CN103688023B - 用于燃气轮机燃烧系统过渡导管的密封件 - Google Patents

用于燃气轮机燃烧系统过渡导管的密封件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于气轮机燃烧系统过渡件(28)的出口框架(48)的上下翼展(48A,48B)的各个密封件(54,78)。每个密封件具有由密封材料形成的第一带材(55,79)和第二带材(66,88)。每个密封件的两个带材沿着共同边缘连接在一起。第二带材是柔性的，大体平行于第一带材，并且具有沿其自由边缘的弯边(72,90)。这形成了弹簧夹，该弹簧夹将出口框架的轨道(68,86)夹紧在每个密封件的弯边和第一带材之间。舌片从每个密封件的第一带材轴向向后地延伸，用于插入到气轮机进口支承结构(52,76)中的圆周狭槽(58,82)之中，由此密封通到气轮机进口的过渡件(46)，用于高效运行气轮机。

Description

用于燃气轮机燃烧系统过渡导管的密封件
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年5月20日提交的美国申请No.61/488,209的优先权，该申请通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及燃气轮机的燃烧段中的密封件，并且具体地涉及在过渡导管和气轮机进口之间的上下密封件。
背景技术
典型的工业用燃气涡轮发动机具有以环形阵列围绕发动机轴采用“环管（canannular）”构造的多个燃烧室。各个阵列的过渡导管，又称为过渡件，将每个燃烧器的出流连接到气轮机进口。每个过渡件为管状结构，用以接通燃烧室和涡轮段之间的燃烧气体流动。
燃烧系统和涡轮段之间的对接发生在每个过渡件的出口端和气轮机的进口之间。安装在外和内弯曲平台之间的一个或多个涡轮叶片被称作喷嘴。挡圈（Retainerrings）将一组喷嘴保持为环形阵列，用于气轮机的每一级。位于每个过渡件的出口框架上的上下密封件抵靠第一级喷嘴的相应外和内挡圈密封，以减少在发动机的燃烧段和涡轮段之间的泄露。这些密封件通常在它们的狭槽中具有足够的余隙，以允许出口框架和挡圈之间的相对动态运动和差别的热膨胀。为此，这样的密封件可以叫做“浮动密封件”。但是，这样的余隙增大了穿过密封件的气体泄漏，由此降低了发动机效率。
附图说明
下面参考附图描述了本发明，在图中：
图1是其中可采用本发明实施方式的示例性燃气涡轮发动机的示意图。
图2是燃烧系统过渡件的后部透视图。
图3是沿着图2的线3-3截取的过渡出口框架的上翼展和密封件的截面图。
图4是沿着图2的线4-4截取的过渡出口框架的下翼展和密封件的截面图。
图5是用于过渡出口框架的上密封件的前/侧透视图。
图6是用于过渡出口框架的下密封件的前/侧透视图。
具体实施方式
图1是示例性燃气涡轮发动机20的示意图，其可包括压缩机22、在盖组件24内的燃料喷射器、燃烧室26、过渡件28、涡轮段30和发动机轴32，气轮机30通过发动机轴32驱动压缩机22。多个燃烧器组件24、26、28以环管设计布置为环形阵列。在运行期间，压缩机22吸入空气33，并且将压缩空气37流经由扩散器34和燃烧器增压室（combustorplenum）36提供到燃烧器进口23。盖组件24内的燃料喷射器将燃料与压缩空气混合。该混合物在燃烧室26中燃烧，产生热的燃烧气体38，也称为工作气体，燃烧气体38经由过渡件28的出口框架48和气轮机进口29之间的密封连接而穿过过渡件28到达气轮机30。扩散器34和增压室36可以围绕发动机轴32以环形延伸。压缩后的空气流37在燃烧器增压室36中具有比在燃烧室26和在过渡件28中的工作气体38更高的压力。
图2是示例性过渡件28的透视图，其可包括界定工作气体路径42的罩或者过渡件主体40。过渡件主体40可具有各种的横截面几何结构，包括圆形或者矩形。例如，上游端44可以为圆形，而下游端46可以是具有曲率的近似矩形以匹配气轮机进口曲率。出口框架48可以通过焊接或者其它手段连接到过渡件28的下游或者出口端。出口框架48的上下翼展48A、48B被认为具有“圆周的”曲率和范围或者长度。“圆周的”在本文中是指大体上沿着在气轮机轴线上对中并且位于气轮机轴的垂直面中的圆的圆周或与之相切。出口框架48经由上下密封件54、78与气轮机入口喷嘴挡圈（本图中未示出）匹配。出口框架48可以通过螺栓连接到挡圈。对于实现发动机效率和性能目标，将出口框架和气轮机进口金属器件之间的泄露降至最小是关键的。
图3是沿着通过组装在径向的外挡圈52或者其它气轮机进口结构上的出口框架48的上翼展48A的轴向/径向平面（图2中的截面3-3）截取的截面图。“轴向”和“径向”在本文中是相对于气轮机轴线而言。轴向/径向平面是包括气轮机轴线和从轴线延伸的半径的平面。上密封件54可以包括由密封材料制成的第一带材55，其带有配合在外挡圈52的周向延伸槽58中的轴向延伸的舌片（tab）56。密封材料可以是金属合金、陶瓷材料、金属陶瓷材料或者本领域已知的其它合适材料。如本领域已知的，一个或多个耐磨垫60、62、64或者涂层可以连接或者施加到上密封件54和/或相邻的接触面。这样的垫/涂层60、62、64可以由例如金属织品或金属涂层形成。上密封件54的第一带材55可具有平坦中间部66，平坦中间部66接触周向的上部或者径向地外部的轨道68的平坦后部表面或者其上的垫/涂层64。该轨道68具有在出口框架48的上翼展48A上径向向外地延伸的高度。
上密封件54可以包括沿着两个带材的共同边缘65从第一带材55悬垂的第二带材70。第二带材70可以大体平行于第一带材55的平坦中间部66。第二带材70和平坦中间部66一同形成弹簧夹，该弹簧夹可以滑过上部轨道68。第二带材70具有带有弯曲部的自由边缘或者远端边缘，该弯曲部沿着自由边缘的至少一部分形成脊或者弯边（ridgeorbead）72，弯边72沿着与上部轨道68的向前表面的接触线密封。第二带材70抵靠上部轨道68的向前表面弹性地挠曲，由此维持沿着接触线74的恒定密封，同时允许在出口框架48的上翼展48A与外挡圈52之间的相对移动。耐磨涂层或者垫（未示出）可以沿着该接界连接或施加到弯边72或者上部轨道68。
图4是沿着通过组装在径向的内挡圈76或者其它气轮机进口结构上的出口框架48的下翼展48B的轴向/径向平面截取的截面图。下密封件78可以包括由密封材料制成的第一带材79，其带有配合在下挡圈76的周向延伸槽中的轴向延伸的舌片80。如本领域已知的，一个或多个耐磨垫60、63、64或者涂层可以连接或者施加到下密封件78或者相邻的接触面。这样的垫/涂层60、63、64可以例如由金属织品或者金属涂层形成。下密封件78的第一带材79可具有平坦中间部84，平坦中间部84接触周向的下部或者径向地内部的轨道86的平坦后部表面或其上的垫64。该轨道86具有在出口框架48的下翼展48B上径向向内地延伸的高度。
下密封件78可以包括沿着两个带材的共同边缘81从第一带材79的边缘悬垂的第二带材88。第二带材88可以大体平行于第一带材79的平坦中间部84。第二带材88和平坦中间部84一同形成弹簧夹，该弹簧夹可以滑过下部轨道86。第二带材88具有带有弯曲部的自由边缘或者远端边缘，所述弯曲部沿着自由边缘的至少一部分形成脊或者弯边90，弯边90沿着与下部轨道86的向前表面的接触线92密封。第二带材88抵靠下部轨道86的向前表面弹性地挠曲，由此维持沿着接触线92的恒定密封，同时允许在出口框架48的下翼展48B和内挡圈76之间的相对移动。耐磨涂层或者垫（未示出）可以沿着该接界连接或者施加到脊或者弯边90或者下部轨道86。
图5是前述的上密封件54的示例性实施方式的透视图。一个或多个托座（brackets）或者舌片94可以连接到上密封件54，以沿着至少圆周方向（沿其长度）来保持上密封件54。图6是前述的下密封件78的示例性实施方式的透视图。一个或多个托座或者舌片96可以连接到下密封件78，以沿着至少圆周方向（沿其长度）来保持下密封件78。
每个相应的密封件54、78的第一带材55、79可以比第二带材70、88更为刚性，因为第一带材55、79与第二带材70、88相比具有更大的厚度和/或不同的材料。例如，第一带材可以是具有第一厚度的金属陶瓷材料，而第二带材可以是具有比第一厚度更薄的第二厚度的金属合金。第二带材70、88可以例如通过点焊、扩散结合（diffusionbonding）、瞬时液相结合（transientliquidphasebonding）或者其它已知的手段连接到第一带材55、79。这样制备允许将不同的合金和制造技术用于第一带材55、79和第二带材70、88，以实现两个部分的专门化或者定制。例如，更为刚性的第一带材55、79能够维持密封件的形状，而更为柔性的第二带材70、88提供了弹性预加荷载。为了制备的经济性，第一带材55、79可以通过铸造形成，而第二带材70、88可以通过金属板模切和冲压（sheetmetaldie-cuttingandstamping）来形成。
所形成的上下密封件54、79在极限热运行条件下提供了一致的密封，且防止了在燃烧系统和涡轮系统金属器件之间的不期望荷载传递。弹簧加载的夹紧设计提供了预张紧，以抵靠出口框架48牢固地密封。由此，这些密封件通过减少泄露改进了燃烧系统的效率。为使发动机效率最大化并且使维修成本最小，本上下出口框架密封件允许在过渡件和气轮机进口之间的相对运动，同时维持密封和磨损特性。
虽然本文已经示出和说明了本发明的各种实施方式，但显而易见的是，这些实施方式仅以举例给出。在不偏离本文中本发明的情况下，可进行多种变化、改变和替换。因此，本发明意图仅由附加权利要求的精神和范围限定。

Claims (19)

1.一种气轮机燃烧系统，包括过渡出口框架、气轮机进口和密封件，所述密封件包括：
第一带材，所述第一带材沿着过渡出口框架的上翼展或者下翼展的轨道的圆周长度延伸；
舌片，所述舌片从所述第一带材的中间部沿着所述过渡出口框架和所述气轮机进口之间的间隙轴向地延伸并且延伸到所述气轮机进口的挡圈中的周向延伸槽之中；
第二带材，所述第二带材从所述第一带材悬垂；
所述第二带材和所述第一带材的中间部沿着所述轨道的圆周长度形成弹簧夹；并且
所述第二带材包括弯边，其中所述轨道被柔性地夹紧在所述弯边和所述第一带材的中间部之间。
2.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述舌片形成所述第一带材的第一边缘，并且所述第二带材沿着所述第一带材的第二边缘连接到所述第一带材。
3.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第一带材的中间部是平坦的，并且接触所述轨道的后部表面。
4.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述密封件还包括布置在所述第一带材与所述轨道和所述挡圈中的至少一个之间的耐磨材料。
5.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述密封件还包括布置在所述第二带材和所述过渡出口框架之间的耐磨材料。
6.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第一带材比所述第二带材更厚。
7.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第一带材和第二带材由分别不同的材料形成。
8.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第二带材沿着两个带材的共同边缘通过焊接或者扩散结合而连接到所述第一带材。
9.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第一带材由第一金属合金铸成，所述第二带材由第二金属合金通过冲压形成，所述第二带材沿着所述第一带材和第二带材的共同边缘通过焊接或者扩散结合而连接到所述第一带材，并且所述第一带材比所述第二带材更厚且更为刚性。
10.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述轨道具有从所述上翼展径向向外地延伸的高度。
11.根据权利要求1所述的气轮机燃烧系统，其中，所述轨道具有从所述下翼展径向向内地延伸的高度。
12.一种气轮机燃烧系统，包括过渡出口框架、气轮机进口和密封件，所述密封件包括：
弹簧夹，所述弹簧夹覆盖过渡件出口框架的上翼展或者下翼展的轨道的圆周长度，其中所述轨道具有从所述上翼展径向向外地或者从所述下翼展径向向内地延伸的高度；
所述弹簧夹包括第一材料带材，所述第一材料带材与所述轨道的后部表面接触；
所述弹簧夹包括第二材料带材，所述第二材料带材沿着第一带材和第二带材的共同边缘与所述第一带材相连，所述弹簧夹被构造成使得所述共同边缘从所述过渡出口框架的上翼展或者下翼展的轨道向外定位；
弯曲部，所述弯曲部沿着所述第二材料带材的提供接触弯边的自由边缘，其中所述轨道通过所述弹簧夹的弹性挠曲被夹紧在所述接触弯边和所述第一材料带材之间；和
舌片，所述舌片从所述第一材料带材沿着其圆周长度轴向向后地延伸。
13.根据权利要求12所述的气轮机燃烧系统，其中，所述舌片配合到气轮机进口挡圈中的周向槽之中。
14.根据权利要求12所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第二带材通过所述弯边抵靠所述轨道的向前表面的接触压力而弹性地挠曲。
15.根据权利要求12所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第一带材比所述第二带材更厚且更为刚性。
16.根据权利要求12所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第一带材和第二带材由分别不同的金属合金形成。
17.根据权利要求12所述的气轮机燃烧系统，其中，所述第二带材沿着所述共同边缘通过焊接或者扩散结合而连接到所述第一带材。
18.根据权利要求12所述的气轮机燃烧系统，其中：
所述第一带材被铸成；
所述第二带材通过金属板模切和冲压形成；
所述第二带材沿着所述共同边缘通过焊接或者扩散结合而连接到所述第一带材；并且
所述第一带材比所述第二带材更厚。
19.根据权利要求12所述的气轮机燃烧系统，其中，所述密封件还包括布置在所述弹簧夹的至少一部分和所述轨道之间的耐磨材料。
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