CN108223027A - 用于旋转机器的密封系统 - Google Patents

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Abstract

用于旋转机器(1)的密封系统(10)包括固定部分(15)和可移动部分(16)。固定部分(15)可连接至旋转机器(1)的定子(2)，且可移动部分(16)连接至固定部分(15)且可关于固定部分(15)往复移动。可移动部分(16)与固定部分(15)机械地分离。密封系统(10)包括固持器(17,25)以防止可移动部分(16)与固定部分(15)分开。

Description

用于旋转机器的密封系统
技术领域
本发明涉及用于旋转机器的密封系统。旋转机器在不同示例中可为涡轮(诸如涡轮发动机或蒸汽涡轮的涡轮或压缩机部分)、涡轮发电机或水力发电机；但其他旋转机器也是可能的。
背景技术
下面对涡轮进行参照，其为燃气涡轮发动机的一部分；但清楚的是，密封系统也可应用于如上文举例说明的不同机器。
已知的是燃气涡轮发动机包括压缩机、一个或多个燃烧室以及一个或多个涡轮。涡轮具有定子以及可在定子内旋转的转子。在定子和转子之间限定热气管道，燃烧室中生成的热气经过热气管道。定子承载突出到热气管道中的导叶，且转子承载也突出到热气管道中的叶片。
在操作期间，空气在压缩机中被压缩且引导到燃烧室中，在该处喷射燃料；压缩的空气和燃料在燃烧室中燃烧，从而生成热气，其引导到涡轮中，具体而言穿过热气管道。在经过热气管道时，热气膨胀，且机械功由转子通过叶片收集。
为了获得高效率，热气不应当泄漏通过定子和叶片的末梢之间的热气管道的区域。
然而，在操作期间，涡轮的不同部分可经历热膨胀或收缩；为此，在定子和叶片的末梢之间必须提供相对大的间隙，以便防止叶片干涉定子。此情况会损害燃气涡轮发动机且必须避免。
为了在不同操作条件下将定子和叶片的末梢之间的间隙维持在小尺寸，可提供密封系统。
EP 2971586 A1、US 8932001 B2、US 9255642 B2、US 9359908 B2公开了密封系统，其具有连接至旋转机器的定子的固定部分以及可移动部分；固定部分和可移动部分借助于弹簧元件连接在一起。
该密封系统组装成，其中固定部分在定子面向叶片的末梢的区域中连接至定子，且可移动部分朝叶片的末梢突出，而不接触它们。
在操作期间，定子和叶片的末梢之间的间隙的尺寸变化，例如因为旋转机器在启动时较冷，或因为其在低负载时相比满载时较冷。那些尺寸变化由可移动部分补偿，可移动部分在由经过热气管道的热气生成的压力下径向地移动且搭叠可移动部分。
然而，弹簧元件影响可移动部分的移动且因此影响密封效果，因为弹簧元件的弹性特征具有由相同弹簧元件的几何形状施加的严格设计约束。
此外，制造弹簧元件通常是复杂的。
发明内容
本发明的方面包括提供一种用于旋转机器的密封系统，其具有良好密封能力，因为可避免或减少弹性元件的约束。
本发明的另一方面包括提供一种具有改进的可制造性的密封系统。
通过提供一种包括固定部分和可移动部分的用于旋转机器的密封系统获得这些和进一步的方面，固定部分可连接至旋转机器的定子，且可移动部分联接至固定部分且可关于固定部分往复移动，其特征在于，可移动部分与固定部分机械地分离，且密封系统包括固持器以防止可移动部分与固定部分分开。
附图说明
进一步的特点和优点将从密封系统的优选但非排他的实施例的描述更加清楚，其借助于附图中的非限制性示例示出，在附图中：
图1示出具有本发明的实施例中的密封系统的旋转机器，诸如涡轮；
图2和图3示出本发明的第一实施例中的密封系统；
图4示出本发明的第二实施例中的密封系统；
图5示出图2和图3的密封系统的前视图。
参考标号
1 旋转机器
2 定子
3 转子
5 导叶
6 叶片
8 叶片末梢
10 密封系统
11 热气管道
15 固定部分
16 可移动部分
17 磁体
18 16的表面
19 15的表面
20 副密封件
25 止挡件
26 凹部
27 15的区段
28 16的圆形区段
30 导叶末梢
R 径向方向
L 纵向轴线。
具体实施方式
参照图，这些示出包括定子2和转子3的旋转机器1。旋转机器可为压缩机、涡轮(例如，蒸汽涡轮或燃气涡轮发动机的涡轮部分)；旋转机器也可为涡轮发电机或水力发电机。在下面，产生其中旋转机器为涡轮(其为燃气涡轮发动机的一部分)的示例。
定子2具有导叶5且转子3具有叶片6；导叶5面向转子3且叶片6的末梢8面向定子2。
在定子2和叶片末梢8之间提供了密封系统10。密封系统10可与涡轮的各个级相关联，但清楚的是，密封系统10可仅在一个级处提供或还在多于一个级但并非所有级处提供。
密封系统10连接至定子2且在限定于定子2和转子3之间的热气管道11中突出。
密封系统10包括固定部分15和可移动部分16；固定部分15可连接至(且在图1中，其实际上示出为连接至)旋转机器1的定子2。
可移动部分16联接至固定部分15且可关于固定部分15往复移动。联接意思是，固定部分15和可移动部分16限定一个单元或布置。具体而言，可移动部分16可相对于涡轮纵向轴线L沿径向方向R移动。沿径向方向R的移动允许调整可移动部分16相对于叶片6的末梢8的距离。
可移动部分16与固定部分15机械地分离。
由于没有机械连接(诸如弹性元件)设在固定部分15和可移动部分16之间，可克服在传统密封系统中由机械连接对密封系统10的设计和制造施加的严格约束。因此，可根据热气管道11中主要的流特征来选择和优化密封系统10的几何特征以及用于允许可移动部分16关于固定部分15往复移动的特征。
此外，密封系统10包括例如当涡轮未使用时防止可移动部分16与固定部分15分开的固持器(例如，防止可移动部分落在转子3上)。
固持器可包括一个或多个磁体17。
在一个实施例中，固定部分15或可移动部分16可设有磁体17，在该情况下，磁体17与另一元件中的铁磁材料或铁磁插入件协作(即，在磁体17在固定部分15上的情况下，铁磁材料或插入件在可移动部分16中，且反之亦然)。
在另一实施例中，固定部分15和可移动部分16两者均具有磁体17，使得磁体17一起协作，以确保当涡轮1不在操作中时可移动部分16保持连接至固定部分15。
在进一步的实施例中，固定部分15和/或可移动部分16可具有一个或多个磁体17，以便精确地选择将可移动部分16推向固定部分15的固持磁力。
有利地，磁体可精确地确定大小，以便提供相对于固定部分15拉可移动部分16所需的磁力。相比而言，当使用弹性元件时，考虑到弹性元件必须满足的几何约束，通常很难或完全不可能提供所需的弹性力。
使用磁体因此允许精确地选择相对于密封系统的固定部分拉可移动部分所需的磁力，且/或将该力保持在低强度。因此，由于磁力可精确地选择和计算和/或较低(相比于由掠过可移动部分的热气生成的压力)，其对密封效果的可能的负面影响可抵消。
此外，可移动部分16还可平行于固定部分15移动，即，可移动部分16可沿平行于涡轮1的纵向轴线L的方向移动。在该情况下，有利地，可移动部分16具有布置成靠在固定部分15的对应表面19上的表面18，从而跟随可移动部分16沿平行于固定部分15(即，平行于纵向轴线L)的方向D的移动。
可移动部分16的表面18朝固定部分和定子2延伸；例如该表面18可沿径向方向R延伸；但其他示例是可能的，且例如表面18可与径向方向R成角度。
为了促进可移动部分16的表面18靠在固定部分15的表面19上，固定部分15的表面19平行于可移动部分16的表面18。这有利地抵制穿过密封系统10的热气泄漏，且改进密封效果。
为了进一步改进密封效果，一个或多个副密封件20可设置成防止固定部分15和可移动部分16之间的流通道。
在这方面，图3示出了可移动部分16的表面18以及固定部分15的表面20之间的副密封件20。
除磁体17之外或作为备选，可进一步设有止挡件25，以用于防止固定部分15与可移动部分16分开。
止挡件25可设在固定部分15上和/或可移动部分16上，且插入另一元件的凹部26中(即，如果止挡件25像图4中那样从固定部分15突出，则凹部26在可移动部分16上，且反之亦然)。
在止挡件25和凹部26之间存在间隙或游隙，以允许调整可移动部分16且确保密封效果。
图2示出了其中密封系统10具有磁体17和止挡件25两者作为固持器的示例。止挡件25防止可移动部分16分开以及落在转子3上。磁体17维持密封系统10封闭，即，当涡轮1不在操作中时，磁体17通过磁力维持可移动部分16连接(例如，接近)至固定部分15。在该情况下，止挡件25因此是冗余的且用于增加可靠性。
图4示出其中未提供磁体的示例；在该示例中，止挡件25防止可移动部分16与固定部分15分开(即，当涡轮1不在操作中时，它防止可移动部分16落在转子3上)。
有利地，固定部分15具有圆形形状且包括至少两个区段27(具有相同或不同尺寸)，且可移动部分16包括多个圆形区段28(具有相同或不同尺寸)。图5示出多个圆形区段28，其小于固定部分15的区段27的数目；要清楚的是，固定部分15的区段27以及可移动部分16的圆形区段28的数目可为根据需要的任何数目。
密封系统的操作从描述和示出的那些清楚，且大致为以下。
当涡轮1不在操作中时，可移动部分(且具体而言，其圆形区段28)由固持件(例如，磁体17和/或止挡件25)维持与密封系统10的固定部分15相关联。密封系统10的固定部分15和可移动部分16因此联接在一起作为一个系统，从而防止它们分开。
在涡轮1的操作期间，热气经过导叶5和叶片6且引起转子3旋转。
热气将可移动部分16朝固定部分15推动，且可移动部分16的第一表面18相对于固定部分15的第一表面19推动且靠在其上；这防止固定部分15和可移动部分16之间的热气泄漏。副密封件20改进该密封效果。
此外，叶片6的末梢8和可移动部分16之间的热气泄漏的压力以及可移动部分16和固定部分15或定子2之间的压力之间的平衡将可移动部分保持在离叶片末梢8的紧密距离；当叶片末梢8和定子3之间的间隙的尺寸变化时(例如，因为涡轮的负载中的变化或瞬态操作或启动之后的热膨胀)，该距离由压力自身调整。
由于在涡轮的操作期间可移动部分16不经历机械力(比如弹性力)，改进了密封效果。
此外，组装止挡件或磁体比组装弹性元件容易和快速得多。
密封系统10还可设在导叶5的末梢30处，或在其面向转子的位置处设在定子上(即，并非面向叶片而是转子本身)，或在压缩机导叶处。
当然，描述的特征可彼此独立地提供。例如，所附权利要求中每一项的特征可独立于其他权利要求的特征来独立地应用。
实际上，使用的材料和大小可根据需要和现有技术任意选择。

Claims (14)

1.一种用于旋转机器(1)的密封系统(10)，包括固定部分(15)和可移动部分(16)，所述固定部分(15)可连接至旋转机器(1)的定子(2)，且所述可移动部分(16)联接至所述固定部分(15)且可关于所述固定部分(15)往复移动，其特征在于，所述可移动部分(16)与所述固定部分(15)机械地分离，且所述密封系统(16)包括固持器(17,25)以防止所述可移动部分(16)与所述固定部分(15)分开。
2.根据权利要求1所述的密封系统(10)，其特征在于，所述固持器(17,25)包括至少一个磁体。
3.根据权利要求1所述的密封系统(10)，其特征在于，所述固持器(17,25)包括彼此协作的至少两个磁体，至少一个磁体连接至所述固定部分(15)且至少另一个磁体连接至所述可移动部分(16)。
4.根据权利要求1所述的密封系统(10)，其特征在于，所述可移动部分(16)可平行于所述固定部分(15)移动，且所述可移动部分(16)具有布置成靠在所述固定部分(15)的对应表面(19)上的表面(18)，从而跟随所述可移动部分(16)平行于所述固定部分(15)的移动。
5.根据权利要求1所述的密封系统(10)，其特征在于，所述可移动部分(16)的表面(18)朝所述固定部分(15)延伸。
6.根据权利要求5所述的密封系统(10)，其特征在于，所述固定部分(15)的表面(19)平行于所述可移动部分(16)的表面(18)。
7.根据权利要求1所述的密封系统(10)，其特征在于，所述密封系统(10)包括至少一个副密封件(20)以防止所述固定部分(15)和所述可移动部分(16)之间的流泄漏。
8.根据权利要求4所述的密封系统(10)，其特征在于，所述至少一个副密封件(20)设在所述可移动部分(16)的表面(18)和所述固定部分(15)的表面(19)之间。
9.根据权利要求1所述的密封系统(10)，其特征在于，所述密封系统(10)包括止挡件(25)，从而防止所述固定部分(15)与所述可移动部分(16)分开。
10.根据权利要求1所述的密封系统(10)，其特征在于，所述固定部分(15)具有圆形形状且包括至少两个区段(27)，且所述可移动部分(16)包括多个圆形区段(28)。
11.一种包括定子(2)和转子(3)的旋转机器(1)，所述转子(3)具有叶片(6)，所述叶片(6)的末梢(8)面向所述定子(2)，其特征在于，所述旋转机器(1)包括根据权利要求1所述的密封系统(10)，其连接至所述定子(2)且在所述定子(2)和所述叶片末梢(8)之间。
12.根据权利要求11所述的旋转机器(1)，其特征在于，所述旋转机器(1)为涡轮或压缩机或涡轮发电机或水力发电机。
13.根据权利要求12所述的旋转机器(1)，其特征在于，所述旋转机器(1)为燃气涡轮发动机的一部分。
14.一种涡轮或压缩机导叶，其特征在于，所述导叶包括末梢(30)以及在所述末梢(30)处的根据权利要求1所述的密封系统(10)。
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