CN102588006B - 用于涡轮级间边沿密封的系统、方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮级间边沿密封的系统、方法及设备。具体而言，本发明的某些实施例可包括用于提供涡轮级间边沿密封的系统、方法及设备。根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于密封涡轮转子-轮叶对接面的方法。该方法可包括使一个或多个边沿密封件节段(112)的第一部分(216)与一个或多个流动通路密封件(202)节段相连。该方法包括在施加离心力时使一个或多个边沿密封件节段(112)旋转，以移置一个或多个边沿密封件节段(112)的第二部分(218)；以及利用至少一个或多个旋转边沿密封件节段(112)来密封位于与涡轮(100)相关联的转子(108)与轮叶(102)之间的间隙(302)的至少一部分。

Description

用于涡轮级间边沿密封的系统、方法及设备

技术领域

本发明主要涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及涡轮级间边沿密封。

背景技术

燃气轮机使用称为轮叶(或叶片)的构件来由热压缩气体产生旋转能。涡轮轮叶安装到涡轮转子叶轮的周界上，该涡轮转子叶轮可围绕发动机的中心轴线旋转。当热燃烧气体离开燃烧器并流过涡轮轮叶时，涡轮转子叶轮旋转。在此情况下，来自于热燃烧气体的能量转变成旋转能，该旋转能例如可用于驱动发电机或可提供直接的机械功。

用于构建涡轮转子叶轮的材料可不同于其它涡轮构件，以及在许多设计中，涡轮转子叶轮不如直接暴露于热燃烧气体的轮叶那样耐热。结果，热燃烧气体的高温可能会超过涡轮转子叶轮的冶金极限，导致产生热应力、氧化和结构裂纹。

为了防止涡轮转子叶轮过热，可从压缩机中获取冷却空气用以冷却包绕涡轮转子组件及其内的空间，包括与涡轮转子叶轮形成热接触的那些。以这种常规方式获取空气可从燃烧器转移空气并会妨碍发动机循环的效率。

发明内容

本发明的某些实施例可解决上述需求中的一些或全部。本发明的某些实施例可包括用于涡轮级间边沿密封的系统、方法及设备。

根据本发明的示例性实施例，提供了一种用于密封涡轮转子-轮叶对接面(interface)的方法。该方法包括使一个或多个边沿密封件节段的第一部分与一个或多个流动通路密封件节段相连，以及在施加离心力时，使一个或多个边沿密封件节段旋转以移置一个或多个边沿密封件节段的第二部分。该方法还包括利用至少一个或多个旋转的边沿密封件节段来密封位于与涡轮相关联的转子与轮叶之间的间隙的至少一部分。

根据另一示例性实施例，提供了一种用于密封涡轮转子-轮叶对接面的系统。该方法包括转子、至少一个轮叶、一个或多个流动通路密封件节段，以及具有与一个或多个流动通路密封件节段相连的第一部分的一个或多个边沿密封件节段。一个或多个边沿密封件节段构造成在施加离心力时旋转以移置一个或多个边沿密封件节段的第二部分并且密封位于一个或多个流动通路密封件节段、转子以及至少一个轮叶之间的间隙的至少一部分。

根据另一示例性实施例，提供了一种用于密封涡轮转子-轮叶对接面的设备。该设备包括具有与一个或多个流动通路密封件节段相连的第一部分的一个或多个边沿密封件节段。一个或多个边沿密封件节段构造成在施加离心力时旋转以移置一个或多个边沿密封件节段的第二部分并且密封位于一个或多个流动通路密封件节段、转子以及至少一个轮叶之间的间隙的至少一部分。

本发明的其它实施例和方面在文中进行了详细描述且认作是要求得到专利保护的本发明的一部分。参照以下详细描述、附图和权利要求可理解其它实施例和方面。

附图说明

现将参照附表和附图，附图不必按比例绘制，且在附图中：

图1为根据本发明示例性实施例的示范性涡轮区段实例的框图。

图2为根据本发明示例性实施例的处于静止位置或安装位置的示范性边沿密封件实例的框图。

图3为根据本发明示例性实施例的处于旋转位置以提供密封的示范性边沿密封件实例的框图。

图4为根据本发明示例性实施例的另一示范性边沿密封件的框图。

图5为根据本发明示例性实施例的方法实例的流程图。

零件清单

100示例性涡轮区段

102轮叶

104喷嘴

106近流动通路密封件

108涡轮叶轮或转子

110隔离件

112可旋转的边沿密封件节段

200处于静止位置的示例性边沿密封件

202近流动通路密封件

204涡轮叶轮或转子

206边沿密封件槽道(channel)

208边沿密封件重心

210间隙

212热气体

214冷却气体

216边沿密封件的第一端

218边沿密封件的第二端

300处于旋转位置的示例性边沿密封件

302密封间隙

400示例性边沿密封件实施例

404边沿密封件槽道

406边沿密封件

408边沿密封件重心

500方法

502方框

504方框

506方框

508方框

具体实施方式

在下文将参照示出本发明实施例的附图来更为完整地描述本发明的实施例。然而，本发明可体现为许多不同形式且不应看作是限于文中所阐述的实施例；确切而言，这些实施例提供成以便本公开内容将为彻底和完全的，且将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。贯穿全文，相似的标号表示相似的元件。

本发明的某些实施例可使涡轮级间边沿的密封部分能够将热气体通路中的构件与可能需要冷却空气的构件隔离。根据本发明的某些示例性实施例，提供了结合级间边沿使用的一个或多个边沿密封件(节段或条带)。根据本发明的某些示例性实施例，密封件可设计成因离心力而抵靠密封表面加载，该离心力通过涡轮转子组件的旋转而产生。示例性实施例的密封件可为实心金属。示例性实施例的密封件可由耐高温材料制成，该耐高温材料可与在制造热气体通路构件如轮叶中所使用的材料相同或相似。示例性实施例的密封件可包括具有顺应性线绳的组件。本发明的其它示例性实施例可包括具有刷毛结构或顺应性箔片结构的组件。

根据本发明的示例性实施例，密封件可相对较直或为弯曲的，以便匹配或以其它方式与级间边沿密封件的半径一致，这取决于密封件构造和所需的期望密封水平。在示例性实施例中，密封件可沿轴向保持在级间边沿密封件中的保持凹槽中，但能够在施加由涡轮转子组件的旋转所产生的离心力时旋转至密封位置。

本发明的示例性实施例可通过最大限度地减小或防止冷却空气经由叶轮空间泄漏进入热气体通路中而最大限度地减小从燃烧器转移的用于冷却的空气量。示例性实施例还可最大限度地减小或防止热气体泄漏进入附接到转子上的旋转构件之间的叶轮空间中。

根据本发明的示例性实施例，现将参照附图来描述用于密封级间边沿的各种密封构件构造和材料、附接方法、配合表面和/或保持凹槽构造。

图1示出了根据本发明示例性实施例的示例性涡轮区段100。例如，涡轮区段100可包括一个或多个轮叶102、一个或多个喷嘴104、近流动通路密封件106、一个或多个隔离件110，以及一个或多个可旋转的边沿密封件节段112。根据本发明的示例性实施例，可旋转的边沿密封件节段112可提供级间转子边沿密封件与涡轮叶轮/轮叶之间的密封。

图2示出了根据本发明实施例的处于静止位置或第一位置200的示例性边沿密封件(如图1中的112)。根据示例性实施例，近流动通路密封件202可定位成邻近涡轮叶轮或转子204。在示例性实施例中，处于静止状态和/或在各种涡轮构件的安装期间，边沿密封件112可由边沿密封件槽道206从边沿密封件第一端216保持。根据示例性实施例，边沿密封件112可包括重心208，其可偏离边沿密封件槽道206的中心并朝向涡轮叶轮或转子204的壁。根据示例性实施例，边沿密封件112可在第一或静止位置200提供位于边沿密封件的第二端218与涡轮叶轮或转子204之间的间隙210。在示例性实施例中，间隙210可提供空隙以容许构件安装在涡轮组件中。如果存在的话，气体212，214可自由地穿过转子腔与热气体通路之间的间隙210。例如，在静止位置200，热气体212可进入转子腔，和/或冷却气体214可进入热气体通路。

图3示出了根据本发明实施例的处于旋转或密封位置300的示例性边沿密封件。如在该实施例中所示，当离心力作用在边沿密封件112的重心208上时，边沿密封件112可旋转、枢转或平移至适当位置，使得第二端(如图2中的218)将位于近流动通路密封件(如图2中的202)与涡轮叶轮或转子(如图2中的204)之间的间隙(如图2中的210)封闭或以其它方式使其变窄。在示例性实施例中，当涡轮旋转时，边沿密封件112的第二端(如图2中的218)可与涡轮叶轮或转子(如图2中的204)接触或以其它方式充分邻近并有效地提供密封的间隙302，使得可限制热气体212流入转子腔，和/或使得可限制冷却气体214流入热气体通路。

图4绘出了根据本发明示例性实施例的另一边沿密封件400构造。在示例性实施例中，边沿密封件槽道404可大致为矩形，而非圆形(如图2中的206所示)。根据示例性实施例，边沿密封件406可构造成使得其保持在边沿密封件槽道404中，但在涡轮旋转时，离心力可作用在边沿密封件重心408上以使边沿密封件406枢转、旋转和/或平移，以便关闭和密封位于近流动通路密封件与涡轮叶轮或转子204之间的间隙。

根据示例性实施例，边沿密封件112，406可为级间边沿密封件系统的组成部分且可缩短维护时间，以及可消除密封部件落入燃气轮机中的风险。本发明的示例性实施例还能使与控制级间边沿密封件的轴向位置相关的公差放宽，例如与缆线密封件相比，缆线密封件通常需要紧公差以防止其由于离心力和比预计间隙宽而释放。

现将参照图5的流程图来描述根据本发明实施例的用于密封涡轮-转子轮叶对接面的示例性方法500。该方法500始于方框502，其中根据示例性实施例，该方法500包括使一个或多个边沿密封件节段的第一部分与一个或多个流动通路密封件节段相连。在方框504中，该方法500包括使一个或多个边沿密封件节段旋转以在施加离心力时移置一个或多个边沿密封件节段的第二部分。在方框506中，该方法500包括利用至少一个或多个旋转的边沿密封件节段来密封位于与涡轮相关联的转子和轮叶之间的间隙的至少一部分。该方法500在方框506之后结束。

根据本发明的附加实施例，将一个或多个边沿密封件节段112的第一部分216与一个或多个流动通路密封件节段202相连可包括将一个或多个边沿密封件节段的第一部分216插入与一个或多个流动通路密封件节段202相关联的边沿密封件槽道206中。根据本发明的示例性实施例，方法500可包括约束一个或多个边沿密封件节段112来防止一个或多个边沿密封件节段112在边沿密封件槽道206内的轴向平移，同时容许一个或多个边沿密封件节段112的径向旋转。

本发明的示例性实施例还可包括叠置一个或多个边沿密封件节段112的至少一部分以在涡轮转子108与轮叶102之间形成多节段密封件。根据示例性实施例，一个或多个边沿密封件节段112的第一部分206可在至少两个维度上受约束，但可操作以在施加离心力时使一个或多个边沿密封件节段112的第二部分旋转和沿轴向移置。在示例性实施例中，施加的离心力可作用于一个或多个边沿密封件节段112的重心208上，以旋转一个或多个边沿密封件节段218和使一个或多个边沿密封件节段112的第二部分218朝转子204移置。根据示例性实施例，利用至少一个或多个旋转的边沿密封件节段112来密封位于转子108与轮叶102之间的间隙302的至少一部分可包括将转子腔与热气体通路气体隔离。

本发明的示例性实施例还包括用于密封涡轮转子-轮叶对接面的系统和/或设备。该系统可包括转子108、至少一个轮叶102，以及一个或多个流动通路密封件202节段。该系统和/或设备的示例性实施例可包括具有与一个或多个流动通路密封件节段202相连的第一部分216的一个或多个边沿密封件节段112，其中，一个或多个边沿密封件节段112构造成在施加离心力时旋转以移置一个或多个边沿密封件节段112的第二部分218和密封位于一个或多个流动通路密封件202节段、转子108以及至少一个轮叶102之间的间隙302的至少一部分。

根据本发明的某些实施例，一个或多个边沿密封件节段的第一部分216可插入与一个或多个流动通路密封件节段202相关联的边沿密封件槽道206中，以使一个或多个边沿密封件节段112与一个或多个流动通路密封件节段202相连。根据本发明的某些示例性实施例，一个或多个边沿密封件节段112可沿轴向受约束以防止一个或多个边沿密封件节段112在边沿密封件槽道206内轴向平移，同时容许一个或多个边沿密封件节段112的径向旋转。根据本发明的某些示例性实施例，一个或多个边沿密封件节段112的一部分可彼此叠置，以便在转子108与至少一个轮叶102之间形成多节段密封件。在示例性实施例中，一个或多个边沿密封件节段112的第一部分206可沿至少两个维度约束，但可操作以在施加离心力时，例如当涡轮旋转时，使一个或多个边沿密封件节段112的第二部分旋转和沿轴向移置。在示例性实施例中，施加的离心力可作用于一个或多个边沿密封件节段112的重心208上，以旋转一个或多个边沿密封件节段218和使一个或多个边沿密封件节段112的第二部分218朝转子204或涡轮叶轮移置。

根据示例性实施例，转子或叶轮108与至少一个轮叶102之间的间隙302的至少一部分可由至少一个或多个旋转的边沿密封件节段112密封以将转子腔和相关的转子构件与热气体通路气体隔离。

根据本发明的示例性实施例，绕线或编织的线缆(线绳)可结合密封件节段112使用。在示例性实施例中，线绳可由能够耐受热气体高温的镍合金制成。根据示例性实施例，线绳可嵌入或以其它方式保持或截留在边沿密封件218的第二端附近。根据示例性实施例，线绳可提供与转子204的接触，且可(至少部分地)提供近流动通路密封件202与涡轮叶轮或转子204之间的密封。根据示例性实施例，线绳可比实心密封件更为顺应，且可在不平的表面上提供更为有效的密封。例如，在某些涡轮中，可能在转子盘柱(post)和边沿区域中的轮叶燕尾部附近存在一些不平，对此线绳可提供加强的密封。

根据本发明的示例性实施例，线刷密封件可结合密封件节段112使用。在示例性实施例中，线刷能够耐受热气体的高温。根据示例性实施例，线刷可嵌入或以其它方式保持或截留在边沿密封件218的第二端附近。根据示例性实施例，该刷可提供与转子204的接触，且可(至少部分地)提供近流动通路密封件202与涡轮叶轮或转子204之间的密封。根据示例性实施例，该刷可比实心密封件更为顺应，且可在不平的表面上提供更为有效的密封。例如，在某些涡轮中，可能在转子盘柱和边沿区域中的轮叶燕尾部附近存在一些不平，对此该刷可提供加强的密封。

因此，本发明的示例性实施例可提供改善级间边沿密封件密封能力的技术效果。本发明的示例性实施例可提供密封能力较好而密封部件落入涡轮中的可能性较小的进一步技术效果。本发明的示例性实施例可提供进一步的技术效果：有效地防护和密封涡轮叶轮的边沿区域、最大限度地减小涡轮叶轮暴露于热气体，以及最大限度地减小用于冷却涡轮叶片或轮叶的空气的泄漏。

如所期望那样，本发明的实施例可包括示例性涡轮系统100和/或具有多于或少于图1至图4中所示的构件的示例性边沿密封件200，300，400。

尽管本发明已结合当前认作是最为实用和优选的实施例进行了描述，但应理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而相反的是意图涵盖包括在所附权利要求的范围内的各种修改和同等布置。尽管本文使用了特殊用语，但它们仅用于一般性和描述性的意义而非出于限制的目的。

本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围限定在权利要求中，且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的字面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例在权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于密封涡轮转子-轮叶对接面的方法，所述方法包括：

使一个或多个边沿密封件节段(112)的第一部分(216)与一个或多个流动通路密封件节段(202)相连；

在施加离心力时，使所述一个或多个边沿密封件节段(112)旋转以移置所述一个或多个边沿密封件节段(112)的第二部分(218)；以及

利用一个或多个旋转的边沿密封件节段(112)密封位于与涡轮(100)相关联的转子(108)和轮叶(102)之间的间隙(302)的至少一部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述一个或多个边沿密封件节段(112)的第一部分(216)与所述一个或多个流动通路密封件节段(202)相连包括将所述一个或多个边沿密封件节段的第一部分(216)插入与所述一个或多个流动通路密封件节段(202)相关联的边沿密封件槽道(206)中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括约束所述一个或多个边沿密封件节段(112)以防止所述一个或多个边沿密封件节段(112)在边沿密封件槽道(206)内的轴向平移，同时容许所述一个或多个边沿密封件节段(112)的径向旋转。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括叠置所述一个或多个边沿密封件节段(112)的至少一部分以在涡轮转子(108)与轮叶(102)之间形成多节段密封件。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个边沿密封件节段(112)的第一部分(216)在至少两个维度上受约束，但可操作以在施加离心力时使所述一个或多个边沿密封件节段(112)的第二部分旋转和沿轴向移置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所施加的离心力作用在所述一个或多个边沿密封件节段(112)的重心(208)上，以使所述一个或多个边沿密封件节段(112)旋转和使所述一个或多个边沿密封件节段(112)的第二部分(218)朝所述转子(204)移置。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用所述一个或多个旋转的边沿密封件节段(112)密封位于所述转子(108)与所述轮叶(102)之间的所述间隙(302)的至少一部分包括将转子腔与热气体通路气体隔离。

8.一种用于密封涡轮转子-轮叶对接面的系统，包括：

转子(108)；

至少一个轮叶(102)；

一个或多个流动通路密封件节段(202)；以及

具有与所述一个或多个流动通路密封件节段(202)相连的第一部分(216)的一个或多个边沿密封件节段(112)，其中，所述一个或多个边沿密封件节段(112)构造成用以在施加离心力时旋转，以移置所述一个或多个边沿密封件节段(112)的第二部分(218)和密封位于所述一个或多个流动通路密封件节段(202)、所述转子(108)和所述至少一个轮叶(102)之间的间隙(302)的至少一部分。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述一个或多个边沿密封件节段的第一部分(216)插入与所述一个或多个流动通路密封件节段(202)相关联的边沿密封件槽道(206)中，以使所述一个或多个边沿密封件节段(112)与所述一个或多个流动通路密封件节段(202)相连。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述一个或多个边沿密封件节段(112)沿轴向受约束以防止所述一个或多个边沿密封件节段(112)在边沿密封件槽道(206)内的轴向平移，同时容许所述一个或多个边沿密封件节段(112)的径向旋转。