專利名稱：渦輪機的膜控式密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種安裝在渦輪機的旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間，特別是安裝在旋轉(zhuǎn)的渦輪機葉片的末端和靜止的外殼或其延伸部之間的密封件。
背景技術(shù)：
在以下說明中，術(shù)語“渦輪機”用來指旋轉(zhuǎn)發(fā)動機，其具有通過例如水或者氣體的流體介質(zhì)進行力接合的定子和旋轉(zhuǎn)部件。對于本發(fā)明，特別感興趣的是軸流式渦輪機，其包括與徑向安裝的運動的轉(zhuǎn)子葉片交替的徑向地固定安裝的定子葉片或者槳葉。運動通常是指相對于外殼或者機殼的運動。渦輪機的許多部件由于流體介質(zhì)漏入到所要求流動路徑外的渦輪機的部件中而遭遇效率損失。重要的泄漏路徑例如位于轉(zhuǎn)子和外殼之間、或者位于靜止的葉片或?qū)驑?葉的末端和轉(zhuǎn)子之間。在渦輪機的設(shè)計和運行中所遇到的另一個問題是轉(zhuǎn)子葉片的末端和外殼之間的泄漏。徑流式渦輪機的運行需要在轉(zhuǎn)動的運行葉片和靜止的壁外殼之間有最小的末端間隙。該間隙產(chǎn)生了由壓力側(cè)和吸入側(cè)之間的壓力差所驅(qū)動的漏流。同樣的問題出現(xiàn)在平衡活塞的區(qū)域中的渦輪轉(zhuǎn)子和外殼之間，并且為了清楚起見在本文中被歸入到末端泄漏下。為了減少泄漏且特別是末端泄漏，公知的是通過合適的密封件來封閉旋轉(zhuǎn)部件和靜止部件之間的間隙。用于該目的的最常見的密封型式是迷宮式密封。迷宮式密封一般具有位于一個部件上的許多徑向延伸的環(huán)形刀片和位于另一部件上的相應的環(huán)狀密封表面或者螺紋或凹槽的布置。所有的變型具有為流體通過間隙提供彎曲路徑的常見特征。對于渦輪機，密封件經(jīng)常呈現(xiàn)為通常如位于外殼內(nèi)部并被外殼支承的二等分或者四等分的區(qū)段所組裝成的一完整的環(huán)狀。因為迷宮式密封是眾所周知的，所以對于本發(fā)明的目的，強調(diào)所述密封是需要精密的尺寸公差以正確地運行的復雜形狀就足夠了。密封件的一部分從其默認位置的任何運動或者在運行期間的磨損通常導致運動部件和靜止部件之間泄漏或者摩擦的顯著增加。為了適應在葉片的徑向膨脹或者收縮的情況下密封件的部件的相對運動，某些密封件被組裝成彈簧加載式包裝。在彈簧加載式密封件中，彈力將密封件的一部分推靠到另一部分上，從而當移動的葉片收縮或者膨脹時避免了擴大間隙或者過大的摩擦。對于迷宮式密封的已知備選方案是刷式密封和指狀密封。所述密封通常包括安裝在一個部件上的許多撓性元件，其與另一部件上的合適表面形成密封。另一已知的備選方案是具有兩個接合表面的膜控式密封(film riding seal),雖然通常其很少被應用。當渦輪機轉(zhuǎn)動時，在表面之間產(chǎn)生了具有較小提升力的流體薄膜以保持它們分開。一般，在密封設(shè)計中包括彈性構(gòu)件以施加回復力，其反抗提升力并且維持密封表面之間大致恒定的間隙。然而，假定膜控式密封需要非常精確的加工和對密封表面及其距離的控制，所以沒有發(fā)現(xiàn)該特殊類型的密封在發(fā)電行業(yè)中的廣泛應用。因此，本發(fā)明的目的是改進已知的膜控式密封以適應大型渦輪機(特別是當用于公共電網(wǎng)的發(fā)電中的大型蒸汽渦輪機)要求的環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于渦輪機的密封件，其包括安裝在渦輪機的靜止部件上的第一密封表面和安裝在渦輪機的旋轉(zhuǎn)部件上的第二密封表面，所述表面被構(gòu)造成在運行中在兩個表面之間產(chǎn)生流體介質(zhì)的薄膜以減小接觸和/或泄漏，所述第一或第二密封表面中的至少一個被安裝成，第一或第二密封表面中的至少一個當渦輪機靜止或者處于緩慢轉(zhuǎn)速時經(jīng)受打開密封件的縮回力并且在渦輪機處于工作轉(zhuǎn)速時經(jīng)受抵銷縮回力的力。在本發(fā)明的一優(yōu)選變型中，密封表面被安裝在渦輪機葉片的罩蓋或末端和鄰近的渦輪機的靜止部件處。在本發(fā)明的一優(yōu)選變型中，至少一個表面被連接至流體供給線路，該流體供給線 路將加壓液體供給到密封表面后面的空間內(nèi)，從而當渦輪機處于工作轉(zhuǎn)速時流體的壓力提供抵銷縮回力的力。密封表面中的至少一個表面可以形成有例如直的或者螺旋形的臺階以協(xié)助引導流體進入間隙中并且協(xié)助維持流體薄膜。在本發(fā)明的上述方面的另一優(yōu)選實施例中，至少一個密封表面被安裝在能夠在支承結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿軸向擴展的承載件上。在該實施例的一變型中，承載件由外殼支承。在本發(fā)明的上述方面的另一實施例中，至少一個密封表面安裝有撓性構(gòu)件以提供作用來脫開兩個密封表面的縮回力。在本發(fā)明的上述方面的另一實施例中，兩個密封表面垂直于渦輪機的軸向方向安裝。該實施例的特殊優(yōu)點是在不影響密封表面之間的間隙寬度的情況下適應渦輪機葉片的大量的徑向膨脹或者收縮。在該實施例的備選方案中，兩個密封表面可以垂直于渦輪機的徑向方向安裝。所述實施例具有更少受密封部件在軸向方向上的相對位移的影響的優(yōu)點。在本發(fā)明的上述變型中，流體供給線路可以穿過轉(zhuǎn)動葉片的罩蓋或者穿過由外殼支承的(靜止)承載件。在前一種情況下，流體線路提供了從葉片的上游側(cè)進入密封表面后面的空間內(nèi)的管道，而在后一種情況下，管道連接渦輪機的上游段與密封表面后面的空間。在上述變型的一更優(yōu)選實施例中，流體線路包括周向的(相對于渦輪機的主軸線)凹槽或者溝道。在另一優(yōu)選實施例中，密封件被設(shè)置為成對的薄膜密封表面，優(yōu)選被如此安裝在外殼或者靜止的膜片(diaphragm)上，即，沿軸向方向?qū)⑥D(zhuǎn)動的末端相對于兩側(cè)密封。還可行的是，為轉(zhuǎn)動葉片的末端或罩蓋設(shè)置另外的延伸構(gòu)件以使葉片的末端或罩蓋和外殼之間的間隙變窄。所述延伸部可以采取翅片和端頭的形式并且可以被用作密封表面之一的承載件的一部分或者用作例如鄰近于膜控式密封放置的迷宮式密封的另外密封的承載件。本發(fā)明的所述和進一步的方面從以下的詳細描述和如下所列的圖中變得顯而易見了。


現(xiàn)在參照附圖來描述本發(fā)明的示例實施例，其中圖I描繪了(已知的)蒸汽渦輪機的示意性橫截面以圖解本發(fā)明所處的環(huán)境；圖2A和2B顯示了根據(jù)本發(fā)明的、沿軸向方向定向且通過旋轉(zhuǎn)渦輪葉片的罩蓋供給蒸汽的膜控式密封的示意性實例；圖3示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的、沿軸向方向定向且通過連接至靜止外殼的密封表面的承載件供給蒸汽的膜控式密封；圖4示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的、沿軸向方向定向且通過密封表面的靜止承載件供給蒸汽的膜控式密封，該密封表面具有成對地設(shè)置的兩個密封件以改善軸向密封；圖5示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的、放置在沿徑向方向定向的罩蓋的延伸部上且 通過連接至靜止外殼的密封表面的承載件供給蒸汽的膜控式密封；圖6顯示了根據(jù)本發(fā)明的膜控式密封的另一實例，其沿徑向方向定向、通過連接至位于放置在端頭上的輔助密封件之間的靜止外殼的密封表面的承載件來供給蒸汽；以及圖7以示意性橫截面顯示了形成膜控式密封的表面結(jié)構(gòu)的實例。
具體實施例方式首先，在以下涉及如圖I所示的所謂的“緊湊式膜片”設(shè)計的描述中更詳細地描述了本發(fā)明的方面和實例的細節(jié)，其再現(xiàn)了共同擁有的公開的美國專利申請?zhí)?008/0170939中的圖2的有關(guān)特征。圖I中示出了軸流式渦輪機的局部徑向截面草圖，顯示了在蒸汽渦輪機中位于運動葉片12、13的相繼環(huán)形排之間的固定葉片或者膜片的環(huán)的剖面。運動葉片各設(shè)有徑向內(nèi)部“T形根”部分14、15，該“T形根”部分14、15位于在轉(zhuǎn)子鼓18的邊緣中加工的相應狹槽16、17中。它們的末端還設(shè)有被稱為罩蓋19、20的徑向外部構(gòu)件。在所示的實例中，罩蓋承載迷宮式密封的運動部件。界定出的分段環(huán)21、22支承密封件的靜止部分。它們被剛性連接到上游和下游的膜片環(huán)33、34上，所述膜片環(huán)33、34進而被安裝在渦輪機的外殼10的內(nèi)部。連接到膜片環(huán)33、34上的是靜止的槳葉30、31。如已知的，葉片末端或罩蓋19、20和環(huán)21、22之間的密封件由唇緣或者翅片23、24實現(xiàn)，所述唇緣或者翅片23、24被嵌塞到在分段環(huán)21、22中加工出的凹槽內(nèi)，從而形成了傳統(tǒng)的迷宮式密封。在以下描述中，通過以下參照圖2-5詳細描述的各種配置的膜控式密封來替代圖I的迷宮式密封。在全部圖中，當可能時，具有類似功能的類似構(gòu)件或多個構(gòu)件由相同的附圖標記來標識。參見圖2A，示出了旋轉(zhuǎn)渦輪機葉片的末端區(qū)段13具有罩蓋20，該罩蓋20載有徑向延伸構(gòu)件201。安裝到該延伸部件上的是膜控式密封24的第一密封表面或者運轉(zhuǎn)表面241。密封表面241垂直于軸向方向定向。與第一密封表面或者運轉(zhuǎn)表面241并置的是第二密封表面242，其實際上是密封墊243的一部分。旋轉(zhuǎn)密封表面241 —般包括硬涂層，而靜止的密封表面242 —般是由更軟的材料制成的，其可以依據(jù)工作溫度從例如PTFE的聚合物材料變化到鋼或者碳。密封墊243安裝在較大的承載件構(gòu)件22的凹進部內(nèi)。彈簧構(gòu)件244提供較小的力以使承載件22居中并且在沒有任何其他力的情況下推動密封表面相接觸，例如，在渦輪機啟動期間。承載件22駐留在外殼10或者連接至外殼的部件(例如，外部膜片)內(nèi)的狹槽內(nèi)。狹槽留有間隙地支承承載件以適應在外殼10內(nèi)沿承載件結(jié)構(gòu)的軸向方向上的(熱)膨脹。由穿過徑向延伸構(gòu)件201和罩蓋20的多個孔來提供供給線路202，以將蒸汽從上游側(cè)(具有高壓)導向到密封表面241、242之間的間隙中。在其入口點，孔202最好被彎曲成這樣的角度，即，指向上游側(cè)上的旋轉(zhuǎn)方向以利用速度頭。應當注意到,所示的孔純粹是示意性的，并且其路徑將取決于幾個設(shè)計參數(shù)。這些參數(shù)包括罩蓋的尺寸、壓力差等?？椎睦硐胲壽E很可能是從上游側(cè)上的壓力較高的位置至溝道203的直線路，其沿膜控式密封件24的周向的第一密封表面或者運轉(zhuǎn)表面241均勻地分配高壓流體。 在工作條件下，蒸汽從較高壓力側(cè)進入供給管202以被排出到分配溝道203并且進入密封表面241、242之間的間隙中，由于葉片的末端或罩蓋20周圍的壓力損失，該間隙一般處于較低壓力。流體的該噴射與密封表面241、242的相對轉(zhuǎn)動及任何表面結(jié)構(gòu)一起在該區(qū)段中的轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間形成了流體薄膜。該薄膜在寬度方面上是某種程度自動調(diào)節(jié)的并且密封間隙可以被維持在非常小的公差內(nèi)。當相對的密封表面241、242垂直于軸向方向時，它們能容許葉片沿徑向方向的顯著運動。任何徑向膨脹或者收縮基本上僅引起密封表面241、242的橫向偏移，而不會加寬兩者之間的間隙。結(jié)果，軸向定向的膜控式密封被看作可能克服迄今為止阻礙該密封技術(shù)在渦輪機工業(yè)中應用的重要障礙中的一個。圖2B中示出了圖2A的實例的變型。在這里，引入彈簧構(gòu)件245以直接作用在密封墊243上。彈簧以很小的閉合力作用在墊上并且可以替換圖2A中所示的對中(centralizing)彈簧構(gòu)件244或者與其結(jié)合作用。以上已經(jīng)描述了圖2B的其他構(gòu)件。圖3中示出了上述實例的替代方案。在這里，流體供給管202被從具有較高壓力的上游級導向通過靜止的承載件區(qū)段22。加壓流體被引導到密封墊243后面的空間內(nèi)。在密封墊243和承載件22之間使用波紋或者彈簧構(gòu)件246，以偏壓密封件并且通過提供縮回力來確保在渦輪機啟動或者其他非運行事件期間密封件的位置。如上述實例，相對的密封表面241、242也垂直于軸向方向定向，并且從而能容許葉片沿徑向方向的移動。圖4中示出了圖3的實例的變型。在圖4的實例中，罩蓋20的徑向延伸部201設(shè)置在一對膜控式密封件24、24’的旋轉(zhuǎn)表面之間并且承載所述旋轉(zhuǎn)表面。密封件24、24’中的每個用與上述圖3的密封件24相同的方法來構(gòu)造，并且用相同的附圖標記表示相同的構(gòu)件。圖4的變型提供了改進的密封，其更容許部件沿軸線方向的相對運動。在不同的設(shè)計約束條件下，提供沿徑向方向定向的膜控式密封件可能是重要的。帶有該定向的密封件具有對渦輪機轉(zhuǎn)子的軸向運動的更大容忍度。在以下的圖5中示出了為該目的設(shè)計的實施例的實例。在由圖5所圖解的實例中，密封件24被安裝在承載件22內(nèi)的凹槽中，并且與其垂直于徑向方向的密封表面241、242對準。在該徑向定向的膜控式密封布置中，蒸汽供給管202可以通過承載件結(jié)構(gòu)被直接導向到密封墊243后面的壓力分配溝道203中。波紋件(be 11ow) 246提供了縮回力以偏壓密封件。供給到壓力分配溝道203中的蒸汽克服波紋件246的縮回力移動密封墊，其在該情況下被設(shè)計成縮回密封墊的打開力，以當一旦壓力超過波紋件的彈簧力時關(guān)閉密封件。由泄漏到罩蓋上并進入密封表面之間的蒸汽形成的薄膜防止了密封墊與罩蓋之間的接觸。該變型提供了在不引入任何附加泄漏流的情況下使用高壓蒸汽來減小操作間隙的優(yōu)點。當流體動力大到足以平衡作用在密封墊上的壓力時，該系統(tǒng)將自我平衡。密封表面241是罩蓋20的末端延伸部或者端頭(castellation) 201的一部分。在該實施例中，環(huán)形的密封墊243被有利地制造成聯(lián)鎖片(interlocking tiles)的形式,這容許與外殼10 —起的徑向膨脹，而沒有在軸線方向上的壓力泄漏。承載件22駐留在外殼10內(nèi)的狹槽內(nèi)或者駐留在連接至外殼的部件內(nèi)。然而，狹槽留有間隙地支承承載件以適應承載件結(jié)構(gòu)的(熱)膨脹。如圖6中的示例性方式所示的，在渦輪機葉片13的末端20的區(qū)域中設(shè)置另外的密封件可能也是有利的。在該實例中，相對于兩個另外的迷宮式密封件25、26之間的上游 壓力和下游壓力來包圍實際的膜控式密封件24，該兩個另外的迷宮式密封件25、26按傳統(tǒng)方式安裝在延伸構(gòu)件205、206上。圖7的示意性剖視圖中所圖解的樣式表面可能經(jīng)常對薄膜的最初構(gòu)成和對轉(zhuǎn)動期間它的維持起支持作用。所述樣式例如可以是切入表面242中的小臺階或凹槽，其可以是如所示的直邊的或者螺旋狀的。箭頭指出了靜止表面242和轉(zhuǎn)動表面241之間的轉(zhuǎn)動方向。值得注意是，如圖7所示的構(gòu)造表面可以支持本發(fā)明的上述實施例中的任一個。以上已經(jīng)僅通過舉例來描述了本發(fā)明，并且可以在本發(fā)明范圍內(nèi)進行改進。本發(fā)明還可能包括本文中描述或暗示的或者在附圖中顯示或暗示的任何單獨特征或者任何所述特征的任何組合或任何所述特征或組合的任何概括，這擴展至其等同物。因此，本發(fā)明的寬度和范圍不受任何上述示例性實施例的限制。用于相同的、等同的或者類似目的替代特征可以替換說明書中所公開的各特征，包括附圖，除非另有明確的說明。除非本文中明確地說明過，否則整個說明書的現(xiàn)有技術(shù)的任何論述不認為所述現(xiàn)有技術(shù)是本領(lǐng)域普遍公知的或者形成了本領(lǐng)域公知常識的一部分。附圖標記列表外殼10轉(zhuǎn)動葉片12、13徑向的內(nèi)部”T形根”部分14、15相應狹槽16、17轉(zhuǎn)子鼓18罩蓋19、20徑向延伸構(gòu)件201供給管202、202’壓力分配溝道203延伸構(gòu)件205、206定子密封件的支承件、承載件21、22密封件/密封翅片23、24、24’
第一密封表面或者運轉(zhuǎn)表面241第二密封表面242密封墊243、243’彈簧構(gòu)件、波紋件244、245、246開口 246迷宮式密封件25、26
靜止葉片30、31上游和下游的膜片環(huán)33、3權(quán)利要求
1.一種用于渦輪機的密封件，包括安裝在渦輪機的靜止部件上的第一密封表面和安裝在所述渦輪機的旋轉(zhuǎn)部件上的第二密封表面，所述表面被構(gòu)造成在運行中在所述兩個表面之間產(chǎn)生流體介質(zhì)的薄膜以減小接觸和/或泄漏，所述第一或第二密封表面中的至少一個被安裝成，所述第一或第二密封表面中的至少一個當所述渦輪機靜止或者處于緩慢轉(zhuǎn)速時經(jīng)受打開所述密封件的縮回力并且在所述渦輪機處于工作轉(zhuǎn)速時經(jīng)受抵銷縮回力的力。
2.如權(quán)利要求I所述的密封件，其中所述密封表面中的一個被連接至流體供給線路，該流體供給線路將加壓液體供給到所述密封表面中的至少一個后面的空間內(nèi)，從而當所述渦輪機處于工作轉(zhuǎn)速時流體的壓力提供抵銷縮回力的力。
3.如權(quán)利要求I所述的密封件，所述密封表面實質(zhì)上垂直于所述渦輪機的主軸線。
4.如權(quán)利要求I所述的密封件，其中所述流體供給線路包括孔，該孔穿過所述罩蓋將所述密封表面中至少一個后面的空間連接至上游壓力下的流體。
5.如權(quán)利要求I所述的密封件，其中所述流體供給線路包括孔，該孔穿過渦輪機的靜止部件將所述密封表面中至少一個后面的空間連接至上游壓力下的流體。
6.如權(quán)利要求I所述的密封件，其中所述流體供給線路包括周向溝道，該周向溝道補償沿著所述密封表面中至少一個后面的空間的壓力。
7.如權(quán)利要求I所述的密封件，其中所述密封表面中的至少一個安裝密封墊上，該密封墊直接或者間接地連接至彈性構(gòu)件，以提供起到脫開所述密封件的兩個表面的作用的縮回力。
8.如權(quán)利要求I所述的密封件，其中所述密封表面安裝在渦輪機葉片的罩住的末端和鄰近的所述渦輪機的靜止部件處。
9.如權(quán)利要求I所述的密封件，具有實質(zhì)上垂直于所述渦輪機的主軸線定向的兩對第一和第二密封表面，潤輪機葉片的罩住的末端在該對密封表面之間運轉(zhuǎn)。
10.如權(quán)利要求I所述的密封件，其中安裝在渦輪機的靜止部件上的第一密封表面被安裝在承載件構(gòu)件上，其進而具有容許外殼的熱膨脹而不使密封件移位的足夠的間隙。
11.如權(quán)利要求I所述的密封件，其結(jié)合有設(shè)置在所述轉(zhuǎn)動葉片的末端處的另外的密封件，以密封所述末端周圍的從所述葉片的上游側(cè)到下游側(cè)的流體的通道。
12.如權(quán)利要求I所述的密封件，所述密封表面實質(zhì)上垂直于徑向方向。
13.如權(quán)利要求12所述的密封件，所述密封表面安裝在所述罩蓋的徑向延伸部上或所述轉(zhuǎn)動葉片的末端的徑向延伸部上。
14.如權(quán)利要求I所述的密封件，其中至少所述密封表面被成形為便于在所述表面之間生成流體薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于渦輪機的改進的密封件，具有安裝在渦輪機的靜止部件上的第一密封表面和安裝在渦輪機的旋轉(zhuǎn)部件上的第二密封表面，所述密封表面被如此構(gòu)造，即，在運行中，在兩個密封表面之間生成流體介質(zhì)的薄膜以減少與如此安裝的第一或第二密封表面中的至少一個的接觸和/或滲漏，以便當渦輪機靜止或者處于緩慢的轉(zhuǎn)速時其經(jīng)受打開密封件的縮回力并且在渦輪機處于操作轉(zhuǎn)速時經(jīng)受抵消所述縮回力的作用力。密封表面的表面可能結(jié)合有實質(zhì)上直邊或者螺旋狀的圖案以協(xié)助將流體引導到間隙中并維持流體薄膜。
文檔編號F01D11/10GK102733865SQ20121008846
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月29日
發(fā)明者C·W·芬內(nèi)爾, V·斯特凡尼策 申請人:阿爾斯通技術(shù)有限公司