CN102031998A - 径向密封销 - Google Patents

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CN102031998A CN2010105129650A CN201010512965A CN102031998A CN 102031998 A CN102031998 A CN 102031998A CN 2010105129650 A CN2010105129650 A CN 2010105129650A CN 201010512965 A CN201010512965 A CN 201010512965A CN 102031998 A CN102031998 A CN 102031998A
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J·A·瓦伦
M·S·洪坎普
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F01D5/3015—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type with side plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本申请涉及一种径向密封销。其中，本申请提供一种涡轮叶片(100)。该涡轮叶片(100)可包括柄(130)，位于该柄(130)上的径向密封销槽(150)和位于该径向密封销槽(150)内的密封销(160)。该密封销(160)可包括一对带肩端部(170，180)。

Description

径向密封销
技术领域
本申请大体而言涉及燃气涡轮发动机，且更特定而言涉及用于防止燃气涡轮叶片之间泄漏的径向密封销(radial seal pin)设计。
背景技术
燃气涡轮通常包括转子，转子具有多个周向间隔开的桨叶或叶片。众所周知，叶片通常包括翼面(airfoil)、平台、柄、燕尾榫和其它元件。燕尾榫可位于转子周围并固定于其中。翼面突出到由燃烧室所产生的热燃烧气体路径内以便将气体动能转变成旋转机械能。
对于使用长柄叶片设计的燃气涡轮，径向密封销可用于相邻叶片的柄之间以便密封穿过柄的泄漏。一般而言，在由于旋转所致的离心负载下，销接触密封槽面角(seal slot face angle)且朝向侧密封轨滑动。槽面角迫使销朝向相邻叶片以便防止在两个叶片柄腔之间的穿过柄的泄漏。
这种径向密封销的常见问题包括由于使用低耐蠕变材料所致的磨圆(mushrooming)或变平的端部，由于不足的头部空间所致的屈曲，销结合，销锁定以及简单销磨损。此外，即使对于正常作用的销，泄漏仍是一问题。泄漏区域包括柄内径和外径区域。穿过柄的泄漏可降低叶片柄腔内的净化压力。这种较低净化压力可导致可能的热气体摄取和因此所致的硬件损坏。
因此，需要用于燃气涡轮的改进的径向密封销设计。改进的径向密封销设计应足以防止或限制穿过柄的泄漏同时耐用且可靠。这种改进的密封应提供改进的冷却、延长的叶片寿命和总体上提高的系统性能和效率。
发明内容
因此，本申请提供一种涡轮叶片。该涡轮叶片可包括柄、位于柄上的径向密封销槽和位于径向密封销槽(radial seal pin slot)内的密封销。该密封销可包括一对带肩端部(shouldered end)。
本申请还提供一种涡轮叶片。该涡轮叶片可包括柄、位于柄上的一对径向密封销槽和位于径向密封销槽中的每一个内的密封销。该密封销可包括一对带肩端部，该带肩端部具有圆形部分和平坦部分。
当结合若干附图和所附权利要求来阅读下文的具体实施方式时，对于本领域技术人员而言，本发明的这些和其它特点和改进将会变得明显。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图。
图2是已知转子叶片的侧视图。
图3是位于转子叶片的径向密封销槽中的密封销的透视图。
图4A和图4B是使用已知密封销的柄泄漏区域的侧视图。
图5是转子叶片的径向密封销槽的透视图。
图6是如本文所述的其中带密封销的径向密封销槽的展开图。
图7是图6的密封销的侧视平面图。
图8是图6的密封销端部的展开图。
图9是图6的径向密封销槽的透视图。
图10是图6的径向密封销槽的另一透视图。
图11A和图11B是由图6的密封销填充的柄泄漏区域的侧视图。
元件符号列表：
10燃气涡轮发动机
12压缩机
14燃烧室
16涡轮
18转子叶片
20翼面
22平台
24柄
26燕尾榫
28前边缘径向密封销槽
30尾边缘径向密封销槽
32径向边缘密封销
33圆端
34叶片盖板
35密封凹穴面
36密封拐角
37相邻叶片
38外径泄漏间隙
39间隙
40外径泄漏间隙
100转子叶片
110翼面
120平台
130柄
140燕尾榫
150径向密封销槽
160密封销
170第一带肩端部
180第二带肩端部
190圆形部分
200平坦部分
210密封凹穴面
220成角度的拐角
具体实施方式
现参看附图，在所有若干附图中，相似附图标记指代相似元件，图1示出燃气涡轮发动机10的侧视截面图。众所周知，燃气涡轮发动机10可包括压缩机12以压缩进来的空气流。压缩机12将压缩的空气流递送到燃烧室14。燃烧室14混合压缩的空气流与压缩的燃料流并点燃混合物(尽管仅示出单个燃烧室14，但是燃气涡轮发动机10可包括任意多个燃烧室14)。热燃烧气体又被递送到涡轮16。热燃烧气体驱动涡轮16以便做出机械功。在涡轮16中产生的机械功驱动压缩机12和诸如发电机等的外部负载。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种其它类型的合成气和其它类型的燃料。燃气涡轮发动机可为由纽约的斯卡奈塔第市(Schenectady)的General Electric Company公司提供的9FBA重型燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可具有其它配置且可使用其它类型部件。可在本文中使用其它类型的燃气涡轮发动机。在本文中可一起使用多种燃气涡轮发动机10，其它类型的涡轮和其它类型的发电设备。
图2示出已知转子叶片18的实例。众所周知，转子叶片18可包括从平台22延伸的翼面20、柄24和燕尾榫26。如上文所述，燕尾榫26可位于转子(为图示)周围并固定于其中以进行旋转。柄24可包括前边缘径向密封销槽28和尾边缘径向密封销槽30。也可在本文中使用其它转子叶片设计。
图3示出尾边缘径向密封销槽30，已知的密封销32位于尾边缘径向密封销槽30中。如图所示，密封销32通常具有圆端33。在此图中，α是叶片角，即，叶片盖板34的角度；β是密封销角，即，密封凹穴顶面35的角度；Fc是由于叶片旋转所致的离心力；Fp是垂直于密封凹穴顶部的力；Fs是沿着密封凹穴顶部的力；以及，Fr是合成摩擦力。为了有效地进行密封，Fs应大于Fr。尽管在此处未图示，γ是密封凹穴拐角36的角度。一般而言，叶片角度α和密封凹穴面角度β完成销32的旁侧加载。具体而言，离心力将迫使销32抵靠密封凹穴面35。密封凹穴拐角36的角度γ然后将迫使销32在切向朝向相邻叶片37以便填充它们之间的间隙39。
图4A和图4B示出位于转子叶片18与相邻叶片37之间的密封销32。图4A示出外径泄漏间隙38。外径泄漏间隙38可约等于密封槽28、30顶部的基体层厚度(ligament thickness)。基体层厚度通常与结构强度极限有关。图4B示出内径泄漏间隙40。内径泄漏间隙40可约等于密封销32上结合公差量。结合公差大体上是密封材料与叶片材料之间的不同热膨胀系数以及瞬时操作条件的原因。
图5和图6示出如本文所述的转子叶片100。如上文所述，转子叶片100可包括翼面110、平台120、柄130和燕尾榫140。柄130包括一对径向密封销槽150。尽管仅示出一个径向密封销槽150，但是柄130将包括前边缘与尾边缘径向密封销槽。
图6至图8示出可如本文所述的密封销160。密封销160可具有第一带肩端部170和第二带肩端部180。如图所示，带肩端部170具有圆形部分190和平坦部分200。端部170、180可大致相同。销160可比密封销槽150略短以便提供热生长且避免销结合。
密封销160可由Inconel 738材料(镍-铬超合金)或具有充分整体蠕变强度的类似材料类型制成。销160可以任何方位处于槽150中。销160可用于涡轮16的任何级或其它情况。
如图9和图10所示，柄130包括叶片角α。密封销槽150包括具有角度β的密封凹穴顶面210。角度α与β的组合使密封销160在离心力下向前移动。同样，径向销槽150包括具有角度γ的成角度拐角250。当销160向旁侧移动时，角度γ使密封销160朝向下一叶片的柄130移动。同样，如图11A和11B所示，肩部170、180的使用填充上文所述的外径间隙38和内径间隙40以改进性能。
一般而言，为了确定密封：
Fs≥Fr
Fc sin(α+β)≥μFp
Fc sin(α+β)≥μ Fc cos(α+β)
tan(α+β)≥μ
μ＝0.35
α+β≥19.30
同样，角度γ应大于叶片材料与销材料之间的摩擦角来防止瞬态条件期间的热生长所致的销锁定：
FS≥Fr
Fsin(γ)≥μFp
Fsin(γ)≥μF cos(γ)
tan(γ)≥μ
μ＝0.35
γ≥19.30
因此本申请提供涡轮级叶片之间更好的密封。具体而言，可显著地减小在径向密封销周围的泄漏区域。由于低泄漏，改进的密封提供改进的效率且也可减少热气体摄取并改进构件可靠性。
明显的是，前文的描述仅涉及本申请的某些实施例且在不偏离由所附的权利要求和其等效物所限定的本发明的一般精神和范围的情况下可由本领域技术人员对本发明做出多种变化和修改。

Claims (11)

1.一种涡轮叶片(100)，包括：
柄(130)；
位于所述柄(130)上的径向密封销槽(150)；以及
位于所述径向密封销槽(150)内的密封销(160)；
所述密封销(160)包括一对带肩端部(170，180)。
2.如权利要求1所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述柄(130)包括一对径向密封销槽(150)。
3.如权利要求1所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述一对带肩端部(170，180)包括圆形部分(190)和平坦部分(200)。
4.如权利要求1所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述密封销(160)具有第一长度，所述径向密封销槽(150)具有第二长度，且所述第一长度比所述第二长度短。
5.如权利要求1所述的涡轮叶片(100)，其特征在于还包括一对叶片(100)，在所述叶片(100)之间具有间隙(39)，且所述密封销(160)位于所述间隙(38，40)中。
6.如权利要求5所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述柄(130)包括具有叶片角α的盖板(34)。
7.如权利要求6所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述径向密封销槽(150)包括具有密封销叶片角β的密封凹穴面(210)。
8.如权利要求7所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述径向密封销槽(150)包括具有角度γ的成角度的拐角(220)。
9.如权利要求8所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述角度α、β和γ的组合与离心力将所述密封销(160)定位于所述间隙(39)中。
10.如权利要求1所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述柄(130)包括外径间隙(38)和内径间隙(40)，且所述一对带肩端部(170，180)填充所述外径间隙(38)和所述内径间隙(40)。
11.如权利要求1所述的涡轮叶片(100)，其特征在于，所述密封销(160)包括镍铬合金。
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