專利名稱：用于渦輪機(jī)械內(nèi)可調(diào)整的密封件的促動(dòng)壓力控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)器，且更特定地涉及用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的促動(dòng)密封件。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)機(jī)器不受限制地包括蒸汽渦輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)和壓縮機(jī)。蒸汽渦輪機(jī)具有蒸汽通道，蒸汽通道典型地以串聯(lián)流動(dòng)關(guān)系包括蒸汽入口、渦輪機(jī)和蒸汽出口。燃?xì)鉁u輪機(jī)具有燃?xì)馔ǖ?，燃?xì)馔ǖ赖湫偷匾源?lián)流動(dòng)關(guān)系包括空氣進(jìn)口(或入口)、壓縮機(jī)、燃燒器、渦輪機(jī)和氣體出口(或排放噴嘴)。燃?xì)饣蛘羝麖娜細(xì)饣蛘羝ǖ赖男孤┏龌蛐孤┑饺細(xì)饣蛘羝ǖ纼?nèi)，即從較高的壓力區(qū)域到較低的壓力區(qū)域的泄漏一般地是不希望的。例如，在燃?xì)鉁u輪機(jī)的渦輪機(jī)區(qū)域或壓縮機(jī)區(qū)域內(nèi)的、在渦輪機(jī)或壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和周向圍繞的渦輪機(jī)或壓縮機(jī)外殼之間的燃?xì)馔ǖ佬孤⒔档腿細(xì)鉁u輪機(jī)的效率，從而導(dǎo)致增加的燃料成本。在蒸汽渦輪機(jī)的渦輪機(jī)區(qū)域內(nèi)的、在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和周向圍繞的外殼之間的蒸汽通道泄漏也將降低蒸汽渦輪機(jī)的效率，從而導(dǎo)致增加的燃料成本。
在蒸汽渦輪機(jī)領(lǐng)域中已知，在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和周向圍繞的外殼之間單獨(dú)地或組合地以周向陣列定位帶有或不帶有刷密封件的迷宮密封段，以最小化蒸汽通道泄漏。彈簧徑向向內(nèi)地保持段靠外殼的表面，使得在密封件和轉(zhuǎn)子之間建立了徑向間隙，但在轉(zhuǎn)子接觸情況中允許段徑向向外移動(dòng)。雖然單獨(dú)地或組合地帶有刷密封件的迷宮密封件被證明是相當(dāng)可靠的，但迷宮密封件的性能隨時(shí)間退化，其原因是其中靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件干涉的瞬態(tài)情況，從而將迷宮齒磨損為“蘑菇形”外形，且打開(kāi)了密封間隙。
降低因磨損的退化的一個(gè)裝置已使用了“正壓力”可變間隙迷宮式填塞，其中彈簧用于在無(wú)流動(dòng)或低流動(dòng)情況下保持填塞環(huán)段的打開(kāi)，在此期間最可能發(fā)生這樣的磨損。在作用為將環(huán)關(guān)閉到關(guān)閉運(yùn)行位置的更高的載荷下，環(huán)境蒸汽力克服了彈簧。然而，希望的是提供“主動(dòng)控制”可變間隙設(shè)備，其中通過(guò)內(nèi)部促動(dòng)器在最可能發(fā)生磨損的情況期間將填塞環(huán)段保持為抵抗彈簧和蒸汽力而打開(kāi)。在磨損不可能的運(yùn)行情況下，促動(dòng)器力降低，從而允許彈簧和蒸汽力將段移動(dòng)到其關(guān)閉運(yùn)行位置。
為促動(dòng)這樣的“主動(dòng)”或“可調(diào)節(jié)”密封件抵抗蒸汽力，經(jīng)常要求促動(dòng)器內(nèi)的高壓。另外，在某些當(dāng)密封件需要快速打開(kāi)的情況中，必須在促動(dòng)器內(nèi)在非常短的時(shí)間周期內(nèi)建立高壓。然而產(chǎn)生了這樣的問(wèn)題，即促動(dòng)器內(nèi)過(guò)度高的壓力差趨向于降低其使用壽命。另外，因?yàn)榇賱?dòng)介質(zhì)的可壓縮性，例如在以空氣或其他氣體或液體作為介質(zhì)的情況中，在促動(dòng)器內(nèi)建立壓力所用的時(shí)間可能比希望促動(dòng)且因此保護(hù)密封件的時(shí)間長(zhǎng)。另外，在某些當(dāng)渦輪機(jī)蒸汽壓力下降的情況中，希望相應(yīng)地使促動(dòng)器降壓以避免在促動(dòng)器內(nèi)相對(duì)于環(huán)境蒸汽壓力的過(guò)度的壓力。因?yàn)榇賱?dòng)介質(zhì)的可壓縮性，如果此通氣過(guò)程所用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則在促動(dòng)器內(nèi)的過(guò)度的壓力可能降低其使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的典型實(shí)施例中，在靜止和旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)械構(gòu)件之間的可調(diào)整的密封段的促動(dòng)被主動(dòng)地控制?？烧{(diào)整的密封段的每個(gè)與至少一個(gè)控制了密封段位置的促動(dòng)器聯(lián)接。方法包括如下步驟監(jiān)測(cè)或估計(jì)渦輪機(jī)械內(nèi)的環(huán)境壓力，該環(huán)境壓力代表了作用在促動(dòng)器上的促動(dòng)器背壓，和將促動(dòng)器加壓到足以用于希望的密封運(yùn)行(例如打開(kāi)或關(guān)閉)的水平且基于促動(dòng)器背壓控制促動(dòng)器壓力。
在本發(fā)明的另一個(gè)典型的實(shí)施例中，促動(dòng)系統(tǒng)促動(dòng)了在靜止和旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)械構(gòu)件之間的可調(diào)整的密封段。系統(tǒng)包括至少一個(gè)與可調(diào)整的密封段的每個(gè)聯(lián)接的促動(dòng)器，促動(dòng)器分別控制密封段的位置。至少一個(gè)壓力系統(tǒng)布置在渦輪機(jī)械內(nèi)，壓力系統(tǒng)測(cè)量或估計(jì)渦輪機(jī)械內(nèi)的環(huán)境壓力，其中環(huán)境壓力代表作用在促動(dòng)器上的促動(dòng)器背壓?？刂破骰谙Ｍ拿芊膺\(yùn)行(例如打開(kāi)或關(guān)閉)確定促動(dòng)壓力，且與控制器和壓力系統(tǒng)通信且與促動(dòng)器流體連通的壓力調(diào)節(jié)器為促動(dòng)器加壓到促動(dòng)壓力(例如使用空氣供給)且基于促動(dòng)器背壓控制促動(dòng)器壓力。


圖1圖示了典型的蒸汽渦輪機(jī)；圖2示出了典型的蒸汽渦輪機(jī)的序號(hào)2(N2)填塞內(nèi)的密封件的典型應(yīng)用，其中填塞環(huán)包括在填塞頭內(nèi)，又位于組合高壓(HP)和中間壓力(IP)區(qū)的殼(外殼)內(nèi)；圖3是在圖2中示出的N2填塞頭的視圖，帶有已降壓并收回的促動(dòng)器；圖4是N2填塞頭的視圖，帶有已加壓和延伸的促動(dòng)器；和圖5是用于促動(dòng)介質(zhì)供給和壓力調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)和硬件的示意性圖示。
具體實(shí)施例方式
圖1圖示了如典型旋轉(zhuǎn)機(jī)器的典型的蒸汽渦輪機(jī)。在軸填塞位置序號(hào)N1、N2和N 3之間，渦輪機(jī)包括壓力變化區(qū)，包括高壓區(qū)(HP)和中間壓力區(qū)(IP)。(低壓區(qū)(LP)在位于填塞N4和N5之間的第二外殼內(nèi)使用)。在此情況中，N2填塞包括在填塞頭內(nèi)，該填塞頭包括在組合HP-IP殼(或外殼)內(nèi)。
圖2是N2填塞頭12的部分截面視圖，填塞頭12包括在殼13內(nèi)且布置為圍繞旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，例如轉(zhuǎn)子15。N2填塞頭12包括多個(gè)由環(huán)段14構(gòu)成的填塞環(huán)，用于密封關(guān)閉旋轉(zhuǎn)構(gòu)件15。填塞環(huán)典型地例如限定有六個(gè)60度的段。面向旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的徑向內(nèi)表面提供有不同高度的齒構(gòu)件16，它們限定了困難的通道或迷宮密封件，以防止蒸汽沿軸的泄漏。如上所論述，其中靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件有害地接觸的瞬態(tài)情況可能發(fā)生在渦輪機(jī)內(nèi)，因此磨損了迷宮齒16，打開(kāi)了密封間隙且使齒的鋒利尖端變鈍從而失去功能性。
存在氣動(dòng)促動(dòng)密封段14關(guān)閉到旋轉(zhuǎn)構(gòu)件和從旋轉(zhuǎn)構(gòu)件離開(kāi)以因此保護(hù)密封件不受磨損且改進(jìn)機(jī)器性能的技術(shù)。參考圖3，可調(diào)整的密封段14與控制了密封段14的位置的促動(dòng)器18聯(lián)接。密封段14的每個(gè)可以由促動(dòng)器18打開(kāi)或保持打開(kāi)，使得密封段14收回到徑向最外側(cè)位置(圖4)，或密封段14可以由彈簧力和蒸汽壓力關(guān)閉或保持關(guān)閉(圖3)，使得密封段14布置在徑向最內(nèi)側(cè)位置，其中段14的齒16關(guān)閉到旋轉(zhuǎn)構(gòu)件15。
圖5是用于空氣供給和壓力控制的系統(tǒng)和硬件的示意性圖示?？諝夤┙o30提供了加壓空氣或氣體到壓力調(diào)節(jié)器40。促動(dòng)器18示意性地圖示。在優(yōu)選布置中，對(duì)于每個(gè)密封段14存在三個(gè)促動(dòng)器18，且因此對(duì)于每個(gè)填塞環(huán)存在十八個(gè)促動(dòng)器?？梢陨俚矫總€(gè)段一個(gè)促動(dòng)器而足以用于一些應(yīng)用。
在機(jī)器內(nèi)無(wú)壓力時(shí)，彈簧或彈簧組將密封段14偏置為關(guān)閉到旋轉(zhuǎn)構(gòu)件15，此位置被稱為關(guān)閉情況。在使用期間，在區(qū)域22和23內(nèi)即填塞環(huán)段14的上游和下游(圖3)處分別建立了顯著的蒸汽壓力，該壓力是渦輪機(jī)械內(nèi)的環(huán)境壓力。這些壓力在圖3至圖5中標(biāo)為P1和P2。在向前流動(dòng)的情況中，當(dāng)密封段向右偏置時(shí)，在密封段后的區(qū)域24具有壓力P1。在相反的流動(dòng)情況中，當(dāng)密封段向左偏置時(shí)，在密封段后的區(qū)域24具有壓力P2。
在區(qū)域24內(nèi)的壓力代表了作用在促動(dòng)器18上的促動(dòng)器背壓。在優(yōu)選實(shí)施例中，環(huán)境壓力通過(guò)例如壓力換能器的合適的壓力測(cè)量設(shè)備被直接測(cè)量，且通過(guò)例如CPU等的控制器31監(jiān)測(cè)。在替代實(shí)施例中，這些環(huán)境壓力可以由控制器間接估計(jì)。在任一情況中，控制器基于環(huán)境壓力發(fā)送合適的命令到壓力調(diào)節(jié)器40，壓力調(diào)節(jié)器40又將促動(dòng)器18加壓到足以用于希望的密封運(yùn)行(打開(kāi)、保持打開(kāi)、關(guān)閉或保持關(guān)閉)的水平，使得促動(dòng)器18從不被過(guò)度加壓或過(guò)度反向加壓，過(guò)度加壓是當(dāng)促動(dòng)器壓力超過(guò)用于某一密封運(yùn)行所需要的壓力的情況，過(guò)度反向加壓是當(dāng)促動(dòng)器壓力下降到顯著低于背壓的情況。這兩種情況能靜態(tài)地或動(dòng)態(tài)地導(dǎo)致促動(dòng)器18的過(guò)早失效。壓力調(diào)節(jié)器40使用反饋回路來(lái)控制促動(dòng)器壓力，該反饋回路提供了對(duì)促動(dòng)器壓力的測(cè)量或估計(jì)。
控制器31也檢測(cè)了在例如跳脫(trip)的機(jī)器運(yùn)行情況中的突變。在全負(fù)荷跳脫期間，控制器發(fā)送命令到壓力調(diào)節(jié)器40以維持促動(dòng)器18內(nèi)的先前壓力。在機(jī)器跳脫期間，當(dāng)環(huán)境壓力且因此促動(dòng)器背壓下降時(shí)，密封件自促動(dòng)。即，對(duì)于恒定的內(nèi)部壓力和下降的背壓，跨過(guò)促動(dòng)器建立了壓力差，從而導(dǎo)致促動(dòng)器促動(dòng)，因此打開(kāi)密封件。這避免了使壓力調(diào)節(jié)器40接納促動(dòng)介質(zhì)，例如空氣或其他氣體或液體到促動(dòng)器18內(nèi)以在非常短的時(shí)間內(nèi)增加壓力的需要，考慮到促動(dòng)介質(zhì)的可壓縮性，該需要可能是不可行的。此自促動(dòng)方案顯著地減輕了在機(jī)器跳脫期間促動(dòng)器18過(guò)壓的風(fēng)險(xiǎn)，該方案對(duì)于任何取決于壓力的殼變形行為是穩(wěn)健的，從而盡管壓力調(diào)節(jié)器40的響應(yīng)時(shí)間有限也足夠快速地將密封段14移開(kāi)，且對(duì)促動(dòng)器18是無(wú)害的。
促動(dòng)器的加壓水平優(yōu)選地根據(jù)基于渦輪機(jī)械的運(yùn)行情況和促動(dòng)器背壓的公式來(lái)確定。例如，如果運(yùn)行情況規(guī)定密封段14應(yīng)保持關(guān)閉，則促動(dòng)器加壓水平(PA)確定為PA＝PB+K1(psi)，其中PB是促動(dòng)器背壓且K1是常數(shù)。替代地，如果運(yùn)行情況規(guī)定密封段14應(yīng)從關(guān)閉狀態(tài)打開(kāi)，則促動(dòng)器加壓水平(PA)確定為PA＝PB+K2*(Pdrop)，其中PB是促動(dòng)器背壓、K2是常數(shù)且Pdrop是跨過(guò)密封段14的壓力下降。對(duì)于向前流動(dòng)的情況，PB與P1相同，且Pdrop＝P1-P2。對(duì)于相反的流動(dòng)情況，PB＝P2，且Pdrop＝P2-P1。一般地，常數(shù)K2可以取決于運(yùn)行情況具有不同的值。
如上文中已提及，在跳脫情況中，促動(dòng)器壓力被控制為允許促動(dòng)器自促動(dòng)且以及時(shí)的方式打開(kāi)密封段。一旦跳脫發(fā)生且填塞密封件被打開(kāi)，則控制器31將促動(dòng)器壓力維持為充分地高于促動(dòng)器背壓，以當(dāng)環(huán)境壓力和促動(dòng)器背壓在跳脫后下降時(shí)保持密封段14的打開(kāi)。自促動(dòng)的構(gòu)思與氣動(dòng)響應(yīng)時(shí)間無(wú)關(guān)。
在預(yù)定關(guān)機(jī)中，與跳脫不同，控制系統(tǒng)31優(yōu)選地當(dāng)環(huán)境壓力且因此促動(dòng)器背壓下降到預(yù)先確定的水平以下時(shí)打開(kāi)密封段14。在機(jī)器啟動(dòng)期間，密封段14維持打開(kāi)直至滿足了如下典型標(biāo)準(zhǔn)的至少一個(gè)或多個(gè)(1)已經(jīng)過(guò)預(yù)先確定的時(shí)間，(2)機(jī)器達(dá)到其額定RPM，(3)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)負(fù)荷，和(4)任何熱瞬態(tài)已衰減。一般地，可以具有其他在以上未提及的標(biāo)準(zhǔn)，可考慮這些標(biāo)準(zhǔn)。
用于密封件打開(kāi)的情況可以替代地或補(bǔ)充地通過(guò)具有位置傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的徑向位置從而測(cè)量定子和轉(zhuǎn)子之間的徑向間隙來(lái)確定。如果此間隙降預(yù)先確定的距離以下，則控制系統(tǒng)可以觸發(fā)密封段的打開(kāi)。
控制系統(tǒng)31不僅確定用于促動(dòng)器18的合適的促動(dòng)壓力，它也監(jiān)測(cè)促動(dòng)系統(tǒng)的健康。因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)31連續(xù)地感測(cè)環(huán)境壓力P1和P2，它可以確定如期望地打開(kāi)還是關(guān)閉密封段14。例如，如果在某一情況中密封段14按命令打開(kāi)，則環(huán)境壓力P1和P2應(yīng)以可預(yù)測(cè)的方式改變。此信息被編程到控制系統(tǒng)31內(nèi)，如果P1和P2偏離其期望的行為，則該信息允許控制系統(tǒng)31確定密封段14沒(méi)有按命令打開(kāi)。
使用本發(fā)明的壓力控制系統(tǒng)和方法避免了促動(dòng)器的過(guò)壓和過(guò)度的反向加壓，因此增加了促動(dòng)器的使用壽命。另外，在機(jī)器關(guān)閉期間的自促動(dòng)使得能及時(shí)控制密封件位置。雖然本發(fā)明參考蒸汽渦輪機(jī)的典型應(yīng)用描述，將認(rèn)識(shí)到的是本文中的構(gòu)思也適用于所有渦輪機(jī)械，包括但不限制于蒸汽渦輪機(jī)、燃?xì)鉁u輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等。
雖然本發(fā)明結(jié)合目前被考慮為最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例描述，但應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限制于所披露的實(shí)施例而是相反意圖于覆蓋附帶的權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)所包括的多種修改和等價(jià)設(shè)備。
零件列表N2填塞頭12殼 13密封段 14轉(zhuǎn)子15齒構(gòu)件 16促動(dòng)器 18空氣供給30壓力調(diào)節(jié)器 40區(qū)域22區(qū)域23區(qū)域24控制器 3權(quán)利要求
1.一種控制靜止和旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)械構(gòu)件(13、15)之間的可調(diào)整的密封段(14)的促動(dòng)的方法，可調(diào)整的密封段的每個(gè)與至少一個(gè)控制其位置的促動(dòng)器(18)聯(lián)接，該方法包括監(jiān)測(cè)或估計(jì)渦輪機(jī)械內(nèi)的環(huán)境壓力，環(huán)境壓力代表了作用在促動(dòng)器上的促動(dòng)器背壓；和將促動(dòng)器加壓到足以用于希望的密封運(yùn)行的水平且基于促動(dòng)器背壓控制促動(dòng)器壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中促動(dòng)器(18)向其中密封段(14)被關(guān)閉的位置偏置，且其中加壓步驟通過(guò)將促動(dòng)器加壓為使得取決于希望的密封運(yùn)行在促動(dòng)器加壓水平和背壓之間存在預(yù)先限定的壓力差來(lái)執(zhí)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中促動(dòng)器加壓水平根據(jù)基于渦輪機(jī)械的運(yùn)行情況和促動(dòng)器背壓的公式來(lái)確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中如果運(yùn)行情況規(guī)定密封段(14)應(yīng)保持關(guān)閉，則促動(dòng)器加壓水平(PA)確定為PA＝PB+K1(psi)，其中PB是促動(dòng)器背壓且K1是常數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中如果運(yùn)行情況規(guī)定密封段(14)應(yīng)從關(guān)閉狀態(tài)打開(kāi)，則促動(dòng)器加壓水平(PA)確定為PA＝PB+K2*(Pdrop)，其中PB是促動(dòng)器背壓、K2是常數(shù)且Pdrop是跨過(guò)密封段的壓力下降。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中如果希望的密封運(yùn)行是保持密封段(14)的打開(kāi)，則加壓步驟通過(guò)將促動(dòng)器壓力維持為高于背壓來(lái)執(zhí)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中如果運(yùn)行情況反應(yīng)出發(fā)生了跳脫，則方法進(jìn)一步包括當(dāng)促動(dòng)器背壓因跳脫而降低時(shí)維持促動(dòng)器加壓水平以打開(kāi)密封段(14)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中如果運(yùn)行情況反應(yīng)出預(yù)定關(guān)機(jī)，則方法包括當(dāng)促動(dòng)器背壓下降到預(yù)先限定的水平下時(shí)打開(kāi)密封段(14)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中如果運(yùn)行情況反應(yīng)出啟動(dòng)機(jī)器，則方法包括維持密封段(14)打開(kāi)直至滿足至少如下之一(1)已經(jīng)過(guò)預(yù)先確定的時(shí)間，(2)機(jī)器達(dá)到其額定RPM，(3)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)負(fù)荷，和(4)熱瞬態(tài)已衰減。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括通過(guò)確定密封段是否如希望地基于促動(dòng)器加壓水平和渦輪機(jī)械環(huán)境壓力定位來(lái)監(jiān)測(cè)促動(dòng)器(18)和密封段(14)的運(yùn)行健康。
全文摘要
促動(dòng)壓力控制系統(tǒng)影響在靜止和旋轉(zhuǎn)的渦輪機(jī)械構(gòu)件之間的可調(diào)整的密封段(14)的促動(dòng)。至少一個(gè)促動(dòng)器(18)與可調(diào)整的密封段的每個(gè)聯(lián)接且分別控制密封段的位置。布置在渦輪機(jī)械內(nèi)的壓力系統(tǒng)測(cè)量或估計(jì)代表作用在促動(dòng)器上的促動(dòng)器背壓的環(huán)境壓力。壓力調(diào)節(jié)器(40)通過(guò)控制器將促動(dòng)器加壓到足以用于希望的密封運(yùn)行的壓力水平且基于促動(dòng)器背壓控制促動(dòng)器壓力。
文檔編號(hào)F01D11/08GK101092886SQ20071011216
公開(kāi)日2007年12月26日 申請(qǐng)日期2007年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月19日
發(fā)明者D·G·柯?；舴? W·C·貝洛, M·E·伯內(nèi)特, F·G·拜利, S·奧塔, N·A·塔恩奎斯特 申請(qǐng)人:通用電氣公司