專利名稱：用于裝配旋轉機械的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及旋轉機械，特別是涉及一種用于旋轉機械中的密封組件。
背景技術：
至少一些蒸汽輪機具有確定的蒸汽通路，該蒸汽通路包括成串聯(lián)關系的蒸汽進口、渦輪和蒸汽出口。蒸汽從高壓區(qū)域至低壓區(qū)域的泄漏(從蒸汽通路漏出或漏入蒸汽通路)可能對渦輪的工作效率產生不利影響。例如，渦輪中在渦輪的旋轉轉子軸和周圍環(huán)繞的渦輪機匣之間的蒸汽通路泄漏可能降低渦輪的效率。另外，外殼與在相鄰渦輪之間延伸的那部分機匣之間的蒸汽通路泄漏也可能降低蒸汽輪機的工作效率，且隨時間可能會導致燃料成本增加。
為了便于減小在渦輪部分和軸承之間的蒸汽通路泄漏，至少一些已知的蒸汽輪機使用了包括多個迷宮密封件的封裝機匣。一些已知的迷宮密封件包括縱向間隔開的多排迷宮密封齒，這些迷宮密封齒用于密封可能存在于蒸汽輪機中的壓力差。也可以使用刷式密封件來減小透過兩個部件之間的間隙所產生的泄漏。盡管刷式密封件通常提供了比迷宮密封更高效的密封，但是至少一些已知的蒸汽輪機(它們依賴于在渦輪部分之間和/或在渦輪部分和軸承之間的刷式密封組件)還使用至少一個迷宮密封件，作為刷式密封組件的冗余備用密封件。因此，制造成本可能增加。
迷宮密封件可重新定位以及徑向調整，以便被動地(根據渦輪工作條件)或主動地(基于操作人員的干預)調節(jié)蒸汽泄漏流量。通常，在被動模式中，當渦輪負載增加時，密封件從縮回狀態(tài)徑向向內移動，直到它們在全負載或接近全負載時完全插入。當完全插入時，密封件的齒和渦輪轉子軸之間的間隙處于最小值，因此，任何渦輪瞬態(tài)都可能會引起密封件齒和轉子之間的意外接觸。使用主動模式時，可以向操作人員提供一種機構，該機構用于在預期可能引起接觸的狀態(tài)下根據需要來操縱密封件，從而減小或消除接觸。此外，這種主動的密封件控制機構可以是自動的，以獲得基本類似的結果。當渦輪已經加速至工作轉速并部分負載時，期望熱梯度、振動和失配是處在當前工作條件的預定范圍內。在渦輪工作過程中延遲密封件到該點的向內運行將減小密封件與轉子意外接觸的可能。

發(fā)明內容
在一個方面，提供了一種用于將至少一個密封組件裝配至渦輪上的方法，該渦輪具有至少部分地環(huán)繞轉子延伸的機匣。該方法包括將密封組件連接至機匣，使得該密封組件伸入到在轉子和機匣之間所限定的流體流動通道內；以及將至少一個彈簧連接于密封組件和機匣之間，以便偏壓各密封組件。
在另一方面，提供了一種用于渦輪組件的密封組件。該密封組件包括環(huán)形槽，該環(huán)形槽形成于靜止機匣中，所述槽至少部分地沿周向環(huán)繞該渦輪延伸；以及密封環(huán)，該密封環(huán)布置在所述環(huán)形槽內。所述密封環(huán)包括多個弓形的密封環(huán)段。至少一個彈簧連接于各密封環(huán)和靜止機匣之間，用于向各密封環(huán)段施加基本恒定的彈簧力。
在還一方面，提供了一種旋轉機械。該旋轉機械包括至少一個轉子組件；至少一個靜止渦輪機匣，該渦輪機匣至少部分地沿周向環(huán)繞所述至少一個轉子組件延伸，這樣，在轉子組件和靜止渦輪機匣之間就限定了一間隙；以及多個密封組件，這些密封組件布置在靜止機匣和轉子組件之間，以便于控制通過所述間隙的流體流量。至少一個彈簧布置在各密封組件和所述機匣之間，以便將各密封組件偏壓成徑向向外遠離該轉子組件。


圖1是示例的反向流動式高壓(HP)/中壓(IP)蒸汽輪機的示意圖；圖2是可用于圖1中所示的蒸汽輪機的渦輪噴嘴隔板和封裝機匣的放大示意圖；圖3是可用于圖1中所示的蒸汽輪機的迷宮密封組件的示例實施例；圖4是可用于圖3中所示的迷宮密封組件的密封環(huán)偏壓彈簧子系統(tǒng)的示例實施例；以及圖5是可用于圖3中所示的迷宮密封組件的密封環(huán)偏壓彈簧子系統(tǒng)的可選示例實施例。
具體實施例方式
圖1是示例的反向流動式蒸汽輪機10的示意圖，該蒸汽輪機10包括高壓(HP)部分12和中壓(IP)部分14。外殼或殼體16沿軸向分成上半部分13和下半部分15，并橫跨HP部分12和IP部分14。外殼16的中央部分18包括高壓蒸汽進口20和中壓蒸汽進口22。在殼體16內，HP部分12和IP部分14布置成以單軸承跨距由軸頸軸承26和28支承。蒸汽密封單元30和32分別位于各軸頸軸承26和28內側。
將各部分分開的環(huán)形分隔件42從中央部分18徑向向內朝著轉子軸60延伸，該轉子軸60在HP部分12和IP部分14之間延伸。更具體地說，分隔件42沿周向延伸環(huán)繞著處于第一HP部分噴嘴46和第一IP部分噴嘴48之間的那部分轉子軸60。分隔件42裝在封裝機匣52中的槽道50內。更具體地說，槽道50為沿徑向伸入封裝機匣52中并環(huán)繞該封裝機匣52外周的C形槽道，這樣，槽道50的中央開口為沿徑向朝外。
在工作過程中，高壓蒸汽進口20從蒸汽源例如動力鍋爐(未示出)中接收高壓/高溫蒸汽。蒸汽經過HP部分12，在該HP部分12中，該蒸汽做功以使得轉子軸60旋轉。蒸汽離開HP部分12，并返回鍋爐中重新加熱。然后，被重新加熱的蒸汽送至中壓蒸汽進口22并返回IP部分14，這時的壓力低于進入HP部分12的蒸汽壓力，但是溫度近似等于進入HP部分12的蒸汽的溫度。因此，在HP部分12中的工作壓力高于在IP部分14中的工作壓力，這樣，HP部分12內的蒸汽將趨向于通過可能會在HP部分12和IP部分14之間形成的泄漏通路而朝著IP部分14流動。一種這樣的泄漏通路可能是在轉子軸60內延伸穿過封裝機匣52。
圖2是表示可以用于渦輪10的示例渦輪噴嘴隔板70和封裝機匣72的放大示意圖。在該示例實施例中，噴嘴隔板70是用于高壓渦輪12的第一級隔板。而且，在示例實施例中，封裝機匣72包括多個迷宮密封組件100，這些迷宮密封組件100有助于減小沿轉子軸60從HP部分12至IP部分14的泄漏。迷宮密封組件100包括縱向間隔開的多排齒104，這些齒安裝在密封環(huán)102上，它們有助于密封可能在蒸汽輪機(例如渦輪10)中存在的工作壓力差。在可選實施例中，封裝機匣52包括刷式密封件，該刷式密封件也可以用于幫助減小通過兩個部件之間的間隙的泄漏，例如從高壓區(qū)域流向低壓區(qū)域的泄漏。
在工作時，在HP部分12中的較高壓力的蒸汽將趨向于通過在第一級噴嘴隔板70和封裝機匣72之間所限定的蒸汽通路而向IP部分14(該IP部分14是處于較低工作壓力下的區(qū)域)泄漏。例如，在一個實施例中，高壓蒸汽能夠以大約1800磅/平方英寸的絕對壓強(psia)進入HP部分12，而重新加熱的蒸汽能夠以大約300-400磅/平方英寸的絕對壓強進入IP部分14。因此，橫跨封裝機匣72的相對較大壓降可能導致蒸汽沿轉子軸60在封裝機匣72周圍泄漏，從而導致蒸汽輪機效率降低。
圖3是可用于渦輪10的迷宮密封組件100的示例實施例。在圖3中，只表示了轉子軸60的一部分和機匣72的一部分。而且，盡管只表示了單個密封環(huán)102，但是可以如圖2所示那樣串聯(lián)布置多個這樣的環(huán)。在可選實施例中，迷宮密封組件100用于幫助密封渦輪10的其它區(qū)域。
密封環(huán)102包括多個齒104，這些齒104布置成對著從轉子軸60向外伸出的多個轉子軸周邊凸起105。在該示例實施例中，各周邊凸起105包括徑向外部轉子表面107，這些徑向外部轉子表面107位于多個徑向內部轉子表面109之間。如上所述，一種強制力可能迫使流體在多個節(jié)流部之間流動，這些節(jié)流部由在齒104和轉子軸60之間所限定的間隙區(qū)域110形成。更具體地說，間隙區(qū)域110、齒104的數目和相對尖銳度、轉子軸周邊凸起105的數目以及工作狀態(tài)(包括壓力和密度)的組合是確定泄漏流量的因素?；蛘呤牵渌鼛缀谓Y構也能夠用來提供多個或單個泄漏節(jié)流部。
各密封環(huán)102保持在機匣72中的機匣槽112內。在一個實施例中，各密封環(huán)102包括多個可以布置在機匣槽112中的密封環(huán)段(圖3中未示出)，以便能容易地裝配或拆卸機匣72。在該示例實施例中，彈簧系統(tǒng)(圖3中未示出)產生將趨向于增大密封環(huán)102直徑的力，第二彈簧系統(tǒng)(圖3中未示出)可以用來抵銷由密封環(huán)102的重量所引起的力。
各密封環(huán)102包括內環(huán)部分114，該內環(huán)部分114具有從徑向內表面116伸出的齒104、以及徑向外表面130，該徑向外表面130便于通過接觸機匣72的徑向表面118而控制該間隙區(qū)域110。各密封環(huán)102還包括外環(huán)部分120，該外環(huán)部分120布置于機匣槽112中。外環(huán)部分120包括內周表面122和相對的徑向外表面131。內周表面122與機匣槽凸肩124的外表面126接觸，從而限制密封環(huán)102的徑向向內運動。密封環(huán)102還包括頸部部分128，該頸部部分128在密封環(huán)的內環(huán)部分114和密封環(huán)的外環(huán)部分120之間延伸。機匣槽凸肩124與密封環(huán)的頸部部分128相互作用，以便沿軸向定位各密封環(huán)102。密封環(huán)的頸部部分128包括接觸壓力表面132，該接觸壓力表面132與機匣槽凸肩124接觸。
一個通過迷宮密封組件100的蒸汽流動通路被限定為從高壓區(qū)域106通過間隙區(qū)域110而到達低壓區(qū)域108，并處于齒104和轉子軸表面107和109之間。蒸汽流量根據密封環(huán)102的徑向位置來調整。當密封環(huán)102徑向向外運動時，間隙區(qū)域110的總尺寸增加，流過間隙區(qū)域110的蒸汽流量增加。相反，當密封環(huán)102徑向向內運動時，間隙區(qū)域110減小，流過間隙區(qū)域110的蒸汽流量減小。
第二蒸汽流通路被限定為從高壓環(huán)形空間134通過機匣槽112到達低壓環(huán)形空間136。較高壓力的蒸汽可以從環(huán)形空間134開始而流過在機匣槽凸肩124和密封環(huán)頸部部分128之間所限定的環(huán)形開口140。在蒸汽進入由機匣72和密封環(huán)外環(huán)部分120所限定的機匣槽高壓部分144之前，將蒸氣引導通過開口140而到達高壓區(qū)域142，該高壓區(qū)域142限定于機匣槽凸肩外表面126和密封環(huán)外環(huán)部分的周邊表面122之間。蒸汽離開機匣槽高壓部分144并進入在機匣槽徑向外表面146和密封環(huán)外環(huán)部分的徑向外表面131之間所限定的機匣槽徑向外部部分148。然后，蒸汽可以流向由機匣72和密封環(huán)外環(huán)部分120所限定的低壓部分150，并流向在機匣槽凸肩外表面126和密封環(huán)外環(huán)部分的內周表面122之間所限定的低壓側凸肩區(qū)域152。蒸汽通過在機匣槽凸肩124和密封環(huán)頸部部分128之間所限定的環(huán)形開口154而離開該低壓側凸肩區(qū)域152，其中，蒸汽排入環(huán)形空間136中。
當密封環(huán)的外表面130或其任意部分接觸機匣徑向表面118時，將限制密封環(huán)102的徑向向外運行。該位置稱為完全縮回位置。當密封環(huán)表面122與機匣槽凸肩表面126接觸時，將限制密封環(huán)102的徑向向內運行。該位置稱為完全插入位置，如圖3中所示。這提供了充分的空間來適應轉子軸60和機匣72的預期瞬時失配，而不會引起對齒104的損害。
在較低或無負載的工作條件下，密封環(huán)102的重量、機匣72的邊界限制、摩擦力以及多個偏壓彈簧系統(tǒng)(圖3中未示出)的力作用在密封環(huán)102上?？傂Ч牵撁芊猸h(huán)102被偏壓成由密封環(huán)102的徑向向外行程極限所限定的直徑。
整個渦輪10的內部壓力基本與負載成正比。當負載和蒸汽質量流量都增加時，局部壓力以基本線性方式增加。該關系能夠用于確定在預定渦輪工作狀態(tài)下密封環(huán)102的合適位置。例如，當通向渦輪10的蒸汽流量增加時，環(huán)形空間134中和機匣槽112中的蒸汽壓力同樣增加。該增加了的蒸汽壓力向密封環(huán)102施加徑向向內的力，該力基本由密封環(huán)的外表面130和131承受。
高壓區(qū)域106中的增大蒸汽壓力使得更多的蒸汽流通過機匣槽112而流過環(huán)形空間134、環(huán)形開口140、凸肩區(qū)域142、機匣槽高壓部分144、機匣槽徑向外部部分148、機匣槽低壓部分150、凸肩區(qū)域152和環(huán)形開口154而進入環(huán)形區(qū)域136。高壓區(qū)域106中增大了的蒸汽壓力也使得在從環(huán)形空間134經由機匣槽112至環(huán)形空間136的通路中的壓力增大(如上所述)。該通路中各個在后區(qū)域中的壓力小于它們之前區(qū)域中的壓力。例如，機匣槽低壓部分150中的蒸汽壓力低于機匣槽高壓部分144中的蒸汽壓力。該壓力差使得作用在密封環(huán)內環(huán)部分114、密封環(huán)頸部部分128和密封環(huán)外環(huán)部分120上的向右的力增大。作用在這些表面上的增大了的力使得密封環(huán)102朝著低壓區(qū)域108沿軸向移動，直到密封環(huán)頸部接觸壓力表面132與機匣槽凸肩124接觸。當完全插入時，密封環(huán)102基本上防止了蒸汽流從高壓環(huán)形空間134經由機匣槽112流向低壓環(huán)形空間136。
上述情況使得蒸汽壓力向表面130和131上施加增大的徑向向內力，如上所述。該增大的蒸汽壓力還使得作用在密封環(huán)102上的徑向向內力增大，以便克服前面所述的摩擦力和多個偏壓彈簧子系統(tǒng)(未示出)的力。
密封環(huán)102和機匣槽112的尺寸選擇為便于在有負載的穩(wěn)定狀態(tài)工作時優(yōu)化齒104和轉子軸60表面之間的間隙110。
圖4是密封環(huán)偏壓彈簧子系統(tǒng)200的示例實施例。子系統(tǒng)200包括至少一個螺釘204，該螺釘204插入封裝機匣72中。密封環(huán)外環(huán)部分120包括槽206，該槽206有預定的軸向、徑向和弓形尺寸。偏壓彈簧-密封環(huán)的環(huán)形安裝槽208(具有預定軸向、徑向和弓形尺寸)位于密封環(huán)外環(huán)的槽206內。螺旋偏壓彈簧202的一端插入槽208內，且彈簧202牢固安裝在密封環(huán)外環(huán)部分120上。偏壓彈簧202的第二端牢固安裝在螺釘204上，這樣，彈簧202位于機匣槽112中?？梢允褂枚鄠€彈簧結構(它包括使用多個偏壓彈簧202)來減小該非均勻徑向力以及所造成的密封環(huán)102的位移。
密封環(huán)組件200的工作基本類似于上述迷宮密封組件100的工作。這兩種工作之間的一個區(qū)別點是由偏壓彈簧202產生的作用在密封環(huán)102上的向外偏壓力。所附加的向外偏壓力幫助將密封環(huán)102偏壓成更大直徑。當渦輪負載和蒸汽壓力增大時，必須在密封環(huán)102徑向向內移動之前先克服由彈簧202所產生的徑向向外力。因此，密封環(huán)102的徑向向內運行被延遲，直到渦輪10達到預定工作狀態(tài)。
圖5是一種可選示例實施例的密封環(huán)偏壓彈簧子系統(tǒng)300。子系統(tǒng)300包括封裝機匣72中的彈簧通道304。密封環(huán)外環(huán)部分120包括具有預定軸向、徑向和弓形尺寸的槽206。具有預定軸向、徑向和弓形尺寸的偏壓彈簧-密封環(huán)的環(huán)形安裝槽208位于該密封環(huán)外環(huán)槽206內。螺旋偏壓彈簧302的一端插入槽208中，并牢固安裝在密封環(huán)外環(huán)部分120上。彈簧掛鉤裝置312安裝在偏壓彈簧302的第二端上，該彈簧掛鉤裝置312通過在機匣槽的徑向外部表面中的槽310而牢固安裝在機匣72上。蓋板306通過多個緊固件308而與機匣72的最外側表面連接。彈簧302懸掛在彈簧通道304中?？梢允褂枚鄠€彈簧結構(它包括使用多個偏壓彈簧302)來減小該非均勻徑向力以及所造成的密封環(huán)102的位移。對于預定渦輪工作狀態(tài)，在偏壓彈簧302所產生的拉力是基于在預定渦輪工作狀態(tài)下密封環(huán)的預定位置。
該可選子系統(tǒng)300的工作與子系統(tǒng)200相同。
這里所述的密封組件有助于控制在轉子軸和封裝機匣之間的蒸汽泄漏。更具體地說，該密封組件將使得該密封件的間隙在起動、停機或低負載狀態(tài)時較大，而在中等至高負載工作時較小。因此，能夠減少或消除由密封件損壞所引起的渦輪維護成本增加以及工作效率退化。
盡管這里所述和/或所示的方法和系統(tǒng)是針對旋轉機械(更具體地說是蒸汽輪機)來介紹和/或表示，但是這里所述和/或所示的方法和系統(tǒng)的實施并不局限于蒸汽輪機或旋轉機械。而且，這里所述和/或所示的方法和系統(tǒng)可用于在任何機械上裝配任何密封結構。
上面詳細介紹了密封結構的示例實施例。方法、裝置和系統(tǒng)并不局限于這里所述的具體實施例或所裝配的具體密封結構，而是，該密封結構可以獨立于和單獨于這里所述的其它方法、裝置和系統(tǒng)而使用，或者裝配這里并沒有介紹的密封組件。例如，其它密封結構也可以使用這里所述的方法來裝配。
盡管已經根據各種特定實施例介紹了本發(fā)明，但是本領域技術人員應當知道，在權利要求的精神和范圍內，本發(fā)明能夠以變化形式來實施。
部件列表10 蒸汽輪機12 高壓(HP)部分13 上半部分14 中壓(IP)部分15 下半部分16 外殼或殼體18 中央部分20 高壓蒸汽進口22 中壓蒸汽進口26 軸頸軸承28 軸頸軸承30 蒸汽密封單元32 蒸汽密封單元42 環(huán)形的部分分隔件46 第一HP部分噴嘴48 第一IP部分噴嘴50 槽道52 封裝機匣60 轉子軸70 第一級噴嘴隔板72 封裝機匣100迷宮密封組件102密封環(huán)104齒105轉子軸周邊凸起106高壓區(qū)域107徑向外部轉子軸表面108低壓區(qū)域109徑向內部轉子軸表面110間隙區(qū)域112機匣槽
114環(huán)的內環(huán)部分116徑向內表面118機匣徑向表面120環(huán)的外環(huán)部分122密封環(huán)內周表面124機匣槽凸肩126機匣槽凸肩表面128密封環(huán)頸部部分130密封環(huán)外表面131徑向外表面132頸部接觸壓力表面134高壓環(huán)形空間136低壓環(huán)形空間140環(huán)形開口142高壓側凸肩區(qū)域144槽的高壓部分146槽的徑向外表面148槽的徑向外部部分150槽的低壓部分152低壓側凸肩區(qū)域154環(huán)形開口200密封環(huán)偏壓彈簧子系統(tǒng)202偏壓彈簧204螺釘206密封環(huán)外環(huán)的槽208環(huán)形安裝槽300彈簧子系統(tǒng)302偏壓彈簧306蓋板308緊固件310槽312彈簧掛鉤裝置
權利要求
1.一種用于渦輪組件(10)的密封組件(100)，所述密封組件包括環(huán)形槽(112)，該環(huán)形槽形成于靜止機匣(72)中，所述槽至少部分地沿周向環(huán)繞該渦輪延伸；以及密封環(huán)(102)，該密封環(huán)布置在所述環(huán)形槽內，所述密封環(huán)包括多個弓形的密封環(huán)段；以及至少一個彈簧(202)，該彈簧連接于各所述密封環(huán)和所述靜止機匣之間，用于向各所述密封環(huán)段施加基本恒定的彈簧力。
2.根據權利要求1所述的密封組件(100)，其中所述環(huán)形槽(112)至少部分地是由一對對置的凸肩(124)來限定的。
3.根據權利要求1所述的密封組件(100)，其中所述至少一個彈簧(202)有利于增加在渦輪(10)和所述靜止機匣(72)之間所限定的間隙空間(110)的大小。
4.根據權利要求1所述的密封組件(100)，其中，各所述弓形密封環(huán)段包括徑向內密封表面(116)，該徑向內密封表面包括多個密封齒(104)；徑向外環(huán)部分(120)，該徑向外環(huán)部分的尺寸設置成可裝在所述環(huán)形槽內，所述外環(huán)部分包括徑向外表面(131)和徑向內表面(130)；以及頸部部分(128)，該頸部部分在所述徑向內密封表面和所述徑向外環(huán)部分之間延伸。
5.根據權利要求1所述的密封組件(100)，其中所述至少一個彈簧(202)包括至少一個螺旋彈簧，該螺旋彈簧設置成偏壓所述密封組件遠離渦輪。
6.一種旋轉機械，包括至少一個轉子組件(60)；至少一個靜止渦輪機匣(72)，該渦輪機匣至少部分地沿周向環(huán)繞所述至少一個轉子組件延伸，這樣，在所述至少一個轉子組件和所述至少一個靜止渦輪機匣之間就限定了一間隙(110)；多個密封組件(100)，這些密封組件布置在所述至少一個靜止機匣和所述至少一個轉子組件之間，以便于控制通過所述間隙的所述流體流量；以及至少一個彈簧(202)，該彈簧布置在所述多個密封組件中的各密封組件和所述機匣之間，以便將所述多個密封組件中的各密封組件偏壓成徑向向外遠離所述至少一個轉子組件。
7.根據權利要求6所述的旋轉機械，其中所述至少一個靜止機匣(72)包括在其中所限定的至少一個環(huán)形槽(112)。
8.根據權利要求7所述的旋轉機械，其中所述至少一個槽(112)中的各槽至少部分地是由一對對置的凸肩(124)來限定的。
9.根據權利要求6所述的旋轉機械，其中所述多個密封組件(100)中的各密封組件包括多個弓形密封件段，這些弓形密封件段的尺寸設置成可裝在所述至少一個所述環(huán)形槽(112)內。
10.根據權利要求6所述的旋轉機械，其中所述多個密封組件(100)中的各密封組件包括徑向外表面(131)和徑向內表面(130)，該徑向內表面(130)從所述徑向外環(huán)表面(120)伸出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于將至少一個密封組件(100)裝配至渦輪(10)上的方法，該渦輪具有至少部分地環(huán)繞轉子(60)延伸的機匣(72)。該方法包括使密封組件與機匣連接，使得該密封組件伸入到在轉子和機匣之間所限定的流體流動通道內；以及使至少一個彈簧(102)連接于密封組件和機匣之間，以便偏壓各密封組件。
文檔編號F01D11/04GK1924301SQ20061012904
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月4日 優(yōu)先權日2005年9月2日
發(fā)明者B·A·小考圖爾, F·D·C·里瓦斯, M·E·凱利, J·莫特茨海姆 申請人:通用電氣公司