CN104254671B - 与管一体的半套管式金属密封件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于在高温工作环境内密封穿过空气间隙或其他中断的管(50)的套管(60)。所述设备允许具有温度差的区域之间存在密封服务通路，并同时允许与热膨胀和热收缩一致的相对移动。

Description

与管一体的半套管式金属密封件

相关申请案的交叉引用

本申请要求以本发明人的名义于2012年4月27日提交的美国临时专利申请序列号61/639,361的优先权及其根据35U.S.C.§119(e)的权益，此临时申请以引用的方式并入本说明书中。

背景技术

本实施例总体涉及用于提供穿过涡轮发动机内结构构件的服务路径以及涡轮发动机内结构构件之间的密封的设备和方法。更具体地，但非以限制性方式，本实施例涉及这样的设备和方法：在涡轮发动机内的凸台(boss)之间提供密封服务通路，同时仍然允许热隔离的结构构件之间的相对移动。

在涡轮发动机中，空气在压缩机中加压，随后在燃烧室中与燃料混合，以产生向下游流过涡轮机级的热燃烧气体。这些涡轮机级从燃烧气体中提取能量。高压涡轮机包括第一级喷嘴和转子组件，所述转子组件包括盘和多个涡轮机叶片。高压涡轮机首先接收来自燃烧器的热燃烧气体，并且包括第一级定子喷嘴，所述第一级定子喷嘴向下游引导燃烧气体穿过从第一转子盘径向向外延伸的一排高压涡轮机转子叶片。在两级涡轮机中，第二级定子喷嘴定位在第一级叶片下游，继而接着是从第二转子盘径向向外延伸的一排第二级涡轮机叶片。定子喷嘴转动热燃烧气体，其方式为使得相邻下游涡轮机叶片处的提取最大化。

第一转子盘和第二转子盘由对应的转子轴联接至压缩机，以在工作期间为压缩机提供动力。涡轮发动机可包括静态翼型的多个级，所述静态翼型通常称为轮叶，它们在发动机轴向方向上、在通常称为叶片的旋转翼型之间间隔开来。多级低压涡轮机跟着两级高压涡轮机，并且通常由第二轴联接至风扇，所述风扇以用于为飞行中的飞机提供动力的典型涡轮风扇飞机发动机配置来设置在压缩机上游。

当燃烧气体向下游流过涡轮机级时，从中提取能量，并使燃烧气体压力减小。燃烧气体用于为压缩机以及涡轮机输出轴提供动力，以供用于发电和船舶用途或在航空使用中提供推力。以此方式，燃料能量转化为旋转轴的机械能，以便为压缩机提供动力并且供应继续所述过程所需的压缩空气。

在涡轮发动机的例如油底壳(oil sump)子组件中，必须提供空气间隙来补偿涡轮发动机的热应力和工作负荷。然而，子组件构件内形成用于诸如加压空气、冷却空气、油流等等服务(service)的各种通路和通道。这些框架构件子组件中的一些具有与空气间隙相邻的凸台特征。空气间隙形成泄漏区域，从而阻碍涡轮发动机的服务。

例如，热底壳(sump)可利用桥接在子组件构件的径向内壁与外壁之间的容纳服务管。由于发动机的这个区域中的高温和热应力，因此往往很多时候，需要将这些外壁、内壁和管彼此热隔离。

需要一种允许使用服务管来跨具有温度差和/或压力差的两个区域进行密封(例如在热外壁与较冷内壁之间进行密封)、同时维持热隔离的系统的设备。

如由前文可以看出，需要一种可密封以形成跨间隙的路径的服务管。另外，需要提供系统内的因构件以不同速率的热生长或膨胀而造成的相对移动。

发明内容

本发明涉及一种密封穿过空气间隙的单个管、以在具有空气温度差的区域之间形成服务路径的设备和方法。所述结构包括套管(spoolie)，所述套管在管一端接合管密封的服务通路。在管下端，密封件密封所述管。虽然管跨空气间隙延伸，但是穿过所述管的服务路径保持密封。另外，系统的热生长和相对运动仍可在涡轮发动机的热环境中发生。具有一体管概念的半套管式金属密封件减少了零件数量和整体系统重量。

以上所概述的所有特征应理解为仅是示例性的，并且可从本说明书中的公开内容获得各种实施例的更多的特征和目标。因此，应理解，在没有进一步阅读整个说明书、权利要求书和本说明书中包括的附图的情况下，不应对本发明内容作出任何限制性的解释。

附图说明

通过结合附图参考实施例的以下描述，将更清楚示例性实施例的上述及其他特征和优点以及获得它们的方式，并将更好地理解具有一体管的半套管式金属密封件，在附图中：

图1是涡轮发动机的截面图。

图2是具有套管式金属密封件的示例性底壳组件构件的详细截面图，在所述套管式金属密封件中具有一体管。

图3是示例性半套管的侧截面图。

图4是示例性全套管的截面图。

图5是具有一体管的套管式金属密封件的替代实施例的侧截面图。

具体实施方式

现将详细参考所提供的各实施例，附图中将示出本发明的实施例的一个或多个实例。每个实例用以解释而非限制所公开的实施例。事实上，在不脱离本公开的范围或精神的前提下，所属领域的技术人员可对本实施例做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可用于另一个实施例中，从而得到另外的实施例。因此，本实施例旨在涵盖属于所附权利要求书及其等效物的范围内的此类修改和变化。

现参照图1至图5，本实施例适用于其中燃烧器燃烧燃料并将热燃烧气体排放至高压涡轮机中的燃气涡轮发动机，例如用于航空、发电、工业或船舶的燃气涡轮发动机。本实施例涉及用于密封穿过将具有不同空气特性(例如高温度差)的区域分离开的(诸如，将温度相对较高的工作环境与温度相对较低的环境分离开的)空气间隙的服务管的结构和方法。所述结构允许在组件的较高工作温度区域处的金属密封件，同时提供在组件的较低工作温度区域处的O型环或其他较低温度类型的密封件。更具体地，所述结构和设备允许在具有温度差的区域之间密封的服务通路，同时允许与高温服务区域中的热膨胀和热收缩一致的相对移动。

术语“前”和“后”是相对于发动机轴线使用，并且通常是指在发动机轴线的方向上朝涡轮发动机的前部或涡轮发动机的后部。

如本说明书中所使用，术语“径向的”或“径向地”是指在发动机的中心纵向轴线与发动机外圆周之间延伸的维度。作为替代，术语“径向的”或“径向地”可指在服务管的中心纵向轴线与外圆周之间的维度或沿服务管的中心纵向轴线和外圆周之间的线的维度。术语“近侧的”或“近侧地”的使用，无论是单独使用或与术语“径向的”或“径向地”结合使用，是指在朝中心纵向轴线的方向上移动，或指某一部件比另一个部件相对更靠近于中心纵向轴线。术语“远侧的”或“远侧地”的使用，无论是单独使用或与术语“径向的”或“径向地”结合使用，是指在朝发动机外圆周的方向上移动，或指某一部件比另一个部件相对更靠近于发动机外圆周。如本说明书中所使用，术语“横向的”或“横向地”是指同时垂直于轴向和径向维度的维度。

首先参照图1，示出燃气涡轮发动机10的示意性侧截面图，所述燃气涡轮发动机10具有发动机入口端12、压缩机14、燃烧器16和多级高压涡轮机20。燃气涡轮机10可用于航空、发电、工业、船舶等。燃气涡轮机10是围绕发动机轴26或轴线24轴对称的，以使部件围绕所述轴或轴线旋转。在工作中，空气穿过发动机10的空气入口端12进入并且移动穿过压缩机14的至少一个级，在所述压缩机级处，空气压力增加并被引导至燃烧器16。压缩空气与燃料混合并燃烧以提供热燃烧气体，热燃烧气体离开燃烧器16流向高压涡轮机20。在高压涡轮机20处，从热燃烧气体提取能量，从而引起涡轮机叶片的旋转，这继而会引起高压轴26的旋转。轴26朝发动机的前部延伸，以继续使一个或多个压缩机14旋转。第二低压轴28可穿过高压轴26而同轴延伸至涡轮风扇18或入口风扇叶片，这取决于涡轮机设计。

轴对称轴26穿过涡轮发动机前端向后端延伸，并沿轴结构的长度由轴承来支撑。轴围绕发动机的中心线24旋转。在工作期间，轴26与连接至轴的其他结构(诸如涡轮机的转子组件)一起旋转，以便为发电、工业或航空领域中使用的各种类型的涡轮机提供动力或推力。轴26由这些轴承支撑，这些轴承在油底壳中工作以在高速旋转期间冷却和润滑零件。

涡轮发动机中的流体泄漏可能显著增加燃料消耗并且降低发动机效率，从而导致不希望的工作参数。另外，高压气体，如涡轮机和压缩机排放区域内的燃烧气体，可能从高压区域泄漏至低压区域，并且控制这种泄漏是优选的。这种泄漏的控制或抑制能以各种方式执行，包括例如，定位在具有压力差的区域之间的迷宫式密封件和刷式密封件。可能发生泄漏的另一区域在零件被热隔离或分离但服务通路必须从中穿过的区域中。在这些区域中，通路难以密封。

现参照图2，示出示例性油底壳区域30的侧截面图。底壳区域30通常在极高温度环境中工作，并可使用加压空气或压力差收集已使用的润滑剂并将其移动回储存器或罐。底壳区域30可由一个或多个底壳框架构件32限定。这些底壳框架构件通常是提供多个服务通道或通路以用于不同服务(诸如加压空气、冷却空气、油或其他润滑剂等)的环形结构。底壳框架构件32可由例如包括径向外壁34和径向内壁36的多个环形壁来形成。底壳框架构件32进一步包括轴承支座38。这一部分是为了辅助定位底壳区域30的周围结构并且出于理解示例性用途的目的而示出。应理解，具有一体密封管的套管可以用于替代的组件和位置，因此，所描述的用途不是限制性的。换言之，本实施例可以用于其中具有不同特性的第一空气质量与第二空气质量之间需要密封通路的各种环境，所述不同特性包括温度差、压力差、含水量差或其组合。

在底壳框架构件32的特定区域中，可能需要另外的通道来在径向内壁34与径向外壁36之间引导服务。例如，构件32包括在零件之间延伸的服务通道40。服务通道40包括在服务通道40的径向下端处的第一内凸台42以及在服务通道40的上端处的第二外凸台44。空气间隙48定位在下部凸台42与上部凸台44之间，以使上部凸台44与下部凸台42热分离。在底壳框架32的预选角度位置处，可能希望在内壁36与外壁34之间提供服务通道。然而，所属领域的技术人员将理解，由于在涡轮发动机10的这个区域中的温度差，连接内壁和外壁的结构必须包括空气间隙48，以考虑到热服务与相对较冷服务之间的热膨胀、热隔离，和/或负荷问题。

所述结构包括服务管50，所述服务管50定位在两个凸台42、44之间以提供被密封并与通道40流体连通的服务路径。使用管50是因为如果不这样做，空气间隙48将会允许服务流体穿过通道40泄漏。

在服务管50的上端处是套管60。简要参照图3，套管60可以是大体上球形并中空的，以允许管50从中贯穿。套管60具有上端62和下端64并在上端62与下端64之间具有曲线形状。套管60是金属的，并且由于上部凸台44处的较高工作温度而要求这样的材料。其他类型的密封件可能无法在上部凸台44处出现的高温下正常工作。

套管60可在下端64附近被钎焊至管50，并按压配合或干涉配合在上部凸台44中。在这种配置中，结构62的上端接合通路并且形成密封。根据替代实施例，套管60被钎焊或焊接至上部凸台44，并且通常允许服务管50滑动穿过套管主体。根据替代实施例，套管60可以可移动地接合凸台44和管50。套管60通过例如干涉配合接合服务管50。在这种情况下，干涉将会利用服务管50和套管60的下端64发生。作为替代，套管可被钎焊或焊接至服务管50。

在服务管50的下端处，下部凸台42由密封件，如O型环70，相对于服务管50来密封。O型环70可以是弹性体、橡胶、塑料弹性体或能够承受使用区域中工作温度的其他形式。O形环70可在下部凸台42处使用，因为较低工作温度允许这种类型的密封件而不需要金属密封结构。另外，在必要的情况下，也可使用金属密封件。

从所示结构中，所属领域的技术人员将理解，服务通道40通过O型环70和套管60保持密封。然而，在管50与凸台42、44之间以及在凸台42、44自身之间可能发生相对移动。

具有一体管60、50的半套管式金属密封件减少了零件数量和整体系统重量，因为在一些情况下，它可用于替代活塞环金属接触密封件。高的工作温度抑制对弹性体密封件的使用，并且使得对套管金属密封表面的使用成为必需，同时仍然允许错位能力、热膨胀和机械移动。

根据另外的实施例，套管60可被焊接或钎焊至管50和上部凸台44两者。此外，术语“上部”和“下部”不应认为是限制性的，因为它们仅用作描述语。管50可具有位于一个位置处的套管60以及位于另一位置处的O形环70，这取决于温度极限所在的位置。所述位置可以是或可以不是端部，并且如果所述结构是以水平配置进行安装的话，甚至可能不是上部或下部。

另外，参照图4，示出另一替代方案，其中套管160是双球形结构。因此，套管60、160指示可利用的各种形状，所述形状可被焊接并干涉配合或摩擦配合以形成跨开放区域的密封。因此，密封结构允许服务通路跨以其他方式不密封的区域形成，并进一步允许补偿在高温环境、大温度差或机械移动中的温度差形成的膨胀和移动问题。

现参照图5，描绘具有一体管的套管的一个替代实施例的侧截面图。服务管250在包括凸台244的上部壳体与包括凸台242的下部壳体之间延伸，从而限定服务通路240。服务管250可以具有穿过整个管的单一直径，或者可形成为具有两个或更多个不同直径，这取决于管250的位置。例如，上部凸台244是在暴露于相对高的压力和/或高温工作条件下的框架的一部分中，而下部凸台242暴露于与油底壳相关联的相对较低温度和/或较低压力工作条件下。所属领域的技术人员应认识到，高-低温度差环境仅仅是一种示例性情况，然而，应理解，本实施例可跨低-极低温度区使用。穿过管250的服务路径可允许流动连通以将油排至底壳。虽然实施例在下游油底壳的上下文中进行描述，但是所述结构可在发动机的各种位置使用以在高温度和/或高压力区域与较低温度和/或低压力工作区域之间进行桥接并在其间形成服务路径。服务管250包括上部凹部(relief)251和下部凹部253。上部凹部251和下部凹部253形成空隙区域，其中服务管250可相对于静止零件在管250的轴向方向上滑动，而不形成不希望的干涉或接合。在上部凹部251与下部凹部253之间延伸的是密封界面254。所述界面可为管250的加厚部分，如所描绘，或者例如在可能希望减小重量的情况下，可由环形凸缘限定。服务管250设计用于在管250的轴向方向上、在上部凸台244与下部凸台242之间移动。服务管250还设计用于允许相对于管250径向的或在图中大体上从左至右或从右至左的一些有限移动。服务管250还可允许围绕服务管250的轴线的旋转。

在服务管250的上部处是套管260。套管260是环形的并且环绕管250。术语“上部”和“下部”是相对的描述语，并且通常定义为是相对于空气间隙248的。管250在空气间隙248上方的部分通常称为上部部分，并且管大体上在空气间隙248下方的部分通常定义为相对较低。套管260通过朝界面254向内延伸来接合密封界面250。具体来说，套管260包括套管臂264，所述套管臂264具有弹簧效应以接合密封界面254并保持与密封界面254的接合。套管260的上部部分包括活塞通道262，其中安放有活塞环266。与套管260的上端相邻的是设置在壁268与套管260之间的间隙267。这个间隙或容差267允许套管260垂直于服务管250的轴线的移动。活塞通道262上方是卡环261，所述卡环261安放在凸台244中，或更一般地说安放在上部壳体中。套管260包括朝密封界面254延伸的套管臂264。臂264可以线性延伸，或能够以曲线方式延伸，并且可由一个或多个段形成。套管臂的下部部分具有比套管260的上部部分更薄的尺寸，这会产生弹簧效应，并在凸台244的热膨胀期间提供一定容差，同时保持服务管250与套管260之间的密封。根据一些实施例，套管臂264可与密封界面254干涉配合，或者作为替代，可钎焊至服务管250。

沿管250向下移动，下部凹部253允许管250的轴向移动。从下部凹部253的轴向向下是密封件270。密封件270可以采用各种形式，包括例如O型环、面密封件、旋拧配合件或按压配合件。虽然描绘并描述了O型环密封件270，但不应认为是对本实施例或其他实施例的限制，因为任何各种密封件都可使用。O型环270提供密封，同时允许管相对于凸台242的轴向移动。设置在服务管250的下部部分与凸台242之间的是套筒246。套筒提供可更换的耐磨表面，管250可抵靠着所述耐磨表面移动，并且O型环270可抵靠着所述表面进行密封。由于套筒246的震颤(chatter)和机械磨损，可能希望以周期性时间间隔更换套筒246。因此，这可通过套筒246容易地实现，而不需要更换底壳凸台242。套筒246的上端可呈锥形，以在服务管250的轴向移动期间，抑制服务管250相对于套筒246的有限干涉。

组件提供了将发动机的高温/高压区域与发动机的较低温度/更低压力区域隔离的功能，并且允许使用O型环密封件来在服务管250的较冷部分中提供密封服务。所述组件进一步提供了防火功能，其中在密封件270周围的油泄漏可穿过空气间隙248并与燃气涡轮发动机的漏极电路(drain circuit)流动连通。这抑制了油在服务管和发动机的高温侧起火。

根据这些实施例，服务管和套管结构用于各种通道或通路中，以便允许需要分离或热隔离来补偿热生长的两个零件之间或要求其他相对移动的位置处的密封服务。

虽然已在本说明书中对多个创造性实施例进行了描述和说明，但是所属领域的技术人员将容易想到用于执行本说明书中描述的功能和/或获得本说明书中描述的结果和/或一个或多个优点的各种其他装置和/或结构，并且这些变化和/或修改中的每个均被视为在本说明书中描述的本发明的实施例的范围内。更一般地，所属领域的技术人员将容易了解，本说明书中描述的所有参数、尺寸、材料和配置均表示示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于其中使用本发明的教示的一个或多个具体应用。使用不超过常规的实验的情况下，所属领域的技术人员将认识到或能够确定本说明书中描述的具体创造性实施例的许多等效物。因此，应理解，前述实施例仅通过示例性的方式呈现，并在所附权利要求书及其等效物的范围内，创造性实施例能以不同于具体描述并要求保护的其他方式来实施。本发明的创造性实施例涉及本说明书中描述的每个单独特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。另外，如果此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法并不相互矛盾，那么两种或更多种此类特征、系统、制品、材料、套件和/或方法的任何组合均包括在本发明的发明范围内。

本说明书使用实例来揭示实施例，包括最佳模式，并且也使所属领域的技术人员能够实施本装置和/或方法，包括制作和使用任何设备或系统，以及执行所包含的任何方法。这些实例并非旨在是穷举性的或将本发明限制为所公开的精确步骤和/或形式，而是根据以上教示可以做出许多修改和变化的。本说明书中描述的特征能以任何组合进行组合。本说明书中描述的方法中的步骤能以任何物理上可能的顺序执行。

本说明书中定义和使用的所有定义应理解为凌驾于(control over)词典定义、以引用的方式并入文献中的定义和/或所定义的术语的普通含义。除非明确指出相反，本说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为是指“至少一个”。本说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为是指其连结的要素中的“任一个或两者”，即，要素在一些情况下联合存在，而在其他情况下是分开地存在的。

还应理解，除非明确指出相反，在本说明书中要求保护的包括一个以上步骤或动作的任何方法中，所述方法的这些步骤或动作的顺序并不一定限于所述方法的所叙述的步骤或动作的顺序。

在权利要求书以及以上说明书中，如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”、“由……构成”等所有过渡性短语应理解为是开放性的，即，意味着包括但不限于。如美国专利局专利审查程序指南章节2111.03中阐述，仅过渡性短语“由……组成”和“基本上由……组成”应相应地是封闭的或半封闭的过渡性短语。

Claims (22)

1.一种具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式金属密封件包括：

服务管，所述服务管包括第一部分和第二部分，所述服务管延伸跨过空气间隙并且限定相对较高温度服务区域与相对较低温度服务区域之间的服务路径；

密封件，所述密封件围绕所述服务管设置成更靠近所述相对较低温度服务区域；以及

套管式密封件，所述套管式密封件接合所述服务管的环形表面，所述套管式密封件以更靠近所述相对较高温度服务区域的方式接合所述服务管，所述套管式密封件是双球形结构。

2.如权利要求1所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述服务管具有恒定直径。

3.如权利要求1所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述服务管具有至少第一直径和第二直径。

4.如权利要求1所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式密封件是大致中空的，并且允许所述服务管穿过所述套管式密封件。

5.如权利要求4所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式密封件具有曲线形状。

6.如权利要求4所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式密封件包括套管臂，所述套管臂具有朝所述服务管线性延伸的至少一部分。

7.如权利要求6所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式金属密封件进一步包括来自所述线性延伸部分的延伸件。

8.如权利要求1所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式金属密封件进一步包括接合所述套管式密封件的活塞环。

9.如权利要求1所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式密封件被钎焊至所述服务管。

10.如权利要求1所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述密封件具有与所述服务管的滑动干涉配合。

11.如权利要求1所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述密封件是O型环。

12.如权利要求1所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述密封件是旋拧配合件、按压配合件或面密封件中的一种。

13.一种具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式金属密封件包括：

服务管，所述服务管能够跨空气间隙定位，所述服务管限定相对较高温度部分与相对较低温度部分之间的服务路径；

所述服务管具有对应于所述相对较高温度部分的第一部分和对应于所述相对较低温度部分的第二部分；

密封件，所述密封件设置在所述管上、位于所述第二部分；以及

套管式密封件，所述套管式密封件接合所述管的所述第一部分，所述套管式密封件是双球形结构。

14.如权利要求13所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述密封件接合围绕所述服务管设置的套筒。

15.如权利要求13所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述密封件是O型环，所述O型环设置在沿所述服务管定位的凹槽中。

16.如权利要求13所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式密封件是相对于所述管径向向内延伸的臂。

17.如权利要求16所述的具有一体管的套管式金属密封件，所述套管式金属密封件进一步包括保持所述臂的活塞环。

18.一种套管式密封件和管组件，所述套管式密封件和管组件包括：

服务管，所述服务管跨第一服务区域与第二服务区域之间的空气间隙延伸，所述第一服务区域和所述第二服务区域具有温度差，并且所述服务管限定所述第一服务区域与所述第二服务区域之间的服务路径；

密封件，所述密封件设置在第一位置处并在第一侧上接合套筒，所述套筒的第二侧接合所述第一服务区域和所述第二服务区域中一个的一部分；以及

套管式密封件，所述套管式密封件接合所述管并从接合所述第一服务区域和所述第二服务区域中另一个的一部分的相反端径向向内延伸，所述套管式密封件是双球形结构。

19.如权利要求18所述的套管式密封件和管组件，所述套管式密封件和管组件进一步包括所述服务管的加厚部分，所述套管式密封件接合所述加厚部分。

20.如权利要求18所述的套管式密封件和管组件，所述套管式密封件和管组件进一步包括凸缘，所述套管式密封件接合所述凸缘。

21.如权利要求20所述的套管式密封件和管组件，所述套管式密封件包括朝密封界面延伸的臂。

22.如权利要求18所述的套管式密封件和管组件，所述管具有至少一个凹部。

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