CN1127327A - 轴流式燃气轮机排气侧轴密封和冷却的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

轴流式燃气轮机排气侧轴密封和冷却的方法与设备，其中，涡轮转子出口端的轴承设在排气壳体内部，采用迷宫式密封装置和密封套进行密封；为了轴的密封，将压力高于排气通道中排气压力的阻隔空气引入密封套，随后进入排气通道；转子冷却空气取自压气机级，并经导管通过排气侧的轴端供入转子，转子冷却空气漏泄量的一部分，在经过一部分迷宫密封装置后分流出来，并被用作阻隔空气。

Description

轴流式燃气轮机排气侧 轴密封和冷却的方法与设备
本发明涉及一种热力涡轮机，尤其是轴流式燃气轮机排气侧轴密封和冷却的方法与设备。
众所周知，热力涡轮机尤其是轴流式燃气轮机，主要由装有工作叶片的转子和装有导向叶片的静叶环组成，静叶环装在涡轮壳体内。在涡轮壳体上连接着排气壳体，在现代的机器中，排气壳体用法兰连接在涡轮壳体上，并主要由在轮毂侧的环形内部构件和作为排气扩压器边界的环形外部构件组成。内部构件和外部构件用多个沿圆周均匀分布的径向导流肋互相连接。在内部构件里面的空腔中，亦即在扩压器结构本身的里面，设有涡轮转子出口侧的轴承。
现有一些轴的密封装置(迷宫密封装置，密封套)，用于转子通过排气壳体的穿通装置无接触式密封，并将漏泄置减少到恰当的程度。
用防止热排气侵入轴承腔，历来的做法是从压气机某一级抽取压缩空气，经单独的导管通向排气壳体，并作为阻隔空气直接供入在排气侧的密封套中。空气中的一部分经密封装置漏入轴承腔，其余的部分沿着轴盘流入热燃气通道。
若燃气轮机采用了一种具有一排或多排可调导向叶片的压气机，而且在局部负荷范围内这些导向叶片关闭一定的量，那么在阻隔空气抽取点的压力将低于全负荷工作时的压力。为了在任何工作状态下都有足够高的阻隔空气压力，要么必须抽取更高级处的空气，因为在那里始终保持有足够高的压力；要么必须在不同的级之间进行转换。
抽取压气机高级处的空气带来的缺点是，在全负荷时高度压缩的空气在没有功率输出的情况下被“消耗”掉了，这对于燃气轮机的效率起着有害的作用。反之，若在不同的级之间转换，则必然要在压气机上设多个抽气点和转换阀，其结果是提高了成本。
若冷却空气必须通过排气侧的轴端引入转子，则除了阻隔空气外还要在某个压气机级处抽取转子冷却空气，并经由专用导管供往转子。导管与转子的过渡部分要用迷宫密封装置加以密封。迷宫密封装置漏泄的空气到达轴承的周围，并导致加热轴承腔。人们不希望出现这种情况，因为现有的设备、轴承润滑油以及检查的可能性，使轴承的温度受到限制。
除了阻隔空气和转子冷却空气的漏泄之外，轴承腔还由于排气流通过隔热装置或支承结构的热流而被加热。在大多数机器中，轴承腔的冷却采用自然对流。已知的方法也有用冷却空气来冷却轴承腔的，冷却空气经排气扩压器上的孔进入，通过排气壳体的衬套与肋之间的间隙排出。在这种方案的情况下，排气壳体支承结构周围温度不均匀，从而有害地导致产生热应力和/或使轴承不再同心。
本发明力图克服上述所有的缺点。本发明的目的是为热力涡轮机尤其是轴流式燃气轮机，设计一种在排气侧的阻隔和冷却空气系统，这种系统能以低廉的制造和/或运行费用，防止排气进入轴承腔，并只允许有尽可能少的空气漏泄到轴承腔中，从而用比较简单的方法可以使轴承腔保持足够低的温度，排气壳体的支承结构沿圆周具有均匀的温度。
对于一种在热力涡轮机尤其是轴流式燃气轮机排气侧旋转轴与排气壳体之间的轴密封以及转子和轴承腔冷却的方法，在这种热力涡轮机中，涡轮轴出口侧的轴承设在排气壳体结构的内部，采用迷宫式密封装置和密封套进行密封，为了轴的密封，将压力高于排气通道中的排气压力的阻隔空气引入密封套，并紧接着进入排气通道；转子冷却空气取自压气机的一个级，并经导管通过排气侧的轴端供入转子，在这种情况下按本发明为达到上述目的，使转子冷却空气漏泄量的一部分，在经过一部分迷宫密封装置后分流，并被利用来作为阻隔空气，以及外界空气作为冷却空气引入轴承腔，它经过密封套后沿圆周均匀分布，并通过排气扩压器中的通道向外输送。
按本发明为达到上述目的，对于实施上述方法的设备，将迷宫密封装置在从转子冷却空气导管向被冷却转子的排气侧端部过渡处分隔开，在分开处设中间抽气装置，此装置有一根通往密封套的阻隔空气导管；还设有另一根终止于密封套上的导管，此导管用于在轴承腔中起冷却空气作用的外界空气，其中，密封套分成两个同心的环腔，它们分别用于阻隔空气和冷却空气，通过冷却空气环腔上的孔向轴承腔供入冷却空气；以及，轴承腔在上部用一个顶盖和在下部用一块滴油板分割开。
由此可见，本发明的优点是，不再需要在压气机中有单独的阻隔空气抽取点，并因此也不再需要单独的供应阻隔空气的装置；漏入轴承腔中的漏泄空气量最少；以及，支承结构、轴承和刮油器沿圆周得到均匀冷却，所以提高了设备的效率。
尤为有利的是，可通过改变迷宫密封的数量和迷宫密封装置各自的间隙大小，将阻隔空气量和阻隔空气压力调整为最佳值，因为这样一来进入轴承腔的漏泄空气可保持在一个低水平，并因而不会发生不希望的轴承腔加热。
此外，最好在沿导流肋的排气壳体内部构件中，支承结构与隔热装置之间，并最好在导流肋的根部两侧，设置沿轴向延伸的冷却通道，此冷却通道经由位于涡轮侧进口部分的孔与密封套的冷却空气环形通道相连，它的出口部分经由孔与轴承腔相通，并在这些通道中均流过来自冷却空气环形通道的冷却空气。通过在这些通道中有目的地利用冷却空气，从而节省空气量和获得高的导热系数。由于没有流动阻碍，所以在内壳体结构的周围具有稳定的温度。
附图中借助于一台单轴的轴流式燃气轮机表示了本发明的实施例。
其中：
图1燃气轮机排气区纵剖面(概观)图；
图2在燃气轮机排气区内的轴承部分的局部纵剖面；
图3图2中迷宫密封装置与通往转子的转子冷却空气区的局部放大图；
图4在具有中间抽气装置的分开式迷宫密封装置中，质量流量比随密封带数量比与迷宫密封装置间隙尺寸比的变化关系；
图5轴承区的局部纵剖面；以及
图6图5中导流肋所在部位的局部横断面。
图中只表示了那些与理解本发明有关的主要构件。设备的例如燃气轮机进口部分以及整个压气机图中均未表示。工作介质的流动方向在图中用箭头表示。
下面借助于实施例和图1至图6详细说明本发明。
图1表示了一台单轴的轴流式燃气轮机局部纵剖面概略图，其中表示了涡轮机的排气侧和最后一级。
为了能更清楚地了解详细情况，在图2的局部纵剖面中放大表示了排气区中的轴承所在部位，在图3的局部纵剖面中放大表示了迷宫密封装置的所在区。
按图1所示，此轴流式燃气轮机主要由装有工作叶片1的转子2和装有导向叶片3的静叶环4组成，静叶环4挂装在涡轮壳体5内。排气壳体6通过法兰连接在涡轮壳体5上，在排气壳体6中设有多个沿圆周均匀分布的导流肋12。由图2可见，导流肋12包围着支承肋20，在支承肋20周围有隔热装置11。排气扩压器9通过法兰装有排气壳体6上。
转子2出口侧的支承装置(轴承箱14，轴承15)安装在排气壳体内部。轴承腔16在轴承箱14与排气壳体6的环状内部构件7之间延伸，轴承腔16在涡轮侧通过密封套1 8相对于排气通道32密封和通过迷宫密封装置17相对于转子冷却空气密封。
为了冷却转子2，从图中未表示的压气机抽取转子冷却空气R，冷却空气R流过导管19后通过排气区的轴端进入转子2中。导管19来自压气机，通过位于排气区端部的通道8中的一个，在机器轴线延长区内延伸，直至到达排气侧的轴端。在导管19与旋转的转子2之间的间隙21中产生冷却空气的漏泄，按现有技术，漏泄量L全部进入轴承腔16，并到达轴承15的周围。在这一位置通常采用迷宫密封装置17进行密封。
按本发明，如图3所示，迷宫密封装置17现在被分割成密封带数量为n1间隙宽度为s1的迷宫密封装置17.1和密封带数量为n2间隙宽度为s2的迷宫密封装置17.2。在这两个迷宫密封装置17.1和17.2之间，设有阻隔空气S的导管22，此导管22途经轴承箱14通往密封套18。于是，转子冷却空气漏泄量L的一部分用作阻隔空气S。为了使阻隔空气S正好具有所需要的压力，所以在部分密封装置之后提取。通过这样的提取减少了经其余迷宫密封装置的漏泄空气量，所以使空气损失量仅为最低限度，并因而使效率的损失降到最小，对轴承腔周围的加热也只是微不足道的。
显然，本发明并不限于只有唯一的一根阻隔空气导管22的这种结构。最好在围绕着轴承箱的任何可能位置，设置两根或更多根这种导管。
图4作为举例表示了在一种分开式的迷宫密封装置中，质量流量比(转子冷却空气总漏泄L1的质量流量m1与实际上流入轴承腔16中的漏泄空气L2的质量流量m2之比)与密封带数量比(n2/n1)和间隙尺寸比(s1/s2)之间的变化关系。质量流量比m1/m2随n2/n1和s1/s2的增大而增大。阻隔空气S的量(m1-m2)及其压力，可通过改变迷宫密封装置的密封带数量以及改变间隙尺寸而改变。
按本发明技术方案带来的另一个重要优点在于，不需要有从压气机单独供应阻隔空气的装置，也不必为阻隔空气S在压气机中设单独的抽取点。
为了使轴承腔16不会由于漏泄空气以及来自排气流A通过隔热装置11和支承结构10(包括套筒31和支承肋30)传入的热流过多地加热，对轴承腔16进行冷却(见图2)。进入轴承腔16的热量，通过由鼓风机23经一根一直通到密封套18的导管送入的外界空气，沿着在排气扩压器9中的通道8向外输送。
密封套18分成两个同心的环腔25、26，其中，环腔25用于阻隔空气S，环腔26用于轴承腔冷却空气K。空气经密封套18沿圆周均匀分布。
轴承腔16的上部借助于一个在轴承箱14与支承结构10之间基本上平行于支承结构10的顶盖27，而下部借助于一块滴油板28分成两个腔室，此时，通过专门设置在密封套18冷却空气环腔26中的孔29，来确定在轴承腔16的两个部分中所需要的冷却空气量。因此，支承结构10可得到专门的沿圆周均匀的冷却。同时，轴承箱14的圆周和设在顶盖27内部的构件被分别冷却。此时，顶盖27的任务是防止构件和轴承箱14受到热辐射。
同样地，在上部和下部来自冷却空气环腔26的冷空气到刮油器13附近。从而保证只有冷空气才进入轴承15中，在该处应始终保持有一个低的负压。
这种组合式的阻隔-冷却系统具有的优点是，保证可靠散热；能在支承结构、轴承和刮油器周围均匀冷却；通过选择冷却空气环腔中孔的尺寸和数量，可具体地调整冷却空气流量；以及通过使用组合式的密封套，而能降低成本。
显然，本发明并不限于上述实施例。在图5和6中示出了本发明的另一实施方案。除上述实施例之外，在这里还在支承结构10中设置了冷却通道30。这些冷却通道30位于支承肋20的根部，并通过孔29供入来自冷却空气环腔26的空气。冷却通道30最好设在支承肋20根部的两侧，并用来将那些来自排气流的热量在其进入套筒31和内腔之前便耗散掉。
采取这一措施后，在支承肋的根部获得精确的导热系数，它能保证在所有的导流肋12处准确地散热或有均匀的温度。还可得到的另一些优点是，通过目标明确地在冷却通道中使用冷却空气，节省了空气量，并获得高的导热系数。此外，在内部的壳体结构周围具有相同的温度，因为空气在通道中流动，因而没有流动阻碍。

Claims (6)

1.热力涡轮机，尤其是轴流式燃气轮机排气侧的轴密封和冷却的方法，其中，涡轮转子(2)出口端的轴承设在排气壳体的内部，并采用迷宫式密封装置(17)和密封套(18)进行密封，其中，为了轴的密封，将压力高于排气通道(32)中的排气(A)压力的阻隔空气(S)引入密封套(18)，并紧接着进入排气通道(32)；转子冷却空气(R)取自压气机级，并经导管(19)通过排气侧的轴端供入转子(2)，其特征为：转子冷却空气漏泄量的一部分在一部分迷宫密封装置之后被分流出来，并被用作阻隔空气(S)；外界空气作为冷却空气(K)引入轴承腔(16)，它与阻隔空气(S)分开地经过密封套(18)而均匀分布在圆周上，并通过排气扩压器(9)中的通道(8)向外输送。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征为：通过改变迷宫密封装置(17.1，17.2)的密封带数量(n1，n2)以及通过改变迷宫密封装置(17.1，17.2)各自的间隙尺寸(S1，S2)，调整阻隔空气(S)的流量和压力。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征为：从密封套(18)的冷却空气环腔(26)流出的空气用于冷却支承肋(20)。
4.实施按照权利要求1所述方法的设备，其特征为：
-在被冷却转子(2)排气侧端部的迷宫密封装置(17)被分隔开，在分开处至少设置一个中间抽气装置，此装置至少有一根通往密封套(18)的阻隔空气导管(22)，
-还设有另一根终止于密封套(18)上的导管(24)，用于在轴承腔(16)中起冷却空气(K)作用的外界空气，
-密封套(18)分成两个同心的环腔(25，26)，分别用于阻隔空气(S)和冷却空气(K)，冷却空气环腔(26)经由孔(29)与轴承腔(16)相连，以及
-轴承腔(16)在上部用一个顶盖(27)以及在下部用一块滴油板(28)分割开。
5.按照权利要求4所述的设备，其特征为：在排气壳体(6)内部构件(7)中的支承结构(10)与隔热装置(11)之间，沿着支承肋(20)设有沿轴向延伸的冷却通道(30)；此冷却通道(30)在其位于涡轮侧的进口部分经由孔(29)与密封套(18)的冷却空气环腔(26)相连，而在它的出口部分则与轴承腔(16)相通。
6.按照权利要求5所述的设备，其特征为：冷却通道(30)设在支承肋(20)根部的两侧。
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