專利名稱：軸流式燃氣輪機排氣側(cè)軸密封和冷卻的方法與設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱力渦輪機，尤其是軸流式燃氣輪機排氣側(cè)軸密封和冷卻的方法與設(shè)備。
眾所周知，熱力渦輪機尤其是軸流式燃氣輪機，主要由裝有工作葉片的轉(zhuǎn)子和裝有導(dǎo)向葉片的靜葉環(huán)組成，靜葉環(huán)裝在渦輪殼體內(nèi)。在渦輪殼體上連接著排氣殼體，在現(xiàn)代的機器中，排氣殼體用法蘭連接在渦輪殼體上，并主要由在輪轂側(cè)的環(huán)形內(nèi)部構(gòu)件和作為排氣擴壓器邊界的環(huán)形外部構(gòu)件組成。內(nèi)部構(gòu)件和外部構(gòu)件用多個沿圓周均勻分布的徑向?qū)Я骼呋ハ噙B接。在內(nèi)部構(gòu)件里面的空腔中，亦即在擴壓器結(jié)構(gòu)本身的里面，設(shè)有渦輪轉(zhuǎn)子出口側(cè)的軸承。
現(xiàn)有一些軸的密封裝置(迷宮密封裝置，密封套)，用于轉(zhuǎn)子通過排氣殼體的穿通裝置無接觸式密封，并將漏泄置減少到恰當?shù)某潭取?br> 用防止熱排氣侵入軸承腔，歷來的做法是從壓氣機某一級抽取壓縮空氣，經(jīng)單獨的導(dǎo)管通向排氣殼體，并作為阻隔空氣直接供入在排氣側(cè)的密封套中?？諝庵械囊徊糠纸?jīng)密封裝置漏入軸承腔，其余的部分沿著軸盤流入熱燃氣通道。
若燃氣輪機采用了一種具有一排或多排可調(diào)導(dǎo)向葉片的壓氣機，而且在局部負荷范圍內(nèi)這些導(dǎo)向葉片關(guān)閉一定的量，那么在阻隔空氣抽取點的壓力將低于全負荷工作時的壓力。為了在任何工作狀態(tài)下都有足夠高的阻隔空氣壓力，要么必須抽取更高級處的空氣，因為在那里始終保持有足夠高的壓力；要么必須在不同的級之間進行轉(zhuǎn)換。
抽取壓氣機高級處的空氣帶來的缺點是，在全負荷時高度壓縮的空氣在沒有功率輸出的情況下被“消耗”掉了，這對于燃氣輪機的效率起著有害的作用。反之，若在不同的級之間轉(zhuǎn)換，則必然要在壓氣機上設(shè)多個抽氣點和轉(zhuǎn)換閥，其結(jié)果是提高了成本。
若冷卻空氣必須通過排氣側(cè)的軸端引入轉(zhuǎn)子，則除了阻隔空氣外還要在某個壓氣機級處抽取轉(zhuǎn)子冷卻空氣，并經(jīng)由專用導(dǎo)管供往轉(zhuǎn)子。導(dǎo)管與轉(zhuǎn)子的過渡部分要用迷宮密封裝置加以密封。迷宮密封裝置漏泄的空氣到達軸承的周圍，并導(dǎo)致加熱軸承腔。人們不希望出現(xiàn)這種情況，因為現(xiàn)有的設(shè)備、軸承潤滑油以及檢查的可能性，使軸承的溫度受到限制。
除了阻隔空氣和轉(zhuǎn)子冷卻空氣的漏泄之外，軸承腔還由于排氣流通過隔熱裝置或支承結(jié)構(gòu)的熱流而被加熱。在大多數(shù)機器中，軸承腔的冷卻采用自然對流。已知的方法也有用冷卻空氣來冷卻軸承腔的，冷卻空氣經(jīng)排氣擴壓器上的孔進入，通過排氣殼體的襯套與肋之間的間隙排出。在這種方案的情況下，排氣殼體支承結(jié)構(gòu)周圍溫度不均勻，從而有害地導(dǎo)致產(chǎn)生熱應(yīng)力和/或使軸承不再同心。
本發(fā)明力圖克服上述所有的缺點。本發(fā)明的目的是為熱力渦輪機尤其是軸流式燃氣輪機，設(shè)計一種在排氣側(cè)的阻隔和冷卻空氣系統(tǒng)，這種系統(tǒng)能以低廉的制造和/或運行費用，防止排氣進入軸承腔，并只允許有盡可能少的空氣漏泄到軸承腔中，從而用比較簡單的方法可以使軸承腔保持足夠低的溫度，排氣殼體的支承結(jié)構(gòu)沿圓周具有均勻的溫度。
對于一種在熱力渦輪機尤其是軸流式燃氣輪機排氣側(cè)旋轉(zhuǎn)軸與排氣殼體之間的軸密封以及轉(zhuǎn)子和軸承腔冷卻的方法，在這種熱力渦輪機中，渦輪軸出口側(cè)的軸承設(shè)在排氣殼體結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，采用迷宮式密封裝置和密封套進行密封，為了軸的密封，將壓力高于排氣通道中的排氣壓力的阻隔空氣引入密封套，并緊接著進入排氣通道；轉(zhuǎn)子冷卻空氣取自壓氣機的一個級，并經(jīng)導(dǎo)管通過排氣側(cè)的軸端供入轉(zhuǎn)子，在這種情況下按本發(fā)明為達到上述目的，使轉(zhuǎn)子冷卻空氣漏泄量的一部分，在經(jīng)過一部分迷宮密封裝置后分流，并被利用來作為阻隔空氣，以及外界空氣作為冷卻空氣引入軸承腔，它經(jīng)過密封套后沿圓周均勻分布，并通過排氣擴壓器中的通道向外輸送。
按本發(fā)明為達到上述目的，對于實施上述方法的設(shè)備，將迷宮密封裝置在從轉(zhuǎn)子冷卻空氣導(dǎo)管向被冷卻轉(zhuǎn)子的排氣側(cè)端部過渡處分隔開，在分開處設(shè)中間抽氣裝置，此裝置有一根通往密封套的阻隔空氣導(dǎo)管；還設(shè)有另一根終止于密封套上的導(dǎo)管，此導(dǎo)管用于在軸承腔中起冷卻空氣作用的外界空氣，其中，密封套分成兩個同心的環(huán)腔，它們分別用于阻隔空氣和冷卻空氣，通過冷卻空氣環(huán)腔上的孔向軸承腔供入冷卻空氣；以及，軸承腔在上部用一個頂蓋和在下部用一塊滴油板分割開。
由此可見，本發(fā)明的優(yōu)點是，不再需要在壓氣機中有單獨的阻隔空氣抽取點，并因此也不再需要單獨的供應(yīng)阻隔空氣的裝置；漏入軸承腔中的漏泄空氣量最少；以及，支承結(jié)構(gòu)、軸承和刮油器沿圓周得到均勻冷卻，所以提高了設(shè)備的效率。
尤為有利的是，可通過改變迷宮密封的數(shù)量和迷宮密封裝置各自的間隙大小，將阻隔空氣量和阻隔空氣壓力調(diào)整為最佳值，因為這樣一來進入軸承腔的漏泄空氣可保持在一個低水平，并因而不會發(fā)生不希望的軸承腔加熱。
此外，最好在沿導(dǎo)流肋的排氣殼體內(nèi)部構(gòu)件中，支承結(jié)構(gòu)與隔熱裝置之間，并最好在導(dǎo)流肋的根部兩側(cè)，設(shè)置沿軸向延伸的冷卻通道，此冷卻通道經(jīng)由位于渦輪側(cè)進口部分的孔與密封套的冷卻空氣環(huán)形通道相連，它的出口部分經(jīng)由孔與軸承腔相通，并在這些通道中均流過來自冷卻空氣環(huán)形通道的冷卻空氣。通過在這些通道中有目的地利用冷卻空氣，從而節(jié)省空氣量和獲得高的導(dǎo)熱系數(shù)。由于沒有流動阻礙，所以在內(nèi)殼體結(jié)構(gòu)的周圍具有穩(wěn)定的溫度。
附圖中借助于一臺單軸的軸流式燃氣輪機表示了本發(fā)明的實施例。
其中

圖1燃氣輪機排氣區(qū)縱剖面(概觀)圖；圖2在燃氣輪機排氣區(qū)內(nèi)的軸承部分的局部縱剖面；圖3圖2中迷宮密封裝置與通往轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子冷卻空氣區(qū)的局部放大圖；圖4在具有中間抽氣裝置的分開式迷宮密封裝置中，質(zhì)量流量比隨密封帶數(shù)量比與迷宮密封裝置間隙尺寸比的變化關(guān)系；圖5軸承區(qū)的局部縱剖面；以及圖6圖5中導(dǎo)流肋所在部位的局部橫斷面。
圖中只表示了那些與理解本發(fā)明有關(guān)的主要構(gòu)件。設(shè)備的例如燃氣輪機進口部分以及整個壓氣機圖中均未表示。工作介質(zhì)的流動方向在圖中用箭頭表示。
下面借助于實施例和圖1至圖6詳細說明本發(fā)明。
圖1表示了一臺單軸的軸流式燃氣輪機局部縱剖面概略圖，其中表示了渦輪機的排氣側(cè)和最后一級。
為了能更清楚地了解詳細情況，在圖2的局部縱剖面中放大表示了排氣區(qū)中的軸承所在部位，在圖3的局部縱剖面中放大表示了迷宮密封裝置的所在區(qū)。
按圖1所示，此軸流式燃氣輪機主要由裝有工作葉片1的轉(zhuǎn)子2和裝有導(dǎo)向葉片3的靜葉環(huán)4組成，靜葉環(huán)4掛裝在渦輪殼體5內(nèi)。排氣殼體6通過法蘭連接在渦輪殼體5上，在排氣殼體6中設(shè)有多個沿圓周均勻分布的導(dǎo)流肋12。由圖2可見，導(dǎo)流肋12包圍著支承肋20，在支承肋20周圍有隔熱裝置11。排氣擴壓器9通過法蘭裝有排氣殼體6上。
轉(zhuǎn)子2出口側(cè)的支承裝置(軸承箱14，軸承15)安裝在排氣殼體內(nèi)部。軸承腔16在軸承箱14與排氣殼體6的環(huán)狀內(nèi)部構(gòu)件7之間延伸，軸承腔16在渦輪側(cè)通過密封套1 8相對于排氣通道32密封和通過迷宮密封裝置17相對于轉(zhuǎn)子冷卻空氣密封。
為了冷卻轉(zhuǎn)子2，從圖中未表示的壓氣機抽取轉(zhuǎn)子冷卻空氣R，冷卻空氣R流過導(dǎo)管19后通過排氣區(qū)的軸端進入轉(zhuǎn)子2中。導(dǎo)管19來自壓氣機，通過位于排氣區(qū)端部的通道8中的一個，在機器軸線延長區(qū)內(nèi)延伸，直至到達排氣側(cè)的軸端。在導(dǎo)管19與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子2之間的間隙21中產(chǎn)生冷卻空氣的漏泄，按現(xiàn)有技術(shù)，漏泄量L全部進入軸承腔16，并到達軸承15的周圍。在這一位置通常采用迷宮密封裝置17進行密封。
按本發(fā)明，如圖3所示，迷宮密封裝置17現(xiàn)在被分割成密封帶數(shù)量為n1間隙寬度為s1的迷宮密封裝置17.1和密封帶數(shù)量為n2間隙寬度為s2的迷宮密封裝置17.2。在這兩個迷宮密封裝置17.1和17.2之間，設(shè)有阻隔空氣S的導(dǎo)管22，此導(dǎo)管22途經(jīng)軸承箱14通往密封套18。于是，轉(zhuǎn)子冷卻空氣漏泄量L的一部分用作阻隔空氣S。為了使阻隔空氣S正好具有所需要的壓力，所以在部分密封裝置之后提取。通過這樣的提取減少了經(jīng)其余迷宮密封裝置的漏泄空氣量，所以使空氣損失量僅為最低限度，并因而使效率的損失降到最小，對軸承腔周圍的加熱也只是微不足道的。
顯然，本發(fā)明并不限于只有唯一的一根阻隔空氣導(dǎo)管22的這種結(jié)構(gòu)。最好在圍繞著軸承箱的任何可能位置，設(shè)置兩根或更多根這種導(dǎo)管。
圖4作為舉例表示了在一種分開式的迷宮密封裝置中，質(zhì)量流量比(轉(zhuǎn)子冷卻空氣總漏泄L1的質(zhì)量流量m1與實際上流入軸承腔16中的漏泄空氣L2的質(zhì)量流量m2之比)與密封帶數(shù)量比(n2/n1)和間隙尺寸比(s1/s2)之間的變化關(guān)系。質(zhì)量流量比m1/m2隨n2/n1和s1/s2的增大而增大。阻隔空氣S的量(m1-m2)及其壓力，可通過改變迷宮密封裝置的密封帶數(shù)量以及改變間隙尺寸而改變。
按本發(fā)明技術(shù)方案帶來的另一個重要優(yōu)點在于，不需要有從壓氣機單獨供應(yīng)阻隔空氣的裝置，也不必為阻隔空氣S在壓氣機中設(shè)單獨的抽取點。
為了使軸承腔16不會由于漏泄空氣以及來自排氣流A通過隔熱裝置11和支承結(jié)構(gòu)10(包括套筒31和支承肋30)傳入的熱流過多地加熱，對軸承腔16進行冷卻(見圖2)。進入軸承腔16的熱量，通過由鼓風(fēng)機23經(jīng)一根一直通到密封套18的導(dǎo)管送入的外界空氣，沿著在排氣擴壓器9中的通道8向外輸送。
密封套18分成兩個同心的環(huán)腔25、26，其中，環(huán)腔25用于阻隔空氣S，環(huán)腔26用于軸承腔冷卻空氣K?？諝饨?jīng)密封套18沿圓周均勻分布。
軸承腔16的上部借助于一個在軸承箱14與支承結(jié)構(gòu)10之間基本上平行于支承結(jié)構(gòu)10的頂蓋27，而下部借助于一塊滴油板28分成兩個腔室，此時，通過專門設(shè)置在密封套18冷卻空氣環(huán)腔26中的孔29，來確定在軸承腔16的兩個部分中所需要的冷卻空氣量。因此，支承結(jié)構(gòu)10可得到專門的沿圓周均勻的冷卻。同時，軸承箱14的圓周和設(shè)在頂蓋27內(nèi)部的構(gòu)件被分別冷卻。此時，頂蓋27的任務(wù)是防止構(gòu)件和軸承箱14受到熱輻射。
同樣地，在上部和下部來自冷卻空氣環(huán)腔26的冷空氣到刮油器13附近。從而保證只有冷空氣才進入軸承15中，在該處應(yīng)始終保持有一個低的負壓。
這種組合式的阻隔-冷卻系統(tǒng)具有的優(yōu)點是，保證可靠散熱；能在支承結(jié)構(gòu)、軸承和刮油器周圍均勻冷卻；通過選擇冷卻空氣環(huán)腔中孔的尺寸和數(shù)量，可具體地調(diào)整冷卻空氣流量；以及通過使用組合式的密封套，而能降低成本。
顯然，本發(fā)明并不限于上述實施例。在圖5和6中示出了本發(fā)明的另一實施方案。除上述實施例之外，在這里還在支承結(jié)構(gòu)10中設(shè)置了冷卻通道30。這些冷卻通道30位于支承肋20的根部，并通過孔29供入來自冷卻空氣環(huán)腔26的空氣。冷卻通道30最好設(shè)在支承肋20根部的兩側(cè)，并用來將那些來自排氣流的熱量在其進入套筒31和內(nèi)腔之前便耗散掉。
采取這一措施后，在支承肋的根部獲得精確的導(dǎo)熱系數(shù)，它能保證在所有的導(dǎo)流肋12處準確地散熱或有均勻的溫度。還可得到的另一些優(yōu)點是，通過目標明確地在冷卻通道中使用冷卻空氣，節(jié)省了空氣量，并獲得高的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，在內(nèi)部的殼體結(jié)構(gòu)周圍具有相同的溫度，因為空氣在通道中流動，因而沒有流動阻礙。
權(quán)利要求
1.熱力渦輪機，尤其是軸流式燃氣輪機排氣側(cè)的軸密封和冷卻的方法，其中，渦輪轉(zhuǎn)子(2)出口端的軸承設(shè)在排氣殼體的內(nèi)部，并采用迷宮式密封裝置(17)和密封套(18)進行密封，其中，為了軸的密封，將壓力高于排氣通道(32)中的排氣(A)壓力的阻隔空氣(S)引入密封套(18)，并緊接著進入排氣通道(32)；轉(zhuǎn)子冷卻空氣(R)取自壓氣機級，并經(jīng)導(dǎo)管(19)通過排氣側(cè)的軸端供入轉(zhuǎn)子(2)，其特征為轉(zhuǎn)子冷卻空氣漏泄量的一部分在一部分迷宮密封裝置之后被分流出來，并被用作阻隔空氣(S)；外界空氣作為冷卻空氣(K)引入軸承腔(16)，它與阻隔空氣(S)分開地經(jīng)過密封套(18)而均勻分布在圓周上，并通過排氣擴壓器(9)中的通道(8)向外輸送。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為通過改變迷宮密封裝置(17.1，17.2)的密封帶數(shù)量(n1，n2)以及通過改變迷宮密封裝置(17.1，17.2)各自的間隙尺寸(S1，S2)，調(diào)整阻隔空氣(S)的流量和壓力。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征為從密封套(18)的冷卻空氣環(huán)腔(26)流出的空氣用于冷卻支承肋(20)。
4.實施按照權(quán)利要求1所述方法的設(shè)備，其特征為-在被冷卻轉(zhuǎn)子(2)排氣側(cè)端部的迷宮密封裝置(17)被分隔開，在分開處至少設(shè)置一個中間抽氣裝置，此裝置至少有一根通往密封套(18)的阻隔空氣導(dǎo)管(22)，-還設(shè)有另一根終止于密封套(18)上的導(dǎo)管(24)，用于在軸承腔(16)中起冷卻空氣(K)作用的外界空氣，-密封套(18)分成兩個同心的環(huán)腔(25，26)，分別用于阻隔空氣(S)和冷卻空氣(K)，冷卻空氣環(huán)腔(26)經(jīng)由孔(29)與軸承腔(16)相連，以及-軸承腔(16)在上部用一個頂蓋(27)以及在下部用一塊滴油板(28)分割開。
5.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征為在排氣殼體(6)內(nèi)部構(gòu)件(7)中的支承結(jié)構(gòu)(10)與隔熱裝置(11)之間，沿著支承肋(20)設(shè)有沿軸向延伸的冷卻通道(30)；此冷卻通道(30)在其位于渦輪側(cè)的進口部分經(jīng)由孔(29)與密封套(18)的冷卻空氣環(huán)腔(26)相連，而在它的出口部分則與軸承腔(16)相通。
6.按照權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征為冷卻通道(30)設(shè)在支承肋(20)根部的兩側(cè)。
全文摘要
軸流式燃氣輪機排氣側(cè)軸密封和冷卻的方法與設(shè)備，其中，渦輪轉(zhuǎn)子出口端的軸承設(shè)在排氣殼體內(nèi)部，采用迷宮式密封裝置和密封套進行密封；為了軸的密封，將壓力高于排氣通道中排氣壓力的阻隔空氣引入密封套，隨后進入排氣通道；轉(zhuǎn)子冷卻空氣取自壓氣機級，并經(jīng)導(dǎo)管通過排氣側(cè)的軸端供入轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子冷卻空氣漏泄量的一部分，在經(jīng)過一部分迷宮密封裝置后分流出來，并被用作阻隔空氣。
文檔編號F01D11/00GK1127327SQ95117238
公開日1996年7月24日 申請日期1995年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年10月1日
發(fā)明者A·畢克, E·布呂威爾樂 申請人:Abb管理有限公司