CN107923539A - 燃气涡轮发动机的包括迷宫式密封接合元件的涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮发动机的涡轮。所述涡轮包括定子密封环元件(31)，该定子密封环元件被布置成与能围绕密封环的轴线旋转的至少一个擦拭器结合而形成迷宫式密封接合部。该元件(31)包括耐磨材料层，该耐磨材料层具有能与所述可移动擦拭器接合的表面部分(31p)。所述涡轮的特征在于，耐磨材料层在所述表面部分(31p)上轴向地包括第一区域(31p1)以及第二区域(31p2)，第一区域包括第一擦拭器穿入阻力，所述第一区域(31p1)对应于在涡轮的标称运行期间擦拭器的轴向位置，第二区域与第一区域(31p1)相邻并且具有比第一区域更低的擦拭器穿入阻力。所述第二区域(31p2)位于第一区域(31p1)的下游，并且对应于当发动机的燃烧室中的火焰熄灭时擦拭器所采取的轴向位置。

Description

燃气涡轮发动机的包括迷宫式密封接合元件的涡轮

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，并且尤其涉及在涡轮的活动部件和固定部件之间的迷宫式密封件中使用的定子密封元件的领域。

背景技术

燃气涡轮发动机例如在涡轮的水平处包括在转子叶片的外径向端部以及由活动的级的外径向端部掠过的定子表面之间的密封件；这是防止驱动气体的一部分绕过涡轮级而不工作的问题。迷宫式密封件被用于此目的。这些密封件包括与转子一体的密封元件，该密封元件由一个或多个被称为擦拭器的条带形成，该一个或多个条带相对于机器的旋转轴线被径向和横向地布置。它们还包括面向条带的互补的定子元件。该元件具有与条带相互作用以提供尽可能小的间隙的表面部分。平行的若干条带会导致围绕涡轮级流动的气流的一系列压力损失，从而提供期望的密封。

这些迷宫式密封件被使用在发动机的几个位置中，例如也在涡轮的两个连续的活动的级之间、在涡轮轴和由定子轮叶形成的定子级的基座之间使用。

取决于它们的运行条件，燃气涡轮发动机尤其在定子的元件和转子的元件之间在膨胀方面受到不同的变化。如果这些变化差异没有得到控制，它们可能会影响活动部件和固定部件之间的间隙。因此，对于用于对由于任何原因而在飞行中使燃烧室内经历火焰熄灭的飞机进行推进的发动机来说，整个涡轮由于高温气体不再通过其而冷却。然而，壳体可比涡轮转子更快地冷却，而这对间隙有影响。现在，为了获得最佳效率，迷宫式密封件的间隙被设计成在运行时尽可能得小。在这种情况下，由于擦拭器与耐磨材料的或多或少的紧密接触，存在随之发生转子阻塞的风险。

迷宫式密封件的特性被确定并被调整以在正常运行中在飞行的不同阶段期间允许间隙变化以及可能的轻微接触，但是当由于这种事件导致尺寸变化很大时，迷宫式密封件不能再履行其职责。随着转子被阻止转动，通过BP本体或HP本体的自转来重新启动发动机或者通过由辅助发动机来驱动可能无法令人满意地进行。

为了防止在燃烧室如此熄火的情况下转子锁定，可以设想增加擦拭器与耐磨材料之间的间隙。然而，由于这会引起发动机性能下降，因此该解决方案在经济上不可行。

因此，本申请人所寻求的目的在于开发一种解决方案，该解决方案能够应对燃烧室不合时宜地熄火的情况，而不会降低正常运行中的发动机的性能。

发明内容

根据本发明，该目的通过一种燃气涡轮发动机的涡轮来实现，该涡轮包括定子密封环元件，该定子密封环元件被布置成与能围绕密封环的轴线旋转的至少一个擦拭器接合而形成迷宫式密封件，所述元件包括耐磨材料层，该耐磨材料层具有能够与所述活动擦拭器相互作用的密封表面部分。

在根据本发明的涡轮中，耐磨材料层在所述表面部分上轴向上包括第一区域和与第一区域相邻的第二区域，第一区域具有第一阻力以阻止擦拭器穿入，所述第一区域对应于在涡轮的标称运行下擦拭器的轴向位置，第二区域具有相对于第一区域减小的阻力以阻止擦拭器穿入，所述第二区域相对于第一区域位于下游并且对应于当发动机的燃烧室中发生火焰熄灭时擦拭器所呈现的轴向位置。

耐磨材料是与旋转擦拭器接触而磨损或变形(优选地，变形)的材料。它可以是蜂窝材料。

密封环元件可以是密封环部段或整个环。

本发明源于以下观察结果：在飞行中，当发动机不再由发动机气体驱动时，它进入自转并受到相对风的压力。此外，在飞行中并且当发动机不再被驱动时，壳体和转子之间的轴向膨胀和径向膨胀的差异可能会导致转子发生阻塞。此外，这种阻塞可能会由于上述的相对风的压力导致不同本体(BP本体和HP本体)向下游发生轻微的位移而被促进。本发明利用这种位移在与擦拭器相对的表面部分上保留两个区域。第一区域对应于在机器正常运行下擦拭器的轴向位置；在这种情况下，擦拭器与耐磨材料之间的间隙是在机器的最佳运行下的间隙。第二区域相对于第一区域位于下游并且对应于当燃烧室中发生火焰熄灭时擦拭器所呈现的轴向位置。之后，随着间隙将减小直到其为负值，重要的是减小两个相对于彼此活动的部件之间的摩擦力。这减少或者甚至消除了由于该接触而导致的转子锁定的风险。

因此，所述至少一个活动擦拭器能够在两个轴向位置之间移动，第一位置对应于涡轮的正常(标称)运行，并且处于第一位置下游的第二位置对应于当燃烧室中发生火焰熄灭时擦拭器所呈现的轴向位置。耐磨材料层被构造成轴向地包括所述第一区域和所述第二区域，当擦拭器处于其第一轴向位置时，该擦拭器将被定位在所述第一区域上，当擦拭器处于其第二轴向位置时，该擦拭器将被定位在所述第二区域上。

所述第二区域可以包括至少一个空腔。该空腔的存在导致产生相对于第一区域被减小的阻力以阻止擦拭器穿入。所述至少一个空腔可以被布置在耐磨材料层的厚度中，和/或所述至少一个空腔(轴向地和/或径向地)通到耐磨材料层的外侧上。

根据第一实施例，涡轮定子密封元件的所述表面部分相对于发动机的轴线(A)具有沿两个区域的恒定半径，并且在与第一区域相邻的所述第二区域中，耐磨层的厚度减少。厚度减小的区域让位于锁定压力并将擦拭器从摩擦力中释放出来。转子锁定得以避免。

根据特定的实施例，耐磨层在第二区域中的厚度减小到耐磨层在第一区域中的厚度的50％至95％。有利地，厚度减小的区域所填充的材料的阻力比耐磨材料的阻力更低。

根据另一实施例，表面部分沿第一区域是圆柱形的并且沿第二区域被截断。

本发明找到第一种应用，其中，该元件被布置成在涡轮的转子叶片的外径向端部处形成迷宫式密封件，尤其是轴向地形成迷宫式密封件。

本发明发现了另一种应用，其中，该元件被布置成在涡轮的定子叶片的内径向端部处形成迷宫式密封件。

在一个实施例中，涡轮包括转子和定子，转子包括多个径向叶片，该多个径向叶片在它们的径向外端部处设置有转子密封元件，转子密封元件具有相对于转子的旋转轴线(A)径向向外定向的(例如，在上游处，它可以垂直于轴线或者相对于所述轴线倾斜)、呈径向条带的形式的至少一个擦拭器，定子形成圆柱形外壳，转子叶片被设置成在所述圆柱形外壳内运动，定子包括与所述条带相对的定子密封元件，该定子密封元件由耐磨材料制成并且与转子密封元件形成迷宫式密封件。所述定子密封元件形成密封环，所述第一区域对应于涡轮的标称运行，以及，所述第二区域对应于在发动机的燃烧室熄火后重新点火阶段中的运行。

在一个实施例中，涡轮包括由定子翅片形成的级，所述翅片在涡轮的轴线(A)的侧部上包括密封元件，该密封元件与至少一个能旋转的擦拭器相互作用以形成迷宫式密封件。在密封元件中，所述第一区域对应于涡轮的标称运行，并且所述第二区域对应于在燃烧室熄火之后重新点火阶段中的运行。

本发明还涉及一种包括上述涡轮的燃气涡轮发动机。本发明还涉及一种包括这种燃气涡轮发动机的涡轮航空发动机。

附图说明

通过参照示意性附图阅读下面给出的、仅仅以说明性和非限制性的示例给出的、本发明的实施例的详细解释性说明，本发明将被更好地理解并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将变得更加清楚。

在这些附图中：

图1是本发明应用到燃气涡轮发动机的涡轮的示例的部分轴向截面的示意图；

图2示出了来自图1的、关于本发明所应用的定子密封元件的细节；

图3示出了来自图1的、关于本发明所应用的另一定子密封元件的细节；

图4示出了本发明的另一个实施例。

具体实施方式

图1示出了燃气涡轮发动机的BP涡轮。该涡轮的结构本身是已知的。

在这种情况下，该涡轮1具有四个级。在该示例中，涡轮的转子20由被螺栓连接在一起的四个涡轮盘21形成。每个盘21在其边缘上承载转子叶片21a。叶片在它们的外径向端部处具有根部21t，根部设置有面向定子30的径向条带21l。在附图的示例中，每个根部21t支撑两个径向条带，这两个径向条带形成迷宫式密封件的擦拭器。定子在擦拭器的对面包括密封元件31，密封元件如本身已知的那样与根部上的擦拭器形成迷宫式密封件。根据该示例，两个迷宫式密封件处于相对于机器的轴线(A)的两个不同的半径处。

在级间定子叶片22的轮的内径向端部上也存在迷宫式密封件。定子密封元件22s例如是呈两个半部的环。擦拭器20l由涡轮盘21的侧向延伸部承载，涡轮盘的侧向延伸部通过螺栓连接而与涡轮盘接合。

现在将参照图2至图6对本发明进行说明。图2示出了定子密封元件31中的一个的细节。该元件31是环形部段；在该示例中，它包括两个表面部分31p，每个表面部分被布置成与所考虑的级的叶片的根部21t的擦拭器21l相互作用。每个表面部分31p包括第一区域31p1和第二区域31p2。第一区域31p1处于区域31p2的上游并且与根部21t的擦拭器21l相互作用。该第一区域31p1对应于在机器的正常运行下擦拭器21l的轴向位置。擦拭器21l与密封元件31的耐磨层之间的间隙受到控制。在燃气涡轮发动机的正常运行中，迷宫式密封件不受到任何明显的磨损损耗，温度差异受到控制，并且活动部件和定子部件之间的膨胀差异不会影响耐磨材料的表面。

在位于第一区域下游的第二区域31p2中，耐磨层的厚度减小。在材料中形成有空腔31c以使其减弱。现有的密封元件上的减小可以包括加工到覆盖密封元件的层的厚度中；该区域对应于在其中燃烧室在飞行中熄火的发动机的极端运行期间擦拭器的轴向位置；转子容易被定子元件夹住。实际上，当燃烧室由于不希望的原因而熄火时，发动机气体不再通过转子并且转子受到进入发动机中的空气的压力。在这种情况下，转子会向下游发生轴向位移。由于转子和定子之间的不同冷却，如果定子被快速冷却并进行收缩，则擦拭器的端部穿入到由空腔31c减弱的材料中。因此，当使用适当的材料时，不用担心本发明的解决方案会产生使转子阻塞的风险。

图4中的解决方案涉及一种变型。密封元件31’在与擦拭器相对的表面部分31’p上具有两个区域31’p1和31’p2。该解决方案包括对受密封件影响的表面部分的第二区域进行斜切。

图3示出了本发明对级间定子盘的内径向端部22s之间的密封件的应用。在该元件上，空腔22c已经被加工到耐磨材料中，从而在第二区域上产生由相应擦拭器20l穿入的低阻力。

图5是图3中的概念的变型实施例，其中，空腔22c并不位于密封元件的外周边处，而是位于该元件的内周边处并且径向地向内敞开。

图6是图2中的概念的变型实施例，其中，空腔31c并不是向下游轴向地敞开，而是在这种情况下径向地向内敞开。

Claims (12)

1.燃气涡轮发动机的涡轮(1)，所述涡轮包括定子密封环元件(31，31’，22s)，所述定子密封环元件被布置成与能围绕密封环的轴线(A)旋转的至少一个擦拭器(21l，20l)接合而形成迷宫式密封件，所述元件(31，31’，22s)包括耐磨材料层，所述耐磨材料层具有能够与所述活动擦拭器(21l，20l)相互作用的密封表面部分(31p，31’p，22s’)，其特征在于，所述耐磨材料层在所述表面部分(31p，31’p，22s’)上轴向地包括第一区域(31p1，31’p1，22s1)以及与所述第一区域(31p1，31’p1，22s1)相邻的第二区域(31p2，31’p2，22s2)，所述第一区域具有第一阻力以阻止擦拭器(20l，21l)穿入，所述第一区域(31p1，31’p1，22s1)对应于在所述涡轮的标称运行下所述擦拭器(21l，20l)的轴向位置；所述第二区域具有相对于所述第一区域减小的阻力以阻止擦拭器穿入，所述第二区域(31p2，31’p2，22s2)相对于所述第一区域(31p1，31’p1，22s1)位于下游并且对应于当所述发动机的燃烧室中发生火焰熄灭时所述擦拭器(21l，20l)所呈现的轴向位置。

2.根据权利要求1所述的涡轮(1)，其特征在于，所述第二区域(31p2，31’p2，22s2)包括至少一个空腔(31c，31’p2，22c)。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮(1)，其特征在于，所述表面部分(31p，31’p，22s’)的半径沿两个区域恒定，以及，在与所述第一区域(31p1，31’p1，22s1)相邻的所述第二区域(31p2，31’p2，22s2)中，所述耐磨层的厚度相对于所述第一区域减小。

4.根据权利要求1至3中一项所述的涡轮(1)，其特征在于，所述耐磨层在所述第二区域(31p2，31’p2，22s2)中的厚度减小到在所述第一区域中的厚度的50％至95％。

5.根据权利要求4所述的涡轮(1)，其特征在于，厚度减小的区域填充有具有低阻力的材料。

6.根据权利要求1所述的涡轮(1)，其特征在于，所述表面部分沿所述第一区域是圆柱形的并且沿所述第二区域被截断。

7.根据前述权利要求中一项所述的涡轮(1)，其特征在于，所述定子密封环元件(31，31’，22s)被布置成在所述涡轮的转子叶片(21a)的外径向端部处形成迷宫式密封件。

8.根据权利要求1至6中一项所述的涡轮(1)，其特征在于，所述定子密封环元件(31，31’，22s)被布置成在所述涡轮的定子叶片(22)的内径向端部处形成迷宫式密封件。

9.根据权利要求1所述的涡轮(1)，包括转子和定子，所述转子包括多个径向叶片(21a)，所述多个径向叶片在它们的径向外端部处设置有转子密封元件，所述转子密封元件具有相对于所述转子的旋转轴线(A)径向向外定向的、呈径向条带的形式的至少一个擦拭器(21l)，所述定子(30)形成圆柱形外壳，所述转子叶片被设置成在所述圆柱形外壳内运动，所述定子包括与所述条带相对的定子密封环元件(31)，所述定子密封环元件由耐磨材料制成并且与所述转子密封元件(21l)形成迷宫式密封件，所述涡轮的特征在于，所述定子密封元件由根据权利要求1至7中一项所述的密封元件形成，所述第一区域(31p1，31’p1)对应于所述涡轮的标称运行，以及，所述第二区域(31p2，31p2)对应于在所述发动机的燃烧室熄火后重新点火阶段中的运行。

10.根据权利要求1所述的涡轮(1)，包括由定子翅片(22)形成的级，所述翅片在所述涡轮的轴线(A)的侧部上包括密封元件(22s)，该密封元件与至少一个能旋转的擦拭器(20l)相互作用以形成迷宫式密封件，其特征在于，该密封元件由根据权利要求1至6以及8中一项所述的密封部段形成，所述第一区域(22s1)对应于所述涡轮的标称运行，并且所述第二区域(22s2)对应于在所述发动机的燃烧室熄火后重新点火阶段中的运行。

11.燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机包括根据权利要求1至10中一项所述的涡轮(1)。

12.航空涡轮发动机，其特征在于，所述航空涡轮发动机包括根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机。