CN101131101A - 天使翅膀形耐磨的密封件和密封方法 - Google Patents

天使翅膀形耐磨的密封件和密封方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及天使翅膀形耐磨的密封件和密封方法。提供耐磨的密封件(40)以通过物理地减少喷嘴(34、36)的凸缘部分(28、30、32)和轮叶(10)的相对的天使翅膀/密封板构件(14、16、18)之间的间隙，改善涡轮机性能。耐磨的密封件的提供通过提供耐磨的接触而不是金属对金属的硬摩擦也减轻天使翅膀/密封板齿或者翅片(22、24、26)的磨损。

Description

天使翅膀形耐磨的密封件和密封方法
技术领域
本发明一般地涉及例如蒸汽和燃气涡轮机的旋转机器，且更特定地关注具有密封组件以控制旋转转子叶片或者“轮叶”的柄部分和该旋转机器的静止喷嘴的径向内部端之间的间距的旋转机器。
背景技术
在其他目的中，蒸汽和燃气涡轮机用于给发电机提供动力。在其他的目的中，燃气涡轮机也用于推进飞行器和轮船。蒸汽涡轮机具有蒸汽路径，其典型地以串行流动的关系包括蒸汽进口、涡轮机、和蒸汽出口。燃气涡轮机具有燃气路径，其典型地以串行流动的关系包括空气入口或者进口、压缩机、燃烧室、涡轮机、和燃气出口或者排气喷嘴。压缩机和涡轮机段包括至少一个周向排的旋转轮叶。旋转轮叶的自由端或者尖端被定子壳体环绕。旋转轮叶的基部或者柄部分在上游和下游端在分别布置在运动叶片的上游和下游的静止叶片的内部罩侧部(flank)。
该涡轮机的效率部分取决于在该转子轮叶柄部分天使翅膀形(angelwing)尖端(密封板翅片)，和相邻的静止组件的密封结构之间的径向间距或者间隙。如果该间距过大，过多有价值的冷却空气将通过该轮叶柄和该静止叶片的该内部罩之间的该间隙泄漏，降低该涡轮机的效率。如果该间距过小，在某些涡轮机运行条件期间，该天使翅膀形尖端将冲击该相邻定子部分的该密封结构。
在这点上，已经知道在加速或者减速的周期期间，由于改变该轮叶上的离心力，由于涡轮机转子振动，和由于在该旋转转子和该静止组件之间的相对热生长，存在间距改变。在不同的离心力、转子振动、和热生长的周期期间，该间距改变能够导致严重的摩擦，例如该运动轮叶尖端在该静止密封结构上的摩擦。增加该尖端到密封件的间距减少由于金属对金属摩擦的损害，但间距的该增加导致效率损失。
发明内容
本发明涉及用于密封在涡轮机的旋转的和静止的部件之间，特定地在静止叶片组件的径向内部端部和旋转轮叶的柄之间的接口的结构和方法。在本发明的示例性的实施例中，在该面向的密封部件的一个的表面上提供耐磨的密封材料，该面向的密封部件在喷嘴内部罩和该涡轮机的相邻的旋转轮叶的该柄之间限定密封间隙。
因而，本发明可以实施在这样的涡轮机中，其包括：包括外部表面和从所述的外部表面径向延伸的至少一个轮叶的转子；具有至少一个静止喷嘴导叶且为该转子限定主壳体的定子；包括从所述的喷嘴导叶的远端部分在该转子的轴向延伸的凸缘部分，和从所述的轮叶在转子的轴向延伸的用于与所述的凸缘部分一起限定间距的密封板构件的密封组件；和布置在所述的间距内，在所述的凸缘部分和所述的密封板构件的一个上的耐磨的密封材料，从而在所述的凸缘部分和所述的密封板构件之间限定密封间隙。
本发明也可以实施在这样的燃气涡轮机组件中，其包括：布置在旋转轴的圆周上的运动叶片组件，所述的运动叶片组件具有平台且包括至少两个轴向突出的天使翅膀形密封结构；与所述的运动叶片组件相邻布置的静止叶片组件，所述的静止叶片组件具有在该旋转轴的旋转轴线的轴向延伸的至少一个凸缘部分，其用于与所述的天使翅膀形密封结构的分别的一个限定密封间隙；布置在所述的凸缘的表面和所述的天使翅膀形密封结构的所述的分别的一个表面的一个上的耐磨的密封材料。
本发明也可以实施在用于在涡轮机的旋转和静止部件之间的接口处限定密封间隙的方法中，其包括：提供包括外部表面和从该外部表面径向离开延伸的至少一个轮叶的转子、从所述的轮叶在该转子的轴向延伸的密封板构件；提供具有至少一个喷嘴导叶且为该转子限定主壳体的定子、从所述的喷嘴导叶的远端部分在该转子的轴向延伸的凸缘部分，其用于与所述的密封板构件轴向地搭接且与其限定径向的间距；且通过在所述的密封间隙中，在所述的凸缘部分和所述的密封板构件的一个上提供耐磨的材料，从而在所述的凸缘部分和所述的密封板构件之间限定密封间隙，减少所述的间距的径向尺度。
附图说明
图1为显示依据本发明的示例性的实施例，在燃气涡轮机中运动叶片和静止叶片之间的密封组件的截面图；和
图2为显示在该静止叶片的密封结构和该运动叶片的天使翅膀形尖端之间的该接口的放大的截面图。
具体实施方式
过去已经提出间距控制装置，例如耐磨的密封件，以使转子适应壳体间距改变。例如参考美国专利No.6340286、6457552；和公开申请No.2005-0003172，US 2005-0164027 and US 2005-0111967，这些的每个的披露以参考的方式合并在此。这种间距控制装置允许设计者减少涡轮机或者发动机的冷构建间距，其减少不希望的泄漏，从而改善涡轮机或者发动机的性能和/或者效率。
本发明一般地涉及在涡轮机的静止密封部件和旋转部分之间的接口处提供耐磨的密封材料。更特定地，本发明涉及在从静止涡轮机叶片或者喷嘴组件的径向内部端部分轴向突出的凸缘的密封间距面向的表面上，或者在从旋转轮叶的柄部分轴向突出的密封板的相对密封间距面向的表面上提供耐磨的密封材料。本发明的示例性的实施例在下文合并到燃气涡轮机中描述。
图1为显示用于防止或者限制冷却空气从燃气涡轮机的运动叶片(轮叶)和静止叶片(喷嘴)之间泄漏到高温燃烧气体通道中的密封组件的截面图。这种示例性的实施例中的涡轮机具有可以围绕中心纵向轴线旋转的转子(未详细显示)和固定地安装在该转子的外部环形表面上的多个轮叶10。该轮叶周向地围绕转子的外部环形表面彼此间隔且从该转子的外部环形表面径向向外地延伸至该轮叶的端尖端。每个轮叶的该端尖端可以包括翼型的形状。具有一般地环形的和圆柱形的形状和内部周向表面的外部壳体12静止地围绕轮叶且从该轮叶径向向外间隔地布置，以限定通过该涡轮机的高温燃气通道。
附图标记14、16、18代表密封板，所谓的天使翅膀，其从运动轮叶的柄部分20的上游和下游表面轴向延伸，且分别以径向向外延伸的尖端、齿或者翅片22、24、26终止。密封结构或者凸缘28、30、32，典型地参见为阻碍密封件，从各自的上游和下游静止喷嘴组件34、36轴向地突出，以与该运动叶片柄20的该天使翅膀限定密封。这些密封组件22/28、24/30、26/32意欲防止比必要数量更多的冷却空气泄漏到高温燃烧气体通道中且被浪费。常规地，在该柄的径向外部部分处，在天使翅膀形尖端22和该阻碍密封件28之间的间隙大约为140mil(3.56mm)，而在径向内部天使翅膀形尖端24和阻碍密封件30之间的间隙大约为125mil(3.17mm)。因而，常规地，该密封性能并不总是好。从而，比希望的数量更多的冷却/密封空气趋向泄漏到该高温燃烧气体通道中，使得冷却空气的数量增加，从而引起该燃气涡轮机的性能恶化。
参见图2，根据本发明的示例性的实施例，耐磨的密封材料40，例如相对软的材料，布置在该静止叶片/喷嘴34的阻碍密封件28的径向内部表面上，使得其布置于在该阻碍密封件28的内部表面和随该转子旋转的该轮叶柄20的该天使翅膀14的该端尖端22之间限定的该环形间距内。在该转子和轮叶相对该静止部件的不同的生长周期期间，该密封构件40通过该分别的天使翅膀形部件14的该尖端22响应与其接触而磨损。从而，没有发生在该运动天使翅膀形尖端22和该阻碍密封件28之间的直接接触，但是在该耐磨的密封材料40中限定局部腔。尽管在图2的详细图中，该耐磨的密封件40图示为与阻碍密封件28关联，需要理解的是，如果认为是必要的或者希望的，这种耐磨的密封材料可以附加地或者可替换地在阻碍密封件30和/或者32的径向内部表面上提供。此外，尽管在该图示的实施例中，该天使翅膀图示为以构造为单齿的尖端终止，需要理解的是，这只是示意性的图示，且该天使翅膀可以以单齿或者多个轴向分隔的齿终止。
如果认为是合适的，依据本发明的示例性的实施例提供的耐磨的密封材料可以是金属的或者陶瓷的。该耐磨的密封材料直接应用于密封表面上，在该图示的实施例中，应用于阻碍密封件的径向内部表面上。在这点上，该耐磨的密封材料可以采用耐磨的涂层形式，例如喷射在密封表面上。依据本发明的示例性的实施例可以应用的耐磨的涂层的示例可以在美国专利公开No.2005-0164027和2005-0003172中找到，这些的每个的披露以参考的方式合并在此。耐磨的涂层的深度能够在从大约10到150mil(大约0.25到3.81mm)的范围内。
在该图示的示例性的实施例中，该阻碍密封件28、30、32设计为在该静止叶片/喷嘴组件内选择性地可插入的可替换的插件，且该耐磨的材料应用于其的径向内部表面。在可替换的实施例中，该耐磨的密封材料可以应用于整体形成的密封件凸缘和/或者，在没有密封凸缘的情况下，应用于喷嘴内部罩的径向内部表面，合适地布置以与该运动轮叶的天使翅膀形尖端限定密封间隙。如上文描述的，尽管该耐磨的材料可以应用于该阻碍密封件或者该喷嘴的其他密封结构的一个或者多个的径向内部表面，需要理解的是，作为替换，该耐磨的密封材料可以应用于该天使翅膀本身的一个或者多个的尖端，尽管这最终导致更小的磨损区域。
在示例性的实施例中，应用于该静止阻碍密封件的耐磨的密封材料的深度限定为50mil(1.27mm)涂层。如将意识到，应用50mil涂层于该径向外部阻碍密封件28的径向内部表面，有效地从140mil变紧阻碍密封件28和天使翅膀形尖端22之间的间隙到小于100mil。因而，应用于该静止阻碍密封件的50mil耐磨的密封构件或者涂层变紧该天使翅膀间隙超过三分之一。有该耐磨的密封材料存在的流动分析显示，由于如上面提到的间隙的变紧，提供该耐磨的密封件导致清洗流的大约15-20％的减少。
因而，依据本发明的示例性的实施例提供的耐磨的密封件通过物理地减少轮叶天使翅膀形齿和阻碍密封件之间的间隙改善涡轮机性能。由于耐磨的密封件的被摩擦而不损害该轮叶齿尖端的能力，间隙的减少是可能的。在这点上，希望在该阻碍件上的耐磨的密封件的摩擦不是圆周的而是夹点效应的结果。因而，在该天使翅膀处的间隙减少能够提供附加的涡轮机性能增益。
通过提供耐磨的接触而不是金属对金属的硬摩擦，即该天使翅膀形尖端和阻碍密封件的在下面的硬表面的接触，上述的耐磨的密封件的提供也减轻天使翅膀形齿磨损。因而，该天使翅膀耐磨的密封件给予好的间隙减少且在减少要求的清洗流和最小化轮叶天使翅膀形齿磨损和阻碍密封件损坏方面提供附加的性能增益，从而增加其应用寿命。
虽然本发明已结合目前被认为是最可行的和最优选的实施例被描述，应当考虑的是，本发明不限于披露的实施例，但是相反的是，本发明意欲覆盖包含在附上的权利要求书的精神和范围内的各种修改和等价的布置。
零件列表
轮叶10
外部壳体12
密封板/天使翅膀14、16、18
柄部分20
尖端、齿或者翅片22、24、26
阻碍密封件/凸缘28、30、32
静止喷嘴组件34、36
耐磨的密封材料40

Claims (10)

1.一种涡轮机，其包括：
包括外部表面和从所述的外部表面径向延伸的至少一个轮叶(10)的转子；
具有至少一个静止喷嘴导叶(34、36)且为该转子限定主壳体(12)的定子；
密封组件，其包括从所述的喷嘴导叶的远端部分在该转子的轴向延伸的凸缘部分(28、30、32)、和从所述的轮叶(10)在该转子的轴向延伸以与所述的凸缘部分(28、30、32)限定间距的密封板构件(14、16、18)；和
布置在所述的间距内、在所述的凸缘部分和所述的密封板构件的一个上的耐磨的密封材料(40)，从而在所述的凸缘部分和所述的密封板构件之间限定密封间隙。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述的至少一个凸缘部分包括固定到所述的静止叶片组件的阻碍密封结构(28、30、32)。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中所述的阻碍密封结构包括选择性地可插入该静止叶片组件中的可替换的插件。
4.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述的密封板构件包括从所述的密封板构件(14、16、18)的表面向所述的凸缘部分(28、30、32)凸出的至少一个齿或者翅片(22、24、26)。
5.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述的耐磨的密封材料(40)包括应用为大约10到150mil之间的厚度的涂层。
6.根据权利要求5所述的涡轮机，其中所述的耐磨的密封涂层应用于所述的凸缘部分的径向内部表面。
7.一种用于在涡轮机的旋转和静止部件之间的接口处限定密封间隙的方法，其包括：
提供包括外部表面和从该外部表面径向离开延伸的至少一个轮叶(10)的转子、从所述的轮叶在该转子的轴向延伸的密封板构件(14、16、18)；
提供具有至少一个喷嘴导叶(34、36)且为该转子限定主壳体(12)的定子、从所述的喷嘴导叶的远端部分在该转子的轴向延伸的凸缘部分(28、30、32)，以与所述的密封板构件轴向地搭接且与其限定径向的间距；且
通过在所述的密封间隙中，在所述的凸缘部分和所述的密封板构件的一个上提供耐磨的材料(40)，从而在所述的凸缘部分和所述的密封板构件之间限定密封间隙，减少所述的间距的径向尺度。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述的凸缘部分包括固定到所述的静止叶片组件(34、36)的阻碍密封结构(28、30、32)，其中所述的阻碍密封结构包括可替换的插件，且进一步地包括替换所述的阻碍密封结构。
9.根据权利要求7所述的方法，其中提供所述的耐磨的材料(40)包括应用耐磨的密封材料的涂层于所述的表面。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述的耐磨的密封涂层应用于所述的凸缘部分的径向内部表面。
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