CN104632412A - 提供密封连接的柔性部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提供密封连接的柔性部件。用于涡轮机（15）的密封部件（61），其可放置在用于运载废气的过渡部段（21）和涡轮机入口部段（32）之间的接口处。U形部段（45）包括第一和第二腿（67、69）。当密封部件被放置在接口处时，腿围绕涡轮机轴线延伸。密封凸缘（75）连接到U形部段。放置的密封部件围绕轴线延伸并沿远离第一腿的方向延伸。密封凸缘面向凸缘的内表面（76）。相对于密封凸缘径向向外放置的柔性条（79）围绕轴线延伸并且沿轴线在U形部段和凸缘之间延伸。柔性条用作按压凸缘的外表面（96）的弹簧构件。

Description

提供密封连接的柔性部件

技术领域

本发明涉及提供工业燃气涡轮机燃烧系统的燃烧部段和涡轮机部段的入口之间的接合的部件。更具体地，本发明涉及为燃烧部段和涡轮机部段的入口之间的过渡提供改进的密封功能。

背景技术

典型的工业燃气涡轮机发动机具有围绕发动机轴圆周地配置的多个燃烧室。每个燃烧室通常具有过渡管，也被称作过渡件，通过过渡管，热燃烧废气流从每个燃烧室被运载到涡轮机部段的入口。在围绕燃气涡轮机发动机的中心轴线布置多个燃烧室的情况下，围绕涡轮机轴线沿径向布置过渡件，并且过渡件包括出口端，所述出口端汇聚以形成至涡轮机入口的环形进入流。每个过渡件经由密封装置联接到位于单行（row one）导流片区段的前端处的涡轮机入口部段。这些部件和邻接的部件经受由燃烧动力学导致的热膨胀、热应力和振动力，已知所有这些都对包括密封件在内的许多部件的性能有负面影响。因此，已经提出用于在密封成本、可靠性、耐用性、安装和维修成本与对相邻部件的负面影响之间找到更好的平衡的许多密封设计。

被安置在外和内弯曲平台之间的一个或多个涡轮机导流片被称作喷嘴。对于涡轮机的每一级，挡环使一组喷嘴保持成圆形阵列。每个过渡件的出口框架上的上部和下部密封件密封第一级喷嘴的相应外和内挡环，以减少发动机的燃烧部段和涡轮机部段之间的泄漏。

多个这类密封件是每个过渡件的出口端和涡轮机部段的入口之间的接口的一部分。每个过渡件的出口框架上的上部和下部密封件形成过渡件和涡轮机入口之间的密封结构的一部分。同样为了减少发动机的燃烧部段和涡轮机部段之间的泄漏，在出口框架与第一级喷嘴的外和内挡环之间的接口结构中设置额外的密封件。常规上，这些密封件在其狭槽中具有足够大的空隙以适应出口框架和挡环之间的相对动态运动和不同的热膨胀。为此，这类密封件被称作“浮动密封件”。然而，这种空隙增加了横跨密封件的气体泄漏，由此降低发动机效率。新安装的浮动密封件的初始紧公差在部件寿命期间由于磨损而降级。这导致更大的间隙，压缩空气通过该间隙进入热气体路径。这继而会降低效率并可导致较高的含氮副产物排放。

附图说明

在以下描述中参照附图解释本发明，其中：

图1是可在其中采用本发明的实施例的示例性燃气涡轮机发动机的示意图；

图2是燃气涡轮机发动机的部分剖视图，图示了内和外密封接口的典型的现有技术设计；

图3A和3B是示例性燃气涡轮机发动机的剖视图，图示了根据本发明的密封接口和弹簧密封件；

图4A是指形密封组件的部分立体图，图示了其包括垫环和密封板的区段；

图4B是图4A所示的指形密封组件的区段的分解图；

图4C是图4A所示的区段的一部分的剖视图，图示了将垫环区段连接到图4A和4B所示的密封板的紧固件；以及

图5A和5B是图示根据本发明的弹簧密封件的替代实施例的剖视图。

具体实施方式

在提及附图所示的部件的特征和方位时，术语“径向”相对于中心轴线A被使用，旋转机器围绕该中心轴线A转动。即使部件在图中可能被示为与旋转机器分离，但是应该理解，对例如“径向内部”或“径向外部”放置的引用对应于如同安装了该部件的相对放置。图1是示例性燃气涡轮机发动机10的示意图，本发明的实施例可以合并在其中。燃气涡轮机发动机10包括压缩机12、被布置成圆形阵列的环管设计式的多个燃烧器组件、涡轮机部段15和发动机轴17，涡轮机15通过所述发动机轴来驱动压缩机12。燃烧器组件各自包括在帽组件19内的燃料喷射器（未示出）、燃烧室20和过渡件21。在操作期间，压缩机12接纳空气23并经由扩散器26和燃烧器充气室27将压缩空气流24提供至燃烧器入口25。帽组件19内的燃料喷射器将燃料与压缩空气流24混合。此混合物在燃烧室20中燃烧，产生被称作工作气体28的热燃烧气体，工作气体28穿过过渡件21并且经由包括内和外密封接口的密封连接部到达涡轮机15。密封接口位于过渡件21的出口框架35和涡轮机15的入口部段32之间。扩散器26和充气室27可围绕发动机轴17环形地延伸。进入每个燃烧器充气室27的压缩空气流24具有比相联的燃烧室20中和过渡件21中的工作气体28高的压力。

尽管将在燃气涡轮机发动机10的背景下描述根据本发明的实施例，但首先描述现有技术的特征以更清楚地描绘本发明的实施例。图2提供燃气涡轮机发动机10的部分剖视图，其用于采用典型现有技术设计的内密封接口29和外密封接口31的实施例。每个密封接口29、31位于过渡件21和涡轮机15的入口部段32之间。入口部段32位于包括示例性翼型结构38的单行导流片区段37（130）的上游。相对于发动机轴17围绕其旋转的旋转轴线A来这样称谓内密封接口29和外密封接口31，因为内密封接口29距轴线A的径向距离短于从外密封接口31到轴线A的径向距离。

内密封接口29包括过渡件内密封接头45，并且密封接口31包括过渡件外密封接头46。密封接头45、46各自为具有腿部的U形设计，所述腿部捕获径向向外延伸并沿过渡件21的下游部分放置的轨50。此配合布置实现了将过渡件21连接到内密封接口29和外密封接口31中的每个。为了经由密封接口29和31将过渡件21联接到入口部段32，密封接口各自进一步包括沿下游方向轴向延伸的区段33。

内密封接口29的现有技术的轴向区段33具有U形形状，包括被称作内（热）缘35i和外（冷）缘35o的一对间隔开的腿构件。狭槽41对应于腿构件之间的空间。术语“内”和“外”用于描述缘35i和35o相对于热燃烧气体38穿过过渡件21和涡轮机30的流径F来说的相对位置。

内缘35i相对靠近或接触流径F，而外缘35o相比内缘35i较远离流径。外缘被示出沿内密封接口29的外侧放置，并且位于流径外侧。内密封接口29的内缘35i和外缘35o各自沿轴向方向延伸以将入口部段32的径向内部单行导流片轨39接合在狭槽41内。

外密封接口31的现有技术的轴向区段33也具有U形形状，包括被称作内（热）缘40i和外（冷）缘40o的一对间隔开的腿构件。狭槽42对应于内缘和外缘之间的空间。如对于缘35i和35o描述的，术语“内”和“外”用于描述缘40i和40o相对于通过过渡件21和涡轮机30的流径F来说的相对位置。内缘40i相对靠近或接触流径F，而外缘40o相比内缘40i较远离流径。外缘被示出沿外密封接口31的外侧放置，并且位于流径外侧。外密封接口31的内缘40i和外缘40o各自沿轴向方向延伸以接合入口部段32的径向外部单行导流片轨43，即，在狭槽42内。

狭槽41和42提供内部单行导流片轨39和外部单行导流片轨43的轴向移动和有限径向移动。鉴于瞬时和稳定状态的偏离以及配合部件（29、39）和（31、43）的热和动态载荷，浮动的接口发生磨损。对于图1和2所示的密封接口29和31，与外密封接口31的外缘40o相比，内密封接口29的外缘35o受到相对大程度的振动。这可部分地归因于外缘35o相对靠近涡轮机转子。因此，外缘35o受到可致使密封件不可修复的严重磨损。这继而可导致更换密封件的高成本以及单行导流片的高维修成本。维修和更换部件的需要限制了延长检查这些部件的时间的能力。

在描述本发明的实施例时，与前述现有技术的实施例和根据本发明的实施例共同的燃气涡轮机发动机的特征用共同的附图标记表示。根据本发明的第一实施例，在图3A和3B的部分剖视图中示出了示例性燃气涡轮机发动机60以及在过渡件21和涡轮机入口部段之间提供密封功能的选择部件。燃气涡轮机发动机60具有与对于图1和2所示的燃气涡轮机发动机10所描述的特征相同的多个特征。但是，替代内密封接口29和外密封接口31，燃气涡轮机发动机60具有内密封接口61和外密封接口63，它们各自包括过渡密封接头65。每个密封接口61、63位于过渡件21和涡轮机15的入口部段32之间。尽管未示出，应该理解，密封接口61、63各自沿过渡件21和入口部段32延伸整个360度，以围绕行进到涡轮机入口部段32中的热燃烧气体28的流径F完整地提供密封功能。

入口部段32在包括示例性翼型结构44的单行导流片区段37的上游。相对于发动机轴17围绕其旋转的旋转轴线A来说这样称谓内密封接口61和外密封接口63，因为内密封接口61距轴线A的径向距离短于从外密封接口63到轴线A的径向距离。

如图3A所示，内密封接口61可像内密封接口29那样包括过渡件内密封接头45，并且外密封接口63可像外密封接口31那样包括过渡件外密封接头46。密封接头45、46各自为具有彼此分隔开的上游腿构件67和下游腿构件69以提供狭槽70和71的U形设计。狭槽70对应于内密封接口61的腿构件67和69之间的空间，狭槽72对应于外密封接口63的腿构件67和69之间的空间。内密封接口61的内密封接头45将从流径F向外延伸的过渡件轨50的一部分（其沿过渡件21的下游部分放置）捕获在狭槽70内。类似地，外密封接口63的外密封接头46将从流径F向外延伸的过渡件轨50的一部分捕获在狭槽71内。内密封接头45和外密封接头46中的每个与过渡件轨50的部分之间的此配合布置实现了将过渡件21连接到内密封接口61和外密封接口63中的每个。

替代具有U形轴向区段33，为了经由密封接口61、63将过渡件21联接到涡轮机30的入口部段32，每个密封接口进一步包括从下游腿构件69沿下游方向轴向轴向延伸的区段73。

每个轴向区段73包括被称作内缘75的凸缘，内缘75沿内单行导流片轨39或外单行导流片轨43延伸。在每种情形中，内缘75沿内单行导流片轨39的内表面76或外单行导流片轨43的内表面77放置。就是说，内缘与轨之一的内表面76或77相切地滑动接触，因为这吸收了入口部段的相关导流片轨39、43的有限的轴向和径向移动。

内密封接口61和外密封接口63各自进一步包括可以是多层组件或层压结构的弹簧密封件79。每个弹簧密封件具有第一和第二相对端81、83，并且沿第一端81形成一系列缺口87（见图4A），紧固件91穿过缺口87以将弹簧密封件79固定到密封接口的轴向区段73。如对于图3B的实施例所示的，轴向区段73可包括肩部区域95，弹簧密封件79经由紧固件91被安装在肩部区域95上。紧固件91可以是螺纹的，并且肩部区域包括各自具有沿其表面的配合螺纹的一系列孔口。在每个紧固件穿过弹簧密封件缺口87的情况下，各个螺纹孔口接纳形成在紧固件之一上的螺纹，以靠着肩部区域95放置弹簧密封件79的第一端81。当弹簧密封件被如此附接时，每个弹簧密封件的第二端83是自由端，其延伸以接触内单行导流片轨39的外表面96或接触外单行导流片轨43的外表面97。通过这样放置，每个弹簧密封件79的第二端83弹性屈曲以按压在导流片轨39、43的外表面96、97之一上。如图3B所示，每个弹簧密封件79的第二端83还包括弯曲部，弯曲部在沿外表面96、97延伸的区域的至少一部分上形成脊或卷边99。当每个密封件79在表面96、97之一上屈曲时，沿密封件79的表面与表面96或97之间的接触线101保持密封接触。

弹簧密封件79可以是简单的柔性板，其可被附接到轴向区段79或通常附接到过渡密封接头65，例如，附接到下游腿构件69。此外，弹簧密封件与轴向区段（例如区段73）的结合所提供的功能可在没有过渡密封接头65或与过渡密封接头65分离（例如作为离散部件）的情况下被提供。在这些和其他实施例中，弹簧密封件79可以是多层结构。这种弹簧密封件结构的例子在图4A-4C所示的指形密封组件98的局部图中示出。对于弹簧密封件79的其他实施例，指形密封组件98沿过渡件21并且还沿入口部段32的导流片轨39和43延伸360度。组件包括多个指形密封板，它们彼此紧靠放置以阻止高压和低压区域之间的泄漏，同时在密封件中提供柔性。所示实施例包括尺寸基本相同的第一密封板110和第二密封板112，它们彼此紧靠放置以提供360度圆弧的一个区段，例如22.5度，其与轨39、43之一接触。每个板包括沿第二端83周向地延伸的前述卷边99，从而使得当组件被安装为弹簧密封件79时，卷边99沿导流片轨39或43的外表面96或97延伸。每个板还包括一系列经测量的孔100，其与其他板中形成的经测量的孔对齐，从而使得当每个板110、112彼此紧靠放置时，共同对齐的成对的孔100允许受控的流流过板。

参照图4B，每个板110、112包括从沿组装的弹簧密封件的第一端81的径向内部边缘113附近延伸到沿组装的弹簧密封件的第二端83的径向外部边缘115的一系列部分切口118（由虚线表示），以向板提供柔性。板112的切口118的角位置（关于轴线A）与板110的切口118的角位置交错，从而使得当板各自彼此紧靠放置以提供360度圆弧的一个区段时切口118不重合。此交错布置允许使用切口来为每个板提供柔性，同时限制高压和低压区域之间的泄漏。

板110、112彼此紧靠地牢固地组装在一起，并且垫环区段120对向圆弧的整个区段。垫环区段120沿径向内部边缘113放置并且可利用一系列铆钉122来紧固，铆钉122穿过贯穿板110和112中的每个而形成的相应的一系列缺口122，如图4C所示。

已经描述了密封接口、相关的轴向区段和弹簧密封件的例子。用于轴向区段和用于弹簧密封件的附接的许多其他设计也在本发明的范围内。例如，图5A图示具有与弹簧密封件79类似的弹簧密封件79a的密封接口145，但其被配置为具有在与轴向区段73相邻的密封接头45、46的下游腿69上的附接点。可大体根据图4所示的实施例构造所示的弹簧密封件79a，不同之处在于：（i）每个板的沿第一端的部分包括弯曲部147，以用于将弹簧密封件安装在下游腿69上，同时允许第二端83在导流片轨39或43的外表面96或97上延伸；以及（ii）每个板的在第一端81和卷边99之间的部分包括增强施加到相关导流片轨39或43的力的弯曲部分。

图5B图示具有与弹簧密封件79和79a类似的弹簧密封件79b的另一密封接口155，并且所述密封接口155也具有在密封接头45、46的下游腿69上的附接点，但附接点与轴向区段73分隔开相当大或最大距离。同样可大体根据图4所示的实施例构造所示的弹簧密封件79b，不同之处在于：每个板的沿第一端的部分包括弯曲部157，以用于将弹簧密封件的第一端81安装在下游腿69上，同时允许第二端83在导流片轨39或43的外表面96或97上延伸。

已经说明了密封连接部件的实施例。所述部件可沿废气过渡部段和可围绕中心轴线旋转的涡轮机的入口部段之间的接口放置。在过渡部段包括围绕所述轴线周向地延伸的轨的情况下，涡轮机入口部段可包括涡轮机凸缘，所述涡轮机凸缘围绕所述轴线周向延伸并且朝向过渡部段沿轴向方向向上游延伸以当密封连接部件被放置在接口处时与密封连接部件接触。在涡轮机凸缘具有相对的内表面和外表面的情况下，所述内表面面向所述轴线，并且所述外表面背离所述轴线。密封连接部件包括U形部段、密封凸缘部分和柔性条。

U形部段包括沿共同方向延伸的第一和第二腿部分，从而使得当密封连接部件被放置在接口处时，每个腿朝向所述轴线延伸并且沿轨的不同侧面延伸。第一腿和第二腿也围绕所述轴线周向地延伸。密封凸缘部分连接到U形部段，并且这些可形成为整体件。当密封连接部件被放置在接口处时，U形部段（i）使其第二腿围绕所述轴线周向延伸并且（ii）使面向涡轮机凸缘的内表面的密封凸缘部分的表面沿远离第一腿的方向延伸，由此相对于轨来稳定密封连接部件。

柔性条与密封凸缘部分一起周向地延伸并且相对于U形部段的密封凸缘部分径向向外放置。可以注意到，每个腿沿着或紧靠轨的不同侧面放置，柔性条也在沿轴线的方向上在U形部段和涡轮机凸缘之间延伸，以用作按压涡轮机凸缘的外表面的弹簧构件。当密封连接部件被安装在位于过渡部段和涡轮机部段的入口件之间的接口处时，U形部段和柔性条的结合体提供围绕从所述轴线延伸到安装的U形部段的体积的密封。

在上述实施例中，过渡部段包括多个过渡件，每个过渡件被连接为将废气流从燃烧室引导到涡轮机部段。每个过渡件包括提供至燃烧室的连接的上游端和邻接涡轮机部段的入口件的下游端。下游端包括用于连接到密封连接部件的过渡出口框架，其中，轨沿一个或多个过渡出口框架的跨度延伸。当密封连接部件被安装在位于过渡部段和涡轮机入口部段之间的接口处时，U形部段和柔性条的结合体提供围绕从所述轴线延伸到安装的U形部段的体积的密封。

同样根据所示实施例，已经对于燃气涡轮机发动机描述了过渡密封组件。燃烧室中产生的废气沿过渡密封组件流向发动机涡轮机。组件具有相对的第一端和第二端，其中U形主体构件（例如密封接头45或46）在第一端处并且密封凸缘（例如凸缘75）沿组件的第二端延伸。过渡密封组件能够放置在燃烧室下游的过渡部段和附接到涡轮机的入口部段的入口凸缘之间，其中，入口凸缘被理解为围绕涡轮机的旋转轴线周向地延伸。密封凸缘远离组件的第一端沿涡轮机旋转轴线所限定的轴向方向延伸。柔性构件（例如弹簧密封件79）被固定到主体构件并且沿密封凸缘延伸，从而使得当过渡密封组件被放置在过渡部段和入口部段的凸缘之间时，柔性构件位于密封凸缘的径向外侧，并且柔性构件与涡轮机入口部段的凸缘接触。

当过渡密封组件被安装在过渡部段和涡轮机入口部段之间时，U形主体构件围绕涡轮机轴线周向地延伸。U形主体构件包括与过渡部段的轨表面配合的一对平行部分。所述轨表面相对于所述轴线径向向外延伸并且围绕所述轴线周向延伸以实现过渡密封组件和过渡构件之间的连接。

弹簧密封件可包括两个或更多个指形密封板，它们彼此紧靠放置以当被放置在发动机的高压和低压区域之间时防止发生泄漏。所描述的板形成圆弧的一个区段以便围绕轴线放置，应该理解，可存在围绕轴线放置的一系列这类区段，以延伸360度的圆弧。指形密封板可各自包括一系列切口或间隙，它们被布置为使得当板彼此紧靠放置以防止泄漏时，每个板上的间隙的位置相对于其他板上的间隙的位置交错放置。

尽管已经在此示出和描述了本发明的多个实施例，但是这些实施例仅以举例方式提供。在不脱离本发明的情况下，可进行许多改变、更改和替换。因此，本发明意在仅由所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (8)

1. 一种密封连接部件，所述密封连接部件用于运载在涡轮机燃烧系统中产生的废气流出流的过渡部段与能够围绕中心轴线旋转的涡轮机的入口部段之间的接口，所述过渡部段包括围绕所述轴线周向地延伸的轨，所述涡轮机入口部段包括涡轮机凸缘，所述涡轮机凸缘围绕所述轴线周向延伸并且朝向过渡部段沿轴向方向延伸以当所述密封连接部件被放置在所述接口处时与所述密封连接部件接触，所述涡轮机凸缘具有相对的内表面和外表面，所述内表面面向所述轴线，并且所述外表面背离所述轴线，所述密封连接部件包括：

U形部段，其包括沿共同方向延伸的第一腿和第二腿部分，从而使得当密封连接部件被放置在所述接口处时，每个腿朝向所述轴线延伸并且沿所述过渡部段轨的不同侧面延伸，并且第一腿和第二腿也围绕所述轴线周向地延伸；

密封凸缘部分，其连接到所述U形部段，并且当所述密封连接部件被放置在所述接口处时，所述密封凸缘部分（i）与所述第二腿围绕所述轴线周向延伸以及（ii）沿远离所述第一腿的方向延伸，其中，所述密封凸缘部分的表面面向所述涡轮机凸缘的内表面；以及

柔性条，其与所述密封凸缘部分一起周向地延伸并且相对于所述密封凸缘部分径向向外放置，从而使得当每个腿沿轨的不同侧面延伸时柔性条也在沿所述轴线的方向上在所述U形部段和所述涡轮机凸缘之间延伸，以用作按压涡轮机凸缘的外表面的弹簧构件。

2. 根据权利要求1所述的部件，其中，所述过渡部段包括多个过渡件（28），每个过渡件被连接为从燃烧室和涡轮机部段引导废气流，每个过渡件包括提供至燃烧室的连接的上游端（44）以及邻接所述涡轮机部段的入口件的下游端（46），所述下游端包括用于连接到密封连接部件的过渡出口框架，其中，所述轨沿一个或多个过渡出口框架的跨度延伸。

3. 根据权利要求1所述的部件，其中，当密封连接部件被安装在位于过渡部段与涡轮机的入口部段之间的接口处时，所述U形部段和所述柔性条的组合提供围绕从所述轴线延伸到安装的U形部段的体积的密封。

4. 一种用于燃气涡轮机发动机的过渡密封组件，燃烧室中产生的废气能够沿所述过渡密封组件朝向发动机的涡轮机流动，密封件包括：

相对的第一端和第二端，其具有在第一端处的U形主体构件和沿第二端延伸的密封凸缘，所述过渡密封组件能够放置在燃烧室下游的过渡部段和附接到涡轮机的入口部段的入口凸缘之间，该入口凸缘围绕涡轮机的旋转轴线周向地延伸，密封凸缘（i）远离第一端并且沿由所述旋转轴线限定的轴向方向延伸；以及

柔性构件，其被附接到主体构件并且沿所述密封凸缘延伸，从而使得当所述过渡密封组件被放置在所述过渡部段和所述入口部段的凸缘之间时，所述柔性构件位于所述密封凸缘的径向外侧，并且所述柔性构件与涡轮机入口部段的凸缘接触。

5. 根据权利要求4所述的过渡密封组件，其中，当所述组件被安装在所述过渡部段和所述涡轮机入口部段之间时，所述U形主体构件围绕所述涡轮机轴线周向地延伸，并且所述U形主体构件包括与所述过渡部段的轨表面配合的一对平行部分，所述轨表面相对于所述轴线径向向外延伸并且围绕所述轴线周向延伸以实现所述过渡密封组件和所述过渡构件之间的连接。

6. 根据权利要求4所述的过渡密封组件，其中，所述柔性构件是弹簧密封件。

7. 根据权利要求6所述的过渡密封组件，其中，所述弹簧密封件包括第一指形密封板和第二指形密封板，它们彼此紧靠放置以当被放置在高压和低压区域之间时防止泄漏，所述板形成圆弧的一个区段以便围绕所述轴线放置。

8. 根据权利要求7所述的过渡密封组件，其中，每个指形密封板包括一系列间隙，它们被布置为使得当所述板彼此紧靠放置以防止泄漏时，每个板上的间隙相对于其他板上的间隙交错放置。