CN112689700B - 具有防旋转特征的非接触式密封件 - Google Patents

Abstract

一种密封组件（10），用于密封第一机械部件（38）和可相对于第一机械部件（38）绕纵向轴线（42）旋转的第二机械部件（40）之间的周向间隙（11）。密封组件（10）包括密封件支座（36）、主密封件（26）、中间板（22）、至少一个辅助密封件（14）和前板（12）。所述至少一个辅助密封件（14）包括至少一个密封元件（16）。所述至少一个密封元件（16）和所述中间板（22）各自具有至少一个销（44）或至少一个孔（46）中的一个，所述销和孔共同防止所述至少一个密封元件（16）在所述密封组件（10）内旋转。

Description

具有防旋转特征的非接触式密封件

技术领域

本发明涉及用于密封可相对于彼此相对旋转的两个机械部件之间的周向间隙的密封件，并且更具体地，涉及一种具有至少一个承座的密封件，所述承座在与机械部件中的一者形成非接触式密封的位置沿机械部件中的一者延伸。

背景技术

涡轮机械，诸如燃气涡轮发动机，目前在关键应用中依赖于迷宫式、刷式或碳密封件。迷宫式密封件提供足够的密封，但是它们极其依赖于在发动机操作的所有点处保持径向公差。径向空隙必须考虑诸如热膨胀、轴运动、公差累积、摩擦公差等因素。密封空隙的最小化对于实现最大迷宫式密封效果是必要的。除了如果没有保持空隙则泄漏增加之外，还存在发动机振动增加的可能性。直通迷宫式密封件对于空隙变化最敏感，其中大的空隙导致延滞效应（carryover effect）。阶梯状迷宫式密封件非常依赖于轴向空隙以及径向空隙，这限制了每个平台上可能的齿数。预制凹槽的迷宫式密封件取决于轴向空隙和径向空隙两者，并且必须具有小于径向空隙两倍的轴向空隙，以提供比阶梯状密封件更好的泄漏性能。

涡轮机械，诸如燃气涡轮发动机，正变得更大、更有效且更坚固。正在使用大的叶片和导叶，尤其是在发动机系统的热区段中。鉴于现代发动机中所实施的高压力比和高发动机点火温度，某些部件，诸如翼型件，例如固定导叶和旋转叶片，需要比当前存在的部件更有效的密封能力。

在当前的组件中，涡轮机械中的旋转部件与固定部件之间的空隙是低性能的区域。在压缩机导叶支座、涡轮护罩腔体构造、中间轴等中存在空气动力学损失的若干驱动因素，这降低了涡轮机械的效率。一个驱动因素是旋转部件上的流动。在空隙区域下游发生的混合损失高，并导致级效率和功率的降低。当通过末端腔体的流与主流组合并且两个流具有不同速度时，发生附加的混合损失。末端泄漏基本上失去了提取功的机会。末端泄漏也会导致空气动力学的二次损失。

发明内容

在本发明的一方面，一种用于密封第一机械部件和第二机械部件之间的周向间隙的密封组件，所述第二机械部件可相对于所述第一机械部件绕纵向轴线沿轴向方向旋转，所述密封组件包括：密封件支座，所述密封承座将所述密封组件的所有部件沿着外环保持在一起；主密封件，包括；至少一个承座，其沿着第一机械部件和第二机械部件中的一个延伸，与其产生非接触式密封，承座形成有槽；至少一个弹簧元件，其适于连接到第一机械部件和第二机械部件中的一个上，并且连接到至少一个承座上，该至少一个弹簧元件响应于由流体流施加到至少一个承座上的流体压力而与至少一个承座一起有效地偏转和移动，以帮助在第一机械部件和第二机械部件之间形成周向间隙的主密封；中间板，所述中间板包括凹槽，所述凹槽延伸到形成在所述至少一个承座中的所述槽中；至少一个辅助密封件，其包括并排定向的至少一个密封元件，所述至少一个密封元件齐平地进入所述中间板的所述凹槽中并且延伸到形成于所述至少一个承座中的所述槽中，从而在所述轴向方向上密封所述至少一个弹簧元件；以及前板，其与所述辅助密封件的所述至少一个密封元件相邻，并且延伸到形成在所述至少一个承座中的所述槽中；其中，所述至少一个密封元件和所述中间板各自具有至少一个销或至少一个孔中的一种，它们共同防止所述至少一个密封元件在所述密封组件内旋转。

参考以下附图、描述和权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。

附图说明

借助于附图更详细地示出了本发明。附图示出了优选的构造，并且不限制本发明的范围。

图1是本发明的示例性实施例的密封组件的分解图；

图2是密封组件的示例性实施例的一部分的正视图；

图3是本发明的示例性实施例的一部分的正视图；

图4是本发明的示例性实施例的一部分的正视图；

图5是本发明的示例性实施例的一部分的正视图；

图6是本发明的示例性实施例的一部分的正视图；以及

图7是本发明的示例性实施例的一部分的端视图。

图8是本发明的示例性实施例的一部分的透视图。

具体实施方式

在以下对优选实施例的详细描述中，参考了形成本发明一部分的附图，并且其中通过说明而不是限制的方式示出了可以实施本发明的特定实施例。应该理解，可以利用其它实施例，并且可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行改变。

概括地说，本发明的实施例提供了一种密封组件，用于密封第一机械部件和可相对于第一机械部件绕纵向轴线旋转的第二机械部件之间的周向间隙。密封组件包括密封件支座、主密封件、中间板、至少一个辅助密封件和前板。所述至少一个辅助密封件包括至少一个密封元件。至少一个密封元件和中间板各自具有至少一个销或至少一个孔中的一个，它们共同防止至少一个密封元件在密封组件内旋转。

涡轮机械通常包括压缩机区段、燃烧器和涡轮机区段。压缩机区段吸入环境空气并压缩它。来自压缩机区段的压缩空气进入燃烧器区段中的一个或多个燃烧器。压缩空气在燃烧器中与燃料混合，并且空气-燃料混合物在燃烧器中燃烧以形成热工作气体。热工作气体被引导至涡轮机区段，在涡轮机区段中，热工作气体通过交替的固定翼型件排和旋转翼型件排膨胀，并且用于产生可驱动转子的动力。离开涡轮机区段的膨胀气体然后经由排气区段从发动机排出。

压缩机区段和涡轮机区段可包括若干位置，在这些位置中，在旋转部件和固定部件之间可存在间隙或空隙。在发动机操作期间，系统损失可能由于通过压缩机区段和涡轮机区段中的空隙的流体泄漏而发生。这种系统损耗降低了系统的操作效率。流泄漏的示例是穿过旋转叶片的末端与周围的固定结构或边界（诸如外罩或导叶支座）之间的空隙。

密封件对于防止越过燃气涡轮发动机内的区域的泄漏是必要的。需要一种具有防旋转特征的非接触式密封件，其密封第一机械部件和第二机械部件之间的周向间隙。

图1示出了可包括在诸如燃气轮机的涡轮机械中的密封组件10实施例的分解图。图7和图8示出了处于其组装形式的密封组件10。密封组件10可包括前板12、至少一个辅助密封件14、中间板22、主密封件26和密封件支座36。图7所示的组装好的密封组件10在两个部件之间形成周向间隙11的非接触式密封，这两个部件为第一机械部件38和第二机械部件40，诸如固定的定子72和旋转的转子48。

每个密封组件10包括至少一个周向间隔开的承座28，并且在一些情况下，包括多个周向间隔开的承座28，其作为主密封件26的一部分沿着转子48的外表面位于非接触位置中。每个承座28具有密封表面70和朝向密封表面70径向向内延伸的槽30，如图1中可以看到的。至少一个承座28形成有相对于机械部件中的一者的两个或更多个突起78或翅片，并且是主密封件26的底部部分，如图5中可以看到的。为了该讨论的目的，术语“轴向”或“轴向间隔开”指的是沿着定子72和转子48的纵向轴线42的方向，而“径向”指的是垂直于纵向轴线42的方向。密封组件10可以相对于涡轮机纵向轴线42沿着周向方向C延伸。

在某些操作条件下，尤其是在较高的压力下，希望限制承座28相对于转子48的径向运动的范围，以保持空隙，例如承座28与转子48的面对表面之间的间距。主密封件26可包括多个周向间隔开的弹簧元件，或至少一个弹簧元件34，如可在图5中更好地看到的那样。每个弹簧元件34形成有内带52和与内带52径向向外间隔开的外带54。带52和54中的每一个的一端安装到定子72或与其一体形成，并且其相对端连接到第一止动件32。第一止动件32包括连接到承座28或与其一体形成的腿部56以及与承座28相对的臂部58，该臂部可以被容纳在形成在定子72中的凹部内。该凹部具有定位成与第一止动件32的臂部58对准的肩部74。

第二止动件60与承座28连接或一体形成。第二止动件60在靠近内带52和外带54连接到定子72的点的位置与第一止动件32周向间隔开。第二止动件60形成有腿部62和臂部64。臂部64可以容纳在定子72的凹部内。该凹部具有与第二止动件60的臂部64对准的肩部74。

在某些情况下，当密封组件实施例用于诸如燃气涡轮发动机的应用中时，产生了空气动力学力，所述空气动力学力可将流体压力施加到承座28上，从而使其沿径向向内朝转子48移动。弹簧元件34偏转，并且与承座28一起移动，以例如在转子48和定子72之间形成周向间隙11的主密封。第一止动件32和第二止动件60可限制承座28相对于转子48沿径向方向R径向向内和向外运动的范围。在第一止动件32的臂部58与肩部之间以及第二止动件60的臂部64与肩部之间设置间隙，使得承座28能够相对于转子48径向向内移动。上述向内运动受到臂部与肩部的接合的限制，以防止承座28接触转子48，或者超过两者之间的间隙的设计公差。在承座28相对于转子48径向向外移动的情况下，臂部也能够接触定子72，以限制承座28在该方向上的移动。

实施例包括至少一个辅助密封件14，其包括至少一个密封元件16或板。如图3中所示，至少一个弹簧构件18可沿着外环表面20从板径向向外定位。在某些实施例中，至少一个密封元件16包括两个密封元件16，所述两个密封元件16并排定向并且定位成使得板段延伸到至少一个承座28的槽30中。至少一个密封元件16有助于响应于施加到至少一个承座28的流体压力而与至少一个承座28一起径向偏转和移动，使得有助于在第一机械部件38和第二机械部件40之间形成周向间隙11的辅助密封件14。在某些实施例中，至少一个辅助密封件14包括后辅助密封件和前辅助密封件，后辅助密封件和前辅助密封件可以相同且在组装时颠倒。

图4示出了中间板22。中间板22包括沿着中间板22的面的至少一个凹槽24，其延伸到形成在至少一个承座28中的槽30中，并且中间板定位在至少一个辅助密封件14与主密封件26的至少一个承座28之间。至少一个辅助密封件14的密封元件16装配到中间板22的凹槽24中。

图2示出了前板12。前板12可用于在轴向方向A上覆盖密封组件10的部件。密封组件10可包括夹紧在前板12和中间板22之间的至少一个辅助密封件。主密封件26可支撑辅助密封件14的内径，并且中间板22可支撑辅助密封件14的外径。在操作期间，辅助密封件14的弹簧构件18可反作用于中间板22。

图6示出了密封件支座36。密封件支座36将密封组件10的所有部件沿着密封件支座36的径向外环50的径向向外位置保持在一起。在某些实施例中，沿着主密封件26、中间板22和前板12的径向向外表面可以存在切口66。在这些实施例中，密封件支座36具有径向向内延伸的突出边缘68，该突出边缘与其它部件的切口66对准，以帮助这些部件在相对区域中对准。

传统上，在操作期间，没有用于任何辅助密封件14的处于适当位置的锁定机构。此外，辅助密封件14在密封组件10的组装期间难以保持在适当位置。因此，在这里讨论的实施例中，辅助密封件14周向地销接，以减少辅助密封件14的磨损问题，并便于组装的容易性。销接仅针对周向方向C，因此密封件将在径向方向R上自由移动。在实施例中，至少一个销44被添加到中间板22上。与至少一个销44相对的至少一个孔46可以被置于至少一个辅助密封件14上。至少一个销44可以被焊接到中间板22上。至少一个孔46可以以圆形形状、椭圆形状、U形或其它类似的几何形状穿过至少一个辅助密封件14。至少一个孔46的形状决定了允许辅助密封件14可以有多大的游隙。至少一个辅助密封件14的销接还有助于密封组件10的安装，因为辅助密封件14只能在径向方向R上移动，而不能在周向方向C上移动。在其它实施例中，至少一个销44可以添加到至少一个辅助密封件14，并且至少一个孔46可以穿过中间板22。

尽管已经详细描述了具体实施例，但是本领域普通技术人员将理解，根据本公开的总体教导，可以开发对这些细节的各种修改和替代。因此，所公开的特定布置仅旨在表示说明性的，而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求及其任何和所有等同物的全部范围给出。

Claims (6)

1.一种密封组件(10)，用于密封第一机械部件(38)和第二机械部件(40)之间的周向间隙(11)，所述第二机械部件能够相对于所述第一机械部件(38)绕纵向轴线(42)沿轴向方向(A)旋转，所述密封组件包括：

密封件支座(36)，其将所述密封组件(10)的所有部件沿着外环(50)保持在一起；

主密封件(26)，包括：

至少一个承座(28)，其沿着所述第一机械部件(38)和所述第二机械部件(40)中的一个延伸，与所述第一机械部件和所述第二机械部件中的所述一个产生非接触式密封，所述承座(28)形成有槽(30)；

至少一个弹簧元件(34)，其适于连接到第一机械部件和第二机械部件(38、40)中的一个上，并且连接到所述至少一个承座(28)，所述至少一个弹簧元件(34)响应于由流体流施加到所述至少一个承座(28)的流体压力而与所述至少一个承座(28)一起有效地偏转和移动，以帮助在所述第一机械部件和所述第二机械部件(38、40)之间形成所述周向间隙(11)的主密封；

中间板(22)，其包括延伸到在所述至少一个承座(28)中形成的所述槽(30)中的凹槽(24)；

至少一个辅助密封件(14)，其包括并排定向的至少一个密封元件(16)，所述至少一个密封元件(16)齐平地进入所述中间板(22)的所述凹槽(24)中并且延伸到形成在所述至少一个承座(28)中的所述槽(30)中，从而在所述轴向方向(A)上密封所述至少一个弹簧元件(34)；以及

前板(12)，所述前板与所述辅助密封件(14)的所述至少一个密封元件(16)相邻并且延伸到形成在所述至少一个承座(28)中的所述槽(30)中；

其中，所述至少一个密封元件(16)和所述中间板(22)各自具有至少一个销(44)或至少一个孔(46)中的一个，所述销和孔共同防止所述至少一个密封元件(16)在所述密封组件(10)内旋转；

其中，所述至少一个辅助密封件(14)包括沿着所述至少一个密封元件(16)的外环表面(20)安装的至少一个弹簧构件(18)；

其中，所述至少一个辅助密封件(14)包括在组装时颠倒的后辅助密封件和前辅助密封件。

2.根据权利要求1所述的密封组件(10)，其中，所述至少一个销(44)仅在所述轴向方向(A)上，所述辅助密封件(14)在径向方向上自由移动。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的密封组件(10)，其中，所述至少一个孔(46)具有从所述轴向方向(A)观察的椭圆形状。

4.根据权利要求1至2中的任一项所述的密封组件(10)，其中，所述至少一个孔(46)从所述轴向方向(A)观察是U形的。

5.根据权利要求1至2中的任一项所述的密封组件(10)，其中，所述至少一个销(44)附接至所述中间板(22)。

6.根据权利要求1至2中的任一项所述的密封组件(10)，其中，所述至少一个销(44)附接到所述至少一个辅助密封件(14)。

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