CN103688090A - 气轮机密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封件带材(60A,60B,60C,60F,60G,60H,60J)，具有无孔的宽度翼展部分(64)、第一和第二圆形边缘(65,66)以及位于圆形边缘之间的一个或多个带材加厚元件(67,68,74,76,82,84,90,91)。带材加厚元件可具有用于提高带材柔性的横向槽(80,86,88,93L,93R,72,78)。带材加厚元件还可以具有容纳冷却剂和/或减重的穿孔(92)或者间隙(69)。卷折的实施方式(60A,60B)可具有位于宽度翼展部分(64)上的凹座(70)以限制卷折部分(67,68,74,76)的弯曲。密封件可以可滑动地安装于相应的相邻气轮机部件(54A,54B)中的对置槽(58A,58B)之中，填充槽的宽度(W)，并且密封件的侧面可以被压缩空气(48)冷却。

Description

气轮机密封件

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.61/488,249的优先权，该申请通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及位于燃气涡轮发动机的部件之间的密封件，并且具体地涉及位于沿着涡轮段中的燃烧气体流路的气冷部件之间的密封件。

背景技术

燃气涡轮发动机设计成从燃烧气体的流束中提取能量。涡轮的效率与整个系统内的能量损失成正比。发动机的涡轮段提供了流束的固定边界以及将流束能量转换成为机械能用于工作的旋转元件两者。涡轮效率要求密封流路，以防止燃烧气体能量流出。在相邻的气轮机部件之间的密封件设计成完成这一任务，并且可以允许对部件冷却的精确控制。相邻的气轮机部件能够通过热膨胀和对外部和内部环境的动态响应而相对于彼此移动。这些相对位移会使得部件之间的密封件磨损。

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燃气涡轮发动机的局部侧面截面图。

图2是诸如涡轮叶片的平台的、两个周向相邻的气轮机部件的示意性截面图。

图3是根据本发明的方面的密封件实施方式的横向截面图。

图4是带有偏转限制凹座（deflection-limiting dimples）的密封件实施方式的截面图。

图5是带有用于密封件柔性化的横向槽的密封件实施方式的透视图。

图6是根据本发明的方面的另一密封件实施方式的横向截面图。

图7是图6的密封件实施方式的透视图。

图8是带有偏转限制凹座的密封件的截面图。

图9是图6的密封件实施方式的透视图，带有在密封件的至少一个卷折部分上用于柔性化的横向闭合槽。

图10是图6的密封件实施方式的透视图，带有在密封件的至少一个卷折部分上用于柔性化的横向开口槽。

图11是根据本发明的方面的另一密封件实施方式的横向截面图。

图12是图11的密封件实施方式的透视图。

图13是根据本发明的方面的另一密封件实施方式的横向截面图。

图14是图13的密封件实施方式的透视图，带有在至少一个密封件加厚部中的冷却穿孔和柔性槽。

图15是根据本发明的方面的另一密封件实施方式的横向截面图。

图16是图15的密封件实施方式的透视图。

具体实施方式

现有的气轮机密封件的实施方式通过紧贴地配合到密封槽中来使得密封作用最大化。它们也具有用于增大柔性以将部件之间通过密封件的荷载传递减到最小的特征。它们允许针对各应用和位置来定制密封件刚性。

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20的局部侧面截面图。发动机20可以包括压缩机段22、燃烧段24和涡轮段26。每个燃烧器28具有上游端30和下游端32。过渡导管34和中间出口件35将燃烧气体36从燃烧器传送到涡轮段26的第一排翼面（airfoils）37。第一排翼面37依据气轮机设计可以是静止叶片38或者转动叶片40。压缩机叶片42由涡轮机叶片40经由共同的轴44驱动。燃料46进入每个燃烧器。压缩空气48进入围绕燃烧器的增压室50。它进入燃烧器的上游端30，并且与燃料混合用于燃烧。压缩空气48另外沿着燃烧器28和过渡导管34衬里流动用于冷却。压缩空气48具有比燃烧器和过渡导管34中的燃烧气体36更高的压力。

气轮机静止叶片38附接至径向的内平台52和外平台54。术语“径向地”在本文中是相对于轴44的旋转轴线56而言。内平台52的环形阵列可以形成具有径向内罩（inner shroud）的环状部，该径向内罩是燃烧气体在穿过气轮机叶片40时的燃烧气体路径的径向内界面。外平台54的环形阵列可以形成具有径向外罩的环状部，该径向外罩是燃烧气体在穿过气轮机叶片40时的燃烧气体路径的径向外界面。密封件用在每个环形阵列中的周向相邻的平台52、54之间，用在相邻的罩环（shroud rings）之间，以及用在燃烧气体流路中的其它相邻部件之间。压缩空气48流过各个增压室和通道，以抵达整个涡轮段26的冷却区域，这可以包括冲击在外平台54上和穿过那些平台54进入到叶片38中。

图2示出了示例性密封件60A的示例性应用，示例性密封件60A可以定位在两个周向相邻的气轮机部件54A、54B之间，诸如由压缩空气48冷却的叶片外平台。密封件60A可滑动地安装到位于相应的部件54A、54B中的对置的槽58A、58B之中。密封件可以填充槽58A、58B的宽度W。并不必需填充两个槽的深度D。相反，它可以具有深度余隙，以允许部件54A、54B的相对周向移动和热膨胀。

图3是示例性密封件60A的横向截面图。密封件60A可以形成为如图5所示的带材，带有无孔的宽度翼展部分64，以及从相应的第一圆形边缘和第二圆形边缘65、66向内卷折的第一卷折部分和第二卷折部分67、68，卷折部分可以从相应的第一圆形边缘和第二圆形边缘65、66悬置。在一实施方式中，卷折部分67、68可以如此定向，使得一个或两者平行于或大致平行于无孔的宽度翼展部分64。替代实施方式的密封件60A允许卷折部分67、68相对于无孔的宽度翼展部分64以某个角度定向，诸如以锐角定向，以适应各种大小的槽58A、58B。间隙69可以将卷折部分67、68的近端边缘分开，如图所示。间隙69可以布置在形成密封件60A的带材的冷却侧，如图2所示，用于允许冷却剂进入密封件以接触无孔的宽度翼展部分64的表面。在本文中，“带材的冷却侧”是指当安装带材时密封件带材的朝向冷却剂48的一侧。在本文中，“带材的热侧”是暴露于热的燃烧气体的与冷却侧相反的一侧。

本发明的实施方式可以包括卷折部分的不同构造，诸如图3-5所示的卷折部分67、68和图6-10所示的那些卷折部分74、76。无孔的宽度翼展部分64和本文中的卷折部分67、68、74、76可以是高温密封件领域中已知的任意材料制成的板材，诸如镍或钴基高温合金，例如

25,188或者230合金。牺牲耐磨层（sacrificial wear layer）63可以设置在本发明的密封件实施方式的外表面上，或者设置在外表面的选定部分上，诸如密封件实施方式的顶部和底部外表面，如图3中所示，以提高在高磨损环境下的密封件寿命。一个或多个耐磨层63可以限于外表面，以促进对于密封件的内表面61的冷却。例如，耐磨层63可以是MCrAlY合金，其中M选自Ni、Co、Fe和它们的混合物的组，而Y能够包括钇Y以及La和Hf。

图4示出了带有凹座70的示例性密封件带材的实施方式60B，凹座70可以一体地形成在无孔的宽度翼展部分64上，如图所示。这些凹座70提供了在运送或操作期间限制密封件的卷折部分67、68的弯曲的止动部，由此防止非弹性变形。

图5是密封件带材实施方式60A的透视图，其中多个横向槽72设置在卷折部分67、68中用于密封件60A的柔性化。槽72可以向间隙69开放，并且它们可具有一个或两个增大的闭合端73以减少应力集中。在一示例性实施方式中，这些槽72仅布置在密封件60A的冷却侧，并且在无孔的宽度翼展部分64中不存在槽或者其它孔。

图6是示例性密封件实施方式60C的横向截面图。示例性密封件60C可以形成为带材，如图7所示，具有无孔的宽度翼展部分64和绕相应的第一圆形边缘和第二圆形边缘65、66沿相应的相反方向卷折的第一卷折部分和第二卷折部分74、76，卷折部分74、76可从圆形边缘65、66悬置。卷折部分74、76可以在无孔的宽度翼展部分64的相反侧与无孔的宽度翼展部分64平行地定向。图7是密封件实施方式60C的透视图。该实施方式可以称为三折叠密封件，因为它具有三个叠加层64、74和76。

图8示出了示例性三折叠密封件实施方式60F，其中凹座70可以沿相反方向一体地形成在无孔的宽度翼展部分64上，在卷折部分74、76的自由端75、77附近，如图所示。凹座70可以接触卷折部分74、76，以支撑它们并且保持密封件厚度。这样的凹座70可用在图7、9和10中所示的任一实施方式中。

图9示出了三折叠实施方式，其中横向槽78设置在第一卷折部分74上，用于密封件的柔性化。每个槽78具有两个闭合端73，诸如先前所述的，该闭合端73可以相对于槽78增大。这样的槽78可以任选地也包括在第二卷折部分76上。

图10示出了三折叠实施方式，其中横向槽80设置在第一卷折部分74上，用于密封件的柔性化。每个槽80可具有朝向第一卷折部分74的远端边缘79开放的一个端部。每个槽80可以包括闭合端73，闭合端73可以如前所述地增大。这样的槽80可以任选地也包括在第二卷折部分76上。在另一实施方式中，图9的闭合端槽78可以设置在一个卷折部分74上，而图10的开口端槽80可以设置在另一卷折部分76上。

图11示出了密封件带材的实施方式60G，具有无孔的宽度翼展部分64、第一圆形边缘和第二圆形边缘65、66以及第一带材加厚部和第二带材加厚部82、84，其中在它们之间形成中央间隙85。每个加厚部82、84可具有相应系列的横向的开放端的槽86、88，用于密封件的柔性化。图12是图11的实施方式60G的透视图。

图13示出了密封件带材的实施方式60H，具有无孔的宽度翼展部分64、在横截面中可以为钩状的第一圆形边缘和第二圆形边缘65、66、以及位于无孔的宽度翼展部分64的相应相反侧的第一带材加厚部和第二带材加厚部90、91。钩状的边缘65、66提高密封件带材的宽度方向可压缩性。具有钩状边缘的所示示例并不意图是限制性的，并且术语“钩状”意图包括提供一定程度的宽度方向可压缩性的其它弯曲形状。

图14是图13的密封件带材实施方式60H的透视图。一个或两个加厚部90、91可以由以与宽度翼展部分64的材料相同或不同的材料制成的板形成。一个或两个加厚部90、91可以例如以蜂巢式几何结构被穿孔92，用于冷却和减重。穿孔92可以从加厚部的外表面延伸直到无孔的宽度翼展部分64的至少位于密封件的冷却侧的表面。一个或者两个加厚部90、91可具有横向槽93L、93R，用于密封件的柔性化。中央连接器94可以布置在每对左槽和右槽93L、93R之间，以便于运送和装配。连接器94连接加厚部90的两个相邻部分，否则这两个相邻部分被槽93L、93R分离。替代地，左槽和右槽可以互相不对准。

图15示出了密封件带材的示例性实施方式60J，具有无孔的宽度翼展部分64、在横截面中可以为钩状的第一圆形边缘和第二圆形边缘65、66、以及位于无孔的宽度翼展部分64的热侧的单个带材加厚部91。带材加厚部可以如关于图13的元件90所示地制成有槽，用于密封件的柔性化，并且也可以穿孔用于减重。图16是图15的密封件带材实施方式60J的透视图。

本文的所有密封件实施方式包括带材60A、60B、60C、60F、60G、60H、60J，依据实施方式，所述带材具有无孔的宽度翼展部分64、第一圆形边缘和第二圆形边缘65、66以及位于圆形边缘之间的一个或多个带材加厚元件67、68、74、76、82、84、90、91。带材加厚元件可具有用于提高带材的柔性的横向槽80、86、88、93L、93R、72、78。这些槽的大小和数目可以针对给定的柔性要求来定制。带材加厚元件还可以具有用以容纳冷却剂和/或减重的穿孔92或者间隙69。本文的任意实施方式均可以具有牺牲磨损表面63，牺牲磨损表面63位于密封件的外表面上或者位于密封件的顶部外表面和底部外表面上，以提供在高磨损环境下的密封件寿命。高温合金和/或其它已知的高温密封材料可用以形成本文的密封件的元件。

一个或多个带材加厚部可以与无孔的宽度翼展部分成一体，如在实施方式60A、60B、60C、60F和60G中那样，或者可以是被点焊到或另外地被结合到无孔的宽度翼展部分的板，如在实施方式60H和60J中那样。在任一示例中，一个或多个带材加厚部可以是无纺的，从而避免在磨损时可能断开的纤维。板90、91可以通过扩散结合或者瞬时液相结合（transientliquid phase bonding）而结合到无孔的宽度翼展部分，从而提供分布开的均一结合。板90、91可以包括金属合金、陶瓷和/或金属陶瓷材料。不能机织的材料或者在机织时更为昂贵的材料可以被包括在板90、91的材料选择的范围中。

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 (20)

1.一种密封装置，包括：

带材，所述带材包括无孔的宽度翼展部分、第一圆形边缘和第二圆形边缘以及位于所述圆形边缘之间的至少一个无纺带材加厚部。

2.根据权利要求1所述的密封装置，其中，所述至少一个带材加厚部包括一系列横向槽。

3.根据权利要求1所述的密封装置，其中，所述至少一个带材加厚部包括第一卷折部分和第二卷折部分，所述第一卷折部分和第二卷折部分在所述无孔的宽度翼展部分之上分别地从所述第一圆形边缘和第二圆形边缘向内朝向彼此卷折，在所述卷折部分的近端边缘之间形成中央间隙。

4.根据权利要求3所述的密封装置，其中，每个所述卷折部分包括一系列横向槽。

5.根据权利要求4所述的密封装置，其中，所述带材可滑动地安装到两个相应的相邻气轮机部件中的两个对置槽之中，其中所述带材填充所述对置槽的一宽度，并且所述卷折部分布置在所述带材的冷却侧。

6.根据权利要求3所述的密封装置，其中，所述无孔的宽度翼展部分包括朝向所述卷折部分延伸的多个凹座，其中所述凹座限制所述卷折部分朝向所述无孔的宽度翼展部分的弯曲。

7.根据权利要求1所述的密封装置，其中，所述至少一个带材加厚部包括第一卷折部分和第二卷折部分，所述第一卷折部分和第二卷折部分分别地在所述无孔的宽度翼展部分的相反侧绕所述第一圆形边缘和第二圆形边缘沿相反方向向内地卷折到位。

8.根据权利要求7所述的密封装置，其中，所述卷折部分中的至少一个包括向所述至少一个卷折部分的远端边缘开放的一系列横向槽。

9.根据权利要求7所述的密封装置，其中，所述卷折部分中的至少一个包括一系列横向槽，其中每个槽具有两个闭合端。

10.根据权利要求7所述的密封装置，其中，所述无孔的宽度翼展部分包括朝向相应的第一卷折部分和第二卷折部分沿相反方向延伸的凹座，其中所述凹座限制所述卷折部分朝向所述无孔的宽度翼展部分的弯曲。

11.根据权利要求1所述的密封装置，其中：

所述至少一个带材加厚部包括从相应的圆形边缘向内延伸的第一带材加厚部和第二带材加厚部，并且还包括：

在所述第一带材加厚部和第二带材加厚部之间的中央间隙；和

位于每个带材加厚部上的一系列横向槽，其中每个槽向所述中央间隙开放。

12.根据权利要求1所述的密封装置，其中：所述至少一个带材加厚部包括与所述无孔的宽度翼展部分的侧面相连的第一板，并且其中所述第一圆形边缘和第二圆形边缘在所述密封装置的横向截面图中为钩状。

13.根据权利要求12所述的密封装置，其中，所述第一板包括横向槽的阵列和穿孔的阵列。

14.根据权利要求12所述的密封装置，其中，所述至少一个带材加厚部还包括第二板，所述第二板结合到所述无孔的宽度翼展部分的与所述第一板反向的一侧。

15.根据权利要求1所述的密封装置，其中，所述至少一个带材加厚部仅被布置在所述带材的仅单侧上。

16.根据权利要求15所述的密封装置，其中，所述第一圆形边缘和第二圆形边缘在所述密封装置的横向截面图中为钩状。

17.一种密封装置，包括：

带材材料，所述带材材料带有无孔的宽度翼展部分以及与所述宽度翼展部分关联的第一无纺带材加厚部；

所述带材包括对置的第一圆形边缘和第二圆形边缘；和

在所述第一带材加厚部中形成且不穿过所述无孔的宽度翼展部分的穿孔、槽或者间隙。

18.根据权利要求17所述的密封件，还包括第二无纺带材加厚部，所述第二无纺带材加厚部与所述宽度翼展部分关联，并且包括不穿过所述无孔的宽度翼展部分的其它穿孔或者槽。

19.根据权利要求18所述的密封件，其中，所述对置的第一圆形边缘和第二圆形边缘以及所述第一带材加厚部和第二带材加厚部与所述宽度翼展部分一体地形成。

20.一种密封装置，包括：

带材，所述带材包括无孔的宽度翼展部分、位于所述宽度翼展部分的相反侧的第一圆形边缘和第二圆形边缘以及位于所述圆形边缘之间的至少一个无纺带材加厚部；

牺牲耐磨层，所述牺牲耐磨层在所述带材的顶部外表面和底部外表面上，但不在所述带材的任何内表面上；和

其中所述至少一个带材加厚部包括多个穿孔或者横向槽。

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