專利名稱：可翻新的級(jí)間成角密封件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及旋轉(zhuǎn)式機(jī)械，例如蒸汽渦輪機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)，并且更特別地，涉及用于控制旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子槳葉或“葉片”的柄部分和相鄰、固定定子部件的徑向內(nèi)端部之間的間隙的旋轉(zhuǎn)式機(jī)械密封件。
背景技術(shù)：
陸基蒸汽渦輪機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)例如用于為發(fā)電機(jī)提供動(dòng)力。燃?xì)鉁u輪機(jī)也例如用于推進(jìn)飛行器和船舶。蒸汽渦輪機(jī)具有典型地包括成串行流動(dòng)關(guān)系的蒸汽入口、渦輪和蒸汽出口的蒸汽路徑。燃?xì)鉁u輪機(jī)具有典型地包括成串行流動(dòng)關(guān)系的進(jìn)氣口或入口、壓縮機(jī)、燃燒器、渦輪和氣體出口或排氣噴嘴的氣體路徑。在蒸汽渦輪機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)中，壓縮機(jī)和渦輪部段包括安裝在轉(zhuǎn)子輪或盤上的旋轉(zhuǎn)槳葉或葉片的至少一個(gè)圓周排。旋轉(zhuǎn)葉片的自由端或尖端由定子殼體圍繞。排內(nèi)的各旋轉(zhuǎn)葉片的基部或柄部分典型地設(shè)置有所謂的“天使翼”密封件，所述密封件由固定定子部件(例如相應(yīng)地布置在移動(dòng)槳葉的上游和下游的噴嘴葉片或隔膜)側(cè)面包夾。渦輪機(jī)的效率部分地取決于(一個(gè)或多個(gè))轉(zhuǎn)子葉片天使翼密封件尖端和相鄰固定定子部件上的密封結(jié)構(gòu)之間的徑向間隙或空隙。如果該間隙太大，則過(guò)量并且寶貴的冷卻空氣將通過(guò)該空隙泄漏，減小渦輪機(jī)的效率。如果該間隙太小，則(一個(gè)或多個(gè))天使翼尖端將在某些渦輪機(jī)操作狀態(tài)期間撞擊相鄰定子部件的密封結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致(一個(gè)或多個(gè))天使翼尖端和(一個(gè)或多個(gè))固定定子部件兩者上的非期望磨損。關(guān)于上述的徑向間隙，已知該間隙在加速或減速期間由于作用于葉片的離心力、渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和固定定子部件之間的相對(duì)熱生長(zhǎng)的變化而變化。在不同的離心力、轉(zhuǎn)子振動(dòng)和熱生長(zhǎng)期間，該間隙變化可以導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)葉片天使翼密封件尖端對(duì)固定密封件結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重磨擦。增加尖端與密封件的間隙，這減小由于金屬間磨擦引起的損壞，但是間隙的增加導(dǎo)致效率損失。仍然需要一種密封結(jié)構(gòu)，其適應(yīng)轉(zhuǎn)子/葉片組件和相鄰固定定子組件的不同軸向和徑向運(yùn)動(dòng)，但是不負(fù)面地影響渦輪機(jī)性能。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)示例性、但非限定性實(shí)施例，本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，所述旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械包括:轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子安裝具有外表面的至少一個(gè)盤和從所述外表面徑向延伸的至少一個(gè)葉片；鄰近所述盤的固定定子部件；從所述固定定子部件的一部分延伸的密封板，和從所述葉片延伸的天使翼密封件，并在所述密封板和所述天使翼密封件之間限定間隙，以及布置在所述密封板上的耐磨密封元件；其中所述耐磨密封元件和所述密封板相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的中心軸線成角地傾斜，在朝著所述天使翼密封件的方向上徑向向外延伸。在另一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)組件包括:轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子設(shè)置有布置在所述轉(zhuǎn)子的周邊上的多個(gè)葉片，每個(gè)葉片具有柄和翼型部，至少一個(gè)軸向突出天使翼密封件從所述柄延伸；鄰近所述轉(zhuǎn)子布置的固定定子部件，所述固定定子部件具有與所述天使翼密封件限定密封間隙的至少一個(gè)凸緣部分；以及布置在所述至少一個(gè)凸緣部分的表面上的耐磨密封件，所述至少一個(gè)凸緣部分和所述耐磨密封件相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的中心軸線成10至50度之間的角度定向。在又一個(gè)方面中，本發(fā)明提供一種用于減小渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和固定部件之間的界面處的密封間隙的方法，所述方法包括:提供轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子支撐具有外表面的盤和遠(yuǎn)離所述外表面徑向延伸的至少一個(gè)葉片，至少一個(gè)天使翼密封件從所述至少一個(gè)葉片大致軸向地延伸；提供固定定子部件，所述固定定子部件軸向地鄰近所述至少一個(gè)葉片并且具有阻礙密封件(discourager seal),所述阻礙密封件與朝著所述天使翼密封件延伸的耐磨密封件配合，從而限定所述天使翼密封件和所述耐磨密封件之間的徑向間隙；以及通過(guò)相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的中心軸線成銳角布置所述耐磨密封件而減小在所述轉(zhuǎn)子的軸向生長(zhǎng)期間所述間隙的徑向尺寸。現(xiàn)在將結(jié)合下面的附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明。


圖1是橫截面圖，其顯示了旋轉(zhuǎn)葉片和在葉片的任一側(cè)上的固定定子部件之間的密封組件；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性、但非限定性實(shí)施例的部分橫截面圖，其顯示了固定定子部件上的密封件和旋轉(zhuǎn)葉片的天使翼尖端之間的界面；圖3是類似于圖2的視圖，其顯示了在冷狀態(tài)下的天使翼尖端和固定定子部件密封件之間的間隙；圖4是類似于圖2的視圖，其顯示了在慢速和全速、全負(fù)荷狀態(tài)下的天使翼尖端和固定定子部件密封件之間的間隙；以及圖5是類似于圖3和4的視圖，其顯示了停機(jī)狀態(tài)下的天使翼尖端和固定定子部件密封件之間的間隙。
具體實(shí)施例方式圖1是橫截面圖，其顯示了用于防止或限制冷卻空氣從燃?xì)鉁u輪機(jī)的移動(dòng)槳葉(或葉片)和固定槳葉(或噴嘴)之間泄漏到高溫燃燒氣體通道中的常規(guī)密封組件。該示例性實(shí)施例的渦輪機(jī)具有圍繞中心縱軸線可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子或軸(未詳細(xì)地顯示)和固定地安裝在支撐在轉(zhuǎn)子上的盤11的外環(huán)形表面上的多個(gè)槳葉或葉片10。典型地，葉片包括安裝部分、柄和翼型部。葉片圍繞轉(zhuǎn)子盤的外環(huán)形表面周向地彼此間隔并且從所述外環(huán)形表面徑向向外延伸到葉片翼型部的尖端。具有大體環(huán)形和圓柱形形狀以及內(nèi)圓周表面13的外殼體12圍繞葉片10固定地布置并且從所述葉片徑向向外間隔以限定通過(guò)渦輪機(jī)的軸向定向高溫氣體路徑P。附圖標(biāo)記14、16、18表示所謂的天使翼密封件，其從葉片10的柄部分20的上游表面和下游表面軸向地延伸。天使翼密封件相應(yīng)地終止于徑向向外延伸的(一個(gè)或多個(gè))尖端、齒或翼片22、24、26中。典型地被稱為阻礙密封件的密封結(jié)構(gòu)或凸緣28、30、32從相應(yīng)的相鄰上游和下游固定噴嘴或噴嘴隔膜組件(或一般地，固定定子部件)34、36軸向地突出，用于與天使翼密封件尖端22、24、26相互作用。這些相互作用的密封部件22/28、24/30、26/32旨在防止超過(guò)必要量的冷卻空氣從徑向內(nèi)渦輪機(jī)葉輪空間38泄漏到高溫燃燒氣體通道P中。常規(guī)地，例如天使翼尖端22和阻礙密封件28之間的間隙為大約140密耳(3.56mm)，而徑向內(nèi)天使翼尖端24和阻礙密封件30之間的間隙為大約125密耳(3.17mm)。因此，密封性能不總是符合期望。因此，超過(guò)期望量的冷卻/密封空氣傾向于泄漏到高溫燃燒氣體通道中使得執(zhí)行冷卻功能所需的冷卻空氣的量必定增加，由此導(dǎo)致燃?xì)鉁u輪機(jī)的性能的下降。參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，例如較軟材料的耐磨密封件40布置在固定定子部件44 (在葉片45的下游)的阻礙密封件42的徑向內(nèi)表面上，從而布置在限定于阻礙密封件42的內(nèi)表面和傾斜天使翼密封件48的尖端46之間的環(huán)形間隙內(nèi)。如下面將更詳細(xì)地解釋，在轉(zhuǎn)子和葉片相對(duì)于固定定子部件的不同軸向和徑向生長(zhǎng)期間，密封元件40響應(yīng)相應(yīng)的天使翼密封件48的尖端46與其接觸而磨損。因而，移動(dòng)天使翼尖端46和阻礙密封件42之間的直接接觸不會(huì)發(fā)生，但是可接受的局部腔形成于在密封件上施加的耐磨密封材料40中。盡管在圖2中耐磨密封件40被示出為與阻礙密封件42關(guān)聯(lián)(附連)，但是應(yīng)當(dāng)理解這樣的耐磨密封件可以附加地或備選地設(shè)在阻礙密封件28、30和/或32 (圖1)的每一個(gè)的徑向內(nèi)表面的一個(gè)或多個(gè)上，這被認(rèn)為是必要的或期望的。此外，盡管在所示實(shí)施例中，天使翼密封件被示出為終止于配置成單齒的尖端22、24、26中，但是應(yīng)當(dāng)理解這僅僅是示意圖，并且天使翼密封件也可以終止于軸向間隔、徑向向外延伸的尖端或齒中的兩個(gè)或更多個(gè)。應(yīng)當(dāng)注意阻礙密封件(或其它密封支撐板，其可以呈可移動(dòng)插入件的形式)42相對(duì)于傾斜天使翼密封件48在大致相反徑向向外方向上傾斜。傾斜密封支撐板42又支撐類似傾斜的蜂窩狀密封元件40，密封元件40的接觸面大致平行于支撐板42延伸。如圖2中所示，形成有成角外緣47和大致豎直內(nèi)緣49 (圖3)的密封件尖端或齒46與密封元件40輕微地接合，但是該關(guān)系隨著渦輪機(jī)操作狀態(tài)而變化，如下所述。密封元件和密封板被顯示成相對(duì)于轉(zhuǎn)子的中心軸線成大約45°，但是該角可以相對(duì)于如圖2中的參考線A所表示的水平線在至少大約10-50°之間變化，所述參考線將被理解為大致平行于渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子的縱向中心軸線延伸。圖3-5示出了在渦輪機(jī)的各種操作狀態(tài)下的天使翼密封件尖端或齒46和密封元件40。圖3顯示了在冷狀態(tài)下的密封件40和密封件齒46。徑向間隙很大(例如140密耳或以上)，并且尖端或齒46軸向地定位在密封件40的前端。圖4顯示了在慢速狀態(tài)下或在全速、全負(fù)荷狀態(tài)下的相同部件。在這里，密封件齒46已在軸向上和徑向上移動(dòng)使得密封件齒46穿透密封元件40的徑向內(nèi)面部分。例如，軸向運(yùn)動(dòng)可以在一個(gè)軸向上為0.400英寸或以上，并且在相反方向上在0.200至0.300英寸之間。在穩(wěn)定狀態(tài)下，軸向生長(zhǎng)(如圖3-5中所示的向右)可以在0.100至0.200英寸之間。在操作期間的最大徑向向外生長(zhǎng)可以為大約0.130英寸并且在穩(wěn)定狀態(tài)為大約0.100英寸。圖5顯示了當(dāng)渦輪機(jī)停機(jī)時(shí)的相同部件，但是應(yīng)當(dāng)注意該間隙比圖3中的小，原因是發(fā)動(dòng)機(jī)還未完全冷卻。
因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子/葉片膨脹時(shí)，即使僅僅在軸向上，密封件40相對(duì)于密封件尖端46的成角也縮窄徑向間隙，因此減小泄漏并且增強(qiáng)性能。在當(dāng)前準(zhǔn)備的布置中，密封元件40可以是耐磨涂層密封件，但是其它密封配置/復(fù)合物在本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解能力范圍內(nèi)，例如具有適當(dāng)厚度的蜂窩狀密封件。例如，蜂窩狀密封元件40 (和因此阻礙密封件或支撐板42)在示例性實(shí)施例中可以具有從大約0.5英寸至大約2.0英寸的長(zhǎng)度和從大約0.150英寸至大約0.500英寸的厚度。對(duì)于耐磨涂層，該厚度可以在0.040英寸至0.050英寸的范圍內(nèi)。盡管結(jié)合當(dāng)前被認(rèn)為是最可行和優(yōu)選的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例，而是相反地，旨在涵蓋包括在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各種修改和等效布置。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，所述旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械包括:轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子安裝具有外表面的至少一個(gè)盤和從所述外表面徑向延伸的至少一個(gè)葉片；鄰近所述盤的固定定子部件； 從所述固定定子部件的一部分延伸的密封板，和從所述葉片延伸的天使翼密封件，在所述密封板和所述天使翼密封件之間限定的間隙，以及布置在所述密封板上的耐磨密封元件; 其中所述耐磨密封元件和所述密封板在相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的中心軸線成角的第一方向上傾斜，并在朝著所述天使翼密封件的方向上徑向向外延伸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，其特征在于，所述密封板包括阻礙密封件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，其特征在于，所述密封板包括選擇性地可插入所述固定定子部件中的可更換插入件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，其特征在于，所述天使翼密封件包括從所述天使翼密封件的表面徑向向外突出的至少一個(gè)密封件齒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，其特征在于，所述耐磨密封元件包括蜂窩狀密封件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，其特征在于，所述耐磨密封元件包括施加到大約0.040至0.050英寸之間的厚度的耐磨涂層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，其特征在于，所述蜂窩狀密封件具有大約0.50至2.00英寸之間 的長(zhǎng)度和大約0.150至0.500英寸之間的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，其特征在于，所述天使翼密封件在第二大致相反方向上傾斜。
9.一種燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)組件包括: 轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子設(shè)置有布置在所述轉(zhuǎn)子的周邊上的多個(gè)葉片，每個(gè)葉片具有柄和翼型部，從所述柄延伸的至少一個(gè)天使翼密封件； 鄰近所述轉(zhuǎn)子布置的固定定子部件，所述固定定子部件具有與所述天使翼密封件限定密封間隙的至少一個(gè)凸緣部分；以及 布置在所述至少一個(gè)凸緣部分的表面上的耐磨密封件；其中所述至少一個(gè)凸緣部分和所述耐磨密封件在相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的中心軸線成10至50度之間的角的第一方向上徑向向外傾斜，并且其中所述天使翼密封件在第二大致相反方向上徑向向外傾斜。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，其特征在于，所述至少一個(gè)凸緣部分包括固定到所述固定定子部件的阻礙密封件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，其特征在于，所述阻礙密封件包括選擇性地可插入所述固定定子部件中的可更換插入件。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，其特征在于，所述耐磨密封元件包括蜂窩狀密封件。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，其特征在于，所述耐磨密封元件包括施加到所述凸緣的所述表面的耐磨涂層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃?xì)鉁u輪機(jī)組件，其特征在于，所述蜂窩狀密封件具有大約0.50至2.00英寸之間的長(zhǎng)度和大約0.150至0.500英寸之間的厚度。
15.一種用于減小渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件和固定部件之間的界面處的密封間隙的方法，所述方法包括: 提供轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子支撐具有外表面的盤，提供遠(yuǎn)離所述外表面徑向延伸的至少一個(gè)葉片，提供至少一個(gè)天使翼密封件，其中所述至少一個(gè)天使翼密封件從所述至少一個(gè)葉片大致軸向地延伸； 提供固定定子部件，所述固定定子部件軸向地鄰近所述至少一個(gè)葉片并且具有阻礙密封件，所述阻礙密封件與朝著所述天使翼密封件延伸的耐磨密封件配合，從而限定所述天使翼密封件和所述耐磨密封件之間的徑向間隙；以及 通過(guò)相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的中心軸 線成銳角布置所述阻礙密封件和所述耐磨密封件而減小所述轉(zhuǎn)子的軸向生長(zhǎng)期間所述間隙的徑向尺寸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述銳角相對(duì)于所述中心軸線在10至50度之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述耐磨密封件包括蜂窩狀密封件。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述耐磨密封件包括所述阻礙密封件上的耐磨涂層。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述蜂窩狀密封件具有大約0.50至2.00英寸之間的長(zhǎng)度和大約0.150至0.500英寸之間的厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述耐磨涂層被施加到大約0.04至·0.05英寸之間的厚度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械，所述旋轉(zhuǎn)式渦輪機(jī)械包括轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子安裝具有外表面的至少一個(gè)盤和從所述外表面徑向延伸的至少一個(gè)葉片。固定定子部件鄰近所述盤定位，并且密封板從所述固定定子部件的一部分延伸。天使翼密封件從所述葉片延伸，由此在所述密封板和所述天使翼密封件之間限定間隙。耐磨密封元件布置在所述密封板上，并且所述耐磨密封元件和所述密封板相對(duì)于所述轉(zhuǎn)子的中心軸線成銳角傾斜，并在朝著所述天使翼密封件的方向上徑向向外延伸。
文檔編號(hào)F01D11/12GK103216277SQ20131002439
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月24日
發(fā)明者J.阿代卡拉薩米 申請(qǐng)人:通用電氣公司