专利名称：用于旋转机器主配合密封的方法和装置的制作方法
背景技术：
本发明总的涉及蒸汽轮机，特别是，涉及蒸汽轮机中的蒸汽泄漏通道的控制。
一蒸汽轮机可包括有一高压(HP)汽轮机段、一中压(IP)汽轮机段和一低压(LP)汽轮机段，而且每一个汽轮机段都具有可转动的汽轮机叶片，这些叶片牢固地连接到一汽轮机轴上并从该轴径向向外延伸，该汽轮机轴由轴承可转动地支撑。这些轴承可以是从高压汽轮机段和中压汽轮机段沿纵向向外布置。通过至少一些已知的高压和/或中压汽轮机段的蒸汽压力降在至少大约2000千帕(千帕斯卡)，而且进入高压汽轮机段和中压汽轮机段的蒸汽的压差至少为大约600千帕。在一些已知的蒸汽轮机中，由HP汽轮机段排出的蒸汽在进入IP汽轮机段之前要进入一锅炉中再次加热。
蒸汽轮机所限定的蒸汽流通通道包括一蒸汽入口、汽轮机和一蒸汽出口，是蒸汽顺序经过的路径。蒸汽泄漏，或是从蒸汽流通通道中流出的，或是进入蒸汽流通通道的，都是从较高压力区域流向较低压力区域，会对汽轮机的运行效率造成不利影响。例如，在汽轮机的旋转转子轴和周向环绕的汽轮机壳体之间的蒸汽流通通道的泄漏会降低汽轮机的效率，进而导致燃料消耗的增加。另外，在外壳与在相邻汽轮机段之间延伸的壳体部分之间的蒸汽流通通道的泄漏会降低蒸汽轮机的运行效率，其中相邻汽轮机段是指如高压汽轮机段和相邻的一个中压汽轮机段，随着时间的推移这样的泄漏则会使燃料消耗增加。
为了使HP汽轮机段和在其纵向向外的轴承之间，和/或IP汽轮机段和在其纵向向外的轴承之间的蒸汽流通通道内的蒸汽泄漏最小化，至少一些已知的蒸汽轮机采用多个迷宫式密封。这样的迷宫式密封具有纵向间隔开的密封齿列。很多列密封齿为抵抗蒸汽轮机中可能存在的高压压差提供了良好的密封。刷式密封也可以用于使通过两部件之间的间隙的泄漏，和/或从较高压力区域向较低压力区域的泄漏最小化。虽然刷式密封比迷宫式密封更有效，但是至少一些已知的在汽轮机段之间和/或汽轮机段与轴承之间采用了刷式密封装置的蒸汽轮机还使用至少一个标准的迷宫式密封作为刷式密封装置的备件。
蒸汽流通通道的其它区域的泄漏也会对汽轮机效率产生不利的影响。一个这样的区域是位于HP汽轮机段和IP汽轮机段之间的壳体填料箱的主配合(main-fit)，由于配合区域内的大的机械偏移和高的压力的存在，在此采用迷宫式密封和刷式密封实现密封是不切实际的。
发明简述本发明的一方面提供了一种装配蒸汽轮机的方法。该方法包括采用有限元分析方法确定密封件的横断面，并在一限定在一内壳体和一外壳体之间的泄漏通道内定位该密封件，以便使泄漏蒸汽流致动该密封件。
本发明的另一方面提供了一种密封。该密封包括一限定在一槽道内的槽，一定位在该槽道内的间隔物，以便间隔物和槽道之间的间隙形成了一泄漏通道，和一密封件，该密封件至少部分地延伸在所述槽内并定位成基本上可以防止通过泄漏通道的泄漏流。
本发明的再一方面提供了一种旋转发动机。该发动机包括一转子，该转子可绕一纵向轴转动，该转子具有一外环状表面；一具有一内表面的环状外壳体，其中所述外壳体从转子沿径向向外地与转子间隔开，壳体内表面具有一朝向转子沿径向向内延伸的第一延伸段。第一延伸段绕壳体内表面大体周向延伸，且该发动机还包括一具有一外表面的圆状内壳体，其具有一朝向外壳体沿径向延伸的第二延伸段，其中第二延伸段绕所述外表面大体周向延伸，且第二延伸段具有一形成在外延伸段表面内的槽道，当外壳体和内壳体装配在一起时，用于容纳第一延伸段。该发动机还具有一形成在所述槽道内的槽，其尺寸确定为能够容纳一密封件，还具有一密封件，该密封件定位成至少部分地位于所述槽内以密封泄漏通道。
图1是一相对流的HP/IP蒸汽轮机的示意图；图2是图1所示的蒸汽轮机中的间隔物和配套槽道的断面的放大示意图；图3是图1所示的间隔物沿区域3取得的断面的放大图；图4示出了与图3所示的密封装置一同使用的密封件的实施例；
图5示出了与图3所示的密封装置一同使用的密封件的另一实施例。
发明详述图1所示的示意图示出了一相对流蒸汽轮机10，该蒸汽轮机10包括一高压(HP)段12和一中压(IP)段14。一单一外壳或壳体16分别轴向地被分成上、下半段13和15，并同时跨越HP段12和IP段14。壳体16的中心段18包括一高压蒸汽入口20和一中压蒸汽入口22。在外壳或壳体16内，HP段12和IP段14被布置在由轴颈轴承26和28支撑的单一轴承跨度内。蒸汽密封单元30和32分别位于每一个轴颈轴承26和28的内侧。
一环状段间隔物42从中心段18径向向内并朝向在HP段12和IP段14之间延伸的转子轴44延伸。更具体地，间隔物42绕轴44的一部分沿周向延伸，而该轴44的一部分则延伸在第一HP段喷嘴46和第一IP段喷嘴48之间。段间隔物42容纳在形成在填料箱52内的槽道50内。槽道50是一个C形通道，沿径向延伸进入填料箱52并环绕填料箱52的外部周向，这样槽道50的中心开口沿径向向外。槽道50包括一密封槽54，该密封槽54定位在一径向延伸的槽道50的表面57内。密封槽54与汽轮机10的纵向轴58同轴。在另一个实施例中，段间隔物42具有一密封槽54，该密封槽54定位在径向延伸的段间隔物42的表面59内。
运行过程中，高压蒸汽入口20从一汽源如一动力锅炉(未示出)接收高温高压的蒸汽。该蒸汽流经HP段12，其中蒸汽的能量做功使转子轴44转动。从HP段12流出的蒸汽返回到锅炉中，在锅炉中被再次加热。再热后的蒸汽而后流由中压蒸汽入口22而返回到IP段14，蒸汽返回到IP段14时的压力要低于进入HP段12的蒸汽的压力，但是其温度则基本上与进入HP段12的蒸汽的压力相近。因此，在HP段12内的运行压力要高于IP段14内的运行压力。所以HP段12内的蒸汽就有经过HP段12和IP段14之间可能存在的泄漏通道向IP段14流动的趋势。一种可能的这样的泄漏通道会是沿通过填料箱52延伸的转子44形成。因此，填料箱52具有多个迷宫式密封和/或刷式密封以便于降低沿轴60从HP段12向IP段14的泄漏。HP段12和IP段14之间的另一泄漏通道是通过段间隔物42和填料箱52的槽道50之间的间隙的泄漏。
图2所示的放大的示意图示出了蒸汽轮机10内的段间隔物42和槽道50。段间隔物42具有第一侧面102、密封侧面104和连接侧面106。槽道50具有第一侧面112、密封侧面114和连接侧面116。当段间隔物42和槽道50连接在一起时，段间隔物42和槽道50的侧面102和112以相互配合的方式彼此相对应。当段间隔物42和槽道50连接时，密封侧面104和114以及连接侧面106和116也同样地配合在一起。由于侧面102、104和106不能精确地与侧面112、114和116配合，因此在相应的侧面102和112、106和116以及104和114之间分别形成多个间隙117、118和119。更确切地说，每一个间隙117、118和119都形成了一潜在的从HP段12至IP段14的蒸汽流泄漏通道120。
在密封侧面114内形成一槽54，其尺寸确定为在其内容纳一密封件154。更具体地，密封装置122包括部件154，且是一个压力驱动的密封件，其构成使得将压力作为致动力，当施加到密封件上的压力增加时，密封件会密封得紧密。在一个实施例中，密封件154具有一V形横断面轮廓。在另一实施例中，具有一W形状的横断面，U形横断面或者组合卷绕形横断面，但不局限于这些。至少一些已知的密封是不适用于本申请的情况的，因为横贯段间隔物42的高的压差的存在和在汽轮机10的运行工况变化时，段间隔物42和槽道50之间的大的物理运动会使得间隙117、118和119在宽度尺寸上产生变化。在一示例性的实施例中，密封件154具有高的弹性变形率和高柔韧性，其最终的结构形状是一有回弹力的金属密封，且已经经过变量有限元模拟分析被最优化(FEA)。密封件154横断面可以通过FEA确定以最优化密封件154的内部应力，以便于提高密封寿命，并最优化弹性变形率以便于提供最好的密封效果。在一实施例中，密封件是一段一段的，或非接触式的，以便于汽轮机10的装配。具体地，密封件154根据制造的复杂性和对装配的容易程度的需求而定可包括两个，或四个，或更多的段，段的数量越多则制造越复杂，而段的数量越多则装配的容易程度越低。
运行过程中，HP段12内的较高压力的蒸汽朝向具有较低蒸汽压力的IP段14趋于通过蒸汽泄漏通道120泄漏。位于槽54内的密封件154产生作用以便于限制或停止通过蒸汽泄漏通道120的蒸汽泄漏流动。
图3是区域3的一个放大的段间隔物42的视图。具体地，图3是密封装置122的放大的视图。段间隔物42连接到填料箱52上，以使相对应的侧面106和116彼此接近，相对应的侧面104和114彼此接近。在侧面104和114之间以及侧面106和116之间分别形成了间隙119和118。间隙119和118会使得在汽轮机运行过程中蒸汽从HP段12向IP段14通过泄漏通道120泄漏。为了能够降低或排除通过泄漏通道120的蒸汽的泄漏，将密封件154置于侧面114内的槽54内。密封槽54由槽深201和槽宽202限定。在所述实施例中，槽深201和槽宽202中的每一个都介于大约0.2英寸和大约0.5英寸之间。在该实施例中，密封件154是一组合卷绕密封。更具体地说，密封件154的横断面轮廓具有多个顶点204，这些顶点由一对相对的支脚206和208连接起来，并且这些支脚从顶点204叉开。支脚206和208形成了各内部表面210和外部表面212。密封件154的尺寸确定要使得至少支脚208的一部分延伸经过侧面114进入泄漏通道120，以便当段间隔物42和槽道50连接时，支脚208至少部分地接合侧面104。
密封件154的制造材料为该部件在顶点204处提供柔韧性，为支脚206和208提供刚性以承受通过支脚206和208的压差。在所示的实施例中，密封件154能够承受的压差至少在大约600千帕。在该实施例中，密封件154由卷曲的金属板制成，其厚度在大约0.005英寸和0.030英寸之间。在另一实施例中，密封件154的制造材料是比如哈司特镍合金(Hastelloy)，Cres304和Incoloy909，但不局限于这些。密封件154在槽54内的定位使得支脚208接合侧面104，内表面210朝向蒸汽泄漏流的方向。
运行中，HP段12内的蒸汽在汽轮机10的正常运行过程中趋于流向压力较低的IP段14。当蒸汽流过泄漏通道120时，蒸汽接触到密封件的内部表面210。支脚外表面212基于顶点204的柔韧性而接触侧面104，因此为支脚208提供了一种偏压力。支脚208的一末端214阻挡了蒸汽泄漏通道120的蒸汽流动，并将蒸汽导向一限制在密封件154的内部表面210内的区域220。由于来自HP段12的蒸汽陷入区域220内，泄漏通道120的密封件154的下游仍然与IP段14相通，因此横贯密封件154建立起一压差。横贯密封件154的压差使得支脚206和208向外延伸，以使密封件154的外表面212和侧面104之间的接触更紧密。
图4的横断面示意图示出了密封件402的一个实施例，该密封件402可用于图3所示的密封装置122。图4中的与图3中的部件相同的部件采用与图3中相同的部件标号。相应地，密封装置122包括形成在填料箱52内的槽54。在一实施例中，槽54可形成在段间隔物42内。密封件154定位于槽54内，并且密封件154具有多个顶点204，每一个顶点204都由一对相对的支脚206和208连接在一起，而且每一个支脚都从每一个顶点204分叉开。支脚206和208形成了一个内表面210和外表面212。密封件154的尺寸确定为使得至少支脚208的一部分延伸经过侧面114进入泄漏通道120，当段间隔物42和槽道50连接时，支脚208至少部分地接合侧面104。
运行中，HP段12内的蒸汽在汽轮机10的正常运行过程中趋于流向压力较低的IP段14。当蒸汽流过泄漏通道120时，蒸汽接触到密封件的内部表面210，并且支脚外表面212基于顶点204的柔韧性而接触侧面104，因此为支脚208提供了一种偏压力。支脚208的一末端214阻挡了蒸汽泄漏通道120的蒸汽流动，并将蒸汽导向一限制在密封件154的内部表面210内的区域220。由于来自HP段12的蒸汽陷入区域220内，泄漏通道120的密封件154的下游仍然与IP段14相通，因此横贯密封件154建立起一压差。横贯密封件154的压差使得支脚206和208向外延伸，以使密封件154的外表面212和侧面104之间的接触更紧密。
图5的横断面示意图示出了密封件502的一个实施例，该密封件502可用于图3所示的密封装置122。图5中的与图3中的部件相同的部件采用与图3中相同的部件标号。相应地，密封装置122包括形成在填料箱52内的槽54。在一实施例中，槽54可形成在段间隔物42内。密封件154定位于槽54内，并且密封件154具有一个顶点204，顶点204由一对相对的支脚206和208连接在一起，而且每一个支脚都从顶点204分叉开。支脚206和208形成了一个内表面210和外表面212。密封件154的尺寸确定为使得至少支脚208的一部分延伸经过侧面114进入泄漏通道120，当段间隔物42和槽道50连接时，支脚208至少部分地接合侧面104。
运行中，HP段12内的蒸汽在汽轮机10的正常运行过程中趋于流向压力较低的IP段14。当蒸汽流过泄漏通道120时，蒸汽接触到密封件的内部表面210。支脚外表面212基于顶点204的柔韧性而接触侧面104，因此为支脚208提供了一种偏压力。支脚208的一末端214阻挡了蒸汽泄漏通道120的蒸汽流动，并将蒸汽导向一限制在密封件154的内部表面210内的区域220。由于来自HP段12的蒸汽陷入区域220内，泄漏通道120的密封件154的下游仍然与IP段14相通，因此横贯密封件154建立起一压差。横贯密封件154的压差使得支脚206和208向外延伸，以使密封件154的外表面212和侧面104之间的接触更紧密。
上述的汽轮机壳体密封装置成本合算且具有高的可靠性。该密封装置的密封件采用有限元分析的方法设计，以便于最优化密封件的横断面，降低通过汽轮机的内部泄漏通道的蒸汽泄漏。因此本发明的汽轮机壳体密封装置能够以成本合算、性能可靠的方式有利地降低汽轮机中的蒸汽泄漏。
以上详细地描述了汽轮机壳体密封装置的示例性实施例。本发明装置不局限于以上所描述的特定的实施例，而是该系统中的部件可以和这里所描述的其他部件分离开，单独地使用。每一个汽轮机壳体密封装置部件还可以与其他汽轮机壳体密封装置部件组合使用。
虽然以上以特定实施例的方式描述了本发明，但是本领域技术人员可以想到在本发明的权利要求的精神和范围内通过修改来实现本发明。
蒸汽轮机10HP段12上半段13IP段14下半段15壳体16中心段18高压蒸汽入口20中压蒸汽入口22轴颈轴承26轴颈轴承28蒸汽密封单元30蒸汽密封单元32环状段间隔物42转子轴44HP段喷嘴46IP段喷嘴48槽道50填料箱52密封槽54表面57纵向轴58表面59轴60第一侧面102密封侧面104接连侧面106第一侧面112密封侧面114接连侧面116间隙117间隙118
间隙119蒸汽流泄漏通道120密封装置122密封件154槽深度201槽宽度202顶点204支脚206支脚208内部表面210外部表面212末端214区域220密封件402密封件50权利要求
1.一种用于密封泄漏通道(120)的密封装置(122)，所述密封装置包括一限定在一槽道(50)内的槽(54)；一位于所述槽道内的间隔物(42)，以便被限定在所述间隔物和所述槽道之间的间隙(117，118，119)限定一泄漏通道；和一至少部分地延伸在所述槽内并配置得基本上可防止经所述泄漏通道的泄漏流的密封件(154)。
2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于所述槽被限定在所述间隔物内。
3.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于所述泄漏通道限定在蒸汽轮机(10)的相邻的汽轮机段(12，14)之间。
4.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于所述槽道形成在汽轮机内部壳体的周向延伸段(42)内。
5.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于所述密封件包括多个周向部分。
6.根据权利要求5所述的密封装置，其特征在于所述密封件具有一对基本上半圆形的部分。
全文摘要
本发明公开了一种用于蒸汽轮机10的装置。该装置包括一限定在槽道50内的槽54，一间隔物42定位在该槽道内，以在该间隔物和槽道之间形成间隙117，118，119，形成了泄漏通道120，还包括一密封件154，该密封件154至少部分地延伸在所述槽内并定位成基本上可以防止通过泄漏通道的蒸汽泄漏流。
文档编号F16J15/44GK1526919SQ20041000801
公开日2004年9月8日 申请日期2004年3月5日 优先权日2003年3月5日
发明者J·蒙施, B·A·库图尔, J 蒙施, 库图尔 申请人:通用电气公司