CN115929416A - 一种叶顶汽封结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通流密封技术领域，尤其涉及一种叶顶汽封结构，包括：设置在静叶片顶部的静叶围带、设置在动叶片顶部的动叶围带、和若干个汽封齿片。通过在动叶围带和静叶围带的端部设置阶梯状结构，使动叶围带和静叶围带分别与汽封齿片形成曲折的几何通道，在蒸汽进入其内时，有效的引导气流进行转向和旋转，在旋流影响下，与后续进入的气流进行碰撞，有效降低了蒸汽动能，形成汽流密封汽流，达到密封效果。同时，通过阶梯状结构设置高度不同的台阶，每个台阶与对应的汽封齿片相互配合，解决了轴向胀差大于动叶围带宽度时汽封齿片和动叶围带相互碰摩，从而使汽封齿片失效或者损伤动叶片顶部的动叶围带的技术问题，从而保证汽轮机组的安全运行。

Description

一种叶顶汽封结构

技术领域

本发明涉及通流密封技术领域，尤其涉及一种叶顶汽封结构。

背景技术

近年来，随着节能环保需求的日益增长，改进火力发电厂性能迫在眉睫，而减少汽轮机漏汽量是解决上述问题的关键技术之一。漏汽量的大小主要是由汽封的间隙、有效齿数、腔室结构决定的。然而，在汽轮机实际设计中，汽封的间隙和齿数往往受到径向胀差和轴向胀差等约束条件而无法优化，尤其是大功率机组低压缸。因而，减小漏汽量最有效的方法就是优化汽封腔室结构。例如，目前广泛运用于汽轮机叶顶、隔板的迷宫式汽封，其原理就是气流通过节流膨胀，在汽封腔室内形成漩涡，流体域被腔室结构所控制，通过腔室结构增强漩涡并使得汽封间隙及齿数相同的情况下漏汽量大大降低。然而对于轴向胀差较大的汽轮机，例如大功率机组低压缸，离推力轴承距离较远，其在启停过程中轴向胀差大于叶顶围带宽度，使用常规的迷宫式汽封，汽封齿和动叶围带将发生碰摩，从而使汽封齿失效或者损伤动叶顶部围带，造成运行事故。

汽轮机汽封型式多种多样，已有的汽封结构有迷宫式，蜂窝式，刷式等。迷宫式已经广泛运用于汽轮机叶顶汽封，隔板汽封等。通常情况下减少汽封漏汽损失的方法通常有三种：改变汽封结构、减小汽封间隙和增加汽封齿数，其中，改变汽封结构和减小汽封间隙对减少漏汽损失的效果较为明显。如大型汽轮机低压缸传统设计均使用平齿汽封结构，近年来则在低压缸使用了游标汽封齿结构，即在动叶顶部围带上加工出类似于汽封齿的凸台，和安装在隔板处的汽封共同组成一个矩形汽封腔室。这种汽封型式不受轴向胀差的限制，与传统平齿相比，可以增加泄漏汽流的膨胀空间，一定程度上可以增强泄漏气流漩涡强度，减小漏气损失，取得了一定的节能效果，但在汽轮机漏汽损失的控制措施方面存在诸多不足之处，仍存在一定的节能潜力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种叶顶汽封结构，其解决了汽轮机漏汽量较大的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种叶顶汽封结构，包括：

设置在静叶片顶部的静叶围带、设置在动叶片顶部的动叶围带、和若干个汽封齿片；

所述汽封齿片依次设置在汽轮机转子和汽轮机持环的侧壁上；

所述静叶围带的端部设有阶梯状结构的静叶围带密封面，所述静叶围带朝向所述汽轮机转子设置，使得蒸汽气流经过所述静叶围带密封面与所述汽轮机转子上的汽封齿片形成的间隙后，气体够持续发生转向；

所述动叶围带的端部设有阶梯状结构的动叶围带密封面，所述动叶围带朝向所述汽轮机持环设置，使得蒸汽气流经过所述动叶围带密封面与所述汽轮机持环上的汽封齿片形成的间隙后，气体够持续发生转向。

所述静叶围带密封面的阶梯状结构根据所述静叶片延伸方向上的高度从高到低设有若干个台阶，相邻的台阶的高度差和宽度相同。

所述动叶围带密封面的阶梯状结构根据所述动叶片延伸方向上的高度从高到低设有若干个台阶，相邻的台阶的高度差和宽度相同。

所述汽轮机转子的周向侧壁上设有转子密封面，所述转子密封面对应于所述静叶围带密封面呈阶梯状结构设置，所述转子密封面的阶梯状结构根据所述转子密封面垂直方向上的高度从低到高设置若干个台阶。

所述汽轮机持环的周向侧壁上设有持环密封面，所述持环密封面对应于所述动叶围带密封面呈阶梯状结构设置，所述持环密封面的阶梯状结构根据所述持环密封面垂直方向上的高度从低到高设置若干个台阶。

所述阶梯状结构具有平面和立面，所述平面与立面之间形成垂直的折角。

所述汽封齿片包括：若干个转子密封片和持环密封片；

所述转子密封片依次垂直设置在所述转子密封面上，所述持环密封片依次垂直设置在所述持环密封面上。

所述转子密封片的端部对应于所述静叶围带密封面上的每个台阶的中部设置，或者所述转子密封片对应所述静叶围带密封面上的每个台阶的宽度等间距设置。

所述持环密封片的端部对应于所述动叶围带密封面上的每个台阶的中部设置，或者所述持环密封片对应所述动叶围带密封面上的台阶的宽度等间距设置。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明提供了一种叶顶汽封结构，通过在动叶围带和静叶围带的端部设置阶梯状结构，使动叶围带和静叶围带分别与汽封齿片形成曲折的几何通道，在蒸汽进入其内时，有效的引导气流进行转向和旋转，在旋流影响下，与后续进入的气流进行碰撞，有效降低了蒸汽动能，形成汽流密封汽流，达到密封效果。

同时，通过阶梯状结构设置高度不同的台阶，每个台阶与对应的汽封齿片相互配合，解决了轴向胀差大于动叶围带宽度时汽封齿片和动叶围带相互碰摩，从而使汽封齿片失效或者损伤动叶片顶部的动叶围带的技术问题，从而保证汽轮机组的安全运行。

附图说明

图1为本发明的叶顶汽封结构的静叶片的汽封结构剖面示意图(第1实施例)；

图2为本发明的叶顶汽封结构的动叶片的汽封结构剖面示意图(第1实施例)；

图3为本发明的叶顶汽封结构的静叶片的汽封结构剖面示意图(第2实施例)；

图4为本发明的叶顶汽封结构的动叶片的汽封结构剖面示意图(第2实施例)。

【附图标记说明】

11：静叶片；

12：动叶片；

21：静叶围带；

22：动叶围带；

31：汽轮机转子；

32：汽轮机持环；

311：转子密封片；

321：持环密封片；

331：平面；

341：立面。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种叶顶汽封结构，应用于汽轮机的动叶片12、静叶片11、汽轮机持环32以及汽轮机转子31，叶顶汽封结构包括：设置在静叶片11顶部的静叶围带21、设置在动叶片12顶部的动叶围带22和若干个汽封齿片。

静叶片11的底端插接在汽轮机持环32上，动叶片12的底端插接在汽轮机转子31上，动叶片12与静叶片11的顶部朝向相反，且沿着汽轮机转子31的轴向间隔布置。

本实施例的静叶片11的顶部朝向向下布置，即静叶片11的顶部朝向汽轮机转子31设置，静叶片11的底端插接在汽轮机持环32上，汽轮机持环32位于静叶片11底端的外侧。动叶片12的顶部朝向向上布置，即动叶片12的顶部朝向汽轮机持环32设置。动叶片12设置在两个的静叶片11之间，动叶片12的底端插接在汽轮机转子31上，转子位于静叶片11顶端的内侧，以使静叶片11的顶端与汽轮机转子31之间形成间隙。

在汽轮机启动时，蒸汽流过汽轮机内部，对汽轮机本体进行加热导致汽轮机各个部件膨胀，由于汽轮机各部件的材料、厚度等差异，造成膨胀不均。本申请涉及轴向涨差，即轴向上汽轮机转子31部分(转动件)和汽轮机持环32部分(静止件)之间由于膨胀不均导致的轴向距离的缩短，当间距过短时，易发生故障，因此，在静叶片11与汽轮机转子31之间留有间隙，在动叶片12与汽轮机持环32之间也留有间隙。

参见图1，静叶片11的顶部设有静叶围带21，静叶围带21的一端与静叶片11固定连接，静叶围带21的另一端设有静叶围带密封面，静叶围带密封面呈阶梯状结构设置，阶梯状结构根据高度从高到低设有若干个台阶，本实施例静叶围带密封面的阶梯状结构的台阶数量为3个，3个台阶数量的设置使静叶围带21的形状在加工难度上适中，又可达到较佳的气流偏转的效果。通过设置阶梯状的静叶围带密封面，使汽轮机运行过程中产生的蒸汽气流可随着阶梯状结构不断发生偏转，降低流动速度，阻碍层流的发生。台阶的高度即静叶片11延伸方向上的高度，或者图1中竖直方向上，静叶围带密封面向下的高度。

可选的，参见图3，静叶围带密封面的阶梯状结构也可根据高度从低到高设置台阶。

汽轮机转子31的周向侧壁上设有转子密封面，转子密封面对应于静叶围带密封面呈阶梯状结构设置，转子密封面的阶梯状结构根据高度从低到高设置若干个台阶，转子密封面的台阶数量少于静叶围带密封面的台阶数量，本实施例的转子密封面的阶梯状结构的台阶数量为2个，2个台阶数量的设置可以使得转子密封面上的汽封齿片可以更好的与静叶围带密封面的阶梯状结构相配合。台阶的高度即转子密封面垂直方向上的高度，或者图1中竖直方向上转子密封面向上的高度。

可选的，参见图3，转子密封面的阶梯状结构也可根据高度从高到底设置台阶，在实际设置过程中需根据静叶围带密封面的阶梯高度走向选择相匹配的。

汽封齿片包括：若干个转子密封片311和持环密封片321。

若干个转子密封片311依次设置在转子密封面上，转子密封片311用于配合静叶围带密封面上的阶梯状结构。阶梯状结构具有平面331和立面341，平面331与立面341之间形成折角。折角垂直设置，也可以根据实际设计需求设置折角角度。通过折角的设置，使蒸汽气流在流经折角时可以发生偏转。

作为本发明的一个较佳本实施例，在转子密封面上设置4个转子密封片311，对应静叶围带密封面的阶梯状结构的第一个台阶的中部设置1个转子密封片311，对应静叶围带密封面的阶梯状结构的第二个台阶的中部设置1个转子密封片311，对应静叶围带密封面的阶梯状结构的第三个台阶的宽度，等间距设置两个转子密封片311。

将转子密封片311的端部对应于阶梯状结构每个台阶的中部设置，或者将转子密封片311的端部对应台阶的宽度等间距设置，以便于气流的偏转流动。台阶的宽度即图1中台阶左右方向上的宽度，台阶的中部即台阶宽度方向上的中点位置。

汽轮机在运行过程中产生的高速蒸汽，气流经过转子密封面与静叶围带密封面之间的间隙，通过静叶围带密封面上阶梯状结构的折角作用，使气流的流动方向发生偏转，并进入转子密封片311侧面与阶梯状结构的立面341之间形成的间隙，气流再次偏转，进入转子密封片311端部与阶梯状结构的平面331之间形成的间隙，气流依次经过阶梯状结构和多个转子密封片311之间的间隙，直至从最后一个转子密封片311与阶梯状结构的间隙中流出，继续发生偏转进入动静间隙空间进行扩张，即由于转子密封面与静叶围带密封面之间的间隙特别小，气流通过后进入的动静间隙空间相对大很多，所以气体发生了膨胀，随后气流流入下一级叶顶汽封结构。

其中，动静间隙即汽轮机单级动叶片和汽轮机静叶片之间形成的流道。

至此，由于气流在有限空间内不断发生方向相反的旋转，并形成湍流，阻碍了层流的发生，并降低了流动速度，形成气流“密封”气流的现象，使得从该通道流入的气量降低至最小状态，从而达到减少汽轮机漏气量的目的。

参见图2，动叶片12的顶部设有动叶围带22，动叶围带22的一端与动叶片12固定连接，动叶围带22的另一端设有动叶围带密封面，动叶围带密封面呈阶梯状结构设置，阶梯状结构根据高度从高到低设有若干个台阶，本实施例动叶围带密封面的阶梯状结构的台阶数量为3个，3个台阶数量的设置使动叶围带22的形状在加工难度上适中，又可达到较佳的气流偏转的效果。通过设置阶梯状的动叶围带密封面，使汽轮机运行过程中产生的蒸汽气流可随着阶梯状结构不断发生偏转，降低流动速度，阻碍层流的发生。台阶的高度即动叶片12延伸方向上的高度，或者图2中竖直方向上动叶围带密封面向上的高度。

可选的，参见图4，动叶围带密封面的阶梯状结构也可根据高度从低到高设置台阶。

汽轮机持环32的周向侧壁上设有持环密封面，持环密封面对应于动叶围带密封面呈阶梯状结构设置，持环密封面的阶梯状结构根据高度从低到高设置若干个台阶，持环密封面的台阶数量少于动叶围带密封面的台阶数量，本实施例的持环密封面的台阶数量为2个，2个台阶数量的设置可以使得持环密封面上的汽封齿片可以更好的与动叶围带密封面的阶梯状结构相配合。台阶的高度即持环密封面垂直方向上的高度，或者图2中竖直方向上持环密封面向下的高度。

可选的，参见图4，持环密封面的阶梯状结构也可根据高度从高到底设置台阶，在实际设置过程中需根据动叶围带密封面的阶梯高度走向选择相匹配的。

若干个持环密封片321依次设置在持环密封面上，持环密封片321用于配合动叶围带密封面上的阶梯状结构。

作为本发明的一个较佳本实施例，在持环密封面上设置4个持环密封片321，对应动叶围带密封面的阶梯状结构的第一个台阶的中部设置1个持环密封片321，对应动叶围带密封面的阶梯状结构的第二个台阶的中部设置1个持环密封片321，对应动叶围带密封面的阶梯状结构的第三个台阶的宽度，等间距设置两个持环密封片321。

将持环密封片321的端部对应于阶梯状结构每个台阶的中部设置，或者将持环密封片321的端部对应台阶的宽度等间距设置，以便于气流的偏转流动。台阶的宽度即图1中台阶左右方向上的宽度，台阶的中部即台阶宽度方向上的中点位置。

汽轮机在运行过程中产生的高速蒸汽，气流经过动叶围带密封面和持环密封面之间的间隙，通过动叶围带密封面上阶梯状结构的折角使气流发生偏转，并进入持环密封片321与与阶梯状结构的立面341之间形成的间隙，气流再次偏转，进入持环密封片321与阶梯状结构的平面331之间形成的间隙，气流依次经过阶梯状结构和多个持环密封片321之间的间隙，直至从最后一个持环密封片321与阶梯状结构的间隙中流出，继续发生偏转进入动静间隙空间进行扩张，随后气流流入下一级叶顶汽封结构，气流在有限空间内不断发生方向相反的旋转，并形成湍流，阻碍了层流的发生，并降低了流动速度，形成气流“密封”气流的现象，使得从该通道流入的气量降低至最小状态。

本发明提供了一种叶顶汽封结构，通过在动叶围带22和静叶围带21的端部设置阶梯状结构，使动叶围带22和静叶围带21分别与汽封齿片形成曲折的几何通道，在蒸汽进入其内时，有效的引导气流进行转向和旋转，在旋流影响下，与后续进入的气流进行碰撞，有效降低了蒸汽动能，形成汽流密封汽流，达到密封效果。

同时，通过阶梯状结构设置的高度不同的台阶，每个台阶与对应的汽封齿片相互配合，解决了轴向胀差大于动叶围带22宽度时汽封齿片和动叶围带22相互碰摩，从而使汽封齿片失效或者损伤动叶片12顶部的动叶围带22的技术问题，从而保证汽轮机组的安全运行。

本实施例的叶顶汽封结构适用于转速较低叶片展弦比较小，叶片宽度较宽的场景，该场景下静叶围带21和动叶围带22的复杂形状不会引起离心力过大造成的叶片强度问题。其中，叶片展弦比即汽轮机动静叶片高度和弦长的比值。

在选择台阶的方向时，即选择台阶从高到低设置或者从低到高设置时，需要明确该级静叶片11和动叶片12的膨胀方向，防止由于汽轮机转子31膨胀过快，气缸膨胀过慢总而导致的碰磨问题。

蒸汽进入汽轮机后，主要通过动静叶之间的通道流动，从而加热汽轮机内部，根据传热学原理，热量的传递也是从流道开始向其余位置传递。金属的导热性强，膨胀迅速，但由于接收到的热量差异，膨胀速度也会发生明显差异。转子部分(转动件)更靠近蒸汽，膨胀快，而持环，缸体的等静止件部分更大，更厚，材质相对较差，离热源较远，因此膨胀的慢。

本实施例的叶顶围带和汽封齿片配合形成的汽封方式，最根本的原理是：让汽流在围带和汽封尺形成的流道内不断进行转向，形成高速旋流，影响气流流动形态，并且在经过每一个“台阶”时产生方向相反的旋流，从而形成湍流，阻碍层流的发生，降低汽流动能，最终减小漏气量。

跟传统汽封型式相比，传统汽封的设计思路更多考虑降低通流间隙，减小汽流流入汽封的绝对质量流量。传统方案的缺点是显而易见到，汽封齿数量过多，汽封间隙过小，会导致汽封齿再启停机过程中与密封面发生碰磨，严重时导致无法起机。成本提高，安装难度增加，不利于调节，增加了运行维护成本。

而本实施例的提出，是从原理上否定了传统汽封的设计理念，通过建立气流流道的流体力学分析，采用汽流“密封”汽流的方式，尽可能打断层流的发生，形成方向相反的汽旋，并结合流道几何空间的特点，阻碍汽流的流动，从而减小漏汽量。首先是解决了汽封安装间隙过小的问题，汽封安装间隙可以大于0.5mm，同时考虑到膨胀方向的问题，设计了两种型式的围带，可以满足两个自由度轴向膨胀的需求。同时，汽封齿片的密度也与大多数密封型式相当，不会额外增加成本，叶顶围带加工难度不大。

在本发明的描述中，需要理解的是，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更多个该特征。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种叶顶汽封结构，其特征在于，包括：

设置在静叶片(11)顶部的静叶围带(21)、设置在动叶片(12)顶部的动叶围带(22)、和若干个汽封齿片；

所述汽封齿片依次设置在汽轮机转子(31)和汽轮机持环(32)的侧壁上；

所述静叶围带(21)的端部设有阶梯状结构的静叶围带密封面，所述静叶围带(21)朝向所述汽轮机转子(31)设置，使得蒸汽气流经过所述静叶围带密封面与所述汽轮机转子(31)上的汽封齿片形成的间隙后，气体够持续发生转向；

所述动叶围带(22)的端部设有阶梯状结构的动叶围带密封面，所述动叶围带(22)朝向所述汽轮机持环(32)设置，使得蒸汽气流经过所述动叶围带密封面与所述汽轮机持环(32)上的汽封齿片形成的间隙后，气体够持续发生转向。

2.根据权利要求1所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述静叶围带密封面的阶梯状结构根据所述静叶片(11)延伸方向上的高度从高到低设有若干个台阶，相邻的台阶的高度差和宽度相同。

3.根据权利要求2所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述动叶围带密封面的阶梯状结构根据所述动叶片(12)延伸方向上的高度从高到低设有若干个台阶，相邻的台阶的高度差和宽度相同。

4.根据权利要求3所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述汽轮机转子(31)的周向侧壁上设有转子密封面，所述转子密封面对应于所述静叶围带密封面呈阶梯状结构设置，所述转子密封面的阶梯状结构根据所述转子密封面垂直方向上的高度从低到高设置若干个台阶。

5.根据权利要求4所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述汽轮机持环(32)的周向侧壁上设有持环密封面，所述持环密封面对应于所述动叶围带密封面呈阶梯状结构设置，所述持环密封面的阶梯状结构根据所述持环密封面垂直方向上的高度从低到高设置若干个台阶。

6.根据权利要求1所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述阶梯状结构具有平面(331)和立面(341)，所述平面(331)与立面(341)之间形成垂直的折角。

7.根据权利要求5所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述汽封齿片包括：若干个转子密封片(311)和持环密封片(321)；

所述转子密封片(311)依次垂直设置在所述转子密封面上，所述持环密封片(321)依次垂直设置在所述持环密封面上。

8.根据权利要求7所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述转子密封片(311)的端部对应于所述静叶围带密封面上的每个台阶的中部设置，或者所述转子密封片(311)对应所述静叶围带密封面上的每个台阶的宽度等间距设置。

9.根据权利要求7所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述持环密封片(321)的端部对应于所述动叶围带密封面上的每个台阶的中部设置，或者所述持环密封片(321)对应所述动叶围带密封面上的台阶的宽度等间距设置。

10.根据权利要求1所述的叶顶汽封结构，其特征在于，

所述静叶片(11)的底端插接在汽轮机持环(32)上，所述动叶片(12)的底端插接在汽轮机转子(31)上，所述动叶片(12)与静叶片(11)的顶部朝向相反，且沿着汽轮机转子(31)的轴向间隔布置。

Images