CN104373157A - 用于阻塞穿过泄漏间隙的泄漏流的流体密封布置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于阻塞穿过泄漏间隙的泄漏流的流体密封布置及方法。本发明涉及一种用于阻塞被引导穿过由旋转构件(16)和固定构件(17)界定的泄漏间隙(18)的泄漏流(8)的流体密封布置，其包括旋转构件(16)和/或固定构件(17)中的至少一个喷嘴开口(13)，其分别面朝泄漏间隙(18)的相对侧的旋转构件(16)或固定构件(17)，以便经过喷嘴开口(13)将液体或气态流体流(14)注入泄漏间隙(18)中。本发明的特征在于所述至少一个喷嘴开口(13)流体地连接到旋转构件(16)和/或固定构件(17)内的冷却通道(11)上，以便喷嘴开口(13)处发出的所述流体流排他性地包括旋转构件(16)和/或固定构件(17)的冷却流体。

Description

用于阻塞穿过泄漏间隙的泄漏流的流体密封布置及方法

技术领域

本发明涉及一种流体密封布置，其用于阻塞被引导穿过由旋转构件和固定构件界定的泄漏间隙的泄漏流，包括旋转构件和/或固定构件中的至少一个喷嘴开口，其分别面朝泄漏间隙的相对侧的旋转构件或固定构件，以便经过喷嘴开口将液体或气态流体流注入泄漏间隙中。此类泄漏流通常出现在旋转流机械中，如在燃气涡轮布置中，尤其是在压缩机及其涡轮单元中，其中旋转部分与单元的固定构件包围间隙，单元的压缩空气或热气体的轴流的小部分可穿过该间隙而没有任何预防。此外，公开了一种用于通过以与泄漏流的流动方向横向的流动方向将液体或气态流体流注入泄漏间隙中来阻塞穿过由旋转构件和固定构件界定的泄漏间隙的泄漏流的方法。

背景技术

文献US 7,238,001 B2公开了一种在旋转流机器中(优选在燃气涡轮发动机中)使用的密封布置，其中热气流沿轴向经过涡轮级，以执行膨胀工作来促进转子的旋转动量。为了避免穿过在涡轮级的旋转构件与固定构件之间沿径向界定的间隙的泄漏流，尤其是所述泄漏流不会贡献能量产生，公知的技术用于减小间隙的空隙，例如，通过在旋转构件与固定构件之间施加迷宫式密封结构。迷宫式密封提供了沿径向交错的结构，其通过在间隙之间施加具有径向延伸的机械流动阻挡件来防止穿过间隙的轴向自由流动通路。

作为备选或与之前提到的迷宫式密封组合，US 7,238,001 B2提出了以定向成与泄漏流的方向横向的流动方向将流体流注入泄漏间隙中，以便泄漏流将仅由注入的流体流来流体动力地阻塞。这里，槽口设在均界定泄漏间隙的旋转构件或固定构件中，流体流穿过泄漏间隙注入，且引导穿过泄漏间隙，以便提供流体流来进一步阻塞可用的泄漏间隙，以作为穿过该处的有效的抵抗流体片层。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种加强的流体密封布置，其用于基于之前公开的原理来阻塞被引导穿过由旋转构件和固定构件界定的泄漏间隙的泄漏流，即，在泄漏间隙内使用流体动力地生成的流动阻挡件，使得旋转机器的效率将显著地提高。

该目的通过权利要求1或权利要求2中的一些总体特征来实现。权利要求9和权利要求10中的各个的主题是用于阻塞穿过由旋转构件和固定构件界定的泄漏间隙的泄漏流的方法。本发明可有利地通过也在尤其关于优选实施例的以下描述中的子权利要求中公开的特征改变。

为了实现旋转流机器的加强的操作，重要的是消除穿过旋转流机器的流动通路中涉及的任何损耗机构，尤其是还避免界定泄漏间隙的旋转构件与固定构件之间的任何泄漏流。为了实现泄漏流抑制，期望提出利用协同作用，其有助于减少能量消耗，以建立流体流来用于阻塞可用的泄漏间隙而作为穿过泄漏间隙的有效的抵挡流体片层。

根据本发明，一种流体密封布置，其用于阻塞被引导穿过由旋转构件和固定构件界定的泄漏间隙的泄漏流，包括旋转构件和/或固定构件中的至少一个喷嘴开口，其分别面朝泄漏间隙的相对侧的旋转构件或固定构件，以便经过喷嘴开口将液体或气态流体流注入泄漏间隙中，该流体密封布置通过将至少一个喷嘴开口流体地连接到旋转构件和/或固定构件内的冷却通道来创造性地改善，以便喷嘴开口处发出的流体流排他性地包括旋转构件和/或固定构件的冷却流体。

本发明的流体密封布置使用已经存在的冷却介质，该冷却系统整体结合在旋转流机器的旋转构件和/或固定构件中，例如，在燃气涡轮布置的压缩机或涡轮单元中。为了避免涡轮级单元的热气流通路中的导叶和叶片过热，冷却通道的复杂系统整体结合在各个导叶和叶片内，冷却介质经过冷却通道，优选为从压缩机单元的区段获得的压缩空气的形式。所述冷却空气可取决于冷却通道的结构设计来以对流冷却和/或冲击冷却的方式冷却构件。

在执行冷却任务之后，冷却介质经过冷却通道的出口开口流入旋转流机器的主通道中。创造性地提出了通过使在上游接近冷却通道的出口开口的一定量的冷却介质旁通到在用于注入泄漏间隙中的喷嘴开口处合并的所谓的供给通道来使用至少一部分冷却介质。本发明的技术优点在于，用于密封目的的所需的密封流体流已经从之前的应用即从旋转构件和/或固定构件内的冷却系统可用，且因此不需要提供注入到泄漏间隙中的流体流的任何额外供应。例如，来自用于将流体流供给至至少一个喷嘴开口的压缩机单元的区段的任何直接供应管线都不再需要，相反，冷却介质在旋转流机器内的所有暴露于热的构件中可用，以便可容易分接接近出口开口的旋转构件或固定构件的冷却通道，经过该冷却通道，冷却介质离开而进入旋转流机器的主通道中。

第二发明方面可与将冷却介质再用作用于经过喷嘴开口注入泄漏间隙来以泄漏流的体积阻挡物的方式填充泄漏间隙的前述原理组合，但其可认作是独立的发明构想的第二发明方面也关于使用经过喷嘴开口注入到泄漏间隙中的液体或气态流体流的能量流，其作用在泄漏间隙的与喷嘴开口相对侧的旋转构件或固定构件上。第二发明构想使用流动脉冲，其作用于旋转构件或固定构件上，在经过喷嘴开口注入泄漏间隙中之后，流体流冲击旋转构件或固定构件。流动脉冲可用于提高或降低旋转构件的旋转动量。

用于阻塞被引导穿过由旋转构件和固定构件界定的泄漏间隙的泄漏流的流体密封布置，包括方向构件和/或固定构件中的至少一个喷嘴开口，其分别面朝泄漏间隙的相对侧的旋转构件和固定构件，以便经过喷嘴开口将液体或气态流体流注入泄漏间隙中，该流体密封布置通过以下来创造性改善：布置具有喷嘴轴线的至少一个喷嘴开口，流体流沿喷嘴轴线被引导，使得喷嘴轴线关于旋转构件的旋转轴线的径向方向倾斜，使得旋转构件的旋转动量通过在至少一个喷嘴开口发出且冲击泄漏间隙的与喷嘴开口的相对侧的旋转构件或固定构件的流体流而提高或降低。

与根据US 7,238,001 B2的已知布置相比，其中流体流方向在正交地与旋转构件的旋转轴线交叉的平面中沿径向被引导，经过该至少一个喷嘴开口注入的流体流的方向与关于之前限定的平面的径向方向包围角α≠0°，即，在平行于旋转构件的旋转轴线的视图投影中或正交地与旋转轴线交叉的平面中。

通过适当选择喷嘴轴线沿旋转构件的旋转方向或与该方向相反的倾斜，旋转构件或固定构件上的流体流的冲击可提高或降低旋转动量。

在一个优选实施例中，至少一个喷嘴开口布置在固定构件处，其中喷嘴轴线包括角α，其与和喷嘴开口交叉的径向方向将基本上适合0°＜α＜±90°，优选±5°≤α≤50°，使得喷嘴轴线沿旋转构件的旋转方向或与该方向相反地倾斜。在沿旋转构件的旋转方向倾斜的情况下，旋转构件上的流体流冲击提高了旋转动量。在旋转轴线与旋转构件的旋转方向相反地倾斜的情况下，旋转动量将降低。事实上，主要方面在于提高旋转动量，但本发明的范围还将覆盖降低旋转动量的可能性。

在另一个优选实施例中，至少一个喷嘴开口布置在旋转构件处，其中喷嘴轴线包括与和喷嘴开口交叉的径向方向的角β≠0°，使得喷嘴轴线沿旋转构件的旋转方向或与该方向相反地倾斜。旋转构件处的至少一个喷嘴开口的布置还可与将至少一个喷嘴开口置于固定构件处的前文所述的布置组合。在两种情况下，喷嘴轴线的倾斜量的选择确定了对旋转动量的影响量，且倾斜的定向确定了影响的类型，即，旋转动量是否将提高或降低。

在旋转构件和固定构件处的喷嘴开口的组合实现的情况下，喷嘴轴线的定向可从各个中独立地选择，这意味着α≠β，但优选α和β相等，且具有相同的定向。

可构想出另一个实施例，其提供在具有喷嘴轴线的旋转构件处的至少一个喷嘴开口，使得旋转动量将提高。此外，固定构件还提供至少一个喷嘴开口，其具有以相反定向的喷嘴轴线，以降低旋转动量。穿过各个喷嘴开口的流体流的供应可独立地受控，以便在第一操作模式中，在旋转构件处的喷嘴开口将供应有流体流，以提高旋转动量，同时抑制对固定构件处的至少一个喷嘴开口的流体流供应。在第二操作模式中，流体流将由固定构件处的喷嘴开口注入，以降低旋转动量，同时抑制旋转构件上的喷嘴开口处的流体流的供应。

本发明的构想基本上能够应用于所有旋转流机器，但优选应用于燃气涡轮布置的压缩机和涡轮级。通常，此类旋转流机器的旋转构件关于转子的表面的叶片或区段。固定构件关于壳体或直接地或间接地连接到壳体上的构件，优选导叶、热障元件或沿轴向界定涡轮壳体的燃烧器衬套。在所有这些情况下，冷却通道都整体结合到暴露于热的构件中，以便将没有附加努力来将冷却空气用于阻塞穿过泄漏间隙的泄漏流。

大体上，提出的冷却空气的再使用可应用于任何位置处的旋转流机器，其中间隙出现在旋转构件与固定构件之间，且至少一个构件以前述方式冷却。将组合附图来更详细描述优选实施例。

此外，描述了一种用于通过以与泄漏流的流动方向横向的方向将液体或气态流体流注入泄漏间隙中从而阻塞穿过由旋转构件和固定构件界定的泄漏间隙的泄漏流的方法，且创造性特征在于，液体或气态流体流用作冷却介质以在经过泄漏间隙之前首先冷却旋转构件和/或固定构件。

本发明的方法利用了已经存在的资源，即，再使用冷却空气，其在进入泄漏间隙来用于对穿过泄漏间隙的泄漏流的阻塞目的之前，供给穿过旋转流机器内的暴露于热的旋转构件和/或固定构件内的冷却通道。

本发明的另一个方面在于，液体或气态流体流将引导到泄漏间隙中，使得旋转构件的旋转动量通过液体或气态流体流与旋转构件和/或固定构件的冲击来提高或降低。

本发明的其它细节可从描述附图中所示的优选实施例的以下公开内容得出。

附图说明

随后将连同附图来基于示例性实施例更详细地阐释本发明。在附图中

图1a,b示意性地示出了穿过与导叶的外径平台包围边沿腔的叶片的内径平台的纵向截面，以及穿过截面A-A的横截面视图，

图2a示意性地示出了穿过具有导叶的平台的冲击冷却的、界定泄漏间隙的叶片的平台和导叶的平台的纵截面，

图2b示意性地示出了具有用于对界定泄漏间隙的叶片和相邻导叶进行对流冷却的冷却通道的叶片的纵截面，

图2c示意性地示出了穿过界定泄漏间隙的叶片的末梢和热障元件的纵截面。

零件清单

1 叶片

2 叶片的平台

3 刀刃边沿

4 导叶

5 导叶的平台

6 刀刃边沿

7 边沿腔

8 泄漏流

9 蜂窝结构

10 冷却介质，冷却空气

11 冷却通道

12 供给管线

13,13’ 喷嘴开口

14 流体流

15 冷却通道的开口

16 旋转构件

17 固定构件

18 泄漏间隙

19 喷嘴轴线

20 径向方向

21 冲击片层

22 叶片的后缘

23 叶片的末梢。

具体实施方式

图1a示出了围绕旋转轴线R的旋转叶片1的纵截面视图。叶片1包括具有刀刃边沿3的内径平台2。此外，导叶4沿轴向方向布置在叶片1旁边，导叶4为固定构件，且在其外径处也提供具有刀刃边沿6的平台5，其与叶片1的刀刃边沿3一起界定边沿腔7。为了减小经过边沿腔7的泄漏流8，蜂窝结构9附接到导叶4的平台5处，以用于减小平台5与叶片的刀刃边沿3的末梢之间的间隙。

由于在操作期间出现的对蜂窝结构9的磨蚀效应，故经过边沿腔7的泄漏流8不可避免。为了部分地或以优选方式完全地减小或限制泄漏流8，本发明提出了使冷却空气10的一部分分流，其供给穿过导叶4内的冷却通道11进入供给管线12，供给管线12通向喷嘴开口13，以注入冷却空气10的一部分来作为具有与经过边沿腔7的泄漏流8横向的流动方向的流体流14。

注入边沿腔7中的流体流14显著地阻塞泄漏流8，且类似于边沿腔7内的流体动力体积阻挡物起作用。

图1a公开了冷却空气10的使用，其供给穿过冷却通道11，且在开口15处离开冷却通道11主要进入流动旋转机器的流动通路中。冷却空气10的至少一部分将用于建立边沿腔7内的流体阻挡物。

图1b示出了沿图1a中的切割线A-A的横截面。对应于叶片1及其平台2的旋转构件16以逆时针方向的旋转定向围绕旋转轴线R旋转。对应于导叶4的固定构件17环绕对应于边沿腔7的包围泄漏间隙18的旋转构件16。为了减小穿过泄漏间隙18的泄漏流，大量喷嘴开口13布置在固定构件17处。各个喷嘴开口13提供喷嘴轴线19，流体流14沿喷嘴轴线19经过各个喷嘴开口13发出。喷嘴轴线19与关于旋转轴线R的径向方向20包围角+α。在喷嘴开口13的情况下，喷嘴轴线19定向成使得冲击在旋转构件16的流体流14提高旋转构件16的旋转动量。在此情况中，喷嘴轴线沿旋转构件的旋转方向倾斜。为了优化旋转动量的提高，角α应当在5°≤α≤50°的角范围内。

此外，图1b示出了具有喷嘴轴线19'的喷嘴开口13'的布置的另一个可能性，喷嘴轴线19'相对于旋转构件16的旋转方向倾斜。通过经过喷嘴开口13'注入流体流，流体流作用于旋转构件上，使得旋转动量将降低。因此，角α为负值，且可在-5°≤α≤-50°的角范围内，这取决于旋转构件16的旋转动量上的减速效应的量。

两个所示情况，即，在旋转侧或固定侧处的喷嘴布置，都可取决于旋转流机器的操作的单独情形来组合或交替地应用。

图2a示出纵截面视图中的另一个实施例。这里，旋转叶片1提供了内径平台2，其与导叶4的平台5界定泄漏间隙18。为了阻塞穿过泄漏间隙18的泄漏流8，流体流14经过供给管线12的喷嘴开口13注入，其由冷却空气10供应，冷却空气10通过冲击冷却来冷却导叶4的平台5。这里，冲击片层21布置在导叶4的平台5内的冷却系统内。

图2b示出了穿过叶片1的纵截面，叶片1提供了用于冷却叶片1的空气翼型件的冷却通道11。这里，冷却空气11在叶片1的脚区段处进入冷却通道11。刚好在发出到流机器的主流动通路中之前，在叶片1的后缘22处，冷却空气10的一部分进入供给管线12中，以用于作为流体流14穿过喷嘴开口13注入由叶片1和导叶4的平台2和5界定的泄漏间隙18中。流体流14显著地阻塞泄漏流8。

图2c示出了穿过包括冷却通道11的叶片1的翼型件的一部分的纵截面。在叶片1的末梢23处，提供了喷嘴开口13，冷却空气10的一部分作为流体流14经过喷嘴开口13注入由叶片1的末梢23和固定构件17(例如，热障元件)界定的泄漏间隙18中。

Claims (11)

1. 一种流体密封布置，用于阻塞被引导穿过由旋转构件(16)和固定构件(17)界定的泄漏间隙(18)的泄漏流(8)，包括所述旋转构件(16)和/或所述固定构件(17)中的至少一个喷嘴开口(13)，其分别面朝所述泄漏间隙(18)的相对侧的旋转构件或固定构件，以便将液体或气态流体流(14)经过所述喷嘴开口(13)注入所述泄漏间隙(18)中，其特征在于，所述至少一个喷嘴开口(13)流体地连接到所述旋转构件(16)和/或所述固定构件(17)内的冷却通道(11)上，以便所述喷嘴开口(13)处发出的所述流体流(14)排他性地包括所述旋转构件(16)和/或所述固定构件(17)的冷却流体。

2. 根据权利要求1的前序部分或权利要求1所述的流体密封布置，其特征在于，所述至少一个喷嘴开口(13)提供喷嘴轴线(19)，所述流体流(14)沿所述喷嘴轴线(19)引导，且所述喷嘴轴线(19)关于所述旋转构件(16)的旋转轴线(R)的径向方向(20)倾斜，使得所述旋转构件(16)的旋转动量通过在所述至少一个喷嘴开口(13)发出且冲击所述泄漏间隙(18)与所述喷嘴开口(13)相对的所述旋转构件(16)或所述固定构件(17)的所述流体流(14)来提高或降低。

3. 根据权利要求2所述的流体密封布置，其特征在于，所述至少一个喷嘴开口(13)布置在所述固定构件(17)处，具有喷嘴轴线(19)，其包括与和所述喷嘴开口(13)的交叉的径向方向(20)的角α≠0°，使得所述喷嘴轴线(20)沿所述旋转构件(16)的旋转方向倾斜或与该旋转方向相反地倾斜，且/或所述至少一个喷嘴开口(13)布置在所述旋转构件(16)处，具有喷嘴轴线(19)，其包括与和所述喷嘴开口(13)的交叉的径向方向(20)的角β≠0°，使得所述喷嘴轴线(19)沿所述旋转构件(16)的旋转方向倾斜或与该旋转方向相反地倾斜。

4. 根据权利要求3所述的流体密封布置，其特征在于，α和β将适于：α等于β，或α不等于β，且0°＜α，β＜±90°，优选±5°≤α，β≤±50°。

5. 一种具有根据权利要求1至权利要求4中的一项所述的流体密封布置的旋转流机器，其特征在于，所述旋转流机器为燃气涡轮布置中的压缩机或涡轮级，以及所述至少一个旋转构件(16)为叶片(1)或转子的表面的区段，且所述至少一个固定构件(17)为壳体或直接地或间接地连接到所述壳体上的构件，优选导叶(4)、热障元件或燃烧器衬套。

6. 根据权利要求5所述的旋转流机器，其特征在于，所述泄漏间隙(18)由提供所述至少一个喷嘴开口(13)的所述叶片(1)的末梢(23)和所述壳体或连接到所述旋转流机器的所述壳体上的构件界定，且所述至少一个喷嘴开口(13)连接到所述叶片(1)内的冷却通道(11)，用于冷却所述叶片(1)，且/或所述泄漏间隙(18)由所述叶片(1)的末梢(23)和所述壳体或连接到所述旋转流机器的所述壳体上的构件界定，由此，所述壳体或所述构件提供所述至少一个喷嘴开口(13)，且所述至少一个喷嘴开口(13)连接到冷却通道(11)，该冷却通道(11)在所述壳体或连接到所述壳体上的所述构件内，用于冷却所述壳体或所述构件。

7. 根据权利要求5所述的旋转流机器，其特征在于，所述泄漏间隙(18)由所述叶片(1)的径向内平台(2)的区段和导叶(4)的径向外平台(5)的区段界定，且所述至少一个喷嘴开口(13)在所述叶片(1)的区段侧和/或所述导叶(4)的区段侧，且连接到冷却通道(11)上用于分别冷却所述叶片(1)或所述导叶(4)。

8. 根据权利要求6或权利要求7所述的旋转流机器，其特征在于，所述冷却通道(11)为对流冷却通道，或包括冲击冷却布置。

9. 一种用于通过以与所述泄漏流(18)的流动方向横向的流动方向将液体或气态流体流(14)注入所述泄漏间隙(18)中从而阻塞穿过由至少一个旋转构件(16)和至少一个固定构件(17)界定的泄漏间隙(18)的泄漏流的方法，其特征在于，所述液体或气态流体流(14)用作在进入所述泄漏间隙(18)之前首先冷却所述旋转构件(16)和/或所述固定构件(17)的冷却介质。

10. 根据权利要求9的前序部分或权利要求9所述的方法，其特征在于，所述液体或气态流体流(14)被引导到所述泄漏间隙(18)中，使得所述旋转构件(16)的旋转动量通过所述液体或气态流体流(14)与所述旋转构件(16)和/或所述固定构件(17)的冲击来提高或降低。

11. 根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其特征在于，所述旋转构件(16)和所述固定构件(17)为旋转流机器的一部分，如燃气涡轮布置的压缩机或涡轮级。