CN102414490B - 用于蒸汽涡轮的密封装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于减少蒸汽涡轮中的蒸汽涡流的迷宫式密封装置和方法，蒸汽涡轮具有环形固定部分(12)，能够绕轴线(16)旋转的旋转部分(14)延伸穿过环形固定部分(12)，所提出的密封件(10、50、100、150)包括适于附装到固定部分(12)上以形成密封环(21)的多个周向相邻的弧形密封架片段(20)。多个弧形密封元件(24、24A-24H)轴向间隔开地布置在每个密封架片段(22)的内表面(22)上，其中，所述多个密封元件(24、24A-24H)中的每一个径向向内地朝旋转部分(12)延伸。所提出的密封件还包括流动阻碍件，流动阻碍件包括布置在每个密封架片段(20)的所述内表面(22)上的轴向延伸的流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)。流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)布置在一对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D-24H)之间并垂直于该对密封元件(24A、24B、24D-24H)。每个轴向延伸的流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)进一步径向向内地朝旋转部分(12)延伸并适于限制蒸汽流的围绕旋转部分(14)的周向分量。

Description

用于蒸汽涡轮的密封装置和方法
技术领域
本发明总体上涉及蒸汽涡轮中使用的密封件，并且具体地，涉及用于减少蒸汽涡流的密封装置和方法。
背景技术
用于产生电力的蒸汽涡轮包括封装旋转轴(也称为转子)的固定壳体和固定到轴上的多个径向地延伸的叶栅。引导到叶片上的加压蒸汽使叶片和轴旋转。顺次的蒸汽路径一般包括蒸汽进口、涡轮内的多个蒸汽压力区域和蒸汽出口。
为了提高涡轮效率并使轴振动最小化，需要避免沿围绕固定叶栅和旋转叶栅的相邻差别压力区域之间的轴的蒸汽泄漏。众所周知，通常在蒸汽轮机中在沿着转子长度的多个选定轴向位置处使用非接触迷宫式密封件，以使差别压力区域之间的蒸汽泄漏最小化。这种迷宫式密封件一般包括多个间隔开的环形齿，也称为密封翅片，密封翅片从自密封托架悬挂下来的固定涡轮壳体径向地向内延伸。每个这种密封翅片的远端端部接近转子的旋转表面布置，仅在其间保留非常小的间隙，以便提供最小泄漏密封。这些类型的密封件被用于防止蒸汽在涡轮轴周围泄漏出。
一定量的蒸汽连续地进入和离开迷宫式结构，并且具有大致在轴线方向上沿着轴的流动分量。但是，进入和离开迷宫式结构的蒸汽流还具有沿圆周方向的一般称为“涡流”的分量。密封结构内的在转子旋转方向上的周向蒸汽流已知在涡轮转子上产生侧向力，导致在密封腔内产生不对称的压力梯度，由此涡轮转子开始经受旋转不稳定。但是，更多情况下，这种旋转不稳定直到完成涡轮的安装时才能被发现，当试图在导致涡流产生的条件下达到满负荷时通常经受的振动的水平使得不能达到满负荷。
通过在密封结构中设置流动阻碍件来限制蒸汽流中的涡流是已知的。但是，目前采用的流动阻碍件是例如通过与设置在密封件片段上的螺纹孔接合的螺纹紧固件固定到密封件片段的端部上的金属结构。由于这种流动阻碍件是金属的，因此难以实现与转子轴的较小的间隙，因此限制了流动阻碍件的效率。现有技术还公开了在密封结构的上游使用涡流破坏装置和防涡流装置以使周向蒸汽流最少化。但是，这些装置需要附加的轴向空间。这在例如非常需要轴向空间的叶片通道密封中是特别不利的。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于减少蒸汽涡轮中的蒸汽涡流的改进的密封装置和方法。
上述目的通过权利要求1和9中限定的本发明的特征实现。
本发明的根本思想是采用轴向刷式元件来改善迷宫式密封的蒸汽涡流特征。与常规流动阻碍件相比，具有轴向地延伸的流动阻碍件刷式密封元件提供了更小的与旋转部分的间隙。另外，由于流动阻碍件刷式密封元件适于布置在现有密封件片段内(即，布置在密封架片段的轴向相邻地间隔开的密封元件之间)，因此不需要附加的轴向空间。这在轴向空间是重要的约束条件的叶片通道密封件中特别地有利。
为了将流动阻碍件刷式密封元件牢固地固定在密封元件之间，在本发明的一个实施例中，所提出的密封件还包括布置在每个密封架片段的所述一对轴向相邻地间隔开的密封元件之间的一对轴向延伸的保持构件，用于支承所述流动阻碍件刷式密封元件。
在优选实施例中，其间布置有所述流动阻碍件刷式密封元件的所述一对轴向相邻地间隔开的密封元件定位在相应的所述密封架片段的轴向上游端部处。在上游具有流动阻碍件使限制周向蒸汽流的密封效率高。
在一个实施例中，所述密封元件包括轴向地间隔开的弧形金属翅片。这允许本发明与普通迷宫式密封件一起使用。
在另一个实施例中，在每个所述密封架片段上布置有作为一个密封元件的弧形刷式密封元件，其余密封元件包括弧形金属翅片，每个所述弧形刷式密封元件布置在相应的所述密封架片段的轴向端部处。在迷宫式结构中具有刷式密封元件由于由弧形刷式密封元件实现的较小的间隙而进一步提高了轴向密封效率。
在另一个实施例中，每个所述弧形刷式密封元件布置在相应的所述密封架片段的所述轴向上游端部处，所述流动阻碍件刷式密封元件布置在所述弧形刷式密封元件与轴向相邻地间隔开的弧形金属翅片之间并垂直于所述弧形刷式密封元件和所述轴向相邻地间隔开的弧形金属翅片。
在又一个实施例中，为了在较长密封件的情况下实现增强的流动阻碍，在每个密封架片段上布置有位于多对轴向间隔开的密封元件之间的多个流动阻碍件。
在一个实施例中，为了增强轴向流动的密封，所述密封件还包括用于径向向内地朝所述旋转轴推压每个密封架片段的偏压背衬构件。
附图说明
以下参照附图中所示的图示实施例进一步说明本发明，在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的在金属密封翅片之间包括流动阻碍件的迷宫式密封件片段的垂直于涡轮旋转轴线的纵向截面图；
图2是图1所示的密封件沿截面II-II的截面图；
图3是根据本发明第二实施例的在周向刷式密封元件与密封翅片之间包括流动阻碍件的密封件片段的垂直于涡轮旋转轴线的纵向截面图；
图4是图2所示的密封件沿截面IV-IV的截面图；
图5是根据本发明第三实施例的在一端处包括流动阻碍件、在另一端处包括周向刷式密封元件的密封件片段的垂直于涡轮旋转轴线的纵向截面图；以及
图6是根据本发明第四实施例的包括多个流动阻碍件的密封件片段的垂直于涡轮旋转轴线的截面图。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的附图标记指示全部多个视图中的相同或对应的零部件，图1和图2中示出根据本发明一个实施例的用于蒸汽涡轮的迷宫式密封结构10。图1示出密封件10的纵向截面图，而图2示出穿过图1中的截面II-II的截面图。如图所示，涡轮包括固定壳体12，可围绕轴线16旋转的旋转部14延伸穿过固定壳体12。虽然没有示出完整的涡轮转子，但可以理解，轴14仅为包括满装的用于从原动流体提取旋转动力的流动引导部件(例如，旋转叶片)的转子的一部分。蒸汽流的轴线方向由箭头18表示。在图示的实施例中，固定部分12是叶片环壳体，而旋转部分14是轴。但是，本发明可用于蒸汽涡轮的任意固定部分和旋转部分的接合部位，例如用于旋转叶片的护罩与周围固定壳体的接合部位处。
密封件10包括附装到固定壳体12上的多个密封架片段20，该多个密封架片段20装配在设置于固定壳体12上的相应的凹槽28内。密封架片段20(在该例子中数目为八个)周向相邻地布置，从而形成周向地围绕轴14的密封环21(图2)，以使在轴12延伸通过的差别压力区域之间的流体泄漏最少化。同样按照常规，每个密封架片段20可包括比如为弹簧(未示出)的偏压背衬构件，以朝轴14径向向内地推压密封架片段20。因此，每个密封架片段20还包括台肩部26，以便限制其向内行进。
在每个密封架片段20的径向内表面22上安装有围绕轴14的多个轴向间隔开的弧形密封元件24、24A、24B。在该实施例中，正如这种类型的迷宫式密封件惯常的，密封元件24、24A、24B为弧形金属密封齿，也称为“密封翅片”。密封翅片可由例如不锈钢制成。如在这种迷宫式密封件中惯常的，密封翅片24可相应地安装成与凸起的基面34相对，以便提高整体密封件10的密封有效性。此外，密封翅片24、24A、24B不与轴14的表面接触，而是径向向内地延伸成在与轴14非常接近的范围内，以使轴14与翅片24、24A、24B之间保持小工作间隙，由此提供对于蒸汽流的有效密封。
众所周知，沿轴14的周向流动的蒸汽在其与轴的旋转同方向时，对于转子轴心具有很大的失稳效应。在这种情况下，转子可能经受被称之为涡动的旋转不稳定，希望通过使用本文下面说明的方法和装置来避免这种旋转不稳定。
为了阻碍蒸汽围绕轴14周向地流动，设置包括布置在密封架片段20的内表面22上的刷式密封元件30的流动阻碍件。刷式密封元件30在两个轴向相邻地间隔开的密封元件(在此例中是密封翅片)24A和24B之间轴向地延伸，并与这些密封元件垂直地定向。如图所示，为了提供有效的阻碍，流动阻碍件刷式密封件30布置在从密封架片段的轴向上游端部开始的头两个密封元件之间。但是，流动阻碍件刷式密封元件30可根据设计要求布置在位于任意其他位置处的密封元件之间。保持构件32和33设置用以支承流动阻碍件刷式密封元件30。保持构件32和33也布置在密封翅片24A和24B之间。如图所示，流动阻碍件刷式密封元件30在接近轴12的限度内朝所述轴12径向向内地延伸。
上述实施例提供了一种创新的刷式密封元件配置(即，具有轴向延伸的构造)以限制蒸汽流的围绕轴的周向分量。通过该配置，能够获得低于0.2mm的间隙(在流动阻碍件与轴之间)，这在常规金属流动阻碍件中是不可能的。
能够想到所提出的技术的多种变型，这些变型可证明对于特定的设计要求是有利的。例如，所提出的轴向延伸的流动阻碍件刷式密封元件配置可与常规周向刷式密封元件设计结合。图3和图4示出密封件50，其中，密封架片段20具有多个布置在其内表面22上的轴向间隔开的密封元件24、24B、24D，其中一个密封元件24D是由保持构件40和42支承的弧形(周向地延伸)的刷式密封元件。其他密封元件24、24B包括图1的实施例中所述类型的弧形金属迷宫式密封翅片。在此，流动阻碍件刷式密封元件(轴向地延伸)布置在周向地定向的刷式密封元件24D与轴向相邻地间隔开的金属密封翅片24B之间。图4示出穿过图3中的截面IV-IV的截面图。
在以上示出的实施例中，周向刷式密封元件24D定位在密封架片段的轴向上游端部处。可替代地，该周向刷式密封元件可定位在密封架片段的轴向下游端部处。图5示出具有布置在密封架片段20的下游端部处的周向刷式密封元件24C的示例性密封件100，其余密封元件是弧形金属迷宫式密封翅片24、24A、24B。流动阻碍件刷式密封元件30布置在上游端部处且在一对轴向相邻地间隔开的密封翅片24A和24B之间。
更进一步地，为了更长久地密封，可有利地使用多个流动阻碍件以提高对抗蒸汽涡流的稳定性。如图6所示，根据本发明的又一个实施例的密封件150包括多个流动阻碍件30A、30B，该多个流动阻碍件30A、30B分别布置在多对轴向间隔开的密封元件(在此例中为迷宫式密封翅片)24E、24F和24G、24H之间且分别由保持构件32A、33A和32B、33B支承。
因此，本发明的上述实施例提供了采用轴向刷式元件的新型流动阻碍件以改善迷宫式/刷式密封元件的蒸汽涡旋特性。本发明示出为通过将密封件内部的周向流动速度减小到几乎为零来提高转子稳定性。另外，由于流动阻碍件刷式密封元件可被应用在现有的密封件片段内，因此所提出的流动阻碍件不需要额外的轴向空间。这与应用在密封件片段的前部处的防涡流装置/涡流破坏装置相比具有确切的优势，对于非常需要轴向间距的叶片通道密封尤其如此。由于所提出的流动阻碍件刷式密封元件的总成本一般为一个周向刷式密封元件片段的一小部分，因此本发明还提供了并不昂贵的解决方案。本发明可在旋转部件与固定部件之间的任意接合部位找到应用场合，例如，在控制级、喷嘴腔、叶片通道、活塞/平衡件密封，尤其是在关系到蒸汽涡旋的场合。另外，如上所述，所提出的流动阻碍件刷式密封元件可与普通迷宫式密封元件以及周向刷式密封元件一起使用。
总之，本发明提供用于减少蒸汽涡轮中的蒸汽涡流的迷宫式密封装置和方法，该蒸汽涡轮具有环形固定部分，可绕轴线旋转的旋转部分延伸通过该固定部分。所提出的密封件包括适于附装到固定部分上的多个周向相邻的弧形密封架片段，以形成密封环。多个弧形密封元件轴向间隔开地布置在每个密封架片段的内表面上，其中，所述多个密封元件中的每一个都朝所述旋转部分径向向内地延伸。所提出的密封件还包括流动阻碍件，该流动阻碍件包括布置在每个密封架片段的所述内表面上的轴向延伸的刷式密封元件。流动阻碍件刷式密封元件布置在一对轴向相邻地间隔开的密封元件之间并与该对密封元件垂直。每个所述轴向延伸的流动阻碍件刷式密封元件进一步朝所述旋转部分径向向内地延伸，并适于限制蒸汽流的围绕所述旋转部分的周向分量。
尽管已参照具体实施例对本发明加以说明，但该说明并非意在从限制意义上解释。对于本领域技术人员而言，在参考本发明的说明书之后，本发明的所公开的实施例的各种变型以及可替代实施方式将变得显而易见。因此，可以预期能够在不脱离由所附专利权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下进行这些变型。

Claims (12)

1.一种用于蒸汽涡轮的迷宫式密封件(10、50、100、150)，所述蒸汽涡轮具有环形固定部分(12)，能够绕轴线(16)旋转的旋转部分(14)延伸穿过所述环形固定部分(12)，所述密封件(10、50、100、150)包括：
周向相邻的多个弧形密封架片段(20)，所述多个弧形密封架片段(20)适于附装到所述固定部分(12)上以形成密封环(21)，
多个弧形密封元件(24、24A-24H)，所述多个弧形密封元件(24、24A-24H)轴向间隔开地布置在每个密封架片段(20)的内表面(22)上，其中，所述多个密封元件(24、24A-24H)中的每一个径向向内地朝所述旋转部分(14)延伸，以及
流动阻碍件，所述流动阻碍件包括布置在每个密封架片段(20)的所述内表面(22)上的轴向延伸的流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)，所述流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)布置在一对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D-24H)之间并垂直于该对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D-24H)，每个所述轴向延伸的流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)进一步径向向内地朝所述旋转部分(14)延伸并适于限制蒸汽流的围绕所述旋转部分(14)的周向分量。
2.根据权利要求1所述的密封件(10、50、100、150)，进一步包括：一对轴向延伸的保持构件(32、33、32A、33A、32B、33B)，所述保持构件(32、33、32A、33A、32B、33B)布置在每个密封架片段(20)的所述一对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D-24H)之间，用于支承所述流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的密封件(10、50、100)，其中，其间布置有所述流动阻碍件刷式密封元件(30)的所述一对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D)定位在相应的所述密封架片段(20)的轴向上游端部处。
4.根据权利要求1和2中的任一项所述的密封件(10、150)，其中，所述密封元件(24、24A、24B、24E-24H)包括轴向间隔开的弧形金属翅片。
5.根据权利要求1和2中的任一项所述的密封件(50、100)，其中，在每个所述密封架片段(20)上布置有作为一个密封元件的弧形刷式密封元件(24C、24D)，其余密封元件(24、24A、24B)包括弧形金属翅片，每个所述弧形刷式密封元件(24C、24D)布置在相应的所述密封架片段(20)的轴向端部处。
6.根据权利要求5所述的密封件(50)，其中，每个所述弧形刷式密封元件(24D)布置在相应的所述密封架片段(20)的轴向上游端部处，所述流动阻碍件刷式密封元件(30)布置在所述弧形刷式密封元件(24D)与轴向相邻地间隔开的弧形金属翅片(24B)之间并垂直于所述弧形刷式密封元件(24D)和所述轴向相邻地间隔开的弧形金属翅片(24B)。
7.根据权利要求1和2中的任一项所述的密封件(150)，其中，在每个密封架片段(20)上布置有位于多对轴向间隔开的密封元件(24E-24H)之间的多个流动阻碍件(30A、30B)。
8.根据权利要求1和2中的任一项所述的密封件(10、50、100、150)，进一步包括偏压背衬构件，所述偏压背衬构件用于径向向内地朝所述旋转部分(14)推压各密封架片段(20)。
9.一种用于在蒸汽涡轮中防止涡流的方法，所述蒸汽涡轮具有环形固定部分(12)，能够绕轴线(16)旋转的旋转部分(14)延伸穿过所述环形固定部分(12)，其中，多个周向相邻的弧形密封架片段(20)附装到所述固定部分(12)上以形成迷宫式密封环(21)，并且，多个弧形密封元件(24、24A-24H)轴向间隔开地布置在每个密封架片段(20)的内表面(22)上，所述多个密封元件(24、24A-24H)中的每一个径向向内地朝所述旋转部分(14)延伸，所述方法包括：
通过提供流动阻碍件阻碍周向地围绕所述旋转部分(14)的蒸汽流，所述流动阻碍件包括布置在每个密封架片段(20)的所述内表面(22)上的轴向延伸的流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)，所述流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)布置在一对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D-24H)之间并垂直于所述一对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D-24H)，每个所述轴向延伸的流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)进一步径向向内地朝所述旋转部分(14)延伸。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述阻碍进一步包括：提供一对轴向延伸的保持构件(32、33、32A、33A、32B、33B)，所述保持构件(32、33、32A、33A、32B、33B)布置在每个密封架片段(20)的所述一对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D-24H)之间，用于支承所述流动阻碍件刷式密封元件(30、30A、30B)。
11.根据权利要求9和10中的任一项所述的方法，其中，所述阻碍包括将所述流动阻碍件刷式密封元件(30)布置在位于相应的所述密封架片段(20)的轴向上游端部处的一对轴向相邻地间隔开的密封元件(24A、24B、24D)之间。
12.根据权利要求9和10中的任一项所述的方法，其中，所述阻碍包括在每个密封架片段(20)的内表面(22)上在多对轴向间隔开的密封元件(24E-24H)之间布置多个流动阻碍件(30A、30B)。
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