CN205823709U - 用于涡轮机的压缩机密封件和燃气涡轮系统 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于涡轮机的压缩机密封件和燃气涡轮系统，特别地是周向密封组件。周向密封组件设置于围绕内筒沿周向延伸的槽中。密封组件包括第一垫片层和至少一个附加垫片层，其以交叠地堆叠方式配置以便使由垫片层限定的垫片段中的每一个的端部相对彼此且围绕密封组件周向地交错。一个或更多个织物层配置为包裹第一垫片层和至少一个附加垫片层以限定了具有第一密封表面和第二密封表面的密封部件。组件进一步包括基板，其中密封部件设置于基板的上表面上以提供涡轮机的构件之间的密封接合。
Description
技术领域
本公开大体上涉及旋转机械，并且更具体地涉及用于在涡轮机内构件之间提供密封所使用的方法和设备。
背景技术
至少一些已知的旋转机械，例如燃气轮机，包括便于提高燃气轮机的运行效率的流体流道内的多个密封组件。例如，一些已知的密封组件联接在静止构件和旋转构件之间以在高压区域和低压区域之间提供密封。此外，至少一些已知的燃气轮机包括至少一个定子叶片组件和至少一个转子叶片组件，它们共同形成燃气轮机内的一个级。在至少一些已知的燃气轮机中，密封设置于相邻级的静止构件之间，或者一个级的构件之间。
在涡轮机中，例如燃气轮机中，压缩机区段包括静止内筒，其由两个半筒部件大体上沿着形成环的水平中线彼此固定而形成。内筒的后端固定于压缩机排出壳，其为支撑第一级喷嘴的喷嘴支撑环提供支撑。该内筒部分地将位于内筒外部的高压区与内筒内的较低压区以及转子隔离。一个或更多个导叶固定地安装到位于压缩机区段末级的压缩机的外壳上。一个或更多个导叶和内筒接合以便在其间限定径向间隙。密封件在运行期间与内筒接合以便防止穿过的泄漏流。但是，涡轮机的运行期间内筒、导叶和外壳中的一个或更多个的热膨胀可能在一个或更多个导叶和内筒之间产生间隙，其尺寸足以让泄漏流体从中穿过。因此，泄漏路径可能并且会在一个或更多个导叶和内筒之间出现。因此出现了需要以在涡轮机运行期间耐受热瞬态活动的方式最小化或者消除任何此类的泄漏路径。
实用新型内容
在一个方面，提供了一种用于涡轮机(的压缩机密封件。压缩机 密封件包括：设置于围绕圆柱形筒沿周向延伸的槽中的周向的密封组件，其中密封组件具有基本弓形的形状。密封组件包括第一垫片层和至少一个附加垫片层，配置为包裹第一垫片层和至少一个附加垫片层的一个或更多个织物层，以及基板。第一垫片层和至少一个附加垫片层中的每一个都限定具有相对端部的垫片段。第一垫片层和至少一个附加垫片层以交叠地堆叠方式配置以便使垫片段中的每一个的端部相对彼此且围绕密封组件周向地交错。一个或更多个织物层配置为包裹第一垫片层和至少一个附加垫片层。一个或更多个织物层，第一垫片层和至少一个附加垫片层限定具有第一密封表面和第二密封表面的密封部件。密封部件设置在基板的上表面上以提供密封部件的第二密封表面和基板之间的密封接合。
在另一个方面，提供了一种用于组装燃气轮机的方法。该方法包括：提供燃气轮机的第一构件，其中第一构件包括限定于外表面中的周向延伸的槽；提供燃气轮机的第二构件，其中第二构件设置邻近于第一构件以在便限定在第一构件和第二构件之间的径向间隙；以及将周向的密封组件设置在周向延伸的槽中。周向密封组件配置为用于密封径向间隙以阻止泄漏流从中流过。周向密封组件包括第一垫片层和至少一个附加垫片层，其各自限定具有相对端部的垫片段并配置为以交叠地堆叠方式配置以便使垫片段中的每一个的端部相对彼此且围绕密封组件周向地交错。一个或更多个织物层配置为围绕第一垫片层和至少一个附加垫片层包裹以限定密封部件。密封部件设置于基板的上表面上以提供密封部件的第一密封表面好第二构件以及密封部件的第二密封表面和基板之间的密封接合。
在又一个方面，提供了一种燃气涡轮系统。燃气涡轮系统包括：压缩机区段；联接至压缩机区段的燃烧器组件；以及联接至压缩机区段的涡轮机区段。压缩机区段包括用于在第一构件和第二构件之间密封所使用的密封组件。第一构件相对于第二构件设置以限定其间的径向间隙。密封组件设置在径向间隙中。密封组件包括第一垫片层和至 少一个附加垫片层。第一垫片层和至少一个附加垫片层中的每一个都限定具有相对端部的垫片段。第一垫片层和至少一个附加垫片层以交叠地堆叠方式配置以便使垫片段中的每一个的端部相对彼此且围绕密封组件周向地交错。密封组件进一步包括一个或更多个织物层和基板。一个或更多个织物层配置为包裹第一垫片层和至少一个附加垫片层。一个或更多个织物层，第一垫片层和至少一个附加垫片层限定具有第一密封表面和第二密封表面的密封部件。基板设置在围绕第二构件周向地限定的槽中。密封部件设置在基板的上表面上以提供与第一构件和第二构件的密封接合。
附图说明
当参照附图阅读下面的详细说明时，本实用新型的这些以及其他特征、方面以及优点将得到更好的理解，附图中贯穿附图相同的符号表示相同的零件，其中：
图1是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的示出内压缩机的涡轮机的一部分的上半部分的截面示意图；
图2是现有技术中已知的涡轮机内压缩机的一部分的截面示意图；
图3是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的图1中的涡轮机内压缩机的一部分的截面示意图；
图4是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的带有密封组件的处于截面的零件的等比例示意图；
图5是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的设置于内筒中的图4的带有密封组件的处于截面的零件的等比例示意图；
图6是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的相对于内筒设置的图4的密封组件的截面图；
图7是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的示出在包括叶尖罩和内筒之间的最大热瞬态开启的状态或运行期间密封组件位置的截面图；
图8是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的示出在另一个状态或运行期间密封组件位置的截面图；
图9是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的示出在包括叶尖罩和内筒之间的最大热瞬态关闭的状态或运行期间密封组件位置的截面图；
图10是按照本文所示或者所述的一个或更多个实施例的示出在冷装配期间密封组件位置的截面图。
具体实施方式
在下面的说明书和权利要求中，将提及若干术语进，这些术语应被限定为具有以下的意思。
单数形式的“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文明确指明。如本文中所使用的，术语“轴向的”或“轴向地”是指基本平行于燃气轮机发动机的纵向轴线延伸的方向和定向。此外，术语“径向的”和“径向地”是指基本垂直于燃气轮机发动机的纵向轴线延伸的方向和定向。此外，如本文中所使用的，术语“周向的”和“周向地”是指弧形地围绕燃气轮机发动机的纵向轴线的方向和定向。应该认识到，本文所使用的“流体”包括任何流动的介质或材质，包括而不限于燃气和空气。
现在参照附图，特别是图1，其示出了涡轮机的一部分，大体上用10表示，该涡轮机具有压缩机区段12、涡轮机区段14(包括第一级喷嘴16和叶片18)，以及围绕涡轮机以及围绕轴线11彼此周向地间隔开的多个燃烧器20中的一个。应该认识到，压缩机12提供压缩空气以用于和环形阵列中的每个燃烧器20中的燃料相混合，以将来自燃烧器的热燃气提供至涡轮机区段14来驱动涡轮机转子。一般情况下，压缩机设置有内压缩机排出壳或内筒22以及压缩排出壳24。壳24与内筒22和第一级喷嘴支撑环24互相连接。一个或更多个导叶28固定地安装到压缩机区段12的外壳30上。一个或更多个导叶28和内筒22设置为限定其间的径向间隙(如所示)。密封件设置于一个或 更多个导叶28和内筒22之间以在运行期间与内筒22和一个或更多个导叶28接合以便阻止穿过其的泄露流。
涡轮机10可以使用天然气、各种类型的合成气和/或其他类型的燃料。涡轮机10可以是由纽约斯克内克塔通用电器公司或类似的公司所提供的多种不同的涡轮机中的一个。涡轮机10可以具有其他的配置以及可以使用其他类型的构件。其他类型的涡轮机也可以在此使用。多级涡轮机10，其他类型的涡轮机以及其他类型的产生动力设备都可以在此一并使用。其他类型的旋转机械也可以在此使用。
图2是指出穿过其的泄漏流的大体上类似于涡轮机10(图1中所示)的典型地在涡轮机中发现的现有技术压缩机50的一部分的放大视图。更具体地，示出的是一个或更多个导叶52，其大体上与图1中的一个或更多个导叶28相类似，安装于外壳54上以便与内筒56相接合且限定在其间的间隙58。一个或更多个导叶52中的每一个在相应的导叶52的远端62包括叶尖罩60。导叶罩泄露流(如用虚线指出的)经由叶尖罩60中的每一个和压缩机50的内筒56之间形成的间隙58而呈现。在运行中，内筒56、外壳54和一个或更多个导叶52中的一个或更多个的热膨胀可能导致产生间隙58扩大和/或轴向移动从而增大导叶罩泄漏流64。该导叶片罩泄漏64的大部分会输送压力填料密封(HPPS)66从而产生HPPS泄漏流68。在一些情况下，HPPS泄漏流68可以被用来为涡轮机段的下游部分(未示出)(大体上类似于图1中的涡轮机区段14)提供冷却。
现在参见图3，示出的是图1中压缩机区段12的一部分，如用虚线表示。示出的是一个或更多个导叶28，其围绕轴线11(如图1所示)周向设置并且以固定方式安装在外壳30上。一个或更多个导叶28安装到外壳30上以便与内筒22接合并限定其间的径向间隙70。如前文关于图2所描述的，一个或更多个导叶28中的每一个在相应的导叶28的远端74包括叶尖罩72。在一个实施例中，叶尖罩72可以进一步包括焊接突出部73。为了最小化或者预防叶尖罩72和内筒22之间 的导叶罩泄漏流，压缩机密封件75，以及更具体地周向密封组件76在此被使用。
按照本公开的优选实施例，周向的密封组件76设置在一个或更多个叶尖罩72和内筒22之间。更具体参见图4和图5，以等距视图示出的是密封组件76，其中所公开的层的一部分示出为被移除的。密封组件76由多个垫片层(shim layer)组成，并且具体地由第一垫片层78和至少一个附加垫片层79组成。第一垫片层78和至少一个附加垫片层79被包裹于一个或更多个织物层(cloth layer)80中以形成密封部件81。在一个实施例中，第一垫片层78和至少一个附加垫片层79可以由不锈钢或者其他类型的材料制成。在一个实施例中，一个或更多个织物层80可以由金属丝网织物制成。一个或更多个织物层80还可以包括合成品、陶瓷品以及其组合物。一个或更多个织物层80可以是点焊(未示出)于第一垫片层78和至少一个附加垫片层79上或者采用其他方式附接。第一垫片层78和至少一个附加垫片层79中的每一个均限定包括相对的端部84的垫片段82，从而减少垫片层中的弯曲应力。在加工过程中，第一垫片层78和至少一个附加垫片层79以堆叠方式装配以便使各个垫片段82的端部84交错，并因此预防在其间间隙的形成且提供密封以便预防泄漏流穿过其的通道。在示例性的实施例中，堆叠的垫片段82围绕轴线11(如图1所示)周向地横跨，使得各个堆叠的垫片段82具有弧形配置。在一个实施例中，设置有两个堆叠的垫片段82，每个都大约延展一百八十度(180°)。在另一个实施例中，设置有四个堆叠的垫片段82，每个都大约延展九十度(90°)。在其他的实施例中，可以使用能够使密封组件76如本文中所描述的起作用的任意数目的堆叠的垫片段82。周向的密封组件76的层叠和分段提供了对压力的抗力，同时也保持了组件76的灵活性。如前文所述，堆叠的垫片段82被一个或更多个织物层80包裹以形成密封部件81。
周向的密封组件76进一步包括基板86，密封部件81，更具体地，
被一个或更多个织物层80包裹的第一垫片层78和至少一个附加垫片层79设置在该基板上。在一个实施例中，基板86由具有与内筒22和/或叶尖罩72相类似的热膨胀的材料制成。在一个实施例中，基板86被加工为包括定位特征(registering feature)并且提供与内筒22的密封接合。更具体地，如图4中的最佳展示，基板86包括从下表面90延伸的定位突出部88。另外，在一个实施例中，基底层可以包括用于密封部件81以及更具体地包裹于一个或更多个织物层80中的第一垫片层78和至少一个附加垫片层79的接合和定位的凸缘92。
为了在叶尖罩和内筒22之间提供密封件94，在一个实施例中，细长的周向内筒槽96形成于内筒22的外表面98上。如图5最佳显示，附加的定位特征可以加工到内筒22中，例如定位槽100，并被配置为与基板86的定位突出部88相接合。如前所指出的，密封组件72配置为围绕内筒22周向延伸。基板86配置为设置于定位槽100中，由此提供围绕内筒22以及在内筒22和叶尖罩72之间周向地配置的密封94件。槽100和定位突出部88的尺寸可以根据周向密封组件76及其相邻构件的设计进行优化。在一个备选的实施例中，备选的定位和/或匹配特征可被包括以用于基板86和内筒22相对彼此的定位。此外，用于将基板86保持于细长的周向内筒槽96内的附加或备选的保持机构也可以使用，诸如涂蜡等。
再次参见图4，如前文所指出的，密封组件76包括第一垫片层78和至少一个附加垫片层79。更具体地，密封组件78包括两个或更多个金属垫片层78和79，所示为两个，其配置为以交错方式堆叠的垫片段82。如图4所示，第一垫片层78和至少一个附加垫片层79设置有一个或更多个织物层80的封盖，例如金属丝网织物，其围绕第一垫片层78和至少一个附加垫片层79固定和/或固定至第一垫片层78和至少一个附加垫片层79。如前所述，织物层，以及第一垫片层78和至少一个附加垫片层79可以由多种材料(例如不锈钢)形成。在示例性的实施例中，密封组件76以及更具体地，密封部件81是压缩型 密封部件。如本文中所使用的，术语“压缩型”是指当维持于压缩的常态时，在相邻部件间提供密封的密封部件。在示例性的实施例中，一个或更多个织物层80由金属丝网材料(例如高温镍钴合金)或者其他为第一垫片层78和至少一个附加垫片层79提供加强的耐磨损性并使密封组件76能够起本文中所述作用的任何其他适合的材料加工而成。在一个实施例中，一个或更多个织物层80包括围绕第一垫片层78和至少一个附加垫片层79包裹的至少两个分离的包裹材料层。在备选的实施例中，也可以使用更多或者更少的包裹材料层。一个或更多个织物层80的包裹通过背侧织物层阻止渗透穿过前侧的任何泄漏流。此外，在示例性的实施例中，第一垫片层78和至少一个附加垫片层79各自由不锈钢或者使密封组件76能够起本文中所述作用的任何其他适合的材料加工而成。在一个实施例中，第一垫片层78、至少一个附加垫片层79以及一个或更多个织物层80是点焊的。在一个示例性的实施例中，垫片层78和/或79由与一个或更多个织物层80的相同材料(高温镍钴合金)加工而成。在备选的实施例中，任何适合的材料或多种材料可以被用来加工第一垫片层78和至少一个附加垫片层79。
图6是密封组件76的截面视图。密封组件76被优化以提供相邻构件的密封。更具体地，所示出的密封组件76具有整体总密封高度“A”，细长的周向内筒槽96具有深度“B”，第一垫片层78具有厚度“T1”，至少一个附加垫片层79具有厚度“T2”，织物层80具有厚度“T3”，总垫片长度“L”，密封部件81具有高度“H”，内筒间隙“G”以及基板86具有厚度“T4”。在一个示例性的实施例中，L＝1.3″，H＝0.16″，T1＝0.005″，T2＝0.010″，T3＝27mil(当被包裹时两层的厚度等于54mil)，T4＝65mil，最小值A＝262mil，最小值B＝139mil。
再次参见图4和5，当密封组件76位于密封位置时，密封部件81的第一密封表面102受力并且密封于叶尖罩72的下部104，即叶尖罩72的径向内侧壁。位于密封部件81的相对的端部的第二密封表 面106受力并密封于基板86。因此，在叶尖罩72和内筒22之间形成的任何间隙都被密封以防止涡轮机运行工况下发生泄漏。将认识到的是，响应于叶尖罩72、内筒22和基板86中的一个或更多个的热膨胀或冷缩，密封件94对叶尖罩72相对于内筒22的瞬时运动作出反应。
现在参见图7-10，示出的是显示涡轮机运行期间响应于叶尖罩72相对于内筒22热瞬态运动，以及在冷装配期间密封组件76和叶尖罩72与内筒22之间的密封的各种的示意图。更具体参见图7，示出的是涡轮机运行期间位于第一位置的叶尖罩72。如图所示，叶尖罩72相对于内筒22定位有轴向距离“G”和径向距离“y”。密封部件81的第一密封表面102受力并且密封于叶尖罩72的下部104。密封部件81的第二密封表面106受力并密封于基板86。密封组件76配置为在最大热开口(如用径向距离“y”表示)期间同时维持与叶尖罩72和基板86的线接触。在该示出的位置上，密封部件81的压缩值等于零。
图8示出了位于第一位置的叶尖罩72(虚线表示)以及由于叶尖罩72和/或内筒22响应于热工况在轴向和径向方向上的瞬时运动和/或膨胀(如用“y”和“G”指出的)而处于第二位置的叶尖罩72。由此，如虚线所示，密封部件81的多层构造允许了压缩，从而能够在热事件期间维持与叶尖罩72和基板86两者的线接触。图9示出了位于第一位置的叶尖罩72(虚线表示)以及由于叶尖罩72和/或内筒22响应于热工况在轴向和径向方向上的瞬时运动和/或膨胀而处于第二位置的叶尖罩72。因此，如虚线所示，密封部件81的多层构造允许了压缩，从而能够在最大热瞬态关闭期间维持与叶尖罩72和基板86两者的线接触，最大热瞬态关闭如用径向距离“y”所示出的且叶尖罩72的轴向运动如用叶尖罩和内筒22之间的轴向距离“G”所表明的。织物层覆盖的形成密封部件81的第一垫片层78和至少一个附加垫片层79(参见图4和5)能够容纳压缩位移而不产生弯曲，并且在瞬态工况反转期间弹回。图10示出了位于第一位置的叶尖罩72(虚线表示)以及在叶尖 罩72和内筒22的冷装配工况下位于第二位置的叶尖罩72。因此，如虚线所示，密封部件81，并且更具体地织物层覆盖的第一垫片层78和至少一个附加垫片层79配置为维持密封部件81和叶尖罩72之间的间隙“x”。
本文中记载的密封的方法和密封系统提供了优于已知的涡轮机中的构件，尤其是涡轮机中的内压缩机的密封方法的若干优点。例如，本文中描述的密封系统有利于在相邻的涡轮机构件之间使用响应于构件热瞬态运动的简化的密封结构。此外，本文中记载的密封系统有利于控制限定于涡轮机中构件之间的缝隙中的泄漏流，从而有利于提高涡轮机效率。
上文详细地描述了用于涡轮机的构件之间的密封的方法和系统的示例性实施例。该方法和系统不限于本文中记载的特定的实施例，而是系统的构件和/或方法的步骤可以与本文记载的其他构件和/或步骤单独地且分离地使用。例如，该方法还可以与其他旋转机械系统和方法联合使用，而不局限于仅与如本文所记载的涡轮机或涡轮发动机一起实践。相反的，示例性的实施例可以结合许多其他的旋转机械应用实施和使用。
尽管本公开的各种实施例的特定特征在一些附图中示出而没有出现在其他附图中，但这只是出于方便。按照本公开的原理，一幅图的任何特征可以结合任何其他附图中的任何特征进行参考和/或申请权利。
该书面描述使用示例以公开本文中描述的方法和系统，包括其最佳模式，且还使得本领域任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本公开可申请权利的范围仅由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其它示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等同结构元件，则这些其它示例意图在权利要求的范围内。
尽管本公开已经依据各种的具体实施例进行了描述，但本领域的技术人员将会认识到本公开可以在权利要求的精神和范围内进行修改而实施。
Claims (7)
1.一种用于涡轮机(10)的压缩机密封件(75)，包括：
设置于围绕圆柱形筒(22)沿周向延伸的槽(96)中的周向的密封组件(76)，所述密封组件(76)具有基本弓形的形状，所述密封组件(76)包括：
第一垫片层(78)和至少一个附加垫片层(79)，所述第一垫片层(78)和所述至少一个附加垫片层(79)中的每一个都限定具有相对端部(84)的垫片段(82)，其中所述第一垫片层(78)和所述至少一个附加垫片层(79)以交叠地堆叠方式配置以便使所述垫片段(82)中的每一个的所述端部(84)相对彼此且围绕所述密封组件(76)周向地交错；
一个或更多个织物层(80)，其配置为包裹所述第一垫片层(78)和所述至少一个附加垫片层(79)，所述一个或更多个织物层(80)，所述第一垫片层(78)和所述至少一个附加垫片层(79)限定具有第一密封表面(102)和第二密封表面(106)的密封部件(81)；
基板(86)，其中所述密封部件(81)设置在所述基板(86)的外表面(98)上以提供所述密封部件(81)的所述第二密封表面(106)和所述基板(86)之间的密封接合。
2.根据权利要求1所述的压缩机密封件(75)，其特征在于，进一步包括以固定关系安装至外壳(54)且围绕该外壳沿周向安装的一个或更多个导叶(52)，所述一个或更多个导叶(54)中的每一个都包括设置在远端(74)的叶尖罩(72)。
3.根据权利要求2所述的压缩机密封件(75)，其特征在于，所述密封组件(76)提供所述密封部件(81)的所述第一密封表面(102)和所述叶尖罩(72)之间的密封接合。
4.根据权利要求1所述的压缩机密封件(75)，其特征在于，所述基板(86)进一步包括用于所述密封部件(81)的接合和定位的凸缘(92)。
5.根据权利要求1所述的压缩机密封件(75)，其特征在于，围绕所述圆柱形筒(22)周向地延伸的所述槽(96)包括一个或更多个定位特征(100)，并且其中基部(86)包括一个或更多个定位特征(88)。
6.根据权利要求2所述的压缩机密封件(75)，其特征在于，所述密封组件(76)配置为响应于所述叶尖罩(72)相对于内筒(22)的热瞬态运动而压缩。
7.一种燃气涡轮系统(10)，所述系统包括：
压缩机区段(12)；
联接至所述压缩机区段(12)的燃烧器组件(20)；以及
联接至所述压缩机区段(12)的涡轮机区段(14)，其中所述压缩机区段(12)包括用于在第一构件(72)和第二构件(22)之间密封所使用的密封组件(76)，其中所述第一构件相对于所述第二构件设置以限定其间的径向间隙(70)，所述密封组件(76)设置在所述径向间隙(70)中，其中所述密封组件(76)包括：
第一垫片层(78)和至少一个附加垫片层(79)，所述第一垫片层(78)和所述至少一个附加垫片层(79)中的每一个都限定具有相对端部(84)的垫片段(82)，其中所述第一垫片层(78)和所述至少一个附加垫片层(79)以交叠地堆叠方式配置以便使所述垫片段(82)中的每一个的所述端部(84)相对彼此且围绕所述密封组件(76)周向地交错；
一个或更多个织物层(80)，其配置为包裹所述第一垫片层(78)和所述至少一个附加垫片层(79)，所述一个或更多个织物层(80)，所述第一垫片层(78)和所述至少一个附加垫片层(79)限定具有第一密封表面(102)和第二密封表面(106)的密封部件(81)；以及
基板(86)，其设置在围绕所述第二构件(22)周向地限定的槽(96)中，其中所述密封部件(81)设置在所述基板(86)的上表面(98)上以提供与第一构件(72)和所述基板(86)之间的密封接合。
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