CN115574097A - 一种静叶与支撑环间的密封组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种静叶与支撑环间的密封组件，静叶(1)和支撑环(2)限定出气流通道，气流通道存在因静叶(1)和支撑环(2)配合形成的装配间隙，密封组件用于密封装配间隙，密封组件包括：第一嵌套(3)，第一嵌套(3)固定在静叶(1)的叶根上；第二嵌套(5)，第二嵌套(5)固定在支撑环(2)上；密封本体(4)，密封本体(4)安装在第一嵌套(3)和第二嵌套(5)之间，密封本体(4)径向可压缩变形以自密封静叶(1)和支撑环(2)的装配间隙。密封组件采用径向压装的安装方式，不需采用额外的辅助安装材料，降低了安装难度。

Description

一种静叶与支撑环间的密封组件

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机，具体而言，涉及一种静叶与支撑环间的径向滑动自密封组件。

背景技术

重型燃气轮机的高温部件之所以能在上千度的温度下工作，是因为采用了对工作部件的空气冷却。为了满足空气足量的送到被冷却部件，需要为冷却通道提供密封效果良好的密封组件。

现有技术中，密封组件随着重型燃气轮机的运行，封组件的滑动产生磨损，导致泄漏量会越来越大。甚至密封组件会损坏而产生热通道异物，损毁叶片，影响机组的安全可靠性。现有技术方案采用了密封组件的轴向安装，径向存在安装工艺要求极高，要求采用辅助固定剂，如不采用固定剂的安装，部件在插装过程中会使密封组件的损坏，降低密封的组件的密封性能。

现有技术中，专利CN107131009B提供了一种改善叶轮机械内部转动-静止部件之间轴向间隙的自锁封严结构，旋转盘与支撑环之间设置封严环，封严环外设置蜂窝环，封严环设有一开口朝向旋转盘的回转凹腔，来自空气系统中的一路冷却封严气经叶片与旋转盘间的啮合齿间隙，进入封严环的回转凹腔内，另一路封严气在旋转盘的内凹圆弧结构的导流下，切向进入回转凹腔中，两路冷却封严气在回转凹腔中汇合之后，从蜂窝环与旋转盘之间的轴向间隙进入主流通道。旋转盘的装配啮合齿槽的低半径处设内凹圆弧结构，圆弧结构顶部端点的切向延长线交于封严环的回转凹腔内。该专利从一定程度上改善了轴向间隙的密封效果，但该专利提供的密封结构在支撑环和旋转盘受热膨胀过程中，并不能根据热膨胀或振动等自动调整，密封效果有效。

针对以上问题，本发明给出了一种解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种径向滑动自密封结构，密封结构的压缩率可以自适应调整，以解决现有技术中的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种静叶与支撑环间的密封组件，静叶和支撑环限定出气流通道，气流通道存在因静叶和支撑环配合形成的装配间隙，密封组件用于密封装配间隙，密封组件包括：第一嵌套，第一嵌套固定在静叶的叶根上；第二嵌套，第二嵌套固定在支撑环上；密封本体，密封本体安装在第一嵌套和第二嵌套之间，密封本体径向可压缩变形以自密封静叶和支撑环的装配间隙。本密封组件采用径向压装的安装方式，与传统的轴向密封方式不同，这种径向密封槽的密封组件结构不需采用额外的辅助安装材料，降低了安装难度。

进一步的，密封本体的径向压缩量可随静叶和支撑环的膨胀和/或位置的改变进行自适应调整。密封本体的自适应调整性能，保证了密封组件在工作状态的良好密封性。

进一步的，第二嵌套和第一嵌套在径向上相对设置，密封本体在第二嵌套与第一嵌套的作用下产生径向压缩量实现自密封。

进一步的，第二嵌套与第一嵌套彼此之间产生相对径向位移，相对位移的值为Δx，压缩量根据位移值自适应调整。

进一步的，第二嵌套和第一嵌套的相对位移由静叶和支撑环的热膨胀力产生。

进一步的，第二嵌套和第一嵌套的相对位移由静叶和支撑环的振动力产生。

进一步的，密封本体在初始安装时具有预压缩量，预压缩量可增大密封接触应力。

进一步的，密封本体设置在第二嵌套与第一嵌套之间，在第二嵌套与第一嵌套的作用下密封本体与第二嵌套和第一嵌套相对滑动并产生径向压缩量。

进一步的，第一嵌套包括第一安装槽，第二嵌套包括第二安装槽，第一安装槽和第二安装槽容纳密封本体。

进一步的，第一安装槽具有第一斜面、第二斜面，第一斜面和第二斜面形成第一夹角α；和/或第二安装槽具有第三斜面、第四斜面，第三斜面和第四斜面形成第二夹角β。本发明的自密封组件仅包括的零件较少，且密封本体通过与第一嵌套、第二嵌套的双斜面配合，实现静叶和支撑环装配间隙的密封。且在重型燃料轮机热膨胀作用下，密封本体跟双斜面自适应变形以实现良好的密封，对安装工艺要求较低。

进一步的，第一夹角α和第二夹角β的值与压缩率ε有关，其中密封本体的压缩量与密封本体初始体积比为压缩率ε。

进一步的，密封本体为球体，直径为D。

进一步的，第一夹角α＝sin^-1((2×D×ε)/Δx),和/或第二夹角β＝sin^-1((2×D×ε)/Δx)。

进一步的，第一夹角α等于第二夹角β。

进一步的，压缩率ε为5％-25％。

进一步的，密封本体为球形金属编织件。

进一步的，金属编织件包括金属编织绳。

进一步的，第一嵌套的横截面为T型，沿叶根的周向方向安装进叶根中；和/或第二嵌套的横截面为T型，沿支撑环的周向方向安装进支撑环中。

进一步的，第一嵌套包括长边端和短边端，第一安装槽设置在短边端，第一安装槽的第一斜面和第二斜面的形成的第一夹角α的开口方向朝向第一嵌套与第二嵌套的结合面；和/或第二嵌套包括长边端和短边端，第二安装槽设置在短边端，第二安装槽的第三斜面和第四斜面的形成的第二夹角β的开口方向朝向第一嵌套与第二嵌套的结合面。

应用本发明的技术方案，本发明的燃气轮机透平静叶与环形支撑环间的径向滑动自密封结构通过设计径向密封槽，增加双斜面嵌套结构，形成了自密封的斜面，实现了该处密封的零泄漏；本发明密封组件的结构特点可实现系列化设计，第一嵌套和第二嵌套可配合使用多种直径规格的密封组件；且本发明的密封槽为径向密封，不同于轴向密封，不需要安装固定压缩剂，减少了安装对密封绳的损伤。。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的一种环形透平静叶与支撑环的径向滑动自密封结构工作时的示意图；以及

图2示出了图1的C-C剖视图；

图3示出了图2的局部放大图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、静叶；2、支撑环；3、第一嵌套；4、密封本体；5、第二嵌套；6、第一安装槽；7、第二安装槽；α、第一夹角；β、第二夹角。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征；术语“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

重型燃气轮机的高温部件之所以能在上千度的温度下工作，是因为采用了对工作部件的空气冷却的措施。为了满足空气足量地送到被冷却部件，冷却构型的设计非常重要。而冷却通道的密封结构是保证冷却效果的关键。

如图1-图3所示，静叶1与支撑环2形成的冷却气流通道是静叶1和动叶之间冷却通道的一部分，冷却气流从A流向B。该气流通道途经静叶1和支撑环2，若静叶1和支撑环2的装配间隙不能很好地被密封，则会出现气流泄露的现象，冷却气流会从A流向C。为了保证良好的冷却效果，需避免冷却气流从A流向C，因此需要设计一种密封效果良好的密封组件，用于密封装配间隙。

本发明提供的密封组件为透平静叶1与环形支撑环2间的径向滑动自密封结构，能够密封静叶1和支撑环2间的装配间隙，该密封组件采用径向压装的插装方式，包括：固定在叶根上的第一嵌套3；固定在支撑环2上的第二嵌套5；安装在第一嵌套3和第二嵌套5之间的密封本体4，密封本体4用于密封第一嵌套3和第二嵌套5形成的设计间隙，以密封静叶1和支撑环2的装配间隙。密封本体4径向可压缩变形，以增加密封所需的密封接触应力，从而减小冷却空气的泄漏量、密封静叶1与支撑环2形成的冷却气流通道，以达到高温部件良好的冷却效果。本密封组件中，第一嵌套3安装在静叶1的叶根上，第二嵌套5安装在所述支撑环2上，第一嵌套3第二嵌套5及密封本体4形成径向压装的安装方式，与传统的轴向密封方式不同，这种径向密封槽的密封组件结构不需采用额外的辅助安装材料，降低了安装难度。上述自密封组件密封气流通道时，安装在第一嵌套3和第二嵌套5之间的密封本体4在初始安装时具有预压缩量，该预压缩量可提供密封接触应力，提高密封的可靠性。

密封本体4的压缩量在外力作用下可自适应调整，外力可为静叶1和支撑环2热膨胀力或振动力，即密封本体4的径向压缩量可随静叶1和支撑环2的温度差引起的膨胀差的改变进行自适应调整，或者密封本体4的径向压缩量可随静叶1和支撑环2的振动导致的位置的改进而自适应调整。在外力作用下，第二嵌套5相对于第一嵌套3的位移值为Δx，在第二嵌套5和第一嵌套3的相对位移的作用下，压缩量根据位移值Δx自适应调整。对于不同的重型燃气轮机，其位移值Δx不同，位移值Δx在1-3mm之间。密封本体的自适应调整性能，保证了密封组件在工作状态的良好密封性。

密封本体4设置在第二嵌套5与第一嵌套3之间，在第二嵌套5与第一嵌套3的作用下，密封本体4与第二嵌套5和第一嵌套3相对滑动并产生径向压缩量。

其中，密封本体4为球体，直径为D，可采用金属编织件，如金属编织绳。密封本体4的压缩量与密封本体4初始体积比为压缩率ε。压缩率ε是一个范围值。对于其范围值min％-max％，其中，最小值min为5-8，最大值max为15-25。其值的大小与密封本体4的直径D有关，直径D越大，压缩率ε的值越大。

如图3所示，第一嵌套3和第二嵌套5相对设置，密封本体4在第二嵌套5与第一嵌套3的作用下产生径向压缩量实现自密封。第二嵌套5与第一嵌套3彼此之间产生相对径向位移，相对位移的值为Δx，压缩量根据位移值自适应调整。其中，第二嵌套5第一嵌套3的相对位移由静叶1和支撑环2的热膨胀力产生，也可以由静叶1和支撑环2的振动力产生。

第一嵌套3和第二嵌套5分别包括第一安装槽6、第二安装槽7。第一安装槽6和第二安装槽7用于容纳密封本体4。第一安装槽6具有第一斜面、第二斜面，并形成第一夹角α；和/或第二安装槽7具有第三斜面、第四斜面，并形成第二夹角β。通过在静叶1与支撑环2上设置第一嵌套3和第二嵌套5，通过其上的第一安装槽6、第二安装槽7的双斜面嵌套结构，在安装密封组件时可预压缩密封本体4，提供密封接触应力。当重型燃气轮机在高温下工作时，燃气轮机静叶1与支撑环2产生相对膨胀差，从而第一嵌套3和第二嵌套5产生相对位移，进一步压缩密封本体4实现压缩本体压缩率ε的自适应调整。可以看出，本发明的自密封组件仅包括的零件较少，且密封本体4通过与第一嵌套3、第二嵌套5的双斜面配合，实现静叶1和支撑环2装配间隙的密封。且在重型燃料轮机热膨胀作用下，密封本体4跟双斜面自适应变形以实现良好的密封，对安装工艺要求较低。

第一嵌套3的横截面包括长边端和短边端，可以为T型或梯形，沿叶根的周向方向安装进叶根的安装槽中，叶根周向方向的安装槽也为T型或梯形。第二嵌套5的横截面为T型，可以为T型或梯形，包括长边端和短边端，沿支撑环2的周向方向安装进支撑环2中，周向方向的安装槽也为T型或梯形。

第一安装槽6设置在短边端，第一安装槽6的第一斜面和第二斜面的形成的第一夹角α的开口方向朝向第一嵌套3与第二嵌套5的结合面；和/或第二嵌套5包括长边端和短边端，第二安装槽7设置在短边端，第二安装槽7的第三斜面和第四斜面的形成的第二夹角β的开口方向朝向第一嵌套3与第二嵌套5的结合面。

为了适应在重型燃气轮机高温条件下工作，第一嵌套3和第二嵌套5采用高温合金材料，其双斜面的嵌套式结构也可以用3D打印的方式加工。

除了与密封本体4球体直径D有关，压缩率ε的大小还与第一夹角α、第二夹角β的值有关。在密封本体4球体直径D一定的情况下，第一夹角α、第二夹角β的值越大，压缩率越大。

反之，对于第一安装槽6的第一夹角α和第二安装槽7的第二夹角β的值，即第一安装槽6和第二安装槽7的双斜面的夹角由压缩本体的压缩率等决定，影响因素还包括密封本体4的球体直径D、第二嵌套5相对于第一嵌套3的位移值为Δx。通过总结归纳，第一夹角α的计算公式为：α＝sin^-1((2×D×ε)/Δx)。而第二夹角β的设计依据与第一夹角α一致，且第二夹角β可设计成与第一夹角α值相同。不仅是第一夹角α与第二夹角β的值可设计成一致，第一安装槽6与第二安装槽7的结构、第一嵌套3与第二嵌套5的结构也可以设计成一致。根据上述公式，本发明的径向滑动自密封结构的双斜面嵌套结构可以实现系列化设计，可根据密封本体4的球体直径D、所需的压缩率，选择不同的第一夹角α和第二夹角β。这种系列化设计方便了工程安装、应用，更利用产品的标准化，维修的便利化。

依据双斜面夹角与密封本体4压缩率的关系，可根据上述公式设计出系列化的双斜面内、第一嵌套3结构。可为不同的重型燃气轮机选择合适的双斜面角度，确保每一台机组的密封效果达到最优。在实际工程应用中，第一嵌套3和第二嵌套5可以更换，可根据密封性能等测试结果更换、选择更有效的双斜面内、第一嵌套3结构。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：本发明的燃气轮机透平静叶1与环形支撑环2间的径向滑动自密封结构通过设计径向密封槽，增加双斜面嵌套结构，形成了自密封的斜面，实现了该处密封的零泄漏；本发明密封组件的结构特点可实现系列化设计，第一嵌套3和第二嵌套5可配合使用多种直径规格的密封组件；且本发明的密封槽为径向密封，不同于轴向密封，不需要安装固定压缩剂，减少了安装对密封绳的损伤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种静叶与支撑环间的密封组件，所述静叶(1)和所述支撑环(2)限定出气流通道，所述气流通道存在因所述静叶(1)和所述支撑环(2)配合形成的装配间隙，所述密封组件用于密封所述装配间隙，其特征在于，所述密封组件包括：第一嵌套(3)，所述第一嵌套(3)固定在所述静叶(1)的叶根上；第二嵌套(5)，所述第二嵌套(5)固定在所述支撑环(2)上；密封本体(4)，所述密封本体(4)安装在所述第一嵌套(3)和所述第二嵌套(5)之间，所述密封本体(4)径向可压缩变形以自密封所述静叶(1)和所述支撑环(2)的所述装配间隙。

2.根据权利要求1所述的密封组件，其特征在于，所述密封本体(4)的径向压缩量可随所述静叶(1)和所述支撑环(2)的膨胀和/或位置的改变进行自适应调整。

3.根据权利要求2所述的密封组件，其特征在于，所述第二嵌套和所述第一嵌套在径向上相对设置，所述密封本体在所述第二嵌套(5)与所述第一嵌套(3)的作用下产生径向压缩量实现自密封。

4.根据权利要求3所述的密封组件，其特征在于，所述第二嵌套(5)与所述第一嵌套(3)彼此之间产生相对径向位移，所述相对位移的值为Δx，所述压缩量根据所述位移值自适应调整。

5.根据权利要求4所述的密封组件，其特征在于，所述第二嵌套和所述第一嵌套的相对位移由所述静叶(1)和所述支撑环(2)的热膨胀力产生。

6.根据权利要求5所述的密封组件，其特征在于，所述第二嵌套和所述第一嵌套的相对位移由所述静叶(1)和所述支撑环(2)的振动力产生。

7.根据权利要求6所述的密封组件，其特征在于，所述密封本体在初始安装时具有预压缩量，所述预压缩量可增大所述密封接触应力。

8.根据权利要求7所述的密封组件，其特征在于，所述密封本体设置在所述第二嵌套(5)与所述第一嵌套(3)之间，在所述第二嵌套(5)与所述第一嵌套(3)的作用下所述密封本体与所述第二嵌套和所述第一嵌套(3)相对滑动并产生径向压缩量。

9.根据权利要求2-8中任一项所述的密封组件，其特征在于，所述第一嵌套(3)包括第一安装槽(6)，所述第二嵌套(5)包括第二安装槽(7)，所述第一安装槽(6)和所述第二安装槽(7)容纳所述密封本体(4)。

10.根据权利要求9所述的密封组件，其特征在于，所述第一安装槽(6)具有第一斜面、第二斜面，所述第一斜面和所述第二斜面形成第一夹角α；和/或所述第二安装槽(7)具有第三斜面、第四斜面，所述第三斜面和所述第四斜面形成第二夹角β。

11.根据权利要求10所述的密封组件，其特征在于，所述第一夹角α和所述第二夹角β的值与所述压缩率ε有关，其中所述密封本体(4)的所述压缩量与所述密封本体(4)初始体积比为压缩率ε。

12.根据权利要求11所述的密封组件，其特征在于，其特征在于，所述密封本体(4)为球体，直径为D。

13.根据权利要求12所述的密封组件，其特征在于，所述第一夹角α＝sin^-1((2×D×ε)/Δx),和/或所述第二夹角β＝sin^-1((2×D×ε)/Δx)。

14.根据权利要求13所述的密封组件，其特征在于，所述第一夹角α等于所述第二夹角β。

15.根据权利要求14所述的密封组件，其特征在于，所述压缩率ε为5％-25％。

16.根据权利要求15所述的密封组件，其特征在于，所述密封本体(4)为球形金属编织件。

17.根据权利要求16所述的密封组件，其特征在于，所述金属编织件包括金属编织绳。

18.根据权利要求17所述的密封组件，其特征在于，所述第一嵌套(3)的横截面为T型，沿所述叶根的周向方向安装进所述叶根中；和/或所述第二嵌套(5)的横截面为T型，沿所述支撑环(2)的周向方向安装进所述支撑环(2)中。

19.根据权利要求18所述的密封组件，其特征在于，所述第一嵌套(3)包括长边端和短边端，所述第一安装槽(6)设置在所述短边端，所述第一安装槽(6)的第一斜面和第二斜面的形成的第一夹角α的开口方向朝向所述第一嵌套与所述第二嵌套的结合面；和/或所述第二嵌套(5)包括长边端和短边端，所述第二安装槽(7)设置在所述短边端，所述第二安装槽(7)的第三斜面和第四斜面的形成的第二夹角β的开口方向朝向第一嵌套与所述第二嵌套的结合面。

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