CN113167126B - 非接触密封组件中的副密封 - Google Patents

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Abstract

一种密封组件（10），其用于密封在第一机械构件（38）和第二机械构件（40）之间的周向空隙（11），该第二机械构件可相对于第一机械构件5（38）绕纵向轴线（42）旋转。密封组件（10）包括密封承载件（36）、主密封（26）、中板（22）、至少一个副密封（14）以及前板（12）。该至少一个副密封（14）与前板（12）和中板（22）对接。在中板（22）和前板（12）与10至少一个副密封（14）的界面（80）处引入一种更坚硬的材料，其由比在界面（80）处的其他构件更耐磨损的材料制成，以将其他构件设置为更经常地更换的磨损构件。

Description

非接触密封组件中的副密封
技术领域
本发明涉及用于密封在两个机械构件之间的周向空隙的密封，该两个机械构件可相对于彼此相对地旋转，并且更特别地，本发明涉及一种具有至少一个底靴（shoe）的密封，该至少一个底靴沿处于某位置中的机械构件中的一个延伸，以与其产生非接触密封。
背景技术
用于重要应用中的涡轮机械（诸如燃气涡轮发动机）现在依赖于迷宫密封、刷式密封或碳密封。迷宫密封提供充足的密封，但是它们极其依赖于在发动机操作的所有点处维持径向公差。径向间隙必须考虑诸如热膨胀、轴移动、公差叠加、摩擦公差等因素。为了实现最大的迷宫密封效率，有必要最大限度地减小密封间隙。如果不能维持间隙，那么除了增加泄露，还可能增加发动机的振动。在导致延滞效应（carryover effect）的大间隙的情况下，直通型迷宫密封（straight-thru labyrinth）对于间隙的改变最为敏感。阶梯型迷宫密封非常依赖于轴向间隙以及径向间隙，这限制了在每个挡圈（land）上可能的齿的数量。预开凹槽的迷宫密封依赖于轴向和径向间隙两者，并且必须具有小于径向间隙的两倍的轴向间隙以提供比阶梯型密封更好的泄露性能。
涡轮机械（诸如燃气涡轮发动机）变得越来越大、越来越高效，并且越来越稳健。特别是在发动机系统的热区段中，大的叶片（blade）和导叶（vane）得到利用。鉴于现代发动机中所实现的高压力比和高发动机点火温度，诸如翼型的某些构件（例如固定导叶和旋转叶片）需要比现在存在的那些更有效的密封能力。
在现在的组件中，涡轮机械中的旋转构件和固定构件之间的间隙是低性能区域。在压缩机-导叶承载器、涡轮-护罩腔构造、中间轴等中存在气动损失的多个驱动，这减低了涡轮机械的效率。一个驱动是旋转构件上的流量。在间隙区域的下游产生的混合损失很高，并且促成阶段效率和功率中的降低。附加的混合损失在通过尖端腔的流量与主流量合并时产生，并且两个流具有不同的速度。尖端泄漏实质上是所失去的用于功提取（workextraction）的机会。尖端泄漏也促成气动的次要损失。
发明内容
在本发明的方面中，用于密封第一机械构件和第二机械构件（该第二机械构件可相对于第一机械构件绕纵向轴线在轴向方向上旋转）之间的周向空隙的密封组件，包括：密封承载件，其将密封组件的所有构件沿外环保持在一起；主密封，其包括：至少一个底靴，其沿第一和第二机械构件中的一个延伸，产生与其的非接触密封，该底靴被形成为带有槽；至少一个弹簧元件，其适于连接到第一和第二机械构件中的一个，并且从而连接到至少一个底靴，通过流体流来协助产生在第一和第二机械构件之间的周向空隙的主密封，该至少一个弹簧元件有效地用以响应于施加到该至少一个底靴的流体压力与该至少一个底靴偏转和移动；中板，其包括凹槽，该凹槽延伸到形成在至少一个底靴中的槽中；至少一个副密封，其包括至少一个密封元件，该至少一个密封元件与中板的凹槽平齐，并且延伸到形成在该至少一个底靴中的槽中，从而在轴向方向上密封该至少一个弹簧元件；以及前板，其邻近于该副密封的至少一个密封元件，并且延伸到形成在至少一个底靴中的槽中；其中，界面在该至少一个副密封与前板和中板对接处产生，在该界面处引入由比在界面处的其他构件更耐磨损的材料制成的更坚硬的材料。
参考下列附图、描述和权利要求书，本发明的这些和其他特征、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为本发明的示例性实施例的密封组件的分解视图；
图2为本发明的示例性实施例的经组装的密封组件的端部视图；
图3为密封组件的示例性实施例的部分的立面视图；
图4为本发明的示例性实施例的部分的立面视图；
图5是本发明的示例性实施例的部分的立面视图；
图6为本发明的示例性实施例的部分的立面视图；
图7为本发明的示例性实施例的部分的立面视图；
图8为本发明的示例性实施例的经组装的密封组件的立面视图。
具体实施方式
在优选实施例的下列详细描述中，参考了形成其部分的附图，并且在附图中通过说明而非限制的方式示出了可用来实施本发明的特定实施例。应当理解的是，可利用其它实施例，并且可做出改变而不脱离本发明的精神和范围。
广义地，本发明的实施例提供了密封组件，以用于密封在第一机械构件和第二机械构件（该第二机械构件可相对于第一机械构件绕纵向轴线旋转）之间的周向空隙。密封组件包括密封承载件、主密封、中板、至少一个副密封以及前板。该至少一个副密封与前板和中板对接。在中板和前板与至少一个副密封的界面处引入更坚硬的材料，该更坚硬的材料由比在界面处的其他构件更耐磨损的材料制成，以将其他构件设置为更经常地更换的磨损构件。
涡轮机械典型地包括压缩机区段、燃烧器和涡轮区段。压缩机区段吸入外界空气并且将其压缩。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。压缩空气与燃料在燃烧器中混合，并且空气-燃料混合物在燃烧器中燃烧以形成热工作气体。该热工作气体被发送到涡轮区段，在该处热工作气体膨胀通过交替列的固定翼型和旋转翼型，并且用来产生能够驱动转子的功率。膨胀气体离开涡轮区段，然后经由排气区段从发动机排出。
压缩机和涡轮区段可包括多个位置，在该多个位置处可存在旋转构件和固定构件之间的空隙或间隙。在发动机操作期间，可能通过流体泄露（其通过压缩机和涡轮区段中的间隙）产生系统损失。该系统损失使系统的操作效率降低。流量泄露的示例是跨过旋转叶片的尖端和周围的固定结构或边界（诸如外护罩或导叶承载器）之间的间隙。
对于防止跨过燃气涡轮发动机内的区域的泄露，密封是必要的。在减少磨损的情况下密封第一机械构件和第二机械构件之间的周向空隙的非接触密封是所期望的。
图1示出了密封组件10实施例的分解视图，诸如燃气涡轮的涡轮机械中可包括其。图2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、至少一个副密封14、中板22、主密封26以及密封承载件36。在图2中示出的经组装的密封组件10在两个构件（第一机械构件38和第二机械构件40，诸如固定定子72和旋转转子48）之间产生周向空隙11的非接触密封。
每个密封组件10包括至少一个、并且在一些情况下包括多个周向地间隔开的底靴28，作为主密封26的部分，该底靴沿转子48的外表面以非接触位置定位。每个底靴28具有密封表面70和槽30，该槽径向地向内朝向密封表面70延伸，如可在图2和图7中所看见的那样。至少一个底靴28相对机械构件中的一个被形成为带有两个或更多个凸出部78（或鳍片），并且为主密封26的底部部分，如可在图2和图7中所看见的那样。出于本论述的目的，术语“轴向”或“轴向地间隔开”指沿定子72和转子48的纵向轴线42的方向，然而“径向”指垂直于纵向轴线42方向。密封组件10可沿周向方向C相对于涡轮纵向轴线42延伸。
在某些操作条件下，特别是在较高的压力下，可期望的是限制底靴28相对于转子48的径向移动的程度以维持间隙，例如底靴28与转子48的面向表面之间的间隔。主密封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7中所更好地看见那样。每个弹簧元件34被形成为带有内带52和外带54，该外带径向地向外与内带52间隔开。带52和54中的每个的一端被安装到定子72，或与定子72一体地形成，并且其相对端连接到第一止动件32。第一止动件32包括：腿部56，该腿部连接到底靴28或与底靴28一体地形成；以及相对于底靴28的臂部58，该臂部可被接纳在形成于定子72中的凹部内。该凹部具有肩部74，其被定位成与第一止动件32的臂部58对齐。
第二止动件60连接到底靴28，或与底靴28其一体地形成。在邻近内带和外带52和54连接到定子72的点的位置中，第二止动件60与第一止动件32周向地间隔开。第二止动件60被形成为带有腿部62和臂部64。臂部64可被接纳在定子72中的凹部内。该凹部具有肩部74，该肩部定位成与第二止动件60的臂部64对齐。
在某些情况下，在密封组件实施例被用在诸如燃气涡轮发动机的应用中时，气动力得到发展，该气动力能够将流体压力施加到底靴28，导致该底靴朝向转子48径向地向内移动。弹簧元件34与底靴28偏转和移动，例如以在转子48和定子72之间产生周向空隙11的主密封。第一和第二止动件32和60可限制底靴28相对于转子48在径向方向R上径向地向内和向外移动的程度。在第一止动件32的臂部58和肩部之间以及在第二止动件60的臂部64和肩部之间提供空隙，使得底靴28可相对于转子48径向地向内移动。以上所提及的向内移动受到臂部与肩部的接合限制，以防止底靴28接触转子48，或超过对于两者之间的空隙的设计公差。如果底靴28相对于转子48径向地向外移动，臂部还可接触定子72，以在该方向上限制底靴28的移动。
实施例包括至少一个副密封14，该副密封包括至少一个密封元件16或板。至少一个弹簧部件18可从该板沿外环表面20径向地向外定位，如在图4中所示出的那样。在某些实施例中，该至少一个密封元件16包括两个密封元件16，其肩并肩地定向，并且定位成使得该板节段延伸到至少一个底靴28的槽30中。响应于施加到该至少一个底靴28的流体压力，至少一个密封元件16有助于以协助产生第一和第二机械构件38和40之间的周向空隙11的副密封14的方式与至少一个底靴28径向地偏转和移动。在某些实施例中，该至少一个副密封14包括可为相同的并且在组件处相反的后副密封和前副密封。
图6示出了中板22。中板22包括沿中板22的面的至少一个凹槽24，其延伸到形成在至少一个底靴28中的槽30中，并且该中板定位在至少一个副密封14和主密封26的至少一个底靴28之间。至少一个副密封14的密封元件16安装到中板22的凹槽24中。
图3示出了前板12。前板12可用来在轴向方向A上覆盖密封组件10的构件。密封组件10可包括使至少一个副密封夹在前板12和中板22之间。主密封26可支撑副密封14的内径，并且中板22可支撑副密封14的外径。在操作期间，副密封14的弹簧部件18可反作用于中板22。
图8示出了密封承载件36。密封承载件36沿密封承载件36的径向外环50的径向向外的位置将密封组件10的所有构件保持在一起。在某些实施例中，可存在沿主密封26、中板22和前板12的径向向外表面的切口66。在这些实施例中，密封承载件36具有突出边缘68，该突出边缘径向地向内延伸，与其他构件的切口66对齐，以帮助构件在相关区域中对齐。
在被轴向地阻挡在前板12和中板22之间时，因为不存在周向止动件，所以至少一个副密封14会移动。附加地，至少一个副密封14被径向地阻挡在主密封26和密封承载器36之间。至少一个副密封14的移动导致磨损，在该处压力加载副密封14。对于某些实施例，由于副密封14的压力负载，将在中板22上发生磨损。在大的燃气涡轮以及类似的发动机和发电机中，磨损是普遍的问题，并且已知磨损减少部分寿命。
传统上，已经在小的涡轮机械中使用了非接触密封。在系统的尺寸增加的同时，构件的磨损机会增加。在过去，这些密封由在构件之间一致的材料制成，诸如碳钢或不锈钢。界面80在密封组件10内产生，在该处至少一个副密封14对接或接触前板12和中板22。改变前板12和中板22以及该至少一个副密封14的界面80处的材料，可减少在构件中的至少一个上的磨损。在某些实施例中，前板12和中板22的材料被改变成比至少一个副密封14更坚硬的材料以减少在前板12和中板22上的磨损。副密封14可变成磨损构件，其可被替换以便节省密封组件10的其他构件，以便重新使用。在另一个实施例中，副密封14由比前板12和中板22更坚硬的材料制成的。在该实施例中，前板12和中板22是将在维护期间必须被比密封组件10的构件的其余部分更经常地替换的构件。该更坚硬材料可来自于比碳钢或不锈钢更耐磨损的材料，诸如钴合金、镍合金等。除了替换整个构件的材料，该更坚硬的材料可为能够施加到特定构件的涂层，诸如Tribaloy™ T400、T800等。
虽然已经以细节的方式描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将理解的是，可根据本公开的全部教导发展对于那些细节的多种改型和替代方案。因此，所公开的特定布置意在仅为说明性的，而不限制本发明的范围，本发明将被赋予所附权利要求书及其任何和全部等同物的全部广度。

Claims (7)

1.一种密封组件(10)，所述密封组件用于密封在第一机械构件(38)和第二机械构件(40)之间的周向空隙(11)，所述第二机械构件可相对于所述第一机械构件(38)绕纵向轴线(42)在轴向方向(A)上旋转，所述密封组件包括:
密封承载件(36)，所述密封承载件将所述密封组件(10)的所有构件沿外环(50)保持在一起；
主密封(26)包括：
至少一个底靴(28)，所述至少一个底靴沿第一和第二机械构件(38,40)中的一个延伸，从而与第一和第二机械构件(38,40)中的所述一个产生非接触密封，底靴(28)被形成为带有槽(30)；
至少一个弹簧元件(34)，所述至少一个弹簧元件适于连接到所述第一和第二机械构件(38,40)中的所述一个，并且从而连接到所述至少一个底靴(28)，响应于由流体流施加到所述至少一个底靴(28)的流体压力，所述至少一个弹簧元件(34)有效地用以与所述至少一个底靴(28)偏转和移动，以协助产生在所述第一和第二机械构件(38,40)之间的周向空隙(11)的主密封；
中板(22)，所述中板包括凹槽(24)，所述凹槽延伸到形成在所述至少一个底靴(28)中的槽(30)中；
至少一个副密封(14)，所述至少一个副密封包括至少一个密封元件(16)，所述至少一个密封元件(16)与所述中板(22)的凹槽(24)平齐，并且延伸到形成在所述至少一个底靴(28)中的槽(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)，所述前板邻近于所述副密封(14)的至少一个密封元件(16)，并且延伸到形成在所述至少一个底靴(28)中的槽(30)中；
其中，界面(80)在所述至少一个副密封(14)与所述前板(12)和所述中板(22)对接处产生，其中所述至少一个副密封(14)，或所述前板(12)和所述中板(22)，由比所述界面(80)处的其他对接构件更坚硬、更耐磨损的材料制成。
2.根据权利要求1所述的密封组件(10)，其特征在于，所述至少一个副密封(14)由比所述前板(12)和所述中板(22)更坚硬、更耐磨损的材料制成。
3.根据权利要求1所述的密封组件(10)，其特征在于，所述前板(12)和所述中板(22)由比所述至少一个副密封(14)更坚硬、更耐磨损的材料制成。
4.根据权利要求1所述的密封组件(10)，其特征在于，所述至少一个副密封(14)被制成带有涂层，所述涂层为这样的材料，该材料为比所述前板(12)和所述中板(22)更坚硬、更耐磨损的材料。
5.根据权利要求1所述的密封组件(10)，其特征在于，所述前板(12)和所述中板(22)被制成带有涂层，所述涂层为这样的材料，该材料为比所述至少一个副密封(14)更坚硬、更耐磨损的材料。
6.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的密封组件(10)，其特征在于，所述更坚硬、更耐磨损的材料为镍合金。
7.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的密封组件(10)，其特征在于，所述更坚硬、更耐磨损的材料为钴合金。
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