CN1676976A - 混合密封组件及与其结合的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种密封组件(20)，具有适合插入第一结构(16)和第二结构(18)之间的第一密封件(24)，其中第一结构(16)与第一介质(22)连通，第二结构(18)与第二介质(30)连通。密封组件(20)还包括第二密封件(26)，可通过第二介质(30)偏压第一密封件(24)和第二结构(18)。在某些实施例中，系统具有与第一介质(22)连通的第一结构(16)和第二结构(18)，其可容纳第一结构(16)和第二结构(18)之间的密封组件(20)。密封组件(20)包括相对第一结构(16)的界面密封件(24)，及柔性密封件(26)，其通过第二介质(30)偏压到第二结构(18)和界面密封件(24)。

Description

混合密封组件及与其结合的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及一种密封方法和结构，具体地，涉及一种混合密封组件，可密封涡轮发动机的相邻部件。
背景技术
许多设备有设置在相邻部件之间的密封机构。在某些应用场合，密封可保证相邻部件之间相对运动，同时基本上消除这些部件之间的流体泄漏。这些密封件的结构通常会变化，这取决于环境、流体、压力范围和温度范围。
例如，涡轮发动机一般设有静止部件，如内罩或外罩，之间的密封机构。这些涡轮发动机中，内罩通常要承受热燃烧气体，而外罩要承受用于冷却外和内罩的冷吹扫气体。因此，很重要的是密封内和外罩，防止热燃烧气体流入外罩，并防止冷吹扫气体泄漏到内罩。例如，热燃烧气体泄漏到外罩将损坏或负面影响涡轮发动机部件的寿命。
传统上，内和外罩用金属制成。因此，现有的密封件包括金属塞缝片，其面对接触热燃烧空气的内罩，塞缝片使热燃烧空气减少泄漏到外部金属部件。金属线织物密封件也可用于这种位置。使用中，这些金属密封件可适应不同的热增长，不均匀加热和相邻部件在涡轮发动机工作时的暂态移动。不幸的是，这些金属密封件倾向于被热燃烧空气氧化或产生化学反应，当涡轮发动机的工作温度增加时，这限制了其应用。
结果是，金属密封结构件，如金属塞缝片和金属线织物密封件，都不能很好地适应更高的操作温度。例如，涡轮发动机的更高温度部分或级的温度范围比现有的操作温度高大约100到200度。因此，涡轮发动机的较高温度设计的内罩一般用适合较高温度范围的材料制造。例如，某些较高温度的涡轮发动机的内罩用抗高温陶瓷材料制造，比如金属陶瓷复合材料(CMC)。围绕内罩的部件，比如外罩，一般为金属。不幸的是，CMC部件难以进行机械加工，因此难以在热燃烧空气的位置机械固定金属密封件。高温界面密封件，比如绳状密封件或陶瓷块密封件，可耐受与热燃烧空气的化学反应，但是在内罩和外罩出现不同的热增长时，这些密封件不能提供希望的适应性。
在上面提到的这类应用中，可采用弹性加载的密封件来帮助密封这些CMC部件。例如，弹性加载的密封件可以是一种绳状密封件，其具有中心的纤维心部，周围围绕支撑心部的弹性件，至少一层编织的外层纤维紧紧地包在弹性件上。但是，这样的密封机构，尽管可改进弹性和负载支撑能力，但高温下重复加载时可能损失其弹性。
因此，需要一种可有效地密封装置，如涡轮发动机，的部件的系统和方法。
发明内容
本发明提出一种密封组件，包括：第一密封件，适合插入第一结构和第二结构之间，其中第一结构与第一介质连通，第二结构与第二介质连通。密封组件还包括第二密封件，可通过第二介质偏压到第一密封件和第二结构。
在某些实施例中，系统具有与第一介质连通的第一结构和第二结构，其容纳位于第一和第二结构之间的密封组件。密封组件包括相对第一结构的界面密封件，及柔性密封件，其可通过第二介质偏压到所述第二结构和界面密封件。
附图说明
图1是涡轮发动机的正面截面图，其具有根据本发明实施例的混合密封组件；
图2是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明实施例的混合密封组件；
图3是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明一个实施例的利用C形密封件和绳状密封件的混合密封组件；
图4是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明实施例的利用C形密封件和绳状密封件的混合密封组件；
图5是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明一个实施例的利用U形密封件和绳状密封件的混合密封组件；
图6是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明实施例的利用U形密封件和绳状密封件的混合密封组件；
图7是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明实施例的利用U形密封件和陶瓷块密封件的混合密封组件；
图8是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明实施例的利用W形密封件和绳状密封件的混合密封组件；
图9是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明实施例的利用C形密封件和陶瓷涂层的混合密封组件；
图10是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明可选实施例的利用C密封件和陶瓷涂层的混合密封组件；
图11是图1的涡轮发动机的部分截面图，显示了根据本发明一个实施例的利用多个绳状密封件的混合密封组件；
图12是流程图，显示了根据本发明实施例的混合密封组件的操作方法；和
图13是流程图，显示了根据本发明实施例的混合密封组件的制造方法。
部件表
10        涡轮发动机的转子级
12        转子轴
14        叶片
16        内罩
18        外罩
20        混合密封组件
22        热气体
23        外部气体
24        界面密封件
26        柔性密封件
28        罩空腔壁
30        吹扫空气
32        吹扫空气通道
34        根据本发明的实施例的利用C形密封件和绳状
          密封件的密封机构(C形密封件向下的实施例)
36        C形密封件
38        绳状密封件
40        根据本发明另一实施例的利用C形密封件和绳
          状密封件的密封机构(C形密封件向上的实施
          例)
42        根据本发明的实施例的利用U形密封件和绳状
          密封件的密封机构(U形密封件向下的实施例)
43        U形密封件的凹进中间部分
44        U形密封件
45        U形密封件的凸起外部分
46        根据本发明另一实施例的利用U形密封件和绳
          状密封件的密封机构(U形密封件向上的实施
          例)
48        根据本发明的实施例的利用U形陶瓷块密封件
          的密封机构
50        陶瓷块密封件
52        根据本发明的实施例的利用W形密封件和绳状
          密封件的密封机构
54        W形密封件
56        根据本发明的实施例的利用C形密封件和陶瓷
          涂层的密封机构
58        陶瓷涂层
60        根据本发明的另一实施例的利用C形密封件和
          陶瓷涂层的密封机构
62        陶瓷涂层
64        根据本发明的实施例的利用多个绳状密封件的
          密封机构
66        较小的绳状密封件
68        较大的绳状密封件
70        基线密封件
72        操作密封系统的方法
74        接合界面密封件
76        接合柔性密封件
78        预加载柔性密封件
80        连续通过吹扫气体到柔性密封表面
82        制造混合密封组件的方法
84        设置界面密封件
86        设置柔性密封件
具体实施方式
如下面所作的详细讨论，各种密封机构可用于由结构分开的不同结构和介质，比如热和冷气体，之间的密封。一个示例是涡轮发动机，其经受热燃烧气体和相对冷的吹扫气体。图1是显示涡轮发动机10的部分截面图，发动机具有根据本发明实施例的独特的密封机构。如图所示，涡轮发动机10包括多个沿圆周间隔开的叶片或导向片14，围绕用点12表示的轴(即正交于图1图面的轴)转动。在叶片14的外圆周边，涡轮发动机10包括罩状结构或内罩16，其具有环形结构，围绕多个叶片14同心延伸。内罩16是静止的，被环绕延伸的外罩18包围。内燃机(未显示)产生的热燃烧气体22使得多个叶片14围绕轴12转动。在内罩16和外罩18之间，涡轮发动机10还设有根据多种下面将详细介绍的实施例的混合密封组件20。如所属领域的技术人员都知道的，涡轮发动机10的热燃烧气体22在旋转的叶片14和静止的内罩16之间通过，因此，混合密封组件20在内和外罩16，18之间和相应的内部热燃烧气体22和外部气体23(如冷空气流)之间进行密封。
图2是沿涡轮发动机10的轴向截面图，显示了示例性的根据本发明实施例的混合密封组件20。所显示的混合密封组件20用来密封内罩16和周围的静止外罩18之间的热燃烧气体22的环形通道。
在所显示的实施例中，内罩16包括陶瓷材料，比如陶瓷金属复合材料(CMC)，可抵抗与热气体22的化学反应，甚至在很高的温度下。所显示的外罩18包括金属材料。
图2所示的混合密封组件20包括界面密封件24和可自适应的密封件或柔性密封件26。界面密封件24接合到内罩16。柔性密封件26位于外罩18的内部，并位于界面密封件24上。使用时，较冷的吹扫气体或空气30流过外罩18内的通道32，以冷却外部金属部件，如外罩18。根据本发明的一些实施例，吹扫气体或空气30在较高压力下流过通道32向柔性密封件26加压，使柔性密封件26被气动偏压到界面密封件24和外罩18的内表面28。例如，吹扫气体或空气30的压力范围可在大约700到1200Kpa。吹扫气体或空气30最好能够帮助冷却柔性密封件26。柔性密封件26表面提供了吹扫空气30的连续加载表面，导致了高压的均匀分布，即使涡轮发动机10沿外罩18的圆周具有分离的吹扫空气通道32，或吹扫孔。
界面密封件24可包括一个或多个绳状密封件或块密封件。例如，绳状密封件可包括高温金属合金，如氧化物弥散强化合金，还有其他合金；或陶瓷纤维，如氧化铝、铝-硅或碳化硅。其他的绳状密封件的示例包括混合绳状密封件，其具有多层的上面提到的纤维。在另外的示例中，块密封件可包括固体陶瓷块。使用时，界面密封件24暴露于热空气22并与内罩16接合。因此，界面密封件24希望抗氧化，耐磨损并具有弹性。柔性密封件26一般是C形、U形或W形截面的金属密封件。柔性密封件26一般包括抗高温金属合金，比如镍基超合金，氧化物弥散强化合金，还有其他合金。
如所属领域的技术人员都知道的，前面提到的混合密封组件20可具有本发明范围内的各种实施例。在另外的示例中，图3到11显示了图1和2所示的混合密封组件20的各种可选实施例。现在参考图3，涡轮发动机10的部分截面图显示出密封机构34，其具有界面密封件或绳状密封件38，及C形柔性密封件或C形密封件36。图示的C形密封件36形成中空的环形或椭圆形结构，具有C形截面，其在外罩18的内表面28内与其相接，凹面向下地延伸。C形密封件36也围绕绳状密封件38的上周面延伸，绳状密封件并与内罩16的顶部接合。在操作中，吹扫气体或空气30流过吹扫通道32，形成相对C形密封件36的高压。C形密封件36的上表面提供了吹扫空气30的连续加载表面，使C形密封件36上均匀地分布吹扫空气30压力。吹扫空气30施加压力的方向基本上垂直于C形密封件36的外表面。施加到C形密封件36和绳状密封件38的压力最好偏压绳状密封件38，使其更紧密和更密封地接合内罩16，同时使绳状密封件38和C形密封件36向外膨胀，更紧密和更密封地接合外罩18的内表面28。
图4是涡轮发动机10的部分截面图，显示了根据本发明的实施例的可选密封机构40。如图所示，密封机构40包括C形柔性密封件36，其具有凸出结构，开口向上朝向空气通道30。C形柔性密封件36与外罩18的内表面28和绳状密封件38的上表面接合。因此，当吹扫气体或空气30压力施加到C形柔性密封件36时，C形柔性密封件36向外对外罩18的内表面28膨胀，提供更紧和更密封的与外罩18的接合。类似地，施加到C形柔性密封件36的压力载荷使绳状密封件38向外对内罩16膨胀，提供更紧和更密封的与内罩16的接合。此外，压力载荷可使绳状密封件38向外对外罩18的内表面28膨胀，因此，提供了内罩16和外罩18之间的额外密封。还有，吹扫气体或空气30的较冷温度可帮助冷却C形柔性密封件36。
图5是涡轮发动机10的部分截面图，显示了根据本发明的实施例的可选密封机构42。如图所示，密封机构42包括U形柔性密封件或U形密封件44和绳状密封件38。如图所示，U形密封件44具有内凹中间部分43和相对的凸出外部分45。U形密封件44的内凹中间部分43在绳状密封件38的顶部周面上延伸，同时使相对的凸出外部分45与外罩18的相对的内表面28接合。操作时，带压力的吹扫气体或空气30使U形密封件44向下压到绳状密封件38，帮助与内罩16形成密封，同时使U形密封件44和绳状密封件38向外对外罩18的内表面28膨胀。包括其他绳状密封件，向下压内罩16的压力使得绳状密封件38迅速向外膨胀，使绳状密封件38进一步朝向外罩18的内表面28偏压U密封件44。因此，密封机构42使得内罩16和外罩18之间基本上实现均匀密封。
图6是涡轮发动机10的部分截面图，显示了根据本发明实施例的密封系统46。在这个实施例中，U形密封件44具有向上开口或突起结构，面对吹扫气体或空气通道30。此外，带压力的吹扫气体或空气30使得U形密封件44向外朝外罩18的内表面28膨胀，同时向下朝内罩16偏压绳状密封件38。
图7是涡轮发动机10的部分截面图，显示了根据本发明的实施例的密封机构48。在图示实施例中，密封机构48具有图6所示的U形密封件44，并带有块密封件50，其代替了绳状密封件38。使用中，带压力的吹扫气体或空气30向外朝外罩18的内表面28偏压U形密封件44，另外还向下朝内罩16偏压块密封件50。在某些实施例中，块密封件50可包括陶瓷、陶瓷金属复合材料、涂复陶瓷的金属或合金，或高温金属材料(可带有或不带有涂层)。
图8是涡轮发动机10的部分截面图，显示了根据本发明的实施例的密封机构52。如图所示，密封机构52包括设置在绳状密封件38上的W形柔性密封件或W形密封件54。类似于上面详细讨论的C形密封件和U形密封件，吹扫空气30的压力偏压W形密封件54到外罩18的内表面28，因此提供了吹扫空气30面对绳状密封件38的均匀加载表面。此外，带压力的吹扫气体或空气30使W形密封件54向下面对内罩16偏压绳状密封件38。结果是，密封机构52被压力压到内罩16和外罩18上，同时还从较低温度的吹扫气体或空气30得到冷却流体。
根据不同的实施例，代替设置绳状密封件或块密封件，柔性内表面密封件(如C形密封件、U形密封件或W形密封件)可在一个或多个位置涂复陶瓷材料。例如，柔性内表面密封件可包括金属成分，而涂层可包括陶瓷材料。参考图9，涡轮发动机10的部分截面图显示出根据本发明的实施例的密封机构56。如图所示，密封机构56包括C形密封件36和陶瓷涂层58，其沿C形密封件36的突起表面设置，并与外罩18的内表面28接合。使用时，带压力的吹扫气体或空气30使得C形密封件36向外相对外罩18的内表面28膨胀，同时使C形密封件36向下密封内罩16。在与内罩16和外罩18的这些接触点，陶瓷涂层58提供了界面，其更耐热，抗氧化和更能抵抗热燃烧气体22的其他负面作用。
在图10所示的另一实施例中，涡轮发动机10的部分截面图显示出根据本发明的实施例的密封机构60。密封机构60包括C形密封件36，其与位于外罩18的内表面28和内罩16的顶表面的多个陶瓷涂复表面62接合。如图所示，这些陶瓷涂复表面62提供了C形密封件36与内罩16和外罩18之间的界面。因此，这些陶瓷涂复表面62提供了界面，其更耐热，更抗氧化，和更能抵抗热燃烧气体22的气体负面作用。
图11是涡轮发动机10的部分截面图，显示出根据本发明的实施例的密封机构64。在图示实施例中，密封机构64包括多个界面密封件或绳状密封件，如外绳状密封件66和中间绳状密封件68。密封机构64还设有基线密封件或柔性W形密封件70，其与所有其他三个绳状密封件66和68接合。使用时，带压力的吹扫气体或空气30使得柔性密封件70向外对外罩18的内表面28膨胀，同时向下朝内罩16偏压各个绳状密封件66和68。在这个实施例中，向下压绳状密封件66和68的压力还使得较大中间绳状密封件68填充外绳状密封件66之间的空隙，因此向外朝外罩18的内表面28偏压外绳状密封件66。如果一个或多个绳状密封件66和68发生很多化学或机械退化出现损坏时，密封机构64还可提供密封余量。
在某些实施例中，图11所示的绳状密封件66和68可包括陶瓷材料或耐高温金属的纤维绳。较小直径的绳状密封件66还可连接到较大直径的绳状密封件68，提供密封纤维网。柔性密封件70包括自适应材料，例如，耐高温金属材料。柔性密封件70的柔量可通过预先确定弯曲区域的特定半径和直线的特定角度，包括W形，进行变化。
图12显示了根据本发明实施例的涡轮使用的混合密封组件的应用工艺72。如图所示，工艺72包括将界面密封件接合到涡轮发动机的内罩(框图74)。步骤74包括接合一个或多个绳状密封件或块密封件，如固体陶瓷块，到涡轮发动机10的内罩16，如图1所示。如上面进行的讨论，内罩16将承受热气体22。在步骤76，柔性金属密封件接合到界面密封件并容纳于涡轮发动机的外罩。如上所讨论的，外罩18可与吹扫空气30连通，其比热气体22冷许多。步骤76包括将金属C形密封件，U形密封件或W形密封件接合到相对界面密封件的希望位置，如前面讨论的实施例中所介绍的。在步骤78，柔性密封件通过吹扫空气加载到希望的压力，压力由作用到内罩的热气体的各流动参数来确定。在步骤80，吹扫空气连续通过吹扫孔，压力均匀地作用到柔性密封件的外表面。因此，压力偏压柔性密封件到界面密封件和外罩的侧向内表面，如上面所作详细讨论。在界面密封件、柔性金属密封件、及内罩和外罩之间的压力加载接合为这些不同部件和气体之间提供了均匀和可靠的密封。
图13显示了制造根据本发明的实施例的用于涡轮发动机的混合密封组件的示例性工艺82。工艺82包括设置界面密封件于涡轮发动机的内罩和外罩之间(框图84)。如上面所详细讨论的，内罩适合与热气体连通，而外罩适合与相对低温的吹扫空气连通。步骤84包括设置绳状密封件、固体陶瓷块、或陶瓷涂层，如各个实施例所介绍的。在步骤86，工艺82设置柔性密封件，其位于界面密封件上，并相对外罩的侧面内表面。步骤86包括设置具有C形、U形、或W形截面的金属密封件。此外，柔性密封件可包括耐高温金属。
前面提到的实施例有效地结合了自适应金属密封件，抗高温和氧化的绳状密封件和陶瓷块的优点。所介绍的实施例利用吹扫空气来施加载荷和偏压密封件，减少了设置密封件的机械固定机构的必要性。此外，气动偏压柔性密封件到外罩的侧面内表面提供了防止冷吹扫空气泄漏到热气体通道的希望的密封。所显示的本发明的技术还实现了柔性密封件的表面上预加载和偏压的压力的均匀分布。
尽管只是显示和介绍了本发明的一些特征，所属领域的技术人员可对本发明进行改进和变化。因此，应当知道在不脱离本发明的真实精神的情况下，所附权利要求覆盖了所有这些改进和变化。

Claims (10)

1.一种密封组件(20)，包括：
第一密封件(24)，适合插入第一结构(16)和第二结构(18)之间，其中所述第一结构(16)与第一介质(22)连通，所述第二结构(18)与第二介质(30)连通；和
第二密封件(26)，可通过所述第二介质(30)偏压到所述第一密封件(24)和所述第二结构(18)。
2.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第一结构(16)是内罩，所述第二结构(18)是外罩。
3.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第一介质(22)是热空气，所述第二介质(30)是比所述热空气温度低的吹扫气体。
4.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第一密封件(24)包括陶瓷材料。
5.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第一密封件(24)包括绳状密封结构(38)。
6.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第一密封件(24)包括块密封结构(50)。
7.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第一密封件(24)包括多个密封件(66，68)。
8.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第二密封件(26)包括C形结构(36)。
9.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第二密封件(26)包括U形结构(44)。
10.根据权利要求1所述的密封组件(20)，其特征在于，所述第二密封件(26)包括W形结构(54)。
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