CN112610335B - 一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构 - Google Patents

一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构，涉及燃气轮机技术领域，该密封结构包括静叶(1)、级间封严环(3)、蜂窝密封(6)、轮盘(9)、轮盘密封伸出翼(13)、静叶内围带(24)、静叶内围带外伸端(15)、通气孔(16)、弹簧构件(17)、T型槽(18)、轴向限位螺栓(20)和轴向限位槽(21)，所述通气孔(16)位于所述静叶内围带外伸端(15)内部，贯通静叶内围带外伸端(15)。本发明的密封结构简单易操作，能够避免蜂窝密封的磨损，进而降低了成本，同时简化了密封气流通路径，增加了运行的安全性。

Description

一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构。
背景技术
在燃气轮机中，转子轮盘工作温度较高，如果不对其温度加以控制，其过高的温度会导致强度的下降，进而影响机组的安全运行。通常的做法是引入冷却空气对轮盘进行冷却，冷却空气一般会从静叶外围带处的供气腔供气，气体流过静叶内部通道后，进入静叶内围带与级间封严环组成的供气腔室，最后通过上、下游的密封齿后分别对上、下游轮盘进行冷却，最终，冷却过轮盘后的气体会通过动静间隙汇入主流，对动静间隙起到封严，防止高温燃气侵入盘腔，对轮盘造成烧蚀。目前为止，现有技术常采用蜂窝密封与密封齿相互配合的方式，为防止机组启停时，密封齿与蜂窝之间的间隙变化、保护转子密封齿，蜂窝设计成可磨，且转子密封齿齿顶厚度较厚，这在一定程度上避免了转子密封齿的磨损，但是也无法完全避免，大修时无法更换转子密封齿，只能更换蜂窝密封，进而增加了维护成本，且齿顶厚度越厚，密封齿的节流效应越差，同样的压降要求下则需要更多的密封齿，而轮盘密封外伸端的轴向长度是有限制的。另外，随着机组运行年限的增加，虽然大修时对蜂窝密封会进行更换，但是转子密封齿的磨损无法完成修补，因此密封性能会有一定程度的下降，导致机组性能逐年变差。
中国专利CN204783128U公开了一种燃气轮机用封严结构，包括封严环，封严环上开有限位孔，限位孔上设有弹性密封装置，弹性密封装置包括固定件、弹簧和压紧销，固定件的下端可拆卸的连接于限位孔内，固定件底部设有空腔；压紧销包括限位部，以及与限位部连接的固定部，限位部设置于空腔内，固定部的一端从空腔底部伸出，并紧压于限位孔的底面上；弹簧设置于限位部与空腔的顶面之间的空间内。该封严结构解决了现有技术结构复杂、维修不便的问题。但该专利没有轴向限位，封严环与其安装槽之间会存在间隙，存在泄漏的风险。
中国专利CN111237017A公开了一种燃气轮机级间封严散热结构，主要包括：封严环、静叶内围带、上、下游盘腔、供气腔、轴向孔、封严端；所述供气腔由所述封严环与所述静叶内围带围成，冷气通过所述供气腔上、下游端面分布的所述轴向孔进入所述上、下游盘腔，并对轮盘进行冷却，之后通过所述封严端汇入外部燃气，阻止高温燃气进入盘腔。但该专利中运行中动静的硬接触极易损坏密封结构。
针对现有技术的燃气轮机涡轮盘腔密封结构存在的结构复杂、易磨损、密封性差等各类问题，应寻找一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构，使得该结构简单易操作的同时，能够保证密封性能，同时达到避免结构磨损、降低成本的目的。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构，该结构简单易操作，能够在降低成本的同时保证密封性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方法如下：
本发明提供了一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构，包括静叶、级间封严环、蜂窝密封、轮盘密封伸出翼、静叶内围带、静叶内围带外伸端、通气孔、弹簧构件、T型槽、轴向限位螺栓和轴向限位槽，所述通气孔位于所述静叶内围带外伸端内部，贯通静叶内围带外伸端。
进一步地，在一些具体的实施方式中，所述燃气轮机涡轮盘腔密封结构还包括静叶外围带。
其中，蜂窝密封由密封体和蜂窝带构成的配件，主要作用是阻止燃气轮机高速运转轴系的工作介质、润滑介质或冷却介质的内外泄漏，以利于提高流体机械的效率、节约能源、保护环境和实现安全稳定的运行。
进一步地，所述通气孔上半部分垂直设置，下半部分倾斜设置，静叶为空心叶片或实心叶片，若静叶为空心叶片，则通气孔的上半部分的孔口位于静叶叶片内部，若静叶为实心叶片，则通气孔的上半部分需要贯通静叶片，孔口位于静叶外围带外侧，通气孔下半部分的开孔朝向轮盘；通气孔的下半部分与通气孔上半部分形成0-90°倾角。通气孔倾斜设置的作用是形成对轮盘的冲击冷却，通气孔可以是后期加工完成，也可以与静叶一起通过铸造完成。在静叶内围带外伸端厚度满足要求的情况下，通气孔也可以直接做成倾斜的。通气孔的开孔孔口处位于静叶叶片，通常每只静叶对应一或两个孔。
进一步地，所述静叶内围带外伸端与所述级间封严环通过螺栓连接。静叶内围带外伸端与静叶为一体结构。
进一步地，所述T型槽位于所述级间封严环底部。
进一步地，所述弹簧构件包括弹簧和衬套，所述弹簧位于所述衬套内。
进一步地，所述蜂窝密封的上端呈T型，嵌套在所述级间封严环的T型槽内。
进一步地，所述蜂窝密封上端设有径向孔，所述弹簧构件在周向上均布安装在所述蜂窝密封的径向孔中。弹簧构件的弹簧衬套上设置开口，衬套与径向孔间存在微过盈，防止弹簧掉出。
进一步地，所述弹簧构件的上端与所述级间封严环相连，所述弹簧构件的下端与所述蜂窝密封相连。另外，弹簧构件可以替换为波浪形弹性片或折扇形弹性片，采用弹性片时，蜂窝密封上端不需设置径向孔，即将弹性片直接嵌套在蜂窝密封上端T型结构与封严环T型槽之间空隙内，上端与级间封严环相连，同样能起到蜂窝密封自适应的效果。
进一步地，所述静叶内围带外伸端、级间封严环、蜂窝密封、轮盘与轮盘密封伸出翼之间配合形成下游动静盘腔和上游动静盘腔B。其中，空气通过所述静叶内围带外伸端内部的通气孔进入上游静盘腔B。
进一步地，所述密封结构还包括位于轮盘密封伸出翼上表面的密封齿。蜂窝密封的左端面加工有轴向限位槽，轴向限位螺栓位于级间封严环底端，与轴向限位槽处于同一水平面，轴向限位槽与轴向限位螺栓配合使蜂窝密封轴向密封面与级间封严环轴向密封面贴近，实现轴向密封。轴向限位螺栓顶部面、轴向限位槽底部面、蜂窝密封轴向密封面及级间封严环轴向密封面加工成光滑面，以便蜂窝密封在受力时可以上下滑动。
本发明所取得的技术效果是：
1.本发明增加了级间封严环静子面蜂窝密封的自适应结构，避免运行中动静的硬接触，减小动静碰磨时对蜂窝密封的损伤；其次，增加静叶内围带外伸端，并加工通气孔，通过通气孔控制进入上游盘腔的气量。另外，简化了级间封严环结构，封严环通过螺栓固定在静叶内围带伸出端上；去除轮盘伸出端，简化了密封气流通路径；
2.本发明的密封结构简单易操作，蜂窝密封自适应结构通过弹簧来实现，当出现动静接触时，蜂窝密封会被密封齿顶起，而不是硬接触，减弱了对蜂窝密封的损伤，轴向限位槽、轴向限位螺栓设置与T形槽、蜂窝密封相互配合，保证密封效果的同时能够实现自适应调整，自适应的蜂窝密封可延长使用年限，降低大修成本。轮盘去除伸出端后，解决了轮盘的强度风险点，增加了运行的安全性。
附图说明
图1为现有技术的密封结构示意图；
图2为本发明的密封结构示意图(空心叶片)；
图3为蜂窝密封结构局部放大图；
图4为本发明的密封结构示意图(实心叶片)；
图5为本发明密封结构中弹簧构件详图；
图6为本发明密封结构中弹簧构件在周向的分布图；
图7为波浪形弹性片结构；
图8为折扇形弹性片结构；
图9为波浪形弹性片装配详图；
图中，1-静叶；2-级间封严环供气腔；3-级间封严环；4-下游动静盘腔；5-上游动静盘腔A；6-蜂窝密封；7-上游动静盘腔B；8-密封板；9-轮盘；10-单齿密封；12-密封齿；13-轮盘密封伸出翼；14-轮盘外伸端；15-静叶内围带外伸端；16-通气孔；17-弹簧构件；18-T型槽；19-螺栓；20-轴向限位螺栓；21-轴向限位槽；22-蜂窝密封T型结构轴向密封面；23-级间封严环T型槽轴向密封面；24—静叶内围带；25—静叶外围带。
具体实施方式
实施例1
图1为现有技术的密封结构示意图，包括静叶1、级间封严环3、蜂窝密封6、密封齿12、轮盘密封伸出翼13、密封板8、轮盘9、单齿密封10和轮盘外伸端14；其中，单齿密封为一种单一齿形的密封配件。
蜂窝密封6位于级间封严环3下表面；密封齿位于轮盘密封伸出翼13上表面。另外，轮盘9向外延伸形成轮盘密封外伸端13。级间封严环3、密封板8与静叶1之间配合形成级间封严环供气腔2。单齿密封10位于级间封严环3上，与轮盘外伸端14配合实现密封。
轮盘9、密封板8、级间封严环3与静叶内围带外伸端15之间配合形成上游动静盘腔B 7；轮盘9、轮盘外伸端14、轮盘密封伸出翼13与级间封严环3配合形成上游动静盘腔A 5；级间封严环3、轮盘9与静叶内围带外伸端15配合形成下游动静盘腔4。
密封的作用是维持盘腔之间合适的压差，使得适量的冷却空气进入上游动静盘腔B 7、下游动静盘腔4，实现轮盘9的冷却及盘腔的封严，过多的冷却空气会造成机组效率降低，过少的冷却空气会使轮盘9壁面超温，甚至高温燃气侵入盘腔，造成轮盘9烧蚀，上游动静盘腔A 5与下游动静盘腔4之间压差通过密封间隙及密封齿12的数量来控制，因此密封性能是下游动静盘腔4冷却及封严的关键。另外密封空气通过上游单齿密封10后进入上游动静盘腔B7，对轮盘9壁面冷却，并封严上游动静间隙，上游气量的控制通过单齿与轮盘伸出端配合来实现。
但上述结构存在的问题是，机组启停时，密封齿12与蜂窝密封6之间的间隙会有变化，为了保护转子密封齿12，蜂窝设计成可磨，且转子密封齿12齿顶厚度较厚，这在一定程度上避免了转子密封齿的磨损，但对蜂窝密封6损伤较大，大修时更换蜂窝密封6，由于蜂窝密封6加工工艺复杂，价格高昂，因此会使机组维护成本升高。运行中一旦出现硬接触，会对蜂窝密封6造成不可逆的损伤，密封性能会有一定程度的下降，导致机组性能变差。轮盘9上与单齿密封10配合的轮盘外伸端14会存在应力集中的风险，增加轮盘9强度风险。级间封严环3结构复杂，其上密封板8安装困难，费时费力，由于要保证静子件与转子的同轴，级间封严环3的加工、安装精度要求高。
本发明提供的一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构，如图2以及图4所示，包括静叶1、级间封严环3、蜂窝密封6、轮盘9、轮盘密封伸出翼13、静叶内围带24、静叶内围带外伸端15、通气孔16、弹簧构件17、T型槽18、轴向限位螺栓20和轴向限位槽21，通气孔16位于静叶内围带外伸端15内部，贯通静叶内围带外伸端15。其中，蜂窝密封6由密封体和蜂窝带构成的配件，主要作用是阻止燃气轮机高速运转轴系的工作介质、润滑介质或冷却介质的内外泄漏，以利于提高流体机械的效率、节约能源、保护环境和实现安全稳定的运行。
通气孔16上半部分垂直设置，下半部分倾斜设置，静叶为空心叶片(如图2所示)或实心叶片(如图4所示)，若静叶为空心叶片，则通气孔16的上半部分的孔口位于静叶1叶片内部，若静叶1为实心叶片，则通气孔16的上半部分需要贯通静叶片，孔口位于静叶1外围带25外侧，通气孔16下半部分的开孔朝向轮盘9；通气孔16的下半部分与通气孔16上半部分形成0-90°倾角。
静叶内围带外伸端15与级间封严环3通过螺栓19连接。静叶内围带外伸端15、级间封严环3、蜂窝密封6、轮盘9与轮盘密封伸出翼13之间配合形成下游动静盘腔4和上游动静盘腔B 7。空气通过静叶内围带外伸端15内部的通气孔16进入上游静盘腔B 7。
如图2-5所示，本发明中，T型槽18位于级间封严环3底部。弹簧构件17包括弹簧和衬套，弹簧位于衬套内。蜂窝密封6的上端呈T型，嵌套在级间封严环3的T型槽18内。蜂窝密封6上端设有径向孔，弹簧构件17在周向上均布安装在蜂窝密封6的径向孔中，弹簧构件的弹簧衬套上设置开口，衬套与径向孔间存在微过盈，防止弹簧掉出，具体如图6所示。弹簧构件17的上端与级间封严环3相连，弹簧构件17的下端与蜂窝密封6相连。另外，如图7-8所示，弹簧构件17可以替换为波浪形弹性片或折扇形弹性片，采用弹性片时，蜂窝密封6上端不需设置径向孔，即将弹性片装在蜂窝密封6上端T型结构与封严环T型槽之间空隙内，上端与级间封严环3相连，下端与蜂窝密封6上端T型结构上端相连，如图9所示，同样能起到蜂窝密封6自适应的效果。另外，蜂窝密封6的左端面加工有轴向限位槽21，轴向限位螺栓20位于级间封严环3底端，与轴向限位槽20处于同一水平面，轴向限位槽21与轴向限位螺栓20配合使蜂窝密封轴向密封面23与级间封严环轴向密封面22贴近，实现轴向密封。轴向限位螺20栓顶部面、轴向限位槽21底部面、蜂窝密封轴向密封面23及级间封严环轴向密封面22加工成光滑面，以便蜂窝密封6在受力时可以上下滑动。此外，该密封结构还包括位于轮盘密封伸出翼13上表面的密封齿12。
本发明的上述密封结构相比于现有技术，增加了级间封严环静子面蜂窝密封的自适应结构，避免运行中动静的硬接触，减小动静碰磨时对蜂窝密封的损伤；其次，增加静叶内围带外伸端，并加工通气孔，通过通气孔控制进入上游盘腔的气量。另外，简化了级间封严环结构，封严环通过螺栓固定在静叶内围带伸出端上；去除轮盘密封外伸端，简化了密封气流通路径。
最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方法，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方法进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方法的实质和范围。

Claims (9)

1.一种燃气轮机涡轮盘腔密封结构，其特征在于：包括静叶(1)、级间封严环(3)、蜂窝密封(6)、轮盘(9)、轮盘密封伸出翼(13)、静叶内围带(24)、静叶内围带外伸端(15)、通气孔(16)、弹簧构件(17)、T型槽(18)、轴向限位螺栓(20)和轴向限位槽(21)，所述蜂窝密封(6)的左端面加工有轴向限位槽(21)，轴向限位螺栓(20)位于级间封严环(3)底端，与轴向限位槽(20)处于同一水平面，轴向限位槽(21)与轴向限位螺栓(20)配合使蜂窝密封轴向密封面(23)与级间封严环轴向密封面(22)贴近，实现轴向密封；所述通气孔(16)位于所述静叶内围带外伸端(15)内部，贯通静叶内围带外伸端(15)。
2.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：静叶(1)为空心叶片或实心叶片，所述通气孔(16)的上半部分垂直设置，下半部分倾斜设置，若静叶(1)为空心叶片，则通气孔(16)的上半部分的孔口位于静叶(1)叶片内部，若静叶(1)为实心叶片，则通气孔(16)的上半部分要贯通静叶(1)，孔口位于静叶(1)的外围带(25)外侧，通气孔(16)下半部分的开孔朝向轮盘(9)。
3.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述静叶内围带外伸端(15)与所述级间封严环(3)通过螺栓(19)连接。
4.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述T型槽(18)位于所述级间封严环(3)底部。
5.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述弹簧构件(17)包括弹簧和衬套，所述弹簧位于所述衬套内。
6.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述蜂窝密封(6)的上端呈T型，嵌套在所述级间封严环(3)的T型槽(18)内。
7.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述蜂窝密封(6)上端设有径向孔，所述弹簧构件(17)在周向上均布安装在所述蜂窝密封(6)的径向孔中。
8.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述弹簧构件(17)的上端与所述级间封严环(3)相连，所述弹簧构件(17)的下端与所述蜂窝密封(6)相连。
9.根据权利要求1所述的密封结构，其特征在于：所述静叶内围带外伸端(15)、级间封严环(3)、蜂窝密封(6)、轮盘(9)与轮盘密封伸出翼(13)之间配合形成下游动静盘腔(4)和上游动静盘腔B(7)。
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