CN103502579B - 用于涡轮机组涡轮机喷嘴的密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于密封包括涡轮机（10）转子（11）的涡轮机组涡轮机（10）喷嘴（25）的装置，所述涡轮机（10）喷嘴（25）包括至少一个内部环形平台（26），所述涡轮机（10）转子（11）包括基本上轴向地设置的下游扰流器（40a），该密封装置包括在内部平台（26）和内部面和涡轮机（10）转子（11）的下游扰流器（40a）之间径向地设置的至少一个密封薄片（50a，50b），以形成重叠。

Description

用于涡轮机组涡轮机喷嘴的密封装置

本发明涉及涡轮机组领域，诸如飞机的涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机的领域，并且更特别地涉及用于这种涡轮机组的涡轮机的密封装置。

这种涡轮机组具有前风扇和两个转轴，例如，包括从上游到下游的风扇、低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮机和低压涡轮机。

通常，在本申请中，术语“上游”和“下游”相对于涡轮喷气发动机中空气流动方向被限定。相似地，通常，在本申请中，术语“内侧”和“外侧”，“下部”和“上部”以及“内部”和“外部”相对于发动机的轴线径向地被限定。因此，沿着发动机轴线延伸的气缸包括转动朝向发动机轴线的内侧面和相对于它内侧面的外侧面。

涡轮机组的低压涡轮机包括涡轮机轴，其上安装多个连续的级，每个级包括叶轮和喷嘴。每个叶轮包括圆盘，该圆盘在其外部周缘带有基本上径向的叶片，通过适合的装置，不同叶轮的圆盘互相同轴地连接，并且连接涡轮机转子的主动轴。每个喷嘴包括内部环形平台和外部环形平台，在它们之间延伸基本上径向的叶片。喷嘴的外部平台包括用于钩住和固定在涡轮机外部壳体上的装置。喷嘴的组件形成电动机的固定部分，称为定子。

内部平台包括朝向涡轮机内侧径向地延伸的壁和连接壁的环形环体。壁和环形环体由此限定涡轮机喷嘴和涡轮机转子之间的上游腔室和下游腔室。通常由单个铸造形成喷嘴的环体，径向壁和内部平台。

工作时，喷嘴的叶片暴露于在涡轮机的流道中流动的热气体。流道中气体的温度相对高，通常在900摄氏度的数量级，而喷嘴的内部平台和转子之间区域中的温度较低，并且例如在约700摄氏度。

为了增强流道和腔室之间该温度差异，其一起限制空气的循环，已知一种涡轮机转子，包括上游扰流器，其限定由壁和环形环体所限定的上游腔室中密封导流板，以形成导流板类型密封。

为了确保可以避免加热转子圆盘的密封，该加热转子圆盘将给机器的完整性带来潜在的风险，并且将引起涡轮机性能的降低，诸如流速损失或涡流的产生，每个级的涡轮机转子的下游扰流器和内部平台的上游部分部分地轴向地重叠。因此，在涡轮机工作期间，当称为重叠间隙的涡轮机转子的下游扰流器和内部平台的上游部分之间间隙小于零时，确保了密封。

当涡轮机超速时出现了另一个问题。当考虑例如，工作期间低压涡轮机轴的破裂时，出现了超速问题。这引起涡轮机转速的大幅增加，称为超速。为了停止这种故障，其可能对于涡轮机的完整性以及由此航空器的完整性具有严重的后果，期望根据在气动力的作用下，转子组件将相对于定子（包括喷嘴组件）滑动，引起定子喷嘴的固定叶片和转子的移动叶片之间的接触，而破裂喷嘴叶片上最大数量的转轮叶片。

在有害的超速间隙和无害的超速间隙之间出现了差别，该有害的超速间隙位于流道的上部水平或中部中转子的移动叶片的后缘和喷嘴的前缘之间，并且该无害的超速间隙位于流道的下部水平中转子的移动叶片的后缘和喷嘴的前缘之间。

为了最好地控制超速和由此维持涡轮机的完整性，在无害的超速间隙之前，必须首先桥接有害的超速间隙，也就是说变成零。这意指必须增加无害的超速间隙，以确保这种层级。

如图1中所示和下面参考所述图1所述，遇到下面的矛盾：无害的下部流道的超速间隙的增加涉及重叠间隙的减少，并且反之亦然。

本发明的目的是克服这些缺陷中至少一些，并且涉及用于包括涡轮机转子的涡轮机组涡轮机喷嘴的密封装置，所述涡轮机喷嘴包括至少一个内部环形平台，所述涡轮机转子包括基本上轴向地设置的下游扰流器，所述密封装置包括在内部平台和涡轮机转子的下游扰流器之间径向地设置的至少一个密封薄片，该装置的特征在于：密封薄片和涡轮机转子之间的轴向间隙小于内部平台和涡轮机转子之间的轴向间隙，因此一旦接触，涡轮机转子压碎密封薄片。

密封薄片和涡轮机转子之间的轴向间隙由此小于内部平台和涡轮机转子之间的轴向间隙，这样一旦接触，超速的涡轮机转子滑动时所用的能量压碎“可熔的”薄片。这样在与涡轮机轴破裂相关的超速情况下，使得薄片可以撞击在内部平台之前，保持有害的间隙与内部平台和涡轮机转子之间的无害的间隙之间的层级更开放。

而且，本发明的装置由于薄片，可以增加下游扰流器的重叠，并且这改善了密封，同时避免减少超速间隙，由此可以减少涡轮机的轴向维度（也就是说长度），以及由此涡轮机的质量。这可以限制涡流和周围部件的加热，以及由此涡轮机性能的降低。

密封薄片与下游扰流器的重叠间隙优选地大于或等于内部平台与下游扰流器的重叠间隙。由此分开重叠间隙和超速间隙，这允许最优化它们。这也确保了更好的重叠，其对机器的性能和周围部件的使用寿命具有直接的影响。

有利地配置密封薄片，这样它包括至少一个弯度，以在接触涡轮机转子的情况下控制薄片的压碎。因此，这使得可以通过可控和期望的方式，在涡轮机轴破裂情况下，由涡轮机转子压碎密封薄片。此外，该弯度有利于密封薄片的弯折。

密封薄片有利地固定于喷嘴上至少一个点。

根据本发明的另一个特征，密封薄片在上游扰流器的下部部分以下延伸。这使得它可以在喷嘴的径向壁和涡轮机转子之间的上游腔室中产生补充的导流板，进一步限制涡流。

根据本发明的另一个特征，密封薄片通过铜焊固定于径向壁或内部平台。该铜焊是非常局部的，因此在超速情况下将很快破裂。

密封薄片有利地包括环形元件或多个扇形分区元件。这使得它可以确保随着时间流逝的装置的机械强度，假定所述装置将受到与内部平台相同的变形。这也使它可以增强密封。

根据本发明的特征，环形元件进一步包括分布在所述环形元件所有或一些周缘上的狭槽和在狭槽端部的穿孔，以防止在涡轮机工作期间狭槽的蔓延。

可替代地，扇形分区元件可以通过扇形间薄片或通过沿着扇形分区线的重叠成对地连接。

本发明的装置也可以包括切断元件，设置其基本上垂直于上游扰流器和设置其以减少上游扰流器的下部部分以下的空气流道表面。由此减少涡流和增加密封。

本发明也涉及涡流机组涡轮机，其包括至少一个涡轮机喷嘴和至少一个涡轮机转子，所述涡轮机喷嘴包括至少一个内部环形平台，所述涡轮机转子包括基本上轴向地设置的至少一个下游扰流器，所述涡轮机包括如上所限定的装置。

从通过非限制性实施例所给出的参考附图所进行下面说明将呈现本发明的其它特征和优点（相似的元件给出相同的附图标记），其中：

图1是根据现有技术的第一转子的轴向剖面图。

图2是包括本发明第一实施方式装置的转子的轴向剖面图。

图3是包括本发明第二实施方式装置的转子的轴向剖面图。

图4是包括本发明第三实施方式装置的转子的轴向剖面图。

图5是包括本发明第四实施方式装置的转子的轴向剖面图。

图6a是包括本发明第五实施方式装置的转子的轴向剖面图。

图6b是包括本发明第六实施方式装置的转子的轴向剖面图。

图6c是包括本发明第七实施方式装置的转子的轴向剖面图。

图7是包括狭槽和孔洞的本发明装置的平面图。

图8是本发明装置的平面图，其密封薄片被扇形分区；和

图9是本发明装置的平面图，其扇形分区的密封薄片重叠。

参考航空器的涡轮机组的涡轮机描述了本发明，但是可以应用于以相同或相似方式工作的燃气发动机的任何类型的涡轮机。

首先参考图1，其是在穿过涡轮机10的转子11的转动轴线（未示出的）的平面中，涡轮机组低压涡轮机10的示意性剖面半视图。涡轮机10的转子11包括通过环形凸缘14互相同轴地连接的和带有环形排的移动叶片16的圆盘12，该移动叶片通过叶片根部，例如以楔形榫头或类似的方式，安装在圆盘12的外周缘上其径向地内部端部。转子11通过驱动圆锥（未示出）连接涡轮机轴，该驱动圆锥通过环形凸缘（未示出）固定在圆盘12的环形凸缘14之间。用于在圆盘12上移动叶片16的轴向保持的环形板22也安装在圆盘12之间，并且每个包括轴向地夹持在两个邻接圆盘12的环形凸缘14之间的径向壁24。移动叶片16的排之间具有喷嘴25，每个喷嘴包括两个环形平台，分别是内部平台26和外部平台（未示出），通过环形排的固定叶片28在它们之间连接。喷嘴25的外部平台通过适合的装置钩住在低压涡轮机10的壳体（未示出）上。喷嘴25的内部平台26每个都包括径向壁30，其从平台26的内部表面径向地向内延伸和在它的内部周缘连接耐磨材料所制成的环形元件34的圆柱形支撑环体32。在内部壁26、径向壁30和环形环体32之间所限定的区域由此形成两个腔室31a和31b。

这些耐磨元件34径向地设置在外侧和相对于板22所带有的外部环形防尘圈36。防尘圈36用于与耐磨元件34摩擦地相互作用，以形成迷宫式密封，其密封平面平行于涡轮机转子11的转动轴线13，并且由此限制在轴向方向上空气通过这些密封。

圆柱形环体32包括上游和下游环形边缘，其从喷嘴25的内部平台26的径向壁30的相对侧基本上轴向地延伸。每个喷嘴25的环体32和径向壁30可以与该喷嘴25的内部平台26形成在单个铸造中。

形成基本上圆柱形上游40a和下游40b扰流器，以轴向地突出于移动叶片16的根部17上，延伸进入腔室31a和31b中，并且由此通过导流板作用与这些环形边缘和与内部平台26的上游和下游边缘相互作用，以限制来自于涡轮机10的流道的热气体的通过，该流道在迷宫式密封的区域中径向地向内。

图1示意了喷嘴25的内部平台26在涡轮机转子11的下游扰流器40a上通过重叠所形成的重叠间隙41。图1也示意了分别地在喷嘴25的内部平台26的上游端部和涡轮机10的转子11之间以及在涡轮机10的转子11的下游扰流器40a端部和喷嘴25的径向壁30之间的超速间隙45a和45b。这引起下面的矛盾：无害超速间隙45a和45b的增加涉及重叠间隙41的减少，并且反之亦然。

图2至图6表示包括一个或多个薄片50a和/或50b的本发明密封装置的多个实施方式。薄片理解为意指本领域技术人员可以采用它用于本发明的目的一片材料，诸如金属或任何材料，例如复合材料、塑料材料等。

由此增加重叠间隙43，而不减少超速间隙45a和45b。因此，重叠间隙43和超速间隙45a和45b分开，并且仅仅保持待要建立的一个非接触条件，也就是说用参数表示独立于重叠间隙43的超速间隙45a和45b，以确保在有害间隙之前将不会桥接无害的超速间隙45a和45b。

一旦超速，为了确保涡轮机10的转子11在与内部平台26接触之前与密封薄片50a和/或50b接触，必需确保密封薄片50a和/或50b之间的间隙46小于超速间隙45a。这意指重叠间隙43必须大于重叠间隙41。

重叠间隙43和重叠间隙41之间的差异由代替间隙45a的间隙46的建立引起，设计间隙46的维度用于非接触（例如，工作中最小约1mm），设计间隙45a的维度用于超速（例如，约7mm）。重叠的差异对应于间隙45a和间隙46的差异。

如图2中所示的本发明的密封装置包括密封薄片50a，例如由金属制成，安装在喷嘴25的径向壁30的上游面上，在喷嘴25的内部平台26和上游扰流器40a之间延伸，并且设置其以与下游扰流器40a形成重叠间隙43（换而言之，设置其以轴向地部分重叠下游扰流器40a）。由本发明密封装置所形成的这种重叠间隙43等于或大于喷嘴25的内部平台26和下游扰流器40a所形成的重叠间隙41，并且这改进了密封，同时避免增加超速间隙。

为了防止密封装置代表无害的超速间隙，例如，密封薄片50a可以是预弯折的薄片，这样一旦涡轮机轴破裂，所述薄片以期望和预期的方式损失一些其轴向刚性以被移动叶片压碎，因此用作“可熔的元件”。

而且，这种薄片的添加涉及减小喷嘴25的内部平台26下面的腔室31a，并且这类似重叠，限制周围部件的加热和性能降低。

如图3和图4中所示，密封装置可以包括密封薄片50a和密封薄片50b。这两个密封薄片50a和50b可以，例如以U形方式安装，以通过补充导流板的添加而提供更好的重叠，并且这具有更好地关闭腔室31a的作用，由此限制空气涡流。

将注意到下游扰流器40a与密封薄片50a和50b的重叠长度可以相等或不同。

在图5中所示的密封装置中，薄片50a例如通过铜焊点固定于内部平台26的内部表面，还固定于径向壁30。这两个固定点具有减少甚或排除由本发明的密封装置所可能引起的振动的作用。

在图6a中所示的密封装置中，薄片50a与图2中的相同，并且切断元件52使得它可以进一步关闭腔室31a，以增强密封和由此减少腔室31a中空气涡流。这种改进使得它可以减少转子的加热。

在图2到图6a中所示本发明装置的实施方式中，例如，通过铜焊，密封薄片50a和50b可以安装在径向壁30上。

图6b和6c每个表示安装在喷嘴25的内部平台26上的本发明的装置。这两个方案非常好地适合锥度很大的流道，因为这样可以防止薄片的端部在气动力的作用下升高到流道内侧。这些方案也使得它可以防止可能的振动问题发生，因为薄片制造的更紧凑，并且例如，通过径向地铜焊所述薄片在喷嘴的下部平台以下，排除任何径向拍动。这些方案由此也使得它可以获得最小的径向间隙，以及由此最小的后段，没有必要改变喷嘴25和移动叶片16的径向位置。与本发明的其它装置的实施方式相似，薄片可以预先弯折以有利于和控制其压碎。

将会注意到本发明的密封装置可以安装在涡轮机的一个或多个或所有级上。

密封装置可以装配在涡轮机的一个或多个级的所有或部分周缘上。

密封薄片50a和/或50b可以由单个环形（360°）元件或由多个扇形分区的元件形成。

可以主动地降级一个或多个密封薄片50a和50b的轴向硬度，这样当例如涡轮机轴破裂时，一旦接触转子，折叠更容易。为此，一个或多个密封薄片50a和50b例如可以被扇形分区或切开。

图7示意了密封薄片，例如50a，其一部分在各种位置被周向切开或开狭槽54。孔洞或穿孔56进一步降低了密封薄片50a的硬度或刚度。穿孔56也防止在涡轮机工作期间狭槽54的蔓延。这些也是狭槽54机械加工的参考点。

图8表示密封薄片，例如，50a，包括扇形分区的元件，也就是说通过扇形59而分开。重叠元件或扇形间薄片58，例如，铜焊在一个或两个薄片扇形50a上，通过桥接扇形59使得它可以增强密封。

本发明密封装置的密封薄片，例如50a的扇形分区特别地可以确保随着时间流逝的装置的机械强度，假定所述装置将受到与内部平台26相同的变形。

在图9中所示密封薄片，例如50a的扇形分区中，两个薄片50a沿着横向扇形分区线60重叠，例如，两个薄片扇形50a可以是斜切的60。在这种情况下，两个薄片扇区50a的形状可以确保密封，而不必添加补充的重叠元件。

Claims (10)

1.用于包括涡轮机(10)转子(11)的涡轮机组涡轮机(10)喷嘴(25)的密封装置，所述涡轮机(10)喷嘴(25)包括至少一个内部环形平台(26)，所述涡轮机(10)转子(11)包括基本上轴向地设置的下游扰流器(40a)，所述密封装置包括在内部环形平台(26)和涡轮机(10)转子(11)的下游扰流器(40a)之间径向地设置的至少一个密封薄片(50a，50b)，该装置的特征在于：密封薄片(50a，50b)和涡轮机(10)转子(11)之间的轴向间隙(46)小于内部环形平台(26)和涡轮机(10)转子(11)之间的轴向间隙(45a)，因此一旦接触，涡轮机转子压碎密封薄片(50a，50b)。

2.根据权利要求1的密封装置，其中密封薄片(50a，50b)与转子(11)的下游扰流器(40a)形成重叠间隙(43)，密封薄片(50a)和下游扰流器(40a)的所述重叠间隙(43)大于下游扰流器(40a)和内部环形平台(26)的重叠间隙(41)。

3.根据权利要求1的密封装置，其中配置密封薄片(50a，50b)，这样它包括至少一个弯度，以在接触涡轮机(10)转子(11)的情况下控制密封薄片(50a，50b)的压碎。

4.根据权利要求3的密封装置，其中密封薄片(50a)固定于喷嘴(25)上至少一个点。

5.根据权利要求1的密封装置，其中密封薄片(50b)在下游扰流器(40a)的下部部分的下面延伸。

6.根据权利要求1的密封装置，其中所述装置进一步包括切断元件(52)，设置该切断元件(52)基本上垂直于下游扰流器(40a)和设置该切断元件(52)以减少下游扰流器(40a)的下部部分的下面的空气流道表面。

7.根据权利要求1的密封装置，其中密封薄片(50a，50b)包括环形元件或多个扇形分区元件。

8.根据权利要求7的密封装置，其中环形元件进一步包括分布在所述环形元件所有周缘上的狭槽(54)和在狭槽(54)端部的穿孔(56)，以防止在涡轮机(10)工作期间狭槽的蔓延。

9.根据权利要求7的密封装置，其中扇形分区元件可以通过扇形间薄片(58)或通过沿着扇形分区线(60)的重叠成对地连接。

10.一种涡轮机组涡轮机(10)，其包括至少一个涡轮机(10)喷嘴(25)和至少一个涡轮机(10)转子(11)，所述涡轮机(10)喷嘴(25)包括至少一个内部环形平台(26)，所述涡轮机(10)转子(11)包括基本上轴向地设置的至少一个下游扰流器(40a)，所述涡轮机包括根据权利要求1至9中任一个的装置。