[發明專利]密封設計和用于渦輪機的主動間隙控制策略

在審

• 申請號: 201310380303.6
• 申請日: 2013-08-28
• 公開（公告）號: CN103670534A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: D.特里維迪;N.A.特恩奎斯特;鄭小清;M.伊納爾波拉特
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: F01D11/02
• 分類號: F01D11/02;F01D11/08;F01D11/14
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 肖日松;胡斌

技術領域

本文所提出的實施例大體上涉及用于諸如蒸汽渦輪和燃氣渦輪的旋轉機械的密封件，并且特定地涉及迷宮密封設計和用于渦輪機中的主動間隙控制和跨度減小的主動間隙控制促動策略。

背景技術

旋轉機械和更特定地用于發電和機械驅動應用的諸如蒸汽渦輪和燃氣渦輪的渦輪機通常是由多個渦輪級組成的大型機械。在渦輪中，流過渦輪級的高壓流體必須穿過一系列靜止構件和旋轉構件，并且在靜止構件和旋轉構件之間的密封件被用來控制泄漏。渦輪的效率直接取決于密封件防止例如轉子和定子之間的泄漏的能力。渦輪設計常規地劃分為沖擊式或反力式，在沖擊式中，大部分壓降跨固定噴嘴發生，在反力式中，壓降更均勻地分布在旋轉葉片和靜止葉片之間。兩種設計都采用剛性齒(即迷宮密封件)來控制泄漏。傳統上，使用高低(hi-lo)或直軸設計的剛性迷宮密封件。這些類型的密封件被用于其中旋轉構件和靜止構件之間的泄漏必須被控制的實際上所有渦輪位置。這包括級間軸密封件、轉子端密封件和動葉(或葉片)頂端密封件。沖擊式和反力式設計的蒸汽渦輪通常均采用剛性鋒利齒來用于轉子/定子密封。雖然已證明迷宮密封件相當可靠，但作為瞬變事件的結果，迷宮密封件的性能隨時間推移而降低，在瞬變事件中，靜止和旋轉構件相互作用，將迷宮齒摩擦成“蘑菇”輪廓并打開密封間隙。

為了防止此類摩擦失效導致密封件泄漏的增加可能性，迷宮密封設計可并入徑向和軸向間隙以防止瞬變期間的摩擦。這些間隙雖然降低密封件泄漏的可能性，但可能降低效率和增加機械占用面積。針對渦輪機，存在用于間隙控制的若干種被動和主動方法。這些方法中的許多為基于被動熱的并且對瞬變響應緩慢，因此限制了機械的操作靈活性。現有技術主動方法通常基于疊錐概念，并且不優化貫穿其中的間隙。用于性能改進的其它密封技術包括在許多應用中可能成本太高的諸如毛刷密封、柔順板密封和耐磨材料的先進密封件。

鑒于上述情況，希望提供一種改進的迷宮密封設計和用于渦輪機中的主動間隙控制和跨度減小的促動控制間隙策略。

發明內容

現有技術的這些和其它不足通過本公開來解決，本公開提供了一種用于渦輪機的迷宮密封設計。迷宮密封設計包括多個特征，其被構造成響應于靜止構件和旋轉構件之間的相對軸向移動而打開和閉合徑向間隙。

根據本公開的一示例性實施例，提供了一種用于實現在使用主動(active)元件的渦輪機的至少一個旋轉構件和至少一個靜止構件之間的相對運動的促動控制間隙策略。該促動控制間隙策略包括：提供具有內壁的靜止構件和相對于靜止構件定位的旋轉構件，旋轉構件在旋轉構件和內壁之間的一個或多個密封位置處形成徑向間隙；提供包括多個特征的至少一個迷宮密封件，多個特征被構造成響應于靜止構件和旋轉構件之間的相對軸向移動而打開和閉合在一個或多個密封位置中的一密封位置處的徑向間隙；以及相對于靜止構件軸向移置旋轉構件，從而調整在旋轉構件和內壁之間的一個或多個密封位置處的徑向間隙，以適應渦輪機的給定操作條件。

根據本公開的一示例性實施例，提供了一種操作渦輪機的方法。該操作渦輪機的方法包括：為渦輪機提供具有內壁的靜止構件和相對于靜止構件定位的旋轉構件，旋轉構件承載多個葉片，每個葉片具有面朝內壁的葉片頂端且在每個葉片頂端和內壁之間形成徑向間隙；提供包括多個特征的迷宮密封件，多個特征被構造成響應于靜止構件和旋轉構件之間的相對軸向移置而打開和閉合徑向間隙；以及相對于靜止構件軸向移置旋轉構件，從而調整葉片頂端和內壁之間的徑向間隙，以適應渦輪機的給定操作條件。

根據一方面，本發明提供了一種包括多個特征的用于渦輪機的迷宮密封設計，多個特征被構造成響應于靜止構件和旋轉構件之間的相對軸向移動而打開和閉合徑向間隙。

優選地，旋轉構件為轉子。

優選地，靜止構件為定子。

優選地，迷宮密封設計被構造成具有從旋轉構件或靜止構件中的至少一個延伸的弓形密封元件、從弓形密封元件延伸的多個徑向延伸的長齒、以及從弓形密封段延伸的多個徑向延伸的短齒，其中長齒和短齒被構造成交替關系或非交替關系中的一種。

優選地，迷宮密封設計還被構造成包括從旋轉構件或靜止構件中的另一個中的至少一個延伸的多個徑向延伸的短肋和多個徑向延伸的長肋、以及構造在一對徑向延伸的長肋之間的多個第一凹槽和多個第二凹槽，構造在一對長肋之間的第一凹槽和第二凹槽中的每一個還具有構造在它們之間的短肋。

優選地，第一凹槽和第二凹槽各自具有大于零的軸向尺寸寬度。

優選地，第一凹槽和第二凹槽具有相等的軸向尺寸寬度。