CN103362567A - 涡轮组件和用于组装涡轮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮组件和用于组装涡轮的方法。根据本发明的一个方面，涡轮组件包括第一固定构件、第二固定构件、第一主要特征部以及密封组件，该第二固定构件位于第一固定构件的径向外侧，该第一主要特征部位于第一固定构件，配置成匹配位于第二固定构件的第二主要特征部，该密封组件位于第一主要特征部和第二主要特征部之间以减少第一主要特征部和第二主要特征部之间的流体流。密封组件包括V形部件和邻接于V形部件的第二部件，第二部件和V形部件具有不同的热膨胀率。密封组件还包括闭锁特征部，该闭锁特征部联接至V形部件，配置成当密封组件受到高温时使密封组件从压缩状态膨胀成膨胀密封状态。

Description

涡轮组件和用于组装涡轮的方法
技术领域
本文所公开的主题涉及固定机械和旋转机械。更具体而言，该主题涉及针对密封组件的装置，该密封组件用于诸如涡轮系统、发动机系统或泵系统的机械系统的固定构件。 
背景技术
例如，在诸如蒸汽涡轮系统的涡轮系统中，流体流被引导至系统的选定部分以能够产生机械能。密封件可以定位于选定的涡轮构件之间以减少流体流或泄漏进入涡轮的流体不能转化成机械能的区域，由此增加涡轮效率。在一些情况下，在涡轮运行期间，固定涡轮构件能够经历热膨胀并可能相对于彼此而移动。构件的相对移动能够对于密封件引起应力和磨损。例如，放置于构件之间的径向密封件(例如，在零件之间径向地延伸以阻塞轴向流体流的密封件)可能受到起因于热膨胀的环向应力。 
发明内容
根据本发明的一个方面，涡轮组件包括第一固定构件、第二固定构件、第一主要特征部以及密封组件，该第二固定构件位于第一固定构件的径向外侧，该第一主要特征部位于第一固定构件，配置成匹配位于第二固定构件的第二主要特征部，该密封组件位于第一主要特征部和第二主要特征部之间以减少第一主要特征部和第二主要特征部之间的流体流。密封组件包括V形部件和邻接于V形部件的第二部件，第二部件和V形部件具有不同的热膨胀率。密封组件还包括闭锁特征部，该闭锁特征部联接至V形部件，配置成当密封组件受到高温时使密封组件从压缩状态膨胀成膨胀密封状态，其中，膨胀密封状态使密封组件接触位于第一主要特征部和第二主要特征部的大致平行的径向表面。 
根据本发明的另一方面，组装涡轮的方法包括：将第一部件联接至第二部件以形成密封组件，第一部件和第二部件具有不同的热膨胀率；将密封组件定位于外部固定构件中的轴向凹部中；以及将内部固定构件定位于外部固定构件的径向内侧，其中，位于内部固定构件的第一主要特征部被位于外部固定构件的第二主要特征部容纳，轴向凹部位于第二主要特征部，密封组件位于第一主要特征部和第二主要特征部之间以减少第一主要特征部和第二主要特征部之间的沿大致径向方向的流体流。 
根据以下的结合附图的描述，将更加清楚这些和其他的优点和特征。 
附图说明
在所附的权利要求中，尤其指出并清楚地主张了被视作本发明的主题。根据以下的结合附图的详细的描述，将清楚本发明的上述和其他的特征以及优点，在附图中： 
图1是根据一实施例的涡轮组件的一部分的侧视图；
图2是包括处于压缩状态的密封组件的、图1所示的涡轮组件的一部分的详细剖视图；
图3是包括处于膨胀密封状态的密封组件的、图2所示的涡轮组件的一部分的示意性侧剖视图；
图4和5分别是根据一实施例的密封组件的端视图和侧剖视图；
图6是包括根据另一实施例的密封组件的涡轮组件的一部分的详细剖视图；
图7是包括根据另一实施例的密封组件和中间部件的涡轮组件的一部分的详细剖视图；以及
图8是用于组装包括根据一实施例的密封组件的涡轮的工艺的图表。
参照附图并以示例的方式，详细的描述将本发明的实施例与优点和特征一起解释。 
具体实施方式
图1是根据一实施例的涡轮组件100的一部分的侧视图。涡轮组件100包括相对于涡轮轴线106而位于壳104内的填密头(packing head)102。填密头102包括主要特征部(key feature)108，在涡轮的组装期间，该主要特征部108匹配至壳104的主要特征部110或被其容纳。类似地，在涡轮组装期间，主要特征部112也被主要特征部114容纳。如下述更详细地讨论地，位于主要特征部的轴向凹部116和118配置成容纳轴向密封件以减少或防止主要特征部之间的径向流体流。轴向密封件减少了由涡轮组件的选定的区域之间的压力差引起的流体流。具体而言，放置于轴向凹部116中的轴向密封件减少了从高压区域120至相对更低的压力区域122的流体流，由此，改善了涡轮效率。密封组件可以被放置于任何合适的固定构件之间以减少流体流，诸如但不限于涡轮系统的填密头、内壳以及外壳。 
如在此所使用地，“下游”和“上游”是表示相对于穿过涡轮的工作流体流的方向的术语。如此，术语“下游”是指大致与工作流体流的方向相对应的方向，并且，术语“上游”通常是指与工作流体流的方向相反的方向。术语“径向”是指垂直于轴线或中心线的移动或位置。描述相对于轴线而处于不同径向位置的零件可能是有用的。在该情况下，如果第一构件比第二构件更接近轴线，那么可以在此规定第一构件为第二构件的“径向内侧”。另一方面，如果第一构件比第二构件更远离轴线，那么能够在此规定第一构件为第二构件的“径向外侧”或“外侧”。术语“轴向”是指平行于轴线的移动或位置。最后，术语“周向”是指围绕轴线的移动或位置。虽然以下的讨论主要聚焦于蒸汽涡轮，但所讨论的理念不限于蒸汽涡轮并可以应用于任何合适的机械，包括燃气涡轮、蒸汽涡轮、泵、汽油发动机或涡轮发动机。因此，在此的讨论致力于蒸汽涡轮的实施例，但可以应用于其他的固定机械或旋转机械。 
图2是包括位于轴向凹部116中的密封组件200的、图1所示的涡轮组件100的一部分的详细侧剖视图。图2显示了处于压缩状态的密封组件200。图3是处于膨胀密封状态的密封组件200的侧剖视图。示范性密封组件200包括邻接并联接至内部部件204的外部部件202。在一实施例中，内部部件204具有比外部部件202更高的热膨胀率(例如，热膨胀系数)，因此，当组件暴露至高温时产生膨胀力。如图所示，外部部件202具有V形横截面，且盖锁特征部(lid and latch feature)206从外部部件202延伸。在实施例中，内部部件204和外部部件202可以为任何合适的形状(其中，部件如图所示地嵌套)，例如V、U、W或Ω的形状，其中，内部部件204和外部部件202的热膨胀使密封组件200在受到诸如涡轮运行温度的选定的高温时膨胀。例如，选定的温度可以为约150-3000华氏度(F)的范围的高温。在一示例中，选定的温度处于或低于室温(例如，72华氏度)。在另一示例中，选定的高温为约150~500华氏度。在又一示例中，选定的温度为约250-1000华氏度。在另一示例中，选定的温度为约250-750华氏度。在另一示例中，选定的温度为约500-1500华氏度。内部部件204经由诸如紧固件、焊接或硬钎焊的联接208而联接至外部部件202。 
在一实施例中，在将密封组件200定位于主要特征部110的轴向凹部116之前，密封组件200沿大致轴向方向(相对于轴线106)被压缩并闭锁成压缩状态。主要特征部108随后在组装期间定位于主要特征部110内，其中，密封组件200的压缩状态防止密封组件200在主要特征部108的插入期间进行干扰。在实施例中，涡轮系统的固定构件，例如填密头102和壳104，均包括两个或更多的部分以简化生产和组装。例如，填密头102和壳104均可以包括绕着轴线106而设置的两个半分部分(half parts)，其中，在图1中显示了一个“半分部分”的上部。在示例中，密封组件200为设置于环状轴向凹部116中的环状密封件或环形密封件。在一实施例中，密封组件200包括构成整个环形的设置于轴向凹部116中的一个或更多的部分。例如，在涡轮组件100的组装期间，两个半分环形部分(例如，半环部分)可以均安装于固定构件的相应的半分部分。如在图4所示的实施例中更详细地显示，密封组件200可以包括在密封组件200的周围周向地隔开的多个闭锁特征部(latch feature)206。此外，密封组件200可以包括多个内部部件204，该多个内部部件204在密封组件100的周围周向地隔开并接近闭锁特征部206以提供热膨胀特征，从而当受到涡轮运行温度时打开闭锁特征部206。内部部件204定位成接近闭锁特征部206以当暴露至高温时提供膨胀力，从而使闭锁特征部206打开且使组件膨胀。在实施例中，单个连续的内部部件204定位于外部部件202内。 
重新参照图3，所示的实施例显示了处于膨胀密封状态的密封组件200。密封组件200的膨胀密封状态使组件沿大致轴向方向膨胀并接触主要特征部108的壁或径向表面300和主要特征部110的径向表面302，由此减少或防止沿大致径向方向的流体流304。径向表面300和302为划定轴向凹部116的大致平行且轴向地隔开的壁。在一实施例中，密封组件200膨胀成膨胀密封状态，其中，闭锁特征部206通过外部部件202和内部部件204的热膨胀而打开，其中，当周围温度降低至涡轮运行温度之下时，密封组件200保持在膨胀密封状态(即，接触径向表面300、302)。此外，密封组件200的实施例为轴向密封件，当填密头102和壳104经历热膨胀并相对于彼此移动时，该轴向密封件经历减少的环向应力和磨损。 
图4和5分别是密封组件400的一实施例的端视图和侧剖视图。密封组件400包括第一部件402，该第一部件402位于第二部件412内并联接至第二部件412。在一实施例中，第一部件402具有比第二部件404更高的热膨胀率。如图4所示，多个闭锁特征部404、406、408以及410周向地设置于环形密封组件400的周围。在一实施例中，第二部件412可以包括形成环形的一个或更多的连续的部件，其中，该部件具有多个突起414，该多个突起414延伸至多个闭锁特征部404、406、408以及410上并联接至多个闭锁特征部404、406、408以及410。在另一实施例中，该组件在密封组件的周边的周围包括带有单个的连续的第二部件的单个连续的闭锁特征部。 
图6是定位于轴向凹部116内的密封组件600的另一实施例的侧剖视图。密封组件600包括外部部件602和内部部件604，其中，各个部件具有大致V形的横截面。此外，密封组件600具有盖锁特征部606，该盖锁特征部606配置成当密封组件600暴露至涡轮运行温度时将密封组件600释放成所述膨胀密封状态。在一实施例中，外部部件602和内部部件604对于密封组件600的整个环形而言是大致统一且连续的。此外，内部部件604具有比外部部件602更高的热膨胀率，由此引起所期望的膨胀特征。 
图7是位于轴向凹部702中的密封组件200和中间部件700的一实施例的侧剖视图。轴向凹部702是形成在第一固定构件的主要特征部704中的空腔，该主要特征部704邻接第二固定构件的主要特征部706。中间部件700针对处于膨胀密封状态的密封组件200提供中间接触表面。密封组件200接触中间部件700而不是表面708，其中，表面708可以在热膨胀期间相对于密封组件200移动，而中间部件700不移动，因此，针对密封组件200减少了摩擦和磨损。因此，中间部件700在热膨胀期间与表面708保持接触，同时也在密封组件200处于膨胀密封状态时防止径向流。图1-7所示的密封组件可以由诸如带有不同的热膨胀率的不锈钢的耐用合金制成。 
图8是用于组装包括密封组件的涡轮的工艺的示范性图表。在框800中，第一部件联接至第二部件以形成密封组件，其中，第一部件和第二部件具有不同的热膨胀率。在框802中，密封组件被压缩且密封组件的闭锁特征部被闭锁以在密封组件定位于轴向凹部中时将密封组件保持在压缩状态。在框804中，密封组件定位于外部固定构件中的轴向凹部中。在框806中，内部固定构件定位于外部固定构件的径向内侧，其中，位于内部固定构件的第一主要特征部被位于外部固定构件的第二主要特征部容纳。在一实施例中，轴向凹部位于第二主要特征部，其中，密封组件定位于第一主要特征部和第二主要特征部之间，以减少第一主要特征部和第二主要特征部之间的沿大致径向方向的流体流。在框808中，运行涡轮系统，其中，当密封组件受到涡轮运行温度时密封组件膨胀成膨胀密封状态。膨胀密封状态使密封组件接触位于第一主要特征部和第二主要特征部的大致平行的径向表面，从而在涡轮运行期间阻塞径向流体流。 
 尽管仅结合有限数量的实施例而详细地描述了本发明，但应当容易地理解本发明不限于这样的已公开的实施例。相反地，能够修改本发明以并入尚未描述但与本发明的主旨和范围相符合的任意数量的变化、变更、替换或等同的布置。此外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但应当理解本发明的方面可以仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本发明不被视为被上述描述限制，而是仅被所附的权利要求的范围限制。 
符号说明 
100：涡轮组件
102：填密头(固定构件)
104：壳(固定构件)
106：轴线
108：主要特征部
110：主要特征部
112：主要特征部
114：主要特征部
116：轴向凹部
118：轴向凹部
120：高压区域
122：低压区域
200：密封组件
202：外部部件(V形)
204：内部部件
206：闭锁特征部
208：联接
300：表面(径向)
302：表面(径向)
304：径向流(被防止)
400：密封组件
402：部件(V形，更高热膨胀)
404：闭锁特征部
406：闭锁特征部
408：闭锁特征部
410：闭锁特征部
500：外部部件
600：密封组件
602：外部部件(V形)
604：内部部件
606：闭锁特征部
700：中间部件
702：凹部
704：主要特征部
706：主要特征部。

Claims (20)

1. 一种涡轮组件，包括：
第一固定构件；
第二固定构件，位于所述第一固定构件的径向外侧；
第一主要特征部，位于所述第一固定构件，配置成匹配位于所述第二固定构件的第二主要特征部；以及
密封组件，位于所述第一主要特征部和所述第二主要特征部之间以减少所述第一主要特征部和所述第二主要特征部之间的流体流，所述密封组件包括：
V形部件；
第二部件，邻接于所述V形部件，所述第二部件和所述V形部件具有不同的热膨胀率；以及
闭锁特征部，联接至所述V形部件，配置成当所述密封组件受到高温时使所述密封组件从压缩状态膨胀成膨胀密封状态，其中，所述膨胀密封状态使所述密封组件接触位于所述第一主要特征部和所述第二主要特征部的大致平行的径向表面。
2. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述第二主要特征部包括由所述大致平行的径向表面划定的轴向凹部，所述轴向凹部配置成容纳所述密封组件，其中，所述密封组件包括环形。
3. 根据权利要求2所述的涡轮组件，其中，所述轴向凹部配置成当所述密封组件处于所述压缩状态时容纳所述密封组件，以在组装期间使得所述第二主要特征部能够容纳所述第一主要特征部。
4. 根据权利要求2所述的涡轮组件，其中，所述密封组件的所述膨胀密封状态减少了所述第一主要特征部和所述第二主要特征部之间的沿径向方向的流体流。
5. 根据权利要求2所述的涡轮组件，其中，在所述涡轮组件的温度从所述高温降低之后，所述密封组件保持在所述膨胀密封状态。
6. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述闭锁特征部定位成接近所述第二部件。
7. 根据权利要求6所述的涡轮组件，其中，所述密封组件包括环形，并且，多个闭锁特征部沿着所述密封组件的周边而定位。
8. 根据权利要求6所述的涡轮组件，其中，所述第二部件定位于所述V形部件内，并具有比所述V形部件更高的热膨胀率。
9. 根据权利要求1所述的涡轮组件，其中，所述第一固定构件包括填密头且所述第二固定构件包括壳。
10. 根据权利要求1所述的涡轮组件，包括位于所述第一主要特征部和所述密封组件之间的中间部件，所述中间部件配置成在所述第一固定构件和所述第二固定构件之间的相对移动期间防止所述密封组件摩擦所述第一主要特征部的径向表面。
11. 一种用于组装涡轮的方法，所述方法包括：
将第一部件联接至第二部件以形成密封组件，所述第一部件和所述第二部件具有不同的热膨胀率；
将所述密封组件定位于外部固定构件中的轴向凹部中；以及
将内部固定构件定位于所述外部固定构件的径向内侧，其中，位于所述内部固定构件的第一主要特征部被位于所述外部固定构件的第二主要特征部容纳，所述轴向凹部位于所述第二主要特征部，所述密封组件位于所述第一主要特征部和所述第二主要特征部之间以减少所述第一主要特征部和所述第二主要特征部之间的沿大致径向方向的流体流。
12. 根据权利要求11所述的方法，包括压缩所述密封组件并将所述密封组件的闭锁特征部闭锁，以在所述密封组件定位于所述轴向凹部中时将所述密封组件保持在压缩状态，其中，当所述密封组件受到高温时，所述密封组件从所述压缩状态膨胀成膨胀密封状态，其中，所述膨胀密封状态使所述密封组件接触位于所述第一主要特征部和所述第二主要特征部的大致平行的径向表面。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，将所述第一部件联接至所述第二部件，包括将V形部件联接至所述第二部件，其中，所述第二部件定位于所述V形部件内并具有比所述V形部件更高的热膨胀率。
14. 一种涡轮组件，包括：
第一固定构件；
第二固定构件，位于所述第一固定构件的径向外侧；
第一主要特征部，位于所述第一固定构件，配置成匹配位于所述第二固定构件的第二主要特征部；以及
密封组件，位于所述第一主要特征部和所述第二主要特征部之间以减少所述第一主要特征部和所述第二主要特征部之间的流体流，所述密封组件包括：
第一部件；
所述第一部件内的第二部件，所述第二部件具有比所述第一部件更高的热膨胀率；以及
闭锁特征部，联接至所述第一部件，配置成当所述密封组件受到高温时使所述密封组件从压缩状态膨胀成膨胀密封状态，其中，所述膨胀密封状态使所述密封组件接触位于所述第一主要特征部和所述第二主要特征部的大致平行的径向表面并减少沿径向方向的流。
15. 根据权利要求14所述的涡轮组件，其中，所述第二主要特征部包括由所述大致平行的径向表面划定的轴向凹部，所述轴向凹部配置成容纳所述密封组件，其中，所述密封组件包括环形。
16. 根据权利要求15所述的涡轮组件，其中，所述轴向凹部配置成当所述密封组件处于所述压缩状态时容纳所述密封组件，以在组装期间使得所述第二主要特征部能够容纳所述第一主要特征部。
17. 根据权利要求15所述的涡轮组件，其中，所述密封组件的所述膨胀密封状态减少了所述第一主要特征部和所述第二主要特征部之间的沿所述径向方向的流体流。
18. 根据权利要求15所述的涡轮组件，其中，在所述涡轮组件的温度从所述高温降低之后，所述密封组件保持在所述膨胀密封状态。
19. 根据权利要求14所述的涡轮组件，其中，所述闭锁特征部定位成接近所述第二部件。
20. 根据权利要求14所述的涡轮组件，其中，所述第一部件包括V形部件。
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