用于蒸汽涡轮的轴密封系统的制作方法与工艺

用于蒸汽涡轮的轴密封系统相关申请的交叉引用本专利申请与和本申请同时提交的共同受让的美国专利申请(通用电气公司案卷号251445-1)有关。技术领域本发明大体涉及蒸汽涡轮，并且更特定而言，涉及用于蒸汽涡轮的独立轴密封系统。

背景技术：
蒸汽涡轮外壳的压力边界由旋转涡轮轴穿透，以便将由涡轮生成的功率传送到蒸汽环境的外侧。因此，轴必须在其穿透外壳的点处被密封，以便防止蒸汽逸出，这可能对该区域中的人员是危险的。轴密封件必须还防止空气进入外壳，这可对涡轮性能具有有害影响。已经采用包括例如设置在轴端周围的迷宫密封的多种轴密封系统。迷宫密封包括齿部，其封闭但不接触轴，从而在密封件与轴之间形成泄漏路径。轴密封系统还包括空气密封件，其主要起作用以防止空气进入蒸汽涡轮。蒸汽密封件设置在空气密封件的轴向内部，其防止蒸汽逸出到蒸汽涡轮的外侧。为了维持跨空气密封件和蒸汽密封件的正压差，需要包括管道系统、蒸汽密封调节器、压盖(gland)冷凝器以及辅助锅炉的配件来支持涡轮功能。在一些情形中，刷式密封与迷宫密封一起使用以减少泄漏，但仍需要前述配件以提供合适的涡轮功能。采用压盖冷凝器来维持轻微的真空，以将沿进入外壳的方向经过空气密封件的空气抽出，以及将沿离开外壳的方向经过蒸汽密封件的蒸汽排出。密封件头部通常维持在正压，并且取决于跨蒸汽密封件的蒸汽泄漏超过或未超过从蒸汽涡轮的内部区段向外的泄漏而按需要供应蒸汽到蒸汽密封件内部的环状空间或者从环状空间泄放蒸汽。在蒸汽密封件内部的环状空间处的正压力防止空气进入涡轮。如所述，诸如所述的那些的迷宫轴密封系统需要大量配件系统的支持，这些配件并不有助于由涡轮执行的工作。这些特征增加了设施占地面积以及维护需求，而不对涡轮输出做出任何直接贡献。对迷宫密封或刷式密封的一个备选方案是使用碳分段周向密封或面密封件，其具有比在迷宫密封设计中可见的通常0.75mm到1mm的间隙更小的有效间隙。迷宫密封的间隙允许环境空气中的颗粒物质无困难地穿过密封件。然而，在利用具有小得多的间隙的碳密封件的密封系统设计中，颗粒物质可截留在间隙空间中，从而导致密封件损坏。这尤其对于设施(例如燃烧煤的设施)提出挑战，其中，诸如煤尘的颗粒物质在环境空气中是常见的。

技术实现要素：
本发明的第一方面提供了一种在第一涡轮区段中的轴密封系统，第一涡轮区段具有包括轴的旋转部件、以及环绕旋转部件且限定蒸汽流动路径的固定部件。轴密封系统包括设置在轴的第一端和第二端中的每一个周围的至少一个密封件；以及用于将蒸汽从第一涡轮区段导引至涡轮的下游部分的第一连接管线。涡轮的下游部分具有低于第一涡轮区段的压力的压力，第一涡轮区段处于高压或中压之一下，并且轴的第一端和第二端中的每一个处于大于大气压力的压力下。本发明的第二方面提供了一种在第一涡轮区段中的轴密封系统，第一涡轮区段具有包括轴的旋转部件、以及环绕旋转部件且限定蒸汽流动路径的固定部件。轴密封系统包括：至少一个密封件，设置在轴的第一端和第二端中的每一个周围；第一缓冲密封件，设置在所述设置在轴的第一端周围的至少一个密封件的轴向外侧；第二缓冲密封件，设置所述在设置在轴的第二端周围的至少一个密封件的轴向外侧；以及第一连接管线，用于将蒸汽从第一涡轮区段导引至涡轮的下游部分。涡轮的下游部分具有低于第一涡轮区段的压力的压力，第一涡轮区段处于高压或中压之一下，并且轴的第一端和第二端中的每一个处于大于大气压力的压力下。一种在涡轮的第一区段中的轴密封系统，所述第一区段具有包括轴的旋转部件、以及环绕所述旋转部件且限定蒸汽流动路径的固定部件，所述轴密封系统包括：至少一个密封件，其设置在所述轴的第一端和第二端中的每一个周围；第一缓冲密封件，其设置在所述设置在所述轴的第一端周围的至少一个密封件的轴向外侧；第二缓冲密封件，其设置在所述设置在所述轴的第二端周围的至少一个密封件的轴向外侧；以及第一连接管线，其用于将蒸汽从所述第一涡轮区段导引至所述涡轮的下游部分。其中，所述涡轮的下游部分具有低于所述第一涡轮区段的压力的压力，并且其中，所述第一涡轮区段处于高压或中压之一下，所述轴的第一和第二端中的每一个处于大于大气压力的压力下。所述下游部分还包括低压区段。设置在所述轴的第一端和第二端中的每一个周围的所述至少一个密封件中的每一个还包括：主密封件；以及蒸汽密封件，其设置在最内部主密封件的轴向外侧。所述轴密封系统还包括：第一环状空间，其在所述轴的第一端和第二端中的每一个处设置在所述主密封件和所述蒸汽密封件之间。其中，所述第一连接管线将所述第一环状空间流体连接至所述下游部分的第一级，其中所述下游部分是具有比所述第一涡轮区段的压力更低的压力的涡轮区段。设置在所述轴的第一端和第二端中的每一个周围的所述至少一个密封件中的每一个还包括：空气密封件，其设置在所述蒸汽密封件的轴向外侧，并且所述轴密封系统还包括：第二环状空间，其设置在所述蒸汽密封件和所述空气密封件之间，以及第二连接管线，其将所述第二环状空间流体连接至所述下游部分的第二级，其中所述下游部分是具有比所述第一涡轮区段的压力更低的压力的涡轮区段。并且其中，所述第二级具有比所述第一级低的压力。设置在所述轴的第一端和第二端中的每一个周围的所述至少一个密封件中的每一个还包括流体动力非接触密封件，并且其中，所述流体动力非接触密封件还包括碳分段周向密封件或面密封件中的一个。设置在所述轴的第一端和第二端中的每一个周围的所述至少一个密封件中的每一个具有小于或等于约0.025mm的距所述旋转部件的间隙距离。一种用于在涡轮的第一区段中密封轴的方法，所述第一区段具有旋转轴、以及环绕所述旋转轴且限定蒸汽流动路径的固定部件，所述方法包括：提供设置在所述轴的第一端和第二端中的每一个周围的至少一个密封件；以及将蒸汽从所述第一涡轮区段导引至所述涡轮的下游部分。其中，所述涡轮的下游部分具有低于所述第一涡轮区段的压力的压力，并且其中，所述第一涡轮区段处于高压或中压之一下，所述轴的第一和第二端中的每一个处于大于大气压力的压力下。提供设置在所述轴的第一端和第二端中的每一个周围的至少一个密封件还包括：提供设置在所述轴的第一端和第二端中的每一个周围的主密封件；提供设置在所述主密封件中的每一个的轴向外侧的蒸汽密封件；提供设置在所述蒸汽密封件中的每一个的轴向外侧的空气密封件；将第一环状空间与所述下游部分的第一级流体连接，所述第一环状空间在所述轴的第一端和第二端中的每一个处设置在所述主密封件和所述蒸汽密封件之间；以及将第二环状空间与所述下游部分的第二级流体连接，所述第二环状空间在所述轴的第一端和第二端中的每一个处设置在所述蒸汽密封件和所述空气密封件之间。其中，所述下游部分是具有比所述第一涡轮区段的压力更低的压力的涡轮区段，并且其中，所述第二级具有比所述第一级低的压力。所述方法还包括：提供第一缓冲密封件，其设置在所述设置在所述轴的第一端周围的至少一个密封件的轴向外侧；提供第二缓冲密封件，其设置在所述设置在所述轴的第二端周围的至少一个密封件的轴向外侧；以及将过滤空气提供至第一空腔和第二空腔中的每一个，所述第一空腔设置在所述第一缓冲密封件和所述至少一个密封件之间，所述第二空腔设置在所述第二缓冲密封件和所述至少一个密封件之间。根据结合附图公开本发明的实施例的以下详细描述，本发明的这些和其它方面、优点以及重要特征将变得显而易见，在全部附图中，相同零件由相同标号标出。附图说明图1至图5示出根据本发明的实施例的轴密封系统。附图标记：100轴密封系统110第一涡轮区段120旋转部件130轴140固定部件150蒸汽流动路径160入口170出口172第一端174第二端180第一主密封件181第二主密封件182第一蒸汽密封件183第二蒸汽密封件184第一空气密封件185第二空气密封件200第一连接管线210低压涡轮211第一级212第二级215联合IP/LP涡轮区段220冷凝器230第一环状空间240第二环状空间250第三环状空间260第四环状空间270第二连接管线280第一缓冲密封件290第二缓冲密封件30过滤空气供应管线305过滤空气供应310第一空腔320第二空腔。具体实施方式参考其结合蒸汽涡轮操作的应用，在下文中描述了本发明的至少一个实施例。虽然关于蒸汽涡轮描述了本发明的实施例，但应理解，本教导同样可应用于其它涡轮机械，包括但不限于压缩机。而且，在下文中参考标称大小且包括一组标称尺寸描述本发明的至少一个实施例。然而，对本领域技术人员应当显而易见的是，本发明同样可应用于任何适当的涡轮和/或压缩机。而且，对本领域技术人员应当显而易见的是，本发明同样可应用于各种量级的标称大小和/或标称尺寸。如上所述，本发明的方面提供了轴密封系统100，其不同方面在图1至图5中示出。轴密封系统100是独立的，因为密封系统100在轴穿透外壳的点处密封涡轮系统的轴，从而在不使用无助于由涡轮执行的工作的外部支持配件(例如管道系统、蒸汽密封调节器、压盖冷凝器、辅助锅炉等)的情况下，防止蒸汽逸出外壳和空气进入外壳。因此，包括独立轴密封系统100的涡轮系统不受前述配件及其相关缺点妨碍。参考图1至图5，提供第一涡轮区段110，其具有包括轴130的旋转部件120和环绕旋转部件120的固定部件140。旋转部件120和固定部件140可分别为任何已知的转子和定子结构。第一涡轮区段110可为各种类型的涡轮区段中的任一种，包括但不限于如图1和图5中所示的低压涡轮区段、如图2中所示的中压涡轮区段、高压区段或超高压区段、或者如图3至图4中所示的高压或超高压涡轮区段。固定部件140还限定第一涡轮区段110的具有入口160和出口170的蒸汽流动路径150。轴密封系统100在轴130的第一和第二端172、174周围设置。转向图1中描绘的实施例，第一涡轮区段110可为低压涡轮区段。在该实施例中，独立轴密封系统100可包括设置在第一端172周围的诸如第一主密封件180的至少一个密封件、以及设置在轴130的第二端174周围的诸如第二主密封件181的至少一个密封件。第一和第二主密封件180、181可各包括单一密封件或一群密封件。第一和第二主密封件180、181可设计成经受在端封装置中的主要压力负载，即，它们经受在密封件180、181的各侧之间的显著压差。第一和第二主密封件180、181还可包括多个填密圈，并且在一些实施例可包括在多个填密圈中的每一个之间的漏泄管线，其循环返回至涡轮区段中，以在密封件群之间设定压力隔离并引导泄漏物返回至流动路径以做更多工作。如在图1中的双流低压涡轮区段110的情况下，第一连接管线200可设置在如所示的两个出口170处。第一连接管线200供以将蒸汽从第一涡轮区段110导引至涡轮的下游部分。其中，例如，第一涡轮区段110是低压涡轮区段，下游部分可为冷凝器220。如在图1所描绘的实施例中所示，第一连接管线200可轴向设置在第一和第二主密封件180、181中的每一个的内侧，使得相当体积的蒸汽在抵达主密封件180、181之前向下游导引。在该情形中，第一连接管线200也提供用于流通路。涡轮的下游部分具有比第一涡轮区段110的压力更低的压力，并且轴130的各端172、174维持在低于大气或环境压力的压力下。而且，在图1的实施例中，沿着轴130的轴向长度在第一端172和涡轮排气与第二端174和涡轮排气之间定位的所有压力区处于比环境压力小的压力下。还如图1中所示，可提供第一空气密封件184和第二空气密封件185。第一和第二空气密封件184、185可分别设置在第一和第二主密封件180、181的轴向外侧。第一和第二空气密封件184、185基本防止环境空气进入设置在轴130端172、174周围的端封装置。在该实施例中，通过主密封件180、181和通过将蒸汽从第一涡轮区段110的出口170抽出至冷凝器220的压力梯度，基本防止蒸汽输出。参考图1，在操作中，蒸汽在入口160处进入第一涡轮区段110，并且顺着蒸汽路径150通过第一涡轮区段110的连续级到出口170。冷凝器220相对于第一涡轮区段110中的压力的相对低压导致大部分蒸汽沿着第一连接管线200经由出口170前进至冷凝器220。小部分蒸汽可漏泄，并且可抵达第一或第二主密封件180、181中的一个，而不是前进至出口170。主密封件180、181连同从第一涡轮区段110到冷凝器220的递减压力梯度基本导致蒸汽不逸出到主密封件180、181外，并且朝冷凝器220抽回。转向图2至图3的实施例，在其它实施例中，第一涡轮区段110可为高压(HP)或中压(IP)区段或者超临界蒸汽涡轮中的超高压(SHP)区段中的一种。在这样的实施例中，独立轴密封系统100可包括设置在第一端172周围的诸如第一主密封件180的至少一个密封件、以及设置在轴130的第二端174周围的诸如第二主密封件181的至少一个密封件。其中，例如，第一涡轮区段110是SHP、HP或IP涡轮区段，下游部分可为如图2所示的低压涡轮区段210。在诸如图3的那个的其它实施例中，第一涡轮区段110可为HP或SHP涡轮区段，并且下游部分可为联合IP/LP涡轮区段215，其中，入口端压力高于环境压力，而排气端压力低于环境压力。参考图2至图3两者，涡轮的下游部分，即低压或者中压区段210或215，具有比第一涡轮区段110中的最低压力更低的压力。在图2至图3的实施例中，轴130的各端172、174维持在大于大气或环境压力的压力下。第一和第二主密封件180、181承担在端封装置中的主要压力负载，即它们经受在第一和第二主密封件180、181的各侧之间的显著压差。以图3中的第一主密封件180为例，在第一主密封件180的内侧即HP第一涡轮区段110的内侧上的压力可为约16547kPa(约2400psi)，且在第一主密封件180外侧的压力可低到约124kPa(约18psi)，取决于第一级211的下游进入位置。第一和第二主密封件180、181还可包括多个填密圈，并且在一些实施例中可包括在多个填密圈中的每一个之间的漏泄管线，其将泄漏物循环返回至涡轮区段中以做更多工作。继续参考图2至图3，第一涡轮区段110还可包括分别在第一和第二端172、174处设置在主密封件180、181的每一个的轴向外侧的第一和第二蒸汽密封件182、183。第一和第二蒸汽密封件182、183基本防止蒸汽从第一涡轮区段110输出。第一环状空间230可在轴130的第一端172处设置在第一主密封件180和第一蒸汽密封件182之间；并且第二环状空间240可在轴130的第二端174处设置在第二主密封件181和第二蒸汽密封件183之间。还可提供第一连接管线200，用于将蒸汽从第一涡轮区段110导引至涡轮的下游部分。第一连接管线200设置成使得第一端将第一和第二环状空间230、240彼此流体连接且与低压区段210(图2)或联合IP/LP区段215(图3)中的第一级流体连接。第一和第二空气密封件184、185还可分别在轴130的各端172、174处设在第一和第二蒸汽密封件的外侧。第一和第二空气密封件184、185基本防止空气进入设置在轴130端172、174周围的端封装置内。第三环状空间250可在轴130的第一端172处设置在第一空气密封件184和第一蒸汽密封件182之间；并且第四环状空间260可在轴130的第二端174处设置在第二空气密封件185和第二蒸汽密封件183之间。如可应用的，第三和第四环状空间250、260由第二连接管线270流体连接至彼此，并且与低压区段210(图2)或IP区段215(图3)中的第二级212连接。第二级212在第一级211的下游，并且具有比环境压力和第一级211的压力两者更低的压力。这在第三和第四环状空间250、260中产生比在第一和第二环状空间230、240中更强的真空效果。参考图2至图3，在操作中，蒸汽在入口160处进入第一涡轮区段110，并且顺着蒸汽路径150通过第一涡轮区段110的连续级到出口170。低压区段210(图2)或中压区段215(图3)相对于第一涡轮区段110的压力的相对低压导致大部分蒸汽经由出口170一直前进至各自的较低压区段210、215。然而，小部分蒸汽可漏泄，并且可抵达第一或第二主密封件180、181中的一个，而不是前进至出口170。主密封件180、181连同从第一涡轮区段110到中压区段215(图3)或低压区段210(图2)的递减压力梯度减少了可从流动路径150逸出的蒸汽量。然而，少量的蒸汽可逸出到主密封件180、181外。如可应用的，与第一连接管线200连通的第一和第二环状空间230、240提供了用于将该蒸汽输送入低压区段210(图2)或IP区段215((图3)的第一级211中的导管。如可应用的，作为与第一和第二环状空间230、240相比在第一级211中的相对低压的结果，在第一和第二环状空间230、240中形成真空，从而将蒸汽抽入低压区段210(图2)或IP区段215(图3)中。第一和第二蒸汽密封件182、183还用于减少可从第一涡轮区段110逸出的蒸汽量。第二连接管线270连同第三和第四环状空间250、260提供了用于捕获已逸出到第一和第二蒸汽密封件182、183和在第一和第二环状空间230、240处形成的真空外的任何蒸汽的机构。如可应用的，第二连接管线270将蒸汽从第三和第四环状空间250、260输送至低压区段210(图2)或IP区段215(图3)的第二级212。因为第二级212是低压区段210(图2)或IP区段215(图3)中的较后级，所以它具有比第一级211低的压力，并且形成比第一连接管线200更强的通过第二连接管线270存在的真空。以这种方式，低压区段210(图2)或IP区段215(图3)的第一和第二级211、212提供必要的压力梯度，以连同前述密封件使用由涡轮装置固有地生成的压力梯度来基本防止蒸汽从端172、174逸出。参考图1至图4，在各种实施例中，设置在轴130的第一和第二端172、174周围的上述主密封件180、181、蒸汽密封件182、183和空气密封件184、185中的每一个可为流体动力非接触密封件。在另外的实施例中，可应用于多种实施例的主密封件180、181、蒸汽密封件182、183、和空气密封件184、185可为分段周向密封件或面密封件中的一种。分段周向密封件或表面密封件还可由碳制成。蒸汽密封件182、183和空气密封件184、185可相对于轴130具有非常小的间隙。例如，这样的间隙可小于或等于约0.025mm。转向图4至图5且进一步参考全部上述实施例，轴密封系统100还可包括设置在至少一个密封件(包括存在的主密封件180和蒸汽密封件182和/或空气密封件184)的轴向外侧的第一缓冲密封件280。轴密封系统还可包括设置在至少一个密封件(包括存在的第二主密封件181和蒸汽密封件183和/或空气密封件185)的轴向外侧的第二缓冲密封件290。在各种实施例中，还可提供过滤空气供应305和过滤空气供应管线300。过滤空气供应管线300可将过滤空气供应305放置成与第一空腔310和第二空腔320中的每一个流体连通，使得过滤空气可从过滤空气供应305被导引至第一和第二空腔310、320。过滤空气供应管线300提供清洁的基本无颗粒的空气至环境，从而帮助提供与旋转部件120的紧密密封。第一空腔310可设置在第一缓冲密封件280与至少一个密封件180、182、184中的轴向最外密封件之间；并且第二空腔320可设置在第二缓冲密封件290与所存在的至少一个密封件181、183、185中的轴向最外密封件之间。在操作中，经由过滤空气供应管线300引入过滤空气允许与旋转部件120的更紧密密封、以及蒸汽泄漏和空气进入的更小可能性。在图4至图5的实施例中，例如，第一空腔310设置在第一空气密封件184与第一缓冲密封件280之间。第二空腔320设置在第二缓冲密封件290与第二空气密封件185之间。还如图4中示出的，过滤空气供应管线可将过滤空气从过滤空气供应305输送至第一涡轮区段110中的第一和第二空腔310、320中的每一个、以及类似设置的在下游较低压区段210中的第一和第二空腔310、320。如本文所用的，词语“第一”、“第二”等等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个区别开，并且本文中的词语“一个”和“一种”不表示对数量的限制，而是表示至少一个所述项目的存在。与数量一起使用的修饰语“约”包括所述数值且具有通过上下文指示的平均值(例如，包括与特定量的测量有关的误差程度)。如本文中所用的前缀“(多个)”意图包括其所限定的术语的单数和复数形式，由此包括该术语的一个或多个(例如，(多个)金属包括一个或多个金属)。本文中所公开的范围为包括性的且可独立组合(例如，“多达约25mm，或者更具体地约5mm至约20mm”包括“约5mm至约25mm”的范围内的端点和所有中间值等)。虽然本文中描述了各种实施例，但从说明书中应当理解，元件的各种组合、其中的各种变型和改进可由本领域技术人员做出，并且在本发明的范围内。此外，可做出许多修改以使特定情形或材料适合于本发明的教导而不脱离其基本范围。因此，本发明并不意图受限于认为是用于执行本发明的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。