CN102979627A - 阶梯状、锥形蜂窝密封件载体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阶梯状、锥形蜂窝密封件载体，其用于在旋转部件与非旋转部件之间使用的密封件。该密封件载体包括弓形金属片密封件载体体部，弓形金属片密封件载体体部形成为包括阶梯状、锥形构造，其中前端处的内径大于后端处的直径，多个阶梯状部段由位于前端与后端之间交替的径向部分和轴向部分限定。每个轴向部分都适于承载密封元件，优选地承载蜂窝密封件。安装凸缘设置在弓形金属片密封件载体体部的前端处和后端处，以使得能够附连至非旋转部分。

Description

阶梯状、锥形蜂窝密封件载体

技术领域

本发明大体涉及用于燃气涡轮发动机中的密封件，并且更具体地，涉及用于减少转子轮空间腔之间的次级流的级间密封构造。

背景技术

众所周知，当热气流冲击安装在转子轮或转子盘上的涡轮轮叶时，涡轮机从热气流提取能量，转子轮或转子盘固定在相关的旋转装置(例如发电机)的轴或转子上。轮叶呈由能够承受极限温度的材料制成的翼型件的形式。轮叶的安装部分和柄部通常由相同材料制成，但是安装部分(或者燕尾榫)之间的转子盘柱由能力较弱的材料制成。为此原因，保护盘柱不受热气流的高温的直接影响是重要的。因此，涡轮的轮叶和相邻的叶片元件设置有平台，所述平台轴向结合，以限定圆周边界，因此使径向内安装部分或柄部与热气流隔离。

保护整个转子腔不受高温影响同样是重要的。然而，在膨胀热气的边界靠近转子腔(例如由一级叶轮的盘柱、二级固定喷嘴组件的平台和由二级叶轮的盘柱界定的前腔和后腔)的温度敏感区域处的涡轮的高压部分的级间区域中，这种情况甚至变得更加明显。

根据目前的实践，迷宫式密封件(labyrinth-type seals)通常用于前腔与后腔之间。这种密封件是本领域内众所周知的，并且包括与圆周密封表面邻接的多个圆周齿，所述圆周密封表面由耐高温耐磨材料以例如蜂窝形式制成，从而提供与迷宫齿相接触的密封表面，并且由于蜂窝材料的可变形性，密封表面可变形而不会损坏齿，由此建立在操作条件下所需的最小间隙。例如见美国专利No.5,215,435。由于流过轮空间而绕过(bypassing)固定翼型件的流，因此这种密封件还防止性能损失。

传统的隔板和蜂窝载体设计具有基本恒定的内部直径，由于密封件外侧的流动路径的形状呈锥形，因此所述基本恒定的内部直径需要更多的径向空间以用于封装。此外，由于相对较厚的载体和较大的径向高度使转子上的密封齿与固定喷嘴之间具有较大的径向间隙，因此这种设计还涉及更多的段间泄漏。

备选地，一些设计使用直径均匀的圆柱形、金属片载体，其中蜂窝材料中加工有阶梯部。

此处的问题是这种加工很难不对蜂窝材料造成损坏，并且因此必须使用更昂贵和耗时的方法。

因此，仍然存在对构造更简单的级间密封件的需要，该级间密封件相对于现有设计还提供改进的间隙和密封。

发明内容

因此，在一个示例性而非限制性实施例中，本发明提供一种用于在旋转部件与非旋转部件之间使用的密封件的密封件载体，该密封件载体包括弓形(arcuate)金属片密封件载体体部，该弓形金属片密封件载体体部形成为包括阶梯状、锥形构造，其中一端处的内径大于相对端处的直径，多个阶梯状部段由一端与相对端之间交替的径向部分和轴向部分限定，每个轴向部分都适于承载密封元件；并且其中安装凸缘设置在弓形金属片密封件载体体部的一端处和相对端处。

所述弓形金属片载体体部的外表面设置有围绕所述弓形金属片载体体部沿圆周间隔开的轴向延伸肋，所述轴向延伸肋在所述安装凸缘之间从所述前端向所述后端均匀地逐渐变细。所述轴向延伸肋由沿所述轴向部分中的每一个轴向部分延伸的、分立的肋部分形成。所述金属片载体体部形成有一个或多个加强特征。所述轴向部分形成有不同的轴向长度。所述径向部分形成有不同的径向高度。所述弓形载体体部包括2个到大约70个之间的弓形段，所述弓形段共同构成360度的环形载体体部。

在另一个示例性而非限制性实施例中，本发明提供一种用于在燃气涡轮机的旋转部件与非旋转部件之间使用的环形密封件，该环形密封件包括环形金属片密封件载体体部，该环形金属片密封件载体体部形成为包括阶梯状、锥形构造，其中前端处的直径大于后端处的直径，多个阶梯状部段由在所述前端与所述后端之间交替的径向部分和轴向部分限定，每个轴向部分都承载分立的(discrete)密封元件，并且其中环形金属片密封件载体体部的外表面设置有轴向延伸肋，所述轴向延伸肋围绕环形金属片密封件载体体部沿圆周间隔开。

所述分立的密封元件包括蜂窝密封件。所述轴向延伸肋在所述安装凸缘之间从所述前端向所述后端基本均匀地逐渐变细。所述轴向延伸肋由沿所述轴向部分中的每一个轴向部分延伸的、分立的肋部分形成。所述轴向部分形成有不同的轴向长度。所述径向部分形成有不同的径向高度。所述环形载体体部包括2个到大约70个之间的弓形段，所述弓形段共同构成360度的环形载体体部。

在又一个示例性而非限制性实施例中，本发明提供一种用于在燃气涡轮机的旋转部件与非旋转部件之间使用的环形密封件，该环形密封件包括环形金属片密封件载体体部，该环形金属片密封件载体体部包括多个弓形段，每个段都形成为包括阶梯状、锥形构造，其中前端处的直径大于后端处的直径，多个阶梯状部段由在前端与后端之间交替的径向部分和轴向部分限定，每个轴向部分都承载分立的蜂窝密封元件；并且其中所述环形金属片密封件载体体部的外表面设置有轴向延伸肋，所述轴向延伸肋围绕所述环形金属片密封件载体体部沿圆周间隔开。

所述轴向延伸肋从所述前端向所述后端基本均匀地逐渐变细。所述轴向延伸肋由沿所述轴向部分中的每一个轴向部分延伸的分立的肋部分形成。安装凸缘分别设置在所述前端和所述后端处，从而适于将所述环形密封件附连至所述非旋转部件。所述非旋转部件包括对所述环形密封件载体体部进行支承的燃气涡轮机喷嘴，并且所述旋转部件包括燃气涡轮机转子，所述燃气涡轮机转子设置有适于与所述蜂窝密封元件相配合的迷宫式密封齿。

现在将结合下文指出的附图对本发明进行详细描述。

附图说明

图1是传统的密封件载体的透视图；

图2是图1所示的密封件载体的一段的部分端视图，其中蜂窝密封元件位于载体的内侧表面上；

图3是根据本发明的第一示例性、而非限制性实施例的密封件载体的透视图；

图4是如图3所示、但是增加了加强肋的密封件载体的简化横截面；以及

图5是与图4类似的横截面，但是其中示出了备选的加强肋构造。

附图标记列表：

·密封件载体          10               ·径向肩部         28，66，96

·密封件载体体部      12               ·轴向部分         30，94

·弓形段              14，50           ·密封元件         32

·内表面              18               ·安装凸缘         38，40，74，76

·外表面              20               ·表面部分         42

·前端                22，58           ·环形凹槽         44

·后端                24，60           ·前边缘           46

·阶梯状部段          26               ·载体体部         48

·内侧表面和外侧表面  52，54           ·凹槽             78，80

·阶梯状部段          6230             ·内罩             82

·轴向延伸部分        64               ·固定喷嘴         84

·蜂窝密封元件        68               ·内侧表面         88

·加强肋角撑件        70，86           ·外侧表面         90

·载体体部    92    ·旋转部件    100

·密封齿      98

具体实施方式

首先参照图1，已知的环形密封件载体10包括密封件载体体部12，密封件载体体部12设置成四个基本相同的弓形段14的形式。当例如组装在如涡轮喷嘴内罩(图1中未示出)的固定部件中时，各个段14以抵靠关系配合，并且形成环形密封件载体体部12。通常，载体体部是铸件或加工锻件。

图2更详细地示出了相对较厚的载体体部12的弓形段14的端部剖面，分别包括径向内表面18和径向外表面20。内表面18铸造或加工成包括阶梯状、锥形构造，该阶梯状、锥形构造在前端22处具有的内径D1小于在相对的后端24处的内径D2，并且多个阶梯状部段26位于前端与后端之间。阶梯状部段26均由位于前端与后端之间交替的径向肩部28和轴向部分30限定。每个轴向部分30都承载分立的(discrete)密封元件32，在本说明书所述的示例性实施例中，分立的密封元件32可以是另外的传统蜂窝密封元件，所述传统蜂窝密封元件可以与相应的轴向部分30的基本全部长度、以及相应的径向肩部28的基本全部径向长度相配合。

前端22和后端24设置有轴向延伸的安装凸缘38、40，轴向延伸的安装凸缘38、40使得所述段能够可滑动地插入到固定部件中相对的凹槽(未示出)内。

安装凸缘38、40之间的密封件载体体部的外表面20形成有直径基本均匀的表面部分42，其环形凹槽44定位成邻近前端22处的安装凸缘38。前边缘46在凸缘38与沿最前蜂窝密封元件32的径向长度的中间位置之间径向延伸。应当理解，由于并不跟随密封件外部流动路径的轮廓，因此该设计需要更多的径向空间以用于封装。

图3示出了根据本发明的第一示例性而非限制性实施例的成形的金属片密封件载体体部48。环形密封件载体体部48包括若干弓形段50，弓形段50例如单独安装在固定喷嘴上，如下文进一步描述的。密封件载体体部48包括相对较薄的金属片，所述相对较薄的金属片易于弯曲或受压，以形成最佳如图4可见的阶梯状、锥形横截面形状。因此，每个段50都成形为使得密封件载体体部48(并且因此每个段50)的内侧表面52和外侧表面54都具有相同的阶梯状、锥形构造，所述阶梯状、锥形构造在前端58与后端60之间延伸。因此，密封件载体体部以阶梯方式从前端58向后端60基本均匀地逐渐变细。在该实施例中，相邻的阶梯状部段62具有轴向延伸部分64和径向肩部66，其中阶梯状部段的轴向长度尺寸和径向长度尺寸都可以在载体体部的前端与后端之间发生变化。但是内侧表面52上的蜂窝密封元件68示为具有基本相同的轴向长度尺寸和径向长度尺寸，尽管不一定需要如此。此外，肩部66的径向高度和轴向部分64的轴向长度也可以发生变化。

密封件载体体部48的段50的加强是由多个加强特征提供的，例如沿轴向延伸部分64中的每一个轴向延伸部分64的外侧表面54延伸的轴向对准的角撑件或肋70，所述轴向对准的角撑件或肋70由相应的径向肩部66配合。应当理解，可以在每个密封件载体段的沿圆周间隔开的位置处找到轴向定向的加强肋70的两种或多种相似的布置。所述肋从前端向后端基本均匀地逐渐变细，与密封件载体体部的阶梯状逐渐变细相一致。

安装凸缘74、76形成在载体体部的前端和后端处，所述凸缘向后弯曲大约180°、并且被接收在固定喷嘴84的内罩82中的凹槽78、80中。该布置允许每个段50都安装在相关联的喷嘴段的凹槽78、80中，之后喷嘴段逐一安装在涡轮壳体(未示出)上，直到形成图3的完整的环形密封件载体体部。在密封件载体比喷嘴段少的那些情况下，将首先安装喷嘴段，并且接着将逐一安装密封件载体。

图5示出了另一个示例性而非限制性的实施例，该实施例与图4所示的类似，但是在该实施例中单个的加强肋86基本沿密封件载体体部92的整个长度延伸。因此，肋的内侧表面88与载体体部92的外侧表面90(包括轴向部分94和径向肩部96)相一致。此处同样地，载体体部92的每个段都设置有一个或多个肋86，使得肋围绕密封件载体体部沿圆周间隔开。

如上文所述的加强肋使得金属片能够用于载体。应当理解，沿圆周定向的肋还能够用于提供对圆周刚度的测定。此外，结合加强肋或者作为加强肋的备选，能够使其它的加强特征在金属片中凸显出来(embossed)。

应当理解，载体体部的密封件配合表面的相对尺寸(包括径向高度和轴向长度)可以发生变化，以用于不同应用情况。例如，尺寸将很大程度取决于在相对旋转部件100上的相对密封齿98的位置。类似地，载体体部并不限于与蜂窝密封件一起使用，而是还可以支承其它已知的密封元件。每个环形密封件载体体部中的弓形段的数量可以从两个变化到像大约七十个那么多，并且优选地在十六个与二十四个之间。

本说明书所述的金属片密封件载体具有封装和密封益处，并且此外，相比通常用于这种载体的加工铸件/锻件本发明密封件载体成本较低。

尽管已经结合当前被认为是最可实践并且优选的实施例对本发明进行了描述，但是应当理解，本发明并不限于所公开的实施例，而是相反，期望覆盖包括在所附权力要求的精神和范围内的各种改型和等同布置。

Claims (20)

1.一种用于在旋转部件与非旋转部件之间使用的密封件的密封件载体，所述密封件载体包括：

弓形金属片密封件载体体部，所述弓形金属片密封件载体体部形成为包括阶梯状、锥形构造，其中一端处的直径大于相对端处的直径，多个阶梯状部段由在所述一端与所述相对端之间交替的径向部分和轴向部分限定，每个轴向部分都适于承载密封元件；并且其中安装凸缘设置在所述弓形金属片密封件载体体部的所述一端处和所述相对端处。

2.根据权利要求1所述的密封件载体，其特征在于，所述弓形金属片载体体部的外表面设置有围绕所述弓形金属片载体体部沿圆周间隔开的轴向延伸肋，所述轴向延伸肋在所述安装凸缘之间从所述前端向所述后端均匀地逐渐变细。

3.根据权利要求1所述的密封件载体，其特征在于，所述弓形金属片载体体部的外表面设置有围绕所述弓形金属片载体体部沿圆周间隔开的轴向延伸肋，所述轴向延伸肋由沿所述轴向部分中的每一个轴向部分延伸的、分立的肋部分形成。

4.根据权利要求1所述的密封件载体，其特征在于，所述金属片载体体部形成有一个或多个加强特征。

5.根据权利要求1所述的密封件载体，其特征在于，所述轴向部分形成有不同的轴向长度。

6.根据权利要求1所述的密封件载体，其特征在于，所述径向部分形成有不同的径向高度。

7.根据权利要求5所述的密封件载体，其特征在于，所述径向部分形成有不同的径向高度。

8.根据权利要求1所述的密封件载体，其特征在于，所述弓形载体体部包括2个到大约70个之间的弓形段，所述弓形段共同构成360度的环形载体体部。

9.一种用于在燃气涡轮机的旋转部件与非旋转部件之间使用的环形密封件，所述环形密封件包括：

环形金属片密封件载体体部，所述环形金属片密封件载体体部形成为包括阶梯状、锥形构造，其中前端处的直径大于后端处的直径，多个阶梯状部段由在所述前端与所述后端之间交替的径向部分和轴向部分限定，每个轴向部分都承载分立的密封元件；并且其中所述环形金属片密封件载体体部的外表面设置有围绕所述环形金属片密封件载体体部沿圆周间隔开的轴向延伸肋。

10.根据权利要求9所述的环形密封件，其特征在于，所述分立的密封元件包括蜂窝密封件。

11.根据权利要求9所述的环形密封件，其特征在于，所述轴向延伸肋在所述安装凸缘之间从所述前端向所述后端基本均匀地逐渐变细。

12.根据权利要求9所述的环形密封件，其特征在于，所述轴向延伸肋由沿所述轴向部分中的每一个轴向部分延伸的、分立的肋部分形成。

13.根据权利要求9所述的环形密封件，其特征在于，所述轴向部分形成有不同的轴向长度。

14.根据权利要求9所述的环形密封件，其特征在于，所述径向部分形成有不同的径向高度。

15.根据权利要求9所述的环形密封件，其特征在于，所述环形载体体部包括2个到大约70个之间的弓形段，所述弓形段共同构成360度的环形载体体部。

16.一种用于在燃气涡轮机的旋转部件与非旋转部件之间使用的环形密封件，所述环形密封件包括：

环形金属片密封件载体体部，所述环形金属片密封件载体体部包括多个弓形段，每个段都形成为包括阶梯状、锥形构造，其中前端处的直径大于后端处的直径，多个阶梯状部段由在所述前端与所述后端之间交替的径向部分和轴向部分限定，每个轴向部分都承载分立的蜂窝密封元件；并且其中所述环形金属片密封件载体体部的外表面设置有围绕所述环形金属片密封件载体体部沿圆周间隔开的轴向延伸肋。

17.根据权利要求16所述的环形密封件，其特征在于，所述轴向延伸肋从所述前端向所述后端基本均匀地逐渐变细。

18.根据权利要求16所述的环形密封件，其特征在于，所述轴向延伸肋由沿所述轴向部分中的每一个轴向部分延伸的分立的肋部分形成。

19.根据权利要求16所述的环形密封件，其特征在于，安装凸缘分别设置在所述前端和所述后端处，从而适于将所述环形密封件附连至所述非旋转部件。

20.根据权利要求16所述的环形密封件，其特征在于，所述非旋转部件包括对所述环形密封件载体体部进行支承的燃气涡轮机喷嘴，并且所述旋转部件包括燃气涡轮机转子，所述燃气涡轮机转子设置有适于与所述蜂窝密封元件相配合的迷宫式密封齿。

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