CN1165669C - C形密封环 - Google Patents
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Abstract
一种密封环(30)，包括轴向相对的第一环和第二环(32，34)，它们通过一与之共同延伸的腹板(36)连接在一起，在如此连接成一体的密封环中有一周向开口。这两个环截面呈弧形，带有径向的外密封面和内密封面(40、42、44、46)。腹板(36)沿径向位于外密封面(40，44)和内密封面(42、46)之间。环(32、34)分别被置于相邻部件(24、26)的相应的槽中，以在其间产生密封效果并且容纳由热变形而产生的不同的径向和轴向位移。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种燃气轮机，尤其是指其中的密封件。
背景技术
在燃气轮机中，空气在压气机中被压缩，在燃烧室中和燃料混合，然后点火燃烧产生热的燃烧气体，燃烧气体流入几个透平级从而输出能量。压缩空气处于燃烧室的周围，并用来冷却其衬套，压缩空气同样也用来冷却发动机的其他零件。
由于燃气轮机是由适当配合在一起的固定部件组成，部件之间必须要有各种类型的静密封以减少或防止压缩空气或热的燃烧气体不良的泄漏。密封件具有各种不同的横截面结构以专门密封各种不同的部件。例如，根据需要密封的各种具体情况，可以是W形、E形或简单的圆形截面。
有些密封件呈全封闭的环形，或者是在某个位置有周边开口以消除不良的圆周应力。另一种类型的密封件是平直的片状，放置在相互邻接的部件之间的狭缝中。
密封件会承受在相互邻接的部件之间的各种不同的热位移，包括径向位移、轴向位移或两种方向的位移。相对径向和轴向的偏移一般发生在燃烧室外衬的尾端和与之相互毗连的高压燃气喷嘴外圈的前端之间。在燃烧室产生的燃烧气体的高温下，外衬径向向外膨胀的程度要大于外圈。并且，两个部件之间的轴向间隙也会在工作过程中相当地扩大。
因此，在这个位置应用某种形式的片状密封，也就是说一种填补径向狭缝的径向片状密封来调节各种径向位移，一种填补轴向缝隙的轴向片状密封来适于各种轴向位移。然而，由于这种片状密封的截面形状是直的并且在工作中会扭曲，其密封性能会打折扣。而且，一些密封件是分段的，因而会在各段之间密封性能会被破坏。
因此，需要提供一种效果更好的密封件来密封燃气轮机固定零件之间不同径向和轴向的位移产生的高偏移。
发明内容
根据本发明的一种偏移密封环，它用于密封在流体引导运作时第一和第二相邻环形部件因承受轴向和径向偏移在它们之间产生的轴向间隙，它包括：轴向相对的第一环和第二环，它们通过一与之共同延伸的腹板连接在一起，在如此连接成一体的密封环中有一周向开口和金属片；所述的第一环截面呈弧形，带有径向的内密封面和外密封面，它们依大小与在所述第一部件上轴向延伸的一个第一环形凹槽结合以接纳所述轴向偏移；所述的第二环截面呈弧形，带有径向的内密封面和外密封面，它们依大小与在所述第二部件上轴向延伸的一个第二环形凹槽结合以接纳所述轴向偏移；所述的腹板沿径向布置在所述的第一环和第二环的外部和内部密封面之间，以减少惯性弯矩使所述密封环得以挠曲以接纳所述径向偏移。
依照较佳实施例及其进一步的目的和效果，下面结合附图对本发明作更具体的描述。
附图说明
图1是燃气轮机一部分的轴向剖面图，含有一本发明实施例的位于燃烧室外衬和涡轮喷嘴外圈之间的密封。
图2是图1中所示的本发明实施例的环形密封的正面视图。
图3是圆圈3所指的安装在外衬和外圈之间的密封的放大的轴向剖面图。
图4是图3所示的环形密封的一部分的透视图。
具体实施方式
图1所示是燃气轮机10的一部分，它关于纵向或者说轴向的中心轴线12轴对称。燃气轮机包括一个多级的轴向压缩室(图中未示出)用来压缩空气14，空气14被引导入一环形燃烧室16，并在其内和燃料混合燃烧生成热燃烧气体18。燃烧室16位于一燃烧室壳体20里面，将燃气18排入下游的高压透平喷嘴22。喷嘴22的下游是高、低压力的透平级(未示出)，这些压力级从燃气中吸取能量为压气机提供能量，最主要的还是为推动飞行器前进提供推动力。
燃烧室16包括一径向的外衬24，它形成燃烧气体18径向的外部边界。喷嘴22包括一径向的外圈26，它形成喷嘴内部的燃烧气体径向的外部边界，多个圆周布置的喷嘴叶片28自外圈26径向向内伸展形成燃烧气体的通道。
燃烧室还包括环形的内壳，它与喷嘴的环形内圈相互接合，在燃烧气体18从燃烧室进入喷嘴时形成一径向的内部流道的边界。
由于燃烧室和喷嘴是各自独立制作的部件，在燃气轮机中它们必须装配在一起并且适当密封以防止压缩空气14或燃烧气体18的泄漏。在工作中，一部分压缩空气14包围壳体20里的燃烧室，其压力大于里面的燃烧气体。为了防止压缩空气14泄漏进入燃烧室和喷嘴之间的燃气流道，在外衬24和外圈26之间安装一环形密封30。
如果没有放置在外壳和外圈之间的环形密封30，发动机10的建造和运行都是很普通的。外衬和外圈的密封结合处承受由于在工作过程中热燃烧气体18产生的膨胀和收缩而引起的径向和轴向的相对较高的偏移。因此，依照本发明，密封30用来适应此位置较高的径向和轴向的偏移，它是用一相对简单而有效的设计来取得最大的密封效果。
通过图2中单独所示和图3中的截面放大图，高偏移密封环30得以更明确地描述。本密封环包括相对的第一环和第二环32、34，它们通过与之共同延伸的隔膜或腹板36相互连接成一体，在此连接成一体的密封环中有一圆周的缺口或开口并处于一集体环路中，如图2所示。开口38在一定位置上阻止密封环的圆周伸展，从而防止产生不良的圆周应力。
所述密封环可以在图3和图4中更加具体地说明。第一密封环32横截面呈弧形，带有径向的第一外部和内部密封面40、42，沿着密封环周边伸展。相类似地，第二环34横截面呈弧形，带有径向的第二外部和内部密封面44、46，同样沿着密封环周边伸展。
腹板36在横截面中沿径向位于第一环和第二环的外和内密封面之间，它具有减少的惯性弯矩以保持密封环的弹性，使其在工作过程中在外衬24和外圈26之间产生不同的径向热位移时扭曲。
例如，如图4所示，第一环和第二环最好相互在轴向上向外凸出，同时又相互轴向地向内凹进，并且沿径向并行排列或共同伸展。而且第一环和第二环轴向上是相互分开的，腹板36在它们之间伸展。
在图4所示的最佳实施例中，腹板36和相对的两个密封环的第一内密封面和第二内密封面42，46结合为一体，而两环的外密封面40、44却不结合在一起，被轴向伸展的腹板36简单地轴向隔开。
在最佳实施例中，第一和第二环的截面上呈半圆形，而腹板36的轴向横截面基本上是直的。第一环和第二环以及整个腹板最好是一层或多层的标准规格的无孔金属片的形式。图4中所示是叠在一起的两层或两组金属片，以使内层可以跨越图2所示的周向开口38伸展，从而与外层结合并跨接开口以提高密封效果，同时使得密封环30可以在圆周方向无阻碍地膨胀和收缩。
如图3所示，带有第一环和第二环32、34的密封环30安装在外衬24和外圈26之间，第一环和第二环相互轴向平行并且相对发动机中心线的半径距离相等。腹板36最好径向上位于第一和第二内密封面42、46的外部，第一和第二外密封面40、44的内部，减少密封环30的惯性弯矩以提供其挠性。
尽管有特殊的截面，然而密封环30是一除了圆周开口38之外的完整的密封环，并且在三个方向上自由活动。本发明密封圈的呈部分环行轨道的轴向横截面在适应径向和轴向两个方向的不同的高偏移时提供了外衬和外圈之间的有效的密封，而不是主要靠密封本身限制这些不同的位移，并且没有过载和应力。
如图3所示，可以更具体地看出，外衬24形成一燃烧气体18通过的第一环形部件，并在其尾端有一轴向上的面对尾部的环座或凹槽48，它通过企口(tongue-and-groove)密封以滑动接触的方式容纳第一密封环32。相类似地，外圈26形成一和外衬24同轴装配的第二环形部件，它的前端有一沿轴向向前的第二环形座或槽50，它通过企口密封以滑动接触的方式容纳第二密封环34。
外衬24和外圈26在第一和第二凹槽48、50处是轴向分开的，腹板36在它们之间轴向伸展。
在工作中基本上是通过第一内密封面42与第一凹槽48周边的底部接触和通过第二内密封面46与第二凹槽50周边的底部接触来产生密封效果。介于两者之间的腹板36是无孔的，承受密封径向的各种不同的压力，提高第一和第二内密封面42、46和它们的座之间的密封接触效果。
此外，第一和第二外密封面40、44通过和凹槽48、50的顶部作用以用来进行相应的密封，正如需要的那样。
各种由于膨胀和收缩引起的轴向的热位移在图3中用虚线示出，外圈26在轴向上的偏移用A表示。凹槽48、50的轴向尺寸和腹板36的轴向延伸用来保证第一环32和第二环34一直保持在各自的凹槽里处于密封接触，不管外衬24和外圈26之间发生什么样的轴向移动。
各种径向移动(B向所指)也在图3中通过虚线所示的外衬24的不同径向位置得以说明。为了适应两个部件之间的不同的径向偏移，密封环30可以径向扭曲，而第一和第二环32，34在各自的槽48、50保持密封接触。
由于密封30是一环形部件，必须提供足够的扭曲挠性，以使在没有过高的限制或扭曲的条件下而允许部件有较高的径向偏移，过高的限制或扭曲会产生过高的应力或塑性变形。轴对称的环和介于其中的腹板36断开了截面的圆周，以在提供较高轴向和径向偏移能力的紧凑的布置中增加其扭曲挠性。如上所述，腹板36放置在各内密封面和外密封面之间，使得径向的惯性矩最小从而增加其弯曲和扭曲的挠性。
而且，腹板36截面上一般是径向向内凹进的，以使外衬24和外圈26之间可以进行各种不同的没有阻碍的径向位移。如图3所示，腹板36在轴向横截面上最好是直线，并且在其有一适当弯曲半径的中点弯曲成两个平面，腹板的径向内面有一稍微小于180度的钝角，这既增加了扭曲挠性又允许第一环和第二环32、34之间的各种不同的径向位移，而腹板36并不和第一和第二凹槽48、50相应的部分作用。
例如，在外衬24热膨胀比外圈26大时，图3中所示的第一环或者说左环32被推动和外衬24一起径向向外移动，左环会在凹槽48中轻轻顺时针旋转，同时腹板36的左部向着左凹槽的底部位置靠近。相应地，第二环或者说右环34也在此例中顺时针旋转，同时腹板36的右部向着远离右凹槽的底部的方向移动。此时，密封30通过腹板36弹性扭曲，使相对的两个环32、34处于相对发动机中心轴线不同半径的位置。
外衬24和外圈26之间的环形密封30的应用通过一紧凑的和相对简单的构造适应各种不同的径向和轴向位移所形成的高偏移。外衬24仅仅需要一个单一的轴向面向尾端的第一凹槽48，外圈26仅仅需要单一的轴向面向首端的第二凹槽50。具有双重功能的环形密封30坐落在两个凹槽里面以适应各种不同的轴向位移和径向位移，通过两个密封环保持密封效果。
在各种轴向移动的情况下，在保持密封时，密封环30在两尾环之间有一半径不变，只是在两个凹槽里面简单地轴向滑动。此外同一构造还允许密封环30弹性扭曲，以在发生不同的热增长时，使第一和第二环32、34在各自的凹槽48、50里面被推动到不同的径向位置时径向错开。
因此，有弹性的腹板36将第一环和第二环32、34桥接在一起以提供这种双重的性能。腹板36最好放置在密封环的径向内端以使密封件的刚性最小，但是如果需要的话，腹板36可以将第一和第二外密封面40、44接合在一起，而不是采用前述的形式。
这里所描述的是被认为关于本发明的较佳的实施例，对本发明所作的其它形式的修改对本领域人员是显而易见的，因此这些包含在本发明的范围和实质精神里面的变换期望在所附的权利要求里面得到保护。
因此，希望通过专利保护的是下述权利要求所描述的发明。
Claims (10)
1、一种偏移密封环，它用于密封在流体引导运作时第一和第二相邻环形部件因承受轴向和径向偏移在它们之间产生的轴向间隙，它包括：
轴向相对的第一环和第二环，它们通过一与之共同延伸的腹板连接在一起，在如此连接成一体的密封环中有一周向开口和金属片；
所述的第一环截面呈弧形，带有径向的内密封面和外密封面，它们依大小与在所述第一部件上轴向延伸的一个第一环形凹槽结合以接纳所述轴向偏移；
所述的第二环截面呈弧形，带有径向的内密封面和外密封面，它们依大小与在所述第二部件上轴向延伸的一个第二环形凹槽结合以接纳所述轴向偏移；
所述的腹板沿径向布置在所述的第一环和第二环的外部和内部密封面之间，以减少惯性弯矩使所述密封环得以挠曲以接纳所述径向偏移。
2、如权利要求1所述的密封环，其特征在于：所述第一环和第二环轴向向外凸出并且相互轴向隔开，所述的腹板在两者之间轴向伸展。
3、如权利要求2所述的密封环，其特征在于：所述的腹板沿径向位于所述的第一和第二内密封面的外部和所述的第一和第二外密封面的内部。
4、如权利要求3所述的密封环，其特征在于：所述的腹板和所述的第一和第二内密封面连接在一起。
5、如权利要求3所述的密封环，其特征在于：所述的第一环和第二环是半圆形的。
6、如权利要求3所述的密封环以及和所述两个环形部件的结合，其特征在于：所述的第一环和第二环以及腹板是金属片。
7、如权利要求3所述的密封环以及和所述两个环形部件的结合，其特征在于：
所述第一环形凹槽以通过滑动接触的方式容纳所述的第一环；
所述第二环形凹槽以通过滑动接触的方式容纳所述的第二环。
8、如权利要求7所述的密封环，其特征在于：所述的第一部件和第二部件在所述的第一凹槽和第二凹槽处轴向隔开，以不阻碍它们之间的轴向和径向运动，所述的腹板在两者之间轴向伸展。
9、如权利要求8所述的密封环，其特征在于：所述的腹板的截面径向向内凹进，以使所述的第一和第二部件之间能够无阻碍地进行各种不同的径向移动。
10、如权利要求9所述的密封环，其特征在于：所述的第一部件是用以引导热燃烧气体通过的燃气轮机的燃烧室外衬；所述的第二部件是和所述的外衬通过所述的环形密封环密封结合的燃气轮机喷嘴外圈，此环形密封用来容纳由于所述的燃烧气体而在其间产生各种不同的径向和轴向的位移。
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