CN1853032A - 燃气轮机和用于燃气轮机的密封构件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气轮机(1)，其具有一个围绕转子(3)布置的、由一工作介质流过的抗扭转内壳(37)。所述内壳(37)由至少两个相连的环(25，26)构成，两个直接相邻的环(25，26)之间形成一个环形间隙(23)，其中，一个环形密封构件布置在至少一个圆周槽(31)中以密封所述环形间隙(23)。本发明还涉及一种密封构件，通过所述密封构件，构成所述间隙的两个部件可以进行较大幅度的移动。根据本发明，所述环形间隙(23)分别由彼此部分重叠的环(25，26)构成，从径向上看在与工作流体(20)的流动方向相反的方向上延伸；所述的两个环中从流动方向来看位于前面的环(25)具有一个与实施为环形弹性元件(24)的密封构件相接触的环形接触面(32)，所述弹性元件(24)以紧绷的状态贴在所述环形接触面上，从而密封住所述环形间隙(23)。

Description

燃气轮机和用于燃气轮机的密封构件
技术领域
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的燃气轮机和一种权利要求9前序部分所述的、用于燃气轮机的环形密封构件，其中，所述燃气轮机具有一个围绕转子布置的抗扭转内壳。
背景技术
EP 1 118 806 A1公开了这样一种燃气轮机。这种燃气轮机上布置了一个伸出的弯曲附件，用于密封一个形成在两段部分重叠的壁之间的间隙。这种弯曲附件在温度的影响下会发生弯曲，从而达到密封所述间隙的目的。
EP 896 128公开了一种用于一种燃气轮机的密封元件。这种燃气轮机具有一个由复数个相邻涡轮导向叶片组成的导向叶片环，这些涡轮导向叶片构成了一个环形热气通道。布置在涡轮叶片上的复数个平板构成了热气通道的内外侧边界。这些直接相邻的平板的彼此毗连的端面之间形成了一个间隙，这个间隙可以用一个密封元件来密封。为此在每个端面上均设置了一个槽，这些槽彼此相对，所述密封元件就是插入这些槽中。所述横截面呈“C”形的密封元件具有两个弯曲的末端，这两个末端分别伸入一个槽中，使得密封元件上的两个沿垂直于槽底方向延伸的突起分别与槽的一个侧面毗连，从而达到密封两个相邻平板之间的间隙的目的。这样就可以防止在热气通道中流动的工作流体穿过这个间隙从热气通道中泄漏出去。
此外，DE 100 44 848公开了一种密封元件，这种密封元件用于密封一个形成在两个静态涡轮零件之间的间隙。这种密封元件同样是插入两个彼此相对的槽中，但其几何形状与EP 896 128公开的密封元件的几何形状不同。这种密封元件的作用和功能与上文所述的密封元件的作用和功能相同。
燃气轮机工作时，一些接触热气的部件，例如导向叶片和导向叶片的平板上会出现热膨胀现象。这种热膨胀现象会导致部件之间发生相向位移。
当出现平行于间隙的剪切位移时，上述已公开的密封元件只能实现一个较小的位移距离。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于燃气轮机的密封构件，所述密封构件即使在位移距离较大的情况下也能发挥作用。本发明的另一个目的是提供一种相应的燃气轮机。
本发明有关上述燃气轮机的目的通过权利要求1所述的特征来实现；本发明有关上述密封构件的目的通过权利要求9所述的特征来实现。
本发明有关燃气轮机的解决方案是：所述密封构件实施为一个具有一个第一末端、一个第二末端和一个位于两个末端之间的弹性区域的弹性元件；位于两个环中的一个环上的第一末端固定在一个开口朝向环形间隙的圆周槽中；另一个环上的凸缘具有一个和弹性元件的第二末端接触的环形接触面，弹性元件以紧绷的状态贴在这个环形接触面上，从而密封住环形间隙，其中，为了产生预应力，弹性区域支承在一个环形支承面上，这个环形支承面布置在其中一个环的凸缘上，并且朝向环形接触面。
燃气轮机工作时，所述的两个环会由于热膨胀而发生相向位移。这种位移可能平行于环形接触面，可能垂直于环形接触面，也有可能两种位移同时发生。其中，弹性预应力的作用是在环形接触面上对弹性元件进行自动引导，但在此过程中，弹性元件并不失去其与环形接触面之间的接触，因而也不会失去它的密封作用。其中，仅仅接触线发生了轴向上沿环形接触面的位移。
为了产生弹性预应力，弹性元件将一个环形支承面用作支座，该环形支承面布置在外侧凸缘朝向热气通道的内侧上。其中，弹性元件两个末端之间的部分至少部分地贴在支座上。由于将弹性元件支承在一个支座上后，弹性元件的自由端，或者说是第二末端可以发生特别大的径向位移，因而可以保证弹性元件的正常密封作用；也就是说，即使间隙尺寸显著增大，弹性元件的密封作用保持不变。
由于从横截面上看弹性元件具有一个长条形的结构，因而所述的两个部件之间有可能发生较大距离的相向剪切位移，即以转子为参照的径向位移。
从属权利要求涉及的是有利的设计方案。
根据一种合理的方案，内壳呈锥形，围绕转子布置，其锥形体朝流动方向发散。
当从流动方向来看位于前面的环具有径向上位于内侧的凸缘，后环具有径向上位于外侧的凸缘，从而使得环形间隙从径向上看在与工作流体的流动方向相反的方向上延伸时，就可以实现布置在相邻环上的、向发散方向延伸的凸缘的简单重叠。这种配置加大了热气渗入有待密封的间隙时的难度，因为热气渗入时由于流动方向的倒转而失去了动能，其中，流动方向的倒转是热气进行90°偏转时而引起的。这样，热气仅在弹性元件上加载了一个径向上向外的、小于弹性预应力的力。
为此要将弹性元件的固定端嵌入后环端面上的一个圆周槽中，其中，弹性元件的固定端起到的是一个固定轴承的作用，可以通过焊接或钎焊与后环气密连接。这样，弹性元件在发生位移时总是和后环同步移动。
根据另一种设计方案，环形接触面布置在径向上位于内侧的凸缘的远离工作流体的一侧上，也就是布置在前环上。这样，横截面呈“S”形的弹性元件就可以通过其自由端紧密地贴在环形接触面上，其中，弹性元件的自由端起到的是一个活动轴承的作用。
特别有利的设计方案是，内壳外部可以有一冷却介质流动，其压力大于内壳内部的工作流体的压力，密封构件的弹性作用在压差的方向上。这样，冷却介质和工作流体之间不容忽视的压差促进了弹性元件的弹性。由此而产生的附加的压紧力与弹性元件上可以受到冷却介质作用的面积相关，这个压紧力随着压差的上升而变大。这种附加压紧力可以改善密封效果。即使出现弹性预应力变小的情况，也能保证在燃气轮机工作时弹性元件的自由端稳定地贴在环形接触面上。
本发明有关用于燃气轮机的密封构件(用于密封一个形成在两个直接相邻的部件之间的间隙，这两个部件在间隙区域内分别具有一个凸缘，因而彼此部分地重叠)的解决方案是：所述密封构件实施为一个具有一个第一末端、一个第二末端和一个位于两个末端之间的弹性区域的弹性元件；位于两个部件中的一个部件上的第一末端固定在一个开口朝向间隙的槽中；另一个部件上的凸缘具有一个和弹性元件的第二末端接触的接触面，弹性元件以紧绷的状态贴在这个接触面上，从而密封住所述间隙，其中，为了产生预应力，弹性区域支承在一个支承面上，这个支承面布置在其中一个部件的凸缘上，并且朝向所述接触面。
所述燃气轮机的优点同样也适用于所述密封构件。
附图说明
下面借助附图对本发明进行说明，其中：
图1为一个配有一个密封构件的环形间隙；
图2为一个燃气轮机的纵向局部剖视图；以及
图3为图1所示的环形间隙，且其具有复数个交错排列的环。
具体实施方式
图2显示的是一个燃气轮机1的纵向局部剖视图。燃气轮机1的内部具有一个支承在一个旋转轴2上的转子3，转子3可以围绕旋转轴2旋转，又称为涡轮转子或转子轴。沿着转子3依次布置着一个吸进壳体4、一个压缩机5、一个配有若干个共轴布置的燃烧器7的环形燃烧室6、一个涡轮8和一个排气室9。
压缩机5中有一个环形的压缩机通道10，其横截面朝环形燃烧室6方向逐渐变小。压缩机5靠近环形燃烧室一侧的出口上布置着一个与环形燃烧室6形成流体连通的扩散器11。环形燃烧室6构成一个用于容纳由一燃料和压缩空气构成的混合物的燃烧区12。一个热气通道13与燃烧区12形成流体连通，其中，排气室9布置在热气通道13的下游。
压缩机通道10和热气通道13中分别布置了彼此交错的叶片环。每个由导向叶片14组成的导向叶片环15后面分别布置着一个由工作叶片16组成的工作叶片环17。其中，固定的导向叶片14与一个导向叶片承载件18相连，工作叶片16则通过一个涡轮叶轮盘19连接在转子3上。
导向叶片14固定在导向叶片承载件18上，并在其朝向导向叶片承载件18的末端上具有平板21，这些平板21构成了热气通道23朝向外部的一个边界。从流动方向来看，导环22与导向叶片14的平板21相邻布置，导环22与工作叶片16的顶端相对，并且构成了热气通道13的边界。其中，一个导向叶片环15的各个导向叶片14的平板21构成一个环25，环25与由复数个分段构成的导环22相邻布置，且二者之间形成一个环形间隙23。导环22和由平板构成的环构成流过这些环的工作流体20的一个内壳37。
燃气轮机1工作时，压缩机5通过吸进壳体4吸入空气21，并在压缩机通道10中对这部分空气21进行压缩。在压缩机5靠近燃烧器一侧的一端上产生的压缩空气L被扩散器11输送到燃烧器7中，并在这里与一燃料混合。这部分由压缩空气和燃料构成的混合物在燃烧区10中燃烧，形成一种工作流体20。工作流体20从燃烧区10流出并流入热气通道13中。工作流体20在布置在涡轮8中的导向叶片14以及工作叶片16上以脉冲传输的方式降压，从而驱动转子3和一个与其耦接的做功机器(图中未显示)。
图1显示的是燃气轮机1上带有一个间隙，例如一个环形间隙23的一部分。其中，环形间隙23形成于一个第一部件，即导向叶片14的平板21，和一个第二部件，即导环22之间。图1只显示了对于本发明而言重要的结构部件，也就是说，没有显示导向叶片14和工作叶片16，也没有显示导环22和平板21的紧固件。
从工作流体20的流动方向来看，平板21构成了前环25，导环22构成了后环26。前环25上有一个径向上位于内侧的第一凸缘27，第一凸缘27沿热气通道13的锥状走向向布置在下游的后环26的方向延伸。后环26上有一个径向上位于外侧的第二凸缘28，径向上从内向外看，第二凸缘28与第一凸缘27重叠，使得环形间隙23从其横截面上看是一个重叠间隙。当径向上位于外侧的凸缘28布置在前环25上，位于内侧的凸缘27布置在后环26上时，出现一个重叠间隙自然也是有可能的。
沿着环形间隙23以从内向外的方向观察，环形间隙23首先具有一个沿径向延伸的部分，由于外侧凸缘28的存在，这个部分在一个弯曲部38处发生偏转，从而出现一个在轴向上与之相连的部分29，部分29在与工作流体20的流动方向相反的方向上延伸。之后出现一个第二弯曲部，这个弯曲部使得环形间隙23重新向径向偏转。
第一凸缘27远离工作流体20的一侧上布置着一个环形接触面32。外侧凸缘28上的环形支承面33与环形接触面32彼此相对。
后环26与前环25相对的端面30上布置了一个槽，这个槽优选为一个圆周槽31。
弹性元件24的第一末端34被折起，并插入圆周槽31内。其中，圆周槽31的宽度可以略小于弹性元件24的材料厚度的两倍，这样就可以使弹性元件24很好地贴附以及牢固地连接在后环26上。此外，也可以在圆周槽31中将弹性元件24与后环26钎焊或焊接在一起。
弹性元件24上横截面呈略微凸起的圆弧状的弹性区域与弹性元件24的第一末端34相连，这个弹性区域支承在环形支承面33上。由此，弹性元件24中产生了一个朝环形接触面32方向的预应力。
与凸圆弧，即弹性元件24的弹性区域相连的是弹性元件24的一个由一个凹圆弧39构成的自由第二末端35。为了使第二末端35可以很好地在环形接触面32上移动，弹性元件24的凹圆弧39沿着一条朝切线方向的接触线40气密地贴在环形接触面32上。
贴附在环25、26上的弹性元件24同样实施为一个分段环，它将一个被环25、26与热气通道13隔开的后室36与热气通道13气密地分隔开。
为了冷却加载了热工作流体20的环25、26或它们的部分分段，后室36中流动着一种冷却流体，其压力大于工作流体20的压力。弹性元件24的预应力受到了一个由于压差而产生的力的支持，使得弹性元件24可以更紧地贴在环形接触面32上。由于一个环上各分段之间不可避免的位置偏差或者由于环形接触面32的表面粗糙度而造成的少量冷却流体的泄漏，可以起到冷却弹性元件24的作用。
其中，可以使用一种耐热合金，例如一种商品名称为Nimonic 90(尼莫尼克镍基合金90)来制造弹性元件24。
图3显示的是由于出现热膨胀而发生相向位移的环25、26。与图1相比，从工作流体20的流动方向来看，环形间隙23的部分29的长度有所减小，而凸缘27、28之间的距离和环形接触面32与环形支承面34之间的距离与图1相比则有所增大。以转子3为参照，构成环形间隙23的两个环25、26在径向和轴向上都发生了相向位移。
图4是相对于图3的另一种选择性方案，图4显示的是一个由于圆周槽31的顶撑而像球状关节般夹紧的弹性元件24，这样，弹性元件24就可以像一段铰链一样进行小幅移动。
在弹性预应力的作用下，弹性元件24的自由端35在即使发生大距离位移时仍然与环形接触面32相接触，这样就可以达到密封后室36从而将其与热气通道13隔开的目的。通过使少量泄漏出来的冷却流体穿过环形间隙23进入热气通道中，不仅可以取得比现有技术更好的密封效果，还可以减少冷却流体的泄漏。
由于平板21和导环22采取的是环形配置，并且这些部件需要径向装配，因此，说明书和权利要求书中所述的平板21、导向叶片环15、环22、25、26和弹性元件24均可以只理解为各环的分段。
此外，本发明所提供的密封构件不仅可以安装在一个单个叶片环上的相邻平板之间，当需要密封的部件之间形成了一个重叠间隙时，也可以安装在燃气轮机的其他区域，例如燃烧室中。

Claims (11)

1.一种燃气轮机(1)，其具有一个围绕转子(3)布置的、由一工作介质流过的抗扭转内壳(37)，
所述内壳(37)由至少两个相连的环(25，26)构成，两个直接相邻的环(25，26)之间形成一个环形间隙(23)，所述环(25，26)在所述环形间隙(23)区域内分别具有一个沿所述工作介质(20)的流动方向延伸的凸缘(27，28)，所述凸缘(27，28)部分重叠，其中，设置了一个用于密封所述环形间隙(23)的环形密封构件，
其特征在于，
所述密封构件实施为一个具有一个第一末端(34)、一个第二末端(35)和一个位于两个末端之间的弹性区域的弹性元件(24)，
位于所述两个环中的一个环(26)上的第一末端(34)固定在一个开口朝向所述环形间隙(23)的圆周槽(31)中，
所述两个环中的另一个环(25)上的凸缘(27)具有一个和所述弹性元件(24)的第二末端(35)接触的环形接触面(32)，所述弹性元件(24)以紧绷的状态贴在所述环形接触面上，从而密封住所述环形间隙(23)，
其中，为了产生预应力，所述弹性区域支承在一个环形支承面(33)上，所述环形支承面(33)布置在所述的其中一个环(26)的凸缘(28)上，并且朝向所述环形接触面(40)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述内壳(37)呈锥形，围绕所述转子(3)布置，其锥形体朝流动方向发散。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
从流动方向来看位于前面的环(25)具有径向上位于内侧的凸缘(27)，后环(26)具有径向上位于外侧的凸缘(28)，从而使得所述环形间隙(23)从径向上看在与所述工作流体(20)的流动方向相反的方向上延伸。
4.根据权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于，
所述第一末端(34)作为所述弹性元件(24)的固定端通过焊接或钎焊与所述圆周槽(31)紧密相连。
5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的装置，其特征在于，
所述环形接触面(32)布置在所述径向上位于内侧的凸缘(27)远离所述工作介质的一侧上。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
横截面呈“S”形的弹性元件(24)通过其第二末端(35)紧密地贴在所述环形接触面(32)上，其中，所述第二末端(35)位于所述第一末端(34)的另一端，是所述弹性元件的自由端。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的装置，其特征在于，
所述内壳(37)外部可以有一冷却介质流动，其压力大于所述内壳(37)内部的压力，
所述密封构件的弹性作用在压差的方向上。
8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的装置，其特征在于，
从流动方向来看位于前面的环(25)构成径向上位于外侧的凸缘(27，28)，后环(26)构成径向上位于内侧的凸缘(27，28)，从而使得所述环形间隙(23)从径向上看沿所述工作流体(20)的流动方向延伸。
9.一种用于一燃气轮机(1)的密封构件，
所述密封构件用于密封一个形成在两个直接相邻的部件之间的间隙，
所述部件在所述间隙的区域内分别具有一个凸缘，所述凸缘部分重叠，
其特征在于，
所述密封构件实施为一个具有一个第一末端(34)、一个第二末端(35)和一个位于两个末端之间的弹性区域的弹性元件(24)，
位于所述两个部件中的一个部件上的第一末端(34)固定在一个开口朝向所述间隙的槽(31)中，
所述两个部件中的另一个部件上的凸缘具有一个和所述弹性元件(24)的第二末端(35)接触的接触面，所述弹性元件(24)以紧绷的状态贴在所述接触面上，从而密封住所述间隙(23)，
其中，为了产生预应力，所述弹性区域支承在一个支承面上，所述支承面布置在其中一个部件(26)的凸缘(28)上，并且朝向所述接触面(40)。
10.根据权利要求9所述的密封构件，其特征在于，
所述弹性元件(24)的第一末端(34)通过焊接或钎焊与所述圆周槽(31)不可分离地连接在一起。
11.根据权利要求9或10所述的密封构件，其特征在于，
横截面呈“S”形的弹性元件(24)通过其第二末端(35)气密地贴在一个部件(25，26)的接触面(32)上，其中，所述第二末端(35)位于所述第一末端(34)的另一端。
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