提供密封的方法和密封系统与流程

描述

本文中公开的主题的实施方案对应于提供密封的方法、密封系统以及使用密封系统的机器。

背景技术：

机器通常需要密封系统。

在“石油和天然气”领域中，对机器，具体地说是涡轮机的密封系统的要求非常高。

在机器的正常操作期间，密封元件与机器的对应部件之间的间隙应尽可能小。

无论如何，一般来说，很小的间隙使机器的组装更加困难。

此外，一般来说，如果密封元件与机器的对应部件之间的间隙较小，则如果出于任何原因元件和/或部件没有处于其理想位置，则元件与部件之间更可能发生碰撞。元件和/或部件的非理想位置可能是由于例如机器中的振动和机器中的温度分布，更确切地说是由温度分布引起的位移/变形。这种碰撞可能致使损坏元件和/或部件。

将期望具有小的间隙而没有上述缺点。

根据现有技术解决方案，例如在美国专利第5603510号和美国专利第8113771号中所公开的，如果密封元件被机器的部件推动，则该密封元件可以后退；这种后退被弹性元件抵消。以这种方式，减少了由于碰撞或接触而造成损坏的可能性。

无论如何，这些现有技术解决方案不能减少密封元件与机器的部件之间的碰撞或接触的可能性。

技术实现要素：

本文中公开的主题的第一实施方案涉及提供密封的方法。

根据这样的第一实施方案，所述方法在机器内提供密封并且包括：在所述机器的操作期间移动密封元件，因此所述机器的流体沿第一方向对所述密封元件施加压力，并且所述机器的组件沿第二方向对所述密封元件施加推力；以及平衡所述压力和所述推力，其中所述平衡由所述机器的弹性元件产生，所述弹性元件被布置为作用于所述密封元件以便抵消所述压力和所述推力两者。

本文中公开的主题的第二实施方案涉及密封系统。

根据这样的第二实施方案，所述密封系统包括：密封元件，所述密封元件可沿着方向来回移动，并且包括具有第一表面和第二表面的第一凹口；机器的组件的部件，所述部件包括具有第一表面和第二表面的第二凹口；弹性元件；所述第一凹口和所述第二凹口面向彼此，使得所述第一凹口的所述第一表面靠近所述第二凹口的所述第一表面并且所述第一凹口的所述第二表面靠近所述第二凹口的所述第二表面；所述弹性元件部分地容纳在所述第一凹口内并且部分地容纳在所述第二凹口内，以便根据所述密封元件相对于所述部件定位的位置而对所述第一表面和所述第二表面施加力；由转子叶片护罩的组件形成的连续外围表面，所述连续外围表面与由所述密封元件的密封表面形成的连续外围表面一起形成流体腔室。压力是通过所述流体腔室之间存在的压力差产生。

本文中公开的主题的第三实施方案涉及机器。

根据这样的第三实施方案，机器，具体地说是涡轮机，并且更具体地说是蒸汽涡轮机，实施上述方法和/或包括上述密封系统。

附图说明

并入本文中并构成本说明书的整体部分的附图示出了本发明的示例性实施方案，并与具体实施方式一起解释这些实施方案。在附图中：

图1出于解释性目的而示出了密封系统的实施方案的示意性纵向截面图；

图2示出了与图1相对应的具有一些简化并且没有弹性元件的视图；

图3示出了与图2相对应的具有基本上未压缩的弹性元件的视图；

图4示出了与图2相对应的视图，其中弹性元件被压力压缩；

图5示出了与图2相对应的视图，其中弹性元件被推力压缩；

图6示出了图1的实施方案的示意性横截面视图；

图7示出了密封系统的另一个实施方案的示意性纵向截面图；

图8示出了根据第一可能性(即，弹性元件的第一实施方案)的图7的实施方案的立体局部视图；以及

图9示出了根据第二可能性(即，弹性元件的第二实施方案)的图7的实施方案的立体局部视图。

具体实施方式

示例性实施方案的以下描述参考附图。

以下描述不限制本发明。而是，本发明的范围由所附权利要求限定。

在整个说明书中对“一个实施方案”或“实施方案”的提及意味着结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在所公开的主题的至少一个实施方案中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施方案中”或“在实施方案中”不一定是指同一个实施方案。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案中以任何合适的方式组合。

应注意，本发明通常应用于涡轮机，具体地说是蒸汽涡轮机；无论如何，不排除应用于其他机器。

图1非常示意性地示出了机器中的密封系统1；存在机器的第一部件2、机器的第二部件3和密封元件4，密封元件4将机器的内部区域b与机器的内部区域c隔开，并对部件3提供密封；区域b含有流体并且区域c含有流体。通常，区域b和c含有相同的流体。通常，区域b中的流体压力不同于区域c中的流体压力。

密封元件4可以在机器的操作期间移动；具体地说，它可以沿着方向d(图1中的竖直方向)来回移动。

在图1中，存在机器的第三部件6；部件2和6可以是机器的同一组件的部件。

在图1的实施方案中，部件2和6限定引导件，元件4可以在引导件处沿着方向d滑动。

在图1的实施方案中，部件2、部件6和元件4(具体地说是其表面44)有助于限定机器的内腔a，内腔a定位在元件4的第一侧上并且被设计为在机器的操作期间容纳加压流体。

在元件4的第二侧上，存在面向部件3的密封表面45。

在机器的操作期间，部件2通常是静止的。

在机器的操作期间，部件3可以是静止的或可移动的，例如旋转的。

在机器的操作期间，部件6通常是静止的。

密封元件4包括具有第一表面42(图1中的上表面)和第二表面43(图1中的下表面)的凹口41；表面43与表面42相对。

部件2包括具有第一表面22(图1中的上表面)和第二表面23(图1中的下表面)的凹口21；表面23与表面22相对。

还存在弹性元件5；通常，密封系统包括多个弹性元件，例如两个或三个或四个或五个或六个或七个或八个或更多个。

凹口21和41面向彼此使得表面22在任何时候都靠近表面42并远离表面43，并且使得表面23靠近表面43并远离表面42。当机器不在操作中时(例如，图3)，表面22与表面42完全对准，并且表面23与表面43完全对准。当机器在操作中时(例如，图4和图5)，表面22与表面42基本上对准，并且表面23与表面43基本上对准。

弹性元件5部分地容纳在凹口21内并且部分地容纳在凹口41内(见图1)，以便根据密封元件4相对于部件2定位的位置而对表面42、43、22、23施加力。例如：在图3所示的位置，它同时对所有表面42、43、22、23施加较小的力，因为它优选地预先略微受压缩；在图4所示的位置，它同时对所有表面23、42(但不对表面22、43)施加力；在图5所示的位置，它同时对所有表面22、43(但不对表面23、42)施加力。元件5部分地插入在凹口21内并且部分地插入在凹口41内–比较图2和图3；应注意，根据图3的实施方案，在元件5与元件2和4之间存在侧向空隙，但是它们的尺寸可能非常小并且在图3中被放大。

应注意，当机器在操作中时，密封元件4可以改变其位置；图4中所示的位置可以是其最低位置(例如，最接近机器的旋转轴线)，而图5中所示的位置可以是其最高位置(例如，离机器的旋转轴线最远)；下面将对此进行更好的解释。

密封元件4在机器的操作期间可由于由机器的流体(通常是机器的工作流体)在第一方向上对密封元件4的压力f1(见图1中的箭头)以及由于部件3在第二方向上对密封元件4的任何推力f2(见图1中的箭头)而移动；第二方向与第一方向相反。仅当元件4与部件3接触时，推力f2才会作用于元件4；在常规条件下，这种情况不应发生。在操作期间的任何时间，例如在涡轮机的旋转期间，压力f1作用于元件4；当机器不在操作中时，没有压力f1。

弹性元件5作用于密封元件4，并且被布置以便抵消压力f1和推力f2两者。

如从图1中可以看出，通常在区域a、b和c中存在三个不同的压力；力f1的量值取决于这三个压力以及经受这些压力的区域；力f1可以被认为作用于密封元件4的第一侧，具体地说是致动表面44上；力f2可以被认为作用于密封元件4的第二侧，具体地说是密封表面45上。根据一些典型的实施方案，在机器的操作期间，区域a中的压力几乎等于区域b中的压力并且大于区域c中的压力(例如，空腔a与区域b流体连通)或者区域a中的压力几乎等于区域c中的压力并且大于区域b中的压力(例如，空腔a与区域c流体连通)。根据其他实施方案，在机器的操作期间，区域a中的压力大于区域b中的压力和区域c中的压力；在这些情况下，空腔a与加压流体源流体连通。

应注意，在机器的操作期间，区域a、b和c中的压力可能发生变化。

当机器不在操作中时，区域a、b和c中的压力大致等于大气压，并且密封元件4处于图3所示的位置；密封表面45与部件3的表面相距相对较大的距离；间隙较大，并且因此组装是容易的。

当机器在操作中时，应在区域a中形成这样的压力(相对于区域b和c中的压力)使得密封元件4朝向部件3移动，如图4所示；密封表面45与部件3的表面相距相对较小的距离-该较小的距离使得压力f1与由于元件5引起的弹力相等并相反；间隙较小，并且因此即使区域b和c之间存在小泄漏，机器的性能也很好。

可以通过区域a中的压力来控制间隙。因此，该间隙可以适合于机器的操作条件。应注意，例如，在涡轮机的上升和下降期间，发生振动，因此期望具有较大的间隙以便降低旋转部件与静止部件之间碰撞的风险。应注意，在涡轮机的冷却阶段低速转动期间，发生不一致的变形，因此期望具有较大的间隙以便降低旋转部件与静止部件之间碰撞的风险。

如果出于任何原因并且尽管有上述间隙调节，但由于元件2和/或元件3的位置发生变化，元件3仍与密封元件4碰撞，则元件4可以如图5所示后退，并且这样的碰撞将不会对部件3或对密封元件4造成损坏。在这种情况下，弹性元件5吸收了震动。如从图5中可以看出，元件4的后退空间很大。

图1-5示出了横截面。

根据本发明的密封元件可以包括一个或多个线性的细长元件，但是更典型地，可以包括一个或多个弧形的细长元件，例如如图6中所示的元件4。

图6的密封系统包括四个弧形的细长密封元件；其中每一者都是圆形的并且宽大约90°，因此可以被称为“密封元件扇区”或“元件扇区”；图6以正视图完整地示出了其中的一个，即元件扇区4-1，并且以正视图局部地示出了其中的两个，即在元件扇区4-1的相对侧上的元件扇区4-2和4-3。这种系统提供周向密封。不同数量的元件扇区(通常宽度相等)是可能的，例如从两个到二十个的任何数量。

图6的密封元件中的每一者沿着其整个长度包括弧形凹口41；元件的横截面是一致的，即沿着其整个长度都相同(见图1-5)。

图6的密封元件中的每一者例如与部分地容纳在凹口41内的两个弹性元件5相关联。在图6中，每个弹性元件5是非常有利的“胡子弹簧”；胡子形弹簧在两个小尺寸圆弧之间包括一个大尺寸圆弧，小尺寸圆弧与大尺寸圆弧相对地弯曲。

弹簧的不同的有利数量和/或不同的有利形状是可能的；例如，该弹簧或每个弹簧可以是“波形弹簧”或“板簧”；“板簧”类似于“胡子弹簧”，但不是两个小尺寸圆弧，而是包括两个直的区段。

密封元件的这种细长形状允许相对于弹簧的其余尺寸实现弹簧的大变形；例如，考虑图3，如果表面42和43之间的距离为4.5mm，则元件5的变形可能达到1.5mm。

其他不太有利的形状是例如螺旋弹簧、杯形弹簧、碟形弹簧、条形弹簧。

图6还示意性地示出了作为止挡元件的元件7；止挡元件定位在凹口21和41中，并且被布置以便避免弹性元件5沿着凹口滑动。例如，在图6中，存在三个与元件扇区4-1的凹口41相关联的止挡元件7：其中两个在凹口41的端部，并且其中一个在凹口41的中间位置。如从图6中可以看出，当弹簧5没有受到径向压缩时，在弹簧的端部与止挡元件之间存在一些侧隙；相反，当弹簧5被高度径向压缩时，弹簧的端部与止挡元件接触；换句话说，当弹簧5被横向地(即，在图6的实施方案中为径向地)压缩时，由于上述侧隙，其可以纵向地(即，在图6的实施方案中为周向地)扩展。

刚刚描述的解决方案相对于根据美国专利第5603510号的现有技术解决方案具有多个优点。例如，替代于现有技术解决方案中的三个弹性元件(参见例如图1中的元件203a、203b、209)仅需要一个弹性元件，该设计非常紧凑而在移动密封元件现有技术解决方案的法兰上方和下方则需要空间(参见例如图2中的空腔107内的法兰123)，密封元件相对于壳体的完美定位是自动获得的而在现有技术解决方案中密封元件的定位取决于三个弹簧的弹性常数(参见例如图2)。

与根据美国专利第5603510号的现有技术解决方案类似，刚刚描述的解决方案相对于根据美国专利第8113771号的现有技术解决方案具有多个优点。具体地说，它简单得多。

在下文中，特别参考图7、图8和图9，它们是指与图1-6中的实施方案类似的实施方案；因此，已经关于先前实施方案提出的许多考虑因素(例如，关于压力、力等)也适用于本实施方案。

图7示出了特别是用于蒸汽涡轮机的密封系统701的局部纵向横截面视图，所述密封系统包括弧形的密封元件740(类似于图6)和至少一个弹性元件750，所述弹性元件部分地容纳在元件740的也是弧形的凹口741中(类似于图6)。由转子叶片护罩735和736的组件3形成的连续外围表面，与由密封元件4的密封表面45形成的连续外围表面一起形成流体腔室747，其中密封表面45面向转子叶片护罩735和736。压力f1是由流体腔室a和流体腔室747之间存在的压力差产生。

图8示出了根据第一可能性的图7的实施方案(即，其中弹性元件是波形弹簧750-a)的立体局部视图。

图9示出了根据第二可能性的图7的实施方案(即，其中弹性元件是胡子弹簧750-b)的立体局部视图。图9仅示出了胡子弹簧的一半；根据第二可能性，其他的胡子弹簧存在于凹口721和741内。

在描述图7-9的实施方案时，词语“内部”意指“较靠近涡轮机的旋转轴线”，“向内”意指“朝向涡轮机的旋转轴线”，“外部”意指“离涡轮机的旋转轴线较远”，“向外”意指“远离涡轮机的旋转轴线”。

图7示出了蒸汽涡轮机定子组件的壳体720的一部分，密封系统701安装在所述壳体中。存在用于蒸汽涡轮机定子组件的第一组定子叶片的第一座位702(在系统701的左侧)和用于蒸汽涡轮机定子组件的第二组定子叶片的第二座位703(在系统701的右侧)。密封系统701在蒸汽涡轮机转子组件730的护罩部分732处；在该图中，仅示出了转子叶片734的外部部分；举例来说，护罩部分732包括一个内表面735和轴向地间隔开的一个外表面736，两者之间有台阶；转子组件730上游的压力(即，在图的左侧)高于转子组件730下游的压力(即，在图的右侧)。

密封系统701几乎完全容纳在壳体720的座位内，即位于座位702和703之间并与其轴向地间隔开的空腔710；密封系统701的密封元件740的仅内部部分743从该座位向内突出；内部部分743是迷宫式密封件，其具有例如两个密封表面745和746以及在其之间的凹入腔室747。

空腔710包括外部部分(在图的顶部)和内部部分(在图的底部)；外部部分(沿周向)稍大于内部部分。考虑图7的横截面视图，空腔710的外部部分和内部部分的横截面是矩形；在第一侧上(在图中的右侧)，矩形的侧边对准，并且在第二侧上(在图中的左侧)，内部矩形的侧边相对于外部矩形的侧边凹入；由于空腔部分的尺寸不同，因此存在可用作密封元件740的止挡表面的至少一个表面712；空腔710的外部部分的外表面719也可以用作密封元件740的止挡表面。

密封元件740包括中间或主体部分748、内部部分743(已经在上文描述)和外部部分744；外部部分(沿周向)稍大于中间部分。考虑图7的横截面视图，元件740的外部部分和内部部分的横截面是矩形；在第一侧上(在图中的右侧)，矩形的侧边对准，并且在第二侧上(在图中的左侧)，内部矩形的侧边相对于外部矩形的侧边凹入；由于密封元件部分的尺寸不同，存在可用作密封元件740的止挡表面或邻接表面的密封元件740的外部部分744的至少一个表面742；密封元件740的外部部分744的外表面749也可以用作密封元件740的止挡表面或邻接表面。

密封元件740包括侧向凹口741。壳体720包括侧向凹口721。至少一个弹性元件750部分地容纳在凹口721和741内；弹性元件750与图1-6类似地定位和起作用，其中弹性元件的附图标记是5并且凹口的附图标记是21和41。弹性元件750被布置为在径向方向(图中的竖直方向)上接触壳体720和元件740两者，并且对其施加径向力；在轴向方向(图中的水平方向)上，弹性元件750接触或者非常靠近壳体720和元件740两者，但是不对其施加可观的轴向力。

类似于图1-6的实施方案，密封元件740被布置为沿着方向d来回滑动；更精确地说，密封元件740的中间部分748由空腔710的内部部分引导并且在空腔710的内部部分内滑动，而密封元件740的外部部分744由空腔710的外部部分引导并且在空腔710的外部部分内滑动。

如从图7中可以看出，密封元件740与壳体720之间的第一侧向间隙(在图中的右侧)为零或接近零，并且不允许空腔710(具体地说是表面719和749之间的区域a)与涡轮机下游组件730的区域c之间的流体连通；而密封元件740与壳体720之间的第二侧向间隙(在图中的左侧)并且允许空腔710(具体地说是表面719和749之间的区域a)与涡轮机上游组件730的区域b之间的流体连通。

密封表面745面向护罩部分732的内表面735，并且密封表面746面向护罩部分732的外表面736。

腔室747内的压力介于组件730的第一侧(即区域b)上的上游压力与组件730的第二侧(即区域c)上的下游压力之间。

密封元件740由于由弹性元件750抵消的任何径向压力和任何径向推力而移动。

另外，密封元件740的移动在径向方向上受一个或两个止挡件所限制。在图7的实施方案中，密封元件可以朝向转子组件730径向地移动，直到其表面742与表面712邻接为止。在图7的实施方案中，密封元件可以径向地移动远离转子组件730，直到其表面749与表面719邻接为止。

根据本发明的密封系统通常应用于涡轮机，具体地说是蒸汽涡轮机；无论如何，不排除应用于其他机器。

参考例如图7，像系统701之类的密封系统可以位于涡轮机，特具体地说是蒸汽涡轮机的一级处。在图7的情况下，元件732是转子730的护罩，并且元件740将涡轮机的较高压力区(在图中的左侧)与涡轮机的较低压力区(在图中的右侧)隔开，并且密封系统对机器的转子提供密封。

不排除密封系统的不同定位。