CN103573301B - 涡轮机的密封装置及火力发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种涡轮机的密封装置，具备：密封部件，其设置于旋转体和配置成包围旋转体的静止体之间的间隙中；和流体路径，其形成于所述静止体的内部，使在从所述静止体向径向内侧延伸的静翅片的冷却中用后的冷却介质在进入所述静止体的内部后、流入所述密封部件的至少上游侧。
Description
本申请基于2012年7月20日提交的日本在先专利申请No.2012-161714并要求其优先权，该在先申请的全部内容通过引用并入此处。
技术领域
本发明涉及涡轮机的密封装置及火力发电系统。
背景技术
在作为涡轮式流体机械一例的蒸汽涡轮机（汽轮机）中，将包括高温及高压的蒸汽的流体用作工作流体使涡轮机转子高速旋转。在涡轮转子的外周面侧，相对配置有定子，在涡轮机转子的外周面与定子的内周面之间设有间隙，以使涡轮机转子在旋转时不接触定子的内周面。
由于经由该间隙漏出的流体没有用于涡轮机转子的旋转驱动，因此为了尽可能抑制从间隙漏出的流体而设有密封装置。
密封装置在涡轮转子的外周面或定子的内周面配置多个非接触型的密封翅片，使密封翅片的前端与对向面的间隙进一步缩窄以减少泄漏流体的流量。
然而，即使设置密封装置，依然会发生流体的泄漏。当密封装置的泄漏流速在具有圆周方向分量的状态下在径向上变化时，密封装置内的圆周方向压力分布出现不均衡，产生使涡轮转子不稳定的流体力。该不稳定流体力主要由密封装置的上游侧的回旋流分量引发。
回旋流分量越增加、不稳定力越大，涡轮机转子容易发生不稳定的自激振动。通过经验和/或建模试验、流体解析程序来掌握该情况，可明确的是，减小在密封装置的上游侧的回旋流分量对轴系自激振动的抑制有效。这种自激振动在蒸汽涡轮机中已知为钢旋（steelwhirl），伴随蒸汽条件的高压化而成为问题。
发明内容
本发明的一个方式涉及的涡轮机的密封装置，其特征在于，具备：密封部件，其设置于旋转体与配置成包围该旋转体的静止体之间的间隙中；和流体路径，其形成于所述静止体的内部，使在从所述静止体向径向内侧延伸的静翅片的冷却中用后的冷却介质在进入所述静止体的内部后、流入所述密封部件的至少上游侧。
附图说明
图1是能够应用于本实施方式的CO2涡轮机101的主要部分的轴向剖视图。
图2是将密封装置108周围放大了的剖视图。
图3是表示设于定子104内的流体路径4和与其相连的流体路径8的一例的俯视图。
图4是说明能够减小回旋流分量的理由的图。
图5是表示图4的一个变形例的图。
图6是表示在上游侧密封翅片109的第一级与第二级之间形成孔7且在第四级与第五级之间也形成孔7的例子的图。
图7是表示孔7的内壁为锥形形状的例子的图。
图8是表示在形成位于在圆周方向上相邻的两个静翅片106之间的孔7之前、预先形成切口9的例子的图。
图9是表示使冷却CO2气体从流体路径4、8流入的孔7周围的密封翅片109变形而使孔7的位置周围的密封翅片109的间隔变窄的例子的图。
图10是示意地表示在涡轮机转子103侧配置密封翅片109的例子的图。
图11是表示在定子104侧设置蜂窝片10以使其与设置于涡轮机转子103侧的密封翅片109相对配置的例子的图。
图12是蜂窝片10的俯视图。
图13是表示利用图1的CO2涡轮机101的火力发电系统的一例的概要结构图。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施方式。
从涡轮机转子103向径向外侧环状地以一定间隔配置有动翅片105。该些动翅片105在轴向上也以预定间隔配置，在轴向上相邻的动翅片105之间配置有静翅片106。静翅片106环状地以一定间隔配置。动翅片105的基部设于涡轮机转子103的外周面。
在图1中，表示了动翅片105和静翅片106在轴向上交替地各设置五个的五级结构的例子，但是，动翅片105和静翅片106的级数没有特别限制。
图1的CO2涡轮机101使用超临界状态的CO2作为工作流体以驱动涡轮机转子103，并且使从CO2涡轮机101排出的CO2循环而注入CO2涡轮机101内，用于各部分的冷却。
CO2在31℃、7.4MPa的状态下具有临界点，图1的CO2涡轮机101以比该临界点高温且高压地使用CO2为前提。
在图1的CO2涡轮机101的上游侧设有套筒管107，超临界状态的CO2气体作为工作流体从该套筒管107向涡轮机内注入。已注入的CO2气体沿轴向从上游侧流向下游侧，并从未图示的排气管排出。
涡轮机转子103利用流体碰撞动翅片105的力进行旋转驱动，流体通过动翅片105的外周面侧的间隙和静翅片106的内周面侧的间隙而泄漏。为了抑制该泄漏，在动翅片105的外周面侧和静翅片106的内周面侧分别配置有密封装置108。
密封装置108是在涡轮机转子103侧的动翅片105的外周面及静翅片106的对向面和定子104侧的静翅片106的外周面及动翅片105的对向面中的至少一个上以预定间隔配置有密封翅片109的装置，由此，使间隙狭窄而使流体难以泄漏。
密封装置108不仅设置于动翅片105或静翅片106的外周面及其对向面，也设置于与最上级的静翅片106相比位于上游侧的压紧密封垫111。
即使设置了密封装置108，由于在动翅片105和静翅片106的外周面侧流有高温的流体，因此动翅片105和静翅片106也将暴露于高温中。于是，在图1的CO2涡轮机101中，也可以使用从外部供给的低温的CO2气体（以下称为冷却CO2气体）来冷却动翅片105和静翅片106。
冷却CO2气体的一部分通过设置于内侧壳体102内的流体路径113而用于冷却动翅片106。在静翅片106的冷却中用后的CO2气体在动翅片105驱动用的主流的流体路径114合流，被再利用于旋转驱动涡轮机转子103。
如上所述，密封装置108的特别是上游侧的回旋流分量引发使涡轮机转子103不稳定的流体力，涡轮机转子103容易发生自激振动。为了应对，本实施方式涉及的CO2涡轮机对密封装置108进行了结构研究。
图2是将密封装置108的周围放大了的剖视图。图2的箭头y1表示从自内侧壳体102内的流体路径113分叉的流体路径1流向静翅片106的方向的冷却CO2气体（冷却介质）的路径，箭头y2表示产生动力用的高温高压CO2气体的主流路径。
如图2所示，在设置于内侧壳体102内的流体路径113流动的冷却CO2气体，通过设置于静翅片106的基部侧的流体路径1而经由定子104被导入静翅片106的内部，以冷却静翅片106。到达静翅片106的内环2的冷却CO2气体返回到静翅片106的外环3，流入设置于定子104内的流体路径4中。
图3是表示设于定子104内的流体路径4和与其连通的流体路径8的一例的俯视图，是从流体路径4、8观察涡轮机转子103侧的俯视图。图3的x方向是轴向，y方向是圆周方向。静翅片106和密封翅片109延伸到图3的纸面的背面侧。
如图2及图3所示，冷却CO2气体从与自内侧壳体102内的流体路径113分叉的流体路径1连通的定子104内的孔5被导入静翅片106，该冷却CO2气体通过静翅片106的内环2从外环3的外周面的孔（第一孔）6流入定子104内的流体路径4中。与该孔6连通的流体路径4，在轴向上延伸，在通过密封装置106上的孔（第二孔）7后，在圆周方向上改变方向，与另一流体路径8合流。该流体路径8沿定子104的轴向延伸，其中流动冷却在轴向的相同圆周位置排列的多个静翅片106后的冷却CO2气体流通。在流体路径8也设有孔7。
这样，由于流体路径8与在轴向的相同圆周位置排列的多个静翅片106相对应地设置，因此如果在圆周方向上配置有n个（n为2以上的整数）静翅片106，则流体路径8也沿轴向以预定间隔设置n个。
在图3中，对一个静翅片106设有两个孔7，任一孔7皆配置于上游侧第一级与第二级的密封翅片109之间。一个孔7设置于流体路径4上，另一孔7设置于流体路径8上。从静翅片106的外环3的孔6流入流体路径4的冷却CO2气体的一部分流入这些孔7中，将密封翅片109的周围冷却。
再有，对一个静翅片106设置的孔7的数量没有特别限制。如后述那样，孔7不需要一定设置于密封翅片109的上游侧第一级与第二级之间，但是，从减小回旋流分量的角度来看，优选设置于密封翅片109的上游侧。
如上所述，冷却在轴向的相同圆周位置排列的多个静翅片106后的冷却CO2气体在定子104内的轴向上延伸的流体路径8中流通，因此如果在该流体路径8上与密封翅片109的位置对齐地设置孔7，则能够增加从该孔7流入密封翅片109的冷却CO2气体的流量，能够提高密封翅片109的冷却效果。通过冷却密封翅片109，能够抑制密封翅片109的形状变化，耐用性也提高。
此外，通过使冷却CO2气体从上述孔7流入密封翅片109中，能够减小在密封装置108的周围产生的回旋流分量。
图4是说明能够减小回旋流分量的理由的图，是示意地表示涡轮机转子103和定子104的圆周方向的截面结构的图。如图4所示，从流体路径4、8上的孔7注入密封翅片109的上游侧第一级与第二级之间的冷却CO2气体沿径向流动。与之相对，由于回旋流分量在涡轮机转子103的圆周方向上形成，因此能够通过冷却CO2气体阻碍回旋流分量的流动并减小回旋流分量。
图5是表示图4的一个变形例的图，表示将定子104分为多个段（分割结构体）104a～104d的例子。在图5的例子中，将定子104分为四个段104a到104d，在各段设有与密封翅片109相通的孔7和流体路径4、8。
如图5所示，通过将定子104分为多个段104a～104d，易于加工形成流体路径4、8和孔7，并且定子104的组装作业性也提高。
再有，分段化的单位不一定限于四个。如果考虑到定子104的制造容易度和组装作业性，则根据在圆周方向上设置的孔7和流体路径4、8的数量来进行分段化即可。即、如果在各段设置孔7和流体路径4、8，则能够较容易地制造定子104，另外定子104的组装也易于进行。
在图2及图3中，表示了在上游侧第一级与第二级的密封翅片109之间形成孔7的例子，但是，也可以在第三级以后的密封翅片109之间形成孔7。图6表示在上游侧密封翅片109的第一级与第二级之间形成孔7并且在第四级与第五级之间也形成孔7的例子。由此，不仅能够减小密封装置108的上游侧的回旋流分量，还能够减小下游侧的回旋流分量。
在上述图1～图5中，对用于使冷却CO2气体从流体路径4、8流入密封翅片109中的孔7的形状没有特别限定。但是，从减小密封装置108的回旋流分量且冷却密封翅片109的观点来看，优选提高从孔7流入密封翅片109中的冷却CO2气体的流速。因此，图7表示了孔7的内壁为锥形形状的例子。图7的孔7随着靠近密封翅片109及转子103而使孔径缩小。由此，通过孔7的冷却CO2气体的压力随着靠近密封翅片109而增高，冷却CO2气体的流速增高。因此，能够更有效地减小回旋流分量，另外能够提高密封装置108的冷却效果。
不需要将流体路径4、8上的全部孔7加工为锥形形状，可以仅将一部分孔7加工为锥形形状。对于加工为锥形形状的孔7，可以在流体路径4、8上的孔7的形成位置预先形成切口以易于将孔7加工为锥形形状。
例如，图8表示了关于位于在圆周方向上相邻的两个静翅片106之间的孔7、在形成该孔7前预先形成切口9的例子。切口9的形状没有限制，例如，可以是半圆形状。如果预先形成了此类切口9，则通过挖掘切口9的中心部而使其贯穿，能够容易地形成图7那样的锥形形状的孔。
在图7中，表示了使冷却CO2气体的流速高速化的一个方法，但是，也可考虑代替提高冷却CO2气体的流速或者在提高流速外还控制工作流体的回旋流分量的形成部位。例如，图9表示了使冷却CO2气体从流体路径4、8流入的孔7周围的密封翅片109变形而使孔7的位置周围的密封翅片109的间隔变窄的例子。在图9中，使在圆周方向上延伸的密封翅片109的一部分变形。更具体地，使与流体路径4、8连接的孔7的位置附近的密封翅片109的间隔局部地变窄，通过该变窄了的部分暂时提高冷却CO2气体的流速。
通过使密封翅片109的间隔局部变窄，而使在相邻的密封翅片109之间流动的工作流体的回旋流分量在变窄的部分集中，冷却CO2气体流入该部分，从而能够有效地减小回旋流分量。
在上述图1～图9中，表示了在定子104侧成列地设置密封翅片109的例子，但是，也可以在涡轮机转子103侧成列地设置密封翅片109。图10是示意地表示在涡轮机转子103侧配置了密封翅片109的例子的图。更具体地，在设置于涡轮机转子103的动翅片105的前端面和设置于定子104的静翅片106的对向面配置密封翅片109。
如果在涡轮机转子103侧设置密封翅片109，则即使密封翅片109的前端部分与定子104接触而产生热，该热也不会传递到涡轮机转子103侧，与密封翅片109设置于定子104侧的情况相比，能够抑制密封翅片109的接触时的热膨胀和/或摩擦振动的产生。
作为图10的变形例，如图11所示，可在定子104侧设置蜂窝片10，以使其与设置于涡轮机转子103侧的密封翅片109相对配置。蜂窝片10具有能够抑制轴系自激振动的优点，另一方面，也有如果在上游侧与下游侧之间存在高压力差则蜂窝结构损伤的耐用性上的缺点。
于是，图11的蜂窝片10，在蜂窝片10形成有用于使来自流体路径4、8的冷却CO2气体流入密封翅片109的上游侧的孔7。
图12是蜂窝片10的俯视图。蜂窝片10在基体基板11上形成有网眼（蜂窝）结构。网眼结构的部分能够使流体通过，但是，由于基体基板11阻断流体，因此以蜂窝片10的原样，不能使流体从基体基板11侧通过。
于是，如图12所示，通过在基体基板11的纵向一列形成多个预定尺寸的孔12，能够经由这些孔12使来自流体路径的冷却CO2气体流入密封翅片109中。再有，在基体基板11的何处形成几个孔12是任意的，只要与密封翅片109的位置对齐地形成所需数量的孔12即可。
通过形成此类孔12使冷却CO2气体流到密封翅片侧，能够减小压力差，能够不会发生耐用性上的问题地使用蜂窝片10。
这样，在本实施方式中，在定子104内设置使用于冷却静翅片106的冷却CO2气体通过的流体路径4、8，并形成用于使冷却CO2气体从该流体路径4、8流入密封装置108内的密封翅片109之间的孔7，因此能够减小在密封翅片109周围产生的回旋流分量，能够高效地冷却密封翅片109。
在图2～图12中，表示了进行在图1所示的CO2涡轮机内的密封翅片109周围产生的回旋流分量的减小和密封翅片109的冷却的例子，但是，本发明能够应用于具备密封装置108的各种涡轮机，不必限定于CO2涡轮机的密封装置108。即、本发明能够应用于在密封翅片109的周围引发回旋流分量的各种类型的密封装置108。
图1的CO2涡轮机101能够组装入能同时进行发电和CO2的分离及回收的火力发电系统中。图13是表示利用图1的CO2涡轮机101的火力发电系统的一例的概要结构图。图13的火力发电系统120具有：氧气制造装置121；燃烧器122；图1所示的CO2涡轮机101；发电机123；再生热交换器124；冷却器125；和水分分离器126。
氧气制造装置121除去空气中所含的氮气而仅提取出氧气。燃烧器122使用由氧气制造装置121提取出的氧气、燃料和CO2来生成高温的燃烧气体。该燃烧气体的成分是CO2和水。燃烧器122使用的燃料可用沼气等不含用氮气的天然气。
由燃烧器122生成的高温高压的CO2气体被注入到图1所示的CO2涡轮机101中，用于涡轮机转子103的旋转驱动。在涡轮机转子103的转轴连接有发电机123，发电机123利用涡轮机转子103的旋转驱动力来进行发电。
从CO2涡轮机101排出的CO2和水蒸汽在由再生热交换器124冷却后进一步由冷却器125冷却。然后，用水分分离器126除去水，而仅提取CO2。该CO2由CO2泵压缩而升压。
用CO2泵升压后的高压CO2的一部分由再生热交换器124升温到400℃左右。从再生热交换器124排出的CO2作为冷却CO2用于CO2涡轮机101的冷却，并且也被供给到燃烧器122。
将用CO2泵升压后的高压CO2中的、除经由再生热交换器124再利用于发电的CO2以外的剩余CO2，储藏或为了在其他用途中利用（例如，用于增大石油采掘量）而回收。
这样，图13的发电系统仅使用通过燃烧而生成的CO2和水来进行发电，CO2的大部分循环再利用，因此不会排出作为有害气体的NOx，另外也不需要另外设置分离及回收CO2的设备。进而，剩余的CO2能够在原状态下以高纯度状态回收，容易用于发电以外的各种用途。
本发明的方式不限于上述各实施方式，也包括本领域技术人员能够想到的各种变形，本发明的效果也不限定于上述内容。即、在不脱离从技术方案规定的内容及其等价物推导出的、本发明的概念思想和主旨的范围内，能够进行各种添加、改变及部分省略。
Claims (11)
1.一种涡轮机的密封装置，具备：
密封部件，其设置在设置于旋转体的动翅片与配置成包围该动翅片的前端部的定子之间的间隙中；和
流体路径，其形成于所述定子的内部，使在从所述定子向径向内侧延伸的静翅片的冷却中用后的冷却介质在进入所述定子的内部后流入所述密封部件内部的至少上游侧。
2.根据权利要求1所述的密封装置，其中，
在所述流体路径设置有：使在对应的所述静翅片的冷却中用后的冷却介质进入的第一孔；和使所述冷却介质流入所述密封部件的至少上游侧的第二孔。
3.根据权利要求2所述的密封装置，其中，
所述密封部件具备沿轴向配置的多个密封翅片，
所述第二孔设置于所述多个密封翅片中的、上游侧的第一级与第二级的密封翅片之间。
4.根据权利要求3所述的密封装置，其中，
所述第二孔设有多个，其中一部分孔设置于所述多个密封翅片中的、上游侧的第三级以后的密封翅片之间。
5.根据权利要求3所述的密封装置，其中，
所述第二孔设置于相邻的两个所述密封翅片之间，
这两个密封翅片的间隔在所述第二孔的周围缩窄。
6.根据权利要求3所述的密封装置，其中，
所述多个密封翅片设置于所述静翅片的外周面和与从所述旋转体的外周面向径向外侧延伸的动翅片相对的所述定子的对向面。
7.根据权利要求3所述的密封装置，其中，
所述多个密封翅片设置于从所述旋转体的外周面向径向外侧延伸的动翅片的外周面和与所述静翅片相对的所述旋转体的对向面。
8.根据权利要求2所述的密封装置，其中，
所述第二孔是靠近所述密封部件的面侧的孔径比对向面侧的孔径小的锥形形状。
9.根据权利要求2所述的密封装置，其中，
所述定子具有分别在轴向上延伸且能在圆周方向上分别接合的多个分割结构体，
在所述多个分割结构体的每个设置所述第二孔和所述流体路径。
10.根据权利要求2所述的密封装置，其中，
所述密封部件具有开口部件，该开口部件在与从所述旋转体的外周面向径向外侧延伸的动翅片相对的所述定子的对向面和与所述旋转体的外周面相对的所述静翅片的对向面中的至少一个面上设置，并具有多个向内周面侧开口的孔，
所述开口部件的至少上游侧形成有所述第二孔。
11.一种火力发电系统，其中，具备：
氧气制造装置，其从空气中提取氧气；
燃烧器，其利用由所述氧气制造装置提取出的氧气、不含氮气的燃料和CO2来生成包括CO2和水的燃料气体；
CO2涡轮机，其将由所述燃烧器生成的CO2用作工作流体使旋转体旋转，并且具有将CO2和水排出的权利要求1～8中的任一项所述的密封装置；
发电机，其通过所述CO2涡轮机的旋转体的转轴的旋转驱动力来发电；
再生热交换器，其对从所述CO2涡轮机排出的CO2和水进行冷却；
冷却器，其进一步对由所述再生热交换器冷却后的CO2和水进行冷却；
水分分离器，其将由所述冷却器冷却后的CO2和水分离以除去水；和
升压器，其对由所述水分分离器分离后的CO2进行升压，
由所述升压器升压后的CO2的至少一部分，在由所述再生热交换器升温后被注入所述燃烧器和所述CO2涡轮机。
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