CN102200035A - 双金属槽接密封件 - Google Patents

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CN102200035A CN2011100847067A CN201110084706A CN102200035A CN 102200035 A CN102200035 A CN 102200035A CN 2011100847067 A CN2011100847067 A CN 2011100847067A CN 201110084706 A CN201110084706 A CN 201110084706A CN 102200035 A CN102200035 A CN 102200035A
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Abstract

本发明涉及双金属槽接密封件。具体而言，提供了一种用于热气通路部件(100)的槽接密封件(20)。该槽接密封件(20)可包括第一金属层(22)和第二金属层(24)。第一金属层(22)可具有第一体积热膨胀系数。第二金属层(24)可与第一金属层(22)相邻布置并具有第二体积热膨胀系数。第二体积热膨胀系数可比第一体积热膨胀系数更高。当该槽接密封件(20)暴露于热源时，第一金属层(22)和第二金属层(24)可变形，以便在热气通路部件(100)与相邻的热气通路部件(100)之间提供密封。

Description

双金属槽接密封件
技术领域
本文所公开的主题大体上涉及热气通路部件(hot gas pathcomponent)，并且更具体地涉及用于密封热气通路部件的槽接密封件(spline seal)。更具体地说，本文所公开的主题涉及用于在相邻的热气通路部件之间提供密封的双金属槽接密封件。
背景技术
燃气涡轮系统被广泛应用在例如发电这样的领域中。常规的燃气涡轮系统包括压缩机、燃烧器和涡轮。在燃气涡轮系统的操作期间，该系统中的多个部件经受高温流。其中很多部件(被称为热气通路部件)关于燃气涡轮系统的轴线以环状阵列布置。此外，其中很多部件以环状阵列或以其它布局与其它部件相邻放置。例如，燃气涡轮叶片和喷嘴以环状阵列放置，而过渡件与第一级涡轮喷嘴相邻放置。通常地，在相邻部件之间存在间隙。这些间隙可允许高温流从热气通路泄漏，导致燃气涡轮系统的性能、效率和功率输出下降。
此外，由于更高温度的流通常导致燃气涡轮系统的性能、效率和功率输出增加，热气通路部件必须被冷却，以允许燃气涡轮系统在增加的温度下操作。本领域中已知用于冷却多个燃气涡轮系统部件的多种策略。例如，冷却介质可从压缩机被传送和被提供到多个热气通路部件上。然而，相邻部件之间的间隙可允许该冷却介质与高温流混合，导致燃气涡轮系统的性能、效率和功率输出进一步下降。
本领域中已知用以防止燃气涡轮系统由于泄漏和混合而损耗的多种策略。例如，密封机构(例如片式密封、弹性密封和销)已被应用以便密封多个相邻的热气通路部件之间的间隙。然而，由于燃气涡轮系统中所应用的热气通路流的温度是增加的，并且由于热气通路部件在燃气涡轮系统内经受增加的运动，这些密封机构可能不再有效地密封间隙以及防止泄漏和混合。例如，由于很多热气通路部件因温度变化而变形，并相对于彼此径向地、周向地和轴向地移动，这些密封机构可能不能响应这些变化，并且不能有效地密封热气通路部件之间的间隙。
因此，在本领域中需要用于热气通路部件的槽接密封件。例如，响应温度变化和温度梯度的槽接密封件将是有利的。此外，在出现大的温度变化或温度梯度时，提供有效密封的槽接密封件将是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在后面的描述中部分地阐明，或者从该描述可以是显而易见的，或者可通过本发明的实施而被教导。
在一个实施例中，提供了用于热气通路部件的槽接密封件。该槽接密封件可包括第一金属层和第二金属层。第一金属层可具有第一体积热膨胀系数。第二金属层可与第一金属层相邻布置并具有第二体积热膨胀系数。第二体积热膨胀系数可比第一体积热膨胀系数更高。当该槽接密封件暴露于热源时，第一和第二金属层可变形，以便在热气通路部件与相邻的热气通路部件之间提供密封。
参考下面的描述与所附的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面以及优点将变得更好理解。被结合到该说明书中并构成该说明书的一部分的附图显示了本发明的实施例，并与该描述一起用来说明本发明的原理。
附图说明
在该说明书中阐明了针对本领域普通技术人员的本发明的完全和充分的公开，包括其最佳方式，其对附图进行了引用，其中：
图1是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮系统的示意图；
图2是根据本公开的一个实施例的槽接密封件的正视图；
图3是根据本公开的另一实施例的槽接密封件的正视图；
图4是根据本公开的还有另一实施例的槽接密封件的正视图；
图5是根据本公开的一个实施例的动叶组件(bucket assembly)的侧视图；和
图6是根据本公开的一个实施例的涡轮级的侧视图。
零部件清单
  10  燃气涡轮系统
  12  压缩机
  14  燃烧器
  16  涡轮
  18  轴
  20  槽接密封件
  22  第一金属层
  23  热障层
  24  第二金属层
  25  热障层
  26  第三金属层
  27  热障层
  28  第四金属层
  30  动叶组件
  32  平台
  34  翼型(airfoil)
  36  柄部(shank)
  44  吸入侧侧壁
  46  上游侧壁
  48  下游侧壁
  50   罩组件
  52   罩区段(shroud segment)
  54   罩吊架(shroud hanger)
  56   外壳体
  60   喷嘴组件
  62   外圈(outer band)
  64   翼型
  66   内圈(inner band)
  70   涡轮级
  80   热气通路流
  90   冷却介质流
  100   热气通路部件
  132   通道
  134   通道
  152   通道
  162   通道
  166   通道
具体实施方式
现在将对本发明的实施例进行详细的引用，在附图中显示了其一个或多个示例。每个示例通过对本发明进行说明的方式提供，不对本发明具有限制性。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可在本发明中作出很多修改和变型。例如，作为一个实施例的部分所示或所描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图覆盖在所附权利要求与其等同物范围内的这样的修改和变型。
图1是燃气涡轮系统10的示意图。该系统10可包括压缩机12、燃烧器14和涡轮16。此外，该系统10可包括多个压缩机12、燃烧器14和涡轮16。压缩机12和涡轮16可通过轴18联接。轴18可以是单个轴或多个轴段，该多个轴段联接在一起以形成轴18。
燃气涡轮系统10可包括多个热气通路部件100。热气通路部件是系统10的任何部件，该部件至少部分地暴露于通过系统10的高温气流。例如，动叶组件、喷嘴组件、罩组件、过渡件、第一级涡轮喷嘴、扣环和压缩机排气部件都是热气通路部件。然而，应当理解，本发明的热气通路部件100不限于上面的示例，而可以是至少部分地暴露于高温气流的任何部件，或经受相对于彼此具有很大的温度梯度(substantial temperature gradient)的多个流的任何部件。此外，应当理解，本公开的热气通路部件100不限于燃气涡轮系统10中的部件，而可以是机械的任何部分或其部件，其可暴露于高温流或暴露于相对于彼此具有很大的温度梯度的多个流。
当热气通路部件100在系统10中被连接在一起时，在部件之间通常有间隙。这些间隙可允许，例如，热气通路流80从部件之间逸出，或者冷却介质流90进入部件之间的热气通路。因此，在部件之间需要有效的密封。
图2和图3显示了用于本公开的热气通路部件100的槽接密封件20的示例性实施例。槽接密封件20可以是包括多个金属层的双金属条，每个金属层具有一体积热膨胀系数。
通常，双金属条包括至少两层不同的金属，它们在受热时以不同的比率膨胀。例如，典型的已知的双金属条包括一层钢和一层铜，或者一层钢和一层黄铜。然而，应当理解，在本公开的槽接密封件20中所使用的金属层不限于钢、铜或黄铜，而可以是任何金属或金属合金或化和物。例如，在槽接密封件20中使用的金属层可以是通常用在燃气涡轮部件中的金属，例如Rene N4、Rene N5或GTD-111DS。该条可使用金属连接领域中已知的任何连接方法来连接。例如，该条可使用例如铆接、螺栓连接、软钎焊、钉紧(clinching)、粘合、硬钎焊以及焊接这样的连接方法来连接。
本公开的金属层中的每个金属层可具有一体积热膨胀系数。热膨胀系数是材料的热力学性质。例如，对材料的体积热膨胀系数可用公式αV＝(1/V)(dV/dT)来表达，其中αV是体积热膨胀系数，V是材料的体积，dV/dT是相对于材料温度变化的材料体积变化。因此，体积热膨胀系数测量了在恒定压力下对于每一度温度变化的体积微分变化(fractional change)。
因此，当本发明的槽接密封件20暴露于热源时，该槽接密封件20的不同金属层可根据不同的体积热膨胀系数以不同的比率膨胀，从而导致这些层并因此导致该槽接密封件20变形。例如，槽接密封件20在受热时可在一个方向上弯曲，而在被冷却到其常温之下时在相反方向上弯曲。通常，具有更高的体积热膨胀系数的金属层在条受热时被布置在弯曲双金属条(例如槽接密封件20)的外侧，而在冷却时位于内侧。
在一示例性实施例中，槽接密封件20可包括第一金属层22和第二金属层24。第一金属层22可具有第一体积热膨胀系数。第二金属层24可与第一金属层22相邻布置，并且可具有第二热膨胀系数。在一个实施例中，第二热膨胀系数可比第一热膨胀系数更高。
应当理解，本公开的槽接密封件20不限于第一金属层22和第二金属层24。例如，在如图4中所示的一个实施例中，槽接密封件20可包括与第一金属层22相邻布置的第三金属层26，并且其具有第三体积热膨胀系数。第三体积热膨胀系数与第一体积热膨胀系数相比可更低、基本相等或更高。在如图4中所示的另一实施例中，槽接密封件20可包括与第二金属层24相邻布置的第四金属层28，并且其具有第四体积热膨胀系数。第四体积热膨胀系数与第二体积热膨胀系数相比可更低、基本相等或更高。此外，槽接密封件20可包括任何数量的金属层，每个金属层具有一体积热膨胀系数。每层的体积热膨胀系数与任何其它层的体积热膨胀系数相比可更低、基本相等或更高。
应当理解，本公开的槽接密封件20和不同层可具有本领域中已知的任何形状。例如，在一个实施例中，槽接密封件20和这些不同层可具有矩形的横截面，如图2到图4中所示。然而，在另一实施例中，槽接密封件20可具有圆柱形的横截面，并且这些不同层可具有部分圆柱形的横截面。此外，在其它实施例中，槽接密封件20和这些不同层可具有可提供相邻热气通路部件100之间的密封的本领域中已知的任何横截面形状。
在如图4中所示的示例性实施例中，槽接密封件20还可包括至少一个热障层23。热障层23可被设置在槽接密封件20的不同金属层之间，例如在第一金属层22与第二金属层24之间。热障层23可作用来阻止或降低该槽接密封件的不同金属层之间的热交换，例如当一个层暴露于处于第一温度的第一热源而第二层暴露于处于第二温度的第二热源时。通过降低金属层之间的热交换，热障层23可增加金属层之间的热梯度，从而增加槽接密封件20的变形和密封能力。
热障层23可以是低传导性隔热层，并且可由能降低热交换的任何材料制成。例如，在一个实施例中，热障层23可以是陶瓷热障层。在另一实施例中，热障层23可以是空气。
还应当理解，可在各金属层之间布置一个热障层或多个层。例如，在如图4中所示的一个实施例中，槽接密封件20可包括金属层22、24、26和28，以及热障层23、25和27。此外，应当理解，可在这些金属层的一些层之间布置热障层，但是在其它层之间不布置。
当本公开的槽接密封件20暴露于热源时，第一金属层22和第二金属层24以及任何其它层(例如第三金属层26或第四金属层28)可变形，以便在热气通路部件100与相邻的热气通路部件100之间提供密封，例如通过导致槽接密封件20弯曲，如上面所论述的那样。在一示例性实施例中，第一金属层22和第二金属层24的变形可导致槽接密封件20从第一轮廓(profile)变形到第二轮廓。
例如，如图2中所示，槽接密封件20可具有基本平的第一轮廓。然而，槽接密封件20可不限于基本平的第一轮廓。例如，在不同实施例中，槽接密封件20可具有基本U形的轮廓、基本S形的轮廓、基本W形的轮廓或基本N形的轮廓。此外，应当理解，槽接密封件20的第一轮廓不限于前述的轮廓，而可以是在暴露于热源时会提供密封的本领域中已知的任何轮廓。例如，槽接密封件20可具有适合用于动叶组件30(参见图5)、罩组件50(参见图6)、喷嘴组件60(参见图6)或本领域中已知的任何其它热气通路部件100的第一轮廓。
此外，如图3中所示，槽接密封件20可具有基本U形的第二轮廓。然而，槽接密封件20可不限于基本U形的第二轮廓。例如，在不同实施例中，槽接密封件20可具有基本平的轮廓、基本S形的轮廓、基本W形的轮廓或基本N形的轮廓。此外，应当理解，槽接密封件20的第二轮廓不限于前述的轮廓，而可以是在暴露于热源时会提供密封的本领域中已知的任何轮廓。例如，槽接密封件20可具有适合用于动叶组件30(参见图5)、罩组件50(参见图6)、喷嘴组件60(参见图6)或本领域中已知的任何其它热气通路部件100的第二轮廓。
当槽接密封件20暴露于热源时，第一金属层22和第二金属层24以及任何其它层(例如第三金属层26或第四金属层28)可变形，以便在热气通路部件100与相邻的热气通路部件100之间提供密封。例如，热气通路部件100和相邻的热气通路部件100可以是动叶组件、喷嘴组件、罩组件、过渡件、第一级涡轮喷嘴、扣环或压缩机排气部件。此外，还应当理解，热气通路部件100和相邻的热气通路部件100不一定要是同样的部件。例如，在一个实施例中，热气通路部件100可以是过渡件，而相邻的热气通路部件100可以是第一级涡轮喷嘴。此外，应当理解，本公开的热气通路部件100和相邻的热气通路部件不限于上面的部件，而可以是至少部分地暴露于高温气流的任何部件。
如上面所述，热源可以是热气通路流80。此外，在一个实施例的示例性方面中，槽接密封件20可被布置成使得第一金属层22或任何其它更外面的金属层(例如第三金属层26)可被布置到第一热源上，而第二金属层24或任何其它更外面的金属层(例如第四金属层28)可被布置到第二热源上。例如，第一热源可以是冷却介质流90，第二热源可以是热气通路流80。因此，当槽接密封件20暴露于冷却介质流90和热气通路流80时，第一金属层22和第二金属层24以及任何其它层(例如第三金属层26或第四金属层28)变形以便在热气通路部件100和相邻的热气通路部件100之间提供密封，该密封可防止，例如，热气通路流80从部件之间逸出，或者冷却介质流90进入部件之间的热气通路并与热气通路流80混合。
在如图5中所示的一个实施例的示例性方面中，槽接密封件20可被布置在动叶组件30中，并被构造成在动叶组件30与相邻的动叶组件30之间提供密封。例如，动叶组件30可包括平台32、从平台32沿径向向外延伸的翼型34以及从平台32沿径向向内延伸的柄部36。柄部36可包括压力侧侧壁(未示出)、吸入侧侧壁44、上游侧壁46以及下游侧壁48。
动叶组件30还可包括与上游侧壁46相邻布置的第一槽接密封件20以及与下游侧壁48相邻布置的第二槽接密封件20。例如，第一槽接密封件20可被布置在限定在上游侧壁46上的通道132中，第二槽接密封件20可被布置在限定在下游侧壁48上的通道134中。每个槽接密封件20可包括多个金属层，例如第一金属层22和第二金属层24，如上面所论述的那样。当槽接密封件20暴露于热源时，例如当第一金属层22或其它更外面的金属层暴露于冷却介质流90而第二金属层24或其它更外面的金属层暴露于热气通路流80时，各槽接密封件20的第一金属层22和第二金属层24以及任何其它层(例如第三金属层26或第四金属层28)可膨胀，以便在动叶组件30与相邻动叶组件30之间提供密封。
动叶组件30可被包括在涡轮级70中，如图6中所示。例如，涡轮级70可以是第一级、第二级、第三级或燃气涡轮领域中已知的任何其它级。涡轮级70可包括围绕热气流80的通路以环状方式设置的多个动叶组件30、喷嘴组件60和罩组件50。
喷嘴组件60可包括，例如，内圈66、外圈62以及布置在内圈66与外圈62之间的翼型64。喷嘴组件60还可包括与外圈62相邻布置的第一槽接密封件或多个槽接密封件20，以及与内圈66相邻布置的第二槽接密封件或多个槽接密封件20。例如，第一槽接密封件20可被布置在限定在外圈62上的通道162中，第二槽接密封件20可被布置在限定在内圈66上的通道166中。每个槽接密封件20可包括多个金属层，例如第一金属层22和第二金属层24，如上面所论述的那样。当槽接密封件20暴露于热源时，例如当第一金属层22或其它更外面的金属层暴露于冷却介质流90而第二金属层24或其它更外面的金属层暴露于热气通路流80时，各槽接密封件20的第一金属层22和第二金属层24以及任何其它层(例如第三金属层26或第四金属层28)可膨胀，以便在喷嘴组件60的内圈66和外圈62与相邻喷嘴组件60的内圈66和外圈62之间提供密封。
罩组件50可包括，例如，罩区段52、罩吊架54和外壳体56。罩组件50还可包括与罩区段52相邻布置的槽接密封件或销20。例如，槽接密封件20可被布置在限定在罩区段52上的通道152中。每个槽接密封件20可包括多个金属层，例如第一金属层22和第二金属层24，如上面所论述的那样。当槽接密封件20暴露于热源时，例如当第一金属层22或其它更外面的金属层暴露于冷却介质流90而第二金属层24或其它更外面的金属层暴露于热气通路流80时，各槽接密封件20的第一金属层22和第二金属层24以及任何其它层(例如第三金属层26或第四金属层28)可膨胀，以便在罩组件50的罩区段52与相邻罩组件50的罩区段52之间提供密封。
该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还允许本领域技术人员来实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由所附权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括与所附权利要求的字面语言没有差别的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图落在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于热气通路部件(100)的槽接密封件(20)，所述槽接密封件(20)包括：
第一金属层(22)，其具有第一体积热膨胀系数；和
第二金属层(24)，其与所述第一金属层(22)相邻布置并具有第二体积热膨胀系数，所述第二体积热膨胀系数比所述第一体积热膨胀系数更高；
其中，当所述槽接密封件(20)暴露于热源时，所述第一金属层和第二金属层(22，24)变形，以便在所述热气通路部件(100)与相邻的热气通路部件(100)之间提供密封。
2.根据权利要求1所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述第一和第二金属层(22，24)的所述变形导致所述槽接密封件(20)从第一轮廓变形到第二轮廓。
3.根据权利要求2所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述第一轮廓是基本平的轮廓、基本U形的轮廓、基本S形的轮廓、基本W形的轮廓或基本N形的轮廓的其中一种。
4.根据权利要求2所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述第二轮廓是基本平的轮廓、基本U形的轮廓、基本S形的轮廓、基本W形的轮廓或基本N形的轮廓的其中一种。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述槽接密封件(20)还包括热障层(23)，所述热障层(23)布置在所述第一金属层(22)与所述第二金属层(24)之间。
6.根据权利要求5所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述热障层(23)是陶瓷热障层。
7.根据权利要求5所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述热障层(23)是空气。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述热源是热气通路流(80)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述第一金属层(22)暴露于第一热源，所述第二金属层(24)暴露于第二热源。
10.根据权利要求9所述的槽接密封件(20)，其特征在于，所述第一热源是冷却介质流(90)，所述第二热源是热气通路流(80)。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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