CN1950633A - 特别是用于燃气轮机的片式密封及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于密封特别是燃气轮机上环绕轴线旋转的轴的片式密封，包括大量彼此相距的片(25)，它们设置在环绕轴线的一个同心圆内并借助于硬焊在其位置上定位，其中，片(25)利用其表面基本上与轴线平行定向。在这种片式密封中，按照简单方式在同时精确调整间距的情况下达到片(25)的固定连接，方法是片(25)通过中间所处的间隔件相互硬焊接。间隔件在此方面由硬焊箔(22)组成，从而硬焊连接通过来自硬焊箔(22)的硬焊料本身产生。焊接温度调整到略高于硬焊箔(22)固相线温度的最佳值上，在这种温度下硬焊箔(22)仅产生局部熔化并有效避免液态焊料浸入片(25)之间的间隙(G1、G2)内。

Description

特别是用于燃气轮机的片式密封及其制造方法

技术领域

本发明涉及旋转机械的密封领域。本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的片式密封以及一种用于制造这种片式密封的方法。

背景技术

燃气轮机由安装在具有压气机叶片和透平叶片不同级上的转子以及定子外壳组成。转子安装在轴承中转子轴的每个末端上。

燃气轮机内部气流的控制无论是在功能还是在效率方面均具有特别重要的意义。在沿转子轴的不同部位上使用密封技术，以降低沿轴的轴向气流。这一点在轴承旁边特别重要，以防止轴承内所使用的油由于气流的热气而过热。

传统上在这种情况下使用两种类型的密封技术-大多二选其一，某些情况下也相互组合。它们是迷宫式密封和电刷式密封。

迷宫式密封在转子与定子之间没有金属-金属触点，因此其密封效果比较差。然而它的优点是旋转摩擦小并因此实际上使用寿命不受限制。

另一方面电刷式密封则由于刷毛端与转子轴之间的摩擦而摩擦损耗较高。这种损耗的后果是限制了密封的使用寿命。然而电刷式密封阻止轴向气流更佳，特别是在轴向压差较高的情况下。

在燃气轮机上使用这些密封技术存在许多局限性。首先是所能承受的轴向压差还相当低。在电刷式密封的情况下，这一点存在于轴向和切向上具有相同硬度的刷毛上：高压促使刷毛在轴向上弯曲。密封能力也由于允许明显的径向运动和承受其而变低。

电刷式密封的设计通常在使用产生足够轴向支承的支承板与不限制径向运动之间做出妥协。

为避免公知电刷式密封的缺点，US-B1-6,343,792提出一种片式密封(“leafseal”)，它产生或者与迷宫式密封或者与电刷式密封相同的功能，但是具有二者的优点。取代由圆形横截面的钢丝制造的刷毛，将薄金属片或者板以确定的设置组装(参见例如US-B1-6,343,792的图3或者本申请的图1)。利用其表面与轴向基本上平行定向的片轴向上的硬度高于切向。这样密封会承受更高的压差，而在此方面不限制其允许径向运动的可能性。转子上由片的尖端搭接的宽区域也提供了工作期间产生可以将片尖与轴分离的液力的机会。按照这种方式可以产生并保持几微米的间距，从而将磨损、摩擦热和摩擦损耗降到几乎为零。

基本设计包括一定数量的薄金属片，它们本身之间具有得到控制的空隙并以与半径预先规定的角度固定。空隙是一个重要的设计参数。它可以使空气流出现，以便因此产生液力效应；但它不能大得允许过度的轴向泄漏气流。

片式密封设计的两种方案均有可能的是：在一种方案中片向下加压，而在另一种方案中则向上。采用向下加压片的方案包括，在组装和起动期间片尖与轴之间具有间距，以及将该间隙通过在片之间投入空气流降到非常小的数值上。另一方面，采用向上加压的方案包括，起动期间片尖与轴之间具有微小的相对影响并在轴加速的情况下产生间距。在两种情况下，介质通过片之间空隙的流动与密封装置的内径通过片尖产生的控制同样重要。

通过片的空气流可以通过使用一个前板和一个后板得到改变，它们在片束的表面与板之间留出一个窄间隙(参见上述图1和3)。细致设计这些几何形状可以控制向上或者向下加压效果。值得追求的也可以通过沿片的长度或者从正面向内或者从背面方向有效输送压力支持向下加压效果。

片式密封方案的另一个主要优点是径向运动的公差大于迷宫式或者电刷式密封。这一点在那里需要前板和后板的内径与轴之间很大的间距。

取决于对密封所选择的几何形状和所要密封的轴的直径，片的数量可以为几千或者好几千。制造、组装和连接这些片的精度对成功实现任何可能的密封设计都是重要的，其中，确保每对片之间可再现的空隙。

用于将片在其位置上定位的接合方法可以是一种机械技术，如夹紧、焊接或者硬焊或者其中任何可能的组合。在此方面显而易见非常重要的是，将片或者其相对位置在接合过程期间的干扰降到最低限度。

上述文献US-B1-6,343,792已经提出了不同的接合方法。在属于该文献图1-21的实施例中，片利用其上部横缘硬焊接在一个外壳内。有关硬焊过程的详细内容不再赘述。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种片式密封并介绍一种用于制造这种片式密封的方法，该方法可以按照简单方式实现片彼此的精确间距和同时片之间其特征在于高机械坚固性的连接。

该目的通过权利要求1和6所述特征的全部内容得以实现。本发明的核心在于，片通过同时作为间隔件使用的、中间置放的硬焊箔连接。由此达到在同时保持精确间距的情况下片之间的可靠连接。

在此方面优选相邻片之间的间距基本上通过处于其间的硬焊箔的厚度确定。

本发明可以特别简单实现的是，依据一种优选的构成，硬焊箔由具有最好大于50℃相当大的固-液相区间(Schmelzin tervall)的合金组成。大的固-液相区间对保持最佳的焊接温度提出较低的要求。这一点十分重要，以使过程坚固并保证最终产品的恒定质量。

此外具有优点的是，片由超过硬焊箔的固-液相区间仍保持固态的材料组成。在这种情况下，连接或硬焊接过程可以按照简单方式通过焊接温度的精确调整和保持恒定进行。

依据本发明的方法一种优选构成的特征在于，使用由具有处于固相线温度与液相线温度之间的固-液相区间的合金组成的硬焊箔，以及预先规定的加热温度仅略高于硬焊箔的固相线温度。

在此方面，作为间隔件使用的硬焊箔通过精密金属箔切削或者冲压法，特别是借助于线切割法或者光化学加工法制造可以特别精确地调整片之间的距离。

附图的简要说明

下面借助附图的实施例对本发明进行详细说明。其中：

图1以透视侧视图示出燃气轮机上使用的片式密封的典型结构；

图2以轴向侧视图示出单个片连同处于其间的间隔件从径向倾斜的设置；

图3示出切向上具有前和后端板可与图1对照的片式密封的视图；

图4示出本发明所使用的典型硬焊合金的DTA(差热分析)测量曲线图；

图5示出用于硬焊接片式密封片(和间隔件)传统配置的部分；

图6示出从图5的配置中产生的片式密封的最终状态；

图7示出按照依据本发明的原理硬焊接片的照片，其中，通过选择过高的焊接温度出现不希望的片的粘合；以及

图8示出按照本发明在略高于固相线温度的最佳焊接温度时进行的硬焊接可与图7对照的照片。

具体实施方式

图1以透视侧视图示出燃气轮机上使用的片式密封的典型结构。片式密封12将燃气轮机10在箭头方向上旋转的转子轴11对外壳14密封。在转子轴11与外壳14之间的圆形间隙内，一圈上设置彼此紧密相距的薄片13束。片13利用其表面与燃气轮机的旋转轴线平行定向。这些片依据图2从径向上以角度w1倾斜并在本身之间具有各自一个最好通过设置在片13之间的间隔件17规定的窄间隙或空隙18。

图7和8分别示出间隔件由硬焊箔22制成并在片13之间定位的情况。依据图1和3，通过片13的空气流可以通过使用一个前和一个后端板15或16加以改变，它们在片束的表面与端板15、16之间留出一个窄间隙(图3中的间距a和b)。细致设计这些几何形状可以控制开头所提到的向上或者向下加压效果。值得追求的也可以通过沿片的长度或者从正面向内或者从背面方向有效输送压力支持向下加压效果。

图1或3所示片式密封方案的另一个主要优点是径向运动的公差大于迷宫式或者电刷式密封。这一点需要前和后端板15、16的内径与转子轴11之间很大的间距(图3中间距c和d)。片13与转子轴之间的间隙(图3中的间距e)仅为几微米。

本发明涉及片式密封制造内部的连接过程。但原则上它也可以在使硬焊料向正确部位流动出现困难的其他类似的连接用途中使用。用于片式密封的片通常厚度在20和200μm之间，而片之间的间隙典型地处于同一数量级上。在常规的硬焊接技术中，这种结构通过液态焊料在片之间的流动运达到连接。因为以这一过程为基础的毛细力敏感地取决于间隙宽度，所以焊料的流动很难控制。

这一点借助图5和6的例子可以得到显著的说明。两个附图示出片式密封倾斜设置的片13，它们通过间隔件17彼此相距并因此具有(典型50μm的)间隙G1。由于片式密封的圆形构成，在恒定厚度的片13和间隔件17的情况下在间隔件17与向下一直延伸到金属-金属触点24的片13之间形成(处于5-10μm数量级的)圆形间隙G2。如果片13和间隔件17在所示的位置上相互硬焊接，那么在传统的焊接方法中将硬焊箔(或者硬焊膏)20涂覆在外侧上(图5)。

硬焊箔20的硬焊料在传统的方法中从远离所要连接的表面开始连接过程，并仅通过由于表面张力毛细流动到然后作为凝固的硬焊料21产生连接的间隙G2内达到其封闭位置(图6)。采用片式密封几何形状的问题是，所要连接的表面彼此过近并适用于传统的硬焊技术，以保证液态硬焊料的渗入。为获得正确位置上良好牢固的硬焊接连接因此非常困难。此外，片必须保留通过其大部分长度向下延伸的空隙(G1)。该空隙通常处于毛细力最佳作用区域的中心，以便将硬焊料吸入。如果该间隙利用液态的焊接合金填充，那么对于片式密封来说后果严重。

如图5和6中利用典型的说明性材料示意示出的那样，传统方法中的硬焊接过程同时包括片13和单独间隔件17的交替接合，以及准备好在附近定位的硬焊料合金源(硬焊箔20)在其熔化的情况下流动到相应部位内。显然，采用具有作为整体间隔件使用具有加厚段的片部件可以取得类似效果，尽管这种情况下为达到连接需要少量的焊料合金。

在该例子中，硬焊料合金必须开始达到其所希望的最终位置的过程，方法是它通过宽度5-10μm然后降到零(在金属-金属触点24上)的间隙(G2)流动。如果它到达那里，也就是到达片13与间隔件17的金属-金属接触点，它必须在向下流动到空隙(G1)内之前停止。对于片式密封的功能来说重要的是该空隙不用焊料填充。

商用的硬焊料合金从10-150μm之间的最佳焊缝出发。在这种情况下所希望的最佳效果是，液态焊料开始流动到片13与间隔件17之间通常5和10μm之间的间隙G2内。焊料一直流动到间隙的末端很难得到保证，即使在尽可能的润湿条件下。另一方面，片之间的空隙(G1)通常处于最佳区域的中心，从而同样很难确保液态焊料不流入。

硬焊接合金因此通常与所要连接它们(片的)合金相似，除了它们与抑制熔点的元素例如像硼或者硅合金。这些添加物使合金具有所希望的熔化特性。

本发明此外以此为依据，即利用至少几种硬焊合金的熔化特性中的优点：

加热后纯金属在其熔化温度时开始熔化，而且热输送率任何可能的增加均仅导致熔化率的提高，却并不造成温度的增加。最后全部金属成为液态，而且然后液体金属的温度才开始继续升高。纯金属具有完全确定的等温熔点。而绝大部分合金却高于一个温度区(固-液相区间)熔化。加热后合金开始在作为固相线温度公知的温度下熔化。在该点上存在的液态金属的量无穷小，但其仍保持在与环绕其的固态金属的平衡中，而且一直保持到温度上(或者合金的成分上)不出现变化。在继续加热后，半液态合金的温度与处于与固态材料平衡中的液体部分同样升高。这一点继续进行，直至全部合金成为在液相线温度下发生的液体；此后温度以与纯金属中相同的方式升高。

分析上这一点可以采用差热分析(DTA)进行测量。这种分析使用将净热流动到合金的试样内或者从试样中流出，以记录冶金反应例如像熔化的开始和结束。热流中的不稳定性在此方面说明进行或者吸热或者放热反应。图4示出商用Ni基硬焊接合金的例子。

如果将合金保持在恒定温度上，那么在固相线温度与液相线温度之间的任何一种温度下固体部分与液体部分之比均相同。这种状态-理论上-无限延续，前提是合金的成分没有通过渗出或者可能的挥发作用得到改变。固相线-液相线范围(固-液相区间)极限内部的温度变化改变固体与液体之比。这种比例为本发明的依据。

将交替层的片和间隔件按照类似图2组装在一个可以保持硬焊接过程温度的(未示出的)适当夹紧装置内。然而在本案例中间隔件由硬焊合金本身组成。关键是间隔件保持其厚度，以供在片之间产生空隙(图5中的G1)使用。但同时必须产生足够的液态金属，以保证相邻片之间可靠的冶金结合。在此方面，温度的控制显然特别重要。但使用具有宽固-液相区间的硬焊合金有助于降低对温度变化的敏感性。在上面所示的其他DTA曲线的情况下，熔化范围例如高于90℃。优选使用固-液相区间＞50℃的硬焊合金。

精确控制硬焊合金的位置和量可以由此实现，即为硬焊合金的成型使用金属箔的精密切削法，例如像线切割或者光化学加工。

图7和8示出用以说明按照本发明在片式密封上所使用的硬焊接法的结果的照片。这里从侧面观察示出片25，它们通过硬焊箔22相互连接并彼此相距。在图7中，焊接温度较高并因此接近常规的焊接温度。

从图7可以看出，如果使用高焊接温度的话，从提高液体部分、提高液体的流动性和提高片表面的浸润中的组合加强的液体迁移造成片向下延长(图7中向右)。这一点在几种情况下甚至造成与硬焊合金本来的起始位置远离的粘合23方式的片21粘合。在焊接温度仍高于图7所示例子的常规硬焊接中，负面效应更加突出。

但如果温度控制得足够好(图8)，那么液体浸润足够就可以形成良好的连接。在这些条件下，硬焊箔22内剩余的固体硬焊合金的保留强度足够大，以可以避免形状变化(特别是厚度变化)和通过毛细力造成的液态材料渗入片之间。冷却以后，片25彼此的间距在该方法中完全相当于通过硬焊箔22的原来厚度确定的数值。

符号目录

10              燃气轮机

11              转子轴

12              片式密封

13、25          片

14              外壳

15、16          端板

17              间隔件(单独)

18              间隙(空隙)

19              气流

20、22          硬焊箔

21              硬焊料

23              粘合件

24              金属-金属触点

a、…、e        间距

G1、G2          间隙

w1              角度

Claims (9)

1.用于密封特别是燃气轮机(10)上环绕轴线旋转的轴的片式密封(12)，该片式密封(12)包括大量彼此相距的片(25)，它们设置在环绕轴线的一个同心圆内并借助于硬焊在其位置上定位，其中，片(25)利用其表面基本上与轴线平行定向，其特征在于，片(25)通过中间所处的间隔件相互硬焊接，间隔件由硬焊箔(22)组成，以及硬焊连接通过来自硬焊箔(22)的硬焊料本身产生。

2.按权利要求1所述的片式密封，其特征在于，相邻片(25)之间的间距基本上通过处于其间的硬焊箔(22)的厚度确定。

3.按权利要求1或2所述的片式密封，其特征在于，硬焊箔(22)由具有固-液相区间的合金组成。

4.按权利要求3所述的片式密封，其特征在于，固-液相区间＞50℃。

5.按权利要求3或4所述的片式密封，其特征在于，片(25)由超过硬焊箔(22)的固-液相区间仍保持固态的材料组成。

6.用于制造按权利要求1所述片式密封的方法，其特征在于，单个片(25)作为在其体现以后片式密封特征位置上的间隔件设置在硬焊箔(22)的中间层下面并定位，以及将由片(25)和间隔件组成的板叠加热到预先规定的温度上，在该温度下硬焊箔(22)在尽可能保持其厚度的情况下仅局部熔化和润湿相邻的片(25)。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于，使用由具有处于固相线温度与液相线温度之间的固-液相区间的合金组成的硬焊箔(22)，以及预先规定的加热温度仅略高于硬焊箔(22)的固相线温度。

8.按权利要求6或7所述的方法，其特征在于，作为间隔件使用的硬焊箔(22)通过精密金属箔切削或者冲压法制造。

9.按权利要求8所述的方法，其特征在于，硬焊箔(22)借助于线切割法或者光化学加工法制造。

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