CN1294341C - 用于轴流式汽轮机的围带 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于密封汽轮机转动叶片和具有锥形轮廓(51)的定子(8)之间间隙的装置，所述的转动叶片(La3)在顶端设有环形围板(16)，该围板伸入定子空腔中，其在形成径向间隙的同时相对设有密封条(17)的定子密封，所述的空腔在曲径式密封出口(40)处沿其径向伸展分成至少两个轴向相互交错的空腔，并且围板(16)呈阶梯状，其至少具有两个相对定子的节流点，密封条(17)封闭一个涡流腔(22)并各自作用在一个阶梯上。最好在围板的每个阶梯上作用至少一个大致水平伸展的弯曲密封条(52)。

Description

用于轴流式汽轮机的围带

本发明涉及一种用于密封汽轮机动叶片和壳体间间隙的装置，该汽轮机的外壳具有锥形的轮廓，所述的动叶片设有环形的围板，该围板在构成径向间隙的同时相对设有密封条的壳体形成密封。

这种装置已经公知，其形成一种具有纯径向间隙的平滑或阶梯形半曲径式密封。这种密封在后面根据图2予以描述。

由于具有较好的效率和较高的可靠性，这种形式的间隙密封现在也已经用于冷凝式汽轮机倒数第二级的动叶片。这里，在450米/秒的圆周速度下对力学性能的要求是相当高的，而在约90℃下的热条件则是合适的。对几何形状要求的问题是：一方面，由于大的锥度，使得壳体壁中的前述公知密封装置具有深的空腔，另一方面，由于转子和壳体间较大的膨胀差，导致上述半曲径式密封具有宽的空腔。

在密封的入口区域形成大的空腔会导致在叶片通道中主流介质不期望的横向交换。这种横向交换因在叶片前棱平面内两相邻叶片间压差的巨大波动而加剧。此外，在该区域主流和围带的侧壁会激发一种强烈的涡流。

其密封条设在壳体上并相对环形围带形成密封的半曲径式密封不太有效，因为在这种条件下工作间隙必须具有约自由空腔高度三分之一的尺寸，所以，即使是多个密封条也不比单独一个密封条有效多少。

最后，密封出口区域较大的空腔也会在叶片通道中产生不期望的主流横向交换，因为在此两相邻叶片尖端间的压差也会产生较大的涡流。此外，在该区域完全失去了对主流的导引。

此外，这种密封的缺点是在外密封条后面形成较大的涡流空间，该空间会造成出口侧间隙流的大量消耗。

本发明的目的是对开始所述类型的叶片提供一种具有新的围带几何形状的密封，该密封在满足所有边界条件的同时，具有较好的效用。

本发明的上述目的用于密封汽轮机转动叶片和具有锥形轮廓的定子之间间隙的装置，所述的转动叶片(La3)在顶端设有环形围板，该围板伸入定子空腔中，其在形成径向间隙的同时相对设有密封条的定子密封，其中，所述的空腔在曲径式密封出口处沿其径向伸展分成至少两个轴向相互交错的空腔，并且围板呈阶梯状，其至少具有两个相对定子的节流点，密封条封闭一个涡流腔并各自作用在一个阶梯上；其特征在于，在曲径式密封入口处，所述的定子中的空腔轮廓首先向流料内伸展，然后再沿轴向向外伸展，并形成突入空腔的齿，围板设有一个后切口，该切口与齿的形状相对应；围板为阶梯状，在每个阶梯上至少作用一个大致水平伸展的弯曲密封条。

可以理解，本发明的优点是，新型的密封仅出现较小的间隙量，此外，间隙流可有效地汇入主流。

附图表示本发明的轴流冷凝式汽轮机末级的一个实施例。

图1是带有围板密封的低压汽轮机的部分纵向剖视图；

图2是现有技术带有围板密封的末级动叶片尖端的部分纵向剖视图；

图3是本发明带有围板密封的末级动叶片尖端的部分纵向剖视图；

图4和图5是带有变型结构围板的末级动叶片尖端的部分纵向剖视图；

图6是带有变型结构围板的、一具有弱锥度级的动叶片尖端的部分纵向剖视图；

图7是带有变型结构围板的、一具有大锥度级的动叶片尖端的部分纵向剖视图。

附图中仅示出了用于理解本发明的主要部件。工作介质的流动方向以箭头表示。

图1表示了一个低压叶片组的三个中间级，其每级由一个导引列Le和一个转动列La组成。在此，级Le3/La3相应于倒数第二级。根部21嵌入转子9环形槽内的转动叶片La在其叶片端部设有围板16，该围板的径向外部轮廓根据转动列而呈不同几何形状的阶梯状。在形成曲径式密封15的同时，它们的阶梯相对于以适当方式设置在转子9中的密封条密封。根部13嵌入定子8环形槽内的导向叶片Le在其叶片端部设有围板20。在形成曲径式密封19的同时，它们也相对于以适当方式设置在转子9中的密封条密封。

在初始状态，通流通道50在定子上具有锥形伸展的外轮廓51，在转子上具有圆柱形伸展的内轮廓11，但两者并非绝对如此。不管侧壁的实际轮廓如何，在转动叶片区域的外限流轮廓10总是由转动叶片La的面向通道的围板16所构成。直接位于围板16、20上游的是轴向间隙18，它构成曲径式密封的出口40。直接位于围板16、20下游的是径向间隙，它构成曲径式密封的出口42。原则上所述的间隙由定子部分于另一侧予以限定，该定子部分用于在没有叶片的平面内导流。

图2表示了开头所述现有技术中转动列La3的围板密封，它主要包括围板16A，围板16A在整个叶片宽度上伸展，并借助其外经和四个***定子8A中的密封条17A而形成一个具有纯径向间隙的半曲径式密封。可以看到大空间的曲径式密封入口40A和结构不合理的曲径式密封出口42A。通道侧壁在通入***孔时用标号54表示。

如图3所示，根据本发明，现在以三重方式来改善围带的几何形状和其在定子中的嵌置。

为了减小流动介质的横向交换和涡流强度，径向空腔在曲径式密封入口在其径向伸展方向分成两个轴向相互交错的空腔，即呈实例中的锯齿形。为此，在定子中环形槽的轮廓首先向内朝着流动介质伸展、然后再轴向向外伸展而形成一个伸入空腔的齿41。围板16的轮廓与此相适应。围板16设有与所述齿的形状相对应的后切口43。后切口43的轴向走向部分的直径尺寸应使得围板和定子在装配和非稳态运行中不相互接触。与图2比较表明，在运行位置，定子和围板之间具有一个很小的出入间隙18。所以，间隙流量由该新方案而得以显著减小。

此外，用一个全曲径式密封取代公知的半曲径式密封。为此，围板的外侧直径呈阶梯状，并且只设两个节流位置。两个***定子内并总是作用在一个级的密封条17限定了一个良好作用的涡流腔22。通过所述节流位置由于其径向交错而不会相互影响。利用该全曲径式密封进一步减小了间隙流量。

第三个措施是改善曲径式物流向主通道内的再次流入。为此，将曲径式密封出口42处的空腔在径向方向减小至允许的最小程度。间隙流由相对通常锥度向外弯曲的定子侧壁立即接收，因此可以大大减少流动介质有害的横向交换，并可大幅度避免高能间隙流不必要的消耗。此外，主流的总压力分布也受到弯曲定子侧壁的有利影响。

为此，通道50的限流侧壁直接在转动叶片La3的出口处设有一个弯曲角A，该角度的大小应使得从转动叶片的外流是均匀的，而不管总压力和外流的角度如何。在该实例中，这意味着角度A被限定为正的(positiv)。所述的弯曲侧壁部分沿径向向外伸展，即，其走向离开机器的轴线(未示出)。这种结构减小了依赖于间隙的压力区所引起的流动介质横向交换。这是因为所述的横向交换可能是由于在叶片特别敏感的抽吸侧所存在的分离造成的。

弯曲角的选择基于下述考虑：在转动叶片的出口具有均匀的流动，而在柱面处具有涡流。至少在径向外部区域中的流动具有比径向内部转子区域的流动高得多的能量，这以在径向外部区域中非常高的总压力形式表现出来。根据弯曲角的方案，现在需要将叶片高度上的总压力及流出角的不均匀性降到可能的最低幅度。径向平衡方程式指出，这可以首先借助流线的子午线曲率来达到。所以，必须首先通过调整弯曲角来影响子午线曲率，然后，当相应的弯曲角A相对于通道的锥形轮廓总是向外打开时，则可以在外边侧壁得到一种均匀的压力分布。这样就有利地降低了该区域的总压力。

要完全实现弯曲角方案需要在一个特定区域精确地导引流动，这可以由这样的认识来达到，即，由叶片回转所产生的流动不均匀性会逐渐在一个距离上消失，该距离对应于由叶片分布所确定的转动叶片出口和导向叶片入口之间的一半距离。

有利是，所述的侧壁还在下游、至少大约在下级(未示出)导向叶片的入口区域设有一个径向向内的弯曲角B。

具有弯曲角B的侧壁在下游导向叶片的根部区域于相对的弯曲角之后重又径向向内伸展，这样，在导向叶片根部和后面的转动叶片围板之间由轴向间隙18分开而产生的限流侧壁就具有一个公共点P，该点至少在大致所述下级转动叶片入口的平面内具有初始的直通道轮廓。这些情况都示于有关该侧壁的图3中，该侧壁位于空腔的上游可以成为前面导向叶片根部的限流部分。

在上游侧壁的相对弯曲角增加下游曲径式密封上的负压或减小其正压，这可以进一步减小间隙流量。

在下面描述的典型实施例中，起相同作用的部件具有与图3相同的标号。

图4表示了一个方案，其中围带具有与图2和图3相同的约25°的锥度。空腔在曲径式密封入口沿其径向伸展而分成三个轴向交错的空腔40a、40b、40c。三个***定子中定位的密封条17布置在曲径式密封的出口。

同样，为了改善曲径式物流再次流入主通道，在紧靠最后密封条之后的曲径式密封出口42处，所述的空腔在径向收缩到一个允许的最小尺寸。原则上该最小尺寸也配置在前面的空腔中。为此，围板16成阶梯状结构。各空腔由在第一段大致水平伸展然后弯曲的密封条52密封。这些密封条52最好靠其水平伸展段插在轴向伸展的壳体部分之中。显然也能够使用其他固定方法和几何形状。

图4所示的围板处于正常的工作位置。前密封条52作用在围板水平阶梯的前边缘，后密封条17作用在最后的水平围板阶梯上。

图5以略微缩小的比例表示围板处于其极限位置，即机器开动前或停车时的非稳态位置。可以看到，在点划线所示的位置，密封条52接合在轴向和径向阶梯部分的交点处。特别是为了方便，将所述的径向阶梯部分设计得相对于流动方向倾斜。此外，密封条的曲率可以使之在围板仍处于极限位置的时候方便地脱离。此外，在该位置，最前面的密封条17相对水平伸展的后围板部分形成密封。在虚线所示的位置，密封条52不再处于接合状态，在此，仅最后的密封条17形成密封并由此而防止工作介质无控制地流过间隙42。

图6所表示的新方案中，围板具有大约10°的锥度，其用于汽轮机低压部分的前级。在此，空腔被分成两个分空腔40a和40c，这两个分空腔由一个在第一段大致水平伸展然后弯曲的密封条52隔开。该密封条作用在一个单一阶梯结构的围板16上。其余密封条17的设置方式应使得即使在极限位置也至少有一个密封条52或17起作用。

最后，在图7表示的新方案中，围板具有约45°的锥度，其用于汽轮机的后低压级。在此可以看到，即使在这样的极限通道开口的情况下图4的方案也可以方便地加以应用。此外，该方案的优点是可以避免上述在入口处向内指向并对流体力学性能有害的弯曲角B，也就是说围带的轮廓在此与整个预定的通道轮廓相对应。

与现有技术相比，本发明上述表示及描述方案的优点是，由于阶梯状结构、特别是倾斜伸展的径向部分，大大增加了可用的密封长度。此外，根据图4、6、7，至少围板具有小的重量。

Claims (5)

1.用于密封汽轮机转动叶片和具有锥形轮廓(51)的定子(8)之间间隙的装置，所述的转动叶片(La 3)在顶端设有环形围板(16)，该围板伸入定子空腔中，其在形成径向间隙的同时相对设有密封条(17)的定子密封，其中，所述的空腔在曲径式密封出口(40)处沿其径向伸展分成至少两个轴向相互交错的空腔，并且围板(16)呈阶梯状，其至少具有两个相对定子的节流点，密封条(17)封闭一个涡流腔(22)并各自作用在一个阶梯上；其特征在于，在曲径式密封入口(40)处，所述的定子(8)中的空腔轮廓首先向流料内伸展，然后再沿轴向向外伸展，并形成突入空腔的齿(41)，围板(16)设有一个后切口(43)，该切口与齿(41)的形状相对应；围板(16)为阶梯状，在每个阶梯上至少作用一个大致水平伸展的弯曲密封条(52)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述围板阶梯径向向外指向的表面相对于流动方向倾斜。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在曲径式密封出口处的空腔(42)被缩小，以形成一个具有最小尺寸的窄间隙。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，围板(16)的内限流侧壁紧靠叶片体的后棱设有一个径向向外的弯曲角(A)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，通道(50)的限流侧壁紧靠曲径式密封入口(40)处设有一个径向向内指向的弯曲角(B)。

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