CN1396993A - 涡轮机和类似的旋转装置中的改进的毛刷密封设计 - Google Patents

Abstract

在一种轴流式涡轮机的各级之间设置可伸缩的密封件和毛刷密封件。可伸缩的密封件是由许多单独的密封件形成的一圆环，在正常操作过程中，它们互相靠近，而在起动和停车过程中膨胀而形成大的间隙。毛刷密封件设置在各密封件上这样，在正常操作过程中，它们互相靠近，毛刷密封件同样形成一圆环。密封件的端部沿中心轴延伸的半径被切割，而毛刷密封件的端部倾斜不与设置毛刷密封件的密封件的端部平行。

Description

涡轮机和类似的旋转装置中的改进的毛刷密封设计

本发明的技术背景

1.本发明的技术领域

本发明一般涉及改进的毛刷密封设计，以便用于涡轮机、诸如蒸汽和燃气涡轮机和其它的、从工作流体的膨胀中取得能量的装置。

2.现有技术的简要说明

轴流式弹性流体涡轮机、诸如轴流式汽轮机在我们社会的电力供应中扮演着非常重要的角式。通常，在一传统的发电厂里有许多汽轮机，各驱动一个或多个发电机。

通常，各汽轮机包括一可转动的轴，它由安装在壳体里的轴承支承。为了使用过热蒸汽(用于汽轮机的过热蒸汽和用于“燃气”涡轮机的碳氢化合物燃烧气体)的动量使转动轴转动，沿着轴的轴线依次设置一组分级涡轮机。通常在涡轮机壳体的外面设置一锅炉，以便产生蒸汽推动涡轮机。在涡轮机壳体的外面设置蒸汽管，以便将锅炉里的蒸汽引导至涡轮机。涡轮机通常按照操作压力或压力范围分级。在涡轮机壳体的一端固定一叫做导流管的变窄的壳体。在导流管的一端是一管道(喷口管道)，它与来自锅炉的管道连接；喷口管道相对蒸汽供应管道的密封是通过叫做喷口环的密封环实现的；喷口环包括两组互相啮合的环，一组环设置在喷口管道的外侧，而另一组设置的蒸汽管道的内侧，喷口管道通向蒸汽管道。Miller在美国专利第2,863,632号(其内容在这里被参考引用)公开了这种类型的伸缩接头的一个例子。

各压力分级涡轮机具有一涡轮转子。各转子具有许多叶片，这些叶片自轴径向朝一沿圆周延伸的罩带(即罩盖)延伸一个预定距离，而罩带固定在叶片的凸榫部分上。一固定的隔板安装在各转子的后面，并在形成于涡轮机壳体内的环形连接里。隔板的内部结构限定成环状设置的许多蒸汽喷嘴，这些喷嘴环绕着转子设置。这些喷嘴设置在与其相关的转子上的叶片相同的径向位置上。喷嘴引导蒸汽(或其它工作流体)进入各级，并引导它至叶片。为了建立与各涡轮机转子的罩带的“端部密封”，由各级里的固定的隔板支承环状设置的溢出带部分，而密封件向转动的罩带延伸(罩带固定在叶片上，叶片固定在转子上，而转子可以转动)。当蒸汽经过涡轮机时，其一部分线性动量转变成在各分级涡轮机里的转子叶片的角动量，从而将扭矩传递给涡轮机轴。在下游级里，常常需要增加转子叶片的长度和相关的隔板的尺寸，以便吸取在降低压力下的工作流体的动能。

涡轮机设计中的一个主要问题涉及在涡轮机的蒸汽流动路径上的许多固定件和转动件之间的蒸汽密封的质量。通常，在涡轮机内有若干位置必须设置这种密封，以便确保高的涡轮机效率。

需要蒸汽密封的第一个位置在各转子的外侧部分和与其相关的隔板之间，这已通过使用美国专利第5,547,340号所述类型的分段的溢出带环实现，该专利在这里被参考引用。在起动操作过程中，当转子呈现出环绕其轴线的低频率操作模式时，沿着溢出带各段突出的刚性的翅片状结构(例如翅片密封)的端部趋向于摩擦和/或切入相关的转子的罩带，从而在起动过程中对其产生危害。防止这种摩擦作用的唯一安全措施是设计溢出带，即在溢出带上的翅片的顶部和转子的罩带之间存在足够的空隙。然而，这种方案导致顶部密封的下降，这将允许蒸汽经过空隙区域和不经过转子的叶片，而在叶片上方通过，从而降低了涡轮机的性能。

需要蒸汽密封的第二个位置在转子和涡轮机轴之间。在该区域内提供良好的密封最近几年已经提出，即在各分级涡轮机的转子和涡轮机轴之间安装分段的密封件。该密封件通常包括在一零件上具有许多排翅片(即密封齿)的第一环状结构，和具有与翅片对应的许多排表面凸起的第二环状结构。通常在相关的隔板安装第一环状结构，而第二环状结构通常安装在涡轮机轴上。合在一起后，对应的和互配的成排的翅片和凸起结构产生一迷宫式密封，它对加压蒸汽形成一条高阻抗流动路径。然而，在起动操作过程中，环绕着涡轮机轴线的低频率的操作模式趋向于使各排翅片的顶部径向向外和向内移动；此外，由于热工作流体传送给各级和各加热至操作温度而产生的不同的热膨胀可能恶化和危及密封件。为了避免摩擦和损坏这种密封件环状结构，必须设计翅片和表面凸起，使它们具有足够的间隙，从而在起动操作过程中避免顶部摩擦。然而，这必将降低迷宫密封的质量。

在授予Brandon的美国专利第4,436,311号和第5,395,124号里(它们的内容在这里被参考引用)，已着重解决密封件环状设计里的翅片顶部摩擦的问题，它们是在各转子和涡轮机轴之间提供可伸缩的分段的密封件环状结构。下面介绍了用这种设计改进迷宫密封质量的方式。在起动操作过程中，当低频率的转子振动处于主导地位时，安装在隔板上的密封件环状部分沿径向方向被弹簧偏压而离开涡轮机轴，从而降低了翅片顶部摩擦和密封件环的损坏。当转子的角速度增加时，低频率的振动自然减少。密封件的环状段在蒸汽压力下被迫(径向向内)靠近涡轮机轴，改善了翅片和对应的表面凸起之间的迷宫密封的质量，从而改进了涡轮机的效率。

英国专利申请公开第GB 2 301 635 A介绍了针对密封件里的翅片顶部摩擦问题的另一种方案。在该英国专利申请里，在从安装在隔板上的密封件环状段延伸出来的一对翅片之间安装一毛刷状零件。毛刷密封件的作用是在所有操作阶段中改善迷宫密封的质量。然而，这种设计的一个主要缺陷是，在这种设计里不设计大的间隙，在起动操作过程中它不会提供对翅片密封件的顶部的保护。因此，由于这种增加的间隙的需要，由现有技术中的密封件设计提供的迷宫密封的质量必定是折衷的。

还有许多其它专利描述了在涡轮机中使用毛刷密封，诸如Ferguson的美国专利第4,971,336号、Sanders等人的美国专利第5,599,026号、Bagepalli等人的美国专利第5,474,306号和Skinner等人的美国专利第5,749,584号(它们的内容在这里被参考引用)。在这些设计里，毛刷密封件被设计成固定的和可移动的。许多最新的毛刷密封设计提供了自涡轮机的半径(其中心由转动的涡轮机轴限定)倾斜一个角度的毛刷。如Skinner等人所述的，具有可伸缩密封件的(例如Brandon所述的)现有机器可用毛刷密封件代替一种迷宫齿得到改进，但当与可伸缩的密封件一起使用时，Skinner等人说，设置在一可伸缩的密封件里的各毛刷密封件的端部必须沿着半径被切割，以便当密封件互相结合形成环结构时给各段提供平整的表面，以便进行适当的配合。由于毛刷相对沿半径设置的毛刷密封件的扁平端部倾斜，Skinner等人的设计包括在毛刷密封件里的一小间隙。

本发明的目的和简要说明

本发明的主要目的是提供一种改进的毛刷密封设计，以便在涡轮机里产生高密封，同时避免现有技术中的毛刷密封设计的缺陷。

本发明的另一目的是提供这样一种毛刷密封设计，它有效地减少涡轮机零件的磨损，同时通过在起动操作过程中提供涡轮机转子和轴的瞬时径向偏移而在涡轮机的各级之间提供改进的密封。

本发明的再一个目的是给有伸缩性的涡轮机提供一种改进的分段的密封件环，其中，在密封件环固定件及其转子之间提供一改进的密封。

本发明的还有一个目的是给有伸缩性的涡轮机提供一种改进的可伸缩的密封件，其中，通过翅片和至少一排毛刷零件(即毛刷密封件)在可伸缩的密封件和涡轮机转子之间形成一改进的密封。

本发明的另一目的是提供一种可伸缩的毛刷密封密封件，它能提供连续的毛刷密封，而没有现有技术中的在可伸缩密封件上的毛刷密封所具有的间隙。

本发明的上述的和其它的目的从下面的描述中可看得更加清楚。

附图的简要说明

为了更完整地了解本发明的目的，应该结合附图阅读下面的示范实施例的详细说明，其中：

图1是一传统的分级涡轮机的剖视图，它包括本发明的新颖密封的一个实施例；

图2A和2B是密封件相对两端的立体图；

图3是显示相邻的、但互相间隔的两密封件的侧视图；

图4是在一密封件的侧面的一凹口的立体图，它允许在起动和关闭过程中蒸汽进入到密封件后面。

较佳实施例的详细介绍

读者首先参阅了在背景技术部分里的上述专利，它们详细介绍了有关迷宫密封和可伸缩的密封件。如背景技术部分里所指出的，蒸汽通过隔板里的喷嘴在每级里被引导至叶片，隔板固定在不能移动的壳体上，而叶片固定在涡轮机的旋转轴上。

如图1所示，通过涡轮机的剖视图显示了壳体101，而壳体里安装着与相邻的级分开的隔板103。来自前一级的蒸汽流被引导通过在隔板里的喷嘴(一成形开口)105，以便冲击涡轮机叶片107。各叶片通过根部109固定于涡轮机轴111。叶片端部的外周由一圆周护罩113覆盖。通过顶部密封件115防止蒸汽绕过叶片和越过护罩；蒸汽不能在顶部密封件和护罩之间回流，这是因为蒸汽不能从低压区流向高压区(在图1，左侧区域的气压比右侧气压低)。一对应的顶部密封件115设置在叶片的下游级上。虽然蒸汽不能通过密封件115回流(即向图的右侧)，但它可能在隔板和轴之间泄漏。因此，这里是需要使用密封的另一个位置。在检查中发现，来自前一级的蒸汽冲击在叶片上，并被引导至下一级，在隔板里的一喷嘴通向下一组叶片。必须防止进入该级的蒸汽环绕着具有喷嘴的隔板逃逸；防止蒸汽因较高的压力而返回上游，通过与轴相邻的密封件117防止蒸汽环绕着轴经过，并通过顶部密封件115防止蒸汽绕过叶片。

在隔板和轴之间的密封件较佳的是可回收的，且较佳的是迷宫式。密封件117设置在隔板上，它包括许多翅片119，各翅片的端部靠近轴上的对应的凹凸面121，它们中的一些被抬高，从而提供适当的空隙和高阻力的曲折(迷宫)路径，由此提供密封。密封件可利用一弹簧压向轴。密封件成一圆环形状，较佳的是由许多段组成，在高压环境中通常是六段。依靠这种密封件，离开前一级叶片的蒸汽被引导通过喷嘴，而不会环绕着隔板逃逸。应该知道，迷宫密封不需要具有结实的翅片，以便提供一迷宫。例如，一个或几个翅片可用毛刷密封代替，或者设置翅片的整个内表面上可以是毛刷。在这两种情况下，建立了曲折流动路径，从而形成一迷宫密封。

可伸缩的密封件是弧形的。图2A和2B显示了一密封件的相对两端的立体图。各密封件201具有一主体202及两端部203a和203b，较佳的是，该两端部与涡轮机的轴向半径(即沿着轴的轴向看去，在横截面上的涡轮机的半径)平行，虽然它们不需要这样。密封件的径向内表面205(即，面向轴的侧面)上设有许多翅片207，它们从内表面可具有相同的或不同的高度。径向外表面206较佳的是具有一T形延伸部分，该延伸部分形成有相对的台肩209a/209b，它们与图1中的隔板上的形状对应的凹槽啮合。颈部211连接密封件的径向外表面和台肩，并接纳隔板上的对应的突出。颈部在密封件各端处较佳的是具有一孔215。一弹簧(或类似装置)设置在相邻两密封件的各孔里；该弹簧推压密封件互相分离。如上所述，较佳的是，这些密封件包括允许在密封件之后的蒸汽的装置，如下面将要讨论的；当涡轮机达到操作压力时，该压力迫使密封件的颈部邻接隔板上对应的突出，并形成密封，这样，蒸汽必须经过喷嘴或试图穿越迷宫密封。

在图2A和2B所示的实施例里，可设置翅片的密封件的中部已被一毛刷密封件代替。该密封件通常包括一固定夹217，其中设置许多硬毛219。如图所示和现有技术中已介绍的，硬毛较佳的是相对涡轮机的(轴向)半径是倾斜的(成角度的)。我们已经发现，Skinner等人认为的所谓问题，即毛刷密封件的端部与密封件的端部一样必须沿着涡轮机的半径设置，不是一种限制。如图2A和2B所示，在密封件的一端，毛刷密封件被切成一角度，该角延伸超过密封件的端部(例如图2A)；而在该密封件的另一端，毛刷密封件的另一端被切成一角度，该角在密封件的上面延伸(例如图2B)。这样，毛刷密封件的端部不是沿着涡轮机的半径设置的。较佳的是，毛刷密封件的端部被这样切割，即固定夹的底面(或外面)221基本上与内面205及密封件端部203a/b之间的汇合处一致。

本发明与Skinner等人所述的系统相比具有一个显著的优点，因为这里的毛刷密封件没有硬毛不能到达的区域。在制造中，由毛刷密封件形成的密封通常是相对一迷宫密封里的理论翅片确定的。由于毛刷密封件不是坚硬的，因此即使毛刷与轴成线接触，一些流动也可能通过它的。做一个压力测试，以便确定毛刷密封件成线接触时的泄漏。然后，可用这个泄漏值反过来计算出在一迷宫密封里的理论翅片之间的间隙；即，提供测试中的压力降，反过来计算出翅片端部与轴之间的区域(翅片是坚硬的，没有工作流体通过它)，以便给毛刷密封件提供一个有效的泄漏区域。如果假定Skinner等人所述的毛刷密封件本身和本发明的毛刷密封件具有相同的有效泄漏区域，由Skinner等人所述的密封件里的缺少的硬毛形成的空间的增加将导致Skinner等人的密封件里的泄漏区域显著地大于本发明。所述的泄漏区域涉及密封件的直径。如使用36″直径的毛刷密封件，Skinner等人的毛刷密封件具有比本发明的毛刷密封件大47％的泄漏，而对于10″直径的毛刷密封件来说，本发明的密封件具有264％的较少的泄漏。

在起动过程中的瞬时操作中，密封件被收缩和径向向外推压；从而允许轴慢慢转动，带有一些摇摆或振动，而轴上的凹凸面121不会冲击和损害密封件上的翅片。当蒸汽压力增加和涡轮机达到操作速度和温度时，密封件环绕着轴收缩。如图3所示，相邻的密封件被弹簧301(图中画了一个螺旋弹簧)分离。在在一个毛刷密封件的端部，密封件被切成一角度，该角延伸超过密封件的端部，从而提供一突舌303。而相邻的密封件的对应端部上设有毛刷密封件，该密封件被切成一角度，该角在密封件的表面上延伸，从而提供一凹槽305。当密封件合在一起形成一环时，相邻密封件的相对端部相遇并对齐，一个密封件上的毛刷密封件的突舌部分与相邻的密封件上的凹槽啮合。这样，本发明避免了在Skinner等人的装置中固有的、其中在密封件之间的各连接处的毛刷密封件上存在小孔或空间的问题。此外，毛刷密封件(或多个毛刷密封件中的一个)可被设置为一个浮动的毛刷密封件。

除了有关如上所述瞬时操作外，在起动过程中还常常存在着与热梯度、失配增加、对齐及振动有关的问题。为了避免损害密封件，最好使密封件与轴脱离。因此，Brandon在美国专利第4,436,311号里所述的可收缩的密封件是较佳的；实质上，该密封件是可径向移动和自我调整的。该密封件包括成一圆环的许多密封件，相邻的密封件在弹簧作用下互相分离，该弹簧迫使该圆环形成较大的圆周，从而脱离涡轮机轴；在圆环里的底部密封件由于重力而自然移动离开轴。为了迫使密封件向轴移动，提供工作流体(蒸汽)，通向密封件的上游径向外表面；这种通路可被设置为在图1中所示的隔板壁上的孔307，这样，蒸汽自由地通向密封件的后面。此外，如图4所示，可在密封件的径向外表面206、颈部211和一个台肩209上提供一凹槽或凹口401或其它引导结构，以便允许工作流体进入外表面的后面，使密封件向轴移动。在图4所示的密封件外表面上的T形延伸部分的台肩部分也可提供凹槽或缝槽403，它垂直于密封件的圆弧，以便接纳一(板)弹簧或定位，以便进一步偏压和/或对齐密封件。操作时，当涡轮机停车和蒸汽进入使涡轮机达到一转速时，在密封件端部的弹簧迫使成环状的密封件向大直径方向移动，从而离开轴。由于这种偏压，在密封件之间将出现空间，而这些空间和或上述的凹口允许蒸汽到达与特定的隔板相关的密封件的后面，当蒸汽压力增加时，迫使环的直径变小，从而环绕着轴密封。

上述介绍是示范性的，而非限制性的。在阅读了本说明书后，许多变化、改进对于本技术领域的技术人员来说是显而易见的，这意味着这些变化和改进在由附后的权利要求书限定的本发明的范围和构思内。

Claims (9)

1.一种密封件，它用于从气态工作流体的膨胀吸取能量的装置，所述装置包括一设置在壳体里的转动轴，所述许多密封件设置成一圆环，其中心在所述轴限定的轴线上，从而提供环绕着该轴的一密封，所述密封件包括：一用来密封所述轴的内表面；设置在内表面上的至少一毛刷密封件；与所述轴线的半径平行地被切割的相对两端；以及所述毛刷密封件具有相对两端，所述至少一端不平行于所述轴线的半径被切割。

2.如权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述毛刷密封件的两端均不平行于所述轴线的半径被切割。

3.如权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述内表面还包括许多翅片。

4.如权利要求1所述的密封件，其特征在于，所述内表面包括许多毛刷密封件。

5.如权利要求3所述的密封件，其特征在于，各翅片从内表面延伸不同的距离。

6.一种毛刷密封件，它用于从气态工作流体的膨胀吸取能量的装置，所述装置包括一设置在壳体里的转动轴，所述毛刷密封件由许多相邻的密封件设置成一圆环，其中心在所述轴限定的轴线上，从而提供环绕着该轴的一毛刷密封，所述各密封件包括：一用来密封所述轴的内表面；设置在内表面上的至少一毛刷密封件；与所述轴线的半径平行地被切割的相对两端；所述毛刷密封件具有不平行于所述轴线的半径被切割的相对两端，其中一端成一角度被切割，形成一延伸超过密封件端部的突舌，另一端相对所述密封件以同样角度被切割，从而提供一凹槽，以便接纳在另一密封件上的一毛刷密封件是形成的突舌。

7.如权利要求6所述的毛刷密封件，其特征在于，所述内表面还包括许多翅片。

8.如权利要求6所述的毛刷密封件，其特征在于，所述内表面包括许多毛刷密封件。

9.如权利要求7所述的毛刷，密封件，其特征在于，各翅片从内表面延伸不同的距离。

Images