流體渦輪機的密封裝置的制作方法

專利名稱：流體渦輪機的密封裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于彈性流體軸流式渦輪機的密封裝置，具體地說，它是一種裝在渦輪機轉軸穿過其靜止的外殼處以及裝在渦輪機殼體內部級與級之間和區段之間的分段式環形密封裝置。
一般來說，已有的此類密封裝在轉動和靜止部件之間以形成一個流動系數很低的狹小的間隙，用來防止或減少流體的漏泄。此類密封的目的，是提高效率、減少流體的損失、以及防止由于流體的漏泄引起的不良的副作用。
但是，現有的分段的迷宮式密封容易在轉子找正不佳、振動和熱變形等條件下受損。引起此種損壞的因素中的大多數都發生在啟動、低出力或突然失掉負荷之時。因此，如能創造條件使得在上述情況下保持較大的間隙以將密封受損的可能性降至最低，而在較大出力時維持較小的間隙，這顯然是有利的。較大出力的條件正好對應于最應該注意效率的時候，此時，相對于足以引起密封損壞的因素來說，渦輪機的運行條件是穩定的。
應該確認，渦輪機的設計者們已經采取各種重要的措施來減少流體的漏泄。他們采用專門選定的材料來減少摩擦造成的損傷。密封的齒形做得很薄使在摩擦條件下產生的熱量和應力處于最低的水平。
可伸縮的密封環在啟動的條件下具有較大的徑向間隙，但當流體流過量到達某一預先設定的條件時會自動將間隙減小。此種密封環已成功地應用在壓力產生的力大大超過密封環段的重量的渦輪機上。
于1984年3月31日授與本發明申請人Ronald E.Brandon的第4,436,311號美國專利中，公開了一種用于流體渦輪機的迷宮式軸封系統，其徑向定位的彈簧設計成能將密封環段朝外推向一個大間隙的位置，使得該分段的密封環在啟動或低出力時處于一個縮回的、間隙大的位置，此時渦輪機的轉速或出力較低；而當渦輪機在中等出力或大出力時，此時流量較大和流體壓力較高，所述的密封環段會處于一個間隙小的位置。
在設計各個作用于密封環段的彈簧時，要考慮到的諸因素中包括流體壓力產生的力、以及密封環段的重量和摩擦力，以使這些密封環段在低出力和高出力條件下正好處于大間隙和小間隙的位置。但這種可伸縮的密封環當用于低壓渦輪機時，位于渦輪機圓周底部和側下部的密封環段會由于位于它們上面的密封環段的重量作用于它們而被卡住，因而不能按照要求的方式閉合到小間隙的位置。
在另一個于1995年3月7日授于本發明申請人Ronald E.Brandon的第5,395,124號美國專利中，公開了一種用于流體渦輪機的分段的迷宮式軸封系統，其下半個密封環段上裝有垂直的重力彈簧，其產生的提升力可抵消作用于所述下半部密封環段上的上半部密封環段的重量。這一發明使得有可能將可伸縮的密封環應用于低壓渦輪機。
上述兩篇參考文件中描述的可伸縮密封環現已用于蒸汽輪機的汽封上，它不但提高了效率，也延長了這種汽封的有用壽命。如在下面將要討論的，它們也還有改進的余地。
當密封環或封閉環位于其縮回的或大間隙的位置時，限制其繼續往外退縮的接觸面最好為具有與密封段的外表面同樣直徑的圓弧形。這樣可以保證全面的動作而不會發生只有一點接觸時的那種搖擺動作。
此外，很多現有的密封環由于其原來設計的形狀而不能正常地縮回，必須對其作一些修改，將密封環出口側的一個或幾個齒或阻流片去掉。
如果渦輪機在同一連續漏泄的通道上采用多個串聯的密封環，則按照上面提出的方式將某個密封環出口側去掉的齒，可以加到隨后的密封環的進口側去，從而避免齒數的減少。
因此，本發明的目的是對于用于流體渦輪機的可伸縮的分段式密封環提出進一步的改進。本發明的另外一個目的是改進密封環段在其向著大間隙的開啟方向的運動，而當其到達其大間隙的位置時能夠穩定地就位。本發明的又一個目的是在現有密封的幾何形狀不很理想的條件上仍然可以采用可伸縮的密封結構。本發明還有另一個目的是當在一個連續的漏泄通道上裝有多個密封環時將需要去除的密封齒數目減至最少。
簡短地說，本發明采用彈簧來使密封裝置在啟動或低出力時位于一個大間隙的位置。當渦輪機從低出力轉到中等出力時，彈簧力被壓力形成的力所克服，從而密封環段在增加出力的過程中被重新定位到一個小間隙的位置。
本發明提出這樣一種流體渦輪機的密封裝置，其特征是一個支承在、并至少被部分地圍住在機殼上形成的環形槽內的分成段的密封環，該環形槽允許所述的密封環在一個大直徑和一個小直徑的位置之間移動，以形成密封環與轉動的軸之間的大間隙和小間隙，所述的環形槽部分地由在機殼上一對相對布置的、分開的肩部所限定，它們形成從所述的槽的徑向地開向機殼和所述的轉軸之間空隙的一個開口；所述的密封環的每一段包括一個內部弧形部分，其面上有密封齒延伸到轉軸附近，密封環段上有一個徑向地朝外的弧形面，它對著機殼上一個徑向地朝內的弧形面，此兩個相對的弧形面接觸時限定了所述的大間隙，密封環段還包括一個外環部分，該外環部分被設置在所述的環形槽內并可在其內作軸向和徑向的移動，外環部分有一對肩部，它們在軸向作相反方向的延伸，并與機殼上的所述的一對分開布置的肩部配合并在徑向與之接觸，從而限定了所述的小間隙，在所述的內部弧形部分和所述的外環部分之間連接著一個頸部，它延伸于所述的機殼肩部之間，所述頸部的軸向厚度小于相對的機殼肩部之間的距離，所述頸部位于渦輪機低壓側的一個面與該側的所述的機殼肩部的面接觸時形成一個接觸壓力密封面，同時也限定了該密封環段的軸向位置；一個徑向定位裝置，它包括一個受壓縮的彈簧裝置，該彈簧頂在所述密封環段上，使得所述密封環段移向所述的大間隙位置，所述的大徑向間隙的限定通過密封環段外表面與機殼內表面之間的接觸實現，該接觸保證了密封環段的穩定和不擺動的就位，并保證密封環段兩端的密封齒與轉軸間的間隙相等，而自由地進人所述機殼和所述密封環段之間的流體工質會促使所述密封環段移向其小間隙的位置，在此條件下當渦輪機在低轉速或低負荷時，彈簧力將占主導地位，而在流體工質流量大和壓力高時，壓力將占主導地位。
而且，為了使密封環段在大間隙位置上穩定和不擺動地就位，密封環段的向外的弧形面與和它相對應的機殼上向內的弧形面可以具有相同的直徑。
而且，為了使密封環段在大間隙位置上穩定和不擺動地就位，在每個密封環段兩端可以設置凸面，所述的凸面具有一定的徑向高度以允許密封環段在要求的小間隙和大間隙位置之間移動并保證在密封環段兩端的密封齒與軸之間形成的大間隙相同。
而且，當處在渦輪機工質中等流量工況下渦輪機內壓力不夠的情況下，所述的密封環段的排泄側的密封齒可以少一個或幾個。
而且，當處在渦輪機工質中等流量工況下且渦輪機內壓力不夠的情況下，所述密封環段的頸部的朝著流體排出方向的一側較寬。
而且，所述的彈簧裝置可以是裝在所述機殼肩部和所述密封環段的外環部分之間的一個片狀彈簧。
而且，所述的彈簧裝置可以包括裝在所述機殼上用來將所述彈簧保持在所述機殼和所述密封環段間的位置上的鎖住裝置。
而且，所述的彈簧裝置可以包括裝在所述密封環段端部之間的壓縮彈簧，用來將所述密封環段頂向所述的大間隙的位置。
而且，所述密封環段的所述的內部弧形部分可以有一個內環部分，其一面與所述頸部連結并包括所述的徑向向外的弧形面，該弧形面與機殼上的弧形面接觸以限定所述的大間隙的位置，從所述的內環部分延伸出所述的密封齒。
而且，所述的內環部分從所述的頸部可以朝著軸向兩面延伸而比所述頸部寬出很多，所述的密封齒從內環部分徑向地伸人所述的間隙部位。
而且，所述密封環段的所述徑向朝外的弧形面可以位于所述機殼上徑向朝內的弧形面的對面，該徑向朝外的弧形面構成所述的內環部分的外向接觸面。
以下的附圖用來使對于本發明有個更好的理解

圖1是一臺多級軸流渦輪機中某一級及其軸封環在水平視向的局部剖視圖；圖2是沿圖1中2-2方向的剖視圖；圖3是某一級及其處于縮回位置的軸封環的水平視向局部剖視圖；圖4是一個多密封環軸封的水平視向局部剖視圖；圖5是圖4所示的多密封環軸封經過改進后的水平視向局部剖視圖；圖6是一個具有不合適幾何形狀的軸封環的水平視向局部剖視圖；圖7是經過改進以使其能正常縮回的圖6中的軸封的水平視向局部剖視圖8是采用了另一改進方案以使其正常縮回的圖6中的軸封的水平視向局部剖視圖；圖9是一個密封環段的透視圖。
在圖1中，數字11所指是渦輪機轉子的一個局部，數字12所指是機殼的一個局部，對于級間密封而言，該部分的機殼叫做隔板。圖中示出了一個密封環13，在有些結構中也可以串聯地裝有多個這樣的密封環。對于熟悉汽輪機的人來說，他知道還有其他的構件，例如將高壓蒸汽從進口端引入、低壓蒸汽從出口端排出的裝置、噴嘴、定葉片、轉子等未在圖中示出的部件，但由于它們對于說明本發明的功能無關，而不再描述。圖示的密封環是典型的裝在渦輪機上的許多個這樣的密封環中的一個。
密封環13包括多個密封齒14，它們正對著交替地具有徑向高起和凹陷的軸周面。從高壓端18到低壓端19有一股力要使流體從密封齒14和軸11之間的間隙中漏流過去。可以根據已有的公式和一些經驗常數計算出漏流量，后者決定于間隙面積、齒端的相對尖銳度、齒數、流體的壓力和密度等參數、以及漏流通道的幾何形狀等因素的綜合效應。也可以采用其他幾何形狀的結構來形成多個或單個阻止漏泄的裝置。
密封環被保持在機殼12內設置的環形槽15內。如在圖2中所示，密封環13是由4個(或更多個)段組成。它們被裝在環形槽15內，段之間的交界面正好與機殼的接合面27齊平，以利機殼的卸開或閉合。彈簧16裝在彈簧孔22內，孔22位于每一個密封環段的一端。裝好后，彈簧16處于壓縮狀態。在機殼接合面27的上部裝有鎖塊26，它們用來在周向將密封環及彈簧16保持在其正確的位置。此處要說明的是，本文件中使用的名詞“密封環13”，也可以指的是密封環的一個段，因此在閱讀時要根據其在該句子中的含義來理解。
圖1中示出的密封環13的每一個段有一個內環部分13d，它的徑向的內表面上有密封齒14伸出，它的徑向外表面20a與機殼12的徑向表面21a接觸時達到了大間隙的最大限值。密封環13還有一個外環部分13a，它被放置在機殼的環形槽15內，它的周向面13b與機殼12的肩部12a的表面17接觸時，密封環段13的徑向內移的動作受阻，從而達到了密封環段的最小間隙的限制位置。圖1中的密封環13在其所述的內環部分和外環部分之間有一個頸部13c，它位于機殼肩部12a形成的槽隙內，從而限定了密封環段的軸向位置。在下文中還將說明，該頸部13c形成與機殼12a之間的接觸壓力面12b。
在低出力或空載條件下，密封環段只受到三種力的作用，即密封環段的重量、機殼限位時的限制力、以及彈簧16的作用力。彈簧的彈力和尺寸選擇得在此條件下它能使兩個環段在接合面處分開，如在圖2和圖3中所示。這就使得密封環段向大直徑的方向移動，直至移過環形空間24和25所能允許的最大移動量而達到20a和21a兩個面相接觸的位置。該環形空間對應于密封環段被允許向外作徑向移動的距離，這一距離的選擇，應足以使轉子和機殼在可能遇到的最嚴重的瞬時失中條件下還不致讓密封環的齒14受損，例如3mm的距離。
當渦輪機升速到運行轉速并帶上部分負載后，最惡劣的溫度梯度、振動和失中等工況基本上都已結束。當出力進一步提高，密封環周圍的流體壓力也在按比例地升高，這就使得(其作用在后面還將有說明)彈簧16受到壓縮，密封環段向內作徑向移動，直至其移動被接觸面17所限。密封環13和機殼上的接觸面17的尺寸的選擇使得齒14與轉子表面之間的間隙達到實際上在相對穩定的帶負荷工況下能保持的最小值，例如0.5mm。
在圖1中，密封環13正位于其在帶高負荷下的最小間隙的位置，圖中18是高壓側。此壓力通過一個或幾個專門設置的局部通道23a而被傳遞到環形空間24和15。低壓側19的低壓條件則存在于環形空間25內。
很顯然地，由于兩邊存在壓差，其引起的軸向推力會將密封環推向低壓區19，使得在密封環13與機殼12之間的接觸面12b處形成一個防止漏泄的密封面，當結構尺寸和壓力是已知值時，此軸向力的大小可以很容易地被計算出來；此外，徑向移動時密封環所需克服的金屬與金屬間的摩擦力也可以算出。
同樣地，但或許稍為復雜一些，其他的徑向力也可以被確定。除了面對著轉子的密封環內表面上的壓力分布狀況，所有其他的壓力都可以從上面兩段中所述的計算中被算出。密封環上每一個齒都會造成一次壓降。應用以焓膨脹連續地流經相等節流面積的每一個齒尖間隙的已知條件，可以用試算法相當準確地算得一連串節流過程中的壓力分布。在一些密封環的條件下流速可能達到很高的馬赫數，這使得計算更復雜一些，但精于此類計算的人可以解決問題。
徑向壓力分布是用來選擇密封環的尺寸所需的，其目的是要確定一個合適的徑向地向內作用于密封環上的合力。設計的目標是使得密封環克服它本身的重量、彈簧力和摩擦力，在渦輪機在小但具有實際作用的出力(例如5-25％)的可以預計到的壓力條件下，能夠向著間隙小的方向作徑向移動。
在渦輪機內壓力較低的部位，熟知此技術的人都能理解需要用較輕質的材料來制作密封環，所用的彈簧也應具有較低的彈性常數。應該特別指出，可以改變密封環的幾何尺寸來調整壓力造成的內向合力。
圖4示出的是在采用多個密封環的渦輪機上會遇到的典型狀況。力的計算表明必須將每個密封環流出側的一個齒去掉。雖然這樣做對于漏泄量僅起到很小的不利影響，但最好還是能夠避免這樣的損失。
圖5示出了減少這一損失的方法。齒14a被從密封環13x上去掉，但加到密封環13y上。這將使得兩個密封環都能正常地縮回和伸出，但齒數卻沒有減少。
應該注意到，當一個連續的漏泄通道使用多個密封環時，必須將彈簧設計成令其中一個密封環先行收小間隙，然后當蒸汽流量增加后，再收小第二個密封環的間隙，依此類推，直至最后一個密封環的間隙也收小了。
圖6示出的是不適于伸縮動作的現有的密封環的幾何形狀。圖7示出的則是將圖6中密封環原有的一個齒14y去除以改善其可伸縮性的狀況。
圖8示出了一更好的改進方案。頸部13c的下游側被加了一些材料而使頸部變寬。這樣做使得關閉密封環的力增大而不需去掉一個密封齒。此方法需要對環形槽15進行另外的機加工。
熟悉彈性流體渦輪機的人都知道，在整臺渦輪機內部的大多數部位，其內壓力是與所帶的負荷成正比的。當負荷和流體的質量流量增大，局部的壓力大致上按線性規律上升。
在這樣的條件下，渦輪機各級間以及大部分密封環兩端的壓降也隨著負荷和流體流量的增加按照可以預計的線性方式增加。依據這樣的關系，設計者可以按照負荷和壓力的條件來設計每一個密封環，使得流體壓力的作用力可以克服彈簧力、重量和摩擦阻力所形成的綜合力而將密封環推向小間隙的位置。
如在前面已提到過的，設計者可以通過改變尺寸、重量和密封環內彈簧的彈性常數來部分地控制不同的條件。
可以選用不同品種的彈簧16。必須選擇在高溫、振動和可能有腐蝕性的工作條件下具有壽命長、工作特性穩定的彈簧。圖中示出的是螺旋形彈簧，但片狀的及其他形狀的彈簧也是可用的。
應該注意到，對裝在密封環圓周不同位置上的彈簧有不同的要求。圖2中所示的4個密封環段內需要裝4個彈簧，在28、29、30、31處各裝一個。
裝在位置28和30處的彈簧必須在支承著密封環段的重量和克服選定的壓力條件下，有足夠的彈力將上面的密封環段推向它們最高的徑向位置。
位置29處的彈簧必須設計得能夠克服選定的由分布在該兩個相對的密封環段上的壓力造成的力加上由密封環的重量引起的會使徑向間隙縮小的分力的影響。
位置31處的彈簧必須設計得能夠無服選定的由分布在該兩個相對的密封環段上的壓力造成的力減去密封環段的重量引起的會使彈簧受到壓縮的分力的影響。
對于分為六個段的密封環，裝有四個彈簧已足夠，在位于頂部和底部的密封環段的每端各裝一個彈簧。
彈簧的尺寸應選用得能被其周壁圍住而難于跳出，甚至在斷裂時也不應跳出。
密封環段接合平面處的縫隙尺寸必須小心選定，設計時應準確地考慮到密封環以及裝設它們處的機殼或隔板之間的相對熱膨脹量。每個部件的溫度和熱膨脹系數必須被考慮到。
當密封環在放開或收小的位置時，它最好是處于一個穩定的、不會擺動的狀態，密封環段兩端的齒尖與軸表面之間的間隙應相等。如果加工出的表面20a和21a的半徑不相等的話，上述要求就得不到滿足。機殼12的內表面21a可以是一個精確地加工出的圓周面，而常規的做法則是將20a的外表面加工到其直徑比21a的內表面直徑大約小0.200英寸(5.08mm)。如上所述，這樣做是不宜的。應該將密封環段加工到其表面20a與表面21a具有相等的直徑，但還允許其能動作自如。
如果不能做到這一要求，則另一個能使人滿意的辦法是在每一個密封環段的每一端增加一個凸面，以創造條件使得密封環段能正確地從其閉合的、小間隙的位置移向內表面21a。圖9中示出了這樣的凸面。它一共示了4個凸面35，布置在表面20a的角上。這些凸面在密封環段分開時與機殼12上的內表面21a接觸，即使當表面20a的直徑與表面21a的直徑不相等時，也能保證正確的張開動作。
對于熟悉此技術領域的人來說，他可能想出其他種種變型的方案。但正如后面權利要求中所規定的，這些變型方案都屬于本發明的實質性內容的范圍。
權利要求
1.一種流體渦輪機的密封裝置，其特征是一個支承在、并至少被部分地圍住在機殼上形成的環形槽內的分成段的密封環，該環形槽允許所述的密封環在一個大直徑和一個小直徑的位置之間移動，以形成密封環與轉動的軸之間的大間隙和小間隙，所述的環形槽部分地由在機殼上一對相對布置的、分開的肩部所限定，它們形成從所述的槽的徑向地開向機殼和所述的轉軸之間空隙的一個開口；所述的密封環的每一段包括一個內部弧形部分，其面上有密封齒延伸到轉軸附近，密封環段上有一個徑向地朝外的弧形面，它對著機殼上一個徑向地朝內的弧形面，此兩個相對的弧形面接觸時限定了所述的大間隙，密封環段還包括一個外環部分，該外環部分被設置在所述的環形槽內并可在其內作軸向和徑向的移動，外環部分有一對肩部，它們在軸向作相反方向的延伸，并與機殼上的所述的一對分開布置的肩部配合并在徑向與之接觸，從而限定了所述的小間隙，在所述的內部弧形部分和所述的外環部分之間連接著一個頸部，它延伸于所述的機殼肩部之間，所述頸部的軸向厚度小于相對的機殼肩部之間的距離，所述頸部位于渦輪機低壓側的一個面與該側的所述的機殼肩部的面接觸時形成一個接觸壓力密封面，同時也限定了該密封環段的軸向位置；一個徑向定位裝置，它包括一個受壓縮的彈簧裝置，該彈簧頂在所述密封環段上，使得所述密封環段移向所述的大間隙位置，所述的大徑向間隙的限定通過密封環段外表面與機殼內表面之間的接觸實現，該接觸保證了密封環段的穩定和不擺動的就位，并保證密封環段兩端的密封齒與轉軸間的間隙相等，而自由地進入所述機殼和所述密封環段之間的流體工質會促使所述密封環段移向其小間隙的位置，在此條件下當渦輪機在低轉速或低負荷時，彈簧力將占主導地位，而在流體工質流量大和壓力高時，壓力將占主導地位。
2.如權利要求1所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是，為了使密封環段在大間隙位置上穩定和不擺動地就位，密封環段的向外的弧形面與和它相對應的機殼上向內的弧形面具有相同的直徑。
3.如權利要求1所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是，為了使密封環段在大間隙位置上穩定和不擺動地就位，在每個密封環段兩端設置凸面，所述的凸面具有一定的徑向高度以允許密封環段在要求的小間隙和大間隙位置之間移動并保證在密封環段兩端的密封齒與軸之間形成的大間隙相同。
4.如權利要求1所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是，所述密封裝置為多級密封裝置，而且處在渦輪機工質中等流量工況下且渦輪機內壓力不夠的情況下的那一級密封環段的流出側的密封齒少一個，而其下一級的密封環段的流人側的密封齒多一個。
5.如權利要求1所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是，當處在渦輪機工質中等流量工況下且渦輪機內壓力不夠的情況下，所述密封環段的頸部的朝著流體流出方向的一側較寬。
6.如權利要求1所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是所述的彈簧裝置是裝在所述機殼肩部和所述密封環段的外環部分之間的一個片狀彈簧。
7.如權利要求1所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是，所述的彈簧裝置包括裝在所述機殼上用來將所述彈簧保持在所述機殼和所述密封環段間的位置上的鎖住裝置。
8.如權利要求1所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是所述的彈簧裝置包括裝在所述密封環段端部之間的壓縮彈簧，用來將所述密封環段頂向所述的大間隙的位置。
9.如權利要求1所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是，所述密封環段的所述的內部弧形部分有一個內環部分，其一面與所述頸部連結并包括所述的徑向向外的弧形面，該弧形面與機殼上的弧形面接觸以限定所述的大間隙的位置，從所述的內環部分延伸出所述的密封齒。
10.如權利要求9所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是，所述的內環部分從所述的頸部朝著軸向兩面延伸而比所述頸部寬出很多，所述的密封齒從內環部分徑向地伸人所述的間隙部位。
11.如權利要求10所述的流體渦輪機密封裝置，其特征是，所述密封環段的所述徑向朝外的弧形面位于所述機殼上徑向朝內的弧形面的對面，該徑向朝外的弧形面構成所述的內環部分的外向接觸面。
全文摘要
彈性流體渦輪機的密封裝置內設有彈簧,在啟動和低出力時保持著較大的密封間隙,但在高出力時由于壓力的共同作用,使其移位到間隙較小的位置以維持較高的效率。現有的密封環的形狀經過改進可使其動作正常并提高效率。
文檔編號F16J15/44GK1172894SQ9610923
公開日1998年2月11日 申請日期1996年8月5日 優先權日1996年8月5日
發明者羅納德·E·布蘭登, 戴維·E·布蘭登 申請人:羅納德·E·布蘭登, 戴維·E·布蘭登