CN112696236A - 一种基于周向相对速度的密封结构 - Google Patents

一种基于周向相对速度的密封结构 Download PDF

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史燕红
王安庆
王峰
黄伟
宋金时
郑磊
张丁凡
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Abstract

本发明涉及一种基于周向相对速度的密封结构，包括封头：所述的封头呈环形，所述的封头的内周面上形成有凸出的环形封齿；封体：所述的封体呈环形，所述的封体的外周面上形成有下凹的环形封槽，所述的封头、封体配合时，所述的封头同轴套设在所述的封体的外侧，所述的封头的封齿插入在所述的封体的封槽内，所述的密封结构还包括叶型组件，所述的叶型组件包括设置在所述的封头一侧端面上的多个第一下凹面、设置在所述的封体封槽内的多个叶片中的至少一种，所述的叶片的叶面朝向一侧。本发明利用工质做周向运动的动能所设计的叶型结构，降低或阻断流过密封结构工质的流量、泄漏量，其工质周向运动速度越高，可利用的周向动能越高，密封性越好。

Description

一种基于周向相对速度的密封结构
技术领域
本发明属于汽轮机领域，具体涉及一种基于周向相对速度的密封结构。
背景技术
在汽轮机的正常运行过程中，由于其内部主轴在穿过汽缸时存在一定的径向间隙，再加上蒸汽压力差的作用，致使其在主轴和隔板之间、汽缸(或隔板套)和动叶顶部之间的间隙处存在级间蒸汽产生自高压端向着低压端的泄漏问题。另外，在汽轮机各缸的两端，同样存在着自高压向低压的蒸汽泄漏状况。正是由于这些问题的存在，降低了汽轮机的各级效率。
汽封是汽轮机结构的重要组成部分，实践证明汽轮机大修过程中，通过汽封间隙调整、改造汽封结构，改善汽轮机通流部分汽封严密性，可明显提升汽轮机相对内效率。为了减少漏汽损失，提高机组的安全和经济性，最近十几年陆续出现了许多新型汽封。传统的迷官汽封是一种非接触式汽封，一般采用齿形结构，包括高低齿、平齿、斜平齿、枞树齿、镶嵌齿等几种典型结构。由于其结构简单、技术成熟安全可靠，目前仍然广泛应用于汽轮机当中，尤其在大型汽轮机中，迷宫汽封仍然是主要的密封形式。
针对传统迷宫汽封可能存在的问题，为确保机组运行的安全性和提高机组效率，国内外开展了新型汽封结构、材料、工艺、理论计算、试验及运行特性的研究，其中研究较广泛的如蜂窝汽封、刷子汽封、接触汽封、可调汽封、涡流汽封等。同时针对旧机组传统汽封的改造热潮也在持续进行，并在降低热耗、提高真空、改善润滑油质量等方面获得一定效果。新型汽封研究和在旧机改造中获得的成功，某些新型汽封如蜂窝汽封刷子汽封等已在新机组上使用。
汽封的作用就是尽可能减少蒸汽通过汽轮机内部的动、静构件间隙，绕过通流，从相对高压力的区域流至相对低压力的区域。汽轮机汽封入口附近及其内部结构中的蒸汽流动并不是单纯的轴向流动，实际的流动情况比较复杂，轴向、周向、径向都存在一定的流动速度，且汽封结构内存在涡流。当前的汽封技术主要通过减小汽封片与汽封槽之间的间隙、增强汽封内的轴向涡流，来达到阻流和减缓轴向流动速度的目的，利用蒸汽周向运动速度的技术较少，个别文献曾用于增强汽封结构内部蒸汽流动的周向涡流。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于周向相对速度的密封结构。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于周向相对速度的密封结构，包括：
封头：所述的封头呈环形，所述的封头的内周面上形成有凸出的环形封齿；
封体：所述的封体呈环形，所述的封体的外周面上形成有下凹的环形封槽，
所述的封头、封体配合时，所述的封头同轴套设在所述的封体的外侧，所述的封头的封齿插入在所述的封体的封槽内，
所述的密封结构还包括叶型组件，所述的叶型组件包括设置在所述的封头一侧端面上的多个第一下凹面、设置在所述的封体封槽内的多个叶片中的至少一种，所述的叶片的叶面朝向一侧。
优选地，所述的封头的封齿、所述的封体的封槽均设置有多个，每个所述的封头的封齿插入在一个所述的封体的封槽内。
优选地，所述的叶型组件包括还包括设置在所述的封头封齿一侧侧面上的多个第二下凹面。
进一步优选地，多个所述的第二下凹面均布所述的封头封齿侧面一周。
优选地，所述的叶片相对所述的封槽的延伸方向倾斜设置。
优选地，多个所述的叶片均布所述的封体封槽的一周。
优选地，多个所述的第一下凹面均布所述的封头端面一周。
优选地，所述的密封结构为汽封结构、轴封结构、水封结构、油封结构。密封结构适用于汽轮机内部的汽封结构、轴封结构，根据汽封结构、轴封结构的当地结构和蒸汽参数，设计特定的叶型组件，设置在封头端面或者封体封槽内的迎风方向，安装后能够降低或阻断汽封结构、轴封结构的蒸汽泄漏流量，极大地提高汽封结构、轴封结构的密封性能，提高汽轮机效率；同样适用于相似的、可利用介质周向运动的密封结构，如水泵的水封结构、油档的油封结构等。
进一步优选地，所述的汽封结构为叶顶汽封、过桥汽封、隔板汽封。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明利用工质做周向运动的动能所设计的叶型结构，降低或阻断流过密封结构工质的流量、泄漏量，其工质周向运动速度越高，可利用的周向动能越高，密封性越好。
附图说明
附图1为现有技术叶顶汽封的结构示意图；
附图2为实施例一的结构示意图；
附图3为实施例二的结构示意图；
附图4为实施例二中封体的结构示意图；
附图5为实施例三的结构示意图；
附图6为实施例三种封头的结构示意图。
其中：1、封头；10、封齿；100、第二下凹面；11、第一下凹面；2、封体；20、封槽；21、叶片。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例以简化的叶顶汽封为例，包括封头1、封体2。其中：
如图1所示：封头1、封体2呈环形，封头1的内周面上形成有凸出的环形封齿10，封体2的外周面上形成有下凹的环形封槽20，封头1、封体2配合时，封头1同轴套设在封体2的外侧，封头1的封齿10、封体2的封槽20均设置有多个，每个封头1的封齿10插入在一个封体2的封槽20内。封头1安装于内缸内壁，相对于汽轮机外壳处于静止状态，封体2安装于动叶叶顶，随转子逆时针运动。
蒸汽由叶顶汽封的迎风面进入汽封体，通过汽封结构内狭窄的通道流向背风面，同时蒸汽流过汽封结构的过程中，既有沿轴向运动的速度，也有周向运动的速度，汽封结构入口处蒸汽的轴向初始角速度基本与转子运行的角速度相当，而转子运行的角速度为100π/s(以3000r/min的汽轮机为例)，若按该处汽封结构通道的平均直径1m计算，进入汽封结构的蒸汽初始周向线速度为157.1m/s，该周向运动的蒸汽可利用的极限压力为蒸汽周向运动的滞止压力，计算公式为：
Figure BDA0002770353190000041
其中：
pc,s——蒸汽周向流动滞止分压力，MPa；
ρ——蒸汽密度，kg/m3；
v——蒸汽周向流动线速度，m/s。
蒸汽周向分动压计算如表1所示。进入汽封体后周向速度逐步衰减。由表1所示，泄漏进封槽20的蒸汽可利用的周向分动压与单个封槽20的压降基本具有一定的可比性，因此，具有利用蒸汽周向速度的前提条件。
表1各参数下，直径1m处蒸汽周向分动压计算(单位MPa)：
Figure BDA0002770353190000042
本实施例利用蒸汽流动的周向相对速度，通过在动、静部分设置叶型组件，使得蒸汽流过叶型组件后，获得一定的轴向反向流动的能力，并与主流方向的蒸汽融合，降低主流蒸汽流量。
实施例一(迎风面)：
如图2所示：叶型组件包括设置在封头1迎风面一侧端面上的多个叶形第一下凹面11，多个第一下凹面11均布封头1端面一周。在汽封结构的迎风面处，周向速度方向均匀布置第一下凹面11，利用蒸汽周向速度，使得蒸汽离开第一下凹面11后的流向获得改变，并能够减缓主流方向的蒸汽流量。
实施例二(主动式封槽叶片)：
如图3、4所示：叶型组件包括设置在封体2的封槽20内的多个叶片21，叶片21的叶面朝向迎风侧，且叶片21相对封槽20的延伸方向倾斜设置，多个叶片21均布封体2的封槽20的一周。本实施例利用转轴的旋转带动叶片21随封体2作周向运动，使得叶片21之间出口的蒸汽获得反向流动的速度，以抵消部分汽封结构内主流方向的蒸汽流量。可以根据当地蒸汽参数(或工质参数)，通过控制动叶顶部封槽20内的叶片21的叶型、数量、等效直径等参数，获得相对匹配的结构参数。
实施例三(被动式封头凹面)：
如图5、6所示：叶型组件包括设置在封头1迎风面一侧端面上的多个叶形第一下凹面11、设置在封头1的封齿10迎风侧侧面上的多个第二下凹面100，多个第一下凹面11均布封头1端面一周，多个第二下凹面100均布封头1的封齿10侧面一周。本实施例利用封头1，利用进入汽封结构的蒸汽周向流动速度，使得周向流过叶形凹面的封头1时，改变流向和流速，以抵消部分汽封结构内主流方向的蒸汽流量，被动降低流过汽封结构的蒸汽流量。
叶顶汽封、隔板汽封、过桥汽封、轴封结构等都可以根据具体蒸汽流动的轴向速度、周向速度、当地的压力、温度设置独特的叶型组件，利用流过汽封结构蒸汽的周向速度和封槽的转动，减少或者阻断流过汽封体的蒸汽流量，从而充分利用汽封结构内蒸汽的周向速度，降低机械能的损失。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于周向相对速度的密封结构，包括：
封头：所述的封头呈环形，所述的封头的内周面上形成有凸出的环形封齿；
封体：所述的封体呈环形，所述的封体的外周面上形成有下凹的环形封槽，
所述的封头、封体配合时，所述的封头同轴套设在所述的封体的外侧，所述的封头的封齿插入在所述的封体的封槽内，
其特征在于：所述的密封结构还包括叶型组件，所述的叶型组件包括设置在所述的封头一侧端面上的多个第一下凹面、设置在所述的封体封槽内的多个叶片中的至少一种，所述的叶片的叶面朝向一侧。
2.根据权利要求1所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：所述的封头的封齿、所述的封体的封槽均设置有多个，每个所述的封头的封齿插入在一个所述的封体的封槽内。
3.根据权利要求1或2所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：所述的叶型组件包括还包括设置在所述的封头封齿一侧侧面上的多个第二下凹面。
4.根据权利要求3所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：多个所述的第二下凹面均布所述的封头封齿侧面一周。
5.根据权利要求1或2所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：多个所述的叶片均布所述的封体封槽的一周。
6.根据权利要求1所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：所述的叶片相对所述的封槽的延伸方向倾斜设置。
7.根据权利要求1所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：多个所述的第一下凹面均布所述的封头端面一周。
8.根据权利要求1所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：所述的密封结构为汽封结构、轴封结构、水封结构、油封结构。
9.根据权利要求1所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：所述的密封结构为汽轮机内的汽封结构、轴封结构。
10.根据权利要求8或9所述的基于周向相对速度的密封结构，其特征在于：所述的汽封结构为叶顶汽封、过桥汽封、隔板汽封。
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