CN1079532A - 燃气轮机的辅助密封装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高温环境下仅包含非弹性材料元件的 辅助密封装置，包括由第一套偏压装置轴向偏压的和 由第二套偏压装置径向偏压的对开高温炭精石墨辅 助密封环。

Description

本发明涉及燃气密封装置，尤其涉及应用于燃气轮机中的非弹性材料辅助密封装置。

燃气轮机通常在高转速高温下工作。一般燃气轮发动机轴的转速达到大约25，000转/分。其温度在800℃范围内（1500°F）。

普通的用于密封密封环的装置由于高转速下的高温而不能用于燃气轮机中。例如弹性材料0型环不能用来密封各环和相应的轴或壳体，因为这种环在高温下将会熔化。

本发明是一种新的和改进了的用于燃气轮发动机的辅助密封装置，它在主环和静止壳体之间起密封作用。一个环是碳精石墨环，它包括一些由一圆环弹簧保持在一起的弧状扇形部分。另一靠近端该第一环并具有类同的径向厚度的密封环包括两部分。靠近主环内径的第一部分具有弧状扇形部分，其径向厚度大约为第一密封环的径向厚度的一半。也包括一些弧形扇形部分的第二部分配量在紧靠第一部分的外边，并且也包括一沿圆周配置的弹簧，它对该两部分施加一向内的压力，以便在该辅助密封装置内径跟保持主环的保持装置之间起密封作用。构成这些环的材料是能承受高温的高温人造碳精石墨。辅助对开环轴向紧靠主环壁，在这些辅助密封环的相反侧有一圆盘。一弹簧提供一轴向力，使该圆盘偏置，辅助密封装置和主环沿轴向向旋转配合环方向偏置。

图1    是用于燃气轮机中的密封组件的局部横剖视图，表示本发明的辅助密封装置;

图2    是大致沿图1中2-2线所示平面所取的剖视图，表示主环;

图3    表示图1中所示本发明辅助密封装置的密封环中的一个。

图4    表示本发明密封装置的另一实施例，其径向厚度已减小以提供间隙。

现在参考图1，其中表示了包括一配合环10和一主环的燃气轮机密封装置。配合环10包括一密封面12和一连接件（以局部剖面表示）。该连接件用于将配合环10的外径部分连接到一根旋转轴（未示）上，它可以是一个内连接部14，如图1中部分所示。

图2表示配合环10的部分表面12。配合环10的表面12还包括若干向下抽吸的螺旋槽，这些螺旋槽自外圆周延伸，且部分穿越表面12的宽度。另一方案，这些槽可以在主环上，但对于本说明书来说，表示出在配合环的表面12上有这些槽。相邻的螺旋槽16被一槽脊18所隔离。在配合环10的内径处配置着具有无槽表面的环形墙部20。墙部20的无槽表面构成了一密封墙，当这些密封面不相互转动时，它形成一静态接触密封。这些槽脊18和墙部表示出具有相邻的高度，并且两者相对于槽16的表面是倾斜的。

图2表示在外径处具有螺旋槽16的配合环10，它用于在密封环的外径处存在高压的密封系统。或者，这些高压可能处在这两个密封环的内径处，因此，令这些配合环的结构为这些槽在其内径处，而环墙在外径处。这些结构中的任一种都能有效地工作，根据特殊用途的需要而加以选定。

邻接配合环10，配置一主环30。配合环10的径向配置的密封面12代表一环形密封面，它靠着主环30的同样配置的径向密封面32。主环30径一保持器组件连接于壳体（未示），并在密封装置工作时保持静止。配合环10跟轴（未表示）一起则相对转动，在燃气轮机密封装置正常工作期间相对于主环30以大约25，000转/分的转速相对转动。

该保持器组件包括主环30、一保持器、一辅助密封装置、一个圆盘和一偏压装置。偏压装置沿轴向对圆盘、辅助密封装置和主环施加偏压，因此，主环密封面32对配合环10的面12施加偏压。

该保持器组件包括一保持器40，它有一个在主环30的外径外配置的外径部分42。在保持器外径部分中的一适当的驱动装置（在图1中未表示）跟主环30啮合。一圆柱内径43由外径部分42的内壁限定。该内圆柱面43为主环30的外径及保持器组件的其它元件提供间隙。

保持器40还包括一内径部分44和一连接外径部42和内径部44的连接部分46。保持器组件40的三部分42、44和46基本上包围了主环和保持器组件。内径部分44有一圆柱表面45，和外径部分42的表面43相对，这些表面43、45为保持器组件提供限定包封物的壁。保持器组件的连接部分46包括若干孔，它们限定了一些弹簧座50，在图1中表示了其中之一。保持器40借助于在由壳体（未表示）限定的空腔内的普通装置（未表示）沿轴向方向并且以非转动的方式被固定。一O型环（在图1中未表示）或一非弹性材料密封装置配置于保持器40的外径和其内装有O型环的壳体（未表示）之间。

在保持器连接部46内的限定弹簧座50的一些圆孔为弹簧52分别提供座。一个也包含若干限定弹簧座50的孔的圆盘配置于弹簧52上，以便将它们压向弹簧座50。圆盘54的内径54略大于保持器内径部分44的外径45。沿着保持器40的圆环形连接部46周围，配置几个弹簧52，这些弹簧52对圆盘54提供均匀的负荷。

该辅助密封装置包括第一辅助密封环60，后者包括由诸如圆形弹簧62的偏压装置保持的弧状扇形部分。在理想情况下，在该辅助密封装置中除弹簧62之外的所有元件分成两个弧状扇形部分。由弹簧62在第一辅助密封环60上产生的径向压力将该圆弧扇形部分保持在一起，使该辅助密封环60的圆弧扇形部分的端部保持相互接触。第一辅助密封环扇形部分60的内径64对保持器内径部分44的外径施加偏压。这样，弹簧62对第一辅助密封件60提供一向外的偏压，从而在内径64和圆柱表面45之间形成密封。密封件60包括一环形端壁66，圆盘54加偏压于该端壁上;还包括一第二端壁68，它邻接第二辅助密封环。

现参照图1和3，第二辅助密封环包括两个具有相互不同直径的部分以及一个将该两部分保持在保持器内径部分44的表面45上的弹簧。第二辅助密封环的内部70包括两个半圆弓状扇形部分70a和70b，它们共同构成内圆环形部分70。内部分70的尺寸是这样的，当该两弓形扇形部分的端面相互接合时，环70在内部分70的内径72和保持器40的圆柱表面45之间形成紧配合。

内部分70配置在外部76的径向内侧。内部70的外径74邻接第二辅助密封环的外部76的内径78。外部分76包括两个弓状扇形部分76a和76b，它们同样接合在一起，以构成圆环外部分76。一当如图3中所示接合在一起，外部分76的内径78的表面对内部分70的外径74的表面产生一偏压，从而在它们之间形成一密封。

外部76的外半圆直径80处有一条卡住第二弹簧82的槽，该弹簧将该外部分保持在一起并使其对内部分70施加偏压。它还使内部分70对保持器内径部分44施加偏压。

内部分70和外部分76各有端壁，这些端壁和其它件的端壁是邻接的，以便为第二辅助密封环提供一平整的端壁面。为了密封理想，内部分70和外部分76的端壁最好平行搭接。该两部分同时平行搭接共同确保在第二辅助密封环的端壁上有一平整的邻接表面。

第一辅助密封环60的第二端壁68对内部分70和外部分76两者的端壁施加一轴向偏压力。内、外部分70和76的相反端壁对主环30施加一偏压力，主环30又施加一负荷，它有助于消除主环30和配合环10之间的间隙。

组成配合环10的材料可以包任何一种诸如Enconel    718的硬材料。主环30可包括任何一种诸如碳化硅酮（silicone    carbile）的硬材料。

辅助密封环包括一高温无机碳或特种牌号的渗碳盐，它能耐高温到800℃（1500°F）。

在辅助密封环60、70、76的所有表面上涂覆一适当的干润滑剂，以便在各环之间形成密封，并在这些环表面和保持器组件的其它零件之间形成密封。在包括环60、内部分70和外部分76的弓状扇形部分的端部，在这些扇形部分接合之前还应涂覆该润滑剂。一种业已发现有效的适合的干润滑剂是钼的硫酸氢盐，它在市场上作为粉末销售的。

提供偏压力的这些弹簧可包括任何一种普通钢环材料，诸如弹簧钢或不锈钢。所述圆盘和保持器也可包括钢或其它适当的金属。

根据相对于图1所述的密封装置中所用的外形结构和材料推论出几个优点。采用非弹性材料元件允许在燃气轮机发动机中常碰到的高温下运转。包括两个环的辅助密封装置提供了适应性强的辅助密封结构，它也提供了由燃气轮机产生的高压的压力降。该压力降出现在辅助密封装置的两分离的密封环结构60和70、76之间。任何燃气泄漏必须经过在密封面64、72和保持器内圆柱面45之间设置的密封装置或相反地经密封环端壁接触区发生。由于在保持器组件内的所有零件是静止的，由弹簧52在轴向提供的压力和由弹簧62和82在径向提供的压力将泄漏保持在一个最小值。

为了进一步提供一个更为迂回的通路从而避免过多的泄漏，在包括密封环各部分的弓状扇形部分上的对开面是错开的。在图3中表示了一种错开的外形结构，其中内部分70上的错开相对于外部分76上的错开成90°配置。

本发明的另一实施例示于图4。在燃气，也是非接触式的密封装置的横剖视图中，提供了类同的元件外形结构。该元件的外形结构有些类同于图1中所示的元件外形结构。配合环110包括一个具有螺旋槽116的密封面112，该螺旋槽被配置成穿越表面112的部分范围。孔114为销118提供一啮合装置，销118啮合配合环110上的孔114。一环套120包围该轴（未示），该套120有一径向向上的突缘122，后者同时为配合环110提供支承。一个可以是金属的O型环124在该套和配合环110之间构成密封。该套120跟突缘122和配合环110一起全部随轴（未示）一起转动。

一个具有密封面132和啮合槽口134的静止主环130邻近配合环110，并相对于旋转配合环110是静止的。一个类同于图1中所示的保持器组件包括一保持器，一提供轴向偏压力的弹簧装置，一传送弹簧轴向偏压力的圆盘，一辅助密封装置和主环130。保持器140包括一外径部分142、一内径部分144和一连接部分146。一销148为主环130上的凹口134提供一啮合装置。该啮合装置的功能针对图1的实施例在上面已作了讨论。在外径部分142的槽沟152内设置一个可包括软金属的O型环150，该环在保持器140和壳体（未示）之间构成一密封装置。

在连接部146上设置的孔154限定了弹簧156的弹簧座。弹簧156通过也具有一个限定弹簧156另一端的第二弹簧座160的孔的圆盘158提供了对保持器总成的元件的轴向偏压力。圆盘158的内径部分162跟第一辅助密封环174啮合。当弹簧156受压缩时，弹簧156对圆盘156的端壁施加一负荷，而该端壁对该辅助密封装置施加一偏压力。

辅助密封环164在外形结构上类同于图1的辅助密封环60。一个区别在于对辅助密封环164的径向偏压是由在密封环164的两弓形扇形部分上的一个波形弹簧166提供的。而且，圆柱形外径面168为波形弹簧166提供一杯形座。该波形弹簧是一种压扁的波形环，并包括对圆盘158的圆柱形壁及辅助密封环168的外径面两者施加偏压所需的尺寸。第二辅助密封环170，178在外形结构上跟图1和图3中所示的环70、78相同。弹簧182提供一个类同于由图1中所示的弹簧82所提供的偏压。

压扁的波形弹簧166允许采用辅助密封环164，该环的径向厚度较薄，并为圆盘158提供一间隙。在确定的密封装置外形结构中，由圆盘158提供的平衡是重要的，并且，可以要求弹簧156在辅助密封装置的径向外面。并且，圆柱形壁168并不对环164产生任何轴向负荷，从而对环164边缘的碎裂提供额外的保护。图4的实施例在其它方面类同于图1的实施例，它在主环130和保持器140之间提供有效的密封。

Claims (10)

1、一种用于高温环境下旋转机械端面密封装置组件中的辅助密封装置，该密封装置组件包括一个密封旋转轴的第一密封环，第一密封环具有一个大致平的环形第一密封环面，一些螺旋槽至少在部分范围内横越所述第一密封环面延伸；一个密封壳体的第二密封环，该第二密封环具有一个大致平的并跟所述主密封环面相对的第二密封环面，所述配合环相对于该轴可轴向移动；所述密封装置组件还包括一个适于将轴向可移动的第二密封环推向另一密封环，使所述密封面相互靠紧以便具有可相对转动的密封啮合的第一偏压装置；使所述轴向可移动环跟其它环大致同轴定位的装置；一个用于保持所述第二密封环的保持器装置和一个用于在所述第二密封环和所述保持器装置之间构成流体紧密密封的辅助密封装置，所述辅助密封装置包括一个第一环形辅助密封环，所述第一环形辅助密封环包括至少两个连接在一起的弓状扇形部分，并由一第二偏压装置，在径向对所述保持器施加偏压和保持，所述第一环形辅助密封环还包括一个用于接受由所述第一偏压装置施加的偏压力的端壁及一个用于传递自所述第一偏压装置接受的偏压力的第二端壁，所述辅助密封装置还具有一个第二环形辅助密封环，所述第二环形辅助密封环包括一个具有至少两个弓状扇形部分的内部分和一个具有至少两个弓状扇形部分的外部分，所述内部分配置在所述外部分的径向内侧，所述内部分和所述外部分共同包括所述第二辅助密封环和一个使所述外部分对所述内部分施加偏压，也使所述内部分对所述保持器施加偏压的第三偏压装置，所述各辅助密封环配置得相互邻接，并处在所述第一偏压装置和所述配合环之间，因此，所述第二和第三偏压装置对所述相应的第一和第二辅助密封环施加偏压以构成对保持器的流体密封，而所述第一偏压装置使所述第二辅助密封的端壁对所述主环施加偏压，从而在所述辅助密封装置和所述主环之间形成流体密封。

2、按权利要求1所述的辅助密封组件，其特征在于所述第一偏压装置配置于所述保持器的一个内壁上。

3、按权利要求1所述的辅助密封组件，其特征在于所述第二和第三偏压装置中的至少一个包括一弹簧。

4、按权利要求1所述的辅助密封环组件，其特征在于所述辅助密封环中的至少一个还包括一个形成朝上朝外的杯形座的外径表面，用以接受所述第二或包括一波形弹簧的第三偏压装置中的一个。

5、按权利要求1所述的辅助密封环组件，其特征在于辅助密封环中的至少一个含有高温无机碳。

6、按权利要求5所述的辅助密封环组件，其特征在于两种辅助环含有高温无机碳。

7、按权利要求5所述的辅助密封环组件，其特征在于还包括一种干润滑剂。

8、按权利要求1所述的辅助密封环组件，其特征在于所述辅助环中的至少一个含有一种渗碳盐。

9、按权利要求8所述的辅助密封环组件，其特征在于两种辅助密封环均含有一种渗碳盐。

10、按权利要求7所述的辅助密封组件，其特征在于还包括一种干润滑剂。