CN105485348A - 密封节段 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在静止构件(10)与旋转构件(15)之间密封的密封节段(20)。密封节段(20)具有通路(30)，其延伸以便实现密封节段(20)的径向端部之间的压力平衡因此提供密封件，其可确保保持最小密封距离，而不需要促动器或其它机械装置的复杂性。

Description

密封节段
技术领域
本发明大体上涉及用于旋转机器如蒸汽涡轮、燃气涡轮、飞行器发动机和压缩机的密封节段，并且更具体地涉及可收缩的密封节段。
背景技术
用于发电和机械传动应用的旋转机器如蒸汽涡轮和燃气涡轮、用于推进的飞行器发动机和用于加压的压缩机大体上是由多个涡轮和压缩机级构成的大型机器。在此类机器中，流过涡轮和/或压缩机级的加压流体穿过一系列静止和旋转的构件。在典型的蒸汽涡轮中，静止构件可为机器外壳，而旋转构件可为转子。安装在静止构件上的环形密封件用于控制流体沿静止构件与旋转构件之间的路径的泄漏。实际上，涡轮的效率直接取决于这些密封件防止此类泄漏的能力。这些密封件可在定向上为径向或轴向的，并且可为若干类型中的一种，如，迷宫式填装密封件、叶形密封件、耐磨密封件、顺应性板密封件等。径向密封件通常出于组装原因分段，并且/或者用于沿径向方向移位。尽管径向分段的迷宫式密封件证实在蒸汽涡轮中相当可靠，但由于瞬变事件，它们的性能随着时间的过去退化，在该瞬变事件中，静止构件和旋转构件干扰，将迷宫齿摩擦成"蘑菇"轮廓，并且开启密封间隙。
减小瞬变事件期间摩擦或接触的不利效果的一种手段在于使用可变的空隙"正压力"(VCPP)布置，其中弹簧用于在此类摩擦最可能发生时在没有或小流动瞬变情况下以大延伸的空隙保持密封节段开启。在稳态状态期间，当机器典型地在较高负载下以较高流体压力操作时，密封节段周围的环境压力克服作用成将环闭合成闭合的延伸空隙的弹簧力。已知的可变空隙正压力(VCPP)迷宫式密封件的实例可在美国专利第6,695,316;6,022,027;5,810,365;5,603,510;5,002,288和4,443,311号中找到。
然而，可变空隙正压力布置使用分段密封件，其仅响应于机器负载。一旦机器达到设计负载，则填装环节段闭合，并且保持闭合直到机器负载和因此机器内的流体压力充分地下降。然而，热瞬变可甚至在设计负载达到之后持续。因此，理想地期望密封节段保持开启，直到热瞬变平息。此外，当密封节段由环境流体压力强迫闭合时，VCPP密封件易于在稳态操作期间在转子振动的情况下摩擦。在此类情况下，当前VCCP布置并未有效避免摩擦，因为其为定位密封节段的被动方法。将合乎需要的是提供"主动受控的"密封定位布置，其中密封节段不仅在对应于启动和停机瞬变的没有或小流动条件期间保持开启，而且最小密封距离可不取决于负载和瞬变效果保持。
所谓的"智能密封件"使用高力能力的气动促动器来提供沿径向向外的力以在任何机器操作条件下"主动地"开启密封节段。然而，维持促动器寿命的需要要求借助于压力控制系统实现的压力平衡。另外，促动器必须在外部加压来克服流体环境压力，这使外部高压气体供应系统成为必要。"智能密封件"构造的实例可在美国专利第6,786,487;6,655,696;6,572,115和6,502,823号中找到。
发明内容
公开了一种密封节段，其可确保保持最小密封距离，而不需要促动器或其它机器装置的复杂性。
本公开基于围绕可收缩密封件的第一密封件元件的旁路的大体构思，该可收缩密封件使得旁通流能够在密封件闭合时在密封件间隙中产生压力缓冲，从而提供可自调整的最小密封间隙控制系统。
一个大体方面包括用于在静止构件与旋转构件之间密封的密封系统，密封系统包括静止构件和密封节段，该密封节段可收缩地位于静止构件中，以便形成静止构件与密封节段之间的流动区域，密封节段具有带上游端和下游端的内弓形表面，该上游端和下游端正交于内表面的弯曲。密封节段还包括布置成多排的多个密封元件，该多排在上游端与下游端之间布置在内弓形表面上，并且沿内弓形表面的弯曲的方向延伸。通路延伸穿过密封节段，具有多排密封元件之间的内弓形表面中的第一开口，使得多个密封排中的至少一个布置在第一开口与上游端之间，并且多个密封排中的至少一个布置在第一开口与下游端之间，从而形成旁通流动路径，该旁通流动路径包括流动区域的至少一部分，从密封节段的上游端延伸并且穿过通路因此实现形成流体缓冲，这在密封节段上产生朝向静止构件的收缩力。
另外的方面可包括以下特征中的一个或更多个。一种密封系统，其中通路具有位于上游端与下游端之间的第二开口，以便使得流体流能够绕过布置在开口与上游端之间的多个密封排中的至少一个。一种密封系统，其中第一开口和第二开口布置成使得在第一开口与第二开口之间画出的线正交于内弓形表面。一种密封系统，其中通路具有朝向上游端定位的第二开口，以便使得流体流能够绕过布置在开口与上游端之间的多个密封排中的至少一个。一种密封节段，其中通路在形状上为圆柱形。一种密封系统，其中通路构造和布置成引导流体流垂直于内弓形表面穿过第一开口。一种密封系统还包括用于远离内弓形表面的面对方向收缩密封节段的偏压器件。
本发明的又一个目的在于克服或至少改进现有技术的缺点和不足，或者提供有用的备选方案。
本公开的其它方面和优点将从连同附图进行的以下描述变得显而易见，该附图经由实例示出了本发明的示例性实施例。
附图说明
经由实例，在下文中参照附图更完整地描述本公开的实施例，在该附图中：
图1为本公开的优选实施例的示意图。
部件列表
10静止构件
15旋转构件
20密封节段
21接触点
22内弓形表面
24(内弓形表面的)上游端
26(内弓形表面的)下游端
28(内弓形表面的)弯曲方向
29流动区域
30通路
31旁通流
32(通路的)第一开口
34(通路的)第二开口
40密封元件
42排
44偏压器件
46密封间隙
47密封腔。
具体实施方式
现在参照附图来描述本公开的示例性实施例，其中相似的附图标记用于表示各处相似的元件。在以下描述中，为了解释的目的，阐明了许多具体细节以提供本公开的彻底理解。然而，本公开可在没有这些具体细节的情况下实践，并且不限于本文中公开的示例性实施例。
图1中示出了可收缩的密封节段20的示例性实施例，其提供了静止构件10与旋转构件15之间的密封。密封节段20包括密封节段20的共同特征，其包含内弓形表面22，内弓形表面22具有在较高压区域处的上游端24，以及下游端26。这些端部24,26正交于内弓形表面22的弯曲。多个密封元件40布置成多个密封排42，其在上游端24与下游端26之间布置在内弓形表面22上，并且沿内弓形表面22的弯曲28的方向延伸。以该方式，密封元件40提供内弓形表面22的上游端24与内弓形表面22的下游端26之间的密封。
密封节段20为由以下事实限定的可收缩的密封件：其可朝静止构件10远离旋转构件15收缩。密封节段20的相对移动实现流动区域29的形成，这实现了从密封节段20的上游端至密封节段20的后部的流动。可通过位于密封节段20与静止构件10之间的接触点21用作密封部来防止流动在密封节段20后方进一步继续至密封节段20的下游端。由于形成在密封节段20的上游端与下游端之间的压降，故接触点21处的密封可例如通过施加在密封节段20上的轴向推力加强。
在图1中所示的示例性实施例中，密封节段20还包括偏压器件44，如，弹簧、杆等，其远离内弓形表面22的面对方向偏压内弓形表面22。弹簧的目的在于提供反抗在启动和低负载期间施加在密封节段20上的闭合压力和重力的、开启密封的器件。在图1中所示的示例性实施例中，偏压器件44位于静止构件10与密封节段20之间。在未示出的示例性实施例中，偏压器件44在相邻的密封节段20之间位于密封节段20的周向面对表面上。
在图1中所示的示例性实施例中，密封节段20还包括通路30，其延伸穿过密封节段20。通路30具有第一开口32和第二开口34。
第一开口32在密封元件40的多个密封排42之间在内弓形表面22中开启，使得多个密封排42中的至少一个布置在第一开口32与内弓形表面22的上游端24之间，并且多个密封排42中的至少一个布置在第一开口32与内弓形表面22的下游端26之间。
第二开口34位于除内弓形表面22之外的密封节段20的表面上，优选如图1中所示在密封节段20的上游端24与下游端26之间，或在朝向上游端24的点处。即，在上游端24与下游端26的中点和上游端24之间的点处。通路的目的在于产生围绕位于第一开口32与上游端24之间的密封元件40的旁路，其使用泄漏流，该泄漏流可经由流动区域29围绕密封件的后部经过。以该方式，当密封节段20完全开启(对应于宽密封间隙46)时，经过密封件的流动为小的，因为压降低，并且结果存在围绕密封件的后部且向下穿过通路30的小流动。在该布置中，通路30仅具有对密封节段20性能的可忽略影响。当密封间隙46闭合，例如，通过加载在密封节段20上的压力时，腔47通过内弓形表面22、密封元件40和旋转构件15形成在第一开口32的区域中。密封间隙46的闭合进一步导致横跨下游密封元件40的压降增大，导致比例较大的流动穿过通路30到密封腔47中，以及密封节段20的径向顶部和径向底部(即，内弓形表面22)之间的压力平衡，其使作用于密封件的顶部上的压力抗衡沿相反方向作用于内弓形表面22上的密封腔47内的压力。作用于密封件的顶部上的压力的任何进一步增大不能够克服偏压器件44的密封开启力。以该方式，通路30作用为自控制器件，以防止密封节段20的完全闭合。
在该位置，穿过通路30的流动由于通路30的面积为密封件40与转子15之间的面积的较大部分而为穿过间隙46的流动的较高比例。腔47中的压力也将较高。腔47中的压力将趋于朝向上游端24处的压力，其中密封件20朝转子15增加移动。密封节段20将继续向内移动，直到由于作用于弓形表面22上的压力和作用于密封元件20的外弓形表面上的压力而实现径向力平衡。间隙46的进一步闭合将导致腔47中的压力增大和密封节段20移离转子15，直到由于作用于弓形表面22上的压力和作用于密封元件20的外弓形表面上的压力而实现新的径向力平衡。以该方式，通路30用作自控制器件来防止密封节段20的完全闭合。
由穿过通路30的旁通流引起的密封间隙46中的压力随密封节段20的顶部上方和穿过通路30的压降变化，并且因此随第二开口34的位置和通路30的截面面积变化。可选的密封间隙46因此通过使这些参数适于设备的特定操作条件来实现。
具体对于改造解决方案，可有利的是确保通路30形成直路径，因为这通过对密封节段20钻孔而实现简单构造。
在图1中所示的示例性实施例中，通路30构造和布置成引导流体流垂直于内弓形表面22穿过第一开口32。这减小了由穿过通路30到密封间隙46中的流动引起的密封节段20的不稳定的风险。
尽管本公开在本文中已经示出和描述了构想为最实际的示例性实施例的内容，但本公开可以以其它特定形式实施。例如，尽管附图中示出了一种形式的可收缩弹簧，但任何适合的弹簧布置都可使用。因此，当前公开的实施例在所有方面认作是说明性而非限制性的。本公开的范围由所附权利要求而非前述描述指示，并且落入意义和范围和其等同物内的所有变化都旨在包含在其中。

Claims (8)

1.一种用于在静止构件(10)相对于旋转构件(15)之间密封的密封系统，包括：
静止构件(10)，
密封节段(20)，其可收缩地位于所述静止构件中，以便形成所述静止构件与所述密封节段(20)之间的流动区域(29)，所述密封节段(20)包括：
内弓形表面(22)，其中上游端(24)和下游端(26)正交于所述内弓形表面(22)的弯曲(28)；以及
布置成多个密封排(42)的多个密封元件(40)，所述多个密封排(42)在所述上游端(24)与所述下游端(26)之间布置在所述内弓形表面(22)上，并且沿所述内弓形表面(22)的所述弯曲(28)的方向延伸，
通路(30)，其延伸穿过所述密封节段(20)并且连接于流动路径，具有所述多排密封元件(40)之间的所述内弓形表面(22)中的第一开口(32)，使得：
所述多个密封排(42)中的至少一个布置在所述第一开口(32)与所述上游端(24)之间；并且
所述多个密封排(42)中的至少一个布置在所述第一开口(32)与所述下游端(26)之间，
从而形成旁通流动路径(31)，所述旁通流动路径(31)包括所述流动区域(29)的至少一部分，从所述密封节段的上游端延伸并且穿过所述通路(30)因此实现形成流体缓冲，这在所述密封节段(20)上产生了朝所述静止构件(15)的收缩力。
2.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，所述通路(30)具有位于所述上游端(24)与所述下游端(26)之间的第二开口(34)，以便使得流体流能够绕过布置在所述第一开口(32)与上游端(24)之间的多个密封排(42)中的至少一个。
3.根据权利要求1所述的密封系统，其特征在于，所述通路(30)具有朝向所述上游端(24)定位的第二开口(34)，以便使得流体流能够绕过布置在所述开口和上游端(24)之间的多个密封排(42)中的至少一个。
4.根据权利要求2或权利要求3中任一项所述的密封系统，其特征在于，所述第一开口(32)和所述第二开口(34)布置成使得在所述第一开口(32)与所述第二开口(34)之间画出的线正交于所述内弓形表面(22)。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的密封系统，其特征在于，所述通路(30)在形状上为圆柱形。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的密封系统，其特征在于，所述通路(30)构造和布置成引导流体流垂直于所述内弓形表面(22)穿过所述第一开口(32)。
7.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的密封系统，其特征在于，所述密封系统还包括用于远离所述内弓形表面(22)的面对方向收缩所述密封节段(20)的偏压器件(44)。
8.根据权利要求7所述的密封系统，其特征在于，所述偏压器件(44)位于所述密封节段(20)的沿周向面对的面上。
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