CN103925014B - 用于克服热气体引走而密封开口腔的布置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于克服热气体引走而密封开口腔的布置，其中，所述开口腔布置在径向地限制旋转流动机器的热气体通路的两个轴向地相邻的静止构件之间，其中至少下游的构件承载径向地延伸到所述热气体通路中的至少一个翼型件，并且多个空气射流被引导到所述开口腔中，使得防止在开口腔上流动的热气体完全渗透到开口腔中。本发明的特征在于用于空气射流的供应导管的特别布置，空气射流以射流动量被引导到开口腔中，使得诱导热气体不进入开口腔且从而在所述开口腔内形成接近所述热气体通路的至少一个热气体涡流，且从而防止热气体超过热气体涡流的延伸部渗透到所述开口腔中。

Description

用于克服热气体引走而密封开口腔的布置

技术领域

本发明涉及一种用于克服热气体引走(entrainment)而密封开口腔的布置，其中，所述开口腔布置在径向地限制旋转流动机器的热气体通路的两个轴向地相邻的静止构件之间，其中至少下游构件承载径向地延伸到所述热气体通路中的至少一个翼型件，且多个空气射流被引导到所述开口腔中，使得防止在开口腔上流动的热气体完全渗透到开口腔中。

背景技术

旋转流动机器(尤其是燃气涡轮)的设计需要静止并且/或者关于彼此而移动的构件的端对端(end-to-end)安装。出于功能原因，一个或更多开口腔或间隙(在涡轮的情况下，热气流在涡轮的热气体通路中在其上方流动)通常保留在这些构件之间。由于热气体的高温，故必须不惜任何代价避免热气体渗透到构件之间的开口腔中，热气体的高温通常甚至高于最大可允许材料温度。作为与和腔相邻的构件的热交换结果而仍然渗透到腔中的热气体因此可导致这些构件的不能容许的高温。这又是构件损伤的原因，特别是以构件裂缝或这些构件的使用寿命的至少显著缩短的形式。

通常，借助于机械密封件，诸如，例如密封板、密封带、波纹管(bellow)和弹簧加载密封件，或甚至借助于流体动力密封的布置，这些开口腔已经克服热气体渗透而被密封。由于它们的接触操作原理，故机械密封件经受磨耗且因此仅具有有限的使用寿命。

在专利说明书GB855040和美国专利No.3,645,544中描述了密封布置，其中为了克服热气体渗透而密封间隙，次流体以此种方式供应到间隙中，使得涡流系统形成在间隙中。然而，在各个情况下描述的密封布置仅可用于两个构件之间的间隙，其中构件相对于彼此旋转且间隙在各个情况中在整个外周上延伸。

在EP1347153B1中公开了一种用于克服热气体渗透而密封间隙的另一种已知布置，其中涡流通过将额外的空气给送到两个轴向地相邻的构件之间的间隙中而产生，该构件各自至少部分地界定燃气涡轮的热气体通路。在优选实施例中，在一侧开口腔的形状中的间隙内部，室沿间隙的纵向方向布置，该室设计为具有圆形或椭圆形截面的旋转室，供应导管并入该旋转室中，空气穿过供应导管相对于涡流室内的涡流近似切向地喷射。该布置的密封功能基于间隙内部的强空气涡流，该空气涡流防止热气体进入间隙。

WO2009/083456A1描述了一种燃气涡轮，其具有围绕周边分布的冷却端口，穿过该冷却端口，冷却空气喷射到燃烧室出口的热气流中。为了改善此类燃气涡轮中的热气体中的流动状态，冷却空气端口再分为对应于导叶的布置的第一组冷却端口和对应于喷烧器的布置的第二组。

使用喷射到间隙中的阻挡空气流以便热气体被吹扫出间隙空气的那些已知的解决方案具有高空气消耗的缺点，这引起高操作成本且从而降低此类旋转流动机器的总效率。

EP1741877A1描述了一种用于燃气涡轮的涡轮热隔热罩和导叶，该燃气涡轮具有两个相邻构件之间的开口腔。隔热罩元件在下游方向上具有带冷却开孔的垂直弯壁(图4、图7)。在所述垂直壁与具有隔热罩的燃烧室的支承结构之间布置有残留间隙，该残留间隙允许操作期间的壁的移动和间隙的闭合。

文献EP0902164A1描述了一种具有引导叶片平台的平台冷却，该平台经受热气流，且由间隙与布置在上游的燃烧室节段分开，一个或更多节段冷却开孔布置在燃烧室节段中。节段冷却开孔将冷却空气室连接于间隙。引导叶片平台具有在间隙区域中的下游侧上的表面，一个或多个节段冷却开孔(多个开孔在周向方向上一个接一个地布置)的轴线与所述表面粗略相切地延伸。这意味着需要特殊的几何腔特征。所描述的平台冷却布置有利地用于具有小于5mm的宽度的间隙，优选为小于2mm。在EP0902164A1的图3中示出节段冷却开孔和平台冷却开孔交替地布置，以便沿周边相对于彼此而交错。

发明内容

本发明的总体目的为提供一种用于克服热气体引走而密封开口腔的布置，其将避免之前提到的缺点，尤其是仅借助于屏蔽空气流来减少所需空气量，以在开口腔处实现密封效果。

该目的通过在权利要求1中给出的布置来实现。本发明可通过从属权利要求中以及尤其涉及优选实施例的以下描述中公开的特征来有利地改变。

关于开口腔区域中的流动状态的重要方面涉及在翼型件上游占优势的压力状态，翼型件被旋转流动机器的热空气流冲击。在(例如导叶的)翼型件的前缘的上游，由于头波(bowwave)效应，非常高的压力在局部占优势，以至于热气体趋于以加强的方式渗透到开口腔中。为了防止在翼型件的直接前缘上游的此类热气体引走，建议在接近至少一个翼型件的地点处将大量空气射流给送到所述开口腔中。至少一个空气射流被引导到开口腔中，该开口腔具有如下流动方向，其沿轴向热气流的方向或轴向热气流的相反流动方向且相对于轴向热气流方向以角度θ倾斜，其中0°≤θ≤60°。此外，至少一个空气射流在所述开口腔内被引导到具有到热气体通路的距离h的开口腔中，取决于界定开口腔的构件的尺寸和几何状况，该距离h为大约5mm至100mm。

由于之前提到的头波效应，一些热气体将以如下渗透深度进入开口腔中，该渗透深度由供应导管的至少一个孔口(orifice)的地点给出，穿过该孔口，至少一个空气射流发射到开口腔中。由于空气射流朝渗透热气体倾斜，故空气射流使热气体引走能够开始涡流运动，即，至少一个空气射流触发渗透到开口腔中的热气体的涡流运动。主要由热气体构成的涡流由界定开口腔的轴向相邻布置构件的两个侧壁限制，并且还由在开口腔上流动的热气流且由至少一个空气射流径向地限制，该至少一个空气射流在具有到热气体通路的给定距离的地点处被引导到开口腔中。

一般技术水平使用被引导到热气体通路内的相邻布置构件的间隙中的空气流作为用于防止热气体引走进入间隙中的主要阻挡流体，以致于需要大量空气流，与其不同，本发明技术使用热气体自身作为阻挡介质以防止热气体进一步引走进入开口腔中，由此，被引导到开口间隙中的至少一个空气射流用作触发流，以使渗透的热气体能够用于进行涡流运动。本发明构想与以下优点相关联，即，在热气体引走内促使涡流运动的空气量明显少于使用如前所述的已知技术来防止热气体引走而投入的空气量。该优点还支持操作旋转流动机器的效率的提高，因为仅少量空气必须提供用于发明的密封机构。

由于局部压力升高而进入翼型件的前缘的上游区域中的开口腔的热气体通过至少一个空气射流的触发而以流体动力方式被迫使在开口腔的上区域内进行涡流运动，且沿周向方向从最高压力区域螺旋地传播，并在翼型件周向旁边离开开口腔。

用于产生热气体涡流的另一个重要方面关于空气射流动量，通过空气射流动量，至少一个空气射流穿过供应导管被引导到腔中，该供应导管行进穿过限制开口腔的两个构件中的一个。在由申请人实施的许多实验研究中，认识到空气量和空气射流进入开口腔的流速必须取决于旋转流动机器的热气体通路内的热气流来选择。通常，热气流具有0.05马赫与0.5马赫之间的流速V。马赫数代表流速与声速之间的比率。取决于热气体流速，具有0.1马赫与0.8马赫之间的流速的至少一个空气射流被引导到开口腔中。优选地，至少一个空气射流给送穿过并入开口腔中的供应导管，该供应导管具有0.4mm与3mm之间的直径d。

根据本发明的布置，界定开口腔的两个构件中的一个提供多个供应导管，以便多个空气射流进入开口腔。布置在轴向地界定开口腔的一个构件的侧壁处的供应导管中的各个的孔口空间地分布，使得大部分单空气射流在如下区域中进入开口腔，该区域沿轴向且沿周向方向接近翼型件，且空气射流沿周向方向离翼型件越远，则空气射流数目变得越少。在优选实施例中，大量单空气射流集合成在周向方向上沿一个构件的侧壁延伸的一排。各个供应导管的至少两个孔口在限定相互的间距p的情况下在周向方向上沿一排并排地布置，该相互的间距p为供应导管中的各个的孔口的2倍至20倍直径。当间距(在所述给定范围内)小时(这意味着接近所述给定范围的下限)，来自此种单排供应导管的空气射流足以阻挡热空气引走进入开口腔。

在另一个优选实施例中，多于一排布置在一个构件的侧壁处，优选为上至五个供应导管的孔口的径向分布的排，其中，相邻的排处于交错布置。然后，间距可为较大的(接近所述给定范围的上限)。

通常，开口腔提供轴向宽度w，轴向宽度w在5mm与30mm之间，且还提供周向延伸部，该周向延伸部在燃气涡轮布置的情况下完全围绕热气体通路环状地延伸。当阻挡热气体引走进入大约≤30mm的较大轴向腔宽度w时，空气节省尤其高。

本发明的另一个有利方面关于开口腔的简单设计，该开口腔具有在沿旋转流动机器的流动轴线的平面中的截面，该开口腔由近似平行且面对彼此的两个壁轴向地限制，且朝热气体通路开启。此外至少一个供应导管在两个壁中的一个处并入所述开口腔中。为了生成开口腔内部的热气体涡流，不需要复杂的流体引导元件或轮廓。在简单的实施例中，开口腔具有刚好为矩形几何形状的截面。为了避免热气体较深地渗透到开口腔中，界定开口腔的上游构件的边缘区域提供部分地与开口腔重叠的套环状延伸部。然而，下游构件的边缘区域以空气动力方式设计。

本发明的基本构想可应用于任何类型的旋转流动机器，优选为应用在燃气或蒸汽涡轮机上。优选地，旋转流动机器为燃气涡轮布置的涡轮或压缩机，且两个轴向地相邻的静止构件为隔热罩节段和导叶或连接到隔热罩节段或导叶上的密封构件。

在下文中将参照优选实施例来描述用于克服热气体引走来密封开口腔的本发明的布置的其它方面。

附图说明

随后将结合附图基于示范实施例来更详细地阐释本发明。附图

图1a、b示出穿过沿旋转流动机器的轴向方向限制开口腔的两个构件的示意性截面图，和承载翼型件的构件的示意性轴向视图；

图2a、b示出在轴向截面上且在径向方向上限制开口腔的两个构件的优选实施例，并且

图3a-d示出用于将空气射流喷射到开口腔中的不同实施例。

参考标号列表

1构件、隔热罩节段

2构件、导叶平台

2'侧壁

2''凸出的壁区域

2'''边缘轮廓

3热气体通路

4导叶、翼型件

4'前缘

5热气流

5'热气体引走

6开口腔

7供应导管

7'孔口

8空气射流

9热气体涡流

10密封膜元件。

具体实施方式

图1a在轴向平面视图中示出旋转流动机器的两个构件1、2的截面的草图。在下文中，假定构件1、2沿径向r界定燃气涡轮的热气体通路3。构件1为隔热罩节段，其下游接着导叶平台2，平台2具有延伸到燃气涡轮的热气体通路3中的翼型件4。热气体的流动方向由箭头5指出。隔热罩节段1和导叶平台2轴向地界定开口腔6，开口腔6最终由设计要求而导致。

为了进一步阐释，图1a中的给定正交轴线r、c、a阐释了进一步的描述将提到的方向。轴向方向“a”由热气流5的流动方向限定。径向方向r垂直于轴向方向a。此外，周向方向c垂直于径向r和轴向a方向，且正交于图1a中的投影平面。在图1a的情况中，热气流5轴向地被引导，且冲击导叶的翼型件4的前缘4'。由于在翼型件4的直接前缘4'上游的头波效应，高压区域占优势且导致加强热气体5渗透到开口腔6中。至少一个供应导管7布置在沿周向c和轴向a方向非常接近翼型件4的前缘4'的开口腔6内，用于将空气射流8引导到开口腔中。空气射流8具有射流动量，使得诱导热气体引走5'在所述开口腔6内形成非常接近热气体通路3的至少一个热气体涡流9。热气体涡流9防止热气流5超过热气体涡流9的延伸部渗透到所述开口腔6中。本发明构想是使用热气体5作为阻挡介质，以避免热气体引走5'完全进入开口腔中。被引导到开口腔6中的至少一个空气射流8仅用作触发流，以产生必要条件用于在开口腔6内生成稳定涡流。

由头波效应引起的，在翼型件4的前缘4'的轴向直接上游占优势的高压p_h沿周向方向c显著下降。在至翼型件4的周向距离中，压力如在图1b所示的轴向视图中指出的那样减小到低压p_l。由于周向方向c上的压力梯度，故由所述开口腔6内的至少一个空气射流8促使热气体引走5'执行热气体涡流9，热气体涡流9沿周向方向c螺旋传播且在图1b所示的翼型件4旁边离开开口腔6。为了避免螺旋传播的热气体涡流9沿径向方向r较深地渗透到开口腔6中，从导叶平台2的侧壁引导多个空气射流8。图1b示出供应导管7的孔口7'，空气射流8穿过孔口7'进入开口腔6。

为了实现和建立在开口腔6内接近热气体通路3的热气体涡流9，必须满足涉及开口腔6的几何设计和流体动力方面的一系列要求。图2a示出穿过构件1、2的轴向平面视图中的截面，构件1、2为限制燃气涡轮级的热气体通路4的燃气涡轮的静止构件。构件1为隔热罩节段，且布置在构件1下游方向的构件2为承载翼型件4的导叶平台2。在两个构件1、2之间存在开口腔6。基本上，开口腔6由平行于彼此的两个构件1、2的两个相对壁侧限制。隔热罩节段1提供套环状形状边缘1'，其沿轴向方向a在开口腔6上部分地延伸，以避免将热气流5的引走引导到开口腔6中。导叶平台2的边缘2'为空气动力形状，以避免所述边缘区域中的任何湍流。至少一个供应导管7行进穿过具有孔口7'的平台2，孔口7'具有至热气体通路3的距离h，该距离h优选为在5mm与100mm之间(包括5mm和100mm)。开口腔6的典型宽度w范围在5mm与30mm之间。供应导管7相对于与热气体通路3中的热气流的流动方向5对应的轴向方向a而以角度θ倾斜，角度θ为0°<θ<60°。基本上，进入开口腔6的空气射流8的方向朝热气体通路3，以便进入开口腔6的热气体5'以流体动力方式被迫使改变它们的引走流动方向，用于形成之前提到的热气体涡流。至少一个供应导管7的直径d范围在0.4mm与3mm之间(包括0.4mm和3mm)，由此离开供应导管的空气射流具有范围在0.1马赫与0.8马赫之间的出口速度。热气流速度V通常范围在0.05马赫与0.5马赫之间。

为了支持开口腔6内的螺旋热气体涡流9的周向传播，供应导管7还在图2b所示的径向视图中以角度β相对于轴向方向而倾斜，角度β在0°<β≤60°之间。各个供应导管7的两个相邻布置的孔口7'提供间距p，其范围在供应导管7的两倍直径与二十倍直径d之间。

图3a至d示出用于在旋转流动机器的开口腔6内产生热气体涡流9的若干优选实施例。图3a在上草图中示出类似于图1a和2a中所示视图的截面。在此，导叶平台2连接于密封膜元件10，供应导管7布置在密封膜元件10中，空气射流8穿过供应导管7而被引导到开口腔6中。

在图3a的下图示中，示出连接于导叶平台2的密封部件元件10上的轴向视图，其示出成一排的五个相邻布置的供应导管7，供应导管7在周向方向c上非常接近翼型件4地布置。当间距较小，不大于2d很多时，来自单排供应导管7的空气射流8足以阻挡热气体引走5'进入开口腔6中。

还有可能的是提供布置成若干排的更多供应导管7，各个相邻排为如其在图3b下图示中所示那样处于交错构造，该下图示也示出构件2上的轴向视图。取决于压力状态和所需空气量，多于三个不同排的供应导管可以以交错构型来布置。图3b在上区段中示出包围开口腔6的上游隔热罩元件1和下游导叶平台2的轴向截面视图。示出三个供应导管7，其对应于在径向方向上分开地布置的不同排供应导管。在此种布置中，间距p可为较大的(p≤20d)。空气射流8定位在离热气流5的较小距离h处。

将定位成非常接近热气流的多排间距紧密的交错孔组合使用与之前利用已知技术解决方案而可能的相比较少的给送空气。当阻挡热气体引走进入具有大约或最大30mm的宽度的较大的腔6中时，空气节省尤其高。另外的优点是，不同于已知布置，不需要特殊的腔几何特征。利用本发明，将认识到的是，空气射流8被引导到开口腔6中，使得防止在开口腔6上流动的热气体完全渗透到开口腔6中。

图3b所示的实施例还示出开口腔6由面对彼此的两个平行侧壁轴向地限制，该两个平行侧壁在隔热罩元件1的套环状边缘区域1'旁边不具有任何复杂壁轮廓。

在图3c中，示出具有导叶平台2的实施例，该导叶平台2提供具有凸出的壁区域2''的侧壁2'，供应导管7在壁区域2''中通向开口腔6。凸出的壁区域2'与被引导到开口腔6中的空气射流8一起支持使热气体涡流9生成且局限于接近热气体通路3的开口腔区域中。尤其，边缘轮廓2'''结合被引导到开口腔6中的空气射流8来支持封闭的热气体涡流9的形成。

图3d所示的实施例示出还有可能将供应导管7布置在为隔热罩元件1的上游构件1处。在此情况下，导叶4的平台2的侧壁2'也提供如图3c提到的凸出的壁区域2''。

基本上，有可能组合在以上实施例中所示的全部之前提到的特征。

Claims (6)

1.一种用于克服热气体引走而密封开口腔(6)的装置，其中，所述开口腔(6)布置在径向地限制旋转流动机器的热气体通路(3)的两个轴向地相邻的静止构件(1、2)之间，其中至少下游的构件(2)承载径向地延伸到所述热气体通路(3)中的至少一个翼型件(4)，并且布置成至少一排行进穿过所述两个静止构件(1、2)中的一个的多个供应导管(7)并入所述开口腔(6)中，用于将空气射流(8)引导到所述开口腔(6)中，其中，所述供应导管(7)中的各个供应导管

-在离所述热气体通路的距离h中并入所述开口腔(6)中，其中5mm≤h≤100mm，

-在其出口处具有通道轴线，所述通道轴线相对于轴向热气流(5)方向以角度θ倾斜，其中0°≤θ≤60°，且在周向方向上相对于所述轴向热气流(5)以角度β倾斜，其中0°<β≤60°，

-具有直径d，其中0.4mm≤d≤3mm，

-布置在接近所述至少一个翼型件(4)的地点处，

其特征在于，所述开口腔(6)具有轴向宽度w，其中5mm＜w≤30mm，且具有周向延伸部，并且相邻的供应导管(7)在限定相互的间距p的情况下在周向方向上并排布置，其中2d≤p≤20d。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在单排供应导管(7)的布置的情况下，所述间距p的值在2d≤p≤5d的范围内。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在多排交错的供应导管(7)的布置的情况下，所述间距p的值在5d<p≤20d的范围内。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轴向宽度w为10mm＜w≤30mm。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在沿所述旋转流动机器的流动轴线的平面中的所述开口腔(6)由近似平行于彼此且面对彼此的两个壁轴向地限制且朝所述热气体通路(3)开口，并且所述供应导管(7)在所述两个壁中的一个处并入所述开口腔(6)中。

6.根据权利要求1至4中的任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述旋转流动机器为燃气涡轮布置的涡轮或压缩机，并且所述两个轴向地相邻的静止构件为隔热罩节段和导叶或连接到所述隔热罩节段或所述导叶上的密封构件。