用于渦輪機(jī)的迷宮式密封的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種迷宮式密封，該密封包括一組若干翅片(24)，其形成逆著在渦輪中的固定部分(23)與旋轉(zhuǎn)部分之間的工作流體流的周向障礙物，其中在該組內(nèi)，在倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片(241)之間的體積與該組的其他相鄰翅片之間的平均體積相比而改變。
【專利說明】用于渦輪機(jī)的迷宮式密封

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及安裝在渦輪的旋轉(zhuǎn)和靜止部分之間特別是在固定蒸汽渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子軸和靜止外殼或其延伸部之間的密封。

【背景技術(shù)】
[0002]在以下描述中，術(shù)語“渦輪”用來意指旋轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有定子以及由流體介質(zhì)例如水或氣體聯(lián)接的旋轉(zhuǎn)部分力。本發(fā)明尤其關(guān)注的是軸向渦輪，該軸向渦輪包括徑向布置的固定定子葉片或靜葉，其與移動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片的徑向布置相交替。該移動(dòng)通常顯示為相對(duì)于外殼或殼體的移動(dòng)。
[0003]在渦輪的設(shè)計(jì)和操作中常見的問題為在固定蒸汽渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子軸與靜止外殼或其延伸部之間的泄漏。
[0004]為減少泄漏，已知通過適當(dāng)?shù)拿芊鈦黹]合旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分之間的間隙。在渦輪機(jī)中使用的密封裝置已知為蒸汽密封、軸封、迷宮式密封、汽密、隔膜封填、以及壓力封填。這些密封的基礎(chǔ)部件為密封環(huán)。密封環(huán)為環(huán)形的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)典型地提供為弓形密封環(huán)段。密封環(huán)環(huán)繞旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，并且至少部分地橋接或阻塞在旋轉(zhuǎn)部分與周圍的靜止部分之間的間隙。
[0005]用于該目的的最常見類型的密封為迷宮式密封。迷宮式密封典型地具有許多徑向延伸的環(huán)狀刀、在一部分上的翅片或齒狀物、以及位于其他部分上的相應(yīng)的環(huán)狀密封或者凸片(threats)或凹槽的布置。更復(fù)雜的密封包括在間隙的兩側(cè)上的徑向延伸、互鎖的環(huán)狀刀、翅片或齒狀物。所有變型具有提供用于流體穿過間隙的曲折路徑的共同特征。作為完整環(huán)，迷宮式密封通常以二等分、四等分或更小段裝配在外殼內(nèi)并由外殼支撐。
[0006]如迷宮式密封為人所知的那樣，其足以用于本發(fā)明的目的以強(qiáng)調(diào)這種密封為需要嚴(yán)格尺寸公差以正確地作用的復(fù)雜形狀。在工作期間，密封的部分的從其默認(rèn)位置的任何移動(dòng)或磨損通常在移動(dòng)部分與靜止部分之間產(chǎn)生泄漏或摩擦的顯著增加。
[0007]在葉片的徑向膨脹或收縮的情況下，為適應(yīng)密封的部分的相對(duì)移運(yùn)，裝配一些密封作為回彈組件。在回彈密封中，當(dāng)移動(dòng)的葉片收縮或膨脹時(shí)，彈力使密封的一部分壓靠另一部分并因此避免擴(kuò)展的間隙或過多的摩擦。
[0008]在已出版的大量文獻(xiàn)中描述了迷宮式密封，其分別由美國專利號(hào)4420161、5735667或6131910示例性地代表，它們均可以用于為本發(fā)明獲得進(jìn)一步的背景知識(shí)。
[0009]雖然提高迷宮式密封的性能是一個(gè)長久的任務(wù)，但是當(dāng)前的發(fā)明解決了具體地與現(xiàn)有固定渦輪尤其是蒸汽渦輪的改造相關(guān)的進(jìn)一步問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于渦輪機(jī)的密封，其包括軸向系列的若干翅片，其形成逆著在渦輪中的固定部分與旋轉(zhuǎn)部分之間的工作流體流的周向障礙物，其中在該系列內(nèi)，與該系列的相鄰翅片之間的平均體積相比，倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片之間的體積最大。
[0011]將一系列翅片理解為形成迷宮式密封的一側(cè)的相鄰翅片的連續(xù)序列。典型地，一系列翅片是在形狀和尺寸上等同或至少十分相似的。體積為向上測量至連接相鄰翅片的頂端的直線或平面的體積。
[0012]在本發(fā)明的優(yōu)選變型中，體積增加凹槽在固定部分中設(shè)于倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片之間。作為該凹槽的結(jié)果，在倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片之間的體積比任意兩個(gè)相鄰翅片之間的體積更大。
[0013]在本發(fā)明的又一優(yōu)選變型中，系列翅片中的除末位之外的所有翅片逆著跨密封的工作流體流的方向傾斜。在該變型中，末位翅片優(yōu)選為平直的。在該變型的更優(yōu)選實(shí)施例中，所有翅片具有基本相同的高度。該高度沿徑向方向從平行于渦輪的軸線并代表基座表面的平直基線測量，在該基座表面上，系列翅片安裝至翅片的相應(yīng)頂端。在固定與旋轉(zhuǎn)部分之間的間隙的另一側(cè)上的平臺(tái)是基本平坦表面的情況下，系列翅片的頂端之間至這種平臺(tái)之間的距離基本相等。
[0014]一系列翅片典型地由單條材料機(jī)加工。但是也可以將每一個(gè)翅片或翅片段單獨(dú)地固定至基塊或托架并且在稱為“堵縫”的工序中單獨(dú)地安裝。翅片典型地由金屬例如鋼合金制成。
[0015]本發(fā)明的這些以及進(jìn)一步的目的將通過以下詳細(xì)描述和下列附圖而變得顯而易見。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]現(xiàn)將參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，其中:
圖1呈現(xiàn)了(已知的)蒸汽渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子/定子區(qū)段的橫截面示意圖，以示出本發(fā)明可應(yīng)用于其中的環(huán)境；
圖2A示出本發(fā)明的實(shí)施例；
圖2B以及2C顯示了通過在現(xiàn)有技術(shù)密封上的數(shù)字模擬與根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例修改的密封對(duì)比而獲得的結(jié)果圖；
圖2D是比較穿過常規(guī)迷宮式密封與根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)例修改的迷宮式密封的泄漏流的圖表；以及
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的可能的迷宮式密封。

【具體實(shí)施方式】
[0017]如上所述的迷宮式密封可有利地用作軸封，其將轉(zhuǎn)子軸與外殼密封開。軸封見于不同的軸向渦輪組件之間、渦輪與發(fā)電機(jī)之間，且更常見地在軸承附近。
[0018]圖1的軸向橫截面局部示意圖顯示了已知的在轉(zhuǎn)子軸11與外殼12之間的軸封系統(tǒng)10。該系統(tǒng)包括軸向系列的周向迷宮式密封13，其減少在箭頭方向(即從圖中的左側(cè)至右側(cè))上的加壓蒸汽的流。每個(gè)迷宮式密封13承載10個(gè)周向翅片14，其逆著流的方向傾斜。顯示的密封在相鄰密封之間具有表示為P (η)和Ρ(η+1)的固定壓力差。帶有跨軸封的固定壓力差的迷宮式密封見于許多蒸汽渦輪裝置中，該蒸汽渦輪裝置通過在正常運(yùn)行中在密封的兩側(cè)上保持恒定的壓力而設(shè)置。如果例如轉(zhuǎn)子在其默認(rèn)位置外旋轉(zhuǎn)或外殼由于熱或機(jī)械載荷而變形，則密封13可通過彈簧組件(未顯示)連接至外殼以減少摩擦。
[0019]典型地，密封的轉(zhuǎn)子側(cè)將承載相似數(shù)量的翅片，其與外殼上的翅片14或一些其他表面結(jié)構(gòu)互插以為蒸汽提供可靠的彎曲路徑。盡管認(rèn)識(shí)到對(duì)于指定長度的密封，這種互插的密封設(shè)計(jì)可提高密封的效率，但是尤其在密封作為改造安裝在現(xiàn)有蒸汽渦輪中時(shí)，它對(duì)于改變轉(zhuǎn)子的表面而言常常是不理想或甚至不可能的。
[0020]對(duì)于下面的描述和效率計(jì)算，假定密封的轉(zhuǎn)子側(cè)是平滑表面。在圖2A的實(shí)例中，密封23同樣承載總計(jì)10個(gè)翅片24。前九個(gè)翅片24幾乎與圖1的密封13的前九個(gè)翅片14 一樣。然而，密封24的末位翅片241是平直翅片。
[0021]雖然末位翅片的變化以及造成的倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片241之間的空間242的幾何結(jié)構(gòu)變化可視為是微小的，但是作為這種變化的結(jié)果，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)了更高的效率?？衫萌鐖D2B和圖2C中示出的標(biāo)準(zhǔn)流建模方法來對(duì)設(shè)計(jì)改變的效果建模。該圖繪出了在翅片逆著蒸汽流的方向傾斜的情況(圖2B)以及在末位翅片為平直的情況(圖2C)下在相鄰翅片之間的空間中形成的渦流。盡管仍然形成渦流，但是由于翅片和末位翅片之前的空間的變化的幾何結(jié)構(gòu)，模式看起來顯著地不同于傾斜翅片之間的模式。
[0022]在圖2D中，利用了跨密封的恒定壓降的模擬運(yùn)行的結(jié)果總結(jié)為柱狀圖。該圖(由左至右)對(duì)比了沿著帶有13個(gè)傾斜翅片的迷宮式密封、帶有12個(gè)傾斜翅片和末位平直翅片的迷宮式密封、帶有17個(gè)傾斜翅片的迷宮式密封、帶有16個(gè)傾斜翅片和末位平直翅片密封設(shè)計(jì)的迷宮式密封、以及帶有19個(gè)傾斜翅片的迷宮式密封的泄漏流。
[0023]首先，對(duì)比帶有13個(gè)傾斜翅片的迷宮式密封與帶有12個(gè)傾斜翅片和末位平直翅片的迷宮式密封，泄漏流從0.1618kg/s蒸汽降低至0.1448kg/s,即降低了約10%。當(dāng)對(duì)比帶有17個(gè)傾斜翅片的迷宮式密封與帶有16個(gè)傾斜翅片和末位平直翅片的迷宮式密封時(shí)，泄漏流從0.1582kg/s降低至0.1409kg/s,即同樣降低約10%。兩個(gè)修改的迷宮式密封均顯示出比帶有19個(gè)傾斜翅片(0.1537kg/s)的迷宮式密封更好的性能。
[0024]結(jié)果表明，在末位翅片的位置處和周圍的幾何機(jī)構(gòu)的變化可在迷宮式密封的整體性能上具有顯著的增進(jìn)，而甚至不改變密封的翅片的總數(shù)。在圖3中示出了備選方案。
[0025]并且在圖3中，迷宮式密封33承載逆著流動(dòng)方向傾斜的翅片34。在該實(shí)例中，所有翅片等距地安裝。為改變在倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片541之間的空間的幾何結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)翅片之間的空間542具有延伸入迷宮式密封33內(nèi)的凹槽，以使在倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片341之間的空間比在任意其他兩個(gè)相鄰翅片34之間的空間更深，并且作為結(jié)果，在倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片341之間的體積比在任意其他兩個(gè)相鄰翅片34之間的體積更大。在該說明書中，“倒數(shù)第二個(gè)”和“末位”為基于跨密封的工作流體的流動(dòng)方向理解的相對(duì)位置。即，末位翅片341為翅片34，即最遠(yuǎn)的下游翅片34，而倒數(shù)第二個(gè)翅片為在末位翅片341的緊接的上游的翅片34。
[0026]還顯現(xiàn)出可以將使用不同地傾斜的末位翅片的效果與在密封的兩個(gè)末位翅片之間的空間的幾何結(jié)構(gòu)的其他建議改變相結(jié)合。還可能的是，在密封的兩個(gè)末位翅片之間的空間的幾何結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步細(xì)化例如附加凹槽的模式或末位翅片的形狀改變可增強(qiáng)觀測到的效果。
[0027]密封也可以以本身已知的方式與不同類型的密封例如刷式密封相結(jié)合。在刷式密封安裝有軸向系列翅片的情況下，在刷式密封的每一側(cè)上的翅片可視為在本發(fā)明的范疇內(nèi)形成新系列的翅片。即使在翅片或翅片間空間根據(jù)跨過密封的翅片的規(guī)則和/或重復(fù)性模式而變化的情況下，在末位兩個(gè)翅片之間的形狀或幾何結(jié)構(gòu)也希望偏離在密封的其他部分處的兩個(gè)翅片之間的空間的形狀或幾何結(jié)構(gòu)中的任一者。在末位兩個(gè)翅片之間的空間的形狀或幾何結(jié)構(gòu)的變化也希望以明確的方式超過制造公差中的正常偏差。
[0028]本發(fā)明可包括在文中描述或暗示的或在圖中顯示或暗示的任意單獨(dú)的特征、或任意的這種特征的任意結(jié)合、或任意的這種特征或結(jié)合的任意的一般化，其延伸至其等價(jià)物。因此，本發(fā)明的廣度和范疇不應(yīng)由任意的上述示例性實(shí)施例限制。除非另外特別聲明，服務(wù)于相同、等同或類似目的的備選特征可替代在包括附圖的說明書中公開的每一特征。
[0029]除非在此明確聲明，在說明書全文中對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的任何討論并不表明這種現(xiàn)有技術(shù)在本領(lǐng)域中是公知的或形成公知常識(shí)的一部分。
[0030]附圖標(biāo)記軸封系統(tǒng)10 轉(zhuǎn)子軸11 外殼12
迷宮式密封13、23、33 翅片 14、24、34 末位翅片241、341 頂端 16、26、36
空間(在翅片之間)242、342，
凹槽35。
【權(quán)利要求】
1.一種用于軸流式渦輪機(jī)的迷宮式密封布置，包括: 固定部分(13)和旋轉(zhuǎn)部分(11)； 軸向系列的翅片(14)，其沿著所述固定部分(13)的點(diǎn)等距地分布并且均從所述固定部分朝向所述旋轉(zhuǎn)部分延伸至頂端，以形成逆著在所述固定部分(13)與所述旋轉(zhuǎn)部分(11)之間的工作流體流的周向障礙物；以及 凹槽，其在所述固定部分中定位于倒數(shù)第二個(gè)翅片與末位翅片(341)之間，其中，作為所述凹槽(35)的結(jié)果，在所述倒數(shù)第二個(gè)翅片與所述末位翅片(341)之間的體積比所述系列的任意其他兩個(gè)相鄰翅片(14)的平均體積更大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布置，其特征在于，所述系列翅片(14)的除末位翅片(341)外的所有翅片(14)逆著跨所述密封的工作流體流的方向傾斜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布置，其特征在于，所述系列的所有翅片(14)具有基本相同的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的布置，其特征在于，在所述系列翅片(14)的頂端(16)中的每一個(gè)與所述旋轉(zhuǎn)部分(11)之間的距離基本相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布置，其特征在于，所述系列翅片(14)的除末位翅片(241)外的所有翅片(14)逆著跨所述密封的工作流體流的方向傾斜，并且所述末位翅片(241)基本平直。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的布置，其特征在于，所述布置為在蒸汽渦輪中的外殼與轉(zhuǎn)子軸之間的軸封的一部分。
【文檔編號(hào)】F16J15/44GK104204418SQ201380015480
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月21日
【發(fā)明者】V.斯特發(fā)尼斯, C.格奧加基斯 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司