專利名稱：刷式密封裝置的支撐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)的密封裝置，更具體地涉及一種位于渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和固定部件之間以降低部件之間的氣體流動(dòng)的刷式密封裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，機(jī)器的固定部分和旋轉(zhuǎn)部分之間的密封裝置存在各種形式。一些密封裝置用于阻塞液體或粘性材料如潤(rùn)滑劑的流動(dòng)，而其它一些密封裝置用于阻塞固定部件和旋轉(zhuǎn)部件之間的氣體流動(dòng)。
在渦輪機(jī)中，密封裝置用來防止固定部件和旋轉(zhuǎn)部件之間過多的氣體流動(dòng)，以便減小氣體泄漏并因此提高渦輪機(jī)的工作效率。渦輪機(jī)中所采用的不同類型的密封裝置包括迷宮式密封裝置、O形密封圈和刷式密封裝置，等等。關(guān)于這一點(diǎn)，刷式密封裝置通常用于發(fā)電廠的燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)的壓縮機(jī)和渦輪，以便減小固定部件和旋轉(zhuǎn)部件之間的泄漏氣流量。刷式密封裝置將氣體限定在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)，例如燃?xì)廨啓C(jī)中的空氣和燃燒產(chǎn)物的主流動(dòng)路徑以及燃?xì)廨啓C(jī)中的冷卻氣流路徑。
刷式密封裝置通常包括多個(gè)在相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線的大致徑向上延伸的金屬剛毛。這些剛毛夾在一對(duì)環(huán)形支承板之間，這對(duì)支承板在其徑向最外端處相連。這種密封裝置是固定的，剛毛的外端通常從支承板之間沿徑向向內(nèi)的方向朝向旋轉(zhuǎn)軸線而向外延伸，以便與旋轉(zhuǎn)部件如壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子或渦輪轉(zhuǎn)子的環(huán)形表面相接觸。
由于在刷式密封裝置上存在著有時(shí)比較大的氣壓差，因此應(yīng)在刷式密封裝置的低壓側(cè)設(shè)置某種形式的支撐，以減小由壓力引起的剛毛的偏轉(zhuǎn)。關(guān)于這一點(diǎn)，剛毛在渦輪機(jī)軸向上的偏轉(zhuǎn)會(huì)增大剛毛端部和旋轉(zhuǎn)部件之間的間隙，這樣，由于允許氣體在剛毛內(nèi)端的周圍流動(dòng)，因而降低了密封的有效性。通常在密封裝置的下游側(cè)通過徑向伸長(zhǎng)的支承板或單獨(dú)的徑向延伸的表面來提供對(duì)剛毛的支撐，此支承板與剛毛平行并在下游側(cè)貼著剛毛放置。在陸上的或固定式渦輪機(jī)如蒸汽輪機(jī)或固定式燃?xì)廨啓C(jī)中，重量不是主要的考慮因素，因此可以很容易地在刷式密封部分的周圍設(shè)置足夠剛性的支撐結(jié)構(gòu)，以防止密封裝置自身以及剛毛的軸向偏轉(zhuǎn)。然而，在渦輪機(jī)的重量是非常重要的考慮因素的應(yīng)用中，例如在飛機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)中，在陸上渦輪機(jī)中可用的重型剛性支撐結(jié)構(gòu)就不適用了。
本發(fā)明旨在提供一種刷式密封支撐裝置，其可減小刷式密封裝置的軸向偏轉(zhuǎn)，同時(shí)能減輕密封支撐結(jié)構(gòu)的重量。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)單地說，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種用于處在固定渦輪機(jī)部件和旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)部件之間的刷式密封裝置的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)。刷式密封裝置的目的是減小部件之間的氣體流動(dòng)。
這種結(jié)構(gòu)包括環(huán)形的刷式密封裝置，其具有相互間隔開并基本上相互平行的環(huán)形的上游支承板和環(huán)形的下游支承板，以及多個(gè)處于支承板之間的剛毛。剛毛基本上相互平行地設(shè)置，并在刷式密封裝置的徑向內(nèi)端處從支承板之間朝向由旋轉(zhuǎn)部件形成的承接面(landsurface)向外延伸。支承板在刷式密封裝置的徑向外端處通過橋接件相連。下游支承板包括軸向向外延伸的凸緣，其形成了在下游方向上與剛毛隔開的環(huán)形端面。
本發(fā)明提供了一種不能旋轉(zhuǎn)的刷式密封裝置的支撐，其包括基本上軸向設(shè)置的刷式密封裝置的接觸面，其徑向向外地與承接面隔開。這種支撐結(jié)構(gòu)包括徑向向內(nèi)的環(huán)形槽，其鄰近于凸緣的環(huán)形端面。環(huán)形槽內(nèi)設(shè)有固定環(huán)，其具有用于與下游支承板的凸緣端面相接合的基本上徑向延伸的表面。


圖1是包括有刷式密封支撐裝置的一個(gè)實(shí)施例的渦輪機(jī)的一部分的局部軸向截面圖。
圖2是圖1所示類型的環(huán)形刷式密封裝置的一個(gè)實(shí)施例的局部正視圖。
圖3是圖1所示的刷式密封支撐裝置的局部放大的軸向截面圖。
圖4是刷式密封支撐裝置的另一實(shí)施例的局部放大的軸向截面圖。
附圖中各標(biāo)號(hào)的說明如下10渦輪；12氣流路徑；14方向箭頭；16渦輪定子部分；18定子葉片；20燃燒室外殼；22定子外環(huán)；24燃燒室內(nèi)殼；26定子內(nèi)環(huán)；28渦輪轉(zhuǎn)子部分；30外護(hù)罩；32轉(zhuǎn)子輪盤；34轉(zhuǎn)子葉片；36葉片基臺(tái)；38定子支撐環(huán)；40刷式密封支撐環(huán)；42耐磨密封支撐環(huán)；44耐磨密封元件；46渦輪轉(zhuǎn)子密封環(huán)；47密封齒；48冷卻空氣開口；50刷式密封裝置；52上游支承板；54下游支承板；56剛毛；57箭頭；58承接面；60橋接件；62前支撐面；64接觸面；66定位環(huán)；68環(huán)形槽；70后環(huán)形凸緣；71凸緣外端面；72減振器；74接觸環(huán)；76環(huán)形槽；78減振器支撐環(huán)；80偏壓件；82刷式密封裝置；84支撐環(huán)；86上游支承板；88前環(huán)形凸緣；90環(huán)形槽。
具體實(shí)施例方式
參見附圖尤其是圖1，其顯示了飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)的軸流式渦輪10的一級(jí)。環(huán)形氣流路徑12在箭頭14所示方向上從環(huán)形燃燒部分(未示出)中延伸出，熱的燃燒產(chǎn)物從燃燒部分中流向渦輪定子部分16，該定子部分包括多個(gè)徑向延伸且周向間隔開的定子葉片18，在圖1中只顯示了其中的一個(gè)。燃燒室外殼20限定了氣流路徑12的外環(huán)面，外殼20與定子部分的外環(huán)22對(duì)齊并與之相連。燃燒室內(nèi)殼24限定了氣流路徑12的內(nèi)環(huán)面，內(nèi)殼24和定子部分的內(nèi)環(huán)26對(duì)齊并與之相連。定子葉片18固定在定子外環(huán)22和定子內(nèi)環(huán)26上以形成渦輪噴嘴，其以相對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)子部分28成預(yù)定的角度來引導(dǎo)燃燒產(chǎn)物，渦輪轉(zhuǎn)子部分28和渦輪定子部分16一起形成了渦輪10的一級(jí)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣，如果需要的話，此渦輪也可以是多級(jí)渦輪。
渦輪轉(zhuǎn)子部分28包括固定的環(huán)形外護(hù)罩30，其圍繞著可旋轉(zhuǎn)的渦輪轉(zhuǎn)子輪盤32，轉(zhuǎn)子輪盤32帶有多個(gè)徑向延伸且周向間隔開的轉(zhuǎn)子葉片34，在圖1中只顯示了其中的一個(gè)。護(hù)罩30的徑向向內(nèi)的環(huán)面與定子外環(huán)22的徑向向內(nèi)的環(huán)面大致對(duì)齊，這樣就限定了穿過渦輪10的氣流路徑12的外環(huán)面。穿過渦輪10的氣流路徑12的內(nèi)環(huán)面由定子內(nèi)環(huán)26的徑向向外的表面和轉(zhuǎn)子葉片34的基臺(tái)36的徑向向外的表面限定。
在燃燒室內(nèi)殼24和定子內(nèi)環(huán)26之內(nèi)設(shè)有定子支撐環(huán)38，其與固定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐件(未示出)相連。支撐環(huán)38還與定子內(nèi)環(huán)26相連，并帶有固定的刷式密封支撐環(huán)40。支撐環(huán)38帶有耐磨的密封支撐環(huán)42，其上固定有環(huán)形的耐磨靜態(tài)密封元件44，如蜂窩環(huán)。轉(zhuǎn)子輪盤32帶有渦輪轉(zhuǎn)子密封環(huán)46，其包括用于與耐磨密封元件44相接合以在它們之間形成密封的環(huán)形密封齒47。轉(zhuǎn)子密封環(huán)46包括多個(gè)周向設(shè)置且軸向延伸的冷卻空氣開口48，其允許來自壓縮機(jī)(未示出)的低溫冷卻空氣冷卻渦輪的轉(zhuǎn)子輪盤32，并流入和穿過設(shè)于轉(zhuǎn)子葉片34中的冷卻空氣通道(未示出)。
刷式密封支撐環(huán)40是帶有環(huán)形刷式密封裝置50的環(huán)形件，刷式密封裝置50包括上游支承板52和下游支承板54。在支承板52和54之間設(shè)有多個(gè)并排設(shè)置的金屬剛毛56，其在大致徑向上延伸。刷式密封裝置50的剛毛56的徑向最內(nèi)端與渦輪的轉(zhuǎn)子密封環(huán)46上的基本上軸向延伸的承接面58相對(duì)，以減少刷式密封裝置50周圍的氣流。
在圖2中以軸向視圖顯示了刷式密封裝置50的基本結(jié)構(gòu)，該圖是從圖1中的下游方向看去的視圖。如圖所示，刷式密封裝置包括上游支承板52、下游支承板54，以及位于支承板52和54之間的剛毛56。剛毛位于渦輪機(jī)的軸向平面上，并相對(duì)于環(huán)形刷式密封裝置的切線傾斜，剛毛在圖2中箭頭57所示的旋轉(zhuǎn)方向上以銳角傾斜地延伸。剛毛的傾斜角度可以為45°左右。
圖3以放大的形式顯示了刷式密封裝置50的結(jié)構(gòu)及其在刷式密封支撐環(huán)40中的固定方式。如圖所示，上游和下游支承板52，54通過橋接件60相連，橋接件60通常為焊縫的形式，其還與剛毛的徑向最外端相接合以形成裝配好的刷式密封裝置。刷式密封支撐環(huán)40包括徑向延伸的前支撐面62，上游支承板52的徑向延伸的外表面靠在此前支撐面62上。支承板52，54和橋接件60的徑向最外端面均與環(huán)形軸向接觸面64相接合。結(jié)果，接觸面64限制了刷式密封裝置50的徑向向外的運(yùn)動(dòng)。前支撐面62限制了刷式密封裝置50在上游方向上、即與圖1中箭頭14所示的相反方向上的軸向運(yùn)動(dòng)。刷式密封裝置50在下游方向上的軸向運(yùn)動(dòng)由環(huán)形固定環(huán)66來限制，其容納在形成于刷式密封支撐環(huán)40中的徑向延伸的環(huán)形槽68中。
如圖3所示，上游支承板52和下游支承板54的徑向最外端面對(duì)齊。這些端面均具有相同的外徑，它們均靠在刷式密封支撐環(huán)40的軸向延伸的接觸面64上。然而，上游支承板52具有比下游支承板54更短的徑向長(zhǎng)度尺寸。關(guān)于這一點(diǎn)，由于作為存在于密封裝置50的各軸向面上的氣壓的結(jié)果而作用在刷式密封裝置50的剛毛56上的氣壓差在從上游支承板52向下游支承板54的方向上起作用，因此下游支承板54較長(zhǎng)。因此，下游支承板54的較長(zhǎng)徑向長(zhǎng)度用于對(duì)剛毛的向后或向下游的偏轉(zhuǎn)提供支撐。如果允許這種偏轉(zhuǎn)發(fā)生的話，將會(huì)導(dǎo)致剛毛的徑向最內(nèi)端向后和向上偏轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)離承接面58，從而擴(kuò)大了潛在的泄漏氣流面積，導(dǎo)致刷式密封裝置的周圍存在不希望發(fā)生的氣體泄漏。
下游支承板54有時(shí)構(gòu)造成較厚的剛性件，以減小由密封裝置的上游和下游之間的氣壓差所引起的偏轉(zhuǎn)。或者，有時(shí)設(shè)置更重且更堅(jiān)固的下游支撐結(jié)構(gòu)，下游支承板靠在該下游支撐結(jié)構(gòu)上，以減小其軸向偏轉(zhuǎn)。關(guān)于這一點(diǎn)，作用在刷式密封裝置上的軸向作用力可以非常大，刷式密封裝置上的壓力差可達(dá)約250磅/平方英寸左右或者更大。然而，在飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用中，部件重量是非常重要的考慮因素，必須盡可能地降低下游支承板和下游支撐結(jié)構(gòu)的軸向厚度，以便降低刷式密封結(jié)構(gòu)的整體重量。然而這種厚度減小會(huì)導(dǎo)致下游支承板與剛毛一起沿向后的軸向方向偏轉(zhuǎn)，在刷式密封裝置上的壓力差非常大時(shí)尤其如此。這種偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致下游支承板繞樞軸點(diǎn)進(jìn)行樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此樞軸點(diǎn)位于下游支承板的最后的徑向外緣表面上。
為了減小下游支承板的偏轉(zhuǎn)，圖3所示的刷式密封裝置的實(shí)施例包括后環(huán)形凸緣70，其從下游支承板上的鄰近其徑向最外表面的點(diǎn)處沿大致軸向的下游方向延伸出來。設(shè)置這種環(huán)形凸緣的效果是通過將支承板54設(shè)置為L(zhǎng)形截面的構(gòu)件來增強(qiáng)下游支承板54的結(jié)構(gòu)剛度，從而降低其發(fā)生軸向偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。凸緣用于將支承板的樞軸點(diǎn)向后移動(dòng)，使之遠(yuǎn)離剛毛并靠近固定環(huán)66，固定環(huán)66位于下游支承板54的徑向延伸的后表面的軸向下游處并與之間隔開。凸緣70具有與固定環(huán)66相接觸的徑向延伸的外端面71，以防止刷式密封裝置50向后軸向移動(dòng)，同時(shí)也減小向后的偏轉(zhuǎn)。
圖3還顯示了處于刷式密封裝置的上游側(cè)并與剛毛56相對(duì)的剛毛減振器72，以便限制剛毛在遠(yuǎn)離下游支承板54的方向上的向前或向上游的軸向運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)可能會(huì)在壓力脈動(dòng)期間發(fā)生，或者由轉(zhuǎn)子激勵(lì)而發(fā)生，它會(huì)導(dǎo)致剛毛56振動(dòng)或顫動(dòng)。減振器72可以是環(huán)形圈74的形式，其容納在減振器支撐環(huán)78的環(huán)形槽76中，支撐環(huán)78從刷式密封支撐環(huán)40上徑向向內(nèi)延伸。在槽76中可設(shè)置適當(dāng)?shù)钠珘杭?0，以支撐并推動(dòng)減振器環(huán)78靠在剛毛56的上游表面上，從而使剛毛保持在基本上徑向的方位上。偏壓件80可以是容納在槽76中的正弦或波形彈簧的形式，用于推動(dòng)減振器環(huán)78靠在剛毛的上游表面上，從而將剛毛牢固地夾在減振器環(huán)78和下游支承板54之間。
從圖3所示的結(jié)構(gòu)中可以清楚，通過支撐環(huán)40的接觸面64限制了刷式密封裝置50的徑向向外的運(yùn)動(dòng)。此外，刷式密封支撐環(huán)40的前支撐面62支撐了密封裝置，使其不會(huì)向前軸向運(yùn)動(dòng)，并且固定環(huán)66限制了其向后的軸向運(yùn)動(dòng)。然而，并未設(shè)置結(jié)構(gòu)來限制刷式密封裝置50以徑向向內(nèi)的方式運(yùn)動(dòng)，這就顯著減小了刷式密封裝置50及其支撐結(jié)構(gòu)的整體重量。
在圖4中顯示了刷式密封裝置82及刷式密封支撐環(huán)84的一個(gè)改進(jìn)形式。圖4所示的結(jié)構(gòu)與圖3所示的結(jié)構(gòu)類似，然而其上游支承板86包括有向前延伸的環(huán)形凸緣88，其鄰近于上游支承板的徑向最外的表面。凸緣88以與凸緣70增強(qiáng)下游支承板54的剛度相同的方式來增強(qiáng)上游支承板86的剛度。在圖4所示的實(shí)施例中，刷式密封支撐環(huán)84包括用于容納凸緣88的軸向延伸的環(huán)形槽90，從而與圖3和4所示實(shí)施例共有的結(jié)構(gòu)一起限制了刷式密封裝置82的徑向運(yùn)動(dòng)以及相對(duì)于刷式密封支撐環(huán)84的向前軸向運(yùn)動(dòng)。此外，凸緣88和環(huán)形槽90還用于防止上游支承板86的向后樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
雖然在上文中已經(jīng)顯示并介紹了本發(fā)明的具體實(shí)施例，然而本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，在不脫離本發(fā)明的精神的條件下可以進(jìn)行各種變化和修改。因此，所附權(quán)利要求中包括了所有這些變化和修改，它們都屬于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于刷式密封裝置(50)的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，所述刷式密封裝置(50)位于固定渦輪機(jī)部件(40)和旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)部件(46)之間以減小所述部件(40，46)之間的氣體流動(dòng)，所述支撐結(jié)構(gòu)包括a.環(huán)形的刷式密封裝置(50)，其包括環(huán)形的上游支承板(52)和與所述上游支承板(52)間隔開并基本上與之平行的環(huán)形的下游支承板(54)，以及多個(gè)位于所述上游和下游支承板(52，54)之間的剛毛(56)，其中，所述剛毛(56)基本上相互平行地設(shè)置，并在所述刷式密封裝置(50)的徑向內(nèi)端處從所述支承板(52，54)之間朝向由所述旋轉(zhuǎn)部件(46)形成的承接面(58)而向外延伸，所述支承板(52，54)在所述刷式密封裝置(50)的徑向外端處通過橋接件(60)相連，所述下游支承板(54)包括軸向向外延伸的凸緣(70)，其形成了在下游方向上與所述剛毛(56)隔開的環(huán)形端面(71)；b.不能旋轉(zhuǎn)的刷式密封裝置的支撐(40)，其包括基本軸向設(shè)置的刷式密封裝置的接觸面(62)，其徑向向外與所述承接面(58)隔開，所述支撐結(jié)構(gòu)包括徑向向內(nèi)的環(huán)形槽(68)，其鄰近于所述凸緣(70)的環(huán)形端面(71)；和c.位于所述環(huán)形槽(68)內(nèi)的固定環(huán)(66)，所述固定環(huán)(66)具有用于與所述下游支承板的凸緣(70)的端面(71)相接合的基本上徑向延伸的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凸緣(70)鄰近所述刷式密封裝置(50)的徑向外端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述剛毛(56)相對(duì)于所述刷式密封裝置周向上的切線而基本上相等地傾斜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支承板(52，54)具有基本相同的外徑和不同的徑向長(zhǎng)度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，各所述支承板(86，54)均包括基本上軸向向外延伸的凸緣(88，70)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，各所述凸緣(88，70)均處于相應(yīng)支承板(86，54)的徑向最外端。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述下游支承板(54)具有比所述上游支承板(52)更大的軸向厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述支撐結(jié)構(gòu)包括處于所述刷式密封裝置(50)的上游側(cè)并與所述剛毛(56)相對(duì)的剛毛減振器(72)，以便限制所述剛毛(56)在離開所述下游支承板(54)的方向上的軸向運(yùn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述密封裝置(50)可響應(yīng)于其上游側(cè)和下游側(cè)之間的壓力差而繞樞軸點(diǎn)樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所述樞軸點(diǎn)在所述下游支承板(54)上軸向向外隔開。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刷式密封支撐結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凸緣(70)在徑向向內(nèi)的方向上未受到限制。
全文摘要
一種用于處于渦輪機(jī)(10)的固定部件(40)和旋轉(zhuǎn)部件(46)之間的刷式密封裝置(50)的支撐裝置。刷式密封裝置(50)具有下游支承板(54)，其包括靠近其徑向最外端的軸向延伸的凸緣(70)，以減小由于作用在密封裝置(50)上的氣壓差而產(chǎn)生的密封裝置(50)的軸向偏轉(zhuǎn)。
文檔編號(hào)F01D11/02GK1590711SQ0315798
公開日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2003年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月5日
發(fā)明者R·J·阿爾伯斯, R·C·鮑爾, J·C·布勞爾, S·J·施密德, K·M·路易斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司