CN112840105B - 涡轮的密封 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机的多级涡轮(10)的组合件，所述组合件包括静态密封装置、包括径向外端的喷嘴(22)和围绕所述喷嘴(22)的外壳(16)，所述静态密封装置径向地布置在所述喷嘴(22)的径向外端和所述外壳(16)之间，并且包括由所述喷嘴(22)承载的环形密封件(44)和限定多个径向环形壁(68)的环形结构(60)，多个径向环形壁彼此轴向间隔开，所述径向环形壁(68)中的至少一个第一壁与所述环形密封件(44)径向向内环形接触，并且其纵向尺寸小于密封件(44)的纵向尺寸。

Description

涡轮的密封

技术领域

本发明涉及在涡轮机(例如，飞机涡轮喷气或涡轮螺旋桨发动机)中的涡轮级中提供密封功能的装置的一般领域。

背景技术

经典地，如图1中所示，涡轮10包括多个级12，每个级由在外部由外壳16支撑的固定叶片14的环形排和活动叶片18的环形排形成。径向外环形平台20安装在固定叶片14的径向外端处。固定叶片14的每个环形排形成喷嘴22。活动叶片18包括带有摩擦条26的径向外环形平台24，所述摩擦条旨在与可磨耗材料的环28协作。术语“径向向内”或“径向向外”应关于相对于叶轮18的旋转轴线的径向方向理解，所述径向轴线是涡轮10的转子的旋转轴线。

在运行期间，必须限制热空气从流动路径中泄漏，即，热空气在上游叶片式涡轮US的外环形平台的下游端和布置在DS下游的喷嘴的平台的上游端之间的环形间隙处径向向外流动。这种热空气泄漏降低了涡轮机的性能，并且通常还会导致壳体和所有周围部分的加热。

第一种技术解决方案是在涡轮外壳和喷嘴的径向外平台之间放置密封件。密封件的集成允许限制热空气从流动路径中流出。然而，密封件的集成会在喷嘴和涡轮的外壳之间引起导热量问题。该热量问题是由于难以在三个分开(即喷嘴、密封件和涡轮外壳)之间实现完美的接触而造成的。所述三个部分之间的这种最佳接触限制了热空气泄漏，但是却意味着喷嘴和外壳之间存在明显的热传导，这会机械地削弱外壳。

因此，如图1中所示，已经提出了解决上述技术问题的技术。

喷嘴22的径向外平台20具有上游端，所述上游端在具有活动叶片的叶轮18的径向外平台24的方向上大致纵向地延伸。径向外平台20的下游端包括径向向外延伸的径向凸缘30。

径向外平台20还在其径向外侧上包括肩部32。

另外的环形部分34在肩部32处附接到径向外平台20。因此，另外的环形部分34具有基部36。基部36的径向内表面与平台20的径向外面径向接触，并且基部36的纵向下游表面与径向外平台20的肩部32纵向接触。第一和第二环形壁38、40从另外的环形部分34的基部36的径向外端延伸。

第一环形壁38从基部36的径向外上游端延伸，而第二环形壁40从基部36的径向外下游端延伸。第一和第二环形壁38、40分别包括第一部分38a、40a和第二部分38b、40b。

第一环形壁38包括第一部分38a和第二部分38b，所述第一部分延伸有径向向外组件和纵向上游组件，而第二部分仅延伸有纵向上游组件。

第二环形壁40包括第一部分40a和第二部分40b，所述第一部分延伸有径向向外组件和纵向下游组件，而第二部分仅延伸有纵向下游组件。

第二环形壁40的下游端在纵向上靠近，但不接触或邻接喷嘴22的径向外平台20的径向凸缘30。

外壳16具有与喷嘴22相对的径向向内开口的环形凹槽42，即附接到喷嘴22的另外的环形部分34。环形密封件44定位在环形凹槽42中。密封件44具有与界定上游的环形凹槽42的上游径向壁接触的上游端。环形密封件44还具有与界定下游的环形凹槽42的下游壁接触的下游端。

外壳16的环形凹槽42还具有底部。然而，密封件44与环形凹槽42的底部没有径向接触。

密封件44的插入环形凹槽42中的一部分从界定环形凹槽42的上游壁和下游壁的径向内端沿径向向内突出。密封部分44的从环形凹槽42凸出的径向内端沿径向邻接另外的环形部分34的第二环形壁40的第二环形壁部分40b的径向外表面，以形成环形表面接触。

在运行期间，一部分热空气从上游叶片式涡轮18的径向外平台24的下游端和布置在叶片式涡轮18的下游的喷嘴22的径向外平台的上游端之间的流中流出。本热空气从流动路径中的排出受到由另外的环形部分34的第一环形壁38形成的挡板46的存在的限制。本挡板46允许将旨在被引导到另外的环形部分34的第一环形壁38的下游的部分空气转移到非流动路径部分中。

此外，仍然从另外的环形部分34的第一环形壁38的下游的流动路径中流出的空气借助于径向布置在外壳16和另外的环形部分34的第二环形壁40之间的密封件44来阻挡。

最后，另外的环形部分34的使用限制了从喷嘴22到涡轮10的外壳16的导热，使得外壳16的温度是可接受的。

然而，如果热传导的增益显著，则证明它是有限制的，并且需要使用质量不可忽略的另外的环形部分34。这种另外的质量增加了涡轮机的消耗。

另外，本另外的环件34的形状复杂且生产昂贵。此外，本环形部分34的集成不能确保环形密封件44和所述环形部分34的第二环形壁40之间的良好接触表面。

最后，本另外的环部分34需要昂贵的组装解决方案(焊接、钎焊、使用销钉……)。

本发明的目的在于实现一种能够在克服上述问题的同时限制喷嘴22和涡轮的外壳16之间的热传导的密封装置并以较低的成本实现本目的。

发明内容

本发明涉及一种涡轮机的多级涡轮的组合件，所述组合件包括静态密封装置、包括径向外端的涡轮喷嘴和围绕所述喷嘴的外壳，所述静态密封装置径向地布置在所述喷嘴的径向外端和所述外壳之间，并且包括由所述喷嘴承载的环形密封件和限定多个径向环形壁的环形结构，多个径向环形壁彼此轴向间隔开，所述径向环形壁中的至少一个第一壁与所述环形密封件径向向内环形接触，并且其纵向尺寸小于密封件的纵向尺寸。

环形结构的径向环形壁中的至少一个在密封件和径向环形壁之间的接触区域处具有比密封件的纵向尺寸更小的纵向尺寸，从而减小了密封件和环形结构之间的接触区域。当本接触区域减小时，更容易经由环形密封件确保喷嘴和外壳之间的正确密封水平。

如果接触表面较大，则在环形密封件和外壳的环形结构之间可能会存在泄漏路径。这些泄漏可能是由环形密封件的接触面中的平坦性缺陷引起的。泄漏路径的存在改变了喷嘴和涡轮的外壳之间的密封，并减少了这些部分之间的导热。然而，在本发明中，接触区域的减小改善了控制并且限制了泄漏路径的可能性。因此，如果减小了密封件和环形结构的径向壁中的一个之间的接触区域，则密封得到改善。

所述环形密封件可以与所述环形结构的所述至少一个第一径向环形壁环形线性接触。

由于应减小环形密封件和径向环形壁的径向内端之间的接触区域，因此优选地，本接触是线性的。

所述环形结构可以具有中空形状，其被成型以包括至少两个径向环形壁，至少两个径向环形壁在纵向方向上的间隔小于密封件的纵向尺寸。

有利地，环形结构的两个相邻的径向环形壁在纵向方向上的间隔小于密封件的纵向尺寸，这一事实确保了环形密封件在整个圆周上与环形结构的径向环形壁中的至少一个接触。以这种方式，不管与密封件接触的径向环形壁的上游端和下游端之间的形状和纵向尺寸如何，密封件都环形地接触环形结构的径向环形壁的径向内端而不间断。

所述喷嘴可以包括径向环形部分，所述径向环形部分具有环形部件，所述环形部件径向向外开口并接收所述环形密封件。

密封件容纳在环形凹槽中，所述环形凹槽包括上游和下游环形侧面。在运行期间，涡轮中的空气流在密封件的上游表面上引起过压。然后，密封件在其下游表面被轴向压缩而抵靠环形凹槽的下游环形侧面。在这种轴向压缩状态下，密封件邻接环形凹槽的下游环形侧面。

在运行期间，压力的作用使密封件与凹槽的下游侧面保持接触。

与环形密封件接触的喷嘴的径向外端优选地具有径向向外开口的凹槽，更精确地具有与环形结构相对的凹槽，以接收密封件。本凹槽防止密封件在纵向方向上移动。以这种方式，确保了密封件和至少一个径向环形壁的径向内端之间的环形接触。

在一个实施例中，所述喷嘴包括径向环形部分，所述凹槽形成在所述径向环形部分的厚度中。

所述环形密封件可以包括至少两个环，特别是在纵向上彼此邻接地布置的两个环。

优选地，环是破裂的。这些开口环中的狭槽的大小被设计成在涡轮运行时在环的开口部分处形成尽可能小的泄漏。开槽环具有径向向内弹性压缩或径向向外弹性膨胀，这取决于期望的圆柱跨度。如果使用包括两个开口环的密封件，则将环以一定角度安装，使得狭槽彼此间隔开，以避免可能会使热空气逸出的狭槽的部分重叠。优选地，所述狭槽在直径上彼此相对定位。

优选地，每一个环可以与所述环形结构的至少一个径向环形壁环形接触。

密封件具有在纵向上邻接地布置的至少两个结构上独立的环，这一事实允许每一个环分别与至少一个径向环形壁的至少一个径向内端接触。

所述环形结构可以具有多个径向向内开口的腔，腔至少部分地由所述环形结构的径向环形壁形成。

通过增加间隔表面的数量，从环形结构径向向内开口的腔的存在允许进一步限制从喷嘴到涡轮的外壳的热传递。

涡轮的静态部分具有相对于彼此的轴向和径向移动。因此，密封件可以轴向移动，同时确保与环形结构的径向环形壁中的至少一个径向接触。具有形成腔的径向环形壁的环形结构比常规装置更耐磨，并且密封件将与相对的径向环形壁完美配合。

每一个腔的形状可以是六边形。

在第一实施例中，密封件的纵向尺寸大于或等于腔的纵向尺寸的一半。

在第一构造方法中，密封件的纵向尺寸大于或等于腔室的纵向尺寸的一半。

在密封件的纵向尺寸大于或等于半个腔室的尺寸，并且更特别地小于腔的尺寸的情况下，接收密封件的凹槽以及环形结构的径向环形壁的精确定位使得可以确保环形密封件和径向环形壁中的一个的径向内端之间的环形接触而不间断。

在第二实施例中，密封件的纵向尺寸大于或等于腔的纵向尺寸。

在这种情况下，不需要接收密封件的凹槽以及环形结构的径向环形壁的精确定位来确保密封件与部分地限定多个腔的径向环形壁中的至少一个的环形接触。

有利地，如果环密封件的纵向尺寸大于或等于腔的纵向尺寸，则限定腔室的壁的整个下端与密封件环形接触。

在第三实施例中，密封件的每一个环的纵向尺寸大于或等于腔的纵向尺寸的一半。需要接收密封件的凹槽以及环形结构的径向环形壁的精确定位，使得密封件的两个环中的至少一个和径向环形壁中的至少一个环形接触。

在第四实施例中，密封件的每一个环的纵向尺寸大于或等于腔的纵向尺寸。在这种情况下，不一定需要接收密封件的凹槽以及环形结构的径向环形壁的精确定位来确保密封件与部分地限定多个腔的径向环形壁中的至少一个的环形接触。

优选地，所述环形结构可以由周向首尾相接布置的多个结构上独立的分区形成。

环形结构的分区化允许在外壳的凹槽中简单容易地安装，从而径向向内开口。

优选地，环形密封件或环和径向环形壁中的一个的径向内端之间的环形接触是线性的。

当参考附图阅读作为一个非限制性实例给出的以下描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将出现。

附图说明

图1示出了根据现有技术的涡轮机涡轮的局部剖视图；

图2示出了根据本发明的涡轮机涡轮的剖视图；

图3A是密封件和环形结构之间的接触区域的剖视图；

图3B是旨在钎焊在一起的两个径向环形壁的剖视图。

图4A是密封件和环形结构之间的接触区域的剖视图；

图4B是在形成密封件的环和环形结构之间的接触区域处的剖视图。

具体实施方式

先前已经描述了图1，其示出了布置在涡轮机涡轮10内部的根据现有技术的密封装置。

图2示出了包括根据本发明的密封装置的涡轮。

喷嘴22在其径向外端处具有径向外平台20。环形突出部50从径向外平台20径向向外延伸。环形突出部50具有连接区域52，径向上游和下游环形壁54、56从连接区域彼此平行地径向向外延伸。

上游和下游径向环形壁54、56和突出部50的连接区域52形成环形凹槽58。上游和下游径向环形壁54、56限定环形凹槽的侧面，同时连接区域50限定凹槽58的底部。环形凹槽58接收环形密封件44。环形密封件44布置在凹槽中，使得其一部分从限定凹槽58的上游和下游径向环形壁54、56的径向外端径向突出。

环形密封件44具有邻接凹槽58的上游径向环形壁54的上游纵向表面和邻接凹槽58的下游径向环形壁56的下游纵向表面。

密封件44的这些纵向止动件允许将环形密封件44保持在适当位置，而不必与凹槽58的底部径向邻接。

突出的环形密封件44的径向外端径向邻接附接到涡轮10的外壳16的环形结构60的径向内表面。

外壳16具有环形凹槽62，环形凹槽具有底部64和两个径向开口的侧面。凹槽62与喷嘴22的凹槽58相对地径向向内开口。外壳16的凹槽62接收环形结构60，环形结构借助于环形圆柱体66附接到凹槽62的底壁64。

环形结构60与形成在外壳16上的凹槽62的底壁64的附接可以通过钎焊来执行。

因此，环形结构60具有环形圆柱壁66，多个径向环形壁68从环形圆柱壁延伸。环形结构60的径向环形壁68在纵向上彼此间隔开。

在另一个实施例中，环形结构60的径向环形壁68可以通过激光熔合直接形成在凹槽62的底壁64上。

密封件44的径向外端与环形结构60的径向环形壁68中的至少一个的径向内端径向邻接。密封件44和环形结构60的径向环形壁68之间的接触为环形且连续的。

在图3A、4A和4B中示出的一个实施例中，径向环形壁68具有公共壁部分70。公共壁部分70在周向上彼此间隔开。

具有公共部分58的径向环形壁68形成腔72。因此，环形结构60具有由多个径向环形壁68形成的蜂窝结构74。

多个腔72具有六边形结构。

在一个不同的设计中，72个腔的形状可以是三角形、正方形、矩形或八边形。

图3B示出了通过冲压金属板获得的环形结构60的两个纵向相邻的径向环形壁68a、68b。这些纵向相邻的径向环形壁68a、68b具有旨在在公共部分70处焊接或钎焊在一起的壁部分。

在一个替代实施例中，环形结构60的径向环形壁68通过增材制造获得。

如图3A中所示，环形密封件44被布置成与径向环形壁68的径向内端环形接触。环形密封件44的纵向尺寸应足以在与其接触的径向环形壁68的上游和下游端径向接触。

在一个替代实施例中，两个纵向相邻的径向环形壁68a、68b之间的纵向方向上的间隔小于环形密封件44的纵向尺寸。以这种方式，环形密封件44与两个纵向相邻的壁68a、68b的径向内端环形接触。

如果环形结构60具有蜂窝结构74，则环接头44的纵向尺寸应至少是腔72的纵向尺寸的一半。以这种方式，通过环形结构60的径向环形壁68以及接收环形密封件44的凹槽58的精确定位，确保了密封件与径向环形壁68中的至少一个的环形接触。

如果环形密封件44的纵向尺寸大于凹部72的纵向尺寸，则不需要环形结构60的径向环形壁68以及接收环形密封件44的凹槽58的精确定位来确保环形密封件和环形结构60的径向环形壁68的径向内端中的至少一个之间的环形接触。

特别地，如图4A中所示，如果环形密封件44的纵向尺寸大于腔72的纵向尺寸，则环形密封件44可以与两个相邻的径向环形壁68a、68b的径向内端环形径向接触。

在图2和图4B中示出的一个实施例中，环形密封件44具有两个彼此纵向邻接的环76a、76b。这些环优选地是开口的。第一环76a具有与喷嘴22的环形凹槽58的上游环形壁54纵向邻接的上游端和与第二环76b的上游端纵向邻接的下游端。第二环76b的下游端与喷嘴22的凹槽58的下游径向环形壁56纵向邻接。

在环形密封件44具有在纵向上邻接布置的两个环76a、76b的情况下，有利的是，它们中的每一个都与环形结构60的径向环形壁68中的一个环形径向接触。

如图4B种所示，与形成环形密封件44的环76a、76b接触的径向环形壁68a、68c不一定在纵向上相邻。

如上所述，环76a、76b的纵向尺寸可以大于两个纵向相邻的径向环形壁68a、68b之间的纵向间隔。

特别地，环76a、76b的纵向尺寸可以大于或等于腔72的纵向尺寸的一半或腔72的纵向尺寸。

优选地，环形密封件44或每个环76a、76b与环形结构60的径向环形壁68的径向内端环形接触。

有利地，环形密封件44或形成环形密封件44的一部分的环76a、76b中的一个和径向环形壁68之间的接触是线性的，从而允许减小它们之间的接触区域。

接触表面的减小使得更容易检查环形密封件44的接触表面并限制泄漏路径的存在。因此，确保了喷嘴22和涡轮10的外壳16之间的密封。

另外，接触表面的减小有效地减小了喷嘴22和外壳16之间的导热。

最后，环形密封件44和环形结构60的径向环形壁68中的至少一个之间的接触不存在间断，从而防止了涡轮10的性能的下降，并且减小了外壳16和周围部分的加热。

环形结构60优选地由周向邻接布置的多个结构上独立的分区构成。环形结构60的这种分区化允许其被布置在外壳16的环形凹槽62中并且被固定到外壳16。

Claims (12)

1.涡轮机的多级涡轮(10)的组合件，所述组合件包括静态密封装置、包括径向外端的喷嘴(22)和围绕所述喷嘴(22)的外壳(16)，所述静态密封装置径向地布置在所述喷嘴(22)的径向外端和所述外壳(16)之间，并且包括由所述喷嘴(22)承载的环形密封件(44)和限定多个径向环形壁(68)的环形结构(60)，多个径向环形壁彼此轴向间隔开，所述径向环形壁(68)中的至少一个第一壁与所述环形密封件(44)径向向内环形接触，并且其纵向尺寸小于密封件(44)的纵向尺寸。

2.根据权利要求1所述的组合件，其特征在于，所述环形密封件(44)与所述环形结构(60)的径向环形壁(68)中的至少一个第一壁环形线性接触。

3.根据权利要求1或2所述的组合件，其特征在于，所述环形结构(60)具有中空形状，其被成型以包括至少两个径向环形壁(68)，径向环形壁在纵向方向上的间隔小于密封件(44)的纵向尺寸。

4.根据权利要求1所述的组合件，其特征在于，所述喷嘴(22)包括径向环形部分，所述径向环形部分具有环形凹槽(58)，所述环形凹槽径向向外开口并接收所述环形密封件(44)。

5.根据权利要求1所述的组合件，其特征在于，所述环形密封件(44)包括至少两个环(76a，76b)，其在纵向上彼此邻接地布置。

6.根据权利要求5所述的组合件，其特征在于，所述环形密封件包括两个环(76a，76b)。

7.根据权利要求5或6所述的组合件，其特征在于，每一个环(76a，76b)与所述环形结构(60)的至少一个径向环形壁(68)环形线性接触。

8.根据权利要求1所述的组合件，其特征在于，所述环形结构(60)具有多个径向向内开口的腔(72)，腔至少部分地由所述环形结构(60)的径向环形壁(68)形成。

9.根据权利要求8所述的组合件，其特征在于，每一个腔(72)具有六边形形状。

10.根据权利要求8或9所述的组合件，其特征在于，密封件(44)的纵向尺寸大于或等于腔(72)的纵向尺寸的一半。

11.根据权利要求8或9所述的组合件，其特征在于，密封件(44)的纵向尺寸大于或等于腔(72)的纵向尺寸。

12.根据权利要求1所述的组合件，其特征在于，所述环形结构(60)由周向首尾相接布置的多个结构上独立的分区形成。

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