CN105121788A - 包括腹带密封防转动装置的燃气涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮包括多个级，各级包括可转动盘和由其携带的叶片。在一对相邻可转动盘之间限定环形间隙。密封带位于形成在相邻盘中的相对的密封带接收槽中以密封环形间隙，密封带包括带接合结构。盘接合结构被限定在该对相邻可转动盘中。盘接合结构在轴向上延伸到该对相邻可转动盘内并且在周向上与带接合结构对齐。夹持构件被定位成借助带接合结构与密封带接合并且借助盘接合结构与该对相邻可转动盘接合。夹持构件约束密封带在槽的仅周向上的移动。

Description

包括腹带密封防转动装置的燃气涡轮机

技术领域

本发明总体涉及用于多级涡轮机的密封，并且更特别地涉及用于设置在多级涡轮机中的相邻盘之间的密封的防转动结构。

背景技术

在诸如涡轮等的用于能量转换的各种多级涡轮机中，流体被用于产生转动运动。在燃气涡轮机中，例如，气体在压气机中通过连续级被压缩并且在燃烧器中与燃料混合。气体和燃料的组合接着被点火用于生成被引导至涡轮级以产生转动运动的燃烧气体。涡轮级和压气机级典型地具有与可转动的组成部件(例如转子叶片(blade))协作用于使操作气体压缩和膨胀的固定的或非转动的组成部件(例如翼片(vane)结构)。

转子叶片典型地安装至被支撑用于在转子轴上转动的盘上。环形臂从相邻盘的相对部分延伸以限定出成对的环形臂。冷却空气腔形成在相互相邻级的盘之间的成对环形臂的内侧，并且迷宫式密封件可以设置在固定的翼片结构的内周面上，用于与环形臂协作以实现用于热燃烧气体的路径与冷却空气腔之间的气体密封。从相邻盘的相对部分延伸的成对环形臂限定出位于彼此间隔关系的位置的相对的端面。典型地，相对的端面可以设置有用于接收称作“腹带密封”的密封带的槽，该密封带将端面之间桥接以防止流过冷却腔的冷却空气泄漏到用于燃烧气体的路径内。密封带可以由在搭接或台阶端部处互连的周向上的多个节段形成。

当密封带包括在周向上彼此相邻地定位的多个节段时，密封带可能会相对于彼此在周向上移位。移位可能会引起密封带节段的一个端部增加与相邻节段的重叠，而密封带节段的相反端部将移出与相邻节段的接合，打开了用于气体穿过密封带的通道的间隙。因此，典型地期望提供用于防止密封带节段的相对周向移位的机构。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种涡轮，包括多个级，各级包括可转动盘和由其携带的叶片。至少一对相邻可转动盘限定出两者间的环形间隙并且具有与间隙对齐的各自相对的密封带接收槽。密封带位于相对的密封带接收槽中以密封环形间隙，并且密封带包括带接合结构。盘接合结构被限定在该对相邻可转动盘中。盘接合结构在轴向上延伸到该对相邻可转动盘内并且在周向上与带接合结构对齐。夹持构件被定位成借助带接合结构与密封带接合并且借助盘接合结构与该对相邻可转动盘接合。夹持构件约束密封带在槽的仅周向上的移动。

带接合结构可以包括在密封带的相反边缘中的一对周向上对齐的带凹口。

夹持构件可以包括具有一对腿部的U状构件，各腿部包括延伸通过带凹口中的一个带凹口的外端部。密封带可以包括相反的径向外侧面和内侧面，并且可以提供将腿部的外端部附接至密封带的径向外侧面的附接结构。此外，附接结构可以包括在腿部的外端部与密封带的径向外侧面之间的焊接接头。

夹持构件可以包括与密封带的径向内侧面相邻地在腿部之间延伸的基座部分，基座部分具有不大于腿部之间的距离的长度。

基座部分可以具有大约等于密封带的厚度的径向上的厚度。

密封带可以包括位于密封带的相反边缘之间的孔，并且立柱可以被附接至基座部分并且延伸穿过孔，用于在附接结构将腿部的外端部附接至密封带之前将夹持构件保持与密封带接合。

盘接合结构可以包括在该对相邻可转动盘中的一对周向上对齐的盘凹口。

夹持构件可以包括基本平面的基座部分和两个腿部，腿部与带接合结构和盘接合结构协作以防止密封带转动。夹持构件可以形成为在径向上不延伸超过盘接合结构。

根据本发明的另一方面，提供一种涡轮，包括：多个级，各级包括可转动盘和由其携带的叶片。至少一对相邻可转动盘限定出两者间的环形间隙并且具有与间隙对齐的各自相对的密封带接收槽。密封带位于相对的密封带接收槽中以密封环形间隙。密封带限定出径向上相反的外侧面和内侧面并且具有相反的边缘，并且在边缘中形成带凹口以限定带接合结构。一对周向对齐的盘凹口形成在该对相邻可转动盘中以限定盘接合结构。盘凹口轴向延伸到该对相邻可转动盘内并在周向上与带凹口对齐。设置了包括基座部分和一对腿部的U状夹持构件。基座部分被定位成与密封带的径向内侧面接合，并且腿部包括延伸穿过带凹口并且接合在盘凹口中的外端部，以防止密封带在槽中的周向上的移动。基座部分限定了在槽的周向上的宽度尺寸，该宽度尺寸不大于盘凹口在周向上的宽度尺寸。

附图说明

虽然说明书附有特别指出并清楚地要求保护的本发明的权利要求，但认为将从结合附图进行的以下描述中更好理解本发明，附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是燃气涡轮机发动机的一部分的图解截面图；

图2是图示出与密封带和相邻的可转动盘臂相关联的防转动结构的分解立体图；

图3是通过焊接附接结构而组装至密封带的防转动结构的截面图；

图4是在密封带上的适当位置处的组装好的防转动结构的平面图；

图5是在通过焊接附接结构进行附接之前被组装至密封带的防转动结构的截面图；和

图6是具有防转动结构的安装结构的夹持构件的立体图。

具体实施方式

在优选实施例的以下详细描述中，参照形成其一部分并且以图示的方式并不以限制的方式示出的附图，来说明可以实践本发明的具体优选实施例。应该理解的是，可以利用其它实施例并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出改变。

参见图1，用图解方法图示出包括相邻级12、14的涡轮发动机10的一部分，各级12、14包括固定的翼片组件16的阵列和转动的叶片18的阵列，其中翼片组件16和叶片18被以翼片组件16和叶片18的阵列在涡轮发动机10的轴向上交替的方式周向地定位在发动机10内。叶片18被支撑在利用心轴螺栓22固定至相邻盘的转子盘20上。翼片组件16和叶片18延伸到环形气体通道24内，并且被引导穿过气体通道24的热气体经过翼片组件16和叶片18流至剩余的转动元件。

盘腔26、28位于气体通道24的径向内侧。吹扫空气优选地由通过了翼片组件16中的内部通道的冷却气体供给至盘腔26、28以冷却叶片18并提供压力以平衡气体通道24中的热气体的压力。另外，包括迷宫式密封32的级间密封被支撑在翼片组件16的径向内侧并且与从相邻盘20的相对部分轴向延伸的成对环形盘臂34、36上所限定的表面接合。环形冷却空气腔38形成在成对环形盘臂34、36的径向内侧的相邻盘20的相对部分之间。环形冷却空气腔38接收通过了盘通道的冷却空气以冷却盘20。

进一步参见图2和图3，为了描述本发明的密封带组件46的目的，图示出两个相邻盘20的盘臂，需要理解的是，盘20和相关的盘臂34、36限定出围绕转子中心线在整周延伸的环形结构。盘臂34、36限定出位于彼此紧密间隔关系的位置的各个相对端面48、50。周向延伸的槽52、54形成在各个端面48、50中，其中槽52、54与在径向上对齐，具有在端面48、50之间限定出的环形间隙69(图3)。另外，盘臂34、36是如下的盘接合结构，其包括了从各个盘臂34、36的径向内表面60、62朝向径向外表面64、66延伸并且从端面48、50轴向向内延伸且与槽52、54交叉的对应盘凹口或径向开口56、58。

参见图2，密封带组件46包括形成周向延伸的腹带密封的密封带68。密封带68包括相反的密封带边缘70、72，它们被定位在相对端面48、50中所限定出的各个槽52、54(图3)内。密封带68横跨端面48、50之间的环形间隙69并且限定出用于防止或基本限制冷却空气腔38与盘腔26、28之间的气体的流动的密封。密封带68另外包括带接合结构，其包括形成在相反的密封带边缘70、72中的用于与形成在盘臂34、36中的径向开口56、58对齐的一对带凹口74、76。

可以注意到，盘臂34、36中的径向开口56、58典型地被设置用于与和腹带密封相关联的现有技术的防转动结构(未示出)接合。例如，一种已知防转动结构是被附接至腹带密封并轴向延伸到开口56、58内的块结构，其中防转动结构与开口56、58的侧面之间的接合防止或限制腹带密封或密封的节段的轴向移动。在美国专利No.7,581,931中说明了这样的防转动结构，该专利通过引用合并于此。如在下面描述的，本发明提供了一种能够利用现有的盘臂结构、包括利用径向开口56、58来防止密封带68的转动的防转动装置。

参见图2和图6，根据本发明的一个方面，密封带组件46包括U状的防转动体或夹持构件78。夹持构件78包括具有相反的端部80a、80b的基座部分80和与各个基座部分端部80a、80b一体形成的一对腿部82、84。基座部分80是具有外侧面86和内侧面88的矩形平面构件，并且腿部82、84从外侧面86垂直于基座部分80向外延伸。

如图3中看出的，夹持构件78以腿部82、84被穿过带凹口74、76定位的状态被组装至密封带68的内侧面90。特别地，基座部分80以其外侧面86抵着密封带68的内侧面90接合并且以腿部82、84的外端部82a、84a从密封带68的外侧面92径向向外延伸的状态定位。夹持构件78借助于形成在腿部82、84与密封带68的外侧面92之间的连结处的呈焊接接头94、96形式的附接结构被保持在密封带68上的适当位置处。

根据本发明的一个方面，已注意到，包含了被焊接至密封带的防转动体的现有防转动组件在焊接接头处形成应力，导致焊接接头处龟裂和可能的故障。认为防转动体的质量以及在发动机的操作期间施加至防转动体的相关联的大量向心负载是促成防转动组件中的焊接接头的故障的一个因素。此外，现有焊接的防转动体包括防转动体与转子盘臂的向内面对的表面之间的接合，这样的接合提供了防转动体的径向移动上的约束，导致形成在密封带的径向移动上的约束，这被认为进一步促成了焊接接头处的应力。结果是，本发明的一个方面包括形成具有低质量的夹持构件78，该构件还在盘凹口56、58内自由地移动。

本密封带组件46的低质量和不受约束的径向移动通过如下夹持构件78来体现：形成为在盘凹口56、58内有效地协作以限制密封带68的周向移动，同时还具有只限制周向上的移动的优选尺寸，使夹持构件78上的质量的最小值，以使与夹持构件78相关联的向心负载最小化。

如图6中看出的，腿部82、84具有进入到密封带68内的等于或小于凹口56、58的轴向深度的厚度尺寸T_L，使得夹持构件78的长度尺寸L不大于并且可以小于密封带68的轴向宽度。还有，夹持构件78的基座部分80和腿部82、84两者形成有不大于并且优选稍微小于盘凹口56、58的周向宽度尺寸的宽度尺寸W。因此，夹持构件78的长度和宽度确保了密封带组件46的尺寸被做成提供用于夹持构件78的径向和/或轴向移动的间隙而没有捆绑在盘凹口56、58内。

根据本发明的特定方面，夹持结构78的质量通过形成基本上薄的主体部分80的厚度尺寸T_B来最小化。例如，主体部分80的厚度T_B优选基本上等于腿部82、84的厚度尺寸T_L。此外，主体部分80的厚度T_B可以接近或稍微大于密封带68的厚度，如在密封带68的厚度的大约25％内。于是，主体部分80的厚度优选为足以提供在腿部82、84之间跨越密封带68的宽度延伸的夹持构件78足够的刚性，同时使厚度最小化以提供用于联接腿部82、84的低质量结构。

如可以在图3中看出的，轴向延伸经过盘臂端面48、50、即进入到盘凹口56、58内的夹持构件78的主体部分80的端部在径向上从密封带68向内整个位于盘凹口56、58内。类似地，腿部82、84优选尺寸做成提供在径向上从密封带68的外侧面92向外的预定的或最小的延伸。具体地，腿部82、84的外端部82a、84a具有整个被包含在盘凹口56、58内的径向延伸。可以注意到的是，密封带组件46的任何部分都不从盘臂34、36的径向外表面64、66向外延伸或者不从密封带68向外延伸到间隙69内，使得密封带组件46的结构被保护不会受到可能由任何松动的组成部件或者在从盘臂34、36向外的区域中的碎屑引起的潜在损害。

腿部82、84的径向延伸足以提供用于与盘凹口56、58的周向侧面54a、54b和56a、56b(图4)协作的结构，以限制密封带68在槽52、54内的周向移动。另外，腿部82、84的径向延伸足以提供用于形成焊接接头94、96的足够的表面面积。

关于这里描述的密封带组件46的配置，可以注意到的是，作为夹持构件78与密封带68之间的附接结构的焊接接头94、96的提供基本上确保了没有诸如紧固件等的可脱开组成部件可用于脱开并且潜在地变成发动机内的破坏性碎屑。此外，根据本发明的一个方面，夹持构件78与密封带之间在相反的焊接接头94、96处的连接的完整性通过提供如下的低质量夹持构件结构而被促进：该夹持构件结构配置成借助约束槽52、54的仅周向上的移动的低质量组成部件的提供而使正常情况下易受损的焊接连接处的应力减小或最小化。

参见图5和图6，图示出包括了与夹持构件78相关联的安装结构的方面。在夹持构件78安装至密封带68的安装期间，需要在焊接接头94、96的形成之前和期间将夹持构件78保持处于跨越密封带68的内侧面90延伸的适当位置。安装结构包括从基座部分80的外侧面86延伸且限定了螺纹孔径98的短筒体97。筒体97位于夹持构件78的基座部分80的中央，并且筒体97配置成至少部分延伸到穿过密封带68形成的孔99(图1)内。孔99位于密封带68的边缘70、72之间的中央并且在周向上与带凹口74、76对齐。

安装结构另外包括配置用于与孔径98螺纹接合的立柱结构100。立柱结构100包括螺纹轴102和螺纹接合在轴102上的螺母构件104。在密封带68的预安装配置中，可以将螺纹轴102穿过密封带68中的孔99定位并且旋拧到筒体97的孔径98中，并且通过螺母构件104防止螺纹轴102的外端部通过孔。在密封带68安装到槽52、54内的安装期间，可以将夹持构件78从图4中描绘的位置转动90度以允许密封带68在槽52、54内移动和定位，而不会使夹持构件78与盘臂34、36干涉。随后，可以使夹持构件78转动至图4中示出的位置，并且可以将螺母构件104向下旋拧在轴102上以使基座部分80牢牢地施力成与密封带68接合以便确保夹持构件78与密封带68完全接触并且确保焊接过程期间不形成间隙。在焊接94、96的形成之后，可以从孔径98中拧下并从由密封带68和夹持构件78形成的组件中去除轴102。

可以理解的是，筒体97在密封带中孔内的接合可以促进在焊接操作之前夹持构件78对齐到密封带68上的期望位置处。此外，应该注意的是，筒体97优选地形成有不大于密封带68的厚度的高度，以避免提供可能会被盘臂34、36向外的区域中的碎屑潜在地碰到的密封带68上方的结构。

虽然已经图示出并描述了本发明的特定实施例，但对于本领域技术人员而言显而易见的是可以在不脱离发明的精神和范围的情况下进行各种其他的改变和修改。因此意在在随附权利要求中覆盖在该发明的范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (19)

1.一种涡轮，包括：

多个级，各级包括可转动盘和由其携带的叶片，至少一对相邻可转动盘限定出两者间的环形间隙并且具有与所述间隙对齐的各自相对的密封带接收槽；位于所述相对的密封带接收槽中以密封所述环形间隙的密封带，所述密封带包括带接合结构；

被限定在所述一对相邻可转动盘中的盘接合结构，所述盘接合结构在轴向上延伸到所述一对相邻可转动盘内并且在周向上与所述带接合结构对齐；和

夹持构件，被定位成借助所述带接合结构与所述密封带接合并且借助所述盘接合结构与所述一对相邻可转动盘接合，所述夹持构件约束所述密封带在所述槽的仅周向上的移动。

2.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述带接合结构包括在所述密封带的相反边缘中的一对周向上对齐的带凹口。

3.根据权利要求2所述的涡轮，其中所述夹持构件包括具有一对腿部的U状构件，各腿部包括延伸通过所述带凹口中的一个带凹口的外端部。

4.根据权利要求3所述的涡轮，其中所述密封带包括相反的径向外侧面和内侧面，并且包括将所述腿部的所述外端部附接至所述密封带的所述径向外侧面的附接结构。

5.根据权利要求4所述的涡轮，其中所述附接结构包括在所述腿部的所述外端部与所述密封带的所述径向外侧面之间的焊接接头。

6.根据权利要求4所述的涡轮，其中所述夹持构件包括与所述密封带的所述径向内侧面相邻的在所述腿部之间延伸的基座部分，所述基座部分具有不大于所述腿部之间的距离的长度。

7.根据权利要求6所述的涡轮，其中所述基座部分具有大约等于所述密封带的厚度的径向厚度。

8.根据权利要求4所述的涡轮，其中所述密封带包括位于所述密封带的所述相反边缘之间的孔，并且包括被附接至所述基座部分并且延伸穿过所述孔的立柱，用于在所述附接结构将所述腿部的所述外端部附接至所述密封带之前将所述夹持构件保持与所述密封带接合。

9.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述盘接合结构包括在所述一对相邻可转动盘中的一对周向上对齐的盘凹口。

10.根据权利要求1所述的涡轮，其中所述夹持构件包括基本平面的基座部分和两个腿部，所述腿部与所述带接合结构和所述盘接合结构协作以防止所述密封带转动。

11.根据权利要求10所述的涡轮，其中所述夹持构件在径向上不延伸超过所述盘接合结构。

12.一种涡轮，包括：

多个级，各级包括可转动盘和由其携带的叶片，至少一对相邻可转动盘限定出两者间的环形间隙并且具有与所述间隙对齐的各自相对的密封带接收槽；位于所述相对的密封带接收槽中以密封所述环形间隙的密封带，所述密封带限定出径向上相反的外侧面和内侧面并具有相反的边缘，并且在所述边缘中形成带凹口以限定带接合结构；

形成在所述一对相邻可转动盘中以限定盘接合结构的一对周向对齐的盘凹口，所述盘凹口轴向延伸到所述一对相邻可转动盘内并在周向上与所述带凹口对齐；

包括基座部分和一对腿部的U状夹持构件，所述基座部分被定位成与所述密封带的所述径向内侧面接合，并且所述腿部包括延伸穿过所述带凹口并且接合在所述盘凹口中的外端部，以防止所述密封带在所述槽中在周向上的移动；和

所述基座部分限定了在所述槽的周向上的宽度尺寸，所述宽度尺寸不大于所述盘凹口在所述周向上的宽度尺寸。

13.根据权利要求12所述的涡轮，其中所述基座部分与所述密封带的所述径向内侧面相邻地在所述腿部之间延伸，所述基座部分具有不大于所述腿部之间的距离的长度。

14.根据权利要求13所述的涡轮，其中所述基座部分具有大约等于所述密封带的厚度的径向方向上的厚度。

15.根据权利要求12所述的涡轮，其中所述夹持构件在径向上不延伸超过由所述盘凹口限定的所述盘接合结构。

16.根据权利要求12所述的涡轮，包括将所述腿部的所述外端部附接至所述密封带的所述径向外侧面的附接结构。

17.根据权利要求16所述的涡轮，其中所述附接结构包括在所述腿部的所述外端部与所述密封带的所述径向外侧面之间的焊接接头。

18.根据权利要求16所述的涡轮，其中所述密封带包括位于所述密封带的所述相反边缘之间的孔，并且包括保持结构，所述保持结构包括被附接至所述基座部分并且延伸穿过所述孔的立柱，用于在所述附接结构将所述腿部的所述外端部附接至所述密封带之前将所述夹持构件保持与所述密封带接合。

19.根据权利要求18所述的涡轮，其中所述立柱包括允许所述保持结构的至少一部分解除与所述密封带接合的螺纹部分。