CN103195498A - 用于密封涡轮中的气体路径的系统和方法 - Google Patents

用于密封涡轮中的气体路径的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于密封涡轮中的气体路径的系统和方法。用于密封涡轮中的气体路径的系统包括定子环段、与定子环段相邻的护罩段和在定子环段与护罩段之间的第一承载表面。第一非金属垫片与在定子环段与护罩段之间的第一承载表面接触。用于密封涡轮中的气体路径的方法包括将非金属垫片放置在定子环段、护罩段和外壳中的任何两个之间。

Description

用于密封涡轮中的气体路径的系统和方法
技术领域
本公开大体涉及用于密封涡轮中的气体路径的系统和方法。
背景技术
涡轮广泛地使用在各种航空、工业和发电应用中以执行功。每个涡轮大体包括交替的成级的外周地安装的定子静叶和旋转叶片。定子静叶可附接于诸如环绕涡轮的外壳的固定构件，并且旋转叶片可附接于沿着涡轮的轴向中心线定位的转子。压缩工作流体（诸如蒸汽、燃烧气体或空气）沿着气体路径流动穿过涡轮。定子静叶使压缩工作流体加速，并且将压缩工作流体引导到随后级旋转叶片上以给予旋转叶片运动，因此使转子转动并且执行功。
围绕或绕过定子静叶或旋转叶片泄漏的压缩工作流体降低涡轮的效率，并且各种系统和方法开发成减少和/或防止压缩工作流体围绕定子静叶或旋转叶片泄漏。例如，一个或更多个定子段和/或护罩段可分别围绕定子静叶和/或旋转叶片周向地安装，以减少和/或防止压缩工作流体逃离气体路径。另外，冷却介质可在气体路径的外部供应成冷却定子段和/或护罩段，并且顺应性密封件可安装在定子段、护罩段和外壳的各种组合之间，以减少或防止冷却介质进入气体路径。然而，顺应性密封件将复杂性和成本添加于涡轮，并且因此不适合于所有位置。因此，在用于密封涡轮中的气体路径的系统和方法方面的继续改进将是有用的。
发明内容
本发明的方面和优点在下面在下列描述中被提出，或者可从描述是明显的，或者可通过本发明的实践学习。
本发明的一个实施例是一种用于密封涡轮中的气体路径的系统。系统包括定子环段、与定子环段相邻的护罩段和在定子环段与护罩段之间的第一承载表面。第一非金属垫片与在定子环段与护罩段之间的第一承载表面接触。
本发明的另一个实施例是一种用于密封涡轮中的气体路径的系统，其包括定子环段、与定子环段相邻的护罩段和外壳，其周向地环绕定子环段和护罩段的至少一部分。承载表面位于定子环段、护罩段和外壳中的任何两个之间。非金属垫片与承载表面接触。
本发明还可包括一种用于密封涡轮中的气体路径的方法。该方法包括将非金属垫片放置在定子环段、护罩段和外壳中的任何两个之间。
本领域技术人员在审阅说明书之后将更好地理解这种实施例和其他实施例的特征和方面。
附图说明
本发明的完整且能够实现的公开（包括对本领域技术人员而言的其最佳模式）在说明书的其余部分被更特别地提出，包括参考附图，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的涡轮的部分的简化侧视截面图；并且
图2是图1中示出的非金属垫片的放大图。
部件列表
10涡轮
12外壳
14定子静叶
16旋转叶片
18转子
20工作流体
30定子环段
32定子环钩状部
40护罩段
42护罩钩状部
44护罩空腔
50外壳中的空腔
60竖直承载表面
62水平承载表面
70非金属垫片
72胶粘剂。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的目前实施例，在附图中示出该实施例的一个或更多个实例。详细描述使用数字标记和字母标记以表示附图中的特征。附图和描述中的同样或相似的标记用于表示本发明的同样或相似的部件。如在本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可以可互换地用于将一个构件与另一个构件区别开，并且不意图表示单独构件的位置或重要性。另外，用语“上游”和“下游”表示流体通道中的构件的相对位置。例如，如果流体从构件A流到构件B，则构件A位于构件B上游。相反地，如果构件B从构件A接收流体流，则构件B位于构件A下游。
每个实例作为本发明的说明而不是本发明的限制被提供。实际上，对本领域技术人员而言将显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明中作出修改和变化。例如，作为一个实施例的部分被示出或描述的特征可使用在另一个实施例中以产生又一个实施例。因此，意图是，本发明涵盖在所附权利要求和它们的等同物的范围内的这种修改和变化。
本发明的各种实施例包括用于密封涡轮中的气体路径的系统和方法。燃气涡轮大体包括在现有技术中已知的、交替的成级的固定静叶和旋转叶片。系统和方法分别包括一个或更多个定子环段和一个或更多个护罩段，它们周向地环绕每级定子静叶和旋转叶片。外壳可周向地环绕定子环段和/或护罩段的至少一部分，并且非金属垫片定位在定子环段、护罩段和外壳中的任何两个之间的承载表面之间。在特别实施例中，非金属垫片可包括云母基材料。非金属垫片不比现有顺应性密封件复杂，并且云母提供用于减少相邻表面之间的泄漏的廉价材料，因此提高涡轮的循环效率。虽然本发明的示例性实施例将在燃气涡轮中的气体路径的背景下被大体描述，但是本领域技术人员将容易理解本发明的实施例可应用于任何涡轮。
图1提供了根据本发明的一个实施例的涡轮10的部分的简化截面图。如图1所示，涡轮10可包括被外壳12环绕的固定构件和旋转构件。固定构件可包括例如附接于外壳12的固定喷嘴或定子静叶14。旋转构件可包括例如附接于转子18的旋转叶片16。如图1所示，工作流体20（诸如蒸汽、燃烧气体或空气）沿着热气体路径从左到右流动穿过涡轮10。第一级定子静叶14使工作流体20加速，并且将工作流体20引导到第一级旋转叶片16上，从而使第一级旋转叶片16和转子18旋转。接着，工作流体20流经第二级定子静叶14，这使工作流体20加速，并且将工作流体20重新引导到下一级旋转叶片(未示出)，并且该过程重复用于每个随后级。
如图1所示，涡轮10可进一步包括一系列相邻的定子环段30和护罩段40，它们分别从每级定子静叶14和旋转叶片16径向向外，以减小绕过定子静叶14或旋转叶片16的工作流体20的量。定子环段30和护罩段40典型地由适合连续暴露于工作流体20所预期的温度和压力的合金钢和/或陶瓷复合材料机加工或者铸造。相邻的定子环段30形成周向地环绕每级定子静叶14的、在外壳12内的环，并且一个或更多个定子静叶14连接于每个定子环段30。相邻的护罩段40相似地形成周向地环绕每级旋转叶片16的、在外壳12内的环。
外壳12、定子环段30和护罩段40包括用于附接、连接或支撑各个构件的互补表面。例如，如图1所示，外壳12可包括空腔50、凹口或狭槽，并且护罩段40可包括互补形的钩状部42。以该方式，护罩段40上的钩状部42可滑动或者配合到外壳12中的空腔50中，以将每个护罩段40可释放地连接于外壳12。相似地，护罩段40可包括空腔44、凹口或狭槽，并且定子环段30可包括互补形的钩状部32。以该方式，定子环段30上的钩状部32可滑动或者配合到护罩段40中的空腔44中，以将每个定子环段30可释放地连接于相邻的护罩段40。本领域技术人员可容易理解，用于将定子环段30和护罩段40连接或者附接于外壳12的可选结构和配置在本发明的各种实施例的范围内。例如，在可选实施例中，定子环段30可构造成可释放地连接于外壳12，并且护罩段40可构造成可释放地连接于定子环段30。
在外壳12、定子环段30和/或护罩段40之间的相邻表面产生在这些构件之间的各个承载表面。例如，如图1所示，在定子环段30与护罩段40之间的大致竖直的承载表面60传递由工作流体20流经定子静叶14产生的气动力。相似地，在定子环段30与护罩段40之间的大致水平的承载表面62传递由涡轮10内的各个构件的热膨胀产生的力。具体地，流动穿过涡轮10的工作流体20的温度的变化使定子静叶14、旋转叶片16、定子环段30和护罩段40膨胀和收缩。大致水平的承载表面62传递由相邻构件之间的膨胀和收缩产生的力。
承载表面60,62大体以如下表面为特征：不非常适合于顺应性密封件的外壳12、定子环段30和护罩段40的相邻的合金钢或陶瓷复合材料表面。因此，非金属垫片70可安装在承载表面60,62中，以减少或者防止冷却介质泄漏到气体路径中。图2提供了在定子环段30与护罩段40之间的图1中示出的非金属垫片70的放大图。非金属垫片70可在装配期间插入在定子环段30与护罩段40之间，并且接着，承载表面60,62可将非金属垫片70保持在适当的位置。在特别实施例中，非金属垫片70可在安装在涡轮10中之前附接于各个表面中的一个或更多个。例如，如图2所示，在使定子环段30的钩状部32滑动到护罩段40中的空腔44中之前，可热溶解的胶粘剂72或其它合适的粘合剂可用于将非金属垫片70附接于定子环段30。
非金属垫片70可由适合连续暴露于工作流体20所预期的温度和压力的任何材料制造。例如，在特别实施例中，非金属垫片70可包括云母或硅酸盐或页硅酸盐矿物的云母簇。云母材料非常适合于典型地存在于燃气涡轮中的高温环境，并且容易地形成为薄的、平滑的抗裂片，其可提供在合金钢或陶瓷复合材料的相邻表面之间的流动阻力。非金属垫片70的厚度典型地小于0.1英寸，并且可根据特别位置变化。包括云母的合适非金属垫片70目前由位于德克萨斯州的Flexitallic以注册商标Thermiculite®出售。
关于图1和图2描述和示出的系统还可提供用于密封涡轮10中的气体路径的方法。该方法可包括将非金属垫片70放置在定子环段30、护罩段40和外壳12中的任何两个之间，以减少或者防止冷却介质泄漏到气体路径中。在特别实施例中，云母垫片70可放置或者安装在定子环段30、护罩段40和外壳12中的任何两个之间。可选地或者另外，该方法可包括将非金属垫片70附接于定子环段30、护罩段40或外壳12中的至少一个。
该书面的描述使用实例以公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统并且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他实例。如果这些其他实例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他实例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他实例意图在权利要求的范围内。

Claims (18)

1. 一种用于密封涡轮中的气体路径的系统，其包括：
a. 定子环段；
b. 护罩段，其与所述定子环段相邻；
c. 第一承载表面，其位于所述定子环段与所述护罩段之间；和
d. 第一非金属垫片，其与在所述定子环段与所述护罩段之间的所述第一承载表面接触。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一承载表面为大致水平的。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一承载表面包括所述定子环段的下游表面。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一非金属垫片包括云母。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一非金属垫片附接于所述定子环段或所述护罩段中的至少一个。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括外壳、第二承载表面和第二非金属垫片，所述外壳周向地环绕所述护罩段的至少一部分，所述第二承载表面位于所述护罩段与所述外壳之间，所述第二非金属垫片与在所述护罩段与所述外壳之间的所述第二承载表面接触。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第二非金属垫片附接于所述护罩段或所述外壳中的至少一个。
8. 一种用于密封涡轮中的气体路径的系统，其包括：
a. 定子环段；
b. 护罩段，其与所述定子环段相邻；
c. 外壳，其周向地环绕所述定子环段和所述护罩段的至少一部分；
d. 承载表面，其位于所述定子环段、所述护罩段和所述外壳中的任何两个之间；和
e. 非金属垫片，其与所述承载表面接触。
9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述承载表面为大致水平的。
10. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述承载表面包括所述定子环段的下游表面。
11. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述承载表面包括所述外壳的表面。
12. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述非金属垫片包括云母。
13. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述非金属垫片附接于所述定子环段、所述护罩段或所述外壳中的至少一个。
14. 一种用于密封涡轮中的气体路径的方法，其包括：
a. 将非金属垫片放置在定子环段、护罩段和外壳中的任何两个之间。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述放置步骤包括将云母垫片放置在所述定子环段、所述护罩段和所述外壳中的任何两个之间。
16. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述非金属垫片放置在所述定子环段、所述护罩段和所述外壳中的任何两个之间的水平间隙中。
17. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述非金属垫片放置在所述定子环段、所述护罩段和所述外壳中的任何两个之间的承载表面上。
18. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括将所述非金属垫片附接于所述定子环段、所述护罩段或所述外壳中的至少一个。
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