汽輪機轉子平臺的改進及用密封刷來消除轉子彎曲的方法
2023-04-28 01:11:51
專利名稱：汽輪機轉子平臺的改進及用密封刷來消除轉子彎曲的方法
〔技術領域〕本發明涉及一種汽輪機，該汽輪機具有設置在不轉動部件和可轉動部件之間的密封刷，以消除由密封刷與可轉動部件之間摩擦接觸所產生的熱導致可轉動部件周圍熱量分布不均而產生熱彎曲，具體地說，本發明涉及一種即使在汽輪機的密封刷失效的情況下也可消除熱彎曲和軸向推力載荷的裝置和方法。
〔背景技術〕本受讓人的美國專利US 6168377公開了一種汽輪機，該汽輪機具有設置在不轉動部件和轉子軸可轉動部件之間的密封刷。具體地說，軸向凸緣設置在葉片的燕尾接頭上，葉片燕尾接頭以互補的方式固定在轉子葉輪的燕尾接頭上。由弧形排列的金屬刷毛構成的密封刷具有與凸緣表面相接觸並貼靠在凸緣表面上的刷毛頂端，所述刷毛從不轉動部件向可轉動部件也就是葉片燕尾接頭上的凸緣伸出。從該專利的角度可以理解，密封刷刷毛與相對的密封表面也就是凸緣之間相互接觸會產生熱。
正如該專利所描述的那樣，密封刷與密封表面之間的接觸位置應當設置在轉子軸徑向向外的地方，以便於使所產生的熱與轉子外徑表面相隔離開。否則，摩擦產生的熱會造成軸的圓周表面周圍溫度分布不均，從而使轉子軸向膨脹不均勻，並使轉子產生彎曲。同時，在該專利中公開了解決這一問題的各種方法和裝置，一種方案是將摩擦表面布置在外軸徑徑向外側的葉片燕尾接頭凸緣上。在此情況下，所產生的熱就與轉子相互隔離開，從而消除了轉子彎曲的傾向。
該專利的方案和另外的方案是在導流隔板的腹板內側採用傳統的迷宮填料密封來作為密封刷的後援。這種迷宮密封直接設置在軸的外徑表面附近。密封刷易於磨損失效。如果與軸外部隔開的密封刷失效，例如該專利的密封刷失效，密封直徑表面就從葉片燕尾接頭平臺變到轉子軸上。這就進而會使軸上的壓力分布和沿軸向作用於轉子的推力變得不利。因此，轉子的動力性能限制了可採用密封刷和利用迷宮密封齒來代替這種密封的轉子級數，而且由於二次損失增大降低了各部分的效率。因此，需要提供一種汽輪機密封系統，其不僅可消除由密封刷和互補的密封表面接觸所導致的熱量分布不均而引起汽輪機轉子熱彎曲的問題，而且即使在密封刷失效的情況下也能消除作用於轉子軸承上的軸向推力載荷或者使其最小。
〔發明內容〕根據本發明的優選實施例，提供一種密封刷，其設置在可轉動部件軸的外徑或表面的徑向向外的位置處，以便於消除由熱量分布不均而引起轉子熱彎曲。該密封刷可與迷宮密封一起應用在大致相同的徑向位置處，以便於在密封刷失效的情況下也能消除推力載荷。具體地說，在軸向隔開的承載渦輪葉片的葉輪之間的轉子周圍設置一個平臺，該平臺從轉子表面徑向向外伸出。在優選實施例中，平臺為一個環形的支座，其具有一個軸向縮頸部和至少一個且最好是一對在平臺的徑向最外端沿軸向延伸的凸緣。一個或多個凸緣從支座的頸部沿軸向形成作用懸臂狀，並可用作一個或多個可將密封刷在平臺表面摩擦接觸所產生的熱量在影響轉子動力性能之前就擴散掉的凸稜。因此，平臺構造成具有足夠的面積並形成凸緣或凸稜來擴散該處所產生的熱量，以減輕對轉子振動的影響，從而允許類似的密封刷應用於汽輪機的所有段級。懸臂狀的凸緣或凸稜在凸緣或凸稜與轉子表面之間也就是在葉輪間隙中形成了徑向的空隙，因此，密封刷與平臺密封表面接觸所產生的摩擦熱在影響轉子的熱動力性能之前，首先就沿軸向然後再沿徑向進行擴散。這種熱擴散足以使摩擦產生的熱對轉子的熱影響最小或將其消除。
相鄰葉輪之間的導流隔板具有沿徑向向內伸入到葉輪間隙中的腹板，其不僅可支承密封刷，而且還可支承一個且最好是多個迷宮密封齒。迷宮密封齒終止於到平臺表面具有隔開的錐形邊緣，且最好用作密封刷的後援密封。迷宮齒最好位於密封刷的下遊側。如果密封刷失效，迷宮齒可限制密封性能的下降。但是，密封刷可以設置在迷宮密封齒的下遊或迷宮密封齒的中間。而且，由於暴露在導流隔板整體空腔中也就是葉輪間隙中的支座上遊和下遊側的面積基本上相等，因此，洩漏流體經過迷宮密封時不會產生淨增的軸向推力。
在本發明的一個優選實施例中，提供一種汽輪機，該汽輪機包括可轉動部件和位於可轉動部件周圍的不轉動部件，所述可轉動部件包括具有轉子軸表面的轉子軸，密封刷由不轉動部件支承，用於與可轉動部件密封配合，至少一對葉輪軸向相互隔開地設置在可轉動部件上，在每個葉輪上，可轉動部件包括多個相互沿周向隔開的葉片，用於防止由於密封刷和可轉動部件之間摩擦接觸產生的熱量而導致不均勻周向熱量傳遞到轉子軸表面以便於消除可轉動部件的彎曲或使彎曲最小的裝置，該防止彎曲的裝置包括在葉輪之間的一個軸向位置處從轉子軸表面沿徑向向外伸出的環形平臺，密封刷設置在位於葉輪上的葉片之間，並與轉子軸表面徑向向外伸出的平臺上的密封表面相配合。
在本發明的另一個優選實施例中，提供一種基本上可消除汽輪機內由於密封刷和可轉動部件之間摩擦接觸產生的熱量所導致的可轉動部件周圍熱量周向分布不均勻而引起轉子軸彎曲的方法，所述汽輪機包括可轉動部件和位於可轉動部件周圍的不轉動部件，所述可轉動部件包括具有轉子軸表面的轉子軸，密封刷由不轉動部件支承，用於沿蒸汽洩漏流動路徑與可轉動部件密封配合，所述方法包括通過將可轉動部件和密封刷之間的摩擦接觸區域沿轉子軸表面徑向向外隔開的密封表面進行設置，並與轉子軸表面和在密封表面與轉子軸表面之間的葉輪間隙部分在徑向配準，從而防止由於密封刷和可轉動部件之間摩擦接觸產生的熱量而引起的周向不均勻熱量傳遞到可轉動部件。
〔
〕圖1是汽輪機的局部橫截面圖，其示出了沿汽輪機軸布置的汽輪機葉片和導流隔板以及組合的密封刷/迷宮密封的位置；圖2是放大的局部橫截面圖，其示出了組合的密封刷和迷宮密封在相鄰葉片之間的葉輪間隙處與一個徑向凸起的平臺相接觸。
〔具體實施方式
〕如圖1所示，汽輪機10具有旋轉部件11，例如轉子或軸12，上述轉子或軸設有多個軸向隔開的用於安裝葉片16的葉輪14。一系列噴嘴隔板18散置在葉片之間，並與葉片16形成由箭頭20表示的蒸汽流動通道。隔板固定在導流隔板的內腹板22上，內腹板22在多級汽輪機葉輪14之間延伸，腹板和隔板共同形成一個不動不動的部件17。轉子12是一個連續的細長實心金屬件。
如前所述，在沿轉子的各個位置設置了密封刷，例如在汽輪機的不動部件和可轉動部件之間進行設置以形成密封。根據本發明的一個優選實施例，密封刷在轉子12外表面24的徑向向外的位置處分別設置在不動部件和可轉動部件17和11之間，其布置方式可避免由於密封刷的刷毛頂端與轉子之間摩擦接觸而使轉子周圍的熱量分布不均。密封刷從蒸汽流動通道20沿圖2中箭頭19所表示的洩流路徑進行密封。密封刷本身可以是普通的結構。例如，如圖2所示，密封刷26包括多個最好為金屬的刷毛28，刷毛設置在一對繞轉子周向延伸的板30和32之間。在優選實施例中，密封刷26位於並保持在環形槽34中，環形槽34沿腹板22的前部也就是洩漏蒸汽流19流動方向的上遊部分形成於腹板22上。密封刷的刷毛28繞其可轉動軸線相對於轉子半徑傾斜地延伸，並具有與可轉動部件相接觸從而與之形成密封的頂端38。
為避免由於刷毛28的頂端38與可轉動部件的密封表面之間摩擦接觸而引起轉子周圍的熱量分布不均，轉子12設有平臺40，平臺40從轉子表面24沿徑向向外伸出，並位於各級轉子的相鄰葉輪14之間。特別是，平臺40可包括一個環形且徑向延伸的支座42，所述支座42具有一個頸部44和至少一個且最好是一對環形的並沿軸向延伸的凸緣或凸稜46。如圖2所示，凸緣或凸稜46沿軸向從縮頸部44伸出而形成懸臂狀，並因此而在徑向與葉輪14之間的一部分葉輪間隙48對準。在徑向與刷毛28的頂端相配合的平臺40的外表面特別是上遊外環形表面50可用作與刷毛頂端38接觸的接觸密封表面。因此，刷毛28的頂端38與可轉動部件之間的接觸表面就在軸向和徑向都與轉子表面24隔開，而這種摩擦接觸會在上述接觸表面產生熱量。因此，這種摩擦接觸所產生的熱量首先就沿軸向向平臺中部然後再沿平臺40的頸部44徑向向內擴散。產生的摩擦熱就沿該路徑擴散。也就是，平臺設置得具有足夠的面積來擴散該處所產生的熱量，並因此而使轉子對由密封刷與平臺40的密封表面相接觸而產生的熱效應的任何熱響應最小或消除了該熱響應。
腹板22還設有一個或多個圍繞平臺40以一個或多個環形排列的迷宮密封齒60。迷宮齒60沿其徑向內邊緣呈錐形，並與平臺40的表面隔開一個極小的距離，以便於形成迷宮式密封，也就是，為任何流過密封刷的洩漏蒸汽流形成曲折路徑。迷宮齒最好設置在流過密封刷的任何洩漏蒸汽流的下遊，並因此而成為密封刷的後援密封。由於密封刷和迷宮密封基本上位於相同的直徑位置上，因此可基本上消除由密封刷失效而導致的軸向轉子推力。
儘管已結合上面被認為是最為實用和優選的實施方式來對本發明已進行了描述，但是，應當理解本發明並不局限於上述公開的實施方式，相反，上述實施方式只是試圖覆蓋符合本發明宗旨和包含在本發明權利要求書所限定的範圍內的一切變型和等效結構。
權利要求
1.一種汽輪機，其包括一個可轉動部件(11)和一個位於所述可轉動部件周圍的不轉動部件(17)，所述可轉動部件包括具有轉子軸表面的轉子軸(12)；一個密封刷(26)，該密封刷(26)由所述不轉動部件支承，用於與可轉動部件密封配合；至少一對葉輪(14)，其軸向相互隔開地設置在所述可轉動部件上；在每個所述葉輪上，所述可轉動部件包括多個相互沿周向隔開的葉片(16)；用於防止由於密封刷和可轉動部件之間摩擦接觸產生的熱量而導致不均勻周向熱量傳遞到轉子軸表面以便於消除可轉動部件的彎曲或使彎曲最小的裝置(40、46)；所述防止彎曲的裝置包括在所述葉輪之間的一個軸向位置處從所述轉子軸表面沿徑向向外伸出的環形平臺(40)；所述密封刷設置在位於所述葉輪上的所述葉片之間，並與所述轉子軸表面徑向向外伸出的所述平臺上的密封表面相接觸。
2.根據權利要求1所述的汽輪機，其特徵在於，其包括在所述不轉動部件和所述平臺之間延伸並與所述密封刷軸向隔開的迷宮密封齒(60)。
3.根據權利要求2所述的汽輪機，其特徵在於，所述可轉動部件和所述不轉動部件之間形成蒸汽洩漏流動路徑(19)，沿所述洩漏流動路徑，所述密封刷位於所述迷宮齒的上遊。
4.根據權利要求1所述的汽輪機，其特徵在於，所述平臺包括一個環形延伸的支座(42)，該支座具有一個頸部(44)和至少一個沿軸向向一個所述葉輪並離開所述頸部延伸的凸緣(46)，所述密封表面位於所述平臺凸緣上。
5.根據權利要求4所述的汽輪機，其特徵在於，其包括在所述不轉動部件和所述平臺之間延伸並與所述密封刷軸向隔開的迷宮密封齒(60)，所述平臺和所述不轉動部件之間形成蒸汽洩漏流動路徑(19)，沿所述蒸汽洩漏流動路徑，所述密封刷位於所述迷宮齒的上遊。
6.根據權利要求4所述的汽輪機，其特徵在於，所述不轉動部件具有導流隔板，該導流隔板具有與所述平臺徑向向外隔開並與其在徑向配準的內腹板(22)，所述密封刷從所述腹板伸出並在所述平臺與所述密封表面(50)相接觸。
7.根據權利要求6所述的汽輪機，其特徵在於，其包括從所述腹板伸出的迷宮齒(60)，所述迷宮齒終止於在徑向與所述平臺隔開的一個齒頂端，所述迷宮齒與所述密封刷軸向隔開，所述可轉動部件和所述不轉動部件之間形成蒸汽洩漏流動路徑，沿所述蒸汽洩漏流動路徑，所述密封刷位於所述迷宮齒的上遊。
8.根據權利要求7所述的汽輪機，其特徵在於，所述平臺包括一個環形延伸的支座(42)，該支座具有一個頸部(44)和至少一個沿軸向向一個所述葉輪並離開所述頸部延伸的凸緣(46)，所述密封表面位於所述凸緣上。
9.根據權利要求1所述的汽輪機，其特徵在於，所述平臺包括一個繞所述可轉動部件環形延伸的支座(42)，該支座具有一個徑向延伸的頸部(44)和一對從所述頸部分別沿軸向相反地向所述葉輪延伸的凸緣(46)，所述密封表面(50)位於其中一個所述凸緣上。
10.一種基本上可消除汽輪機內由於密封刷和可轉動部件之間摩擦接觸產生的熱量所導致的可轉動部件周圍熱量周向分布不均勻而引起轉子軸彎曲的方法，所述汽輪機包括可轉動部件和位於可轉動部件周圍的不轉動部件(17)，所述可轉動部件包括具有轉子軸表面的轉子軸(12)，密封刷(26)由不轉動部件支承，用於沿蒸汽洩漏流動路徑(19)與可轉動部件密封配合，所述方法包括通過將可轉動部件和密封刷之間的摩擦接觸區域沿轉子軸表面徑向向外隔開的密封表面(50)進行設置，並與所述轉子軸表面和在所述密封表面與轉子軸表面之間的葉輪間隙部分(48)在徑向配準，從而防止由於密封刷和可轉動部件之間摩擦接觸產生的熱量而導致周向不均勻熱量傳遞到可轉動部件。
全文摘要
本發明在汽輪機中的導流隔板的腹板與徑向向外伸出的平臺之間設置組合的密封刷和迷宮密封，上述平臺位於轉子軸向相鄰的葉輪之間。密封刷設置在迷宮密封齒的上遊。平臺在其徑向外端附近具有至少一個且最好是一對沿兩個相反的軸向方向延伸的凸緣或凸稜。從而消除了由於密封刷刷毛與平臺上的密封表面摩擦接觸而產生的不均勻熱量分布沿轉子表面對轉子動力性能造成的影響或使其影響最小。
文檔編號F16J15/50GK1420259SQ0214958
公開日2003年5月28日 申請日期2002年11月15日 優先權日2001年11月16日
發明者M·E·博內特, C·E·沃菲, F·G·拜利, N·A·圖恩奎斯特, B·W·布裡森, D·A·卡魯索 申請人:通用電氣公司