CN101031744B - 加工叠片密封形式的密封装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加工叠片密封形式的密封装置(20)的方法，在这些密封装置(20)中，在两个同轴的圆柱形表面之间所形成的圆环形空隙在轴向方向上通过许多单个的、薄的密封元件(22；22a、b)来密封，这些密封元件通过以偏离径向方向的定向横向地穿过所述空隙而延伸，并且在其属于一个所述圆柱形表面的端部上被固定，并通过另一个自由端松散地贴靠在另一个所述圆柱形表面上。在这样的方法中，为了使密封元件的自由端均匀地定向，在一个第一步骤中，密封元件(22；22a、b)以其自由端贴靠在一具有事先规定直径的同轴的圆柱形表面上，使得密封元件加载有弯曲应力，并且在一个第二步骤中，对加载有弯曲应力的密封元件(22；22a、b)进行热处理，使得弯曲应力完全被消除。

Description

加工叠片密封形式的密封装置的方法
技术领域
本发明涉及一种旋转机器的密封领域。它还涉及一种如权利要求1的前序部分所述的、加工叠片密封(Lamellendichtung)形式的密封装置的方法，如同它应用在例如燃气轮机中那样。
背景技术
燃气轮机包括转子和定子外壳，在转子的不同层级上安装有压缩机叶片和涡轮叶片。转子在转子轴的每端上安装在轴承上。燃气轮机内气流的控制对于功能和效果而言特别重要。在沿着转子轴的不同位置上使用密封技术，用以减小沿着轴的轴向气流。这在轴承旁边尤其重要，用于避免在轴承中使用的油由于气流的热气体被过度加热。
传统地在这种情况下使用两种密封技术，通常交替地、有时也相互结合使用。它们是迷宫式密封和刷式密封(Buerstendichtung)。
迷宫式密封装置在转子和定子之间没有金属-金属接触，因此它的密封效果相对较差。但是，它们提供了这样的优点，即旋转摩擦较小，并且使用寿命因此实际上无限制。
刷式密封装置一方面由于在刷毛端部和转子轴之间的摩擦而具有较大的摩擦损失。它造成了磨损的后果，这限制了密封的使用寿命。但是，刷式密封装置能够更好地防止轴向气流，尤其在轴向压差较大时更是如此。
这种用于燃气轮机密封的技术的使用具有许多限制。首先，它可以承受的轴向压差相当小。在刷式密封的情况下，这取决于在轴向和圆周方向上具有相同刚度的刷毛：较高的压力使刷毛沿着轴向顺从。此外，密封能力也低，即允许较大径向运动和承受它的能力低。
刷式密封装置的这种设计常常是在使用可以产生足够轴向支撑的支撑板和不限制径向运动之间的折衷方法。
为了克服已知的刷式密封的这些缺点，在US-B1-6,343,792中提出了一种叠片密封(“叶片密封(Leaf seals)”)，该密封施加有与迷宫式密封或者刷式密封相同的功能，但是具有两者的优点。替代由具有圆形横截面的金属丝制成的刷毛，而是以规定的结构把薄的金属薄片或者薄板装配在一起(例如参见US-B1-6,343,792的图3或者本申请中的图1)。其以其表面基本平行于轴向方向定向的这些薄片，沿着轴向的刚度比沿着圆周方向的刚度大得多。因此，这种密封可以承受更大的压力差，而不需在此限制其径向运动的可能。转子上较宽的、被薄片的顶部所覆盖的区域使得可以在运行期间产生液压力，该液压力可以使薄片顶部与轴分开。以这种方式，可以产生几个微米的距离并且保持这个距离，因此将磨损、摩擦热和摩擦损失几乎减小到零。
基本设计包括许多薄的金属薄片，这些薄片在它们之间具有受约束的空气间隙，并且以一个相对半径的事先规定的角度进行固定。该空气间隙是一个重要的设计参数：它可以产生气流，用于由此产生液压作用，但是它不能大到允许过多的轴向泄漏流。
叠片密封装置设计可以有两种变型：在其中的一个变型中薄片被向下吹，在另一个变型中，相反地，薄片被向上吹。具有被向下吹的薄片的这些变型包括：在装配和开始时，在薄片顶部和轴之间具有距离，并且这个空气间隙通过在薄片之间加入气流来降低到非常小的值。另一方面，具有被向上吹的变型包括：在开始时，在薄片顶部和轴之间具有小的相互影响，并且在轴加速时产生距离。在这两种情况下，通过薄片之间的空气间隙的介质流是关键的，正如密封装置的内径控制一样关键，该内径通过薄片顶部产生。
通过薄片的气流可以通过使用一个前面和一个后面的板来改变，该板在薄片组的表面和该板之间留有窄的空隙(参见上述的图1和3)。这种精心的几何设计可以控制上吹效果(Aufwaertsblaseffekt)或者下吹效果(Abwaerts-blaseffekt)。通过沿着薄片长度的、或者从前面向内的、或者从后面的主动压力供给来支持下吹效果，也是理想的。
叠片密封原理的其它主要优点中的一个是，与迷宫式密封或者刷式密封相比，径向运动的公差更大。这需要在前面板和后面板同轴之间有更大的距离。
根据所选择的密封装置的几何构造和要密封的轴的直径，薄片的数目可以是几千或者上万。薄片制造、装配和连接的精确性对于成功地实现每个可能的密封装置设计是重要的，其中在每对薄片之间确保一个可再现的空气间隙。
把薄片固定在其位置上的接合方法可以是机械技术如夹紧、熔焊或者硬钎焊或者由此的每种可能组合。因此其中显然重要的是，在接合过程期间最小地损坏薄片或者它们的相对位置。
如果在制造叠片密封装置或者在后面的使用中，这些薄片仍然会产生局部的缺陷部位，那么这些缺陷部位能以简单的方式来修正是理想的，以确保密封装置的密封功能完好。
在US-A-6,120,622中提出，在刷子类型的密封装置中，首先径向地定向的刷毛通过下面方法到达理想的倾斜位置，即刷毛通过插入本身旋转的锥形芯轴首先在所选择的方向上被弯曲，然后它进行热退火，用于使弯曲变成持久的，从而在拆下芯轴后弯曲仍保留下来。
此外，GB-A-2021210也提供了一种刷式密封装置的刷毛的热处理，刷毛通过机械应力得到理想的弯曲形状。
发明内容
本发明的任务是提供一种加工叠片密封装置或者类似密封装置的方法，通过该方法可以方便地、可靠地将薄片或者类似密封元件的偏差根据理想的几何结构进行修正，从而使密封装置产生或者恢复它的全部功能。
这项任务通过权利要求1的特征的全部来完成。本发明的核心在于，为了使薄片或密封元件的自由端均匀地定向，在一个第一步骤中，薄片或密封元件以其自由端贴靠在具有事先规定直径的同轴圆柱形表面上，使得薄片或密封元件加载有弯曲应力，并且在一个第二步骤中，对加载有弯曲应力的薄片或者密封元件进行热处理，使得该弯曲应力完全被消除。通过热消除弯曲应力，薄片或者密封元件可以最佳地、使用寿命长地匹配于具有事先规定直径的圆柱形表面上，其中单个薄片或者密封元件的不同位置参照该表面进行平衡。其结果是，薄片或者密封元件的自由端位于一个共同的圆上，该圆具有与所述事先规定的直径基本相同的直径。
优选地，在该方法中被加工的密封元件由金属或者合金制成。其中密封元件尤其构造为金属丝，并且密封装置是刷式密封装置。
但是，该密封元件也可以构造为薄片，并且该密封装置是叠片密封装置，其中优选地，该薄片在它的外端上被固定，具有薄片的这种结构在第一步骤中被推动到同轴定向的芯轴上，该芯轴具有至少一个圆柱形区段，该圆柱形段的外径基本上等于事先规定的直径。
当薄片为了形成密封装置与在外部环绕着的壳体或者支撑环熔焊在一起时，用于使密封元件的自由端均匀地定向的加工步骤在焊接过程结束之后进行。
在薄片为了形成密封装置与在外部环绕着的壳体或者支撑环硬钎焊在一起时，用于使密封元件的自由端均匀地定向的加工步骤优选在钎焊过程内进行。
在此有利的是，两个加工步骤可以多次以逐步增大的事先规定的直径来实现。
如果使用芯轴，该方法也可以更加方便地实现，该芯轴具有与圆柱形区段邻接的锥形区段，并且这种具有薄片的结构在第一步骤中通过锥形区段被推动到芯轴上。
附图说明
在下面参照实施例和附图来更加详细地解释本发明。其中：
图1在透视的侧视图中示出了叠片密封装置的典型结构，如同它应用在例如燃气轮机中那样；
图2在轴向方向的侧视图中示出了单个薄片的从径向方向倾斜的结构，其中薄片带有在其之间的间隔件；
图3是沿着圆周方向的、具有前面端板和后面端板的、与图1相类似的叠片密封装置的视图；
图4在两个沿轴向看去的部分视图中示出了作为示例的叠片密封装置的薄片局部被破坏的定向，在根据本发明的加工之前(图4a)和被推动到一个相应圆柱形芯轴上之后(图4b)；
图5在示意的侧视图中示出了通过芯轴加载有弯曲应力的单个薄片；
图6在两个部分视图中示出了作为示例的叠片密封装置的照片，它具有焊接在支撑环上的薄片，并在总图(图6a)中以及在放大的局部视图(图6b)中示出了局部被破坏的薄片几何构造；
图7在三个部分视图中示出了在根据本发明的加工之后的图6的叠片密封装置的照片，在总图(图7a)中及以在两个不同的放大局部视图(图7b和7c)中。
具体实施方式
在图1中以透视侧视图示出了叠片密封装置的典型结构，如同该密封装置应用在燃气轮机中那样。叠片密封装置12使一个沿着箭头方向旋转的、燃气轮机10的转子轴11相对壳体14密封。一组相互隔开的薄片13以环的方式布置在位于转子轴11和壳体14之间的圆环形间隙中。这些薄片13定向为以它们的表面平行于机器的旋转轴线。根据图2，这些薄片从径向方向倾斜大约角度w1，并且在它们之间各自具有较窄的空隙或者间隙18，该空隙或者间隙18优选地通过布置在薄片13之间的间隔件17来固定。图2的间隔件17作为独立元件示出。但是，它们也可以集成在薄片中。
根据图1和3，经过薄片13的空气流通过使用一个前面端板15和一个后面端板16来改变，端板15和16在薄片组的表面和端板15、16之间留有窄的空隙(图3中的距离a和b)。这种精心的几何设计可以控制开始时所述的上吹效果或者下吹效果。通过沿着薄片长度的主动压力供给、或者从前面向内的主动压力供给、或者从后面的主动压力供给来支持下吹效果也是理想的。
图1或者3中所示叠片密封原理的其它主要优点中的一个是，与迷宫或者刷式密封相比，径向运动的公差较大。这需要在前面和后面端板15、16的内径和转子轴11之间有较大的距离(在图3中的距离c和d)。薄片13和转子轴之间的空隙(图3中的距离e)只是几个微米。
本发明涉及一种加工这种叠片密封装置的方法，该方法尤其可以形成叠片密封产品的总制造方法的步骤。在薄片以环形装配在其位置上并且被连接后，确切地说或者通过熔焊、硬钎焊或者其它方法被连接后，在此使用热处理方法来进行加工。
如果在密封装置内部的薄片通过硬钎焊来连接，可以根据涉及的合金的热处理特性，在硬钎焊循环(Hartloetzyklus)中加入热处理。但是如果使用了熔焊方法来连接薄片，那么在焊接之后必需要有接着的热处理过程，从而确保所使用的合金的合适的性能。在其他情况下，则应该建立一个单独的热处理循环(Waermebehandlungszyklus)，该热处理循环对涉及的合金或者硬钎焊连接或者熔焊连接没有有害影响。
如同由于薄片的装配和它们的连接所形成的那样，在密封装置中的薄片的几何构造典型地如图4a所示一样。这些单个的薄片22在叠片密封装置20的内部中沿着一个偏离径向的方向(参见图2中的角度w1)与一个外部环绕着的支撑环21(通过熔焊、硬钎焊等)固定地连接。在该制造方法的过程中，在给薄片22进行定向时，产生了局部的几何构造破坏23，在没有除去该几何构造破坏时，该几何构造破坏明显地降低密封作用。
对于上述热处理，为了消除这种破坏，现在根据图4b，把圆柱形芯轴24导入到薄片组的内部中，该芯轴24的外径D与薄片组的理想内径相同，其中完全允许一定量的热膨胀。
在该过程的这点上，在每个薄片顶部和芯轴表面之间应该产生接触。这在单个的薄片22中产生弯曲应力，如图5所示。在没有插入芯轴24的薄片具有在图5中通过薄片22b来描述特性的定向时，如在薄片22a的例子中所示出的那样，这些薄片通过插入的芯轴24加载有弯曲应力。
每个薄片由于这种弯曲应力稍稍以弧形被弯曲(参见图5中的弯曲箭头)。当然，热处理之前的叠片密封装置20的内径必须小于热处理之后的理想内径D，用于确保薄片顶部和芯轴表面之间的接触。叠片密封装置的尺寸公差下限与在热处理之后在这些薄片中所保留的弯曲有关。这种考虑应该包括在密封装置的设计阶段中。
执行热处理的温度和热处理的时间应该如此地被选择，使得在薄片22中明显地出现应力消除。以这种方式，在冷却之后，在还插有芯轴24时，弯曲应力几乎减小到零。其结果是每个薄片顶部和芯轴表面之间的接触力也几乎是零。在拆下芯轴24时，这些薄片保持在它的新形状和位置上。由此导致它们的自由端形成了芯轴表面的精确复制。由于内径的一些不一致性也由于定位角绕着环体周围的变动而引起，因此该定位角比热处理之前显著更统一，并且空气间隙也保持相同。
在图6和7中示出了一些照片，这些照片示出了一个借助焊缝25焊接在支撑环21上的薄片组的热处理效果。在图6的热处理之前所拍摄的照片中，可以清楚地看到在薄片组内的几何构造破坏23。
根据图7在热处理之后，所焊接的环体示出了一个基本上均匀的定位角以及其它几何特性和一个通过薄片22自由端所形成的光滑的内表面。其中可以看到这些薄片22稍稍弯曲。
内径和外径的同心度和同轴度的保持对于薄片组21、22的功能极其重要。一旦在热处理炉中置于正确的位置上，那么可以使用合适的固定装置来确保不会发生运动并且在热处理循环期间保持合适的同心度。一个专门构造的夹具可以将芯轴24和薄片组21、22定位在一起。
在图6和7的情况下，所使用的芯轴24具有一个直径较小的圆锥形(锥形)区段，从而使得薄片组21、22在它上面可以更加容易地进行推动。一旦被推动到上面，那么薄片组21、22沿着芯轴24被向下推动，直到薄片组到达圆柱形区段为止，该圆柱形区段在薄片组的轴向长度上确保一个恒定的直径。
使用这种方法可以在功能实验之后改变薄片组21、22的内径。初始实验应该使用尽可能小的内径，该内径通过重复热处理过程随着变得较大的芯轴或者直径而逐步增大。
总之，本发明以下面特征为特点：
-热处理过程可以消除叠片密封装置的薄片的几何位置偏差，并且可以确保精确的、可重复的内表面，确切地说，在热处理期间通过消除薄片中的弯曲应力，从而使其几何构造达到一个新的平衡位置。
-使用其外径大约等于所要形成的薄片组的理想内径的芯轴，以产生薄片组的内表面，该内表面通过薄片组的自由端来确定。
-上述过程可以与同时进行的、用于在形成薄片组之后固定薄片的硬焊循环相结合；如果薄片被熔焊，那么在熔焊之后进行热处理，如焊接合金所需要的那样。
-使用固定装置或者夹具可以确保，薄片组的内部圆柱形表面和外部圆柱形表面同心，并且在公差范围内同轴。
-该方法可以是叠片密封装置的制造过程的一部分；它也可以是在确定的维护周期内所进行的维护和维修程序中的一部分，并且可以偶尔包括清洗过程。
-该方法也可以用在其它密封装置如刷式密封装置或者某些其它部件中，在那里，消除由于芯轴尺寸过大而引起的应力形成，可以提高所产生的几何构造的精度和一致性。
附图标记列表
10    燃气轮机
11    转子轴
12、20叠片密封装置
13、22薄片
14    壳体
15、16端板
17    间隔件(单独的)
18    空隙(间隙)
19    气流
21    支撑环
22a、b薄片
23    几何构造破坏
24    芯轴
25    焊缝
a-e   距离
D     直径
w1    角度

Claims (9)

1.一种加工叠片密封或刷式密封形式的密封装置(20)的方法，在这些密封装置(20)中，在两个同轴的圆柱形表面之间所形成的圆环形空隙在轴向方向上通过许多单个的、薄的密封元件(22；22a、b)来密封，这些密封元件(22；22a、b)以偏离径向方向的定向横向地穿过所述空隙而延伸，并且在其配属于一个所述圆柱形表面的端部上被固定，并通过另一个自由端松散地贴靠在另一个所述圆柱形表面上，其特征在于，许多单个的、薄的密封元件(22；22a、b)在一个第一步骤中形成了密封装置，这些密封元件(22；22a、b)在所述密封装置(20)的内部定向在偏离于径向的方向上，并且在其配属于一个所述圆柱形表面的一端上被固定，为了使密封元件(22；22a、b)的自由端均匀地定向，密封元件(22；22a、b)在一个第二步骤中以其自由端贴靠在具有事先规定的直径(D)的同轴的圆柱形表面上，使密封元件(22；22a、b)加载有弯曲应力，并且在一个第三步骤中，对加载有弯曲应力的密封元件(22；22a、b)进行热处理，使得弯曲应力完全被消除。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述密封元件(22；22a、b)由金属或者合金制成。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述密封元件构造为金属丝，并且所述密封装置是刷式密封装置。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述密封元件(22；22a、b)构造为薄片(22；22a、b)，并且所述密封装置是叠片密封装置(20)。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，所述薄片(22；22a、b)在其外端上被固定，并且这种具有薄片(22；22a、b)的结构在第二步骤中被推动到同轴定向的芯轴(24)上，该芯轴(24)具有至少一个圆柱形区段，该圆柱形区段的外径基本上等于事先规定的直径(D)。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，为形成密封装置(20)，所述薄片(22；22a、b)与在外部环绕着的壳体(14)或者支撑环(21)熔焊在一起，并且用于使密封元件(22；22a、b)的自由端均匀地定向的加工步骤在焊接过程结束之后进行。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，为形成密封装置(20)，所述薄片(22；22a、b)与在外部环绕着的壳体(14)或者支撑环(21)硬钎焊在一起，并且用于使密封元件(22；22a、b)的自由端均匀定向的加工步骤在硬钎焊过程中进行。
8.按照权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述用于使密封元件(22；22a、b)的自由端均匀定向的加工步骤多次地使用逐步增大的事先规定的直径(D)来进行。
9.按照权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，使用芯轴(24)，该芯轴(24)具有与所述圆柱形区段邻接的锥形区段，并且带有薄片(22；22a、b)的结构在第二步骤中通过锥形区段被推动到芯轴(24)上。
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