CN102817641A - 用于燃气涡轮机的密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气涡轮机的密封组件。具体而言，提供了一种密封组件(300)，其具有附连到第一构件(23)的保持组件和由该保持组件固定的密封元件。密封元件包括至少一个叶状密封件(330)，并且叶状密封件由与多个缝隙(332)串联的多个突部(331)构成。密封组件在第一构件(23)和第二构件(28)之间形成柔性密封。

Description

用于燃气涡轮机的密封组件

技术领域

本文所公开的主题涉及一种用于燃气涡轮机的密封组件。特别是，本发明涉及在热气体路径构件之间的密封组件，该构件例如但不限于燃气涡轮机的过渡件和第一级喷嘴。

背景技术

密封件被用来减小流体的泄漏。一种已知的密封件具有通常不能透过的垫片组合件和大致围绕该垫片组合件的布组合件。布密封件可以在许多应用中使用，包括但不限于针对用于发电的蒸汽涡轮机和燃气涡轮机的密封组件以及针对用于飞行器和船舶推进器的燃气涡轮机的密封组件。

蒸汽涡轮机具有蒸汽路径，该蒸汽路径典型地包括具有串联流关系的蒸汽入口、涡轮机和蒸汽出口。燃气涡轮机具有气体路径，该气体路径典型地包括具有串联流关系的空气进口(或入口)、压缩机、燃烧器、涡轮机和气体出口(或排气喷嘴)。从压力更高的区域向压力更低的区域的气体或蒸汽泄漏，不论是离开气体或蒸汽路径还是进入气体或蒸汽路径，通常都是不期望的。例如，在燃气涡轮机的涡轮区域中的气体路径泄漏会降低燃气涡轮机的效率，从而导致增加的燃料成本。同样，在燃气涡轮机的燃烧器区域中的气体路径泄漏将需要增加燃烧温度以维持功率水平，这种增加的燃烧温度导致增加的污染，例如增加的NOx和CO产物。

气体路径泄漏通过较大的燃气涡轮机构件之间的间隙发生，例如通过燃烧器和涡轮之间的间隙发生，并且气体路径泄漏通过较小的燃气涡轮机构件之间的间隙发生，例如通过燃烧器壳体区段之间的间隙发生。这样的构件具有不同形状的表面，受到组装偏差的影响，并且经历振动。例如，在涡轮转子的启动期间，振动是尤其重要的，该转子在达到运行速度之前必须经过一个或更多临界频率。同样，诸如燃烧器和涡轮的热段构件在热方面经受热气体流，并且典型地经历不同的热增长。类似于气体路径泄漏通过燃气涡轮机构件之间的间隙发生那样，蒸汽路径泄漏通过蒸汽涡轮机构件之间的间隙发生。

已经提出用于燃气涡轮机的气体路径泄漏间隙中和用于蒸汽涡轮机的蒸汽路径泄漏间隙中的布密封装置。然而，这样的常规布密封组件不能应对在两个构件之间的泄漏路径间隙的尺寸的大幅变化，并且因此还没有提出在这样的“大间隙变化”应用中使用。当两个构件之间的间隙变得非常小时，在这样的“大间隙变化”应用中使用的常规布密封组件将使布密封变得起皱(即非弹性弯曲)，并且随后当间隙恢复正常或变得非常大时将不密封。

在这样的“大间隙变化”应用中使用的常规密封件包括由金属制成的常规刚性密封件，该密封件可具有2.4%的泄漏(主要来自归因于不同的表面形状、组装偏差、振动、热增长和/或磨损的密封件周围的流)。在燃烧器中的这样的泄漏可导致百万分之15(或更高)(ppm) 的NOx产物和类似的CO产物。应当注意到，常规刚性密封件并不很好地适应于各种涡轮机构件的热增长或收缩的变化。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种密封组件，其具有附连到第一构件的保持组件和由该保持组件固定的密封元件。密封元件包括至少一个叶状密封件，并且叶状密封件由与多个缝隙串联的多个突部构成。密封组件在第一构件和第二构件之间形成柔性密封。

根据本发明的另一个方面，提供了一种密封组件，其具有包括至少一个叶状密封件的密封元件，叶状密封件由与多个缝隙串联的多个突部构成。密封组件在第一构件和第二构件之间形成柔性密封。

根据结合附图的下列详细描述，这些和其它特征将变得显而易见，其中，在所有附图和公开的实施例中，相似的零件由相似的标号来标记。

附图说明

图1示出包括燃烧系统的示例性燃气涡轮机，其中涡轮机的一段被剖开以示出燃气涡轮机的内部构件；

图2示出示例性燃气涡轮机燃烧系统的示意剖视图，其包括燃烧衬套和过渡件；

图3示出根据本发明的一个方面的在过渡件的后机架和一级喷嘴之间的密封件的局部剖视图；

图4示出根据本发明的一个方面的密封件的局部剖视图，其中密封安装在一级喷嘴上；

图5示出根据本发明的另一个方面的密封组件的局部透视图；以及

图6示出根据本发明的另一个方面的密封组件的局部透视图。

符号说明：

      10        燃气涡轮机

      11        压缩机

      12        燃烧系统

      13        涡轮

      14        可旋转轴

      15        发电机

      16        涡轮叶片

      17        叶轮

      18        功率输出

      19        燃料系统

      20        燃烧室

      22        流动套管

      23        过渡件

      24        燃烧衬套

      25        燃烧区

      28        一级喷嘴

      29        燃烧室壳体

      30        外壳

      300           密封组件

      310           弹簧密封件

      320           保持部件

      330           叶状密封件

      331           突部

      332           缝隙

      340           保持板

      400           密封组件

      410           弹簧密封件

      420           保持部件

      423           过渡件、第二构件

      428           第一级喷嘴、第一构件

      430           叶状密封件

      440           保持板

      500           密封组件

      520           保持部件

      530           第一叶状密封件

      531           突部

      535           第二叶状密封件

      536           缝隙

      540           保持板

      550           抗磨层

      600           密封组件

      620           保持部件

      630           叶状密封件

      640           保持板

      660           布层。

具体实施方式

图1描绘的燃气涡轮机10包括压缩机11、燃烧系统12和涡轮部分13。压缩机11、燃烧系统12和涡轮13围绕可旋转轴14中的至少一个布置。大气空气进入燃气涡轮13而被加压、加热和排出，以提供可用的功率输出。输出功率可提供给动力驱动设备或相关的发电设备，例如但不限于发电机15。本说明书将参照发电机15，然而该描述并不意图以任何方式限制本申请和权利要求的范围。它仅仅是动力驱动设备的示例。

压缩机11将加压空气提供至燃烧系统12。燃料被从燃料系统19提供至燃烧系统12。燃料可与加压空气在燃烧室20中混合以产生燃烧气体和热能。燃烧气体离开燃烧室20流至涡轮13。燃烧气体流过安装在圆盘或叶轮17上的涡轮机叶片16的(多个)环形阵列。这些叶轮17与相应的轴14一起旋转。轴14的旋转转动压缩机11，压缩机11继而压缩空气以供给燃烧过程。而且，轴14的旋转也可将来自涡轮13的旋转输出18提供给发电机15或其它系统。

图2示出燃烧室20的一个实施例，其包括燃烧室20的圆形阵列的一部分。这些燃烧室20布置于包括在燃烧系统12中的涡轮13的中心周围。燃烧室20包括压缩空气入口管道、流动套管22以及燃烧气体排出管道或过渡件23，以将燃烧气体导向至涡轮13。流动套管22容纳燃烧衬套24，并且燃烧衬套24继而限定了燃烧区25。

燃烧室壳体29设置在燃烧系统中且容纳每一个燃烧室22。燃烧室壳体29将燃烧室22附连到燃气涡轮机的外壳30，如图1所示。燃烧衬套24同轴地安装在流动套管22内。燃烧衬套24和流动套管22均同轴地安装在燃烧室壳体29内。流动套管22通过任何合适的装置安装在燃烧室壳体29中，所述装置例如但不限于安装托架。

燃烧衬套24包括具有与燃料喷嘴大致对准的入口端的大致圆锥形或截头圆锥形构造。燃烧衬套24也限定排出端。燃烧衬套24的排出端联接到过渡件23以限定用于来自燃烧系统的燃烧气体的流动通道。过渡件23包括具有与燃烧衬套24的排出端大致对准的入口端的大致圆锥形或截头圆锥形构造。过渡件23也限定排出端。过渡件23的排出端联接到涡轮13的一级喷嘴28。

燃烧衬套24和过渡件23可经由浇铸方法形成为一件式或一体式构造。因此，如在已知的燃烧衬套构造中显而易见的，一件式或一体式构造不包括冶金连接手段，例如但不限于钎焊或焊接。换言之，在一些应用中，燃烧衬套24和过渡件23不是由两个或更多构件或零件组装的，因为它们是单个零件。然而，在其它应用中，燃烧衬套24和过渡件23可由连接在一起的多个零件形成。

图3示出在过渡件的后机架和一级喷嘴之间的密封件的局部剖视图。根据本发明的一个方面，密封组件300可由多个层或元件构成，其可包括弹簧密封件310、保持部件320、叶状密封件330以及保持板340。保持组件可由弹簧密封件310、保持部件320以及保持板340构成，并且这种保持组件被附连到第一构件。第一构件可以是过渡件23的后端或排出端(如所示)，或者它可以是第一级喷嘴28(图3中未示出)。密封元件由保持组件310、320、340固定，并且包括至少一个叶状密封件330。保持板340可被构造成将叶状密封件330固定到保持部件320。叶状密封件330具有局部分段的构造，并且由与多个缝隙332串联的多个突部331形成。密封组件300在第一构件23和第二构件28之间形成柔性密封，在本示例中，这两个构件分别为过渡件23和第一级喷嘴28。叶状密封件330的分段或带突部的构造提供了优异的密封特性，因为它赋予密封件柔性，并且允许密封件适应归因于热循环的构件的形状的各种变化。

保持部件320布置在第一构件(例如过渡件23)的一部分的周围，并且包括附连到保持部件的弹簧密封件310。弹簧密封件310向保持部件320的一部分和第一构件或过渡件310的一部分施加压缩力。一种可能的泄漏路径是从在过渡件和第一级喷嘴之间的间隙(在图3的右下部分中示出)开始，在保持部件320下面并经过弹簧密封件310。弹簧密封件310的构造在过渡件23与弹簧密封件310和保持部件320的相应部分之间形成紧密密封，以减少沿该路径的泄漏流。

图4示出根据本发明的一个方面的密封件的局部剖视图，其中密封件安装在一级喷嘴上。密封组件400安装在第一级喷嘴428上，并且可包括弹簧密封件410、保持部件420、叶状密封件430以及保持板440。保持组件可由弹簧密封件410、保持部件420以及保持板440构成，并且该保持组件被附连到第一构件。在本示例中，第一构件为第一级喷嘴428。密封元件由保持组件410、420、440固定，并且包括至少一个叶状密封件430。保持板440可被构造成将叶状密封件430固定到保持部件420。叶状密封件430具有局部分段的构造，并且由与多个缝隙串联的多个突部形成。密封组件400在第一构件428和第二构件423之间形成柔性密封，在本示例中，这两个构件分别为第一级喷嘴428和过渡件423。

图5示出根据本发明的另一个方面的密封组件500的局部透视图。密封组件包括保持部件520、第一叶状密封件530、第二叶状密封件535以及保持板540。为清楚起见，弹簧密封件被省略。此外，保持部件520和保持板540可被构造为单个元件。

第一叶状密封件530放置在第二叶状密封件535前面，并且第一叶状密封件530的突部531重叠第二叶状密封件535的缝隙536。这种构造提供了良好的柔性和良好的密封特性，因为通过第一叶状密封件530的缝隙的泄漏流被第二叶状密封件535中的突部减少。此外，可以将抗磨层550放置在第一叶状密封件530和/或第二叶状密封件535的全部或一部分上。如所示，抗磨层550被放置在第一叶状密封件530的突部531的一部分上，并且该抗磨层550减少了由在第一叶状密封件530和相对表面(例如，第一级喷嘴或过渡件)之间的相对移动所导致的磨损。抗磨层550可由下列中的一种或其组合构成：铬、碳化铬、碳化铬/镍铬、铬合金、钴、钴-钼-铬-硅、钴金属合金、铜-镍-铟、铜合金、铁、铁合金、镍、镍合金、碳化钨、碳化钨-钴、碳化钨-钴-铬、钨合金。

图6示出根据本发明的另一个方面的密封组件600的局部透视图。密封组件包括保持部件620、叶状密封件630、保持板640以及布层660。为清楚起见，弹簧密封件被省略。此外，保持部件620和保持板640可被构造为单个元件。

布层660起到抗磨层的作用。布层可由布料构成，该布料由一层或更多层布形成，并且每一层可由选自金属、陶瓷以及聚合物纤维中的一种或其组合的材料构成。层可由织造织物、针织织物或压制织物形成。

注意到，术语“第一”、“第二”等以及“一次”、“二次”等在本文中不表示任何量、顺序或重要性，而是用来区别一个要素与另一要素，并且术语“一个”和“一种”在本文中不表示量的限制，而是表示存在至少一个引用项。如本文所用，术语“约”在与数值范围内的数字结合使用时被限定为在“约”修饰的数字的一个标准偏差以内。如本文所用，后缀“(多个)”意图包括其修饰的术语的单数和复数两者，从而包括一个或更多该术语(例如，(多个)层包括一个或更多层)。

该书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与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权利要求的字面语言有非实质性差别的等同结构元件，则这种其它示例意图落在权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种密封组件(300)，包括：

   保持组件(310,320,340)，其附连到第一构件(23)；

   密封元件(330)，其由所述保持组件固定，所述密封元件包括至少一个叶状密封件(330)，所述至少一个叶状密封件(330)包括与多个缝隙(332)串联的多个突部(331)；

   其中，所述密封组件在所述第一构件(23)和第二构件(28)之间形成柔性密封。

2.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述第一构件(23)为燃气涡轮机中的过渡件，并且所述第二构件为所述燃气涡轮机中的第一级喷嘴(28)。

3.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述第一构件(428)为燃气涡轮机中的第一级喷嘴，并且所述第二构件为所述燃气涡轮机中的过渡件(423)。

4.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述保持组件还包括：

   保持部件(320)，其被构造成围绕所述第一构件的一部分布置。

5.根据权利要求4所述的密封组件，其特征在于，所述保持组件还包括：

   弹簧密封件(310)，其附连到所述保持部件(320)，所述弹簧密封件(310)被构造成向所述保持部件的一部分和所述第一构件(23)的一部分施加压缩力；

   其中，所述弹簧密封件和所述保持部件减少在所述第一构件(23)和所述第二构件(28)之间的泄漏流。

6.根据权利要求5所述的密封组件，其特征在于，所述保持组件还包括保持板(340)，所述保持板被构造成将所述叶状密封件(330)固定到所述保持部件。

7.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述至少一个叶状密封件还包括：

   第一叶状密封件(530)，其布置在第二叶状密封件(535)前面；

   其中，所述第一叶状密封件(530)的所述多个突部(531)被构造成重叠所述第二叶状密封件(535)的所述多个缝隙(536)。

8.根据权利要求7所述的密封组件，其特征在于，所述第一叶状密封件包括布置在所述多个突部上的抗磨层(550)。

9.根据权利要求8所述的密封组件，其特征在于，所述抗磨层(550)由下列中的一种或其组合构成：

   铬、碳化铬、碳化铬/镍铬、铬合金、钴、钴-钼-铬-硅、钴金属合金、铜-镍-铟、铜合金、铁、铁合金、镍、镍合金、碳化钨、碳化钨-钴、碳化钨-钴-铬、钨合金。

10.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述至少一个叶状密封件被抗磨层(550,660)覆盖。

11.根据权利要求10所述的密封组件，其特征在于，所述抗磨层包括布料(660)。

12.根据权利要求10所述的密封组件，其特征在于，所述布料包括一层或更多层布，并且所述一层或更多层中的每一层由选自金属、陶瓷以及聚合物纤维中的至少一种或其组合的材料构成；并且

   其中，所述一层或更多层由织造织物、针织织物或压制织物形成。

Images