CN103375193A - 用于避免涡轮摩擦的定子密封件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于避免涡轮摩擦的定子密封件。用于涡轮组件的定子密封件包括：密封基部，其能够固定于涡轮定子并且包括环形内表面；以及配置在环形内表面上的可磨损涂层。可磨损涂层和环形内表面具有预先限定的截面轮廓，其包括便于轴向膨胀的瞬态操作区段和便于较紧间隙的稳态操作区段。

Description

用于避免涡轮摩擦的定子密封件
技术领域
本发明涉及旋转机器中的密封间隙，并且更特别地，涉及用于涡轮组件的静止密封件，其在瞬态操作期间提供较大的间隙，并且在稳态操作期间提供较紧的间隙。
背景技术
旋转机器包括但不受限于燃气涡轮和蒸汽涡轮。涡轮的移动部分被称为转子，而固定的非移动部分(即，壳体、外壳等)被称为定子。通常，转子以非常高的速度在定子组件内旋转，向发电机供能，该发电机进而产生电或功率。
蒸汽涡轮具有蒸汽路径，其典型地包括成串流关系的蒸汽入口、涡轮和蒸汽出口。燃气涡轮具有气体路径，其典型地包括成串流关系的进气口(或入口)、压缩机、燃烧器、涡轮和气体出口(或排放喷嘴)。从较高压力的区域到较低压力的区域离开气体路径或蒸汽路径或进入气体路径或蒸汽路径的气体泄漏或蒸汽泄漏大体为不合乎需要的。例如，涡轮或压缩机的转子与周向地环绕的涡轮外壳或压缩机外壳之间的、燃气涡轮的涡轮区域或压缩机区域中的气体路径泄漏将降低燃气涡轮的效率，从而导致燃料成本增加。
紧径向间隙对实现高效率而言为重要的。在非设计状态下的涡轮操作通常意味着转子和定子过盈，从而引起涡轮"摩擦"。可增大间隙以避免摩擦，但是损失涡轮性能。
已经开发可磨损涂层来在定子密封件上使用。这些涂层的存在允许转子与定子过盈，而不具有对转子密封齿的永久损坏。作为替代，转子磨掉定子密封件上的涂层的部分。其它涡轮使用诸如蜂巢状金属的可磨损材料，以实现相同的结果。
典型地，当涡轮在一定的操作时段之后停机时，转动装置用于使转子保持缓慢转动以防止不均匀的冷却。在个别情形下，转子密封齿将在涡轮停机期间或之后穿透定子密封涂层(可磨损涂层)。这可归因于涡轮操作的性质、涡轮转子和/或定子的热变形或其它变形或涡轮构件中的尺寸变化或这些因素的任何组合。如果穿透足够深并且影响多个密封齿，则转子与定子之间的摩擦可战胜转动装置的能力，并且转子可变成"锁定的"。
当金属温度接近环境空气温度时，涡轮将返回到其如设计的冷形状，并且转子自身将从定子释放。遗憾地，该过程可花费若干天。由于损失收入，故若干天的停机对涡轮操作者而言为不可接收的。
将合乎需要的是，修改定子密封件，使得可避免延长的停机。
发明内容
在示例性实施例中，一种用于涡轮组件的定子密封件包括：密封基部，其能够固定于涡轮定子并且包括环形内表面；以及配置在环形内表面上的可磨损涂层。可磨损涂层和环形内表面具有预先限定的截面轮廓，其包括便于轴向膨胀的瞬态操作区段和便于较紧间隙的稳态操作区段。
在一个方面，具有第一密度的可磨损涂层包括滚花表面。
在另一个方面，具有第一密度的可磨损涂层包括增强的涂层多孔性。
在另一个示例性实施例中，一种用于涡轮组件的定子密封件包括：密封基部，其能够固定于涡轮定子并且包括环形内表面；以及配置在环形内表面上的可磨损涂层。可磨损涂层和环形内表面具有预先限定的轮廓，其包括以下中的一个：
可磨损涂层具有从瞬态操作期间的密封齿的突出轴向位置朝向稳态操作期间的密封齿的突出轴向位置的锥形轮廓，
密封基部具有定位成在稳态操作期间与密封齿的突出轴向位置相邻的密封平台，并且可磨损涂层配置在密封平台上，以及
可磨损涂层具有比在瞬态操作期间与密封齿的突出轴向位置相邻的密度更高的、在稳态操作期间与密封齿的突出轴向位置相邻的密度。
在一个方面，预先限定的轮廓包括在密封平台的任一侧上的沿轴向方向的区域，其中，密封基部具有密封平台。
在一个方面，预先限定的轮廓包括在瞬态操作期间与密封齿的突出轴向位置相邻的涂层中的凹槽，其中，可磨损涂层具有在稳态操作期间与密封齿的突出轴向位置相邻的较高密度。
在一个方面，凹槽周向地或轴向地定向。
在另一个方面，预先限定的轮廓包括具有滚花表面的带有第一密度的可磨损涂层，其中，可磨损涂层具有在稳态操作期间与密封齿的突出轴向位置相邻的较高密度。
在又一个方面，预先限定的轮廓包括在瞬态操作期间与密封齿的突出轴向位置相邻的涂层中的增强的多孔性，其中，可磨损涂层具有在稳态操作期间与密封齿的突出轴向位置相邻的较高密度。
在又一个示例性实施例中，一种制造用于涡轮组件的定子密封件的方法，其包括如下步骤：提供密封基部，其能够固定于涡轮定子并且包括环形内表面；以及将可磨损涂层配置在环形内表面上，使得可磨损涂层和环形内表面具有预先限定的轮廓，其包括便于轴向膨胀的瞬态操作区段和稳态操作区段。
附图说明
图1和图2分别示出了具有呈多边形形状和为锥形的可磨损涂层截面轮廓的用于涡轮组件的定子密封件；
图3示出了利用窄密封平台的可选实施例；
图4和图5示出了应用于旋转密封齿的切割元件；以及
图6至9示出了可选静止密封件构成。
部件列表
12密封基部
14可磨损涂层
16瞬态操作区段
18稳态操作区段
20密封平台
22旋转密封齿
24切削末端/切削齿
141可磨损涂层/第一密度
142可磨损涂层/第二密度
26凹槽
28滚花表面。
具体实施方式
本发明的实施例通过提供用于涡轮组件的定子密封件而解决以上描述的需求。定子或静止密封件大体包括密封基部12，其能够固定于涡轮定子并且包括环形内表面。密封基部可为护罩、涡轮外壳和涡轮喷嘴的环形组件中的一个或更多个。可磨损涂层14配置在密封基部12的环形内表面上。可磨损涂层14的部分以预先限定轮廓移除，该预先限定轮廓包括便于轴向膨胀的瞬态操作区段16和便于较紧间隙的稳态操作区段18。
参考图1和图2，预先限定轮廓可包括从具有第一厚度的瞬态操作区段16到具有第二厚度的稳态操作区段18的、移除的可磨损涂层的锥形轮廓(图2)。在示例性实施例中，第一厚度为大约20密耳(0.020英寸)，而第二厚度为大约100密耳(0.100英寸)。可选地，预先限定轮廓可包括呈多边形的形状移除的可磨损涂层(图1)。在该背景下，可磨损涂层轮廓被改变以使与密封件的轴向稳态位置(即，密封件更加可能摩擦的位置)的间隙更大。虽然图1和图2示出了两个可能的涂层轮廓，但是其它形状为可能的。增大的间隙示出在静止密封件的右手侧，但是其还可应用在左手侧。间隙设计计算将基于讨论中的涡轮的特定几何形状来确定涂层轮廓的细节。
可进行密封件的涂履后的加工以形成锥形间隙轮廓。轮廓还可通过修改涂履过程而形成，或者通过改变喷枪的速度或涂履喷雾(流动)速率而形成。
图3示出了可选解决方案。在图3中，密封基部包括至少一个密封平台20，其定位成在稳态操作期间与对应数量的旋转密封齿22的突出轴向位置相邻。密封平台20为如示出的径向向内的密封基部的一部分。在该背景下，稳态操作区段18包括配置在至少一个密封平台20上的可磨损涂层14。瞬态操作区段16包括在(多个)密封平台20的任一侧上的沿轴向方向的区域。优选地，密封基部12包括如示出的三个密封平台20，其定位成在稳态操作期间与对应的三个旋转密封齿22的突出轴向位置相邻。远离平台20的定子密封件生产成使得径向间隙在瞬态操作期间为大的。
另一个解决方案包括结合刷式密封件使用的可磨损的密封件。在该情况下，刀刃密封件为防护密封件，并且主要密封由刷式密封件进行。除去可磨损的密封材料并使防护密封件间隙敞开降低锁定的风险，但是增大泄漏和性能损失。
如以上提到的，在现有静止密封件的情况下，存在如下风险：一旦密封齿穿透可磨损的密封材料，则可存在最可能由于转子与定子之间的差别热增长而引起的相对轴向运动。因此，密封齿既径向地又轴向地切入到可磨损涂层中。因此，轴向接触力和因此切向摩擦力为非常高的。
如图4(为了清楚而放大)所示，该问题的解决方案可为将切割元件24应用于旋转密封齿22。切削齿广泛地使用在用于发电和飞行器推进两者的燃气涡轮应用中。然而，在这些应用中，切削齿用于径向切割和轴向切割两者，而非如示出的仅轴向切割。既在如示出的轮叶末端上又在转子上的、呈J形密封件形式的薄密封件轮廓使通过对密封件的冷加工简单地形成切削齿24成为可能。图5示出了具有由冷加工形成的切削末端24的轮叶末端密封件的俯视图。齿24可通过使轮叶的中间中的密封件凹入(如顶部实例中示出的)而形成，或通过使轮叶上的密封件的端部略微弯曲(如底部实例中示出的)而形成。齿24可在密封件的一侧或两侧上使用。该方法对蒸汽涡轮特别有利，这是因为当转子被完全组装时，在最后转子加工时切割轮叶末端密封件。
另一个可选方案为使密封材料较容易切割，即，使其更加可磨损。在该背景下，参考图6，瞬态操作区段16可包括具有第一密度的可磨损涂层141，并且稳态操作区段18可具有带有高于第一密度的第二密度的可磨损涂层142。就此而言，在摩擦更加可能发生的区中，涂层141为较不致密的。这可通过任何数量的手段实现。一种可能性为增强指定的区中的涂层多孔性。参考图7和图8，另一种可能性为使用周向地(图7)或轴向地(图8)定向的涂层中的凹槽26。凹槽26可仅应用在摩擦区中，以使密封泄漏保持最小。又一个可能性为形成指定的区中的滚花表面28(图9)。滚花可不为用于形成这种表面的适合的过程，而是可使用非常规加工过程，诸如EDM或ECM。
涡轮数据显示，稳态密封位置位于摩擦边界的轴向边缘外部或其处。这表明增大预计的轴向摩擦位置处的径向间隙将不对涡轮性能有影响，这是因为稳态下的间隙不被影响。利用优选实施例的结构，可磨损涂层轮廓被改变以使与密封件的轴向稳态位置(即，密封件更加可能摩擦的位置)的间隙更大。该结构提供了较低的密封件摩擦的风险和较低的在密封件摩擦期间锁定的风险。另外，风险降低不以性能或成本为代价。
虽然已经结合目前被认为是最实用且最优选的实施例的实施例描述本发明，但是将理解，本发明将不受限于公开的实施例，而是相反地，意图涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (10)

1. 一种用于涡轮组件的定子密封件，所述定子密封件包括：
密封基部，其能够固定于涡轮定子并且包括环形内表面；以及
可磨损涂层，其配置在所述环形内表面上，所述可磨损涂层和所述环形内表面具有预先限定的截面轮廓，其包括便于轴向膨胀的瞬态操作区段和便于较紧间隙的稳态操作区段。
2. 根据权利要求1所述的定子密封件，其特征在于，所述预先限定的轮廓包括从具有第一厚度的所述瞬态操作区段到具有第二厚度的所述稳态操作区段的所述可磨损涂层的锥形轮廓。
3. 根据权利要求2所述的定子密封件，其特征在于，所述第一厚度为大约0.020英寸，并且其中，所述第二厚度为大约0.100英寸。
4. 根据权利要求1所述的定子密封件，其特征在于，所述预先限定的轮廓包括呈多边形形状的所述可磨损涂层。
5. 根据权利要求1所述的定子密封件，其特征在于，所述密封基部包括定位成在稳态操作期间与对应数量的旋转密封齿的突出轴向位置相邻的至少一个密封平台，并且其中，所述稳态操作区段包括配置在所述至少一个密封平台上的所述可磨损涂层。
6. 根据权利要求5所述的定子密封件，其特征在于，所述瞬态操作区段包括在所述至少一个密封平台的任一侧上的沿轴向方向的区域。
7. 根据权利要求5所述的定子密封件，其特征在于，所述密封基部包括定位成在稳态操作期间与对应的三个旋转密封齿的突出轴向位置相邻的三个密封平台。
8. 根据权利要求1所述的定子密封件，其特征在于，所述瞬态操作区段包括具有第一密度的所述可磨损涂层，并且其中，所述稳态操作区段包括具有高于所述第一密度的第二密度的所述可磨损涂层。
9. 根据权利要求8所述的定子密封件，其特征在于，具有所述第一密度的所述可磨损涂层包括所述涂层中的凹槽。
10. 根据权利要求9所述的定子密封件，其特征在于，所述凹槽周向地或轴向地定向。
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