CN1075157C - 使涡轮机密封泄露最小化的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使工作流体通过涡轮机密封的流体泄露通道(L)泄露最少的方法和装置。本发明可以简述为，利用工作流体的旋转运动，在靠近密封装置密封圈(50)高压P1侧的部分泄露通道中的工作流体中产生低压(PL)区(58)。在密封圈(50)圆周的一点或多点处生成和散发涡流即可达到这一目的。利用在一个或多个齿状段上带有齿状部分，且齿状段的一个或多个后缘部分以同一方向向外延伸的密封圈可以实现这个功能。

Description

使涡轮机密封泄露最小化的方法和装置
发明领域
本发明涉及一种涡轮机的密封。本发明是针对如何使通过涡轮机密封中泄露通道泄露的工作流体最少的问题而做出的。
发明背景
涡轮机是常见的能量转换设备，其特征为旋转部件受到作用力时会旋转。这个作用力通常是将高压工作流体，如过热蒸汽射向径向安装在转子上的一系列叶片阵列而形成的。涡轮机的效率取决于将工作流体的能量转化为旋转部件的旋转动能的能力。因此在旋转部件的周围使用了密封装置将工作流体保持在涡轮机的工作空间内。
涡轮机中使用的密封装置有许多种，如蒸汽密封，压盖密封，迷宫密封，蒸汽填密，涡流导流盘密封，耐压填料。这些密封的基本元件是密封圈。密封圈通常为若干弧形的密封圈段组成的环形结构。密封圈环绕着旋转部件填充了旋转部件和涡轮机壳体或其他外围结构之间的空间。
图1a为涡轮机密封中常用的密封圈段的剖面图。密封圈段2包括装在支撑结构1对应形状的槽中的基础部分3。支撑结构1可以是涡轮机的壳体或是环绕涡轮机旋转部分的另外的结构，也可以是涡轮机旋转部分的一部分。如果密封圈是安装在涡轮机的壳体或是其他的环绕结构中，齿状部分4由基础部分3径向向内朝向涡轮机旋转部分6的径向向外的表面7延伸。旋转部分可能是涡轮机的转子，或是环绕着径向向外安装在转子上的叶片组的环带，还可以是其他旋转部分。径向间隙C将旋转部分6的表面7与齿状部分4边缘5分隔开，防止它们之间的接触。
可能令流体流过密封的通路，被称为泄露通道。在图1a所示的结构中，泄露通道中的工作流体会通过齿状部分4边缘5与旋转部分6的表面7之间的间隙逃逸。流向密封的工作流体具有图中F所示方向的运动分量，还有相对于密封圈的转动运动分量。流过密封齿状部分的流体要受到节流作用，这样就会产生沿流线T的流动。对于给定的位于密封结构涡轮机上游侧部分的工作压力P1，流过密封后的流体压力P2要小于P1。
其他形式的密封圈也是常见的。图1b所示为另外一种形式的密封圈2，弯钩形的基础部分3装在支撑结构1对应形状的槽中。嵌条11嵌在基础部分3中，将密封圈2固定在槽中。
本技术领域的一般技术人员都知道，在涡轮机的密封技术中有四种解决使通过涡轮机密封中泄露通路流体泄露最少的问题的常规方法。第一种方法是尽量减小齿状部分边缘与旋转部分之间的径向间隙。这一方法的有效性是有限的，因为旋转部分在工作时会有热膨胀和瞬间的径向变形。如果齿状部分边缘与旋转部分之间的间隙选择不当，它们之间会出现接触造成齿状部分的磨损从而增大径向间隙。
使流体泄露最少的第二种方法是在旋转部分上设置多个顺序排列的齿状部分。利用多个齿状部分的密封有时也称为压盖密封。图1c为典型的多齿状部分密封的剖面图，一组齿状部分4向旋转部分6的表面7延伸。工作流体沿图中F所标示的方向流过泄露通路。每个齿状部分的约束作用形成了图中流线所示的流动，每个约束作用都导致压力的有效降低。但是每个顺序的约束作用对压力的降低作用逐次减小，因而多个齿状部分的密封不能完全消除泄露。在具体设计中可用的齿状部分的数量也要受到其他因素的限制，如可利用的轴向长度尺寸。
使流体泄露最少的第三种方法是交替变化多齿状部分密封中径向间隙的径向位置。图1d所示为一个例子。在这种结构中设置了对应于旋转部分6的较高部分9和较低部分10的长度交替变化的齿状部分4。图1e所示为具有同样功能的类似的结构，齿状部分4以交替变化的方式径向向内和由旋转部分6向外排列。这种结构使流体泄露最小化的效果比图1b所示的结构要好。但是这种结构的可用性要依旋转部分的结构而定，不是在所有的结构中都可以应用。
法国专利FR-A-365,995披露了一种图1e所示类型的密封。密封的齿状部分带有沟槽或孔道可使流体中夹带的砂粒，金属微粒等物通过密封处而不会损坏齿状部分的顶部。
使流体泄露最少的第四种方法是在密封结构中使密封的齿状部分呈一定角度排布，这一角度至少在一定程度与泄露流动的方向相逆。图1f所示为一个例子。这种结构有时也被称为“人字形”结构，在这种结构中，由旋转部分6和围绕旋转部分6的结构1上延伸出的齿状部分4呈一定角度排布，它们的排布角度在一定程度与图中F所示的工作流体的流动方向相逆。在Fowler的美国专利No.3,897,169中，在叶片组的顶部环带的圆周处采用了这种方法。这种方法还可以与交替变化径向间隙的径向位置的方法结合起来，如图1g所示的结构。但是后一种结构只是在热膨胀很小的情况下才可使用。
涡轮机技术领域的一般技术人员都试图使这四种常规方法的密封泄露最小，在他们的具体密封设计中实现这些方法的优化应用后，他们将会认识到为实现理想的最小泄露所采用的所有方案都是无效的。Sanders所著1988年版的((Turbine Steam Path Engneering for Operation&Maintenace Staff》对涡轮机密封技术有比较清晰的论述，这里引用其内容作为参考。
发明简述
本发明是以这里所提出的结构和方法实施的，这些结构和方法利用已有技术从未有过的方式将涡轮机密封的泄露降低到最小程度。概括地说，可以将实施本发明的结构看作是这样的涡轮机密封，它带有可利用工作流体相对于密封圈的旋转运动，在靠近密封圈高压侧区域的工作流体中产生低压区的装置。产生低压区的装置可以包括一个或多个涡流产生和散发结构。涡流产生和散发结构可以包括自密封圈向密封圈高压侧呈倾斜角度延伸出去的密封圈齿状部分的后缘部分。
实施本发明的另一种结构是这样的密封圈，它带有基础部分、齿状部分和沿靠近齿状部分一侧的流线在工作流体中产生和散发涡流的结构。涡流产生和散发结构可以包括自密封圈向外呈同一角度延伸出去的一个或多个密封圈齿状段的一个或多个后缘部分。
实施本发明的方法可以概述为，利用工作流体相对于密封圈的旋转运动，在靠近密封圈高压侧的泄露通道部分的工作流体中产生低压区。在密封圈圆周上一点或多点上在工作流体中形成并散发涡流即可以达到这一目的。在一个或多个齿状段上带有齿状部分，且齿状段的一个或多个后缘部分以同一方向向外延伸的密封圈可以实现这个功能。
制造实施本发明的结构的方法可以概述为，在一个公共的密封圈段上的齿状部分上做出一个或多个齿状段，再将一个或多个齿状段的一个或多个后缘部分弯曲成至少部分向外延伸。齿状段可以在齿状部分做出间断形成，例如将齿状部分剪开。
对附图的简要说明
通过下面结合附图对本发明的某些优选实施例的描述可对本发明上述的和其他的特点有更清楚地理解，附图包括：
图1a所示为带有已有技术中常见结构密封圈的涡轮机密封；
图1b所示为带有另一种已有技术中常见结构密封圈的涡轮机密封；
图1c所示为已有技术中常见的多个齿状部分的涡轮机密封；
图1d所示为已有技术中常见的高-低齿排列的多个齿状部分的涡轮机密封；
图1e所示为已有技术中常见的多齿状部分涡轮机密封，齿由对置的结构延伸出来，交替排列；
图1f所示为已有技术中常见的多齿状部分的涡轮机密封，齿的角度与泄露流方向相反；
图1g所示为已有技术中常见的多齿状部分的涡轮机密封，齿的角度与泄露流方向相反；
图2所示为本发明用于密封圈段的实施例；以及
图3所示为本发明用于涡轮机叶片组圆周密封的实施例。
图4所示为本发明用于由安装在叶片组的顶部环带上的一组密封圈构成的密封装置的实施例。
对优选实施例的详细描述
根据本发明，相应于本发明的密封圈段可以制成图2所示密封圈段的结构形式。密封圈段可包括基础部分20和自基础部分径向向内延伸的齿状部分22。在另一实施例中，可以使密封圈的齿状部分由基础部分径向向外延伸。
齿状部分22可以制成一个或多个齿状段24。齿状部分的间断27形成了一个或多个齿状段24的一个或多个边缘。每个齿状段都带有边缘，相对于安装密封圈段的涡轮机中工作流体流动方向来说，可将这个边缘看作是后缘。至少一个或多个后缘的一部分由密封圈向外延伸。图2示出了后缘一部分相对于普通密封圈齿状部分的标准位置(图中虚线所示)向外延伸的情形。由于可在流体中产生和散发涡流，每个向外延伸的后缘部分28会起到在靠近密封圈的流体流中形成图中R所示方向的紊流的作用。
根据图3和图4所示分别为本发明的实施例，其利用图2所示的相同结构或等同的结构。
图3为涡轮机的局部剖视图，涡轮机装有涡流导流盘40，涡流导流盘包括环绕一组叶片44的外环42。叶片将工作流体导向安装在旋转轴(图中未示)上的旋转叶片组46。被引导的工作流体大致按F所示的轴向方向流动。部分工作流体会通过L所示的泄露通道绕过旋转叶片组46。为便于说明，假定叶片组正在旋转，图示的上部部分的运动方向为离开纸面朝向读者。
密封圈50可以安装在涡轮机的支撑结构中，并环绕着叶片组46的顶部环带48。密封圈50可以由若干密封圈段组成。密封圈段可包括基础部分52和向内延伸的齿状部分54。密封圈段的齿状部分的安装方式可使通过齿状部分后的流体压力P2小于位于密封结构涡轮机上游侧一级的流体工作压力P1，因而起到阻挡工作流体通过泄露通道L的作用。这样密封圈就具有将涡轮机第一级与工作压力相对较低的相邻的一级分隔开的作用。依据这个作用，对着工作压力较高的涡轮机那一级的密封的一侧可以称为密封的高压侧，对着工作压力较低的涡轮机那一级的密封的一侧就可以称为密封的低压侧。后面的叙述将这样区分密封圈的两侧。
齿状部分54可以制成一个或多个齿状段，如图2所示的结构形式。齿状段边缘56的一部分由密封圈向外朝向密封的高压侧延伸。齿状段向外延伸的边缘在靠近密封圈的泄露通道中的工作流体流中产生了相对于密封圈呈旋转形态的低压区58。低压区形成的原因是工作流体沿靠近密封圈齿状部分流动路径的流动以及与向外延伸的边缘部分相互作用产生了紊流。向外延伸的边缘部分可在工作流体中生成和散发涡流从而产生紊流。因此在靠近密封圈的部分泄露通道中形成了压力为PL的低压区。同在靠近密封圈高压侧区域内的压力与工作压力P1相同的情形相比，这一低压力可减少流体通过密封的泄露。
图4为本发明另一个实施例的涡轮机的局部剖视图，涡轮机包括被顶部环带62环绕的旋转叶片组60。工作流体大致按F所示的轴向方向被引导流向旋转叶片组60。部分工作流体会通过L所示的泄露通道绕过旋转叶片组60。为便于说明，假定叶片组60正在旋转，图示的上部部分的运动方向为朝向纸面离开读者。
密封结构可以由若干个利用嵌条66固定在顶部环带62中的密封圈构成。每个密封圈可以由若干密封圈段组成。每个密封圈可包括基础部分68和齿状部分70。密封圈齿状部分的安装方式可使通过齿状部分后的流体压力P2小于位于密封结构涡轮机上游侧一级的流体工作压力P1，因而起到阻挡工作流体通过泄露通道L的作用。
密封圈65齿状段边缘72的一部分可由密封圈向外朝向密封的高压侧延伸。在图4所示的多齿状部分的实施例中，最好将这样的密封圈安装在密封的高压侧。齿状段向外延伸的边缘在靠近密封圈65的泄露通道中的工作流体流中产生了相对于密封圈呈旋转形态的低压区74。低压区形成的原因是工作流体沿靠近密封圈齿状部分流动路径的流动以及与向外延伸的边缘部分相互作用产生了紊流。向外延伸的边缘部分可在工作流体中生成和散发涡流从而产生紊流。因此在靠近密封圈的部分泄露通道中形成了压力为PL的低压区。同在靠近密封圈高压侧区域内的压力与工作压力P1相同的情形相比，这一低压力可减少流体通过密封的泄露。
尽管可以用来生成和散发涡流的结构有许多种，在确定这些结构的数量时应注意使得在相关的旋转部分中产生的谐振最小。例如，当本发明与叶片组同时应用，在确定生成和散发涡流的结构的数量时，应使生成和散发涡流的结构与叶片的数量之比不是整数。
相应于本发明的密封圈段也可以采用已有技术中常见类型的密封圈段，例如，如图1a和图1b所示的密封圈段。这些密封圈段可包括基础部分和径向向内延伸的齿状部分。密封圈段也可以包括基础部分和径向向外延伸的齿状部分。可以将密封圈段的齿状部分制成一个或多个齿状段，以获得相应于本发明的密封圈段。对此应该注意到，单一齿的齿状段可由密封圈段的齿状部分形成而无须对齿状部分做任何实质的改变。多于一个齿的齿状段可在齿状部分做出一个或多个间断来形成。可将一个或多个齿状段的后缘弯曲，至少使部分后缘由密封圈段向外延伸。每个向外延伸的后缘部分应该向同一方向延伸。可利用剪切力在需要断开的位置处将齿状部分剪开形成齿状部分的间断。密封圈段最好用这种简单易行的方法生产。
尽管前面所述的特定实施例提出了本发明者认为是迄今为止实施本发明最好的结构和方法，本发明还可以有许多不同的实施方式。例如，本发明可用于涡轮机旋转部分的任何部位，如叶片组，转子，或其他部分。本发明还可与任何前面所述的常见密封结构一同使用，包括多齿状部分密封，和多圈密封，还可以与齿状部分径向向内向着旋转部分延伸，或由旋转部分径向向外延伸，或同时具有这两种方式的密封装置同时使用。对于图3所示的密封，产生低压区的装置不必与密封圈制成一体结构，可以做成支撑结构的一部分，或是安装在密封圈上游侧的另外的环形零件。对于图2和图3所示的密封圈结构，应该注意到可以不必将齿状部分间断来形成齿状段，而是使齿状段保持连续的齿状部分同时也设置必要的生成和散发涡流的装置。类似地，应该注意到带有生成和散发涡流装置密封圈可以不必采用图中所示的单一齿的形式，还可以包括多个由单一基础部分延伸出去的多个平行的齿状部分。在不偏离下面权利要求所规定的本发明的范围前提下，本领域的一般技术人员还可以列举出其他的实施方式。

Claims (18)

1．一种密封涡轮机泄露通道的装置，包括：
带有基础部分(52)和齿状部分(54)的密封圈(50)，利用固定密封圈的装置(51)将密封圈与涡轮机旋转部分(46)做同轴安装；其特征在于：
利用工作流体在靠近密封圈高压侧的泄露通道(L)部分相对于密封圈(50)的旋转运动，在靠近密封圈高压侧的泄露通道部分的工作流体中产生低压(PL)区(58)的装置。
2．如权利要求1所述的装置，其特征在于，产生低压区的装置包括一个或多个产生和散发涡流的装置。
3．如权利要求2所述的装置，其特征在于，产生和散发涡流的装置与密封圈是一体的。
4．如权利要求3所述的装置，其特征在于，产生和散发涡流的装置包括密封圈(50)的齿状部分(22,54)，齿状部分包括一个或多个齿状段(24)，至少一个或多个齿状段中的一个或多个的后缘(26,56)的一部分(28)自密封朝密封的高压侧方向向外延伸。
5．如权利要求4所述的装置，其特征在于，齿状部分上的一个或多个间断形成了一个或多个齿状段。
6．如权利要求1所述的装置，其特征在于，安装密封圈的装置(62)固定在旋转部分(60)上。
7．一种用于密封涡轮机泄露通道的装置中的密封圈段，该密封圈段包括：
基础部分(20)；和
由基础部分(20)沿径向延伸的齿状部分(22)，齿状部分(22)包括一个或多个齿状段(24)，至少一个或多个齿状段(24)中的一个或多个的后缘(26)的一部分(28)由密封圈段向外延伸，所有向外延伸的后缘部分应该向同一方向延伸。
8．如权利要求7所述的密封圈段，其特征在于，齿状部分(22)上的一个或多个间断(27)形成了一个或多个齿状段(24)。
9．如权利要求8所述的密封圈段，其特征在于，所述的同一方向是朝向密封圈的高压侧。
10．如权利要求7所述的密封圈段，其特征在于，所述的后缘(26)的部分(28)为远离基础部分(20)的部分。
11．一种限制工作流体通过密封圈(50)和涡轮机旋转部分(46)之间的泄露通道(L)泄露的方法，其特征为：
利用工作流体在靠近密封圈(50)高压侧(P1)的部分泄露通道中相对于密封圈的旋转运动，在靠近密封圈高压侧的部分泄露通道中的工作流体中产生低压区(58)。
12．如权利要求11所述的方法，其特征在于，产生低压区的步骤包括生成和散发涡流。
13．如权利要求11所述的方法，其特征在于，密封圈(50)包括密封圈段，密封圈段包括由基础部分(20)径向向外延伸的齿状部分(22)，齿状部分(22)包括一个或多个齿状段(24)，至少一个或多个齿状段(24)中的一个或多个的后缘(26)的一部分(28)自密封圈段向外延伸，所有向外延伸的部分向同一方向延伸，生成和散发涡流的步骤是由一个或多个齿状段(24)的后缘(26)的一个或多个向外延伸部分(28)实现的。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于，齿状部分(22)上的一个或多个间断(27)形成了一个或多个齿状段(24)。
15．一种制造改进型密封圈段的方法，包括：
制备带有基础部分(20)和由基础部分(20)径向延伸的齿状部分(22)的密封圈段；
在齿状部分(22)上做出一个或多个齿状段(24)；其特征在于：
将一个或多个齿状段(24)中的一个或多个的后缘(26)弯曲，至少使后缘(26)的一部分(28)由密封圈段向外延伸，每个向外延伸的后缘(26)部分向同一方向延伸。
16．如权利要求15所述的方法，其特征在于，在齿状部分(22)上做出的一个或多个间断(27)形成了一个或多个齿状段(24)。
17．如权利要求16所述的方法，其特征在于，利用剪切力将齿状部分(22)剪开形成间断(27)。
18．如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括确定后缘弯曲的齿状段(24)数量的步骤，以使在相关的旋转部分中产生的共振最小。
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