CN1839247A - 一种固定式燃气轮机中的迷宫式密封装置 - Google Patents

一种固定式燃气轮机中的迷宫式密封装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于支承导向叶片的分段式内环。根据本发明，一个布置在转子轴上的轴肩的一个与所述内环的端面相对的侧壁在径向上延伸，其中，在所述内环的端面和所述轴肩上各形成半个迷宫式密封装置。本发明的目的是，为了将航空涡轮机中常见的层叠式迷宫式密封装置(51)的配置应用到具有一接合面(61)的固定式燃气轮机(1)中而提供一种安装一个燃气轮机(1)的一个内环(30)的方法。此外，本发明还涉及一种具有一分段式内环(30)的固定式燃气轮机。

Description

一种固定式燃气轮机中的迷宫式密封装置
技术领域
本发明涉及一种固定式燃气轮机，其具有一用于支承导向叶片的分段式内环。此外，本发明还涉及一种安装固定式燃气轮机的导向叶片的分段式内环的方法。
背景技术
DE 37 12 628公开了一种用于支承固定式燃气轮机的导向叶片的内环。其中，导向叶片围绕转子呈星形分布，构成一个导向叶片环，并且导向叶片通过其在径向上位于外侧的导向叶片根部而固定在燃气轮机的外壳上。径向延伸的导向叶片在其面向转子的一侧上具有与固定式内环相连的导向叶片顶部。该横截面为“U”形的内环共轴地啮合在燃气轮机的转子上，并将一导向叶片环的各导向叶片彼此相连，从而提高导向叶片环的稳定性和改进导向叶片的振动性能。其中，“U”形内环的托环、“U”形内环的侧壁与转子上相应的圆周面和端面之间形成一个间隙。“U”形内环的托环在其面向转子的表面上具有半个迷宫式密封装置，它与布置在转子上的另外半个迷宫式密封装置共同构成一个迷宫式密封装置。
燃气轮机工作时，在流体通道中流动的工作流体应该只流经一个导向叶片环的导向叶片。但工作流体也会从由固定部件和旋转部件构成的间隙中泄漏出去。通过用上述迷宫式密封装置密封固定部件和旋转部件之间的间隙，可以减少工作流体的泄漏。
此外还已知，通过在内环的侧壁和轴肩之间设置复数个迷宫式密封装置，可以取得更好的密封效果。其中，每两个分别为轴向和径向布置的迷宫式密封装置呈阶梯状地布置在侧壁与轴肩之间的间隙中。
这种由复数个迷宫式密封装置构成的阶梯状配置所需空间较大，一般只用于固定式燃气轮机。固定式燃气轮机具有一个位于上部外壳和下部外壳之间的接合面，并且固定式燃气轮机采用的是径向装配。装配时，将成品转子装入已预装好的下部外壳内，再将上部外壳安装在下部外壳之上，这样，转子和外壳之间只可以装入呈阶梯状布置的迷宫式密封装置。
US 5,222,742公开了一种层叠式迷宫式密封装置，这种密封装置布置在涡轮机导向叶片的紧固环和一个位于涡轮机转子上的动叶片之间。所述涡轮机是一种轴向装配的航空涡轮机，也就是说，各个压缩机级和/或涡轮级的轴向连续的动叶片环和导向叶片环在安装时采取逐环安装的方式，从而可以对所述迷宫式密封装置进行层叠式装配。DE 199 31 765和FR 2 241 691公开了其他同属此类的用于航空涡轮机的层叠式迷宫式密封装置。
由于迄今为止只公开了用于航空涡轮机的层叠式迷宫式密封装置，因而这种轴向的装配方式导致本领域的技术人员至今仍无法将这种层叠式迷宫式密封装置应用于固定式燃气轮机。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种具有一接合间隙的固定式燃气轮机，其中，通过使用航空涡轮机中常见的层叠式迷宫式密封装置可以减少流体的泄漏。本发明的另一目的在于提供一种安装一个内环的方法，通过这种方法可以实现对迷宫式密封装置的层叠式装配。
本发明有关上述燃气轮机的目的通过权利要求1所述的特征而达成；本发明有关上述方法的目的通过权利要求8所述的特征而达成。从属权利要求所涉及的是有利的配置方案。
通过实施权利要求8所述的工作步骤，可以首次实现将航空涡轮机中常见的层叠式迷宫式密封装置的配置应用到固定式燃气轮机中。由此，可以在具有一接合面的固定式燃气轮机中布置复数个径向层叠的迷宫式密封装置，从而将其较好的密封效果用于固定式燃气轮机。这样可以明显减轻会造成固定式燃气轮机效率降低的工作流体泄漏情况。
与阶梯状配置相比，径向层叠的迷宫式密封装置所需空间较小。特别是密封装置尺寸和整个内环在轴向上的尺寸有所减小。
上述燃气轮机的拆卸方法按权利要求8所述的工作步骤以相反顺序进行。
如果每一个迷宫式密封装置在内环的端面上布置一个第一共轴突出部，在轴肩上布置另一个共轴突出部，并且这两个突出部分别沿轴向突出，则这两个突出部在内环装配完毕的状态下可以在径向上彼此相对。这种突出部的层叠配置可以将迷宫式密封装置串联起来，同时为泄漏的工作流体形成一个弯曲间隙。
根据有利的设计方案，迷宫式密封装置由一个密封面和至少一个密封齿构成，其中，第一突出部具有一个共轴密封面，该共轴密封面面向另一个突出部，另一个突出部在其面向第一突出部的圆周面上具有至少一个朝密封面方向延伸的圆周密封齿。
为了轴向固定内环，内环可以固定在旋转的固定组件和/或导向叶片上。
如果内环布置在两个动叶片环之间，则可以通过一个紧固环防止内环发生轴向移动。其中，紧固环为分段式，并设置在导向叶片上。
合理的做法是将紧固环布置在内环的上游。
根据有利的设计方案，密封面和设置在突出部上的密封齿采取这样的设计，使得转子可以以与工作流体的流动方向相反的方向按预定目的进行轴向移动，但并不改变密封效果。因此，在燃气轮机工作时转子可以进行移动，但不会影响密封效果。这一点在出现下述情况时尤为重要，即，当动叶片顶端和热气通道在径向上位于外侧的锥形内壁之间的间隙由于转子的移动而有所减小时。
附图说明
下面借助附图对本发明进行说明，其中：
图1为一个用于支承一个第一涡轮级的导向叶片的分段式紧固环；
图2为一个用于支承一个第二、第三和第四涡轮级的导向叶片的分段式内环；以及
图3为一个燃气轮机的纵向局部剖视图。
具体实施方式
图3显示的是一个燃气轮机1的纵向局部剖视图。燃气轮机1的内部具有一个转子3，转子3可以围绕一个旋转轴2旋转，又称为涡轮转子或转子轴。沿着转子3依次布置着一个进气壳体4、一个压缩机5、一个配有复数个共轴布置的燃烧器7的环形燃烧室6、一个涡轮8和一个废气室9。环形燃烧室6构成燃烧区10，燃烧区10与一个环形热气通道11连通。在热气通道11中，四个串联在一起的涡轮级12构成了涡轮8。每个涡轮级12均由两个叶片环组成。从一工作流体14的流动方向上看，热气通道11中的一个导向叶片环17后面布置着一个由动叶片18组成的环15。其中，导向叶片16固定在定子19上，而组成一个环15的动叶片18则通过一个涡轮盘20固定在转子3上。转子3上耦接着一个发电机或一个做功机器(图中未显示)。
固定式燃气轮机1具有一个外壳60，以一个平行于水平面的接合面61为基准，所述外壳60可以划分为一个上部外壳62和一个下部外壳64。下文中所使用的“上”和“下”或“......的上半部分”和“......的下半部分”的表达方式均是以燃气轮机1的接合面61为基准而进行的划分。
燃气轮机1工作时，压缩机5通过进气壳体4吸入空气21，并对这部分空气21进行压缩。在压缩机5靠近涡轮一侧的一端上生成的压缩空气21被输送到燃烧器7上，并在这里与一燃料混合。这部分由压缩空气和燃料构成的混合物在燃烧区10中燃烧，形成一种工作流体14。工作流体14在热气通道11中流经导向叶片16和动叶片18。工作流体14在动叶片18处膨胀，发射其动量，从而驱动转子3和一个与其耦接的做功机器。
导向叶片16在其面向外壳13的一侧上具有一个导向叶片根部，所述导向叶片根部卡在一个环形的导向叶片托架中。导向叶片在其面向转子的一端上具有与一个内环相连的导向叶片顶部。
图1显示的是燃气轮机1中位于一个第一涡轮级12的导向叶片16和转子3之间的一个部分。环形燃烧室6在径向上位于内侧的内壁构成了热气通道11通向内部的界限。从工作流体14的流动方向上看，动叶片18布置在第一涡轮级12的导向叶片16后面。
涡轮盘20位于转子3上，动叶片18支承在涡轮盘的外圆周上。为防止动叶片18发生轴向移动，在涡轮盘20的一个侧壁22上，一个防护元件23借助复数个在径向上彼此隔开的挂钩卡住涡轮盘20。其中，防护元件23和涡轮盘20共同构成了一个轴肩24。
防护元件23的一个面向环形燃烧室6的侧壁51上布置着复数个轴向延伸并共轴环绕的突出部25′、25″、25、25″″。每个突出部25远离转子3的圆周面上各有三个密封齿26′、26″、26、26″″，它们在所述圆周面上共轴延伸。
在环形燃烧室6在径向上位于内侧的内壁和转子3之间，三个组件33、34、35旋转地固定在定子19上。旋转固定的内环30布置在组件33、34、35和防护元件23之间。
内环30在其面向轴肩24的端面52上具有复数个轴向延伸并共轴环绕的突出部29′、29″、29、29″″。其中，各突出部29面向密封齿26的圆周面上分别设置了密封面27′、27″、27、27″″。每个密封面27和与之对应的密封齿26一起构成一个迷宫式密封装置28。
防护元件23和内环30之间形成了一个弯曲间隙38，在所述间隙38内，有四个迷宫式密封装置28′、28″、28、28″″依次相连，其中，迷宫式密封装置28′、28″、28在径向上层叠在一起。
迷宫式密封装置28″″并非径向层叠在其径向相邻的、位于内侧的迷宫式密封装置28上，而是以阶梯状布置，也就是说，迷宫式密封装置28″″和迷宫式密封装置28之间存在着轴向位移。
内环30在其面向环形燃烧室6的端面52上具有一个轴向延伸的支臂46，在支臂46的自由端上具有一个在径向上向内延伸的凸起37。
组件34在其面向内环30的一侧上具有一个凸起36，凸起36与内环30上的凸起37相互卡合。
燃气轮机1工作时，一工作流体14在热气通道11中流动。为避免工作流体14渗漏到一个由固定部件和旋转部件构成的间隙38中，间隙38具有复数个径向层叠的迷宫式密封装置28，从流体技术角度来看，这些迷宫式密封装置28共同起到了一个密封装置31的作用。
在通过增加迷宫式密封装置28的数量而改善密封效果的同时，通过所述三个彼此间不存在轴向位移的层叠式迷宫式密封装置28′、28″、28可以实现一种紧凑的结构。
图2显示的是位于热气通道11和转子3的旋转轴2之间的燃气轮机1的一个部分。涡轮盘20″支承着第二涡轮级的动叶片18″，涡轮盘20支承着第三涡轮级的动叶片18。布置在涡轮盘20″的侧壁22″上的防护元件23″可以防止动叶片18″发生轴向移动。防护元件23″通过两个在径向上彼此隔开的卡钩与涡轮盘20″卡在一起。防护元件23也同样可以防止动叶片18发生轴向移动。其中，防护元件23与涡轮盘20一起卡在侧壁22上。
具有一个紧固环40的内环30布置在形成于两个涡轮盘20″和20之间的槽形空隙42中。
紧固环40在其面向转子3的一侧上借助一个卡钩41与内环30相连，在其远离转子3的一侧上与导向叶片16相连。为此，内环30借助一螺栓45与导向叶片16拧在一起，而紧固环40则与导向叶片16夹合在一起。紧固环40具有一个槽43，布置在导向叶片16上的一个凸起44向槽43内延伸。
防护元件23在其远离涡轮盘20的侧壁51上具有3个轴向延伸并共轴环绕的突出部25′、25″、25。各突出部25′、25″、25的外圆周面上布置着三个共轴环绕的密封齿26′、26″、26。内环30在其面向涡轮盘20的端面52上同样具有三个突出部29′、29″、29，这三个共轴环绕的突出部朝轴肩24方向延伸，并与之垂直。每个突出部29在其内侧的圆周面上均具有一密封面27，密封面27面向在径向上更靠近内侧的防护元件23上的突出部25。其中，密封面27′和密封齿26′构成一个迷宫式密封装置28′，密封面27″和密封齿26″构成另一个迷宫式密封装置28″，密封面27和密封齿26构成第三个迷宫式密封装置28。
图2所示的密封装置31可以按下列装配步骤进行组装：
在开始装配具有接合面61的固定式燃气轮机1时，首先要安装下部外壳64。在下部外壳64中，各导向叶片环17的下半部分已经通过已预装好的导向叶片16安装完毕。
在尚未装入下部外壳的转子3上只安装防护元件23″，此时，侧壁22上还没有防护元件23。
按本发明安装内环30之前，先将紧固环40的下半部分装入下部外壳64中，使得凸起44与槽43啮合，其中，紧固环的下半部分中一个单体式或组合式分段构成，其大小总共为180°。随后将内环30的下半部分安装在下部外壳64中，其中，下部外壳64卡住内环30并且部分地和导向叶片16栓接在一起，从而防止导向叶片16发生相对运动。其中，内环30的下半部分同样由一个或多个、大小总共为180°的分段构成。
在将每个紧固环40和内环30的下半部分安装在下部外壳64中之后，即可将转子3装入下部外壳64中。其中，至少涡轮盘20的侧壁22的下半部分上可以没有防护元件23，否则转子3就无法装入下部外壳64中，其中，涡轮盘20的侧壁22的下半部分会面向端面52。
将防护元件23的一个分段安装在转子3的侧壁22的上半部分上，其中，转子3已装入下部外壳64中。
接着转动转子3，使得防护元件23安装在侧壁22的上半部分上的分段随着转子的旋转进入下部外壳64。此时，防护元件23上的轴向延伸的突出部25精确地移动到已位于下部外壳中的内环30上的对应突出部29之间。
通过上述方法将防护元件23的多个分段安装在侧壁22的上半部分上，并将之转入下部外壳64，从而完整地形成密封装置31的下半部分。
接着，在将防护元件23的上半部分安装到在侧壁22上的转子3的上半部分后，下一步可以沿径向向内侧推动内环30的上半部分，使其进入形成于涡轮盘20″和20之间的空隙42中，以制成内环30，然后通过轴向移动将内环30的上半部分上的突出部29推到防护元件23的突出部25的上方。此时，内环30的上半部分位于内环30或紧固环40的下半部分的凸缘上。
接着，将紧固环40的上半部分推入空隙42中，使之与内环30卡合，从而制成分段式圆形紧固环40。
随后可以使用已知的方法安装导向叶片环17的上半部分的导向叶片16。
采用相同的装配步骤来固定图1所示的第一涡轮级12的导向叶片16。
在将不具有防护元件23的转子3装入下部外壳64之前，先在下部外壳64中预安装导向叶片16和组件35、36、37。
接着，如果第一涡轮盘20的侧壁22的上半部分上没有防护元件，则在其上安装防护元件23的一个或多个分段。然后转动转子3，使所述分段进入下部外壳64中，从而形成密封装置31的下半部分。
在将防护元件23的上半部分安装到侧壁22上的转子3的上半部分后，下一步可以沿径向向内侧推动内环30的上半部分，使其进入形成于涡轮盘20和环形燃烧室6之间的自由空间中，然后将内环30的上半部分上的突出部29沿轴向推到防护元件23的突出部25的上方。此时，内环30的上半部分位于内环30的下半部分的端面上。
接着依次装入组件33、34和36。
根据一种替代性方案，每个分段可以由复数个零件构成。
燃气轮机1工作时，转子3可以在一个与工作流体14的流动方向相反的方向上移动，但突出部25、29不会与与其相对的端面接触或相撞。
在燃气轮机1工作时，旋转固定的内环30和可旋转的防护元件23构成一个间隙38，间隙38可以用密封装置31来密封。这样可以有效避免热气通道11中的工作流体14发生泄漏，从而可以使其按预定目的流经动叶片18。有效减少工作流体的泄漏可以提高固定式燃气轮机的效率。
此外，密封装置47、48、49、50减少了工作流体在旋转部件和固定部件之间的泄漏。

Claims (9)

1.一种固定式燃气轮机，所述固定式燃气轮机具有一个接合面(61)，该接合面(61)位于一个下部外壳(64)和一个上部外壳(62)之间；一个用于支承导向叶片(16)的分段式内环(30)，所述内环(30)共轴地啮合在所述燃气轮机的转子(3)上，所述内环(30)在其外圆周上具有一定数量、彼此间具有相同角间距的导向叶片(16)，这部分导向叶片组成一个导向叶片环(17)，其特征在于，所述固定式燃气轮机还具有一个布置在转子轴上的轴肩(24)的一个侧壁(51)，所述侧壁(51)与所述内环(30)的端面(52)相对，在径向上延伸，其中，在所述内环(30)的端面(52)上和所述轴肩(24)的径向延伸的侧壁(51)上各形成半个密封装置(31)，所述密封装置(31)由复数个径向层叠的迷宫式密封装置(28)构成。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，为了形成一个所述的迷宫式密封装置(28)，在所述端面(52)上布置一个第一共轴突出部(25)，在所述轴肩(24)上布置另一个共轴突出部(29)，并且这两个突出部(25，29)分别沿轴向突出，在所述内环(30)装配完毕的状态下，所述的两个突出部(25，29)在径向上彼此相对。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一突出部(25)具有一个面向所述的另一个突出部(29)的共轴密封面(27)，所述的另一个突出部(29)在其面向所述第一突出部(25)的圆周面上具有至少一个朝所述密封面(27)方向延伸的共轴密封齿(26)，所述迷宫式密封装置(28)由所述密封面(27)和至少一个所述密封齿(26)构成。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，所述内环(30)固定在至少一个旋转的固定组件(33，34，35)和/或所述导向叶片(16)上。
5.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，通过一个紧固环(40)来防止所述内环(30)发生轴向移动。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述紧固环(40)为分段式，并支承在所述导向叶片(16)上。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，以一沿轴向流过涡轮的工作流体(14)为参照，所述紧固环布置在所述内环(30)的上游。
8.一种安装固定式燃气轮机(1)的导向叶片(16)的分段式内环(30)的方法，所述燃气轮机(1)具有一个接合面(61)，该接合面(61)位于一个下部外壳(64)和一个上部外壳(62)之间，具有所述内环(30)，所述内环(30)由分段组成，并共轴地啮合在所述燃气轮机(1)的转子(3)上，所述内环(30)在其外圆周上具有一定数量、彼此间具有相同角间距的导向叶片(16)，这部分导向叶片组成一个导向叶片环(17)，所述内环(30)的端面(52)面向一个布置在所述转子(3)上的一个轴肩(24)的径向延伸的侧壁(51)，其中，在所述内环(30)的端面(52)上和与所述内环的端面相对、所述轴肩(24)的对应侧壁(51)上各形成半个密封装置(31)，其特征在于，所述由复数个径向层叠的迷宫式密封装置(28)构成的密封装置(31)和所述内环(30)按下列装配步骤进行组装：
a)先在所述下部外壳(64)上装配所述导向叶片(16)，再依次安装由一个或多个分段组成的一个紧固环(40)的下半部分以及由一个或多个分段组成的所述内环(30)的下半部分，
b)将所述转子(3)装入所述下部外壳(64)，
c)将环形防护元件(23)的一个分段安装在所述转子(3)可直接操作的对应上部侧壁(22)上，所述分段随后面向所述端面(52)，
d)将所述转子(3)至少部分地围绕所述防护元件(23)的所述分段的弧长旋转，使得安装在所述转子(3)的上半部分上的防护元件(23)的分段移动到所述内环(30)的下半部分中，以形成所述密封装置(31)的下半部分，
e)重复步骤c)和d)，以制成所述密封装置(31)的下半部分，
f)将所述防护元件(23)的另外一个或多个分段安装到所述转子(3)可直接操作的对应上部侧壁(22)上，以制成所述环形防护元件(23)，
g)沿径向向内侧推动所述内环(30)的一个或多个分段，再使其朝所述防护元件(23)的方向移动，以制成所述内环(30)和所述密封装置(31)，
h)沿径向向内侧推动所述紧固环(40)的一个或多个分段，使其进入余下的自由空间，以制成所述紧固环(40)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，将权利要求1所述的工作步骤a)至h)以相反顺序和相反方向进行，即可拆除所述内环(30)。
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