CN102913289A - 用于燃气涡轮应用的向外的刷丝的刷式密封设计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气涡轮应用的向外的刷丝的刷式密封设计。更具体而言，一种用于在两个固定涡轮构件之间使用的刷式密封组件包括多个弓形载体段，其各具有有大致相等的径向长度尺寸的前板和后板以及夹在前板与后板之间的刷丝束件。前板和后板限定适于被接纳在第一径向内涡轮构件中的环形槽口内的钩部，刷丝束件大致径向向外延伸至前板和后板以外，并且由后板沿整个径向长度尺寸和由前板沿径向长度尺寸的较小部分支撑，从而在刷丝束件与前板之间沿径向长度尺寸的大部分留下轴向间隙。刷丝束件沿长度尺寸的较小部分固定地固连到后板和前板，并且刷丝束件沿周向顺时针或逆时针方向倾斜且适于密封地接触第二径向外涡轮构件。

Description

用于燃气涡轮应用的向外的刷丝的刷式密封设计

技术领域

本发明大体上涉及燃气涡轮压缩机，并且在示例性但非限制性的示例中涉及在压缩机的出口级处的静止构件之间的密封件。

背景技术

在涡轮的静止构件之间时常采用密封件。例如，在蒸汽涡轮中，第一级喷嘴的入口与内腹板之间的密封件已包括安装在密封环段上的多个迷宫密封齿，密封环段可被弹簧偏置以接合相对的静止构件表面并且对该相对的静止构件表面密封。承载迷宫密封齿的轴封环密封件可以预加载并且沿径向向外方向或径向向内的方向取向，取决于密封件所安装到的入口区域的构件。虽然迷宫密封件对于最小化在这些高压区域中的泄漏流是有效的，但静止的环形或柱形密封构件可以变得不圆或变形，这可能导致从高压区域到低压端部密封轴封环区域的增加的泄漏流。构件中的一个或两个的热变形或蠕变可导致不圆和在迷宫密封齿的顶端与其所密封抵靠的表面之间的间隙的形成。因此，只要迷宫密封齿和构件零件保持圆形，则迷宫齿就可以有效地最小化泄漏流。然而，如果密封表面中的一个或两个变得不圆，则在齿的顶端与相邻密封表面之间形成大致月牙形的间隙，从而导致通过间隙横过密封件的泄漏和性能损失。

另一种静止密封布置在共同拥有的美国专利No.6,951,339中示出。在该专利中，涡轮构造包括支撑多个翼型件且承载内腹板的喷嘴，翼型件在内筒与外筒之间彼此周向间隔开。在涡轮流动路径的入口区域中，静止的刷式密封件(brush seal)设置在入口与内腹板的径向相对凸缘之间。刷式密封件包括多个刷丝(bristle)，所述多个刷丝设置在刷丝的相对的轴向侧上的成对侧板之间。刷式密封由内腹板或入口承载，并且刷丝被预加载以接合内腹板或入口中的另一个。

在其它情况中，在由外壳体结构支撑的末级/出口叶片(vane)顶端/围带(shroud)与压缩机的内壳体结构之间存在泄漏通道，该泄漏通道可能以两种方式影响压缩机性能。泄漏空气可以或者再次进入且与主压缩机流混合并且导致空气动力性能损失，或者泄漏空气可以行进通过高压轴封区域(定子和转子两者)并降低压缩机效率。

一直需要相对于间隙或泄漏通道的改进的静止密封效率，该间隙或泄漏通道存在于由外壳体结构支撑的固定的末级/出口叶片/顶端围带与固定的径向相邻的内壳体结构之间，例如，在(多个)压缩机出口级处的压缩机排气壳体(CDC)的内筒与定子叶片围带环之间。

发明内容

根据一个示例性但非限制性的实施例，本发明提供了一种用于在包括多个弓形载体段的两个固定涡轮构件之间使用的刷式密封组件，每个弓形载体段具有有大致相等的径向长度尺寸的前板和后板以及夹在前板与后板之间的刷丝束件(bristle pack)，前板和后板限定适于被接纳在第一径向内涡轮构件中的环形槽口内的钩部，刷丝束件径向向外延伸到前板和后板以外并且由后板沿整个径向长度尺寸且由前板沿径向长度尺寸的小部分支撑，从而在刷丝束件与前板之间沿径向长度尺寸的主要部分留下轴向间隙；刷丝束件沿长度尺寸的小部分固定地固连到后板和前板；并且其中，刷丝束件沿周向顺时针或逆时针方向倾斜。

在另一个示例性但非限制性的实施例中，本发明提供一种位于径向内涡轮构件和径向外涡轮构件之间的刷式密封组件，径向内涡轮构件和径向外涡轮构件相对于彼此大致同心布置且各自具有沿大致水平的分离线结合的上半部段和下半部段，该刷式密封组件包括：至少三个弓形刷式密封段，该至少三个弓形刷式密封段安放在径向内涡轮构件中的弓形槽口内，并且在组合时，形成终止于大致水平分离线处的半环形密封件；该至少三个弓形刷式密封段中的每一个具有前板和后板以及夹在前板与后板之间的刷丝束件，刷丝束件径向向外延伸至前板和后板以外且与径向外涡轮构件在冷态下接合，并且沿周向顺时针或逆时针方向倾斜；并且其中，邻近分离线的至少三个弓形刷式密封段中的两个具有刷丝束件，其带有小于至少三个弓形刷式密封段中的剩余弓形刷式密封段的径向长度尺寸。

在又一示例性但非限制性的实施例中，本发明提供了一种刷式密封组件，其径向地位于压缩机的环形内筒与环形定子叶片围带环之间用于防止沿与通过压缩机的主流的方向相对的方向的泄漏流，围带环由多个弓形围带环段构成，并且其中，环形内筒和定子叶片围带环各自具有沿大致水平的分离线结合的上半部段和下半部段，刷式密封组件包括安放在形成于内筒中的环形槽口内的多个弓形刷式密封段，多个弓形刷式密封段中的每一个具有前板和后板以及夹在前板与后板之间的刷丝束件，刷丝束件径向向外延伸至前板和后板以外且在冷态下与定子叶片围带环接合，刷丝束件沿周向顺时针或逆时针方向和沿轴向向前或向后方向倾斜；并且其中，弓形围带环段在数量上等于或大于刷式密封段。

现在将结合下文所标识的附图详细描述本发明。

附图说明

图1是根据第一示例性但非限制性的实施例的合并了刷式密封的弓形段的剖视图；

图2是图1所示弓形段的局部剖视图，该图扩大以示出CDC内筒和压缩机出口级定子叶片围带环的更多部分，其中刷式密封组件位于CDC内筒的前端处；

图3是安放在CDC内筒中的图1的刷式密封组件的局部剖视透视图；

图4是根据示例性但非限制性的实施例的环形分段刷式密封组件的端视图；

图5是从图4截取的放大详图5；

图6是从图4截取的放大详图6；

图7是用于定位成与在成对的相邻的叶片围带环段之间的接口径向相对的刷式密封段的放大详图；

图8是根据本发明的另一个特征的刷式密封段和防旋转锁定键的局部透视图；

图9是类似于图2的局部剖视图，但示出了备选的刷式密封组件；

图10是类似于图9的简化示意图，但示出了根据不同构造的压缩机出口级定子叶片围带环重定位到CDC内筒的后端的刷式密封；

图11是与图2大体上类似的示意图，但示出了在CDC内筒的前端处的备选的刷式密封组件；

图12是示出了在前部定位的刷式密封组件中的刷丝束件如何可以沿一个轴向方向倾斜或偏斜的示意图；以及

图13是类似于图13的示意图，但示出了在后部定位的刷式密封组件中的刷丝束件如何可以沿相对的轴向方向倾斜或偏斜的示意图。

构件列表

10 刷式密封组件

12,90,124 前板

14,96,122 后板

16 径向内钩

18 后板14上的内钩部

20 前板12上的内钩部

22 窄颈部

24 后板14上的外钩部

26 刷或刷丝束件

28 后板14的表面

30 前板12的表面

32 径向表面

33 冷过盈量

34 轴向间隙

36 T形槽口

38 内构件或筒

40 压缩机排气壳体(CDC)

42 横部

44 杆部

46 轴向部

48 外构件或围带环

50 刷丝

52,60 段

70,72 围带环段

74 刷式密封段

76 刷丝束件

80 减小的刷丝高度

82 键

84 凹口或凹部

86 切口

92 在前板90上的钩部

94 在后板96上的钩部

98 内筒38的表面部

88,100,132 刷式密封段

104 后部

106,114 内筒

108,130 凹槽

110 内钩

112 刷式密封段

116 L形槽口

118 内钩

120 后板122上的钩部

126,128 上钩部。

具体实施方式

首先参照图1至图3，根据第一示例性但非限制性的实施例，静止的刷式密封组件10径向地位于压缩机排气壳体(CDC)40的环形固定内筒部(或简单地内筒)38与固定的定子叶片围带环48之间。刷式密封组件10包括多个弓形段，所述多个弓形段在组装时形成环形刷式密封环(参见图4)，如本文中进一步讨论地。刷式密封组件10的每个弓形段由前板12和后板14构成，前板12和后板14位于刷或刷丝束件26的相对侧上。前板和后板一起形成径向内钩16。特别地，钩16由后板14的相对宽的内钩部18和前板12的类似的相对宽的内钩部20限定。

从后板14的内钩部18径向向外延伸，存在延伸至径向外且相对宽的外钩部或凸缘24的相对窄的颈部22。如上文所指出的，刷或刷丝束件26夹在前板12与后板14之间，并且大致径向向外地分别延伸至前板12和后板14两者的最外表面以外。刷或刷丝束件26沿面向前板12的后板14的表面28大致完全地接合。刷丝束件26还由面向后板14的前板12的表面30接合。然而，表面30仅延伸前板12的径向长度的小或较小部分且连接到前板12的偏移的径向表面32，从而在刷丝束件26的大部分长度与前板12的表面30之间留下径向延伸的轴向间隙34。前板12和后板14合在一起具有大体上工字梁的形状，其中径向向外的工字梁“凸缘”的一侧被省略(与外钩凸缘24轴向相对)，并且沿垂直于内和外“凸缘”或钩的方向增加了局部径向间隙34。

刷式密封组件10的弓形段位于在CDC 40的环形固定内筒38中形成的倒转的T形槽口36内。因此，刷式密封组件段10中的每一个的内钩16被接纳在T形槽口的较宽横部42内，同时窄的颈部22被接纳在T形槽口的杆部44内。外钩部24支撑在内筒38的轴向表面46上。宽度可为约0.10英寸的间隙34适应由于加载配合部件(即内筒38)的径向偏移所导致的刷丝束件宽度上的变化。用于内钩部18和20相对于T形槽口36的杆部44的宽度的轴向长度尺寸的差值保证免于各段在T形槽口内的不正确的倒转安装。

刷丝束件26可由金属刷丝或非金属刷丝形成，非金属刷丝由诸如陶瓷、碳纤维或二氧化硅的材料制成。刷丝束件26通过焊接、压接、高温粘合剂或其它合适的附连技术分别固连在前板12和后板14的面对的表面30和28上。

可以看到，刷丝束件26与围绕内筒38的固定定子叶片围带环48接合，以便轴向地密封沿内筒、在内筒与定子叶片围带环之间的泄漏流。如图1和图2所示，泄漏流方向由流箭头F所指示，该方向与图2中所指示的离开压缩机的空气的主流相反。然而，本发明还设想在主流和泄漏流沿相同方向的情况下使用刷式密封组件。

如上文所指出的，刷式密封组件可由多个弓形段组成，这些弓形段一起构成接纳在环形T形槽口36中的360°环形刷式密封环(参见图4)。如本文中将进一步讨论地，弓形段可被布置成在内筒38的上半部段和下半部段与围带环48之间的水平接口处具有相邻边缘，该相邻边缘有时被称为水平“分离线”。出于本文中讨论的目的，假设在分离线上方和下方存在至少三个刷式密封段，但本发明不受此限制。这里还应当指出，定子叶片围带环也由多个弓形段组成，并且在优选布置中，围带段的数量等于或不等于刷式密封段的数量。

因此，刷丝束件26在两个固定涡轮构件38与48之间大致径向向外延伸，其中在刷丝束件的刷丝的自由端部与定子叶片围带环48之间有过盈配合。就这一点而言，在示例性实施例中的冷过盈量为约0.05英寸，并且冷间隙34在约0.10英寸至0.14英寸之间。通过指示刷丝束件延伸超出与其接合的叶片围带环48的表面的那部分长度，冷过盈量在图1中示出为33。实际上，刷丝束件将被压缩并且因此倾斜至一侧，以适应过盈配合。在示例性实施例中，当从下游位置(相对于压缩机主流)观察刷组件时，刷丝束件26的刷丝50(图5至图7)可以沿顺时针周向倾斜。在图5至图7中，在大致直径上相对的段52与60中的刷丝50沿顺时针方向倾斜或偏斜。在示例性实施例中，角度可以为例如45°±5°，并且可大致等于成角度的段端切口。然而应当理解，刷丝50可以沿或者顺时针或者逆时针周向倾斜。与叶片围带环48的额定冷建造径向过盈最大化了在操作条件下的密封效率，抵消了下列影响：3D变形(不圆的影响)、由于零件的热负荷而导致的热开口、以及可导致在刷丝束件与叶片围带环48之间的间隙口的制造公差累积偏差。

图7示出了本发明的其中围带段的数量大于刷式密封段的数量的另一个特征，并且特别地在相邻叶片围带环段70、72的接口处。由于相邻刷式密封段的接口对相邻围带环段的接口周向偏移，所以刷式密封段74的刷丝50将延伸入且大致填充围带环段之间的间隙。

本发明的另一个特征是，在内筒上半部段和下半部段的水平接口或分离线处在那些刷式密封段中(如例如在图5和图6中所示)，刷丝束件的径向高度可以减小。特别地，在图8中所示的一个示例性实施例中，刷丝束件76的径向高度可以从段78的分离线端延伸小于段周向长度的1/10地减小。减小的高度可以是如在80处所示的均匀减小的形式或锥形减小(沿远离分离线的方向从更短至更长)。该布置有利于组装和拆卸压缩机叶片组件，而不损坏刷式密封组件10的分离线段的刷丝。径向高度尺寸的具体差值可根据涡轮型号等而变化。

又一个特征是在运输和组装期间在刷丝束件26(或76)的端部上施加蜡。在如安装时那样将刷丝倾斜到一侧之后，将薄层的蜡施加到刷丝外端部，使刷丝保持在倾斜位置，从而防止刷丝在运输和处理期间以及在安装期间损坏。在示例性实施例中，如果刷丝具有例如0.1至0.2英寸的自由无支撑径向长度，该长度沿径向从外钩24的径向外表面至刷丝束件26的顶端测得，则在打蜡之后，刷丝束件的径向高度可以减小，以允许在刷丝束件26与叶片围带环48的内径之间在冷建造时的约0.02至0.1英寸的标称间隙。在压缩机/涡轮的操作期间，当操作温度达到约135-200℉(57-93℃)时，蜡将熔化掉。已经发现，巴西棕榈蜡满足在组装之前保持高度减小的刷丝的完整性的要求，并且在涡轮操作温度下彻底熔化掉。也可以使用满足指定要求的其它合适的蜡。

图8还示出了一个或多个“键”82，这些键82可以添加在形成于内筒中的凹口或凹部84中且定位成接合刷式密封组件10的一个或多个段的一个或多个端部，以防止段在环形槽口36内的旋转移动。为了容纳键82，可期望在前板12中提供切口86，以便键82不以其它方式妨碍刷式密封载体段的组装和定位，并且提供抵靠键的反作用面。键82可具有任何期望的周向的长度，并且有利地，将至少定位在载体段与水平分离线交界的地方。

在图9所示的备选示例性实施例中，刷式密封组件段88，使得前板90还设有外钩部92，以与支撑在内筒38的表面98上的后板96上的外钩部94互补。准确构型取决于特定的压缩机/涡轮型号以及用于容纳刷式密封载体段的结构特征的可用空间量。

图10示出又一示例性但非限制性的实施例，其中刷式密封载体段100位于内筒106的后部104处。刷式密封载体段100在其它方面大致类似于图1中所示的刷式密封段，不同的是在内钩110的径向内表面中形成周向凹槽108。

在图11中示出另一示例性但非限制性实施例，其中类似于图2，刷式密封段112位于内筒114的前部中，但在这里，内筒114形成有倒转的L形槽口116，使得内钩118在后板122上设有单一内钩部120。前板124包括与后板122的上钩部128互补的上钩部126。刷式密封载体段112在其它方面大致类似于图9中所示的刷式密封段，但带有类似于图10中所示的载体段中的凹槽108的内环形凹槽130。

现在参照图12和图13，沿上游或下游方向轴向倾斜或偏斜刷丝也在本发明的范围内。在图12中，刷式密封载体段132位于内筒134的前部中，并且刷丝束件136沿向前轴向倾斜。在图13中，刷式密封载体段138位于内筒140的后部，其中刷丝束件142沿向后轴向倾斜。

应当理解，如本文中所述的刷丝束件可分别沿顺时针、逆时针以及向前和向后方向周向倾斜以及轴向倾斜。

虽然已经结合目前被认为最可行且优选的实施例描述了本发明，但应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，其意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (15)

1.一种用于在两个固定的涡轮构件(38,48)之间使用的刷式密封组件(10)，包括：

多个弓形载体段，其各具有有大致相等的径向长度尺寸的前板(12)和后板(14)以及夹在所述前板(12)与后板(14)之间的刷丝束件(26)，所述前板(12)和所述后板限定适于被接纳在第一径向内涡轮构件(38)中的环形槽口(36)内的钩部(16)，所述刷丝束件(26)大致径向地向外延伸到所述前板和所述后板以外并且由所述后板(14)沿整个径向长度尺寸且由所述前板(12)沿所述径向长度尺寸的较小部分支撑，从而在所述刷丝束件(26)与所述前板(12)之间沿所述径向长度尺寸的大部分留下轴向间隙(34)；所述刷丝束件(26)沿所述长度尺寸的所述较小部分固定地固连到所述后板和所述前板；并且

其中，所述刷丝束件(26,50)沿周向顺时针或逆时针方向倾斜且适于密封地接触第二径向外涡轮构件(48)。

2.根据权利要求1所述的刷式密封组件，其特征在于，所述钩部(16)包括沿第一轴向延伸的至少一个径向内凸缘(18)、相对窄的径向延伸的颈部(22)和沿所述第一轴向延伸的至少一个径向外凸缘(24)。

3.根据权利要求2所述的刷式密封组件，其特征在于，所述至少一个径向内凸缘(20)包括沿第二相对的轴向延伸的第二径向内凸缘，使得所述段适于被接纳在所述第一径向内涡轮构件中的倒转的大致T形槽口(36)内。

4.根据权利要求2所述的刷式密封组件，其特征在于，所述至少一个径向外凸缘包括沿所述第二相对的方向延伸的第二径向外凸缘(92)。

5.根据权利要求3所述的刷式密封组件，其特征在于，所述至少一个径向外凸缘包括沿所述第二相对的方向延伸的第二径向外凸缘(92)。

6.根据权利要求1所述的刷式密封组件，其特征在于，所述径向内涡轮构件包括压缩机排气壳体内筒，并且所述径向外涡轮构件(48)包括定子叶片围带环，并且其中，所述刷丝束件(26)与所述定子叶片围带环过盈配合。

7.根据权利要求6所述的刷式密封组件，其特征在于，所述刷式密封组件(10)位于所述压缩机排气壳体内筒(38)的前端处。

8.根据权利要求6所述的刷式密封组件，其特征在于，所述刷式密封组件(100)位于所述压缩机排气壳体内筒的后端处。

9.根据权利要求6所述的刷式密封组件，其特征在于，所述刷丝束件(136,142)沿向前或向后方向轴向偏斜。

10.一种位于径向内涡轮构件(38)与径向外涡轮构件(48)之间的刷式密封组件(10)，所述径向内涡轮构件(38)和所述径向外涡轮构件(48)相对于彼此大致同心地布置，且各具有沿大致水平的分离线结合的上半部段和下半部段，包括：

至少三个弓形刷式密封段，所述至少三个弓形刷式密封段安放在所述径向内涡轮构件中的弓形槽口(36)内，并且在组合时形成终止于所述大致水平分离线处的半环形密封件；所述至少三个弓形刷式密封段中的每一个具有前板(12)和后板(14)以及夹在所述前板(12)与所述后板(14)之间的刷丝束件(26)，所述刷丝束件(26,50)大致径向向外延伸至所述前板(12)和所述后板(14)以外，且与所述径向外涡轮构件(48)在冷态下接合，并且沿周向顺时针或逆时针方向倾斜；并且

其中，与所述上半部段和所述下半部段的所述大致水平的分离线相邻的所述至少三个弓形刷式密封段中的两个具有刷丝束件(76)，其带有小于所述至少三个弓形刷式密封段中的剩余弓形刷式密封段的径向长度尺寸。

11.根据权利要求10所述的刷式密封组件，其特征在于，所述径向内涡轮构件(38)和所述径向外涡轮构件(48)各由多个弓形段构成，并且其中，所述径向外涡轮构件的段在数量上等于或大于所述刷式密封组件的段。

12.根据权利要求11所述的刷式密封组件，其特征在于，所述径向外涡轮构件(48)包括环形定子叶片围带环，并且所述径向内涡轮构件(38)包括压缩机排气壳体内筒，并且其中，所述刷式密封组件被布置成最小化沿与通过所述压缩机的主流的方向相对的方向的泄漏流。

13.根据权利要求11所述的刷式密封组件，其特征在于，所述径向外涡轮构件(48)包括环形定子叶片围带环，并且所述径向内涡轮构件(38)包括压缩机排气壳体内筒，并且其中，所述刷式密封组件被布置成最小化沿与通过所述压缩机的主流的方向相同的方向的泄漏流。

14.根据权利要求11所述的刷式密封组件，其特征在于，所述刷丝束件(136,142)沿向前或向后方向轴向倾斜。

15.根据权利要求10所述的刷式密封组件，其特征在于，与所述分离线相邻的所述至少三个弓形载体段中的两个装配有防旋转键(82)，所述防旋转键(82)防止所述至少三个弓形载体段在所述弓形槽口(36)内的旋转。

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