CN1690389A - 用于涡轮机叶片冷却回路的旋转式密封装置 - Google Patents

用于涡轮机叶片冷却回路的旋转式密封装置 Download PDF

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Abstract

涡轮机叶片(14)的燕尾容纳在燃气轮机转子的涡轮机叶轮上的周向相邻的叶轮凸柱之间的燕尾槽(38)中。叶轮(16)和隔块(28)相互嵌接在一起，各叶片燕尾上的轴向向前延伸的凸起(49)经底切加工，以便使叶片凸起与隔块外缘间隔开，从而消除了隔块作用于叶片上的应力。在隔块(28)与叶轮凸柱和叶片燕尾的端面的径向向外收敛的壁部分(64，66，68)之间形成了空腔(62)。环形密封线(60)可响应于涡轮机工作期间的离心力而顺应着隔块壁部分与叶轮凸柱和叶片燕尾的端面之间并实现了密封。

Description

用于涡轮机叶片冷却回路的旋转式密封装置
技术领域
本发明大体上涉及一种用于燃气涡轮发动机中的叶片冷却回路的密封装置。更具体地说，本发明涉及一种顺应性密封设计，其可响应于离心力而密封在重型燃气涡轮发动机的涡轮机转子隔块与涡轮机转子叶轮和叶片燕尾的轴向端面之间，以便减少叶片冷却空气的泄漏。
背景技术
由于燃气涡轮发动机中的较高工作温度，通常对一级或多级涡轮机叶片进行对流式冷却，以便提高耐用性。通常来说，冷却空气从一级或多级压缩机中输入，并经过由多个交界部件组成的不同通道而传递到涡轮机转子上。从压缩机中输出的空气的压力要高于涡轮机中的空气压力，因此各界面会形成潜在的冷却空气泄漏路径。一种这样的泄漏路径是转子隔块与转子叶轮凸柱(wheelpost)和叶片燕尾之间的界面。
之前已经采用了若干种方法来密封这类泄漏路径。在用作航空发动机的涡轮机中，盖板(或叶片挡板)安装在叶片/叶轮端面的前侧和后侧上，并具有位于中断表面上的线密封件。例如可见美国专利No.4500098和5622475。盖板用于密封提供至翼型中的冷却空气，并且还将叶片轴向地保持住。尽管密封件工作良好，但涡轮机的可维修性成为问题，这是因为更换一个或多个叶片要求拆下转子。另一方面，重型的地基涡轮机必须具有在现场更换叶片的能力。在现有技术的重型涡轮机设计中，通常在隔块缘边上具有圆柱形的轴向凸起，其与轮缘的下侧形成干涉配合(嵌接)。在轮缘的下侧中切出切向槽，并穿透到燕尾槽中。该穿透允许冷却空气从隔块/叶轮空腔进入到叶片中，叶轮与隔块缘边之间的嵌接配合起密封的作用。叶轮和叶片上的单独挂钩与固定环一起将叶片轴向地保持住。尽管该设计使得可在现场取下叶片，然而该设计导致在轮缘中出现不需要的应力集中。
因此，需要研制一种密封组件，其可减小或消除叶轮上的应力集中，提供针对经由隔块和叶轮之间的间隙而进入到叶片翼型中的冷却空气的有效密封，并防止来自气路的热气体被吸入到冷却空气流动路径中。
发明内容
根据本发明的一个优选方面，提供了一种用于密封在隔块与叶轮凸柱和叶片燕尾的轴向端面之间的密封件，该密封件贴靠在处于隔块与叶轮凸柱和叶片燕尾的轴向端面之间的成形空腔上。密封件可响应于转子旋转期间的离心力，从而不仅密封了叶片燕尾/叶轮凸柱端面与隔块之间的接缝，而且密封在叶片燕尾/叶轮凸柱的界面之间。成形空腔通过环形隔块上的径向向外收敛的斜面以及叶片燕尾和叶轮凸柱的轴向向前端面来形成。密封件本身是顺应着空腔的径向外端形状的编织密封件，并且尤其密封在叶片燕尾/叶轮凸柱界面上。叶轮凸柱具有轴向凸起，其叠置在隔块的缘边上，这两者之间的界面通过干涉配合(嵌接)来形成。另外，叶片燕尾具有轴向凸起，其叠置在隔块缘边上并与之径向间隔开，使得隔块缘边不会因嵌接干涉而施加载荷于叶片上。
在本发明的一个优选实施例中，提供了一种用于涡轮机的密封组件，包括：涡轮机叶轮，其具有多个围绕叶轮周边相互间周向隔开的叶轮凸柱，它们形成了多个周向隔开的大致轴向延伸的槽，叶轮具有从被槽断开的从其第一表面中轴向延伸出来的大致环形凸起；具有与中断凸起相接合的环形臂的隔块；均具有翼型和基部的多个涡轮机叶片，基部设置在槽中，各基部具有径向地叠置在臂上并与之径向隔开的轴向凸起；处于凸起的径向内侧的臂的环形面以及叶轮凸柱和叶片基部的轴向面，它们形成了环形空腔；以及设于空腔中的密封件，其可响应于在叶轮、叶片和隔块旋转时作用于密封件上的离心力而与大致轴向相对的臂的壁部分以及叶轮凸柱和叶片基部的轴向面的壁部分形成密封接合。
在另一优选实施例中，提供了一种用于涡轮机的密封组件，包括：涡轮机叶轮，其具有多个围绕叶轮周边相互间周向隔开的叶轮凸柱，在它们之间形成了多个周向隔开的燕尾形槽，叶轮具有多个相互间周向隔开并从其一个表面上轴向伸出的凸起，凸起之间的间隙与燕尾形槽轴向对齐；具有与凸起相接合的环形臂的隔块；均具有翼型和燕尾的多个涡轮机叶片，叶片燕尾设置在叶轮的燕尾形槽中，各叶片燕尾具有从其第一端面上轴向伸出并径向地叠置在臂上且与臂径向向外隔开的凸起；处于凸起的径向内侧的臂的环形面以及叶轮凸柱和叶片燕尾的轴向面，它们形成了环形空腔；以及设于空腔中的密封件，其可向应于在叶轮、叶片和隔块旋转时作用于密封件上的离心力而与大致轴向相对的臂的壁部分以及叶轮凸柱的轴向面和叶片燕尾端面的壁部分形成密封接合。
附图说明
图1是结合有根据本发明的一个优选方面的密封组件的重型涡轮机的第一和第二级的局部示意图；
图2是隔块臂、叶轮凸柱和叶片燕尾的局部透视图，显示了密封件和密封件空腔；
图3是放大的局部剖视图，显示了处于隔块、叶轮凸柱与叶片燕尾之间的密封组件；
图4是透视图，显示了叶轮凸柱和叶轮槽中的互补形叶片燕尾之间的燕尾形槽；
图5是在与用于接受叶片燕尾的燕尾槽侧面相接的叶轮凸柱处大致径向向内地看去的叶轮周边的局部透视图，显示了线密封件(wireseal)的位置；
图6A-6D是用于更换叶片和线密封件而不必拆卸转子的方法的示意图；和
图7是显示了密封件的各部分的放大剖视图。
各幅图中的标号含义如下：14叶片；16叶轮；18翼型；28隔块；34基部；36叶轮凸柱；38槽；40臂；49凸起；52凸起；60密封件；62空腔；70内芯；72硅石的上方编织层；74金属箔片层；76金属的外部编织层；64，66，68壁部分；80挂钩；82狭缝；84挂钩；86狭缝；88固定环。
具体实施方式
现在参见附图，具体见图1，图中显示了重型涡轮机10的两级的半剖面。涡轮机10包括第一级，其包括多个周向隔开的喷嘴12和叶片14。叶片14安装在叶轮16上，喷嘴12安装在固定件31上。喷嘴12和叶片14的翼型18处于箭头20所示的涡轮机的热气体路径中。涡轮机的第二级包括多个周向隔开的喷嘴22和叶片24。叶片24安装在叶轮26上，喷嘴22安装在固定件31上。喷嘴22和叶片24的翼型25处于箭头20所示的涡轮机的热气体路径中。第一级叶轮16和第二级叶轮26通过隔块28和30连接在一起，以形成涡轮机转子11的一部分。转子11可相对于固定机壳件31旋转。第一级隔块28和第二级隔块30都具有密封件29，其优选为迷宫式密封件，用于密封涡轮机机壳的固定件31。
如图1-4最佳地显示，叶片还包括叶柄32和基部如燕尾34。各叶轮的缘边还包括多个周向隔开的叶轮凸柱36(图4)，在周向相邻的叶轮凸柱36之间形成了互补形的槽如燕尾38，其用于容纳叶片的燕尾34。可以理解，叶片为通常已知类型的轴向进入式叶片，然而叶片也可以与轴线成一定角度如0-10°或更大角度地安装，并且仍被表征为大致轴向进入式叶片。
回头参见图1，可以理解，压缩机排出的冷却空气提供到第一级叶片上，压缩机的级间冷却空气被提供至第二级叶片上。压缩机排出的空气流经第一级隔块28中的孔33，进入到隔块28与叶片16之间的腔室中，并且进入到各叶片燕尾34的基部与相应叶轮燕尾38的基部之间的通道37(图1)中，以便经过叶片中未示出的一个或多个通道而大致径向向外地流动，从而冷却叶片翼型。类似地，压缩机的级间排气被提供以用于冷却第二级叶片翼型，并通过通道(未示出)而进入到第二级隔块30与叶轮26之间的腔室中，并且进入到各叶片燕尾的基部与叶轮26上的相关燕尾槽的基部之间的通道中，以便在大致径向向外的方向上流过翼型25，以用于冷却目的。
通常来说，隔块28和30通过嵌接固定在各自的叶轮16和26上。尤其是，隔块28和30具有环形的构造，并且各自具有臂40和42(图1)，各臂是固定在相关叶轮的轴向面上的环形体。隔块臂40和42各自具有环形的轴向向后的凸起41，其用于与相应叶轮处的向前端面相接合。参见图2和3，图中显示了隔块臂40与第一级叶轮16之间的嵌接，可以理解，隔块臂42和叶轮26类似地相互固定在一起。在图3中，隔块臂40终止于径向向外朝向的、大致轴向延伸的环形面44中，该环形面44与叶轮16上的径向向内朝向的轴向凸出面45相接合。表面45形成了围绕着叶轮16的向前轴向面的轴向向前伸出的中断凹口或凸起49的一部分，中断结构由周向相邻的叶轮凸柱36之间的相邻燕尾槽38来形成。也就是说，叶轮16上的中断凹口49处于一定的径向距离处，并且还截断了叶轮上的各燕尾槽38。叶轮和隔块在装配时相互间嵌接在一起，使得隔块臂40被预加载，并且被径向向外地压入到叶轮凸柱36中。这便使臂和叶轮在发动机的瞬态起动和停机期间保持牢固地相互固定在一起。
如图3最佳地显示，各叶片的燕尾基部34具有轴向向前的凸起52，其叠置在隔块臂的外环形面44上并与之径向向外地间隔开。更具体地说，各凸起52经底切加工，使得其轴向延伸面54与隔块臂40的外表面44径向向外地间隔开。这就防止了隔块28因隔块与叶轮之间的嵌接配合而对叶片加载。
从对图3的回顾可以理解，叶轮凸柱36具有向前端面，其与叶片燕尾的向前端面大致齐平。密封组件58设置在隔块臂40的邻接周边与叶片燕尾34和叶轮凸柱36的轴向端面之间。具体而言，密封组件58包括环形的线密封件60，其设置在成形空腔62中。空腔62通过隔块臂40的向后表面的壁部分64以及叶片燕尾的向前轴向端面的壁部分66和叶轮凸柱的向前轴向端面的壁部分68来形成。限定了空腔62的隔块臂40的向后表面包括径向向外地和轴向向后地倾斜的壁部分64。叶片燕尾和叶轮凸柱的端面的壁部分66，68是弧形的，并在轴向向前的方向上径向向外地倾斜。因此，空腔具有径向向外收敛的壁部分。线密封件60设置在隔块臂40上的壁部分64与叶片燕尾和叶轮凸柱的端面的壁部分66，68之间。
密封件60优选为编织的线密封件，其可响应于涡轮机转子旋转期间作用于密封件上的离心力而顺应着成形空腔62。离心力作用在线密封件上，以便使线密封件顺应着因轴向或径向方向上的叶片相对于叶轮凸柱的极小运动而形成于叶片燕尾34与叶轮凸柱36的端面之间的任何间隙。密封件60包括多层式密封件，其具有内部的、优选为编织金属线的优选为铬镍铁合金的内芯70(图7)，无定形硅石的外芯72，一层铬镍铁合金的箔片编织层74，以及优选为铬镍铁合金的外部金属线编织层76。铬镍铁合金的内芯70提供了耐用性，而硅石外芯提供了密封件的可压缩性。箔片编织层74改善了金属线的密封能力，为外部编织层76提供了空气可从中流过的主路径。然而，外部编织层提供了非常曲折的泄漏路径，这减少了密封件周围的任何空气泄漏。外部编织层76还提供了密封件在苛刻的发动机环境中的耐用性和耐久性。作为另选，线密封件60的第二构造可包括全铬镍铁合金的金属线编织层，而没有上述的无定形硅石芯体或箔片编织层。
可以理解，在涡轮机工作时，密封件60产生变形，并因作用于隔块以及叶片燕尾和叶轮凸柱的端面的密封壁部分上的离心载荷而与空腔62的其相邻径向向外末端处的形状大致顺应。因此，线密封件60密封了叶片冷却空气而避免其排入热气体路径20中，并且防止热气体进入到冷却空气流动路径中。
可以理解，上述密封装置使得可在维修停机期间沿轴向向后方向取下一个或多个叶片。具体而言，参见图6A-6D，叶片可通过沿向后方向的位移而从相应的叶轮上取下来，并且还可沿相反的向前方向安装到叶轮上。叶片可通过环形固定环而在涡轮机工作期间保持成不会轴向向后运动。如图6A-6D所示，叶轮凸柱的各向后表面具有具有径向向内地朝向的挂钩80(图6B和6C)，其形成了狭缝82。类似地，叶片燕尾的各向后表面具有径向向内地朝向的挂钩84，其在与叶轮凸柱的挂钩80和狭缝82相似的径向和轴向位置处形成了相应的狭缝86。当叶片处于叶轮上的最终位置时，分别由叶轮凸柱挂钩80和叶片燕尾挂钩84所形成的狭缝82和86轴向地对齐，使得可以安装环形的叶片固定环88。因此，当出于维修目的取下叶片或更换密封件60时，可将叶片固定环88向内移动，并从扣合的狭缝82和86上取下来。这就释放了叶片，使得叶片可在轴向向后的方向上运动，以便将叶片从相关的叶轮上取下来。
在取下叶片后，就可通过叶轮的空出的燕尾槽38(图5)来接近线密封件60，使得可在必要时或需要时取下和更换密封件60。密封件60是柔性的，并且密封件可被周向地放入到露出的密封件空腔中。然后可通过沿着燕尾槽来移动叶片的燕尾以便轴向地对齐叶片固定狭缝82和86，从而重新安装叶片或安装新的叶片。然后安装叶片固定环88，以便将叶片固定成可阻止相对于相应叶轮的轴向运动。
尽管已经结合目前被视为最实用的和优选的实施例来介绍了本发明，然而可以理解，本发明并不限于所公开的这些实施例，相反，本发明旨在覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的不同修改和等效设置。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机的密封组件，包括：
涡轮机叶轮(16)，其具有多个沿所述叶轮周边相互间周向隔开的叶轮凸柱(36)，它们形成了多个周向隔开的大致轴向延伸的槽(38)，所述叶轮具有从其被所述槽断开的第一表面中轴向延伸出的大致环形的凸起(49)；
具有与所述中断凸起相接合的环形臂(40)的隔块(28)；
均具有翼型(18)和基部(34)的多个涡轮机叶片(14)，所述基部设置在所述槽中，各所述基部具有径向地叠置在所述臂上并与之径向隔开的轴向凸起(52)；
处于所述凸起的径向内侧的所述臂的环形面以及所述叶轮凸柱和所述叶片基部的轴向面，它们形成了环形空腔(62)；和
设于所述空腔(62)中的密封件(60)，其可响应于在所述叶轮、叶片和隔块旋转时作用于所述密封件上的离心力而与大致轴向相对的所述臂的壁部分(64)以及所述叶轮凸柱和叶片基部的所述轴向面的壁部分(66，68)形成密封接合。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述隔块臂的壁部分(64)径向向外地且轴向地朝向所述叶轮延伸，所述叶轮凸柱和所述叶片基部的所述壁部分(66，68)径向向外地且轴向地离开所述叶轮延伸。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述密封件(60)由在与所述臂的壁部分以及所述叶片基部的轴向面和所述叶轮凸柱的表面的壁部分形成密封接合时可顺应着所述空腔的形状的材料形成。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述密封件(60)由金属内芯(70)、硅石的上方编织层(72)、金属箔片层(74)以及金属的外部编织层(76)形成。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，各所述叶片基部(34)具有燕尾构造，各所述槽(38)具有大致互补形的燕尾构造。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述隔块臂的壁部分(64)径向向外地且轴向地朝向所述叶轮延伸，所述叶轮凸柱和所述叶片基部的所述壁部分(66，68)径向向外地且轴向地离开所述叶轮延伸；其中所述密封件(60)由在与所述臂的壁部分以及所述叶片基部的轴向面和所述叶轮凸柱的表面的壁部分形成密封接合时可顺应着所述空腔的形状的材料形成。
7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述密封件(60)由金属内芯(70)、硅石的上方编织层(72)、金属箔片层(74)以及金属的外部编织层(76)形成；所述叶片基部具有燕尾构造，各所述槽具有大致互补形的燕尾构造。
8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述叶轮凸柱(36)具有挂钩(80)，其沿着与所述第一表面相对的所述叶轮的第二轴向面而形成了大致径向延伸的狭缝(82)，所述基部具有挂钩(84)，其沿着所述基部的端面形成了与所述叶轮凸柱的狭缝轴向对齐的大致径向延伸的狭缝(86)，还具有环形的固定环(88)，其设置在所述对齐的挂钩中，以便将所述叶片可释放地固定在所述槽中，并阻止所述叶片在向后方向上相对于所述叶轮的大致轴向位移。
9.一种用于涡轮机的密封组件，包括：
涡轮机叶轮(16)，其具有多个围绕所述叶轮周边相互间周向隔开的叶轮凸柱(36)，在它们之间形成了多个周向隔开的燕尾形的槽(38)，所述叶轮(16)具有多个相互间周向隔开并从其一个表面上轴向伸出的凸起(49)，所述凸起之间的间隙与所述燕尾形槽轴向对齐；
具有与所述凸起相接合的环形臂(40)的隔块(28)；
均具有翼型(18)和燕尾(34)的多个涡轮机叶片(14)，所述叶片燕尾设置在所述叶轮的燕尾形槽中，各所述叶片燕尾具有从其第一端面上轴向伸出并径向地叠置在所述臂(40)上且与之径向向外隔开的凸起(52)；
处于所述凸起的径向内侧的所述臂的环形面以及所述叶轮凸柱和所述叶片燕尾的轴向面，它们形成了环形空腔(62)；和
设于所述空腔中的密封件(60)，其可响应于在所述叶轮、叶片和隔块旋转时作用于所述密封件上的离心力而与大致轴向相对的所述臂的壁部分(64)以及所述叶轮凸柱的轴向面和所述叶片燕尾的端面的壁部分(66，68)形成密封接合。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征在于，所述隔块臂(28)的壁部分(64)径向向外地且轴向地朝向所述叶轮延伸，所述叶轮凸柱和所述叶片燕尾的所述壁部分(66，68)径向向外地且轴向地离开所述叶轮延伸。
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