CN101315033A - 具有倾斜密封件的护罩结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有倾斜密封件的护罩结构，具体而言，本发明涉及一种定子护罩段(10)，(110)，其包括具有前缘凹槽和后缘凹槽(222)的外护罩(212)；以及各具有前缘钩件和后缘钩件(218)的多个内护罩(214)，各内护罩的前缘钩件和后缘钩件分别与外护罩的前缘凹槽和后缘凹槽接合，使得内护罩轴向和径向地锁定到外护罩上。内护罩(214)的后缘钩件(218)和外护罩(212)的后缘凹槽(222)中的至少一个包括倾斜表面(240)，(242)，倾斜表面设置成与转子的轴向方向和转子的径向方向成一定角度，并且面向内护罩和外护罩中的另一个，由此，在内护罩上的径向向内的力被转换成在轴向和径向方向上的力，以迫使内护罩(214)紧密地密封位于内护罩(214)和外护罩(212)之间的径向间隙。

Description

具有倾斜密封件的护罩结构
技术领域
本发明涉及一种具有倾斜密封件的护罩结构。
背景技术
在工业燃气涡轮机中，护罩段(shroud segment)成环状阵列围绕涡轮机的转子轴线固定在涡轮机支架钩件上，以径向向外并且邻近叶片(bucket)末端形成环状护罩，其形成涡轮机转子的部分。护罩的内壁限定部分气路(gas path)。通常，护罩段由内护罩和外护罩组成，它们设有邻近它们的前缘和后缘的辅助钩件和凹槽，用于将内护罩和外护罩相互连接。外护罩本身也紧固到涡轮机壳体或外壳钩件上。在示例结构中，各护罩段都具有一个外护罩和两个或三个内护罩。
发明内容
本发明利用位于叶片尾部的流程(flow path)和护罩冷却空气之间存在的压力梯度来使后缘钩件能够更有效地密封。更具体地，本发明采用了通常在径向方向上产生力的压力梯度，并且通过使用至少一个倾斜表面将其转换成在轴向和径向方向上的力。在示范实施例中，该倾斜面被容纳在内护罩和外护罩的后缘内并且被以这样的方式定位，使得压力梯度将迫使内护罩在气路的方向上并朝向发动机的中心略微移动。该移动将迫使内护罩将位于内护罩和外护罩之间的径向间隙紧密地密封。
因此，本发明可以实施为多级燃气涡轮机的定子护罩，其包括：护罩段，其具有用于部分地限定穿过一个级的热的气路的表面，并且该护罩段覆盖形成部分涡轮机转子的所述一个级的叶片末端，所述护罩段具有上游前缘和下游后缘；所述护罩段包括外护罩和连接到外护罩上的至少一个内护罩；所述外护罩具有邻近并沿其各所述前缘和后缘限定的凹槽，所述凹槽沿所述后缘在轴向上游方向上开口；所述内护罩具有前缘轴向突出钩件部分和后缘轴向凸出钩件部分，分别用于所述外护罩的所述凹槽接合，所述接合轴向和径向地将所述内护罩锁紧到所述外护罩上；而其中所述内护罩的所述后缘钩件和所述外护罩的所述后缘凹槽中的至少一个包括倾斜表面，该倾斜表面布置成与所述转子的轴向方向以及所述转子的径向方向成一定角度，并且面向所述内护罩和外护罩中的另一个，由此在所述内护罩上的径向向内的力被转换成轴向和径向方向上的力，以迫使内护罩紧密地密封位于所述内护罩和外护罩之间的径向间隙。
附图说明
通过仔细研究结合附图对本发明的当前优选示范性实施例所做的更详细的描述，将更完整地理解和认识本发明的这些和其它的目的和优点，其中：
图1是显示常规内护罩保持设计的示意性周向末端视图；
图2是另一个常规护罩段的示意性周向末端视图；
图3是对应于图1和图2的常规护罩保持设计的护罩段后端的放大的示意性周向末端视图；
图4是实施本发明的护罩段的放大的示意性周向末端视图。
部件列表
护罩段10
外护罩12
内护罩14
内护罩钩件16，18
前缘和后缘17，19
外护罩凹槽20，22
冲击冷却板24
壁表面26
燕尾槽30
外壁或边界31
钩件32
叶片35
护罩段110
外护罩112
内护罩114
内护罩钩件116，118
前缘和后缘117，119
凹槽120，122
外护罩钩件121，123
冲击冷却板124
楔形榫130
燕尾槽132
前缘和后缘钩件134，136
外护罩212
内护罩214
内护罩钩件218
尾部或后端219
轴向向前朝向凹槽222
倾斜表面240
倾斜表面242
径向外周向表面244
第一表面246
第二表面248
径向外周向表面250
第一表面252
第二表面254
具体实施方式
参考图1，示出了一般地标示为10的护罩段，其包括外护罩12和用于紧固到外护罩12上的多个内护罩14中的一个内护罩。内护罩具有分别邻近于其前缘17和后缘19的钩件16，18，用于总装(finalassembly)中在外护罩12的凹槽20，22内的可周向滑动的接合。内护罩和外护罩还在护罩之间安装了冲击冷却板24，用于冲击冷却内护罩段的壁表面26。外护罩12具有径向向外的燕尾槽(dovetail groove)30，其用于容纳形成部分固定涡轮机壳体的钩件32，该钩件32用于将护罩段10紧固到壳体上。应该理解的是，在燃气涡轮机的转子和转子上的叶片35的末端周围形成护罩段10的环形阵列，从而限定用于热气流经涡轮机的热气路的外壁或边界31。图1的示例护罩组件的其它特征和细节在美国专利No.6,402,466中公开，该公开通过此引用而结合在本文中。
图2示出了另一示例护罩组件。如在其中示出的那样，一般地标示为110的护罩段包括外护罩112和多个内护罩114。典型地提供两个或三个护罩，为图示清晰仅显示了其中一个护罩。内护罩具有分别与其前缘117和后缘119邻近的钩件116，118，用于总装中由外护罩112的钩件121，123限定的凹槽120，122内的可周向滑动的接合。在示出的实施例中，冲击冷却板124安装在护罩之间，用于以常规的方式冲击冷却护罩段110的表面的内壁。
在示出的实施例中，外护罩116具有径向向外的楔形榫130，其用于接合在由前钩件134和后钩件136限定的燕尾槽132中，其中前钩件134和后钩件136形成部分固定涡轮机壳体或外壳并用于将护罩段紧固到外壳上。已知对所示出结构的备选将包括设有径向的外燕尾槽的外护罩，该燕尾槽用于容纳对应成形为构成部分涡轮机外壳的楔形榫，如在图1中所示。
如图1中所示的结构中，在图2的组件中，围绕燃气涡轮机的转子和转子上的叶片末端形成护罩段110的环形阵列，从而限定对于流经涡轮机热气路的热气体的外壁或边界。图2中示出的结构的其它特征在美国专利No.6,814,538中公开，该公开内容通过引用而结合在本文中。
图3是图1和图2的护罩结构中的护罩后缘的放大视图，其用于与本发明比较，下文将描述其实施例。
传统护罩钩件如在图1和图2所示的护罩组件中那样使用轴向和径向(垂直和水平)的钩部件。位于护罩组件内的冷却空气和流程密封件之间的压力梯度在周向/轴向表面上施加力。此周向或轴向表面由于内护罩的弦曲(chording)而不是有效的密封表面。更具体地，弦曲使得内护罩弯曲到大于外护罩的弯曲程度并在轴向密封件中的打开间隙。
本发明使用存在于叶片的流程尾部和护罩冷却空气之间的压力梯度以允许后缘钩件更有效地密封。更高效的密封件减小了内护罩和外护罩之间的间隙，这反过来又减小了穿过此特定密封件而损失的冷却流的量。更具体地，本发明采用通常在径向方向上产生力的压力梯度，并通过利用倾斜表面将其转换成在轴向和径向方向上的力。在示范实施例中倾斜面被容纳在内护罩和外护罩的后缘内并以这样的方式定位，即压力梯度将迫使内护罩在气路的方向上并朝向发动机的中心略微移动。此移动将迫使内护罩紧密地密封在位于内护罩和外护罩之间的径向间隙内。
因此且更具体地，为了保证沿着密封件的接触以及在尾部钩件处的有效密封，在本发明的示范实施例中，在密封件中一体地结合了倾斜的圆锥部件，其将压力载荷从完全地径向力转变成径向和轴向力。因此，作为实施例而提供了通常具有图1和图2中示出类型的定子护罩，其中内护罩的后缘钩件和外护罩的后凹槽中的至少一个包括倾斜表面，其布置成与所述转子的轴向方向和转子的径向方向成一定角度并面对所述内护罩和外护罩中的另一个。
在示范实施例中，如在图4中所示，位于内护罩214的尾部或后端219处的内护罩钩件218包括倾斜表面240，其相对于转子的轴线和转子的径向方向倾斜。更具体地，内护罩钩件218包括倾斜表面240，面向轴向向前且径向向内的方向。此外，外护罩212的轴向向前朝向的凹槽222包括对应倾斜的表面242，面向径向向外的方向，并在轴向尾部或向后的方向上。因此，轴向力作用在内护罩214上并迫使护罩移动所需的量，以与外护罩212相接触。当机器运行时，在此位置将一直有压力梯度，所以内护罩密封件将恒定地加载在封闭位置上。
因此，本发明将载荷从完全径向转换成轴向和径向的组合，并迫使内护罩密封位于内护罩和外护罩之间的径向间隙。这样，压力梯度在径向而不是轴向/周向方向上促使紧密密封(由于轴向力)。由于如上述的内护罩和外护罩的弦曲作用，轴向/周向方向上的密封件不是有效密封件。
在示出的示例中，内护罩214的后缘钩件218包括径向的外周向表面244和径向的内周向表面。径向的内周向表面包括倾斜表面240和通常与转子的轴向方向平行的第一表面246。在此示例中，钩件218还包括第二表面248，其与轴向方向平行，并且相对第一表面246位于倾斜表面240的相对的轴向侧。另一方面，钩件218的径向外周向表面244基本上沿钩件218的整个轴向长度而轴向地延伸。
在示出的示例中，外护罩212的后缘凹槽222包括径向的外周向表面250和径向的内周向表面。径向的内周向表面包括倾斜表面242和通常与转子的轴向方向平行的第一表面252。在此示例中，凹槽222还包括第二表面254，其与轴向方向平行，并且相对第一表面252位于倾斜表面242的相对的轴向侧。另一方面，凹槽222的径向外周向表面250基本上沿凹槽222的整个轴向长度而轴向延伸。
应当理解的是，除示出的实施例之外，还有其它可能的外护罩和内护罩分界面的几何结构能够利用本发明的倾斜钩件概念来密封护罩的尾部末端。因此，本发明通过利用倾斜密封件来减小在密封件中的有效间隙来实施，而不限于所示出的倾斜密封件的特定的位置、结构或内护罩和外护罩钩件以及凹槽的各自的结构。
因此，虽然本发明结合目前认为是最适用和优选的实施例一起描述，但应当理解的是，本发明不限于公开的实施例，相反，其意图覆盖在所附权利要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。

Claims (10)

1.一种多级燃气涡轮机的定子护罩，包括：
护罩段(10)，(110)，其具有用于部分地限定穿过一个级的热气路的表面，并且覆盖所述一个级的叶片末端，形成涡轮机转子的部分，所述护罩段具有上游前缘(17)，(117)和下游后缘(19)，(119)，(219)；
所述护罩段包括外护罩(212)和连接到所述外护罩(212)上的至少一个内护罩(214)；
所述外护罩具有邻近并沿其各所述前缘和后缘限定的凹槽，所述凹槽(222)沿所述后缘(219)在轴向上游方向上开口；
所述内护罩(214)具有前缘轴向突出钩件部分和后缘轴向突出钩件部分(218)，所述钩件部分用于分别接合所述外护罩(212)的所述凹槽(222)，所述接合轴向和径向地将所述内护罩锁紧到所述外护罩上；以及
其中所述内护罩(214)的所述后缘钩件(218)和所述外护罩(212)的所述后缘凹槽(222)中的至少一个包括倾斜表面(240)，(242)，所述倾斜表面设置成与所述转子的轴向方向和所述转子的径向方向成一定角度，并且面向所述内护罩和外护罩中的另一个，由此在所述内护罩上的径向向内的力转换成在轴向和径向方向上的力，以迫使所述内护罩(214)紧密地密封位于所述内护罩(214)和外护罩(212)之间的径向间隙。
2.根据权利要求1所述的定子护罩，其特征在于各所述后缘钩件(218)和后缘凹槽(222)均分别包括辅助倾斜表面(240)，(242)，所述倾斜表面设置成与所述转子的轴向方向和所述转子的径向方向成一定角度，并且面向所述内护罩和外护罩中的另一个。
3.根据权利要求1所述的定子护罩，其特征在于所述内护罩的所述后缘钩件(218)包括径向外周向表面(244)和径向内周向表面，并且其中所述径向内周向表面包括所述倾斜表面(240)和通常与所述轴向方向平行的第一表面(246)。
4.根据权利要求3所述的定子护罩，其特征在于所述后缘钩件(218)还包括第二表面(248)，所述第二表面(248)与所述轴向方向平行，相对所述第一表面(246)位于所述倾斜表面(240)的相对轴向侧。
5.根据权利要求1所述的定子护罩，其特征在于所述倾斜表面面向径向向内且轴向向前的方向。
6.根据权利要求3所述的定子护罩，其特征在于所述后缘钩件(218)的所述径向外周向表面(244)基本上沿所述后缘钩件(218)的整个轴向长度而轴向地延伸。
7.根据权利要求1所述的定子护罩，其特征在于所述外护罩的所述后缘凹槽(222)包括径向外周向表面(250)和径向内周向表面，并且其中所述径向内周向表面包括所述倾斜表面(242)和通常与所述轴向方向平行的第一表面(252)。
8.根据权利要求7所述的定子护罩，其特征在于所述后缘凹槽(222)还包括第二表面(254)，所述第二表面(254)与所述轴向方向平行，相对所述第一表面(252)位于所述倾斜表面(242)的相对轴向侧。
9.根据权利要求7所述的定子护罩，其特征在于所述倾斜表面(242)面向径向向外且轴向向后的方向。
10.根据权利要求7所述的定子护罩，其特征在于所述后缘凹槽(222)的所述径向外周向表面(250)基本上沿所述后缘凹槽(222)的整个轴向长度而轴向地延伸。
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