CN1172894A - 流体涡轮机的密封装置 - Google Patents

Abstract

弹性流体涡轮机的密封装置内设有弹簧,在启动和低出力时保持着较大的密封间隙,但在高出力时由于压力的共同作用,使其移位到间隙较小的位置以维持较高的效率。现有的密封环的形状经过改进可使其动作正常并提高效率。

Description

流体涡轮机的密封装置

本发明涉及一种用于弹性流体轴流式涡轮机的密封装置，具体地说，它是一种装在涡轮机转轴穿过其静止的外壳处以及装在涡轮机壳体内部级与级之间和区段之间的分段式环形密封装置。

一般来说，已有的此类密封装在转动和静止部件之间以形成一个流动系数很低的狭小的间隙，用来防止或减少流体的漏泄。此类密封的目的，是提高效率、减少流体的损失、以及防止由于流体的漏泄引起的不良的副作用。

但是，现有的分段的迷宫式密封容易在转子找正不佳、振动和热变形等条件下受损。引起此种损坏的因素中的大多数都发生在启动、低出力或突然失掉负荷之时。因此，如能创造条件使得在上述情况下保持较大的间隙以将密封受损的可能性降至最低，而在较大出力时维持较小的间隙，这显然是有利的。较大出力的条件正好对应于最应该注意效率的时候，此时，相对于足以引起密封损坏的因素来说，涡轮机的运行条件是稳定的。

应该确认，涡轮机的设计者们已经采取各种重要的措施来减少流体的漏泄。他们采用专门选定的材料来减少摩擦造成的损伤。密封的齿形做得很薄使在摩擦条件下产生的热量和应力处于最低的水平。

可伸缩的密封环在启动的条件下具有较大的径向间隙，但当流体流过量到达某一预先设定的条件时会自动将间隙减小。此种密封环已成功地应用在压力产生的力大大超过密封环段的重量的涡轮机上。

于1984年3月31日授与本发明申请人Ronald E.Brandon的第4,436,311号美国专利中，公开了一种用于流体涡轮机的迷宫式轴封系统，其径向定位的弹簧设计成能将密封环段朝外推向一个大间隙的位置，使得该分段的密封环在启动或低出力时处于一个缩回的、间隙大的位置，此时涡轮机的转速或出力较低；而当涡轮机在中等出力或大出力时，此时流量较大和流体压力较高，所述的密封环段会处于一个间隙小的位置。

在设计各个作用于密封环段的弹簧时，要考虑到的诸因素中包括流体压力产生的力、以及密封环段的重量和摩擦力，以使这些密封环段在低出力和高出力条件下正好处于大间隙和小间隙的位置。但这种可伸缩的密封环当用于低压涡轮机时，位于涡轮机圆周底部和侧下部的密封环段会由于位于它们上面的密封环段的重量作用于它们而被卡住，因而不能按照要求的方式闭合到小间隙的位置。

在另一个于1995年3月7日授于本发明申请人Ronald E.Brandon的第5,395,124号美国专利中，公开了一种用于流体涡轮机的分段的迷宫式轴封系统，其下半个密封环段上装有垂直的重力弹簧，其产生的提升力可抵消作用于所述下半部密封环段上的上半部密封环段的重量。这一发明使得有可能将可伸缩的密封环应用于低压涡轮机。

上述两篇参考文件中描述的可伸缩密封环现已用于蒸汽轮机的汽封上，它不但提高了效率，也延长了这种汽封的有用寿命。如在下面将要讨论的，它们也还有改进的余地。

当密封环或封闭环位于其缩回的或大间隙的位置时，限制其继续往外退缩的接触面最好为具有与密封段的外表面同样直径的圆弧形。这样可以保证全面的动作而不会发生只有一点接触时的那种摇摆动作。

此外，很多现有的密封环由于其原来设计的形状而不能正常地缩回，必须对其作一些修改，将密封环出口侧的一个或几个齿或阻流片去掉。

如果涡轮机在同一连续漏泄的通道上采用多个串联的密封环，则按照上面提出的方式将某个密封环出口侧去掉的齿，可以加到随后的密封环的进口侧去，从而避免齿数的减少。

因此，本发明的目的是对于用于流体涡轮机的可伸缩的分段式密封环提出进一步的改进。本发明的另外一个目的是改进密封环段在其向着大间隙的开启方向的运动，而当其到达其大间隙的位置时能够稳定地就位。本发明的又一个目的是在现有密封的几何形状不很理想的条件上仍然可以采用可伸缩的密封结构。本发明还有另一个目的是当在一个连续的漏泄通道上装有多个密封环时将需要去除的密封齿数目减至最少。

简短地说，本发明采用弹簧来使密封装置在启动或低出力时位于一个大间隙的位置。当涡轮机从低出力转到中等出力时，弹簧力被压力形成的力所克服，从而密封环段在增加出力的过程中被重新定位到一个小间隙的位置。

本发明提出这样一种流体涡轮机的密封装置，其特征是：

一个支承在、并至少被部分地围住在机壳上形成的环形槽内的分成段的密封环，该环形槽允许所述的密封环在一个大直径和一个小直径的位置之间移动，以形成密封环与转动的轴之间的大间隙和小间隙，所述的环形槽部分地由在机壳上一对相对布置的、分开的肩部所限定，它们形成从所述的槽的径向地开向机壳和所述的转轴之间空隙的一个开口；所述的密封环的每一段包括一个内部弧形部分，其面上有密封齿延伸到转轴附近，密封环段上有一个径向地朝外的弧形面，它对着机壳上一个径向地朝内的弧形面，此两个相对的弧形面接触时限定了所述的大间隙，密封环段还包括一个外环部分，该外环部分被设置在所述的环形槽内并可在其内作轴向和径向的移动，外环部分有一对肩部，它们在轴向作相反方向的延伸，并与机壳上的所述的一对分开布置的肩部配合并在径向与之接触，从而限定了所述的小间隙，在所述的内部弧形部分和所述的外环部分之间连接着一个颈部，它延伸于所述的机壳肩部之间，所述颈部的轴向厚度小于相对的机壳肩部之间的距离，所述颈部位于涡轮机低压侧的一个面与该侧的所述的机壳肩部的面接触时形成一个接触压力密封面，同时也限定了该密封环段的轴向位置；一个径向定位装置，它包括一个受压缩的弹簧装置，该弹簧顶在所述密封环段上，使得所述密封环段移向所述的大间隙位置，所述的大径向间隙的限定通过密封环段外表面与机壳内表面之间的接触实现，该接触保证了密封环段的稳定和不摆动的就位，并保证密封环段两端的密封齿与转轴间的间隙相等，而自由地进人所述机壳和所述密封环段之间的流体工质会促使所述密封环段移向其小间隙的位置，在此条件下当涡轮机在低转速或低负荷时，弹簧力将占主导地位，而在流体工质流量大和压力高时，压力将占主导地位。

而且，为了使密封环段在大间隙位置上稳定和不摆动地就位，密封环段的向外的弧形面与和它相对应的机壳上向内的弧形面可以具有相同的直径。

而且，为了使密封环段在大间隙位置上稳定和不摆动地就位，在每个密封环段两端可以设置凸面，所述的凸面具有一定的径向高度以允许密封环段在要求的小间隙和大间隙位置之间移动并保证在密封环段两端的密封齿与轴之间形成的大间隙相同。

而且，当处在涡轮机工质中等流量工况下涡轮机内压力不够的情况下，所述的密封环段的排泄侧的密封齿可以少一个或几个。

而且，当处在涡轮机工质中等流量工况下且涡轮机内压力不够的情况下，所述密封环段的颈部的朝着流体排出方向的一侧较宽。

而且，所述的弹簧装置可以是装在所述机壳肩部和所述密封环段的外环部分之间的一个片状弹簧。

而且，所述的弹簧装置可以包括装在所述机壳上用来将所述弹簧保持在所述机壳和所述密封环段间的位置上的锁住装置。

而且，所述的弹簧装置可以包括装在所述密封环段端部之间的压缩弹簧，用来将所述密封环段顶向所述的大间隙的位置。

而且，所述密封环段的所述的内部弧形部分可以有一个内环部分，其一面与所述颈部连结并包括所述的径向向外的弧形面，该弧形面与机壳上的弧形面接触以限定所述的大间隙的位置，从所述的内环部分延伸出所述的密封齿。

而且，所述的内环部分从所述的颈部可以朝着轴向两面延伸而比所述颈部宽出很多，所述的密封齿从内环部分径向地伸人所述的间隙部位。

而且，所述密封环段的所述径向朝外的弧形面可以位于所述机壳上径向朝内的弧形面的对面，该径向朝外的弧形面构成所述的内环部分的外向接触面。

以下的附图用来使对于本发明有个更好的理解：

图1是一台多级轴流涡轮机中某一级及其轴封环在水平视向的局部剖视图；

图2是沿图1中2-2方向的剖视图；

图3是某一级及其处于缩回位置的轴封环的水平视向局部剖视图；

图4是一个多密封环轴封的水平视向局部剖视图；

图5是图4所示的多密封环轴封经过改进后的水平视向局部剖视图；

图6是一个具有不合适几何形状的轴封环的水平视向局部剖视图；

图7是经过改进以使其能正常缩回的图6中的轴封的水平视向局部剖视图；

图8是采用了另一改进方案以使其正常缩回的图6中的轴封的水平视向局部剖视图；

图9是一个密封环段的透视图。

在图1中，数字11所指是涡轮机转子的一个局部，数字12所指是机壳的一个局部，对于级间密封而言，该部分的机壳叫做隔板。图中示出了一个密封环13，在有些结构中也可以串联地装有多个这样的密封环。对于熟悉汽轮机的人来说，他知道还有其他的构件，例如将高压蒸汽从进口端引入、低压蒸汽从出口端排出的装置、喷嘴、定叶片、转子等未在图中示出的部件，但由于它们对于说明本发明的功能无关，而不再描述。图示的密封环是典型的装在涡轮机上的许多个这样的密封环中的一个。

密封环13包括多个密封齿14，它们正对着交替地具有径向高起和凹陷的轴周面。从高压端18到低压端19有一股力要使流体从密封齿14和轴11之间的间隙中漏流过去。可以根据已有的公式和一些经验常数计算出漏流量，后者决定于间隙面积、齿端的相对尖锐度、齿数、流体的压力和密度等参数、以及漏流通道的几何形状等因素的综合效应。也可以采用其他几何形状的结构来形成多个或单个阻止漏泄的装置。

密封环被保持在机壳12内设置的环形槽15内。如在图2中所示，密封环13是由4个(或更多个)段组成。它们被装在环形槽15内，段之间的交界面正好与机壳的接合面27齐平，以利机壳的卸开或闭合。弹簧16装在弹簧孔22内，孔22位于每一个密封环段的一端。装好后，弹簧16处于压缩状态。在机壳接合面27的上部装有锁块26，它们用来在周向将密封环及弹簧16保持在其正确的位置。此处要说明的是，本文件中使用的名词“密封环13”，也可以指的是密封环的一个段，因此在阅读时要根据其在该句子中的含义来理解。

图1中示出的密封环13的每一个段有一个内环部分13d，它的径向的内表面上有密封齿14伸出，它的径向外表面20a与机壳12的径向表面21a接触时达到了大间隙的最大限值。密封环13还有一个外环部分13a，它被放置在机壳的环形槽15内，它的周向面13b与机壳12的肩部12a的表面17接触时，密封环段13的径向内移的动作受阻，从而达到了密封环段的最小间隙的限制位置。图1中的密封环13在其所述的内环部分和外环部分之间有一个颈部13c，它位于机壳肩部12a形成的槽隙内，从而限定了密封环段的轴向位置。在下文中还将说明，该颈部13c形成与机壳12a之间的接触压力面12b。

在低出力或空载条件下，密封环段只受到三种力的作用，即：密封环段的重量、机壳限位时的限制力、以及弹簧16的作用力。弹簧的弹力和尺寸选择得在此条件下它能使两个环段在接合面处分开，如在图2和图3中所示。这就使得密封环段向大直径的方向移动，直至移过环形空间24和25所能允许的最大移动量而达到20a和21a两个面相接触的位置。该环形空间对应于密封环段被允许向外作径向移动的距离，这一距离的选择，应足以使转子和机壳在可能遇到的最严重的瞬时失中条件下还不致让密封环的齿14受损，例如3mm的距离。

当涡轮机升速到运行转速并带上部分负载后，最恶劣的温度梯度、振动和失中等工况基本上都已结束。当出力进一步提高，密封环周围的流体压力也在按比例地升高，这就使得(其作用在后面还将有说明)弹簧16受到压缩，密封环段向内作径向移动，直至其移动被接触面17所限。密封环13和机壳上的接触面17的尺寸的选择使得齿14与转子表面之间的间隙达到实际上在相对稳定的带负荷工况下能保持的最小值，例如0.5mm。

在图1中，密封环13正位于其在带高负荷下的最小间隙的位置，图中18是高压侧。此压力通过一个或几个专门设置的局部通道23a而被传递到环形空间24和15。低压侧19的低压条件则存在于环形空间25内。

很显然地，由于两边存在压差，其引起的轴向推力会将密封环推向低压区19，使得在密封环13与机壳12之间的接触面12b处形成一个防止漏泄的密封面，当结构尺寸和压力是已知值时，此轴向力的大小可以很容易地被计算出来；此外，径向移动时密封环所需克服的金属与金属间的摩擦力也可以算出。

同样地，但或许稍为复杂一些，其他的径向力也可以被确定。除了面对着转子的密封环内表面上的压力分布状况，所有其他的压力都可以从上面两段中所述的计算中被算出。密封环上每一个齿都会造成一次压降。应用以焓膨胀连续地流经相等节流面积的每一个齿尖间隙的已知条件，可以用试算法相当准确地算得一连串节流过程中的压力分布。在一些密封环的条件下流速可能达到很高的马赫数，这使得计算更复杂一些，但精于此类计算的人可以解决问题。

径向压力分布是用来选择密封环的尺寸所需的，其目的是要确定一个合适的径向地向内作用于密封环上的合力。设计的目标是使得密封环克服它本身的重量、弹簧力和摩擦力，在涡轮机在小但具有实际作用的出力(例如5-25％)的可以预计到的压力条件下，能够向着间隙小的方向作径向移动。

在涡轮机内压力较低的部位，熟知此技术的人都能理解需要用较轻质的材料来制作密封环，所用的弹簧也应具有较低的弹性常数。应该特别指出，可以改变密封环的几何尺寸来调整压力造成的内向合力。

图4示出的是在采用多个密封环的涡轮机上会遇到的典型状况。力的计算表明必须将每个密封环流出侧的一个齿去掉。虽然这样做对于漏泄量仅起到很小的不利影响，但最好还是能够避免这样的损失。

图5示出了减少这一损失的方法。齿14a被从密封环13x上去掉，但加到密封环13y上。这将使得两个密封环都能正常地缩回和伸出，但齿数却没有减少。

应该注意到，当一个连续的漏泄通道使用多个密封环时，必须将弹簧设计成令其中一个密封环先行收小间隙，然后当蒸汽流量增加后，再收小第二个密封环的间隙，依此类推，直至最后一个密封环的间隙也收小了。

图6示出的是不适于伸缩动作的现有的密封环的几何形状。图7示出的则是将图6中密封环原有的一个齿14y去除以改善其可伸缩性的状况。

图8示出了一更好的改进方案。颈部13c的下游侧被加了一些材料而使颈部变宽。这样做使得关闭密封环的力增大而不需去掉一个密封齿。此方法需要对环形槽15进行另外的机加工。

熟悉弹性流体涡轮机的人都知道，在整台涡轮机内部的大多数部位，其内压力是与所带的负荷成正比的。当负荷和流体的质量流量增大，局部的压力大致上按线性规律上升。

在这样的条件下，涡轮机各级间以及大部分密封环两端的压降也随着负荷和流体流量的增加按照可以预计的线性方式增加。依据这样的关系，设计者可以按照负荷和压力的条件来设计每一个密封环，使得流体压力的作用力可以克服弹簧力、重量和摩擦阻力所形成的综合力而将密封环推向小间隙的位置。

如在前面已提到过的，设计者可以通过改变尺寸、重量和密封环内弹簧的弹性常数来部分地控制不同的条件。

可以选用不同品种的弹簧16。必须选择在高温、振动和可能有腐蚀性的工作条件下具有寿命长、工作特性稳定的弹簧。图中示出的是螺旋形弹簧，但片状的及其他形状的弹簧也是可用的。

应该注意到，对装在密封环圆周不同位置上的弹簧有不同的要求。图2中所示的4个密封环段内需要装4个弹簧，在28、29、30、31处各装一个。

装在位置28和30处的弹簧必须在支承着密封环段的重量和克服选定的压力条件下，有足够的弹力将上面的密封环段推向它们最高的径向位置。

位置29处的弹簧必须设计得能够克服选定的由分布在该两个相对的密封环段上的压力造成的力加上由密封环的重量引起的会使径向间隙缩小的分力的影响。

位置31处的弹簧必须设计得能够无服选定的由分布在该两个相对的密封环段上的压力造成的力减去密封环段的重量引起的会使弹簧受到压缩的分力的影响。

对于分为六个段的密封环，装有四个弹簧已足够，在位于顶部和底部的密封环段的每端各装一个弹簧。

弹簧的尺寸应选用得能被其周壁围住而难于跳出，甚至在断裂时也不应跳出。

密封环段接合平面处的缝隙尺寸必须小心选定，设计时应准确地考虑到密封环以及装设它们处的机壳或隔板之间的相对热膨胀量。每个部件的温度和热膨胀系数必须被考虑到。

当密封环在放开或收小的位置时，它最好是处于一个稳定的、不会摆动的状态，密封环段两端的齿尖与轴表面之间的间隙应相等。如果加工出的表面20a和21a的半径不相等的话，上述要求就得不到满足。机壳12的内表面21a可以是一个精确地加工出的圆周面，而常规的做法则是将20a的外表面加工到其直径比21a的内表面直径大约小0.200英寸(5.08mm)。如上所述，这样做是不宜的。应该将密封环段加工到其表面20a与表面21a具有相等的直径，但还允许其能动作自如。

如果不能做到这一要求，则另一个能使人满意的办法是在每一个密封环段的每一端增加一个凸面，以创造条件使得密封环段能正确地从其闭合的、小间隙的位置移向内表面21a。图9中示出了这样的凸面。它一共示了4个凸面35，布置在表面20a的角上。这些凸面在密封环段分开时与机壳12上的内表面21a接触，即使当表面20a的直径与表面21a的直径不相等时，也能保证正确的张开动作。

对于熟悉此技术领域的人来说，他可能想出其他种种变型的方案。但正如后面权利要求中所规定的，这些变型方案都属于本发明的实质性内容的范围。

Claims (11)

1、一种流体涡轮机的密封装置，其特征是：

一个支承在、并至少被部分地围住在机壳上形成的环形槽内的分成段的密封环，该环形槽允许所述的密封环在一个大直径和一个小直径的位置之间移动，以形成密封环与转动的轴之间的大间隙和小间隙，所述的环形槽部分地由在机壳上一对相对布置的、分开的肩部所限定，它们形成从所述的槽的径向地开向机壳和所述的转轴之间空隙的一个开口；

所述的密封环的每一段包括一个内部弧形部分，其面上有密封齿延伸到转轴附近，密封环段上有一个径向地朝外的弧形面，它对着机壳上一个径向地朝内的弧形面，此两个相对的弧形面接触时限定了所述的大间隙，密封环段还包括一个外环部分，该外环部分被设置在所述的环形槽内并可在其内作轴向和径向的移动，外环部分有一对肩部，它们在轴向作相反方向的延伸，并与机壳上的所述的一对分开布置的肩部配合并在径向与之接触，从而限定了所述的小间隙，在所述的内部弧形部分和所述的外环部分之间连接着一个颈部，它延伸于所述的机壳肩部之间，所述颈部的轴向厚度小于相对的机壳肩部之间的距离，所述颈部位于涡轮机低压侧的一个面与该侧的所述的机壳肩部的面接触时形成一个接触压力密封面，同时也限定了该密封环段的轴向位置；

一个径向定位装置，它包括一个受压缩的弹簧装置，该弹簧顶在所述密封环段上，使得所述密封环段移向所述的大间隙位置，所述的大径向间隙的限定通过密封环段外表面与机壳内表面之间的接触实现，该接触保证了密封环段的稳定和不摆动的就位，并保证密封环段两端的密封齿与转轴间的间隙相等，而自由地进入所述机壳和所述密封环段之间的流体工质会促使所述密封环段移向其小间隙的位置，在此条件下当涡轮机在低转速或低负荷时，弹簧力将占主导地位，而在流体工质流量大和压力高时，压力将占主导地位。

2、如权利要求1所述的流体涡轮机密封装置，其特征是，为了使密封环段在大间隙位置上稳定和不摆动地就位，密封环段的向外的弧形面与和它相对应的机壳上向内的弧形面具有相同的直径。

3、如权利要求1所述的流体涡轮机密封装置，其特征是，为了使密封环段在大间隙位置上稳定和不摆动地就位，在每个密封环段两端设置凸面，所述的凸面具有一定的径向高度以允许密封环段在要求的小间隙和大间隙位置之间移动并保证在密封环段两端的密封齿与轴之间形成的大间隙相同。

4、如权利要求1所述的流体涡轮机密封装置，其特征是，所述密封装置为多级密封装置，而且处在涡轮机工质中等流量工况下且涡轮机内压力不够的情况下的那一级密封环段的流出侧的密封齿少一个，而其下一级的密封环段的流人侧的密封齿多一个。

5、如权利要求1所述的流体涡轮机密封装置，其特征是，当处在涡轮机工质中等流量工况下且涡轮机内压力不够的情况下，所述密封环段的颈部的朝着流体流出方向的一侧较宽。

6、如权利要求1所述的流体涡轮机密封装置，其特征是所述的弹簧装置是装在所述机壳肩部和所述密封环段的外环部分之间的一个片状弹簧。

7、如权利要求1所述的流体涡轮机密封装置，其特征是，所述的弹簧装置包括装在所述机壳上用来将所述弹簧保持在所述机壳和所述密封环段间的位置上的锁住装置。

8、如权利要求1所述的流体涡轮机密封装置，其特征是所述的弹簧装置包括装在所述密封环段端部之间的压缩弹簧，用来将所述密封环段顶向所述的大间隙的位置。

9、如权利要求1所述的流体涡轮机密封装置，其特征是，所述密封环段的所述的内部弧形部分有一个内环部分，其一面与所述颈部连结并包括所述的径向向外的弧形面，该弧形面与机壳上的弧形面接触以限定所述的大间隙的位置，从所述的内环部分延伸出所述的密封齿。

10、如权利要求9所述的流体涡轮机密封装置，其特征是，所述的内环部分从所述的颈部朝着轴向两面延伸而比所述颈部宽出很多，所述的密封齿从内环部分径向地伸人所述的间隙部位。

11、如权利要求10所述的流体涡轮机密封装置，其特征是，所述密封环段的所述径向朝外的弧形面位于所述机壳上径向朝内的弧形面的对面，该径向朝外的弧形面构成所述的内环部分的外向接触面。

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