CN103527263B - 用于旋转机器的空气动力学密封件 - Google Patents

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Abstract

提供用于旋转机器的空气动力学密封组件。组件包括周向地配置在静止壳体与转子中间的多个密封装置节段。节段中的每一个包括具有前蹄区段和后蹄区段的蹄片，其具有在前蹄区段与后蹄区段之间的面向转子的多个迷宫齿。蹄片构造成允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成在蹄片与转子之间产生空气动力学力。密封装置节段还包括连接于蹄片和顶部连接元件的多个波纹管弹簧或弯曲部，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体。此外，密封装置节段包括次级密封件，其在一个第一端部处附接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位。

Description

用于旋转机器的空气动力学密封件
关于联邦政府资助研究和开发的声明
本发明利用美国能源部授予的合同No. DE-FC26-05NT42643下的部分政府支持完成。政府具有本发明中的某些权利。
技术领域
本申请大体涉及用于涡轮机的密封组件，并且更特别地，涉及用于密封转子/定子间隙等的先进的空气动力学密封组件。
背景技术
诸如燃气涡轮发动机、航空发动机和蒸汽涡轮的各种类型的涡轮机是已知的，并且广泛用于发电、推进等。涡轮机的效率部分地取决于内部构件之间的空隙和穿过这些空隙的主流体和次级流体的泄漏。例如，可在某些转子-定子连接面处有意地允许大空隙，以适应大的热或机械引起的相对运动。流体穿过这些间隙从高压区泄漏至低压区可导致涡轮机的低效率。这种泄漏由于泄漏流体不能执行有用的工作而可影响效率。
不同类型的密封系统用于最小化流过涡轮机的流体的泄漏。然而，在可通过密封系统增大或减小空隙的各种操作阶段期间，密封系统通常经受相对较高的温度、热梯度以及热膨胀和收缩及机械膨胀和收缩。例如，组装成在启动瞬变阶段期间以非常紧密的空隙运行的传统迷宫密封件可在稳态操作期间以大空隙运行，由此导致稳态操作时的差性能。
因此，存在对用于与涡轮机一起使用的改进顺应性密封组件的期望。优选地，这种顺应性密封组件可在稳态操作期间提供较紧密的密封，同时在瞬变操作期间避免由接触引起的摩擦、磨损和损坏。这种密封组件应当改进总系统效率，同时制造便宜，并且提供相关部件的延长的寿命。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种用于旋转机器的空气动力学密封组件。组件包括周向地配置在静止壳体与转子中间的多个密封装置节段。节段中的每一个包括具有前蹄(shoe)区段和后蹄区段的蹄片，该蹄片具有在前蹄区段与后蹄区段之间的面向转子的多个迷宫齿。蹄片构造成允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成在蹄片与转子之间产生空气动力学力。密封装置节段还包括连接于蹄片和顶部连接元件的多个波纹管弹簧或弯曲部，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体。此外，密封装置节段包括次级密封件，其在一个第一端部处附接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位。
根据本发明的实施例，提供了一种用于涡轮构件的空气动力学密封装置。密封装置包括蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的面向可旋转元件的多个迷宫齿。蹄片构造成允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成在蹄片与转子之间产生空气动力学力。密封装置还包括连接于蹄片和顶部连接元件的多个波纹管弹簧或弯曲部，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体。此外，密封装置包括次级密封件，其在一个第一端部处连接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位，其中，配置在密封装置内的次级密封件构造成形成朝向旋转机器的高压侧和低压侧的前腔体和后腔体。
根据本发明的实施例，提供了一种在旋转机器的静止壳体与绕着旋转机器的轴线转动的可旋转元件之间形成气体路径密封件的方法。该方法包括将多个密封装置节段配置在静止壳体与可旋转元件中间。密封装置节段中的每一个包括蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的多个迷宫齿，该蹄片构造成用于允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成用于在蹄片与转子之间产生空气动力学力。该方法还包括将密封装置节段中的每一个中的多个波纹管弹簧或弯曲部附接于蹄片和顶部连接元件，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成用于允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体。此外，该方法包括将次级密封件配置在密封装置节段中的每一个内以形成前腔体和后腔体，其中，次级密封件在一个第一端部处附接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位。
一种用于旋转机器的空气动力学密封组件，密封组件包括：多个密封装置节段，其周向地配置在静止壳体与转子中间，其中，节段中的每一个包括：具有前蹄区段和后蹄区段的蹄片，其具有在前蹄区段与后蹄区段之间的面向转子的多个迷宫齿，其中，蹄片构造成允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成在蹄片与转子之间产生空气动力学力，多个波纹管弹簧或弯曲部，其连接于蹄片和顶部连接元件，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体；以及次级密封件，其在一个第一端部处附接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位。
优选地，蹄片包括由于蹄片的顶部部分的不同周向宽度而形成的前蹄供给凹槽和朝向旋转机器的高压侧的前蹄片区段。
优选地，蹄片包括由于蹄片的顶部部分的不同周向宽度而形成的后蹄供给凹槽和朝向旋转机器的低压侧的后蹄片区段。
优选地，多个波纹管弹簧中的每一个包括小于顶部连接元件和蹄片的周向宽度中的每一个的周向宽度。
优选地，多个波纹管弹簧包括前波纹管弹簧和后波纹管弹簧。
优选地，密封装置节段中的每一个包括次级密封件与蹄片之间的线接触，从而使前波纹管弹簧与后波纹管弹簧对称地或几乎对称地分开在次级密封件与蹄片之间的线接触的任一侧。
优选地，蹄片包括在旋转机器的高压侧位于线接触之前的多个前端口，用于允许流体轴向流动至多个迷宫齿的前部部分。
优选地，多个前端口沿周向方向成角度，以在流体从前腔体流动至多个迷宫齿的前部部分时将涡流给予流体。
优选地，前腔体由顶部连接元件、次级密封件、前波纹管弹簧和在旋转机器的高压侧的蹄片形成。
优选地，蹄片包括一个或更多个后端口，其在旋转机器的低压侧位于线接触之后，并且构造成使多个迷宫齿的后侧连接于后腔体。
优选地，后腔体由顶部连接元件、次级密封件、后波纹管弹簧和在旋转机器的低压侧的蹄片形成。
优选地，一个或更多个后端口沿周向方向成角度，以将切向流给予从多个迷宫齿后面流动到后腔体中的流体。
优选地，一个或更多个后端口为直端口或周向成角度的端口，用于允许流体从多个迷宫齿后面流动至密封装置节段的下游腔体。
优选地，前蹄区段和后蹄区段中的每一个包括瑞利阶梯，用于产生用于密封装置节段上的附加向上推力的薄膜。
优选地，面向转子的蹄片的侧面包括不同于转子的曲率半径的曲率半径。
优选地，面向转子的蹄片的侧面的曲率半径大于转子的曲率半径。
一种用于涡轮构件的空气动力学密封装置，其包括：蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的面向可旋转元件的多个迷宫齿，其中，蹄片构造成允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成在蹄片与转子之间产生空气动力学力；多个波纹管弹簧或弯曲部，其连接于蹄片和顶部连接元件，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体；以及次级密封件，其在一个第一端部处连接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位，其中，次级密封件配置在密封装置内以形成朝向旋转机器的高压侧和低压侧的前腔体和后腔体。
优选地，空气动力学密封装置还包括在分别朝向旋转机器的高压侧和低压侧的蹄片的侧面处的前蹄供给凹槽和后蹄供给凹槽。
优选地，多个波纹管弹簧中的每一个包括小于顶部连接元件和蹄片的周向宽度中的每一个的周向宽度。
优选地，空气动力学密封装置还包括位于前腔体中的多个前端口和位于后腔体中的一个或更多个后端口。
一种在旋转机器的静止壳体与绕着旋转机器的轴线转动的可旋转元件之间形成空气动力学密封件的方法，该方法包括：将多个密封装置节段配置在静止壳体与可旋转元件中间，其中，密封装置节段中的每一个包括蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的多个迷宫齿，蹄片构造成用于允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成用于在蹄片与转子之间产生空气动力学力；将密封装置节段中的每一个中的多个波纹管弹簧或弯曲部附接于蹄片和顶部连接元件，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成用于允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体；以及将次级密封件配置在密封装置节段中的每一个内以形成前腔体和后腔体，其中，次级密封件在一个第一端部处附接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位。
优选地，蹄片包括在分别朝向高压侧和低压侧的蹄片的侧面处的前蹄供给凹槽和后蹄供给凹槽。
优选地，多个波纹管弹簧中的每一个包括小于顶部连接元件和蹄片的周向宽度中的每一个的周向宽度。
优选地，蹄片包括位于前腔体中的多个前端口和位于后腔体中的一个或更多个后端口。
优选地，蹄片包括从NASA PS304、NASA PS400、石墨、金刚石类碳、六方氮化硼或相似的其它固体润滑剂涂层的组选择的固体润滑涂层。
附图说明
当参考附图阅读下列详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在该附图中，同样的标记遍及附图表示同样的部件，其中：
图1为根据本发明的实施例的用于旋转机器的空气动力学密封组件的透视图。
图2为根据本发明的实施例的密封装置节段的透视图。
图3为根据本发明的另一个实施例的具有弯曲部的密封装置节段的透视图。
图4为根据本发明的实施例的空气动力学密封组件的一部分的正视图。
图5为根据本发明的实施例的密封装置节段的侧视图。
图6为根据本发明的实施例的密封装置节段的仰视图。
图7示出了根据本发明的实施例的密封装置节段中的后端口。
图8示出了根据本发明的实施例的密封装置节段中的另一个后端口。
图9示出了根据本发明的实施例的空气动力学密封组件的蹄-转子曲率。
图10示出了根据本发明的实施例的密封装置节段中的瑞利阶梯。
图11为流程图，其示出了根据本发明的实施例的、在旋转机器的静止壳体与绕着旋转机器的轴线转动的可旋转元件之间形成空气动力学密封件的方法中涉及的示例性步骤。
具体实施方式
在介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词"一"、"一个"、"该"和"所述"意图指的是存在元件中的一个或更多个。用语"包括"、"包含"和"具有"意图为包含的，并且指的是可存在除了列出元件之外的附加元件。操作参数的任何实例不排除公开的实施例的其它参数。
图1为根据本发明的实施例的用于旋转机器的空气动力学密封组件10的透视图。空气动力学密封组件10围绕转子轴(未示出)周向地布置，使得密封组件10位于静止壳体(未示出)与转子轴中间。密封组件10包括定位成彼此相邻以形成密封组件10的多个密封装置节段12。密封装置节段12中的每一个包括定位成接近转子轴的蹄片14。在旋转机器的操作期间，蹄片14倚靠在转子轴上方的空气动力学流体膜上。密封组件10还包括在面向转子轴表面的一侧位于蹄片14上的多个迷宫齿16。迷宫齿在旋转机器的空气动力学密封组件10的任一侧使来自高压区18的流体与来自低压区20的流体大致分开。密封组件10还包括附接于蹄片14和顶部连接元件24的多个波纹管弹簧22。密封装置节段12中的每一个相对于转子组装，使得在每个蹄片14与转子轴之间存在间距(clearance gap)。相邻的密封装置节段12也包括它们之间的间距。在图2中详细描述密封装置节段12中的每一个。
图2为根据本发明的实施例的密封装置节段12的透视图。如示出的，密封装置节段12包括具有前蹄区段26和后蹄区段28的蹄片14，蹄片14具有在前蹄区段26与后蹄区段28之间的面向转子轴(未示出)的多个迷宫齿16。密封装置节段12包括一个或更多个波纹管弹簧，其包括前波纹管弹簧30和后波纹管弹簧32。密封装置节段12还包括次级密封件34，其在一个第一端部处经由悬臂梁区段36附接于顶部连接元件24，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧30,32和蹄片14定位，其中，次级密封件34中的每一个在一个第二端部处形成与蹄片14的线接触。在一个实施例中，次级密封件34可直接附接于顶部连接元件24。如该实施例所示，波纹管弹簧30,32和次级密封件34在周向方向上为直的。直波纹管弹簧30,32和直次级密封件34允许机械应力保持较低。在另一个实施例中，波纹管30,32和次级密封件34可沿周向方向弯曲。
在密封组件10(如图1所示)中，来自邻近的密封装置节段12的次级密封件12形成用于顶部连接元件24与蹄片14之间的流体流的阻力路径。在一个实施例中，前波纹管弹簧30和后波纹管弹簧32对称地位于次级密封件34与蹄片14之间的接触线的任一侧。该对称布置允许蹄片14以最小倾斜径向地平移(前蹄区段26的边缘比后蹄区段28的边缘更靠近转子，或反之亦然)。由对称设计引起的减小的倾斜还确保蹄片14可以以稳健的方式既径向向内又径向向外(在转子增长事件期间)行进大位移。
存在经过次级密封件34与蹄片14之间的接触线的小泄漏。次级密封件34构造成将密封装置节段12划分成朝向高压侧18的前腔体38和朝向旋转机器的低压侧20的后腔体40。
在如图3所示的一个实施例中，密封装置节段13包括连接于蹄片14和顶部连接元件24的多个弯曲部31,33。图3的多个弯曲部31,33中的每一个或图2的波纹管弹簧30,32包括小于顶部连接元件24和蹄片14的周向宽度中的每一个的周向宽度。这确保在旋转机器的加压之后，流体围绕前波纹管弹簧30或弯曲部31流动并且使前腔体38加压。相似地，在旋转机器的低压侧20，低压流体围绕后波纹管弹簧32或弯曲部33流动，以在后腔体40内在次级密封件34后面形成低压。
此外，在图2的一个实施例中，密封装置节段12包括在分别朝向旋转机器的高压侧18和低压侧20的蹄片14的侧面处的前蹄供给凹槽42和后蹄供给凹槽44。蹄片14的顶部部分46包括比形成供给凹槽42,44的底部部分48更宽的周向宽度。在密封组件10(如图1所示)中的相邻密封装置节段12之间，存在相邻次级密封件36之间的间距。除了间距之外，存在如图4所讨论的径向间隙。
图4为示出相邻密封装置节段12(如图1所示)之间的径向间隙的密封组件10(如图1所示)的一部分。如示出的，顶部连接元件24用于定子壳体的一部分，并且具有相邻密封装置节段12之间的定子-定子径向间隙。相邻次级密封件34也显示径向间隙。此外，在前蹄区段26(如图2所示)中，蹄片14的顶部部分46和底部部分48形成前蹄供给凹槽42。邻近蹄的多个迷宫齿形成邻近蹄之间的节段间隙。在密封组件10中，邻近蹄片14之间和邻近次级密封件34之间的节段径向间隙设计成使得密封装置节段12朝向转子的径向运动和节段12的任何周向热膨胀不引起节段结合。
如图2所示，蹄片14还包括位于旋转机器的高压侧18的线接触之前的多个前端口50，用于允许流体轴向流动至多个迷宫齿16的前部部分。此外，蹄片14包括位于旋转机器的低压侧20的线接触之后的一个或更多个后端口52。在一个实施例中，一个或更多个后端口52沿周向方向成角度，以将切向流给予从多个迷宫齿16后面流动到后腔体40中的流体。在另一个实施例中，一个或更多个后端口52为直端口或周向成角度的端口，用于允许流体从迷宫齿16后面流动至密封装置节段12的后腔体40。
图5为根据本发明的实施例的密封装置节段12的侧视图。如一个实施例所示，前波纹管弹簧30和后波纹管弹簧32通过硬焊接头连接于顶部连接元件24和蹄片14。图5还示出了作用在蹄片14和次级密封件34上的各种压力。在前腔体38和后腔体40中，密封装置节段12的加压使蹄片14在旋转机器的启动操作期间朝向转子移动。在非限制性实例中，蹄片14可在空气静力学操作模式中倚靠在流体膜上，该流体膜厚度可取决于与转子的初始密封组件空隙而在大约3/1000英寸至5/1000英寸的范围内。
在空气静力学操作模式中，加压使次级密封件34径向向内偏转，从而朝向转子推动蹄片14。当次级密封件34朝向转子推动蹄片14时，波纹管弹簧30,32支持和引导蹄片14的运动。除了次级密封件接触力和波纹管弹簧力之外，蹄片14还经受空气静力学压力负载。这些空气静力学压力负载由围绕蹄片14的流体的存在引起。如图5的径向外面所示，蹄片14在次级密封件34与蹄片14之间的次级密封件线接触的任一侧经受高压流体和低压流体。
在一个实施例中，前端口50和两个前蹄供给凹槽42(如图2、图3所示)将高压流体从前腔体38带至多个迷宫齿16的前侧。相似地，一个或更多个后端口52和后蹄供给凹槽44(如图2、图3所示)将低压流体从后腔体40带至多个迷宫齿16的后侧。因此，多个迷宫齿16经受横跨密封装置节段12的压降，并且执行向沿转子-蹄片间隙的泄漏提供流动限制的功能。由于前端口50的存在，故次级密封件34上游的蹄片14的所有面经受高压流体。相似地，一个或更多个后端口52确保次级密封件34下游的蹄片14的所有面经受低压流体。当流体膜厚度在蹄片14与转子表面之间为3/1000英寸至5/1000英寸或更大时，转子的旋转不使蹄片14下方的流体膜压力显著不同于由前端口50和后端口52引起的高压和低压。因此，蹄片14上的净流体负载大约为零。蹄片14在几乎为零的净流体负载、向内推动蹄片14的次级密封件接触力和克服该径向向内运动支承其的波纹管弹簧的影响下径向向内移动。
图6为根据本发明的实施例的密封装置节段12的仰视图。在该实施例中，密封装置节段12示出包括四个端口的前端口50。在其它实施例中，前端口50可为较少端口或多于四个端口。在当前实施例中，前端口50构造成允许流体从前端口50沿轴向方向流动至多个迷宫齿16的前部。在另一个实施例中，前端口50沿周向方向成角度，以在流体从前腔体38流动至多个迷宫齿16的前部部分时将涡流给予流体(获得切向速度)。在该实施例中，从密封装置节段12的仰视图示出后端口52的一个第一端部。后端口52使迷宫齿16的后侧连接于后腔体40。如示出的，后端口52的一个第一端部开口位于面向迷宫齿16的后侧的后蹄区段28的第一边缘处。在图7中示出后腔体40中的后端口52的一个第二端部开口。在一个实施例中，后端口52可分成多个端口。在又一个实施例中，一个或更多个后端口52沿周向方向成角度，以将切向流给予从多个迷宫齿16后面流动到后腔体40中的流体。
图8示出了根据本发明的实施例的密封装置节段12中的另一个后端口52。在该实施例中，一个或更多个后端口52为直端口或周向成角度的端口，用于允许流体从多个迷宫齿16后面直接流动至密封装置节段12的下游腔体。一个或更多个后端口52的第一端部开口可位于面向迷宫齿16的后侧的后蹄区段28的第一边缘处。如该实施例所示，一个或更多个后端口52的第二端部开口可位于蹄片14的后蹄区段的第二边缘处，从而将流体流从多个迷宫齿16后面直接指引至密封装置节段12的下游腔体。
图9示出了根据本发明的实施例的空气动力学密封组件10中的蹄-转子曲率。密封组件10还在空气动力学操作模式中操作。当转子-蹄片间隙开始减小(例如，在引起空隙变化的热或机械的瞬变事件期间)时，薄流体膜开始建立附加压力。在该实施例中，蹄片14的曲率半径有意地大于转子半径。因此，当转子-蹄片间隙变小(小于1/1000英寸)时，流体膜沿旋转方向单调地会聚或会聚-扩散。呈流体楔形式的该流体膜使附加压力积累。薄膜的物理性质从液体动压轴承或箔带轴承充分地理解，并且可使用适当的流体流模型建模。基本原理为，在旋转方向上的流体膜厚度中的任何负梯度将使流体膜中的压力增大至高于其边界压力。由薄流体膜引起的附加压力挤压波纹管弹簧30,32，由此使蹄片14径向向外移动并且抑制转子接触蹄片14。在该意义上，转子的任何向外偏移由每个密封装置节段12上的蹄片14跟随。
在如图10所示的另一个实施例中，薄流体膜由于在旋转方向上存在蹄片14上的一个或更多个瑞利阶梯60,62而产生附加力。如示出的，前蹄区段26包括第一瑞利阶梯60，而后蹄区段28包括第二瑞利阶梯62。应当注意，多个前端口50和一个或更多个后端口52还满足冷却端口的目的，该冷却端口用于带走可在薄膜空气动力学密封件操作模式中产生的附加热。两个蹄区段(即，前蹄区段26和后蹄区段28)的存在允许沿两个方向产生空气动力学力矩(绕着周向轴线)。例如，如果蹄片14倾斜成使得后蹄区段28的后缘比前蹄区段26的前缘更靠近转子，则后蹄区段28将比前蹄区段26产生更大的空气动力学力，并且产生的空气动力学力矩将修正蹄的倾斜。相似地，前蹄区段26在前蹄区段26更靠近转子的情况下允许空气动力学倾斜修正。总体上，具有与转子的曲率失配的两个蹄片区段布置或一个或更多个瑞利阶梯60,62允许自我修正密封件行为，其不但可修正径向空隙变化，而且还修正密封件中的前-后倾斜。
在非限制性实例中，波纹管弹簧30,32和次级密封件34(如图2所示)两者由如Inconel X750或Rene41的高温金属合金垫片形成。波纹管弹簧30,32的两个端部硬焊于顶部连接元件24和蹄片14。次级密封件34悬臂连接(硬焊)于定子或顶部连接元件24，并且在蹄片表面上轴向地自由滑动。在本实施例中，次级密封件34的自由端部触碰蹄片14(如示出的)，并且一直保持与蹄片14接触。在一个实施例中，在加压之前，次级密封件34与蹄片14之间可存在间隙(无接触)，并且该间隙将在加压之后闭合，以创建次级密封件34与蹄片14之间的接触。在一个实施例中，蹄片14和定子连接件或顶部连接元件24被加工或铸造。在一个实施例中，蹄片的径向最内表面可涂覆有润滑涂层，如NASA PS304或NASA PS400或相似的固体润滑剂涂层，该润滑涂层可处理密封件操作环境条件下的蹄片14与转子之间的无意摩擦。在另一个实施例中，与蹄片14连接的转子表面可涂覆有碳化铬或氮化钛铝或相似涂层，以改进转子的硬度、抗腐蚀性和维持良好表面光洁度的能力。
图11为流程图100，其示出了根据本发明的实施例的、在旋转机器的静止壳体与绕着旋转机器的轴线转动的可旋转元件之间形成空气动力学密封件的方法中涉及的步骤。在步骤102处，该方法包括在静止壳体与可旋转元件中间配置多个密封装置节段，其中，密封装置节段中的每一个包括蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的多个迷宫齿。蹄片还包括在分别朝向高压侧和低压侧的蹄片的侧面处的前蹄供给凹槽和后蹄供给凹槽。在步骤104处，该方法包括将密封装置节段中的每一个中的多个波纹管弹簧附接于蹄片和顶部连接元件。最后，在步骤106处，该方法包括将次级密封件配置在密封装置节段中的每一个内，以形成前腔体和后腔体，其中，次级密封件在一个第一端部处经由悬臂梁区段附接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧和蹄片定位。
有利地，本空气动力学密封组件为用于具有高压降和大瞬变的旋转机器中的若干位置的、可靠稳健的密封件。密封组件还是制造经济的。密封件的非接触操作使它们对于大转子瞬变位置而言尤其有吸引力。此外，本发明允许弹簧刚度和抗压能力(因为弹簧不是压力加载的)的独立控制，由此允许仍耐受高压降的顺应性密封件的设计。此外，本发明允许蹄片在空气静力学操作中保持与转子平行，并且在空气动力学模式期间平行于转子平移。本发明还包括用于径向运动的改进的预测能力(用于泄漏性能和稳健性的增强的预测能力)。
此外，技术人员将认识到来自不同实施例的各种特征的互换性。相似地，各种方法步骤和描述的特征，以及用于每个这种方法和特征的其它已知的等同物可由本领域技术人员混合和匹配以构建根据本公开的原理的附加系统和技术。当然，将理解，以上描述的所有这种目的或优点可不必根据任何特别实施例实现。因此，例如，本领域技术人员将认识到可以以实现或优化如本文中教导的一个优点或成组优点的方式来实施或执行本文中描述的系统和技术，而不必实现如可在本文中教导或建议的其它目的或优点。
虽然已经仅在本文中示出和描述本发明的某些特征，但是本领域技术人员将想到许多修改和变化。因此，将理解，所附权利要求意图涵盖落入在本发明的真实精神内的所有这种修改和变化。

Claims (27)

1.一种用于旋转机器的空气动力学密封组件，所述密封组件包括：
多个密封装置节段，其周向地配置在静止壳体与转子中间，其中，所述节段中的每一个包括：
具有前蹄区段和后蹄区段的蹄片，其具有在所述前蹄区段与所述后蹄区段之间的面向所述转子的多个迷宫齿，其中，所述蹄片构造成允许高压流体至所述多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至所述多个迷宫齿后面，并且还构造成在所述蹄片与所述转子之间产生空气动力学力，
多个弯曲部，其连接于所述蹄片和顶部连接元件，其中，所述多个弯曲部构造成允许所述高压流体占据前腔体并允许所述低压流体占据后腔体；以及
次级密封件，其在一个第一端部处附接于所述顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着所述多个弯曲部和所述蹄片定位。
2.根据权利要求1所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述蹄片包括由于所述蹄片的顶部部分的不同周向宽度而形成的前蹄供给凹槽和朝向所述旋转机器的高压侧的所述前蹄片区段。
3.根据权利要求2所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述蹄片包括由于所述蹄片的顶部部分的不同周向宽度而形成的后蹄供给凹槽和朝向所述旋转机器的低压侧的所述后蹄片区段。
4.根据权利要求1所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述多个弯曲部中的每一个包括小于所述顶部连接元件和所述蹄片的周向宽度中的每一个的周向宽度。
5.根据权利要求1所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述多个弯曲部包括多个波纹管弹簧，其包括前波纹管弹簧和后波纹管弹簧。
6.根据权利要求5所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述密封装置节段中的每一个包括所述次级密封件与所述蹄片之间的线接触，从而使所述前波纹管弹簧与所述后波纹管弹簧对称地或几乎对称地分开在所述次级密封件与所述蹄片之间的所述线接触的任一侧。
7.根据权利要求6所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述蹄片包括在所述旋转机器的高压侧位于所述线接触之前的多个前端口，用于允许流体轴向流动至所述多个迷宫齿的前部部分。
8.根据权利要求7所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述多个前端口沿周向方向成角度，以在所述流体从所述前腔体流动至所述多个迷宫齿的前部部分时将涡流给予所述流体。
9.根据权利要求8所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述前腔体由所述顶部连接元件、所述次级密封件、所述前波纹管弹簧和在所述旋转机器的高压侧的所述蹄片形成。
10.根据权利要求6所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述蹄片包括一个或更多个后端口，其在所述旋转机器的低压侧位于所述线接触之后，并且构造成使所述多个迷宫齿的后侧连接于所述后腔体。
11.根据权利要求10所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述后腔体由所述顶部连接元件、所述次级密封件、所述后波纹管弹簧和在所述旋转机器的低压侧的所述蹄片形成。
12.根据权利要求10所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述一个或更多个后端口沿周向方向成角度，以将切向流给予从所述多个迷宫齿后面流动到所述后腔体中的流体。
13.根据权利要求10所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述一个或更多个后端口为直端口或周向成角度的端口，用于允许流体从所述多个迷宫齿后面流动至所述密封装置节段的下游腔体。
14.根据权利要求1所述的空气动力学密封组件，其特征在于，所述前蹄区段和所述后蹄区段中的每一个包括瑞利阶梯，用于产生用于所述密封装置节段上的附加向上推力的薄膜。
15.根据权利要求1所述的空气动力学密封组件，其特征在于，面向所述转子的所述蹄片的侧面包括不同于所述转子的曲率半径的曲率半径。
16.根据权利要求15所述的空气动力学密封组件，其特征在于，面向所述转子的所述蹄片的侧面的曲率半径大于所述转子的曲率半径。
17.一种用于涡轮构件的空气动力学密封装置，其包括：
蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的面向可旋转元件的多个迷宫齿，其中，所述蹄片构造成允许高压流体至所述多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至所述多个迷宫齿后面，并且还构造成在所述蹄片与转子之间产生空气动力学力；
多个弯曲部，其连接于所述蹄片和顶部连接元件，其中，所述多个弯曲部构造成允许所述高压流体占据前腔体并允许所述低压流体占据后腔体；以及
次级密封件，其在一个第一端部处连接于所述顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着所述多个弯曲部和所述蹄片定位，其中，所述次级密封件配置在所述密封装置内以形成朝向所述旋转机器的高压侧和低压侧的所述前腔体和所述后腔体。
18.根据权利要求17所述的空气动力学密封装置，其特征在于，还包括在分别朝向所述旋转机器的高压侧和低压侧的所述蹄片的侧面处的前蹄供给凹槽和后蹄供给凹槽。
19.根据权利要求17所述的空气动力学密封装置，其特征在于，所述多个弯曲部中的每一个包括小于所述顶部连接元件和所述蹄片的周向宽度中的每一个的周向宽度。
20.根据权利要求17所述的空气动力学密封装置，其特征在于，还包括位于所述前腔体中的多个前端口和位于所述后腔体中的一个或更多个后端口。
21.根据权利要求17所述的空气动力学密封装置，其特征在于，所述多个弯曲部包括多个波纹管弹簧。
22.一种在旋转机器的静止壳体与绕着所述旋转机器的轴线转动的可旋转元件之间形成空气动力学密封件的方法，所述方法包括：
将多个密封装置节段配置在所述静止壳体与所述可旋转元件中间，其中，所述密封装置节段中的每一个包括蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的多个迷宫齿，所述蹄片构造成用于允许高压流体至所述多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至所述多个迷宫齿后面，并且还构造成用于在所述蹄片与转子之间产生空气动力学力；
将所述密封装置节段中的每一个中的多个弯曲部附接于所述蹄片和顶部连接元件，其中，所述多个弯曲部构造成用于允许所述高压流体占据前腔体并允许所述低压流体占据后腔体；以及
将次级密封件配置在所述密封装置节段中的每一个内以形成所述前腔体和所述后腔体，其中，所述次级密封件在一个第一端部处附接于所述顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着所述多个弯曲部和所述蹄片定位。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述蹄片包括在分别朝向高压侧和低压侧的所述蹄片的侧面处的前蹄供给凹槽和后蹄供给凹槽。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述多个弯曲部中的每一个包括小于所述顶部连接元件和所述蹄片的周向宽度中的每一个的周向宽度。
25.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述蹄片包括位于所述前腔体中的多个前端口和位于所述后腔体中的一个或更多个后端口。
26.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述蹄片包括从NASA PS304、NASAPS400、石墨、金刚石类碳、六方氮化硼选择的固体润滑涂层。
27.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述多个弯曲部包括多个波纹管弹簧。
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