[发明专利]使涡轮机密封泄露最小化的方法和装置

说明书

发明领域

本发明涉及一种涡轮机的密封。本发明是针对如何使通过涡轮机密封中泄露通道泄露的工作流体最少的问题而做出的。

发明背景

涡轮机是常见的能量转换设备，其特征为旋转部件受到作用力时会旋转。这个作用力通常是将高压工作流体，如过热蒸汽射向径向安装在转子上的一系列叶片阵列而形成的。涡轮机的效率取决于将工作流体的能量转化为旋转部件的旋转动能的能力。因此在旋转部件的周围使用了密封装置将工作流体保持在涡轮机的工作空间内。

涡轮机中使用的密封装置有许多种，如蒸汽密封，压盖密封，迷宫密封，蒸汽填密，涡流导流盘密封，耐压填料。这些密封的基本元件是密封圈。密封圈通常为若干弧形的密封圈段组成的环形结构。密封圈环绕着旋转部件填充了旋转部件和涡轮机壳体或其他外围结构之间的空间。

图1a为涡轮机密封中常用的密封圈段的剖面图。密封圈段2包括装在支撑结构1对应形状的槽中的基础部分3。支撑结构1可以是涡轮机的壳体或是环绕涡轮机旋转部分的另外的结构，也可以是涡轮机旋转部分的一部分。如果密封圈是安装在涡轮机的壳体或是其他的环绕结构中，齿状部分4由基础部分3径向向内朝向涡轮机旋转部分6的径向向外的表面7延伸。旋转部分可能是涡轮机的转子，或是环绕着径向向外安装在转子上的叶片组的环带，还可以是其他旋转部分。径向间隙C将旋转部分6的表面7与齿状部分4边缘5分隔开，防止它们之间的接触。

可能令流体流过密封的通路，被称为泄露通道。在图1a所示的结构中，泄露通道中的工作流体会通过齿状部分4边缘5与旋转部分6的表面7之间的间隙逃逸。流向密封的工作流体具有图中F所示方向的运动分量，还有相对于密封圈的转动运动分量。流过密封齿状部分的流体要受到节流作用，这样就会产生沿流线T的流动。对于给定的位于密封结构涡轮机上游侧部分的工作压力P1，流过密封后的流体压力P2要小于P1。

其他形式的密封圈也是常见的。图1b所示为另外一种形式的密封圈2，弯钩形的基础部分3装在支撑结构1对应形状的槽中。嵌条11嵌在基础部分3中，将密封圈2固定在槽中。

本技术领域的一般技术人员都知道，在涡轮机的密封技术中有四种解决使通过涡轮机密封中泄露通路流体泄露最少的问题的常规方法。第一种方法是尽量减小齿状部分边缘与旋转部分之间的径向间隙。这一方法的有效性是有限的，因为旋转部分在工作时会有热膨胀和瞬间的径向变形。如果齿状部分边缘与旋转部分之间的间隙选择不当，它们之间会出现接触造成齿状部分的磨损从而增大径向间隙。

使流体泄露最少的第二种方法是在旋转部分上设置多个顺序排列的齿状部分。利用多个齿状部分的密封有时也称为压盖密封。图1c为典型的多齿状部分密封的剖面图，一组齿状部分4向旋转部分6的表面7延伸。工作流体沿图中F所标示的方向流过泄露通路。每个齿状部分的约束作用形成了图中流线所示的流动，每个约束作用都导致压力的有效降低。但是每个顺序的约束作用对压力的降低作用逐次减小，因而多个齿状部分的密封不能完全消除泄露。在具体设计中可用的齿状部分的数量也要受到其他因素的限制，如可利用的轴向长度尺寸。

使流体泄露最少的第三种方法是交替变化多齿状部分密封中径向间隙的径向位置。图1d所示为一个例子。在这种结构中设置了对应于旋转部分6的较高部分9和较低部分10的长度交替变化的齿状部分4。图1e所示为具有同样功能的类似的结构，齿状部分4以交替变化的方式径向向内和由旋转部分6向外排列。这种结构使流体泄露最小化的效果比图1b所示的结构要好。但是这种结构的可用性要依旋转部分的结构而定，不是在所有的结构中都可以应用。

法国专利FR-A-365,995披露了一种图1e所示类型的密封。密封的齿状部分带有沟槽或孔道可使流体中夹带的砂粒，金属微粒等物通过密封处而不会损坏齿状部分的顶部。

使流体泄露最少的第四种方法是在密封结构中使密封的齿状部分呈一定角度排布，这一角度至少在一定程度与泄露流动的方向相逆。图1f所示为一个例子。这种结构有时也被称为“人字形”结构，在这种结构中，由旋转部分6和围绕旋转部分6的结构1上延伸出的齿状部分4呈一定角度排布，它们的排布角度在一定程度与图中F所示的工作流体的流动方向相逆。在Fowler的美国专利No.3,897,169中，在叶片组的顶部环带的圆周处采用了这种方法。这种方法还可以与交替变化径向间隙的径向位置的方法结合起来，如图1g所示的结构。但是后一种结构只是在热膨胀很小的情况下才可使用。