轴向面向密封系统、转子及涡轮机.pdf

本发明公开一种轴向面向密封系统、转子及涡轮机。所述轴向面向密封系统用于涡轮机部件的径向尖端，所述系统包括：固定涡轮机部件；旋转涡轮机部件；以及安装至所述固定涡轮机部件的密封环，所述密封环轴向延伸至所述旋转涡轮机部件并且接合到所述旋转涡轮机部件的侧表面上，其中所述旋转涡轮机部件的所述侧表面在具有360度弧的、连续的旋转配合环上。

权利要求书
1.  一种用于涡轮机部件的径向尖端的轴向面向密封系统，其特征在于，所述系统包括：
固定涡轮机部件；
旋转涡轮机部件；以及
安装至所述固定涡轮机部件的密封环，所述密封环轴向延伸至所述旋转涡轮机部件并且接合到所述旋转涡轮机部件的侧表面上，
其中所述旋转涡轮机部件的所述侧表面在具有360度弧的、连续的、旋转的配合环上。

2.  根据权利要求1所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述配合环和所述旋转涡轮机部件为一体化。

3.  根据权利要求1所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述密封环由多段形成。

4.  根据权利要求3所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述旋转涡轮机部件具有尖端基部以便接收所述连续的旋转配合环。

5.  根据权利要求4所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述多个密封环段中的每一个具有至少两个周向边缘，并且所述多个密封环段与每个相应的周向边缘对齐。

6.  根据权利要求5所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述旋转涡轮机部件的所述尖端基部包括用于插入所述连续的旋转配合环的键构件。

7.  根据权利要求6所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述轴向面向密封系统进一步包括：
在所述基部与所述径向尖端之间的堵缝带。

8.  根据权利要求5所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述基部和所述配合环使用至少一个锤顶进行连接。

9.  根据权利要求5所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述 基部和所述配合环使用至少一个焊点进行连接。

10.  根据权利要求5所述的轴向面向密封系统，其特征在于，所述配合环通过柔性连接件连接至所述基部。

11.  一种转子，其特征在于，所述转子包括：
至少一个旋转涡轮机部件，所述至少一个旋转涡轮机部件具有多个叶片和附接至所述多个叶片的径向延伸的配合环；以及
至少一个轴向面向密封系统，所述至少一个轴向面向密封系统与所述至少一个旋转涡轮机部件形成面密封，
所述至少一个轴向面向密封系统包括密封环，所述密封环轴向延伸至所述至少一个旋转涡轮机部件并且密封抵靠所述配合环的侧表面，
其中所述配合环形成360度连续弧。

12.  根据权利要求11所述的转子，其特征在于，所述配合环和所述至少一个旋转涡轮机部件为一体化。

13.  根据权利要求11所述的转子，其特征在于，所述密封环由多段形成。

14.  根据权利要求13所述的转子，其特征在于，所述至少一个旋转涡轮机部件包括基部以便接收所述配合环。

15.  根据权利要求14所述的转子，其特征在于，每个密封环段具有至少两个周向边缘，并且所述多段与每个相应的周向边缘对齐。

16.  一种涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括：
具有附接至转子的多个叶片的至少一个旋转涡轮机部件；
紧接着所述多个叶片的环元件；
具有径向尖端的至少一个固定涡轮机部件；以及
与所述至少一个旋转涡轮机部件和所述至少一个固定涡轮机部件形成面密封的至少一个轴向面向密封系统，所述至少一个轴向面向密封系统包括：
安装至所述至少一个固定涡轮机部件的所述径向尖端的密封环，所述密封环轴向延伸至所述旋转涡轮机部件并且密封抵靠所述环元件 的侧表面，
其中所述环元件为360度弧。

17.  根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于，所述多个叶片、所述环元件和所述旋转涡轮机部件为一体化。

18.  根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于，所述密封环由多段形成。

19.  根据权利要求18所述的涡轮机，其特征在于，所述密封环附接至所述多个叶片中的至少一个。

20.  根据权利要求19所述的涡轮机，其特征在于，所述密封环附接至所述转子。

说明书轴向面向密封系统、转子及涡轮机
技术领域
本发明的实施例大体涉及用于发电应用的涡轮机部件，并且更具体地说，涉及配置用于径向密封旋转的和固定的涡轮机部件(例如，涡轮机轮叶、涡轮机喷嘴等)的轴向面向密封系统(axially faced seal systems)、转子及涡轮机。
背景技术
一些发电厂系统(例如，某些核发电厂系统、简单循环发电厂系统，和联合循环发电厂系统)在它们的设计和操作中采用涡轮机。这些涡轮机中的一些包括在操作期间暴露于流体流的具有翼型形状部分的涡轮机部件(例如，如轮叶(buckets)和喷嘴(nozzles)的涡轮机叶片(blades))，所述流体流的部分可在这些部件的尖端上(例如，在涡轮机叶片尖端与定子之间、通过叶片空隙间隙等)径向泄漏，影响流体流动并降低涡轮机效率。一些发电厂系统包括设置在定子和/或涡轮机部件上的径向密封系统，所述径向密封系统配置用于通过径向密封这个间隙来减少这种泄漏(例如，通过减少和/或消除在部件尖端与定子之间的间隙)。然而，这些涡轮机部件的径向长度可容易受到热膨胀和转子偏移的影响，并且因此可在这些径向密封系统与涡轮机部件之间发生径向蒸汽路径摩擦，导致部件磨损和/或损坏。此外，这些径向密封系统可具有限制发电系统的系统应用、设计考虑和/或整体性能的压力和/温度限制。
发明内容
本发明的第一方面提供用于涡轮机部件的径向尖端的轴向面向密封系统，所述系统包括：固定涡轮机部件；旋转涡轮机部件；以及 安装至所述固定涡轮机部件的密封环，所述密封环轴向延伸至所述旋转涡轮机部件并且接合到所述旋转涡轮机部件的侧表面上，其中所述旋转涡轮机部件的侧表面在具有360度弧的连续的、旋转的配合环上。
其中，所述配合环和所述旋转涡轮机部件为一体化。
其中，所述密封环由多段形成。
其中，所述旋转涡轮机部件具有尖端基部以便接收所述连续的旋转配合环。
其中，所述多个密封环段中的每一个具有至少两个周向边缘，并且所述多个密封环段与每个相应的周向边缘对齐。
其中，所述旋转涡轮机部件的所述尖端基部包括用于插入所述连续的旋转配合环的键构件。
所述轴向面向密封系统进一步包括：在所述基部与所述径向尖端之间的堵缝带。
其中，所述基部和所述配合环使用至少一个锤顶进行连接。
其中，所述基部和所述配合环使用至少一个焊点进行连接。
其中，所述配合环通过柔性连接件连接至所述基部。
本发明的第二方面提供一种转子，所述转子包括：具有多个叶片和附接至所述多个叶片的径向延伸的配合环的至少一个旋转涡轮机部件；以及与所述至少一个旋转涡轮机部件形成面密封的至少一个轴向面向密封系统，所述至少一个轴向面向密封系统包括密封环，所述密封环轴向延伸至所述至少一个旋转涡轮机部件并密封抵靠所述配合环的侧表面，其中所述配合环形成360度连续弧。
其中，所述配合环和所述至少一个旋转涡轮机部件为一体化。
其中，所述密封环由多段形成。
其中，所述至少一个旋转涡轮机部件包括基部以便接收所述配合环。
其中，每个密封环段具有至少两个周向边缘，并且所述多段与每个相应的周向边缘对齐。
本发明的第三方面提供一种涡轮机，所述涡轮机包括：具有附接至转子的多个叶片的至少一个旋转涡轮机部件；紧接着所述多个叶片的环元件；具有径向尖端的至少一个固定涡轮机部件；以及与所述至少一个旋转涡轮机部件和所述至少一个固定涡轮机部件形成面密封的至少一个轴向面向密封系统，所述至少一个轴向面向密封系统包括：安装至所述至少一个固定涡轮机部件的径向尖端的密封环，所述密封环轴向延伸至所述旋转涡轮机部件并且密封抵靠所述环元件的侧表面，其中所述环元件为360度弧。
其中，所述多个叶片、所述环元件和所述旋转涡轮机部件为一体化。
其中，所述密封环由多段形成。
其中，所述密封环附接至所述多个叶片中的至少一个。
其中，所述密封环附接至所述转子。
阅读以下详细说明可清楚地了解本发明的这些和其他方面、优势和显著特征，当与附图结合阅读时，以下说明用于公开本发明的实施例，在附图中，类似的零部件用类似的参考符号表示。
附图说明
通过阅读以下本发明更具体的描述连同附图，将更好理解本发明的以上和其他的方面、特征和优势。
图1示出根据本发明一个实施例的涡轮机的一部分的三维局部剖视透视图。
图2示出根据本发明实施例的涡轮机部件。
图3示出根据本发明一个实施例的被形成为一个主体的固定或旋转涡轮机部件，所述一个主体被示出具有内密封表面和外密封表面。
图4示出根据本发明一个实施例的包括一组轴向面向密封系统的一组固定或旋转涡轮机部件的一部分。
图5示出根据本发明一个实施例的连接至固定或旋转涡轮机部件 的密封系统的二维图形表示。
图6示出根据本发明一个实施例的包括连接至一组固定或旋转涡轮机部件的轴向面向密封系统的涡轮机的一部分。
图7示出根据本发明一个实施例的连接至固定或旋转涡轮机部件的轴向面向密封系统的相应二维图形表示。
图8示出根据本发明一个实施例的连接至固定或旋转涡轮机部件的轴向面向密封系统的相应透视图。
图9示出示意性方框图，所述示意性方框图示出根据本发明实施例的联合循环发电厂系统的部分。
图10示出示意性方框图，所述示意性方框图示出根据本发明实施例的单轴联合循环发电厂系统的部分。
应注意，本发明的附图不必按比例绘制。附图仅旨在描绘本发明的典型方面，因此不应视为限制本发明的范围。应当了解，如参照彼此所描述，附图间类似编号的元件可能实质类似。此外，在参考图1至10所示出和描述的实施例中，类似的标号代表类似的元件。为清楚起见，这些元件的多余解释已被省略。最后应理解，图1至10的部件和它们的伴随描述可应用至本说明书所描述的任何实施例。
具体实施方式
本发明的方面提供成形成用于轴向密封涡轮机部件的径向尖端的密封系统。这些轴向面向密封系统减小在部件之间的密封空隙，并且改进涡轮机和/或发电系统的效率和操作。
转向附图，系统和装置的实施例被示出，所述实施例配置用于通过提供在邻近涡轮机部件的径向长度/尖端处设置的轴向面向密封系统来减少涡轮机中的尖端泄漏损失。附图中的每个部件可按常规连接，例如，如图1至10标明的通过共同导管或其他已知的装置和设备来连接。参考附图，图1示出蒸汽涡轮机10的透视性局部剖视图。涡轮机10包括转子12，所述转子12包括旋转轴14和沿旋转轴14的轴向长度A间隔的多个转子轮18。多个旋转叶片20机械连接至每个 转子轮18。更具体地，在每个转子轮18周围周向延伸的叶片20被成行安排。多个固定导叶22在轴14周围周向延伸，并且所述导叶轴向设置在叶片20的相邻行之间。固定导叶22与叶片20配合以便形成一个级，并且以便限定通过涡轮机10的流动路径的一部分。
在操作中，如蒸汽24的流体进入涡轮机10的入口26，并且被引导通过固定导叶22。固定导叶22对着叶片20引导蒸汽24。蒸汽24穿过剩余级将力施加在叶片20上，导致轴14旋转。涡轮机10的至少一端可轴向延伸远离旋转轴12，并且可附接至负载或机械(未示出)，如但不限于发电机和/或另一涡轮机。
在一个实施例中，涡轮机10可包括五个级。所述五个级被称为L0、L1、L2、L3和L4。级L4为第一级并且为五个级中最小的(在径向方向r上)。级L3为第二级，并且为在轴向方向上的下一级。级L2为第三级，并且被示出在五个级的中间。级L1为第四级和倒数第二级。级L0为最后级并且为最大的(在径向方向上)。应理解五个级仅作为一个实例示出，并且每个涡轮机可具有多于或少于五个的级。另外，如将在本说明书中描述的，本发明的教义不要求多级涡轮机。
转向图2，示出根据本发明实施例的涡轮机100的一部分的示意性剖视图，包括设置在一组旋转涡轮机部件130(例如，涡轮机叶片、轮叶、叶片等)和一组固定涡轮机部件120(例如，导叶、喷嘴等)的径向尖端上的一组第一轴向面向密封系统110和一组第二轴向面向密封系统170。固定涡轮机部件120可连接至涡轮机100的定子140并且可在工作流体通道107内延伸。旋转涡轮机部件130可连接至涡轮机100的转子150，并且可通过工作流体通道107以及在固定涡轮机部件组120之间旋转。在一个实施例中，一组第一轴向面向密封系统110可连接至旋转涡轮机部件130的轮叶尖端(或轮叶护罩)132并且可安装至定子140。第一轴向面向密封系统110可包括第一密封环180，所述第一密封环180通过密封壳体142中的第一次级密封件 186安装至定子140，并且朝向轮叶尖端132上的配合环135轴向延伸，以便在密封面138处形成面密封。密封环180可包括第一防旋转元件184和止动凸缘188，所述止动凸缘188可朝向定子140径向延伸以便限制密封环180的移动。所述密封环180和次级密封件186可为分段环，即，由一起形成360°弧的分离弧形构件组成。配合环135形成360°弧以便提供大体平坦、光滑的密封面138，而轮叶尖端(或护罩)132可为单独的旋转涡轮机部件130的整体部分并且因此为分段的。在一个实施例中，密封壳体142可限定成形用于容纳次级密封件186的沟槽144。密封壳体142可为定子140的组成部分，或为装配至定子140上的分离部分。
在一个实施例中，如图2所示，一组第二轴向面向密封系统170可连接至旋转涡轮机部件的根环元件152。第二轴向面向密封系统170可包括第二密封环190，所述第二密封环190安装至固定尖端盖122并且朝向根环元件152上的密封表面138轴向延伸。密封环190可包括第二次级密封件194和第二防旋转元件196，所述第二防旋转元件196可径向延伸以便与固定尖端盖122互锁。密封环190和第二次级密封件194可为分段环。环元件152作为对密封环190的配合环。配合环152形成360°弧以便提供平坦、光滑的密封面138。配合环152可为转子150的整体部分或装配在转子150上的分离部件。在一个实施例中，密封壳体124可限定成形用于容纳第二次级密封件194的沟槽128。在一些实施例中，第一轴向面向密封系统110的配合环135和第二轴向面向密封系统170的配合环152可分别形成为旋转涡轮机部件130和/或转子150的一部分。也就是说，配合环135和旋转涡轮机部件130可为一体式的(例如，由单一件的库存原料成形、被形成为统一主体等)。类似地，配合环152和转子150可为一体化(unitary)。在其他实施例中，配合环135、152可连接(例如，螺栓连接、焊接等)至旋转涡轮机部件130、转子150。
转向图3，示出根据本发明实施例的被形成为一个主体的固定或 旋转涡轮机部件240，所述一个主体被示出具有内密封表面292和外密封表面290。在一个实施例中，固定或旋转涡轮机部件240限定转子孔222和构成涡轮机级的多个翼型件230。在装配期间，转子可穿过转子孔222以便相对于其他固定或旋转涡轮机部件定位和/或定向固定或旋转涡轮机部件240来限定工作流体流动通道107(图2)。内密封表面292和外密封表面290可作为密封表面138(图2)并且补充相邻的固定或旋转涡轮机部件的密封表面，以便形成在多个翼型件230和工作流体流动通道107(图2)的径向内侧和径向外侧的一组轴向面向密封件。
转向图4，示出根据本发明实施例的包括一组轴向面向密封部件390的一组固定或旋转涡轮机部件330的一部分。如图所示，轴向面向密封部件390可利用锁定元件334分段以便限制相对轴向移动。轴向面向密封部件390可位于涡轮机部件330的径向尖端，并且可包括从基部(护罩)394径向向外延伸的径向凸缘392。在涡轮机部件330为旋转轮叶的情况下，凸缘392作为所述旋转配合环，并且侧表面398为密封表面以便接收密封环180(图2)。在涡轮机部件330为固定喷嘴的情况下，凸缘392作为密封壳体以便保持密封环190(图2)。在一个实施例中，轴向面向密封部件390可包括一组周向边缘396，所述周向边缘396成形用于补充相邻的轴向面向密封部件390，并形成从旋转叶片径向向外或从固定喷嘴径向向内延伸的大体连续的轴向表面。周向边缘396可为图案化的。在一个实施例中，周向边缘可成形用于形成一组锁定元件334。
转向图5，示出根据本发明实施例的连接至固定或旋转涡轮机部件430的密封系统420的切线图。在这个实施例中，轴向面向密封系统420包括成形用于连接至一组固定或旋转涡轮机部件430的尖端432的360°弧环480。弧环480可包括键构件484，所述键构件484可补充在尖端432中形成的小室(cell)434，从而将弧环480固定至固定或旋转涡轮机部件430。在一个实施例中，弧环480可包括径向 凸缘482以便形成密封表面488，所述密封表面488成形用于形成配合面密封的一部分。在一个实施例中，堵缝带486可进一步将弧环480固定至尖端432。
转向图6，示出根据本发明实施例的包括连接至一组固定或旋转涡轮机部件530的轴向面向密封系统590的涡轮机500的一部分。在一个实施例中，轴向面向密封系统590可包括周向基部592，所述周向基部592在工作流体流动通道507的径向外侧大体包围所述组的固定或旋转涡轮机部件530，所述工作流体流动通道507通过/在所述组的固定或旋转涡轮机部件530之间经过。周向基部592可通过一个或多个锤顶(peen)536被固定至所述组的固定或旋转涡轮机部件530并且可包括径向凸缘596，所述径向凸缘596从周向基部592径向向外延伸以便形成密封表面588，所述密封表面588成形用于形成面密封配合环的一部分。
转向图7和8，分别示出根据本发明实施例的连接至固定或旋转涡轮机部件630的轴向面向密封系统620的二维图形表示和透视图。在实施例中，轴向面向密封系统620的周向基部680可通过一组焊点670连接至固定或旋转涡轮机部件630的径向尖端632。在一个实施例中，周向基部680可包括径向凸缘682，所述径向凸缘682从周向基部680径向向外延伸以形成密封表面688，所述密封表面688成形用于形成配合面密封的一部分。如图8中可见，密封系统620可在径向凸缘682与周向基部680之间的界面处被焊接至固定或旋转涡轮机部件630。在一个实施例中，周向基部680和径向凸缘682可在离散位置670处焊接，而允许单独盖相对于彼此沿界面608移动，导致径向凸缘680较少变形。
转向图9，示出多轴联合循环发电厂900的部分的示意图。联合循环发电厂900可包括例如可操作地连接至发电机970的燃气涡轮机980。发电机970和燃气涡轮机980可通过轴915机械连接，这可在燃气涡轮机980与发电机970的驱动轴(未显示)之间转移能量。另 外在图9中示出可操作地连接至燃气涡轮机980和蒸汽涡轮机992的热交换器986。热交换器986可通过常规导管(编号省略)流体连接至燃气涡轮机980和蒸汽涡轮机992。燃气涡轮机980和/或蒸汽涡轮机992可包括密封系统(图2的110)或本说明书描述的其他实施例。热交换器986可为常规的热回收蒸汽发生器(HRSG)，如在常规的联合循环电力系统中使用的那些。如在发电领域中已知的，HRSG 986可使用来自燃气涡轮机980的热排气，与水供应结合以便生成供给至蒸汽涡轮机992的蒸汽。蒸汽涡轮机992可任选地连接至第二发电机系统972(通过第二轴917)。应理解，发电机970和972以及轴915和917可为本领域中已知的任何尺寸或类型，并且可取决于它们的应用或它们所连接的系统而不同。在另一个实施例中，如图10所示，单轴联合循环发电厂910可包括通过单个轴915连接至燃气涡轮机980和蒸汽涡轮机992的单个发电机970。蒸汽涡轮机992和/或燃气涡轮机980可包括第一和/或第二轴向面向密封系统(图2的110、170)或本说明书中描述的其他实施例。
本发明的设备和装置不限于任何特定的涡轮机、发电机、发电系统或其他系统，并且可与其他发电系统和/或系统(例如，联合循环、简单循环、核反应堆等)一起使用。另外，本发明的设备可以与本说明书未描述但可以受益于本说明书所述系统、设备和装置的增强的减少尖端泄漏以及增强的效率的其他系统一起使用。
本专利申请文件中所用的术语仅是为了描述特定实施例，且并不在于限制本发明。本专利申请文件中所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”也包括复数形式，除非上下文以其他方式明确指出。应进一步理解，本说明书所用术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或附加。
本说明书使用各个实例来揭示本发明，包括最佳模式，同时也让 所属领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本发明的保护范围由权利要求书界定，并可包括所属领域的一般技术人员想出的其他实例。如果其他此类实例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类实例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类实例也在权利要求书的范围内。