CN102733861A - 用于密封燕尾榫的方法和系统 - Google Patents

用于密封燕尾榫的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于密封燕尾榫的方法和系统，用于密封叶片燕尾榫和转子之间的间隙。燕尾榫密封件包括：第一端部分，所述第一端部分沿着所述燕尾榫密封件的长度从所述第一端部分的第一范围延伸预定距离；第二端部分，所述第二端部分沿着所述燕尾榫密封件的长度从所述第二端部分的第一范围朝着所述第一端部分延伸预定距离；以及主体，所述主体在所述第一端部分和所述第二端部分之间延伸。所述主体包括与涡轮机叶片的燕尾榫中的密封凹槽互补的U形弯曲部。所述第一端部分包括从所述第一端部分的所述第一范围朝着所述第二端部分的会聚张开横截面，并且所述第二端部分包括从所述第二端部分的所述第一范围朝着所述第一端部分的会聚张开横截面。

Description

用于密封燕尾榫的方法和系统
技术领域
本发明的领域总体上涉及任何类型的涡轮机，并且更具体地，涉及使用可变形锁定密封件密封涡轮机叶片燕尾榫和涡轮机转子之间的间隙的方法和系统。
背景技术
燃气涡轮机一般包括具有多个周向间隔的叶片(桨叶)的涡轮机转子(叶轮)。叶片一般可以包括翼型、平台、柄、燕尾榫和其它元件。每个叶片的燕尾榫定位在涡轮机转子内并且固定在其中。翼型突出到热气路径中，从而将气体的动能转换成旋转机械能。多个冷却介质通道可以通过叶片径向地延伸以引导冷却介质的向内和/或向外的流通过其中。
由于热和/或离心负荷的增加，泄漏可能基于燕尾榫的突出部和转子的表面之间的间隙而形成于冷却剂供应回路中。从叶片供应回路到叶轮空间中的空气损失相对于桨叶冷却介质流的要求可能是显著的。而且，空气可能从以后的压缩机阶段被提取，使得在发动机运行期间对能量输出和总效率的惩罚是显著的。
已尝试限制该泄漏。然而，尽管已知的密封件可以很好地密封间隙并且可能是耐用的，但是在本领域中已知的密封件不能容易地拆卸和更换。
发明内容
在一个实施例中，一种燕尾榫密封件包括：第一端部分，所述第一端部分沿着所述燕尾榫密封件的长度从所述第一端部分的第一范围(extent)延伸预定距离；第二端部分，所述第二端部分沿着所述燕尾榫密封件的长度从所述第二端部分的第一范围朝着所述第一端部分延伸预定距离；以及主体，所述主体具有在所述第一端部分和所述第二端部分之间延伸的长度。所述主体包括与涡轮机叶片的燕尾榫中的密封凹槽互补的U形弯曲部。所述第一端部分包括从所述第一端部分的所述第一范围朝着所述第二端部分的会聚张开横截面，并且所述第二端部分包括从所述第二端部分的所述第一范围朝着所述第一端部分的会聚张开横截面。
进一步的，所述主体包括C形横截面。
进一步的，所述主体包括长形圆柱形状，所述长形圆柱形状具有沿着所述主体的中心线延伸的中空内部和沿着所述长度且从所述主体的径向外表面延伸到所述中空内部的切口。
进一步的，所述切口沿着平行于所述中心线的所述主体的表面延伸。
进一步的，在所述第一端部分和所述第二端部分中的至少一个中的所述切口相对于所述中心线是弓形的。
进一步的，所述切口的宽度沿着所述长度是可变的。
进一步的，所述会聚张开横截面仅仅部分地围绕所述端部分的圆周延伸。
进一步的，所述会聚张开横截面与涡轮机叶片的燕尾榫中的密封凹槽中的倾斜表面互补。
进一步的，所述会聚张开横截面被配置成匹配地配合互补的倾斜表面以将所述燕尾榫密封件锁定在涡轮机叶片的燕尾榫中的密封凹槽中。
进一步的，所述主体在所述主体的中心线的平面中有弹性。
在另一个实施例中，一种密封叶片燕尾榫和转子之间的间隙的方法包括：使U形密封件与所述燕尾榫的密封凹槽对准；沿着所述密封凹槽在向外径向方向上相对于所述燕尾榫平移所述密封件；通过所述平移伸开所述U形密封件的腿部，使得所述密封件的腿部在非伸开方向上被弹性地偏压；使所述密封凹槽的倾斜表面与所述密封件的表面的一部分配合；以及通过所述配合松弛(relaxing)所述腿部上的偏压。
进一步的，所述方法还包括在所述燕尾榫中加工所述密封凹槽，所述密封凹槽具有倾斜表面。
进一步的，所述方法还包括形成具有中空圆柱形主体的所述密封件。
进一步的，所述方法还包括在所述密封件的表面中开出切口，所述切口沿着与所述密封件的中心线平行的线延伸通过所述主体。
在又一个实施例中，一种用于密封叶片燕尾榫和转子之间的间隙的燕尾榫密封组件包括：转子，所述转子包括多个周向间隔的狭槽，每个狭槽被配置成匹配地配合涡轮机叶片的各个燕尾榫；涡轮机叶片，所述涡轮机叶片包括形成于所述燕尾榫中的密封凹槽；以及密封构件，所述密封构件包括在其中具有纵向切口的U形中空主体，所述纵向切口延伸所述密封构件的长度，其中所述切口被定向成远离所述密封凹槽开口的方向。
进一步的，所述主体包括C形横截面。
进一步的，所述密封构件还包括张开的端部分。
进一步的，所述密封凹槽包括与所述张开的端部分互补的表面，所述张开的端部分被配置成以摩擦配合和干涉配合中的至少一种配合所述表面。
进一步的，所述切口沿着所述主体的长度延伸通过所述主体。
进一步的，所述密封构件在所述密封构件的中心线的平面中有弹性以便于在所述密封凹槽中配合锁定所述密封构件。
附图说明
图1-5显示了本说明书中所述的方法和系统的示例性实施例。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的叶片的透视图；
图2是根据本发明的一个示例性实施例的转子的透视图；
图3是根据本发明的一个示例性实施例的燕尾榫密封件的透视图；
图4是燕尾榫密封件的侧视图；
图5是包括突出部的叶片的一部分的侧视图；
图6是沿着图5中所示的线6-6获得的并且根据本发明的一个示例性实施例的燕尾榫密封组件的侧视图；
图7是燕尾榫密封件和密封凹槽的一部分的展开图；以及
图8是根据本发明的一个示例性实施例的燕尾榫密封件的一部分的透视图。
                                108    长度
附图标记列表：                  110    第二端部分
10    叶片                      112    第一范围
20    转子                      114    距离
25    狭槽                      116    主体
30    翼型                      118    长度
40    平台                      120    中心线
50    柄                        122    中空内部
60    燕尾榫                    124    切口
65    护罩(Shroud)              126    外表面
70    第一突舌或突出部          128    宽度
72    密封凹槽                  130    平面
80    第二突出部                400    燕尾榫密封组件
82    密封凹槽                  402    倾斜表面
100   燕尾榫密封件              404    向外方向
102   第一端部分                406    部分
104   第一范围                  408    边缘
106   距离
具体实施方式
以下具体实施方式作为例子而不是作为限制说明了本发明的实施例。可以预料本发明在工业、商业和住宅应用中具有对密封流体泄漏路径的分析和方法实施例的一般应用。
当在本说明书中使用时，以单数形式叙述和在前面有单词“一”的元件或步骤应当被理解为不排除多个元件或步骤，除非明确地叙述这样的排除。此外，提到本发明的“一个实施例”不旨在被理解为排除也并入已述特征的附加实施例的存在。
图1是根据本发明的一个示例性实施例的叶片10的透视图。叶片10例如可以是在可从纽约州斯克内克塔迪市(Schenectady)的通用电气公司商业性获得的9FB燃气涡轮机中使用的第一或第二级叶片。也可以在本说明书中使用任何其它类型的叶片或级。叶片10可以使用转子20(图2中所示)。
在示例性实施例中，叶片10包括翼型30、平台40、柄50、燕尾榫60和其它元件。将领会叶片10是固定到并且围绕涡轮机的转子20的多个周向间隔的叶片10中的一个。在一个实施例中，叶片10包括在翼型30的一个端部上的护罩65。在各种其它实施例中，叶片10没有护罩65。本说明书中可以使用任何其它类型的叶片设计。叶片10的翼型30突出到热气流中，从而允许通过转子20的旋转将气流的动能转换成机械能。燕尾榫60可以包括从其延伸的第一突舌或突出部70和第二突出部80。可以在本说明书中使用类似的设计。间隙可以形成于燕尾榫60的突出部70、80的端部和转子20之间。来自热气流或高压冷却流的流可以经由间隙逸出。突出部70包括密封凹槽72并且突出部80也可以包括密封凹槽82。
图2是根据本发明的一个示例性实施例的转子20的透视图。在该示例性实施例中，转子20包括用于接收叶片10的燕尾榫60的多个狭槽25。
图3是根据本发明的一个示例性实施例的燕尾榫密封件100的透视图。图4是燕尾榫密封件100的侧视图。图5是包括突出部70的叶片10的一部分的侧视图。在该示例性实施例中，燕尾榫密封件100定位在叶片10的燕尾榫60的第一突出部70的密封凹槽72内。密封凹槽72围绕第一突出部70的周边延伸。密封凹槽72的尺寸和形状可以围绕突出部70整体地或部分地变化。密封凹槽72可以用常规加工技术形成。本说明书中也可以使用其它类型的制造技术。在各种实施例中，燕尾榫密封件100包括可变形材料，所述可变形材料具有大致方形横截面、近似圆形横截面、“c”形或任何其它期望的设计。具体地，可以使用轴向或径向c形密封件。可变形材料例如可以由下列、但不限于下列的材料形成：编织石墨(woven graphite)、金属网(wovenmetal)、纺织金属间化合物(woven intermetallic)、编织陶瓷(wovenceramic)、烧结金属/石墨、金属背衬上的气相沉积石墨、金属/石墨/陶瓷的杂合物、不锈钢或奥氏体镍铬基超合金的金属片(例如
Figure BSA00000698767000061
)和其它类型的可变形材料。在该示例性实施例中，燕尾榫密封件100被配置成密封凹槽72以及叶片10和转子20之间的间隙。燕尾榫密封件(未显示)也可以与第二突出部80和其它地方使用。
在示例性实施例中，燕尾榫密封件100包括第一端部分102，所述第一端部分沿着燕尾榫密封件100的长度108从第一端部分102的第一范围104延伸预定距离106。燕尾榫密封件100也包括第二端部分110，所述第二端部分沿着燕尾榫密封件100的长度108从第二端部分110的第一范围112朝着第一端部分102延伸预定距离114。燕尾榫密封件100还包括主体116，所述主体具有在第一端部分102和第二端部分110之间延伸的长度118。第一端部分102包括从第一端部分102的第一范围104朝着第二端部分110的会聚张开横截面，并且第二端部分110包括从第二端部分110的第一范围112朝着第一端部分102的会聚张开横截面。主体116包括伸长的圆柱形、与密封凹槽72互补的U形弯曲部和沿着主体116的中心线120延伸的中空内部122。切口124沿着沿着长度108从主体116的径向外表面126延伸到中空内部122。在一个实施例中，切口124沿着表面126平行于中心线120从范围104延伸到范围112。在各种实施例中，切口124仅仅延伸平行于中心线120的长度108的一部分。在另外的其它实施例中，切口124沿着表面126的至少一部分，例如但不限于在端部分102和/或110内精确地延伸。切口124的宽度128可以沿着长度108可变。在一个示例性实施例中，宽度128沿着长度118是大致恒定的并且在端部分102和/或110内可变。在各种实施例中，会聚张开横截面仅仅部分地围绕第一端部分102和/或第二端部分110的圆周延伸。会聚张开横截面与密封凹槽72中的倾斜表面(未在图3A、3B和3C中显示)互补。会聚张开横截面被配置成匹配地配合·互补的倾斜表面以将燕尾榫密封件100锁定在密封凹槽72中。为了便于将燕尾榫密封件100锁定在密封凹槽72中，燕尾榫密封件100由在中心线120的平面130中有弹性的材料形成。
图6是沿着线6-6(图5中所示)获得的并且根据本发明的一个示例性实施例的燕尾榫密封组件400的侧视图。图7是燕尾榫密封件100和密封凹槽72的一部分的展开图。在示例性实施例中，燕尾榫密封组件400包括燕尾榫密封件100和密封凹槽72。密封凹槽72包括倾斜表面402，所述倾斜表面被配置成接收第一端部分102和/或第二端部分110的会聚张开横截面。
在密封凹槽72的安装期间，燕尾榫密封件100在径向向外方向404上相对于燕尾榫60和转子20滑动到密封凹槽72中的突出部70上。沿着密封凹槽72的表面滑动的第一端部分102和/或第二端部分110的会聚张开横截面在中心线120的平面中向外推动第一端部分102和第二端部分110。会聚张开横截面彼此远离地展开，直到当弹性力克服密封凹槽72的表面的摩擦并且燕尾榫密封件100卡扣到完全配合的位置(图6中所示)时，会聚张开横截面配合倾斜表面402。在完全配合的位置，当叶片10插入狭槽25中时，燕尾榫密封件100被锁定到密封凹槽72中并且会聚张开横截面的一部分406延伸超出密封凹槽72且超出突出部70的边缘408以提供突出部70和转子20之间的压配合。
图8是根据本发明的一个示例性实施例的燕尾榫密封件100的一部分的透视图。在一个示例性实施例中，切口124从主体116的径向外表面126延伸到中空内部122。在一个实施例中，切口124是分割线波形切口并且沿着平行于中心线120的表面126从范围104延伸到范围112(图3中所示)。在各种实施例中，切口124仅仅延伸平行于中心线120的长度108的一部分。在另外的其它实施例中，切口124沿着表面126的至少一部分，例如但不限于在端部分102和/或110内精确地延伸。切口124的宽度128可以沿着长度108可变。在该示例性实施例中，宽度128沿着长度118是大致恒定的并且在端部分102和/或110内可变。在各种实施例中，会聚张开横截面仅仅部分地围绕第一端部分102和/或第二端部分110的圆周延伸。分割线波形切口特征允许通过提供旋转的相邻圆形固位特征而拉伸成形，这是由于额外材料是可获得的。另外，分割线波形切口产生具有局部端部回弹变形能力的固位接触表面。而且，相对于密封凹槽72的切口124的旋转沿着主体116可与沿着端部分102和/或110不同，使得切口124完全位于密封凹槽72内以防止密封件100卡在密封凹槽72外部的部件或材料上。
形成弹性密封件的方法和系统的上述实施例提供了用于密封叶片燕尾榫和转子之间的间隙的成本效益高并且可靠的手段，所述弹性密封件使用具有倾斜表面的凹槽锁定在叶片燕尾榫上，所述倾斜表面被配置成配合燕尾榫密封件上的互补特征。因此，本说明书中所述的方法和系统便于以成本效益高并且可靠的方式减小燃气涡轮发动机中的泄漏。
该书面描述使用例子来公开包括最佳方式的本发明，并且也使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们包括与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims (10)

1.一种燕尾榫密封件(100)，其包括：
第一端部分(102)，所述第一端部分沿着所述燕尾榫密封件的长度(108)从所述第一端部分的第一范围(104)延伸预定距离(106)；
第二端部分(110)，所述第二端部分沿着所述燕尾榫密封件的长度从所述第二端部分的第一范围(112)朝着所述第一端部分延伸预定距离(114)；以及
主体(116)，所述主体具有在所述第一端部分和所述第二端部分之间延伸的长度(118)，所述主体包括与涡轮机叶片(10)的燕尾榫(60)中的密封凹槽(72)互补的U形弯曲部；
其中所述第一端部分包括从所述第一端部分的所述第一范围朝着所述第二端部分的会聚张开横截面，并且所述第二端部分包括从所述第二端部分的所述第一范围朝着所述第一端部分的会聚张开横截面。
2.根据权利要求1所述的燕尾榫密封件，其特征在于，所述主体包括C形横截面。
3.根据权利要求1所述的燕尾榫密封件，其特征在于，所述主体包括长形圆柱形，所述长形圆柱形具有沿着所述主体的中心线(120)延伸的中空内部(122)和沿着所述长度且从所述主体的径向外表面(126)延伸到所述中空内部的切口(124)。
4.根据权利要求3所述的燕尾榫密封件，其特征在于，所述切口沿着平行于所述中心线的所述主体的表面延伸。
5.根据权利要求3所述的燕尾榫密封件，其特征在于，在所述第一端部分和所述第二端部分中的至少一个中的所述切口相对于所述中心线是弓形的。
6.根据权利要求3所述的燕尾榫密封件，其特征在于，所述切口的宽度(128)沿着所述长度是可变的。
7.根据权利要求1所述的燕尾榫密封件，其特征在于，所述会聚张开横截面仅仅部分地围绕所述端部分的圆周延伸。
8.根据权利要求1所述的燕尾榫密封件，其特征在于，所述会聚张开横截面与涡轮机叶片的燕尾榫中的密封凹槽中的倾斜表面(402)互补。
9.根据权利要求8所述的燕尾榫密封件，其特征在于，所述会聚张开横截面被配置成匹配地配合互补的倾斜表面以将所述燕尾榫密封件锁定在涡轮机叶片的燕尾榫中的密封凹槽中。
10.根据权利要求1所述的燕尾榫密封件，其特征在于，所述主体在所述主体的中心线的平面中有弹性。
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