CN114033503A - 汽轮机叶顶间隙的密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽轮机叶顶间隙的密封结构，包括转子、叶片和罩设在叶片的外部的机匣；叶片的叶冠的外周面与机匣的内周面之间留有环形间隙，机匣的内周面沿转子的轴向间隔设置有第一密封齿组；叶冠的外周面沿转子的轴向间隔设置有第二密封齿组；环形间隙内沿转子的轴向间隔设置有第三密封齿组，第三密封齿组的一端与第一密封齿组铰接，另一端延伸至靠近第二密封齿组的一侧；第三密封齿组的延伸端具有指向第二密封齿组的齿顶的第一状态，和用于在蒸汽的冲击下摆动至指向第二密封齿组的齿根的第二状态。本发明提供的汽轮机叶顶间隙的密封结构，可在保整转子平稳运转的同时提高叶顶的密封性能。

Description

汽轮机叶顶间隙的密封结构

技术领域

本发明属于旋转机械密封技术领域，更具体地说，是涉及一种汽轮机叶顶间隙的密封结构。

背景技术

汽轮机是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械。来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和转动叶片，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。为了防止汽轮机工作时转子与静子摩擦造成部件损坏，汽轮机在被设计制造时，其转动叶片的叶顶和机匣的汽缸壁之间会留有间隙。然而，转动叶片的压力面与吸力面之间存在一定的压差，在压差的作用下，部分流体会从高压侧通过间隙流入低压侧，从而造成泄漏损失。而叶顶与机匣之间的间隙泄漏流会对通道主流造成阻碍，从而增加气动损失，影响汽轮机效率。此外，间隙泄漏还会加剧叶片换热的复杂性，缩短叶片寿命。

现有技术中，通常采取例如减小射流系数、叶片吸力面速度，或者通过增大叶片栅距与弦长比、叶片压力面速度等方式来降低泄露损失。传统的叶冠篦齿密封结构是在机匣或者叶冠上加装单侧密封齿，其密封效果有限，无法在保证转子运动平稳状态下提高叶顶的密封性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽轮机叶顶间隙的密封结构，旨在解决如何在保证转子运动平稳状态下，提高叶顶的密封性能的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种汽轮机叶顶间隙的密封结构，包括：转子、沿所述转子的周向间隔设置的多组叶片，以及罩设在所述叶片的外部的机匣；所述叶片的叶冠的外周面与所述机匣的内周面之间留有环形间隙，

所述机匣的内周面沿所述转子的轴向间隔设置有第一密封齿组；

所述叶冠的外周面沿所述转子的轴向间隔设置有第二密封齿组；

所述环形间隙内沿所述转子的轴向间隔设置有第三密封齿组；所述第三密封齿组的一端与所述第一密封齿组铰接，另一端延伸至靠近所述第二密封齿组的一侧；

所述第三密封齿组的延伸端具有指向所述第二密封齿组的齿顶的第一状态，和用于在蒸汽的冲击下摆动至指向所述第二密封齿组的齿根的第二状态。

在一种可能的实现方式中，所述第二密封齿组的齿顶上设置有环形的安装槽，所述第三密封齿组的铰接端设于所护安装槽内；所述安装槽的两个侧壁沿所述蒸汽在所述环形间隙内的流动方向上间隔设置；

所述第三密封齿组摆动至与所述安装槽靠近所述蒸汽进入所述环形间隙一端的侧壁相抵接时，所述第三密封齿组处于所述第一状态；所述第三密封齿组摆动至与所述安装槽远离所述蒸汽进入所述环形间隙一端的侧壁相抵接时，所述第三密封齿组处于所述第二状态。

一些实施例中，所述第二密封齿组的齿顶和所述第一密封齿组的齿顶相对设置，所述安装槽设于所述第一密封齿组的齿顶上远离所述蒸汽进入端的一端。

一些实施例中，所述第二密封齿组的齿顶和所述第一密封齿组的齿顶交错设置，所述安装槽设于所述第一密封齿组的齿顶上靠近所述蒸汽进入端的一端。

在一种可能的实现方式中，所述第二密封齿组的齿顶上远离所述第三密封齿组的铰接端的一端设置有弹性件，所述弹性件与所述第三密封齿组的延伸端固定连接。

一些实施例中，所述弹性件沿所述转子的轴向间隔设置有多组，每组所述弹性件沿所述转子的周向间隔分布有多个。

在一种可能的实现方式中，所述第一密封齿组、所述第二密封齿组和所述第三密封齿组的对应的密封齿的数量相等。

一些实施例中，所述第一密封齿组和所述第二密封齿组对应的密封齿为截面呈矩形，且为环绕所述转子周向设置的环形结构。

示例性的，所述第一密封齿组的齿顶和齿根、所述第二密封齿组的齿顶和齿根的宽度均为所述环形间隙的一半；

所述第一密封齿组、所述第二密封齿组的齿顶的凸出高度和齿根的凹陷深度均为所述环形间隙的四分之一。

一些实施例中，所述第一密封齿组的齿顶和齿根、所述第二密封齿组的齿顶和齿根均相互平行设置；用于分别连接所述第二密封齿组上的相邻齿顶和齿根的侧壁均与所述叶冠的侧壁相平行。

本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，通过在机匣和叶冠上分别设置第一密封齿组和第二密封齿组，形成两组密封齿，从而减少漏气面积，并降低压力差，从而减少漏气损失；并且通过在第一密封齿组上铰接设置第三密封齿组，使第三密封齿组随环形间隙两侧的压力差的大小的不同，而改变自身的摆动状态；具体的，当流体较少，环形间隙两侧的压力差较小时，第三密封齿组处于第一状态下，此时，第三密封齿组指向第二密封齿组的齿顶处，蒸汽在其进入端附近的第一密封齿组和第二密封齿组的腔室内经耗散作用射流出环形间隙；当流体较多，环形间隙两侧的压力差较大时，第三密封齿组在蒸汽的冲击下逐步摆动至第二状态，此时，蒸汽经第三密封齿组的耗散作用后，冲击力逐渐降低，压差也逐渐缩小，再次经过第一密封齿组和第二密封齿组的腔室内经耗散作用射流出环形间隙；因而，本申请提供的汽轮机叶顶间隙的密封结构可根据蒸汽流体的量的多少和压力差的大小来调整不同的状态，并逐步耗散泄漏的蒸汽的气流压差，从而在不影响转子的转动效果的同时提高密封效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的汽轮机叶顶间隙的密封结构的结构示意图；

图2为图1所示第三密封齿组处于第一状态时Ⅰ处的局部放大结构示意图一；

图3为图1所示第三密封齿组处于第二状态时Ⅰ处的局部放大结构示意图一；

图4为图1所示第三密封齿组处于第一状态时Ⅰ处的局部放大结构示意图二；

图5为图1所示第三密封齿组处于第二状态时Ⅰ处的局部放大结构示意图二。

图中：1、转子；2、叶片；21、叶冠；3、机匣；31、环形间隙；4、第一密封齿组；5、第二密封齿组；51、安装槽；6、第三密封齿组；7、齿顶；8、齿根；9、弹性件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的汽轮机叶顶间隙的密封结构进行说明。汽轮机叶顶间隙的密封结构包括转子1、沿转子1的周向间隔设置的多组叶片2，以及罩设在叶片2的外部的机匣3；叶片2的叶冠21的外周面与机匣3的内周面之间留有环形间隙31，机匣3的内周面沿转子1的轴向间隔设置有第一密封齿组4；叶冠21的外周面沿转子1的轴向间隔设置有第二密封齿组5；环形间隙31内沿转子1的轴向间隔设置有第三密封齿组6；第三密封齿组6的一端与第一密封齿组4铰接，另一端延伸至靠近第二密封齿组5的一侧；其中，第三密封齿组6的延伸端具有指向第二密封齿组5的齿顶7的第一状态，和用于在蒸汽的冲击下摆动至指向第二密封齿组5的齿根8的第二状态。

需要理解的是，本申请中采用的转子1和叶片2的结构和工作原理均属于汽轮机的现有技术，在此不再赘述；而叶片2的叶冠21上设置有第一密封齿组4，机匣3的内周壁设置第二密封齿组5，本申请主要对叶冠21和机匣3的密封结构进行设置，叶冠21和机匣3的其余部分的结构和工作原理并未发生改变，当转子1带动叶片2转动时，蒸汽经上述环形间隙31自高压侧泄漏射流至低压侧，具体的，蒸汽经环形间隙31泄漏时，自环形间隙31的高压侧进入，经环形间隙31内的多级密封齿耗散后，从低压侧流出；蒸汽的流动方向请参阅图1至图5中的箭头方向。

需要说明的是，本申请中采用的第一密封齿组4、第二密封齿组5和第三密封齿组6均是由多个密封齿组成，相邻两个密封齿之间具有容腔，密封齿的数量具体的可根据叶冠21和机匣3对应部分的宽度确定。

需要理解的是，本申请中所指叶冠21和机匣3对应部分的宽度，为叶冠21和机匣3沿蒸汽的流动方向的宽度。

另外，本申请中提供的汽轮机叶顶间隙的密封结构中，多个密封齿可采用铣刀加工或电火花加工的方式，通过在叶冠21和机匣3上的适当位置加工圆孔，形成上述密封齿和容腔，该加工方式具有制造工艺简单、成本低、结构可控性好、加工的密封齿耐磨性好的优点。

本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，通过在机匣3和叶冠21上分别设置第一密封齿组4和第二密封齿组5，形成两组密封齿，从而减少漏气面积，并降低压力差，从而减少漏气损失；并且通过在第一密封齿组4上铰接设置第三密封齿组6，使第三密封齿组6随环形间隙31两侧的压力差的大小的不同，而改变自身的摆动状态；具体的，当流体较少，环形间隙31两侧的压力差较小时，第三密封齿组6处于第一状态下，此时，第三密封齿组6指向第二密封齿组5的齿顶7处，蒸汽在靠近进入环形间隙31的一端附近的第一密封齿组4和第二密封齿组5的齿根8处的腔室内经耗散作用射流出环形间隙31；当流体较多，环形间隙31两侧的压力差较大时，第三密封齿组6在蒸汽的冲击下逐步摆动至第二状态，此时，蒸汽经第三密封齿组6的耗散作用后，冲击力逐渐降低，压差也逐渐缩小，再次经过第一密封齿组4和第二密封齿组5的齿根8处的腔室内经耗散作用射流出环形间隙31；因而，本申请提供的汽轮机叶顶间隙的密封结构可根据蒸汽流体的量的多少和压力差的大小来调整不同的状态，并逐步耗散泄漏的蒸汽的气流压差，从而在不影响转子1的转动效果的同时提高密封效果。

需要说明的是，本申请中第三密封齿组6的延伸端与第二密封齿组5的齿顶7之间留有一定的间隙，用以避免第三密封齿组6和第二密封齿组5之间的磨损；且当蒸汽的气流较大，叶冠21两侧的压差较大时，蒸汽冲击第三密封齿组6的延伸端，可实现对蒸汽的耗散作用，并使第三密封齿组6的延伸端指向第二密封齿组5的齿根8，此时可供蒸汽通过的间隙变大，当蒸汽气流经过第三密封齿组6的密封齿逐步耗散后，使得经该密封结构泄漏的蒸汽损失逐步降低，最终实现在保证转子1正常运转的情况下提高密封性能的目的。

请参阅图2至图5，在一种可能的实现方式中，第二密封齿组5的齿顶7上设置有环形的安装槽51，第三密封齿组6的铰接端设于所护安装槽51内；安装槽51的两个侧壁沿蒸汽在环形间隙31内的流动方向上间隔设置；第三密封齿组6摆动至与安装槽51靠近蒸汽进入环形间隙31一端的侧壁相抵接时，第三密封齿组6处于第一状态；第三密封齿组6摆动至与安装槽51远离蒸汽进入环形间隙31一端的侧壁相抵接时，第三密封齿组6处于第二状态。

需要理解的是，为避免第三密封齿组6的摆动角度过大，导致蒸汽的流经间隙太大，而影响到密封效果，本申请中设置有环形的安装槽51，并且，可保证当第三密封齿组6处于第二状态时，该安装槽51远离蒸汽进入端的侧壁与第三密封齿组6相抵接，蒸汽经第三密封齿组6向下引流至第二密封齿组5的齿根8处的容腔内，以便进一步进行耗散作用。当第三密封齿组6处于第一状态时，可使进入环形间隙31内的蒸汽分别通过第一密封齿组4的齿根8处容腔、并经第三密封齿组6的耗散作用后，再进入到下一个第一密封齿组4或第二密封齿组5的密封齿内进行耗散作用。

请参阅图4和图5，一些实施例中，第二密封齿组5的齿顶7和第一密封齿组4的齿顶7相对设置，安装槽51设于第一密封齿组4的齿顶7上远离蒸汽的进入端的一端。

具体的，第二密封齿组5和第一密封齿组4均具有多个数量相同的密封齿，第二密封齿组5的多个密封齿的齿顶7和第一密封齿组4的多个密封齿的齿顶7在上下方向上一一对应设置；且第二密封齿组5的多个密封齿的齿根8和第一密封齿组4的多个密封齿的齿根8在上下方向上一一对应设置，并使第一密封齿组4的齿根8处容腔和第二密封齿组5的齿根8处容腔上下对应。

通过使进入到环形间隙31内的蒸汽分别经第一密封齿组4、第二密封齿组5和第三密封齿组6的耗散作用，实现降泄漏损耗的目的。需要说明的是，此种实施例中的设置方式需应用在蒸汽泄漏量较小的情况下。

请参阅图2和图3，作为上述实施例的一种变形实施方式，第二密封齿组5的齿顶7和第一密封齿组4的齿顶7交错设置，安装槽51设于第一密封齿组4的齿顶7上靠近蒸汽的进入端的一端。

具体的，第二密封齿组5和第一密封齿组4均具有多个数量相同的密封齿，第二密封齿组5的多个密封齿的齿顶7和第一密封齿组4的多个密封齿的齿顶7在上下方向上交错设置；且第二密封齿组5的多个密封齿的齿根8和第一密封齿组4的多个密封齿的齿根8在上下方向上交错设置，并使第一密封齿组4的齿根8处容腔和第二密封齿组5的齿根8处容腔交错设置。需要说明的是，本申请中采用的交错设置是指第二密封齿组5的多个密封齿的齿顶7和第一密封齿组4的多个密封齿的齿根8处的容腔在上下方向上对应设置，同理，第一密封齿组4的多个密封齿的齿顶7和第二密封齿组5的多个密封齿的齿根8处的容腔在上下方向上对应设置。

当蒸汽泄漏量较大时，通过将第一密封齿组4和第二密封齿组5交错设置，可以有效的阻挡叶冠21与机匣3之间的泄漏的蒸汽流体，使蒸汽流体顺次通过第一密封齿组4和第二密封齿组5的密封齿，避免因蒸汽流的淤积而影响到转子1的转动。

具体的，机匣3与叶冠21处的密封齿相互交错分布，各密封齿的齿根8处形成一系列的耗散容腔，当环形间隙31内蒸汽流进入容腔后会经过涡流耗散作用后流出，形成与转子1转速相反的射流，从而减弱环形间隙31内蒸汽流体的速度，降低泄漏流体的通流能力，进而提高汽轮机级的气动性能。

请参阅图2至图5，在一种可能的实现方式中，第二密封齿组5的齿顶7上远离第三密封齿组6的铰接端的一端设置有弹性件9，弹性件9与第三密封齿组6的延伸端固定连接。

通过设置弹性件9，方便使第三密封齿组6在蒸汽流较小时，复位至第一状态，以便降低蒸汽损耗。需要说明的是，当第三密封齿组6处于第一状态时，该弹性件9处于压缩或原位状态，当第三密封齿组6处于第二状态时，该弹性件9处于压缩状态。

请参阅图1至图5，一些实施例中，弹性件9沿转子1的轴向间隔设置有多组，每组弹性件9沿转子1的周向间隔分布有多个。

需要理解的是，本申请中的第三密封齿组6的密封齿为环形结构，为将每个上述密封齿同时复位，需要沿转子1的周向间隔设置多个，以便在将该环形的密封齿的延伸端摆动复位至第一状态。

请参阅图2至图5，在一种可能的实现方式中，第一密封齿组4、第二密封齿组5和第三密封齿组6的对应的密封齿的数量相等，方便对使第一密封齿组4和第二密封齿组5相对或交错设置。

请参阅图2至图5，一些实施例中，第一密封齿组4和第二密封齿组5对应的密封齿为截面呈矩形，且为环绕转子1周向设置的环形结构。

需要理解的是，该环形结构中向靠近环形间隙31方向凸出的部分为齿顶7，向远离环形间隙31方向凹陷的为齿根8。通过将密封齿的截面设置为矩形，便于在齿顶7上开设安装槽51和安装弹性件9。

优选的，第一密封齿组4的齿顶7和齿根8、第二密封齿组5的齿顶7和齿根8的宽度均为环形间隙31的一半；第一密封齿组4、第二密封齿组5的齿顶7的凸出高度和齿根8的凹陷深度均为环形间隙31的四分之一。

通过适当的齿顶7和齿根8的宽度、高度或深度的距离设置，以调节泄漏流在环形间隙31内的流动状态，降低泄漏损耗。

一些实施例中，第一密封齿组4的齿顶7和齿根8、第二密封齿组5的齿顶7和齿根8均相互平行设置；用于分别使第二密封齿组5上的相邻齿顶7和齿根8的侧壁均与叶冠21的侧壁相平行。

通过上述齿根8和齿顶7的平行设置，方便加工，且便于使蒸汽流在齿顶7和齿根8的各处的耗散作用效果均匀，以便实现转子1的平稳运转。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.汽轮机叶顶间隙的密封结构，包括转子、沿所述转子的周向间隔设置的多组叶片，以及罩设在所述叶片的外部的机匣；所述叶片的叶冠的外周面与所述机匣的内周面之间留有环形间隙，其特征在于，

所述机匣的内周面沿所述转子的轴向间隔设置有第一密封齿组；

所述叶冠的外周面沿所述转子的轴向间隔设置有第二密封齿组；

所述环形间隙内沿所述转子的轴向间隔设置有第三密封齿组；所述第三密封齿组的一端与所述第一密封齿组铰接，另一端延伸至靠近所述第二密封齿组的一侧；

所述第三密封齿组的延伸端具有指向所述第二密封齿组的齿顶的第一状态，和用于在蒸汽的冲击下摆动至指向所述第二密封齿组的齿根的第二状态。

2.如权利要求1所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述第二密封齿组的齿顶上设置有环形的安装槽，所述第三密封齿组的铰接端设于所护安装槽内；所述安装槽的两个侧壁沿所述蒸汽在所述环形间隙内的流动方向上间隔设置；

所述第三密封齿组摆动至与所述安装槽靠近所述蒸汽进入所述环形间隙一端的侧壁相抵接时，所述第三密封齿组处于所述第一状态；所述第三密封齿组摆动至与所述安装槽远离所述蒸汽进入所述环形间隙一端的侧壁相抵接时，所述第三密封齿组处于所述第二状态。

3.如权利要求2所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述第二密封齿组的齿顶和所述第一密封齿组的齿顶相对设置，所述安装槽设于所述第一密封齿组的齿顶上远离所述蒸汽的进入端的一端。

4.如权利要求2所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述第二密封齿组的齿顶和所述第一密封齿组的齿顶交错设置，所述安装槽设于所述第一密封齿组的齿顶上靠近所述蒸汽的进入端的一端。

5.如权利要求1所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述第二密封齿组的齿顶上远离所述第三密封齿组的铰接端的一端设置有弹性件，所述弹性件与所述第三密封齿组的延伸端固定连接。

6.如权利要求5所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述弹性件沿所述转子的轴向间隔设置有多组，每组所述弹性件沿所述转子的周向间隔分布有多个。

7.如权利要求1所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述第一密封齿组、所述第二密封齿组和所述第三密封齿组的对应的密封齿的数量相等。

8.如权利要求7所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述第一密封齿组和所述第二密封齿组对应的密封齿为截面呈矩形，且为环绕所述转子周向设置的环形结构。

9.如权利要求8所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述第一密封齿组的齿顶和齿根、所述第二密封齿组的齿顶和齿根的宽度均为所述环形间隙的一半；

所述第一密封齿组、所述第二密封齿组的齿顶的凸出高度和齿根的凹陷深度均为所述环形间隙的四分之一。

10.如权利要求9所述的汽轮机叶顶间隙的密封结构，其特征在于，所述第一密封齿组的齿顶和齿根、所述第二密封齿组的齿顶和齿根均相互平行设置；用于分别连接所述第二密封齿组上的相邻齿顶和齿根的侧壁均与所述叶冠的侧壁相平行。

Images