專利名稱：迷宮式密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及迷宮式密封件，并且具體地涉及用于在諸如軸流式燃?xì)鉁u輪、蒸汽渦輪或壓縮機(jī)的渦輪機(jī)中的靜止部件和移動(dòng)部件之間密封的迷宮式密封件。
背景技術(shù)：
迷宮式密封件通常用于在諸如軸流式燃?xì)鉁u輪或蒸汽渦輪的渦輪機(jī)中的靜止部件和旋轉(zhuǎn)部件之間提供密封，并且因此最小化流體泄漏。在EP1001139A1的圖I中示出用于在軸流式渦輪中在移動(dòng)葉片的尖端和徑向相鄰的靜止殼體之間密封的常規(guī)迷宮式密封件。在該常規(guī)迷宮式密封件中，軸向間隔和周向延伸的密封翅片填塞(caulk)到靜止殼體中，并且朝向葉片尖端處的齒形弓狀葉片圍帶(shroud)橫跨流體流動(dòng)路徑徑向向內(nèi)突出。徑向間隙通常設(shè)置在每個(gè)密封翅片的尖端和徑向相鄰的弓狀葉片圍帶之間，以防止或最小化在移動(dòng)葉片圍帶相對(duì)于徑向相鄰的靜止殼體的徑向偏移期間在靜止密封翅片的尖端和移動(dòng)葉片圍帶之間的摩擦接觸。在諸如EP1001139A1的圖I中示出的迷宮式密封件的常規(guī)迷宮式密封件中，軸向流動(dòng)的工作流體可通過設(shè)置在密封翅片的尖端和徑向相鄰的弓狀葉片圍帶之間的徑向間隙逸出，從而減小迷宮式密封件的效力。因此，期望提供具有改進(jìn)的密封能力的迷宮式密封件。

發(fā)明內(nèi)容
本公開提供一種迷宮式密封件，其配置成在軸向流體流渦輪機(jī)中阻止泄漏流穿過在靜止部件和移動(dòng)部件的面對(duì)表面之間的環(huán)形縫隙，迷宮式密封件包括多個(gè)軸向間隔并周向延伸的密封翅片，其以泄漏流序列(series)配置，該翅片從 面對(duì)部件中的至少一個(gè)朝向相對(duì)的面對(duì)部件橫跨縫隙突出，使得翅片的遠(yuǎn)端密封地鄰近相對(duì)的面對(duì)部件；多個(gè)腔，其限定在處于泄漏流序列的連續(xù)翅片之間；每個(gè)翅片具有面向上游表面，至少該面向上游表面的遠(yuǎn)端部分朝向泄漏流的上游方向傾斜以形成渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面，其操作成使泄漏流在上游方向偏轉(zhuǎn)并且在由連續(xù)翅片限定的腔內(nèi)的泄漏流中產(chǎn)生再循環(huán)渦流。如在本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“遠(yuǎn)端”表示離翅片從其上突出的表面最遠(yuǎn)的翅片的端部，并且術(shù)語(yǔ)“遠(yuǎn)端部分”表示離翅片從其上突出的表面最遠(yuǎn)的翅片的部分，其包括翅片的遠(yuǎn)端。術(shù)語(yǔ)“密封地鄰近”的使用表示，在密封翅片的遠(yuǎn)端和密封翅片密封抵靠的表面之間存在小徑向間隙，該間隙不足以嚴(yán)重地?fù)p害迷宮式密封件的密封效率。周向延伸密封翅片的流動(dòng)再循環(huán)表面使沿著流體泄漏路徑向下游流動(dòng)的流體在上游方向上往回轉(zhuǎn)向和再循環(huán)。這減小了穿過在密封翅片的遠(yuǎn)端和渦輪機(jī)的徑向相鄰靜止或移動(dòng)部件的表面之間的徑向間隙的泄漏流，并且導(dǎo)致減小的有效泄漏面積和因此減小的排放系數(shù)。在軸向相鄰的密封翅片之間產(chǎn)生流體再循環(huán)區(qū)，并且下游密封翅片的流動(dòng)再循環(huán)表面在流體再循環(huán)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生渦流。產(chǎn)生的渦流流動(dòng)增大橫跨密封翅片的壓降，并且由此減小穿過在密封翅片的尖端和渦輪機(jī)的徑向相鄰靜止或移動(dòng)部件的表面之間的徑向間隙的泄漏。減小的泄漏流增大迷宮式密封件的密封效力。在本文中公開的一個(gè)主實(shí)施例中，靜止部件和移動(dòng)部件的面對(duì)表面中的一個(gè)是齒形的，并且包括至少一個(gè)平臺(tái)和至少一個(gè)相對(duì)凹陷部分，每個(gè)平臺(tái)和每個(gè)凹陷部分密封地鄰近密封翅片的遠(yuǎn)端，并且其中，連續(xù)密封翅片交替地包括第一翅片，其具有朝向上游方向傾斜的筆直的面向上游表面；和第二翅片，其具有面向上游表面，至少該面向上游表面的遠(yuǎn)端部分朝向上游方向傾斜。注意，本文中使用的術(shù)語(yǔ)“第一翅片”和“第二翅片”意圖標(biāo)識(shí)密封翅片，而不限制密封翅片是否按照流體流動(dòng)次序配置成第一或第二。為了獲得泄漏流的截?cái)嗪驮傺h(huán)，第一密封翅片或每個(gè)第一密封翅片的面向上游表面可以以遠(yuǎn)離徑向方向的在10到70度之間(優(yōu)選為45度)的銳角在上游方向上傾斜。優(yōu)選地，每個(gè)第一翅片的遠(yuǎn)端密封地鄰近平臺(tái)，并且每個(gè)第二翅片的遠(yuǎn)端密封地鄰近凹陷部分。交替的平臺(tái)和凹陷部分設(shè)置在面對(duì)表面中的一個(gè)中，以便與該表面僅為平面的情況相比，泄漏流具有穿過迷宮式密封件的較不直接的路線，由此增大了迷宮式密封件對(duì)泄漏流的阻力。此外，凹陷部分為再循環(huán)渦流提供該渦流完全發(fā)展的更大徑向高度和腔體積，由此提供任何泄漏流的最大再循環(huán)并且進(jìn)一步增大迷宮式密封件的流動(dòng)阻力。由第二翅片或每個(gè)第二翅片的傾斜遠(yuǎn)端部分形成的流動(dòng)再循環(huán)表面可為第二翅片的面向上游表面的凹入彎曲部分。在迷宮式密封件的一個(gè)優(yōu)選變型中，最上游翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近平臺(tái)的第一翅片，并且緊接隨后的翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近凹陷表面部分的第二翅片。在可選配置中，最上游翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近凹陷表面部分的第二翅片，并且緊接隨后的翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近平臺(tái)的第一翅片。在又一個(gè)可選實(shí)施例中，第一密封翅片或第一密封翅片中的每一個(gè)可橫跨流體流動(dòng)路徑從靜止部件或移動(dòng)部件突出到面對(duì)的移動(dòng)或靜止表面的對(duì)應(yīng)凹陷部分中，并且第二周向延伸密封翅片或第二周向延伸密封翅片中的每一個(gè)可朝向?qū)?yīng)平臺(tái)橫跨流體流動(dòng)路徑從靜止部件或移動(dòng)部件突出。為了便于制造，每個(gè)第二翅片的面向上游表面優(yōu)選地包括從靜止或移動(dòng)部件突出的徑向延伸部分和與翅片的遠(yuǎn)端相鄰的傾斜遠(yuǎn)端部分。每個(gè)第二翅片的面向上游表面的遠(yuǎn)端部分可傾斜一距離，該距離在翅片的長(zhǎng)度的大約20%到大約50%的范圍內(nèi)(優(yōu)選為大約30% )。在可選構(gòu)造中，第二翅片或每個(gè)第二翅片的面向上游表面在其整個(gè)長(zhǎng)度上凹入地彎曲，最大凹度位于其遠(yuǎn)端處，該可選構(gòu)造可產(chǎn)生優(yōu)越密封性能，但是可能制造起來是更困難或昂貴的。在優(yōu)選配置中，第一密封翅片和第二密封翅片設(shè)置在靜止部件上，并且齒形表面設(shè)置在移動(dòng)部件上。可選地，第一密封翅片和第二密封翅片可設(shè)置在移動(dòng)部件上，并且齒形表面可設(shè)置在靜止部件上，以便第一密封翅片和第二密封翅片朝向靜止部件上的齒形表面從移動(dòng)部件橫跨流體流動(dòng)路徑突出。
在第二主實(shí)施例中，連續(xù)密封翅片交替地包括靜止翅片，其從靜止部件突出為密封地鄰近移動(dòng)部件；和移動(dòng)翅片，其從移動(dòng)部件突出為密封地鄰近靜止部件。優(yōu)選地，迷宮式密封件中的最上游翅片是靜止翅片?？蛇x地，迷宮式密封件中的最上游翅片可為移動(dòng)翅片。在一個(gè)變型中，靜止密封翅片和移動(dòng)密封翅片的面向上游表面包括分別從靜止部件和移動(dòng)部件突出的徑向延伸部分和與翅片的遠(yuǎn)端相鄰的傾斜遠(yuǎn)端部分。例如，翅片的面向上游表面的遠(yuǎn)端部分可傾斜一距離，該距離在翅片的長(zhǎng)度的大約20%到大約50%的范圍內(nèi)(優(yōu)選為大約30% )。優(yōu)選地，靜止密封翅片和移動(dòng)密封翅片的傾斜遠(yuǎn)端部分包括面向上游表面的凹入彎曲部分，但是可選地，密封翅片的面向上游表面可在它們的整個(gè)長(zhǎng)度上凹入地彎曲，最大凹度位于在它們的遠(yuǎn)端處。為了防止或改進(jìn)由于移動(dòng)圍帶環(huán)相對(duì)于靜止殼體的過度徑向偏移而產(chǎn)生的、對(duì)以 上主實(shí)施例二者中的密封翅片的遠(yuǎn)端的損壞，可磨損材料可設(shè)置在適當(dāng)?shù)嘏c密封翅片的遠(yuǎn)端相鄰的移動(dòng)和/或靜止部件的表面上。如果在軸流式渦輪機(jī)的操作期間移動(dòng)部件相對(duì)于靜止部件過度徑向偏移，則密封翅片的遠(yuǎn)端將摩擦抵靠可磨損材料而不是靜止或移動(dòng)部件的固體金屬。因?yàn)榕渲玫氖?，可磨損材料比密封翅片的遠(yuǎn)端處的材料更軟或至少更容易磨掉，所以保持翅片的形狀和密封效力。本發(fā)明的又一個(gè)方面提供一種渦輪機(jī)，其包括靜止部件、移動(dòng)部件以及用于在靜止部件和移動(dòng)部件之間密封的根據(jù)第一或第二主實(shí)施例的迷宮式密封件。渦輪機(jī)可為軸流式渦輪，諸如蒸汽渦輪或燃?xì)鉁u輪。特別地，移動(dòng)部件可為安裝在移動(dòng)渦輪葉片的徑向外尖端上的移動(dòng)弓狀葉片圍帶。靜止部件可為從移動(dòng)葉片圍帶徑向向外定位的靜止殼體?？蛇x地，移動(dòng)部件可為轉(zhuǎn)子軸，并且靜止部件可為從轉(zhuǎn)子軸徑向向外定位的靜止隔板環(huán)。因此，迷宮式密封件可配置成在靜止隔板環(huán)的內(nèi)徑和徑向內(nèi)轉(zhuǎn)子之間密封。


現(xiàn)在將僅經(jīng)由實(shí)例并參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖I是迷宮式密封件的第一主實(shí)施例的、在迷宮式密封件安裝在其中的軸流式渦輪的周向方向上觀看的圖解截面圖；圖2是圖I的翅片形成部分的放大圖；圖3和圖4是與圖2相似的視圖，但是示出了圖2的翅片的形狀的兩種可能變型；圖5是與圖I相似的視圖，但是示出了迷宮式密封件的第二主實(shí)施例；圖6是圖5的翅片形成部分的放大圖；和圖7和圖8是與圖6相似的視圖，但是示出了圖6的翅片的形狀的兩種可能變型。
具體實(shí)施例方式軸流式渦輪，諸如燃?xì)鉁u輪或蒸汽渦輪，通常包括多個(gè)渦輪級(jí)，每個(gè)渦輪級(jí)包括成角地隔開的移動(dòng)葉片的環(huán)形陣列，在其之前是成角地隔開的靜止導(dǎo)葉的環(huán)形陣列，該靜止導(dǎo)葉的功能是將渦輪工作流體引導(dǎo)到移動(dòng)葉片上。
參考圖1，示出移動(dòng)葉片的徑向外部分，其包括翼型部10和弓狀葉片圍帶11，其安裝在翼型部10的徑向外尖端上并且與其集成在一起。相鄰的葉片圍帶11協(xié)作以形成環(huán)形圍帶環(huán)。周向延伸的靜止殼體12從移動(dòng)葉片徑向向外定位并且圍繞移動(dòng)葉片。在圖I的具體實(shí)施例中，每個(gè)葉片圍帶11具有徑向外齒形表面14，其由多個(gè)軸向隔開的、徑向外部的、周向延伸的平臺(tái)16構(gòu)成，每個(gè)平臺(tái)16之后是相對(duì)凹陷的徑向內(nèi)表面部分18，其與該平臺(tái)一起周向地共同延伸。雖然圖I示出了帶有兩個(gè)平臺(tái)16的圍帶表面，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠選擇并入在考慮的渦輪設(shè)計(jì)的環(huán)境下可以是方便且有用的許多平臺(tái)。然而，通常，將存在多個(gè)平臺(tái)16，以便減小工作流體通過圍帶11和靜止殼體12之間的縫隙的泄漏，如在下文說明的。工作流體通過軸流式渦輪膨脹，并在下游方向上沿著移動(dòng)葉片翼型10之間的流體流動(dòng)路徑移動(dòng)，如圖I中的箭頭19所示。迷宮式密封件20在移動(dòng)葉片圍帶11和徑向相鄰的靜止殼體12之間密封以最小化經(jīng)過在移動(dòng)葉片的尖端處的葉片圍帶11的流體泄漏21。 在圖I的具體實(shí)施例中，迷宮式密封件20包括多個(gè)第一周向延伸并軸向間隔的密封翅片24，其朝向移動(dòng)葉片圍帶11的齒形表面14上的平臺(tái)16橫跨泄漏流體流動(dòng)路徑從靜止殼體12徑向向內(nèi)突出。迷宮式密封件20還包括多個(gè)第二周向延伸并軸向間隔的密封翅片26，其也朝向移動(dòng)葉片圍帶11的齒形表面14的相對(duì)凹陷的徑向內(nèi)部分18橫跨泄漏流體流動(dòng)路徑從靜止殼體12徑向向內(nèi)突出。第一和第二周向延伸密封翅片24，26在軸向方向上沿著靜止殼體12交替地配置，使得第一密封翅片24中的每一個(gè)之后是第二密封翅片26。第一和第二周向延伸密封翅片24，26可制造為分開構(gòu)件，并且例如通過本質(zhì)上已知的填塞過程固定在靜止殼體12中的周向延伸凹處(未示出)中?？蛇x地，可通過機(jī)加工或鑄造過程與殼體集成地生產(chǎn)翅片。第一密封翅片和第二密封翅片24，26中的每一個(gè)的遠(yuǎn)端或尖端密封地鄰近移動(dòng)葉片圍帶11的齒形表面14，也就是，在渦輪的正常操作期間，在翅片的遠(yuǎn)端和齒形表面14之間存在小徑向間隙。這種徑向間隙可為大約I或2毫米，并且意圖防止或改進(jìn)在渦輪的操作期間由移動(dòng)葉片圍帶11相對(duì)于靜止殼體12的小徑向偏移引起的、在密封翅片24，26的尖端和葉片圍帶11的相鄰固體金屬之間的摩擦接觸。這種摩擦接觸將導(dǎo)致密封翅片24，26的尖端磨損，并且因此變形，從而減小迷宮式密封件20的密封效力。用于使用的正確徑向間隙可通過潤(rùn)輪的操作特性的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算或通過機(jī)床試驗(yàn)(rig test)確定。雖然選擇的徑向間隙通常足以在移動(dòng)葉片圍帶11相對(duì)于靜止殼體12的最大徑向偏移期間防止在第一密封翅片和第二密封翅片24，26的尖端和相鄰移動(dòng)葉片圍帶11的齒形表面14之間的摩擦接觸，但是可通過將可磨損材料27設(shè)置在與第一密封翅片和第二密封翅片24，26的尖端相鄰的葉片圍帶11的齒形表面14而容許可超出正常渦輪操作特性的較大徑向偏移。在移動(dòng)葉片圍帶11的徑向偏移期間，比密封翅片24，26的尖端處的材料更軟的可磨損材料27被密封翅片24，26的尖端磨掉。因此，對(duì)密封翅片24，26的尖端的損壞被防止或至少最小化，由此保持第一密封翅片和第二密封翅片24，26的尖端的形狀和因此密封翅片24，26的密封效力。適合于以上目的的可磨損材料為例如各種類型的熱噴涂覆層，諸如金屬陶瓷。已知的可替代方案是Feltmetal ,其包括由多種耐高溫合金制成的金屬纖維氈，氈中的纖維通過燒結(jié)過程隨機(jī)地互鎖。Feltmetal 由 Technetics, 1700 E. Int’ I Speedway Blvd.,DeLand, FL32724 USA 制造。第一密封翅片24中的每一個(gè)在上游方向上傾斜，并且限定相對(duì)于徑向方向的銳角‘A’。在該情況下，角度A為遠(yuǎn)離徑向方向的大約45度，但是在其他的實(shí)施例中，角度A可在大約10到70度之間變化。因此，第一密封翅片24中的每一個(gè)具有以在前述范圍內(nèi)的銳角A定向的線性(即，非彎曲)面向上游表面28。第一密封翅片24中的每一個(gè)安裝在靜止殼體12上并且橫跨泄漏流動(dòng)路徑突出，以便它的遠(yuǎn)端密封地鄰近移動(dòng)葉片圍帶11的齒形表面14的對(duì)應(yīng)周向平臺(tái)16。第一密封翅片24中的每一個(gè)的傾斜線性面向上游表面28與對(duì)應(yīng)的周向延伸平臺(tái)16協(xié)作，并且形成操作成使泄漏流21在上游方向上往回偏轉(zhuǎn)的渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面，由此在泄漏流中產(chǎn)生再循環(huán)渦流25。因此，經(jīng)過第一密封翅片24的尖端的泄漏流21減小。還參考圖2，第二密封翅片26中的每一個(gè)包括面向上游表面30，其包括第一翅片部分32，其橫跨泄漏流動(dòng)路徑從靜止殼體12在基本上徑向向內(nèi)的方向上突出；和第二遠(yuǎn)端部分34，其與翅片的尖端相鄰并且包括翅片的尖端，該遠(yuǎn)端部分朝向上游方向傾斜，即朝向 緊接的上游密封翅片的下游表面傾斜，其中，存在這種翅片。在圖I和圖2中示出的實(shí)施例中，每個(gè)第二翅片26的傾斜遠(yuǎn)端部分34為面向上游表面30的凹入彎曲部分。該凹入彎曲部分形成渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面，其延伸一距離，該距離包括在翅片26的尖端和翅片26從其上突出的表面之間測(cè)量的翅片26的總長(zhǎng)度L的大約30%。在其他的實(shí)施例中，彎曲可延伸一距離，該距離在翅片的尖端和翅片從其上突出的靜止殼體表面12之間的翅片的長(zhǎng)度的大約20 %到大約50 %的范圍內(nèi)。將帶有在附接于表面12的翅片的點(diǎn)和翅片的尖端之間的IOmm的長(zhǎng)度L的翅片作為實(shí)例。如果翅片的面向上游表面30的遠(yuǎn)端部分中的彎曲部具有4mm的半徑，則該彎曲部將占據(jù)在徑向方向上測(cè)量的、與尖端相鄰的大約最后3mm的翅片。盡管翅片26的面向上游表面30的凹入彎曲遠(yuǎn)端部分34示出為圓的弧，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，該彎曲部可以可選地為橢圓或其他的圓錐截面的弧。翅片26的面向上游表面30的凹入彎曲遠(yuǎn)端部分34可近似為相對(duì)于徑向方向以一角度傾斜的筆直(線性)遠(yuǎn)端部分。這在圖3中示出，其中，長(zhǎng)度L的翅片26A具有帶有筆直遠(yuǎn)端部分34A的面向上游表面30A，筆直遠(yuǎn)端部分34A相對(duì)于徑向方向以角度‘B’傾斜以形成渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面。與圖2中的彎曲遠(yuǎn)端部分34相似，圖3中的遠(yuǎn)端部分34A傾斜一距離，該距離包括在翅片26的尖端和翅片26從其上突出的表面之間測(cè)量的翅片26的總長(zhǎng)度L的大約30%，但是在其他的實(shí)施例中，該傾斜部分可延伸一距離，該距離包括在翅片的尖端和翅片從其上突出的表面之間的翅片的長(zhǎng)度的大約20%到大約50%之間。作為實(shí)例，圖3中的角度B可在大約10度到大約60度的范圍內(nèi)，優(yōu)選為大約25度到大約45度，并且如果翅片的長(zhǎng)度L為10mm，則面向上游表面30A的傾斜遠(yuǎn)端部分34A可占據(jù)在徑向方向上測(cè)量的、與尖端相鄰的大約最后3到4mm的翅片。圖4示出了又一個(gè)可選實(shí)施例，其從使更高密封效率成為可能的方面來看是優(yōu)選的，但是可能制造起來是更困難或昂貴的。在該實(shí)施例中，翅片26B的整個(gè)面向上游表面30B在上游方向上彎曲，而不僅僅是遠(yuǎn)端部分。在示出的具體情況下，面向上游表面30B相對(duì)于徑向方向形成的角度從翅片從靜止或移動(dòng)表面突出的點(diǎn)處的O度逐漸增大到翅片的尖端340B處的最大角度B。例如，表面300B可橢圓地、拋物線地或雙曲線地彎曲。此外，角度B可在大約10度到大約60度的范圍內(nèi)，優(yōu)選為大約25度到大約45度。再次考慮圖I和圖2，翅片26，28的形狀使泄漏流體21在上游方向上往回偏轉(zhuǎn)，從而在限定在連續(xù)翅片之間的軸向和周向延伸的腔40，42中產(chǎn)生再循環(huán)渦旋流25，36。該渦流使泄漏流難以通過在翅片的尖端和相鄰移動(dòng)表面之間的縫隙離開，從而導(dǎo)致通過該縫隙的減小的有效面積和因此較小的流體排放系數(shù)。此外，產(chǎn)生的渦流有助于橫跨翅片的較大壓降和因此減小的泄漏。因此，經(jīng)過翅片的尖端的泄漏流減小。當(dāng)?shù)谝缓偷诙芟蜓由烀芊獬崞?4，26的數(shù)量增加時(shí)，沿著流體流動(dòng)路徑流動(dòng)的泄漏流體的截?cái)嗪驮傺h(huán)也增加。與諸如EP1001139A1的圖I中示出的迷宮式密封設(shè)計(jì)的常規(guī)迷宮式密封設(shè)計(jì)相比，由圖2中示出的迷宮式密封件的第一和第二周向延伸密封翅片24，26的配置提供的泄漏流的截?cái)嘁呀?jīng)被發(fā)現(xiàn)能使在移動(dòng)葉片圍帶11的齒形表面14和靜止殼體12之間的泄漏流減小大約19%。因此，包括迷宮式密封件的軸流式渦輪的效率可觀地提聞。 應(yīng)當(dāng)注意，圍帶表面14具有交替的平臺(tái)16和凹陷部分18，以便與圍帶表面僅為平面的情況相比，泄漏流21具有穿過迷宮式密封件的較不直接的路線。這增大了迷宮式密封件對(duì)泄漏流的阻力。此外，凹陷部分18為渦流36提供該渦流在其中完全發(fā)展的更大的徑向高度和腔體積，由此進(jìn)一步增大迷宮式密封件對(duì)泄漏流的阻力。雖然已經(jīng)在前面的段落中描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不背離下列權(quán)利要求的范圍的情況下，可對(duì)這些實(shí)施例作出各種修改。例如，第一和/或第二周向延伸密封翅片24，26可安裝在移動(dòng)葉片圍帶11上，用于與其一起旋轉(zhuǎn)。在該情況下，靜止殼體12的徑向內(nèi)表面將是齒形的，以便第一和第二周向延伸密封翅片24，26朝向靜止殼體12的齒形表面14橫跨流體流動(dòng)路徑從葉片圍帶11徑向向外突出。雖然圖I示出了以流動(dòng)序列配置的四個(gè)密封翅片，S卩，兩個(gè)第一翅片24，兩個(gè)第一翅片24中的每一個(gè)之后是第二翅片26，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，如果需要，該次序可無限地延伸，例如包括三個(gè)第一翅片24的六個(gè)密封翅片,三個(gè)第一翅片24中的每一個(gè)之后是第二翅片26。相反地，在一些情況下，可以利用兩個(gè)第一翅片24實(shí)現(xiàn)可接受的密封性能，其中，一個(gè)第二翅片26位于兩個(gè)翅片24之間，或甚至僅僅一個(gè)第一翅片24之后是僅僅一個(gè)第二翅片26。盡管圖I示出了當(dāng)前優(yōu)選的配置，其中，最上游翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近平臺(tái)16的第一翅片24，并且緊接隨后的翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近凹陷表面部分18的第二翅片26，但是如果第一翅片和第二翅片的順序相反，以便最上游翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近凹陷表面部分18的第二翅片26，并且緊接隨后的翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近平臺(tái)16的第一翅片24，則也可獲得期望的效率提高。現(xiàn)在將參考圖5至8描述第二主實(shí)施例。圖5也示出了包括翼型部100和弓狀葉片圍帶110的移動(dòng)葉片的徑向外部分，弓狀葉片圍帶110安裝在翼型部100的徑向外尖端上并且與其集成在一起。相鄰的葉片圍帶110協(xié)作以形成環(huán)形圍帶環(huán)。周向延伸的靜止殼體120從移動(dòng)葉片徑向向外定位并且圍繞移動(dòng)葉片。
工 作流體通過軸流式渦輪膨脹，并且在下游方向上沿著在移動(dòng)葉片翼型100之間的流體流動(dòng)路徑移動(dòng)，如圖I中的箭頭190所示。迷宮式密封件200在移動(dòng)葉片圍帶110和徑向相鄰的靜止殼體120之間密封，以最小化經(jīng)過在移動(dòng)葉片的尖端處的葉片圍帶110的流體泄漏210。在圖5的具體實(shí)施例中，迷宮式密封件200包括多個(gè)第一周向延伸并軸向間隔的第一密封翅片240，其朝向移動(dòng)葉片圍帶110的表面140橫跨泄漏流體流動(dòng)路徑從靜止殼體120的表面122徑向向內(nèi)延伸。 迷宮式密封件200還包括多個(gè)第二周向延伸并軸向間隔的密封翅片260，其朝向靜止殼體120的表面122橫跨泄漏流體流動(dòng)路徑從移動(dòng)葉片圍帶110的表面140徑向向外突出。因此，從靜止殼體120向內(nèi)突出的第一密封翅片240可被稱為靜止密封翅片，并且從移動(dòng)葉片圍帶110向外突出的第二密封翅片260可被稱為移動(dòng)密封翅片。靜止和移動(dòng)密封翅片240，260穿過迷宮式密封件200在軸向方向上交替地配置，使得每個(gè)靜止密封翅片240之后是移動(dòng)密封翅片260。因此，靜止密封翅片240突出到移動(dòng)密封翅片260之間的軸向空間中，而移動(dòng)密封翅片260突出到靜止密封翅片之間的軸向空間中。靜止和移動(dòng)密封翅片240，260可制造為分開構(gòu)件，并且例如通過本質(zhì)上已知的填塞過程分別固定在靜止殼體120和移動(dòng)葉片圍帶110中的周向延伸凹處(未示出)中?？蛇x地，可通過機(jī)加工或鑄造過程與圍帶110和/或殼體120集成地生產(chǎn)翅片。靜止密封翅片240的遠(yuǎn)端或尖端密封地鄰近移動(dòng)葉片圍帶110，而移動(dòng)密封翅片260的遠(yuǎn)端或尖端密封地鄰近靜止殼體120。這意味著，在渦輪的正常操作期間，在靜止翅片240的遠(yuǎn)端和移動(dòng)葉片圍帶110之間以及在移動(dòng)翅片260的遠(yuǎn)端和靜止殼體120之間存在小徑向間隙。這種徑向間隙意圖防止或改進(jìn)在渦輪的操作期間由移動(dòng)葉片圍帶110相對(duì)于靜止殼體120的徑向偏移引起的、在密封翅片240，260的遠(yuǎn)端和移動(dòng)葉片圍帶110或靜止殼體120的相鄰固體金屬之間的摩擦接觸。這種摩擦接觸將導(dǎo)致密封翅片240，260的尖端變形，從而減小迷宮式密封件200的密封效力。用于使用的正確徑向間隙可通過渦輪的操作特性的計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，并且/或者通過機(jī)床試驗(yàn)確定。雖然選擇的徑向間隙通常足以在移動(dòng)葉片圍帶110相對(duì)于靜止殼體120的最大徑向偏移期間防止在靜止和移動(dòng)密封翅片240，260的尖端與相鄰移動(dòng)葉片圍帶110或靜止殼體120之間的摩擦接觸，但是可通過將可磨損材料270設(shè)置在與靜止密封翅片240和移動(dòng)密封翅片260的尖端相鄰的移動(dòng)葉片圍帶110和靜止殼體120的表面140，122上或在其中而容許可超出正常渦輪操作特性的較大徑向偏移。在移動(dòng)葉片圍帶110的徑向偏移期間，比密封翅片240，260的尖端處的材料更軟的可磨損材料270被密封翅片的尖端磨掉。因此，密封翅片240，260的尖端的變形被防止或至少最小化，由此保持迷宮式密封件200的效力。適合于以上目的的可磨損材料為例如各種類型的熱噴涂覆層，諸如金屬陶瓷。已知的可替代方案是Feltmetal ,其包括由多種耐高溫合金制成的金屬纖維氈，氈中的纖維通過燒結(jié)過程隨機(jī)地互鎖。Feltmetal 由 Technetics, 1700 E. Int，I Speedway Blvd.,DeLand, FL32724 USA 制造。如圖6中對(duì)于靜止密封翅片240中的單一靜止密封翅片更清楚地示出，靜止和移動(dòng)密封翅片240，260中的每一個(gè)包括渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面，其相對(duì)于穿過迷宮式密封件200的泄漏空氣流在上游方向上面向。在示出的實(shí)施例中，每個(gè)密封翅片240，260具有面向上游表面300，其包括筆直翅片部分320，其橫跨泄漏流動(dòng)路徑從靜止殼體120或移動(dòng)葉片圍帶110在基本上徑向的方向上突出；和在其遠(yuǎn)端附近的遠(yuǎn)端部分340，其朝向泄漏流的上游方向傾斜。在示出的具體變型中，傾斜的遠(yuǎn)端部分340為翅片的面向上游表面240的凹入彎曲部分，并且包括渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面，其延伸一距離，該距離包括在翅片的尖端和翅片從其上突出的表面之間測(cè)量的翅片的總長(zhǎng)度L的大約30%。在其他的實(shí)施例中，凹入彎曲可延伸一距離，該距離在翅片的尖端和翅片從其上突出的靜止表面或移動(dòng)表面之間的翅片的長(zhǎng)度的大約20%到大約50%的范圍內(nèi)。將帶有在附接于表面的翅片的點(diǎn)和翅片的尖端之間的IOmm的長(zhǎng)度L的翅片作為實(shí)例。如果翅片的面向上游表面300的遠(yuǎn)端部分中的彎曲部具有4mm的半徑，則該彎曲部將占據(jù)在徑向方向上測(cè)量的、與尖端相鄰的大約最后3mm的翅片。盡管在圖5和圖6中，翅片240，260的面向上游表面300的凹入彎曲遠(yuǎn)端部分340 示出為半徑為R的圓的弧，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，該彎曲部可以可選地為橢圓或其他的圓錐截面的弧。面向上游表面300的凹入彎曲遠(yuǎn)端部分340可近似為相對(duì)于徑向方向以一角度傾斜的筆直遠(yuǎn)端部分。這在圖7中示出，其中，長(zhǎng)度L的翅片260A具有面向上游表面300A，其包括筆直翅片部分320A，其橫跨泄漏流動(dòng)路徑從靜止殼體120或移動(dòng)葉片圍帶110在基本上徑向的方向上突出；和筆直遠(yuǎn)端部分340A，其相對(duì)于徑向方向以角度‘B’傾斜以形成渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面。與圖2中的凹入彎曲遠(yuǎn)端部分340相似，圖7中的成角遠(yuǎn)端部分340A傾斜一距離，該距離包括在翅片的尖端和翅片從其上突出的表面之間測(cè)量的翅片的總長(zhǎng)度L的大約30%，但是在其他的實(shí)施例中，傾斜部分可延伸一距離，該距離包括在翅片的尖端和翅片從其上突出的表面之間的翅片的長(zhǎng)度的大約20%到大約50%之間。 作為實(shí)例，圖7中的角度B可在大約10度到大約60度的范圍內(nèi)，優(yōu)選為大約25度到大約45度，并且如果翅片的長(zhǎng)度L為10mm，則面向上游表面300A的傾斜遠(yuǎn)端部分340A可占據(jù)在徑向方向上測(cè)量的、與尖端相鄰的大約最后3到4mm的翅片。圖8示出了又一個(gè)可選實(shí)施例，其從使更高密封效率成為可能的方面來看是優(yōu)選的，但是可能制造起來是更困難或昂貴的。在該實(shí)施例中，翅片的整個(gè)面向上游表面300B凹入地彎曲，而不僅僅是遠(yuǎn)端部分。在示出的具體情況下，面向上游表面300B相對(duì)于徑向方向形成的角度從翅片從靜止或移動(dòng)表面突出的點(diǎn)320B處的O度逐漸增大到翅片的尖端340B處的最大角度B。例如，表面300B可橢圓地、拋物線地或雙曲線地彎曲。此外，角度B可在大約10度到大約60度的范圍內(nèi)，優(yōu)選為大約25度到大約45度。再次考慮圖5，應(yīng)當(dāng)注意，靜止和移動(dòng)密封翅片240，260的渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面340的互補(bǔ)形狀為有效的，以在限定在連續(xù)的靜止和移動(dòng)翅片240，260之間的軸向且周向地延伸的腔400中產(chǎn)生再循環(huán)渦流360。該渦流使泄漏流難以通過翅片的尖端和相鄰靜止或移動(dòng)表面之間的縫隙離開，從而導(dǎo)致通過該縫隙的減小的有效面積和因此較小的流體排放系數(shù)。此外，產(chǎn)生的渦流有助于橫跨翅片的較大壓降和因此減小的泄漏。注意，在泄漏流進(jìn)入迷宮式密封件之前，附加渦流370將通過最上游翅片240的流動(dòng)再循環(huán)表面產(chǎn)生在泄漏流中，但是該渦流可比在腔400中產(chǎn)生的渦流更弱。雖然所有的渦流360，370示出為在相同的方向上旋轉(zhuǎn)，但是可能的是，相鄰腔400中的渦流可在相反方向上旋轉(zhuǎn)，由此進(jìn)一步增大迷宮式密封件200對(duì)泄漏流的阻力。
當(dāng)靜止和移動(dòng)密封翅片240，260的數(shù)量增加時(shí)，沿著流體流動(dòng)路徑流動(dòng)的泄漏流體的截?cái)嗪驮傺h(huán)也增加。與諸如EP1001139A1的圖I中示出的迷宮式密封設(shè)計(jì)的常規(guī)迷宮式密封設(shè)計(jì)相比，由圖5中示出的迷宮式密封件的靜止和移動(dòng)密封翅片240，260提供的泄漏流的截?cái)嘁呀?jīng)被發(fā)現(xiàn)能使在移動(dòng)葉片圍帶Iio和靜止殼體120之間的泄漏流減小大約30%。因此，包括迷宮式密封件的軸流式渦輪的效率可觀地提高。雖然圖5中示出的迷宮式密封件包括多個(gè)靜止密封翅片240和多個(gè)移動(dòng)密封翅片260，但是可能的是，這種類型的迷宮式密封件可僅包括單對(duì)翅片，其包括靜止密封翅片和移動(dòng)密封翅片。 雖然圖5示出了當(dāng)前優(yōu)選的配置，其中，靜止翅片240中的每一個(gè)在流動(dòng)次序上位于移動(dòng)翅片260之前，但是如果靜止和移動(dòng)翅片的順序相反，以便移動(dòng)翅片位于靜止翅片之前，則也可獲得期望的效率提高。在圖5中，給出如下配置，其中，在流向次序上，第一翅片、第三翅片和第五翅片為移動(dòng)翅片240，并且第二翅片和第四翅片為靜止翅片240。雖然以上描述針對(duì)應(yīng)用于密封件操作以控制靜止殼體和移動(dòng)葉片圍帶之間的泄漏的實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，落入在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的實(shí)施例可應(yīng)用于其他類型的移動(dòng)部件和靜止部件之間的密封，例如移動(dòng)部件可為渦輪轉(zhuǎn)子軸，并且靜止部件可為被該軸穿過的靜止渦輪隔板環(huán)。
權(quán)利要求
1.一種迷宮式密封件，其配置成在軸向流體流渦輪機(jī)中阻止泄漏流穿過在靜止部件和移動(dòng)部件的面對(duì)表面之間的縫隙，所述迷宮式密封件包括 以泄漏流序列配置的多個(gè)軸向間隔并周向延伸的密封翅片，所述翅片從面對(duì)部件中的至少一個(gè)朝向相對(duì)的面對(duì)部件橫跨所述縫隙突出，使得所述翅片的遠(yuǎn)端密封地鄰近所述相對(duì)的面對(duì)部件； 多個(gè)腔，其由處于泄漏流序列的連續(xù)翅片限定； 每個(gè)翅片具有面向上游表面，至少所述面向上游表面的遠(yuǎn)端部分朝向所述泄漏流的上游方向傾斜以形成渦流產(chǎn)生流動(dòng)再循環(huán)表面，其操作成使所述泄漏流在所述上游方向上偏轉(zhuǎn)，并且在由連續(xù)翅片限定的所述腔內(nèi)的所述泄漏流中產(chǎn)生再循環(huán)渦流。
2.如權(quán)利要求I所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述靜止部件和移動(dòng)部件的面對(duì)表面中的一個(gè)是齒形的，并且包括至少一個(gè)平臺(tái)和至少一個(gè)相對(duì)凹陷部分，每個(gè)平臺(tái)和每個(gè)凹陷部分密封地鄰近密封翅片的所述遠(yuǎn)端，并且其中，連續(xù)密封翅片交替地包括第一翅片，其具有朝向所述上游方向傾斜的筆直的面向上游表面；和第二翅片，其具有面向上游表面，至少所述面向上游表面的遠(yuǎn)端部分朝向所述上游方向傾斜，每個(gè)第一翅片的所述遠(yuǎn)端密封地鄰近平臺(tái)，并且每個(gè)第二翅片的所述遠(yuǎn)端密封地鄰近凹陷部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的迷宮式密封件，其特征在于，由所述第二翅片或每個(gè)第二翅片的所述傾斜遠(yuǎn)端部分形成的所述流動(dòng)再循環(huán)表面是所述第二翅片的面向上游表面的凹入彎曲部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的迷宮式密封件，其特征在于，最上游翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近平臺(tái)的第一翅片，并且緊接隨后的翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近凹陷表面部分的第二翅片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的迷宮式密封件，其特征在于，最上游翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近凹陷表面部分的第二翅片，并且緊接隨后的翅片是其遠(yuǎn)端密封地鄰近平臺(tái)的第一翅片。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，每個(gè)第二翅片的所述面向上游表面包括從所述靜止部件或移動(dòng)部件突出的徑向延伸部分和與所述翅片的遠(yuǎn)端相鄰的傾斜遠(yuǎn)端部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的迷宮式密封件，其特征在于，每個(gè)第二翅片的所述面向上游表面的遠(yuǎn)端部分傾斜一距離，所述距離在所述翅片的長(zhǎng)度的大約20%到大約50%的范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的迷宮式密封件，其特征在于，每個(gè)第二翅片的所述面向上游表面的遠(yuǎn)端部分傾斜一距離，所述距離包括所述翅片的長(zhǎng)度的大約30%。
9.根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述第二翅片或每個(gè)第二翅片的所述面向上游表面在其整個(gè)長(zhǎng)度上凹入地彎曲，最大凹度位于其遠(yuǎn)端處。
10.根據(jù)權(quán)利要求2至9中的任一項(xiàng)所述的宮式密封件，其特征在于，每個(gè)第一密封翅片的所述面向上游表面以遠(yuǎn)離徑向方向的在10到70度之間的銳角在所述上游方向上傾斜。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的迷宮式密封件，其特征在于，每個(gè)第一密封翅片的所述面向上游表面以遠(yuǎn)離所述徑向方向的45度的銳角在所述上游方向上傾斜。
12.根據(jù)權(quán)利要求2至9中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述第一翅片和第二翅片設(shè)置在所述靜止部件上，并且所述齒形表面設(shè)置在所述移動(dòng)部件上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述齒形表面包括軸流式渦輪中的渦輪圍帶環(huán)的徑向外表面，并且所述靜止部件包括圍繞所述渦輪圍帶環(huán)的殼體。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，可磨損材料設(shè)置在與所述密封翅片的遠(yuǎn)端相鄰的所述齒形表面上。
15.如權(quán)利要求I所述的迷宮式密封件，其特征在于，連續(xù)密封翅片交替地包括靜止翅片，其從所述靜止部件突出為密封地鄰近所述移動(dòng)部件；和移動(dòng)翅片，其從所述移動(dòng)部件突出為密封地鄰近所述靜止部件。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述迷宮式密封件中的最上游翅片是靜止翅片。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述迷宮式密封件中的最上游翅片是移動(dòng)翅片。
18.根據(jù)權(quán)利要求15至17中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述翅片的傾斜遠(yuǎn)端部分包括所述面向上游表面的凹入彎曲部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求15至18中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述翅片的面向上游表面包括從所述靜止部件或移動(dòng)部件突出的徑向延伸部分和與所述翅片的遠(yuǎn)端相鄰的傾斜遠(yuǎn)端部分。
20.根據(jù)權(quán)利要求15至19中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述翅片的面向上游表面的遠(yuǎn)端部分傾斜一距離，所述距離在所述翅片的長(zhǎng)度的大約20%到大約50%的范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述翅片的面向上游表面的遠(yuǎn)端部分傾斜一距離，所述距離為所述翅片的長(zhǎng)度的大約30%。
22.根據(jù)權(quán)利要求15至18中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，所述密封翅片的面向上游表面在它們的整個(gè)長(zhǎng)度上凹入地彎曲，最大凹度位于它們的遠(yuǎn)端處。
23.根據(jù)權(quán)利要求15至22中的任一項(xiàng)所述的迷宮式密封件，其特征在于，可磨損材料設(shè)置在與所述移動(dòng)密封翅片的遠(yuǎn)端相鄰的所述靜止部件上和/或在與所述靜止密封翅片的遠(yuǎn)端相鄰的所述移動(dòng)部件上。
24.—種基本上如參考附圖I至4在上文中描述的迷宮式密封件。
25.—種基本上如參考附圖5至8在上文中描述的迷宮式密封件。
26.—種包括根據(jù)任何前述權(quán)利要求所述的迷宮式密封件的渦輪機(jī)。
全文摘要
迷宮式密封件(20)在渦輪機(jī)中阻止泄漏流(21)穿過面對(duì)的靜止部件(12)和移動(dòng)部件(11)之間的縫隙。該密封件包括軸向間隔并周向延伸的密封翅片(26，28)，其以泄漏流序列配置，并且從面對(duì)部件中的至少一個(gè)橫跨縫隙突出為密封地鄰近相對(duì)的面向部件。翅片(26，28)至少具有遠(yuǎn)端部分(34)，其在泄漏流的上游方向上彎曲或傾斜以使泄漏流(21)在上游方向上偏轉(zhuǎn)。連續(xù)翅片限定容納由偏轉(zhuǎn)的泄漏流產(chǎn)生的再循環(huán)渦流(25，36)的腔(40，42)。
文檔編號(hào)F01D11/08GK102865108SQ20121033623
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者O·洛特菲, C·西莫內(nèi), N·麥克唐納德 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司