用于燃?xì)鉁u輪的密封系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)涉及位于燃?xì)鉁u輪中的旋轉(zhuǎn)葉片和相鄰的非旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)之間的環(huán)形空間中的緣邊密封件。另外，本公開(kāi)涉及包括密封系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)鉁u輪典型地包括從形成定子的殼體沿徑向向內(nèi)延伸的多排靜態(tài)渦輪導(dǎo)葉，以及附連到相對(duì)于渦輪定子旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組件上的多排可旋轉(zhuǎn)渦輪葉片。典型地，渦輪緣邊密封件密封渦輪定子和渦輪轉(zhuǎn)子之間的間隙，以最大程度地減少轉(zhuǎn)子組件的冷卻空氣的損失和減少熱氣吸入渦輪定子和渦輪轉(zhuǎn)子之間的間隙或空間中。
[0003]在從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)負(fù)載運(yùn)行的運(yùn)行期間，旋轉(zhuǎn)渦輪轉(zhuǎn)子相對(duì)于渦輪定子的位置由于不同的構(gòu)件的不同的熱膨脹和作用在轉(zhuǎn)子上的離心力而改變。得到的相對(duì)位移取決于轉(zhuǎn)子上、相應(yīng)地定子上的部件的位置。結(jié)果，緣邊密封件的密封表面、相應(yīng)地緣邊密封件的間隙的位置在燃?xì)鉁u輪的運(yùn)行期間改變。因此，密封件的泄漏可在運(yùn)行期間改變。泄漏的增加會(huì)降低燃?xì)鉁u輪性能；具體而言可降低功率和效率，并且泄漏可對(duì)燃?xì)鉁u輪的排放有有害作用。間隙寬度的減小可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子部件之間的摩擦，并且可損害燃?xì)鉁u輪。
[0004]根據(jù)US2009/0014964，已知用于渦輪定子和渦輪轉(zhuǎn)子之間的相交部的密封系統(tǒng)，以密封冷卻流體。這個(gè)密封系統(tǒng)由從渦輪定子延伸的密封件基部、臂形成，臂從渦輪轉(zhuǎn)子沿徑向向外且朝向密封件基部延伸，但是在不到密封件基部處終止，從而在密封件基部和臂之間產(chǎn)生間隙。密封系統(tǒng)進(jìn)一步包括蜂窩形密封件，其附連到密封件基部上且從密封件基部沿徑向向內(nèi)延伸向臂，其中外部密封表面與渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所圍繞的縱向軸線不平行，從而減少渦輪轉(zhuǎn)子軸向移動(dòng)時(shí)的間隙的距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開(kāi)的目的是提供了一種燃?xì)鉁u輪的密封系統(tǒng)，其最大程度地減少過(guò)渡和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間的泄漏，并且避免所有運(yùn)行狀況的危險(xiǎn)摩擦。另外，公開(kāi)的密封系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠的設(shè)計(jì)，具有低復(fù)雜性，其僅需要對(duì)現(xiàn)有解決方案進(jìn)行小的修改。
[0006]根據(jù)第一實(shí)施例，一種用于渦輪定子和渦輪轉(zhuǎn)子之間的間隙或通路的密封系統(tǒng)包括:第一密封件基部，其從渦輪定子沿徑向面向內(nèi)；第一密封件，其附連到第一密封件基部且從第一密封件基部沿徑向向內(nèi)延伸；以及第一臂(還稱為翅片)，其從渦輪轉(zhuǎn)子沿徑向向外且朝向第一密封件延伸。第一臂在不到第一密封件處終止，從而在第一密封件和第一臂之間產(chǎn)生第一間隙。密封系統(tǒng)進(jìn)一步包括:第二密封件基部，其從渦輪定子沿軸向方向朝向；第二密封件，其附連到第二密封件基部且從第二密封件基部沿軸向延伸向轉(zhuǎn)子；以及第二臂(還稱為翅片)，其從渦輪轉(zhuǎn)子沿軸向延伸向第二密封件基部。第二臂在不到第二密封件處終止，從而在第二密封件和第二臂之間產(chǎn)生第二間隙。密封件和臂典型地圍繞轉(zhuǎn)子、相應(yīng)地定子的周邊延伸。
[0007]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一臂、第二臂和渦輪定子區(qū)段的面向第一臂的表面和渦輪定子區(qū)段的面向第二臂的表面界定外部腔體。外部腔體與其余環(huán)形腔體被第二臂和第二密封件分開(kāi)。
[0008]這個(gè)外部腔體可例如具有布置在導(dǎo)葉平臺(tái)下面的環(huán)的形狀。
[0009]夕卜部腔體用作轉(zhuǎn)子和靠近轉(zhuǎn)子的緣邊的非旋轉(zhuǎn)部件之間的額外的腔體，以減少泄漏。其還可抑制或阻止熱氣吸入轉(zhuǎn)子阻尼的被冷卻區(qū)段中。具體而言，其有助于減少轉(zhuǎn)子由于高溫泄漏物進(jìn)入密封系統(tǒng)中而吸收的熱。
[0010]在密封系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例中，面向外部腔體的渦輪定子區(qū)段包括兩個(gè)構(gòu)件。在兩個(gè)構(gòu)件之間，可布置密封件或槽口，其具有預(yù)定泄漏速率，以吹掃外部腔體。在密封件或間隙的上游，可布置具有加壓暖空氣的氣室。
[0011]兩個(gè)構(gòu)件可例如為成排的渦輪導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)子蓋，轉(zhuǎn)子蓋使上游氣室與外部腔體和在定子和第一轉(zhuǎn)子之間的環(huán)形間隙分開(kāi)。
[0012]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一密封件和/或第二密封件可由蜂窩材料制成。備選地或組合地，第一密封件和/或第二密封件可由可磨損的材料制成。
[0013]第一臂具有徑向延伸部，以抵靠著第一密封件而密封。但是，取決于定子朝向轉(zhuǎn)子的突伸物(典型地導(dǎo)葉平臺(tái)的一部分)的尺寸，第一臂還可具有朝向定子的軸向延伸部，以橋接轉(zhuǎn)子和定子之間的距離的至少一部分。為了允許容易組裝且拆卸，第二臂可比第一臂沿軸向方向朝向渦輪定子延伸得更遠(yuǎn)。
[0014]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，密封系統(tǒng)包括鎖定板，其附連到成排的旋轉(zhuǎn)葉片上，并且第一臂和/或第二臂從鎖定板延伸。
[0015]第一臂和/或第二臂還可從成排的旋轉(zhuǎn)葉片延伸，旋轉(zhuǎn)葉片在渦輪轉(zhuǎn)子那一側(cè)界定密封系統(tǒng)。將臂結(jié)合到成排的旋轉(zhuǎn)葉片中會(huì)減少部件的數(shù)量和避免額外的固定和接口。但是，使用鎖定板可簡(jiǎn)化葉片的制造。具體而言，可沿軸向方向延伸較遠(yuǎn)的第二臂的鑄造會(huì)增加鑄造模具需要的尺寸，并且使鑄造過(guò)程復(fù)雜化。鎖定板可進(jìn)一步用來(lái)減少冷卻空氣從相鄰的葉片之間的空間泄漏到密封系統(tǒng)的通路中。
[0016]具體而言，第一密封件基部可在渦輪導(dǎo)葉的平臺(tái)的背離渦輪的熱氣路徑的側(cè)。平臺(tái)表面本身可為密封件基部。取決于定子材料，定子本身可用作結(jié)合到定子部件中的密封件和密封件基部。
[0017]除了密封系統(tǒng)，本公開(kāi)的目標(biāo)是包括這種密封系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪。這種燃?xì)鉁u輪具有壓縮機(jī)、燃燒室、渦輪、渦輪定子和轉(zhuǎn)子。另外，燃?xì)鉁u輪包括上面描述的密封系統(tǒng)，以用于密封該燃?xì)鉁u輪的渦輪定子和渦輪轉(zhuǎn)子之間的通路。
[0018]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，燃?xì)鉁u輪包括在渦輪定子和渦輪轉(zhuǎn)子之間在第二臂下方沿徑向向內(nèi)延伸的環(huán)形腔體，并且燃?xì)鉁u輪包括進(jìn)入環(huán)形腔體中的吹掃空氣供應(yīng)。
[0019]在從啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)負(fù)載運(yùn)行和穩(wěn)態(tài)基本負(fù)載運(yùn)行的運(yùn)行期間，旋轉(zhuǎn)渦輪轉(zhuǎn)子相對(duì)于渦輪定子的位置改變。得到的相對(duì)位移取決于轉(zhuǎn)子、相應(yīng)地定子上的部件的位置。為了確保密封系統(tǒng)在所有運(yùn)行狀況期間的良好密封性能和確保系統(tǒng)的機(jī)械完整性，在設(shè)計(jì)具有這種密封系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪時(shí)，必須考慮這樣的相對(duì)位移。
[0020]在冷機(jī)狀況下組裝燃?xì)鉁u輪，即定子和轉(zhuǎn)子實(shí)際上具有環(huán)境溫度，相應(yīng)地具有工廠車間的溫度，并且在組裝期間確定初始的冷機(jī)間隙。在穩(wěn)態(tài)、具體而言基本負(fù)載或滿負(fù)載下的暖機(jī)運(yùn)行狀況下，定子和轉(zhuǎn)子相對(duì)于冷機(jī)狀況被加熱。因?yàn)槎ㄗ雍娃D(zhuǎn)子典型地由具有不同的熱膨脹系數(shù)的不同的材料制成，具有不同的幾何結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，并且因?yàn)椴考谶\(yùn)行期間被加熱到不同的溫度，所以間隙在運(yùn)行期間改變。在燃?xì)鉁u輪的運(yùn)行之后，當(dāng)其冷卻回到冷機(jī)狀況時(shí)，出現(xiàn)另外的改變。在設(shè)計(jì)燃?xì)鉁u輪期間，必須考慮熱膨脹差，并且可影響熱膨脹差。
[0021]根據(jù)實(shí)施例，燃?xì)鉁u輪的定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成具有熱膨脹差，使得設(shè)置在第一臂和第一密封件之間的第一間隙在運(yùn)行期間相對(duì)于燃?xì)鉁u輪的冷機(jī)狀況下的第一間隙而關(guān)閉。這可例如以在支承密封件的結(jié)構(gòu)中的環(huán)區(qū)段實(shí)現(xiàn)，其在局部被冷卻，以減少其熱膨脹，或其由具有比密封系統(tǒng)處的轉(zhuǎn)子區(qū)段的熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的材料制成。
[0022]組合地或作為備選方案，定子和轉(zhuǎn)子可設(shè)計(jì)成具有熱膨脹差，使得設(shè)置在第二臂和第二密封件之間的第二間隙在運(yùn)行期間相對(duì)于處于冷機(jī)狀況的第二間隙而關(guān)閉。這可通過(guò)例如設(shè)計(jì)具有冷卻的渦輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述冷卻在密封系統(tǒng)的軸向位置和公共上游固定點(diǎn)之間在定子區(qū)段中產(chǎn)生比轉(zhuǎn)子區(qū)段中更高的平均溫升。公共上游固定點(diǎn)可例如為軸向軸承。
[0023]在燃?xì)鉁u輪的另一個(gè)實(shí)施例中，定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成具有熱膨脹差，使得在過(guò)渡升溫期間，由于定子的熱膨脹比轉(zhuǎn)子的熱膨脹更快，第二間隙關(guān)閉到最小間隙或第二臂摩擦到第二密封件中，并且在燃?xì)鉁u輪的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，第二間隙打開(kāi)到比最小間隙更寬的間隙。為了實(shí)現(xiàn)這種熱膨脹差，燃?xì)鉁u輪可例如設(shè)計(jì)成使得在密封系統(tǒng)的軸向位置和公共上游固定點(diǎn)之間與轉(zhuǎn)子區(qū)段的比熱傳遞小于在密封系統(tǒng)的軸向位置和公共上游固定點(diǎn)之間與定子的比熱傳遞；其中比熱傳遞為與構(gòu)件的熱傳遞速率除以構(gòu)件的熱容量。
[0024]在燃?xì)鉁u輪的又一個(gè)實(shí)施例中，定子和渦輪轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成具有熱膨脹差，使得在過(guò)渡升溫期間，由于定子的熱膨脹比轉(zhuǎn)子的熱膨脹更快，第一間隙打開(kāi)到最大間隙，并且在燃?xì)鉁u