一种高压汽轮机叶顶汽封结构的制作方法

本发明涉及旋转机械密封技术领域，尤其涉及一种高压汽轮机叶顶汽封结构。

背景技术：

随着我国发电行业的发展，机组的容量从600mw等级增大到1000mw等级，但因技术能力不足，我国的1000mw等级机组都是先靠引进。其中，引进型日立1000mw高压汽轮机的效率比较低，需要对其进行改进，对高压汽轮机叶顶汽封结构的改进优化是方法之一。

技术实现要素：

本发明公开一种高压汽轮机叶顶汽封结构，以解决现有技术中密封转子的稳定性较低导致高压汽轮机的效率比较低的技术问题。

为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

根据本发明的第一方面，提供了一种高压汽轮机叶顶汽封结构，包括多个高压缸，每个所述高压缸包括：转子，周向设置在所述转子上的叶片，设置在叶片顶部上的凸台，以及汽封块；其中，所述汽封块包括多个密封齿，所述汽封块通过所述密封齿与所述叶片及叶片顶部上的凸台形成密封腔；所述凸台的数量为一个。

可选地，所述高压缸为高压汽轮机中的调节级高压缸、1级高压缸、2级高压缸、3级高压缸、4级高压缸、5级高压缸、6级高压缸、7级高压缸或者8级高压缸。

可选地，所述多个密封齿包括长密封齿、短密封齿和平密封齿。

可选地，所述汽封块包括8个密封齿。

可选地，沿气流来流方向，所述汽封块依次包括1个长密封齿、1个平密封齿、2个短密封齿、1个平密封齿和3个长密封齿。

可选地，所述凸台与所述2个短密封齿相对。

可选地，沿着垂直于气流来流方向的线，将所述叶片划分为第一部分和第二部分，所述凸台设置在叶片的第一部分的顶部上。

可选地，所述密封齿与所述凸台之间具有间隙，所述间隙的轴向高度为0.5-1.5mm。

可选地，所述密封齿与所述凸台之间具有间隙，所述间隙的轴向高度为0.8mm。

可选地，所述转子上还设置有预旋片，所述预旋片设置在气流进口之前，所述气流进口为沿着气流来流方向的第一个密封齿与所述凸台之间的间隙；

以进口来流角度为基准，所述预旋片的典型进口角度为60度和出口角度为零度。

在本申请中，“预旋”指密封的进口周向速度；

预旋片的进口角度为进口来流角度，典型值为正60度。

预旋片的出口角度为0度，比如，预旋片相对于轴向的角度，0度表示与轴向平行、正值表示周向速度与转子旋转方向相同。

本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：

本发明提供的高压汽轮机叶顶汽封结构，可以提高密封转子的稳定性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有汽轮机高压的叶顶汽封结构的结构示意图；

图2a为对具有两个凸台结构的原始叶顶汽封结构进行建模后的模型图；

图2b为对原始叶顶汽封结构去掉后凸台结构后形成的叶顶汽封结构进行建模后的模型图；

图3a为具有两个凸台结构的原始叶顶汽封结构的高压级密封网格分布轴向平面剖视图；

图3b为原始叶顶汽封结构去掉后凸台结构后形成的叶顶汽封结构的高压级密封网格分布轴向平面剖视图；

图4a为具有两个凸台结构的原始叶顶汽封结构的流线分布图；

图4b为原始叶顶汽封结构去掉后凸台结构后形成的叶顶汽封结构的流线分布图；

图5为根据本发明的叶顶汽封结构的结构示意图。

附图标记说明：

1第一段受力面

2第二段受力面

3第三段受力面

4第四段受力面

5第五段受力面

6第六段受力面

7第七段受力面

8第八段受力面

9第九段受力面

11，18长密封齿

13，14，16，17短密封齿

12，15平密封齿

31前凸台

30后凸台

41第一长密封齿

42第二平密封齿

43第三短密封齿

44第四短密封齿

45第五平密封齿

46第六长密封齿

47第七长密封齿

48第八长密封齿

50叶片顶部

61凸台

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各个实施例公开的技术方案；

在本申请中，相同的参考标号用于代表相同的部件。

后凸台对高压汽轮机性能影响分析：

引进型1000mw机组高压缸共有9级组成，依次为调节级、高压1～8级。

图1所示为现有1000mw机组汽轮机高压第一级的几何结构图。它所采用的是带前凸台31和后凸台30的迷宫密封结构，其中，前凸台31和后凸台30设置在叶片顶部50上，每个凸台上分布两个短密封齿，例如，前凸台31上分布两个短密封齿13，14；后凸台30上分布两个短密封齿16，17。凸台以外还布置了2个长密封齿11，18，和2个平密封齿12，15。

对于汽轮机高压级其他级，除了几何尺寸的区别外，高压其他级的密封型式基本与高压第一级相同。

由于该汽轮机高压级各级的密封结构均与第一级相同，因此在本发明的下文中只针对第一级进行详细分析。所得到的这种密封结构的泄漏特性、转子动力学特性的影响因素和改进方法也适用于其他各级。

为了得到这种密封结构详细的泄漏特性、转子动特性，需要对其建模分析。以第一个密封齿和最后一个密封齿为进、出口。考虑到实际汽轮机运行时存在轴向位移，在建模时，将凸台齿和凸台间的轴向距离去掉，使凸台与凸台齿对齐，如图2a所示。同时，去掉该高压第一级围带密封实物的后一凸台。为了形成对比，这里与原始结构一并建模分析，如图2b所示。在图2a和图2b中中将转子径向力的受力面细分为第一段受力面1、第二段受力面2、第三段受力面3、第四段受力面4、第五段受力面5、第六段受力面6、第七段受力面7、第八段受力面8和第九段受力面9，即，将转子径向力的受力面细分为9段，具体如图2a和图2b中数字所示，以详细研究每一段对转子受力与稳定性的作用比例。其中，在图2a和图2b中，进口为第1个齿的间隙进口，出口为第8个齿的间隙出口，左右边界的两条边分别指第1个齿与第8个齿。

采用icem生成计算网格，网格分布的轴向平面剖视图见图3a和图3b。通过平面网格沿周向旋转以生成的三维网格，最终网格总数约245万网格点。

采用ansyscfx进行数值模拟，进、出口给定压力，压力值参照汽轮机实际运行参数给定；进口速度方向为垂直于进口面，即零预旋条件。采用涡动转子方法来计算转子动特性系数。涡动频率以汽轮机运行的半频涡动状态为参照来设置。

图4a和图4b分别给出了两种不同结构的密封流线分布图。这样在图4a的高压级流线图中，凸台前的腔室内只有一个大涡，凸台后的腔室内出现了两个方向相反的涡。凸台上由于有2个短密封齿的限制，涡系较1个短密封齿要简单。比较图4a和图4b，去掉后凸台后，上游的流动情况基本无改变，下游变化较大。并且，去掉后凸台后，前凸台上的压力水平降低，并且后段的密封整体压力降低。

表1给出了两种不同密封结构的转子动特性系数对比。结果显示，去掉后凸台后，虽然泄漏量略有增大，但主阻尼增加、交叉刚度下降，稳定性判据减小，对提高密封转子的稳定性有益。

表1原始结构和去掉后凸台后的两种结构的转子动特性系数对比

对高压级迷宫密封的转子动特性系数进行详细的分段分析。分段方式在图2a和图2b中已给出。表2列出了各段的转子动力学特性参数。从表中可以得出，去掉后凸台后，前一段凸台位置的密封对主阻尼系数的贡献增大；后凸台位置的密封本身对于主阻尼的贡献削弱；总的主阻尼系数增大。对于交叉刚度系数，去掉后凸台后，在密封前一段出现了正的交叉刚度，这样中和了后段的负的交叉刚度，使得总的交叉刚度值变小。由表1可以看出，去掉后凸台结构的涡动频率比小，说明转子稳定性好。

表2原始结构和去掉后凸台后的两种结构的转子动特性系数的详细分段分析

预旋片对高压汽轮机性能影响分析：

在实际汽轮机中，在不加预旋片的情况下，气流以一定的入射角进入高压汽轮机叶顶汽封结构中。发明人发现，不同的预旋都转子动特性具有影响，发明人研究了不同预旋(进口周向速度分别为0m/s、+120m/s、-120m/s)下，原始结构和去掉后凸台后的两种结构的交叉刚度、主阻尼和涡动频率比，结果如表3所示：

表3预旋对高压级密封转子动特性的影响

对不同预旋的计算表明，零预旋时，不论是原始两凸台结构还是去掉后凸台后的叶顶汽封结构，交叉刚度的绝对值都最小，稳定性判据最小，转子稳定性最好。在有预旋(+120m/s或-120m/s)的情况下，比较原始结构和去掉后台阶的结构的阻尼值，也可以看出去掉后台阶后阻尼增大。

以下为本发明高压汽轮机叶顶汽封结构的具体实施例：

如图5所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种高压汽轮机叶顶汽封结构，包括多个高压缸，每个高压缸包括：转子，周向设置在转子上的叶片，设置在叶片顶部50上的凸台61，以及汽封块；其中，汽封块包括多个密封齿，汽封块通过密封齿与叶片顶部50的凸台61形成密封腔；凸台61的数量为一个。其中，凸台61与叶片可以一体成型。

具体地，高压缸可以为高压汽轮机中的调节级高压缸、1级高压缸、2级高压缸、3级高压缸、4级高压缸、5级高压缸、6级高压缸、7级高压缸或者8级高压缸。

具体地，多个密封齿包括长密封齿、短密封齿和平密封齿。长密封齿和平密封齿可以统称为大密封齿，短密封齿也可以称为小密封齿，长密封齿、短密封齿和平密封齿都可以起到密封效果，其中，平密封齿有助于减小或者抵消摩擦的作用。

在一个实施例中，汽封块包括8个密封齿。

具体而言，沿气流来流方向，汽封块依次包括第一长密封齿41、第二平密封齿42、第三短密封齿43、第四短密封齿44、第五平密封齿45、第六长密封齿46、第七长密封齿47和第八长密封齿48。

进一步地，凸台61与第三短密封齿43、第四短密封齿44相对。换言之，在叶片顶部不具有凸台的位置处，对应的是平密封齿或者长密封齿，而在叶片顶部的具有凸台的位置处，对应的是短密封齿，通过这样的结构，可以形成多个密封腔。

通过设置一个凸台结构61，可以增加主阻尼，进而提高密封转子的稳定性。

更进一步地，沿着垂直于气流来流方向的线，将叶片划分为第一部分和第二部分，凸台61设置在叶片的第一部分的顶部上。即，凸台61的位置位于叶片顶部的上游，相比于将凸台61的位置在叶片下游，密封转子的稳定性更高。

在另一实施例中，密封齿与凸台61之间具有间隙，间隙的轴向高度为0.5-1.5mm。

优选地，密封齿与凸台61之间具有间隙，间隙的轴向高度为0.8mm。

在另一可选实施例中，转子上还设置有预旋片，预旋片设置在气流进口之前，气流进口为沿着气流来流方向的第一个密封齿与凸台之间的间隙；以进口来流角度为基准，预旋片的典型进口角度为60度、出口角度为0度。加装预旋片，可以减少交叉刚度。

预旋片的关键是安装于密封进口之前，并且出口角度为0。预旋片进口角度可以也是60度；也可以是来流角度，预旋片可以加工为叶片形式，复杂但损失小。

综上，本发明提供的高压汽轮机叶顶汽封结构，通过在叶片顶部只设置一个凸台结构，可以提高密封转子的稳定性；同时，以进口来流角度为基准，通过加装典型进口角度为60度、出口角度为0度的预旋片，可以减少交叉刚度。

本发明上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。