專利名稱：用于帶護(hù)罩的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的主動頂隙控制和相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)密封技術(shù)，且更具體地，涉及用于帶護(hù)罩的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片或輪葉的主動頂隙控制。
背景技術(shù)：
在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的較后級中，通常提供徑向外部頂罩，其連接固定在軸向間隔開的渦輪機(jī)葉輪上的環(huán)形的一排此類葉片或輪葉的頂端，渦輪機(jī)葉輪固定在渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上。護(hù)罩的頂部或徑向外緣可設(shè)有一個或多個徑向凸出的齒以加強(qiáng)護(hù)罩，并充當(dāng)迷宮密封件，以減少工作流體在帶護(hù)罩的輪葉上的泄漏。在護(hù)罩齒(或多個齒)和周圍定子結(jié)構(gòu)之間的間隙是必須的，以防止在瞬態(tài)期間 (例如起動和停止或其它顯著的負(fù)載變化期間)的摩擦，但在正常操作狀態(tài)期間應(yīng)減小該間隙，以便最小化泄漏。有時定子結(jié)構(gòu)攜帶蜂巢表面或其它耐磨表面，其忍受反復(fù)的摩擦，從而可保持更緊密的間隙。使用多個齒也是已知的，其中一些齒攜帶在頂罩上，并且其它齒在相對的定子表面上。還已知一旦渦輪機(jī)部件已經(jīng)達(dá)到熱平衡就徑向向內(nèi)移動定子表面以減小間隙，而在起動和停止期間則保持大的安全間隙。還有一種間隙控制系統(tǒng)，其涉及使轉(zhuǎn)子相對于定子軸向地移動，從而調(diào)整在無護(hù)罩輪葉的相應(yīng)的角度面和定子的相似的角度面之間的間隙。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性的但非限制性的方面，提供了一種渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件，轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有多個軸向間隔開的葉輪，各個軸向間隔開的葉輪安裝環(huán)形的一排輪葉，位于多個軸向間隔開的葉輪的至少其中一個葉輪上的環(huán)形的這排輪葉具有設(shè)有至少一個密封齒的徑向外部頂罩；定子組件包括徑向向內(nèi)的軸向階梯面，軸向階梯面形成有由肩部連接的徑向內(nèi)密封面和外密封面；并且其中定子組件和轉(zhuǎn)子組件可相對彼此軸向地移動，以使得能夠選擇性地使該至少一個密封齒移動到與徑向內(nèi)密封面和外密封面的其中一個密封面徑向相對的位置，從而選擇性地改變在該至少一個密封齒和徑向向內(nèi)的軸向階梯面之間的隙距。根據(jù)另一示例性的但非限制性的方面，本發(fā)明提供了一種渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件，轉(zhuǎn)子組件包括轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有多個軸向間隔開的葉輪， 各個軸向間隔開的葉輪安裝環(huán)形的一排輪葉，位于多個軸向間隔開的葉輪的至少其中一個葉輪上的環(huán)形的這排輪葉具有設(shè)有至少一個密封齒的徑向外部頂罩；定子組件包圍了頂罩，并且形成有徑向向內(nèi)的密封面，該密封面包括與轉(zhuǎn)子軸線基本平行的至少一個軸向定向面和至少一個連續(xù)的銳角面，其中該至少一個軸向定向面限定了最大隙距，并且所述至少一個連續(xù)的銳角面限定了小于最大隙距的一系列隙距。根據(jù)又一示例性的但非限制性的方面，本發(fā)明提供了一種在安裝于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的環(huán)形的一排渦輪機(jī)輪葉的頂罩和基本同心設(shè)置的渦輪機(jī)定子之間控制頂隙的方法，其中頂罩設(shè)有至少一個徑向向外凸出的密封齒，并且其中定子包括徑向向內(nèi)的表面，該表面包括至少第一密封面和第二密封面，該第一密封面和第二密封面與該至少一個徑向向外凸出的密封齒的密封邊緣分別限定至少第一密封間隙和第二密封間隙，該方法包括在渦輪機(jī)的瞬時起動和停止操作期間使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和渦輪機(jī)定子的其中一個軸向移動，從而造成所述至少一個徑向向外凸出的密封齒與第一密封面徑向?qū)R；并且當(dāng)渦輪機(jī)在基本熱平衡的條件下操作時，使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的其中一個軸向移動，從而造成徑向向外凸出的密封齒與第二密封部分徑向?qū)R?，F(xiàn)在將結(jié)合以下標(biāo)示的圖紙?jiān)敿?xì)地描述本發(fā)明。


圖1是局部剖切的側(cè)視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的輪葉頂隙構(gòu)造；圖2是與圖1相似的側(cè)視圖，但顯示一個備選的示例性實(shí)施例；圖3是簡化的局部側(cè)剖面圖，顯示了本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例；且圖4是簡化的局部側(cè)剖面圖，顯示了本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例。零部件列表10，110渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子12，112，312 定子14，114 一排葉片或輪葉16，116 頂罩18，118，218，318 密封齒19向內(nèi)面向的表面20，120，220，320，420 軸向面22，122徑向肩部222，322 傾斜肩部24，124，224 軸向表面26，126，226，326密封齒的外部密封邊緣Cl隙距部分C2更緊密的隙距部分30，130液壓裝置或氣動裝置2 ，3 定子表面
具體實(shí)施例方式參看圖1，燃?xì)鉁u輪機(jī)轉(zhuǎn)子10同心地定位在部分地被周圍定子12所限定的渦輪機(jī)外殼部分中。轉(zhuǎn)子10典型地形成有多個軸向間隔開的葉輪，各葉輪安裝了環(huán)形的一排葉片或輪葉(圖中以標(biāo)號14顯示了一個)，其基本上垂直于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線(或簡稱“轉(zhuǎn)子軸線”)而徑向向外朝著定子12延伸。至少其中一個葉輪上的一排相似的輪葉中的輪葉14設(shè)有頂罩16，該頂罩16可呈兩個或多個弧段的形式，各段周向地在其中兩個或更多葉片或輪葉14上方延伸。各個頂罩段16均可形成有一個或多個徑向向外延伸的密封齒18，密封齒 18與定子的相對表面相互作用，從而最小化跨越頂罩段和定子之間的間隙的燃燒氣體的泄漏。為了方便，在認(rèn)識到頂罩可如上所述由兩段或多段構(gòu)成的情況下，本文將只簡單地提及 “頂罩”。在一個示例性的但非限制性的實(shí)施例中，定子12的徑向向內(nèi)的表面19包括第一軸向面20、徑向肩部22和第二軸向面24。在這個實(shí)施例中，徑向肩部22相對于第一和第二軸向面20，M基本定向?yàn)?0度。應(yīng)該懂得，軸向面20和M在頂罩和定子之間，并且更具體地說，在密封齒(或多個齒)的頂端和定子之間形成了不同的徑向間隙。在此示例性實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子10和這排輪葉或葉片14可軸向移動(至左邊)，如圖1中的虛影所示。通過將階梯面20和M結(jié)合在定子上，一個或多個密封齒18可在例如起動和停止等瞬態(tài)期間，或在顯著的負(fù)載變化期間從大的間隙部分Cl內(nèi)的一軸向位置移動，并且當(dāng)渦輪機(jī)部件達(dá)到(或返回)基本熱平衡時移動至減小的更緊密的間隙部分C2。正如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的那樣，轉(zhuǎn)子相對于固定定子的整體或部分的軸向移動可通過任何合適的機(jī)械(或機(jī)電)、液壓或氣動裝置30或130來實(shí)現(xiàn)，或者通過所選擇的轉(zhuǎn)子和定子材料的所設(shè)計(jì)的不同熱膨脹特性來實(shí)現(xiàn)。圖2代表本發(fā)明的一個備選的示例性實(shí)施例。在圖2中，相似的標(biāo)號用于指示相應(yīng)的部件，但添加了前綴“1”。這里，轉(zhuǎn)子Iio保持固定，但定子112可相對于輪葉頂罩116 及其一個或多個密封齒118而軸向移動，從而取得與上面結(jié)合圖1所述相同的結(jié)果。應(yīng)該懂得密封齒的外部密封邊緣可以是相當(dāng)鈍的，并且基本上平行于轉(zhuǎn)子軸線(參見圖3中的邊緣226)，或者形成為以銳角延伸至護(hù)罩頂端(和延伸至轉(zhuǎn)子軸線)，例如分別如圖1和圖 2中的標(biāo)號沈和1 所示。圖3代表本發(fā)明的另一示例性的但非限制性的實(shí)施例。與圖1和圖2中所使用的那些標(biāo)號相似，但添加了前綴“2”的標(biāo)號在圖3中用于指示相應(yīng)的部件。在這個示例性實(shí)施例中，連接軸向面220和224的肩部222相對于表面220，2M和轉(zhuǎn)子軸線成銳角(例如 45度)傾斜。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對于定子軸向移動時(或反之)，此布置在密封齒218的平直邊緣 2 和定子之間提供了最大間隙和最小間隙之間更大的間隙調(diào)整范圍。在所示的示例中，在第一大間隙Cl和第二小間隙C2之間的移動需要0. 50英寸的相對軸向位移(如圖3中所示移動至左邊)。確切的隙距、所需要的軸向位移距離等將依賴于具體的應(yīng)用而變化。圖4代表了圖3的變體，并且相似的但帶有前綴“3”的標(biāo)號用于指示相應(yīng)的部件。 這里，密封齒318的密封邊緣3 相對于頂罩(并相對于轉(zhuǎn)子軸線)以45度的角度形成， 從而基本上平行于定子312的傾斜肩部322。注意對于其它方面相似的尺寸關(guān)系，成角度的密封邊緣3 將在如上面結(jié)合圖3所述的相同的0. 50英寸的軸向位移上產(chǎn)生相同的隙距。對于圖3和圖4兩者中的密封構(gòu)造，在允許轉(zhuǎn)子或定子在相反方向上的相對軸向移動的情況下，在表面220，230的右邊的定子表面2 和3 分別可提供中間的隙距C3 (也可沿著傾斜肩部222，322獲得)。雖然已經(jīng)結(jié)合目前被認(rèn)為最可行且最優(yōu)選的實(shí)施例而描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該懂得本發(fā)明并不局限于所公開的實(shí)施例，相反，其意圖覆蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種變體和等效裝置。
權(quán)利要求
1.一種渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)子組件，其包括轉(zhuǎn)子(10)，所述轉(zhuǎn)子具有多個軸向間隔開的葉輪，各所述軸向間隔開的葉輪安裝了環(huán)形的一排輪葉(14)，所述多個軸向間隔開的葉輪的至少其中一個葉輪上的所述環(huán)形的一排輪葉具有設(shè)有至少一個密封齒(18)的徑向外部頂罩(16)；定子組件(12)，其包括徑向向內(nèi)的軸向階梯面，所述軸向階梯面形成有由肩部02)連接的徑向內(nèi)密封面00)和徑向外密封面04)；且其中所述定子組件和所述轉(zhuǎn)子組件可相對彼此軸向地移動，使得能夠選擇性地使所述至少一個密封齒(18)移動至與所述徑向內(nèi)密封面OO)和所述徑向外密封面04)的其中一個密封面徑向相對的位置，從而選擇性地改變所述至少一個密封齒(18)和所述徑向向內(nèi)的軸向階梯面(19)之間的隙距(Cl或⑵。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括用于使所述轉(zhuǎn)子組件相對于所述定子組件軸向地移動的裝置(30)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述控制系統(tǒng)包括用于使所述定子組件相對于所述轉(zhuǎn)子組件軸向地移動的裝置(130)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述徑向外部頂罩 (16)設(shè)有至少兩個密封齒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個密封齒(18)形成有軸向定向的密封邊緣0沈)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個密封齒形成有成銳角的密封邊緣06)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述肩部02)相對于所述徑向內(nèi)密封面OO)和所述徑向外密封面04)以基本90度定向。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其特征在于，所述肩部(222)相對于所述徑向內(nèi)密封面(220)和所述徑向外密封面OM)以基本45度定向。
9.一種控制在安裝于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子(10)上的環(huán)形的一排渦輪機(jī)輪葉(14)上的頂罩 (16)和基本同心布置的渦輪機(jī)定子(1 之間的頂隙的方法，其中所述頂罩(16)設(shè)有至少一個徑向向外凸出的密封齒(18)，并且其中所述定子(1 包括徑向向內(nèi)的表面，所述徑向向內(nèi)的表面包括與所述至少一個徑向向外凸出的密封齒的密封邊緣06)分別限定至少第一密封間隙(Cl)和第二密封間隙(以)的至少第一密封面OO)和第二密封面(M)，所述方法包括在所述渦輪機(jī)的瞬時操作期間使所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子(10)和所述渦輪機(jī)定子(1 的其中一個軸向移動，從而造成所述至少一個徑向向外凸出的密封齒(18)與所述第一密封面 (20)徑向地對齊；以及當(dāng)所述渦輪機(jī)在基本熱平衡的條件下操作時，使所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子和所述渦輪機(jī)定子的其中一個軸向移動，從而造成所述至少一個徑向向外凸出的密封齒與所述第二密封面04) 徑向地對齊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一密封面和所述第二密封面 (222)的至少其中一個密封面相對于所述渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸線以銳角定向，并且其中所述至少一個密封齒(318)的密封邊緣(3 )以基本相同的銳角定向。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于帶護(hù)罩的燃?xì)鉁u輪機(jī)葉片的主動頂隙控制和相關(guān)方法，具體而言，涉及一種渦輪機(jī)輪葉頂隙控制系統(tǒng)，其包括轉(zhuǎn)子組件和定子組件，轉(zhuǎn)子組件具有支撐多個軸向間隔開的葉輪的轉(zhuǎn)子，各個葉輪安裝了環(huán)形的一排輪葉，位于多個軸向間隔開的葉輪的至少其中一個葉輪上的環(huán)形的這排輪葉具有設(shè)有至少一個密封齒的徑向外部頂罩。定子組件包括徑向向內(nèi)的軸向階梯面，階梯面形成有由肩部連接在一起的徑向內(nèi)密封面和徑向外密封面。定子組件和轉(zhuǎn)子組件相對彼此可軸向移動，使得能夠選擇性地使該至少一個密封齒定位成與徑向內(nèi)密封面和徑向外密封面的其中一個密封面徑向相對，從而選擇性地改變在該至少一個密封齒和該徑向向內(nèi)的軸向階梯面之間的隙距。
文檔編號F01D11/20GK102200036SQ20111007993
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者H·E·米勒 申請人:通用電氣公司