CN104806300B - 用于在涡轮机组中提供密封的密封装置和涡轮机组 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了用于在相邻的部件之间提供密封的密封装置和利用这种密封装置的涡轮机组。密封装置包括可插置在相邻的部件之间的密封板，该密封板包括第一面和相对的第二面。该密封装置还包括从第一面或第二面中的一个延伸的多个销，这多个销构造成将第一面或第二面中的一个与相邻的部件的接触表面间隔开。
Description
技术领域
本公开主要涉及涡轮机组(turbomachine)，例如燃气涡轮机系统，并且更具体地涉及用于在这种涡轮机组的相邻的部件之间提供密封的密封装置。
背景技术
诸如涡轮机系统的涡轮机组被广泛地用在诸如发电之类的领域中。例如，常规的燃气涡轮机系统包括压缩机、燃烧器、和涡轮机。在涡轮机系统的运转期间，该系统中的多种部件常受到高温流的影响。部件中的许多部件都围绕燃气涡轮机系统的轴线呈环形阵列设置。此外，部件中的许多部件呈环形阵列、径向地、轴向地、或以其它方式邻近于其它部件设置。例如，压缩机和涡轮机叶片、喷嘴、和护罩组件呈环形阵列设置并且还邻近于彼此设置。往往，在相邻的部件之间存在间隙。这些间隙可允许高温流从热气体路径泄漏，从而导致涡轮机系统的性能、效率和功率输出降低。
此外，由于高温流通常导致涡轮机系统的性能、效率和功率输出提高，因此，该系统的部件必须被冷却以使得涡轮机系统能够在提高的温度下运转。在现有技术中，用于冷却多种部件的多种策略都是已知的。例如，冷却介质可被传送至部件。然而，相邻的部件之间的间隙会使冷却介质泄漏并使其与高温流混合，从而导致涡轮机系统的性能、效率、和功率输出进一步降低。
在现有技术中用于降低因泄漏和混合所导致的涡轮机系统损失的多种策略均是已知的。例如，已将诸如叶片密封件、弹簧密封件、和销之类的密封机构用于密封多个相邻的部件之间的间隙。这种密封件可提供适当的密封。然而，在许多情况下，在维持适当密封的同时，使少部分的冷却介质围绕该密封件流动以有助于该密封件的冷却和该密封件的区域中的冷却会是合乎要求的。由此，将泄漏和混合的关注(concern)与区域性冷却的关注进行平衡会是合乎要求的。用于允许进行这种冷却的当前已知的密封设计包括将“虎纹(tiger stripe)”特征或其它特征用在密封件在其间延伸的相邻的部件上，以使该密封件无效并允许冷却介质围绕该密封件流动。然而，这种特征会通常导致不受控的泄漏和不一致的传热系数，并且在允许围绕该密封件流动的冷却介质的量的方面通常是不可预测的。
因此，在本领域中需要用于在涡轮机组中的相邻的部件之间提供密封的改良的密封装置。特别地，提供改良的泄漏控制和传热系数一致性并有助于预测冷却的密封装置会是有利的。
发明内容
本发明的方面和优点将在下列说明书中部分予以阐述，或者可通过该说明书而变得明显，或者可通过实施本发明而得到了解。
在一个实施例中，本公开涉及一种用于在相邻的部件之间提供密封的密封装置。该密封装置包括可插置在相邻的部件之间的密封板，该密封板包括第一面和相对的第二面。该密封装置还包括从第一面或第二面中的一个延伸的多个销，这多个销构造成将第一面或第二面中的一个与相邻的部件的接触表面间隔开。
在另一实施例中，本公开涉及一种涡轮机组。该涡轮机组包括第一部件和相邻的第二部件，第一部件和第二部件在其间限定间隙，第一部件和第二部件中的每一个均限定槽口，该槽口包括接触表面。该涡轮机组还包括密封装置，该密封装置放置在该间隙中并在相邻的部件之间提供密封。该密封装置包括密封板，该密封板放置在第一部件的槽口和第二部件的槽口内并延伸越过该间隙，该密封板包括第一面和相对的第二面。该密封装置还包括从第一面或第二面中的一个延伸的多个销，这多个销将第一面或第二面中的一个与槽口的接触表面间隔开。
本发明的这些和其它特征、方面和优点将参照下列说明书和所附权利要求而得到更好的理解。结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例并与说明书一起用于说明本发明的原理。
附图说明
在参考附图进行的说明书中阐述了包括对于本领域技术人员而言是本发明的最佳模式的本发明的完整且可实施的公开内容，其中：
图1是根据本公开的一个实施例的涡轮机组的示意图；
图2是根据本公开的一个实施例的包括多个密封装置在内的燃气涡轮机系统的侧视截面图；
图3是根据本公开的一个实施例的对处于相邻的部件之间的间隙进行密封的密封装置的侧视截面图；
图4是根据本公开的一个实施例的放置在密封装置中且从该密封装置延伸的密封装置的透视图；
图5是根据本公开的一个实施例的密封装置的透视图；
图6是根据本公开的一个实施例的密封装置的特写透视图；
图7是根据本公开的另一实施例的密封装置的透视图；
图8是根据本公开的另一实施例的密封装置的透视图；
图9是根据本公开的另一实施例的密封装置的侧视图；和
图10是根据本公开的另一实施例的密封装置的侧视图。
具体实施方式
现在将参照本发明的实施例详细地说明，本发明的实施例的一个或多个示例示于附图中。每一个示例均为了说明本发明而非限制本发明来提供。实际上，本领域技术人员将明白的是，在不背离本发明的范围或精神的前提下，可在本发明中作出多种修改和变化。例如，被示出或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一实施例一起使用，以产生再一实施例。由此，企图是，本发明覆盖了处于所附权利要求及它们的等效方案的范围内的这种修改和变化。
图1是涡轮机组的示意图，在所示实施例中，该涡轮机组为燃气涡轮机系统10。应该明白的是，本公开的涡轮机组无需是燃气涡轮机系统10，而是可以是任何适用的涡轮机系统或其它涡轮机组，例如蒸汽涡轮机系统或其它适用的系统。如所示的系统10可包括压缩机段12、可包括如下讨论的多个燃烧器的燃烧器段14、和涡轮机段16。压缩机段12和涡轮机段16可通过轴18联接。该轴18可以是单个轴，或由多个轴段联接在一起以形成轴18。该轴18可还联接至发电机或其它适用的能量存储装置，或者可直接连接至例如电网。入口段19可向压缩机段12提供空气流，并且排气可从涡轮机段16通过排气段20排出并在该系统10或其它适用的系统中排出和/或利用。来自系统10的排气可例如被排放到大气中，流至蒸汽涡轮机或其它适用的系统，或者通过热回收蒸汽发生器再循环。
压缩机12和涡轮机16可均包括多个级。例如，图2中示出了涡轮机16的包括三个级的一个实施例。例如，涡轮机16的第一级可包括喷嘴22的环形阵列和叶片24的环形阵列。喷嘴22可围绕轴18圆周地放置和固定。叶片24可围绕轴18圆周地放置并联接至轴18。由支承构件28和护罩块29的环形阵列形成的护罩组件26可环绕叶片24并连接至喷嘴22以部分地限定热气体路径30。涡轮机16的第二级可放置在第一级的下游并且包括同样放置的喷嘴32、叶片34、和护罩组件36，该护罩组件36由支承构件38和护罩块39形成并部分地限定热气体路径30。涡轮机16的第三级可放置在第二级的下游并可包括同样放置的喷嘴42、叶片44和护罩组件46，该护罩组件46由支承构件48和护罩块49形成并部分地限定热气体路径30。此外，间隔轮和内部护罩组件可包括在多个级中并且部分地限定热气体路径30。应该明白的是，涡轮机16和压缩机12均不被限制成是三级的，而是任何适当数量的级均处于本公开的范围和精神内。此外，应该明白的是，涡轮机16的多种部件无需被如上所述地设置，而是涡轮机16、压缩机12、或系统10中的部件的任何适当的结构均一般地处于本公开的范围和精神内。
如在图2中所示的涡轮机16的多个相邻的部件、压缩机12的诸如叶片、喷嘴、护罩部件、间隔轮之类的多个相邻的部件、和/或该系统10的多个相邻的部件通常可在其间限定间隙100。这些间隙可允许热气体或冷却流体通过其中泄漏，由此降低系统10的效率和输出。
由此，公开了用于在相邻的部件之间、例如在诸如涡轮机系统10之类的涡轮机组的相邻的部件之间提供密封的改良的密封装置102。在示例性实施例中，相邻的部件可以是至少部分地暴露于通过该系统10的高温气体流的任何部件。例如，诸如在图3中指明的第一部件104或相邻的第二部件106之类的部件可以是叶片、喷嘴、护罩部件、间隔轮、过渡件、保持环、压缩机排气装置、或其任何部件，如在上文中或另外所述。此外，应该明白的是，本公开并不限于任何上文公开的部件，并且相反，在其间限定间隙100的任何适当的相邻的部件均处于本公开的范围和精神内。
现在参照图3至10，根据本公开的密封装置102可包括构造成在系统10的相邻的部件104、106之间的间隙100中提供改良密封的多个部件。例如，根据本公开的密封装置102可有利地提供改良的泄漏控制和传热系数一致性，并且可另外有助于对于密封装置102、该密封装置102密封的部件104、106、和相关联的密封区域进行的预测冷却。
例如，密封装置102可包括密封板110。该密封板110可构造成在涡轮机系统10的相邻的部件104、106之间提供密封。该密封板110可具有适于装配在间隙100中的任何形状和尺寸。在示例性实施例中，例如，该密封板110可包括第一外表面或面112、相对的第二外表面或面114、和在其间延伸的边缘116。该边缘116可至少部分地限定密封板110的外围。
密封板110可通常由任何适当的材料形成。例如，密封板110可由金属或金属合金形成。在示例性实施例中，密封板110可由诸如高温钢合金之类的钢合金形成。可替代地，密封板110可由诸如陶瓷或其它适用的非金属之类的任何适用的材料形成。
如上所讨论的那样，密封板110可构造成在相邻的部件104、106之间提供密封。例如，密封板110可被确定尺寸并成形为覆盖相邻的部件104、106之间的间隙100的至少一部分，由此至少部分地阻碍流体通过间隙100的泄漏。密封板110可通常能够被插置在相邻的部件104、106之间，例如在相应部件104、106中限定的槽口120内。每一个槽口120均可包括密封装置102的多个部分可与其接触和/或与其间隔开的内部接触表面122，如本文中所讨论的那样。由此，密封装置102及其密封板110可放置在间隙100中和相邻的部件104、106的槽口120内，以便在部件104、106之间提供密封。
如进一步描述的那样，密封装置102可有利地包括多个销130。销130可通常从第一面112或第二面114延伸，并且如所示可构造成将它们从其延伸的面112、114与部件104、106的接触表面122，(例如该面否则会接触的接触表面122的部分)间隔开。销130从其延伸的面112、114可在示例性实施例中通常朝向热空气路径30并远离冷却介质取向，使得面112、114是密封装置102的加载面或低压面。销130可由此使得冷却介质能够在销130之间并围绕密封板110流动，以便通常由此提供对于密封装置102、部件104、106和密封区域的预期冷却。
销130可通常被确定尺寸、成形、定位并间隔成提供用于专用的相关联部件104、106的最佳密封和冷却特性。例如，在一些实施例中，销130可具有大致相同的尺寸、形状、和其间的间距。在其它实施例中，尺寸、形状和间距可改变以便在密封装置102和相关联的部件104、106的预期位置和区域处提供特别的冷却。此外，各个销130的尺寸和形状可例如从销130的处于面112、114处的根部至销130的远端等是不同的。
此外，销130可利用任何适用的技术或设备形成。在一些示例性实施例中，销130可与密封板110是一体的。销130可由此例如通过直接金属激光熔化(“DMLM”)、电火花机加工(“EDM”)、铣削、冲压、或其它适当的材料移除或更替技术形成。在其它实施例中，销130可与密封板110单独地形成，并可通过熔接、铜焊、利用适当的粘合剂、机械连接、或任何其它适用的连接设备或技术连接至密封板110。
销130通常会是相对小的，并且被称之为微型销。例如，在一些实施例中，一个或多个销130可具有小于或等于约0.01英寸、例如小于或等于约0.005英寸的最大高度132。此外，在一些实施例中，一个或多个销130可具有小于或等于约0.02英寸、例如小于或等于约0.015英寸、例如处于约0.015英寸至约0.005英寸之间的最大宽度134(该最大宽度可以是用于例如圆柱销或具有椭圆形或圆形截面的销的直径或最大直径)。
销130可还具有任何适当的形状。例如，如在图5中所示，一个或多个销130可以是大致呈圆柱形的、或大致呈非圆柱形的。例如，非圆柱形的销130可以是矩形的(所示)、圆锥形的、锥状的(所示)、棱柱形的、或任何其它适用的形状。
图3至6主要示出了从诸如如所示的面112之类的面112、114延伸并且在该面周围间隔开的销130。在如图7和图8中所示的一些实施例中，销130可定位在面112、114的指定部分中。例如，如所示，通道140可限定在销130从其上延伸的面112、114中。销130可放置在通道140内，并且从面112、114的被包括在通道140中的部分延伸。在一些实施例中，没有销130可从面112、114的位于通道140之外的部分延伸，而在其它实施例中，销130可从面112、114的这些部分延伸。
通道140可沿任何适当的方向延伸。例如，密封板110可限定宽度142和长度144。在如图7中所示的一些实施例中，通道140可沿长度144延伸，而在如图8中所示的其它实施例中，通道140可沿宽度142延伸。在其它实施例中，通道140可与宽度142和/或长度144成角度地延伸，和/或可具有任何适当的线性或非线性路径。
在一些实施例中，根据本公开的密封装置102可仅包括密封板110和从该密封板110延伸的多个销130。然而，在其它实施例中，密封装置102可包括附加部件。例如，现在参照图9和10，在一些实施例中，密封装置102可包括辅助密封构件150。如所示，辅助密封构件150可放置在销130中的一个或多个上，例如放置在其远端152上。辅助密封构件150可由此与密封板110间隔开，并且可例如构造成接触相邻的部件104、106的槽口120的接触表面122。
辅助密封构件150可有利地保护销130不受磨损和/或提高对于密封装置102以及该密封装置102密封的部件104、106和相关联的密封区域的冷却。辅助密封构件150可例如通过直接金属激光熔化(“DMLM”)、电火花机加工(“EDM”)、铣削、冲压、或其它适当的材料移除或更替技术与销130一体地形成/一体地形成在销130上。作为选择，辅助密封构件150可与销130单独地形成，或者可通过熔接、铜焊、利用适当的粘合剂、机械连接、或任何其它适用的连接设备或技术连接至销130。
在如图9中所示的一些实施例中，辅助密封构件150可以是第二密封板154。第二密封板154可通常具有如本文中参照密封板110所讨论的密封板特性，并且可与密封板110相同或不同。
在如图10中所示的其它实施例中，辅助密封构件150可包括织物层160，该织物层160可例如保护销130和密封装置102大致不受到机械磨损等。该织物层160可通常包括由适当的纺织品形成的织物162，并且可还包括嵌置在织物162中的多个绳股(strand)164。绳股164可由任何适当的材料形成，该适当的材料例如在示例性实施例中为适用的金属或金属合金或可替代地为陶瓷或聚合物。此外，绳股164可以被编织、针织、压制、或以其它方式嵌置到该织物162中。绳股164自身可以是分离开的各个绳股，或者可被集合到一起成为例如粗纱等。
在其它实施例(未示出)中，辅助密封构件150可包括例如金属丝网，该金属丝网可包括多个编织绳股或非编织绳股并由其形成，并且可由此在多个绳股之间限定多个空隙。绳股82可例如为金属绳股、非金属绳股、或金属绳股与非金属绳股的组合。此外，密封剂可施加至该金属丝网，使得密封剂浸渍该金属丝网。根据本公开，金属丝网的浸渍意指主要填充由金属丝网限定的空隙的至少一部分。由此，在将密封剂施加至金属丝网之后，密封剂可浸渍该金属丝网，使得多个空隙中的至少一部分、或多个空隙中的大致全部在其中包括密封剂。在示例性实施例中，密封剂可以是高温密封剂。此外，在一些实施例中，密封剂可包括粘土、例如纯粹高岭土或任何其它适用的粘土。例如，在一个示例性实施例中，密封剂可包括纯粹高岭土、环氧可溶酚醛树脂、铝粉或含铝粉末、和碳酸钙。在另一示例性实施例中，密封剂可包括纯粹高岭土、丙烯酸钠、和石英。
应该明白的是，本公开并不限于上文中公开的辅助密封构件实施例，并且相反，放置在销130上并与密封板110间隔开的任何适用的辅助密封构件均处于本公开的范围和精神内。
如所讨论的那样，根据本公开的密封装置102有利地包括诸如销130之类的特征，这些特征提供了改良的泄漏控制和传热系数一致性，并且可另外有助于对密封装置102、该密封装置102所密封的部件104、106、和相关联的密封区域的预测冷却。这种有利的泄漏控制和目标冷却至少部分由于如在本文中所公开的销130的定尺寸、成形、位置、间距、和其它特性所导致。
本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。这种其它示例旨在处于权利要求书的范围内，只要它们具有与该权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与该权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。
Claims (20)
1.一种用于在相邻的部件之间提供密封的密封装置，所述密封装置包括：
密封板，所述密封板能够插置在所述相邻的部件之间，所述密封板包括第一面、相对的第二面和界定所述密封板外围的边缘，所述密封板具有宽度和长度；和
多个销，所述多个销从所述第一面或所述第二面中的一个延伸，所述多个销构造成将所述第一面或所述第二面中的所述一个与相邻的部件的接触表面间隔开；其中，所述多个销与所述边缘间隔开布置，并且构造成沿所述密封板的所述宽度和所述长度彼此间隔开以形成供冷却介质在所述多个销之间流动的空间。
2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，在所述第一面或所述第二面中的所述一个中限定通道，并且所述多个销放置在所述通道内。
3.根据权利要求2所述的密封装置，其特征在于，所述通道沿所述长度延伸。
4.根据权利要求2所述的密封装置，其特征在于，所述通道沿所述宽度延伸。
5.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述密封装置还包括放置在所述多个销上并与所述密封板间隔开的辅助密封构件，所述辅助密封构件构造成接触所述相邻的部件的所述接触表面。
6.根据权利要求5所述的密封装置，其特征在于，所述辅助密封构件是另一密封板。
7.根据权利要求5所述的密封装置，其特征在于，所述辅助密封构件包括织物层，所述织物层包括织物和嵌置在所述织物中的多个金属绳股。
8.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述多个销中的每一个均具有小于或等于0.01英寸的最大高度。
9.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述多个销中的每一个均具有小于或等于0.02英寸的最大宽度。
10.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述多个销中的每一个均是大致呈圆柱形的。
11.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述多个销中的每一个均是呈非圆柱形的。
12.一种涡轮机组，包括：
第一部件和相邻的第二部件，所述第一部件和所述第二部件在其间限定间隙，所述第一部件和所述第二部件中的每一个均限定槽口，所述槽口包括接触表面；和
密封装置，所述密封装置放置在所述间隙中并在相邻的部件之间提供密封，所述密封装置包括：
密封板，所述密封板放置在所述第一部件的所述槽口和所述第二部件的所述槽口内并延伸越过所述间隙，所述密封板包括第一面、相对的第二面和界定所述密封板外围的边缘，所述密封板具有宽度和长度；和
多个销，所述多个销从所述第一面或所述第二面中的一个延伸，所述多个销将所述第一面或所述第二面中的所述一个与所述槽口的所述接触表面间隔开；其中，所述多个销与所述边缘间隔开布置，并且构造成沿所述密封板的所述宽度和所述长度彼此间隔开以形成供冷却介质在所述多个销之间流动的空间。
13.根据权利要求12所述的涡轮机组，其特征在于，在所述第一面或所述第二面中的所述一个中限定通道，并且所述多个销放置在所述通道内。
14.根据权利要求13所述的涡轮机组，其特征在于，所述通道沿所述长度延伸。
15.根据权利要求13所述的涡轮机组，其特征在于，所述通道沿所述宽度延伸。
16.根据权利要求12所述的涡轮机组，其特征在于，所述涡轮机组还包括放置在所述多个销上并与所述密封板间隔开的辅助密封构件，所述辅助密封构件构造成接触所述相邻的部件的所述接触表面。
17.根据权利要求16所述的涡轮机组，其特征在于，所述辅助密封构件是另一密封板。
18.根据权利要求16所述的涡轮机组，其特征在于，所述辅助密封构件包括织物层，所述织物层包括织物和嵌置在所述织物中的多个金属绳股。
19.根据权利要求12所述的涡轮机组，其特征在于，所述多个销中的每一个均具有小于或等于0.01英寸的最大高度。
20.根据权利要求12所述的涡轮机组，其特征在于，所述多个销中的每一个均具有小于或等于0.02英寸的最大宽度。
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