CN111502773A - 密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封组件，具体而言涉及一种用于燃气涡轮的密封组件，其包括：至少一个主弹簧(24)，该主弹簧(24)被构造成至少部分地容纳在燃烧器出口构件(17)的座(19)中；至少一个柔性密封构件(25)，该柔性密封构件(25)具有设置在主弹簧(24)的外侧上的板部分(34)，并且具有构造成与座表面密封地配合的外部叶片(35)；以及至少一个屏蔽密封构件(26)，该屏蔽密封构件(26)具有设置在柔性密封元件(25)的板部分(34)的外侧上的板部分(46)和构造成在主弹簧(24)的轴向弹性载荷下轴向地接触导叶表面(21)的凸缘(47)。

Description

密封组件

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2019年1月28日提交的欧洲专利申请No.19425005.6的优先权，该申请的全部公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于在燃气涡轮发电装置中使用的密封组件，即作为燃气燃烧器的出口和涡轮的第一导叶范围之间的接口密封。

背景技术

众所周知，燃气涡轮发电装置(下文中仅称为“燃气涡轮”)包括压缩机、压缩机下游的燃烧器组件和燃烧器下游的涡轮。燃气涡轮包括转子，该转子包括压缩机部段和涡轮部段。

本文使用的术语“下游”和“上游”是指通过燃气涡轮的主气体流的方向；术语“轴向”、“径向”及衍生词是指转子轴线的方向；术语“内部”和“外部”是指相对于转子轴线的径向位置。

特别地，压缩机包括供给空气的入口、多个固定导向导叶和压缩通过的空气的多个旋转叶片。大部分压缩空气流入燃烧器，在燃烧器中压缩空气与至少一种燃料混合。该混合物在燃烧器中燃烧，导致显著的温度升高。产生的热气体离开燃烧器，并在涡轮中膨胀，从而在转子上产生机械功。

涡轮包括由涡轮外壳承载并设置在多个轴向地间隔开的周向范围内的固定导叶、以及由转子承载并设置在多个轴向地间隔开的周向范围内的旋转叶片，每个叶片范围设置在相应导叶范围的下游，使得导叶在最佳方向上朝向叶片引导气体流。

燃气涡轮是已知的，其中燃烧器由围绕转子等距地间隔开的多个罐(canister)或“罐式燃烧器”构成，每个罐式燃烧器具有面向第一导叶范围的多个导叶的出口构件；因此，有必要将出口构件密封在面对它的导叶上，使得热燃烧气体流过的外部环形导管相对于输送处于较低温度的压缩冷却空气的内部空间密封。

为此目的，已知许多不同的技术解决方案。

根据第一种已知的解决方案，使用蜂窝密封，其牢固地结合到导叶。该解决方案具有操作限制，以避免密封件的塑性变形和可能的分层。

其他已知的解决方案在寿命、操作灵活性和/或组装/拆卸的便利性方面不是最佳的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种密封组件，其确保在每种工作条件下的最佳密封，并且没有上述现有技术密封件的缺点。

本发明的另一个目的是提供一种密封组件，该密封组件可以改装到现有的涡轮以替换现有的密封件。

根据本发明，提供了一种用于燃气涡轮的密封组件，该密封组件被构造成轴向地插置在燃烧器的出口构件和至少一个涡轮导叶之间，并且径向地插置在外部热气体路径和包含较高压力冷却空气的内部空间之间，该密封组件包括：

- 至少一个主弹簧，其施加轴向弹性载荷，并且被构造成至少部分地容纳在出口构件的座中；

- 至少一个柔性密封构件，其具有设置在主弹簧的外侧上的板部分，并且具有构造成与座表面密封地配合的外部叶片；和

- 至少一个屏蔽密封构件，其具有设置在柔性密封元件的板部分的外侧上的板部分和构造成在主弹簧的轴向弹性载荷下轴向地接触导叶表面的凸缘。

根据本发明，密封组件的部件中的每一个都针对特定的功能，并且可以为此特定地设计尺寸，从而确保密封组件在不同操作条件下的最大性能和耐用性。主弹簧具有提供轴向推力以确保屏蔽密封构件的凸缘和导叶表面之间的接触的唯一功能，并且受到冷却空气温度而不是热气体温度的影响。屏蔽密封构件没有机械应力，但是受到热气体温度的影响。

根据一个实施例，柔性密封构件包括从柔性密封构件的板部分延伸到外部叶片的轴向狭槽。

狭槽保证柔韧性和冷却气流；冷却空气泄漏可以被估计和调整。

根据一个优选实施例，主弹簧包括构造成搁靠在出口构件上的基片和至少一个弹簧部段，该弹簧部段包括前片和插置在基片和前片之间并以手风琴构造整体地连接到彼此的至少多个片。

优选地，密封组件包括一个弹簧部段，以及用于每个导叶的相关联的柔性密封构件和屏蔽密封构件。弹簧部段平行但独立地操作，以适应单独的导叶。

本发明还涉及一种燃气涡轮，其包括外部壳体、压缩机、压缩机下游的多个罐式燃烧器和罐式燃烧器下游的涡轮，压缩机和涡轮包括由外部壳体承载的固定导叶和由转子承载的旋转叶片，罐式燃烧器围绕转子间隔开并通过燃烧空气和至少一种燃料的混合物产生热气体，该燃气涡轮包括用于每个罐式燃烧器的如上文限定的密封组件，该密封组件轴向地插置在燃烧器的出口构件和至少一个涡轮导叶之间，并且径向地插置在外部热气体路径和包含较高压力冷却空气的内部空间之间。

根据一个优选实施例，较高压力冷却空气和热气体路径之间的压差在屏蔽密封构件的凸缘上抵靠导叶表面产生密封力。

附图说明

为了更好地理解本发明，下面将通过非限制性示例并参考附图描述其优选实施例，其中：

图1是包括根据本发明的密封组件的燃气涡轮发电装置的示意性剖视图；

图2是设置有根据本发明的密封组件的燃烧器出口构件的局部透视图；

图3是具有根据本发明的密封组件的燃烧器出口/涡轮入口接口区域的剖视图；

图4是根据本发明的密封件的细节的透视图；

图5是根据本发明的密封组件的分解图；和

图6是密封组件的主弹簧元件(spring element)的俯视平面图。

具体实施方式

图1是燃气涡轮1的示意图。

燃气涡轮1包括压缩机2、燃烧器组件3和涡轮4。压缩机2和涡轮4具有公共轴线A，并包括可绕轴线A旋转的转子5的相应部段。

众所周知，环境空气6进入压缩机2并被压缩。压缩空气7离开压缩机2并进入增压室(plenum)8，即由外部壳体9限定的容积。压缩空气7从增压室8进入燃烧器组件3，该燃烧器组件3包括围绕轴线A环形地分布的多个罐式燃烧器10。这里，至少燃料被喷射，并且空气/燃料混合物被点燃，产生热气体11，该热气体11沿着热气体路径12被输送到涡轮4。如本领域众所周知的，涡轮4包括由外部壳体9承载并设置在多个轴向地间隔开的圆周范围内的固定导叶14(其中前两个导叶在图1中示出)，以及由转子5承载并设置在多个轴向地间隔开的圆周范围内的旋转叶片15。每个叶片范围设置在相应导叶范围的下游，使得导叶在最佳方向上朝向叶片引导气体流。

如图2中更好地示出的，每个燃烧器10包括管状燃烧室16，该燃烧室终止于呈大体矩形形状的框架形式的出口构件17，或者更准确地说面向第一范围的多个导叶14的环形部段；在所示的示例中，每个出口构件17面向三个导叶14。

根据本发明的密封组件18容纳在设置在出口构件17的弧形径向内侧20中的前弯曲细长座19中。密封组件18朝向导叶14突出，并且被构造成密封地搁靠在导叶14的对应弧形平面前表面21上，从而将热气体路径12相对于内部空间22密封，内部空间22与增压室8连通，并因此包含可用作冷却流体的压缩空气(在比热气体路径更高的压力下)。

密封组件18(图3、5)包括主弹簧24，以及用于每个导叶14的柔性密封构件25和屏蔽密封构件26。

主弹簧24具有弧形、细长的形状，以便部分地容纳在座19内，并且包括平的基片27和多个弹簧部段28，基片27被构造成搁靠在座19的底肩部23上，多个弹簧部段28从基片27轴向地延伸，并且朝向相应的导叶14部分地轴向地突出座19之外。

在本实施例中，有三个弹簧部段28，每个弹簧部段28延伸基片27的基本上三分之一，彼此仅稍微间隔开。尽管图5中仅示出了一个柔性密封构件25和一个屏蔽密封构件26，但是每个弹簧部段28都具有相关联的柔性密封构件25和屏蔽密封构件26。

每个弹簧部段28包括平行于基片27并与其轴向地间隔开的平面前片29，以及彼此平行布置并在基片27和前片29之间延伸的两个多片弹簧组30。弹簧组30相对于弹簧部段28的中平面对称。

具体地，每个弹簧组30延伸弹簧部段28的基本上纵向一半，并且由多个片31形成，这些片31在其端部处以“手风琴”或“风箱”的方式串联地整体连接到彼此。更具体地，每个片31在轴向方向上(即平行于轴线A)与相邻的片间隔开，并且稍微倾斜，以便从前面的片轴向地发散，从而形成锯齿形图案。每个弹簧组30的端片31分别在弹簧部段28的侧向端处接合到基片27和前片29。

主弹簧24最后包括多个定位销32，定位销32从基片27轴向地突出，并且被构造成接合出口构件17中的相应内孔(未示出)。

柔性密封构件25(图3-5)各自包括基本上矩形的板部分34，其在周向方向上伸长并弯曲，以便遵循主弹簧24的径向外部轮廓。外部叶片35从板34的一个周向侧轴向地向后弯曲，并且平行于该板延伸。更具体地，外部叶片35由两个径向偏移部分形成，即在端部弯曲部37处接合到板34的弹簧部分36，以及在中间台阶39处接合到弹簧部分36的密封部分38，以便平行于板34并与板34间隔开大于弹簧部分36。

柔性密封构件25包括从板34的与端部弯曲部37相对的端部侧垂直向内(即在外部叶片35的相对侧上)延伸的端部凸缘44。

柔性密封构件25最终设置有多个轴向狭槽45，这些狭槽优选地沿其宽度等距地间隔开。狭槽45以轴向切口的形式提供，该轴向切口沿着板34的大部分(除了其邻近端部凸缘44的部分)、端部弯曲部37、弹簧部分36、中间台阶39和密封部分38的一部分延伸。

在使用中，板34搁置在主弹簧24的相应弹簧部段28的外部轮廓上，并且端部凸缘44轴向地搁靠在弹簧部段28的前片29上(图3)。

屏蔽密封构件26(图3-5)包括在周向方向上伸长的基本上矩形的板46，该板搁靠在柔性密封构件25的板34上，紧密地插入板34和弹簧部分36之间，并且与柔性密封构件25的外部叶片35的密封部分38形成间隙40。屏蔽构件26还包括端部凸缘47，该端部凸缘47从板46的端部侧垂直向内延伸，抵靠柔性密封构件26的端部凸缘44轴向接触。优选地，凸缘47具有密封唇48，该密封唇48被构造成搁靠导叶14的前表面21。

在使用中，密封组件18部分地容纳在座19内，由于弹簧部分36的弹性变形，柔性密封构件25的密封部分38抵靠座19的径向外侧径向弹性接触，并且密封唇48抵靠导叶表面21。

表面21和肩部23之间的距离D(图3)使得弹簧部段28在组装期间被轴向地预压缩，从而对凸缘44、47施加轴向载荷，并确保凸缘44、47以处于弹性载荷下的密封唇48接触表面21。然而，该载荷不是确保密封的主要力；事实上，在使用中，在包含压缩冷却空气的内部空间和热气体路径之间存在压差，该压差将凸缘47压靠在表面21上。

这种压差还确保冷却空气以受控方式流过狭槽45，狭槽45形成将内部空间22连接到间隙40的冷却通道，间隙40与热气体路径12轴向地连通，从而冷却主弹簧24、柔性密封构件25和屏蔽密封构件26。

根据本发明，并且与现有技术相反，密封组件18由多个元件构成，每个元件用于在最佳的机械和温度条件下使用，以确保在可变操作条件下和长寿命期间的完美密封。此外，可以适应相对较大的位移。

主弹簧24被构造成保持密封组件18与导叶14的前表面21的接触，并且经受冷却空气压力和温度。弹簧部段28被预压缩并平行但独立地操作，以便适应单独的导叶14。

柔性密封构件25旨在确保抵靠出口构件17的密封，以适应热变形。狭槽45保证柔韧性和冷却气流；冷却空气泄漏可以被估计和调整。

屏蔽密封构件26是密封组件18受热气体路径温度影响的唯一元件，不受机械应力的影响，并且具有提供用于密封压力的主分量(component)的非常简单的设计。

尽管本发明已经结合其如上所述的优选实施例进行了解释，但是应该理解，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，可以进行修改和变化。

Claims (15)

1.一种用于燃气涡轮的密封组件，所述密封组件被构造成轴向地插置在燃烧器(10)的出口构件(17)和至少一个涡轮导叶(14)之间，并且径向地插置在外部热气体路径(12)和包含较高压力冷却空气的内部空间(22)之间，所述密封组件包括：

- 至少一个主弹簧(24)，其施加轴向弹性载荷，并且被构造成至少部分地容纳在所述出口构件(17)的座(19)中；

- 至少一个柔性密封构件(25)，其具有设置在所述主弹簧(24)的外侧上的板部分(34)，并且具有构造成与座表面密封地配合的外部叶片(35)；和

- 至少一个屏蔽密封构件(26)，其具有设置在所述柔性密封元件(25)的所述板部分(34)的外侧上的板部分(46)和构造成在所述主弹簧(24)的轴向弹性载荷下轴向地接触导叶表面(21)的凸缘(47)。

2.根据权利要求1所述的密封组件，其中，所述外部叶片(35)和所述柔性密封构件(25)的所述板部分(34)通过端部弯曲部(37)整体连接，所述屏蔽密封构件(26)的所述板部分(46)容纳在所述柔性密封元件(25)的板部分(34)和外部叶片(35)之间。

3.根据权利要求1或2所述的密封组件，其中，所述柔性密封构件(25)包括从所述柔性密封构件(25)的所述板部分(34)延伸到所述外部叶片(35)的轴向狭槽(45)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的密封组件，其中，所述外部叶片(35)包括邻近所述端部弯曲部(37)的弹簧部分(36)和通过中间台阶(39)连接到所述弹簧部分(36)的密封部分(38)，所述屏蔽密封构件(26)的所述板部分(46)紧密地插入所述柔性密封构件(25)的板部分(34)和弹簧部分(36)之间，以便与所述屏蔽密封构件(26)的所述板部分(34)形成间隙(40)。

5.根据权利要求4所述的密封组件，其特征在于，所述柔性密封构件(25)包括插置在所述主弹簧(24)和所述屏蔽密封构件(26)的所述凸缘(47)之间的端部凸缘(44)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的密封组件，其中，所述主弹簧(24)包括构造成搁靠在所述出口构件(17)上的基片(27)和至少一个弹簧部段(28)，所述至少一个弹簧部段(28)包括前片(29)和插置在所述基片(27)和所述前片(29)之间并以手风琴构造连接到彼此的至少多个片(31)。

7.根据权利要求6所述的密封组件，其特征在于，所述前片(29)接触所述柔性密封构件(25)的端部凸缘(44)。

8.根据权利要求6或7所述的密封组件，其特征在于，所述至少一个弹簧部段(28)包括两组(30)片弹簧(31)，所述两组(30)片弹簧(31)插置在所述基片(27)和所述前片(29)之间，并且以手风琴构造连接到彼此，所述两组(30)片弹簧(31)相对于所述弹簧部段(28)的中平面对称。

9.根据前述权利要求中任一项所述的密封组件，其特征在于，所述屏蔽密封构件的所述凸缘包括唇(48)，所述唇(48)被构造成接触相应导叶(14)的表面。

10.根据前述权利要求中任一项所述的密封组件，其特征在于，包括沿着所述基片间隔开的多个弹簧部段(28)，以及各自与相应的弹簧部段(28)相关联的对应的多个柔性密封构件(25)和屏蔽密封构件(26)。

11.一种燃气涡轮，包括外部壳体(9)、压缩机(2)、所述压缩机(2)下游的多个罐式燃烧器(10)和所述罐式燃烧器(10)下游的涡轮(4)，所述压缩机(2)和涡轮(4)包括由所述外部壳体(9)承载的固定导叶(14)和由转子(5)承载的旋转叶片(15)，所述罐式燃烧器(10)围绕所述转子(5)间隔开，并且通过燃烧空气和至少一种燃料的混合物产生热气体，所述燃气涡轮(1)包括用于每个罐式燃烧器(10)的根据前述权利要求中任一项所述的密封组件(18)，所述密封组件(18)轴向地插置在所述燃烧器(10)的出口构件(17)和至少一个涡轮导叶(14)之间，并且径向地插置在外部热气体路径(12)和包含较高压力冷却空气的内部空间之间。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮，其中，所述至少一个主弹簧(24)至少部分地容纳在所述出口构件(17)的座(19)中，并施加轴向弹性载荷，以保持所述屏蔽密封构件(26)的所述凸缘(47)与导叶表面(21)轴向接触。

13.根据权利要求11或12所述的燃气涡轮，其中，所述狭槽(45)限定多个冷却通道，所述多个冷却通道允许冷却空气从所述内部空间(22)到所述热气体路径(12)的受控流动。

14.根据权利要求13所述的燃气涡轮，其特征在于，所述冷却通道将内部冷却空气空间连接到形成在所述柔性密封构件(25)的密封部分(38)和所述屏蔽密封构件(26)的板部分(46)之间的所述间隙(40)。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，每个罐式燃烧器(10)的所述出口构件(17)面向多个导叶(14)，所述密封组件包括沿着所述基片(27)间隔开的多个弹簧部段(28)，以及用于每个弹簧部段(28)的柔性密封构件(25)和接触所述相应的导叶(14)的屏蔽密封构件(26)。

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