CN102392692A - 用于密封涡轮转子的设备和系统 - Google Patents

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G·C·利奥塔
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Abstract

本发明涉及一种用于密封涡轮转子的设备和系统。公开了一种用于在涡轮机中限制流体流的设备。该设备包括：第一级间密封部件，其构造成定位在附连到转子轴上的第一旋转翼型级和第二旋转翼型级之间，第一级间密封部件包括分段式结构，该分段式结构包括形成周边表面的多个段，第一级间密封部件包括：第一基部部分，其包括构造成至少基本沿径向和沿切向将级间密封部件固定到级间支承结构上的固定机构；第一轴向保持机构；以及第一沿轴向延伸的密封部分，其构造成沿径向向外加载在第一旋转翼型级和第二旋转翼型级中的至少一个上。

Description

用于密封涡轮转子的设备和系统
技术领域
本文中公开的主题涉及涡轮和涡轮机，并且更具体地讲，涉及在这种涡轮中的级间密封件。
背景技术
涡轮构件，尤其是在燃气轮机系统和蒸汽轮机系统中的涡轮构件，可直接暴露于高温流体，并且因此需要冷却，以达到它们的使用寿命。例如，压缩机空气中的一些从燃烧过程中转移出来以用于冷却涡轮的转子构件。
涡轮的主要流径设计成在主要工作流体流过涡轮时对它进行限制。一般对涡轮转子结构构件提供了独立于主要工作流体流的冷却流体，以在运行期间防止主要工作流体被吸入其中，并且应当受保护而不直接暴露于这些流体。可使用密封装置来保护转子构件免受驱动涡轮的主要工作流体的泄露的影响，以及防止冷却流体与主要工作流体一起逃逸。由于泄露的原因，典型的级间密封布置可降低涡轮的效率和性能。在级间密封件中的泄露可能需要增加用于冷却的寄生流体的量。例如，在使用典型的级间密封布置的燃气轮机组件中的多个叶轮空间可消耗高达用于冷却的总冷却空气流的50％。
发明内容
根据本发明的一方面，一种用于在涡轮机中限制流体流的设备包括：第一级间密封部件，其构造成定位在附连到转子轴的第一旋转翼型级和第二旋转翼型级之间，该第一级间密封部件包括分段式结构，该分段式结构包括形成周边表面的多个段，该第一级间密封部件包括：第一基部部分，其包括构造成至少基本沿径向和沿切向将级间密封部件固定到级间支承结构上的固定机构；第一轴向保持机构；以及第一沿轴向延伸的密封部分，其构造成沿径向向外加载在第一旋转翼型级和第二旋转翼型级中的至少一个上。
根据本发明的另一方面，一种燃气轮机系统包括：附连到第一可旋转转子轮盘上的多个第一涡轮翼型；附连到第二可旋转转子轮盘上的多个第二涡轮翼型；多个沿径向延伸的固定涡轮翼型，其沿轴向定位在第一转子轮盘和第二转子轮盘之间；以及第一级间密封部件，其构造成沿轴向定位在该多个第一涡轮翼型和该多个第二涡轮翼型之间，第一级间密封部件包括分段式结构，该分段式结构包括形成周边表面的多个段，第一级间密封部件包括：第一基部部分，其包括固定机构，该固定机构构造成至少基本沿径向和沿切向将级间密封部件固定到沿轴向设置在该多个第一涡轮翼型和该多个第二涡轮翼型之间的支承结构上；第一轴向保持机构；以及第一沿轴向延伸的密封部分，其构造成沿径向向外加载在该多个第一涡轮翼型和该多个第二涡轮翼型中的至少一个上。
根据结合附图进行的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
图1是包括根据本发明的一个示例性实施例的密封组件的涡轮的一部分的侧视截面图；
图2是图1的密封组件的一个实施例的透视图；
图3是包括根据本发明的一个示例性实施例的密封组件的涡轮的一部分的侧视截面图；
图4是包括根据本发明的一个示例性实施例的密封组件的涡轮的一部分的侧视截面图；
图5是图4的密封组件的一个实施例的透视图；以及
图6是图5的密封组件的轴向保持机构的一个实施例的透视图。
部件列表
10 涡轮机、燃气轮机或蒸汽轮机的一部分
12 固定翼型级、喷嘴级
14 旋转翼型级、旋转构件、涡轮级
24 固定翼型、喷嘴、涡轮喷嘴、涡轮导叶
20 旋转翼型、轮叶、叶片
16 级间密封设备、组件
18 转子轮盘
22 轮叶柄、平台、基部、下部部分
26 分段式密封部件
28 轴向密封部分、沿轴向延伸的密封部分
30 前端
32 后端
34 加载表面
36 突出的架
38 加载杆、密封丝
40 密封齿
42 内平台
44 耐磨表面
46 密封件基部
48 涡轮间隔边缘结构、支承结构
50 保持机构
51 段密封件
52 前密封部件
54 后密封部件
56 轴向保持机构、弯曲突块
58 沿轴向延伸的部件
60 沿轴向突出的架
62 保持部件
64 第一凹部或槽口
66 第二凹部或槽口
具体实施方式
提供了用于涡轮中的级间密封的设备、系统和方法。在一个实施例中，该设备、系统和方法包括级间密封组件，级间密封组件包括多个密封段，该多个密封段构造成沿径向向外加载在涡轮的一个或多个旋转构件(例如转子轮盘或轮叶)的表面上。在一个实施例中，密封部件最后通过固定机构(例如至少基本沿轴向的燕尾或杉树形式的连接件)来基本沿径向和沿切向固定到位于旋转构件之间的固定支承结构上。在一个实施例中，密封部件包括通过可拆装的轴向固定机构来沿轴向相对于彼此保持的至少两个密封部件。
参照图1，大体在10处指示了根据本发明的一个示例性实施例构建的涡轮机(例如涡轮)的一部分。此处在一个示例性实施例中，涡轮机被描述为涡轮，例如燃气轮机或蒸汽轮机，但是其可为任何类型的涡轮机。涡轮10包括交替的级间固定翼型级12和旋转翼型级14。在本文中描述的实施例中，固定翼型级12被描述为包括多个喷嘴24，但是可为任何类型的固定翼型，例如涡轮喷嘴和/或涡轮导叶。另外，在本文中描述的实施例中，旋转翼型级14被描述为包括多个轮叶20，但是可为任何类型的旋转翼型，包括轮叶和/或叶片。在一个实施例中，旋转翼型级包括下者中的至少一个：一个或多个轮叶、叶片或其它翼型；一个或多个翼型基部或下部部分，例如翼型柄或平台；以及旋转翼型支承件，例如转子轮盘。级间密封设备或组件16设置在连续的旋转翼型级14之间。
各个旋转翼型级14包括旋转构件，该旋转构件包括转子轮盘18或附连到转子轴(未显示)上的其它旋转结构，转子轴使转子轮盘18绕着中心轴线旋转。多个叶片、翼型或轮叶20可拆装地附连到各个转子轮盘18的外周缘上，并且从转子轮盘18的边缘沿径向向外延伸。轮叶20通过任何适当的机构来附连，例如沿轴向延伸的燕尾连接件。在一个实施例中，轮叶20或其它翼型各自包括构造成附连到对应的转子轮盘18上的基部或下部部分，例如柄或平台22。喷嘴级12包括多个喷嘴24，多个喷嘴24连接到外壳组件(例如涡轮壳体)或附连到外壳组件上的外部支承环上，并且沿径向朝向中心轴线延伸。
如本文所用，“轴向”方向是平行于中心轴线的方向，而“径向”方向是垂直于中心轴线而延伸的方向。“切向方向”是大体对应于正交于中心轴线的方向且大体平行于由旋转翼型级14的一部分形成的周边的切线的方向。“外部”位置指沿径向方向比“内部”位置距中心轴线更远的位置。“向外”指沿径向远离中心轴线而延伸的方向。虽然参照涡轮的涡轮区段来对本文中描述的实施例进行描述，但是也可结合涡轮的各种压缩区段来使用实施例。
级间密封组件16包括在旋转构件14之间，并且形成边缘密封件或其它空气流路径防护件。密封组件16可形成涡轮转子的将主要工作流体(例如燃烧气体)流径与涡轮转子的内部部分(包括诸如转子轴和转子轮盘18的部分的构件)分开的边缘或外边界。密封组件16构造成防止流体流到由轮叶20和喷嘴24形成的主要工作流体流径中或从该主要工作流体流径中流出。
参照图2，在一个实施例中，密封组件16包括分段式密封部件26，分段式密封部件26沿径向接触旋转翼型级14，并且可沿径向加载在旋转翼型级14上。密封部件26包括具有前端30和后端32的一个或多个大体沿轴向延伸的部分(“轴向密封部分”或“沿轴向延伸的密封部分”)28。如本文所用，“前”指沿着流体流径相对于基准位置超前的位置，而“后”指沿着流体流径相对于基准位置拖后的位置。在一个实施例中，轴向密封部分28包括加载表面34，加载表面34位于前端30和后端32处，或者紧邻前端30和后端32，并且构造成以便接触各个旋转翼型级14以及对各个旋转翼型级14施加向外的径向载荷。例如，加载表面34是构造成接触沿轴向突出的架36或沿轴向从旋转翼型级14延伸的其它突起的平的表面。在图1中显示的实例中，架36设置在轮叶柄或平台22处，但是架36可设置在任何适当的位置处，例如在转子轮盘18和轮叶20的选定的位置处。在一个实施例中，通过在加载表面34和架36之间的接触来形成密封，且/或诸如加载杆或密封丝38的密封机构设置在前端30和/或后端32处。
在一个实施例中，轴向密封部分28包括构造成接触固定翼型级12的一部分的径向密封部件。例如，轴向密封部分28包括设置在轴向密封部分28的外侧上且沿径向向外延伸的多个密封齿40。密封齿40构造成抵靠着固定翼型级12的定子表面-例如内部喷嘴支承结构，诸如包括耐磨表面44的内平台42-进行密封。
密封部件26包括密封件基部46，密封件基部46可以可拆装地附连到诸如涡轮间隔边缘结构48的级间支承结构上。在一个实施例中，密封件基部46包括保持机构50，保持机构50构造成相对于支承结构48沿至少基本径向和切向方向将密封部件26固定就位，但是允许有轴向运动。保持机构50在图1和2中显示为至少基本沿轴向的燕尾，但是保持机构不限于此。密封部件26不限于本文中所描述的形状和构造，因为密封部件26、轴向密封部分28、保持机构50和/或密封件基部46可按需要成形，例如以降低重量、减少偏转、泄露和/或应力。
在一个实施例中，密封部件26包括多个密封部件段26，密封部件段26构造成设置成彼此抵靠，以形成连续的周向密封部件。密封部件段26中的各个可包括密封特征，以控制在边缘密封段周围和通过边缘密封段的泄露。密封特征可包括段密封件51，例如大体沿轴向和/或沿径向延伸的密封花键、密封丝或密封销，以在相邻的段26之间形成密封，以减少在它们之间的流体流。
参照图3，在一个实施例中，密封组件16包括在旋转翼型级14之间沿轴向相对于彼此定位的多个密封部件26。例如，该多个密封部件26包括前密封部件52和后密封部件54。前密封部件52构造成沿径向接触在上游端处的旋转翼型级14，以及接触在下游端处的后密封部件54。同样地，后密封部件54构造成沿径向接触在下游端处的旋转翼型级14，以及接触在上游端处的前密封部件52。
在一个实施例中，密封部件26、前密封部件52和/或后密封部件54包括轴向保持机构56，其构造成防止各个密封部件26、52、54相对于涡轮级14有轴向运动。在一个实施例中，轴向保持机构56包括剪切加载的部件，其构造成沿轴向使前密封部件52和后密封部件54相对于彼此保持。轴向保持机构56可通过剪切载荷保持就位，并且还可通过径向和/或离心载荷保持就位。在一个实施例中，轴向保持机构56包括可拆装的和/或可变形的部件，例如弯曲突块，其附连到密封部件26，52，54其中一个上，并且构造成在组装之后变形，以限制轴向运动。在图3中显示的实施例中，弯曲突块56可固定到后密封部件54上，并且弯曲突块56的一部分可弯曲，使得该部分沿径向延伸，并且抵靠前密封部件52的一端。轴向保持机构56的其它实例可包括销、锁紧杆、螺栓、锁紧线和/或轴向加载表面，例如轮叶(一个或多个)20和/或柄(一个或多个)或平台(一个或多个)22的表面。在一个实施例中，轴向保持机构56为这样的任何部件或装置：其为柔性的和可拆装的，并且可从径向外部位置接近，使得可移除或以别的方式脱开轴向保持机构56，而不需要移除固定翼型级12和旋转翼型级14的构件。
在图4和5中显示了密封部件26，52，54的一个备选实施例，其包括附加的沿轴向延伸的部件58，该部件58构造成沿径向接触一个或两个旋转翼型级14。沿轴向延伸的部件58可从密封部件26，52，54延伸，例如从密封件基部46、前密封部件52的基部和/或后密封部件54的基部延伸。在一个实施例中，旋转翼型级14包括附加的沿轴向突出的架60，其构造成沿径向被沿轴向延伸的部件58加载。
或者在组装旋转翼型级14和/或固定翼型级12之前或者在此之后，该多个密封部件26可组装成涡轮机区段10的一部分。例如，可通过这样来按连续的顺序组装密封部件52、54：首先使后密封部件54抵靠着旋转翼型级14固定且使其接触架36，然后使前密封部件52抵靠着相对的旋转翼型级14固定，并且最后接合轴向保持机构56。
参照图6，轴向保持机构56的一个实施例包括设置在密封部件52，54其中一个处的保持部件62，并且构造成接合密封部件52，54中的另一个以及限制在它们之间的轴向运动。例如，后密封部件54包括第一凹部或槽口64，其成形为以便接受保持部件62的下部部分。在此实例中，保持部件62为杆或其它细长部件，而槽口64沿垂直于轴向方向的方向是细长的。前密封部件52包括第二凹部或槽口66，其成形为以便接受保持部件62的上部部分。在组装之后，保持部件部分地设置在第一槽口和第二槽口两者中，并且用来限制密封部件52，54的轴向运动。
虽然结合涡轮来提供在本文中描述的系统和方法，但是它们可用于任何适当类型的涡轮和/或涡轮机。例如，本文描述的系统和方法可用于燃气轮机、蒸汽轮机或包括燃气和蒸汽发生二者的涡轮。
本文中描述的装置、系统和方法提供了优于现有技术系统的许多优点。例如，该装置、系统和方法提供了这样的技术效果：例如通过借助于允许使用暴露于热气的更高温材料以及采用改进的转子密封而显著地减少了泄露和吹扫辅助空气的消耗，提高了涡轮机的效率和性能。另一个技术效果包括允许通过密封部件的分段而或者在组装喷嘴和/或涡轮级之前或者在此之后容易地组装或拆卸级间密封组件。此外，密封组件可为现场可更换的，而不需要拆卸涡轮转子，从而允许容易维护涡轮和其中的构件。通过减少冷却流体的消耗，此涡轮转子边缘密封布置使得能够改进涡轮性能。
虽然已经结合了仅有限数量的实施例来详细描述本发明，但是应当容易理解，本发明不限于这种公开的实施例。相反，可对本发明作出修改，以结合此前未描述但与本发明的精神和范围相当的任何数量的变型、改变、替代或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但是将理解，本发明的各方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不应当看作受前述描述限制，而是仅受所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种用于在涡轮机(10)中限制流体流的设备，所述设备包括：
第一级间密封部件(16)，其构造成定位在附连到转子轴(18)上的第一旋转翼型级(14)和第二旋转翼型级(14)之间，所述第一级间密封部件(26)包括分段式结构(26)，该分段式结构(26)包括形成周边表面的多个段，所述第一级间密封部件(16)包括：
第一基部部分(22)，其包括构造成至少基本沿径向和沿切向将所述第一级间密封部件(16)固定到级间支承结构上的固定机构；
第一轴向保持机构(56)；以及
第一沿轴向延伸的密封部分(28)，其构造成沿径向向外加载在所述第一旋转翼型级(14)和所述第二旋转翼型级(14)中的至少一个上。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一旋转翼型级和第二旋转翼型级(14)中的各个包括沿轴向延伸的突起(60)，并且所述第一沿轴向延伸的密封部分(28)构造成接触所述沿轴向延伸的突起(60)。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一轴向保持机构(56)包括剪切加载的部件和轴向加载表面(34)中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固定机构是至少基本轴向的燕尾形式的连接件。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述固定机构构造成允许所述第一级间密封部件(16)相对于所述级间支承结构沿轴向运动。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一沿轴向延伸的密封部分(28)包括构造成沿径向接触所述第一旋转翼型级(14)的第一端和构造成沿径向接触所述第二旋转翼型级(14)的第二端。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括：
第二级间密封部件(16)，其构造成定位在第一旋转涡轮级和第二旋转涡轮级(14)之间，所述第二级间密封部件(16)包括：第二基部部分(22)，所述第二基部部分(22)包括构造成沿径向和沿切向将所述第二级间密封部件(16)固定到级间支承结构上的固定机构；第二轴向保持机构(56)；以及第二沿轴向延伸的密封部分(28)，其构造成沿径向向外加载在所述第一旋转涡轮级(14)和所述第二旋转涡轮级(14)中的至少一个上。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括可拆装的轴向保持机构(56)，其构造成沿轴向将所述第二级间密封部件(16)固定到所述第一级间密封部件(16)上。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第二轴向保持机构(56)和所述可拆装的轴向保持机构(56)包括剪切加载的部件和轴向加载表面(34)中的至少一个。
10.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述第一沿轴向延伸的密封部分(28)包括构造成沿径向接触所述第一旋转翼型级(14)的第一前端(30)和第一后端(32)，并且所述第二沿轴向延伸的密封部分(28)包括构造成通过所述第二轴向保持机构(56)来接合所述第一后端(32)的第二前端(30)，以及构造成沿径向接触所述第二旋转翼型级(14)的第二后端(32)。
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