專利名稱：用于渦輪機的能縮進的弓形密封環(huán)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及應用于彈性流體軸流式渦輪機的密封件，更具體地說，涉及到弓形密封環(huán)的密封件，這些密封件被安排在旋轉軸穿越固定殼體的地方，再者，被安排在渦輪機的各級各段之間的殼體內。
通常，這種已知的密封防止和減少了流體的泄漏，這是由于在旋轉和固定的零件之間形成的帶有低的流動系數(shù)的小間隙區(qū)域所造成的。這種密封的目的是提高效率，減少流體的損失和防止由于流體的泄漏而引起的不合乎需要的邊界效應。
然而，這些弓形的，迷宮式密封對于由渦輪機的安裝誤差，振動和熱變形所引起的摩擦損害是變得易損壞的。絕大多數(shù)這種造成摩擦損害的因素發(fā)生在起動階段，和在輕負荷或突然失去負荷以后的階段中。其結果，在這些條件下，將指望創(chuàng)造出相對來說大一些的間隙以減少對密封可能造成的損害，而在高負荷的條件下卻仍然要成為一個小間隙。在該高負荷的狀態(tài)下，其時效率是最高的，而相對于能對密封造成損害的絕大多數(shù)因素來說，其時渦輪機的運轉是穩(wěn)定的。
應當指出，渦輪機的設計者已經(jīng)采取重大的步驟來減少流體的泄漏。那些密封已由特殊選擇的材料所制成以減少由于摩擦造成的損害。該密封的幾何形狀被設計成薄齒形以在摩擦狀況下產生最少的熱和力。在起動條件下，能縮進的密封環(huán)具有大的徑向間隙，但當一個預定的流動狀態(tài)已經(jīng)達到時，該間隙就會自動地減小為一個小間隙狀態(tài)，這種能縮進的密封環(huán)已經(jīng)成功地應用于一些渦輪機中，在這些渦輪機中，流體壓力顯著大于弓形密封件的重力。然而，在渦輪機的低壓級中，弓形密封件的重力往往太大而不能成功地被現(xiàn)有的流體壓力所克服。其結果是，在低壓級中，配置能縮進的密封環(huán)是不現(xiàn)實的。這就使得用一種能回彈的密封環(huán)以迫使弓形密封件在所有時間內處于緊密間隙的位置上成為必要的了。一種這樣的能回彈的密封環(huán)裝置示于1977年4月12日頒布給G.勒吉(G.Lergen)的美國專利號4，017，088中，其中配置了彈簧以推動那些密封環(huán)在所有時間內向內導向轉子。這些能回彈的密封環(huán)使得彈簧力得以移動這些環(huán)以減少摩擦力以及損害。那些彈簧被安排得用來把密封環(huán)推向主軸，但卻又不會超出一個有限制的位置，這是被位于固定零件設置的肩部來達到的。盡管勒吉的專利提供了彈力以促使密封環(huán)保持在向內的，緊靠著轉子的位置以保證它們的密封功能，但這個專利沒有提供聯(lián)系到起動階段的摩擦，摩損和振動問題的解決辦法。
相反地，頒發(fā)給L.沃思(L.Warth)的美國專利號，3，594，010中公開了一種不對稱的設計，其中，作為傳統(tǒng)的T形密封環(huán)弧段以及相應的殼體的替代，沃思采用了一種不對稱的密封環(huán)，其中該密封環(huán)“T”形的右邊被切割成很短而渦輪機的殼體也做成類似形狀。為了在上游側的一側肩部以及下游側的密封環(huán)的切割掉的伸出部分上采用徑向作用的彈簧，沃思假定了可以忽略不計的側面摩擦力。該很不對稱的弓形形狀，具有一個徑向彈簧介于弓形件的一側的邊緣和殼體之間，當它們被彈簧和渦輪機的操作而向內或向外移動時沒有提供什么措施來保持那些弓形密封件的周向位置。再者，在這種沃思的設計中，位于渦輪機一側的弓形件可能在閉合位置時由于重力而下沉，從而可能與底部弓形件在其停機的過程中相干擾，并在該底部弓形件上施加了一個額外的力，當該底部弓形件移向它的閉合狀態(tài)時因為它必須克服它本身的重量和摩擦力外加要將側面弓形件推動向上，這就可能顯著地增加摩擦力并使底部弓形密封件的閉合即使不是不可能，也是很困難的。這樣沃思的系統(tǒng)是不能提供用于保持弓形密封環(huán)的周向位置的措施的，當這些弓形密封環(huán)被彈簧和渦輪機的操作而徑向向內和向外的話。
在1984年3月13日頒發(fā)給本發(fā)明的申請人羅納德·E.布蘭登(Ronald E.Brandon)的美國專利號4，436，311公開了一種弓形的迷宮形主軸密封系統(tǒng)用于流體渦輪機，其中徑向定位的彈簧被設計來將弓形密封件向外偏壓到一個大的間隙位置，以使弓形密封環(huán)的密封在起動或低負荷情況下處于低轉速和小負荷時得以定位于大間隙位置，而在中等至高負荷情況下處于高轉速和高的工作流體壓力時得以定位在小間隙位置。
當要設計作用在該弓形密封環(huán)上的單個彈簧時，其中一些應予考慮的因素如流體壓力，弓形密封環(huán)的重量和摩擦力以使在相應的低負荷和高負荷情況下，該弓形件處于大的和小的間隙位置。然而，在采用了可縮進的密封環(huán)時，那些處于渦輪機周向底部和下側的弓形密封環(huán)由于主要是從上面的弓形環(huán)作用在其上的重力而變得滯著是可能的，因此，這些弓形密封環(huán)可能不會閉合到如所要求的狀態(tài)的小間隙位置。這就可能由于增加了流體泄漏而降低了渦輪機的效率，并使得密封受到損害和較大的摩損，從而增加了維修費用。
于是，本發(fā)明的目的是提供一種密封環(huán)裝置，該裝置克服了在渦輪機起動期間，停機期間以及低負荷情況下發(fā)生的密封套和密封頂尖之間的摩擦問題。本發(fā)明的另一個目的是提供一種密封環(huán)裝置，在渦輪機起動期間，停機期間以及低負載情況下，其中弓形密封環(huán)的間隙是大的，而在渦輪機處于中等至高負荷情況下運轉期間，這個間隙變小了。本發(fā)明的另一個目的是提供一種密封裝置，其中那些弓形密封環(huán)在大間隙位置和小間隙位置之間在一個均勻狀態(tài)下來動作而不致于在弓形件之間發(fā)生干擾。本發(fā)明的又一個目的是提供一種密封環(huán)裝置，該裝置具有彈簧裝置，其動作是根據(jù)單獨的弓形密封環(huán)在渦輪機中的周向位置上的流體壓力，重量和摩擦力來設計的。本發(fā)明的還有一個目的是減少由于密封損壞的汽輪機維修費用，同時由于得以利用較小的運轉間隙并以較低的流體泄漏系數(shù)而使運轉效率較之現(xiàn)在已知的提高了。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的這些目的，提供了一種用于渦輪機的弓形密封環(huán)和彈簧系統(tǒng)以減少在旋轉的和固定的部件之間的泄漏，包括一個弓形密封環(huán)被支承在和至少部分地包容在該汽輪機殼體中形成的一個環(huán)狀T形槽內并圍繞著該汽輪機軸的周向延伸著。該彈簧系統(tǒng)包括一些彈簧定位于將密封環(huán)的弓形件進行偏壓以促使那些弓形件徑向向外到相對于該汽輪機軸來說的該密封環(huán)的大間隙的位置。每個彈簧的強度是按照弓形密封件的周向位置，流體壓力以及密封件的重量和摩擦力來選擇的，從而可保證那些弓形密封環(huán)在低的軸速和小的負荷時處于大間隙位置而在中等至高流量和高的工作壓力時，自由進入殼體和弓形密封環(huán)之間的環(huán)形空間的工作流體將克服所述彈簧力并促使那些弓形密封件進入小間隙位置。
特殊的重力彈簧被配置在下半部弓形密封環(huán)內，該彈簧的底端被固定在汽輪機殼體內而其頂端則對弓形密封件進行偏壓以產生一個在弓形件的向上力量來抵銷該弓形件的重量所引起的向下力量。該重力彈簧在垂直方向的彈力可與它支持的弓形件的重量相等以使用來閉合弓形密封件所需的流體壓力可以與徑向向外偏壓的彈力和摩擦力大致相等。
附圖簡要說明

圖1是一種多級軸流式渦輪機的一級的一部分的縱向剖視圖;斷面穿過一個弓形密封環(huán)中的一個弓形件。
圖2是按照本發(fā)明的一個實施例沿圖1的2-2線的橫向斷面視圖，示出了一種四個弓形密封環(huán)的型式，并帶有用來對弓形件施加偏壓以使徑向向外的彈簧，以及重力彈簧兩者;
圖3是與圖1類似的剖視圖，但與圖1和2中所示的具有小間隙位置相反，其不同處是該四個弓形密封件是處于大間隙位置;
圖4是按照本發(fā)明的另一實施例的類似于沿圖1的2-2線的橫向斷面視圖，示出了另一個弓形密封環(huán)與彈簧的結合，包括六個弓形密封環(huán)和配置在弓形件相鄰端之間的八個彈簧用來將弓形件施加偏壓使之徑向向外到大間隙位置，還包括重力彈簧用于兩個下部的弓形件和一個底部的弓形件;
圖5是用來支承上半個弓形密封環(huán)的特殊鎖定鍵的詳細視圖;
圖6是重力彈簧在其垂直作用位置上延伸進入一個下部的弓形密封件的孔中的側視圖;
圖7是一個力的圖解圖，示出了四個主要的力作用在上部弓形件上;
圖8是一個力的圖解圖，示出了四個主要的力作用在下部弓形件上;
圖9示出了一種變型的重力彈簧，用來導出一個徑向向內對著下部弓形密封件的力并有一個向上的重力分力，如圖解所示;
圖10是一個弓形密封環(huán)的透視圖。
參閱圖1和2，一個渦輪機包括一個轉子或軸，其一部分以11來表示，和一個殼體，其一部分以12來表示。對于級間的密封，該殼體12也可視為一個隔板。一個密封環(huán)13包括四個弓形件圍繞著轉子11延伸，如圖2所示的實施例。應當理解，幾個這樣的密封環(huán)13可以成串排列起來。再者，也應當理解，該渦輪機的未示出的必需包括的其余部分的裝置用來在高壓下導入蒸汽和在低壓下排出之，這些裝置有傳統(tǒng)的噴嘴，渦輪葉片，輪子和其他部件，但這些裝置不需要在本文中包括進去以描述本發(fā)明的密封環(huán)所進行的密封功能。通常，這里示出和描述的密封環(huán)是用于整個渦輪機的許多環(huán)中的典型代表，但是根據(jù)本發(fā)明所描述的密封環(huán)制成與彈簧相結合的變型設計則是一個例外。再者，也應理解，在本文中所用的“密封環(huán)13”和“密封環(huán)弓形件13”可以用于一個環(huán)或一個弓形件中的任一個，因此，應當結合上下文來閱讀。
密封環(huán)13包括多個齒14，該密封環(huán)配置在轉子11的圓周部分的對面，該齒的半徑是交替地成階梯形上下的。應當指出，別的齒的安排也可以采用的。在密封環(huán)13的側面18是高壓流體而在其側面19是低壓流體，也即圖1所示的分別是密封環(huán)13的左、右兩側面，這樣，將有一個正壓力使得在齒14和轉子11之間形成的小的間隙孔道所造成的多個節(jié)流阻力之間的流體發(fā)生泄漏。該間隙面積的綜合作用，齒形的相對銳利性，節(jié)流阻力的數(shù)目，流體條件包括其壓力和密度，以及泄漏通道的幾何形狀根據(jù)眾所周知的公式和經(jīng)驗成分來決定泄漏流體的數(shù)量。
該密封環(huán)13被夾住在殼體12的槽15中。根據(jù)圖2所示的實施例，該密封環(huán)13由四個弓形件組成并排列成一個圍繞轉子11的環(huán)，那些弓形件被配置在槽15內以適應殼體的裝拆，并將密封環(huán)的各段在殼體連接處27上分離開。螺旋式彈簧，在圖1中以編號16示出的，而在圖2和4中則以16a-16f并示出的，被放置在每個弓形密封環(huán)13的弓形件的端部，該端部在圖2和10中表示為接縫的端面13f，在弓形件的相鄰的端面13f之間處于一個壓縮狀態(tài)以將弓形環(huán)施加偏壓來移動到大間隙位置。這些彈簧16a-16f被定位裝進密封弓形件13的端面13f上形成的孔或穴22中。如圖2所示，在四個弓形密封環(huán)13的弓形件之間采用了六個彈簧16a-16f。這里，一個頂部彈簧16c插入在上部左、右密封環(huán)13之間的共同空間29內，兩個彈簧16d和16e在它們的空間31內分別作用靠向上部右邊弓形件13和下部右邊弓形件13上。兩個彈簧16b和16a在它們的空間33內分別作用靠向上部左邊弓形件13和下部左邊弓形件13，還有一個下部彈簧16f插入在下部左、右弓形件13的底部端面之間的空間32內。
那些弓形件13和彈簧16的穩(wěn)定的周向位置和夾持狀態(tài)由抗轉動鍵26來加以保證，鍵26是被配置在殼體連接處27的上、下兩邊。該抗轉動鍵26詳細示于圖5，包括一個長方形鍵塊48，該鍵塊48分別與殼體12的左、右側內的槽44和46相配裝。鍵塊48從殼體12處向外凸出進空間31和33并對密封環(huán)13的上部和下部弓形件提供了一個固定的水平支承面，同時將上部和下部弓形密封環(huán)隔離開。彈簧16a和16b以及16d和16e被插入到鍵塊48和弓形密封件的接縫端面13f之間?？罐D動鍵26由分別附裝到鍵塊48上的左、右側安裝螺栓50和52固緊在殼體12中的，螺栓50和52的螺紋端28和30延伸進入殼體12的孔51和53中，這些孔分別在鍵塊48的上面和下面。安裝螺栓50和52包括彈簧安裝裝置用來將螺紋端28和30伸進孔51和53中。應當指出，如果需要，抗轉動鍵26的下半部可以省掉，而將上部鍵26用螺栓28或30固緊到殼體12中。該抗轉動鍵26將那些彈簧保持和定位在與它們聯(lián)接的弓形密封環(huán)成適當?shù)膶薁顟B(tài)。當弓形密封環(huán)被促使進入它們的大間隙位置時，該抗轉動鍵26也幫助那些彈簧維持住它們的周向位置，并使得弓形密封環(huán)基本上不會發(fā)生周向的位移。
再參閱圖1和2，密封環(huán)13的每個弓形件包括了一個內環(huán)部，以編號13d表示之，該內環(huán)部具有密封齒14從其徑向內表面延伸出來，而其徑向外表面20a則借助于它與殼體12的徑向表面21a的接觸而限制了大間隙的大小。該密封環(huán)13還包括一個外環(huán)部13a被配置在殼體槽15內，該外環(huán)部13a具有一個內周表面13b限制了密封環(huán)弓形件的小間隙位置，這是由于該表面13b與殼體12的肩部12a上的表面17相接觸而阻止了那些弓形件的徑向向內移動所致。該密封環(huán)13還包括了一個頸部13c位于內環(huán)部13d和外環(huán)部13a之間并與殼體12的肩部12a相結合，借此該弓形環(huán)可加以軸向安置。該密封環(huán)頸部13c與外環(huán)部13a形成一個T形從而這個頸部13c借助于其頸部表面13e與殼體12的肩部表面12b的接觸而提供了一個壓接表面。
參閱圖2，6和8，一個重力彈簧36被包容在左、右下半部密封弓形件13的每個之中，并向下延伸進入殼體12內的一個孔或穴34中，該彈簧36與緊固在殼體12內的塞子35上配置的平面38相接觸。這個平坦的水平底表面對于垂直向的彈簧36是必需的，以保證施加在彈簧上的力可予以正確地確定。作為該塞子35的替代，這個平面也可由在殼體12上該彈簧穴34的底部加工出一個平坦的部位來提供，圖上未示出。在以上任一種情況下，鄰近于彈簧36的殼體12上的未加工部分應予倒圓，如在39處所示，以使該密封環(huán)弓形件13與該彈簧得以取出和裝入到位，重力彈簧36在弓形件13的外環(huán)部13a上產生一個向上的力量以抵消由弓形件13的重量導致的向下力量。最好，從重力彈簧36向上作用的彈力在垂直線上正好穿過弓形件的重心37。這在圖8的作用力示意圖中示出的，由一個由重力彈簧產生的垂直向上的力60直接作用在下部密封弓形件13的頸部13c上。該向上力60最好直接通過該下部左邊密封弓形件13的重心62。圖6示出了重力彈簧的位置延伸穿過該密封弓形件的外環(huán)部13a進入頸部13c區(qū)域內的一定深度所形成的圓柱形孔或穴64內，在那里，該彈簧抵靠在該穴64的端壁66上。圖8的作用力示意圖中示出了密封弓形件13的重量W與重力彈簧36的向上作用力Fg大致相等。
在低或無負荷狀況下，只有密封環(huán)弓形件13的重量，殼體12的邊界限制以及彈簧16a-16f的力和重力彈簧36的力作用在密封環(huán)13上。那些被選擇的彈簧具有足夠的力量和尺寸，以使在這些條件下使得密封環(huán)弓形件13在每一個弓形件連接處被分離開來。在最佳安排中，其中彈簧16a-16f被插入在密封環(huán)的相鄰的平端頭13f之間，這樣的彈簧促使那些弓形件在周向上的每個弓形件連接處使得它們分離開來，從而使得那些密封環(huán)弓形件獲得較大的直徑，該直徑只是由圖3所示的界定的大間隙位置所限制，在那里已經(jīng)沒有環(huán)形空間24和25(圖1)。這里，內環(huán)部13d的徑向向外表面20a與殼體12的徑向表面21a相接觸。在該接觸處，這里稱之謂“大間隙位置”的，如圖3所示，不會發(fā)生該密封環(huán)的進一步擴大。該環(huán)形空間24、25的大小做得足夠大，由于密封環(huán)弓形件13的徑向向外移動所致，以使該空間得以適應最壞的可能發(fā)生的過渡性的轉子和殼體之間的不對準性，而不致于損害到密封環(huán)齒14。這個環(huán)形空間的設計根據(jù)渦輪機的型式和體積是可以變化的。在負載建立起來時，壓力將克服彈簧力，那些密封環(huán)弓形件13將徑向向內移動直到弓形件表面13b和殼體肩部表面17相接觸的那一點為止。
這個彈簧和密封環(huán)設計的一個優(yōu)點是插放在那些密封環(huán)弓形件13的周向端頭13f之間的彈簧使得這些弓形件能保持在它們的周向位置上以致那些密封環(huán)弓形件閉合到小間隙位置時不需要周向和徑向兩者的移動。這是因為那些密封環(huán)弓形件和插放于其間的彈簧共同形成了一個圍繞著主軸的連續(xù)環(huán)，該連續(xù)環(huán)在大和小間隙位置之間擴張和收縮。這個彈簧和密封設計保持和控制了那些密封環(huán)弓形件的周向位置以致其閉合不需要密封環(huán)的徑向和周向兩者的移動，而密封環(huán)彼此之間的任何干擾和鎖住則可避免。再者，那些重力彈簧36協(xié)助減少或消除在下部密封弓形件上的重力的影響，這些重力否則會干擾密封環(huán)的徑向向內移動，這將更詳細地在下面加以描述。
在渦輪機加速到操作速度后并帶有部分負荷時，那些溫度差，振動以及不對準問題的最壞情況結束了。當負荷增加時，圍繞著密封環(huán)的流體壓力成比例地增加起來，這在下面還要進一步討論，使得彈簧16受壓縮而那些密封環(huán)弓形件13則徑向向內移動直到被密封環(huán)表面13b與殼體表面17的接觸所限制為止。密封環(huán)13的表面13b和殼體表面17之間的尺寸大小是根據(jù)要產生的最小間隙尺寸來選擇的，這個在齒14和轉子表面之間的最小間隙是根據(jù)在負載時，相對來說穩(wěn)定操作狀態(tài)時的實際情況來決定的。
在圖1和圖2中，密封環(huán)示出了其在高負荷，小間隙情況。密封的高壓側以編號18表示。由于一個或更多的開口23所產生的開放的通道的結果，這個高壓持續(xù)作用在環(huán)形空間24和15內。這些開口23，例如，可在肩部12a的高壓側做成局部切割口。密封的相對低壓側以編號19表示，而這個低壓狀況在環(huán)形空間25內也是持續(xù)存在的。
可以理解到這些軸向壓力的合力將使得密封環(huán)被推向低壓區(qū)域19以產生一個在密封環(huán)表面13e和殼體表面12b接觸處的抗泄漏密封。對于一個已知尺寸和壓力的幾何形狀，該軸向力的大小是很容易計算出來的。再者，也能計算出為了將密封環(huán)徑向移動而要克服的金屬之間摩擦力所需的徑向力。
在一個類似的構造中，但稍為復雜一些，該徑向力也能加以確定。除了沿著所述密封環(huán)的內環(huán)部13d上的面對轉子11的內表面上的壓力分布以外，其他所有在上述兩段中所述的壓力都是視為相等的。穿越密封的每個齒14都有一個壓力降。利用通過每個齒的流動連續(xù)性的已知條件，加上不變熱焓量的膨脹，運用一系列恒定面積節(jié)流就能計算出相對正確的壓力分布。在某些密封環(huán)上，一個高的馬赫數(shù)(mach number)的存在使計算復雜起來，但這將為熟悉本行業(yè)的專業(yè)人員所知道和估計出來。
徑向壓力分布是用來選擇密封環(huán)13的尺寸以使在密封環(huán)13上的向內合力達到合適的程度。更具體地說，圖7示出了四種力量是必須考慮的并順序用來適當解決如前所述的密封環(huán)弓形件的摩擦問題，在本案中，用來解決一個上部密封環(huán)弓形件的問題。第一個力量是軸向和徑向的蒸汽壓力，P(軸向)以70表示，P(徑向向外)以72表示，以及P(徑向向內)以74表示。第二種力量是密封環(huán)13的重力W(重量)以76表示。第三種力量是在密封環(huán)13和它的稱為殼體12的夾持器之間的摩擦力F(摩擦)以78表示，這個力量阻止密封環(huán)13的運動。第四種力量是彈簧力F1和F2，以80和82表示。這是由彈簧16提供的。應當注意到還有在弓形件平端頭13f上的小的壓力要加到彈簧力80和82上。設計的目的是對密封環(huán)13建立起一個力的條件以使該密封環(huán)13克服它的重量，彈簧力和摩擦力，為的是來移動這個密封環(huán)到它的向內的或小間隙位置，如圖1和2所示，這是對于當渦輪機在一個小的，但是明顯的負荷例如15到35%的負載之下運轉時可以預計到這時存在的流體壓力條件來說的。
那些熟悉彈性流體渦輪機的人將會理解，貫穿渦輪機的絕大部分地點的內部壓力是與負載成比例的。當負載和質量流量增加時，局部壓力大致上以直線形式增長。在這種情況下，穿過渦輪機的各級和絕大多數(shù)渦輪機密封環(huán)的壓力降也可預計到并與增長的負荷和流體成直線形式的增加。這種關系可使一個設計者來為每個密封環(huán)選擇好一個負載和壓力的條件，其中該壓力能被指望來克服重量，彈力和摩擦力的組合影響以將密封環(huán)移動到它的小間隙位置。如上所述，設計者能部分地控制這個情況，這是由于在密封環(huán)和彈簧組合中采用了可變的尺寸，重量和彈簧常數(shù)。
在密封環(huán)處于渦輪機的高壓部操作的例子中，重力相對于有效的蒸汽壓力來說是小的，而正常的運轉是能保證的，如在上面已引用過的頒發(fā)給本發(fā)明的申請人羅納德·E·布蘭登的美國專利號4，436，311中所描述者。然而，對于渦輪機中具有相對小壓力的條件的地方，那些弓形件必須做得重量輕些并對徑向向外彈簧應有較弱的彈簧常數(shù)，在本案中是指彈簧16。這些重量和彈簧常數(shù)的調整往往不能滿足要求。這樣，本發(fā)明提供了重力彈簧36，其目的是在某些密封環(huán)弓形件13上抵消重力的影響，如前所述，本來在通常情況下需要足夠的壓力不僅要壓縮彈簧16和克服摩擦力，還要為了使得那些弓形件移位到閉合間隙位置而外加舉起那些下部密封弓形件的重量。應當指出，對于上部密封弓形件的情況，如圖2所示，相當于重力彈簧36的彈簧16b和16d被配置在水平連接處。這種彈簧16b和16d的選擇和其尺寸大小必須做到提供一個垂直力，該垂直力等于每個弓形件的重量加上一個額外的數(shù)量以抗拒企圖強使弓形件向著閉合間隙位置的壓力。頂部彈簧16c必須提供足夠的力量以抗拒密封弓形件由于它們自身的重量在頂部下沉的趨向，并且附加上防止由于壓力而過早地閉合。
對于下部密封弓形件13，可以指望選擇重力彈簧36的重力Fg，如圖8中60所示，使其垂直分力等于密封弓形件的重量W，以84所示，以使弓形件的閉合運動得以簡單的完成，這是由于克服了彈簧16a和16f的力量86和88以及摩擦力90。應當指出，那些端面力，諸如在圖8中所示的86和88，不僅包括了以上論及的彈簧力，還應包括作用在端面13f面積上的壓力，該壓力趨向于阻止閉合。那些彈簧力86和88被選擇來以使當渦輪機達到一個小的但是顯著的負荷時，例如10至25%時，其時的壓力P(向外)，以92表示，以及P(向內)以94表示，得以形成閉合。在這個結構中，重力彈簧36被提供來使下半部密封弓形件13得以起到一種作用，似乎它們只有很小的或沒有重量，從而使得可縮進的密封弓形件和環(huán)得以閉合到一個小間隙位置，即使渦輪機的這些級是在很低壓力水平下運轉的話。
應當注意到，當弓形件閉合時，作為彈簧伸展位置和運動的結果，彈簧力將有改變。這里，最好是采用那種貫穿預期的運動各階段能保持大致不變力量的彈簧。如果存在彈簧力在其各個階段中發(fā)生顯著變化的話，這種變化必須在彈簧和密封環(huán)的選擇的計算中考慮進去。再者，除了這里所述的螺旋形彈簧，其他形式的彈簧，例如平板彈簧也是可以采用的。彈簧必須具有長的壽命和穩(wěn)定的特征，盡管當暴露在高溫，振動和可能的腐蝕性條件中。
熟悉本行業(yè)的專業(yè)人員能夠確定所有如圖2、6、7和8中所示的上述的力量，從而可確定那些彈簧所需的彈力以達到本發(fā)明這里所述的目的。最好所有作用在每個弓形件上的力綜合成徑向和周向的分力。當那些抗拒閉合運動的力與那些促成閉合運動的力相等時，則可理解到流體的進一步增加將促成閉合運動。
盡管上述的和所示的螺旋形彈簧36是垂直向上抵住那些下部密封弓形件13，應當指出，作為替換，該彈簧36也能安排來在徑向上推動，這樣的彈簧36示于圖9中，這個彈簧具有足夠大小的徑向力Fr，以94表示，它的垂直分力Fg，以96表示，大致等于弓形件的重量W。在這種情況下，那些彈簧16，特別是圖2中所示的彈簧16f必須設計得將彈簧36的以98表示的水平分力Fh考慮進去。
參閱圖4，是一個密封裝置的變型，其中有六個密封弓形件13構成了一個環(huán)，還有四個彈簧16b，16c，16d和16e裝進頂部密封弓形件，而四個彈簧16f、16g、16h和16a則裝進底部密封弓形件的端部13f中從而對弓形件13施加偏壓以作徑向向外移動而進入如上所述的大間隙位置。這里，三個重力彈簧36放入殼體12的穴內，其情況是類似于圖2所述的實施例，同時也延伸進入底部和兩下側密封弓形件13的穴中以抵消或中和該底部和下部弓形件13的重量。再者，如圖2的實施例所述，抗轉動鍵26也被提供來用于側面密封弓形件并基本上以圖2中實施例的同樣形態(tài)裝到殼體12中。
盡管提供了本發(fā)明的最佳實施例的說明和附圖，在不違背本發(fā)明的精神和范圍的情況下各種其他的變型是可能做到的。例如，由每個重力彈簧提供的垂直力的向上分力并不是需要與相應的下部密封環(huán)弓形件的重量分力完全平衡或中和，而寧可選擇來部分平衡這個密封弓形件的重量，在這種情況下，那里的流體的壓力是足以抵消一部分密封弓形件的重量的。
權利要求
1.一種采用弓形密封環(huán)的彈性流體渦輪機以減少在旋轉的和固定的部件之間的彈性流體的泄漏，同時還提供了在所說的部件之間處于起動和輕負荷期間的一個大間隙以防止所說的密封環(huán)的損壞，其特征在于，包括一個圍繞著旋轉軸的固定的渦輪機殼體具有一個形成于其中的環(huán)形的T字狀槽并圍繞著所說的軸的外周延伸，所說的環(huán)形槽部分地由一對在所說的殼體上的對面的、間隔開的環(huán)形肩部所界定，并形成了一個所說的環(huán)形槽的環(huán)形開口，該環(huán)形開口徑向進入在所說的殼體和所說的軸之間的間隙區(qū)域；一個弓形密封環(huán)由所說的槽支承并至少部分地包容在其內，所說的密封環(huán)包括位于圍繞所說的軸的上半部的密封弓形件以及位于圍繞所說的軸的下半部的密封弓形件，每個密封弓形件具有密封齒；位于抵靠在所說的密封弓形件上的徑向彈簧促使所說的密封弓形件徑向向外以形成一個較大直徑的環(huán)，從而對所說的密封環(huán)與所說的軸之間提供了一個大間隙位置，由此當在低轉速和小的渦輪機負荷時，該徑向彈簧提供的力量將起主要作用，而所說的密封弓形件將被迫進入所說的大間隙位置，反之，當在高流量和高的工作壓力時，工作流體將克服該徑向彈簧力并促使所說的密封環(huán)弓形件進入一個小間隙位置；重力彈簧裝置包括至少一個重力彈簧位于所說的渦輪機殼體的下半部分和至少一個下部密封弓形件之間，所說的重力彈簧產生一個向上的垂直力針對所說的下部密封弓形件以抵消其向下的重力；借助于所說的重力彈簧，由于中和了所說的下部密封弓形件的重力，從而防止了當密封弓形件徑向向內移動到所說的小間隙位置時在那些下部密封弓形件之間的摩擦和干擾。
2.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征是，每個所說的重力彈簧包括一個壓縮式螺旋形彈簧具有下端部和上端部，其下端部座落抵靠在所說的渦輪機殼體的下半部上。而其上端部偏壓在一個下部密封弓形件上以對其產生一個向上的垂直力。
3.根據(jù)權利要求2所述的渦輪機，其特征是，還包括裝在所說的渦輪機殼體上的用來固定每個所說的重力彈簧的下端部到所說的渦輪機殼體的裝置。
4.根據(jù)權利要求2所述的渦輪機，其特征是，所說的渦輪機殼體包括一個穴用來容納所說的重力彈簧的下端部，以及一個底座位于所說的穴的底部，該底座提供了一個平坦的底表面用于所說的重力彈簧的下端部，而所說的下部密封弓形件包括一個穴用來容納所說的重力彈簧的上端部于其內。
5.根據(jù)權利要求2所述的渦輪機，其特征是，每個所說的重力彈簧處于垂直位置，并以其所說的下端部垂直地位于所說的上端部的下面。
6.根據(jù)權利要求2所述的渦輪機，其特征是，所說的重力彈簧位于所說的渦輪機殼體上以使它的彈力向上的作用線通過所說的下部密封弓形件的重心，所說的重力彈簧就這樣抵向該下部密封弓形件。
7.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征是，每個所說的重力彈簧的垂直向上的分力與該重力彈簧抵向的相對應的下部密封弓形件的重量相等。
8.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征是，所說的弓形密封環(huán)包括兩個上部密封弓形件和兩個下部密封弓形件，在每個所說的下部密封弓形件有所說的重力彈簧之一抵向其上以提供一個向上的垂直力抵住每個所說的兩個下部密封弓形件以抵消該對應的密封弓形件的重量。
9.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征是，所說的弓形密封環(huán)包括三個上部密封弓形件和三個下部密封弓形件，在每個所說的三個下部密封弓形件有所說的重力彈簧之一抵向其上以提供一個向上的垂直力抵住每個所說的三個下部密封弓形件以抵消該對應的密封弓形件的重量。
10.根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其特征是，所說的弓形密封環(huán)包括多個單獨的密封環(huán)弓形件，由插放在其間的所說的單獨的一個徑向彈簧加以分隔，每個所說的徑向彈簧包括一個壓縮式彈簧插入在所說的兩對面的密封弓形件的平端頭之間以對所說的密封弓形件施加偏壓使之徑向向外達到所說的大間隙位置。
11.根據(jù)權利要求10所述的渦輪機，其特征是，還包括裝在所說的殼體上，位于所說的上部和下部密封環(huán)弓形件之間的交會處附近的抗轉動鍵，所說的抗轉動鍵插入在一個上部徑向彈簧和一個下部徑向彈簧之間用來牢固地支承所說的徑向彈簧和將所說的徑向彈簧和密封弓形件保持和定位在其周向位置上，這是由于防止了密封環(huán)相對于所說的殼體作轉動來達到的。
12.一種用于渦輪機的能縮進的弓形密封環(huán)，以減少在旋轉的和固定的部件之間的彈性流體的泄漏，同時還提供了在所說的部件之間處于起動和輕負荷期間的一個大間隙以防止所說的密封環(huán)的損壞，其特征在于包括一個圍繞著旋轉軸的固定的渦輪機殼體并在其內具有一個環(huán)形槽圍繞著所說的軸延伸，所說的環(huán)形槽部分地由一對在所說的殼體上對面的、間隔開的環(huán)形肩部所界定，并形成了一個所說的環(huán)形槽的環(huán)形開口，該環(huán)形開口徑向進入所說的殼體和所說的軸之間的間隙區(qū)域;一個弓形密封環(huán)由所說的槽支承并至少部分地包容在其內，所說的密封環(huán)包括位于圍繞所說的軸的上半部的密封弓形件以及位于圍繞所說的軸的下半部的密封弓形件，每個密封弓形件具有密封齒;第一彈簧裝置包括徑向彈簧用來將所說的密封環(huán)的所說的弓形件徑向定位，該彈簧包括一個壓縮式彈簧插放在所說的密封環(huán)弓形件相鄰端部之間，以使所說的徑向彈簧在周向上施力以促使所說的密封環(huán)弓形件分離和徑向向外移動而形成一個較大直徑的環(huán)，從而提供了一個所說的密封環(huán)與所說的軸之間的大間隙位置;第二彈簧裝置包括至少一個重力彈簧位于所說的渦輪機殼體的下半部和至少一個下部密封弓形件之間，所說的重力彈簧裝置產生一個向上的垂直力抵住在所說的下部密封弓形件上以抵消其向下的重力;所說的大間隙位置是這樣界定的，以使在低轉速和小的渦輪機負荷時該彈力將起主要作用，而所說的密封環(huán)弓形件將被迫進入所說的大間隙位置，反之，當在高流量和高的工作壓力時，工作流體將克服該徑向彈簧力并促使所說的密封環(huán)弓形件進入一個小間隙位置;借助于所說的重力彈簧，由于中和了所說的下部密封弓形件的重力，從而防止了當密封弓形件徑向向內移動到小間隙位置時在那些下部密封弓形件之間的摩擦和干擾。
13.根據(jù)權利要求12所述的渦輪機，其特征是，每個所說的重力彈簧包括一個壓縮式螺旋形彈簧具有一個下端部和一個上端部，其下端部座落抵靠在所說的渦輪機殼體的下半部上，而其上端部偏壓在一個下部密封弓形件上以對其產生一個向上的垂直力。
14.根據(jù)權利要求13所述的渦輪機，其特征是，還包括裝在所說的渦輪機殼體上的用來固定每個所說的重力彈簧的下端部到所說的渦輪機殼體的裝置。
15.根據(jù)權利要求13所述的渦輪機，其特征是，所說的渦輪機殼體包括一個穴用來容納所說的重力彈簧的下端部，以及一個底座位于所說的穴的底部，該底座提供了一個平坦的底表面用于所說的重力彈簧的下端部，而所說的下部密封弓形件包括一個穴用來容納所說的重力彈簧的上端部于其內。
16.根據(jù)權利要求13所述的渦輪機，其特征是，每個所說的重力彈簧處于垂直位置，并以其所說的下端部垂直地位于所說的上端部的下面。
17.根據(jù)權利要求13所述的渦輪機，其特征是，所說的重力彈簧位于所說的渦輪機殼體上以使它的彈力向上的作用線通過所說的下部密封弓形件的重心，所說的重力彈簧就這樣抵向該下部密封弓形件。
18.根據(jù)權利要求12所述的渦輪機，其特征是，每個所說的重力彈簧的垂直向上的分力與該重力彈簧抵向的相對應的下部密封弓形件的重量相等。
19.根據(jù)權利要求12所述的渦輪機，其特征是，所說的弓形密封環(huán)包括兩個上部密封弓形件和兩個下部密封弓形件，在每個所說的下部密封弓形件有所說的重力彈簧之一抵向其上以提供一個向上的垂直力抵住每個所說的兩個下部密封弓形件以抵消該對應的密封弓形件的重量。
20.根據(jù)權利要求12所述的渦輪機，其特征是，所說的弓形密封環(huán)包括三個上部密封弓形件和三個下部密封弓形件，在每個所說的三個下部密封弓形件有所說的重力彈簧之一抵向其上以提供一個向上的垂直力抵住每個所說的三個下部密封弓形件以抵消該對應的密封弓形件的重量。
21.一種采用弓形密封環(huán)的密封系統(tǒng)以減少彈性流體渦輪機的旋轉軸和固定殼體之間的泄漏，所說的密封系統(tǒng)提供了一個在起動和輕負荷期間的在所說的軸和殼體之間的大間隙以防止所說的密封環(huán)的損壞，其特征在于，包括一個弓形密封環(huán)被支承和至少部分地被包容在一個槽內，所說的密封環(huán)包括圍繞所說的密封環(huán)上半部的上部密封弓形件以及圍繞所說密封環(huán)的下半部的下部密封弓形件，每個密封弓形件具有密封齒;徑向彈簧定位于抵住所說的密封弓形件以促使所說的密封弓形件徑向向外以形成一個較大直徑的環(huán)，該環(huán)提供了一個所說的密封環(huán)與軸之間的一個大間隙位置，當處于低速旋轉和小的渦輪機負荷時，所說的徑向彈簧提供的徑向力將起主要作用，而所說的密封弓形件將被迫達到所說的大間隙位置，反之，當在高流量和高的工作壓力時，工作流體將克服該徑向彈簧力并促使所說的密封弓形件進入一小間隙位置;重力彈簧裝置包括至少一個重力彈簧位于至少一個下部密封弓形件的底部，所說的重力彈簧產生一個向上的垂直力抵住所說的下部密封弓形件以抵消其向下的重力;從而所說的重力彈簧由于中和了所說的下部密封弓形件的重力，當這些下部密封弓形件徑向向內到達所說的小間隙位置時，防止了在密封弓形件之間的摩擦和干擾。
22.根據(jù)權利要求21所述的密封系統(tǒng)，其特征是，每個所說的重力彈簧包括一個壓縮式螺旋形彈簧具有一下端部和一個上端部，其下端部被座落抵住在所說的渦輪機殼體上，而其上端部則偏壓抵靠在一個下部密封弓形件上以產生一個向上的垂直力抵住所說的密封弓形件。
23.根據(jù)權利要求22所述的密封系統(tǒng)，其特征是，每個所說的重力彈簧垂直地定位并以其所說的下端部位于其所說的上端部的下面的垂直位置上。
24.根據(jù)權利要求22所述的密封系統(tǒng)，其特征是，所說的重力彈簧被定位于所說的密封環(huán)弓形件內以使其彈力向上的作用線通過所說的下部密封弓形件的重心。
25.根據(jù)權利要求22所述的密封系統(tǒng)，其特征是，每個所說的重力彈簧的垂直向上的分力與其指向抵住的對應的下部密封弓形件的重量相等。
26.根據(jù)權利要求21所述的密封系統(tǒng)，其特征是，所說的弓形密封環(huán)包括多個單獨的密封環(huán)弓形件被插放在其間的所說的徑向彈簧的單獨的一個所間隔開，每個所說的徑向彈簧包括一個壓縮式彈簧插放在所說的兩對面的密弓形件的平端頭之間以將所說的密封弓形件徑向向外偏壓到所說的大間隙位置。
全文摘要
一種用于汽輪機的弓形密封環(huán)和彈簧系統(tǒng)以減少旋轉的和固定的部件之間的泄漏，并防止該處的損壞和磨損，包括一個弓形密封環(huán)，當在低速和低負荷時，以第一彈簧偏壓抵住其上促使其徑向向外到大間隙位置，反之，當在高流量和高壓時，工作流體將克服彈力并促使密封弓形件進入小間隙位置。重力彈簧配置在下部密封弓形件和渦輪機殼體之間以產生向上的力抵消弓形件向下的力，并與弓形件的重量相等，以避免弓形件作徑向向內移動時的摩擦和干擾。
文檔編號F16J15/44GK1090370SQ93114718
公開日1994年8月3日 申請日期1993年11月24日 優(yōu)先權日1993年1月4日
發(fā)明者羅納德·E·布蘭登 申請人:羅納德·E·布蘭登