密封部件、装置和方法.pdf

一种用于具有旋转部件和围绕旋转部件的静止部件的涡轮机的毛刷式密封装置和方法。密封装置包含一布置在静止部件的径向向内区域的密封部件(146)且密封部件的一部分(136)与接触区域摩擦接触。密封部件(146)可为了选择替换可从静止部件上拆卸且并入至少一个整体成形的密封元件(131)。

1.  一种涡轮机的密封部件包含：
毛刷式密封支架(146)；
安装在所述毛刷式密封支架上的毛刷式密封组件(136)，所述毛刷式组件的一部分从所述毛刷式密封支架上凸起，和
至少一个整体成形在所述毛刷式密封支架上的硬齿密封元件(131)，硬齿密封元件沿与从所述毛刷式密封支架凸起的所述毛刷式组件的所述部分的至少一个部段平行的方向延伸。

2.  如权利要求1的密封部件，其特征在于所述毛刷式密封支架(146)包含一前平板(154)和一后平板(156)，所述毛刷式组件(136)布置在两者中间，且其中所述前平板，后平板和毛刷式密封组件通过焊接成为一体。

3.  如权利要求2的密封部件，其特征在于所述硬齿密封元件(131)与所述前平板(154)一体地形成一块。

4.  如权利要求2的密封部件，其特征在于所述前平板和后平板中的至少一个限定了一个吊钩部分(148)来与支撑结构的对应沟槽(152)啮合，密封部件适于安装在支撑结构上。

5.  如权利要求1的密封部件，其特征在于所述涡轮机具有绕轴线旋转的旋转装置和围绕旋转装置(10，12，14)的静止装置(16，18，20)，旋转装置限定了外围表面且静止装置具有径向朝向旋转装置由此与其外围表面对立的部分(18，116)，密封装置包含旋转装置的所述外围表面的至少一个部分(14，42)，所述多个密封元件(131，136)提供在静止装置的所述径向朝向部分(18，116)上的密封支架(146)上，所述多个密封元件包含至少一个安装在所述密封支架上且配置为与所述外围表面摩擦接触的密封元件(136)和至少一个与所述外围表面间隔的硬齿密封元件(131)，且其中所述硬齿密封元件限定为与所述毛刷式密封支架(146)一体地形成一块。

6.  如权利要求5的密封部件，其特征在于旋转装置的所述外围表面的与所述密封元件摩擦接触的所述部分包含一个由转子(10)的轴向临近部分(40)径向向外支撑的平台(42)。

7.  如权利要求5的密封部件，进一步的包含至少一个空气空腔(44)限定在所述支撑平台(42)下方。

8.  如权利要求5的密封部件，其特征在于所述密封支架(146)与所述静止装置分别形成且可拆卸地固定到所述静止装置。

9.  一种为涡轮机提供密封的方法，在绕一轴线旋转的旋转部件和围绕旋转部件的静止部件之间，旋转部件具有一个外圆周表面；包含：
提供了一种包含有在静止部件的径向向内区域的第一和第二密封组件(131，136)的密封装置(146)，第一密封组件(136)具有一个与转子的外圆周表面摩擦接触的部分，且第二密封组件(131)整体形成在所述第一密封组件(136)的支架(146)的一薄片上且沿着与第一密封组件大致平行的方向延伸而与所述外圆周表面间隔。

10.  如权利要求9的方法，其特征在于支架(146)可拆卸地固定到所述静止部件。

密封部件、装置和方法
技术领域
本发明通常涉及使用在涡轮机上的一类动态密封。
背景技术
迷宫型填料和毛刷式密封广泛的使用于蒸汽轮机以及飞机和工业的气涡轮机上，在诸如蒸汽轮机的转子和横隔内壁这样的旋转和静止的涡轮部件之间提供动态密封。传统的迷宫式填料包含一连串的从静止部件的圆周径向向内凸起且逼近但不接触旋转部件的(硬)齿，由此限定了一连串的局部障碍以在直接相邻的旋转部件的表面上产生曲折的轴向流体通道。
毛刷式密封标准的包含金属鬃毛，类似于迷宫式填料的齿，从静止部件的圆周径向向内朝着旋转部件凸起。与迷宫式填料相比，毛刷式密封通常与旋转部件上相邻的圆周表面进行摩擦接触，对围绕旋转部件圆周的流体产生基本连续不断的障碍。在这点上，毛刷式密封为第二流体损失提供了更有效的屏障，也就是，与迷宫式填料比较，提供了更好的密封性能，且由此具有潜在的重要改进性能。
飞机和工业的气涡轮机的转子相对要硬，且由此它们的动态效果通常不被毛刷式密封的摩擦接触所影响。相反，蒸汽轮机的转子典型地包含一个配备有多个叶片的连续硬轴。脉冲型蒸汽轮机典型地工作在转子的第一弯曲临界频率以上，且常常接近第二弯曲临界频率。可以看到在毛刷式密封和蒸汽轮机转子之间的摩擦接触将通过转子的第一和第二临界频率放大转子振动，导致不能接受的径向转子移动。可以相信如果转子由于热量，动态或制造环境而弯曲时这种影响尤其有可能发生。更可能的是，由于摩擦接触导致的摩擦力局部增加了转子的表面温度，导致在它的圆周上产生不均匀的表面温度。因为弯曲转子上的高(凸出)点在这种方式下由于更强烈的摩擦接触尤其易于变热，由毛刷式密封导致的局部加热由于在转子周围不均匀的热量膨胀将进一步增加转子的弯曲，由此加剧振动和转子动态影响。
在受让的美国专利No.6821086中，该发明公开的内容在此作为参考，本发明公开一种密封装置和方法能极大的减低发生在诸如蒸汽轮机的涡轮机上的由密封与涡轮机内的旋转部件摩擦接触导致局部加热产生的振动和转子动力学影响。
专利’086的结构当需要多个硬齿且为一个大的楔形硬齿支架具有足够的空间时是可以接受的。然而至于需要较少的硬齿且只有很小的空间的例子，’086专利中大的硬齿支架和毛刷式密封支架的结构将不能工作。由此需要一个更小的设计。如图2所示，一些硬齿实际上加工在喷管结构上。然而，如果这种密封结构由于摩擦而磨损，硬齿密封结构不能被替换。
发明内容
如上说述，现有的毛刷式密封支架占据了大量的空间，迫使需要大量的材料在适当的位置支持密封支架且限制了密封的安装位置。同样如上所述，一些硬齿实际加工在喷管结构上，因此如果这种密封磨损，硬齿密封结构不能被替换。
本发明的目的在于减少形成密封装置所需的大量材料且如果需要允许所有的密封设备可被替换而不需在喷管上进行任何加工或者修改。
在发明的实施例中，提供了一种毛刷式密封支架来减少毛刷式密封装置的足部以及其支架，同时还一体形成了作为支架内第二/附加/备份密封的一个硬齿密封。将硬齿密封整体形成在支架上提供了更加简易的替换且小的足部允许毛刷式密封安装到较小的区域内。整体成形硬齿结构允许只为硬齿提供最小的支撑结构且也允许硬齿在它被磨损时可被替换。
因此，本发明实例的涡轮机的密封部件包含：毛刷式密封支架；安装在所述密封支架上的毛刷式密封组件，所述毛刷式组件的一部分从所述毛刷式密封支架凸起，和至少一个整体成形在所述毛刷式密封支架上的硬齿密封元件，硬齿密封元件沿与从所述毛刷式密封支架凸起的所述毛刷式组件的所述部分的至少一个部段平行的方向延伸。
本发明还包含用于具有绕轴线转动的旋转装置和围绕旋转装置的静止装置的涡轮机上的密封装置，旋转装置限定了外围表面且静止装置具有径向朝向旋转装置由此与其外围表面对立的部分，密封装置包含旋转装置的所述外围表面的至少一个部分和在静止装置的所述径向朝向部分上的密封支架上提供的多个密封元件，所述多个密封元件包含至少一个安装在所述密封支架上且配置为与所述外围表面摩擦接触的密封元件和至少一个与所述外围表面间隔的硬齿密封元件，且其中所述硬齿密封元件限定为与所述密封支架一体地形成一块。
本发明进一步包含了一种为涡轮机提供密封的方法，在绕一轴线转动的旋转部件和围绕旋转部件的静止部件之间，旋转部件具有一个外圆周表面；包含：提供了一种包含有在静止部件径向向内区域的第一和第二密封组件的密封装置，第一密封组件具有一个与转子的外圆周表面摩擦接触的部分，第二密封组件与所述第一密封组件的支架一体地形成一块且沿着与第一密封组件大致平行的方向延伸而与所述外圆周表面间隔。
附图说明
这些和其它本发明的目的和优点，将通过对下面结合附图进行的本发明优选实施例更加详细的描述的仔细学习得到充分的理解和解释，其中：
图1描绘了装配有现有技术的密封装置的蒸汽轮机的横隔填料区域的局部纵向截面图；
图2为描绘了现有技术的另一个密封装置的示意图；
图3为描绘了根据本发明实施例的密封装置的示意图。
具体实施方式
参见图1，显示了装配有根据’086专利的密封装置的蒸汽轮机的一个横隔填料区域。蒸汽轮机具有形成有或安装有带有叶片14的轴向间隔转轮12的转子10。转子10，转轮12，和叶片14绕转子轴线旋转且，由此形成涡轮的旋转部分端口。一横隔(喷嘴)内环(壁)16在转轮12之间径向向内延伸，限定涡轮的隔离段。壳体18围绕着转子10且具有支撑喷管隔板20的喷嘴内环16。环16，隔板20和壳体18一起形成了涡轮的静止部分，布置在与转子轴线垂直的平面且环绕转子10的外圆周区域。蒸汽流过叶片14和喷管隔板20。
图1所示涡轮装配有迷宫填料22，24和26。迷宫填料22和24安装在填料环段或硬齿支架28上且迷宫填料26安装在填料环段30上。如同传统的，每个填料环段28，30为沿圆周分别装配在喷管内环16或壳体18上的多拱形段之一。迷宫填料22，24和26减少了在旋转和静止部件之间，更具体的，在转子10和喷嘴内环16以及在叶片14和壳体18之间的第二流体损失。在实施时，可以理解的是迷宫填料22，24和26由于各自迷宫填料的硬齿32，33和它们密封的对立表面之间的间隙而不能减少可能位于毛刷式密封区域的第二流体损失。因此，根据’086专利，安装在喷嘴内环16上的填料环段或硬齿支架28进一步包含轴向位于迷宫填料22和24的整齿之间的毛刷式密封34。迷宫填料22和24由此作为毛刷式密封34的备份密封。与填料22和24相比，毛刷式密封34适于连续接触它所密封的表面，由此比可能只有迷宫填料22和24实现更好的密封。如同传统的，毛刷式密封34配备鬃毛36且，如上所述，迷宫填料22和24配备有径向向转子10凸起的硬齿32。
可以理解的，出现在毛刷式密封34和转子10之间的摩擦密封固有的导致了摩擦发热。在’086专利中，要更好的分配和分散热量可以通过包含一在转子上的天井部分38，天井部分沿着轴向临近表面区域40径向向外凸出以限定一个平台42。天井部分38限定了一个完全被它容纳包围的空腔44，举例来说，仅空气形成在内。
图3描绘了如图1所示相同的涡轮但其中密封装置根据本发明实施例进行修改，这样减少了毛刷式密封支架146的足部且还整体形成一个硬齿密封122作为毛刷式密封的备份密封。更具体的参见图3所示本发明实施例的示意图，毛刷式密封装置146包含一径向向转子延伸且为旋转轴(未示出)的表面提供紧密密封的柔顺鬃毛136。尽管没有详细显示在图3中，在实施例中，对应于毛刷式密封的转子结构包含一图1所示类型的平台结构42和设计的其它公开内容，用于有效分配和分散由毛刷式密封与旋转部件之间当旋转部件绕轴线旋转时产生的热量。
在图示实施例中，除了提供一容纳到楔形凹槽内的楔形榫头，支架146具有一个单一的啮合吊钩或法兰148。支架146如图所示被容纳到位于横隔内环(喷嘴壁)116中形状相符的凹槽150内，这样吊钩148由沟槽152容纳。在图示实施例中，此外，毛刷式密封支架146为一种包含夹入前和后平板或者支架部分154，156中的柔顺鬃毛136的层状结构。前支架部分154包含间隔部分158来将柔顺鬃毛136与前平板的平衡块间隔，以允许传统方式的轴向向前挠曲。后平板156，另一方面，包含一凸出支撑件160来限制柔顺鬃毛136的尾部挠曲。
在本发明的实施例中，至少一个硬齿密封元件131一体形成在毛刷式密封支架146上且径向平行延伸，但比鬃毛136的延伸要少，由此为鬃毛136提供备份密封。为了减少毛刷式密封支架146的足部，更好的提供一个如图1结构中的隔离硬齿元件32，提供一个一体化硬齿131。因此，支架部分(图示实施例的154)由金属制造且包含一个整体制造在其上的硬齿131。毛刷式结构136被层叠且与焊入支架154，156来提供密封装置146的旋转部分。涡轮结构的剩余部分一般与图1所示实施例的部分相同且由此不在图3中再次显示，即使这样可以理解的是这些相同的部分可方便的使用在该实施例中。
可以理解的，硬齿的整体形成有利于减少密封支架的尺寸且允许硬齿在磨损后可被替换。这样还允许减少所需装置部件的数量。如上所述，图1的结构包含一个为多个硬齿而安装在硬齿支架28内的大的毛刷式密封支架34。这样增加了装置所需的材料和空间。它还因为毛刷式密封的密封效果而指定使用了比所需更多的硬齿32。在上文提及和在图3中显示的整体成形的结构允许支架146被设计成具有最少的一个硬齿131。而且，可以意识到的，将毛刷式密封支架146设计为可直接安装到例如喷嘴板116上的平板和鬃毛的柔顺装置，这样相比于例如图1所示的密封支架28进一步充分减少了密封装置146的轴向尺寸。
可以理解的是当实际的支架部分154，156设计为如图所示和描述的，支架部分可具有与图示实施例不同的结构和特殊形状。例如，虽然如图所示后平板包含与喷管壁/横隔内环116上凹槽150内的沟槽152啮合的吊钩，前平板可包含这种与横隔内环/喷管壁结构内对应的通道啮合的替代或另外的吊钩。此外，当如图所示的硬齿131整体成形在前平板154上，可以理解的另外的或者改进的其它前平板154或者后平板156中的一个，或者两个，可以具有与之整体成形的硬齿。另外，如图所示仅有一个单一的硬齿，可以理解的对应平板的轴向厚度可以进行调整来容纳可变数量的齿。即使这样，图示和描述的密封的实施例可直接安装到横隔(喷嘴)内环(壁)上，此外，新的密封装置可以直接位于叶片顶端上面的定子的凹槽内且在那里产生密封效果。它可作为壳体的一部分或者横隔外环的一部分。
因此，描述的本发明可视为目前最实用和优选的实施例，可以理解的是本发明并不被公开的实施例所限定，且正相反，覆盖了多种修改和相同的布置包含在附属实施例的精神和范围内。
标记清单：
转子10
转轮12
叶片14
横隔(喷嘴)内环(壁)16
壳体18
喷管隔板20
迷宫填料22，24和26
硬齿支架28
填料环段30
硬齿32，33
毛刷式密封34
鬃毛36
天井部分38
表面区域40
平台42
空腔44
横隔内环(喷嘴壁)116
硬齿密封122
硬齿密封元件131
柔顺鬃毛136
啮合吊钩或法兰148
形状相符的凹槽150
沟槽152
前和后平板或支架部分154，156
间隔部分158
凸起支撑160