CN104696022B - 密封件装置及对应的涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种密封件装置及对应的涡轮机。该密封件装置位于涡轮机中的径向相对的旋转部件与静止部件之间，且包括第一旋转部件、第二静止部件、和径向地定位在第一旋转部件与第二静止部件之间的刷式密封件。刷式密封件具有固定至第二静止部件的轴向延伸部分、以及延伸跨过第一旋转部件与第二静止部件之间的缝隙的向内延伸部分。第二静止部件的内环部分相对于刷式密封件的向内延伸部分的至少一部分和轴向延伸部分径向向内地定位并且与刷式密封件的向内延伸部分的至少一部分和轴向延伸部分相接合，其中远离向内延伸部分的刷式密封件的轴向延伸部分的端部被夹置在一对侧轨之间，该对侧轨固定在第二静止部件的外环部分和内环部分之间。

Description

密封件装置及对应的涡轮机
技术领域
本发明大体涉及涡轮机中采用的密封件，并且更具体地涉及例如用于蒸汽涡轮机中的级间根部和尖端密封位置处的刷式密封件装置及对应的涡轮机。
背景技术
尽管刷式密封件通常用于多种涡轮机械应用中以防止或使旋转部件与静止部件之间的泄漏流最小化，但是其由于空间约束、密封件刚度和转子稳定性而不能用于多个位置，并且在那些位置处，采用具有耐磨或迷宫式密封件的J形密封件。然而，刷式密封件是有效的，在于其允许跨过密封件的较少的泄漏流。因此，将期望提供能够被安装在例如涡轮机的定子部件与转子部件之间的有限空间中的刷式密封件构造。
发明内容
在一个示例性但非限制性的实施例中，本发明提供一种位于涡轮机中的径向相对的旋转部件与静止部件之间的密封件装置，该密封件装置包括：第一旋转部件；第二静止部件；刷式密封件，该刷式密封件径向地定位在第一旋转部件与第二静止部件之间，该刷式密封件具有固定至第二静止部件的轴向延伸部分、以及延伸跨过第一旋转部件与第二静止部件之间的缝隙的向内延伸部分；以及第二静止部件(环)的内环部分，该内环部分相对于刷式密封件的径向(或向内)延伸部分的至少一部分和轴向延伸部分径向向内地定位并且与刷式密封件的径向(或向内)延伸部分的至少一部分和轴向延伸部分相接合。
其中，远离所述向内延伸部分的所述刷式密封件的所述轴向延伸部分的端部被夹置在一对侧轨之间。
其中，所述一对侧轨被保持在所述第二静止部件的外环部分与所述内环部分之间，在所述刷式密封件的所述轴向延伸部分与所述第二静止部件的所述外环部分之间留下轴向延伸的径向缝隙。
其中，所述外环部分设置有径向向内定向的前板，所述径向向内定向的前板与所述刷式密封件的所述向内延伸部分轴向地间隔开。
其中，所述内环部分设置有位于所述刷式密封件下游的密封齿。
其中，所述外环部分设置有钩状凸缘(hook flange)或钩部，所述钩状凸缘适于被接收在互补的槽中，所述互补的槽形成于静止涡轮喷嘴的内盖中。
其中，弹簧径向地定位在所述外环部分的径向外表面与所述互补的槽的面向内的壁之间。
其中，所述内环部分通过所述侧轨和所述刷式密封件附接到所述外环部分。
其中，所述内环部分借助于延伸穿过所述内环部分、所述刷式密封件并且延伸到所述外环部分中的焊缝(welds)附接到所述外环部分。
其中，所述外环部分设置有板部分，所述板部分轴向地延伸超过所述刷式密封件的所述向内延伸部分。
其中，所述第二静止部件包括涡轮喷嘴的内盖，所述内环部分和所述外环部分是所述内盖的整体部件(integral parts)并且其中所述第一旋转部件包括涡轮转子。
其中，所述第一旋转部件包括涡轮斗叶尖端护罩并且所述第二静止部件包括与所述尖端护罩相对的定子表面。
在另一个示例性但非限制性的实施例中，本发明提供一种位于涡轮机中的径向相对的旋转部件与静止部件之间的密封件装置，该密封件装置包括：第一旋转部件；第二静止部件；刷式密封件，该刷式密封件径向定位在第一旋转部件与第二静止部件之间，该刷式密封件具有固定至第二静止部件的轴向延伸部分、以及延伸跨过第一旋转部件和第二静止部件之间的缝隙的向内延伸部分；内环，该内环相对于刷式密封件的向内延伸部分的至少一部分和轴向延伸部分径向向内定位并且与刷式密封件的向内延伸部分的至少一部分和轴向延伸部分相接合；其中远离向内延伸部分的刷式密封件的轴向延伸部分的端部被夹置在一对侧轨之间；其中所述一对侧轨被保持在内环与外环之间，在刷式密封件的轴向延伸部分与外环之间留下轴向延伸的径向缝隙；并且其中外环设置有钩状凸缘，该钩状凸缘适于被接收在互补的槽中，该互补的槽中形成于静止涡轮喷嘴的内盖中。
其中，所述外环设置有径向向内定向的前板，所述径向向内定向的前板与所述刷式密封件的所述向内延伸部分轴向间隔开。
其中，所述内环通过所述侧轨和所述刷式密封件附接到所述外环。
其中，所述内环借助于延伸穿过所述内环、所述刷式密封件并且延伸到所述外环中的焊缝附接到所述外环。
在又一个示例性但非限制性的实施例中，本发明涉及一种涡轮机，该涡轮机具有：流动路径，该流动路径包括附接到转子、由附接到定子的静止喷嘴分开的轴向间隔开的多行斗叶(rows of buckets)；以及布置于转子与定子之间的至少一个刷式密封件，该刷式密封件具有固定至定子的轴向延伸部分、和延伸跨过定子与转子之间的缝隙的基本径向向内延伸部分；以及环，该环相对于刷式密封件的轴向延伸部分和刷式密封件的基本径向向内延伸部分的至少一部分径向向内定位并且与刷式密封件的轴向延伸部分和刷式密封件的基本径向向内延伸部分的至少一部分相接合。
其中，远离所述基本径向向内延伸部分的所述刷式密封件的所述轴向延伸部分的端部被夹置在一对侧轨之间。
其中，所述一对侧轨被保持在所述第一环部分与第二环部分之间，在所述刷式密封件的所述轴向延伸部分与所述外环部分之间留下轴向延伸的径向缝隙。
其中，所述外环部分设置有钩状凸缘，所述钩状凸缘适于被接收在互补的槽中，所述互补的槽形成于固定至所述定子的静止涡轮喷嘴的内盖中；并且其中弹簧径向地定位在所述外环部分的径向外表面与所述互补的槽的面向内的壁之间。
附图说明
图1是已知的蒸汽涡轮机流动路径的一部分的示意图；
图2是采用根据本发明的示例性但非限制性的实施例的密封件的蒸汽涡轮机流动路径的局部截面；
图3是图2中所示的密封件装置的变型的放大细节图；以及
图4是采用根据本发明其它的示例性但非限制性的实施例的密封件的蒸汽涡轮机流动路径的局部截面。
具体实施方式
图1示出了用于传统的蒸汽涡轮机10的蒸汽流动路径，该蒸汽涡轮机10包括转子12、定子14，以及由分别固定于转子12的轴向间隔开的多行斗叶16、18和20代表的多个涡轮级。涡轮级分别由轴向间隔开的静止喷嘴(stationary nozzles)22、24和26分开。高压蒸汽通过进口28进入流动路径，并且因此，蒸汽流如在图1中所观察到的从右向左。
典型地，密封件被用于沿流动路径的静止部件与旋转部件之间的多个位置处。例如，多个尖端密封件30被安装于斗叶16、18和20的径向外部尖端护罩处；或者被安装于相邻的定子上以用于与尖端护罩相互作用。在另一个位置处，多个根部密封件32被安装于转子12上、与喷嘴22、24、26的内部端部径向相邻。根部密封件32可以是如图所示的被设计成在操作期间以众所周知的方式接合相邻的喷嘴表面上的可磨损材料的相对的条或板的所谓的“J形密封件”。尖端密封件30可以是J形密封件或者传统的迷宫式密封件。在任何情况下，图1中所参照的密封件位置也是可以采用如下文所描述的刷式密封件的位置。
图2示出了根据本发明的第一示例性但非限制性的实施例的刷式密封件装置。具体而言，刷式密封件组件34结合到静止喷嘴38的内盖36中，该静止喷嘴38分别位于转子轮44、46上的多行斗叶40、42之间。
刷式密封件组件34大体包括内环48、外环50、和被夹置在内环48与外环50之间的根部L形刷式密封件52。外环(或钩)50被接收在形成于内盖36中的互补的槽54内。应当领会，内环和外环(包括刷式密封件)由形成上部和下部180°半段的一个或多个弓状段构成，当与涡轮壳体一起安装时，所述上部和下部180°半部段形成包绕转子12的360度环结构。
内环48形成有内表面56，该内表面56是基本平坦的(沿轴向方向)并且面向转子的平坦的(同样沿轴向方向)表面58。内表面56可以设置有(或者形成有)可选的密封齿60，该密封齿60定位在刷式密封件的下游，以补充由刷式密封件52所提供的密封。内环48还设置有(或者形成有)向内定向的支承尖端62，该向内定向的支承尖端62的内部边缘64为由于热膨胀、振动等造成的转子的任何径向向外的偏移提供止动限制。
内环的外表面66也是沿轴向方向基本平坦的，容纳一对板68、70中的一个(70)，刷式密封件52的刚毛包(bristle pack)72的一端固定于该对板68、70之间。另一个板68径向地定位在刚毛包72与外环50之间。该组件例如通过电子束(EB)焊缝74、76固定，所述电子束(EB)焊缝74、76分别将刚毛包的一端固定在板68、70之间并且将内环48固定至外环46(通过板68、70以及刚毛包72)。备选地，外环50和板68能够是整体部件。类似地，内环48和板70能够作为整体部件被提供。
刚毛包72轴向地沿内环的外表面66延伸并且由该外表面66支承。在远离板68、70的刚毛包的端部处，刚毛包72弯曲通过基本90度的角度并且朝向转子的表面58向内延伸。轴向延伸部分和径向延伸部分二者可以具有轴向部件。将看到刚毛包72与内盖36之间的轴向延伸的径向空间78(基本由板68的厚度限定)为刚毛包的弯曲提供充足的空间，如下文进一步描述的。应当领会，尽管刚毛包72的向内延伸的部分73被示为基本径向地(或者垂直地)延伸至转子表面58(该转子表面58与转子轴线基本平行)，但是向内延伸部分73还可以相对于表面58和转子轴线以各种角度延伸。
外环或钩50包括狭窄的径向颈部80和轴向延伸的钩部82，该轴向延伸的钩部82将密封件组件保持在设置于喷嘴38的内盖36中具有相应形状的槽54内。
在内盖36的上游端部处，前板84朝向转子径向向内地延伸，但是不延伸至支承尖端62的整个径向延伸部，因此保证前板84将不在任何操作条件下由转子接合。前板84为刚毛包72的上游面提供保护使之免受喷嘴38与多行斗叶40之间的流动路径的那部分内的高压蒸汽的影响，但是还留下了足够的轴向间隙以容纳刚毛包的弯曲。
由于刷式密封件组件的两个180度的半部在被安装时拱镶边成(archbound into)完整的圆柱(由内盖36形成)，因此外环50沿径向向外方向偏置并且外环50的钩部82的表面86不与槽54的相对表面88相接合。同时，弹簧片或者其它合适的弹簧90在槽54中周向地延伸、接合在槽的外表面92与外环50的外表面94之间。弹簧90与压力负荷一起沿径向向内的方向偏压密封件组件，因此刷式密封件组件变为拱镶边并且不依赖喷嘴内盖36来径向地密封。因此，密封件沿径向方向被自支承并且被平衡在槽54内，其中表面86与88之间保持具有间隙。因此，即使弹簧片(leaf spring)90将围绕外环的圆周在多个位置处与所述外环50相接合，仍然通过操作期间使密封件组件34在槽54内有效地“悬浮”来减小总体摩擦力。弹簧片90还对通过刷式密封件组件吸收的转子振动进行阻尼。
在外环50的下游侧上，轴向突出的表面96将在涡轮机操作期间与槽54的接触表面(facing surface)98相接合。换句话说，外环50与槽54之间的间隙允许密封件组件在如图2中所观察到的从右向左流动的蒸汽所施加的压力下在槽54内轴向地移动，因此在表面96、98的接口处产生第二密封件。
密封件能够被组装成具有刚毛包与转子44之间的冷缝隙。在操作期间，冷缝隙随着涡轮机到达其正常操作条件而减小，使得刚毛包72由于转子增长而与转子相接合，并且刚毛由于压力而被吹倒。根据上述装置，一旦压力负荷消失，刚毛包就自由弯曲离开支承尖端(或称唇缘)62并且离开内环48的外表面66。
在图3中所示的备选装置中，外环50的前板184仅沿轴向方向而不是如图2中所示的径向方向延伸，但是仍然保护刚毛包72的远侧端部不受高压蒸汽冲击的影响。在其他方面，密封件组件的构造与图2中的装置基本相同。
参照图4，示出了根据本发明的额外的示例性刷式密封件组件。刷式密封件组件100、102基本与上文所描述的相同，但是分别定位在转子10与喷嘴108的内盖106之间以及静止外部带(stationary outer band)110与斗叶尖端护罩112之间。
与图2中所示的刷式密封件组件不同，刷式密封件组件100直接结合到内盖106中。具体而言，内环部分114和外环部分116与盖106整体形成，但是刷式密封件以与上文所描述的几乎相同的方式通过侧轨118、120被固定在内环部分114与外环部分116之间。因此，刚毛包122的一端通过焊缝或者其它合适的方式被夹置在侧轨118、120之间，并且侧轨118、120通过紧密配合(tight fit)或其它合适的方式被固定在内环部分114与外环部分116之间，产生与图2中的空间78类似的轴向延伸的径向空间124。提供内环部分114上的支承尖端126并且该支承尖端126在结构和功能上与支承尖端62类似。像上文所描述的实施例一样，空间124为刚毛包122提供充足的间隙以在与转子接合时弯曲。还注意到在该装置中，前板128与图3中的前板184类似。图4还示出了位于刷式密封件刚毛包122下游、从转子104径向向外延伸的可选的J形密封件129。
刷式密封件102具有类似的构造，其中刚毛包130被支承在静止定子136的内环部分132与外环部分134之间。换句话说，刚毛包130被支承在凹槽138内，并且被夹置在侧轨140、142之间，所述侧轨140、142随后被焊接到限定凹槽或槽138的相对表面。应当注意到，在该情况下，刚毛包130同样受到斗叶尖端护罩112的上游密封件部分144和定子136的相对的密封件表面146的保护。
在图4中所示的两个密封件装置中，刷式密封件基本分别刚性地固定到喷嘴内盖106和定子136，与图2的“悬浮”装置不同。然而，刚毛包的弯曲动作以及用于刚毛包的保护特征在所有的情况下都相似。
尽管在本文中所描述的示例性实施例中，刷式密封件组件被固定至涡轮机的静止(或定子)部件，但是应当理解，所述刷式密封件组件同样还能够被安装到旋转(或转子)部件上。
此外，应当理解，刷式密封件的刚毛包可以基本径向取向或者沿周向方向(即，沿转子的旋转方向)成角度。在所有的情况下，刷式密封件都容纳转子由于热、振动、或其它条件而造成的径向膨胀并且倾向于使由于与转子接触而产生的热扩散。
尽管已结合目前被认为最实际和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖被包含在所附权利要求的精神和范围内的多种改型和等同装置。

Claims (16)

1.一种位于涡轮机中的径向相对的旋转部件与静止部件之间的密封件装置，其特征在于，所述密封件装置包括：
第一旋转部件；
第二静止部件；
刷式密封件，所述刷式密封件径向地定位在所述第一旋转部件与所述第二静止部件之间，所述刷式密封件具有固定至所述第二静止部件的轴向延伸部分、以及延伸跨过所述第一旋转部件与第二静止部件之间的缝隙的向内延伸部分，其中远离所述向内延伸部分的所述刷式密封件的所述轴向延伸部分的端部被夹置在一对侧轨之间；以及
所述第二静止部件的内环部分，所述内环部分相对于所述刷式密封件的所述向内延伸部分的至少一部分和所述轴向延伸部分径向向内地定位并且与所述刷式密封件的所述向内延伸部分的至少一部分和所述轴向延伸部分相接合；
其中所述一对侧轨被保持在所述第二静止部件的外环部分与所述内环部分之间，在所述刷式密封件的所述轴向延伸部分与所述第二静止部件的所述外环部分之间留下轴向延伸的径向缝隙。
2.根据权利要求1所述的密封件装置，其特征在于，所述外环部分设置有径向向内定向的前板，所述径向向内定向的前板与所述刷式密封件的所述向内延伸部分轴向地间隔开。
3.根据权利要求1所述的密封件装置，其特征在于，所述内环部分设置有位于所述刷式密封件下游的密封齿。
4.根据权利要求1所述的密封件装置，其特征在于，所述外环部分设置有钩状凸缘，所述钩状凸缘适于被接收在互补的槽中，所述互补的槽形成于静止涡轮喷嘴的内盖中。
5.根据权利要求4所述的密封件装置，其特征在于，弹簧径向地定位在所述外环部分的径向外表面与所述互补的槽的面向内的壁之间。
6.根据权利要求1所述的密封件装置，其特征在于，所述内环部分通过所述侧轨和所述刷式密封件附接到所述外环部分。
7.根据权利要求6所述的密封件装置，其特征在于，所述内环部分借助于延伸穿过所述内环部分、所述刷式密封件并且延伸到所述外环部分中的焊缝附接到所述外环部分。
8.根据权利要求1所述的密封件装置，其特征在于，所述外环部分设置有板部分，所述板部分轴向地延伸超过所述刷式密封件的所述向内延伸部分。
9.根据权利要求1所述的密封件装置，其特征在于，所述第二静止部件包括涡轮喷嘴的内盖，所述内环部分和所述外环部分是所述内盖的整体部件并且其中所述第一旋转部件包括涡轮转子。
10.根据权利要求1所述的密封件装置，其特征在于，所述第一旋转部件包括涡轮斗叶尖端护罩并且所述第二静止部件包括与所述尖端护罩相对的定子表面。
11.一种位于涡轮机中的径向相对的旋转部件与静止部件之间的密封件装置，其特征在于，所述密封件装置包括：
第一旋转部件；
第二静止部件；
刷式密封件，所述刷式密封件径向定位在所述第一旋转部件与所述第二静止部件之间，所述刷式密封件具有固定至所述第二静止部件的轴向延伸部分、以及延伸跨过所述第一旋转部件和所述第二静止部件之间的缝隙的向内延伸部分；
内环，所述内环相对于所述刷式密封件的所述向内延伸部分的至少一部分和所述轴向延伸部分径向向内定位并且与所述刷式密封件的所述向内延伸部分的至少一部分和所述轴向延伸部分相接合；
其中远离所述向内延伸部分的所述刷式密封件的所述轴向延伸部分的端部被夹置在一对侧轨之间；
其中所述一对侧轨被保持在所述内环与外环之间，在所述刷式密封件的所述轴向延伸部分与所述外环之间留下轴向延伸的径向缝隙；并且
其中所述外环设置有钩状凸缘，所述钩状凸缘适于被接收在互补的槽中，所述互补的槽形成于静止涡轮喷嘴的内盖中。
12.根据权利要求11所述的密封件装置，其特征在于，所述外环设置有径向向内定向的前板，所述径向向内定向的前板与所述刷式密封件的所述向内延伸部分轴向间隔开。
13.根据权利要求11所述的密封件装置，其特征在于，所述内环通过所述侧轨和所述刷式密封件附接到所述外环。
14.根据权利要求13所述的密封件装置，其特征在于，所述内环借助于延伸穿过所述内环、所述刷式密封件并且延伸到所述外环中的焊缝附接到所述外环。
15.一种涡轮机，其特征在于，所述涡轮机具有流动路径，所述流动路径包括附接到转子、由附接到定子的静止喷嘴分开的轴向间隔开的多行斗叶；以及布置于所述转子与所述定子之间的至少一个刷式密封件，所述刷式密封件具有固定至所述定子的轴向延伸部分、和延伸跨过所述定子与所述转子之间的缝隙的基本径向向内延伸部分；以及
第一环部分，所述第一环部分相对于所述刷式密封件的所述轴向延伸部分和所述刷式密封件的所述基本径向向内延伸部分的至少一部分径向向内定位并且与所述刷式密封件的所述轴向延伸部分和所述刷式密封件的所述基本径向向内延伸部分的至少一部分相接合；
其中远离所述基本径向向内延伸部分的所述刷式密封件的所述轴向延伸部分的端部被夹置在一对侧轨之间，所述一对侧轨被保持在所述第一环部分与第二外环部分之间，在所述刷式密封件的所述轴向延伸部分与所述第二外环部分之间留下轴向延伸的径向缝隙。
16.根据权利要求15所述的涡轮机，其特征在于，所述第二外环部分设置有钩状凸缘，所述钩状凸缘适于被接收在互补的槽中，所述互补的槽形成于固定至所述定子的静止涡轮喷嘴的内盖中；并且其中弹簧径向地定位在所述第二外环部分的径向外表面与所述互补的槽的面向内的壁之间。
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