CN1924301A - 用于装配旋转机械的方法和装置 - Google Patents

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F·D·C·里瓦斯
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Abstract

本发明提供了一种用于将至少一个密封组件(100)装配至涡轮(10)上的方法，该涡轮具有至少部分地环绕转子(60)延伸的机匣(72)。该方法包括：使密封组件与机匣连接，使得该密封组件伸入到在转子和机匣之间所限定的流体流动通道内；以及使至少一个弹簧(102)连接于密封组件和机匣之间，以便偏压各密封组件。

Description

用于装配旋转机械的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及旋转机械，特别是涉及一种用于旋转机械中的密封组件。
背景技术
至少一些蒸汽轮机具有确定的蒸汽通路，该蒸汽通路包括成串联关系的蒸汽进口、涡轮和蒸汽出口。蒸汽从高压区域至低压区域的泄漏(从蒸汽通路漏出或漏入蒸汽通路)可能对涡轮的工作效率产生不利影响。例如，涡轮中在涡轮的旋转转子轴和周围环绕的涡轮机匣之间的蒸汽通路泄漏可能降低涡轮的效率。另外，外壳与在相邻涡轮之间延伸的那部分机匣之间的蒸汽通路泄漏也可能降低蒸汽轮机的工作效率，且随时间可能会导致燃料成本增加。
为了便于减小在涡轮部分和轴承之间的蒸汽通路泄漏，至少一些已知的蒸汽轮机使用了包括多个迷宫密封件的封装机匣。一些已知的迷宫密封件包括纵向间隔开的多排迷宫密封齿，这些迷宫密封齿用于密封可能存在于蒸汽轮机中的压力差。也可以使用刷式密封件来减小透过两个部件之间的间隙所产生的泄漏。尽管刷式密封件通常提供了比迷宫密封更高效的密封，但是至少一些已知的蒸汽轮机(它们依赖于在涡轮部分之间和/或在涡轮部分和轴承之间的刷式密封组件)还使用至少一个迷宫密封件，作为刷式密封组件的冗余备用密封件。因此，制造成本可能增加。
迷宫密封件可重新定位以及径向调整，以便被动地(根据涡轮工作条件)或主动地(基于操作人员的干预)调节蒸汽泄漏流量。通常，在被动模式中，当涡轮负载增加时，密封件从缩回状态径向向内移动，直到它们在全负载或接近全负载时完全插入。当完全插入时，密封件的齿和涡轮转子轴之间的间隙处于最小值，因此，任何涡轮瞬态都可能会引起密封件齿和转子之间的意外接触。使用主动模式时，可以向操作人员提供一种机构，该机构用于在预期可能引起接触的状态下根据需要来操纵密封件，从而减小或消除接触。此外，这种主动的密封件控制机构可以是自动的，以获得基本类似的结果。当涡轮已经加速至工作转速并部分负载时，期望热梯度、振动和失配是处在当前工作条件的预定范围内。在涡轮工作过程中延迟密封件到该点的向内运行将减小密封件与转子意外接触的可能。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于将至少一个密封组件装配至涡轮上的方法，该涡轮具有至少部分地环绕转子延伸的机匣。该方法包括：将密封组件连接至机匣，使得该密封组件伸入到在转子和机匣之间所限定的流体流动通道内；以及将至少一个弹簧连接于密封组件和机匣之间，以便偏压各密封组件。
在另一方面，提供了一种用于涡轮组件的密封组件。该密封组件包括：环形槽，该环形槽形成于静止机匣中，所述槽至少部分地沿周向环绕该涡轮延伸；以及密封环，该密封环布置在所述环形槽内。所述密封环包括多个弓形的密封环段。至少一个弹簧连接于各密封环和静止机匣之间，用于向各密封环段施加基本恒定的弹簧力。
在还一方面，提供了一种旋转机械。该旋转机械包括：至少一个转子组件；至少一个静止涡轮机匣，该涡轮机匣至少部分地沿周向环绕所述至少一个转子组件延伸，这样，在转子组件和静止涡轮机匣之间就限定了一间隙；以及多个密封组件，这些密封组件布置在静止机匣和转子组件之间，以便于控制通过所述间隙的流体流量。至少一个弹簧布置在各密封组件和所述机匣之间，以便将各密封组件偏压成径向向外远离该转子组件。
附图说明
图1是示例的反向流动式高压(HP)/中压(IP)蒸汽轮机的示意图；
图2是可用于图1中所示的蒸汽轮机的涡轮喷嘴隔板和封装机匣的放大示意图；
图3是可用于图1中所示的蒸汽轮机的迷宫密封组件的示例实施例；
图4是可用于图3中所示的迷宫密封组件的密封环偏压弹簧子系统的示例实施例；以及
图5是可用于图3中所示的迷宫密封组件的密封环偏压弹簧子系统的可选示例实施例。
具体实施方式
图1是示例的反向流动式蒸汽轮机10的示意图，该蒸汽轮机10包括高压(HP)部分12和中压(IP)部分14。外壳或壳体16沿轴向分成上半部分13和下半部分15，并横跨HP部分12和IP部分14。外壳16的中央部分18包括高压蒸汽进口20和中压蒸汽进口22。在壳体16内，HP部分12和IP部分14布置成以单轴承跨距由轴颈轴承26和28支承。蒸汽密封单元30和32分别位于各轴颈轴承26和28内侧。
将各部分分开的环形分隔件42从中央部分18径向向内朝着转子轴60延伸，该转子轴60在HP部分12和IP部分14之间延伸。更具体地说，分隔件42沿周向延伸环绕着处于第一HP部分喷嘴46和第一IP部分喷嘴48之间的那部分转子轴60。分隔件42装在封装机匣52中的槽道50内。更具体地说，槽道50为沿径向伸入封装机匣52中并环绕该封装机匣52外周的C形槽道，这样，槽道50的中央开口为沿径向朝外。
在工作过程中，高压蒸汽进口20从蒸汽源例如动力锅炉(未示出)中接收高压/高温蒸汽。蒸汽经过HP部分12，在该HP部分12中，该蒸汽做功以使得转子轴60旋转。蒸汽离开HP部分12，并返回锅炉中重新加热。然后，被重新加热的蒸汽送至中压蒸汽进口22并返回IP部分14，这时的压力低于进入HP部分12的蒸汽压力，但是温度近似等于进入HP部分12的蒸汽的温度。因此，在HP部分12中的工作压力高于在IP部分14中的工作压力，这样，HP部分12内的蒸汽将趋向于通过可能会在HP部分12和IP部分14之间形成的泄漏通路而朝着IP部分14流动。一种这样的泄漏通路可能是在转子轴60内延伸穿过封装机匣52。
图2是表示可以用于涡轮10的示例涡轮喷嘴隔板70和封装机匣72的放大示意图。在该示例实施例中，喷嘴隔板70是用于高压涡轮12的第一级隔板。而且，在示例实施例中，封装机匣72包括多个迷宫密封组件100，这些迷宫密封组件100有助于减小沿转子轴60从HP部分12至IP部分14的泄漏。迷宫密封组件100包括纵向间隔开的多排齿104，这些齿安装在密封环102上，它们有助于密封可能在蒸汽轮机(例如涡轮10)中存在的工作压力差。在可选实施例中，封装机匣52包括刷式密封件，该刷式密封件也可以用于帮助减小通过两个部件之间的间隙的泄漏，例如从高压区域流向低压区域的泄漏。
在工作时，在HP部分12中的较高压力的蒸汽将趋向于通过在第一级喷嘴隔板70和封装机匣72之间所限定的蒸汽通路而向IP部分14(该IP部分14是处于较低工作压力下的区域)泄漏。例如，在一个实施例中，高压蒸汽能够以大约1800磅/平方英寸的绝对压强(psia)进入HP部分12，而重新加热的蒸汽能够以大约300-400磅/平方英寸的绝对压强进入IP部分14。因此，横跨封装机匣72的相对较大压降可能导致蒸汽沿转子轴60在封装机匣72周围泄漏，从而导致蒸汽轮机效率降低。
图3是可用于涡轮10的迷宫密封组件100的示例实施例。在图3中，只表示了转子轴60的一部分和机匣72的一部分。而且，尽管只表示了单个密封环102，但是可以如图2所示那样串联布置多个这样的环。在可选实施例中，迷宫密封组件100用于帮助密封涡轮10的其它区域。
密封环102包括多个齿104，这些齿104布置成对着从转子轴60向外伸出的多个转子轴周边凸起105。在该示例实施例中，各周边凸起105包括径向外部转子表面107，这些径向外部转子表面107位于多个径向内部转子表面109之间。如上所述，一种强制力可能迫使流体在多个节流部之间流动，这些节流部由在齿104和转子轴60之间所限定的间隙区域110形成。更具体地说，间隙区域110、齿104的数目和相对尖锐度、转子轴周边凸起105的数目以及工作状态(包括压力和密度)的组合是确定泄漏流量的因素。或者是，其它几何结构也能够用来提供多个或单个泄漏节流部。
各密封环102保持在机匣72中的机匣槽112内。在一个实施例中，各密封环102包括多个可以布置在机匣槽112中的密封环段(图3中未示出)，以便能容易地装配或拆卸机匣72。在该示例实施例中，弹簧系统(图3中未示出)产生将趋向于增大密封环102直径的力，第二弹簧系统(图3中未示出)可以用来抵销由密封环102的重量所引起的力。
各密封环102包括内环部分114，该内环部分114具有从径向内表面116伸出的齿104、以及径向外表面130，该径向外表面130便于通过接触机匣72的径向表面118而控制该间隙区域110。各密封环102还包括外环部分120，该外环部分120布置于机匣槽112中。外环部分120包括内周表面122和相对的径向外表面131。内周表面122与机匣槽凸肩124的外表面126接触，从而限制密封环102的径向向内运动。密封环102还包括颈部部分128，该颈部部分128在密封环的内环部分114和密封环的外环部分120之间延伸。机匣槽凸肩124与密封环的颈部部分128相互作用，以便沿轴向定位各密封环102。密封环的颈部部分128包括接触压力表面132，该接触压力表面132与机匣槽凸肩124接触。
一个通过迷宫密封组件100的蒸汽流动通路被限定为从高压区域106通过间隙区域110而到达低压区域108，并处于齿104和转子轴表面107和109之间。蒸汽流量根据密封环102的径向位置来调整。当密封环102径向向外运动时，间隙区域110的总尺寸增加，流过间隙区域110的蒸汽流量增加。相反，当密封环102径向向内运动时，间隙区域110减小，流过间隙区域110的蒸汽流量减小。
第二蒸汽流通路被限定为从高压环形空间134通过机匣槽112到达低压环形空间136。较高压力的蒸汽可以从环形空间134开始而流过在机匣槽凸肩124和密封环颈部部分128之间所限定的环形开口140。在蒸汽进入由机匣72和密封环外环部分120所限定的机匣槽高压部分144之前，将蒸气引导通过开口140而到达高压区域142，该高压区域142限定于机匣槽凸肩外表面126和密封环外环部分的周边表面122之间。蒸汽离开机匣槽高压部分144并进入在机匣槽径向外表面146和密封环外环部分的径向外表面131之间所限定的机匣槽径向外部部分148。然后，蒸汽可以流向由机匣72和密封环外环部分120所限定的低压部分150，并流向在机匣槽凸肩外表面126和密封环外环部分的内周表面122之间所限定的低压侧凸肩区域152。蒸汽通过在机匣槽凸肩124和密封环颈部部分128之间所限定的环形开口154而离开该低压侧凸肩区域152，其中，蒸汽排入环形空间136中。
当密封环的外表面130或其任意部分接触机匣径向表面118时，将限制密封环102的径向向外运行。该位置称为完全缩回位置。当密封环表面122与机匣槽凸肩表面126接触时，将限制密封环102的径向向内运行。该位置称为完全插入位置，如图3中所示。这提供了充分的空间来适应转子轴60和机匣72的预期瞬时失配，而不会引起对齿104的损害。
在较低或无负载的工作条件下，密封环102的重量、机匣72的边界限制、摩擦力以及多个偏压弹簧系统(图3中未示出)的力作用在密封环102上。总效果是，该密封环102被偏压成由密封环102的径向向外行程极限所限定的直径。
整个涡轮10的内部压力基本与负载成正比。当负载和蒸汽质量流量都增加时，局部压力以基本线性方式增加。该关系能够用于确定在预定涡轮工作状态下密封环102的合适位置。例如，当通向涡轮10的蒸汽流量增加时，环形空间134中和机匣槽112中的蒸汽压力同样增加。该增加了的蒸汽压力向密封环102施加径向向内的力，该力基本由密封环的外表面130和131承受。
高压区域106中的增大蒸汽压力使得更多的蒸汽流通过机匣槽112而流过环形空间134、环形开口140、凸肩区域142、机匣槽高压部分144、机匣槽径向外部部分148、机匣槽低压部分150、凸肩区域152和环形开口154而进入环形区域136。高压区域106中增大了的蒸汽压力也使得在从环形空间134经由机匣槽112至环形空间136的通路中的压力增大(如上所述)。该通路中各个在后区域中的压力小于它们之前区域中的压力。例如，机匣槽低压部分150中的蒸汽压力低于机匣槽高压部分144中的蒸汽压力。该压力差使得作用在密封环内环部分114、密封环颈部部分128和密封环外环部分120上的向右的力增大。作用在这些表面上的增大了的力使得密封环102朝着低压区域108沿轴向移动，直到密封环颈部接触压力表面132与机匣槽凸肩124接触。当完全插入时，密封环102基本上防止了蒸汽流从高压环形空间134经由机匣槽112流向低压环形空间136。
上述情况使得蒸汽压力向表面130和131上施加增大的径向向内力，如上所述。该增大的蒸汽压力还使得作用在密封环102上的径向向内力增大，以便克服前面所述的摩擦力和多个偏压弹簧子系统(未示出)的力。
密封环102和机匣槽112的尺寸选择为便于在有负载的稳定状态工作时优化齿104和转子轴60表面之间的间隙110。
图4是密封环偏压弹簧子系统200的示例实施例。子系统200包括至少一个螺钉204，该螺钉204插入封装机匣72中。密封环外环部分120包括槽206，该槽206有预定的轴向、径向和弓形尺寸。偏压弹簧-密封环的环形安装槽208(具有预定轴向、径向和弓形尺寸)位于密封环外环的槽206内。螺旋偏压弹簧202的一端插入槽208内，且弹簧202牢固安装在密封环外环部分120上。偏压弹簧202的第二端牢固安装在螺钉204上，这样，弹簧202位于机匣槽112中。可以使用多个弹簧结构(它包括使用多个偏压弹簧202)来减小该非均匀径向力以及所造成的密封环102的位移。
密封环组件200的工作基本类似于上述迷宫密封组件100的工作。这两种工作之间的一个区别点是由偏压弹簧202产生的作用在密封环102上的向外偏压力。所附加的向外偏压力帮助将密封环102偏压成更大直径。当涡轮负载和蒸汽压力增大时，必须在密封环102径向向内移动之前先克服由弹簧202所产生的径向向外力。因此，密封环102的径向向内运行被延迟，直到涡轮10达到预定工作状态。
图5是一种可选示例实施例的密封环偏压弹簧子系统300。子系统300包括封装机匣72中的弹簧通道304。密封环外环部分120包括具有预定轴向、径向和弓形尺寸的槽206。具有预定轴向、径向和弓形尺寸的偏压弹簧-密封环的环形安装槽208位于该密封环外环槽206内。螺旋偏压弹簧302的一端插入槽208中，并牢固安装在密封环外环部分120上。弹簧挂钩装置312安装在偏压弹簧302的第二端上，该弹簧挂钩装置312通过在机匣槽的径向外部表面中的槽310而牢固安装在机匣72上。盖板306通过多个紧固件308而与机匣72的最外侧表面连接。弹簧302悬挂在弹簧通道304中。可以使用多个弹簧结构(它包括使用多个偏压弹簧302)来减小该非均匀径向力以及所造成的密封环102的位移。对于预定涡轮工作状态，在偏压弹簧302所产生的拉力是基于在预定涡轮工作状态下密封环的预定位置。
该可选子系统300的工作与子系统200相同。
这里所述的密封组件有助于控制在转子轴和封装机匣之间的蒸汽泄漏。更具体地说，该密封组件将使得该密封件的间隙在起动、停机或低负载状态时较大，而在中等至高负载工作时较小。因此，能够减少或消除由密封件损坏所引起的涡轮维护成本增加以及工作效率退化。
尽管这里所述和/或所示的方法和系统是针对旋转机械(更具体地说是蒸汽轮机)来介绍和/或表示，但是这里所述和/或所示的方法和系统的实施并不局限于蒸汽轮机或旋转机械。而且，这里所述和/或所示的方法和系统可用于在任何机械上装配任何密封结构。
上面详细介绍了密封结构的示例实施例。方法、装置和系统并不局限于这里所述的具体实施例或所装配的具体密封结构，而是，该密封结构可以独立于和单独于这里所述的其它方法、装置和系统而使用，或者装配这里并没有介绍的密封组件。例如，其它密封结构也可以使用这里所述的方法来装配。
尽管已经根据各种特定实施例介绍了本发明，但是本领域技术人员应当知道，在权利要求的精神和范围内，本发明能够以变化形式来实施。
部件列表
10     蒸汽轮机
12     高压(HP)部分
13     上半部分
14     中压(IP)部分
15     下半部分
16     外壳或壳体
18     中央部分
20     高压蒸汽进口
22     中压蒸汽进口
26     轴颈轴承
28     轴颈轴承
30     蒸汽密封单元
32     蒸汽密封单元
42     环形的部分分隔件
46     第一HP部分喷嘴
48     第一IP部分喷嘴
50     槽道
52     封装机匣
60     转子轴
70     第一级喷嘴隔板
72     封装机匣
100    迷宫密封组件
102    密封环
104    齿
105    转子轴周边凸起
106    高压区域
107    径向外部转子轴表面
108    低压区域
109    径向内部转子轴表面
110    间隙区域
112    机匣槽
114    环的内环部分
116    径向内表面
118    机匣径向表面
120    环的外环部分
122    密封环内周表面
124    机匣槽凸肩
126    机匣槽凸肩表面
128    密封环颈部部分
130    密封环外表面
131    径向外表面
132    颈部接触压力表面
134    高压环形空间
136    低压环形空间
140    环形开口
142    高压侧凸肩区域
144    槽的高压部分
146    槽的径向外表面
148    槽的径向外部部分
150    槽的低压部分
152    低压侧凸肩区域
154    环形开口
200    密封环偏压弹簧子系统
202    偏压弹簧
204    螺钉
206    密封环外环的槽
208    环形安装槽
300    弹簧子系统
302    偏压弹簧
306    盖板
308    紧固件
310    槽
312    弹簧挂钩装置

Claims (10)

1.一种用于涡轮组件(10)的密封组件(100)，所述密封组件包括：
环形槽(112)，该环形槽形成于静止机匣(72)中，所述槽至少部分地沿周向环绕该涡轮延伸；以及
密封环(102)，该密封环布置在所述环形槽内，所述密封环包括多个弓形的密封环段；以及
至少一个弹簧(202)，该弹簧连接于各所述密封环和所述静止机匣之间，用于向各所述密封环段施加基本恒定的弹簧力。
2.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其中：所述环形槽(112)至少部分地是由一对对置的凸肩(124)来限定的。
3.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其中：所述至少一个弹簧(202)有利于增加在涡轮(10)和所述静止机匣(72)之间所限定的间隙空间(110)的大小。
4.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其中，各所述弓形密封环段包括：
径向内密封表面(116)，该径向内密封表面包括多个密封齿(104)；
径向外环部分(120)，该径向外环部分的尺寸设置成可装在所述环形槽内，所述外环部分包括径向外表面(131)和径向内表面(130)；以及
颈部部分(128)，该颈部部分在所述径向内密封表面和所述径向外环部分之间延伸。
5.根据权利要求1所述的密封组件(100)，其中：所述至少一个弹簧(202)包括至少一个螺旋弹簧，该螺旋弹簧设置成偏压所述密封组件远离涡轮。
6.一种旋转机械，包括：
至少一个转子组件(60)；
至少一个静止涡轮机匣(72)，该涡轮机匣至少部分地沿周向环绕所述至少一个转子组件延伸，这样，在所述至少一个转子组件和所述至少一个静止涡轮机匣之间就限定了一间隙(110)；
多个密封组件(100)，这些密封组件布置在所述至少一个静止机匣和所述至少一个转子组件之间，以便于控制通过所述间隙的所述流体流量；以及
至少一个弹簧(202)，该弹簧布置在所述多个密封组件中的各密封组件和所述机匣之间，以便将所述多个密封组件中的各密封组件偏压成径向向外远离所述至少一个转子组件。
7.根据权利要求6所述的旋转机械，其中：所述至少一个静止机匣(72)包括在其中所限定的至少一个环形槽(112)。
8.根据权利要求7所述的旋转机械，其中：所述至少一个槽(112)中的各槽至少部分地是由一对对置的凸肩(124)来限定的。
9.根据权利要求6所述的旋转机械，其中：所述多个密封组件(100)中的各密封组件包括多个弓形密封件段，这些弓形密封件段的尺寸设置成可装在所述至少一个所述环形槽(112)内。
10.根据权利要求6所述的旋转机械，其中：所述多个密封组件(100)中的各密封组件包括径向外表面(131)和径向内表面(130)，该径向内表面(130)从所述径向外环表面(120)伸出。
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