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CN101382077B - 迷宫式压缩密封件和包括所述迷宫式压缩密封件的涡轮机 - Google Patents

迷宫式压缩密封件和包括所述迷宫式压缩密封件的涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及迷宫式压缩密封件和包括所述迷宫式压缩密封件的涡轮机。一种具有独特构造的旋转密封齿(124)与普遍使用的在旋转部件(118)与固定部件(14)之间提供密封的迷宫式密封件(122)相结合地使用。该具有独特构造的旋转密封齿形成压缩机构(134、136)以便与通过密封齿的迷宫结构的泄漏流(130、132)相抗衡，由此减小驱动泄漏的压力梯度并使泄漏流中的一些泄漏流的方向反转。

Description

迷宫式压缩密封件和包括所述迷宫式压缩密封件的涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于改进燃气轮机的叶轮空间中的二次空气流的轴向密封性能的独特的密封结构。
背景技术
使燃气轮机达到高性能水平需要将整个叶轮空间内的二次空气的泄漏降至最小程度。这就提出了挑战，原因在于密封机构必须被设计成提供一种在旋转部件(轮叶/叶片/盘/隔板(spacer))与固定部件(喷嘴/机叶(vane)/隔膜)之间实现有效密封的手段。通常的做法是利用迷宫式密封件，所述迷宫式密封件限制了可能发生泄漏的区域且还形成了一系列压力损失机构以便进一步减少空气泄漏流量。已经利用了呈不同布置的迷宫式密封齿，其中一些迷宫式密封齿是沿周向对齐的，一些迷宫式密封齿是沿周向交错排列的。此外，在需要时通常串联地利用不同数量的密封齿来提供附加的压力损失并进一步减少泄漏。
迷宫式密封齿可被设计成与相对的壁部相碰触并切入该相对壁部内，所述相对壁部通常为蜂窝状材料或另一种可选方式是所述相对壁部为可磨耗材料，以便在操作过程中提供最小化的间隙和泄漏区域。然而，绝大多数大型燃气轮机在热启动的瞬间经历了附加的关闭过程，这会导致在暂态启动过程中密封齿更深地切入到该可磨耗壁部内，但随后打开从而在稳态运行过程中暴露出加大的间隙。
另一种在与迷宫式密封件一起使用的旋转部件与固定部件之间进行密封的方法是串联安装刷式密封件。刷式密封件可进一步减少泄漏，但刷式密封件较为昂贵且增加了燃气轮机的复杂性。此外，刷式密封件的刷毛可延伸超出包含该刷式密封件的壳体的长度是有限的，且如果暂态关闭过大，则无法使用刷式密封件，否则存在在刷式密封件壳体与旋转部件之间产生硬摩擦的风险。
发明内容
本发明提供了一种改进燃气轮机的叶轮空间中的二次空气流的轴向密封性能的独特的装置。如前文中所述，该独特装置与普遍使用的在旋转部件与固定部件之间提供密封的迷宫式密封件相结合地使用。更特别地，本发明引入了具有独特构造的旋转密封齿，所述旋转密封齿形成压缩机构以便与通过密封齿的迷宫结构的泄漏流相抗衡，由此减小驱动泄漏的压力梯度并使泄漏流中的一些泄漏流的方向反转。
因此，本发明可被实施为一种用于涡轮机的迷宫式密封件，所述涡轮机具有固定壳体，旋转元件延伸通过所述固定壳体，其中所述涡轮机包括具有不同压力的介质流区域，所述迷宫式密封件包括第一密封组件，所述第一密封组件包括第一组多个相邻密封部件，所述第一组多个相邻密封部件从以下部分中的一个部分大体上沿径向延伸出来：1)所述固定壳体的一部分和2)所述旋转元件的一部分，所述第一组多个密封部件包括至少一个第一密封翅片结构和第二密封翅片结构，所述第一密封翅片结构包括至少一个沿周向延伸的翅片，所述第二密封翅片结构包括多个沿周向相邻的密封翅片，每个密封翅片相对于所述至少一个沿周向延伸的翅片呈一定角度地倾斜并且与所述至少一个沿周向延伸的翅片隔开一定距离以便在其间限定出沿周向延伸的阻挡间隙。
本发明还可被实施成一种涡轮机，所述涡轮机具有固定壳体，旋转元件延伸通过所述固定壳体，其中所述涡轮机包括具有不同压力的介质流区域，和迷宫式密封件，所述迷宫式密封件包括第一密封组件，所述第一密封组件包括第一组多个相邻密封部件，所述第一组多个相邻密封部件从以下部分中的一个部分大体上沿径向延伸出来：1)所述固定壳体的一部分和2)所述旋转元件的一部分，所述第一组多个密封部件包括至少一个第一密封翅片结构和第二密封翅片结构，所述第一密封翅片结构包括至少一个沿周向延伸的翅片，所述第二密封翅片结构包括多个沿周向相邻的密封翅片，每个密封翅片相对于所述至少一个沿周向延伸的翅片呈一定角度地倾斜并且与所述至少一个沿周向延伸的翅片隔开一定距离以便在其间限定出沿周向延伸的阻挡间隙。
附图说明
通过仔细研究以下对本发明目前优选的典型实施例进行的更为详细的描述并结合附图将更完全地理解和意识到本发明的这些和其它目的和优点。
图1是部分剖切的燃气轮机的截面示意图，图中示出了一种常规的迷宫式密封件；
图2是一种常规的隔板密封齿构型的一部分的透视图；
图3是体现本发明的隔板密封件的装有叶片的齿构型的透视图；
图4是一种常规的隔板密封齿构型的部分剖切的周向视图；和
图5是体现本发明的隔板密封件的装有叶片的齿构型的部分剖切的周向视图。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，提供了一种改进燃气轮机的叶轮空间中的二次空气流的轴向密封性能的独特的结构。该独特的结构与普遍使用的在旋转部件与固定部件之间提供密封的迷宫式密封件相结合地使用。更特别地，本发明引入了具有独特构造的旋转密封齿，所述旋转密封齿形成压缩机构以便与通过密封齿的迷宫结构的泄漏流相抗衡，由此减小驱动泄漏的压力梯度并使泄漏流中的一些泄漏流的方向反转。
在一个典型实施例中，本发明通过对迷宫式齿的形状和布置进行重新构造以便形成泄漏流的压缩或反向泵送从而避免了与刷式密封件相关联的成本、复杂性和风险。因此，与刷式密封件不同的是，根据本发明的一个方面，并未增加附加的部件。取而代之的方式是，包括本发明的特征部件与常规迷宫式密封齿一起被机加工进入旋转部件内。尽管涉及到了附加的机加工，但在刷式密封件的制造和安装过程中将会涉及到明显更少的努力。此外，由于刷式密封件的磨损且易于产生操作性的损伤，本发明与特别设置的用来增强迷宫式密封件的常规刷式密封件相比明显更为耐用和可靠。
在一个典型实施例中，本发明提出，对旋转部件的机加工工艺进行改进以便产生一系列重复性周向密封齿，所述齿相对于旋转部件的周向路径具有较浅的倾斜角度。对这些重复性倾斜密封齿的精确机加工大体上形成了高度较低的叶片，所述高度较低的叶片与压缩机叶片或推进器叶片一样起到了相似的作用。然而，与旨在使流量最大化的典型叶片或推进器级不相似的是，带叶片的密封齿与一个或多个常规密封齿相结合地使用。这样做是为了产生在方向上与泄漏流相反的小体积流，从而挡住流以便产生局部增加的环形压力区域，所述区域中充满了常规的密封齿从而阻挡泄漏流，正如下文中更充分描述地那样。
应该理解：在此所述的本发明的实施例提供了优于目前的具有或不具有刷式密封件的迷宫式密封件布置的多个优点。首先，本发明具有显著减少叶轮空间内的二次流泄漏的潜在可能性。常规的迷宫式密封件被用于燃气轮机的涡轮机部段中的所有级之间。因此，本发明可潜在地增强燃气轮机的所有级。此外，本发明的概念可被应用于基于地面的工业涡轮机、船用引擎和航空引擎以及蒸汽轮机。此外，本发明潜在地大大节省了成本并简化了目前利用刷式密封件的系统中的硬件。
在一个典型实施例中，将结合GE9H组合循环燃气轮机对本发明进行描述，所述燃气轮机被安装以便降低成本并改进第三级喷嘴与沿径向位于喷嘴内侧的叶轮空间中的2-3隔板之间的密封性能。静态喷嘴部件具有被附接到其内径部分上的蜂窝结构且旋转的2-3隔板具有在其外径部分上机加工出的密封齿。然而，本发明并不限于所示的典型实施例。
更特别地参见图1的示意性示图，图中部分地示出了常规的9H设计，图中示出了级2轮叶12、级3喷嘴14和级3轮叶16。在第三级喷嘴与2-3隔板18的界面处，蜂窝状材料20被附接到静态第三级喷嘴部件14的内径部分上，且在所示的常规结构中，旋转的2-3隔板18具有在其外径部分上机加工出的常规的周向迷宫式密封齿22。设置了迷宫式密封齿以使如箭头26、28示意性地示出的被供给通过级3喷嘴的级3轮叶冷却空气的泄漏最小化。
图2是2-3隔板18的一部分的透视图，图中示出了在冷却空气流路的上游侧和下游侧中的每侧上机加工出的第一和第二沿周向延伸的密封齿22。图3中包括的箭头30、32分别示出了朝向级2轮叶后叶轮空间的泄漏方向和朝向级3轮叶的前叶轮空间的泄漏方向。
图3是与图2相似的视图，但图中示出了根据本发明的一个典型实施例的在2-3隔板118的外表面中机加工出的带叶片的齿124。正如本文所示，设置了一系列重复性部分周向密封齿124，所述齿被设置成相对于旋转部件的周向路径成一定角度且因此相对于常规密封齿122成一定角度。从所示实施例中应该理解，带叶片的密封齿124并未完全替换常规的周向密封齿122，而是与一个或多个常规密封齿122相结合地使用。如图3、图4和图5所示，这样做是为了在倾斜的密封齿124之间产生沿与泄漏流130、132相反的方向流动的小体积流134、136，由此相对于冷却剂通路提高相关联的周向密封齿122的轴向外侧上的压力以便挡住流，从而产生与相应的常规密封齿122串联的局部增加的环形压力区域PX2fwd和PX2aft，从而分别与泄漏流130、132相抗衡。因此，图5所示的分别与常规的密封齿122相邻的压力PX2fwd和PX2aft大于分别介于图4所示的相邻的成对常规密封齿22之间的压力PX1fwd和PX1aft。如图5所示，带叶片的密封齿124在被密封区域的上游侧和下游侧上沿相反方向倾斜从而分别与沿轴向位于该区域上游和下游的泄漏流相对。
尽管已经结合目前被认为最实用且最优选的实施例对本发明进行了描述，但应该理解：本发明并不限于所披露的实施例，而是相反地，本发明旨在覆盖包括在由所附权利要求书限定的精神和范围内的各种变型和等效布置。
零件列表
级2轮叶12
级3喷嘴14
级3轮叶16
2-3隔板18
蜂窝状材料20
迷宫式密封齿22
冷却空气箭头26、28
泄漏方向箭头30、32
压力PX1fwd和PX1aft
2-3隔板118
常规的密封齿122
部分周向的带叶片的齿124
泄漏流130、132
流体积134、136
压力PX2fwd和PX2aft

Claims (7)

1.一种用于涡轮机的迷宫式密封件，所述涡轮机具有固定壳体，旋转元件延伸通过所述固定壳体，其中所述涡轮机包括具有不同压力的介质流区域，所述迷宫式密封件包括：
第一密封组件，所述第一密封组件包括第一组多个相邻密封部件，所述第一组多个相邻密封部件从以下部分中的一个部分大体上沿径向延伸出来：1)所述固定壳体的一部分和2)所述旋转元件的一部分，所述第一组多个密封部件包括至少一个第一密封翅片结构和至少一个第二密封翅片结构，所述第一密封翅片结构包括至少一个沿周向延伸的翅片(122)，所述第二密封翅片结构包括多个沿周向相邻的密封翅片(124)，每个密封翅片相对于所述至少一个沿周向延伸的翅片(122)呈一定角度地倾斜并且与所述至少一个沿周向延伸的翅片隔开一定距离以便在其间限定出沿周向延伸的阻挡间隙；
第二密封组件，所述第二密封组件包括第二组多个相邻密封部件，所述第二组多个相邻密封部件从以下部分中的一个部分大体上沿径向延伸出来：1)所述固定壳体的一部分和2)所述旋转元件的一部分，所述第二组多个密封部件包括至少一个第一密封翅片结构和至少一个第二密封翅片结构，所述第一密封翅片结构包括至少一个沿周向延伸的翅片(122)，所述第二密封翅片结构包括多个沿周向相邻的密封翅片(124)，每个密封翅片相对于所述至少一个沿周向延伸的翅片呈一定角度地倾斜并且与所述至少一个沿周向延伸的翅片隔开一定距离以便在其间限定出沿周向延伸的阻挡间隙；
其中，在所述第一密封组件与所述第二密封组件之间限定出冷却介质通路，每个所述密封组件的所述至少一个沿周向延伸的翅片(122)被设置在每个所述密封组件的所述第二密封翅片结构(124)与所述冷却介质通路之间。
2.根据权利要求1所述的迷宫式密封件，其中所述第二密封翅片结构的所述多个沿周向相邻的密封翅片呈一定角度地倾斜以便在所述旋转元件进行旋转时将流(134、136)导向所述阻挡间隙。
3.根据权利要求1或2所述的迷宫式密封件，包括被固定到所述固定壳体上的多个喷嘴(14)和被紧固到所述旋转元件上的多个轮叶(12、16)，且其中所述第一密封组件被限定在被设置在相邻轮叶(12、16)之间的密封环(118)上且位于被设置在所述轮叶之间的喷嘴(14)的径向向内的位置处，其中限定出通过所述喷嘴的与在所述密封环中限定出的冷却介质通路(28)连通的冷却介质通路(26)。
4.一种涡轮机，所述涡轮机具有固定壳体，旋转元件延伸通过所述固定壳体，其中所述涡轮机包括具有不同压力的介质流区域，且包括迷宫式密封件，所述迷宫式密封件包括：
第一密封组件，所述第一密封组件包括第一组多个相邻密封部件，所述第一组多个相邻密封部件从以下部分中的一个部分大体上沿径向延伸出来：1)所述固定壳体的一部分和2)所述旋转元件的一部分，所述第一组多个密封部件包括至少一个第一密封翅片结构和至少一个第二密封翅片结构，所述第一密封翅片结构包括至少一个沿周向延伸的翅片，所述第二密封翅片结构包括多个沿周向相邻的密封翅片，每个密封翅片相对于所述至少一个沿周向延伸的翅片呈一定角度地倾斜并且与所述至少一个沿周向延伸的翅片隔开一定距离以便在其间限定出沿周向延伸的阻挡间隙；
第二密封组件，所述第二密封组件包括第二组多个相邻密封部件，所述第二组多个相邻密封部件从以下部分中的一个部分大体上沿径向延伸出来：1)所述固定壳体的一部分和2)所述旋转元件的一部分，所述第二组多个密封部件包括至少一个第一密封翅片结构和至少一个第二密封翅片结构，所述第一密封翅片结构包括至少一个沿周向延伸的翅片，所述第二密封翅片结构包括多个沿周向相邻的密封翅片，每个密封翅片相对于所述至少一个沿周向延伸的翅片呈一定角度地倾斜并且与所述至少一个沿周向延伸的翅片隔开一定距离以便在其间限定出沿周向延伸的阻挡间隙；
其中，在所述第一密封组件与所述第二密封组件之间限定出冷却介质通路，每个所述密封组件的所述至少一个沿周向延伸的翅片被设置在每个所述密封组件的所述第二密封翅片结构与所述冷却介质通路之间。
5.根据权利要求4所述的涡轮机，其中所述第二密封翅片结构的所述多个沿周向相邻的密封翅片呈一定角度地倾斜以便在所述旋转元件进行旋转时将流导向所述阻挡间隙。
6.根据权利要求4或5所述的涡轮机，包括被固定到所述固定壳体上的多个喷嘴和被紧固到所述旋转元件上的多个轮叶，且其中所述第一密封组件被限定在被设置在相邻轮叶之间的密封环上且位于被设置在所述轮叶之间的喷嘴的径向向内的位置处，且其中限定出通过所述喷嘴的与在所述密封环中限定出的冷却介质通路连通的冷却介质通路。
7.根据权利要求4或5所述的涡轮机，包括被固定到所述固定壳体上的多个喷嘴和被紧固到所述旋转元件上的多个轮叶，且其中所述第一密封组件和所述第二密封组件被限定在被设置在相邻轮叶之间的密封环上且位于被设置在所述轮叶之间的喷嘴的径向向内的位置处。
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