CN106468183B - 燃气涡轮机膜密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮机膜密封件。描述了一种燃气涡轮机膜密封件（10）。燃气涡轮机膜密封件（10）包括膜（20），膜（20）被构造且布置成从第一燃气涡轮机部件（40）延伸到第二燃气涡轮机部件且分离两个体积，以及抗磨损部分（30），其被构造且布置成被附接到所述第一燃气涡轮机部件（40）。抗磨损部分（30）的面（32）邻近膜（20），且抗磨损部分（30）的面（32）是凸起的。还描述了燃气涡轮机膜密封件（10）的其他实施例，以及包括燃气涡轮机膜密封件（10）的燃气涡轮机及改装方法。

Description

燃气涡轮机膜密封件

技术领域

本公开涉及燃气涡轮机膜密封件，且具体地涉及带有膜和抗磨损部分的燃气涡轮机膜密封件。

背景技术

现代燃气涡轮机极其复杂且包括大量密封件以减少通过各个空腔和间隙的泄漏，从而帮助控制围绕燃气涡轮机的各种流体的流动。一个这种类型的密封件是膜密封件，且授予当前申请人的授权专利US 6857849示出公知的膜密封件的示例。诸如在US 6857849中描述的公知膜密封件能够提供有效的密封，但是倾向于具有相对短的寿命且由于磨损可能通常需要更换。当在膜的侧面处的滑动距离和压力差相对高时，更换频率更大。因此已领会到能够进一步改进现有设计。

发明内容

本发明在现在将参考的所附独立权利要求中限定。本发明的有利特征在从属权利要求中陈述。

第一方面提供了一种燃气涡轮机膜密封件，其包括被构造且布置成从第一燃气涡轮机部件延伸到第二燃气涡轮机部件且分离两个体积的膜，及被构造且布置成被附接到所述第一燃气涡轮机部件的抗磨损部分，其中，抗磨损部分的面邻近该膜，并且其中，抗磨损部分的面是凸起的。

在其中弯曲表面在膜上且平坦表面在邻近的燃气涡轮机部件上的膜密封件中，膜的弯曲表面总是与邻近的燃气涡轮机部件相接触，且将因此总是处于磨损的位置。换言之，与抗磨损部分（磨损环）上的平坦接触表面相比较，在操作期间，膜的弯曲表面经受更高的接触滑动距离，且因此更易于微动磨损。因此，由于高磨损率，所以在使用期间，膜密封件可能要求频繁的更换，同时通常更便宜的抗磨损部分保持未受磨损。

相比之下，如上所述的膜密封件在燃气涡轮机部件上的抗磨损环上提供弯曲表面（凸面），且因此总是与膜相接触且有可能磨损的是抗磨损部分。这能够减小膜更换频率，且能够提供良好的膜寿命，尽管高的接触压力和大的相对燃气涡轮机部件位移。这能够减少维护成本，因为相比更换膜，更换抗磨损环通常更便宜。

在膜和抗磨损环之间的接触表面的密封效率通常取决于表面状态，且因此通常优选的是最小化磨损且因此最小化泄漏。本设计能够提供减少的磨损并且因此减少的泄漏，这能够改善发动机效率和功率。

优选地，抗磨损部分的面具有多个分离的凸起部分。第二凸起部分能够提供备用接触密封件，万一第一凸起部分发生磨损。

优选地，膜是平面的。这提供用于抗磨损部分接触的平坦表面。优选地，抗磨损部分是第一抗磨损部分，且膜具有邻近第一抗磨损部分的第一面和面向远离第一抗磨损部分的第二面，并且其中，燃气涡轮机膜密封件包括邻近膜的第二面的第二抗磨损部分。

优选地，至少抗磨损部分的面由比膜更软的材料制成。这能够减少膜磨损，因为抗磨损部分具有更低的磨损阻力，且将相比膜磨损更多。

第二方面提供一种燃气涡轮机，其包括第一燃气涡轮机部件、第二燃气涡轮机部件和如上所述的燃气涡轮机膜密封间。优选地，第一燃气涡轮机部件是涡轮机叶片载体，且第二燃气涡轮机部件是涡轮机壳体或燃烧器衬垫载体，或者第一燃气涡轮机部件是涡轮机壳体或燃烧器衬垫载体，且第二燃气涡轮机部件是涡轮机壳体。

第三方面提供一种用于燃气涡轮机的改装的方法，包括移除现有的膜密封件和插入如上所述的燃气涡轮机膜密封件的步骤。

附图说明

现在将仅以举例的方式且参考附图描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出膜密封件的横截面；

图2示出膜密封件的另一个示例的横截面；

图3示出在抗磨损环的一部分磨损之后图2的膜密封件的横截面；

图4示出带有两个抗磨损环的膜密封件的横截面；

图5示出带有两个抗磨损环的另一个膜密封件的横截面；

图6示出沿圆周方向延伸的抗磨损环的透视图；

图7示出燃气涡轮机的横截面，其示出用于膜密封件的可能位置；以及

图8示出燃气涡轮机的横截面，其示出用于膜密封件的另外的可能位置。

参考数字

10 膜密封件

20 膜

22 膜的第一面

24 膜的第二面

26 膜的第一端

28 膜的第二端

30 抗磨损环

31 第二抗磨损环

32 抗磨损环的面

33 第二抗磨损环的面

34 第一凸起部分

36 第二凸起部分

40 第一燃气涡轮机部件

41 第二燃气涡轮机部件

42 径向方向

44 轴向方向

46 圆周方向

50 涡轮机壳体

52 涡轮机叶片载体

54 燃烧器衬垫载体

56 抗磨损环位置

60 空腔的第一部分

62 空腔的第二部分

64 空腔的第三部分。

具体实施方式

图1示出包括膜20和抗磨损部分30（诸如抗磨损环或抗磨损环区段）的膜密封件10（也被称为空腔分隔器或大空腔分隔器）。膜20邻近抗磨损环30的面32；面32是凸起的。抗磨损环被附接到第一燃气涡轮机部件40。

图2示出带有不同的抗磨损环30的膜密封件10。在图1中示出的抗磨损环的面32是带有单个凸起部分的凸起部；图2的膜密封件具有第一凸起部分34和第二凸起部分36。第一凸起部分34与膜20相接触，且第二凸起部分36与膜20间隔开。

在使用时，第一凸起部分34可变得被磨损，如在图3中所示。在第一凸起部分34的磨损达到一定量之后，第二凸起部分36也与膜相接触。

图4示出在其中膜20具有两个抗磨损环30的膜密封件，一个抗磨损环被布置成邻近膜的第一面22且另一个抗磨损环被布置成邻近膜的第二面24。第一面22面朝与第二面24相对的方向。两个抗磨损环均附接到第一燃气涡轮机部件40。

图5示出在其中膜在同一面上具有两个抗磨损环的膜密封件，两个抗磨损环相对于纵向燃气涡轮机轴线（其沿轴向方向44延伸）沿径向方向42布置在膜的相对端（第一端26和第二端28）处。第一抗磨损环30被附接到第一燃气涡轮机部件40，且第二抗磨损环31被附接到第二燃气涡轮机部件41。

图6示出膜的一部分的透视图，其示出抗磨损环30和第一燃气涡轮机部件沿圆周方向46的曲率。

图7示出涡轮机壳体50和涡轮机叶片载体52。两个膜20在涡轮机壳体50和涡轮机叶片载体52之间延伸。总体上，在图7中存在八个地方，在这些地方处，抗磨损环可被布置在膜和邻近的燃气涡轮机部件（涡轮机壳体或涡轮机叶片载体）之间，这些地方利用参考数字56指示。

图8示出涡轮机叶片载体52和燃烧器衬垫载体54。膜20在涡轮机叶片载体52和燃烧器衬垫载体54之间延伸。如在图7中那样，利用参考数字56指示在其处抗磨损环可被布置在膜和邻近的燃气涡轮机部件（涡轮机壳体或燃烧器衬垫载体）之间的地方。

参考图7，给出膜密封件被定位处的更详细的示例。通过两个膜密封件10空腔被分成三个部分60、62、64。在使用时，第一部分60处于比第二部分62更高的压力，且第二部分处于比第三部分64更高的压力。这意味着在第二部分和第三部分之间的膜密封件例如通过第二空腔62中的压力朝第三空腔64推动。因此，可能有用的是将抗磨损环30放置在膜20和两个邻近的燃气涡轮机部件（涡轮机叶片载体、涡轮机壳体）之间的在面朝第三空腔64（图7中的右手侧）的膜的侧面上的两个位置56处，以帮助减少摩擦和磨损。这将给出类似于在图5中示出的那个的膜密封件。

在大部分的图中示出了平面横截面，其沿着径向方向42和轴向方向44延伸。大体上，在本申请中描述的部分还沿着圆周方向46相对于中心轴线延伸，中心轴线将通常为纵向燃气涡轮机轴线（沿轴向方向44延伸），燃气涡轮机的旋转部分围绕该纵向燃气涡轮机轴线旋转。例如，膜和抗磨损环通常沿圆周方向46延伸，且每一个均能够是完整环或环段。

膜20可以是平板。也就是说，膜可以是平面的，通常沿着径向方向42和圆周方向46延伸。膜分离两个体积且从第一燃气涡轮机部件延伸到第二燃气涡轮机部件。

抗磨损部分30可以是环或环区段或任何其他适当的形状。在图7和图8中示出的示例中，抗磨损部分将通常是环或环区段。

本文中所述的抗磨损环30被附接到燃气涡轮机部件，且被示出为在燃气涡轮机部件内的空腔中。这种设计的变型是可能的，例如，抗磨损环可替代地被直接附接到燃气涡轮机部件的表面而不是在空腔中。

在一些情形中，仅单个抗磨损环是必要的，例如在其中存在关于摩擦的特定问题的位置中。在一些情形中，可能优选的是将抗磨损环放置在两侧上，如在图4中所示。在一些情形中，可能优选的是将抗磨损环放置在一侧的两端上，如在图5中所示。这可能是，例如，在其中膜的两个面22、24之间的压力差意味着大部分的摩擦仅发生在膜的一个面上的情形。任何组合也是可能的，其中，抗磨损环在膜的一侧或两侧和/或一端或两端26、28（沿着径向方向42）处。

第二抗磨损环31和第二抗磨损环的面33等效于如在本申请中描述的抗磨损环30和抗磨损环30的面32，且可具有相同的设计和设计变型。

抗磨损环的面32邻近膜的面，且优选地与膜的面相接触。

本文中所述的抗磨损环的面32是凸起的。这实际上意味着面不是平面的，且该面从抗磨损环的主体朝外凸出。因此，在抗磨损环被新安装时，面32、33的仅一部分能够与邻近的膜相接触。

抗磨损环的凸面将通常在径向方向42上是弯曲的，以便在燃气涡轮机的使用中且燃气涡轮机部件正相对于彼此运动时，膜相对于面运动。这典型地意味着当在包含径向方向41和轴向方向44的平面中的横截面中观察时，抗磨损环的面是凸起的。沿着圆周方向46，抗磨损环的面的形状通常保持恒定，如在图6中所示。

抗磨损环优选地由比膜更软的材料制成。作为示例，抗磨损环和膜可由不同类型的钢制成，诸如抗磨损环由低合金钢（除铁和碳之外的成分：按重量计4%或更少）制成，且膜由高合金钢（除铁和碳之外的成分：按重量计高于4%）制成。整个抗磨损环可由比膜更软的材料制成。替代地，仅抗磨损环的面可由比膜更软的材料制成，其中抗磨损环的剩余部分由不同的材料制成。替代地，在膜由低合金钢制成时，膜的接触表面可被渗氮/渗碳以相比在抗磨损环上，在膜的面上呈现出相对更高的强度。莫氏硬度例如可被用于测量材料的相对硬度。

在提供多个分离的凸起部分，例如第一凸起部分和第二凸起部分（见图2）的情况下，第一和第二凸起部分大体沿着径向方向42在不同的点处（因此，在距燃气涡轮机轴线不同的距离处），且还能够沿着径向方向42邻近。在图2中，最靠近膜的端（距燃气涡轮机轴线最远）的凸起部分34是最靠近膜的部分，但是另一个凸起部分32可替代地为最靠近膜的部分。在上文中示出了带有一个或者两个凸起部分的示例，但是还可提供三个或更多个凸起部分。当被新安装时，相比第一凸起部分，第二凸起部分通常更远离膜。当提供多于两个凸起部分时，凸起部分将通常全部处于距膜彼此不同的距离处。每个凸起部分实际上具有顶峰，且一旦一个凸起部分的顶峰已经被磨掉，则下一个凸起部分的顶峰可变得与膜相接触。

在图4中示出的示例中，两个抗磨损环都通常被附接到同一燃气涡轮机部件（第一燃气涡轮机部件40）。

在该申请中描述的膜密封件能够在燃气涡轮机中的各处中使用，包括在图7和图8中示出的那些以及还在别处，例如，在燃气涡轮机中的其他内部套管和外部套管之间。膜密封件能够通过移除现有的膜密封件且插入如本文中所述的膜密封件被装配到新的燃气涡轮机中或者对现有的燃气涡轮机进行改装。

膜密封件能够用于分离各个空腔，诸如带有不同压力、温度或内容物（例如，两种不同的气体）的那些。被分离的空腔通常在可相对于彼此运动的两个部件之间；相对运动意味着需要允许两个部件相对运动的密封件。因此，第一燃气涡轮机部件40和第二燃气涡轮机部件41能够是各种部件，包括在图7和图8中示出的那些（涡轮机壳体50、涡轮机叶片载体52、燃烧器衬垫载体54），且第一和第二燃气涡轮机部件通常能够在燃气涡轮机的使用期间相对于彼此运动。燃气涡轮机包括压缩器、燃烧器和涡轮机，且还可包括各种其他部分，诸如涡轮机壳体、涡轮机叶片载体和燃烧器衬垫载体。

燃烧器衬垫载体54可以是用于连续环境的（SEV）燃烧器的外部衬垫载体。

在不脱离通过所附权利要求限定的本发明的情况下，对所描述的实施例进行各种修改是可能的且将被本领域技术人员想到。

Claims (6)

1.一种燃气涡轮机膜密封件（10），其包括：

膜（20），所述膜被构造且布置成从第一燃气涡轮机部件（40）延伸到第二燃气涡轮机部件且分离两个体积，以及

抗磨损部分（30），所述抗磨损部分被构造且布置成被附接到所述第一燃气涡轮机部件（40），

其中，所述抗磨损部分（30）的面（32）邻近所述膜（20）且所述面的仅一部分能够与邻近的膜相接触，以及

其中，所述抗磨损部分（30）的所述面（32）是凸起的；

其中，至少所述抗磨损部分（30）的所述面（32）由比所述膜（20）更软的材料制成；

其中，所述抗磨损部分（30）的所述面（32）具有多个分离的凸起部分。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机膜密封件（10），其中，所述膜（20）是平面的。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮机膜密封件（10），其中，所述抗磨损部分是第一抗磨损部分（30），且所述膜（20）具有邻近所述第一抗磨损部分（30）的第一面（22）和面向远离所述第一抗磨损部分（30）的第二面（24），并且其中，所述燃气涡轮机膜密封件（10）包括邻近所述膜（20）的所述第二面（24）的第二抗磨损部分（31）。

4.一种燃气涡轮机，其包括第一燃气涡轮机部件、第二燃气涡轮机部件和根据权利要求1所述的燃气涡轮机膜密封件（10）。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮机，其中，所述第一燃气涡轮机部件是涡轮机叶片载体（52）并且所述第二燃气涡轮机部件是涡轮机壳体（50）或燃烧器衬垫载体（54），或者所述第一燃气涡轮机部件是涡轮机壳体（50）或燃烧器衬垫载体（54）并且所述第二燃气涡轮机部件是涡轮机壳体（50）。

6.一种用于燃气涡轮机的改装的方法，其包括如下步骤：

移除现有的膜密封件，以及

插入根据权利要求1所述的燃气涡轮机膜密封件（10）。

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