密封裝置及密封裝置的應用的製作方法

2023-06-12 16:26:56

專利名稱：密封裝置及密封裝置的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於密封透平機械軸向間隙的密封裝置，該間隙在可繞旋轉軸線旋轉的部件與相對於旋轉軸線固定的部件之間構成。此外，本發明還涉及將密封裝置用於密封汽輪機工作葉片與導向葉片之間的軸向間隙。
在EP 0611905 A1中介紹了一種尤其在流體機械中用於不接觸式密封不同壓力的腔室之間存在的徑向間隙的裝置。在這裡，不同壓力的腔室之間的軸通道必須採取恰當的密封措施。上述裝置由迷宮式密封裝置組成，其中階梯狀迷宮間隙在旋轉部分與固定部分之間構成。在迷宮間隙中分別在旋轉部分和固定部分上制密封齒，從而使流過的介質產生高強度的渦流。在固定與旋轉部分之間的密封齒應布置得儘可能互相靠近，從而實現沿徑向密封一個沿軸向延伸的間隙。密封齒沿徑向定向為使兩個相鄰臺階的密封齒彼此搭接。一組密封齒可藉助於填密金屬絲填塞在相應的槽中。
由D．Bergmann、M．Jansen和H．Oeynhausen在VGB發電站技術(Kraftwerkstechnik)71，1991第2冊116-122頁所發表的論文「使蒸汽輪機部件現代化並延長其壽命的措施(Massnahmen zur Modernisierung undLebensdauerverlaengerung an Dampfturbinenkomponenten)」中說明了用於汽輪機透平葉片的不同密封裝置。在這裡，這些密封裝置用於密封一徑向間隙，也就是一個沿透平軸方向延伸的間隙，該間隙通過透平軸與導向葉片之間的徑向距離或工作葉片與外殼內壁之間的徑向距離構成，並形成為一個漏汽通道。文中所說明的這些密封裝置是在導向葉片中加工了一些槽。通過沿軸向在透平軸和導向葉片上交替地製成密封齒，達到了所謂齒-齒密封裝置的最小相對漏汽率。
在DE 3836474 C2中介紹了一種密封刷，它由兩塊端板和裝在它們之間的一束緊密填塞的刷毛組成。刷毛自由端從端板伸出。刷子由許多段組成，這些分段布置在密封裝置的主平面內並通過間隙互相分開地彼此相繼。在這裡，此密封刷用於密封在兩個彼此相對旋轉的構件之間的徑向間隙。
在DE 3425162 C2中說明了一種徑向間隙密封裝置，它有一個由平行定向的刷毛構成的密封刷，其中，刷毛相對於旋轉的機器部分的軸線是傾斜的。在1908年6月10日的奧地利專利文件33252、美國專利文件5316318以及WO 92／05378 A1中說明了其他一些帶有構成密封刷的刷毛的徑向間隙密封裝置。
在DE-OS 19519322 A1中介紹了在離心泵的葉輪與外殼壁之間的密封裝置。在這裡它涉及處理流體泵中產生的問題，即必須考慮由於被輸送的流體受汙染使安全防護部件受磨損引起的間隙增大。其中兩個密封裝置配對件之一設計為刷子，它貼靠在另一個密封裝置配對件光滑的支承面上。由這兩個密封裝置配對件構成的密封地段可以沿軸向或可沿徑向延伸。
本發明的目的是提供一種可供選擇的使可能在可旋轉的部件與固定的部件之間的間隙內產生的漏洩損失降低的密封裝置。本發明的另一個目的是提供密封裝置的一種應用。
本發明的前一個目的是通過一種用於密封透平機械，尤其是熱流體機械內軸向間隙的密封裝置來實現的，此間隙在一個可繞旋轉軸線旋轉的部件與一個相對於旋轉軸線靜止的部件之間形成，其中，此密封裝置包括一個帶有刷毛的刷狀密封件，它伸入此間隙內實施密封。在這裡熱流體機械可以是一種以流體亦即氣體或蒸汽為工質的汽輪機、燃氣輪機、壓縮機或類似機械。
軸向間隙在這裡指的是它的主伸展方向垂直於旋轉軸線定向的間隙。此間隙可以相對於旋轉軸線的垂直線在±45°之間傾斜，尤其是在±15°之間傾斜。流體通過軸向間隙進行朝旋轉軸線方向或從旋轉軸線離開的輸送。在徑向間隙中則不同，流體的輸送沿旋轉軸線的方向進行。因此，軸向間隙沿相對於旋轉軸線傾斜的主伸展方向延伸。
本發明以下列認識為出發點，即，只要能實現軸向間隙的密封，就可以減少漏洩損失，此軸向間隙至少部分沿旋轉軸線方向延伸並允許流體沿相對於旋轉軸線傾斜的方向流過。由此也附加地或唯一地實現降低通過徑向間隙的漏洩損失，該徑向間隙與軸向間隙直接相連通。為此，採用一種具有帶刷毛的刷狀密封件的裝置為固定部件與旋轉部件之間的軸向間隙提供特別有效的密封，其中由於採用刷毛使此密封件幾乎可以從一個部件到另一個部件越過全部間隙延伸。刷毛還允許軸向間隙改變(間隙寬度改變，尤其是減小)達2cm，既不會造成損壞又能保持相同的密封效果。
尤其在使用不抗彎曲且可彈性變形的刷毛時，同樣允許刷毛在可旋轉的部件旋轉時可以滑動地貼靠在此旋轉部件上或按另一種方案貼靠在靜止的部件上。
密封件的刷毛優選緊密地填塞，所以它們幾乎完全封閉住由間隙構成的橫截面。密封件和刷毛優選相對於旋轉軸線傾斜一軸向角。這一相對於旋轉軸線在數學上既可以為正向也可以為負向的軸向角優選地在數量上小於40°，尤其是在約±20°的範圍內，最好是在±8°範圍內。密封件也可以基本上平行於旋轉軸線定向。此密封裝置優選地有兩個或多個密封件，它們共同構成一密封環。此密封環幾乎完全封堵住間隙的橫截面，因此在很大程度上抑制了流體如蒸汽(水蒸汽)或熱燃氣的洩漏流動。通過使用多個密封件而可分的密封環特別易於分解和便於更換。
間隙的主伸展方向優選地相對於旋轉軸線約傾斜90°，所以構成了一個與徑向間隙相反的典型的軸向間隙。
此密封裝置優選使用在透平機械，尤其是汽輪機、燃氣輪機或透平發電機內。在這裡可旋轉的部件優選與透平機械的軸連接。此密封裝置特另別適用於密封透平機械導向葉片與工作葉片之間或反之工作葉片與導向葉片之間的軸向間隙。因為在此軸向間隙中的壓差小，所以按軸向結構方式的刷狀密封件的刷毛可以設計得很柔軟。尤其是在軸向間隙內的壓差明顯地小於工作葉片與外殼之間以及導向葉片與軸之間徑向間隙內的壓差。由此幾乎完全封閉了此間隙，其結果是可以在密封件與由導向葉片或工作葉片構成的葉片環之間形成一個極小或甚至根本不能流通的橫截面(剩餘間隙)。在透平機械運行期間，軸相對於透平機械外殼熱膨脹而移動可能導致間隙減小，並使刷毛直接貼靠在旋轉部件上或固定部件上，但儘管如此僅出現刷毛的彈性變形。由此保證既不會損壞刷毛亦即密封件也不會損壞葉片。此外，採用設計為刷狀的密封件可以實現有利的軸向流動導引，因為刷毛相對於旋轉軸線的傾斜角(軸向角)事先可以調整。因此在透平機械運行期間保持密封裝置的密封效果不變。在運行時洩漏量始終很小，因此採用這種類型的軸向間隙密封裝置可以提高透平機械的效率。
密封件優選地設在固定的部件內以及在這裡也可以設計為可在其中移動。例如刷毛可夾緊在兩個可沿軸向移動的夾子之間。密封件的軸向運動可通過使用彈簧和止擋凸塊或類似物限制為規定的量。同樣可以將密封件與旋轉的部件連接。
本發明針對密封裝置的應用所提出的目的通過將密封裝置用於密封汽輪機內的軸向間隙達到，其中此間隙在工作葉片與沿軸向離它有一定間距的導向葉片之間構成，以及有刷毛的刷狀密封件基本上從導向葉片朝工作葉片方向跨越此間隙地延伸。由此有效地實現密封此軸向間隙，甚至當工作葉片相對於導向葉片沿軸向運動時也能基本上避免損壞工作葉片或導向葉片和密封件。
下面藉助於附圖所示實施例說明此密封裝置以及密封裝置的應用。在附圖中所示的實施例為了說明基本上未按比例且只是示意地表示，附圖中

圖1為一具有密封裝置的透平機械的縱剖面圖；圖2同樣在透平機械的縱剖面內示出另一種可供選用的密封裝置；以及圖3是圖1所示密封裝置的局部橫截面。
圖1在縱剖面內表示一未詳細示出的透平機械，例如燃氣輪機或汽輪機的局部。透平機械有透平軸15，它沿旋轉軸線16延伸。多個沿軸向彼此隔開距離可旋轉並沿周向並列布置的部件12(工作葉片12)與透平軸15連接。沿周向並列設置的多個動葉片12構成一個動葉片組(動葉片柵，動葉片環)，在這裡為了看得清楚起見只表示了其中之一。每個工作葉片12基本上垂直於透平軸15定向並有一背對透平軸15的圍帶18B。圍帶18B與透平機械的外殼19相鄰並例如有兩個朝外殼19方向的密封齒16B。也可以採用更多或較少的密封齒16B。在外殼19上同樣設一朝工作葉片12方向的密封齒16B。在圍帶18B與透平軸15之間，工作葉片12有一葉型區20B。在兩個沿周向彼此隔開的工作葉片12之間，通過互相相鄰的葉型區20B構成用於工作流體流動22的未詳細表示的通流口，工作流體用於驅動工作葉片12並因而使透平軸15旋轉。相對於工作流體的流動22方向，在工作葉片12的上遊設有固定不動的部件13，即帶多個導向葉片13的導向葉片裝置，它與外殼19連接。表示在縱剖面內的導向葉片13同樣有一圍帶18A，它與透平軸15相鄰。在圍帶18A與外殼19之間，導向葉片13同樣有葉型區20A，它用於使工作流體的流動22轉向。在圍帶18A與透平軸15之間形成一徑向間隙17A。類似地在外殼19與工作葉片12的圍帶18B之間形成一徑向間隙17B。基本上垂直於旋轉軸線10延伸的密封齒16A伸入徑向間隙17A。密封齒16A與透平軸15和導向葉片13的圍帶18A交替地連接。
在未詳細表示的透平機械運行期間，各有一洩漏流23通過徑向間隙17A和17B流動，洩漏流23是從工作流體的流動22中分流的。此外，在導向葉片13與工作葉片12之間，在各圍帶18B和18A所在區內由於工作葉片12與導向葉片13的軸向間隔而形成一軸向間隙11。軸向間隙11基本上沿伸展方向14定向，在這裡伸展方向14垂直於旋轉軸線10。在軸向間隙11內設密封裝置1，它有密封件2。密封件2處於一個圍繞著透平軸15制在導向葉片13內的圓環形密封環4上(見圖3)。在導向葉片13的圍帶18A內以及在導向葉片13的根部24各設一密封件2，根部24與工作葉片12的圍帶18B彼此相對。每個密封件2包括許多刷毛3。刷毛3從導向葉片13基本上平行於旋轉軸線10朝工作葉片12的方向延伸。根據密封件2的設計，刷毛3可一直伸到工作葉片12上，與它們接觸或與之有一小的距離。通過刷毛3構成一密封環4，它幾乎完全封閉了軸向間隙11。由此達到特別高效地密封軸向間隙11，並因而也密封了在其上遊或在其下遊的徑向間隙17A、17B。其結果是明顯減少洩漏流23，所以工作流體的流動22幾乎完全經葉型區20A、20B導引。
圖2同樣在未詳細示出的透平機械的縱剖面內表示了一個局部。相同的附圖標記有如圖1中同樣的意義。此密封件2與圖1所示密封件2的區別在於，它相對於旋轉軸線10傾斜一個約15°至20°，優選地約8°的軸向角α。因此，當密封件2的刷毛3與工作葉片12接觸時，刷毛沿一共同的方向彎曲並因而實現軸向間隙11特別有效的密封。
圖3中示出圖1所示透平軸15以及導向葉片13的圍帶18A的橫截面。圍帶18A通過分界縫21分成兩個對稱的半部，其中每個半部由各相關導向葉片13的許多部分圍帶(圖中未表示)構成。同樣有可能的是將圍帶18A分成若干分段，例如八個45°分段。刷毛3匯合成一密封環4，它同樣由可在分界縫21處彼此分開的兩個對稱的部分組成。採用密封件2即密封環4這種可分的設計，可使之例如在透平機械上進行維護工作或修理工作時便於檢查或更換。
本發明的特徵在於刷狀密封件，它尤其可伸入透平機械的旋轉部件與固定部件之間的軸向間隙內，並因而保證軸向間隙的高效密封。因此，尤其當其應用於汽輪機內時，會提高汽輪機的效率，因為可明顯減小通過軸向間隙的蒸汽洩漏流量，以及通過設在該軸向間隙上遊或下遊並且在流動上與之相連通的徑向間隙的蒸汽洩漏流量。
權利要求
1．一種用於密封透平機械內軸向間隙(11)的密封裝置(1)，該間隙(11)在可繞旋轉軸線(10)旋轉的部件(12)與相對於旋轉軸線(10)靜止固定的部件(13)之間構成，密封裝置(1)包括一帶有刷毛(3)的刷狀密封件(2)，該密封件(2)伸入間隙(11)內。
2．按照權利要求1所述的密封裝置(1)，其中，密封件(2)具有緊密填塞的刷毛(3)。
3．按照權利要求1或2所述的密封裝置(1)，其中，密封件(2)相對於旋轉軸線(10)傾斜一個尤其小於20°優選地約8°的軸向角。
4．按照權利要求1或2所述的密封裝置(1)，其中，密封件(2)基本上平行於旋轉軸線(10)定向。
5．按照上述任一項權利要求所述的密封裝置(1)，其中，伸展方向(14)相對於旋轉軸線(10)傾斜約90°。
6．按照上述任一項權利要求所述的密封裝置(1)，其中，刷毛(3)是不能抗彎且可彈性彎曲的。
7．按照上述任一項權利要求所述的密封裝置(1)，它有兩個或多個密封件(2)，它們共同構成一密封環(4)。
8．按照上述任一項權利要求所述用在汽輪機、燃氣輪機、壓氣機或汽輪發電機內的密封裝置(1)，其中，可旋轉的部件(12)與透平機械的軸(15)連接。
9．按照權利要求8所述的密封裝置(1)，其中，靜止固定的部件(13)是導向葉片，而可旋轉的部件(12)是工作葉片。
10．按照上述任一項權利要求所述的密封裝置(1)，其中，密封件(2)尤其可移動地裝在靜止固定的部件(13)中或旋轉的部件(12)中。
11．將密封裝置(1)應用於密封汽輪機內的軸向間隙(11)，該間隙(11)在工作葉片(12)與沿軸向離此工作葉片有間距的導向葉片(13)之間形成，其中，帶有刷毛(3)的刷狀密封件(2)基本上從導向葉片(13)跨越間隙(11)地朝工作葉片(12)方向延伸。
全文摘要
本發明涉及一種用於密封軸向間隙(11)的密封裝置(1),此間隙(11)在可繞旋轉軸線(10)旋轉的部件(12)與相對於旋轉軸線(10)固定的部件(13)之間構成。在這裡,密封裝置(1)包括一帶有刷毛(3)的刷狀密封件(2),密封件(2)伸入間隙(11)內。此外,本發明還涉及密封裝置(1)應用於密封汽輪機內的軸向間隙(11)。
文檔編號F01D11/02GK1292061SQ99803486
公開日2001年4月18日 申請日期1999年2月11日 優先權日1998年2月19日
發明者沃爾科·西蒙 申請人:西門子公司