CN102159392B - 可压缩陶瓷密封 - Google Patents

Abstract

被陶瓷垫片（26，27）分隔和互连的实质上平行的陶瓷板（22）堆叠体形成带有长度（L）、宽度（W）和厚度（T）的密封结构（20）。垫片在宽度上比板窄，可以从相邻行中的垫片横向地偏置来在与另一相邻行中的垫片对准的行中形成间隔（28）。当密封结构在厚度上被压缩时，相邻的板弯曲进入间隔。每行的垫片在横向间隔中可以是不同的，因此提供沿密封结构的宽度变化的一系列可压缩性。

Description

可压缩陶瓷密封

本申请要求申请日期为2008年9月22日的美国临时申请号61/098,985的权益。

技术领域

本发明涉及受到热膨胀的部件之间的流体密封，并且特别地涉及燃气涡轮发动机中的密封，例如陶瓷基复合材料（CMC）围带段之间的密封。

背景技术

燃气涡轮发动机包括压缩机组件、燃烧室组件和涡轮组件。压缩机压缩环境空气，该环境空气然后被引导到燃烧室，其在燃烧室中与燃料混合。燃料和压缩空气的混合物被点燃，产生温度可以达到2500到2900°F（1371到1593°C）的工作气体。该气体然后穿过涡轮组件。涡轮组件具有保持多个转动叶片圆形阵列或“行”的转动轴。涡轮组件也具有多个附连到涡轮壳体的固定导叶圆形阵列。每个叶片行前面是以与叶片所成的最佳角度来引导工作气体的导叶行。工作气体膨胀穿过涡轮组件导致能量从工作气体传递到转动叶片，使得轴转动。

每个叶片行被包含和引导工作气体的围带紧密地环绕。加压冷却流体，例如来自压缩机的部分空气，相对于围带的径向外表面被引导（“径向”表示相对于涡轮轴转动轴线）。每个围带可以由相邻弓形环段的圆形阵列形成。在每对相邻环段之间需要密封来防止加压冷却流体向内泄漏进入段之间，并且防止工作气体向外泄漏。照惯例这通过安装在环段之间的间隙的每侧上的狭窄沟槽中的金属封条来提供。该封条横跨间隙，阻断气体的泄漏并且允许相邻围带段之间的热膨胀有一些不同。

每个导叶包括具有连接到涡轮壳体的径向外部平台的翼型。导叶也可以具有连接到内部冷却剂加压室的内部平台。给定导叶行中的外部平台互相相邻安装作为圆形阵列中的段，从而限定外部围带。内部平台类似地在圆形阵列中互相相邻安装来限定内部围带。这些外部和内部围带限定它们之间的在固定导叶翼型上引导工作气体的流体通道。在每对相邻外部平台之间、每对内部平台之间以及每对相邻围带之间需要密封。

燃气涡轮被设计成具有不断增加的工作气体温度来提供高效率。该演进是由高温部件材料例如陶瓷基复合材料（CMC）和其他用于暴露于工作气体的部件的陶瓷实现的，所述部件包括围带段。CMC环段和金属支撑结构之间的热膨胀差在一系列的涡轮运行条件中发生。这导致环段之间密封间隙尺寸的周期性变化。

传统封条在其沟槽深度中具有间隙来允许间隙的膨胀和收缩。由于陶瓷相比于金属的相对脆性，这种传统密封方法在陶瓷中不是理想的，因为相对地窄而深的密封沟槽可以产生不被陶瓷良好耐受的应力集中。

附图说明

在接下来的描述中参照附图来解释本发明，附图示出：

图1是根据本发明的方面的基本密封结构的横向截面图。

图2是在厚度上处于压缩的图1的结构的视图。

图3是密封结构的横向截面图，示出垫片的第一横向分隔，导致第一可压缩度。

图4是密封结构的横向截面图，示出垫片的第二横向分隔，导致较高的第二可压缩度。

图5是密封结构的横向截面图，示出在密封结构的宽度上变化的垫片的横向分隔，导致在密封结构的宽度上的一系列可压缩性。

图6示出安装在燃气涡轮部件之间的密封结构的横向截面图。

图7示出沿图6的线7-7截取的截面图，图示出密封结构中的冷却间隙。

图8示出带有交替取向的CMC纤维的如图7中的结构。

图9示出根据本发明的方面制备密封结构的敷叠阶段。

图10图示出根据本发明的方面制备密封结构的方法。

图11示出带有安装在燃气涡轮部件之间的锥形的不可压缩部分的可压缩密封结构的横向截面图。

具体实施方式

发明人认识到燃气涡轮中的陶瓷部件的更好的密封应具有陶瓷的热耐受性，而也应该是弹性可压缩的。陶瓷通常是不可压缩的，但是本发明人已经创新地构想出制造陶瓷密封的方法，使得该陶瓷密封在厚度方向上是弹性可压缩的。

图1和2图示出本发明的方面。带有可压缩厚度T的密封结构20由被陶瓷垫片26分开和互连的实质上平行的陶瓷板22的堆叠体形成。每对相邻的板22被一个或多个垫片的行R1-R3分开。垫片在宽度W上比板窄。垫片26在相邻的垫片行R1-R3中可以是互相横向偏置的。这在行R1-R3中形成与相邻行中的垫片26对齐的间隔28。如图2中所示，当密封结构在厚度T上被压缩C时，相邻的板22弯曲进入间隔28。

图3-5图示出设计理想的可压缩度的示范性方式。图3示出由层L1-L11形成的密封结构20A，其中奇数编号的层是陶瓷板22，偶数编号的层是分隔和互连所述板的陶瓷垫片26的行。在图3中，每行的垫片具有给定的垫片之间的横向分隔S1。在图4中图示出类似结构，但其中每行的垫片具有更大的垫片之间的横向分隔S2。图4的密封结构20B在其厚度方向（T）上具有比图2的密封结构20A小的压缩抵抗力。

图5图示出密封结构20C，其中垫片26之间的横向分隔在每个垫片行中从密封结构20C的第一区域A到第二区域B增加。这提供横穿密封结构的宽度W的一系列可压缩性，从处于侧A的相对低的可压缩性到处于侧B的相对较高的可压缩性（更具柔性）。这个特点对适应从冷却的侧A到热侧B的变化的热膨胀分布能够是有用的。在密封结构20C的端层L1、L11上可以提供一个或多个部分层54。这些部分层54形成在厚度方向上延伸来接合两个相邻涡轮部件中的相应保持凹槽的相对的脊，从而限制密封结构20C在部件之间的宽度方向上（侧A和B之间）的移动。

图6图示出安装在两个燃气涡轮部件42、44之间的间隙46中的密封结构20D。密封结构在其厚度方向T上是部分可压缩的。每个垫片行R的垫片26、27之间的分隔从密封结构20D的第一侧A到第二个侧B增加。这提供横穿密封结构的宽度W的一系列可压缩性，从处于A侧的相对低的可压缩性到处于B侧的相对较高的可压缩性。在这个例子中，每行R的第一垫片27与其他行R中的每行的第一垫片27沿密封结构的侧A对齐。这形成了沿密封结构的侧A的密封结构的实质上不可压缩的部分，而朝向侧B的密封结构的剩余部分是可压缩的。在图6的实施例中，第一垫片27沿其相应的整个宽度对齐，但是在其他实施例中相应行的垫片可以沿其相应宽度中的仅仅一些对齐，由此在垫片27的边缘部分处产生更渐变的可压缩性变化。在这个例子中的侧B没有垫片，并且是高度可压缩的。如本领域中所知，这个配置允许在由热工作气流58引起的热侧B上的部件42和44的更大的热膨胀，而冷侧A由于在侧A上提供的冷却气流64而具有较少的膨胀。示出了三个可压缩范围：非柔性48；部分柔性50；和最具柔性52，表示就可压缩性而言的分级结构。

一个或多个在厚度方向上突出或形成台阶来接合间隙46中的对应保持止挡56的额外层55能够被提供在密封结构20D上，所述止挡防止密封结构朝向侧B滑动。尽管图示出的是单侧止挡56，但是双侧沟槽可以替代地对应图5中的脊54被提供来防止密封朝向侧A或侧B滑动。

图7示出沿图6的线7-7所取的穿过垫片26、27的行的截面。至少一些垫片26、27能够具有一个或多个沿着密封结构的长度L被隔开的横向间隙60、62，以使得冷却气体64能够流进板22之间的至少一些间隔。在这个例子中，间隙60、62提供第一侧A和第二侧B之间的台阶式气流路径66，以使得一部分冷却气体64从侧A穿过垫片中的间隙流到侧B，因此冷却密封结构并且防止工作气体58的侵入。间隙62可以取成理想的尺寸来限制或控制冷却剂流率。

板22和垫片26、27可以用CMC或其他陶瓷材料（包括在陶瓷部件制造领域中所知的氧化CMC）制成。CMC具有嵌入陶瓷基的陶瓷纤维。纤维可以是如图7中示出的机织物68。每层22、26、27的纤维可以与密封的长度L和宽度W正交地排列（没有示出），或其可以如示出的那样对角交叉。对角几何形状的优点是弹性板22的运行时宽向弯曲将所有的纤维都弯曲，而不是如在正交纤维取向中所发生的只弯曲一半纤维。类似的，在处理过程中密封结构的任何长度方向的弯曲将所有的纤维都弯曲。因此，对这两个最常见弯曲方向的耐久性被最大化。替代地，纤维可以是非机织的并且被对角取向或对角交叉。纤维在板22和垫片26、27中可以是不同取向的。

图8示出在垫片26、27中实质上于长度方向取向并且在板22中实质上于宽度方向取向的非机织的纤维70、72。每层的纤维对那个层所遭遇的应力是最优化取向的。弹性板22在运行过程中遭遇宽度方向弯曲。垫片26、27在运行过程中不弯曲，因此其纤维70能够纵向地取向来强化密封抵抗处理和安装过程中的破裂。

图9示出密封结构的制造阶段，在本发明的示范性实施例中，湿陶瓷材料和易消耗（挥发性）材料76的层与湿陶瓷材料74的层交替，所述易消耗材料76在烧制过程中分解而不留下残留污染。图10图示出制造过程中的基本步骤，包括：80–交替敷叠湿陶瓷材料74的层与最终形成陶瓷板之间的垫片行的湿陶瓷材料和易消耗材料76的层；82–烧制到易消耗材料的汽化温度以上的陶瓷材料的烧结温度来固化陶瓷材料，去除易消耗材料，并且因此形成具有交替的板层和垫片行的密封结构。

如图11中所示，密封20E的不可压缩的部分49可以是锥形的以在部件42、44之间的压缩情况下朝外径向滑动。这允许密封的不可压缩部分49来适应部件42、44的热膨胀。密封20E通常被冷却气体64与工作气体58的压力差径向地向内压迫。其可进一步通过附连到部件42、44中的一个或附连到部件支撑结构（没有示出）的弹簧78被保持。在压缩情况下，密封将稍微地径向移位。固体润滑剂例如六方氮化硼（h-BN）可以被应用在密封20E和部件42、44之间，并且/或者可以被一体形成到那些部件的材料中。

虽然本发明的不同实施例已在本文中示出和描述，但是显而易见的是这些实施例仅仅是通过例子的方式提供的。大量的不同、变化和替换能够被实施而不脱离本文中的本发明。相应的，原则上本发明仅仅限制于所附权利要求的精神和范围。

Claims (18)

1.一种可压缩密封，包括：

被陶瓷垫片（26）分隔和互连的实质上平行的陶瓷板（22）的堆叠体，因此形成具有长度、宽度（W）和厚度（T）的密封结构（20）；

所述板（22）中的至少一些相邻板被垫片（26）中的一个或多个垫片的相应行（R1、R2、R3）分隔；

其中垫片（26）在宽度上比板（22）窄，从而限定每个垫片（26）行（R1、R2、R3）中的相应间隔（28），

其中，所述垫片（26）中的至少一些垫片在厚度（T）方向上与相邻的垫片（26）行（R1、R2、R3）中的间隔（28）对齐，

使得当密封结构（20）在厚度（T）上被压缩时，在厚度（T）方向上设置在相邻的垫片（26）行（R1、R2、R3）之间的板（22）弯曲进入间隔（28）。

2.根据权利要求1所述的可压缩密封，其中陶瓷板由包括陶瓷基中的陶瓷纤维的陶瓷基复合材料制成。

3.根据权利要求2所述的可压缩密封，其中板的陶瓷纤维大体上在宽度方向上取向。

4.根据权利要求3所述的可压缩密封，其中陶瓷垫片由包括陶瓷基中的陶瓷纤维的陶瓷基复合材料制成，并且垫片的陶瓷纤维实质上在长度方向上取向。

5.根据权利要求2所述的可压缩密封，其中板的陶瓷纤维被对角取向或对角交叉取向。

6.根据权利要求1所述的可压缩密封，其中密封结构安装在燃气涡轮中的两个部件之间，将部件第一侧的冷却气体与部件第二侧的热气体分隔开，并且其中至少一些垫片沿密封结构的长度限定一个或多个横向间隙，以使得一部分冷却气体能够流进板之间的至少一些间隔。

7.根据权利要求6所述的可压缩密封，其中至少一些垫片行在部件的第一侧和第二侧之间提供穿过间隙的台阶式气流路径，其中一部分冷却气体从部件的第一侧穿过台阶式气流路径流到第二侧，从而冷却密封结构。

8.根据权利要求1所述的可压缩密封，其中至少一行中的相邻垫片之间的横向分隔沿密封结构的宽度变化，以使得密封结构具有沿密封结构宽度变化的一系列可压缩性。

9.根据权利要求1所述的可压缩密封，其中至少一行中的相邻垫片之间的横向分隔从密封结构的第一侧到第二侧增加，以使得密封结构具有从密封结构的第一侧的相对低的可压缩性到第二侧的较高可压缩性的一系列可压缩性。

10.根据权利要求1所述的可压缩密封，其中每行中的第一垫片与其他行中每一行的第一垫片在其宽度的至少部分上沿密封结构的第一侧对准，从而形成沿密封结构的第一侧的实质上不可压缩的密封结构的部分，而密封结构的剩余部分是可压缩的。

11.根据权利要求10所述的可压缩密封，其中每行中的相邻垫片之间的横向分隔沿密封结构的剩余部分的宽度变化，以使得密封结构具有沿密封结构的宽度变化的一系列可压缩性。

12.根据权利要求11所述的可压缩密封，其中每行中的垫片之间的横向分隔从密封结构的第一侧到第二侧增加，以使得密封结构具有从密封结构的第一侧的实质上无可压缩性到第二侧的可压缩的一系列可压缩性。

13.根据权利要求10所述的可压缩密封，其中实质上不可压缩的密封结构的部分是锥形的以在部件之间的压缩情况下径向向外滑动。

14.一种制造如权利要求1所述的可压缩密封的方法，包括：

形成从1到N的湿陶瓷材料层的堆叠体，其中一些湿陶瓷材料层包括汽化温度低于湿陶瓷材料烧结温度的易消耗材料的内含物；

在易消耗内含物的汽化温度以上热固化层的堆叠体来固化和烧结陶瓷材料，从而形成和整合密封结构。

15.根据权利要求1所述的可压缩密封，其中：

所述板中每对相邻的板被垫片中的一个或多个垫片的行分隔；

垫片在相邻垫片行中互相横向地偏置，在每个垫片行中形成与相邻行中的垫片对准的间隔，以使得当密封结构在厚度上被压缩时相邻的板弯曲进入间隔；以及

至少一些垫片沿着密封结构的长度具有一个或多个横向间隙，以使得冷却气体能够从密封结构的第一侧流进板之间的间隔中的至少一些间隔。

16.根据权利要求15所述的可压缩密封，其中凭借间隙在给定行的相邻垫片中沿长度方向互相偏置，至少一些间隙形成穿过密封结构宽度的台阶式气流路径。

17.根据权利要求16所述的可压缩密封，其中每行中的相邻垫片之间的横向分隔沿密封结构的宽度变化，以使得密封结构具有沿密封结构宽度变化的一系列可压缩性。

18.根据权利要求1所述的可压缩密封，包括：

从1到N奇数编号的被从2到N-1偶数编号的垫片行分隔开的陶瓷板的堆叠体，其中每个偶数编号的垫片行分隔和连接两个相邻的奇数编号的陶瓷板，因此形成所述密封结构；

其中至少一些垫片与相邻的偶数编号的垫片行中的间隔对准，以使得当密封结构在厚度上被压缩时相邻的奇数编号的陶瓷板弯曲进入间隔。

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