CN105814284B - 涡轮机中的密封间隙控制 - Google Patents

Abstract

涡轮机(1)包含静止构件(7)、被旋转地支撑在该静止构件(7)中的旋转构件(11)、和该旋转构件与该静止构件之间的密封布置(21)。还提供冷却布置(29)，其构造并设计成用于将冷却流体输送到密封布置并从其移除热。

Description

涡轮机中的密封间隙控制

技术领域

本文中公开的主题涉及涡轮机。更具体而言，本公开涉及用于在高温下工作的涡轮机的密封布置的改进。

背景技术

涡轮机，诸如离心压缩机、涡轮等，常常在高温下操作，且其转子构件以及定子构件二者经历高温膨胀。

在快速启动机器中，即在短期间内执行快速启动程序的机器中，安装在静止构件上的密封布置与旋转构件之间的密封间隙必须设计为以便在快速启动期间，密封布置不接触旋转构件，该旋转构件由于在径向方向上的离心和热径向生长而经历快速的尺寸增大。

为了防止启动期间的因定子径向生长比转子径向生长慢导致的密封损坏，密封布置的直径尺寸设计为以便在快速启动时也维持足够的径向间隙。因此，当达到涡轮机的稳态操作条件时，径向密封间隙比较大。大的径向间隙导致涡轮机的效率下降。

因此需要对关于在高温下工作并具有快速启动程序的涡轮机中的密封布置的径向间隙的改进控制。

发明内容

根据一方面，本文中公开的主题提供一种涡轮机，其包括：静止构件、被旋转地支撑在该静止构件中的旋转构件、和在该旋转构件与静止构件之间的密封布置。有利地，还提供冷却布置，其构造并设计成用于将冷却流体输送到密封布置并从其移除热。

特别是在稳态操作条件下，通过从密封布置移除热，可以控制密封间隙，从而改善涡轮机的总体效率。

密封布置可包括静止密封环，即，以非旋转方式安装在涡轮机静止构件(例如，压缩机级的隔板)上的密封环。

根据一些有利的实施例，冷却布置包括冷却室，该冷却室布置在密封布置处并设有至少一个冷却流体输送管，该至少一个冷却流体输送管与冷却室流体地连接，以用于将冷却流体输送到其中。在一些实施例中，冷却布置还包括至少一个冷却流体排放管，该至少一个冷却流体排放管与冷却室流体地连通，以用于从其移除冷却流体。冷却室可布置在密封布置的密封环或环形密封部件与上面安装密封布置的静止构件之间。

在一些实施例中，例如，如果密封环具有足够大的截面，则冷却室可在内侧设有密封布置的密封环或环形密封部件。

冷却室有利地与密封部件共同延伸或基本上共同延伸，并有利地基本上沿密封部件的全部扩展部分与之流体地接触。优选地，基本上共同延伸指冷却室的周向延伸为密封部件的周向延伸范围的至少70％、更优选为至少80％、甚至更优选为至少90％。密封部件和冷却室的基本上共同延伸提供对密封布置的特别有效的温度控制。

环形密封部件可安装在静止构件的承座上，以便环形密封部件和承座能够进行相互的径向位移。因此环形密封部件的径向延伸范围可通过冷却流体来控制，并减小或维持小于上面安装环形密封部件的静止构件的径向延伸范围。

排出的冷却流体可在冷却回路中再循环。在其他实施例中，如果冷却流体的性质允许，例如如果使用空气，则排出的冷却流体可排放到环境中。在一些另外的实施例中，冷却流体可为由涡轮机处理的相同的气体或与其相容的气体。在该情形下，倘若冷却气体的压力高于过程气体的压力，则排出的冷却流体可排放到流过涡轮机的过程气体的主流中。

根据另外的方面，本文中公开的主题涉及用于控制涡轮机中在涡轮机的旋转构件和与旋转构件协作的静止密封布置之间的密封间隙的方法。该方法包括从密封布置移除热的步骤，以减小涡轮机操作期间的密封布置的热膨胀。

在特别有利的实施例中，该方法包含以下步骤：

在密封布置与上面安装该密封布置的静止构件之间布置冷却室；

将冷却流体输送到所述冷却室中，并由此从该密封布置移除热。

根据本文中公开的主题的密封布置可用在对密封间隙的借助于热移除的控制可为有利的任何涡轮机中。热涡轮机，诸如燃气涡轮，可利用本文中描述的布置。而且压缩机，诸如轴向和离心压缩机可具有如在本文中公开的密封布置。这在处理流体达到相对高的温度的压缩机的情况下是特别有用的，压缩机诸如用于CAES系统(压缩空气能量储存系统)或ACAES系统(绝热压缩空气能量储存系统)的压缩机。

特征和实施例在下面公开，并且还在形成本说明书的一体部分的所附权利要求中提出。上面的简要描述阐述了本发明各种实施例的特征，以便可更好地理解随后的详细描述，且以便可更好地理解对领域的现时贡献。当然，存在本发明的其他特征，其将在下文中描述并且其将在所附权利要求中提出。在该方面中，在详细地解释本发明的若干实施例之前，应当理解的是，本发明的各种实施例在它们的应用中不限于构造的细节和在下列描述中阐述或在附图中例示的构件的布置。本发明能够有其他实施例并且以各种方式实践和进行。而且，应当理解的是，在本文中采用的措词和术语用于说明的目的，并且不应认为是限制。

因此，本领域技术人员将理解，本公开所基于的观念可易于用作用于设计用于实现本发明的若干目的的其他结构、方法、和/或系统的基础。因而，重要的是，认为权利要求包括这种等同构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。

附图说明

将容易地获得对本发明的公开实施例及其许多附随优点的更全面的了解，因为当结合附图考虑时，通过参照下列详细描述，其变得更理解，在附图中：

图1例示出多级离心压缩机的示意剖面图；

图2例示出图1的压缩机的末级的放大图；

图3例示出在图1的压缩机级中的一个的叶轮进口(impeller eye)处的密封布置的放大图；

图4例示出根据图2中的IV-IV线的示意截面；

图5例示出根据另一实施例的用于叶轮进口的密封布置的截面，其示出布置在密封布置内侧的冷却流体循环室；且

图6例示出密封布置的另一截面，该密封布置具有键，该键相对于涡轮机的静止构件扭转地锁定密封环。

具体实施方式

示范实施例的下列详细描述参照附图。不同附图中的相同参考标号标识相同或相似的元件。此外，附图不一定按照比例绘制。此外，下列详细描述不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求限定。

贯穿说明书对“一个实施例”或“实施例”或“一些实施例”的参照指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在所公开主旨的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”遍及说明书在各种位置的出现不一定指相同的实施例。而且，可将该具体特征、结构或特性以任何适当的方式组合在一个或更多个实施例中。

在下述描述中且在附图中，提及离心多级压缩机，例如用于所谓的CAES(压缩空气能量储存系统)应用中的压缩机。然而，本领域技术人员将意识到，本文中公开的主题可用于发生相似技术问题的其他涡轮机中。

参考图1，多级离心压缩机1包括壳体3，壳体3具有压缩机入口5和压缩机出口6。在该压缩机壳体3的内侧，提供压缩机隔板布置7。壳体3和隔板7形成压缩机的静止部分。

在壳体3中，适当地支撑旋转轴9。多个叶轮11安装在轴9上并在原动机(未示出)例如电动马达、涡轮等的控制下与轴9一起旋转。

在一些实施例中，平衡鼓13还安装在轴9上以用于与其一起旋转。

提供在隔板7中形成的返回通道15，以用于将离开各叶轮11的气体流送回至随后的叶轮的入口。最下游的叶轮(图2中也示出)与蜗壳17流体地连通，蜗壳收集压缩气体并将压缩气体从此处输送到压缩机出口6。

如图2的放大图中最佳显示的，叶轮11中的至少一些可包含叶轮盘11D和包括叶轮进口11E的叶轮护罩11S。叶片11B布置在叶轮盘11D与叶轮护罩11S之间，并在叶轮11内侧限定导叶，在叶轮入口11I处进入叶轮的气体穿过导叶加速并最终在叶轮出口11O处排出。

在静止隔板7与叶轮进口11E之间提供密封布置21。图3例示出压缩机1的叶轮11中的一个的密封布置的实施例的放大图。图4例示出静止构件(隔板)7、叶轮进口11E和密封布置21的示意截面。

密封布置21可包括环形密封部件23。在一些实施方案中，环形密封部件23借助于多个成角度地间隔的键25安装在隔板7上，键25可维持环形密封部件23相对于隔板7居中。密封布置21安装在静止构件上，即隔板7上，使得密封布置和静止构件可相对于其他径向地移动。以此方式，环形密封部件23和静止构件7的有差别的热膨胀是可能的。

在一些实施例中，隔板7包括承座27，环形密封部件23至少部分地容纳于该承座中。冷却室或冷却通道29形成于环形密封部件23与在隔板7中提供的承座27之间。可围绕环形密封部件23提供密封唇缘23L，以用于相对于隔板7的承座27密封。因此相对于可旋转地容纳叶轮11的体积密封冷却室29。

冷却室29与冷却流体源流体地连通。在有利的实施例中，冷却室作为冷却流体回路的一部分布置，以便输送冷却流体被输送到冷却室中并穿过冷却室且被从其移除。如图4的示意截面中最佳显示的，在一些实施例中，至少一个冷却流体输送管31与冷却室29流体地连通并将冷却流体输送到其中。还可提供至少一个冷却流体排放管33，其与冷却室29流体地连通，以用于一旦冷却流体已循环穿过冷却室29则移除该冷却流体。

在图4中，冷却室29和环形密封部件23是共同延伸的，即，它们围绕叶轮轴线沿360°延伸。因此冷却室29沿其整个环形延伸范围与密封布置流体地接触。这是优选的构造。然而，在其他效率更低的实施例中，冷却室29的延伸范围可略小于密封布置的环形延伸范围，即，冷却室29可分成两个或更多个子室，它们例如由径向隔离物分离，以便冷却室29的总延伸范围可能略小于密封布置的环形延伸范围，例如小10%。

上面在此公开的布置允许冷却流体的进入并穿过被提供有此种布置的各叶轮11的冷却室或冷却通道29的受控的循环。

可通过在图3中35处示意性地示出的冷却流体回路来提供冷却流体。冷却流体回路可包括风扇37、泵或任何其他循环装置。

冷却流体可为适合用于从密封布置21移除热的任何流体。在一些实施例中，可使用不可压缩的液态冷却流体，例如透热油。该冷却流体对于通过穿过冷却室或冷却通道29的强制对流来移除热而言是特别有效的。

在一些实施例中，可使用气态冷却流体。在特别有利的实施例中，使用与正由压缩机1处理的气体相容的冷却流体。以此方式，来自冷却室29的冷却流体的任何泄漏不会不利地影响穿过压缩机1的气体的处理。

通常在压缩机1处理空气的CAES或ACAES应用中，环境空气可在冷却室29中用作冷却介质或冷却流体。

如果冷却流体的性质和其他因素允许这样，例如，如果将空气用作冷却流体，则冷却流体回路35可朝环境开放，以便离开冷却室29的冷却流体被排放到环境中。

在其他实施例中，冷却流体回路35可封闭且冷却流体可在其中循环，可能提供热交换布置，以用于一旦冷却流体流离开冷却室29，则从该冷却流体流移除热。

在有利的实施例中，冷却室中冷却流体的压力显著小于正由压缩机1处理的气体的压力。因为可相对于叶轮11密封冷却室29，所以可防止叶轮与冷却室29之间的泄漏，并可在冷却室29内部形成低压。这降低了用于使冷却流体循环穿过回路35和冷却室29所需的功率。

使冷却流体循环穿过冷却室29并从密封布置21移除热允许在涡轮机的启动和稳态操作期间控制密封布置21的径向尺寸和径向生长，以便获得对密封布置21与叶轮进口11E之间的径向间隙的更好的控制，如在此在下文将更详细地讨论的。

在密封部件21被约束于隔板7的现有技术布置中，考虑到由于隔板7相对于叶轮11较高的热惰性，启动时叶轮11的径向生长比隔板的径向生长快，环形密封部件的径向尺寸必须选择为以便在启动时提供足够的间隙以及在稳态条件下提供足够小的间隙。

在以下表1中，参照示范、非限制性的实施例，以毫米给出启动时和稳态操作期间的现有技术机器中的径向间隙的尺寸：

表1

密封布置设计且在尺寸方面确定为当机器未操作并处于室温时，0.95 mm的径向间隙将存在于密封部件与旋转部件例如叶轮进口之间。

在启动时，一方面由于由施加到叶轮进口11E的离心力引起的机械变形，叶轮进口11E经历径向生长。另一方面，叶轮进口11E由于快速的温度升高而膨胀。如图1中所示，在离心压缩机的末级11中，热膨胀特别显著，在此所处理的气体(例如空气)达到高温度值，例如400-600°C左右。

在启动期间，由隔板7代表的静止构件的径向生长比叶轮11的径向生长慢得多，一方面，因为没有离心力使静止构件径向向外变形，且另一方面，因为隔板7的热惯性使得隔板7的热膨胀比叶轮11的热膨胀慢。

因此，定子或静止构件7的径向膨胀为0.25 mm左右，而叶轮进口11E的径向膨胀为0.70 mm。

因为环形密封部件23被径向地约束于隔板，故环形密封部件的径向膨胀与隔板的径向膨胀相同。因此，以室温下停止条件下的0.95 mm的径向间隙开始，启动时的总间隙为0.50 mm。

在压缩机慢慢达到稳态操作条件时，隔板的温度升高，且因此环形密封部件的径向尺寸也增加。在表1的第二列中，处于稳态条件下的叶轮进口11E的径向膨胀示为0.25mm，而隔板的径向膨胀为0.75mm。因此在稳态条件下的总径向间隙为0.85mm。此相对大的径向间隙导致机器效率的减弱。在稳态条件下较小的径向间隙是不适合的，因为由于隔板和环形密封部件相对于叶轮径向膨胀的较慢径向膨胀，其需要启动时较小的间隙以及启动期间在叶轮进口与环形密封部件之间的摩擦接触的后续风险。

本公开的密封部件冷却和温度控制布置解决或至少缓解了上述问题，从而导致稳态条件下较小的径向间隙，如在表2中所示：

表2

表2例示出根据本公开并在示范实施例中的构造中的叶轮进口11E和环形密封部件23之间的径向间隙的尺寸。以mm表示间隙尺寸。当机器停止并处于室温时，环形密封部件23与叶轮进口11E之间的径向间隙又为0.95mm。启动时叶轮进口11E的径向膨胀又为0.70mm，并归因于由离心力引起的机械径向变形和热膨胀。隔板7的径向膨胀又为0.25mm，这导致启动时的0.50mm的总径向间隙。给出与现有技术压缩机(表1)中相同的条件，其中不提供间隙控制和密封温度控制。

然而，在达到稳态操作条件之后，流过冷却室29的冷却流体可从密封布置21移除热，从而减小因环形密封部件23的热膨胀导致的径向膨胀。在表2中示出的实例中，假定密封布置21的冷却足够有效以使环形密封部件23的径向膨胀减小至零。因此，环形密封部件23与叶轮进口11E之间的总径向间隙变为0.10 mm，这小于在相同稳态操作条件下的根据现有技术(表1)的压缩机的总径向间隙(0.85mm)。稳态条件下减小的总径向间隙显著地提高压缩机1的总体效率。

以上在此联系叶轮进口的密封布置论述的对密封布置的温度控制的有利效果也可在压缩机1的其他零件中利用，例如以减小平衡鼓13与其周围的密封之间的间隙。在图2的放大图中，例示出作用在平衡转子13上的密封布置41。密封布置41可包括环形密封部件43。环形密封部件43可安装在静止构件上，在该情况下，静止构件示于17A处且为蜗壳17的一部分。可在环形密封部件43与静止构件17A之间提供冷却室45。

例如，冷却室45可形成在环形沟槽43G与环形扩张部17E之间，环形沟槽43G形成在环形密封部件43中，环形扩张部17E设在静止构件17A上。密封件47可围绕沟槽43G提供以密封冷却室或通道45。

在其他实施例中，可在静止构件17A中提供与承座27类似的用于环形密封部件43的承。

在一些实施例中，冷却流体输送管49将冷却流体从冷却流体源(例如示于图3中的风扇37)输送到冷却室45中且穿过冷却室45。可提供与管33类似的冷却流体排放管(未示出)，以用于从冷却室45移除冷却流体。

冷却室45和相关的冷却流体输送布置以与上面联系叶轮进口的密封布置21所公开的完全相同的方式提供环形密封部件43的温度控制。

环形密封部件43的冷却提供对平衡鼓13与静止构件17A之间的间隙的控制，从而进一步促进压缩机1的效率改善。

图5和6例示出压缩机叶轮11的叶轮进口11E的密封布置的另外的实施例。相同的参考标号表示与图3中所示相同或等同的零件。

在压缩机的静止隔板7与叶轮进口11E之间提供密封布置21。在例示出的实施例中，密封布置21包括环形密封部件23。在一些实施例中，环形密封部件23借助于多个成角度地间隔的键25安装在隔板7上，键25可维持环形密封部件23相对于隔板7居中。图5例示出根据径向平面的截面，其显示键25，键25啮合到静止构件7的凹口26中，从而提供密封布置21与静止构件或隔板7之间的居中和扭转联接。

在一些实施例中，隔板7包括承座27，环形密封部件23至少部分地容纳于该承座27中。在环形密封部件23的密封表面23S与承座27之间形成冷却室或冷却通道29。在图5和6所示的实施例中，冷却室形成在环形密封部件23的内侧(见细节图6)。

围绕环形密封部件23提供密封垫片23L，相对于隔板7的相对表面起作用。在图5和6例示出的实施例中，密封垫片布置在设于隔板7承座中的环形沟槽中。在其他实施例中，密封垫片或其他密封器件可布置于在环形密封部件23的侧表面中提供的环形沟槽中。冷却室29由密封垫片23L相对于可旋转地容纳叶轮11的体积密封。

如联系图3描述的，冷却室29与冷却流体源流体地连通。在有利的实施例中，冷却室作为冷却流体回路的一部分布置，以便将冷却流体输送到冷却室中并穿过冷却室且从其移除。在一些实施例中，至少一个冷却流体输送管31与冷却室29流体地连通，且将冷却流体输送到其中。还可提供冷却流体排放管33，其与冷却室29流体地连通，以用于一旦冷却流体已循环穿过冷却室29则移除该冷却流体。

在图5和6所示的实施例中，环形密封部件23具有基本上管状即中空的结构，具有中空截面(图6)。中空结构的一个壁可设有一个或更多个冷却流体入口和出口端口28A和28B，它们与一个或更多个冷却流体输送管31和一个或更多个冷却流体排放管33流体地连通。为了在中空环形密封部件23的内部中形成的冷却室29中的冷却流体的更有效的循环，可在环形密封部件23的空腔中提供隔离壁23P。隔离壁23P可在冷却室29的内侧环形地延伸，并从环形密封部件23的相对的圆柱形壁伸出，以便形成一种迷宫布置，以用于改善的冷却流体循环和增强的热移除。

尽管已在附图中示出，且联系若干示范实施例具体且详细地全面描述了在本文中描述的主旨的公开实施例，但对本领域技术人员而言将是显而易见的是，许多修改、改变、和省略是可能的，而不实质性地脱离在本文中阐述的新颖教导、原则和构思，和在所附权利要求中陈述的主旨的优点。因此，公开的创新的适当的范围应当仅通过所附权利要求的最宽泛的解释来确定，以便涵盖所有这种修改、改变、和省略。各种实施例中的不同特征、结构和仪器可不同地组合。

Claims (15)

1.一种涡轮机，其包括：静止构件；旋转构件，其被旋转地支撑在所述静止构件中；密封布置，其在所述旋转构件与所述静止构件之间；冷却布置，其构造和设计成用于在达到稳态操作条件之后将冷却流体输送到所述密封布置和从其移除热。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述冷却布置包括布置在所述密封布置处的冷却室。

3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中，所述冷却布置还包括至少一个冷却流体输送管，所述至少一个冷却流体输送管与所述冷却室流体地连接，以用于将冷却流体输送到其中。

4.根据权利要求2所述的涡轮机，其中，所述冷却布置还包括至少一个冷却流体排放管，所述至少一个冷却流体排放管与所述冷却室流体地连通，以用于从其移除冷却流体。

5.根据权利要求2所述的涡轮机，其中，所述密封布置包括环形密封部件，所述环形密封部件安装在所述静止构件的承座中。

6.根据权利要求5所述的涡轮机，其中，所述环形密封部件和所述承座能够进行相互的径向位移。

7.根据权利要求5所述的涡轮机，其中，所述冷却室布置在所述密封布置与所述承座之间。

8.根据权利要求5所述的涡轮机，其中，所述冷却室形成在所述环形密封部件中。

9.根据权利要求5所述的涡轮机，其中，密封垫片提供在所述环形密封部件与所述静止构件的承座之间。

10.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述旋转构件包括叶轮。

11.根据权利要求10所述的涡轮机，其中，所述叶轮包括叶轮盘、叶轮护罩、叶轮进口和布置在所述叶轮盘与所述叶轮护罩之间的多个叶片，从而形成多个叶轮导叶；且其中，所述密封布置位于所述叶轮进口周围，以用于相对于所述静止构件密封所述叶轮进口。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机，其中，所述旋转构件包括平衡鼓，且其中，所述密封布置位于所述平衡鼓周围，以用于相对于所述静止构件密封所述平衡鼓。

13.一种用于控制涡轮机中在所述涡轮机的旋转构件和与所述旋转构件协作的密封布置之间的密封间隙的方法；该方法包括从所述密封布置移除热的步骤，以用于在所述涡轮机达到稳态操作条件之后控制所述密封布置的热膨胀。

14.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：

在所述密封布置处提供冷却室；

将冷却流体输送到所述冷却室中并由此从所述密封布置移除热。

15.根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：

在所述密封布置处提供冷却室；

穿过至少一个冷却流体输送管将冷却流体输送到所述冷却室中；

穿过至少一个冷却流体排放管从所述冷却室移除所述冷却流体。