CN103562502B - 活塞密封环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮机(100)，包括装置(110)和另一装置(120)。所述装置(110)包括外壳(111)、内壳(112)和密封环(113)。所述外壳(111)和所述内壳(112)布置成冷却管道(114)形成在外壳和内壳之间。所述密封环(113)布置在外壳(111)和内壳(112)之间，使得所述密封环(113)使冷却管道(114)与包围外壳(111)的环境密封隔离。所述装置(110)和所述另一装置(120)安装在一起，使得工作流体可以从所述另一装置(120)流向所述装置(110)。而且，所述装置(110)包括可旋转轴，所述另一装置(120)包括另一可旋转轴，其中，所述可旋转轴和所述另一可旋转轴彼此机械地脱离，所述密封环(113)专门抵靠所述装置(110)的内壳(112)和外壳(111)。

Description

活塞密封环
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮机的装置。此外，本发明涉及一种制造用于燃气涡轮机的装置的方法。
背景技术
常规燃气涡轮机包括内壳和外壳。特别地，内壳将涡轮机的工作流体与环境隔开。内壳尤其将燃气涡轮机的内部体积与涡轮机的外部体积隔开。涡轮机部分或压缩器部分的静叶片安装到内壳。外壳包围内壳，其中，冷却空气空腔和冷却空气管道通常分别形成在内壳和外壳之间。
需要防止冷却空气和工作流体在内壳和外壳之间泄漏，以避免冷却空气，特别是涡轮机部分的冷却空气逃逸。同时，应当提供燃气涡轮机壳体部件的简单和可靠组装。
在常规燃气涡轮机中，压缩器部分和涡轮机部分沿涡轮机的轴向方向在它们的轴向端处安装在一起。密封环在一侧安装到或者至内壳或者至外壳的涡轮机部分的轴向端，另一侧安装到压缩机部分的轴向端。
图3示出常规燃气涡轮机300，包括在轴向端安装在一起的常规动力涡轮机310和常规气体发生器320。常规动力涡轮机310包括环形常规外壳311和环形常规内壳312。常规外壳311和常规内壳312大致绕常规燃气涡轮机300的旋转轴线101环形地延伸。静叶片115安装到常规内壳312。转子叶片116可在两排静叶片115之间旋转。常规冷却管道314形成在常规外壳311和常规内壳312之间，冷却空气可流过常规冷却管道。常规密封环313附接到常规动力涡轮机310的轴向端。常规密封环313安装到常规气体发生器320的另一常规外壳321(或另一常规内壳322)和动力涡轮机310的常规内壳312的一部分，以在常规内壳312和另一常规外壳321之间产生密封。常规密封环313例如通过固定到常规内壳312而抵抗轴向位移地固定，并可与另一常规外壳321滑动接触，从而提供常规动力涡轮机310和常规气体发生器320之间在轴向方向上的热膨胀。
EP1426561A1公开了用于附接具有不同导热系数或热膨胀率的部件或密封所述部件之间空隙的结构。密封元件安装在第一部件和第二部件之间，第一部件和第二部件在暴露于除环境温度之外的温度时，具有不同的尺寸变化率或量。密封元件包括与第一部件相关联的第一附接结构，第一附接结构可滑动地接合与第二部件相关联的第二附接结构，从而允许第二部件相对于第一部件独立地浮动运动。该结构可包括开口环、层流环或多个开口环。
US4613280公开了一种涡轮机发动机，其构造成被动地调整进入护罩的冷却空气流量。密封环相对于冷却空气入口放置在护罩中，使得发动机的温度变化的压力会导致冷却空气入口根据护罩所需的冷却被密封环完全打开、彻底阻塞，或者在两者之间调整。
US4307993公开了一种具有活塞迷宫环的空气冷却气缸。涡轮机气缸在其外表面与开口环接触，开口环被保持在柱形延伸的环保持器的环形槽的空间中。所述环在保持与气缸外表面接触的同时，允许在它们的各自槽内膨胀和收缩。
US2010/0129207A1公开了一种蒸汽涡轮机，包括转子和内壳，其中，流动通道形成在内壳和转子之间，流动通道的入口侧由布置在转子上的平衡活塞轴向界定。此外，活塞密封件设置在内壳和转子之间。
DE274476公开了一种蒸汽涡轮机，包括安装有叶片载体的壳体。
在常规涡轮机设计中，密封环，特别是活塞环，由气体发生器的一部分和动力涡轮机的另一部分支承，使得在气体发生器固定到动力涡轮机之前不会产生密封布置。气体发生器和动力涡轮机安装在一起的过程导致将密封环盲装在两部分内，这是因为在安装所述部分时，很难看见密封环。此外，在将燃气涡轮机安装到气体发生器之后，很难对密封部分中的密封环进行密封测试。
发明内容
本发明之目的是提供一种用于燃气涡轮机的合适的密封组件。
该目的可通过根据独立权利要求的一种用于燃气涡轮机的装置和一种制造用于燃气涡轮机的装置的方法而实现。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于燃气涡轮机的装置，比如动力涡轮机。该装置包括外壳、内壳和密封环。外壳和内壳布置成冷却管道形成在外壳和内壳之间。密封环布置在外壳和内壳之间，以便密封环使冷却管道与包围外壳的环境密封隔离。
特别地，根据本发明的另一方面，提供出一种包括上述装置(比如动力涡轮机)和另一装置(比如气体发生器)的燃气涡轮机。所述装置和所述另一装置安装在一起，使得工作流体，即工作气体，例如可从所述另一装置流到所述装置，即驱动所述装置。所述装置包括可旋转轴，所述另一装置包括另一可旋转轴。可旋转轴和另一可旋转轴可彼此机械脱离。密封环专用于抵靠所述装置的内壳和外壳。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造用于燃气涡轮机的装置的方法。该方法包括在所述装置的外壳和所述装置的内壳之间形成冷却管道。一密封件布置在外壳和内壳之间，以便密封环使冷却管道与包围外壳的环境密封隔离。
所述装置的可旋转轴绕旋转轴线旋转，旋转轴线限定出燃气涡轮机的轴向方向。从外部方向导向涡轮机轴的旋转轴线且垂直于旋转轴线的方向代表涡轮机的径向方向。可旋转轴和另一可旋转轴可相对于彼此平行地对准。
所述装置包括多种壳体部分，所述多种壳体部分具有支撑涡轮机的功能元件的功能和/或用于引导涡轮机的流体流。特别地，所述装置的内壳适于支撑例如静叶片。此外，涡轮机的多种流体引导部分，比如空气偏导器，可附接到所述装置的内壳。
特别地，所述装置的内壳将工作流体与环境分隔。内壳尤其将所述装置的内部体积与形成在内壳和外壳之间的体积分隔。工作流体沿主流动方向在内部体积内流动，其中，主流动方向尤其相对于涡轮机轴沿轴向取向。在本申请的情况下，静叶片和转子叶片装配在所述装置的内部体积内。特别地，工作流体沿主流动方向在内部体积内流动。
冷却流体在包围内壳及由此包围内部体积的体积内流动。如上所述，所述装置的外壳包围内壳。冷却管道形成在内壳和外壳之间。外壳可具有冷却流体入口孔，以提供从环境进入冷却管道的冷却流体入口。
所述装置的内壳和外壳可具有锥形会聚或扩散形状，其中，内壳和外壳的直径和尺寸分别沿主流动方向和轴向方向增加或减小。此外，内壳和/或外壳具有围绕轴的环形形状，并围绕轴沿周向方向形成环形冷却管道。内壳和/或外壳可沿所述装置的整个周向延伸，或者可沿周向方向分为若干周向区段。
在该方面，应提及，环形冷却管道可以是内壳和外壳之间的充气室。
密封环布置在所述装置的外壳和内壳之间，以使冷却管道与包围外壳的环境密封隔离。密封环可以是活塞环，其在一个分隔部分分隔和分离。在分隔部分，密封环的两个端部可彼此抵接。每个端部可具有不同的相应接触表面。此外，密封环可包括对应于C密封件轮廓、E密封件轮廓、W密封件轮廓和/或叶式密封件(leafseal)的截面轮廓。密封环可以是构造为单个部件的活塞环，具有轴向搭接处或双环。密封环使冷却管道内的流体与装置环境中的空气密封隔离。
在该方面，应提及，所述环境(包围物)限定出包围内壳和外壳的空间。
本申请范围内的装置与另一装置不同之处在于，所述装置包括与可连接到所述装置的另一装置的另一轴机械脱离的轴。然而，所述装置和另一装置可共享共同的工作流体。例如，流过所述装置的工作流体可离开所述装置，并还可流过另一装置，反之亦然。
例如，所述装置和/或另一装置可以分别是动力涡轮机和/或气体发生器。此外，所述装置和/或另一装置可以是用于飞行器的喷气发动机的涡轮机(高压涡轮机HPT、中压涡轮机IPT、低压涡轮机LPT)和/或压缩器(高压压缩器HPC、中压压缩器IPC、低压压缩器LPC)。
所述装置或另一装置可以是气体发生器，其包括压缩器部分、燃烧器部分和涡轮机部分。压缩器部分和涡轮机部分可以安装到一个共同轴，使得涡轮机部分驱动压缩器部分。工作流体在压缩器部分内沿主流动方向被压缩。压缩器部分包括例如内壳和外壳，内壳和外壳可具有会聚形状，其中，另一内壳和另一外壳的直径减少和尺寸分别沿主流动方向和轴向方向趋向一致。此外，气体发生器可包括用于给工作流体添加热能的燃烧器室。工作流体在压缩器部分的内部体积内受到压缩器部分的静叶片和转子叶片的压缩。在压缩器部分中，转子叶片的机械功转换为工作流体的流体能量。在气体发生器的涡轮机部分的内部体积内，工作流体膨胀并驱动气体发生器的轴。在气体发生器的涡轮机部分中，工作流体的流体能量通过驱动转子叶片而转换为机械功。约50%(百分比)的工作流体能量用于驱动气体发生器的压缩器部分中的叶片。
所述装置或另一装置还可以是动力涡轮机。涡轮机部分装配在动力涡轮机中。在动力涡轮机的涡轮机部分中，离开气体发生器的工作流体的能量转换为机械功，以产生例如用于外部使用的功率。因此，工作流体驱动动力涡轮机的轴，所述轴从气体发生器的轴脱离。
通过本发明，密封环专门并完全装配在燃气涡轮机的装置内。所述装置在功能上与另一装置分隔，即所述装置的轴从另一装置的另一轴机械地脱离。与上述途径相反，其中，密封件抵接在另一装置(比如气体发生器)的一部分和所述装置(动力涡轮机)的一部分上，根据本发明，提出了一种密封环完全并专门安装到比如动力涡轮机或气体发生器的装置。因此，所述装置可以模块化地制造，其中，所述装置包括与环境完全密封隔离的冷却管道。因此，在所述装置安装到另一装置之前，例如，可独立于另一装置执行对所述装置的密封性测试和其它功能性测试。在专门装配在所述装置中之后，可检测密封环。换言之，与将密封件放在气体发生器(即另一装置)和动力涡轮机(即所述装置)之间相比，将密封件整个放在动力涡轮机结构中，即所述装置中，对进行检测是更有利的。
此外，通过本发明，可通过对密封环的合适的制造和装配来改进冷却管道的密封质量，从而减少冷却流体的泄漏。因此，冷却能力得以改进，从而降低了内壳和外壳材料的温度。因此，由于较低的材料温度，可使用较便宜的铁基材料(比如铬铸铁材料)来代替镍基材料。
根据另一示例性实施例，密封环布置在外壳和内壳之间，使得从包围外壳的环境中可部分地看到密封环。因此，可将密封环装配在所述装置中而不被其它元件盖住。此外，在装配之后，可更易于接近密封件来进行检测。
根据另一示例性实施例，密封环是内簧环，其夹紧到内壳，使得内簧环的夹紧力传递给内壳。因此，通过将密封环夹紧到内壳，可以提供外壳和密封环之间的相对运动，尤其是沿所述装置的轴的轴向方向的运动。因此，可以平衡热膨胀。
根据另一示例性实施例，密封环是外簧环，其夹紧到外壳，使得外簧环的夹紧力传递给外壳。因此，通过将密封环夹紧到外壳，可以提供内壳和密封环之间的相对运动，尤其是沿所述装置的轴的轴向方向的运动。
根据燃气涡轮机的另一示例性实施例，所述装置包括由内壳包围的内部体积，其中，工作流体流过内部体积。另一装置包括另一内壳和另一外壳。所述装置(比如动力涡轮机)和另一装置安装在一起，使得一空腔形成在所述装置和另一装置之间。所述空腔由内壳、另一内壳、外壳和另一外壳包围，其中，所述空腔结合并连接到内部体积。特别地，所述空腔形成在所述装置和另一装置的轴向接合处。
通过将空腔结合到内部体积(工作流体可流过内部体积)，与流过内部体积的工作流体相比，空腔中的流体包括例如类似的压力值、温度值和/或类似的化学成分。
此外，因为密封环专门附接到所述装置的内壳和外壳，而不附接到另一装置的一部分，所以可在不影响密封环的位置的情况下增加所述装置的壳体部分与另一装置的壳体部分之间的轴向距离。因此，特别地，可以沿轴向方向扩大所述空腔。因此，通过较大的空腔，测量装置(比如压力测量装置)更易于接近空腔。
此外，因为密封环专门安装在内壳和外壳之间，所以密封了冷却管道，使得空腔内的流体不受冷却管道中的冷却流体的压力或温度的影响。因此，(结合到内部体积中的工作流体的)空腔中的流体包括类似的参数，使得空腔中流体的参数的测量值可以指示内部体积内的工作流体的参数。
应注意，参考不同主题描述了本发明的实施例。特别地，参考产品权利要求描述了一些实施例，而参考方法权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员会从上述和下列描述中得出，除非另外说明，除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合，特别是装置类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合包含在本申请的范围内。
附图说明
从下文中描述的实施例的示例可明白本发明的上述方面和其它方面，参考实施例的示例描述本发明的上述方面和其它方面。在下文中参考实施例的示例描述本发明，本发明不限于实施例的示例。
图1示出专门装配到根据本发明的示例性实施例的装置(比如动力涡轮机)的密封环的示意图；
图2示出专门装配到根据本发明的示例性实施例的装置(比如动力涡轮机)的密封环的详细视图；以及
图3示出常规燃气涡轮机的示意图。
具体实施方式
附图中所示为示意性的。应注意，在不同的附图中，类似或相同元件具有相同的参考标号。
图1示出燃气涡轮机100，包括装置110和另一装置120。另一装置120的部件由图1左侧的均匀阴影线突出。
在图1中，装置110的部件显示在涡轮机100的右侧。装置100包括外壳111、内壳112和密封环113。外壳111和内壳112布置成冷却管道114形成在两者之间。密封环113专门布置在外壳111和内壳112之间，以便密封环113使冷却管道114与包围外壳111的环境密封隔离。
外壳111和内壳112可绕涡轮机100的旋转轴线101沿周向方向延伸。因此，冷却管道114也可绕旋转轴线101沿周向方向延伸。在外壳111和内壳112之间的分隔部分设置有密封元件。特别地，在装置110的面向另一装置120的轴向端，密封环113装配在外壳111和内壳112之间。密封环113未支撑在另一装置120的一部分上或未接触另一装置120的一部分，使得装置110可以独立于另一装置120而模块化地制造和组装。
特别地，在图1所示燃气涡轮机100中，所述装置110是动力涡轮机，而另一装置120是气体发生器，其中，气体发生器产生具有驱动动力涡轮机所需的高能级的工作流体。装置110、120均在各自的相应轴向端处联接。特别地，另一装置120的另一外壳121固定到装置110的外壳111。另一装置120的另一内壳122联接到装置100的内壳112，从而形成共同的内部体积Vi，工作流体可沿该共同的内部体积从另一装置120流向装置111。
空腔118形成在装置110和另一装置120之间。空腔118与内部体积Vi联接，使得空腔118内的流体包括与内部体积Vi内的工作流体类似的压力值和温度值。因此，对空腔118内的流体测得的压力值和温度值可指示内部体积Vi内的工作流体的压力值和温度值。特别地，在静叶片115和转子叶片116附近，内部体积内的工作流体具有压力值的分配，压力值的分配是由例如当流向例如静叶片115时产生的堵塞效应引起的。在空腔118内，流体显示出由流体动态效应引起的变化较少，使得与内部体积Vi内测得的压力值相比，可测得真实的压力值。
因此，空腔118形成在另一装置120(例如气体发生器，特别包括压缩器涡轮机)和装置110(例如动力涡轮机)之间，该空腔可形成围绕轴的环形管道。空腔118内的流体几乎是静止流体，这使得在内部体积Vi内的工作流体的主流动流中发生的压力变化平均。例如，当流体进入气体发生器(另一装置120)时，可测量流体的压力，并且在动力涡轮机(装置110)的出口处可测量工作流体的压力。此外，可测量空腔118内的压力，其与工作流体在气体发生器出口处的压力相似。因此，通过比较测得的压力值，可指示气体发生器(另一装置120)与动力涡轮机(装置110)的相对气动性能。如上所述，这可通过位于空腔118中的简单的压力表接头来实现，该简单的压力表接头不受内部体积Vi内的旋转叶片116和静叶片115的湍流的影响。
装置110包括轴，另一装置120包括另一轴。所述轴与另一轴在功能上彼此独立地机械脱离。因此，燃气涡轮机100可具有双轴发动机设计。通过独立于另一装置120制造装置110，可接近密封环113在内壳112和外壳111之间的装配位置，从而易于实现装配。
此外，如图1所示，静叶片115装配到内壳体112，其中，转子叶片116位于静叶片115排之间，转子叶片116安装到可旋转的涡轮机轴。
而且，外壳111可包括冷却空气入口117，用于使冷却空气输送进冷却管道114内或使冷却空气从冷却管道114输送出。
图2示出密封环113在装置110中的装配位置的详细视图。外壳111可包括环形沟槽，密封环113可装配进该环形沟槽中。在密封环113的径向内表面，密封环113抵靠内壳112的表面。因此，密封环113附接，用于隔离冷却管道114与外壳111的环境。
在图2所示的示例性实施例中，密封环113是内簧环，其夹紧到内壳112。密封环113的例如由内壳112的热膨胀引起的轴向运动仍是有可能的。此外，提供了密封环113的径向外表面和外壳111之间的间隙，使得在不需要按压密封环113的情况下，内壳112或外壳111的径向热膨胀仍是可能的。
此外，如图2所示，外壳111的轴向表面可包括到内壳112的距离x，使得可从外壳111的环境看到密封环113。因此，提供了对弹簧环113的可接近性，并且合适地制造并装配密封环113是可能的。
应注意，术语“包括”并不排除其它元件或步骤，“一个”及其变体并不排除复数个。还可以组合不同实施例中描述的元件。还应注意，权利要求书中的参考标号不应理解为限制权利要求的范围。

Claims (7)

1.燃气涡轮机(100)，包括：
装置(110)；
其中，所述装置(110)包括外壳(111)、内壳(112)和密封环(113)，
其中，所述外壳(111)和所述内壳(112)布置成冷却管道(114)形成在外壳和内壳之间，以及
其中，所述密封环(113)布置在外壳(111)和内壳(112)之间，使得所述密封环(113)使冷却管道(114)与包围外壳(111)的环境密封隔离，以及
另一装置(120)，
其中，所述装置(110)和所述另一装置(120)安装在一起，使得工作流体可以从所述另一装置(120)流向所述装置(110)，
其中，所述装置(110)包括可旋转轴，所述另一装置(120)包括另一可旋转轴，
其中，所述可旋转轴和所述另一可旋转轴彼此机械地脱离，以及
其中，所述密封环(113)专门抵靠所述装置(110)的内壳(112)和外壳(111)。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮机(100)，
其中，所述密封环(113)布置在所述外壳(111)和所述内壳(112)之间，使得从包围外壳(111)的环境中可以部分地看到所述密封环(113)。
3.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机(100)，
其中，所述密封环(113)是内簧环，所述内簧环夹紧到内壳(112)，使得所述内簧环的夹紧力传递给内壳(112)。
4.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机(100)，
其中，所述密封环(113)是外簧环，所述外簧环夹紧到外壳(111)，使得所述外簧环的夹紧力传递给外壳(111)。
5.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机(100)，
其中，所述装置(110)包括动力涡轮机，以及
其中，所述另一装置(120)包括气体产生器。
6.如权利要求1或2所述的燃气涡轮机(100)，
其中，所述装置(110)包括由内壳(112)包围的内部体积(Vi)，其中工作流体流过所述内部体积(Vi)，
其中，所述另一装置(120)包括另一内壳(122)和另一外壳(121)，
其中，所述装置(110)和所述另一装置(120)安装在一起，使得一空腔(118)形成在所述装置和所述另一装置(120)之间，
其中，所述空腔(118)由所述内壳(112)、所述另一内壳(122)、所述外壳(111)和所述另一外壳(121)包围，
其中，所述空腔连接到内部体积(Vi)。
7.制造用于燃气涡轮机(100)的装置(110)的方法，所述方法包括：
在所述装置(110)的外壳(111)和所述装置(110)的内壳(112)之间形成冷却管道(114)；
在外壳(111)和内壳(112)之间布置密封环(113)，使得所述密封环(113)使冷却管道(114)与包围外壳(111)的环境密封隔离；
将所述装置(110)和另一装置(120)安装在一起，使得工作流体可以从所述另一装置(120)流向所述装置(110)，
其中，所述装置(110)包括可旋转轴，所述另一装置(120)包括另一可旋转轴，
其中，所述可旋转轴和所述另一可旋转轴彼此机械地脱离，以及
其中，所述密封环(113)专门抵靠所述装置(110)的内壳(112)和外壳(111)。
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