[发明专利]涡轮机和类似的旋转装置中的改进的毛刷密封设计

说明书

本发明的技术背景

1.本发明的技术领域

本发明一般涉及改进的毛刷密封设计，以便用于涡轮机、诸如蒸汽和燃气涡轮机和其它的、从工作流体的膨胀中取得能量的装置。

2.现有技术的简要说明

轴流式弹性流体涡轮机、诸如轴流式汽轮机在我们社会的电力供应中扮演着非常重要的角式。通常，在一传统的发电厂里有许多汽轮机，各驱动一个或多个发电机。

通常，各汽轮机包括一可转动的轴，它由安装在壳体里的轴承支承。为了使用过热蒸汽(用于汽轮机的过热蒸汽和用于“燃气”涡轮机的碳氢化合物燃烧气体)的动量使转动轴转动，沿着轴的轴线依次设置一组分级涡轮机。通常在涡轮机壳体的外面设置一锅炉，以便产生蒸汽推动涡轮机。在涡轮机壳体的外面设置蒸汽管，以便将锅炉里的蒸汽引导至涡轮机。涡轮机通常按照操作压力或压力范围分级。在涡轮机壳体的一端固定一叫做导流管的变窄的壳体。在导流管的一端是一管道(喷口管道)，它与来自锅炉的管道连接；喷口管道相对蒸汽供应管道的密封是通过叫做喷口环的密封环实现的；喷口环包括两组互相啮合的环，一组环设置在喷口管道的外侧，而另一组设置的蒸汽管道的内侧，喷口管道通向蒸汽管道。Miller在美国专利第2,863,632号(其内容在这里被参考引用)公开了这种类型的伸缩接头的一个例子。

各压力分级涡轮机具有一涡轮转子。各转子具有许多叶片，这些叶片自轴径向朝一沿圆周延伸的罩带(即罩盖)延伸一个预定距离，而罩带固定在叶片的凸榫部分上。一固定的隔板安装在各转子的后面，并在形成于涡轮机壳体内的环形连接里。隔板的内部结构限定成环状设置的许多蒸汽喷嘴，这些喷嘴环绕着转子设置。这些喷嘴设置在与其相关的转子上的叶片相同的径向位置上。喷嘴引导蒸汽(或其它工作流体)进入各级，并引导它至叶片。为了建立与各涡轮机转子的罩带的“端部密封”，由各级里的固定的隔板支承环状设置的溢出带部分，而密封件向转动的罩带延伸(罩带固定在叶片上，叶片固定在转子上，而转子可以转动)。当蒸汽经过涡轮机时，其一部分线性动量转变成在各分级涡轮机里的转子叶片的角动量，从而将扭矩传递给涡轮机轴。在下游级里，常常需要增加转子叶片的长度和相关的隔板的尺寸，以便吸取在降低压力下的工作流体的动能。

涡轮机设计中的一个主要问题涉及在涡轮机的蒸汽流动路径上的许多固定件和转动件之间的蒸汽密封的质量。通常，在涡轮机内有若干位置必须设置这种密封，以便确保高的涡轮机效率。

需要蒸汽密封的第一个位置在各转子的外侧部分和与其相关的隔板之间，这已通过使用美国专利第5,547,340号所述类型的分段的溢出带环实现，该专利在这里被参考引用。在起动操作过程中，当转子呈现出环绕其轴线的低频率操作模式时，沿着溢出带各段突出的刚性的翅片状结构(例如翅片密封)的端部趋向于摩擦和/或切入相关的转子的罩带，从而在起动过程中对其产生危害。防止这种摩擦作用的唯一安全措施是设计溢出带，即在溢出带上的翅片的顶部和转子的罩带之间存在足够的空隙。然而，这种方案导致顶部密封的下降，这将允许蒸汽经过空隙区域和不经过转子的叶片，而在叶片上方通过，从而降低了涡轮机的性能。

需要蒸汽密封的第二个位置在转子和涡轮机轴之间。在该区域内提供良好的密封最近几年已经提出，即在各分级涡轮机的转子和涡轮机轴之间安装分段的密封件。该密封件通常包括在一零件上具有许多排翅片(即密封齿)的第一环状结构，和具有与翅片对应的许多排表面凸起的第二环状结构。通常在相关的隔板安装第一环状结构，而第二环状结构通常安装在涡轮机轴上。合在一起后，对应的和互配的成排的翅片和凸起结构产生一迷宫式密封，它对加压蒸汽形成一条高阻抗流动路径。然而，在起动操作过程中，环绕着涡轮机轴线的低频率的操作模式趋向于使各排翅片的顶部径向向外和向内移动；此外，由于热工作流体传送给各级和各加热至操作温度而产生的不同的热膨胀可能恶化和危及密封件。为了避免摩擦和损坏这种密封件环状结构，必须设计翅片和表面凸起，使它们具有足够的间隙，从而在起动操作过程中避免顶部摩擦。然而，这必将降低迷宫密封的质量。