CN103104343B - 用于涡轮系统中的过渡导管的片式密封件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于涡轮系统中的过渡导管的片式密封件，公开了一种涡轮系统。在一个实施例中，涡轮系统包括过渡导管。过渡导管包括入口、出口、以及在入口和出口之间延伸且限定纵向轴线、径向轴线和切向轴线的通道。过渡导管的出口沿纵向轴线和切向轴线从入口偏移。过渡导管还包括用于与涡轮段对接的接口部件。涡轮系统还包括片式密封件，该片式密封件接触接口部件以在接口部件和涡轮段之间提供密封。
Description
本发明是按照美国能源部授予的DE-FC26-05NT42643号合同在政府支持下做出的。政府在本发明中享有某些权利。
技术领域
本文所公开的主题大体上涉及涡轮系统，并且更特定而言涉及涡轮系统的过渡导管和涡轮段之间的密封件。
背景技术
涡轮系统在诸如发电的领域中被广泛利用。例如，常规的燃气涡轮系统包括压缩机段、燃烧器段和至少一个涡轮段。压缩机段被构造成当空气流过压缩机段时压缩空气。空气接着从压缩机段流至燃烧器段，在这里空气与燃料混合并燃烧，生成热气流。热气流被提供至涡轮段，涡轮段通过从该热气流抽取能量而利用热气流来向压缩机、发电机和其它各种负载提供动力。
涡轮系统的燃烧器段通常包括用于使燃烧的热气穿过其流至一个或多个涡轮段的管或导管。最近，已经提出包括使热气流偏移的管或导管的燃烧器段。例如，已经提出用于燃烧器段的导管，该导管在热气纵向流过其的同时另外地使该流径向或切向地偏移，使得气流具有各种角度分量。这些设计具有各种优点，包括从涡轮段取消第一级喷嘴。第一级喷嘴此前设置成使热气流偏移，并且由于这些导管的设计而可能不需要。第一级喷嘴的取消可消除相关联的压降并增加涡轮系统的效率和功率输出。
然而，这些导管至涡轮段的连接更令人担忧。例如，由于导管并非简单地沿纵向轴线延伸，而是较大程度地从导管的入口偏轴地偏移到导管的出口，导管的热膨胀可在导管中引起沿着或围绕各种轴线的不期望偏移。这样的偏移可导致导管和涡轮段之间的意外间隙，因而不期望地允许冷却空气和热气的泄漏和混合。
因此，燃烧器导管和涡轮系统的涡轮段之间的改进的密封在本领域中将是所期望的。例如，允许导管的热增长同时防止导管和涡轮段之间的间隙的密封将是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地阐述在下面的描述中，或者可从该描述显而易见，或者可通过实施本发明来了解。
在一个实施例中，公开了一种涡轮系统。该涡轮系统包括过渡导管。过渡导管包括入口、出口、以及在入口和出口之间延伸且限定纵向轴线、径向轴线和切向轴线的通道。过渡导管的出口沿纵向轴线和切向轴线从入口偏移。过渡导管还包括用于与涡轮段对接的接口部件。涡轮系统还包括片式密封件，该片式密封件接触接口部件以在接口部件和涡轮段之间提供密封。
在另一个实施例中，公开了一种涡轮系统。该涡轮系统包括过渡导管。过渡导管包括入口、出口、以及在入口和出口之间延伸且限定纵向轴线、径向轴线和切向轴线的通道。过渡导管的出口沿纵向轴线和切向轴线从入口偏移。过渡导管还包括第一接口部件。涡轮系统另外包括涡轮段，其包括第二接口部件。涡轮系统还包括片式密封件，该片式密封件接触第一接口部件和第二接口部件并在它们之间提供密封。
参考下面的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它的特征、方面和优点将变得更好理解。被包括到该说明书中并组成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与该描述一起用于说明本发明的原理。
附图说明
本发明的完整且能够实现的公开，包括其对于本领域普通技术人员而言的最佳模式，阐述在参考附图的说明书中，在附图中：
图1是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮系统的示意图；
图2是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮系统的若干部分的剖视图；
图3是根据本公开的一个实施例的过渡导管的环形阵列的透视图；
图4是根据本公开的一个实施例的多个过渡导管的顶部透视图；
图5是根据本公开的一个实施例的过渡导管的后部透视图；
图6是根据本公开的一个实施例的过渡导管的侧部透视图；
图7是根据本公开的一个实施例的燃气涡轮系统的涡轮段的剖视图；以及
图8是根据本公开的一个实施例的在过渡导管和涡轮段之间的接口的剖视图；
图9是根据本公开的另一个实施例的在过渡导管和涡轮段之间的接口的剖视图；以及
图10是根据本公开的另一个实施例的在过渡导管和涡轮段之间的接口的剖视图。
附图标记：
10涡轮系统
12压缩机段
14燃烧器段
15燃烧器
16涡轮段
18轴
21壳体
22燃烧器衬套
24燃烧区
26过渡件
30流动套管
32流动路径
34冲击套管
36流动路径
38外部环空
40燃料喷嘴
50过渡导管
52入口
54出口
56通道
90纵向轴线
92切向轴线
94径向轴线
98纵向轴线
102护罩
104热气路径
106护罩块
112动叶
114喷嘴
122第一级动叶组件
123第二级喷嘴组件
124第二级动叶组件
125第三级喷嘴组件
126第三级动叶组件
140片式密封件(leafseal)
142第一接口表面
144第二接口表面
146突起
150片式元件
152销
154柱
156轴向轴线
158前凸缘
160弹簧元件
162臂
164臂
166螺旋弹簧。
具体实施方式
现在将详细地对本发明的实施例做出参考，在附图中显示了这些实施例的一个或多个示例。每个示例以本发明的说明而非本发明的限制的方式提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中做出许多修改与变型。例如，作为一个实施例的部分而显示或描述的特征可与另一实施例一起使用，以产生更进一步的实施例。因此，本发明意图涵盖落入所附权利要求及其等同的范围内的这种修改与变型。
图1是燃气涡轮系统10的示意图。应当理解，本公开的涡轮系统10未必是燃气涡轮系统10，而可以是任何合适的涡轮系统10，例如蒸汽涡轮系统或其它合适的系统。燃气涡轮系统10可包括压缩机段12、燃烧器段14和涡轮段16，燃烧器段14可包括如下文讨论的多个燃烧器15。压缩机段12和涡轮段16可由轴18联接。轴18可以是单根轴或联接到一起形成轴18的多个轴段。轴18可进一步联接到发电机或其它合适的储能装置，或者可以直接连接到例如电网。来自系统10的排气可排入大气中、流至蒸汽涡轮机或其它合适的系统、或者循环通过热回收蒸汽发生器。
参照图2，示出了燃气涡轮系统10的若干部分的简化图。如图2所示的燃气涡轮系统10包括压缩机段12，用于压缩下文所讨论的流过系统10的工作流体。从压缩机段12排出的加压的工作流体流入燃烧器段14中，燃烧器段14可包括围绕系统10的轴线设置在环形阵列中的多个燃烧器15(图2中仅示出其中一个)。进入燃烧器段14的工作流体与诸如天然气或另一种合适液体或气体的燃料混合并燃烧。热燃烧气体从每个燃烧器15流至涡轮段16以驱动系统10并产生动力。
燃气涡轮机10中的燃烧器15可包括用于混合及燃烧工作流体和燃料的多种构件。例如，燃烧器15可包括壳体21，例如，压缩机排气壳体21。多种套管(其可为轴向延伸的环形套管)可至少部分地设置在壳体21中。如图2所示，套管沿大致纵向的轴线98轴向延伸，使得套管的入口与出口轴向对准。例如，燃烧器衬套22可在其中大体上限定燃烧区24。工作流体、燃料和可选氧化剂的燃烧可大体上在燃烧区24中发生。所得热燃烧气体可大致轴向地沿纵向轴线98向下游流动，经过燃烧衬套22进入过渡件26中，然后大致轴向地沿纵向轴线98流过过渡件26并进入涡轮段16中。
燃烧器15还可包括燃料喷嘴40或多个燃料喷嘴40。燃料可由一个或多个歧管(未示出)供应至燃料喷嘴40。如下文讨论的，燃料喷嘴40或多个燃料喷嘴40可将燃料和可选地工作流体供应至燃烧区24用于燃烧。
如图3至图6所示，根据本公开的燃烧器15可包括过渡导管50。本公开的过渡导管50可代替其它燃烧器的各种轴向延伸的套管而设置。例如，过渡导管50可代替轴向延伸的过渡件26和可选地涡轮段16中的燃烧器15的燃烧器衬套22。因此，过渡导管可从燃料喷嘴40或从燃烧器衬套22延伸。如下文讨论的，过渡导管50可提供超过轴向延伸的燃烧器衬套22和过渡件26的各种优点，用于工作流体流过其并流至涡轮段16。
如图所示，多个过渡导管50可围绕纵向轴线90设置在环形阵列中。此外，每个过渡导管50可在燃料喷嘴40或多个燃料喷嘴40和涡轮段16之间延伸。例如，每个过渡导管50可从燃料喷嘴40延伸至涡轮段16。因此，工作流体可大体上从燃料喷嘴40经过渡导管50流至涡轮段16。在一些实施例中，过渡导管50可有利地允许取消涡轮段中的第一级喷嘴，这可以消除任何相关联的阻力和压降并增加系统10的效率和输出。
每个过渡导管50可具有入口52、出口54以及它们之间的通道56。过渡导管50的入口52和出口54可具有大体上圆形或卵形的截面、矩形截面、三角形截面或任何其它合适的多边形截面。此外，应当理解，过渡导管50的入口52和出口54未必具有类似形状的截面。例如，在一个实施例中，入口52可具有大体上圆形的截面，而出口54可具有大体上矩形的截面。
此外，通道56可在入口52和出口54之间大体上渐缩。例如，在一示例性实施例中，通道56的至少一部分可以是大体上圆锥形的。然而，另外或备选地，通道56或其任何部分可具有大体上矩形的截面、三角形截面或任何其它合适的多边形截面。应当理解，当通道56从相对较大的入口52向相对较小的出口54渐缩时，通道56的截面形状可在整个通道56或其任何部分上变化。
多个过渡导管50中的每一个的出口54可从相应过渡导管50的入口52偏移。如本文所用，术语“偏移”表示沿所确定的坐标方向间隔开。多个过渡导管50中的每一个的出口54可从相应过渡导管50的入口52纵向地偏移，例如，沿纵向轴线90偏移。
另外，在示例性实施例中，多个过渡导管50中的每一个的出口54可从相应过渡导管50的入口52切向地偏移，例如，沿切向轴线92偏移。由于多个过渡导管50中的每一个的出口54从相应过渡导管50的入口52切向地偏移，因而过渡导管50可有利地利用通过过渡导管50的工作流体的流的切向分量来消除对涡轮段16中第一级喷嘴的需要，如下文讨论的。
此外，在示例性实施例中，多个过渡导管50中的每一个的出口54可从相应过渡导管50的入口52径向偏移，例如，沿径向轴线94偏移。由于多个过渡导管50中的每一个的出口54从相应过渡导管50的入口52径向地偏移，因而过渡导管50可有利地利用通过过渡导管50的工作流体的流的径向分量来进一步消除对涡轮段16中第一级喷嘴的需要，如下文讨论的。
应当理解，对于每个过渡导管50而言，切向轴线92和径向轴线94相对于由过渡导管50的环形阵列限定的周边被单独限定，如图3所示，并且，基于围绕纵向轴线90设置在环形阵列中的过渡导管50的数量，轴线92和94对于围绕周边的每个过渡导管50而言不同。
如所讨论的那样，在热燃烧气流过过渡导管50之后，它们可从过渡导管50流入涡轮段16中。如图7至图10所示，根据本公开的涡轮段16可包括护罩102，其可限定热气路径104。护罩102可由多个护罩块106形成。护罩块106可设置在一个或多个环形阵列中，环形阵列中的每一个可在其中限定热气路径104的一部分。
涡轮段16还可包括多个动叶112和多个喷嘴114。多个动叶112和喷嘴114中的每一个可至少部分地设置在热气路径104中。此外，多个动叶112和多个喷嘴114可设置在一个或多个环形阵列中，环形阵列中的每一个可限定热气路径104的一部分。
涡轮段16可包括多个涡轮级。每个级可包括设置在环形阵列中的多个动叶112和设置在环形阵列中的多个喷嘴114。例如，在一个实施例中，涡轮段16可具有三个级，如图7所示。例如，涡轮段16的第一级可包括第一级喷嘴组件(未示出)和第一级动叶组件122。喷嘴组件可包括围绕轴18周向设置且固定的多个喷嘴114。动叶组件122可包括围绕轴18周向设置且联接到轴18的多个动叶112。然而，在涡轮段联接到包括多个过渡导管50的燃烧器段14的示例性实施例中，可取消第一级喷嘴组件，使得没有喷嘴设置在第一级动叶组件122的上游。上游可相对于通过热气路径104的热燃烧气体的流动而限定。
涡轮段16的第二级可包括第二级喷嘴组件123和第二级动叶组件124。包括在喷嘴组件123中的喷嘴114可围绕轴18周向设置且固定。包括在动叶组件124中的动叶112可围绕轴18周向设置且联接到轴18。第二级喷嘴组件123因此沿热气路径104定位在第一级动叶组件122和第二级动叶组件124之间。涡轮段16的第三级可包括第三级喷嘴组件125和第三级动叶组件126。包括在喷嘴组件125中的喷嘴114可围绕轴18周向设置且固定。包括在动叶组件126中的动叶112可围绕轴18周向设置且联接到轴18。第三级喷嘴组件125因此沿热气路径104定位在第二级动叶组件124和第三级动叶组件126之间。
应当理解，涡轮段16不限于三个级，而是，任何级数均在本公开的范围和精神内。
如上文所讨论的那样，多个过渡导管50中的每一个的出口54可从相应过渡导管50的入口52纵向、径向和/或切向地偏移。由于系统10运行期间的热膨胀，过渡导管50的这些各种偏移可引起过渡导管50的意外移动。例如，过渡导管50的出口54可与涡轮段16对接以允许热气在两者间流动。然而，热增长可引起出口54围绕或沿着纵向轴线90、切向轴线92和/或径向轴线94中的一个或多个相对于涡轮段16移动。
为了防止出口54和涡轮段16之间的间隙，本公开可进一步涉及一个或多个片式密封件140。每个片式密封件140可设置在出口54和涡轮段16之间的接口处。本发明人已发现，片式密封件在密封出口54和涡轮段16之间的接口时尤其有利，因为片式密封件140可适应出口54沿着或围绕各个轴线90、92、94的意外移动。
如图4至图6和图8至图10所示，根据本公开的过渡导管50包括一个或多个第一接口部件142。接口部件142定位在过渡导管50的出口54附近，并且可与涡轮段16对接。接口部件142可围绕过渡导管50的整个周边或其任何部分延伸。例如，图4至图6和图8至图10示出了上接口部件142和下接口部件142。
每个接口部件142可与涡轮段16上的任何合适表面对接。这样的表面可以是第二接口部件144或其一部分，如图8至图10所示。在示例性实施例中，第二接口部件144可设置在护罩102的上游外表面上或者可以是该表面，其可包括多个护罩块106的上游外表面。这些护罩块106可至少部分地限定涡轮段16的第一级。
在一些实施例中，接口部件，诸如如图所示的第二接口部件144或第一接口部件142，可包括突起146。突起146可定位和/或接触片式密封件140以提供与该接口部件的密封。
如图所示，根据本公开的片式密封件140可接触第一接口部件142和相关联的第二接口部件144。这样的接触可允许第一部件142和第二部件144对接，并且可提供在第一接口部件142和第二接口部件144之间且因此在过渡导管50和涡轮段16之间的密封。
片式密封件140包括一个或多个片式元件150，如图所示。片式元件150可以是如图所示的平板、弯曲板、或者用于在接口部件142、144之间提供密封的任何其它合适元件。在一些实施例中，相邻片式密封件140的片式元件150可重叠，以向彼此提供偏置力以密封接口部件142、144。在其它实施例中，相邻片式密封件140的片式元件150可彼此邻接或间隔开。一个片式元件150可沿着整个接口部件周向延伸以提供密封，或者多个片式元件150可如图所示沿接口部件周向设置以提供密封。
此外，相邻片式密封件140的片式元件150可布置成一行或多行。例如，图6示出各自具有单个片式元件150的多个相邻的片式密封件140。这些片式元件150形成如图所示沿接口部件周向延伸以提供密封的单行片式元件150。图4、图5和图8至图10示出了多个相邻片式密封件140，其各自具有多个片式元件150，在本例中为两个片式元件150。这些片式元件150形成如图所示沿接口部件周向延伸以提供密封的多行片式元件150。形成行的片式密封件140的片式元件150可以接触，以便于密封。此外，在如图4和图5所示的一些实施例中，一行片式元件150与另一行相邻片式元件150之间的交叉部重叠，以堵塞相邻片式元件150之间的任何间隙并进一步便于密封。
根据本公开的片式元件150可具有任何合适尺寸。此外，片式密封件140中片式元件150的相对尺寸可变化，且/或相邻片式元件150的相对尺寸可变化。特别地，相对厚度和/或宽度可变化。例如，图8示出了其中一行的片式元件150比另一行的片式元件更薄的一个实施例。因此，一行片式元件150可根据需要或要求比其它一行或多行更厚或更薄。
在一些实施例中，片式密封件140还可包括一个或多个销152。销152可将片式密封件140安装到接口部件，例如安装到如图所示的第一接口部件142或到第二接口部件144。例如，销152可延伸通过接口部件的一部分或粘附到接口部件的表面，并可进一步延伸通过或粘附到片式元件150，以安装片式密封件140。例如，如图所示，接口部件可包括柱154，销152延伸通过柱154。销152可固定到柱154，并且片式元件150可固定到销152，以将片式密封件140安装到接口部件。
此外，在一些实施例中，片式元件150可沿销152移动。例如，销152可限定轴向轴线156，并且片式元件150可在沿着轴向轴线156的轴向上沿销152滑动或以其它方式移动。
在一些实施例中，如图所示，接口部件，诸如如图所示的第一接口部件142或第二接口部件144，还可包括凸缘158。这样的凸缘158可限制片式元件150相对于销152的轴向移动。例如，销152可以像如上文讨论通过柱154那样延伸通过凸缘158。片式元件150可定位在限定于柱154和凸缘158之间的沟槽中。当片式元件150沿轴向轴线156朝凸缘158移动时，可由于与凸缘158接触而防止移动经过凸缘158。由于与柱154或接口部件的其它部分的接触，可类似地限制在相反的轴向上的移动。
如图9和图10所示，在一些实施例中，片式密封件140还包括弹簧元件160。弹簧元件160可施加偏置力到片式元件150。例如，弹簧元件160可如图所示使片式元件朝第二接口部件144偏置，或者可使片式元件朝第一接口部件142偏置。这样的偏置可改进和/或维持接口元件142、144之间的密封。在一些实施例中，如图9所示，弹簧元件160可包括远离彼此偏置的臂162、164。在其它实施例中，如图10所示，弹簧元件160可以是螺旋弹簧166。在另一些实施例中，弹簧元件160可以是具有压缩、拉伸或用于提供偏置力的其它特性的任何合适构件。
本公开的片式密封件140可有利地允许过渡导管50(如过渡导管50的出口54)围绕或沿着各个轴线90、92、94中的一个或多个移动，同时维持与涡轮段16的密封。这可以有利地适应过渡导管50的热增长，同时允许过渡导管50保持充分地密封至涡轮段16，其中热增长可如上文所讨论的那样偏移。例如，在示例性实施例中，片式密封件140可允许过渡导管50(例如过渡导管50的出口54)围绕或沿着纵向轴线90、切向轴线92和径向轴线94中的一个、两个或三个的移动。在示例性实施例中，片式密封件140允许围绕或沿着所有三个轴线的移动。因此，片式密封件140有利地提供了适应本公开的过渡导管50的意外移动的密封。
该书面描述用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。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。如果这种其它示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。
Claims (16)
1.一种涡轮系统，包括：
过渡导管，所述过渡导管包括入口、出口以及在所述入口和所述出口之间延伸且限定纵向轴线、径向轴线和切向轴线的通道，所述过渡导管的所述出口沿所述纵向轴线、所述径向轴线和所述切向轴线从所述入口偏移，所述过渡导管还包括用于与涡轮段对接的接口部件；以及
片式密封件，所述片式密封件接触所述接口部件，以在所述接口部件和所述涡轮段之间提供密封，所述片式密封件包括片式元件和销，所述销将所述片式密封件安装到所述接口部件，在所述过渡导管沿着所述纵向轴线、所述径向轴线和所述切向轴线移动期间，所述片式密封件能够将所述过渡导管密封至所述涡轮段。
2.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述片式元件在大体轴向上能够沿所述销移动。
3.根据权利要求2所述的涡轮系统，其特征在于，所述接口部件包括凸缘，所述凸缘被构造成限制所述片式元件的轴向移动。
4.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述片式密封件还包括施加偏置力到所述片式元件的弹簧元件。
5.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，还包括多个片式密封件。
6.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，还包括多个接口部件。
7.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，还包括多个过渡导管，所述多个过渡导管中的每一个围绕所述纵向轴线环状地设置且连接到所述涡轮段。
8.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述接口部件为第一接口部件，所述涡轮系统还包括所述涡轮段，所述涡轮段包括用于与所述第一接口部件对接的第二接口部件，所述片式密封件接触所述第二接口部件以在所述第一和第二接口部件之间提供密封。
9.根据权利要求8所述的涡轮系统，其特征在于，所述涡轮段包括第一级动叶组件，并且其中，没有喷嘴设置在所述第一级动叶组件的上游。
10.一种涡轮系统，包括：
过渡导管，所述过渡导管包括入口、出口以及在所述入口和所述出口之间延伸且限定纵向轴线、径向轴线和切向轴线的通道，所述过渡导管的所述出口沿所述纵向轴线和所述切向轴线从所述入口偏移，所述过渡导管还包括第一接口部件；
涡轮段，所述涡轮段包括第二接口部件；以及
片式密封件，所述片式密封件接触所述第一接口部件和所述第二接口部件并在它们之间提供密封，所述片式密封件包括片式元件和销，所述销将所述片式密封件安装到所述第一接口部件，在所述过渡导管沿着所述纵向轴线、所述径向轴线和所述切向轴线移动期间，所述片式密封件能够将所述过渡导管密封至所述涡轮段。
11.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，所述片式元件在大体轴向上能够沿所述销移动。
12.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述第一接口部件包括凸缘，所述凸缘被构造成限制所述片式元件的轴向移动。
13.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，所述片式密封件还包括施加偏置力到所述片式元件的弹簧元件。
14.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，还包括多个片式密封件。
15.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，还包括多个第一接口部件和多个第二接口部件。
16.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，还包括多个过渡导管，所述多个过渡导管中的每一个围绕所述纵向轴线环状地设置且连接到所述涡轮段。
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