CN102588005A - 用于防止流体流动的组件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于防止流体流动的组件和方法，具体而言，根据本发明的一方面，提供了一种要安放在相邻的涡轮机械构件之间的组件，其中该组件包括第一垫片，该第一垫片包括U形截面几何形状，其中该第一垫片构造成形成相邻构件之间的密封件。该组件还包括安放在第一垫片的U形截面几何形状的凹部内的插入件和该插入件与第一垫片之间的多个错开的联接件。

Description

用于防止流体流动的组件和方法
联邦研究声明
本发明根据由美国能源部(DOE)提供的合同No.DE-FC26-05NT42643由政府资助做出。政府在本发明中拥有一定权利。
技术领域
本文公开的主题涉及涡轮机械。更具体而言，该主题涉及涡轮机构件之间的垫片和密封件。
背景技术
在涡轮机中，燃烧器将燃料或空气-燃料混合物的化学能转换为机械能。热能通过流体(常为来自压缩机的压缩空气)传送到涡轮，在这里将热能转换为机械能。增高的转换效率使得排放减少。若干因素影响热能转换为机械能的效率。这些因素可包括叶片通过频率、燃料供应变动、燃料类型和反应性、燃烧器头部体积、燃料喷嘴设计、空气-燃料曲线、火焰形状、空气-燃料混合、驻焰以及构件之间的气流泄漏。例如，来自燃烧器的压缩机排放套管侧的空气流通过过渡件与一级涡轮喷嘴之间的分界面的泄漏会通过使空气绕过燃烧器而导致增加的排放，从而引起更高的峰值气体温度。某些构件的热膨胀和构件之间的相对运动可能导致泄漏。因此，减少移位的或未对准的涡轮机构件之间的气体泄漏可提高涡轮机的效率和性能。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种要安放在相邻的涡轮机械构件之间的组件，此处该组件包括第一垫片，该第一垫片包括U形截面几何形状，其中该第一垫片构造成形成相邻构件之间的密封件。该组件还包括安放在第一垫片的U形截面几何形状的凹部内的插入件和该插入件与第一垫片之间的多个错开的联接件。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于减少相邻的涡轮机械构件之间的流体流动的方法，该方法包括使第一垫片弯曲以形成U形截面几何形状并将插入件安放在第一垫片的凹部内。该方法还包括经由多个错开的联接件将插入件与第一垫片联接并将第一垫片和插入件安放在相邻的构件之间以减少流体流动。
这些和其它优点和特征将从以下结合附图的说明变得更加明显。
附图说明
视为本发明的主题在权利要求书中具体指出并清楚地主张权利。从以下结合附图进行的详细描述，本发明的前述及其它特征和优点显而易见，在附图中：
图1是包括燃烧器、燃料喷嘴、压缩机和涡轮的燃气涡轮发动机的一个实施例的示意图；
图2是要安放在涡轮机构件之间的密封组件的实施例的透视图；
图3是密封组件的一个实施例的剖面侧视图；
图4是密封组件的一个实施例的俯视图；
图5是包括一对密封组件的示例性的过渡件组件的一部分的透视图；
图6是燃气轮机的护罩的一个实施例的端视图；
图7是图6中所示的护罩组件的详细侧视图；以及
图8示出垫片组件的另一实施例的透视图；
图9示出垫片组件的又一实施例的透视图。
详细描述通过参照附图举例说明了本发明的实施例及优点和特征。
部件列表
图1
100  涡轮机系统
102  压缩机
104  燃烧器
106  涡轮机
108  轴
110  喷嘴
112  燃料源
图2
200  组件
202  组件
204  垫片
206  边缘
208  边缘
210  凹部
212  垫片
214  边缘
216  边缘
218  凹部
220  拐角部
222  重叠部分
图3
300  插入件
图4
400  组件
402  垫片
404  焊缝
406  垫片的拐角部
408  拐角部
410  凹部
412  纵向
414  侧向
图5
500  过渡件组件
502  侧密封件
504  侧密封件
506  过渡件
508  过渡件
510  内过渡密封件
512  外过渡密封件
图6
600  涡轮机护罩
602  护罩组件
604  外护罩
606  内护罩
608  热气体区域
610  较冷气体区域
612  护罩组件之间的接合部
图7
700  外护罩密封件
702  内护罩密封件
704  外竖直部分
706  水平部分
708  拐角部
710  内护罩的水平部分
712  竖直部分
714  拐角部
图8
800  垫片组件
802  平直件
804  弯曲件
图9
900  垫片组件
902  垫片部件
904  弯头
具体实施方式
图1是涡轮机械系统例如燃气轮机系统100的一个实施例的示意图。系统100包括压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。在一个实施例中，系统100可包括多个压缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。压缩机102和涡轮106通过轴108联接。轴108可为单个轴或联接在一起以形成轴108的多个轴段。
在一方面，燃烧器104使用液体和/或气体燃料例如天然气或富氢合成气体来使发动机运行。例如，燃料喷嘴110与空气源和燃料源112成流体连通。燃料喷嘴110形成空气-燃料混合物，并且将空气-燃料混合物排放到燃烧器104中，从而导致形成热加压排气的燃烧。燃烧器100引导该热加压排气通过过渡件进入涡轮机喷嘴(或“一级喷嘴”)，从而致使涡轮106旋转。涡轮106的旋转致使轴108旋转，从而在空气流入压缩机102时压缩空气。在一个实施例中，燃烧器阵列的每一列都与定位在燃烧器与涡轮机的喷嘴之间的过渡件联接。下面参考图2-9更详细地讨论这些和其它涡轮机部件之间的组件和密封机构。
图2是第一密封组件200和第二密封组件202的一个实施例的透视图。第一密封组件200包括具有凸起边缘206和208的垫片204。凸起边缘206和208形成用以接纳插入件(未示出)的凹部210。垫片204的横截面几何形状为U形，其中凸起边缘206和208是垫片204结构的纵向侧。凸起边缘206和208相对于垫片204的中心成一角度，其中角度的范围为从约30度到约150度。在一个实施例中，凸起边缘206和208的角度为约80度到约100度。第二密封组件202包括具有也形成带凹部218的U形的凸起边缘214和216的垫片212。凹部218也构造成接纳插入件。在一个实施例中，插入件是柔性的或顺应性的，以改善与相邻的涡轮机构件或部件的接触，从而改善相邻的涡轮机构件之间的密封。垫片212包括拐角部220，其中该拐角部220弯曲一角度以在两个大致直的密封区段的交叉处形成连续密封。在现有技术中，两个直的密封件在交叉处交汇，其中流体流会在未连接的直密封件的交叉处泄漏。如图2中所示，第一密封组件200和第二密封组件202互相重叠，如要件222所示。因此，从两个组件200和202形成连续组件以提供涡轮机构件之间的密封，从而减少跨密封组件200和202的流体流动。在实施例中，搭接部分222在密封组件的成角度的密封区域或交叉处提供减少的泄漏。垫片204由适当的耐用材料制成，以耐受燃气轮机内的温度、压力和磨损。用于垫片204的示例性的材料包括金属合金、不锈钢、高强度聚合物和复合材料。
图3是示例性的密封组件200的剖视图，其中示出了垫片204的U形几何形状。插入件300定位在凹部210中，其中该插入件300构造成使组件200挠曲或顺应相邻的燃气轮机构件，从而提供改善的密封。例如，密封组件200安放在燃气轮机中的护罩的部件之间，其中这些部件可随着时间推移而移位或移动。柔性密封组件200在这些部件未对准(“未对准的部件或构件”)时减少泄漏。此外，密封组件200减少流体从自护罩外侧至护罩内侧的热气体通路泄漏。插入件300可为能够耐受燃气轮机内部的条件的任何耐用材料的插入件，例如梭织布斜纹金属材料或编织聚合物纤维。在所示的实施例中，垫片204的U形几何形状允许弯曲/冲压/模制以形成拐角部220，从而进一步改善涡轮机部件之间的密封。在实施例中，垫片204的截面是能实现密封同时可挠曲以适合构件之间成角度和弯曲的密封狭缝而不影响密封件的结构完整性的任何适当的截面。垫片204的示例性的截面包括U形、W形和V形。
图4是要安放在相邻的涡轮机构件之间的密封组件400的一个实施例的示意图。密封组件400包括垫片402和焊缝404，其中焊缝404将垫片402联接到插入件300(图3)上。垫片402具有U形结构，且凸起边缘406和408沿垫片402的纵向侧延伸。凹部410形成在垫片402中以接纳插入件300，如图3中所示。在图4的实施例中，将焊缝410描述为错开的焊缝，其中焊缝的图案和间距改善了密封组件400的挠性，从而使得密封组件400能够弯曲以便改善例如由拐角部220(图1)形成的密封件。焊料在垫片402上的形成和沉积可增强并硬化垫片402结构，从而降低密封组件400的挠性。因此，通过焊缝404在垫片402上的错开或其它布局，密封组件400可实现改善的挠性并顺应弯曲或成角度的密封区域及未对准的相邻涡轮机构件。焊缝404可为用来将插入件300(图3)联接到垫片402上的任何适当的联接件或机构，例如平头焊、点焊、钎焊、粘合剂或其它高强度粘合技术。在所示的实施例中，焊缝404由于焊缝404的纵向412列包括交替数量的焊缝的事实而错开。例如，第一列焊缝404包括侧向414间隔开的两个焊缝404，而下一列焊缝404包括侧向414居中的一个焊缝404。
图5是具有侧密封件502和504(也称为“密封组件”)的过渡件组件500的一个实施例的透视图。过渡件组件500包括构造成提供进入涡轮机喷嘴组件的热气体通路的过渡件506和508。侧密封件502和504连同内过渡密封件510和外过渡密封件512一起减少流体流通过过渡件组件的泄漏。具体而言，侧密封件502和504每一个均包括带U形截面的垫片204(图2)和插入件300(图3)。垫片204的U形几何形状和插入件300构造成顺应相邻的过渡件506和508的移动，从而减少当件506和508未对准或在涡轮机运转期间移动时的热气体泄漏。另外，侧密封件502和504包括错开的焊缝404(图4)以进一步改善挠性。
图6是包括多个护罩组件602的燃气轮机的护罩600的一个实施例的端视图。图7是单个护罩组件602的详图。护罩组件602包括外护罩604和内护罩606。如图6中所示，护罩组件602互相周向结合以分隔流体流动区域，包括热气体通路608和较冷气体通路610。各护罩组件602的接合部或分界面612包括密封件和组件以减少热气体通路608与较冷气体通路610之间的流体连通，如图7中所示。外护罩密封组件700和内护罩密封组件702构造成当相邻的护罩组件602未对准或在涡轮机运转期间移动时减少流动通路608，610之间的泄漏并维持密封。外护罩密封组件700包括竖直部分704和水平部分706。外护罩密封组件700的拐角部708形成为在竖直部分704和水平部分706的交叉处提供改善的密封。类似地，内护罩密封组件702包括竖直部分712和水平部分710。内护罩密封组件702的拐角部714形成为在竖直部分712和水平部分710的交叉处提供改善的密封。护罩密封组件700和702的一个实施例包括垫片204(图2)和插入件300(图3)，其中垫片204的U形几何形状使得能够实现组件700和702的弯曲以密封诸如拐角部708和714的弯曲部分。此外，护罩密封组件700和702包括将插入件300联接到垫片204上的错开的焊缝404(图4)，其中焊缝404的构造改善了挠性以减少流体跨密封组件700和702的泄漏。此外，所示的组件和密封方法可以用在利用相邻的部件之间的类似分界面的任何热气体通路部件上，包括喷嘴、导叶、过渡件。
图8示出包括通过弯头或弯曲件804结合的两个大致直的垫片件802的垫片组件800的一个备选实施例。在该构造中，直垫片件802为U形，而弯曲件804可以可选地具有U形横截面。图9是垫片组件900的一个实施例，此处单个垫片部件902被成型、弯曲或冲压以与多个弯头904形成单个连续件。
虽然已结合仅有限数量的实施例详细地描述了本发明，但应当容易理解的是，本发明并不局限于这些公开的实施例。相反，可对本发明进行修改以加入此前未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改型、替换或等同装置。此外，虽然已经描述本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各个方面可仅包括一部分所述的实施例。因此，本发明不应被视为通过前面的描述来限制，而仅通过所附权利要求的范围来限制。

Claims (10)

1.一种要安放在相邻涡轮机构件(500)之间的组件(200，400)，所述组件(200，400)包括：
包括U形截面几何形状的第一垫片(402)，其中所述第一垫片(402)构造成在相邻的构件之间形成密封件；
安放在所述第一垫片(402)的U形截面几何形状的凹部内的插入件(300)；以及
所述插入件(300)与所述第一垫片(402)之间的多个错开的联接件(404)。
2.根据权利要求1所述的组件(200，400)，其特征在于，所述第一垫片(402)包括不锈钢。
3.根据权利要求1所述的组件(200，400)，其特征在于，所述组件(200，400)被弯曲以提供防止在相邻涡轮机械构件(500)之间的密封件的拐角部(220，708)处的流体流动的密封件。
4.根据权利要求1所述的组件(200，400)，其特征在于，所述第一垫片(402)包括带弯头的部件，所述弯头构造成防止在所述相邻涡轮机械构件(500)之间的拐角部(220，708)处的流体流动。
5.根据权利要求1所述的组件(200，400)，其特征在于，所述组件包括第二垫片(214)，所述第二垫片(214)包括U形截面几何形状，其中所述第二垫片(214)的一部分与所述第一垫片(402)的一部分重叠，以在所述第一垫片(214)与所述第二垫片(214)之间提供密封件。
6.一种用于减少相邻涡轮机械构件(500)之间的流体流动的方法，所述方法包括：
使第一垫片(402)弯曲以形成U形截面几何形状；
将插入件(300)安放在所述第一垫片(402)的凹部内；
经由多个错开的联接件(404)将所述插入件(300)联接到所述第一垫片(402)上；以及
将所述第一垫片(402)和插入件(300)安放在相邻的构件之间以减少流体流动。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括将包括U形截面几何形状的第二垫片(214)安放在所述相邻涡轮机械构件(500)之间，其中所述第二垫片(214)的一部分覆盖所述第一垫片(402)的一部分，以在所述第一垫片(214)与所述第二垫片(214)之间提供密封件。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述第一垫片(402)和插入件(300)安放在相邻涡轮机械构件(500)之间包括将所述第一垫片(402)安放在相邻的构件之间，以在所述相邻构件的拐角部(220，708)处形成密封件。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述第一垫片(402)和插入件(300)安放在相邻涡轮机械构件(500)之间包括将所述第一垫片(402)安放在未对准的相邻构件之间。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述第一垫片(402)和所述插入件(300)安放在所述相邻构件(500)之间包括将所述第一垫片(402)安放在选自由以下构件组成的组的构件之间：相邻的护罩组件、相邻的过渡件、喷嘴和轮叶。
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