CN1369620A - 冷却刷形密封和密封件的装置 - Google Patents

Abstract

一种刷形密封(30)设置在第一固定件(32)和第二转动件(34)之间。通过多个喷嘴(46)提供的冷却介质沿刷形密封硬毛(40)的上游表面部分和靠近硬毛末端的表面流过。冷却介质将刷形密封硬毛的温度冷却到低于通过汽轮机的流体工作介质温度。喷嘴可以设置在罩盖或刷形密封的上游支承板上将冷却介质直接喷向刷形密封和密封表面的接合部。

Description

     冷却刷形密封和密封件的装置

技术领域

本发明涉及用于密封两个相邻部件的刷形密封。更具体地讲，涉及用于高温环境，如燃气轮机或蒸汽轮机的罩盖与叶片顶端或顶盖之间，和要求冷却介质进行冷却的刷形密封。

背景技术

刷形密封在燃气轮机或蒸汽轮机中的应用日益增加。许多情况下，刷形密封安装在迷宫型密封场合或者与迷宫型密封相结合，以及设备中的各种位置。刷形密封还使用在承受高温和高压的场合。典型的刷形密封包括许多由陶瓷或金属材料构成的细长硬毛，其中，硬毛设置在一个或多个支承板之间。刷形密封通常固定在一个部件如固定部件上，其硬毛末端从刷形密封突出与另一个部件如旋转轴接合，与其形成密封。

然而，目前的刷形密封不能耐受温度为1200°F以上的工作环境，将刷形密封应用于具有更高温度的内燃机已经受到这个温度极限的限制，例如，应用于燃气轮机的热气通道如叶片顶端密封，其工作温度可达1800°F或更高。因此，存在着对刷形密封加以改进以便用于高温场合的需要。

发明内容

根据本发明的优选实施例，表面膜冷却的高温刷形密封通过靠近刷形密封上游侧的冷却液的喷射流进行冷却；如一个优选的实施例中，用作热绝缘的冷却介质薄膜沿硬毛的上游表面流动并通过一束硬毛，使硬毛的温度保持低于预定的温度，如1200°F。冷却液保护硬毛免于受到高温工作流体介质的影响。这种优选实施例的典型应用是在围绕燃气轮机的叶片顶端盖的罩盖内设置刷形密封。叶片位于热气通道，从罩盖突出的硬毛与转动部件如叶片顶端盖接合。喷嘴沿圆周围绕罩盖间隔设置，以便冷却介质的流体喷射通常沿径向在刷形密封硬毛的上游表面和沿着转动部件如叶片顶端盖形成冷却介质的热绝缘膜。连同典型的刷形密封配置，即刷形密封在硬毛的相对侧设有一对支承板并使支承板上游与硬毛间隔开；在支承板上游和硬毛之间设置了一间隔块或凸缘。间隔块或凸缘包括多个沿圆周间隔设置的喷嘴，可输送支承板上游和硬毛上游表面之间的冷却介质，将硬毛温度降低到热气流的温度之下，即喷嘴提供了位于硬毛和热气通道之间的冷却介质的热绝缘薄膜。另外，冷却介质沿叶片顶盖流动，冷却顶盖和叶片。

在本发明的另一个优选实施例中，喷嘴设置在刷形密封的上游并且开口通过固定的部件。例如，喷嘴可以设置在上游支承板的上游和开口通过罩盖。喷嘴最好可与含有冷却介质如空气的高压系统连通。喷出的空气因此可沿支承板前表面流入上游支承板和转动部件之间，沿靠近硬毛末端的上游表面形成薄膜层。空气薄膜然后经过硬毛末端和叶片顶盖的接合部流动。在另一种形式中，喷嘴可以与罩盖成一个角度，直接将冷却介质喷射到硬毛末端和叶片顶盖的接合部。喷嘴还可以穿过上游支承板来形成，使冷却介质以一定角度或直接喷射到硬毛末端和旋转部件的接合部。

在本发明的又一个优选实施例中，密封装置包括可相对移动和在其间形成高温流体介质流过的间隙的第一和第二部件，和支承于第一部件的刷形密封，其可配置在第一部件和第二部件之间密封位于密封件各相对侧的高压和低压区之间的空隙。刷形密封包括许多突出的硬毛，其终止于硬毛末端的自由端与第二部件接合，以便在部件之间形成密封以减少从高压区经过间隙流到低压区的流体；刷形密封还包括一装置，其可沿硬毛的表面部分形成冷却介质薄层使硬毛与高温流体介质热绝缘。

在本发明的另一个优选实施例中，回转机械包括一转动的部件和相对转动固定或静止的部件，部件都围绕轴设置，支承于一个部件的刷形密封包括从一个部件突出的许多硬毛，硬毛具有终止于硬毛末端的自由端，可与另一个部件接合以减少从位于刷形密封一侧的高压区流到位于密封件另一侧的低压区的高温流体。多个喷嘴由一个部件支承，可将冷却介质直接喷射到硬毛末端和另一部件的接合部，在硬毛的上游侧表面形成冷却薄层，使硬毛与流体热绝缘。

附图说明

图1是现有技术的位于汽轮机罩盖内并与叶片顶盖密封的刷形密封的局部剖视图；

图2是本发明优选实施例的表面膜冷却的高温刷形密封的局部放大剖视图；和

图3到6是与图2类似的本发明其它实施例的局部放大剖视图。

具体实施方式

图1显示了一普遍地标记为10且根据现有技术制造的环形刷形密封。这个现有技术的刷形密封10包括一对位于细长硬毛16两侧的支承板12和14，支承板12和14与硬毛16的近端一般是焊到一起的，如通过焊道18。刷形密封10如图所示地固定到罩盖20，硬毛末端22承接叶片24的顶盖，并在那里形成密封。叶片和刷形密封位于环形气体流通的通道中，其具有相当高的温度，这样的高温禁止或限制刷形密封的应用。

图2显示了环形的普遍地标记为30的刷形密封，是根据本发明的优选实施例来制造的。刷形密封30可以固定在环形罩盖32的凹槽31中，罩盖32由围绕第二旋转部件如叶片34和第二部件的轴的第一固定部件构成。刷形密封设置了多个弧形部分，如有六个部分，各延伸大约60度。刷形密封还密封了位于密封件上游侧的高压区和位于密封件下游区的低压区之间的间隙。如图所示，刷形密封30包括上游支承板36，下游支承板38，设置在支承板之间的许多硬毛40，设置在上游支承板和硬毛40的近端之间的间隔块或凸缘42。硬毛是细长的，由金属或陶瓷材料构成并以硬毛束43的形式来设置。硬毛40一般以相对叶片34旋转轴半径的一个斜角延伸，如在旋转方向上约30-40度斜角。间隔块42可包括与上游支承板36一体形成的凸缘。如图所示，焊道44使支承板、间隔块和硬毛沿刷形密封30的径向最外边缘互相连接到一起。

图2的装置中，如空气这种冷却介质的薄膜沿硬毛43的前表面部分或表面流动。流动的介质是通过多个沿圆周间隔布置的喷嘴46提供的，喷嘴通过间隔块42或是通过在上游支承板36或硬毛40与间隔块之间的开口形成。喷嘴46与含有冷却介质的压力源或高压系统48连通。冷却介质在压力下流过喷嘴46，流过硬毛束和上游支承板36的下游表面之间的硬毛束43前表面。冷却介质存在于硬毛末端50和旋转部件34的密封表面52的接合部的附近。冷却介质的流动形成冷却介质薄层，成为通常用箭头54表示的热气通道中的热气和硬毛间的热绝缘器。硬毛因此冷却到低于热气流温度很多的温度。并低于硬毛材料的高温限制。另外，叶片密封表面52的一部分与热气流热绝缘，因此降低了温度。

在图3中，大于100的类似标记代表类似部件，所示的刷形密封130固定在罩盖132的凹槽131中，上游支承板136与包括硬毛140的硬毛束143的前表面间隔开，而下游支承板138用于防止硬毛140沿轴向下游方向偏斜。在这个实施例中，喷嘴146设置在罩盖132上并与向喷嘴提供冷却介质的高压系统148连通。以这种形式，来自喷嘴的冷却介质喷射流沿上游支承板136的上游表面流过和流过与叶片134的表面152接合的刷形密封130的末端150。因此冷却介质薄膜在靠近硬毛末端150的部分153处形成，因此形成有效的热绝缘，使硬毛部分免受热气通道中的热气的影响。同时旋转部件134的表面152也被流动的冷却介质冷却。

图4中相对前一实施例大100的类似标记用于类似的部件，刷形密封230类似地置于罩盖232的凹槽231中。在这种设置中，多个沿圆周间隔设置的喷嘴246位于罩盖232并相对旋转轴以一定角度开口，开口通向热气通道，使从压力源或高压系统248流出的冷却介质的喷射流直接流到硬毛末端250和密封表面252的接合部。如图所示，喷嘴246轴向位于刷形密封230的上游。冷却介质薄膜因此靠近末端250的部分253流动，因此将硬毛部分253热绝缘于通道中的热气。冷却介质还沿表面252流动，使接近冷却流体的叶片部分温度降低。

在图5中，大了100的类似标记用于类似的部件，刷形密封330包括上游支承板336，下游支承板338，和许多位于所述板之间的形成硬毛束343的硬毛340，上游板336与硬毛束343的前表面有一定间距。在这种设置中，沿圆周间隔设置的喷嘴346以一定角度穿过上游支承板336使来自冷却源或高压系统348的冷却介质喷射流通过喷嘴346直接到达硬毛末端350和密封表面352的接合部。如上面讨论的实施例，与冷却介质热绝缘的薄膜沿靠近硬毛末端350和旋转部件的密封表面352的硬毛部分353形成。

在图6中，大了100的类似标记用于前面实施例中类似的部件，刷形密封430包括上游支承板436，下游支承板438，和在板间形成硬毛束443的许多硬毛440。在这种设置中，罩盖432安装了多个沿圆周间隔设置的喷嘴446，喷嘴与通过喷嘴提供冷却介质的高压系统448连通。图6中的刷形密封430类似于图3中的刷形密封，除了刷形密封430位于叶片的上游部分的附近。在这个实施例中，刷形密封可在几乎全部叶片顶盖或上盖表面453上降低叶片的温度，因而增加了叶片的寿命。

可以理解，本发明的刷形密封可以应用在其它不同的场合，不必像本文所介绍的那样只是用在固定部件和转动部件之间。因此刷形密封可以应用在以前从未应用过的地方，如高温环境下的不规则形状部件之间的密封，比如汽轮机的第一级入口喷嘴和燃烧转换件之间。

尽管只是对本发明的一些优选特征加以了图示和介绍，对于所属领域的专业技术人员来说可以有许多改进和变化。因此应当理解在不脱离本发明的精神实质的情况下，本发明的附属权利要求包括所有这些改进和变化。

Claims (10)

1.一种密封装置，包括：

可作相对移动的第一和第二部件(32，34)，其间形成了可供高温流体介质流过的间隙；

刷形密封(30)，由所述第一部件支撑并配置在所述第一和第二部件之间，对位于所述密封件的各相对侧的高低压区之间的间隙进行密封；所述刷形密封包括从所述刷形密封突出的许多硬毛(40)，所述硬毛具有终止于硬毛末端(50)的自由端，所述末端与所述第二部件接合形成所述部件之间的密封，减少了从高压区通过所述间隙流到低压区的流体介质；

装置(46，146，246，346，446)，可沿所述硬毛的表面部分形成冷却介质薄层，使所述硬毛与高温流体介质热绝缘。

2.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述装置包括多个喷嘴(46)，将所述冷却介质输送到所述高压区和沿所述硬毛的上游表面部分周围。

3.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述刷形密封包括位于所述硬毛相对侧的第一和第二支承板(36，38)，所述第一支承板(36)沿所述硬毛的上游侧设置，并与所述硬毛的上游表面部分向上间隔开，所述装置(46)包括多个喷嘴，可朝所述第二部件的方向输送处于所述第一支承板和所述上游表面部分之间的所述冷却介质。

4.根据权利要求3所述的密封装置，其特征在于，所述硬毛是细长的，所述喷嘴开在所述第一支承板和邻近所述硬毛的远离末端的端部的所述细长硬毛之间的空隙，可使流动的冷却介质沿所述硬毛的大部分长度和沿所述上游表面部分形成热绝缘层。

5.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述装置(146，246，346)包括在所述部件上位于所述刷形密封上游位置的多个喷嘴，可输送所述冷却介质到所述高压区和沿所述硬毛的上游表面部分的周围。

6.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述装置包括多个喷嘴(246，346)，其角度设置成可将所述冷却介质直接输送到所述硬毛末端和所述第二部件的接合部。

7.根据权利要求6所述的密封装置，其特征在于，所述喷嘴(146，246，346)是由所述刷形密封的所述第一部件支撑。

8.根据权利要求6所述的密封装置，其特征在于，所述刷形密封包括位于所述硬毛相对侧的第一和第二支承板，所述第一支承板沿所述硬毛的上游侧设置，并与所述硬毛的上游表面部分向上间隔开，所述喷嘴(346)的开口穿过所述第一支承板(336)，可将所述冷却介质输送到临近所述硬毛末端的硬毛上游部分。

9.根据权利要求1所述的密封装置，其特征在于，所述第一和第二部件分别为固定和转动部件。

10.一种回转机械，包括：

一回转部件(34)和相对转动固定的部件(32)，所述部件都围绕一轴设置；

一刷形密封(30)，其支撑于一个所述部件，其包括许多硬毛(40)，所述硬毛从所述一个部件突出，并具有终止在硬毛末端(50)的自由端，所述自由端与另一个所述部件接合，可减少高温流体介质从位于所述刷形密封一侧的高压区流动到位于所述密封件的相对侧的低压区；

多个喷嘴(46，146，246，346，446)，其支撑于所述一个部件，朝所述硬毛末端和另一个所述部件的接合部输送冷却介质，在靠近所述硬毛表面的上游部分形成冷却介质薄层，从而将所述硬毛与所述流体介质热绝缘。

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