CN1946957A - 尤其用于燃气轮机的片式密封件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

用于尤其在燃气轮机中对围绕着一个轴线旋转的轴进行密封的片式密封件，包括多个彼此间保持间距的薄片(26)，这些薄片(26)设置在一个围绕着前述轴线的同心圆中并且借助于通过电子束焊接而生成的焊接连接固定在自己的位置中，其中薄片(26)的表面基本上平行于前述轴线。薄片的焊接连接如此进行改进，方法是：如此构造薄片(26)且将其设置在片式密封件中，使得这些薄片(26)在侧边缘上沿着至少一条延伸越过多个薄片(26)的接触线(36)直接地或通过中间的间隔件(27)而彼此紧靠，并且焊接连接是沿着所述至少一条接触线(36)导引的焊缝且轴向定向。

Description

尤其用于燃气轮机的片式密封件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于旋转机器的密封件的领域。本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的片式密封件。

背景技术

燃气轮机包括一个转子和一个定子壳体，在转子上布置了具有压缩机叶片和涡轮机叶片的不同级。该转子安装在轴承中的转子轴的每个端部上。

对燃气轮机内部气流的控制不仅对功能性而且对效率来说都有极其重要的意义。在沿着转子轴的不同位置上，都采用了密封技术，用于减少沿着转子轴的轴向气流。这除了轴承之外也极其重要，因为它用于防止在轴承中使用的油因气流的热气体而过热。

传统上，在这种情况下使用两种密封技术，多数情况下二选一，有时也结合使用。它们是迷宫式密封件和刷式密封件。

迷宫式密封件在转子和定子之间没有金属-金属-接触，因此其密封效果比较小。但它们具有旋转摩擦低并因此实际使用寿命不受限制的优点。

另一方面，刷式密封件由于在刚毛端部和转子轴之间的摩擦而产生较高的摩擦损失。这就导致磨损，从而限制了密封件的使用寿命。但刷式密封件尤其在轴向压差较高时具有更好的抑制轴向气流的作用。

将这些密封技术用于燃气轮机中具有很多限制。首先，它们能够经受住的轴向压差相当小。在使用刷式密封件的情况下，原因就在于刚毛，这里的刚毛在轴向上和圆周方向上具有相同的刚度：很高的压力会促使刚毛在轴线方向上变形。而且密封件的允许显著的径向运动且经受住这种显著径向运动的能力很低。

刷式密封件的设计经常是在应该提供足够的轴向支持的支撑板的应用和不限制径向运动之间进行折衷。

为避免已公开的刷式密封件的缺点，在US-B1-6,343,792中提出了一种片式密封件(“leaf seal”)，该密封件具有与迷宫式密封件或刷式密封件相同的功能，不过兼有二者的优点。这里放弃了由钢丝制成的具有圆形横截面的刚毛，而是将薄的金属片或金属叶以特定的结构装配在一起(比如参见US-B1-6,343,792的图3或者本专利申请的图1)。对表面基本上平行于轴线方向的薄片来说，其在轴线方向上的刚度比在圆周方向上的刚度大得多。因此，该密封件可以经受住更高的压差，而其允许径向运动的可能性则不受限制。同样，转子上有一个很宽的区域被薄片的顶端所搭接，该区域在工作过程中提供了产生一种液压力的机会，此液压力可以将薄片顶端与轴分开。通过这种方式，可以产生几个微米的间距并且加以保持，从而就将磨损、摩擦热和摩擦损失降低到几乎为零。

这种基本设计包括多个薄金属片，这些金属片之间具有一个受到控制的气隙，并且它们相对于半径以一个规定的角度进行固定。该气隙是一个重要的设计参数：它实现了气流的出现，用于以此产生液力效应；但它不得大到允许产生过量的轴向泄漏气流。

片式密封件的设计可以有两种方案：在其中一种方案中，薄片被向下吹，而在另一种方案中薄片则被向上吹。薄片向下吹的方案理解为，在装配及起动过程中在薄片顶端和轴之间有一个间距，并且该间隙因在薄片之间气流的使用而减少到非常小的数值。另一方面，薄片向上吹的方案则理解为，在起动过程中在薄片顶端和轴之间有微小的相互影响，并且在轴加速时产生一个间距。在这两种情况下，通过薄片之间的气隙的介质流，就象对通过薄片顶端产生的密封件的内径进行控制一样都十分重要。

穿过薄片的气流可以通过使用一块前板和一块后板进行改变，这两块板薄片束的表面和板之间流出一个狭窄的间隙(参见上述图1和3)。对这种几何形状进行认真设计，就可以对上吹效果或下吹效果进行控制。同样，通过沿着薄片的长度或者从前侧向里面或者从背侧方向向里面进行主动的压力供给来支持下吹效果，这一点同样值得期待。

片式密封方案的其它主要优点之一是，其径向运动的公差大于迷宫式密封件或刷式密封件的径向运动公差。这要求在前后板的内径和轴之间具有大的间距。

根据所选择的密封件几何形状以及有待密封的轴的直径，薄片的数量可以为几千个或数千个。可以用一定的精确度来进行制造、装配和连接，其中要保证在每对薄片之间的气隙可以再现，这种精确度对成功地完成每种可能的密封设计来说十分重要。

用于将薄片固定在其位置中的接合方法可以是一种机械技术，如夹紧、焊接或硬钎焊或者这些方法的每种可能的组合。很明显有一点很重要，那就是在接合过程中出现的薄片或其相对位置的缺陷最小。

在前述公开文献US-B1-6,343,792中，早已提出了不同的接合方法。在那些属于该公开文献的图1到21的实施方式中，薄片的上端头边缘硬焊在一个壳体中。在按照图22到28的实施方式中，薄片通过一种已知的焊接法如激光焊接、电子束焊接(Electron Beam WeldingEBW)或TIG(钨极惰性气体保护焊)焊接固定在弧形段中，其中在径向方向上从外面穿过该段一直焊接到薄片的上端头边缘(参见图25和说明书第20页第7-48行)。薄片之间的间距在此可以通过压制在薄片中的定位件(图22到24)、通过单独的间隔件(图27A)、或者通过集成式间隔件(图27B)进行调节。关于电子束焊接的使用，在该公开文献中未作更详细的说明。

电子束焊接是一种方法，它在一种工业基础上用于在一个很广泛的不同合金及几何形状的范围内开发或生产由组件装配成的装置。

以很高的程度聚焦的热输入特性以及用于控制该方法的精确度使得该方法特别适用于对具有或不具有间隔件的用于片式密封件的薄片进行焊接。

在电子束焊接中使用了一些专用装备用于产生电子束。该装备包括一个用于发射电子的阴极，这些电子而后借助于高压沿着一个抽真空的柱子往下加速，并且以精确控制的能量和位置作为很窄的射束聚焦于基底上。

射束的穿透深度随射束能量及目标材料的密度而变化，但通常在几十个微米直到数毫米的范围内。材料的被电子束击中的部分很快熔化，并且与周围的材料产生熔焊连接。

为最佳地使用电子束焊接，应该使有待彼此连接的部分元件(在本专利申请的图5中23a、b)的有待焊接的表面保持紧密接触(接合点24)，以便产生一个可承受负荷的焊缝25。这不同于大多数焊接法(参见本专利申请的图4)，在大多数焊接法中，通常在有待连接的部分元件20a、b之间需要一个空腔21作为填料的装料空间，从而产生一个可承受负荷的焊缝22。

在电子束焊接中材料的缺陷值很低，这一点为该方法所固有，这也使得此方法尤其适合于对极易受到这种干扰影响的很薄的组件如薄片进行焊接。

本发明源于在制造片式密封件时这种电子束焊接的使用，片式密封件由单个的薄片在带有或不带单独的间隔件的情况下装配而成。

在此，薄片必须由一种合适的材料制造而成，这种材料可轻易地通过电子束焊接进行焊接。薄片的设计及其装配必须认真控制，以便借助于电子束焊接对接合进行优化。

本发明尤其由此出发，成功的电子束焊接基于在有待连接的表面之间的紧密接触，这种紧密接触是为了将在焊接时出现的缺陷降低到最低限度。如在公开文献US-B1-6,343,792中所公开的，这种紧密接触在接合技术中得不到保证。在接合技术中，在径向方向上从外面穿过弧形段状的夹持件进行焊接，并且将薄片的上端头边缘一同包括在内，这里的上端头边缘由于其在一个圆上的布置而彼此保持相对较远的间距。出于上述原因，焊接过程的一种这样的设计方案对于使用电子束焊接具有极大的缺点。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种焊接的片式密封件，并且说明一种其制造的方法，这种密封件避免了已知的片式密封件的缺点，并且其突出之处尤其在于在焊接连接区域内的缺陷明显降低。

该任务通过权利要求1和12所述的特征的总和得到解决。本发明的核心在于，如此构造薄片并设置在片式密封件中，使得它们在侧边上沿着至少一个延伸越过多个薄片的接触线直接地或者通过中间的间隔件而彼此紧靠，并且将焊接连接构造为沿着所述至少一条接触线而导引的焊缝。沿着接触线进行电子束焊接，在这些接触线上有待连接的元件直接彼此紧靠，由此就产生特别高质量的焊接连接，这种焊接连接尤其能应付在燃气轮机中出现的负荷。

优选设置间隔件以调节薄片之间的间距，其中所述至少一条接触线在间隔件的范围内延伸，并且间隔件设置在薄片的外端部区域中。间隔件可以设置在薄片上作为厚度更大的区域，其中间隔件要么具有恒定的厚度，要么其厚度向里逐渐减小。

但间隔件也可以是压制在薄片中的元件。在这种情况下，通过一种简单的冲压或压制过程来制造薄片，并且随后可以容易地彼此对齐且彼此连接(焊接)。

优选每个薄片在径向方向上具有至少两个先后设置的压制的间隔件，这些间隔件确定了薄片的彼此之间的相对位置，也就是间距和倾角。

可以在总体上将薄片的外面的端部夹持在一个壳体中并且与壳体焊接在一起，其中薄片彼此间的连接以及与壳体的连接优选通过设置在侧面上的在轴线方向上延伸的焊缝进行，这些焊缝穿过壳体一直到达薄片。

但薄片也可以在外侧面上与一个在外面环绕的整个或分段的支承环焊接在一起，而后将支承环夹持在一个壳体中。

按本发明的方法的一种优选的设计方案的特征在于，薄片夹持在一个壳体中，并且穿过该壳体彼此间进行焊接并且与该壳体进行焊接。最好是对直的部分进行焊接，而后再将其弯曲。

为设置薄片，优先使用集成在薄片中的间隔件，这种间隔件通过一种压制过程或一种蚀刻过程(PCM＝光化学加工)压制在薄片中。在制造了配有间隔件的薄片之后，将薄片装入一个夹紧机构中，在该机构中将薄片固定地调整在其对以后的片式密封件来说独特的位置中。

附图说明

下面借助于实施例根据附图来更详细地说明本发明。附图示出：

图1示出了一种片式密封件的典型结构的透视侧视图，这种片式密封件例如在燃气轮机中得到应用；

图2示出了单个薄片与径向方向倾斜的布置沿轴线方向的侧视图，这里的薄片在中间有间隔件；

图3示出了一个与图1类似的片式密封件的视图，该密封件沿圆周方向具有一块前端板和后端板；

图4示出了在常规的用填料进行焊接时焊接处的结构；

图5示出了与图4相比较在进行电子束焊接时焊接处的结构，在这种焊接中有待焊接的部分元件以很紧密的接合点彼此紧靠；

图6示出具有集成式间隔件的薄片束沿轴线方向的视图，这里间隔件具有恒定的厚度，薄片由于角度偏差在间隔件和薄片之间的过渡部分上形成一个连续的圆形接触线，按本发明，薄片沿着接触线彼此焊接在一起；

图7示出了一个薄片束的与图6相类似的视图，这里的薄片具有集成式呈轻微楔形的间隔件，这些间隔件在楔角与相邻的薄片之间的角度偏差相同时就在间隔件的整个表面范围内进行接触；

图8示出了一个薄片束的与图6相类似的视图，这里的薄片具有集成式压制的成对间隔件，这些间隔件自动地调节相邻薄片之间的正确的间距和角度偏差并加以定位，并且构造出多个同心的适合于焊接的接触线；

图9示出了按本发明的一种实施例的片式密封件的一个区段，在该实施例中从侧面穿过一个接纳薄片的壳体对薄片进行焊接；并且

图10示出了在将一个具有压制的间隔件的薄片束与一个支承环焊接在一起时的两个步骤，其中薄片首先借助于间隔件彼此进行定位(图10a)，并且随后拉拔焊缝用于使薄片与薄片以及薄片与支承环连接。

具体实施方式

在图1中示出一个片式密封件的典型结构的透视侧视图，这种片式密封件例如在燃气轮机中得到使用。片式密封件12使燃气轮机10的一个沿箭头方向旋转的转子轴11相对于壳体14进行密封。在转子轴11和壳体14之间的圆圈形空腔中，将一束紧密地彼此保持间距的薄片13布置在一个环中。薄片13的表面平行于机器的旋转轴线。薄片按照图2与径向方向倾斜一个角度w1，并且在其中分别有一个狭窄的间隙或空腔18，其优选通过设置在薄片13之间的间隔件17确定。图2的间隔件17作为单独的元件示出。但它们也可以如在图6-8中所示集成在薄片中。

按照图1和3，气流可以通过薄片13通过使用前后各一个端板15或16进行改变，这两个端板在薄片束的表面和端板15、16之间流出一个狭窄的间隙(图3中的间距a和b)。对这种几何形状进行认真设计，就可以对开头提到的上吹效果或下吹效果进行控制。同样，通过沿着薄片的长度或者从前侧向里面或者从背侧方向向里面进行主动的压力供给来支持下吹效果，这一点同样值得期待。

图1或3中所示的薄片密封方案的其它主要优点之一就是，其径向运动的公差大于迷宫式密封件或刷式密封件径向运动的公差。这要求在前后两块端板15、16的内径和转子轴11之间具有大的间距(图3中的间距c和d)。在薄片13和转子轴之间的间隙(在图3中的间距e)仅为几微米。

成功的电子束焊接基于在部分元件23a、b(图5)的有待连接的表面之间的紧密接触，以便将出现的缺陷降低到最低限度。这些要求必须在装配好的薄片上尽可能良好地得到满足。

如果一个薄片束的薄片直接并合在其最终的圆形位置中，那就必须认真地注意到每个薄片相对于其相邻薄片的角度偏差。这一点在图6中借助于本发明的优选的第一实施例得到展示。薄片26在这里具有集成式间隔件27，这些间隔件27具有加厚的端部区域的形式且具有恒定的厚度。如果薄片束的单个薄片26以必需的角度偏差并合在一起，那就在薄片26之间产生间隙或空腔29，并且在薄片束的外边缘上或上边缘上产生楔形间隙28，从而使该外边缘不具有对最佳的电子束焊接来说所必需的相邻薄片之间的紧密接触。更确切地说，相邻薄片之间的接触出现于间隔件27和薄片之间的过渡区上，并且形成以虚线示出的接触线36。

所示出的在薄片26之间的点对点接触的接触线36是电子束焊接的优选焊接线。在薄片束的外边缘上应用电子束焊接，这里示出了薄片26之间的间隙28，这里的电子束焊接相反更加容易遭受收缩缺陷。而且同样更加难以对焊接的穿透深度进行控制，因为电子束在无阻力的情况下可以穿入薄片26之间的间隙28中。

在图7和8中示出了用于减少该问题的几种可能的替代方案。在图7中，薄片30同样在其外端部上具有加厚区域形式的集成式间隔件31，用于在薄片30之间提供必要的间隙或空腔32。在该实施例中如此实现并确定相邻薄片之间的角度偏差，方法是：以一个楔角w2楔形地构造集成式间隔件31，从而使其厚度向里均匀地逐渐减小。其结果是，薄片30在集成式间隔件31整个表面范围内相互接触，也就是说，接触线扩大成一个接触带。

同样在图8中，薄片33在其外端部上具有压制的水平卷边形式的集成式间隔件34、35，这些卷边在径向方向上先后设置且彼此保持间距。在间隔件34、35具有合适造型的情况下，在相邻薄片之间不仅可以自动调节正确的角度偏差，而且自动调节正确的间距，从而可以使压制的薄片33以简单的方式并合成薄片束，并且随后可以立即进行焊接。在图8中示出的集成式间隔件34、35中，出现了用虚线画出的四条接触线37，可以沿着这四条接触线37进行电子束焊接。

图6-8中示出的设计方案涉及具有集成式间隔件的薄片。但类似的方案也同样可以很好地在具有独立的间隔件的薄片上应用。

尤其在图8中示出的按所述方法构造出的间隔件的使用具有许多优点。其一，薄片与薄片的角度偏差得到精确调节，以此就减少了对薄片进行精确并合的必要性。其二，如图8清楚示出的一样，这里有大量线条，电子束焊接可以聚焦于这些线条上，用于产生可以接受的缺陷小的焊接。

如上所述，薄片可以按照图8通过一种工艺如压制形成。压制法实现了在表面上显现的特征产生，这具有不止一个优点：利用合适的设计及合适的开发，压制的特征就可以如上所示一样协助薄片彼此间进行精确的定位；此外，压制的特征还可以产生从一个薄片到下一个薄片之间所必需的角度偏差；并且这些特征还提供了接触点，用于提高电子束焊接的效率。

另一种在图9中所示的电子束焊接的方案在于，壳体39可以直接围绕着薄片38的位置确定的端部的外侧面进行焊接。T形薄片38可以组合在该壳体中并进行定位，并且而后电子束焊接从侧面在预先规定的线条上通过壳体39穿透而过，并且通过相应的焊缝40在一个唯一的步骤中将薄片38焊接在一起。

如果-如在图8中所示-要在制造薄片时使用一个压制步骤，也就是要么独立地使用压制法，要么与另一种板材成型法结合使用，那就有这种可能性，即让薄片直接从压制模具落入一个合适地设计出的夹紧机构中。这种(在附图中未示出)夹紧机构而后将薄片定向且定位于其相对位置中。这可以用所期望的最终的弯曲或在一个直的区段中进行。这样一个直的区段可以在一个直线形位置中进行焊接，焊接的长度而后可以折弯成最终的弯曲度，也就是在最终焊接在一个支承环或另一种结构化的支座上之前。

在图10中分两个分步骤(图10a和图10b)示出了一种这样的过程。按照图8配有压制的集成式间隔件34、35的薄片33按照图10a并合成一个薄片束，其中通过间隔件34、35调节出正确的间距和角度偏差。而后将薄片沿着其中一条接触线37通过电子束焊接以第一焊缝41连接在一起。而后，将具有彼此间焊接在一起的薄片33的薄片束装入一个比如由一个零件组成的或分段的并且例如由两个半体组成的支承环43中，并且按照图10b借助于第二焊缝42与支承环43固定连接。然后，将配有薄片33的支承环43装入壳体中一个为此设置的凹腔中。

                    附图标记列表

10         燃气轮机

11         转子轴

12         片式密封件

13         薄片

14         壳体

15，16     端板

17         间隔件(单独的)

18         间隙(空腔)

19         气流

20a，b     部分元件

21         空腔(装料空间)

22，25     焊缝

23a，b     部分元件

24         接合点

26，30，33 薄片

27，31     间隔件(集成的)

28         间隙(楔形的)

29，32     间隙(空腔)

34，35     间隔件(压制的)

36，37     接触线

38         薄片

39         壳体

40         焊缝

41，42     焊缝

43         支承环

a，...，e  间距

w1，w2     角度

Claims (17)

1.用于尤其在燃气轮机(10)中对围绕着一个轴线旋转的轴进行密封的片式密封件(12)，该片式密封件(12)包括多个彼此间保持间距的薄片(26、30、33、38)，这些薄片设置在一个围绕着前述轴线的同心圆中，并且借助于通过电子束焊接而生成的焊接连接(40、41、42)固定在自己的位置中，其中所述薄片(26、30、33、38)的表面基本上平行于前述轴线定向，其特征在于，如此构造所述薄片(26、30、33、38)并将其设置在片式密封件(12)中，从而这些薄片在侧边缘上沿着至少一条延伸越过多个薄片(26、30、33、38)的接触线(36、37)直接地或通过中间的间隔件(27、31、34、35)彼此紧靠，并且所述焊接连接是沿着所述至少一条接触线(36、37)导引的焊缝(40、41、42)。

2.按权利要求1所述的片式密封件，其特征在于，为调节所述薄片(26、30、33、38)之间的间距设置了间隔件(27、31、34、35)，并且所述至少一条接触线(36、37)在间隔件(27、31、34、35)的范围内延伸。

3.按权利要求2所述的片式密封件，其特征在于，所述间隔件(27、31、34、35)设置在薄片(26、30、33、38)的外端部区域中。

4.按权利要求2或3所述的片式密封件，其特征在于，所述间隔件(27、31))作为更厚的区域在薄片(26、30)上构成。

5.按权利要求4所述的片式密封件，其特征在于，所述间隔件(27)具有恒定的厚度。

6.按权利要求4所述的片式密封件，其特征在于，所述间隔件(31)的厚度向里逐渐减小。

7.按权利要求2或3所述的片式密封件，其特征在于，所述间隔件(34、35)是压制在薄片(33)中的元件。

8.按权利要求7所述的片式密封件，其特征在于，每个薄片(33)在径向方向上具有至少两个先后设置的压制的间隔件(34、35)，其确定了薄片彼此间的相对位置。

9.按权利要求1到8中任一项所述的片式密封件，其特征在于，所述薄片(38)的外端部夹持在一个壳体(39)中并且与壳体(39)焊接在一起。

10.按权利要求9所述的片式密封件，其特征在于，所述薄片(38)彼此间的连接以及与壳体(39)的连接通过设置在侧面的在轴线方向上延伸的焊缝(40)进行，这些焊缝(40)穿过壳体(39)一直到达薄片(38)。

11.按权利要求1到8中任一项所述的片式密封件，其特征在于，所述薄片(33)在外侧面上与一个在外面环绕的、优选为分段的支承环(43)焊接在一起。

12.用于制造按权利要求1所述的片式密封件的方法，其特征在于，所述各个薄片(26、30、33、38)在形成至少一条在两侧延伸的接触线(36、37)的情况下设置且固定在其对后来的片式密封件来说独特的位置中，并且所述薄片沿着所述接触线(36、37)借助于电子束焊接彼此焊接在一起。

13.按权利要求12所述的方法，其特征在于，所述薄片(38)夹持在一个壳体(39)中并且穿过该壳体(39)彼此间焊接在一起并且与壳体(39)焊接在一起。

14.按权利要求12所述的方法，其特征在于，为布置所述薄片(26、30、33、38)使用在所述薄片(26、30、33、38)中集成的间隔件(27、31、34、35)。

15.按权利要求14所述的方法，其特征在于，所述间隔件(34、35)通过一个压制过程压制在所述薄片(33)中。

16.按权利要求14或15所述的方法，其特征在于，在制造了所述配有所述间隔件(27、31、34、35)的薄片(26、30、33、38)之后，将所述薄片(26、30、33、38)装入一个夹紧机构中，这些薄片在该夹紧机构中固定地调整到其对后来的片式密封件来说独特的位置中。

17.按权利要求12所述的方法，其特征在于，所述焊接沿轴线方向进行。

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