具有螺旋形式或螺旋-圓筒形混合形式的高阻尼迷宮密封件的製作方法
2023-10-26 05:59:22 3
具有螺旋形式或螺旋-圓筒形混合形式的高阻尼迷宮密封件的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種用於將渦輪機中的高壓區域與渦輪機中的低壓區域隔離開的裝置；該渦輪機具有一個或多個定子式零件和一個或多個轉子式零件；該裝置包括具有第一組多個凹槽(504)和第二組多個凹槽(506)的迷宮密封件(502)；第一組多個凹槽以螺旋形式布置，第二組多個凹槽以圓筒形形式布置；迷宮密封件(502)在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間布置在渦輪機的一個或多個轉子式零件中的至少一個與渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個之間；所述螺旋形式具有小於或等於10°、優選地在0.5°與5°之間的螺旋角；因此，獲得了渦輪機的穩定性效果，並且由於第二組多個凹槽，洩漏是可忽略的。
【專利說明】具有螺旋形式或螺旋-圓筒形混合形式的高阻尼迷宮密封件
【技術領域】
[0001]本文中公開的主題的實施例涉及渦輪機，並且更具體地涉及用於改進渦輪機中的轉子動力學的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]迷宮密封件通常被用於在比如為泵、離心式壓縮機和渦輪的渦輪機中使從高壓區域向低壓區域的洩漏最小化。迷宮密封件包括在渦輪機的靜止部分或「定子」與旋轉部分或「轉子」之間形成彎曲路徑或「迷宮」的多個凹槽或齒。迷宮密封件可以是定子式或轉子式，在定子式中，齒形成在定子上，在轉子式中，齒形成在轉子上。相對表面和迷宮密封件的凹槽或齒阻止流體從高壓區域通過迷宮密封件流動至低壓區域。但是，需要在迷宮式凹槽或齒與相對的表面之間具有空間或間隙以允許轉子的旋轉。因此，雖然迷宮密封件阻止了流體流，但是由於跨越迷宮密封件的壓力差使得上述間隙允許高度加壓的流體從高壓區域通過間隙洩漏至低壓區域。迷宮密封件通常設計成包含這種洩漏。
[0003]可以通過減小間隙來減少通過迷宮密封件的洩漏流。為此，已經開發了可磨損的迷宮密封件。可磨損迷宮密封件是轉子式迷宮密封件，在轉子式迷宮密封件中，與轉子式齒相對的定子式部分由可磨損材料形成。可磨損迷宮密封件中的間隙可以做得非常小，這是因為當轉子式齒摩擦可磨損定子時，比如由於瞬態條件期間的轉子式振動，轉子式齒切入定子的可磨損材料內，由此增大間隙。由於可磨損迷宮密封件的高失穩效應，因此其實際上不適用於高壓離心壓縮機。導致不穩定性的密封件與沿著圓周方向產生與轉子式零件一起旋轉的氣體環帶的可能性有關。這些小的間隙有助於以更高的失穩效應保持氣體駐留在圓周路徑內。
[0004]儘管定子式迷宮密封件和轉子式迷宮密封件能夠減少洩漏，其也由於在通向迷宮密封件的入口處的進口旋流和由於旋轉而由離心力在迷宮密封件內部產生的圓周流而負面地影響轉子穩定性。在提高轉子穩定性的嘗試中，渦輪機中的迷宮密封件已被利用旋流制動器改變或裝備有旁路孔。例如，定子式葉輪入口迷宮通常被修改成包括旋流制動器，平衡滾筒通常地裝備有旁路孔。但是，這些裝置難以實施並且在渦輪機的製造和設計階段引入了額外的費用。此外，當前不存在用於穩定葉輪入口上的轉子式迷宮密封件的裝置。
[0005]因此，提供用於簡單地且成本有效地改進渦輪機中的轉子動力性的系統和方法是合乎需要的。
[0006]特別地，從機械的觀點看，在高壓離心壓縮機中，高壓力差的存在需要具有高強度性能的機械剛性密封件。出於這些原因，離心壓縮機中的迷宮密封件開始由鋁或鋼圈加工，而非組裝小的環形凸緣以形成單個腔室，如在渦輪中所做的那樣。同時，油氣工業的典型的氣體汙染物如H2S、C02以及其他汙染物的存在與採用高度可靠和參照方案的需要一起，導致使用在應力強度和耐腐蝕性兩個方面具有高機械性能的已知材料(一般為鋁和鋼)。
[0007]本發明的目的在於改進高壓離心壓縮機中的迷宮密封件的真實設計，以及給出一種通過使用已知材料一起解決穩定性和密封性能的需求新的解決方案。
【發明內容】
[0008]本
【發明內容】
部分以簡化形式提供了在下面的【具體實施方式】部分中進一步描述的引入概念的選項。本概述並非旨在標明所要求保護的主題的關鍵特徵或重要特徵，也非旨在用於限制所要求保護的主題的範圍。
[0009]根據一個示例性實施例，提供一種用於將渦輪機中的高壓區域與渦輪機中的低壓區域隔離開的裝置，該渦輪機具有一個或多個定子式零件和一個或多個轉子式零件。該裝置包括具有第一組多個凹槽和第二組多個凹槽的迷宮密封件。第一組多個凹槽以螺旋形式布置，第二組多個凹槽以圓筒形形式布置。迷宮密封件在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間布置在渦輪機的一個或多個轉子式零件中的至少一個與渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個之間。根據另一個示例性實施例，以上段落中描述的迷宮密封件包括第一轉子式部分和第二轉子式部分，以螺旋形式布置的第一組多個凹槽形成在第一轉子式部分上，第二轉子式部分鄰近第一轉子式部分布置並且以圓筒形形式布置的第二組多個凹槽形成在第二轉子式部分上。第一轉子式部分在渦輪機的高壓區域中布置在渦輪機的一個或多個轉子式零件中的至少一個上。第二轉子式部分在渦輪機的低壓區域中布置在渦輪機的一個或多個轉子式零件中的至少一個上。
[0010]第一轉子式部分和第二轉子式部分與渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個相對地並且以密封關係布置。第一轉子式部分可以沿與第二轉子式部分的旋轉方向相同的方向或與第二轉子式部分的旋轉方向相反的方向旋轉。塗敷有可磨損材料的定子式部分可以布置在渦輪機的與迷宮密封件的第一旋轉部分和第二旋轉部分相對並且為密封關係的至少一個或多個定子式零件上。
[0011]根據另一個示例性實施例，在以上「
【發明內容】
」部分的第一段中描述的迷宮密封件包括定子式部分，定子式部分在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間布置在渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個上。第一組多個凹槽形成在渦輪機的高壓區域中的定子式部分上，第二組多個凹槽鄰近第一組多個凹槽形成在渦輪機的低壓區域中的定子式部分上，且定子式部分與渦輪機的一個或多個轉子式零件中的至少一個相對地並且成密封關係地布置。轉子式部分可以布置在渦輪機的與迷宮密封件的定子式部分相對的至少一個或多個轉子式零件上。
[0012]根據另一個示例性實施例，提供一種根據上述三段中任一段所述的將渦輪機中的高壓區域與渦輪機中的低壓區域隔離開的裝置，其中迷宮密封件在多個凹槽中不包括旋流制動器。
[0013]根據另一個示例性實施例，提供一種用於將渦輪機中的高壓區域與渦輪機中的低壓區域隔離開的裝置，該渦輪機具有一個或多個定子式零件和一個或多個轉子式零件。該裝置包括具有以螺旋形式布置的多個凹槽的迷宮密封件，其中，迷宮密封件不包括多個凹槽中的旋流制動器。迷宮密封件在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間布置在渦輪機的一個或多個轉子式零件中的至少一個與渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個之間。根據另一個示例性實施例，提供一種用於將渦輪機中的高壓區域與渦輪機中的低壓區域隔離開的方法，該渦輪機具有一個或多個定子式零件和一個或多個轉子式零件。該方法包括形成具有以螺旋形式布置的多個凹槽的迷宮密封件，其中，沒有旋流制動器形成在多個凹槽中並且在渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個與一個或多個轉子式零件中的至少一個之間以及在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間形成迷宮密封件。形成迷宮密封件可以包括在渦輪機的高壓區域中在與渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個相對的一個或多個轉子式零件中的至少一個上形成第一轉子式部分，在第一轉子式部分上以螺旋形式形成多個凹槽，在渦輪機的低壓區域中在與渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個相對的一個或多個轉子式零件中的至少一個上鄰近第一轉子式部分形成第二轉子式部分，以及在迷宮密封件的第二轉子式部分上以圓筒形形式形成第二組多個凹槽。形成第一轉子式部分以及形成第二轉子式部分可以包括使第一轉子式部分形成為沿與第二轉子式部分的旋轉方向相同的方向或與第二轉子式部分的旋轉方向相反的方向旋轉。塗敷有可磨損材料的定子式部分可以形成在渦輪機的與迷宮密封件的第一旋轉部分和第二旋轉部分相對並且為密封關係的至少一個或多個定子式零件上。
[0014]根據另一個示例性實施例，提供一種用於將渦輪機中的高壓區域與渦輪機中的低壓區域隔離開的方法，該渦輪機具有一個或多個定子式零件和一個或多個轉子式零件。該方法包括形成具有以螺旋形式布置的多個凹槽的迷宮密封件，其中，沒有旋流制動器形成在多個凹槽中並且在渦輪機的一個或多個定子式零件中的至少一個與一個或多個轉子式零件中的至少一個之間以及在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間形成所述迷宮密封件。形成所述迷宮密封件包括在與渦輪機的一個或多個轉子式零件中的至少一個相對並且成密封關係的一個或多個定子式零件中的至少一個上形成定子式部分，以及在定子式部分上以螺旋形式形成多個凹槽。
[0015]本發明及其全部實施例的非常重要的技術特徵在於具有螺旋形式的多個凹槽；值得注意的是，這些凹槽不需要具有旋流制動器，特別是用作旋流制動器的突出部。特別地以及有利地，螺旋形式具有小於或等於10°、優選地在0.5°與5°之間的螺旋角，因此，獲得了渦輪機的穩定性效果，並且由具有螺旋形式的多個凹槽引起的洩漏是可忽略的。
[0016]優選地，多個螺旋形式的凹槽包括至少五個凹槽。
[0017]在一些實施例中，多個螺旋形式的凹槽與多個圓筒形形式的凹槽鄰接；在這種情況下，多個螺旋形式的凹槽直接鄰近於多個圓筒形形式的凹槽。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]結合在說明書中並且構成說明書的一部分的附圖示出了一個或多個實施例並且與說明書一起說明這些實施例。在附圖中:
[0019]圖1是示例性渦輪機的一部分的截面的示意圖；
[0020]圖2是示例性迷宮密封件的截面的示意圖；
[0021]圖3a和3b是示出圖2的迷宮密封件中的洩漏流的示意圖；
[0022]圖4是根據示例性實施例的用於在渦輪機中將高壓區域與低壓區域隔離開的裝置的截面的示意圖；
[0023]圖5是根據另一個示例性實施例的用於在渦輪機中將將高壓區域與低壓區域隔離開隔離開的裝置的截面的示意圖；
[0024]圖6a和6b是示出示例性實施例中的流動分量的示意圖；
[0025]圖7是示出根據示例性實施例的迷宮密封件中的旋流改變的示意圖；
[0026]圖8是根據示例性實施例的用於在渦輪機中將高壓區域與低壓區域隔離開的裝置的改進的截面的示意圖；以及
[0027]圖9a和9b是根據示例性實施例的用於在渦輪機中將高壓區域與低壓區域隔離開的裝置的改進的截面的示意圖。
【具體實施方式】
[0028]示例性實施例的以下說明參照附圖。不同附圖中的相同的附圖標記標示相同或相似的元件。以下詳細說明不限制本發明。替代地，本發明的範圍由隨附的權利要求書限定。為簡單起見，關於離心壓縮機的術語和結構描述以下實施例。但是，隨後描述的實施例不局限於這種系統，但可以應用於(通過適當的調整)渦輪機的其他系統，比如膨脹器、泵和渦輪。
[0029]在整個說明書中參照「一個實施例」或「實施例」指的是結合實施例描述的具體特徵、結構或特性包括在所公開的主題的至少一個實施例中。因此，全部說明書中的各個位置處的術語「在一個實施例中」或「在實施例中」的出現並不一定指代相同的實施例。另外，具體的特徵、結構或特性可以以任何適當的方式組合在一個或多個實施例中。
[0030]圖1是示例性渦輪機的一部分的截面的示意圖。圖1中示出的渦輪機是離心壓縮機100，其中可以實施如本文中公開的用於在渦輪機中將高壓區域與低壓區域隔離開的裝置和方法。離心壓縮機100僅通過示例在本文中描述，並非旨在限制本發明。本領域技術人員將容易地理解到，本發明完全可以以其他類型的壓縮機或其他類型的渦輪機實現。
[0031]離心壓縮機100包括殼體102、可旋轉軸104和固定至可旋轉軸104的多個葉輪106。流體依次進入每個葉輪106。葉輪106對流體給予動能以提高流體的速度。擴壓器108通過逐漸地降低流體的速度而將流體的動能轉換成壓力。入口迷宮密封件114布置在葉輪入口上，軸迷宮密封件116布置在隔板118上，隔板118安裝在葉輪106之間的旋轉軸104上或安裝在葉輪腳上。離心壓縮機100還包括平衡活塞119，以向由葉輪106所引起可旋轉軸104的軸向推力提供反作用軸向推力。平衡活塞迷宮密封件112布置在平衡活塞上。入口迷宮密封件114、軸迷宮密封件116和平衡活塞迷宮密封件112中的每一個在壓縮機100中將高壓區域與低壓區域隔離開。如以下進一步詳細說明的，迷宮密封件112、114和116中的每一個能夠在離心壓縮機100中對轉子動態穩定性具有顯著影響。可以理解，如圖1所示的離心壓縮機100僅是示例，並且可以包括更少或更多的部件。
[0032]圖2示出迷宮密封件200的示例，迷宮密封件200可被用於在渦輪機中將高壓區域P2與低壓區域Pl隔離開。迷宮密封件200包括轉子式部分202和與轉子式部分相對地布置的定子式部分206，轉子式部分202具有形成其上的布置成圓筒形形式的多個凹槽204。空間或間隙208設置在定子式部分206與轉子式部分202之間以使得轉子式部分202能夠旋轉。轉子式部分202與定子式部分206 —起形成高壓區域P2與低壓區域Pl之間的無接觸密封。在圖2的迷宮密封件202中，定子式部分206可以由可磨損材料製成。因此，定子式部分206和轉子式部分202之間的間隙208可以做得較小，這是由於比如在例如為啟動、停機或負荷波動等等的瞬態條件期間如果轉子式部分202上的齒224摩擦定子式部分206的可磨損材料，則齒224在可磨損材料中形成凹槽，由此增大間隙208。
[0033]儘管迷宮密封件中的小的間隙能夠減小洩漏，但是由於在通向迷宮密封件的入口處的進口旋流和由於旋轉而由離心力在迷宮密封件內部產生的圓周流，小的間隙還負面地影響了轉子穩定性，如以下關於圖3a和3b更加詳細地描述的。
[0034]圖3a和3b是示出圖2中所示類型的迷宮密封件200中的洩漏流的示意圖。如圖3a和3b所示，進入迷宮密封件200的高度加壓的流體沿轉子300的軸向方向302從高壓區域流動至低壓區域，並包括由於轉子300的旋轉引起的圓周流分量304或旋流，圓周流分量304或旋流圍繞轉子300的圓周沿旋轉方向流動。圓周流分量304流入迷宮密封件200的凹槽204內，並且直接影響轉子動態穩定性。通向迷宮密封件的進口處的旋流(「進口旋流」)能夠在迷宮密封件中產生力，所產生的力通常引起迷宮密封件的自激發橫向振動。迷宮密封件中的失穩力主要由於進口旋流和圓周流速度。迷宮密封件中的失穩力通過更小的間隙而增大。使間隙減小增大進口旋流和圓周壓力的分配，這可以引起轉子不穩定性。因此，在迷宮密封件，在減小的洩漏與轉子穩定性之間存在平衡。但是，當轉子不穩定時，通常將需要渦輪機的緊急停機以避免災禍性故障。因此，轉子動態穩定性對於渦輪機的正確操作是需要的。
[0035]如前所述，已經進行嘗試，以通過在迷宮密封件中或在迷宮密封件之前增加一個或多個旋流制動器來減小通向迷宮密封件的進口處的旋流的速度。旋流制動器可以消除圓周流以及減小進口旋流速度。另外還有些成功地利用旁路孔以減小進口旋流速度，在旁路孔中，分流路徑被加工在密封件內用於分流高壓流體流。但是，旋流制動器和旁路孔的增加是複雜的(例如，對於旁路孔所需的複雜的鑽削)並且引入了額外的生產和設計成本。
[0036]本文中公開的實施例旨在提供一種低成本方案以提尚轉子動態穩定性。現在將關於圖4描述用於改進渦輪機中的轉子動態性能的實施例。
[0037]圖4是根據示例性實施例的用於在渦輪機中將高壓區域P2與低壓區域Pl隔離開的裝置400的截面的示意圖。裝置400可以在高壓區域與低壓區域之間存在連接的任何類型的渦輪機中實施。例如，裝置400可以在比如圖1中所示的離心壓縮機100的離心壓縮機、或者具有更多或更少零件的離心壓縮機、或者膨脹器、渦輪、泵等等中實施。
[0038]裝置400包括迷宮密封件402，迷宮密封件402具有其上形成的布置成螺旋形式的多個凹槽404。螺旋地形成的凹槽404的結合在裝置400中產生穩定作用，如本文中以下進一步描述的。因此，在迷宮密封件402中的多個凹槽404中或之前不包括旋流制動器。在圖4所示的實施例中，迷宮密封件402包括多個凹槽404形成其上的轉子式部分410。但是，在其他實施例中，多個凹槽404可以形成在迷宮密封件的定子式部分上，比如圖8所示。
[0039]布置成螺旋形式的多個凹槽404原則上可以具有負的或正的螺旋角(螺旋角是螺紋與垂直於密封件的軸線的平面的傾角)。
[0040]特別地，迷宮密封件中的洩漏是螺旋角的函數，當螺旋角接近0° (圓筒形形式)時具有最小值。橫向聯接剛性是螺旋角的遞減函數；因此，螺旋密封件比圓筒形密封件洩漏大點，但是具有更小的失穩效應。此外，迷宮密封件中的洩露是凹槽的數量的函數:凹槽數量越多，洩露越少。
[0041]當螺旋角是0° (即圓柱形齒路徑)時，環形氣路最大，隨後為最大氣體旋流和最大失穩效應。同時，作用空氣動力的表面是螺旋角的遞增函數(增大失穩效應)，因此應存在失穩效應最小的最佳角。
[0042]螺旋角的小於30°的值提供高穩定性和低洩漏，而高於30°的值從洩漏的觀點上是不令人滿意的。
[0043]多個凹槽404可以加工或以其他方式形成為使得在凹槽之間並且由凹槽形成的更高仰角的部分(以下稱為「齒」418)具有符合裝置的應用的任何需求的輪廓。例如，齒廓可以是正方形、梯形、三角形或可以有益於裝置的特定應用任何其他形狀。可以利用能夠以具有所需螺旋角和所需齒廓的螺旋形式形成凹槽的任何已知或迄今還未發現的方法和/或裝置在迷宮密封件402的轉子式部分410中加工多個凹槽404。
[0044]裝置400還包括與具有形成其上的多個凹槽404的轉子式部分410相對地並且以密封關係布置的定子式部分406。在定子式部分406與轉子式部分410之間設置間隙408以允許轉子部分410旋轉。定子式部分406可被包括作為迷宮密封件402或裝置400的一部分，比如在「殼體」或「包裝」(未示出)中。可替代地，定子式部分406可以形成為渦輪機的整體部分，比如泵殼或殼體，或者在渦輪機中形成為渦輪機的在高壓區域與低壓區域之間的任何其他定子式部分。在這種情況下，轉子式迷宮密封件402可以布置成與渦輪機的定子式部分406直接相對。在定子式部分406被包括作為迷宮密封件402或裝置400的一部分的一些實施例中，定子式部分406可以由可磨損材料製成，或者可替代地，在一些其他實施例中，定子式部分406可以具有形成在其表面416上的可磨損塗層，該表面416布置成與轉子式部分410相對並且與轉子式部分410形成密封關係。當定子式部分406由可磨損材料製成或者具有形成其上的可磨損塗層時，轉子式部分410與定子式部分406之間的間隙408可被減小，這是由於如果轉子式部分402的齒418在引起轉子式部分402中的旋流或振動的比如為啟動、停機或負荷波動的瞬態條件的周期期間撞擊或摩擦定子式部分406的表面416，則齒418將在定子式部分406的可磨損材料或定子式部分406的表面416內刻蝕凹槽，由此增大間隙408。
[0045]圖4的迷宮密封件402可以在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間布置在渦輪機的至少一個轉子式零件與渦輪機的至少一個定子式零件之間。例如，定子式部分406可以形成在渦輪機的一個或多個定子式零件上，轉子式部分410、第一轉子式部分412和/或第二轉子式部分414可以形成在渦輪機的一個或多個轉子式零件上。轉子式部分410、412、414與定子式部分406—起密封渦輪機的高壓區域P2與渦輪機的低壓區域P1。例如，轉子式部分410、412、414和定子式部分406可以布置在渦輪機的零件上以提供用於葉輪入口、平衡滾筒等等的密封。
[0046]可以理解，迷宮密封件402或裝置400的「形成在」渦輪機的任何定子式零件或轉子式零件上的任何定子式部分或轉子式部分可以通過本領域中已知的或迄今未發現的方法或其他製造工藝與這些零件一體地形成。現在將關於圖5描述用於改進渦輪機中的轉子動態性能的另一個實施例。
[0047]圖5是根據另一個示例性實施例的用於在渦輪機中將高壓區域P2與低壓區域Pl隔離開的裝置500的截面的示意圖。裝置500可以在高壓區域與低壓區域之間存在連接的任何類型的渦輪機中實施。例如，裝置500可以在比如圖1中所示的離心壓縮機100的離心壓縮機、或者具有更多或更少零件的離心壓縮機、或者渦輪、泵等等中實施。
[0048]裝置500包括迷宮密封件502，迷宮密封件502具有布置成螺旋形式的第一組多個凹槽504和鄰近第一組多個凹槽504布置成圓筒形形式的第二組多個凹槽506。螺旋地形成的凹槽504的結合在裝置500中產生穩定作用，如本文中以下進一步描述的。因此，在迷宮密封件502中在第一組多個凹槽504與第二組多個凹槽506中或之前不包括旋流制動器。迷宮密封件502可以在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間布置在渦輪機的至少一個轉子式零件與渦輪機的至少一個定子式零件之間。迷宮密封件502包括布置在渦輪機的高壓區域中的第一轉子式部分510和在渦輪機的的低壓區域中鄰近第一轉子式部分510布置的第二轉子式部分512。布置成螺旋形式的第一組多個凹槽504形成在渦輪機的高壓區域中的第一轉子式部分510上，布置成圓筒形形式的第二組多個凹槽506形成在渦輪機的低壓區域中的第二轉子式部分512上。
[0049]在圖5的實施例中，螺旋形式具有小於或等於10°、優選地在0.5°和5°之間的螺旋角；因此，獲得了渦輪機的穩定性效果，並且由於多個螺旋形式的凹槽引起的洩漏是可忽略的。多個螺旋形式凹槽510包括至少五個凹槽。多個螺旋形式的凹槽510鄰近多個圓筒形形式的凹槽512 ;優選地，如圖5所示，多個螺旋形式的凹槽直接鄰近於多個圓筒形形式的凹槽。
[0050]優選地，多個螺旋形式的凹槽和多個圓筒形形式的凹槽兩者均與所述轉子式零件或所述定子式零件相關；在圖5的實施例中，其二者均與轉子式零件相關。
[0051]迷宮密封件在多個螺旋形式的凹槽510定位其中的區域中具有第一間隙，並且在多個圓筒形形式的凹槽512定位其中的區域中具有第二間隙；優選地，第一間隙與第二間隙之間的比率小於或等於2並且大於或等於0.5。在圖5的優選實施例中，該比率近似等於
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[0052]布置成螺旋形式的多個凹槽504原則上可以是順時針或逆時針。
[0053]已經獲得了關於穩定性和洩漏方面的未預料到的效果，對於具有輸送壓力高達150bar的壓縮機，將布置成螺旋形式的所述第一組多個凹槽504與布置成圓筒形形式的所述第二組多個凹槽506進行組合，其中，螺旋形式的螺旋角包括在0.5°和10°之間，特別地在0.5°和5°之間。
[0054]此外，為了限制離心壓縮機中的高壓區域與低壓區域之間的洩漏，凹槽(或齒)的數量必須優選地為至少5個齒。
[0055]第一組多個凹槽504和第二組多個凹槽506可以加工或以其他方式形成為使得在凹槽之間並且由凹槽形成的更高仰角的部分(以下稱為「齒」)具有符合裝置的應用的任何需求的輪廓。例如，齒廓可以是正方形、梯形、三角形或可以有益於裝置的特定應用任何其他形狀。利用能夠以螺旋形式形成具有所需螺旋角和所需齒廓的凹槽504以及以圓筒形形式形成具有所需齒廓的凹槽506的任何已知的或迄今未發現的方法和/或裝置，分別在迷宮密封件502的第一轉子式部分510和第二轉子式部分512中加工或者以其他方式形成第一組多個凹槽504和第二組多個凹槽506。
[0056]裝置500還包括定子式部分508和第二轉子式部分512，定子式部分508與具有其上形成有第一組多個凹槽504的第一轉子式部分510相對並且成密封關係地布置，第二轉子式部分512具有形成其上的第二組多個凹槽506。在定子式部分508與第一和第二轉子式部分510、512之間設置有間隙514，以允許轉子式部分510、512的旋轉。定子式部分506可被包括作為迷宮密封件502或裝置500的一部分，比如在「殼體」或「包裝」(未示出)中。可替代地，定子式部分506可以為渦輪機的整體部分，比如泵殼或殼體，或者在渦輪機中形成為渦輪機的在高壓區域與低壓區域之間的任何其他定子式零件。在這種情況下，轉子式迷宮密封件502可以布置成與渦輪機的定子式部分508直接相對。在定子式部分508是迷宮密封件502的一部分或裝置500的一部分的一些實施例中，定子式部分508可以由可磨損材料製成，或者可替代地，定子式部分508可以具有形成在其表面518上的可磨損塗層，該表面518與第一轉子式部分510和第二轉子式部分512相對並且成密封關係。在定子式部分508由可磨損材料製成或具有形成在其表面518上的可磨損塗層的實施例中，可以減小間隙514。
[0057]儘管布置成螺旋形式的第一組多個凹槽504在圖5中示出為具有三個螺旋地形成的凹槽，該數量僅是示例性的並非旨在限制。例如，第一組多個凹槽504可以包括四個、五個、六個或任何其他數量的螺旋地形成的凹槽。布置成圓筒形形式的第二組多個凹槽506可以包括任何數量的圓柱形地形成的凹槽。
[0058]儘管在圖5所示的實施例中，第一組多個凹槽504形成在第一轉子式部分510上，第二組多個凹槽506形成在第二轉子式部分512上，可以理解，在一些其他實施例中，第一和第二組多個凹槽504、506可以形成在迷宮密封件的定子式部分508上，比如圖9a所示。
[0059]也可以理解，迷宮密封件502或裝置500的「形成在」渦輪機的任何定子式零件或轉子式零件上的任何定子式部分或轉子式部分可以通過本領域中已知的或迄今未發現的任何增加的或減少的方法或其他製造工藝與這些零件一體地形成。
[0060]還可以理解，第一和第二組多個凹槽可以由兩個不同的零件組成:一個具有第一形式，另一個具有第二形式(圖％)。這種方案能夠適用於轉子式和定子式布置以及以所有可能的組合混合(圖9b)。
[0061]在迷宮密封件504中除以螺旋形式布置的第一組多個凹槽504之外、還結合有以圓筒形形式布置的第二組多個凹槽506除通過螺旋凹槽的形成提供穩定作用之外還減少了迷宮密封件502中的洩漏，如本文以下將參照附圖6a和6b進一步說明的，其中描述了裝置500的操作方法。
[0062]現在將關於圖6a和6b描述裝置400、500的操作方法。圖6a和6b是示出在圖4和5的裝置400、500設置在渦輪機的高壓區域與低壓區域之間、渦輪機的至少一個轉子式零件與渦輪機的至少一個定子式零件之間時該裝置400、500中的流動分量的示意圖。
[0063]如圖6a和6b所示(以及參照圖4和5)，由於跨越密封件402、502的壓力差，高度加壓的流體的主流602從渦輪機的高壓區域P2進入迷宮密封件402、502，通過跨越迷宮密封件402、502的間隙流動，並以大大地減小的壓力Pl離開迷宮密封件。進入迷宮密封件402,502的高度加壓的主流602沿轉子600的軸向方向從高壓區域流動至低壓區域，並且包括由於轉子600的旋轉引起的圓周流分量604或旋流，圓周流分量604或旋流圍繞轉子600的圓周沿旋轉方向流動。
[0064]如在前關於圖2、3a和3b所述的，在通向迷宮密封件的進口處的旋流能夠引起迷宮密封件中的失穩力，該失穩力可以引起轉子不穩定性。
[0065]但是，如圖6a和6b所示，迷宮密封件402、502的以螺旋形式布置的多個凹槽404、504以相對速度引起軸流分量606，該軸流分量606沿與進入迷宮密封件402、502的高度加壓的流體的主流的軸向方向相對(相反)的軸向方向流動。相對速度的軸流分量606在迷宮密封件402、502附近與主流相對以打破靠近迷宮密封件的主流的旋流。因此，由布置成螺旋形式的多個凹槽404、504引起的相對速度的軸流分量606類似旋流制動器地作用以減小進口旋流，由此提供穩定作用。
[0066]因此，在沒有包括位於迷宮密封件中或之前的旋流制動器的改進的情況下提高了迷宮密封件的轉子動態穩定性。因此，在迷宮密封件402、502中結合有以螺旋形式布置的多個凹槽404、504能夠在迷宮密封件的轉子動態穩定性方面提供簡易的、方便的和成本有效的改進。
[0067]另外，關於圖5的裝置500，具有形成其上的以圓筒形形式布置的第二組多個凹槽506的第二轉子式部分512中的流動分量與如圖2、3a和3b所示的迷宮密封件200的流動分量相同，在如2、3a和3b所示的迷宮密封件200中存在更少的洩露，但存在更多的旋流和不穩定性。但是，由於進入第二轉子式部分512的流動的量已被第一轉子式部分510的螺旋地形成的凹槽顯著地減小，因此不存在第二轉子式部分512中的不穩定性的問題。另外，第二轉子式部分512的多個圓柱形地形成的凹槽506進一步減小了特別是在穩態條件期間的迷宮密封件502的洩漏流。因此，通過提供布置成螺旋形式的第一組多個凹槽和布置成圓筒形形式的第二組多個凹槽，提供了一種高穩定性、低洩漏的密封件。
[0068]圖7是示出根據示例性實施例的迷宮密封件中的旋流變化的示意圖。由於取決於旋轉方向與主流相對或沿相同方向的相對的軸流分量的引入，在迷宮密封件中發生旋流變化。圖7示出通過間隙進入迷宮密封件402、502的主流體流602。如圖7所示，相對速度的軸向流606由螺旋地形成的凹槽引起並且與主流602相反。軸向流606的方向可以根據轉子的旋轉方向是正的或負的。軸向分量606可以根據螺旋角是正或負。流動606的軸向分量的改變使切向分量604減小，因此旋流降低，而在轉子動態方面的有利。
[0069]圖8和9是根據示例性實施例的用於在渦輪機中將高壓區域與低壓區域隔離開的改進的裝置的一部分的截面的示意圖。圖8和9分別僅示出了圖4和5的裝置，其中第一和/或第二組多個凹槽404/506形成在裝置的定子式部分406上。因此，這些裝置的說明在此不再重複。圖8和9的實施例的洩漏流將類似於圖4和5的實施例的洩漏流。因此，圖8和9的裝置800和900期望提供與圖4和5的裝置相同的有益效果。
[0070]本文中公開的示例性實施例的優勢是應用低成本的方案來提高轉子動態穩定性。根據示例性實施例的另一個優點是提供用於在渦輪機中密封的簡單且成本有效而且高阻尼、低洩漏的裝置。
[0071]根據示例性實施例的另一個優點是在渦輪機中應用高度穩定、低洩漏的密封件，而不需要如現有方案所需的那樣安裝額外的裝置或對安裝有密封件的現有渦輪機執行複雜的鑽削和/或改進。本文中公開的示例性實施例可以與現有設計進行互換或者對現有技術僅進行最小的改進。因此，通過示例性實施例，有可能利用在本文中公開的用於在渦輪機中進行密封的裝置對現有機械進行改型，所述裝置易於製造、通過提供小的間隙而具有低的洩漏並且具有高阻尼和高穩定性。
[0072]所公開的示例性實施例提供用於在渦輪機中提供高阻尼密封的裝置和方法。應當理解，本說明書並不旨在限制本發明。相反地，示例性實施例旨在覆蓋包括在本發明的由隨附權利要求限定的精神和範圍內的替代方案、改進和等同物。另外，在示例性實施例的詳細說明中，闡述了許多細節以便提供對所要求保護的發明的全面的理解。但是，本領域技術人員將理解到，各個實施例可以在沒有這些細節的情況下實施。
[0073]儘管在實施例中以特定組合描述了當前示例性實施例的特徵和元件，但是每個特徵或元件可以在不具有實施例的其他特徵和元件的情況下或者在有或沒有本文中公開的其他特徵和元件的不同組合中被單獨地使用。
[0074]該書面說明利用所公開的主題的示例以使本領域技術人員能夠實施這些示例，包括製造和使用任何裝置或系統以及執行任何所包含的方法。主題的可獲得專利權的範圍由權利要求限定，並且可以包括本領域技術人員想得到其他示例。這些其他示例意在落入權利要求的範圍內。
【權利要求】
1.一種用於將渦輪機中的高壓區域與渦輪機中的低壓區域隔離開的裝置，所述渦輪機具有一個或多個定子式零件和一個或多個轉子式零件，所述裝置包括: 具有第一組多個凹槽和第二組多個凹槽的迷宮密封件，所述第一組多個凹槽以螺旋形式布置，所述第二組多個凹槽以圓筒形形式布置，所述迷宮密封件設置在所述渦輪機的所述高壓區域與所述低壓區域之間的所述渦輪機的所述一個或多個轉子式零件中的至少一個與所述渦輪機的所述一個或多個定子式零件中的至少一個之間； 所述螺旋形式具有小於或等於10°、優選地在0.5°與5°之間的螺旋角，由此獲得所述渦輪機的穩定性效果，並且由於所述第二組多個凹槽，洩漏是可忽略的。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述第二組多個凹槽包括至少五個凹槽。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的裝置，其中所述第一組多個凹槽鄰近所述第二組多個凹槽。
4.根據任一前述權利要求所述的裝置，其中所述第一組多個凹槽與所述第二組多個凹槽直接鄰接。
5.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述迷宮密封件在所述第一組多個凹槽所處的區域中具有第一間隙，並且在所述第二組多個凹槽所處的區域中具有第二間隙，以及其中，所述第一間隙與所述第二間隙之間的比率小於或等於2並且大於或等於0.5。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述第一間隙與所述第二間隙之間的所述比率近似等於I。
7.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述第一組多個凹槽和所述第二組多個凹槽兩者均與所述轉子式零件或所述定子式零件相關聯。
8.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述迷宮密封件包括: 第一轉子式部分，以所述螺旋形式布置的所述第一組多個凹槽形成在所述第一轉子式部分上；以及 鄰近所述第一轉子式部分布置的第二轉子式部分，以所述圓筒形形式布置的所述第二組多個凹槽形成在所述第二轉子式部分上，其中 所述第一轉子式部分設置在所述渦輪機的所述高壓區域中的所述渦輪機的所述一個或多個轉子式零件中的所述至少一個上， 所述第二轉子式部分設置在所述渦輪機的所述低壓區域中的所述渦輪機的所述一個或多個轉子式零件中的所述至少一個上，以及 所述第一轉子式部分和所述第二轉子式部分與所述渦輪機的所述一個或多個定子式零件中的所述至少一個相對地並且以密封關係布置。
9.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述第一轉子式部分沿與所述第二轉子式部分的旋轉方向相同的方向旋轉。
10.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述第一轉子式部分和所述第二轉子式部分由兩個獨立的零件組成。
11.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中獨立的轉子式零件和定子式零件以其全部組合配置。
12.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，還包括: 塗敷有可磨損材料的定子式部分，所述塗敷有可磨損材料的定子式部分布置在所述渦輪機的與所述迷宮密封件的所述第一旋轉部分和第二旋轉部分相對並且為密封關係的所述至少一個或多個定子式零件上。
13.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中所述迷宮密封件包括: 定子式部分，所述定子式部分設置在所述渦輪機的所述高壓區域與所述低壓區域之間的所述渦輪機的所述一個或多個定子式零件中的所述至少一個上，其中 所述第一組多個凹槽形成在所述渦輪機的所述高壓區域中的所述定子式部分上，所述第二組多個凹槽鄰近所述第一組多個凹槽形成在所述渦輪機的所述低壓區域中的所述定子式部分上，以及 所述定子式部分與所述渦輪機的所述一個或多個轉子式零件中的所述至少一個相對地並且成密封關係地布置。
14.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，還包括: 轉子式部分，所述轉子式部分布置在與所述迷宮密封件的所述定子式部分相對的所述渦輪機的所述至少一個或多個轉子式零件上。
【文檔編號】F04D29/66GK104471293SQ201380022346
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年4月26日 優先權日:2012年4月27日
【發明者】裡佐 E., 佩拉戈蒂 A. 申請人:諾沃皮尼奧內股份有限公司