CN101349171A - 夹板密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及夹板密封件。具体地，提供了一种用于涡轮机中鸽尾接合部的密封件(130)。密封件包括弓形构件(220)，弓形构件具有第一端、中间部分和第二端。密封件还包括密封装置(205)，密封装置包括至少一个密封构件。密封构件可包括连接到第一端的第一密封构件和/或连接到第二端的第二密封构件。鸽尾接合部是桨叶鸽尾(120)与转子鸽尾凹槽(110)间的界面，密封件(130)减少了鸽尾接合部的冷却流泄漏量。

Description

夹板密封件

技术领域

[0001]本发明涉及涡轮机，特别是涉及一种密封装置，用于密封涡轮或压缩机中的叶片、桨叶或桨翼的鸽尾基部与鸽尾槽之间的接合部。

背景技术

[0002]在涡轮机例如燃气轮机中，空气在压缩机中加压后与燃烧室中的燃料混合，以便产生炽热的燃烧气体。随后的各涡轮级从燃烧气体中提取能量，为压缩机提供动力，进行有用的工作(例如使发电机的转子或场旋转)。

[0003]涡轮处于燃烧室之后，可包括一排或多排涡轮转子叶片，涡轮转子叶片用于从气体中提取能量，以便为压缩机提供动力。在典型的工业燃气轮机引擎应用中，涡轮可以向外部驱动轴提供动力，外部驱动轴可用于向发电机提供动力。

[0004]因为涡轮的转子叶片承受燃烧气体的最高温度，并且以高速旋转，所以转子叶片在工作中要承受相当大的热应力和离心应力。为了提高转子叶片的寿命和耐久性，通常用超级合金例如镍基金属形成涡轮叶片，以在高温下获得加强的强度。

[0005]涡轮叶片或桨叶典型地包括中空浆翼，浆翼中有冷却通道，工作时从压缩机流出的冷却空气经由冷却通道进行循环。叶片还包括整体平台，整体平台限定了炽热燃烧气体的内部边界，在整体平台的下部设置有整体支撑鸽尾(dovetail)。叶片鸽尾安装在支撑涡轮转子盘或轮的周边的相应鸽尾槽中。沿轴向插入的鸽尾是常见的，其延伸通过环绕转子盘或轮的周边设置的轴向鸽尾槽。

[0006]用于被冷却的涡轮桨叶的冷却空气可以从涡轮桨叶鸽尾的底部送入，然后沿径向进入桨叶。冷却空气首先通过涡轮桨叶鸽尾的底部与转子鸽尾凹槽之间的间隙。桨叶鸽尾与转子鸽尾凹槽之间的配合不完全紧密，各部分之间有间隙。通常，在桨叶鸽尾底部与转子轮鸽尾凹槽底部之间存在大的间隙。此外，鸽尾凹槽的侧壁与桨叶鸽尾的侧面之间也有间隙。这些间隙会使冷却空气逸出，导致引擎或涡轮性能下降。

[0007]在桨叶鸽尾上施加各种涂层(例如铝化物涂层)来尽量缩小间隙尺寸，但是由于间隙太大，任何涂层都不是完全有效或者耐久。典型地，将360度的环圈压在鸽尾的前侧和后侧，以实现密封的目的。这些环圈的问题在于，环圈不易在现场拆卸和更换。只有当整个转子拆下来后才能够拆卸360度环圈。此外，当环圈的一个部分失效时，整个环圈都必须更换。因此，选择360度环圈不是最佳方案。

[0008]因此，本领域需要这样一种装置，该装置能够有效地密封涡轮机中的鸽尾，易于安装，而且能够在现场方便、快速地更换。

发明内容

[0009]在本发明的一个方案中，提供了一种密封件，用于减少涡轮机的鸽尾接合部中的冷却流泄漏。涡轮机包括转子轮和多个桨叶。桨叶也可以称为叶片或浆翼。转子轮包括多个转子鸽尾槽，这些槽绕转子轮外周边沿圆周方向布置。所述转子鸽尾槽从所述转子轮的向前轴向表面延伸到所述转子轮的后轴向表面。桨叶包括桨叶鸽尾，所述桨叶鸽尾被布置为与所述转子鸽尾槽配对或配合。鸽尾接合部形成在所述桨叶鸽尾与所述转子鸽尾槽之间的界面处，所述鸽尾接合部被定位成靠近所述转子轮的前轴向表面和后轴向表面。密封件包括弓形梁构件，所述弓形梁构件延伸通过所述转子鸽尾槽中至少一个的底部。所述弓形梁构件具有前端、后端和中间部分。所述前端被设置为靠近所述转子轮的前轴向表面，所述后端被设置为靠近所述转子轮的后轴向表面。密封构件包括前密封构件和后密封构件。所述弓形梁连接到所述前密封构件和所述后密封构件。所述密封构件与所述弓形梁构件协作用于减少所述鸽尾接合部的冷却流泄漏。

[0010]在本发明的另一方案中，提供了一种用于涡轮机鸽尾接合部的密封件，。所述密封件包括弓形构件，所述弓形构件具有第一端、中间部分和第二端。所述密封件还包括密封装置，密封装置包括至少一个密封构件。密封构件可包括连接到第一端的第一密封构件和/或连接到第二端的第二密封构件。鸽尾接合部是桨叶鸽尾与转子鸽尾凹槽之间的界面，密封件减少了鸽尾接合部的冷却流泄漏量。

附图说明

[0011]图1是根据本发明一个实施例的桨叶、转子轮、夹板密封件以及转子鸽尾槽的片段透视图；

[0012]图2是根据本发明一个实施例的夹板密封件的透视图；

[0013]图3是根据本发明一个实施例的转子鸽尾槽和夹板密封件的片段透视图，其中夹板密封件被示出为位于转子鸽尾槽的上方；

[0014]图4是根据本发明一个实施例的转子鸽尾槽和桨叶鸽尾的片段透视图，其中夹板密封件被示出为位于其中一个转子鸽尾槽的底部，桨叶鸽尾被示出为部分地插入其中一个转子鸽尾槽中；

[0015]图5是根据本发明一个实施例的转子鸽尾槽和桨叶鸽尾的片段透视图，其中夹板密封件被示出为位于其中一个转子鸽尾槽的底部，桨叶鸽尾被示出为完全插入其中一个转子鸽尾槽中；

[0016]图6是根据本发明一个实施例的转子鸽尾槽和桨叶鸽尾的放大的片段透视图，其中夹板密封件具有更大覆盖面积的另一实施例被示出为位于其中一个转子鸽尾槽的底部。

部件列表

100    转子轮

110    转子鸽尾

112    鸽尾的底部凹槽

120    桨叶鸽尾

122    桨叶

130    夹板密封件

140    前鸽尾面

145    后鸽尾面

205    密封构件

210    密封面

215    密封构件的外表面

216    密封构件的锥形部分

220    弓形梁

222    梁的端部

230    径向的密封表面

410    桨叶鸽尾上的突起

610    延伸的径向密封构件

具体实施方式

[0017]参照图1，其中示出了具有母转子鸽尾110的涡轮转子轮100的一部分。转子鸽尾110可环绕转子轮100的整个圆周以均匀间隔分隔开。转子鸽尾110大致沿径向延伸，该径向与转子轮100的轴线平行。转子鸽尾可以是三种一般性类型，即：轴向插入、倾斜插入和弯曲插入。但是其它的插入类型也在本发明的范围之内。如上所述，轴向插入的转子鸽尾使它们的轴线被布置为与转子轮的轴线大致平行。倾斜插入的鸽尾使它们的轴线被布置为与转子轮的轴线不平行或者成一个角度。弯曲插入的鸽尾具有非线性的弯曲轴线。假定转子轮的轴线方向为X方向，径向方向为Y方向，则弯曲插入的鸽尾可关于X轴或Y轴或者同时关于X轴和Y轴弯曲。

[0018]转子鸽尾110容纳相配合的公桨叶鸽尾120，桨叶鸽尾120形成在桨叶122的径向内端。桨叶122也可以称为叶片或浆翼。图1中只示出了浆翼的一部分。在整个涡轮转子轮的构造过程中，桨叶122径向内端上的桨叶鸽尾120沿着轴向滑入转子轮100上相配合的转子鸽尾110。桨叶122和转子100的这种示例性布局可用于涡轮机的涡轮或压缩机中。

[0019]根据本发明一个实施例的夹板密封件130密封了独立桨叶鸽尾120与转子鸽尾110的界面。夹板密封件130被插入到转子鸽尾110的底部凹槽112。可为每个桨叶设置一个夹板密封件130。

[0020]参照图2，夹板密封件130可以是整体式或单件式设计，其包括两个密封构件205，这两个密封构件205具有相对的密封表面210，而且相对的密封表面210通过弓形或拱形梁220连接在一起。密封表面210朝向并压靠在转子轮100的前鸽尾面140和后鸽尾面145上。密封表面210可被视作轴向密封装置，因为它们压在转子轮100的轴向表面和桨叶鸽尾120的轴向部分上。沿轴向流经鸽尾接合部的任何冷却泄漏流都将受到密封表面210很大的限制，如果没有阻止住的话。图2中示出了两个密封构件205，但是在替代性实施例中可以只使用一个密封构件。在仅具有一个密封构件的实施例中，或者密封前鸽尾面，或者密封后鸽尾面。

[0021]密封构件205还包括外表面215，外表面215可以包括锥形部分216。外表面215背向鸽尾接合部，与轴向密封表面210大致平行。但是，外表面215可以是平坦的、半球形的，也可以是其它形状。锥形部分216被定向成与轴向密封表面210不平行。在涡轮机工作过程中，当转子轮100旋转时，这种角度或锥形有助于减少风阻损耗。锥形部分216的表面与轴向密封部分210的表面之间的角度在1到75度之间。在本发明的一个实施例中，锥形部分216是平滑的，但是它们也可以是波纹形的、凹入的、凸出的，具有复合形状或者具有有助于进一步减少风阻损耗的其它表面构形。

[0022]弓形梁220在底部凹槽112中安装好后，将提供拉力，将密封表面210拉向彼此。密封表面210形成轴向密封表面，用于限制来自底部凹槽112和鸽尾下部的任何轴向冷却泄漏流。当涡轮工作时转子轮100和桨叶122高速旋转。离心力作用于弓形梁220，在径向向外的方向上加力于梁220的中部。当梁被沿径向加力时，梁的端部222被沿轴向向内拉。这种轴向拉动在密封表面210上产生夹紧和密封作用。

[0023]除了轴向密封表面210之外，夹板密封件还包括径向密封表面230。径向密封表面230可接触桨叶鸽尾120基部一侧或两侧的突出部或突起410(参见图4)。径向密封表面230支撑密封件130的全部动态重量，并提供正径向密封。离心力也有助于保持这种径向密封。在本发明的其它实施例中，可以取消突起或突出部而代之以任何适当的能够在径向上支撑夹板密封件的径向表面。例如，密封表面210可包括与转子轮或桨叶鸽尾部分啮合的凹口、突出部分、矩形凹槽或槽口。

[0024]在本发明的一个实施例中，径向密封表面230具有在桨叶鸽尾120的一侧或两侧与槽啮合的突出部。槽也可以位于密封构件205的外表面215或内表面210上，而且该突出部从桨叶鸽尾延伸。槽和突出部将密封表面205在轴向上定位，有助于防止它们从转子脱离。槽和突出部还可以将桨叶鸽尾120相对于转子轮100在轴向上定位并保持就位。

[0025]在本发明的另一些附加方案中，一个或两个轴向密封表面210可包括不完全延伸到相对外表面215的凹槽或槽口。在这些实施例中，桨叶鸽尾突起可与凹槽或槽口啮合，但是突起不延伸到或通过外表面215。密封构件205还可以包括角翼或其它突起。角翼可用作密封件，是涡轮转子叶片(即桨叶)、桨叶鸽尾或密封构件的轴向延伸。角翼与喷嘴密封区重叠，从而形成密封。喷嘴密封区可形成燃气涡轮固定部件的一部分。角翼密封禁止了从流动路径摄入炽热气体到燃气涡轮的轮空间中。角翼密封能够整体地铸造为叶片、桨叶鸽尾或密封构件的一部分，如本发明所实施的那样。

[0026]弓形梁220沿径向向外弯曲。梁的中央或中部设置为比端部更加地沿径向向外。相比于直梁形状，这种弯曲形状具有很多优点。弓形梁220在梁的整个长度方向上受到的应力分布得相当均匀。此外弯曲形状对于夹板密封件130与转子轮100之间的热膨胀变化提供了适应性。这种适应性还有助于接受或适应因为部件公差或者长度略有不同的弓形梁220所导致的制造变化。

[0027]弓形梁可通过铸模来铸造，或者可通过任何其它适当的制造工艺来形成，或者通过结合在一起的多个零件制成。用于构造弓形梁和密封表面的材料可以是能够承受在涡轮机例如燃气涡轮中典型地出现的温度的任何材料。例如，镍或钢合金、IN625、IN738或IN718是能够用于夹板密封件130的适当材料的几个实例。

[0028]下面参照图3至图5描述根据本发明一个实施例的安装夹板密封件130的方法。图3示出了插入夹板密封件130和桨叶鸽尾120之前的空转子鸽尾110。在转子鸽尾110上方可以看见密封件130，而且密封件130被放置在转子鸽尾底部112。

[0029]图4示出了转子鸽尾110的底部112中的密封件130，桨叶鸽尾120部分地插入到转子鸽尾110中。为了清楚起见，图4至图6中只示出了桨叶鸽尾120的一部分。桨叶鸽尾120可以从转子轮100的前侧或后侧沿轴向滑入鸽尾110中。突起410可设置在桨叶鸽尾120下部上。这个突起从鸽尾120端壁的主表面延伸出。桨叶鸽尾120可以在一侧或两侧也就是鸽尾120的前侧和后侧具有突起410。突起410可用于在径向上支撑密封件130。当涡轮机工作、转子轮100旋转时，密封件130的重量由突起410支撑。径向密封表面230与突起410形成接触，也用于密封来自径向密封表面230与突起410间界面的任何泄漏流。在替代性实施例中，可省略突起410。例如，密封构件205可包括凹口、突出部分、矩形凹槽或槽口，通过与鸽尾或转子轮上的表面连接，这些凹口、突出部分、矩形凹槽或槽口可用于在径向上支撑夹板密封件。

[0030]在桨叶鸽尾120的这个局部示意图中可以看见冷却通道420。为清楚起见，只示出了几条冷却通道420，应该理解的是，在桨叶鸽尾和浆翼中可设置更多或更少的冷却通道。冷却通道从桨叶鸽尾120的基部或最径向向内的部分延伸，延伸到浆翼中并通过浆翼(图4中未示出)。冷却空气或蒸汽可通过这些通道来冷却桨叶。在一个实例中，冷却空气可从压缩机流出。

[0031]图5示出了完全插入其中一个转子鸽尾110中的桨叶鸽尾120。桨叶鸽尾120与转子轮100的外部轴向表面相互大致平齐，突起410从这些表面向外延伸。在一些实施例中，突起410的外部轴向表面与密封构件205的外表面215也相互平齐。如图1至图5所示，密封件130对于使通过鸽尾接合部的冷却空气泄漏减至最小非常有效。

[0032]图6示出本发明的另一实施例。一个或两个密封构件205可通过增加延伸的径向密封构件610得以改进。延伸的径向密封构件610提供鸽尾接合部周围的进一步密封，能够减少通过鸽尾接合部上部分的冷却泄漏流。延伸的径向密封构件可与密封构件205一体地形成，从而形成单一部件。在本发明的一个实施例中，突起410进入密封构件205但是不穿过密封构件205。

[0033]在本发明的附加方案中，弓形或拱形梁构件220与密封构件205形成接触的区域可以是弯曲的或呈锥形，以降低负载和应力。弓形梁220的直径可以张开(flare)以消除局部应力。这里的“张开”将梁上的应力分配得更加均匀，可消除靠近密封构件205与弓形梁220之间的接触点的高点应力负载。

[0034]除了上述的形状之外，弓形梁还可以采用其它的形状和形式。对于轴向鸽尾，弓形梁可被制成与夹板密封件的径向密封表面大致垂直。有角度的或偏斜的鸽尾可具有以不垂直方式定向的弓形梁。弯曲鸽尾可使用具有复合弯曲形状的弓形梁。弓形梁的复合弯曲形状可以同时在轴向(例如X轴)和径向(例如Y轴)上弯曲。

[0035]在本发明的其它一些方案中，弓形梁构件可采用弹簧、伸缩式构件或者任何其它适当装置的形式来连接密封构件。如上所述，通过采用的任何适当的装置来适当地保护夹板密封件的另一端，可以只使用一个构件，而不是两个密封构件。

[0036]根据本发明不同实施例的夹板密封件可用于任何需要限制泄漏流的旋转涡轮机中，涡轮机可以是引擎，其中，通过使有叶片的转子旋转，将运动流体的动能转化为机械能。涡轮机可包括涡轮(依靠各种不同的燃料运行)、燃气轮机、蒸汽轮机、水力轮机、双燃料轮机、用于向飞机或潜艇引擎提供动力的涡轮引擎。

[0037]虽然已结合目前认为是最可行的优选实施例中的一个描述了本发明，但是应该理解，本发明并不限于所公开的实施例，相反，本发明希望涵盖包括在所附权利要求精神和范围内的各种变型和等同配置。

Claims (10)

1、一种用于减少涡轮机鸽尾接合部冷却流泄漏的密封件(130)，所述涡轮机包括转子轮(100)和多个桨叶(122)，所述转子轮包括布置在其周边的多个转子鸽尾槽(110)，所述转子鸽尾槽从所述转子轮的前轴向表面(140)延伸到所述转子轮的后轴向表面(145)，所述桨叶包括桨叶鸽尾(120)，所述桨叶鸽尾被布置成与所述转子鸽尾槽相配合，所述鸽尾接合部形成在所述桨叶鸽尾与所述转子鸽尾槽之间的界面处，所述鸽尾接合部被定位成靠近所述转子轮的所述前轴向表面和所述后轴向表面，所述密封件包括：

弓形梁构件(220)，所述弓形梁构件延伸通过所述转子鸽尾槽中至少一个的底部(112)；所述弓形梁构件具有前端、后端和中间部分，所述前端设置为靠近所述转子轮的所述前轴向表面(140)，所述后端设置为靠近所述转子轮的所述后轴向表面(145)；以及

密封构件(205)，所述密封构件包括前密封构件和后密封构件，所述弓形梁连接到所述前密封构件和所述后密封构件；

其中，所述密封构件(205)与所述弓形梁构件(220)协作用于减少所述鸽尾接合部的所述冷却流泄漏。

2、如权利要求1所述的密封件，所述密封构件还包括：

轴向密封装置(210)，用于减少所述鸽尾接合部的冷却流泄漏量，所述轴向密封装置的至少一部分被定向为基本上平行于所述转子轮的所述前轴向表面和所述转子轮的所述后轴向表面。

3、如权利要求1所述的密封件，所述密封构件(205)还包括：

第一表面(210)，所述第一表面朝向所述鸽尾接合部；

第二表面(215)，所述第二表面基本上背向所述鸽尾接合部；所述第二表面包括环绕在其周边的锥形部分(216)，所述锥形部分用于在所述涡轮机工作时减少风阻损耗。

4、如权利要求1所述的密封件，所述转子轮(100)具有中心轴线，所述密封构件(205)还包括：

径向密封装置(230)，用于减少所述鸽尾接合部的冷却流泄漏量，所述径向密封装置被定向为基本上平行于所述转子轮的所述中心轴线。

5、如权利要求4所述的密封件，所述桨叶鸽尾(120)包括至少一个沿轴向延伸的突起(410)，所述径向密封装置(230)接触所述至少一个沿轴向延伸的突起的至少一部分。

6、如权利要求1所述的密封件，所述转子轮(100)具有中心轴线，所述弓形梁构件(220)还包括：

所述弓形梁构件的所述中心部分，距所述转子轮的所述中心轴线间隔为第一径向距离；

所述前端和所述后端距所述转子轮的所述中心轴线间隔为第二径向距离；

其中，所述第一径向距离大于所述第二径向距离。

7、如权利要求6所述的密封件，其中，所述弓形梁构件(220)设置为产生所述前密封构件(205)与所述后密封构件(205)之间的张力，使得所述密封件被安装在所述涡轮机中后，所述张力将所述前密封构件和所述后密封构件拉向所述鸽尾接合部。

8、如权利要求6所述的密封件，其中，所述转子轮(100)在所述涡轮机工作时旋转，产生离心力，所述离心力作用在所述弓形梁(220)的所述中间部分，沿从所述转子轮的所述中心轴线径向向外的方向加力于所述中间部分，其中，当所述中间部分被沿着径向向外施加力时，所述前端和所述后端朝所述鸽尾接合部沿轴向向内地被拉动。

9、如权利要求1所述的密封件，其中，所述密封构件(205)中的至少一个设置为基本上覆盖所述鸽尾接合部的主要部分。

10、如权利要求1所述的密封件，其中，所述涡轮机选自由燃气轮机、蒸汽轮机以及飞机引擎构成的组中。

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