CN104471293B - 具有螺旋形式或螺旋‑圆筒形混合形式的高阻尼迷宫密封件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于将涡轮机中的高压区域与涡轮机中的低压区域隔离开的装置；该涡轮机具有一个或多个定子式零件和一个或多个转子式零件；该装置包括具有第一组多个凹槽(504)和第二组多个凹槽(506)的迷宫密封件(502)；第一组多个凹槽以螺旋形式布置，第二组多个凹槽以圆筒形形式布置；迷宫密封件(502)在涡轮机的高压区域与低压区域之间布置在涡轮机的一个或多个转子式零件中的至少一个与涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个之间；所述螺旋形式具有小于或等于10°、优选地在0.5°与5°之间的螺旋角；因此，获得了涡轮机的稳定性效果，并且由于第二组多个凹槽，泄漏是可忽略的。

Description

具有螺旋形式或螺旋-圆筒形混合形式的高阻尼迷宫密封件

技术领域

本文中公开的主题的实施例涉及涡轮机，并且更具体地涉及用于改进涡轮机中的转子动力学的装置和方法。

背景技术

迷宫密封件通常被用于在比如为泵、离心式压缩机和涡轮的涡轮机中使从高压区域向低压区域的泄漏最小化。迷宫密封件包括在涡轮机的静止部分或“定子”与旋转部分或“转子”之间形成弯曲路径或“迷宫”的多个凹槽或齿。迷宫密封件可以是定子式或转子式，在定子式中，齿形成在定子上，在转子式中，齿形成在转子上。相对表面和迷宫密封件的凹槽或齿阻止流体从高压区域通过迷宫密封件流动至低压区域。但是，需要在迷宫式凹槽或齿与相对的表面之间具有空间或间隙以允许转子的旋转。因此，虽然迷宫密封件阻止了流体流，但是由于跨越迷宫密封件的压力差使得上述间隙允许高度加压的流体从高压区域通过间隙泄漏至低压区域。迷宫密封件通常设计成包含这种泄漏。

可以通过减小间隙来减少通过迷宫密封件的泄漏流。为此，已经开发了可磨损的迷宫密封件。可磨损迷宫密封件是转子式迷宫密封件，在转子式迷宫密封件中，与转子式齿相对的定子式部分由可磨损材料形成。可磨损迷宫密封件中的间隙可以做得非常小，这是因为当转子式齿摩擦可磨损定子时，比如由于瞬态条件期间的转子式振动，转子式齿切入定子的可磨损材料内，由此增大间隙。由于可磨损迷宫密封件的高失稳效应，因此其实际上不适用于高压离心压缩机。导致不稳定性的密封件与沿着圆周方向产生与转子式零件一起旋转的气体环带的可能性有关。这些小的间隙有助于以更高的失稳效应保持气体驻留在圆周路径内。

尽管定子式迷宫密封件和转子式迷宫密封件能够减少泄漏，其也由于在通向迷宫密封件的入口处的进口旋流和由于旋转而由离心力在迷宫密封件内部产生的圆周流而负面地影响转子稳定性。在提高转子稳定性的尝试中，涡轮机中的迷宫密封件已被利用旋流制动器改变或装备有旁路孔。例如，定子式叶轮入口迷宫通常被修改成包括旋流制动器，平衡滚筒通常地装备有旁路孔。但是，这些装置难以实施并且在涡轮机的制造和设计阶段引入了额外的费用。此外，当前不存在用于稳定叶轮入口上的转子式迷宫密封件的装置。

因此，提供用于简单地且成本有效地改进涡轮机中的转子动力性的系统和方法是合乎需要的。

特别地，从机械的观点看，在高压离心压缩机中，高压力差的存在需要具有高强度性能的机械刚性密封件。出于这些原因，离心压缩机中的迷宫密封件开始由铝或钢圈加工，而非组装小的环形凸缘以形成单个腔室，如在涡轮中所做的那样。同时，油气工业的典型的气体污染物如H2S、CO2以及其他污染物的存在与采用高度可靠和参照方案的需要一起，导致使用在应力强度和耐腐蚀性两个方面具有高机械性能的已知材料(一般为铝和钢)。

本发明的目的在于改进高压离心压缩机中的迷宫密封件的真实设计，以及给出一种通过使用已知材料一起解决稳定性和密封性能的需求新的解决方案。

发明内容

本发明内容部分以简化形式提供了在下面的具体实施方式部分中进一步描述的引入概念的选项。本概述并非旨在标明所要求保护的主题的关键特征或重要特征，也非旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

根据一个示例性实施例，提供一种用于将涡轮机中的高压区域与涡轮机中的低压区域隔离开的装置，该涡轮机具有一个或多个定子式零件和一个或多个转子式零件。该装置包括具有第一组多个凹槽和第二组多个凹槽的迷宫密封件。第一组多个凹槽以螺旋形式布置，第二组多个凹槽以圆筒形形式布置。迷宫密封件在涡轮机的高压区域与低压区域之间布置在涡轮机的一个或多个转子式零件中的至少一个与涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个之间。根据另一个示例性实施例，以上段落中描述的迷宫密封件包括第一转子式部分和第二转子式部分，以螺旋形式布置的第一组多个凹槽形成在第一转子式部分上，第二转子式部分邻近第一转子式部分布置并且以圆筒形形式布置的第二组多个凹槽形成在第二转子式部分上。第一转子式部分在涡轮机的高压区域中布置在涡轮机的一个或多个转子式零件中的至少一个上。第二转子式部分在涡轮机的低压区域中布置在涡轮机的一个或多个转子式零件中的至少一个上。

第一转子式部分和第二转子式部分与涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个相对地并且以密封关系布置。第一转子式部分可以沿与第二转子式部分的旋转方向相同的方向或与第二转子式部分的旋转方向相反的方向旋转。涂敷有可磨损材料的定子式部分可以布置在涡轮机的与迷宫密封件的第一旋转部分和第二旋转部分相对并且为密封关系的至少一个或多个定子式零件上。

根据另一个示例性实施例，在以上“发明内容”部分的第一段中描述的迷宫密封件包括定子式部分，定子式部分在涡轮机的高压区域与低压区域之间布置在涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个上。第一组多个凹槽形成在涡轮机的高压区域中的定子式部分上，第二组多个凹槽邻近第一组多个凹槽形成在涡轮机的低压区域中的定子式部分上，且定子式部分与涡轮机的一个或多个转子式零件中的至少一个相对地并且成密封关系地布置。转子式部分可以布置在涡轮机的与迷宫密封件的定子式部分相对的至少一个或多个转子式零件上。

根据另一个示例性实施例，提供一种根据上述三段中任一段所述的将涡轮机中的高压区域与涡轮机中的低压区域隔离开的装置，其中迷宫密封件在多个凹槽中不包括旋流制动器。

根据另一个示例性实施例，提供一种用于将涡轮机中的高压区域与涡轮机中的低压区域隔离开的装置，该涡轮机具有一个或多个定子式零件和一个或多个转子式零件。该装置包括具有以螺旋形式布置的多个凹槽的迷宫密封件，其中，迷宫密封件不包括多个凹槽中的旋流制动器。迷宫密封件在涡轮机的高压区域与低压区域之间布置在涡轮机的一个或多个转子式零件中的至少一个与涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个之间。根据另一个示例性实施例，提供一种用于将涡轮机中的高压区域与涡轮机中的低压区域隔离开的方法，该涡轮机具有一个或多个定子式零件和一个或多个转子式零件。该方法包括形成具有以螺旋形式布置的多个凹槽的迷宫密封件，其中，没有旋流制动器形成在多个凹槽中并且在涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个与一个或多个转子式零件中的至少一个之间以及在涡轮机的高压区域与低压区域之间形成迷宫密封件。形成迷宫密封件可以包括在涡轮机的高压区域中在与涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个相对的一个或多个转子式零件中的至少一个上形成第一转子式部分，在第一转子式部分上以螺旋形式形成多个凹槽，在涡轮机的低压区域中在与涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个相对的一个或多个转子式零件中的至少一个上邻近第一转子式部分形成第二转子式部分，以及在迷宫密封件的第二转子式部分上以圆筒形形式形成第二组多个凹槽。形成第一转子式部分以及形成第二转子式部分可以包括使第一转子式部分形成为沿与第二转子式部分的旋转方向相同的方向或与第二转子式部分的旋转方向相反的方向旋转。涂敷有可磨损材料的定子式部分可以形成在涡轮机的与迷宫密封件的第一旋转部分和第二旋转部分相对并且为密封关系的至少一个或多个定子式零件上。

根据另一个示例性实施例，提供一种用于将涡轮机中的高压区域与涡轮机中的低压区域隔离开的方法，该涡轮机具有一个或多个定子式零件和一个或多个转子式零件。该方法包括形成具有以螺旋形式布置的多个凹槽的迷宫密封件，其中，没有旋流制动器形成在多个凹槽中并且在涡轮机的一个或多个定子式零件中的至少一个与一个或多个转子式零件中的至少一个之间以及在涡轮机的高压区域与低压区域之间形成所述迷宫密封件。形成所述迷宫密封件包括在与涡轮机的一个或多个转子式零件中的至少一个相对并且成密封关系的一个或多个定子式零件中的至少一个上形成定子式部分，以及在定子式部分上以螺旋形式形成多个凹槽。

本发明及其全部实施例的非常重要的技术特征在于具有螺旋形式的多个凹槽；值得注意的是，这些凹槽不需要具有旋流制动器，特别是用作旋流制动器的突出部。特别地以及有利地，螺旋形式具有小于或等于10°、优选地在0.5°与5°之间的螺旋角，因此，获得了涡轮机的稳定性效果，并且由具有螺旋形式的多个凹槽引起的泄漏是可忽略的。

优选地，多个螺旋形式的凹槽包括至少五个凹槽。

在一些实施例中，多个螺旋形式的凹槽与多个圆筒形形式的凹槽邻接；在这种情况下，多个螺旋形式的凹槽直接邻近于多个圆筒形形式的凹槽。

附图说明

结合在说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了一个或多个实施例并且与说明书一起说明这些实施例。在附图中：

图1是示例性涡轮机的一部分的截面的示意图；

图2是示例性迷宫密封件的截面的示意图；

图3a和3b是示出图2的迷宫密封件中的泄漏流的示意图；

图4是根据示例性实施例的用于在涡轮机中将高压区域与低压区域隔离开的装置的截面的示意图；

图5是根据另一个示例性实施例的用于在涡轮机中将将高压区域与低压区域隔离开隔离开的装置的截面的示意图；

图6a和6b是示出示例性实施例中的流动分量的示意图；

图7是示出根据示例性实施例的迷宫密封件中的旋流改变的示意图；

图8是根据示例性实施例的用于在涡轮机中将高压区域与低压区域隔离开的装置的改进的截面的示意图；以及

图9a和9b是根据示例性实施例的用于在涡轮机中将高压区域与低压区域隔离开的装置的改进的截面的示意图。

具体实施方式

示例性实施例的以下说明参照附图。不同附图中的相同的附图标记标示相同或相似的元件。以下详细说明不限制本发明。替代地，本发明的范围由随附的权利要求书限定。为简单起见，关于离心压缩机的术语和结构描述以下实施例。但是，随后描述的实施例不局限于这种系统，但可以应用于(通过适当的调整)涡轮机的其他系统，比如膨胀器、泵和涡轮。

在整个说明书中参照“一个实施例”或“实施例”指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因此，全部说明书中的各个位置处的术语“在一个实施例中”或“在实施例中”的出现并不一定指代相同的实施例。另外，具体的特征、结构或特性可以以任何适当的方式组合在一个或多个实施例中。

图1是示例性涡轮机的一部分的截面的示意图。图1中示出的涡轮机是离心压缩机100，其中可以实施如本文中公开的用于在涡轮机中将高压区域与低压区域隔离开的装置和方法。离心压缩机100仅通过示例在本文中描述，并非旨在限制本发明。本领域技术人员将容易地理解到，本发明完全可以以其他类型的压缩机或其他类型的涡轮机实现。

离心压缩机100包括壳体102、可旋转轴104和固定至可旋转轴104的多个叶轮106。流体依次进入每个叶轮106。叶轮106对流体给予动能以提高流体的速度。扩压器108通过逐渐地降低流体的速度而将流体的动能转换成压力。入口迷宫密封件114布置在叶轮入口上，轴迷宫密封件116布置在隔板118上，隔板118安装在叶轮106之间的旋转轴104上或安装在叶轮脚上。离心压缩机100还包括平衡活塞119，以向由叶轮106所引起可旋转轴104的轴向推力提供反作用轴向推力。平衡活塞迷宫密封件112布置在平衡活塞上。入口迷宫密封件114、轴迷宫密封件116和平衡活塞迷宫密封件112中的每一个在压缩机100中将高压区域与低压区域隔离开。如以下进一步详细说明的，迷宫密封件112、114和116中的每一个能够在离心压缩机100中对转子动态稳定性具有显著影响。可以理解，如图1所示的离心压缩机100仅是示例，并且可以包括更少或更多的部件。

图2示出迷宫密封件200的示例，迷宫密封件200可被用于在涡轮机中将高压区域P2与低压区域P1隔离开。迷宫密封件200包括转子式部分202和与转子式部分相对地布置的定子式部分206，转子式部分202具有形成其上的布置成圆筒形形式的多个凹槽204。空间或间隙208设置在定子式部分206与转子式部分202之间以使得转子式部分202能够旋转。转子式部分202与定子式部分206一起形成高压区域P2与低压区域P1之间的无接触密封。在图2的迷宫密封件200中，定子式部分206可以由可磨损材料制成。因此，定子式部分206和转子式部分202之间的间隙208可以做得较小，这是由于比如在例如为启动、停机或负荷波动等等的瞬态条件期间如果转子式部分202上的齿224摩擦定子式部分206的可磨损材料，则齿224在可磨损材料中形成凹槽，由此增大间隙208。

尽管迷宫密封件中的小的间隙能够减小泄漏，但是由于在通向迷宫密封件的入口处的进口旋流和由于旋转而由离心力在迷宫密封件内部产生的圆周流，小的间隙还负面地影响了转子稳定性，如以下关于图3a和3b更加详细地描述的。

图3a和3b是示出图2中所示类型的迷宫密封件200中的泄漏流的示意图。如图3a和3b所示，进入迷宫密封件200的高度加压的流体沿转子300的轴向方向302从高压区域流动至低压区域，并包括由于转子300的旋转引起的圆周流分量304或旋流，圆周流分量304或旋流围绕转子300的圆周沿旋转方向流动。圆周流分量304流入迷宫密封件200的凹槽204内，并且直接影响转子动态稳定性。通向迷宫密封件的进口处的旋流(“进口旋流”)能够在迷宫密封件中产生力，所产生的力通常引起迷宫密封件的自激发横向振动。迷宫密封件中的失稳力主要由于进口旋流和圆周流速度。迷宫密封件中的失稳力通过更小的间隙而增大。使间隙减小增大进口旋流和圆周压力的分配，这可以引起转子不稳定性。因此，在迷宫密封件，在减小的泄漏与转子稳定性之间存在平衡。但是，当转子不稳定时，通常将需要涡轮机的紧急停机以避免灾祸性故障。因此，转子动态稳定性对于涡轮机的正确操作是需要的。

如前所述，已经进行尝试，以通过在迷宫密封件中或在迷宫密封件之前增加一个或多个旋流制动器来减小通向迷宫密封件的进口处的旋流的速度。旋流制动器可以消除圆周流以及减小进口旋流速度。另外还有些成功地利用旁路孔以减小进口旋流速度，在旁路孔中，分流路径被加工在密封件内用于分流高压流体流。但是，旋流制动器和旁路孔的增加是复杂的(例如，对于旁路孔所需的复杂的钻削)并且引入了额外的生产和设计成本。

本文中公开的实施例旨在提供一种低成本方案以提高转子动态稳定性。现在将关于图4描述用于改进涡轮机中的转子动态性能的实施例。

图4是根据示例性实施例的用于在涡轮机中将高压区域P2与低压区域P1隔离开的装置400的截面的示意图。装置400可以在高压区域与低压区域之间存在连接的任何类型的涡轮机中实施。例如，装置400可以在比如图1中所示的离心压缩机100的离心压缩机、或者具有更多或更少零件的离心压缩机、或者膨胀器、涡轮、泵等等中实施。

装置400包括迷宫密封件402，迷宫密封件402具有其上形成的布置成螺旋形式的多个凹槽404。螺旋地形成的凹槽404的结合在装置400中产生稳定作用，如本文中以下进一步描述的。因此，在迷宫密封件402中的多个凹槽404中或之前不包括旋流制动器。在图4所示的实施例中，迷宫密封件402包括多个凹槽404形成其上的转子式部分410。但是，在其他实施例中，多个凹槽404可以形成在迷宫密封件的定子式部分上，比如图8所示。

布置成螺旋形式的多个凹槽404原则上可以具有负的或正的螺旋角(螺旋角是螺纹与垂直于密封件的轴线的平面的倾角)。

特别地，迷宫密封件中的泄漏是螺旋角的函数，当螺旋角接近0°(圆筒形形式)时具有最小值。横向联接刚性是螺旋角的递减函数；因此，螺旋密封件比圆筒形密封件泄漏大点，但是具有更小的失稳效应。此外，迷宫密封件中的泄露是凹槽的数量的函数：凹槽数量越多，泄露越少。

当螺旋角是0°(即圆柱形齿路径)时，环形气路最大，随后为最大气体旋流和最大失稳效应。同时，作用空气动力的表面是螺旋角的递增函数(增大失稳效应)，因此应存在失稳效应最小的最佳角。

螺旋角的小于30°的值提供高稳定性和低泄漏，而高于30°的值从泄漏的观点上是不令人满意的。

多个凹槽404可以加工或以其他方式形成为使得在凹槽之间并且由凹槽形成的更高仰角的部分(以下称为“齿”418)具有符合装置的应用的任何需求的轮廓。例如，齿廓可以是正方形、梯形、三角形或可以有益于装置的特定应用任何其他形状。可以利用能够以具有所需螺旋角和所需齿廓的螺旋形式形成凹槽的任何已知或迄今还未发现的方法和/或装置在迷宫密封件402的转子式部分410中加工多个凹槽404。

装置400还包括与具有形成其上的多个凹槽404的转子式部分410相对地并且以密封关系布置的定子式部分406。在定子式部分406与转子式部分410之间设置间隙408以允许转子部分410旋转。定子式部分406可被包括作为迷宫密封件402或装置400的一部分，比如在“壳体”或“包装”(未示出)中。可替代地，定子式部分406可以形成为涡轮机的整体部分，比如泵壳或壳体，或者在涡轮机中形成为涡轮机的在高压区域与低压区域之间的任何其他定子式部分。在这种情况下，转子式迷宫密封件402可以布置成与涡轮机的定子式部分406直接相对。在定子式部分406被包括作为迷宫密封件402或装置400的一部分的一些实施例中，定子式部分406可以由可磨损材料制成，或者可替代地，在一些其他实施例中，定子式部分406可以具有形成在其表面416上的可磨损涂层，该表面416布置成与转子式部分410相对并且与转子式部分410形成密封关系。当定子式部分406由可磨损材料制成或者具有形成其上的可磨损涂层时，转子式部分410与定子式部分406之间的间隙408可被减小，这是由于如果转子式部分410的齿418在引起转子式部分410中的旋流或振动的比如为启动、停机或负荷波动的瞬态条件的周期期间撞击或摩擦定子式部分406的表面416，则齿418将在定子式部分406的可磨损材料或定子式部分406的表面416内刻蚀凹槽，由此增大间隙408。

图4的迷宫密封件402可以在涡轮机的高压区域与低压区域之间布置在涡轮机的至少一个转子式零件与涡轮机的至少一个定子式零件之间。例如，定子式部分406可以形成在涡轮机的一个或多个定子式零件上，转子式部分410、第一转子式部分412和/或第二转子式部分414可以形成在涡轮机的一个或多个转子式零件上。转子式部分410、412、414与定子式部分406一起密封涡轮机的高压区域P2与涡轮机的低压区域P1。例如，转子式部分410、412、414和定子式部分406可以布置在涡轮机的零件上以提供用于叶轮入口、平衡滚筒等等的密封。

可以理解，迷宫密封件402或装置400的“形成在”涡轮机的任何定子式零件或转子式零件上的任何定子式部分或转子式部分可以通过本领域中已知的或迄今未发现的方法或其他制造工艺与这些零件一体地形成。现在将关于图5描述用于改进涡轮机中的转子动态性能的另一个实施例。

图5是根据另一个示例性实施例的用于在涡轮机中将高压区域P2与低压区域P1隔离开的装置500的截面的示意图。装置500可以在高压区域与低压区域之间存在连接的任何类型的涡轮机中实施。例如，装置500可以在比如图1中所示的离心压缩机100的离心压缩机、或者具有更多或更少零件的离心压缩机、或者涡轮、泵等等中实施。

装置500包括迷宫密封件502，迷宫密封件502具有布置成螺旋形式的第一组多个凹槽504和邻近第一组多个凹槽504布置成圆筒形形式的第二组多个凹槽506。螺旋地形成的凹槽504的结合在装置500中产生稳定作用，如本文中以下进一步描述的。因此，在迷宫密封件502中在第一组多个凹槽504与第二组多个凹槽506中或之前不包括旋流制动器。迷宫密封件502可以在涡轮机的高压区域与低压区域之间布置在涡轮机的至少一个转子式零件与涡轮机的至少一个定子式零件之间。迷宫密封件502包括布置在涡轮机的高压区域中的第一转子式部分510和在涡轮机的的低压区域中邻近第一转子式部分510布置的第二转子式部分512。布置成螺旋形式的第一组多个凹槽504形成在涡轮机的高压区域中的第一转子式部分510上，布置成圆筒形形式的第二组多个凹槽506形成在涡轮机的低压区域中的第二转子式部分512上。

在图5的实施例中，螺旋形式具有小于或等于10°、优选地在0.5°和5°之间的螺旋角；因此，获得了涡轮机的稳定性效果，并且由于多个螺旋形式的凹槽引起的泄漏是可忽略的。多个螺旋形式凹槽504包括至少五个凹槽。多个螺旋形式的凹槽504邻近多个圆筒形形式的凹槽506；优选地，如图5所示，多个螺旋形式的凹槽直接邻近于多个圆筒形形式的凹槽。

优选地，多个螺旋形式的凹槽和多个圆筒形形式的凹槽两者均与所述转子式零件或所述定子式零件相关；在图5的实施例中，其二者均与转子式零件相关。

迷宫密封件在多个螺旋形式的凹槽504定位其中的区域中具有第一间隙，并且在多个圆筒形形式的凹槽506定位其中的区域中具有第二间隙；优选地，第一间隙与第二间隙之间的比率小于或等于2并且大于或等于0.5。在图5的优选实施例中，该比率近似等于1。

布置成螺旋形式的多个凹槽504原则上可以是顺时针或逆时针。

已经获得了关于稳定性和泄漏方面的未预料到的效果，对于具有输送压力高达150bar的压缩机，将布置成螺旋形式的所述第一组多个凹槽504与布置成圆筒形形式的所述第二组多个凹槽506进行组合，其中，螺旋形式的螺旋角包括在0.5°和10°之间，特别地在0.5°和5°之间。

此外，为了限制离心压缩机中的高压区域与低压区域之间的泄漏，凹槽(或齿)的数量必须优选地为至少5个齿。

第一组多个凹槽504和第二组多个凹槽506可以加工或以其他方式形成为使得在凹槽之间并且由凹槽形成的更高仰角的部分(以下称为“齿”)具有符合装置的应用的任何需求的轮廓。例如，齿廓可以是正方形、梯形、三角形或可以有益于装置的特定应用任何其他形状。利用能够以螺旋形式形成具有所需螺旋角和所需齿廓的凹槽504以及以圆筒形形式形成具有所需齿廓的凹槽506的任何已知的或迄今未发现的方法和/或装置，分别在迷宫密封件502的第一转子式部分510和第二转子式部分512中加工或者以其他方式形成第一组多个凹槽504和第二组多个凹槽506。

装置500还包括定子式部分508和第二转子式部分512，定子式部分508与具有其上形成有第一组多个凹槽504的第一转子式部分510相对并且成密封关系地布置，第二转子式部分512具有形成其上的第二组多个凹槽506。在定子式部分508与第一和第二转子式部分510、512之间设置有间隙514，以允许转子式部分510、512的旋转。定子式部分508可被包括作为迷宫密封件502或装置500的一部分，比如在“壳体”或“包装”(未示出)中。可替代地，定子式部分508可以为涡轮机的整体部分，比如泵壳或壳体，或者在涡轮机中形成为涡轮机的在高压区域与低压区域之间的任何其他定子式零件。在这种情况下，转子式迷宫密封件502可以布置成与涡轮机的定子式部分508直接相对。在定子式部分508是迷宫密封件502的一部分或装置500的一部分的一些实施例中，定子式部分508可以由可磨损材料制成，或者可替代地，定子式部分508可以具有形成在其表面518上的可磨损涂层，该表面518与第一转子式部分510和第二转子式部分512相对并且成密封关系。在定子式部分508由可磨损材料制成或具有形成在其表面518上的可磨损涂层的实施例中，可以减小间隙514。

尽管布置成螺旋形式的第一组多个凹槽504在图5中示出为具有三个螺旋地形成的凹槽，该数量仅是示例性的并非旨在限制。例如，第一组多个凹槽504可以包括四个、五个、六个或任何其他数量的螺旋地形成的凹槽。布置成圆筒形形式的第二组多个凹槽506可以包括任何数量的圆柱形地形成的凹槽。

尽管在图5所示的实施例中，第一组多个凹槽504形成在第一转子式部分510上，第二组多个凹槽506形成在第二转子式部分512上，可以理解，在一些其他实施例中，第一和第二组多个凹槽504、506可以形成在迷宫密封件的定子式部分508上，比如图9a所示。

也可以理解，迷宫密封件502或装置500的“形成在”涡轮机的任何定子式零件或转子式零件上的任何定子式部分或转子式部分可以通过本领域中已知的或迄今未发现的任何增加的或减少的方法或其他制造工艺与这些零件一体地形成。

还可以理解，第一和第二组多个凹槽可以由两个不同的零件组成：一个具有第一形式，另一个具有第二形式(图9b)。这种方案能够适用于转子式和定子式布置以及以所有可能的组合混合(图9b)。

在迷宫密封件504中除以螺旋形式布置的第一组多个凹槽504之外、还结合有以圆筒形形式布置的第二组多个凹槽506除通过螺旋凹槽的形成提供稳定作用之外还减少了迷宫密封件502中的泄漏，如本文以下将参照附图6a和6b进一步说明的，其中描述了装置500的操作方法。

现在将关于图6a和6b描述装置400、500的操作方法。图6a和6b是示出在图4和5的装置400、500设置在涡轮机的高压区域与低压区域之间、涡轮机的至少一个转子式零件与涡轮机的至少一个定子式零件之间时该装置400、500中的流动分量的示意图。

如图6a和6b所示(以及参照图4和5)，由于跨越密封件402、502的压力差，高度加压的流体的主流602从涡轮机的高压区域P2进入迷宫密封件402、502，通过跨越迷宫密封件402、502的间隙流动，并以大大地减小的压力P1离开迷宫密封件。进入迷宫密封件402、502的高度加压的主流602沿转子600的轴向方向从高压区域流动至低压区域，并且包括由于转子600的旋转引起的圆周流分量604或旋流，圆周流分量604或旋流围绕转子600的圆周沿旋转方向流动。

如在前关于图2、3a和3b所述的，在通向迷宫密封件的进口处的旋流能够引起迷宫密封件中的失稳力，该失稳力可以引起转子不稳定性。

但是，如图6a和6b所示，迷宫密封件402、502的以螺旋形式布置的多个凹槽404、504以相对速度引起轴流分量606，该轴流分量606沿与进入迷宫密封件402、502的高度加压的流体的主流的轴向方向相对(相反)的轴向方向流动。相对速度的轴流分量606在迷宫密封件402、502附近与主流相对以打破靠近迷宫密封件的主流的旋流。因此，由布置成螺旋形式的多个凹槽404、504引起的相对速度的轴流分量606类似旋流制动器地作用以减小进口旋流，由此提供稳定作用。

因此，在没有包括位于迷宫密封件中或之前的旋流制动器的改进的情况下提高了迷宫密封件的转子动态稳定性。因此，在迷宫密封件402、502中结合有以螺旋形式布置的多个凹槽404、504能够在迷宫密封件的转子动态稳定性方面提供简易的、方便的和成本有效的改进。

另外，关于图5的装置500，具有形成其上的以圆筒形形式布置的第二组多个凹槽506的第二转子式部分512中的流动分量与如图2、3a和3b所示的迷宫密封件200的流动分量相同，在如2、3a和3b所示的迷宫密封件200中存在更少的泄露，但存在更多的旋流和不稳定性。但是，由于进入第二转子式部分512的流动的量已被第一转子式部分510的螺旋地形成的凹槽显著地减小，因此不存在第二转子式部分512中的不稳定性的问题。另外，第二转子式部分512的多个圆柱形地形成的凹槽506进一步减小了特别是在稳态条件期间的迷宫密封件502的泄漏流。因此，通过提供布置成螺旋形式的第一组多个凹槽和布置成圆筒形形式的第二组多个凹槽，提供了一种高稳定性、低泄漏的密封件。

图7是示出根据示例性实施例的迷宫密封件中的旋流变化的示意图。由于取决于旋转方向与主流相对或沿相同方向的相对的轴流分量的引入，在迷宫密封件中发生旋流变化。图7示出通过间隙进入迷宫密封件402、502的主流体流602。如图7所示，相对速度的轴向流606由螺旋地形成的凹槽引起并且与主流602相反。轴向流606的方向可以根据转子的旋转方向是正的或负的。轴向分量606可以根据螺旋角是正或负。流动606的轴向分量的改变使切向分量604减小，因此旋流降低，而在转子动态方面的有利。

图8和9是根据示例性实施例的用于在涡轮机中将高压区域与低压区域隔离开的改进的装置的一部分的截面的示意图。图8和9分别仅示出了图4和5的装置，其中第一和/或第二组多个凹槽404/506形成在装置的定子式部分406上。因此，这些装置的说明在此不再重复。图8和9的实施例的泄漏流将类似于图4和5的实施例的泄漏流。因此，图8和9的装置800和900期望提供与图4和5的装置相同的有益效果。

本文中公开的示例性实施例的优势是应用低成本的方案来提高转子动态稳定性。根据示例性实施例的另一个优点是提供用于在涡轮机中密封的简单且成本有效而且高阻尼、低泄漏的装置。

根据示例性实施例的另一个优点是在涡轮机中应用高度稳定、低泄漏的密封件，而不需要如现有方案所需的那样安装额外的装置或对安装有密封件的现有涡轮机执行复杂的钻削和/或改进。本文中公开的示例性实施例可以与现有设计进行互换或者对现有技术仅进行最小的改进。因此，通过示例性实施例，有可能利用在本文中公开的用于在涡轮机中进行密封的装置对现有机械进行改型，所述装置易于制造、通过提供小的间隙而具有低的泄漏并且具有高阻尼和高稳定性。

所公开的示例性实施例提供用于在涡轮机中提供高阻尼密封的装置和方法。应当理解，本说明书并不旨在限制本发明。相反地，示例性实施例旨在覆盖包括在本发明的由随附权利要求限定的精神和范围内的替代方案、改进和等同物。另外，在示例性实施例的详细说明中，阐述了许多细节以便提供对所要求保护的发明的全面的理解。但是，本领域技术人员将理解到，各个实施例可以在没有这些细节的情况下实施。

尽管在实施例中以特定组合描述了当前示例性实施例的特征和元件，但是每个特征或元件可以在不具有实施例的其他特征和元件的情况下或者在有或没有本文中公开的其他特征和元件的不同组合中被单独地使用。

该书面说明利用所公开的主题的示例以使本领域技术人员能够实施这些示例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所包含的方法。主题的可获得专利权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想得到其他示例。这些其他示例意在落入权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种用于将涡轮机中的高压区域与涡轮机中的低压区域隔离开的装置，所述涡轮机具有一个或多个定子式零件和一个或多个转子式零件，所述装置包括：

具有第一组多个凹槽和第二组多个凹槽的迷宫密封件，所述第一组多个凹槽以螺旋形式布置，所述第二组多个凹槽以圆筒形形式布置，所述迷宫密封件设置在所述涡轮机的所述高压区域与所述低压区域之间的所述涡轮机的所述一个或多个转子式零件中的至少一个与所述涡轮机的所述一个或多个定子式零件中的至少一个之间；

所述螺旋形式具有小于或等于10°的螺旋角，由此获得所述涡轮机的稳定性效果，并且由于所述第二组多个凹槽，泄漏是可忽略的；

其中所述迷宫密封件包括：

定子式部分，所述定子式部分设置在所述涡轮机的所述高压区域与所述低压区域之间的所述涡轮机的所述一个或多个定子式零件中的所述至少一个上；以及

转子式部分，所述转子式部分布置在与所述迷宫密封件的所述定子式部分相对的所述涡轮机的所述至少一个或多个转子式零件上；

其中所述第一组多个凹槽和所述第二组多个凹槽两者均设置在所述定子式部分上或均设置在所述转子式部分上。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述螺旋角在0.5°与5°之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二组多个凹槽包括至少五个凹槽。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述第一组多个凹槽邻近所述第二组多个凹槽。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一组多个凹槽与所述第二组多个凹槽直接邻接。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述迷宫密封件在所述第一组多个凹槽所处的区域中具有第一间隙，并且在所述第二组多个凹槽所处的区域中具有第二间隙，以及其中，所述第一间隙与所述第二间隙之间的比率小于或等于2并且大于或等于0.5。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一间隙与所述第二间隙之间的所述比率等于1。

8.根据权利要求1所述的装置，其中所述转子式部分包括：

第一转子式部分，以所述螺旋形式布置的所述第一组多个凹槽形成在所述第一转子式部分上；以及

邻近所述第一转子式部分布置的第二转子式部分，以所述圆筒形形式布置的所述第二组多个凹槽形成在所述第二转子式部分上，其中

所述第一转子式部分设置在所述涡轮机的所述高压区域中的所述涡轮机的所述一个或多个转子式零件中的所述至少一个上，

所述第二转子式部分设置在所述涡轮机的所述低压区域中的所述涡轮机的所述一个或多个转子式零件中的所述至少一个上，以及

所述第一转子式部分和所述第二转子式部分与所述涡轮机的所述一个或多个定子式零件中的所述至少一个相对地并且以密封关系布置。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一转子式部分沿与所述第二转子式部分的旋转方向相同的方向旋转。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述第一转子式部分和所述第二转子式部分由两个独立的零件组成。

11.根据权利要求1所述的装置，其中独立的转子式零件和定子式零件以其全部组合配置。

12.根据权利要求8所述的装置，其中所述定子式部分涂敷有可磨损材料，所述涂敷有可磨损材料的定子式部分布置在所述涡轮机的与所述迷宫密封件的所述第一转子式部分和所述第二转子式部分相对并且为密封关系的所述至少一个或多个定子式零件上。

13.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一组多个凹槽形成在所述涡轮机的所述高压区域中的所述定子式部分上，

所述第二组多个凹槽邻近所述第一组多个凹槽形成在所述涡轮机的所述低压区域中的所述定子式部分上，以及

所述定子式部分与所述涡轮机的所述一个或多个转子式零件中的所述至少一个相对地并且成密封关系地布置。