CN104919141A - 燃气轮机的内围带中的带槽密封组件 - Google Patents

燃气轮机的内围带中的带槽密封组件 Download PDF

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Abstract

一种布置在燃气轮机的叶盘腔体(36)和高温气道(34)之间的密封组件(50)，包括：具有在燃气轮机运转过程中随涡轮转子(24)转动的多个轮叶(20)的转动轮叶组件(18)；以及，具有多个导叶(14)和内围带(16)的固定导叶组件(12)。所述内围带(16)包括径向地朝外的第一表面(40)、径向地朝内的第二表面(46)、以及延伸到所述第二表面(46)中的多个凹槽(60)。所述凹槽(60)布置为使得在相邻凹槽(60)之间限定具有周向分量的空间。在燃气轮机运转过程中，所述凹槽(60)从叶盘腔体(36)中朝高温气道(34)导引喷吹空气，使得喷吹空气相对于高温气流通过高温气道(34)的方向朝所需方向流动。

Description

燃气轮机的内围带中的带槽密封组件
技术领域
本发明总体涉及一种在燃气轮机中使用的密封组件，该密封组件包括位于内围带的径向内侧上的多个凹槽，这些凹槽用于帮助限制高温气道与叶盘腔体之间的渗漏。
背景技术
在燃气轮机等多级旋转机械中，流体(例如吸入空气)在压缩段被压缩，并在燃烧段中与燃料混合。空气和燃料的混合物在燃烧段中点燃，以产生构成高温工作气体的燃烧气体，高温工作气体被导引至燃气轮机的涡轮段内的涡轮级，以产生涡轮部件的旋转运动。涡轮段和压缩段都具有固定或非转动部件，例如导叶，这些部件与可转动部件(例如轮叶)协作，用于使高温工作气体压缩和膨胀。机器内的许多部件必须通过冷却液冷却，以防止部件过热。
高温工作气体从高温气道被摄入机器中的包含冷却液的叶盘腔体中会降低发动机的性能和效率，例如，由于产生较高的叶盘和叶根温度。工作气体从高温气道被摄入叶盘腔体中还可能缩短叶盘腔体之内和周围的部件的使用寿命和/或导致这些部件发生故障。
发明内容
根据本发明的第一方面，一种密封组件布置在叶盘腔体与穿过燃气轮机的涡轮段的高温气道之间。该密封组件包括：包含在燃气轮机运转过程中随涡轮转子转动的多个轮叶的转动轮叶组件；以及，包含多个导叶和内围带的固定导叶组件。所述内围带包括径向地朝外的第一表面、径向地朝内的第二表面、以及延伸至所述第二表面中的多个凹槽。所述凹槽布置为使得在相邻凹槽之间限定具有周向分量的空间。在燃气轮机运转过程中，凹槽从叶盘腔体中朝高温气道导引喷吹空气，使得喷吹空气相对于高温气流通过高温气道的方向朝所需方向流动。
根据本发明的第二方面，一种密封组件布置在叶盘腔体与穿过燃气轮机的涡轮段的高温气道之间。该密封组件包括：包含在燃气轮机运转过程中随涡轮转子转动的多个轮叶的转动轮叶组件；以及，包含多个导叶和内围带的固定导叶组件。所述内围带包括延伸至内围带的轴向端部的径向地朝外的第一表面、从内围带的轴向端部朝远离轮叶组件的方向延伸并径向地朝内且朝向轴向的第二表面、从第二表面径向地向内延伸并面向轮叶组件的大致朝向轴向的第三表面、以及延伸至内围带中的多个凹槽。所述凹槽包括位于内围带的第三表面上的入口和位于内围带的第二表面上的出口，其中，所述凹槽布置为使得在相邻凹槽之间限定具有周向分量的空间。在燃气轮机运转过程中，所述凹槽从叶盘腔体中朝高温气道导引喷吹空气，使得喷吹空气的流向大致对正高温气流通过高温气道的方向，该方向大致平行于至少一个导叶的后缘的出口角。
根据本发明的第三方面，一种密封组件布置在叶盘腔体与穿过燃气轮机的涡轮段的高温气道之间。该密封组件包括：包含在燃气轮机运转过程中随涡轮转子转动的多个轮叶的转动轮叶组件、以及相对于涡轮段的入口和出口处于轮叶组件的上游的固定导叶组件。所述导叶组件包括多个导叶和内围带，该内围带包括延伸至内围带的轴向端部的径向地朝外的第一表面、从内围带的轴向端部朝远离轮叶组件的方向延伸并径向地朝内且朝向轴向的第二表面、以及从第二表面径向地向内延伸并面向轮叶组件的大致朝向轴向的第三表面。所述内围带还包括延伸至内围带中的多个凹槽，所述凹槽包括位于内围带的第三表面上的入口和位于内围带的第二表面上的出口。所述凹槽布置为使得在相邻凹槽之间限定具有周向分量的空间，其中，所述凹槽从其入口到其出口是渐缩形状的，因而入口比出口宽，并且凹槽在周向上是有角度和/或弯曲的，从而相对于涡轮转子的转动方向来说，其入口位于其出口的上游。在燃气轮机运转过程中，所述凹槽从叶盘腔体中朝高温气道导引喷吹空气，使得喷吹空气的流向大致对正高温气流通过高温气道的方向。
附图说明
虽然本说明书所附的权利要求书具体、明确地提出了本发明的权利要求，但是通过参照附图做出的以下说明，能够更好地理解本发明。在附图中，相似的标号标示相似的元件，其中：
图1是包括本发明的一个实施例的密封组件的燃气轮机的涡轮级的一部分的示意截面图；
图2是图1的密封组件的多个凹槽的局部透视图；
图2A是图2所示的若干凹槽的立面图；
图3是沿径向地向内方向观察时图1所示的涡轮级的横截面图。
具体实施方式
在以下优选实施例的详细说明中，将参照构成本说明书的一部分的附图以示例性方式而非限定性方式说明可实践本发明的一个具体优选实施例。应理解，也可以利用其它实施例，并且在不脱离本发明的精神和范围的前提下做出各种变化。
请参考图1，其中示意性地示出了燃气轮机10的一部分，该部分包括固定导叶组件12，固定导叶组件12包括从外壳(未示出)悬置并附在环形内围带16上的多个导叶14，该部分还包括轮叶组件18，轮叶组件18包括多个轮叶20以及构成涡轮转子24的一部分的转子叶盘结构22。导叶组件12和轮叶组件18在此可合称为燃气轮机10的涡轮段26的一个“级”，对于本领域的普通技术人员来说，显而易见的是，涡轮段26可包括多个级。导叶组件12和轮叶组件18沿限定燃气轮机10的纵轴LA的轴向彼此相隔，其中，相对于涡轮段26的入口26A和出口26B来说，图1所示的导叶组件12位于所示的轮叶组件18的上游，参见图1和图3。
转子叶盘结构22可包括平台28、叶盘30、以及与在燃气轮机10运转过程中随转子24转动的轮叶组件18相关的任何其它结构，例如叶根、侧板、叶柄等。
导叶14和轮叶20延伸到限定在涡轮段26内的环形高温气道34中。在燃气轮机10运转过程中，包括高温燃烧气体的工作气体HG(参见图3)被引导流过高温气道34，并流过导叶14和轮叶20至其余级。工作气体HG通过高温气道34导致轮叶20和相应的轮叶组件18转动，从而使涡轮转子24转动。
请参考图1，在环形内围带16与转子叶盘结构22之间，叶盘腔体36从高温气道34径向地向内布置。喷吹空气PA(例如压缩器排出气体)被提供至叶盘腔体36中，以冷却内围带16和转子叶盘结构22。喷吹空气PA还与流过高温气道34的工作气体HG的压力实现压力平衡，以阻止工作气体HG流入叶盘腔体36。喷吹空气PA可根据需要从穿过转子24的冷却通道和/或其它上游通道提供至叶盘腔体36。应注意，典型情况下，在其余的内围带16和相应的相邻转子叶盘结构22之间提供有附加的叶盘腔体(未示出)。
如图1-3所示，所示实施例中的内围带16包括大致径向向外延伸的第一表面40，导叶14从该第一表面40延伸。所示实施例中的第一表面40从内围带16的轴向上游端部分42延伸至轴向下游端部分44，参见图2和图3。内围带16还包括径向地朝内并朝向轴向的第二表面46，该第二表面46从内围带16的轴向下游端部分44朝远离相邻轮叶组件18的方向延伸至内围带16的大致朝向轴向的第三表面48，参见图1和图2。所示实施例中的内围带16的第二表面46从下游端部分44相对于与纵轴LA平行的直线L1以某一角度β延伸，即，因而第二表面46还从下游端部分44相对于纵轴LA以角度β延伸，其中，角度β优选在大约30°-60°之间，在所示实施例中，角度β约为45°，参见图1。第三表面48从第二表面46径向地向内延伸，并面向相邻轮叶组件18的转子叶盘结构22。
内围带16和从相应的导叶14和轮叶20径向地向内布置的转子叶盘结构22的部件共同形成高温气道34与叶盘腔体36之间的环形密封组件50。环形密封组件50有助于防止工作气体HG被从高温气道34摄入叶盘腔体36中，并使一部分喷吹空气PA相对于工作气体HG流过高温气道34的流向沿所需方向从叶盘腔体36喷出，如下文中所述。应说明的是，在内围带16与燃气轮机10的其余级的相邻转子叶盘结构22之间可布置与本文所述的密封组件50类似的附加密封组件50，即，以便防止工作气体HG被从高温气道34摄入相应的叶盘腔体36中，并使喷吹空气PA相对于工作气体HG流过高温气道34的流向沿所需方向从叶盘腔体36喷出，如下文中所述。
如图1-3所示，密封组件50包括导叶和轮叶组件12、18的多个部分。具体而言，在所示的实施例中，密封组件50包括内围带16的第二和第三表面46、48，以及转子叶盘结构22的平台28的上游端部分28A。这些部件共同限定从叶盘腔体36喷出的喷吹空气PA的出口52，参见图1和图3。
密封组件50还包括延伸到内围带16的第二和第三表面46、48中的多个凹槽60。凹槽60布置为使得在相邻凹槽60之间限定具有周向分量的空间62，参见图2和图3。根据燃气轮机10的具体配置，空间62的大小可能有所变化，并且可以适当选择，以适度调整喷吹空气PA从凹槽60的排出，其中，喷吹空气PA从凹槽60的排出将在下文中更详细说明。
从图2能最清楚地看出，凹槽60的入口64(即，从叶盘腔体36朝高温气道34排出的喷吹空气PA进入凹槽60的位置)位于内围带16的轴向端部44远侧的第三表面48上，凹槽60的出口66(喷吹空气PA从凹槽60排出的位置)位于内围带16的轴向端部44近侧的第二表面46上。请参考图2A，凹槽60优选从其入口64到其出口66是渐缩形状的，因而入口64的宽度W1比出口66的宽度W2大，其中，宽度W1、W2分别是在限定凹槽60的内围带16的相对侧壁SW1、SW2之间沿基本上垂直于喷吹空气PA流过相应的凹槽60的大致流向测量的。可以相信，凹槽60的这种形式的渐缩形状能使喷吹空气PA从凹槽60的排出更集中、更有力，因而能够更有效地防止工作气体HG被摄入叶盘腔体36中，如下文中所述。
如图3所示，凹槽60还优选在周向上是有角度和/或弯曲的，从而相对于涡轮转子24的旋转方向DR来说，凹槽60的入口64位于其出口66的上游。凹槽60的这种形式的角度和/或弯曲能够导引叶盘腔体36中的喷吹空气PA从凹槽60朝高温气道34排出，从而使喷吹空气PA相对于工作气体HG流过高温气道34的流向沿所需方向流动。具体而言，根据本发明的这个方面的凹槽60导引喷吹空气PA从叶盘腔体36排出，使得喷吹空气PA的流向大致对正工作气体HG在高温气道34的相应轴向位置的流向，工作气体HG在高温气道34的相应轴向位置的流向大致平行于导叶14的后缘14A的出口角。
请参考图1-3，密封组件50还包括内围带16的大致沿轴向延伸的密封结构70，该密封结构70从内围带16的第三表面48朝轮叶组件18的叶盘20延伸。如图1和图3所示，密封结构70的轴向端70A非常靠近轮叶组件18的叶盘20。密封结构70可形成为内围带16的一个整体部分，也可独立于内围带16形成，并附到内围带16上。如图1所示，密封结构70优选与平台28的上游端28A互搭，因而从高温气道34向叶盘腔体36摄入任何气体必须穿过一条迂回的路径。
在燃气轮机10的运转过程中，高温工作气体HG流过高温气道34会导致轮叶组件18和涡轮转子24沿图3所示的旋转方向DR旋转。
叶盘腔体36与高温气道34之间的压差(即，叶盘腔体36中的压力高于高温气道34中的压力)导致叶盘腔体36中的喷吹空气PA朝高温气道34流动，参见图1。当喷吹空气PA到达内围带36的第三表面48时，一部分喷吹空气PA流入凹槽60的入口64。这部分喷吹空气PA径向地向外流过凹槽60，然后，在到达凹槽60的位于内围带16的第二表面46上的部分时，喷吹空气PA在凹槽60径向地向外并沿轴向朝相邻的轮叶组件18流动。由于上述的凹槽60的角度和/或弯曲形状，喷吹空气PA获得周向速度分量，因而喷吹空气PA从凹槽60排出的方向大致与工作气体HG在从导叶14的后缘14A流出后的流向相同，参见图3。
喷吹空气PA从凹槽60的排出迫使工作气体HG远离密封组件50，从而有助于限制来自于高温气道34的高温工作气体HG被摄入叶盘腔体36。由于密封组件50限制来自于高温气道34的工作气体HG向叶盘腔体36的摄入，因此密封组件50允许向叶盘腔体36提供较少量的喷吹空气PA，从而提高燃气轮机的效率。
而且，由于喷吹空气PA从凹槽60排出的方向大致与工作气体HG在从导叶14的后缘14A流出后流过高温气道34的方向相同，因此喷吹空气PA与工作气体HG混合时的压力损失较小，从而能进一步提高燃气轮机的效率。本发明的凹槽60尤其实现了这个目的，因为它们形成在内围带16的下游端部分44中，因此，除了喷吹空气PA从凹槽60排出的方向大致与高温工作气体HG从导叶14的后缘14A流出后的流向处于相同的周向之外，由于凹槽在周向上是有角度和/或弯曲的，所以从凹槽60排出的喷吹空气PA还沿轴向朝高温工作气体HG通过高温气道34的下游流向流动。因此，与在平台28的上游端部分28A中形成凹槽60的情况相比，形成在内围带16中的凹槽60能使喷吹空气PA与工作气体HG混合时的压力损失较小，因为从形成在平台28的上游端部分28A中的凹槽排出的喷吹空气会沿轴向朝高温工作气体HG通过高温气道34的流向的上游方向流动，这会导致混合时的压力损失较大。
应说明的是，可以改变凹槽60的角度和/或曲率，以适当调整喷吹空气PA从凹槽60排出的方向。可根据导叶14的后缘14A的出口角和/或喷吹空气PA与流过高温气道34的工作气体HG混合时的压力损失量来进行这种调整。
而且，凹槽60的入口64可在内围带16的第三表面48上进一步径向地向内或向外布置，或者，入口64可布置在内围带16的第二表面46上，即，这样会使得整个凹槽60处于内围带16的第二表面46上。
最后，在此所述的凹槽60优选与内围带16一起铸出，或者在内围带16中加工出来。因此，与独立于内围带16形成并附到内围带16上的肋棱形式相比，能够提高凹槽60的结构完整性，并降低凹槽60的制造复杂性。
虽然在上文中示出并说明了本发明的一个特定实施例，但是本领域技术人员能够轻易地理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，能够做出各种其它的变化和修改。因此，在本发明的范围之内做出的所有此类变化和修饰都应涵盖在由所附权利要求限定的范围之内。

Claims (20)

1.一种布置在燃气轮机的叶盘腔体和穿过燃气轮机的涡轮段的高温气道之间的密封组件，包括：
转动轮叶组件，包含在燃气轮机的运转过程中随涡轮转子转动的多个轮叶；和
固定导叶组件，包含多个导叶和内围带，所述内围带包括：
径向地朝外的第一表面；
径向地朝内的第二表面；和
延伸至第二表面中的多个凹槽，所述凹槽布置为使得在相邻凹槽之间限定具有周向分量的空间；
其中，在燃气轮机运转过程中，所述凹槽从叶盘腔体中朝高温气道导引喷吹空气，使得喷吹空气相对于高温气流通过高温气道的方向朝所需方向流动。
2.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述内围带的第二表面相对于轴向穿过涡轮段的纵轴以某一角度从所述内围带的轴向端部径向地朝内布置，因而所述内围带的第二表面也朝向轴向。
3.如权利要求2所述的密封组件，其中，所述内围带的第二表面以相对于所述纵轴大约30°至大约60°的角度从所述内围带的轴向端部径向地朝内布置。
4.如权利要求3所述的密封组件，其中，所述内围带的第二表面以相对于所述纵轴大约45°的角度从所述内围带的轴向端部径向地朝内布置。
5.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述凹槽从其位于所述内围带的轴向端部的远侧的入口至其位于所述内围带的轴向端部的近侧的出口是渐缩形状的，因而所述入口比所述出口宽。
6.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述凹槽在周向上至少是有角度或弯曲的，因而相对于涡轮转子的旋转方向来说，所述凹槽位于所述内围带的轴向端部的远侧的入口处于所述凹槽位于所述内围带的轴向端部的近侧的出口的上游。
7.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述导叶附到所述内围带的第一表面上。
8.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述凹槽导引喷吹空气，使得喷吹空气的流向大致对正高温气体流过高温气道的方向，高温气体流过高温气道的方向大致平行于至少一个导叶的后缘的出口角。
9.如权利要求1所述的密封组件，其中，所述内围带还包括大致朝向轴向的第三表面，该第三表面从第二表面径向地向内延伸，并面向轮叶组件，其中，所述凹槽的入口位于所述内围带的第三表面上，所述凹槽的出口位于所述内围带的第二表面上。
10.如权利要求9所述的密封组件，其中，所述内围带还包括大致沿轴向延伸的密封结构，该密封结构从所述内围带的第三表面朝向轮叶组件延伸，并非常靠近轮叶组件。
11.一种布置在燃气轮机的叶盘腔体和穿过燃气轮机的涡轮段的高温气道之间的密封组件，包括：
转动轮叶组件，包含在燃气轮机的运转过程中随涡轮转子转动的多个轮叶；和
固定导叶组件，包含多个导叶和内围带，所述内围带包括：
径向地朝外的第一表面，延伸至内围带的轴向端部；
第二表面，从内围带的轴向端部朝远离轮叶组件的方向延伸，并径向地朝内且朝向轴向；
大致朝向轴向的第三表面，从第二表面径向地向内延伸，并面向轮叶组件；和
延伸至内围带中的多个凹槽，所述多个凹槽包括位于内围带的第三表面上的入口和位于内围带的第二表面上的出口，其中，所述凹槽布置为使得在相邻凹槽之间限定具有周向分量的空间；
其中，在燃气轮机运转过程中，所述凹槽从叶盘腔体中朝高温气道导引喷吹空气，使得喷吹空气的流向大致对正高温气流通过高温气道的方向，该方向大致平行于至少一个导叶的后缘的出口角。
12.如权利要求11所述的密封组件，其中，所述内围带的第二表面以相对于纵轴大约30°至大约60°的角度从内围带的轴向端部延伸。
13.如权利要求11所述的密封组件，包括下列特征中的至少一个：
所述凹槽从其入口至其出口是渐缩形状的，因而所述入口比所述出口宽；和
所述凹槽在周向上至少是有角度的或弯曲的，因而相对于涡轮转子的旋转方向来说，所述凹槽的入口位于所述凹槽的出口的上游。
14.如权利要求11所述的密封组件，其中，所述内围带还包括大致沿轴向延伸的密封结构，该密封结构从所述内围带的第三表面朝向轮叶组件延伸，并非常靠近轮叶组件。
15.如权利要求11所述的密封组件，其中，所述导叶附到内围带的第一表面上。
16.一种布置在燃气轮机的叶盘腔体和穿过燃气轮机的涡轮段的高温气道之间的密封组件，包括：
转动轮叶组件，包含在燃气轮机的运转过程中随涡轮转子转动的多个轮叶；和
相对于涡轮段的入口和出口处于轮叶组件的上游的固定导叶组件，包括多个导叶和内围带，所述内围带包括：
径向地朝外的第一表面，延伸至内围带的轴向端部；
第二表面，从内围带的轴向端部朝远离轮叶组件的方向延伸，并径向朝内且朝向轴向；
大致朝向轴向的第三表面，从第二表面径向地向内延伸，并面向轮叶组件；和
延伸至内围带中的多个凹槽，所述多个凹槽包括位于内围带的第三表面上的入口和位于内围带的第二表面上的出口，其中：
所述凹槽布置为使得在相邻凹槽之间限定具有周向分量的空间；
所述凹槽从其入口至其出口是渐缩形状的，因而所述入口比所述出口宽；以及
所述凹槽在周向上至少是有角度的或弯曲的，因而相对于涡轮转子的旋转方向来说，所述凹槽的入口位于所述凹槽的出口的上游；
其中，在燃气轮机运转过程中，所述凹槽从叶盘腔体中朝高温气道导引喷吹空气，使得喷吹空气的流向大致对正高温气流通过高温气道的方向。
17.如权利要求16所述的密封组件，其中，所述内围带的第二表面以相对于纵轴大约30°至大约60°的角度从内围带的轴向端部延伸。
18.如权利要求17所述的密封组件，其中，所述内围带还包括大致沿轴向延伸的密封结构，该密封结构从所述内围带的第三表面朝向轮叶组件延伸，并非常靠近轮叶组件。
19.如权利要求18所述的密封组件，其中，高温气体流过高温气道的方向大致平行于至少一个导叶的后缘的出口角。
20.如权利要求17所述的密封组件，其中，所述导叶附到内围带的第一表面上。
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