CN105723134B - 具有两行互补密封元件的密封系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机路径(VC，VT)的密封系统，该密封系统位于定子部段(10)下方的空腔(C)中，空腔(C)位于定子(10)的轮叶(PS)的根部(SI)和附加的转子构件(11)之间，根部(SI)包括两个表面(21，24a)，每个表面设置有耐磨涂层(22，32)，转子构件(11)设置有第一密封元件和第二密封元件(23，33)，第一密封元件和第二密封元件被布置成分别面向第一表面和第二表面(21，24a)，第一表面(21)和第一密封元件(23)形成第一密封副(20)并共同界定出第一泄露区段，第二表面(24a)和第二密封元件(33)形成第二密封副(30)共同界定出第二泄露区段，当两个密封副中的一个(30，20)移动至最大泄露区段时，另一个密封副(20，30)移动至最小泄露区段，反之亦然。

Description

具有两行互补密封元件的密封系统

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，并且更具体地涉及涡轮机压缩机和喷嘴的领域。

本发明适用于任何类型的陆地或航空涡轮机，并且尤其适用于诸如涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机之类的飞行器涡轮机。更优选地，本发明适用于双轴涡轮风扇发动机。

背景技术

例如，涡轮机包括具有多个压缩级的压缩机，每个压缩级由一环形行的安装在涡轮机的壳上的可动(转子)叶片以及安装在涡轮机的外部环形壳体上的定子组成。

压缩机定子可由环组成，或者也可分成多个部段(即，它包括多个绕压缩级的纵向轴线以圆周的方式首尾相连地连接的角部段)。在本申请中，术语“部段”是指所具有的角度范围覆盖小于或等于360°的角度的结构的任一环形部分，例如或更具体地，是定子部段。

每个定子部段包括外壳和内壳，该外壳和内壳中的一个同轴地布置在另一个的内部，并且一个(或若干)轮叶在这些壳之间径向地延伸并通过轮叶的径向端部与壳体连接。

为了实现压缩机的运转，在每个级处，定子和毂之间均具有间隙，并在定子下方形成空腔。在运转的压缩机中，压力沿上游至下游的方向增加。因此，泄漏流通常在该空腔中循环，沿从定子的下游至上游的方向在内壳的径向内端部下方行进。这种泄漏流的存在往往被认为是“定子下方再循环现象”。

定子下方再循环现象会干扰涡轮机中的主气流，并且尤其地，它会改变轮叶上游的流动条件。因此，这种现象是降低压缩机的可操作性和性能损失的一个重要的因素。

可遏制定子下方再循环现象的一种解决方案已被公开，该方案在于：安装由转子壳支撑的密封元件并且该密封元件被布置成面向由定子支撑的耐磨涂层(abradablecoating layer)。耐磨涂层和一行密封元件的这种结合被称为迷宫密封或更简单地被称为“迷宫”。

因此能够减少泄露区段，并因此减少定子内壳下方的气体泄漏流。

一个难点与下述事实有关：在常规发动机任务期间，转子和壳体在相对较高的机械变形和热变形的影响下彼此独立地移动。因此，泄漏区段在发动机任务期间变化。在任务的某个时刻，泄漏区段会变得高至足以对压缩机性能产生不可忽略的影响。

例如，丧失的性能可高达发动机任务在全速时的0.5％到1％。

因此，需要改进该解决方案以避免定子下方再循环现象的负面影响，以便提高压缩机性能。

发明内容

因此，本发明涉及涡轮机流动路径的密封系统，其处于定子部段下方的空腔中，密封系统包括：定子部段以及转子装置，空腔位于定子部段的轮叶根部和互补的转子装置之间，根部包括至少部分地设置有耐磨涂层的第一表面，转子装置设置有面向第一表面的至少一个第一密封元件，第一表面和第一密封元件形成第一密封副并在第一表面和第一密封元件之间界定出第一泄露区段。

根据本发明，根部包括至少部分地设置有耐磨涂层的第二表面，转子装置设置有面向第二表面的至少一个第二密封元件，第二表面和第二密封元件形成第二密封副并在其间界定出第二泄露区段，在发动机的任务期间，当第二密封副趋向于相应的最大泄露区段时，第一密封副趋向于最小泄露区段，并且当第二密封副趋向于最小泄露区段时，第一泄露密封副趋向于最大泄露区段。最后，第一密封副和第二密封副以轴向间隔彼此隔开。

因此，本发明能够通过减少穿过第二密封副的泄露流来补偿第一密封副的相对间隔。因此，有利地，本发明能够在涡轮机的工作期间利用可施加于涡轮机的定子和转子的应变。更确切地，由于密封副之间的轴向间隔，施加于定子和转子的相对于彼此的偏斜作用可明智地用于获得泄露流之间的需要的补偿。

有利地，本发明还可包括轴向壁，例如该轴向壁呈环形部段的形式。该轴向壁的作用在于引起泄露流中的压力损失，这可改善涡轮机的整体性能。

本发明还具有的优点在于它不会产生任何之前不存在的附加的组装约束。

有利地，第一表面是根部的内表面，并且第二表面是根部的外表面。

在一个特定的实施例中，第一表面的曲率半径小于第二表面的曲率半径。

例如，第一表面可面向涡轮机的纵向轴线，与第二表面相对。

优选地，第二表面属于从根部的本体处轴向地突出的轴向壁，使得第二表面径向地位于转子装置的平台下方，并且第一表面被布置在根部本体上并同时与定子部段的平台至少部分地径向重叠。

在本发明的第一实施例中，第二表面形成根部的轴向壁的一部分，轴向壁沿上游方向延伸。因此，本发明能够被实施在低压和高压压缩机流动路径中。有利地，当在压缩机中实施本发明时，这种构型在涡轮机的工作期间利用了定子和转子之间的偏斜。

在本发明的第一实施例中，第二表面形成根部的轴向壁的一部分，轴向壁朝向下游方向延伸。因此，本发明能够被实施在低压和高压涡轮流动路径中。有利地，当在涡轮中实施本发明时，这种构型在涡轮机的工作期间利用了定子和转子之间的偏斜。

本发明还涉及一种转子装置，包括至少一个第一密封元件和至少一个第二密封元件，该至少一个第一密封元件朝向涡轮机的外部延伸并形成第一组密封元件，该至少一个第二密封元件面向纵向轴线并形成第二组密封元件，转子装置被配置成与定子部段结合而形成前述的密封系统，第一组密封元件和第二组密封元件以轴向间隔彼此隔开。

在本发明的整个内容中，应当理解的是，向外定向的密封元件被布置成使得密封元件的尖端和涡轮机的纵向轴线之间的径向距离大于密封元件的根部和该轴线之间的径向距离，这与面向纵向轴线的密封元件相反。

本发明还涉及一种定子部段，包括具有根部的轮叶，轮叶的根部包括第一表面和第二表面，第一表面至少部分地设置有耐磨涂层并面向涡轮机的纵向轴线，第二表面至少部分地设置有耐磨涂层并面向涡轮机的外部，定子部段被配置成与转子装置结合而形成之前披露的密封系统。此外，两个耐磨涂层以轴向间隔彼此隔开。

本发明还涉及一种涡轮机，在所述涡轮机中，上文中披露的转子装置和定子部段可共同形成密封系统。

附图说明

阅读下文给出的本发明的非限制性实施例的详细说明并查看附图的示意性局部图之后，本发明将被更好地理解，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的包括定子部段下方的密封系统的压缩机的示例，

图2A和图2B示出了压缩机的运行过程中的两种情形，并示出了定子部段的示例性变形，

此外，为了易于理解附图，附图中示出的不同部分不一定按相同的比例绘出。

具体实施方式

在整个公开内容中，术语上游和下游应当参照本发明的涡轮机的标准主气流(main normal gas flow)方向FP(见图1)来理解。此外，涡轮机轴线是涡轮机的纵向对称轴线。轴向方向是涡轮机的轴线方向，并且径向方向是垂直于涡轮机的轴线的方向。此外，除非另有提到，形容词和副词：轴向、径向、轴向地以及径向地均可参考上述的轴向和径向方向来使用。此外，除非另有提到，形容词“内”和“外”可参考径向方向来使用，使得元件的内部或内表面(即，径向内部或径向内表面)比该元件的外部或外表面(即，径向外部或径向外表面)更靠近涡轮机轴线。在附图中，外侧位于顶部，并且内侧位于底部。

图1示出了示例性涡轮机压缩机的局部示图，并示出了共同设置有根据本发明的密封系统9(换句话说是泄露流限制系统)的定子部段10以及转子元件11。

定子部段10包括外壳SE、轮叶PS、以及形成定子的根部的内壳SI。轮叶PS被安装在外壳SE的内部。内壳SI以与外壳SE同轴的方式安装在叶轮PS的内端部。

转子元件11包括对轮叶PR2进行支撑的上游转子平台R2以及对轮叶PR1进行支撑的下游转子平台R1。上游平台R2和下游平台R1通过转子壳VI彼此连接。

如将在本说明书的末尾处公开的，该系统能够被调换，以便在具有微小变化的涡轮中使用。

内壳SI轴向地位于平台R1和R2之间，并且径向地位于定子部段10的平台R’的下方。

内壳SI包括内表面21。径向地位于转子的转子壳VI和内壳SI之间的空间限定出定子下方的空腔C。

示例中示出的内壳SI包括从压缩机的上游轴向延伸的轴向壁架或壁24，并且因此，在本例中，轴向壁架或轴向壁24为前壁架。因此，壁架24从根部SI的本体SI’轴向地突出以沿轴向方向延伸越过平台R’，并且该壁架被平台R2部分地覆盖。

在这种情况下，壁架24呈沿角度方向延伸的环形部段的形式，例如沿相应的定子根部(在这种情况下是定子部段10)的角度尺寸延伸。

转子元件11和定子部段10被成形为使得壁架24在其三个表面(外表面24a、前表面24b以及自空腔C的上游处的内表面)上至少部分地被转子壳VI和平台R2所围绕。

内表面21设置有耐磨涂层22。在这种情况下，形成第一组密封元件的三个密封元件23位于壳VI上，并面向耐磨涂层22。因此，涂层22和密封元件23形成第一密封副20，也被称为第一迷宫密封件。耐磨涂层22径向地位于部段10的平台R’下方，优选地，其不轴向地突出超过平台。这同样适用于布置在根部本体(SI’)上的第一表面21，并且，该第一表面21上涂覆有耐磨涂层22。

在这种情况下，向前壁架24的外表面24a设置有耐磨涂层32。在这种情况下，形成第二组密封元件的两个密封元件33位于壳VI上，并面向耐磨涂层32。因此，涂层32和密封元件33形成第二密封副30，也被称为第二迷宫密封件。耐磨涂层32与部段10的平台R’轴向地隔开，使得沿轴向方向不存在重叠。此外，涂覆有耐磨涂层32的第二表面24a部分径向地位于转子装置11的平台R2下方。

第一密封副20和第二密封副30以轴向间隔彼此隔开。换句话说，不存在这两个密封副20、30之间的沿轴向方向的重叠区域，也不存在两组密封元件23、33之间的轴向重叠区域，也不存在两个耐磨涂层22、32之间的轴向重叠区域。

在所示的实施例中，第一组密封元件和第二组密封元件中的密封元件23、33的数量不是限制性的，并且例如，对于给定密封副20或30而言，其数量可从一到十不等。

在图1中，箭头FP示出了涡轮机压缩机中的流动路径VC的示例中的整体流动方向。在压缩机中，随着空气的增加而增大的静空气压力被朝向压缩机的下游侧夹带(entrain)。因此，相比于上游轮叶PR2，流动路径中的空气压力与更为接近下游轮叶PR1。然后，泄露流FR形成于空腔C中。该流FR的整体方向在图1中的压缩机示例中示出。

在发动机任务期间，转子元件11和定子部段10受到它们各自固有的热应变和机械应变的影响。

因此，这两个组件10和11相对于彼此移动。

定子部段10的内壳SI与转子壳VI的径向间隔会引起以下情况：

-首先，密封元件23和耐磨涂层22之间的间隙会增加，并因此使得穿过第一密封副20的泄露区段增加，

-其次，密封元件33和耐磨涂层32之间的间隙会减小，并因此使得穿过第二密封副30的泄露区段减小。

因此，当耐磨涂层22和密封元件23之间的间隙最大时，耐磨涂层32和密封元件33之间的间隙最小。

相反，当内壳SI和转子壳VI径向地朝向彼此移动时，第一密封副20中的泄露区段将会减少，而第二密封副30中的泄露区段会增加。

因此，每个密封副20和30的瞬时泄露区段分别在最小泄露区段和最大泄露区段之间变化。

因此，密封副20和30中的最小的泄露区段决定了流动路径FR的整体泄露流。两个密封副20和30在限制泄露流方面具有互补的效果。

此外，如图1所示，当穿过区域40时(换句话说，当位于前表面24b处时)，泄露流FR改变方向。这种方向的改变会引起湍流，并因此引起流FR的损失，换句话说，会引起机械能的耗散。泄露流FR中的这种压力损失对主流FP有益，并因此对压缩机性能有益。

此外，如将在下文中描述的，该密封系统9在空气动力学以及流动路径中的机械力的作用下利用定子偏斜(skew)现象来减少高速时的最小间隙，这尤其归因于两个密封副20、30之间的轴向间隙。

图2A中的示例示出了组件10和11在发动机速度增加的阶段期间的相对位置。在这种情况下，此时，在流动压力增加引起的温度升高的影响下，并且在空气流在压力下的机械影响下，定子部段10轴向地向外扩张。另一方面，具有较高的热惯性11的转子元件11中的温度升高较小，因此其变形较小。

此外，定子部段10被流动路径VC中的从右向左的空气动力所影响，这归因于压缩机中的压力的从上游到下游的增加。

因此，定子部段10被相对于纵向方向X(与涡轮机的轴线一致)的角位移α所影响，这种位移当前被称为“偏斜”。该角位移α导致壁架24从涡轮机向外移动，并因此导致耐磨涂层32移动地接近密封元件33。在这种构型中，第一密封副20具有最大泄露区段，而第二密封副30具有最小间隙。由于两个密封副20、30之间的轴向间隙，较小的角移动α足以使穿过第二密封副30的泄露流显著地减少。

图2B中的示例示出了在减小发动机速度的阶段期间的同样的组件10和11。于是，定子部段10被冷却并收缩，而转子仍在热惯性的影响下处于加热状态。然后定子壳SI移动地接近转子壳VI，并且第一密封副20具有最小泄露区段，而第二密封副30具有最大间隙。

压缩机中的参照图1和图2A以及图2B所披露的密封系统9可被调换到低压涡轮或高压涡轮中。

与压缩机不同的是，涡轮(其中，定子被称为喷嘴)中的流动路径VT中的静压从上游到下游减小，并且位于涡轮定子下方的空腔中的泄露流沿着从上游到下游的方向，换句话说，其所沿的是与压缩机定子下方的泄露流相反的方向。

因此，在涡轮定子下方的密封系统的一个实施例(未示出)中，喷嘴根部SI设置有壁架，该壁架具有与前述的壁架24相似的构型，但其被定向成沿下游方向。这种构型也能够得益于与沿上游到下游的方向施加的空气动力相关的偏斜的影响。涡轮的转子元件、喷嘴根部以及壁架也设置有与密封副20和30同样类型的密封副。

Claims (9)

1.涡轮机流动路径的位于定子部段(10)下方的空腔(C)中的密封系统，包括：定子部段(10)以及转子装置(11)，所述空腔(C)位于所述定子部段(10)的轮叶(PS)的根部(SI)和互补的转子装置(11)之间，

所述根部(SI)包括至少部分地设置有耐磨涂层(22)的第一表面(21)，

所述转子装置(11)设置有被布置成面向所述第一表面(21)的至少一个第一密封元件(23)，所述第一表面(21)和所述第一密封元件(23)形成第一密封副(20)并在所述第一表面和所述第一密封元件之间界定出第一泄露区段，

其特征在于，

所述根部(SI)包括至少部分地设置有耐磨涂层(32)的第二表面(24a)，

所述转子装置(11)设置有被布置成面向所述第二表面(24a)的至少一个第二密封元件(33)，所述第二表面(24a)和所述第二密封元件(33)形成第二密封副(30)并在所述第二表面和所述第二密封元件之间界定出第二泄露区段，

在发动机的任务期间，当所述第二密封副(30)趋向于相应的最大泄露区段时，所述第一密封副(20)趋向于最小泄露区段，并且当所述第二密封副(30)趋向于最小泄露区段时，所述第一密封副(20)趋向于最大泄露区段，

所述第一密封副和所述第二密封副以轴向间隔彼此隔开。

2.根据权利要求1所述的密封系统，所述第一表面(21)是所述根部(SI)的内表面，并且所述第二表面(24a)是所述根部(SI)的外表面。

3.根据权利要求1或2所述的密封系统，所述第一表面(21)具有的曲率半径小于所述第二表面(24a)的曲率半径。

4.根据权利要求1或2所述的密封系统，所述第二表面(24a)属于从所述根部(SI)的本体(SI’)处轴向地突出的轴向壁(24)，使得所述第二表面(24a)径向地位于所述转子装置(11)的平台(R2)下方，并且所述第一表面(21)位于所述根部(SI)的本体上并同时与所述定子部段(10)的平台(R’)至少部分地径向重叠。

5.根据权利要求4所述的密封系统，所述轴向壁(24)朝向上游方向延伸，并且所述涡轮机流动路径是压缩机流动路径(VC)。

6.根据权利要求4所述的密封系统，所述轴向壁朝向下游方向延伸，并且所述涡轮机流动路径是涡轮流动路径(VT)。

7.涡轮机的转子装置，包括至少一个第一密封元件(23)和至少一个第二密封元件(33)，所述至少一个第一密封元件朝向所述涡轮机的外部延伸并形成第一组密封元件，所述至少一个第二密封元件面向所述涡轮机的纵向轴线并形成第二组密封元件，所述转子装置被配置成与定子部段(10)结合而形成根据权利要求1至6中任一项所述的密封系统(9)，所述第一组密封元件和所述第二组密封元件以轴向间隔彼此隔开。

8.涡轮机的定子部段，包括具有根部(SI)的轮叶(PS)，所述轮叶(PS)的根部(SI)包括第一表面(21)和第二表面(24a)，所述第一表面至少部分地设置有耐磨涂层(22)并面向所述涡轮机的纵向轴线，所述第二表面至少部分地设置有耐磨涂层(32)并面向所述涡轮机的外部，所述定子部段被配置成与转子装置(11)结合而形成根据权利要求1至6中任一项所述的密封系统，所述耐磨涂层(22)和所述耐磨涂层(32)以轴向间隔彼此隔开。

9.涡轮机，包括根据权利要求7所述的转子装置(11)以及根据权利要求8所述的定子部段(10)，所述转子装置(11)和所述定子部段(10)共同形成密封系统(9)。