CN105051351A - 用于密封间隙的密封元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于密封两个部件(12，20)之间的间隙(22)的密封元件(24)，所述两个部件可以相对于彼此热移动并且分别具有两个基本平行的部件槽(26，28，30，32)，其中所述密封元件(24)沿主线被引导并在基本上垂直于主线的横截面内具有第一端段(38)、和第二端段(40)，以及设置在所述端段(38，40)之间的中间区域(42)，所述密封元件旨在即使在发生部件的较大地径向热膨胀的情况下，仍确保有效密封，然而还减少在部件上的热应力和裂纹形成。为此目的，与所述第一端段(48)具有大致相同延伸方向的第三端段(44)与所述第一端段(38)平行地被设置在所述中间区域(34)；并且与所述第二端段(40)具有大致相同延伸方向的第四端段(46)与所述第二端段(40)平行地被设置在所述中间区域。

Description

用于密封间隙的密封元件
技术领域
本发明涉及一种用于密封两个部件之间的间隙的密封元件，所述两个部件可以相对于彼此热移动并且分别具有两个基本上平行的部件槽，其中所述密封元件沿着主线取向，并在基本上垂直于主线的横截面内具有第一端段和第二端段，以及设置在端段之间的中央区域。它进一步涉及一种具有这样的密封元件的燃气涡轮机。
背景技术
燃气轮机是一种加压气体在其中膨胀的涡轮机。它由涡轮机或膨胀器，和上游压缩机以及连接在这些部件之间的燃烧室组成。操作原理是基于循环过程(焦耳过程)：它使用一个或多个压缩机级的叶片装置来压缩空气，然后在燃烧室内将该空气与气体或液体燃料混合，并点燃和燃烧它。此外，空气被供给到二次空气系统并用于具体地冷却经受高的热负载的部件。
这将产生热气体(燃烧气体和空气的混合物)，其在下游涡轮部分膨胀，其中热能被转换为机械能并首先驱动压缩机。剩余部分被用在涡轮轴发动机中，用于驱动发电机、推进器或其它旋转消耗装置。相比之下，在喷气发动机中，热能加速热气流，从而产生推力。
在某些情况下具有大于1000℃的高涡轮入口温度的燃气涡轮机的情况下，冷启动和操作之间的大温差导致燃气涡轮机的各个部件的热膨胀，使得为了避免高的热应力和裂纹形成，相邻的部件通过间隙被部分地彼此间隔开。由于二次空气系统通常比热气体管道处在更高的压力下，冷空气到涡轮内的内部泄漏在间隙处发生并引起功率和效率的降低。这种情况尤其发生在界定热气体管道的涡轮导向叶片平台和环段之间的间隙处。
泄漏导致通过压缩机的能耗的增加和用于部件的更困难的配置计算。避免泄漏的进一步原因涉及在涡轮机内的真正的热气体温度：泄漏损失越大，二次空气系统的空气消耗越高，并且因此更少的压缩空气被供给到燃烧室。为了在这种情况下产生涡轮机的高功率，入口温度必须通过提供更多的燃料被增加。然而，这增加了部件上的负荷并需要额外的冷却。这样的结果是在结构方面增加了成本，并降低了涡轮机效率。
为了最大限度地减少泄漏，各种各样的密封概念在涡轮机内根据要求被使用。通常，沿着相应的间隙在主线上，例如在径向间隙的情况下沿周向方向延伸的平坦密封元件，被推入大致垂直于待被密封的间隙或与待被密封的间隙成限定角度的槽内。
在最简单的情况下，密封元件被构造为具有光滑表面的平坦密封元件。而且，常用的是波纹或齿形密封板，其也被称为沟密封件或梳轮廓密封件。
这是金属密封件，其在两端或端段之间具有中央区域，所述中央区域具有光滑和波纹或齿形表面，并例如从EP0852659B1中已知。齿形轮廓在组装过程中变形，使得在安装之后，它们在设有槽和密封元件的部件之间产生并实现无间隙连接。
但是，上述密封元件具有的缺点是，它们不适合于经受相对于彼此的相对较大的径向位移的部件，因为它们在径向方向上缺乏柔性。在燃气轮机的操作过程中，该板的相对高的刚度迅速通过翘曲和非对准运动导致磨损的标记，从而导致泄漏。此外，沟末端的柔性往往较低，使得板的正确安装相对困难。在某些情况下，在装配期间，甚至需要进行额外的加工，但是其仍然迅速地导致不希望的额外泄漏。
发明内容
因此，本发明的目的是指出一种在引言中提到的类型的密封元件，其即使在部件的相对大的径向热膨胀过程中仍确保有效的密封，并然而仍减少部件内的热应力和裂纹形成。
这个目的是根据本发明实现的，因为存在被设置在中央区域的第三端段和第四端段，所述第三端段平行于第一端段，具有与第一端段基本上相同的延伸方向，所述第四端段平行于第二端段，具有与第二端段基本上相同的延伸方向。
在这种情况下，本发明从以下考虑出发，即迄今所使用的密封元件主要允许部件沿其延伸方向，通常是沿轴向方向的运动。如果密封元件的板厚度被选择得更小，使得密封元件本身能够以柔性的方式移动，则密封元件的更大柔性可以被实现。然而，在这种情况下，密封元件在相应部件上的保持应被改进。这可以通过设置平行于现有端段设置的另外的端段是可能的。这在密封元件的每一侧导致在部件内具有双平行槽的双槽-弹簧连接，使得在相应部件上的保持被加强，并且密封作用被提高。
在第一有利结构中，中央区域包括连接第一和第三端段的部分，以及连接第二和第四端段的部分，其中所述部分经由连接部被连接。因此，在这种情况下，在同一部件中被插入到平行槽内的端段直接，例如借助半圆形部分彼此连接。从而端段被定位为在相应的槽内的U形部分的末端。这两个部分然后进一步通过连接部被连接，该连接部可以例如直的延伸通过所述间隙。其它形状也是可能的。
在第二替代或附加有利结构中，中央区域包括连接第一和第二端段的部分，以及连接第三和第四端段的部分，其中所述部分经由连接部连接。因此，在这种情况下，被引入跨越间隙彼此相对的不同部件的部件槽中的两个端段，例如以迄今常见的密封板的方式被彼此连接，但为了提高对于翘曲和非对准的弹性，其可以制得更薄。两个连接部分然后借助连接部彼此固定。这些部分可以例如彼此直接焊接或钎焊，使得连接部仅由焊缝组成。
在一个有利的结构中，连接部是可自复位延伸的。例如，这可以通过借助弹簧或应变杆被连接的连接部分来实现。这进一步增加了密封元件的弹性，而密封元件仍然易于安装。甚至在密封元件翘曲和未对准的情况下，密封效果从而得到改善。
在进一步的有利结构中，中央区域和/或相应端段被构造为使得相应端段可以自复位方式在相同的延伸方向上相对于彼此移动。这可以特别简单的方式发生，因为中央区域由适当的薄板制成，使得所用的材料的弹性允许相应的伸展和压缩。这也增加了密封元件的弹性。
在可替代或附加的有利结构中，相应的端段具有锯齿形的横截面。连同密封元件的结构一起，其与迄今使用的密封板相比更薄，因此导致在轴向方向上有弹性功能。锯齿形的端段引起具有部件槽的多个接触表面的形成，这取决于待被密封的部件的轴向预应力和未对准和/或翘曲。
在进一步的替代或附加有利结构中，各端段具有齿形表面。而且，当密封元件在每一侧配置有双槽-弹簧连接时，这种以迄今使用的沟板方式的齿具有实质性优点：该齿可以设有面对中央区域的倾斜部分，使得端部区域一方面可压缩并且另一方面以倒钩的方式被固定在槽内。所述齿也可以被应用在每个端段的两侧，以进一步提高在槽内的固定。
另外，各端段可有利地弯曲成圆形。当端段被压缩时，例如当它被推入部件槽中时，半径减小，端段被压缩并平滑地滑动进入槽内。但是，在向外运动的情况下，该元件本身拉紧，从而防止移除。
有利的是，密封元件至少部分由金属材料制成。特别地，金属材料在足够薄的同时提供可逆的可变形性，使得上述几何结构的优点可以得到改善或甚至首先成为可能。
在一个有利的结构中，所述的密封元件被设置在燃气涡轮机内，该燃气涡轮机具有热气体区域和用于冷却燃气涡轮机的导向叶片的冷气体区域，所述热气体区域待相对于冷气体区域被密封，其中密封元件接合第一部件的两个基本平行的部件槽和邻接第一部件的第二部件的两个基本平行的部件槽，其中间隙被形成在部件之间。在每个部件中的双槽-弹簧连接，即使在显著位移或翘曲的情况下，也可提供密封元件的特别安全的保持，使得冷气体区域相对于热气体区域密封良好。
在这种情况下，将被插入到相应部件槽中的端段有利地比相应的部件槽稍大。这意味着该端段在插入阶段已经变形而没有已经发生热膨胀。这与燃气轮机内的当前温度和冷气体区域与热气体引导区域之间的温度差无关地而有效地密封间隙。
在进一步的有利结构中，密封元件接合在其中的部件槽从间隙向内变窄进入部件内。这简化了安装，因为密封元件可以更容易地插入部件槽内。变窄尤其可形成为使得在平行部件槽之间所形成的腹板可以被配置成具有楔形轮廓。
在又一有利结构中，那些接合在基本上平行的部件槽之间的间隔比基本平行的部件槽之间的间隔稍小。这意味着，在插入到槽内时，端段被挤压彼此间隔开，使得由此产生的预应力以爪的方式将密封元件保持在槽内。特别是与以圆形被弯曲的端段组合，特别是当它们被向内，即朝向相应的另一端段弯曲时，密封元件在槽内被固定得特别好。对着彼此给端段预加应力意味着，拉出密封元件将导致特别是在端段的滚动运动，由此圆形弯曲的半径增大并且端段本身楔入相应的槽中。
有利的是，各端段的长度沿着主线变化，并且各端段接合在部件槽中，所述部件槽的深度轮廓适于长度的变化。因此，能够以简单的方式抵抗沿着主线的位移固定密封元件：可变深度部件槽和端段的因此适应的膨胀使密封元件抵抗沿主线的位移以形状配合的方式被固定成为可能。此外，以这种方式，密封元件和部件槽能够以编码的方式相匹配，使得特定密封元件由于沿其主线的其长度变化而仅适合特定部件槽。这可以防止在安装过程中的错误。
一种燃气轮机，具有热气体区域和用于冷却导向叶片的冷气体区域，所述热气体区域相对于所述冷气体区域待被密封，其中，所述区域通过在周向方向和轴向方向上设置的多个部件被彼此分隔，并且至少一个第一部件和一个第二部件被间隙间隔开，优选地在第一部件中具有两个基本上平行的部件槽并在第二部件中具有两个基本上平行的部件槽，在部件槽中布置有所述密封元件，以密封该间隙。
通过本发明实现优点尤其包括，在两侧具有被引入到间隙的每一侧的相应双部件槽内的双平行端段的密封元件，当密封燃气轮机内的两个轴向分开的部件时，允许密封元件的基本上更好的保持和在径向方向上更大柔性。密封元件的柔性从而最大限度地减少热应力，并且防止裂纹的形成。此外，间隙的可靠闭合实现了改进的密封效果。用于均衡轴向间隙的高潜力和自限效果也降低了密封元件从部件槽滑落出的当前风险。
附图说明
参照附图中表现的多个示例性实施例对本发明进行了更详细的说明，其中：
图1从穿过燃气轮机的纵截面示出了细节，
图2至图10示出了穿过在燃气涡轮机内的各个密封元件的横截面，以及
图11示出了来自于图10的密封元件的平面图。
在所有附图中，相同的部分已用相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了燃气轮机1的细节，其沿轴线2取向。在下文中，术语诸如轴向、径向或在周向方向上总是涉及到燃气轮机1的轴线2。
燃气轮机1在壳体4内和在轴向方向上具有交替的导向叶片6和转子叶片8。导向叶片6沿垂直于燃气涡轮机的轴线2的轴线10取向，并且沿燃气轮机1的圆周设置，从而形成一圈。这样的一圈导向叶片6也称作导向叶片圆盘。导向叶片6借助相应的导向叶片板12连接到燃气轮机1的壳体4，并因此是燃气轮机1的定子的一部分。
沿圆周，相邻导向叶片6由相应的间隙(未更详细地示出)彼此间隔开，这使这些导向叶片在很大程度上自由地热膨胀。导向叶片板12将绕燃气轮机1的轴线2形成的热气体区域14与形成在导向叶片板12和壳体4之间的冷却气体区域16分开。在热气体区域14中，流动有在燃烧室(未示出)内在上游燃烧的热气体，而在冷气体区域中，通常流动有来自压缩机的端区域的排出空气。
转子叶片8沿各自的轴线18延伸，所述轴线也基本上正交于燃气轮机1的轴线2。转子叶片8完全在热气体区域14内。它们以环的方式被设置为涡轮机的转子上的转子叶片盘，以围绕轴线2旋转。导向叶片盘与下游的转子叶片盘一起被称为一个涡轮级。
在转子叶片8的区域中，热气体区域14通过多个沿燃气轮机1的圆周的环段20被从冷气体区域16分开。在这种情况下，环段20分别被连接到壳体4。为了清楚起见，在每种情况下只有一个导向叶片6、一个转子叶片8和一个环段20被表示。
在轴向方向上，相应环段20通过间隙22被从相应的导向叶片6，特别是从导向叶片板12间隔开。该间隙22借助密封元件24密封，其基本上防止来自于冷气体区域16的冷气体流入热气体区域14。
在这种情况下，导向叶片12表示第一部件，并且环段20表示第二部件。在轴向方向上，冷气体区域16因此在相邻的导向叶片6和环段20之间相对于热气体区域14被密封，并且，在周向方向上，在每一种情况下，在相邻的导向叶片12之间并且相应地在相邻环段20之间存在密封。
图2示出了在来自图1的区域II的放大表示中密封元件24的第一示例性实施例。图2示出了作为两个相邻部件的导向叶片板12和环段20，它们由间隙22彼此间隔开。可替代地，部件可以是两个相邻的导向叶片6，特别是导向叶片板12，或两个相邻的环段20。
两个周向平行的部件槽26，28或相应地，30，32被引入到部件12，20中的每个部件。在这种情况下，导向叶片板12内的部件槽26，28朝向环段20取向；在环段20内的部件槽30，32朝向导向叶片板12取向。在导向叶片板12内的部件槽26，28通过腹板34彼此分开；在环段20内的部件槽30，32通过腹板36彼此分离。腹板34，36朝向呈楔形的间隙22逐渐变细，使得槽26，28，30，32朝向间隙22变宽。
密封元件24接合在部件槽26，28，30，32内，以便密封间隙22。密封元件24沿着通向附图的周向取向的主线取向，并且在所表示的垂直于主线的横截面内具有第一端段38、第二端段40和该第一端段与第二端段之间的中央区域42。第一端段38在部件槽26内，并因此基本上在径向方向上朝向导向叶片板12取向。第二端段40在部件槽30内，并因此基本上在径向方向上朝向环段20取向。
在部件槽28内，存在第三端段44，其平行于中央区域42处的第一端段38设置。在部件槽32内，存在第四端段46，其平行于中央区域42处的第二端段40设置。导向叶片载体12的部件槽26，28内的端段38，44由抛物线部分48连接。以相同的方式，在环段20的部件槽30，32内的端段40，46由抛物线部分50连接。所述部分48，50由径向取向的连接部52相连。
端段38，40，44，46分别向内，即朝向相同部件12，20内的相应其他端段38，40，44，46弯曲。这导致在横截面中围绕约3/4圆的弯曲。整个密封元件24由相对薄的金属板，例如具有高的热稳定性的镍合金制成。密封元件24因此是弹性可延伸的。这种弹性被用于在部件槽26，28，30，32中固定密封元件24。
各平行端段38，44或相应地40，46之间的轴向分离，即在密封元件24的未安装状态下，大于平行部件槽26，28，或相应地30，32之间的分离。这可以在图3所示的比较图中看出，其示出了在未安装状态下的密封元件24。此外，具有其圆形弯曲的相应端段38，40，44，46比相应的部件槽26，28，30，32稍大。
当被插入部件槽26，28，30，32内时，端段38，40，44，46被压缩并且相互平行的端段38，44或相应地40，46被挤压而彼此分开。腹板34，36的楔形允许简单插入。从而，由于材料的弹性，回复力使密封元件24被固定在部件12，20上。密封元件24的总弯曲形状整体上在发生间隙22几何变化时充当弹簧。
图4至10示出了在每一种情况下密封元件24的替代示范性实施例。这些附图参照相对于图2或其他上述附图的示例性实施例的差异被描述。未提及的特征基本上与图2或以在每种情况所提到的上述附图是相同的。
图4示出了密封元件24，其中央区域42相对于图2具有不同的结构：在这种情况下，相对的端段38，40或44，46(在每种情况下相对于间隙22)通过基本上轴向取向的连接部54或56彼此连接。所述连接部54，56由径向取向的连接部58连接。连接部58可以在密封元件24的整个长度上沿主线延伸或被中断，使得只有逐段或点状的连接存在。
借助于相应的端段38，44或40，46之间的间隔比部件槽26，28或30，32之间的间隔更大，在安装状态下(参见比较附图图5)，所述部分54，56被朝向中央区域42的中心点弯曲。
在本质上，图6示出了来自于图4的密封元件24，其中连接部58被配置为弹性元件，即配置为弹簧或应变杆的布置，以增加柔性。
在本质上，图8也示出了来自于图4的密封元件24，其中连接部58现在只由彼此连接的部分54，56之间的焊缝组成。因此，所述部分54，56更弯曲。腹板34，36不是楔形的，但被倒圆。图6也示出了间隙轴向增大的情况下的状况：弯曲的端段38，40，44，46由于力比而滚动并且自己楔入部件槽26，28，30，32中。
在图9中表示的密封元件24是由比图2的密封元件24更厚的板材制成的。因此，没有弯曲部分被提供，相反，相对的端段38，40或44，46(在每种情况下相对于间隙22)通过基本上轴向取向的，相对刚性的连接部54或56被彼此连接。所述部分54，56借助基本上由焊缝组成的连接部58连接。可替代地，所述部分54，56可以通过钎焊连接。在这里，连接部58也可以在密封元件24的整个长度上沿主线延伸或被中断使得只有逐段或点状的连接存在。
端段38，40，44，46是锯齿形的，并比相应的部件槽26，28，30，32略大。因此，在插入到部件槽26，28，30，32内时，端段被压缩并与部件槽26，28，30，32形成多个接触面，这取决于待被密封部件的轴向预应力和未对准或翘曲。
在图10和图11所示的进一步示例性实施例中，板材也厚于图4的示例性实施例，但仍比迄今使用的密封板的情况更薄。在这种情况下，相对的端段38，40或44，46(在每种情况下相对于间隙22)也由基本上轴向取向的连接部54或56彼此连接。所述部分54和56在其中心具有凸面60，该朝向相应的另一部分54或56取向。在凸面60处，所述部分54，56通过连接部58连接，其也基本上由焊缝组成。
端段38，40，44，46在其径向取向的表面是齿形，即朝向热气体区域14取向的那些表面和朝向冷气体区域16取向的那些表面都是齿形的。示意性示出的齿在这种情况下在中央区域42的方向上可以被倾斜，使得与大于相应的部件槽26，28，30，32的事实相结合，实现类似倒钩的作用。
在图4至图10中，邻接冷气体区域16的端段38，40与连接部54一起形成一个薄板；邻接热气体区域14的端段44，46与连接部56一起形成另一薄板。薄板在连接部58被连接，产生完成的密封元件24。在所有这些示例性实施例中，可以结合部件槽26，28，30，32沿主线的槽深度改变端段38，40，44，46的长度。这在图10的示例性实施例的例子中被示出。
图11示出了来自于图10的视图XI，其仅示了朝向冷气体区域16取向的薄板。端段38，40沿着主线线性改变长度，从而得到梯形形状的薄板。部件槽26，30与长度变化相匹配。
朝向热气体区域14取向的该薄板(未示出)具有相同的长度变化，但相对于主线被相反设置，使得所述梯形形状与第一板材的梯形形状相对。部件槽28，32被相应地匹配。这确保了密封元件24抵抗沿主线的位移。
在图4至图11的所有示例性实施例中，朝向冷气区域16取向的薄板可以由不太耐热并且因此比朝向热气体区域14取向的薄板更有成本效益的材料制成。为了简化安装，该部件槽26，28，30，32可以向内逐渐变细进入相应的部件12，20。

Claims (15)

1.一种密封元件(24)，用于密封两个部件(12，20)之间的间隙(22)，所述两个部件能相对于彼此热移动并且分别具有两个基本平行的部件槽(26，28，30，32)，
其中所述密封元件(24)沿着主线被取向，并在基本上垂直于所述主线的横截面内具有第一端段(38)和第二端段(40)，以及设置在所述端段(38，40)之间的中央区域(42)，
其中在所述中央区域(34)处设置有第三端段(44)和第四端段(46)，所述第三端段平行于所述第一端段(38)，具有与所述第一端段(38)基本相同的延伸方向；所述第四端段平行于所述第二端段(40)，具有与所述第二端段(40)基本相同的延伸方向。
2.如权利要求1所述的密封元件(24)，其中所述中央区域(42)包括连接所述第一端段(38)和所述第三端段(44)的部分(48)，以及连接所述第二端段(40)和所述第四端段(46)的部分(50)，
其中所述部分(48，50)通过连接部(52)相连接。
3.如权利要求1或2所述的密封元件(24)，其中所述中央区域(42)包括连接所述第一端段(38)和所述第二端段(40)的部分(54)，以及连接所述第三端段(44)和所述第四端段(46)的部分(56)，
其中所述部分(54，56)通过连接部(58)相连接。
4.如权利要求3所述的密封元件(24)，其中所述连接部(58)是可自复位延伸的。
5.如前述权利要求中的一项所述的密封元件(24)，其中所述中央区域(42)和/或相应的端段(38，40，44，46)被配置为使得相应的端段(38，40，44，46)能以自复位方式相对于彼此在相同的延伸方向上移动。
6.如前述权利要求中的一项所述的密封元件(24)，其中相应的端段(38，40，44，46)是锯齿形的。
7.如前述权利要求中的一项所述的密封元件(24)，其中相应的端段(38，40，44，46)具有齿形表面。
8.如前述权利要求中的一项所述的密封元件(24)，其中相应的端段(38，40，44，46)弯曲呈圆形形状。
9.如前述权利要求中的一项所述的密封元件(24)，所述密封元件至少部分由金属材料制成。
10.如前述权利要求中的一项所述的密封元件(24)，用在燃气涡轮机(1)内，其中所述燃气涡轮机(1)具有热气体区域(14)和用于冷却所述燃气涡轮机(1)的导向叶片(6)的冷气体区域(16)，所述热气体区域(14)待相对于所述冷气体区域(16)被密封，所述密封元件接合在第一部件(12)的两个基本平行的部件槽(26，28)内和邻接所述第一部件(12)的第二部件(20)的两个基本平行的部件槽(30，32)内，
其中间隙(22)被形成在所述部件(12，20)之间。
11.如权利要求10所述的密封元件(24)，其中待被插入相应的部件槽(26，28，30，32)内的所述端段(38，40，44，46)略大于所述相应的部件槽(26，28，30，32)。
12.如权利要求10或11所述的密封元件(24)，所述密封元件接合在远离所述间隙(22)变窄进入所述部件(12，20)内的部件槽(26，28，30，32)中。
13.如权利要求10至12中的一项所述的密封元件(24)，其中接合在基本平行的部件槽(26，28，30，32)内的那些端段(38，40，44，46)之间的间隔略小于所述基本平行的部件槽(26，28，30，32)之间的间隔。
14.如权利要求10至13中的一项所述的密封元件(24)，其中相应的端段(38，40，44，46)的长度沿所述主线变化，并且所述相应的端段(38，40，44，46)接合在深度轮廓与所述长度的变化相匹配的部件槽(26，28，30，32)中。
15.一种燃气涡轮机(1)，所述燃气涡轮机具有热气体区域(14)和用于冷却导向叶片(6)的冷气体区域(16)，所述热气体区域(14)待相对于所述冷气体区域(16)被密封，
其中所述区域(14，16)由在周向方向和轴向方向上设置的多个部件(12，20)彼此分开，并且至少一个第一部件(12)和一个第二部件(20)由间隙(22)间隔开，并且所述第一部件(12)和所述第二部件(20)具有两个基本平行的部件槽(26，28，30，32)，在所述部件槽中设置有如前述权利要求中的一项所述的密封元件(24)，以密封所述间隙(22)。
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