[发明专利]密封设计和用于涡轮机的主动间隙控制策略

说明书

技术领域

本文所提出的实施例大体上涉及用于诸如蒸汽涡轮和燃气涡轮的旋转机械的密封件，并且特定地涉及迷宫密封设计和用于涡轮机中的主动间隙控制和跨度减小的主动间隙控制促动策略。

背景技术

旋转机械和更特定地用于发电和机械驱动应用的诸如蒸汽涡轮和燃气涡轮的涡轮机通常是由多个涡轮级组成的大型机械。在涡轮中，流过涡轮级的高压流体必须穿过一系列静止构件和旋转构件，并且在静止构件和旋转构件之间的密封件被用来控制泄漏。涡轮的效率直接取决于密封件防止例如转子和定子之间的泄漏的能力。涡轮设计常规地划分为冲击式或反力式，在冲击式中，大部分压降跨固定喷嘴发生，在反力式中，压降更均匀地分布在旋转叶片和静止叶片之间。两种设计都采用刚性齿(即迷宫密封件)来控制泄漏。传统上，使用高低(hi-lo)或直轴设计的刚性迷宫密封件。这些类型的密封件被用于其中旋转构件和静止构件之间的泄漏必须被控制的实际上所有涡轮位置。这包括级间轴密封件、转子端密封件和动叶(或叶片)顶端密封件。冲击式和反力式设计的蒸汽涡轮通常均采用刚性锋利齿来用于转子/定子密封。虽然已证明迷宫密封件相当可靠，但作为瞬变事件的结果，迷宫密封件的性能随时间推移而降低，在瞬变事件中，静止和旋转构件相互作用，将迷宫齿摩擦成“蘑菇”轮廓并打开密封间隙。

为了防止此类摩擦失效导致密封件泄漏的增加可能性，迷宫密封设计可并入径向和轴向间隙以防止瞬变期间的摩擦。这些间隙虽然降低密封件泄漏的可能性，但可能降低效率和增加机械占用面积。针对涡轮机，存在用于间隙控制的若干种被动和主动方法。这些方法中的许多为基于被动热的并且对瞬变响应缓慢，因此限制了机械的操作灵活性。现有技术主动方法通常基于叠锥概念，并且不优化贯穿其中的间隙。用于性能改进的其它密封技术包括在许多应用中可能成本太高的诸如毛刷密封、柔顺板密封和耐磨材料的先进密封件。

鉴于上述情况，希望提供一种改进的迷宫密封设计和用于涡轮机中的主动间隙控制和跨度减小的促动控制间隙策略。

发明内容

现有技术的这些和其它不足通过本公开来解决，本公开提供了一种用于涡轮机的迷宫密封设计。迷宫密封设计包括多个特征，其被构造成响应于静止构件和旋转构件之间的相对轴向移动而打开和闭合径向间隙。

根据本公开的一示例性实施例，提供了一种用于实现在使用主动(active)元件的涡轮机的至少一个旋转构件和至少一个静止构件之间的相对运动的促动控制间隙策略。该促动控制间隙策略包括：提供具有内壁的静止构件和相对于静止构件定位的旋转构件，旋转构件在旋转构件和内壁之间的一个或多个密封位置处形成径向间隙；提供包括多个特征的至少一个迷宫密封件，多个特征被构造成响应于静止构件和旋转构件之间的相对轴向移动而打开和闭合在一个或多个密封位置中的一密封位置处的径向间隙；以及相对于静止构件轴向移置旋转构件，从而调整在旋转构件和内壁之间的一个或多个密封位置处的径向间隙，以适应涡轮机的给定操作条件。

根据本公开的一示例性实施例，提供了一种操作涡轮机的方法。该操作涡轮机的方法包括：为涡轮机提供具有内壁的静止构件和相对于静止构件定位的旋转构件，旋转构件承载多个叶片，每个叶片具有面朝内壁的叶片顶端且在每个叶片顶端和内壁之间形成径向间隙；提供包括多个特征的迷宫密封件，多个特征被构造成响应于静止构件和旋转构件之间的相对轴向移置而打开和闭合径向间隙；以及相对于静止构件轴向移置旋转构件，从而调整叶片顶端和内壁之间的径向间隙，以适应涡轮机的给定操作条件。

根据一方面，本发明提供了一种包括多个特征的用于涡轮机的迷宫密封设计，多个特征被构造成响应于静止构件和旋转构件之间的相对轴向移动而打开和闭合径向间隙。

优选地，旋转构件为转子。

优选地，静止构件为定子。

优选地，迷宫密封设计被构造成具有从旋转构件或静止构件中的至少一个延伸的弓形密封元件、从弓形密封元件延伸的多个径向延伸的长齿、以及从弓形密封段延伸的多个径向延伸的短齿，其中长齿和短齿被构造成交替关系或非交替关系中的一种。

优选地，迷宫密封设计还被构造成包括从旋转构件或静止构件中的另一个中的至少一个延伸的多个径向延伸的短肋和多个径向延伸的长肋、以及构造在一对径向延伸的长肋之间的多个第一凹槽和多个第二凹槽，构造在一对长肋之间的第一凹槽和第二凹槽中的每一个还具有构造在它们之间的短肋。

优选地，第一凹槽和第二凹槽各自具有大于零的轴向尺寸宽度。

优选地，第一凹槽和第二凹槽具有相等的轴向尺寸宽度。