CN101165374B - 高温密封和高温密封系统 - Google Patents

Abstract

一种高温密封装置，该装置包括内部区域(14)和涂层(22)，该区域包括一种当暴露在高温环境中将会发生膨胀的材料和至少一个能够插入密封槽(32)内的突出部分，该涂层基本上阻止了对内部区域(14)的涂层区的膨胀。涂层(22)可以这样配置在内部区域(14)的外表面上，即，使得至少一个突出部分的远端至少部分地保持无涂层，并且内部区域(14)的剩余部分基本上由涂层(22)所覆盖。内部区域(14)包括陶瓷基体复合物。

Description

高温密封和高温密封系统

技术领域

本发明总体上涉及在高温工业应用中使用的密封装置。更准确地说，但不是作为限制，本发明涉及在涡轮机应用中的高温密封装置。

背景技术

高温密封装置在许多工业应用中都是需要的。例如，暴露在涡轮机环境的高工作温度下的燃气或蒸汽涡轮机的护罩减振系统，它需要一种容许损伤的密封组合，该密封组合可以强有力的阻止泄漏并且能满足长寿命的目标。更准确地说，金属减振器用来减弱在护罩系统上的特定的振动模式，它需要一种高温密封装置来阻止气流从涡轮机的主流动通道中逸出，并且由此防止了该装置的效率降低。

业已证明，常规的密封装置用于这种应用场合是不能令人满意的。例如，常规的绳索密封原理利用了单根陶瓷纤维的“绳索”来产生对组件的密封。但是，由于其多孔的结构，这种绳索并不能提供有效的密封。况且，在使用期间该绳索密封装置所发生的化学和物理的降解将进一步损害该密封装置的完整性，从而使绳索密封装置不能满足长寿命的目标。此外，在燃气涡轮机中的废气通道的温度将继续增加。当这种情况发生时，常规的金属密封装置的使用也受到非常大的限制。

因此，有需要提供一种改进的高温密封系统，该系统能对泄漏提供有效的和强有力的密封，同时还能承受高温的腐蚀性的环境，例如在燃气涡轮机的流动通道中发生的环境。更准确地说，有需要提供一种高温密封系统，该系统在燃气涡轮机的护罩减振系统中是有效的。

发明内容

因此，本发明提供了一种高温密封装置，该装置包括内部区域和涂层，该内部区域包括一种当暴露在高温环境中将会发生膨胀的材料和至少一个能够插入密封槽内的突出部分，该涂层基本上阻止了对内部区域的涂层区的膨胀。该涂层这样配置在内部区域的外表面上，使得至少一个突出部分的远端至少部分地保持无涂层，以及该内部区域的剩余部分基本上由该涂层所覆盖。

在某些实施例中，内部区域可以是陶瓷基体复合物。该陶瓷基体复合物是连续纤维陶瓷基体复合物。暴露在高温环境下的该突出部分的远端的无涂层区域使该突出部分产生膨胀。该高温环境可能是燃气涡轮发动机的流动通道。在某些实施例中，该涂层可能是环境阻挡性涂层。

该内部区域具有近似的矩形截面，该截面具有相对置的长边和相对置的短边，每个短边是该突出部分的远端。在某些实施例中，该对置的长边的长度至少是短边长度的两倍。在某些实施例中，每个短边都可以是无涂层的。

在某些实施例中，长边中的至少一个长边随着长边接近短边而向内倾斜一个角度。在向内倾斜以前的长边与在向内倾斜以后的长边之间的角度可以在约150°与约170°之间。

短边中的至少一个短边被局部涂敷，使得该无涂层区域在接近短边的中央位置是窗状开口。暴露在高温环境下的窗状开口的无涂层区域使该突出部分产生膨胀。窗状开口具有根据在突出部分中所需要的膨胀量而预先确定的尺寸。该部分涂敷的短边还可以包括圆化边缘。在某些实施例中，该高温密封装置还可以包括沿着长边中的一个长边的中部的涂层堆积物。

本发明还描述了一种高温密封系统，该系统包括：(1)第一结构和第二结构，该第一结构具有第一密封槽，该第二结构具有第二密封槽，该第一密封槽与该第二密封槽横跨密封区互相对置；(2)高温密封装置，该高温密封装置包括一个内部区域，该内部区域具有这样配合在第一密封槽中的第一突出部分和配合在第二密封槽中的第二突出部分，使得在装配时，该高温密封装置跨接在密封区上，该内部区域由陶瓷基体复合物制成，当暴露在高温环境下时，该陶瓷基体复合物将发生膨胀；以及(3)涂层，该涂层基本上阻止了对内部区域的涂层区的膨胀。该涂层这样配置在内部区域的外表面上，使得第一突出部分的远端和第二突出部分的远端至少部分地无涂层，以及该内部区域的剩余部分基本上由该涂层所覆盖。

本发明还描述了一种用于涡轮机中的护罩减振系统的高温密封系统，该系统包括：(1)第一减振块和第二减振块，该第一减振块具有第一密封槽，该第二减振块具有第二密封槽，该第一密封槽与该第二密封槽横跨密封区互相对置；(2)高温密封装置，该高温密封装置包括一个内部区域，该内部区域具有这样配合在第一密封槽中的第一突出部分和配合在第二密封槽中的第二突出部分，使得在装配时，该高温密封装置跨接在密封区上，该内部区域由陶瓷基体复合物制成，当暴露在燃气涡轮机的流动通道中时，该陶瓷基体复合物将发生膨胀；以及(3)涂层，该涂层基本上阻止了对内部区域的涂层区的膨胀。该涂层这样配置在内部区域的外表面上，使得第一突出部分的远端和第二突出部分的远端至少部分地无涂层，以及该内部区域的剩余部分基本上由该涂层所覆盖。在某些实施例中，第一密封槽可以在一侧由第一护罩所封闭，以及第二密封槽可以在一侧由第二护罩所封闭。

每个远端可以被局部涂敷，使得无涂层区在短边的中央位置附近是一个窗状开口。当暴露在燃气涡轮机的流动通道中时，该窗状开口的无涂层区将使每个突出部分发生膨胀。该窗状开口具有根据在每个突出部分中所需要的膨胀量而预先确定的尺寸。

本发明的上述这些和其他的特征通过阅读下面的最佳实施例的详细说明，连同参考附图和所附的权利要求书将一清二楚。

附图说明

图1示出了与本发明的一个示例性实施例相一致的密封装置的横截面图的示意的线条图。

图2示出了与本发明的一个示例性实施例相一致的密封装置经过工作膨胀以后的横截面图的示意的线条图。

图3示出了一个示例性的密封系统的横截面图的示意的线条图，该密封系统使用了与本发明的一个示例性实施例相一致的密封装置。

图4示出了与本发明的一个示例性实施例相一致的密封装置的另一种可供选择的端部的横截面图的示意的线条图。

图5示出了图4的可供选择的端部的密封装置经过工作膨胀以后的横截面图的示意的线条图。

图6示出了与本发明的一个示例性实施例相一致的密封装置的另一种可供选择的端部的横截面图的示意的线条图。

图7示出了一个示例性的密封系统的横截面图的示意的线条图，该密封系统使用了与本发明的另一个示例性实施例相一致的密封装置。

图8示出了燃气涡轮机的护罩减振系统的横截面图的示意的线条图，该减振系统使用了与本发明的一个示例性实施例相一致的密封装置。

图9是沿图8的截面线9-9截取的一个视图。

图10示出了燃气涡轮机的护罩减振系统的横截面图的示意的线条图，该减振系统使用了与本发明的一个示例性实施例相一致的密封装置。

图11示出了另一种燃气涡轮机的护罩减振系统的横截面图的示意的线条图，该减振系统使用了与本发明的一个示例性实施例相一致的密封装置。

具体实施方式

现在参看附图，在多个视图中，用不同数字标号来表示相同的零件，图1示出了一个与本发明的一个示例性实施例相一致的高温密封装置的截面图，该密封装置称为CMC密封装置10。CMC密封装置10包括内部区域14。内部区域14由陶瓷基体复合物组成。用于内部区域14的该陶瓷基体复合物(也称“CMC”)可以由连续纤维或者非连续纤维组成，但是连续纤维在高应力环境中可能是更好的选择。在某些实施例中，例如，该陶瓷基体复合物可以是一种纤维加强的碳化硅/碳化硅陶瓷基体复合物。在本技术领域内的普通技术人员应当理解，其他陶瓷基体复合物也是可以使用的。

内部区域14的截面本质上可以是矩形，虽然其他形状也可以使用，这取决于具体应用。如图所示，内部区域14的截面形状大体上是矩形。该矩形有长边16和短边或端部18。长边16可以比端部18长很多，如此处所使用的那样，长边16可以被规定为端部18的长度的至少两倍。

CMC(陶瓷基体复合物)密封装置10的内部区域14可以这样配置，使得它至少包括一个突出部分。如此处所使用的那样，突出部分是从一般块状物或某物中央延伸或伸出的部分或臂。在目前情况下，内部区域14的中央区域构成了一般块状物或某物的中央，本技术领域的人或普通技术人员应当理解，该中央区域可以采取在本发明中示出的许多种并非一般矩形的形状。矩形形状常常被使用是因为它的简单性和经济性。在内部区域14为矩形的实施例的情况下，每个端部18和在端部18附近的这部分内部区域14都可以构造成突出部分。如下面还要更详细说明的那样，突出部分的远端可以插进一个狭槽或者密封槽内，以便完成密封系统。

内部区域14的表面可以涂有涂层22。涂层22可以是一种环境阻挡性涂层。涂层22可以由许多层组成，例如它可以包括粘接涂层、中间涂层和顶部涂层。例如，在某些实施例中，粘接涂层可以是硅粘接涂层，中间涂层可以是莫来石-硅酸铝钡锶(“BSAS”)过渡层，以及顶部涂层可以是BSAS顶部涂层。在本技术领域内的普通技术人员应当理解，其他涂层(它可以是单层或多层)也可以使用。涂层22可以保护内部区域14免受在涡轮机或其他高温应用的流动通道内发生的工作情况和高温的影响。更准确地说，涂层22可以阻止在涡轮机的流动通道中的热空气触到CMC材料。如图1中所示，端部18可以保持无涂层。如下面还要更详细说明的那样，端部18也可以部分地无涂层。应当注意，在某些实施例中，只有一个端部18可以无涂层或者部分地无涂层。

当暴露在燃气涡轮机的工作条件或其他高温应用下时，内部区域14的陶瓷基体复合物将可能发生膨胀。更准确地说，内部区域14的材料将经受一个氧化过程，该氧化过程将引起该材料发生膨胀。该氧化过程通常发生在许多高温的工业应用中，即，当温度处于约500℃以上时。在常用的工业燃气涡轮机或蒸汽涡轮机的流动通道内的温度将超过此水平，通常能达到800℃至1200℃。涂层22通过阻止热空气达到内部区域1 4而阻止了气化在内部区域14的许多地方发生氧化。但是，当暴露在燃气涡轮机的工作条件或其他高温应用条件下时，该无涂层或部分地无涂层的端部18将发生膨胀。

图2示出了当暴露在燃气涡轮机的工作条件或其他高温应用条件下时，通常发生在无涂层端部18处的膨胀。内部区域1 4的氧化将引起端部18发生膨胀。由于该氧化以很高速度发生在接近无涂层端部18处，端部18将向外扩张成喇叭形，如附图中所示。更准确地说，内部区域14的宽度将沿着一部分长边16以逐渐变化的方式增加到端部18处的张开状态。如下面还要详细讨论的那样，人们业已发现，这种已知的损伤机理可以用来加强高温密封装置的密封性能和使用期限。

图3示出了一个示例性的密封系统27的示意的横截面图，该密封系统包括燃气涡轮机或其他高温应用内的第一块体28和第二块体30。最好是对在第一块体28和第二块体30之间的区域这样进行密封，使得气体不能在第一块体28和第二块体30之间通过。因此，狭槽或密封槽32可以在每个块体28，30中切出。CMC密封装置10的内部区域14可以这样构形，使得它包括两个可以插入在各个密封槽32中的突出部分(在这种情况下它们是各个端部18以及CMC密封装置10的非常接近端部18的部分)。CMC密封装置10的剩余部分可以横跨在两个块体28，30之间的这段距离上。

在工作期间，CMC密封装置10将暴露在涡轮机的高温排气中或者其他高温条件下。无涂层端部18和CMC密封装置10的非常接近每个端部18的部分将开始逐渐地氧化和膨胀。这种膨胀将使每个端部18向外扩张，并且以非常牢固的方式与密封槽32的内壁相接触。这种情况将在密封槽32和端部18以及CMC密封装置10的非常接近每个端部18的部分之间建立持久的和有效的密封。在这种情况下，气体围绕在密封槽32内的密封装置10的端部的运动将基本上被阻止。因此，在第一块体28和第二块体30之间的区域就可以被这样密封，使得气体基本上不能在它们之间通过。

本发明的另一个实施例在某些应用中可以加强该密封装置的密封特性。例如，如图4中所示，CMC密封装置40在端部18的一端或两端制成锥形。更准确地说，当长边16接近端部18时，长边16可以向内形成角度，从而形成了长边16的向内倾斜部分42。除了在膨胀发生时，向内倾斜部分42的配置可以允许在长边16与密封槽32之间的接触区的长度更长以外，CMC密封装置40可以与CMC密封装置10相类似的方式工作。如图5中所示，与CMC密封装置10的向外扩张的形状不同，当膨胀在无涂层端部18发生时，向内倾斜部分42将向外扩张，使得从长边16的中间部分隆起并且大体上与该中间部分相平行。这样，向内倾斜部分42的向内角就补偿了某些膨胀，并且当膨胀发生后，可以在密封槽内产生更大和更均匀的接触区。因此，在长边16与密封槽32之间的接触区43将变成与向内倾斜部分42相近似长度，这将导致接触区长度的增加(与长边16没有向内倾斜的接触区长度相比)。在长边16与密封槽32之间的接触区的长度增加将产生更加有效的密封。

向内倾斜部分42的结构可以具有几个有利的效果。如前所述，向内倾斜部分42可以补偿膨胀，使得在CMC密封装置40与密封槽32之间可以获得更紧密的接触和更大的接触长度。此外，还改进了密封接触面。由于补偿了某些膨胀，密封接触压力也可以减少到比较可接受的水平，由此可以使密封的摩损速度减少并且增加密封的寿命。通常，在向内倾斜部分42以前的长边16与向内倾斜部分42之间形成的角度在150°与170°之间，然而，该角度可以与这个角度范围不同，这取决于密封的应用场合。此外，在向内倾斜部分42以前的长边16与向内倾斜部分42之间形成的角度可以通过实验以实验为根据来确定，该角度可以随涂层厚度，内部区域厚度和环境条件的不同而变化。应该注意的是，向内倾斜部分42在图4中的绘图是没有按比例画的。

图6示出了另一个示例性的实施例，CMC密封装置50。CMC密封装置50的端部18可以部分地涂有涂层22，而不是全部的无涂层端部18。在某些应用中，局部涂层的端部18可以产生至少两个设计优点。第一，可以把氧化限制在内部区域14的中央。在内部区域14的边缘发生的氧化可能引起涂层22与内部区域14的分离，而这将导致密封的降解速率的增加以及工作寿命的减少。第二，端部18上遭受氧化的表面积的减少使人们可以预测并由此调节扩张/膨胀的数量，这在某些应用中可能是有用的。更准确地说，可以将左边的无涂层区增加以便提供更大的膨胀，或者将该无涂层区减小以便提供更小的膨胀，这要根据该应用的具体需要而定。因此，如图6中所示，涂层22可以覆盖在端部18的外边缘上，并且可以将中央窗状开口52留下不作覆盖。此外，在图6中所描绘的是圆化边缘56。在某些实施例中，涂层22从长边16向部分涂层的端部18过渡，当涂层制成如图6中所示的形状时，圆化边缘56可以改进涂盖该区域的能力。该固化边缘可以改进涂层的粘合力和均匀性。

图7示出了另一个实施例，CMC密封装置60，它是在燃气涡轮机内包括第一块体28和第二块体30的示例性的密封系统27内被描述的。如图所示，CMC密封装置60包括涂层堆积物64。涂层堆积物64可以提供能改进该密封的另外的封闭物。此外，涂层堆积物64可以减少在第一块体28与第二块体30之间的敞开区的大小，这在某些应用中可能是有利的。涂层堆积物64例如可以由许多层涂层22来形成。

如上所述，CMC密封装置10，40，50，60可以在高温应用中使用。特别适合使用CMC密封装置10，40，50，60的一种应用场合是在燃气或蒸汽涡轮机内的护罩减振系统中使用。现在参看图8和9，图中示出了一种可以使用CMC密封装置10，40，50，60的示例性的护罩减振系统80。本文中所描述的护罩减振系统80在美国专利6942,203中有更完整的描述，它们作为一个整体结合在本文中。本技术领域内的普通技术人员应当理解，护罩减振系统80只是一个示例，CMC密封装置10，40，50，60还可以在其他相类似的护罩减振系统中使用。

图8是一个沿周边方向的视图，图9是沿图8的剖面线9-9截取的剖视图。护罩减振系统80包括安装有多个护罩84的外护罩块或主体82。应当理解，多个护罩块82围绕该燃气涡轮机轴线的周向排列，并且安装有多个护罩84，该护罩包围通过该燃气涡轮机流动的热燃气通路并且构成该通路的一部分。可以由陶瓷基体复合物制成的护罩84可以通过螺栓(未示出)固定在护罩块82上，并且还具有与在该燃气涡轮机内的热燃气通路相接触的内表面。

护罩减振系统80还可以包括减振块/护罩分界面，减振载荷传递装置和减振装置。该减振块/护罩分界面可以包括由金属材料制成的减振块86，该金属材料例如为PM2000，它是一种具有高温使用极限可达2200

的超耐热合金材料。如图所示，减振块86的沿径向向内面向的表面可以与护罩84的背面相啮合。该减振载荷传递装置包括具有活塞88的活塞组件。活塞88的径向内端在减振块86内终止。该减振装置可以包括弹簧90。作为保证结构柔量的一致性的一个措施，弹簧90可以预先经过温度和载荷处理。弹簧90可以安装在沿着护罩块82的背面的形成的杯形外壳内。弹簧90可以被预先加载，使其一端与活塞88的相接合，从而沿径向向内偏压活塞88。弹簧90的反向端则与盖92相啮合，该盖例如可以通过螺纹固定。

本技术领域内的普通技术人员应当理解，当工作时，减振装置的弹簧90将保持作用在活塞88上并由此作用在减振块86上的向内的径向力。反过来，减振块86可以压在护罩84的背面来使振动减弱，并且特别是能避免在共振频率或者接近共振频率时的振动反应。

为了使涡轮机的效率达到最高，必须把相邻接的减振块86互相密封。更准确地说，如果不能在相邻的减振块86之间建立有效的密封，废气将会从主流动通道逸出，并且围绕涡轮叶片运行。如同本技术领域内的普通技术人员应当理解的那样，这样的结果是不希望发生的，因为从没有经过涡轮叶片的废气中是提取不出能量的。从主流动通道逸出的废气将使涡轮机的效率降低。如图9中所示，环形空间94将保持在相邻的减振块86之间。相对置的密封槽95可以在邻接的减振块86之间这样形成，使得密封可以放置在减振块86之间，以便把环形空间94封闭。放置在减振块86之间并且在相对置的密封槽95内的密封装置可以是CMC密封装置10，40，50，60，为了简单起见，它们在下文中将被称为CMC密封装置96。如同本技术领域内的普通技术人员应当理解的那样，CMC密封装置96可以包括上述各个不同实施例中的任何一种密封装置。

图10和11示出了在护罩减振系统内的可供选择的密封结构中的CMC密封96的示意结构的截面图。图10示出了具有相对置的密封槽95的相邻的减振块86，在该密封槽中已被插入CMC密封96。图11示出了一个可供选择的结构，其中，CMC密封96

的端部18已被插入密封槽95中。密封槽95可以由对接护罩84束缚在径向向内的侧面上。更准确地说，密封槽95可以由沿径向向内切入减振块86一个象限的凹口97而产生。然后，对接护罩84就可以这样放置，使得它可将密封槽95的该径向向内的侧面封闭。

在工作期间，在两种结构中的任何一种结构的情况下，CMC密封96都将会暴露在高温的涡轮机废气中。该无涂层或者部分涂层(取决于所使用的实施例)端部18将开始氧化和膨胀。该膨胀将引起每个端部18向外扩张并且与密封槽32相接触，这种情况将促进在密封槽32与CMC密封装置96的端部18之间的持久的和有效的密封。这样，在相邻的减振块之间的环形空间94就能被有效地密封，使得气体基本上不能通过。本技术领域内的普通技术人员应当理解，上述用于CMC密封装置96的可供选择的实施例中的任何一个实施例，即CMC密封装置10，CMC密封装置40，CMC密封装置50，或CMC密封装置60都可以使用。

根据本发明的较佳实施例的上述说明，本技术领域内的普通技术人员将可觉察到某些可改进，变化和修改的地方。在本技术领域内的技术上的这些改进，变化和修改应被包括在所附权利要求书的范围内。此外，很明显，上述内容只涉及本发明所描述的实施例，只要不脱离由下面的权利要求书中所规定的本发明的精神和范围，可以对它们做出许多变化和修改。

部件表：

CMC密封装置                 10

内部区域                    14

长边                        16

短边或端部                  18

涂层                        22

示例性的密封系统            27

第一块体                    28

第二块体                    30

狭槽或密封槽                32

CMC密封装置                 40

倾斜部分                    42

接触区                      43

CMC密封装置                 50

中央窗状开                  52

圆化边缘                    56

CMC密封装置                 60

涂层堆积物                  64

护罩减振系统                80

外护罩块或主体              82

护罩                        84

减振块                      86

活塞                        88

弹簧                        90

盖                                92

环形空间                          94

密封槽                            95

CMC密封装置                       96

凹口                              97

Claims (2)

1.一种高温密封装置，包括：

内部区域（14），该内部区域包括一种当暴露在高温环境中将发生膨胀的材料和至少一个能够插入密封槽（32）内的突出部分；以及

涂层（22），该涂层基本上阻止对内部区域（14）的涂层区的膨胀；

其中，该涂层（22）如此地配置在内部区域（14）的外表面上，即，使得密封装置的从内部区域（14）延伸出的所述至少一个突出部分的远端至少部分地保持无涂层，并且该内部区域的剩余部分基本上由该涂层所覆盖。

2.权利要求1所述的密封装置，其中，内部区域（14）包括陶瓷基体复合物。

3．权利要求2所述的密封装置，其中，该陶瓷基体复合物包括连续纤维陶瓷基体复合物。

4．权利要求1所述的密封装置，其中，暴露在高温环境下的该突出部分的远端的无涂层区域使得该突出部分产生膨胀。

5．权利要求1所述的密封装置，其中，涂层（22）包括环境阻挡性涂层。

6．权利要求1所述的密封装置，其中，内部区域（14）具有近似的矩形截面，该截面具有相对置的长边（16）和相对置的短边（18），每个短边（18）包括该突出部分的远端。

7．权利要求6所述的密封装置，其中，每个短边（18）都是无涂层的。

8．权利要求1所述的密封装置，其中，所述密封装置在一端或两端制成锥形。

9．权利要求6所述的密封装置，其中，短边（18）中的至少一个短边被局部地涂敷，使得该无涂层区域在接近短边（18）的中央位置处包括窗状开口（52）。

10．权利要求9所述的密封装置，其中，暴露在高温环境下窗状开口（52）的无涂层区域将使该突出部分产生膨胀；并且该窗状开口（52）具有依据在突出部分中所需要的膨胀量而预先确定的尺寸。

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