CN101435346A - 涡轮级中转子环的密封 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机的涡轮级，所述涡轮级包括一个安装在涡轮壳体支撑的扇形环内的转子轮，和一个位于所述转子轮上游的喷嘴，该喷嘴包括一个环形紧固件轮缘，用来固定到涡轮壳体上，径向环形垫片的内外周缘轴向抵靠在喷嘴外缘的下游端面上，从而在喷嘴外缘和扇形环上游端之间提供密封，垫片的中间环形部分与喷嘴外缘沿轴向等距离相隔并轴向抵住扇形环的上游端。

Description

涡轮级中转子环的密封

技术领域

本发明涉及涡轮机的涡轮级(turbine stage)中转子环的密封，诸如涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。

背景技术

一般来讲，涡轮发动机的涡轮都包括至少一个带有喷嘴的级，该喷嘴有一排环形布置的定子叶片组成，而后是布置在一个扇形环内的转子轮。喷嘴的下游端带有一个环形缘，径向向外延伸，上面装有紧固件装置，用来固定到涡轮的壳体上。位于其下游的扇形环带有一个上游圆柱形环，后者通过一个C形或U形截面的环形锁定构件径向抵在涡轮壳体的轨道上，环形锁定构件轴向连接在壳体轨道和扇形环的圆柱形轮缘上。

扇形环的圆柱形轮缘和壳体轨道一般都由一个环形垫片实现热保护，环形垫片安装在喷嘴的外缘和扇形环的上游端之间，以便限制涡轮流通段的气体径向向外流动而进入到环形空间内，该空间装有扇形环的轮缘和壳体的轨道。

尽管如此，密封状况还是不尽如人意，来自涡轮流通段的热气体的泄漏会造成壳体紧固件钩部温度升高，从而产生破裂或裂缝，对钩部造成损坏。

此外，喷嘴叶片一般都带有空气流道，用来使来自涡轮机压气机的上游端的冷却空气通过。

已有技术是利用这些叶片通道内流动的一小部分空气，将这部分空气重新喷入到装有扇形环上游轮缘和壳体轨道的环形空间内，从而降低其温度。

将空气喷入该空间也能起到保持该空间内的压力的作用，该压力要高于流过涡轮的燃烧气体的压力，这样，就可以限制所述气体进入环形空间的数量。

尽管如此，当喷嘴的外缘和扇形环的上游端之间不能充分密封时，喷入到装有扇形环轮缘和壳体轨道的环形空间内的冷却空气就会趋于径向向内进入到涡轮气流流动段，于是，就不再能够对壳体和扇形环进行冷却。

发明内容

本发明的一个具体目的是，提供可解决已有技术中存在的这些问题的一个简单、有效而且低成本的方式。

本发明提供一种涡轮级(turbine stage)，其包括在喷嘴和扇形环之间的密封装置，该装置结构简单，可有效防止气体在喷嘴外缘和扇形环上游端之间径向流过。

为此，本发明提供了一种涡轮机的涡轮级，所述涡轮级包括了一个转子轮，转子轮安装在涡轮壳体支撑的扇形环内；一个喷嘴，喷嘴位于转子轮的上游端并由一排环形布置的定子叶片组成；喷嘴在其下游端有一个外环形缘，外环形缘带有紧固件装置，用来固定到涡轮壳体上，一个密封装置，密封装置位于喷嘴外缘和扇形环上游端之间，用来限制气体沿径向方向在喷嘴外缘和壳体之间流过，所述涡轮级的特征在于，密封装置包括一个环形垫片，环形垫片在喷嘴外缘和扇形环上游端之间径向延伸，并在其内周缘和外周缘处设置了装置，可以轴向抵靠在喷嘴外缘的下游端面上，所述垫片的中间环形部分与喷嘴的外缘轴向相隔，垫片由环的上游端沿轴向方向进行了弹性预加应力处理。

作为其内周缘和外周缘，本发明的密封垫片可以沿上游方向轴向抵靠在喷嘴外缘上，而其中间环形部分侧弹性抵靠在扇形环的上游端。抵靠在喷嘴和扇形环上的垫片的三个环形支撑区域提供了这些构件之间的良好密封，因此，防止了气体从涡轮流通段向外流动并进入到装有扇形环轮缘和壳体轨道的环形空间内，并还可以防止空气从所述空间向内泄漏进入到涡轮流通段。

扇形环的上游端抵在垫片的中间部分，垫片本身又抵靠在喷嘴外缘上，这样，在弯曲时垫片的弹性变形量会很小。由于在垫片中间环形部分附近，喷嘴外缘和密封垫片之间提供有轴向空间，所以这种变形是可能的。

这种轴向预应力可以缩小各个部件的加工公差，确保使用时上述三个支撑区域得以保持，即使各个部件之间存在热膨胀差异。这样，垫片弯曲时的变形根据涡轮不同工作速度可以或大或小。

垫片最好—例如—通过铆钉固定到喷嘴外缘。根据示例，外缘可以经由其内周缘固定到喷嘴外缘的径向内端部。

在本发明的一个实施例中，垫片为平面的，且在安装位置时，其紧紧地抵靠在喷嘴外缘的下游端面上，覆盖了所述下游端面内的环形槽。

喷嘴外缘的下游端面内的环形槽用作形成喷嘴轮缘和垫片中间环形部分之间的轴向环形空间，这样，就可以使得垫片在弯曲时成弹性变形。这个环形槽采用与喷嘴相同的方式而成扇形形状，它可以实际上围绕涡轮轴线在360度范围内呈连续的，以及通过垫片抵靠在喷嘴的外缘上，从所述环形槽的径向内侧和径向外侧对该环形槽进行封闭。

在本发明的另一个实施例中，环形垫片不是平面的，而是弯曲的，其凸起一侧面向上游端。例如，其包括一个环形部分，带有U形或V形截面，而其打开的一侧面向上游端，所述环形部分轴向支撑在扇形环的上游端，并与喷嘴外缘的下游端面相互配合，形成一个环形空间。

密封垫片的扇形形状采用与喷嘴相同的方式，并可以围绕涡轮轴线在360度的范围内延伸。该垫片优选采用金属制成。

另外，本发明还提供了一个涡轮机的涡轮，其特征在于，其包括至少一个如上所述的涡轮级。

另外，本发明还提供了一个涡轮机，诸如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机，其特征在于，包括至少一个如上所述的涡轮级。

附图说明

下面结合附图，并通过示例详细阅读如下说明，可以更好地理解本发明，本发明的其它特性、细节和优点会更清楚地显现出来，附图如下：

·图1为涡轮机涡轮的轴向剖面的局部半面示意图；

·图2为图1所示部分较大比例示意图，该图示出了已有技术的涡轮级；

·图3为图2的局部I₃部分的较大比例示意图；

·图4为本发明所述涡轮级的轴向剖面局部示意图；

·图5为对应于图4的示意图，示出了本发明的另一个不同的实施例。

具体实施方式

首先参照图1，该图示出了涡轮机的低压涡轮10，其包括四个级，每个级都包括一个喷嘴12，所述喷嘴由一排环形布置的固定叶片14组成，这些叶片位于涡轮的外壳体16上，而转子轮18位于喷嘴12的下游端。

转子轮18包括通过环形凸缘22轴向相互装配在一起的轮盘20，该轮盘带有径向叶片24。转子轮18通过固定到轮盘环形凸缘22上的传动锥形体26连接到涡轮轴(图中未示)上。

每个转子轮18在外侧环绕了一个扇形环，彼此之间有些微间隙，所述扇形环28由若干个扇形体组成，这些扇形体通过锁定构件沿圆周固定到涡轮壳体上，下面将详细介绍。

每个喷嘴12带有内壁和外壁30和32，采用旋转体的形式，在二者之间形成了一个穿过涡轮的环形燃气流通段，且这些壁带有在其之间径向延伸的叶片14。

如图2所示，可以更清楚地看到，上游级的喷嘴12的外壁32带有上游和下游径向外环形缘34和36，包括指向上游的轴向环形紧固片38，与嵌入到涡轮壳体16的对应轴向环形槽40内。

喷嘴12的叶片14带有流道42，供来自径向位于喷嘴外壁32外部的供气外壳44的冷却空气(箭头46)流过。所述冷却空气经由叶片14后缘附近形成的孔口(图中未示)部分地排放到涡轮的燃气流通段，并从其流道42处向外打开，另外一部分冷却空气排放到径向位于喷嘴内壁30内部的外壳52内(箭头54)。冷却空气来自涡轮机的压气机的上游，并通过相应装置送到供气外壳44。

位于上游级的喷嘴12下游端的扇形环28在其上游端带有一个环形钩部56，所述钩部紧紧压抵在壳体16的对应圆柱形轨道58上，并通过C形和U形截面的环形锁定构件60抵在该轨道上，锁定构件从上游一侧径向啮合到钩部56和轨道58上(图3)。

构件60、钩部56和轨道58都布置在环形空间62内，该环形空间围绕壳体16和喷嘴12之间的扇形环28延伸。构件60的上游端抵靠在喷嘴下游环形缘36的下游端面64上。

构件60、壳体轨道58以及扇形环的钩部56都受到环形垫片66的热保护，环形垫片66安装在扇形环28的上游端和喷嘴环形缘36的下游端面64之间，目的是限制燃气从涡轮流通段径向向外流入到环形空间62内。

工作时，壳体轨道58和环的钩部56会承受高温，这会造成裂缝或裂纹，进而损坏壳体轨道或钩部。

为了消除这些问题，人们建议利用喷嘴叶片的气体流道42内流动的一小部分相对较冷的空气，将其输送到所述环形空间62内，以降低该空间内的温度。

为此，分别在喷嘴的外壁32和外缘36内形成通道，从而将叶片的流道42与环形空间62相联通。在喷嘴外壁32内形成的通道68，其一端与叶片的相应流道42相联通，而另一端则与位于喷嘴外壁32径向外部的环形通道72相联通，所述环形通道72是由喷嘴的外环形缘34和36轴向形成。喷嘴12的外缘36内形成的通道70相对于涡轮的轴线而倾斜，均面向下游和外部。其上游端向环形通道72内打开，而其下游端则向喷嘴外缘36的下游端面64内打开。

尽管如此，环形垫片66还是不能独自在喷嘴12和环28之间提供充足的密封，这就意味着喷入到环形空间62内的空气会径向渗漏到涡轮的气体流通段。

本发明旨在通过使用一种新颖的密封装置来提供一种解决这个问题的简单方案。

本发明的密封装置包括一个环形垫片80，该垫片在喷嘴外缘36和扇形环28的上游端之间径向延伸，并通过其内外周缘上游两侧抵在外缘36的下游端面和通过其中间环形部分内的下游边抵在扇形环28的上游端而对其施加预应力。

在图4所示示例中，环形密封垫片80实际上呈平面，通过铆钉82固定到喷嘴的外缘36上。铆钉实际上与涡轮的轴线平行，并穿过环形垫片80的径向内端部内形成的孔口84和喷嘴外缘36的径向内端部分内形成的对应孔口86。

环形垫片80完全覆盖了外缘36的下游端面64内的环形槽88。该环形槽88为浅轴向深度，例如，实际等于垫片80厚度的深度。该环形槽是在扇形体的整个环形范围上在喷嘴的扇形体内形成的，并可以围绕涡轮轴线在360度的范围内延伸。密封环形垫片由角扇形体组成，每个扇形体都固定到喷嘴的扇形体上，并可以围绕喷嘴轴线在360度的范围内延伸。

密封环形垫片80的内周缘沿径向位于环形槽88内的圆周延伸，所示内周缘轴向抵靠在外缘36下游端面64的径向内部分上。而密封环形垫片的外周缘则沿径向位于环形槽外的圆周延伸，而且，该外周缘轴向抵在外缘36的下游端面的径向外部分上。

在所示示例中，安装铆钉82的每个孔口84和86的一端在其内周缘附近向环形槽88内打开，这些孔口径向位于扇形环28的内部。扇形环28的上游端在位于铆钉和环形槽88外周缘的区域内与密封环形垫片80轴向对接。

在装配位置时，环形垫片80由环施加弹性预应力，该扇形环在与垫片相反的轴向方向在上游施加足够的力，以使其在弯曲时可以稍许弹性变形。环形垫片80的轴向预应力首先用来吸收各个部件的制造公差，其次，可使三个环形区域与喷嘴和环构成气密接触，即使工作时各个部件会产生不同程度的热膨胀。因此，在涡轮机工作周期期间，环形垫片80的变形会不同。

三个支撑区域可在涡轮的流通端和在扇形环上游缘56和壳体轨道58腔室内环形空间62之间提供良好密封。环形垫片80的内周缘和喷嘴的外缘36之间在C1时，环形垫片80和环28上游端之间在C2时以及环形垫片80的外周缘和喷嘴外缘36之间在C3时的支撑力会防止气体从涡轮流通段向外流出而进入到环形空间62内，而且，这些力还可以防止空气从环形空间62向内泄漏而进入到涡轮流通段。

图3所示的可在环形通道72和环形空间60之间提供流体相通的通道70，在本实施例中可以由喷嘴外缘36内形成的轴向孔90以及外缘的环形片38内形成的轴向槽92来取代。轴向孔90的下游端向环形垫片80的外部径向打开。在另一个不同方式中，喷嘴外缘36可以包括与图3所示部分类似的通道70，这些通道的下游端都向环形垫片外部径向打开。

在将扇形环28安装到涡轮壳体16上之前，环形垫片80可以预先通过铆钉压装到喷嘴轮缘的下游端面64上。然后，将扇形环28安装到壳体轨道58上，并与环形垫片80形成对接，从而对其施加轴向预应力。

在另一个不同方式中，在扇形环28安装之前，环形垫片80通过铆钉固定并沿向外的方向从上游向下游延伸，这样，只有其内周缘与外缘36的下游端面相接触。而后，将扇形环固定到壳体上，这可使得环形垫片的外周缘紧紧压抵在喷嘴的外缘上。

在图5所示的另一个不同方式中，环形垫片80’不是平面的，而是弯曲的，凸起一侧面向轴向上游。在所示示例中，在其外周缘附近，环形垫片80’包括了一个弯曲环形部分，这部分的截面为V形或U形，而其打开的一侧面向上游。环形垫片80’以与上述环形垫片80相同的方式安装，而其弯曲部分与喷嘴的外缘36的下游端面64相配合，以形成一个环形空间94。因此，在喷嘴的下游端面64内无需提供一个环形槽，如图3所示实施例。环形垫片80’的弯曲部分抵靠在扇形环的上游端(在C3时)，该扇形环在沿与环形垫片80’相反的上游方向上施加足够的轴向力，使其在弯曲时承受小量弹性变形，如参考图3所示说明。

密封垫片80，80’采用金属合金制成，厚度相对较小，在大约一个到几个毫米的范围内。

尽管本发明的密封垫片80，80’在所给示例中都与喷嘴关联，其外缘36带有在环形通道72和环形空间62之间形成流体相通的装置，但该密封垫片也可以与未装有这种装置的喷嘴配套使用。另外，密封垫片可以通过紧固件装置而不是铆钉82来固定到喷嘴上。还可以选择固定到扇形环28的上游端。

Claims (8)

1.一个涡轮机的涡轮级，所述涡轮级包括一个转子轮，转子轮安装在扇形环内，扇形环由涡轮壳体支撑，和一个位于转子轮下游的喷嘴，喷嘴由一排环形布置的定子叶片组成，所述喷嘴在其下游端设有一个外环形缘，后者带有紧固件装置，用来固定到涡轮壳体上，在喷嘴的外缘和扇形环的上游端之间使用了密封装置，可限制气体沿径向方向在喷嘴外缘和扇形环之间流过，所述涡轮级的特征在于，密封装置包括一个环形垫片，环形垫片在喷嘴外缘和扇形环上游端之间径向延伸，环形垫片在内外周缘包括了轴向抵靠在喷嘴外缘的下游端面，所述垫片的中间环形部分与喷嘴外缘沿轴向方向等距离相隔，并与扇形环的上游端面轴向相抵，垫片通过扇形环上游端沿轴向方向被施加弹性预应力。

2.根据权利要求1所述的涡轮级，其特征在于，所述垫片—例如—通过铆钉固定到喷嘴外缘上。

3.根据权利要求1所述的涡轮级，其特征在于，所述垫片经由其内周缘固定到喷嘴外缘的径向内端部分上。

4.根据权利要求1所述的涡轮级，其特征在于，所述垫片是平面的，而且，在装配位置时，压抵在喷嘴外缘的下游端面上，覆盖了外缘下游端面内的环形槽。

5.根据权利要求1所述的涡轮级，其特征在于，所述垫片包括一个U形或V形截面的环形部分，其开口面向上游，所述环形部分轴向抵靠在扇形环的上游端并与喷嘴外缘的下游端面相配合而形成一个环形空间。

6.根据权利要求1所述的涡轮级，其特征在于，所述密封垫片由扇形垫片组成，每个扇形垫片固定到喷嘴扇形体上。

7.根据权利要求1所述的涡轮级，其特征在于，所述垫片由金属制成。

8.一种涡轮机，例如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋发动机，其特征在于，其包括至少一个根据权利要求1所述的涡轮级。

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