用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封件的制作方法
【專利摘要】提供用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封組件。組件包括周向地配置在靜止殼體與轉(zhuǎn)子中間的多個密封裝置節(jié)段。節(jié)段中的每一個包括具有前蹄區(qū)段和后蹄區(qū)段的蹄片，其具有在前蹄區(qū)段與后蹄區(qū)段之間的面向轉(zhuǎn)子的多個迷宮齒。蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個迷宮齒的前部部分?并允許低壓流體至多個迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動力學(xué)力。密封裝置節(jié)段還包括連接于蹄片和頂部連接元件的多個波紋管彈簧或彎曲部，其中，多個波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體。此外，密封裝置節(jié)段包括次級密封件，其在一個第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
【專利說明】用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封件
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究和開發(fā)的聲明
本發(fā)明利用美國能源部授予的合同N0.DE-FC26-05NT42643下的部分政府支持完成。政府具有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本申請大體涉及用于渦輪機(jī)的密封組件，并且更特別地，涉及用于密封轉(zhuǎn)子/定子間隙等的先進(jìn)的空氣動力學(xué)密封組件。
【背景技術(shù)】
[0003]諸如燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、航空發(fā)動機(jī)和蒸汽渦輪的各種類型的渦輪機(jī)是已知的，并且廣泛用于發(fā)電、推進(jìn)等。渦輪機(jī)的效率部分地取決于內(nèi)部構(gòu)件之間的空隙和穿過這些空隙的主流體和次級流體的泄漏。例如，可在某些轉(zhuǎn)子-定子連接面處有意地允許大空隙，以適應(yīng)大的熱或機(jī)械引起的相對運動。流體穿過這些間隙從高壓區(qū)泄漏至低壓區(qū)可導(dǎo)致渦輪機(jī)的低效率。這種泄漏由于泄漏流體不能執(zhí)行有用的工作而可影響效率。
[0004]不同類型的密封系統(tǒng)用于最小化流過渦輪機(jī)的流體的泄漏。然而，在可通過密封系統(tǒng)增大或減小空隙的各種操作階段期間，密封系統(tǒng)通常經(jīng)受相對較高的溫度、熱梯度以及熱膨脹和收縮及機(jī)械膨脹和收縮。例如，組裝成在啟動瞬變階段期間以非常緊密的空隙運行的傳統(tǒng)迷宮密封件可在穩(wěn)態(tài)操作期間以大空隙運行，由此導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)操作時的差性能。
[0005]因此，存在對用于與渦輪機(jī)一起使用的改進(jìn)順應(yīng)性密封組件的期望。優(yōu)選地，這種順應(yīng)性密封組件可在穩(wěn)態(tài)操作期間提供較緊密的密封，同時在瞬變操作期間避免由接觸引起的摩擦、磨損和損壞。這種密封組件應(yīng)當(dāng)改進(jìn)總系統(tǒng)效率，同時制造便宜，并且提供相關(guān)部件的延長的壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封組件。組件包括周向地配置在靜止殼體與轉(zhuǎn)子中間的多個密封裝置節(jié)段。節(jié)段中的每一個包括具有前蹄(shoe)區(qū)段和后蹄區(qū)段的蹄片，該蹄片具有在前蹄區(qū)段與后蹄區(qū)段之間的面向轉(zhuǎn)子的多個迷宮齒。蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動力學(xué)力。密封裝置節(jié)段還包括連接于蹄片和頂部連接元件的多個波紋管彈簧或彎曲部，其中，多個波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體。此外，密封裝置節(jié)段包括次級密封件，其在一個第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種用于渦輪構(gòu)件的空氣動力學(xué)密封裝置。密封裝置包括蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的面向可旋轉(zhuǎn)元件的多個迷宮齒。蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動力學(xué)力。密封裝置還包括連接于蹄片和頂部連接元件的多個波紋管彈簧或彎曲部，其中，多個波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體。此外，密封裝置包括次級密封件，其在一個第一端部處連接于頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位，其中，配置在密封裝置內(nèi)的次級密封件構(gòu)造成形成朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)和低壓側(cè)的前腔體和后腔體。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的靜止殼體與繞著旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸線轉(zhuǎn)動的可旋轉(zhuǎn)元件之間形成氣體路徑密封件的方法。該方法包括將多個密封裝置節(jié)段配置在靜止殼體與可旋轉(zhuǎn)元件中間。密封裝置節(jié)段中的每一個包括蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的多個迷宮齒，該蹄片構(gòu)造成用于允許高壓流體至多個迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成用于在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動力學(xué)力。該方法還包括將密封裝置節(jié)段中的每一個中的多個波紋管彈簧或彎曲部附接于蹄片和頂部連接元件，其中，多個波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成用于允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體。此外，該方法包括將次級密封件配置在密封裝置節(jié)段中的每一個內(nèi)以形成前腔體和后腔體，其中，次級密封件在一個第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
[0009]一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封組件，密封組件包括:多個密封裝置節(jié)段，其周向地配置在靜止殼體與轉(zhuǎn)子中間，其中，節(jié)段中的每一個包括:具有前蹄區(qū)段和后蹄區(qū)段的蹄片，其具有在前蹄區(qū)段與后蹄區(qū)段之間的面向轉(zhuǎn)子的多個迷宮齒，其中，蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動力學(xué)力，多個波紋管彈簧或彎曲部，其連接于蹄片和頂部連接元件，其中，多個波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體；以及次級密封件，其在一個第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
[0010]優(yōu)選地，蹄片包括由于蹄片的頂部部分的不同周向?qū)挾榷纬傻那疤愎┙o凹槽和朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)的前蹄片區(qū)段。
[0011]優(yōu)選地，蹄片包括由于蹄片的頂部部分的不同周向?qū)挾榷纬傻暮筇愎┙o凹槽和朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)的后蹄片區(qū)段。
[0012]優(yōu)選地，多個波紋管彈簧中的每一個包括小于頂部連接元件和蹄片的周向?qū)挾戎械拿恳粋€的周向?qū)挾取?br> [0013]優(yōu)選地，多個波紋管彈簧包括前波紋管彈簧和后波紋管彈簧。
[0014]優(yōu)選地，密封裝置節(jié)段中的每一個包括次級密封件與蹄片之間的線接觸，從而使前波紋管彈簧與后波紋管彈簧對稱地或幾乎對稱地分開在次級密封件與蹄片之間的線接觸的任一側(cè)。
[0015]優(yōu)選地，蹄片包括在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)位于線接觸之前的多個前端口，用于允許流體軸向流動至多個迷宮齒的前部部分。
[0016]優(yōu)選地，多個前端口沿周向方向成角度，以在流體從前腔體流動至多個迷宮齒的前部部分時將渦流給予流體。
[0017]優(yōu)選地，前腔體由頂部連接元件、次級密封件、前波紋管彈簧和在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)的蹄片形成。
[0018]優(yōu)選地，蹄片包括一個或更多個后端口，其在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)位于線接觸之后，并且構(gòu)造成使多個迷宮齒的后側(cè)連接于后腔體。
[0019]優(yōu)選地，后腔體由頂部連接元件、次級密封件、后波紋管彈簧和在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)的蹄片形成。
[0020]優(yōu)選地，一個或更多個后端口沿周向方向成角度，以將切向流給予從多個迷宮齒后面流動到后腔體中的流體。
[0021 ] 優(yōu)選地，一個或更多個后端口為直端口或周向成角度的端口，用于允許流體從多個迷宮齒后面流動至密封裝置節(jié)段的下游腔體。
[0022]優(yōu)選地，前蹄區(qū)段和后蹄區(qū)段中的每一個包括瑞利階梯，用于產(chǎn)生用于密封裝置節(jié)段上的附加向上推力的薄膜。
[0023]優(yōu)選地，面向轉(zhuǎn)子的蹄片的側(cè)面包括不同于轉(zhuǎn)子的曲率半徑的曲率半徑。
[0024]優(yōu)選地，面向轉(zhuǎn)子的蹄片的側(cè)面的曲率半徑大于轉(zhuǎn)子的曲率半徑。
[0025]一種用于渦輪構(gòu)件的空氣動力學(xué)密封裝置，其包括:蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的面向可旋轉(zhuǎn)元件的多個迷宮齒，其中，蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動力學(xué)力；多個波紋管彈簧或彎曲部，其連接于蹄片和頂部連接元件，其中，多個波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體；以及次級密封件，其在一個第一端部處連接于頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位，其中，次級密封件配置在密封裝置內(nèi)以形成朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)和低壓側(cè)的前腔體和后腔體。
[0026]優(yōu)選地，空氣動力學(xué)密封裝置還包括在分別朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)和低壓側(cè)的蹄片的側(cè)面處的前蹄供給凹槽和后蹄供給凹槽。
[0027]優(yōu)選地，多個波紋管彈簧中的每一個包括小于頂部連接元件和蹄片的周向?qū)挾戎械拿恳粋€的周向?qū)挾取?br> [0028]優(yōu)選地，空氣動力學(xué)密封裝置還包括位于前腔體中的多個前端口和位于后腔體中的一個或更多個后端口。
[0029]一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的靜止殼體與繞著旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸線轉(zhuǎn)動的可旋轉(zhuǎn)元件之間形成空氣動力學(xué)密封件的方法，該方法包括:將多個密封裝置節(jié)段配置在靜止殼體與可旋轉(zhuǎn)元件中間，其中，密封裝置節(jié)段中的每一個包括蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的多個迷宮齒，蹄片構(gòu)造成用于允許高壓流體至多個迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成用于在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動力學(xué)力；將密封裝置節(jié)段中的每一個中的多個波紋管彈簧或彎曲部附接于蹄片和頂部連接元件，其中，多個波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成用于允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體；以及將次級密封件配置在密封裝置節(jié)段中的每一個內(nèi)以形成前腔體和后腔體，其中，次級密封件在一個第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
[0030]優(yōu)選地，蹄片包括在分別朝向高壓側(cè)和低壓側(cè)的蹄片的側(cè)面處的前蹄供給凹槽和
后蹄供給凹槽。[0031]優(yōu)選地，多個波紋管彈簧中的每一個包括小于頂部連接元件和蹄片的周向?qū)挾戎械拿恳粋€的周向?qū)挾取?br> [0032]優(yōu)選地，蹄片包括位于前腔體中的多個前端口和位于后腔體中的一個或更多個后端口。
[0033]優(yōu)選地，蹄片包括從NASA PS304、NASA PS400、石墨、金剛石類碳、六方氮化硼或相似的其它固體潤滑劑涂層的組選擇的固體潤滑涂層。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]當(dāng)參考附圖閱讀下列詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在該附圖中，同樣的標(biāo)記遍及附圖表示同樣的部件，其中:
圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封組件的透視圖。
[0035]圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段的透視圖。
[0036]圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的具有彎曲部的密封裝置節(jié)段的透視圖。
[0037]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實施例的空氣動力學(xué)密封組件的一部分的正視圖。
[0038]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段的側(cè)視圖。
[0039]圖6為根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段的仰視圖。
[0040]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段中的后端口。
[0041]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段中的另一個后端口。
[0042]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的空氣動力學(xué)密封組件的蹄-轉(zhuǎn)子曲率。
[0043]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段中的瑞利階梯。
[0044]圖11為流程圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的、在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的靜止殼體與繞著旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸線轉(zhuǎn)動的可旋轉(zhuǎn)元件之間形成空氣動力學(xué)密封件的方法中涉及的示例性步驟。
【具體實施方式】
[0045]在介紹本發(fā)明的各種實施例的元件時，冠詞〃 一 〃、〃 一個〃、〃該〃和〃所述〃意圖指的是存在元件中的一個或更多個。用語〃包括"、〃包含〃和〃具有〃意圖為包含的，并且指的是可存在除了列出元件之外的附加元件。操作參數(shù)的任何實例不排除公開的實施例的其它參數(shù)。
[0046]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施例的用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封組件10的透視圖?？諝鈩恿W(xué)密封組件10圍繞轉(zhuǎn)子軸(未示出)周向地布置，使得密封組件10位于靜止殼體(未示出)與轉(zhuǎn)子軸中間。密封組件10包括定位成彼此相鄰以形成密封組件10的多個密封裝置節(jié)段12。密封裝置節(jié)段12中的每一個包括定位成接近轉(zhuǎn)子軸的蹄片14。在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的操作期間，蹄片14倚靠在轉(zhuǎn)子軸上方的空氣動力學(xué)流體膜上。密封組件10還包括在面向轉(zhuǎn)子軸表面的一側(cè)位于蹄片14上的多個迷宮齒16。迷宮齒在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封組件10的任一側(cè)使來自高壓區(qū)18的流體與來自低壓區(qū)20的流體大致分開。密封組件10還包括附接于蹄片14和頂部連接元件24的多個波紋管彈簧22。密封裝置節(jié)段12中的每一個相對于轉(zhuǎn)子組裝，使得在每個蹄片14與轉(zhuǎn)子軸之間存在間距(clearance gap)。相鄰的密封裝置節(jié)段12也包括它們之間的間距。在圖2中詳細(xì)描述密封裝置節(jié)段12中的每一個。
[0047]圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段12的透視圖。如示出的，密封裝置節(jié)段12包括具有前蹄區(qū)段26和后蹄區(qū)段28的蹄片14，蹄片14具有在前蹄區(qū)段26與后蹄區(qū)段28之間的面向轉(zhuǎn)子軸(未示出)的多個迷宮齒16。密封裝置節(jié)段12包括一個或更多個波紋管彈簧，其包括前波紋管彈簧30和后波紋管彈簧32。密封裝置節(jié)段12還包括次級密封件34，其在一個第一端部處經(jīng)由懸臂梁區(qū)段36附接于頂部連接元件24，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧30，32和蹄片14定位，其中，次級密封件34中的每一個在一個第二端部處形成與蹄片14的線接觸。在一個實施例中，次級密封件34可直接附接于頂部連接元件24。如該實施例所示，波紋管彈簧30，32和次級密封件34在周向方向上為直的。直波紋管彈簧30，32和直次級密封件34允許機(jī)械應(yīng)力保持較低。在另一個實施例中，波紋管30，32和次級密封件34可沿周向方向彎曲。
[0048]在密封組件10(如圖1所示)中，來自鄰近的密封裝置節(jié)段12的次級密封件12形成用于頂部連接元件24與蹄片14之間的流體流的阻力路徑。在一個實施例中，前波紋管彈簧30和后波紋管彈簧32對稱地位于次級密封件34與蹄片14之間的接觸線的任一側(cè)。該對稱布置允許蹄片14以最小傾斜徑向地平移(前蹄區(qū)段26的邊緣比后蹄區(qū)段28的邊緣更靠近轉(zhuǎn)子，或反之亦然)。由對稱設(shè)計引起的減小的傾斜還確保蹄片14可以以穩(wěn)健的方式既徑向向內(nèi)又徑向向外(在轉(zhuǎn)子增長事件期間)行進(jìn)大位移。
[0049]存在經(jīng)過次級密封件34與蹄片14之間的接觸線的小泄漏。次級密封件34構(gòu)造成將密封裝置節(jié)段12劃分成朝向高壓側(cè)18的前腔體38和朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)20的后腔體40。
[0050]在如圖3所示的一個實施例中，密封裝置節(jié)段13包括連接于蹄片14和頂部連接元件24的多個彎曲部31，33。圖3的多個彎曲部31，33中的每一個或圖2的波紋管彈簧30，32包括小于頂部連接元件24和蹄片14的周向?qū)挾戎械拿恳粋€的周向?qū)挾?。這確保在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的加壓之后，流體圍繞前波紋管彈簧30或彎曲部31流動并且使前腔體38加壓。相似地，在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)20，低壓流體圍繞后波紋管彈簧32或彎曲部33流動，以在后腔體40內(nèi)在次級密封件34后面形成低壓。
[0051]此外，在圖2的一個實施例中，密封裝置節(jié)段12包括在分別朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)18和低壓側(cè)20的蹄片14的側(cè)面處的前蹄供給凹槽42和后蹄供給凹槽44。蹄片14的頂部部分46包括比形成供給凹槽42，44的底部部分48更寬的周向?qū)挾?。在密封組件10 (如圖1所示)中的相鄰密封裝置節(jié)段12之間，存在相鄰次級密封件36之間的間距。除了間距之外，存在如圖4所討論的徑向間隙。
[0052]圖4為示出相鄰密封裝置節(jié)段12(如圖1所示)之間的徑向間隙的密封組件10(如圖1所示)的一部分。如示出的，頂部連接元件24用于定子殼體的一部分，并且具有相鄰密封裝置節(jié)段12之間的定子-定子徑向間隙。相鄰次級密封件34也顯示徑向間隙。此外，在前蹄區(qū)段26 (如圖2所示)中，蹄片14的頂部部分46和底部部分48形成前蹄供給凹槽42。鄰近蹄的多個迷宮齒形成鄰近蹄之間的節(jié)段間隙。在密封組件10中，鄰近蹄片14之間和鄰近次級密封件34之間的節(jié)段徑向間隙設(shè)計成使得密封裝置節(jié)段12朝向轉(zhuǎn)子的徑向運動和節(jié)段12的任何周向熱膨脹不引起節(jié)段結(jié)合。
[0053]如圖2所示，蹄片14還包括位于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)18的線接觸之前的多個前端口 50，用于允許流體軸向流動至多個迷宮齒16的前部部分。此外，蹄片14包括位于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)20的線接觸之后的一個或更多個后端口 52。在一個實施例中，一個或更多個后端口 52沿周向方向成角度，以將切向流給予從多個迷宮齒16后面流動到后腔體40中的流體。在另一個實施例中，一個或更多個后端口 52為直端口或周向成角度的端口，用于允許流體從迷宮齒16后面流動至密封裝置節(jié)段12的后腔體40。
[0054]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段12的側(cè)視圖。如一個實施例所示，前波紋管彈簧30和后波紋管彈簧32通過硬焊接頭連接于頂部連接元件24和蹄片14。圖5還示出了作用在蹄片14和次級密封件34上的各種壓力。在前腔體38和后腔體40中，密封裝置節(jié)段12的加壓使蹄片14在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的啟動操作期間朝向轉(zhuǎn)子移動。在非限制性實例中，蹄片14可在空氣靜力學(xué)操作模式中倚靠在流體膜上，該流體膜厚度可取決于與轉(zhuǎn)子的初始密封組件空隙而在大約3/1000英寸至5/1000英寸的范圍內(nèi)。
[0055]在空氣靜力學(xué)操作模式中，加壓使次級密封件34徑向向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，從而朝向轉(zhuǎn)子推動蹄片14。當(dāng)次級密封件34朝向轉(zhuǎn)子推動蹄片14時，波紋管彈簧30，32支持和引導(dǎo)蹄片14的運動。除了次級密封件接觸力和波紋管彈簧力之外，蹄片14還經(jīng)受空氣靜力學(xué)壓力負(fù)載。這些空氣靜力學(xué)壓力負(fù)載由圍繞蹄片14的流體的存在引起。如圖5的徑向外面所示，蹄片14在次級密封件34與蹄片14之間的次級密封件線接觸的任一側(cè)經(jīng)受高壓流體和低壓流體。
[0056]在一個實施例中，前端口 50和兩個前蹄供給凹槽42 (如圖2、圖3所示)將高壓流體從前腔體38帶至多個迷宮齒16的前側(cè)。相似地，一個或更多個后端口 52和后蹄供給凹槽44(如圖2、圖3所示)將低壓流體從后腔體40帶至多個迷宮齒16的后側(cè)。因此，多個迷宮齒16經(jīng)受橫跨密封裝置節(jié)段12的壓降，并且執(zhí)行向沿轉(zhuǎn)子-蹄片間隙的泄漏提供流動限制的功能。由于前端口 50的存在，故次級密封件34上游的蹄片14的所有面經(jīng)受高壓流體。相似地，一個或更多個后端口 52確保次級密封件34下游的蹄片14的所有面經(jīng)受低壓流體。當(dāng)流體膜厚度在蹄片14與轉(zhuǎn)子表面之間為3/1000英寸至5/1000英寸或更大時，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不使蹄片14下方的流體膜壓力顯著不同于由前端口 50和后端口 52引起的高壓和低壓。因此，蹄片14上的凈流體負(fù)載大約為零。蹄片14在幾乎為零的凈流體負(fù)載、向內(nèi)推動蹄片14的次級密封件接觸力和克服該徑向向內(nèi)運動支承其的波紋管彈簧的影響下徑向向內(nèi)移動。
[0057]圖6為根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段12的仰視圖。在該實施例中，密封裝置節(jié)段12示出包括四個端口的前端口 50。在其它實施例中，前端口 50可為較少端口或多于四個端口。在當(dāng)前實施例中，前端口 50構(gòu)造成允許流體從前端口 50沿軸向方向流動至多個迷宮齒16的前部。在另一個實施例中，前端口 50沿周向方向成角度，以在流體從前腔體38流動至多個迷宮齒16的前部部分時將渦流給予流體(獲得切向速度)。在該實施例中，從密封裝置節(jié)段12的仰視圖示出后端口 52的一個第一端部。后端口 52使迷宮齒16的后側(cè)連接于后腔體40。如示出的，后端口 52的一個第一端部開口位于面向迷宮齒16的后側(cè)的后蹄區(qū)段28的第一邊緣處。在圖7中示出后腔體40中的后端口 52的一個第二端部開口。在一個實施例中，后端口 52可分成多個端口。在又一個實施例中，一個或更多個后端口 52沿周向方向成角度，以將切向流給予從多個迷宮齒16后面流動到后腔體40中的流體。[0058]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的密封裝置節(jié)段12中的另一個后端口 52。在該實施例中，一個或更多個后端口 52為直端口或周向成角度的端口，用于允許流體從多個迷宮齒16后面直接流動至密封裝置節(jié)段12的下游腔體。一個或更多個后端口 52的第一端部開口可位于面向迷宮齒16的后側(cè)的后蹄區(qū)段28的第一邊緣處。如該實施例所示，一個或更多個后端口 52的第二端部開口可位于蹄片14的后蹄區(qū)段的第二邊緣處，從而將流體流從多個迷宮齒16后面直接指引至密封裝置節(jié)段12的下游腔體。
[0059]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的空氣動力學(xué)密封組件10中的蹄-轉(zhuǎn)子曲率。密封組件10還在空氣動力學(xué)操作模式中操作。當(dāng)轉(zhuǎn)子-蹄片間隙開始減小(例如，在引起空隙變化的熱或機(jī)械的瞬變事件期間)時，薄流體膜開始建立附加壓力。在該實施例中，蹄片14的曲率半徑有意地大于轉(zhuǎn)子半徑。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子-蹄片間隙變小(小于1/1000英寸)時，流體膜沿旋轉(zhuǎn)方向單調(diào)地會聚或會聚-擴(kuò)散。呈流體楔形式的該流體膜使附加壓力積累。薄膜的物理性質(zhì)從液體動壓軸承或箔帶軸承充分地理解，并且可使用適當(dāng)?shù)牧黧w流模型建模。基本原理為，在旋轉(zhuǎn)方向上的流體膜厚度中的任何負(fù)梯度將使流體膜中的壓力增大至高于其邊界壓力。由薄流體膜引起的附加壓力擠壓波紋管彈簧30，32，由此使蹄片14徑向向外移動并且抑制轉(zhuǎn)子接觸蹄片14。在該意義上，轉(zhuǎn)子的任何向外偏移由每個密封裝置節(jié)段12上的蹄片14跟隨。
[0060]在如圖10所示的另一個實施例中，薄流體膜由于在旋轉(zhuǎn)方向上存在蹄片14上的一個或更多個瑞利階梯60，62而產(chǎn)生附加力。如示出的，前蹄區(qū)段26包括第一瑞利階梯60，而后蹄區(qū)段28包括第二瑞利階梯62。應(yīng)當(dāng)注意，多個前端口 50和一個或更多個后端口52還滿足冷卻端口的目的，該冷卻端口用于帶走可在薄膜空氣動力學(xué)密封件操作模式中產(chǎn)生的附加熱。兩個蹄區(qū)段(即，前蹄區(qū)段26和后蹄區(qū)段28)的存在允許沿兩個方向產(chǎn)生空氣動力學(xué)力矩(繞著周向軸線)。例如，如果蹄片14傾斜成使得后蹄區(qū)段28的后緣比前蹄區(qū)段26的前緣更靠近轉(zhuǎn)子，則后蹄區(qū)段28將比前蹄區(qū)段26產(chǎn)生更大的空氣動力學(xué)力，并且產(chǎn)生的空氣動力學(xué)力矩將修正蹄的傾斜。相似地，前蹄區(qū)段26在前蹄區(qū)段26更靠近轉(zhuǎn)子的情況下允許空氣動力學(xué)傾斜修正?？傮w上，具有與轉(zhuǎn)子的曲率失配的兩個蹄片區(qū)段布置或一個或更多個瑞利階梯60，62允許自我修正密封件行為，其不但可修正徑向空隙變化，而且還修正密封件中的前-后傾斜。
[0061]在非限制性實例中，波紋管彈簧30，32和次級密封件34(如圖2所示)兩者由如Inconel X750或Rene41的高溫金屬合金墊片形成。波紋管彈簧30，32的兩個端部硬焊于頂部連接元件24和蹄片14。次級密封件34懸臂連接(硬焊)于定子或頂部連接元件24，并且在蹄片表面上軸向地自由滑動。在本實施例中，次級密封件34的自由端部觸碰蹄片14(如示出的)，并且一直保持與蹄片14接觸。在一個實施例中，在加壓之前，次級密封件34與蹄片14之間可存在間隙(無接觸)，并且該間隙將在加壓之后閉合，以創(chuàng)建次級密封件34與蹄片14之間的接觸。在一個實施例中，蹄片14和定子連接件或頂部連接元件24被加工或鑄造。在一個實施例中，蹄片的徑向最內(nèi)表面可涂覆有潤滑涂層，如NASA PS304或NASA PS400或相似的固體潤滑劑涂層，該潤滑涂層可處理密封件操作環(huán)境條件下的蹄片14與轉(zhuǎn)子之間的無意摩擦。在另一個實施例中，與蹄片14連接的轉(zhuǎn)子表面可涂覆有碳化鉻或氮化鈦鋁或相似涂層，以改進(jìn)轉(zhuǎn)子的硬度、抗腐蝕性和維持良好表面光潔度的能力。
[0062]圖11為流程圖100，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的、在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的靜止殼體與繞著旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸線轉(zhuǎn)動的可旋轉(zhuǎn)元件之間形成空氣動力學(xué)密封件的方法中涉及的步驟。在步驟102處，該方法包括在靜止殼體與可旋轉(zhuǎn)元件中間配置多個密封裝置節(jié)段，其中，密封裝置節(jié)段中的每一個包括蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的多個迷宮齒。蹄片還包括在分別朝向高壓側(cè)和低壓側(cè)的蹄片的側(cè)面處的前蹄供給凹槽和后蹄供給凹槽。在步驟104處，該方法包括將密封裝置節(jié)段中的每一個中的多個波紋管彈簧附接于蹄片和頂部連接元件。最后，在步驟106處，該方法包括將次級密封件配置在密封裝置節(jié)段中的每一個內(nèi)，以形成前腔體和后腔體，其中，次級密封件在一個第一端部處經(jīng)由懸臂梁區(qū)段附接于頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著多個波紋管彈簧和蹄片定位。
[0063]有利地，本空氣動力學(xué)密封組件為用于具有高壓降和大瞬變的旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的若干位置的、可靠穩(wěn)健的密封件。密封組件還是制造經(jīng)濟(jì)的。密封件的非接觸操作使它們對于大轉(zhuǎn)子瞬變位置而言尤其有吸引力。此外，本發(fā)明允許彈簧剛度和抗壓能力(因為彈簧不是壓力加載的)的獨立控制，由此允許仍耐受高壓降的順應(yīng)性密封件的設(shè)計。此外，本發(fā)明允許蹄片在空氣靜力學(xué)操作中保持與轉(zhuǎn)子平行，并且在空氣動力學(xué)模式期間平行于轉(zhuǎn)子平移。本發(fā)明還包括用于徑向運動的改進(jìn)的預(yù)測能力(用于泄漏性能和穩(wěn)健性的增強(qiáng)的預(yù)測能力)。
[0064]此外，技術(shù)人員將認(rèn)識到來自不同實施例的各種特征的互換性。相似地，各種方法步驟和描述的特征，以及用于每個這種方法和特征的其它已知的等同物可由本領(lǐng)域技術(shù)人員混合和匹配以構(gòu)建根據(jù)本公開的原理的附加系統(tǒng)和技術(shù)。當(dāng)然，將理解，以上描述的所有這種目的或優(yōu)點可不必根據(jù)任何特別實施例實現(xiàn)。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到可以以實現(xiàn)或優(yōu)化如本文中教導(dǎo)的一個優(yōu)點或成組優(yōu)點的方式來實施或執(zhí)行本文中描述的系統(tǒng)和技術(shù)，而不必實現(xiàn)如可在本文中教導(dǎo)或建議的其它目的或優(yōu)點。
[0065]雖然已經(jīng)僅在本文中示出和描述本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和變化。因此，將理解，所附權(quán)利要求意圖涵蓋落入在本發(fā)明的真實精神內(nèi)的所有這種修改和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動力學(xué)密封組件，所述密封組件包括: 多個密封裝置節(jié)段，其周向地配置在靜止殼體與轉(zhuǎn)子中間，其中，所述節(jié)段中的每一個包括: 具有前蹄區(qū)段和后蹄區(qū)段的蹄片，其具有在所述前蹄區(qū)段與所述后蹄區(qū)段之間的面向所述轉(zhuǎn)子的多個迷宮齒，其中，所述蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至所述多個迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至所述多個迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在所述蹄片與所述轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動力學(xué)力， 多個波紋管彈簧或彎曲部，其連接于所述蹄片和頂部連接元件，其中，所述多個波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許所述高壓流體占據(jù)前腔體并允許所述低壓流體占據(jù)后腔體；以及 次級密封件，其在一個第一端部處附接于所述頂部連接元件，并且在一個第二端部處繞著所述多個波紋管彈簧或彎曲部和所述蹄片定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣動力學(xué)密封組件，其特征在于，所述蹄片包括由于所述蹄片的頂部部分的不同周向?qū)挾榷纬傻那疤愎┙o凹槽和朝向所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)的所述前蹄片區(qū)段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空氣動力學(xué)密封組件，其特征在于，所述蹄片包括由于所述蹄片的頂部部分的不同周向?qū)挾榷纬傻暮筇愎┙o凹槽和朝向所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)的所述后蹄片區(qū)段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣動力學(xué)密封組件，其特征在于，所述多個波紋管彈簧中的每一個包括小于所述頂部連接元件和所述蹄片的周向?qū)挾戎械拿恳粋€的周向?qū)挾取?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣動力學(xué)組件，其特征在于，所述多個波紋管彈簧包括前波紋管彈簧和后波紋管彈簧。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空氣動力學(xué)密封組件，其特征在于，所述密封裝置節(jié)段中的每一個包括所述次級密封件與所述蹄片之間的線接觸，從而使所述前波紋管彈簧與所述后波紋管彈簧對稱地或幾乎對稱地分開在所述次級密封件與所述蹄片之間的所述線接觸的任一側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空氣動力學(xué)密封組件，其特征在于，所述蹄片包括在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)位于所述線接觸之前的多個前端口，用于允許流體軸向流動至所述多個迷宮齒的前部部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空氣動力學(xué)密封組件，其特征在于，所述多個前端口沿周向方向成角度，以在所述流體從所述前腔體流動至所述多個迷宮齒的前部部分時將渦流給予所述流體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的空氣動力學(xué)密封組件，其特征在于，所述前腔體由所述頂部連接元件、所述次級密封件、所述前波紋管彈簧和在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)的所述蹄片形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空氣動力學(xué)密封組件，其特征在于，所述蹄片包括一個或更多個后端口，其在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)位于所述線接觸之后，并且構(gòu)造成使所述多個迷宮齒的后側(cè)連接于所述后腔體。
【文檔編號】F01D11/08GK103527263SQ201310161985
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月6日
【發(fā)明者】R.A.比卡, M.奇里, A.M.薩特, J.R.威廉斯 申請人:通用電氣公司