应力。由于摩擦移动而引起的发热由于小的轴向和不频繁的移动而较低。为了减少二级密封件150的磨损，二级密封件150可以是用以耐受涡轮环境170的负荷、压力和温度的合适材料，包括但不限于钴基合金。
浮动密封构件110还可包括配置于侧轨125、130之间的刷毛120。刷毛120还配置于前板112与后板113之间。在示例性实施例中，前板112和后板113是浮动密封构件110的一体部件并且具有柱形。刷毛120和侧轨125、130可附着在浮动密封构件110中的凹部114中(例如，燕尾件、唇缘和凹槽中，或固定刷毛120同时允许它们朝向和/或离开叶轮空间192弯曲的其它布置中)。刷毛120可维持与第二涡轮叶轮190相距一定距离194(例如，刷间隙)。然而，在涡轮操作期间，涡轮环境170内的压力波动会导致刷毛120与第二涡轮叶轮190接触，从而使刷毛120弯曲。间隙115提供刷毛120可从弯曲状态移动(例如，散开)到其中的空间。刷毛120还绕转子175周向设置。刷毛120可在切向上成角度，例如，目的是为了向刷毛120提供柔性，从而允许刷毛120在第二涡轮叶轮190与刷毛120接触时弯曲而不是翘曲。
浮动密封构件110还可包括径向密封件，诸如具有一个或多个齿的迷宫密封件，该密封件设计成使得其不会与(多个)旋转构件接触。
在示例性实施例中，浮动密封构件110可包括可影响叶轮空间191、192中的压力和流体流量的若干几何特征。例如，浮动密封构件110可包括轴向齿116，其可影响叶轮空间191中的流体流量，从而有助于在压力PH与P1之间的压降。压力PH与P1之间的压降还会受浮动密封构件110的倾斜部分117的角度影响。该倾斜部分可以是浅角(例如，5度至20度，具体而言约10度)，例如以形成齿廓。跨倾斜部分的压降因应用而异，并且因此基于具体应用来选择该角度。浮动密封构件110还可包括径向定向的迷宫齿119，其可影响在叶轮空间191、192之间的流体流量，从而有助于在压力P1与P2之间的压降。压力P2与PL之间的压降可受在刷毛120与第二涡轮叶轮190之间的距离194中的变化影响。可在整个组件100上维持压力平衡，以维持刷毛120到涡轮叶轮190的紧密间隙。
在涡轮环境170的稳态操作中，浮动轴向刷式密封组件100可达到平衡位置，其中刷毛120以距第二涡轮叶轮190的最小轴向间隙操作，或者在与其轻微接触的状态下操作。在特定例子中，压力PH、P1、P2和PL作用在浮动密封构件110上，这引起大体沿由箭头140所示方向的移动。
一般而言，PH代表高压力，而PL代表低压力，这两个压力是相对于彼此测得的。尽管刷毛120可在低压侧和高压侧中的任一侧定位，但刷毛120在低压侧可维持具有增加的间隙可预测性。如文中所述，压力P1和P2的大小取决于在齿116与叶轮185之间的轴向距离、刷毛120与第二涡轮叶轮190之间的距离194以及齿119与转子175之间的径向间隙。此外，PH>P1>P2>PL。期望在涡轮操作期间的距离194尽可能低而不会引起干涉(例如，第二涡轮叶轮190的摩擦发热)以提供有效密封(例如，在叶轮空间191、192之间)。刷距离194可为大约若干密尔(例如，小于或等于5密尔(0.127毫米(mm)))。
在瞬时操作期间，涡轮构件经历热膨胀，从而引起间隙改变并且跨浮动密封构件110建立差压。例如，压差使浮动密封构件110跟随第二涡轮叶轮190移动，由此维持在刷毛120与第二涡轮叶轮190之间的距离194(理想地低恒定值)。例如，随着转子175热膨胀并且相对于定子180轴向移动，作用在浮动密封构件110上的压力的再调节形成净力，该净力使浮动密封构件110移动至涡轮环境170内对应的相对位置。此外，当涡轮停机并且环境170减压时，浮动密封构件110移动至静止状态。类似地，当涡轮构件在停机操作期间热收缩时，压力差引起浮动密封构件110逆转其方向，由此例如跟随第二涡轮叶轮190，并维持期望的间隙(即，距离194)。
作用在涡轮环境170内的力和因此引起的浮动密封构件110在瞬时操作期间的移动取决于浮动轴向刷式密封组件100的尺寸。例如，倾斜部分117、118的角度可变化，即，根据具体应用来选择。如由二级密封件150决定的压力平衡直径影响总体轴向力平衡，并且可调节以限制在刷式密封件120的刷毛末端与叶轮190之间的接触压力。压力平衡直径是二级密封件150作用(act)在其上的表面的直径，并且可影响二级密封件150的哪一部分暴露于较高压力和二级密封件150的哪一部分暴露于较低压力。二级密封件表面直径将浮动轴向刷式密封组件100的全部轴向区域分为两部分。二级密封件表面直径是邻近浮动密封构件110的二级密封件150的直径。一部分承受压降，而另一部分不承受压降。因此，二级密封件150的直径决定压力平衡(或密封件的封闭力)。再参见图3，二级密封件表面直径越大，暴露于高压力PH和P1的表面区域就越多，从而在叶轮空间192中形成更大的净力。类似地，较小的二级密封表面直径减小了朝向叶轮空间192的净力，从而影响浮动密封构件110上的总体力平衡。
此外，可基于从P1至P2的期望压降来选择径向定向的迷宫齿119的数量。迷宫齿119也可具有浅角(例如，约5度至约20度，特别是大约10度)。齿的数量和长度可基于每个应用来选择，其中齿通常具有不论浮动密封构件是否移动都将避免与转子接触的长度。在一些实施例中，浮动密封构件可具有最多10个齿，具体而言1至5个齿，并且更具体而言1至3个齿。在迷宫齿之间的距离可选择成形成不利的流动路径以抑制泄漏(例如，齿间距可与齿长度相同)。因此，通过修改上述特征，以及浮动密封构件110的径向和轴向尺寸，可选择并因此控制浮动密封构件110的移动量以及距离194。
在示例性实施例中，二级密封件150实施成控制在叶轮空间191、192之间的流体泄漏，由此控制沿着箭头193的流动，从而具有可预测的压力PH、P1、P2和PL。在示例性实施例中，二级密封件150可以是任何合适的密封件，包括但不限于活塞环c形密封件、压力平衡的活塞环、金属密封件、v形密封件、w形密封件、刷式密封件以及包括前述密封件中的至少一种的组合。在图1-3中，二级密封件150作为活塞环示出。
图4是浮动轴向刷式密封组件400的局部侧视图。图4示出静止密封构件105和浮动密封构件110的局部视图。图4示出作为径向刷式密封件的二级密封件150，其包括配置于侧轨151、152之间的刷毛153。刷毛153和侧轨151、152可附着在静止密封构件105的凹部107中和具有凹部107的燕尾件布置中。在示例性实施例中，刷毛153与浮动密封构件110的表面154摩擦接触，由此防止如关于图3所述的叶轮空间191、192之间的泄漏。浮动密封构件110的移动的量级和速度都比较小，从而在浮动密封构件110的表面154上引起小的摩擦发热。因此，图4示出，在示例性实施例中，浮动轴向刷式密封组件100可包括两组刷式密封件，一个包括刷毛120且另一个包括刷毛153。在这种布置中，刷毛120关于转子175以及第一涡轮叶轮185和第二涡轮叶轮190轴向布置，并且刷毛153关于转子175以及第一涡轮叶轮185和第二涡轮叶轮190径向布置。
用于如文中所述的组件100、400的材料可因应用而异。例如，视温度而定，用于组件100、400的部件可以是金属或金属合金，例如铬、钼、钴、钒、镍、钨以及包括前述元素中的至少一种的组合。示例性合金包括钴基合金、镍基合金、铁基合金、铬基合金等，诸如钢。例如，铬、钼、钒(CrMoV)钢可用于低温(例如，小于或等于1,000℉(538℃))，而诸如Inconel*的镍合金可用于较高温度应用(例如大于1,000℉(538℃))。在可能存在滑动摩擦的情况下，诸如二级密封件150或刷式密封件刷毛120，可采用诸如钴基合金的材料，例如Haynes*25合金(镍-铬-钨合金)或Stellite*合金(钴-铬合金)。有时，匹配构件可具有诸如碳化铬的低摩擦或耐磨涂层。也可任选地使用陶瓷，例如用于一些燃气涡轮应用中的极高温度。
文中描述的示例性轴向刷式密封组件提供了若干优点。例如，在某些具有鼓式转子结构的基于反应的涡轮设计中，涡轮可包括数量大得多的叶片行，与基于脉冲(impulse-based)的设计相反，其中叶片插入在转子本体中加工出的燕尾件中(鼓式转子设计，与叶轮和隔板型结构相反)。例如，基于反应的蒸汽涡轮可具有大约两倍于脉冲涡轮的叶片数量。这种类型的涡轮在很大程度上依赖于有效密封并且具有有限的用于密封件(尤其是刷式密封件，其需要一定量的径向刷毛长度以便维持它们的柔性和顺应性)的径向空间。文中所述的示例性轴向刷式密封组件在不需要径向空间的情况下提供了有效密封。
该示例性轴向刷式密封组件与其它密封件设计相比还可改善涡轮操作性能。已使用高-低齿(Hi-loteeth)(一种迷宫密封件)来密封在转子175表面与定子内盖105之间的间隙。在这种布置中，径向齿长短交替，并与转子的交替的小和大直径区段相对(转子加工有高接合部和低接合部)。长迷宫齿接合转子的低接合部，而短齿接合转子的高接合部。高接合部典型地比低接合部高约0.125英寸(0.3175厘米)，这意味着转子直径在密封区段中以0.25英寸(0.635厘米)交替，而迷宫齿长度也以0.125英寸(0.3175厘米)(按直径为0.25英寸(0.635厘米)交替)。在齿与转子之间的径向间隙对于短齿和长齿两者而言典型地相同；但通过使长齿和短齿交替(即，“高-低”布置)，形成了更有效的流动限制。在起动期间，转子热膨胀快于外壳，因此转子接合部相对于密封件齿轴向移动。为了防止转子接合部干涉(并损伤)密封件齿，必须谨慎控制起动速度。文中所述的轴向刷式密封组件消除了基于轴向间隙的起动担忧，因为轴向刷式密封组件随转子“浮动”，不必担忧形成破坏性的轴向摩擦。
虽然仅关于有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。而是，可修改本发明以合并之前未描述但与本发明的精神和范围相符的任意数量的变型、更改、替代或等效布置。此外，虽然描述了本发明的各种实施例，但应理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应视作受前文的描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (7)

1.一种用于具有转子的涡轮机的刷式密封组件，包括：
静止密封构件；和
通过延伸到所述静止密封构件的凹部中的钩部可动地联接到所述静止密封构件上的浮动密封构件，其中所述浮动密封构件包括：
柱形前板和柱形后板；以及
保持在所述柱形前板与所述柱形后板之间的多个刷毛；
其中，当安装在所述涡轮机中时，所述多个刷毛相对于所述转子轴向延伸且配置成朝向或离开涡轮叶轮弯曲。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件还进一步包括多个侧轨，所述多个侧轨附着在形成在所述柱形前板和柱形后板之间的凹部中且用于保持所述多个刷毛，其中所述多个侧轨在所述刷毛与所述柱形前板之间和在所述刷毛与所述柱形后板之间限定空间。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述组件还包括配置于所述静止密封构件与所述浮动密封构件之间的二级密封件。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述二级密封件包括活塞环。
5.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述二级密封件包括具有另外多个刷毛的刷式密封件，并且其中，当安装在所述涡轮机中时，所述二级密封件的所述多个刷毛相对于所述转子径向延伸。
6.一种功率涡轮，包括：
第一涡轮叶轮；
第二涡轮叶轮；
配置于所述第一涡轮叶轮和第二涡轮叶轮之间并且联接到两者上的转子；
邻近所述转子的定子；以及
刷式密封组件，所述刷式密封组件包括：
附接到所述定子上的静止密封构件；
通过延伸到所述静止密封构件的凹部中的钩部可动地联接到所述静止密封构件上的浮动密封构件，其中所述浮动密封构件包括：
柱形前板和柱形后板；以及
保持在多个侧轨之间的多个刷毛，所述多个侧轨附着在形成在所述柱形前板和柱形后板之间的凹槽中；
其中，当安装在所述功率涡轮中时，所述多个刷毛相对于所述转子轴向延伸且配置成朝向或离开第二涡轮叶轮弯曲；以及
配置于所述静止密封构件与所述浮动密封构件之间的活塞环。
7.根据权利要求6所述的功率涡轮，其特征在于，所述凹部和所述钩部处于浮动燕尾件布置中。
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