專利名稱：用于渦輪機械內可調整的密封件的促動壓力控制的制作方法
技術領域：
本發明一般地涉及旋轉機器，且更特定地涉及用于旋轉機器的促動密封件。
背景技術：
旋轉機器不受限制地包括蒸汽渦輪機、燃氣渦輪機和壓縮機。蒸汽渦輪機具有蒸汽通道，蒸汽通道典型地以串聯流動關系包括蒸汽入口、渦輪機和蒸汽出口。燃氣渦輪機具有燃氣通道，燃氣通道典型地以串聯流動關系包括空氣進口(或入口)、壓縮機、燃燒器、渦輪機和氣體出口(或排放噴嘴)。燃氣或蒸汽從燃氣或蒸汽通道的泄漏出或泄漏到燃氣或蒸汽通道內，即從較高的壓力區域到較低的壓力區域的泄漏一般地是不希望的。例如，在燃氣渦輪機的渦輪機區域或壓縮機區域內的、在渦輪機或壓縮機轉子和周向圍繞的渦輪機或壓縮機外殼之間的燃氣通道泄漏將降低燃氣渦輪機的效率，從而導致增加的燃料成本。在蒸汽渦輪機的渦輪機區域內的、在渦輪機轉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的效率，從而導致增加的燃料成本。
在蒸汽渦輪機領域中已知，在渦輪機轉子和周向圍繞的外殼之間單獨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。彈簧徑向向內地保持段靠外殼的表面，使得在密封件和轉子之間建立了徑向間隙，但在轉子接觸情況中允許段徑向向外移動。雖然單獨地或組合地帶有刷密封件的迷宮密封件被證明是相當可靠的，但迷宮密封件的性能隨時間退化，其原因是其中靜止部件和旋轉部件干涉的瞬態情況，從而將迷宮齒磨損為“蘑菇形”外形，且打開了密封間隙。
降低因磨損的退化的一個裝置已使用了“正壓力”可變間隙迷宮式填塞，其中彈簧用于在無流動或低流動情況下保持填塞環段的打開，在此期間最可能發生這樣的磨損。在作用為將環關閉到關閉運行位置的更高的載荷下，環境蒸汽力克服了彈簧。然而，希望的是提供“主動控制”可變間隙設備，其中通過內部促動器在最可能發生磨損的情況期間將填塞環段保持為抵抗彈簧和蒸汽力而打開。在磨損不可能的運行情況下，促動器力降低，從而允許彈簧和蒸汽力將段移動到其關閉運行位置。
為促動這樣的“主動”或“可調節”密封件抵抗蒸汽力，經常要求促動器內的高壓。另外，在某些當密封件需要快速打開的情況中，必須在促動器內在非常短的時間周期內建立高壓。然而產生了這樣的問題，即促動器內過度高的壓力差趨向于降低其使用壽命。另外，因為促動介質的可壓縮性，例如在以空氣或其他氣體或液體作為介質的情況中，在促動器內建立壓力所用的時間可能比希望促動且因此保護密封件的時間長。另外，在某些當渦輪機蒸汽壓力下降的情況中，希望相應地使促動器降壓以避免在促動器內相對于環境蒸汽壓力的過度的壓力。因為促動介質的可壓縮性，如果此通氣過程所用時間過長，則在促動器內的過度的壓力可能降低其使用壽命。

發明內容
在本發明的典型實施例中，在靜止和旋轉的渦輪機械構件之間的可調整的密封段的促動被主動地控制。可調整的密封段的每個與至少一個控制了密封段位置的促動器聯接。方法包括如下步驟監測或估計渦輪機械內的環境壓力，該環境壓力代表了作用在促動器上的促動器背壓，和將促動器加壓到足以用于希望的密封運行(例如打開或關閉)的水平且基于促動器背壓控制促動器壓力。
在本發明的另一個典型的實施例中，促動系統促動了在靜止和旋轉的渦輪機械構件之間的可調整的密封段。系統包括至少一個與可調整的密封段的每個聯接的促動器，促動器分別控制密封段的位置。至少一個壓力系統布置在渦輪機械內，壓力系統測量或估計渦輪機械內的環境壓力，其中環境壓力代表作用在促動器上的促動器背壓。控制器基于希望的密封運行(例如打開或關閉)確定促動壓力，且與控制器和壓力系統通信且與促動器流體連通的壓力調節器為促動器加壓到促動壓力(例如使用空氣供給)且基于促動器背壓控制促動器壓力。


圖1圖示了典型的蒸汽渦輪機；圖2示出了典型的蒸汽渦輪機的序號2(N2)填塞內的密封件的典型應用，其中填塞環包括在填塞頭內，又位于組合高壓(HP)和中間壓力(IP)區的殼(外殼)內；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器；圖4是N2填塞頭的視圖，帶有已加壓和延伸的促動器；和圖5是用于促動介質供給和壓力調節的控制系統和硬件的示意性圖示。
具體實施例方式
圖1圖示了如典型旋轉機器的典型的蒸汽渦輪機。在軸填塞位置序號N1、N2和N 3之間，渦輪機包括壓力變化區，包括高壓區(HP)和中間壓力區(IP)。(低壓區(LP)在位于填塞N4和N5之間的第二外殼內使用)。在此情況中，N2填塞包括在填塞頭內，該填塞頭包括在組合HP-IP殼(或外殼)內。
圖2是N2填塞頭12的部分截面視圖，填塞頭12包括在殼13內且布置為圍繞旋轉構件，例如轉子15。N2填塞頭12包括多個由環段14構成的填塞環，用于密封關閉旋轉構件15。填塞環典型地例如限定有六個60度的段。面向旋轉構件的徑向內表面提供有不同高度的齒構件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部件有害地接觸的瞬態情況可能發生在渦輪機內，因此磨損了迷宮齒16，打開了密封間隙且使齒的鋒利尖端變鈍從而失去功能性。
存在氣動促動密封段14關閉到旋轉構件和從旋轉構件離開以因此保護密封件不受磨損且改進機器性能的技術。參考圖3，可調整的密封段14與控制了密封段14的位置的促動器18聯接。密封段14的每個可以由促動器18打開或保持打開，使得密封段14收回到徑向最外側位置(圖4)，或密封段14可以由彈簧力和蒸汽壓力關閉或保持關閉(圖3)，使得密封段14布置在徑向最內側位置，其中段14的齒16關閉到旋轉構件15。
圖5是用于空氣供給和壓力控制的系統和硬件的示意性圖示。空氣供給30提供了加壓空氣或氣體到壓力調節器40。促動器18示意性地圖示。在優選布置中，對于每個密封段14存在三個促動器18，且因此對于每個填塞環存在十八個促動器。可以少到每個段一個促動器而足以用于一些應用。
在機器內無壓力時，彈簧或彈簧組將密封段14偏置為關閉到旋轉構件15，此位置被稱為關閉情況。在使用期間，在區域22和23內即填塞環段14的上游和下游(圖3)處分別建立了顯著的蒸汽壓力，該壓力是渦輪機械內的環境壓力。這些壓力在圖3至圖5中標為P1和P2。在向前流動的情況中，當密封段向右偏置時，在密封段后的區域24具有壓力P1。在相反的流動情況中，當密封段向左偏置時，在密封段后的區域24具有壓力P2。
在區域24內的壓力代表了作用在促動器18上的促動器背壓。在優選實施例中，環境壓力通過例如壓力換能器的合適的壓力測量設備被直接測量，且通過例如CPU等的控制器31監測。在替代實施例中，這些環境壓力可以由控制器間接估計。在任一情況中，控制器基于環境壓力發送合適的命令到壓力調節器40，壓力調節器40又將促動器18加壓到足以用于希望的密封運行(打開、保持打開、關閉或保持關閉)的水平，使得促動器18從不被過度加壓或過度反向加壓，過度加壓是當促動器壓力超過用于某一密封運行所需要的壓力的情況，過度反向加壓是當促動器壓力下降到顯著低于背壓的情況。這兩種情況能靜態地或動態地導致促動器18的過早失效。壓力調節器40使用反饋回路來控制促動器壓力，該反饋回路提供了對促動器壓力的測量或估計。
控制器31也檢測了在例如跳脫(trip)的機器運行情況中的突變。在全負荷跳脫期間，控制器發送命令到壓力調節器40以維持促動器18內的先前壓力。在機器跳脫期間，當環境壓力且因此促動器背壓下降時，密封件自促動。即，對于恒定的內部壓力和下降的背壓，跨過促動器建立了壓力差，從而導致促動器促動，因此打開密封件。這避免了使壓力調節器40接納促動介質，例如空氣或其他氣體或液體到促動器18內以在非常短的時間內增加壓力的需要，考慮到促動介質的可壓縮性，該需要可能是不可行的。此自促動方案顯著地減輕了在機器跳脫期間促動器18過壓的風險，該方案對于任何取決于壓力的殼變形行為是穩健的，從而盡管壓力調節器40的響應時間有限也足夠快速地將密封段14移開，且對促動器18是無害的。
促動器的加壓水平優選地根據基于渦輪機械的運行情況和促動器背壓的公式來確定。例如，如果運行情況規定密封段14應保持關閉，則促動器加壓水平(PA)確定為PA＝PB+K1(psi)，其中PB是促動器背壓且K1是常數。替代地，如果運行情況規定密封段14應從關閉狀態打開，則促動器加壓水平(PA)確定為PA＝PB+K2*(Pdrop)，其中PB是促動器背壓、K2是常數且Pdrop是跨過密封段14的壓力下降。對于向前流動的情況，PB與P1相同，且Pdrop＝P1-P2。對于相反的流動情況，PB＝P2，且Pdrop＝P2-P1。一般地，常數K2可以取決于運行情況具有不同的值。
如上文中已提及，在跳脫情況中，促動器壓力被控制為允許促動器自促動且以及時的方式打開密封段。一旦跳脫發生且填塞密封件被打開，則控制器31將促動器壓力維持為充分地高于促動器背壓，以當環境壓力和促動器背壓在跳脫后下降時保持密封段14的打開。自促動的構思與氣動響應時間無關。
在預定關機中，與跳脫不同，控制系統31優選地當環境壓力且因此促動器背壓下降到預先確定的水平以下時打開密封段14。在機器啟動期間，密封段14維持打開直至滿足了如下典型標準的至少一個或多個(1)已經過預先確定的時間，(2)機器達到其額定RPM，(3)已達到穩態負荷，和(4)任何熱瞬態已衰減。一般地，可以具有其他在以上未提及的標準，可考慮這些標準。
用于密封件打開的情況可以替代地或補充地通過具有位置傳感器測量轉子相對于定子的徑向位置從而測量定子和轉子之間的徑向間隙來確定。如果此間隙降預先確定的距離以下，則控制系統可以觸發密封段的打開。
控制系統31不僅確定用于促動器18的合適的促動壓力，它也監測促動系統的健康。因為控制系統31連續地感測環境壓力P1和P2，它可以確定如期望地打開還是關閉密封段14。例如，如果在某一情況中密封段14按命令打開，則環境壓力P1和P2應以可預測的方式改變。此信息被編程到控制系統31內，如果P1和P2偏離其期望的行為，則該信息允許控制系統31確定密封段14沒有按命令打開。
使用本發明的壓力控制系統和方法避免了促動器的過壓和過度的反向加壓，因此增加了促動器的使用壽命。另外，在機器關閉期間的自促動使得能及時控制密封件位置。雖然本發明參考蒸汽渦輪機的典型應用描述，將認識到的是本文中的構思也適用于所有渦輪機械，包括但不限制于蒸汽渦輪機、燃氣渦輪機、航空發動機等。
雖然本發明結合目前被考慮為最實用和優選的實施例描述，但應理解的是，本發明不限制于所披露的實施例而是相反意圖于覆蓋附帶的權利要求書的精神和范圍內所包括的多種修改和等價設備。
零件列表N2填塞頭12殼 13密封段 14轉子15齒構件 16促動器 18空氣供給30壓力調節器 40區域22區域23區域24控制器 3權利要求
1.一種控制靜止和旋轉渦輪機械構件(13、15)之間的可調整的密封段(14)的促動的方法，可調整的密封段的每個與至少一個控制其位置的促動器(18)聯接，該方法包括監測或估計渦輪機械內的環境壓力，環境壓力代表了作用在促動器上的促動器背壓；和將促動器加壓到足以用于希望的密封運行的水平且基于促動器背壓控制促動器壓力。
2.根據權利要求1所述的方法，其中促動器(18)向其中密封段(14)被關閉的位置偏置，且其中加壓步驟通過將促動器加壓為使得取決于希望的密封運行在促動器加壓水平和背壓之間存在預先限定的壓力差來執行。
3.根據權利要求1所述的方法，其中促動器加壓水平根據基于渦輪機械的運行情況和促動器背壓的公式來確定。
4.根據權利要求3所述的方法，其中如果運行情況規定密封段(14)應保持關閉，則促動器加壓水平(PA)確定為PA＝PB+K1(psi)，其中PB是促動器背壓且K1是常數。
5.根據權利要求3所述的方法，其中如果運行情況規定密封段(14)應從關閉狀態打開，則促動器加壓水平(PA)確定為PA＝PB+K2*(Pdrop)，其中PB是促動器背壓、K2是常數且Pdrop是跨過密封段的壓力下降。
6.根據權利要求1所述的方法，其中如果希望的密封運行是保持密封段(14)的打開，則加壓步驟通過將促動器壓力維持為高于背壓來執行。
7.根據權利要求1所述的方法，其中如果運行情況反應出發生了跳脫，則方法進一步包括當促動器背壓因跳脫而降低時維持促動器加壓水平以打開密封段(14)。
8.根據權利要求1所述的方法，其中如果運行情況反應出預定關機，則方法包括當促動器背壓下降到預先限定的水平下時打開密封段(14)。
9.根據權利要求1所述的方法，其中如果運行情況反應出啟動機器，則方法包括維持密封段(14)打開直至滿足至少如下之一(1)已經過預先確定的時間，(2)機器達到其額定RPM，(3)已達到穩態負荷，和(4)熱瞬態已衰減。
10.根據權利要求1所述的方法，進一步包括通過確定密封段是否如希望地基于促動器加壓水平和渦輪機械環境壓力定位來監測促動器(18)和密封段(14)的運行健康。
全文摘要
促動壓力控制系統影響在靜止和旋轉的渦輪機械構件之間的可調整的密封段(14)的促動。至少一個促動器(18)與可調整的密封段的每個聯接且分別控制密封段的位置。布置在渦輪機械內的壓力系統測量或估計代表作用在促動器上的促動器背壓的環境壓力。壓力調節器(40)通過控制器將促動器加壓到足以用于希望的密封運行的壓力水平且基于促動器背壓控制促動器壓力。
文檔編號F01D11/08GK101092886SQ20071011216
公開日2007年12月26日 申請日期2007年6月19日 優先權日2006年6月19日
發明者D·G·柯希霍夫, W·C·貝洛, M·E·伯內特, F·G·拜利, S·奧塔, N·A·塔恩奎斯特 申請人:通用電氣公司