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CN104145106B - 涡轮密封组件和包括该涡轮密封组件的涡轮设备 - Google Patents

涡轮密封组件和包括该涡轮密封组件的涡轮设备 Download PDF

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CN104145106B CN201380011686.8A CN201380011686A CN104145106B CN 104145106 B CN104145106 B CN 104145106B CN 201380011686 A CN201380011686 A CN 201380011686A CN 104145106 B CN104145106 B CN 104145106B
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Abstract

根据示例性实施例的一方面，提供一种涡轮密封组件，所述涡轮密封组件包括：密封安装槽，形成在壳体内部；至少一个密封构件，具有沿叶片方向形成的至少一个尖部，并且所述至少一个密封构件安装在所述密封安装槽中；至少一个弹性构件，用于将所述壳体弹性地连接到所述密封构件，其中，用于使被压缩的燃气流入的入口形成在所述密封安装槽中，其中，被压缩的燃气进入的第一空间形成在所述密封构件中，并且将所述第一空间连接到叶片和密封构件之间的空间的至少一个流动通道形成在密封构件中。

Description

涡轮密封组件和包括该涡轮密封组件的涡轮设备
技术领域
示例性实施例涉及一种涡轮密封组件和包括该涡轮密封组件的涡轮设备。
背景技术
涡轮设备将流体(例如，水、燃气、或蒸汽)的能量转换为有用功(valuablework)。
具体地讲，在燃气涡轮设备中，从燃烧室排出的高温高压燃气进入涡轮设备并冲击涡轮设备的叶片，从而使涡轮设备的输出轴旋转。
发明内容
技术问题
在燃气涡轮设备中，可通过提高密封性能来增强涡轮性能，第2003-254006号日本专利公开披露了这样一种技术，该技术用于增加密封片的数量同时减小摩擦的风险，以提高密封性能。
技术方案
一个或更多个示例性实施例提供一种涡轮密封组件和包括该涡轮密封组件的涡轮设备，所述涡轮密封组件包括具有提高的运动控制性能的密封构件。
根据示例性实施例的一方面，提供一种涡轮密封组件，所述涡轮密封组件包括：密封安装槽，形成在壳体内部；至少一个密封构件，具有沿叶片方向形成的至少一个尖部，并且所述至少一个密封构件安装在所述密封安装槽中；至少一个弹性构件，用于将所述壳体弹性地连接到所述密封构件，其中，用于使被压缩的燃气流入的入口形成在所述密封安装槽中，其中，被压缩的燃气进入的第一空间形成在所述密封构件中，并且将所述第一空间连接到叶片和所述密封构件之间的空间的至少一个流动通道形成在所述密封构件中。本发明的有益效果
根据示例性实施例，可通过改进用于控制密封构件的运动的性能来提高密封性能。
附图说明
通过参照附图对示例性实施例进行详细的描述，上述和其他方面将变得更明显，其中：
图1是根据示例性实施例的涡轮设备的截面图；
图2是图1的涡轮设备的密封组件的放大的截面图；
图3是图1的涡轮设备的密封构件的透视图；
图4是图3的密封构件的主视图；
图5是用于描述根据示例性实施例的涡轮设备的密封组件的操作的示意图。
实施本发明的最佳方式
根据示例性实施例的一方面，提供一种涡轮密封组件，所述涡轮密封组件包括：密封安装槽，形成在壳体内部；至少一个密封构件，具有沿叶片方向形成的至少一个尖部，并且所述至少一个密封构件安装在所述密封安装槽中；至少一个弹性构件，用于将所述壳体弹性地连接到所述密封构件，其中，用于使被压缩的燃气流入的入口形成在所述密封安装槽中，其中，被压缩的燃气进入的第一空间形成在所述密封构件中，并且将所述第一空间连接到叶片和所述密封构件之间的空间的至少一个流动通道形成在所述密封构件中。
所述弹性构件可以是片簧。
所述弹性构件的材料的热膨胀系数可不同于所述壳体的材料的热膨胀系数。
所述第一空间可在所述叶片的前方被封闭。
所述入口可连接到与压缩机相连接的压缩燃气管。
根据另一示例性实施例的一方面，提供一种涡轮设备，所述涡轮设备包括：壳体，密封安装槽形成在所述壳体中；转子，安装在所述壳体内部，并且所述转子具有多个叶片；至少一个密封构件，具有沿叶片方向形成的至少一个尖部，并且所述至少一个密封构件安装在所述密封安装槽中；至少一个弹性构件，用于将所述壳体弹性地连接到所述密封构件，其中，用于使被压缩的燃气流入的入口形成在所述密封安装槽中，其中，被压缩的燃气进入的第一空间形成在所述密封构件中，并且将所述第一空间连接到叶片和所述密封构件之间的空间的至少一个流动通道形成在所述密封构件中。
所述尖部可包括第一尖部和与所述第一尖部分开形成的第二尖部，并且所述第一尖部和所述第二尖部之间的空间连接到所述流动通道。
所述弹性构件的材料的热膨胀系数可不同于所述壳体的材料的热膨胀系数。
所述第一空间可在所述叶片的前方被封闭。
所述入口可连接到与压缩机相连接的压缩燃气管。
具体实施方式
将参照附图更全面地描述示例性实施例。说明书和附图中相同的标号指示相同的元件，并因此省略它们的重复的描述。
图1是根据示例性实施例的涡轮设备100的截面图，图2是图1的涡轮设备100的密封组件的放大的截面图，图3是图1的涡轮设备100的密封构件的透视图，图4是图3的密封构件130的主视图。
如图1所示，涡轮设备100具有带有4级的多级涡轮结构，并且包括壳体110、转子120、密封构件130、弹性构件140和框架150。在涡轮设备100的构造中，与密封操作直接相关的部件可被称为密封组件，并且在本实施例中，密封组件可以是包括壳体110的一部分、密封构件130和弹性构件140的结构。
壳体110具有燃气在其中流动的内部空间，并且转子120、密封构件130和弹性构件140被容纳在所述内部空间中。
用于使来自燃烧室(未示出)的高温高压燃气流入的进口111形成在壳体110的前方，并且用于排放膨胀的燃气的出口112形成在壳体110的后方。
喷嘴叶片113安装在壳体110内部的转子120的几排叶片122之间，以引导流入的燃气有效地冲击叶片122。由于喷嘴叶片113的该构造可以是公知的并通常用于普通的多级涡轮，因此这里不提供所述结构和布置的详细的描述。
如图2所示，密封安装槽114围绕转子120沿圆周方向形成在壳体110内部。
用于引入被压缩的燃气的入口114a形成在密封安装槽114中，以连接到与外部压缩机(未示出)相连接的压缩燃气管210。设计者可选择具有多级的压缩机作为外部压缩机，并且也可选择用于将压缩机连接到压缩燃气管210的构造，以接收每个压力级的适当位置处的被压缩的燃气。可替换地，设计者可选择包括多个外部压缩机的构造，每个外部压缩机产生不同压力的被压缩的燃气，并且在这种情况下，通过每个外部压缩机产生的被压缩的燃气流过相应的压缩燃气管210。
转子120包括用作输出轴的旋转轴121和用于在通过燃气的流动冲击时形成旋转力的叶片122。
通过安装在框架150上的轴承151来支撑旋转轴121。
叶片122在通过经由喷嘴叶片113引导的燃气冲击时产生旋转力，并且叶片122彼此按照预定间隔布置在旋转轴121的圆周方向上。
如图1中所示，根据膨胀级，叶片122可分为第一排叶片122a、第二排叶片122b、第三排叶片122c和第四排叶片122d。
虽然本实施例中的涡轮设备100具有4级结构，其中，叶片122包括第一至第四排叶片122a、122b、122c和122d，但是示例性实施例不限于此。即，涡轮设备100的级数不限于此，因此，叶片的排数也不限于此。例如，涡轮设备100可具有10级结构，其中，叶片122分为10排叶片。
如图2中所示，密封构件130安装在密封安装槽114中，以密封壳体110和叶片122之间的空间。
如图3和图4中所示，密封构件130按照弧形形状形成，并且多个密封构件130可按照排安装在单个密封安装槽114上。即，密封构件130安装在密封安装槽114中，并且密封构件130形成为与沿圆周方向形成的密封安装槽114的形状相匹配。
密封构件130具有如图2中所示的马蹄形(U形)横截面，并且包括上部131、与上部131分开并布置在上部131之下的下部132和用于将上部131连接到下部132的连接部133，其中，第一空间130a形成在上部131和下部132之间。
尖部134沿叶片方向形成在密封构件130的下部132的表面上，以面对叶片122。
尖部134包括第一尖部134a和与第一尖部134a分开的第二尖部134b，并且尖部134布置在密封构件130的部件之中最接近叶片122的位置处。
多个流动通道132a形成在密封构件130的下部132中，以连接到第一尖部134a和第二尖部134b之间的空间，从而将叶片122和密封构件130之间的空间连接到第一空间130a。
第一空间130a是来自形成在密封安装槽114中的入口114a被压缩的燃气被引入到其中的空间。第一空间130a朝向壳体110的后方敞开，使得开口部面对入口114a，同时第一空间130a朝向壳体110的前方的部分通过连接部133被封闭。
弹性构件140将壳体110弹性地连接到密封构件130。
弹性构件140的一端固定到壳体110中的密封安装槽114的内表面，并且弹性构件140的另一端固定到密封构件130的上部131。
弹性构件140由具有不同于壳体110的材料的热膨胀系数的材料形成，因此，根据涡轮设备100的运转而变化的壳体110的热行为(thermalbehavior)和弹性构件140的热行为可彼此不影响。结果，连接到弹性构件140的密封构件130的热行为可不受壳体110的热行为的影响，因此容易控制密封构件130。
然而，示例性实施例不限于此。即，壳体110的材料可具有与弹性构件140的材料相同的热膨胀系数。
虽然本实施例中的弹性构件140是片簧，但是示例性实施例不限于此。即，不具体地限定弹性构件140，只要弹性构件140将壳体110弹性地连接到密封构件130即可。例如，弹性构件140可呈螺旋弹簧形状。
框架150用作涡轮设备100的框架结构。
虽然本实施例中的涡轮设备100包括框架150，但是示例性实施例不限于此。即，根据本实施例的涡轮设备100可不包括框架150，从而壳体110可用作涡轮设备100的框架结构。在这种情况下，壳体110不仅形成涡轮设备100的外表面，而且形成为朝向涡轮设备100的内部延伸，以执行框架150的作用。
用于支撑旋转轴121的轴承151安装在框架150上，并且壳体110也安装在框架150上。
现在将描述根据示例性实施例的涡轮设备100的操作。
当用户起动涡轮设备100时，高温高压燃气通过壳体110的进口111进入、通过流经喷嘴叶片113而膨胀、并冲击叶片122。因此，叶片122旋转，从而产生动力。
根据本实施例，用户可提高密封性能，并同时通过最优地控制密封构件130和转子120的叶片122之间的间隙来防止叶片122的边缘部122t和密封构件130之间的碰撞(摩擦现象)。现在将参照图5描述通过控制密封构件130的运动来控制密封构件130和转子120的叶片122之间的间隙的操作。
图5是根据示例性实施例的用于描述涡轮设备100的密封组件的操作的示意图。
在涡轮设备100的运转期间，高压燃气从叶片122的前方经由空间③流动到空间④，并向密封构件130施加力P1和力P2，力P1迫使密封构件130向后方(x轴的正向)运动，并且力P2迫使密封构件130向上方(y轴的正向)运动。结果，密封构件130可能会过多地向上方(y轴的正向)运动并且也可能会过多地向后方(x轴的正向)运动，从而根据密封安装槽114的内表面和密封构件130之间的碰撞可能在A点和B点处发生阻塞现象。
然而，在本实施例中，用户可通过形成在密封安装槽114中的入口114a引入具有适当压力的被压缩的燃气，以控制密封构件130和转子120的叶片122之间的间隙。通过这样做，引入的被压缩的燃气流动到密封构件130的第一空间130a(空间①)中，流动到第一空间130a中的被压缩的燃气经由流动通道132a运动到第一尖部134a和第二尖部134b之间的空间，使得第一空间130a(空间①)中的压力和空间②中的压力彼此平衡，从而力P3使密封构件130向前方(x轴的负向)运动。
因此，用户可通过考虑力P2和弹性构件140在y轴方向上的弹力来选择弹性构件140的形状和材料并通过考虑在x轴方向上的力P1和力P3来调节流经入口114a的被压缩的燃气的压力大小而最优地控制密封构件130的运动。
更详细地讲，用户可选择弹性构件140的弹性系数、形状和材料，并且可确定流经入口114a的被压缩的燃气的压力，以通过反复地进行实验和仿真来获取最大的密封性能，并且可基于实验和仿真的结果而最优地操作涡轮设备100。
例如，用户可适当地调节流经入口114a的被压缩的燃气的压力来使力P1和P3平衡，从而使密封构件130沿x轴方向自由地运动。
在本实施例中，由于密封构件130的热行为因弹性构件140的结构和材料的缘故而不受壳体110的热行为的影响，所以可容易地控制密封构件130的运动(如下所述)。
在涡轮设备100开始运转之后，当涡轮设备100的温度升高时，由于壳体110包围转子120的结构特性使得壳体110的热膨胀速度快于转子120的热膨胀速度。因此，壳体110的内壁和转子120之间的间隙暂时变宽。然而，由于在本实施例中使用具有不同于壳体110的热膨胀系数的弹性构件140来安装密封构件130，因此密封构件130的热行为不受壳体110的热行为的影响。因此，根据本实施例，当控制密封构件130的运动时，可尽可能地减小由热膨胀导致的影响。
此外，当涡轮设备100的运转将要结束时，涡轮设备100的温度降低，并且在这种情况下，由于壳体110包围转子120的结构特性使得壳体110的热还原(thermalreduction)速度快于转子120的热还原速度。因此，壳体110的内壁和转子120之间的间隙暂时过窄。然而，由于在本实施例中使用具有不同于壳体110的热膨胀系数的弹性构件140来安装密封构件130，因此密封构件130的热行为不受壳体110的热行为的影响。因此，根据本实施例，当控制密封构件130的运动时，可尽可能地减小由热膨胀导致的影响。
如上所述，根据示例性实施，用户可通过考虑力P2和弹性构件140在y轴方向上的弹力来选择弹性构件140的形状和材料并通过考虑在x轴方向上的力P1和力P3来调节流经入口114a的被压缩的燃气的压力大小而最优地控制密封构件130的运动。即，用户可通过最优地控制密封构件130的运动来获得最佳密封性能，从而提高了涡轮设备100的性能并防止摩擦现象的发生。
此外，由于密封构件130的热行为因弹性构件140的结构和材料的缘故而不受壳体110的热行为的影响，因此能够容易地控制密封构件130的运动。
虽然已经参照本发明的示例性实施例具体示出和描述了本发明，但本领域的普通技术人员将理解的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可在形式上和细节上做出各种变型。
产业上的可应用性
根据示例性实施例的一方面，提供一种涡轮密封组件和涡轮设备。

Claims (10)

1.一种涡轮密封组件，包括：
密封安装槽，形成在壳体内部；
至少一个密封构件，具有面对叶片形成的至少一个尖部，并且所述至少一个密封构件安装在所述密封安装槽中；
至少一个弹性构件，用于将所述壳体弹性地连接到所述密封构件，
其中，用于使被压缩的燃气流入的入口形成在所述密封安装槽中，
其中，被压缩的燃气进入的第一空间形成在所述密封构件中，并且将所述第一空间连接到叶片和所述密封构件之间的空间的至少一个流动通道形成在所述密封构件中。
2.根据权利要求1所述的涡轮密封组件，其中，所述弹性构件是片簧。
3.根据权利要求1所述的涡轮密封组件，其中，所述弹性构件的材料的热膨胀系数不同于所述壳体的材料的热膨胀系数。
4.根据权利要求1所述的涡轮密封组件，其中，所述第一空间朝向壳体的前方的部分通过密封构件的连接部被封闭。
5.根据权利要求1所述的涡轮密封组件，其中，所述入口连接到与压缩机相连接的压缩燃气管。
6.一种涡轮设备，包括：
壳体，密封安装槽形成在所述壳体中；
转子，安装在所述壳体内部，并且所述转子具有多个叶片；
至少一个密封构件，具有面对叶片形成的至少一个尖部，并且所述至少一个密封构件安装在所述密封安装槽中；
至少一个弹性构件，用于将所述壳体弹性地连接到所述密封构件，
其中，用于使被压缩的燃气流入的入口形成在所述密封安装槽中，
其中，被压缩的燃气进入的第一空间形成在所述密封构件中，并且将所述第一空间连接到叶片和所述密封构件之间的空间的至少一个流动通道形成在所述密封构件中。
7.根据权利要求6所述的涡轮设备，其中，所述尖部包括第一尖部和与所述第一尖部分开形成的第二尖部，并且
叶片和所述密封构件之间的位于所述第一尖部和所述第二尖部之间的空间连接到所述流动通道。
8.根据权利要求6所述的涡轮设备，其中，所述弹性构件的材料的热膨胀系数不同于所述壳体的材料的热膨胀系数。
9.根据权利要求6所述的涡轮设备，其中，所述第一空间朝向壳体的前方的部分通过密封构件的连接部被封闭。
10.根据权利要求6所述的涡轮设备，其中，所述入口连接到与压缩机相连接的压缩燃气管。
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