專利名稱：旋轉機器的密封組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總的來說涉及旋轉機器的密封組件，特別是蒸汽或者燃氣透平的密封組件。
背景技術：
沒有限制因素的話，旋轉機器包括蒸汽透平，壓縮機和燃氣透平。蒸汽透平具有蒸汽通道，其通常包括(按氣流連續(xù)流動的順序關系)蒸汽入口，渦輪和蒸汽出口。燃氣透平具有燃氣通道，其通常包括(按氣流連續(xù)流動的順序關系)空氣吸入口(入口)，壓縮機，燃燒器，渦輪，燃氣出口(即排氣噴嘴)。從高壓區(qū)域至低壓區(qū)域的蒸汽泄漏，無論是從燃氣或蒸汽通道泄漏出的還是是進入燃氣或者蒸汽通道內的，通常都是人們所不希望的。例如，在燃氣透平的渦輪或者壓縮機區(qū)域內，渦輪或者壓縮機的轉子和沿圓周方向包圍透平或者壓縮機的殼體之間的燃氣通道泄漏會降低燃氣透平的效率，導致燃料成本增加。在蒸汽透平的渦輪區(qū)域內，渦輪轉子和沿圓周方向環(huán)繞布置的殼體之間的蒸汽通道泄漏也會降低蒸汽透平的效率，導致燃料成本增加。
為減小燃氣和蒸汽透平發(fā)動機中燃氣通道和蒸汽通道的泄漏，采用了迷宮式密封組件。在蒸汽透平內經常使用具有斂縫密封條(caulked-in)的密封組件，其布置在透平發(fā)動機的旋轉部件和靜止部件之間。但是，這樣設置密封組件要在透平效率和密封組件的整體性之間進行權衡。例如，密封組件的效能在很大程度上取決于能否保持密封條和沿徑向與其相對布置的轉動部件之間的理想間隙。超過理想的間隙會降低透平發(fā)動機的效率。但是，在一些情況下，例如，在過渡和啟動狀態(tài)，旋轉部件可能會從標準位置偏移，結果導致旋轉部件和靜止部件發(fā)生干涉，密封條摩擦旋轉部件，則可能損壞密封條。這樣，為了保持密封組件的整體性，需要一個比理想間隙大的密封組件間隙，而這反過來降低了透平發(fā)動機的效率。目前用來補償旋轉部件和靜止部件之間更大間隙的技術包括改變具有一體加工的軌道或者齒狀部的干涉表面的結構。但是，這樣的技術實施起來費用高并且如果在無法預測的過渡運行狀態(tài)下損壞了加工的齒狀部，則可能需要更換旋轉部件。
因此，希望研制這樣一種成本效率高的密封組件其允許間隙緊密，同時不會由于瞬變摩擦造成的任何損壞而降低密封條的性能。

發(fā)明內容
簡單地講，本發(fā)明的一個實施例披露了設置在旋轉機器內的一種密封組件。該密封組件設置在旋轉機器的旋轉部件和靜止部件之間。此密封組件包括至少一個固定到旋轉部件和靜止部件其中之一上的密封條，可磨損部設置在旋轉部件或者靜止部件中的另一個上，并設置成沿徑向與密封條相對。


當參照附圖閱讀以下詳細說明時，本發(fā)明的這些和別的特征、特性和優(yōu)點會更好理解，全部附圖中相同的附圖標記代表相同的部件。其中附圖1為一種典型的的旋轉機器的橫截面簡圖，該轉轉機器包括旋轉部件，靜止部件和密封條；附圖2為附圖1中的X部分的放大細節(jié)圖，示出一種典型的密封組件的實施例，其包括幾個密封條和可磨損部；附圖3示出另外一種典型的密封組件的實施例，其包括安裝在葉片蓋內的密封條和位于靜止部件上的可磨損部；和附圖4示出一種典型的彈簧回彈式密封組件的實施例。
部件清單10旋轉機器；15旋轉部件；20靜止部件(噴嘴)；30密封條；35轉子；40靜止部件(殼體)；41噴嘴蓋；45密封條連接件；50噴嘴蓋外表面；55可磨損部；60葉片蓋端部；62葉片蓋；65葉片；75殼體上表面；80密封條上的抗磨損層；90密封件承載部的上表面；92旋轉部件和靜止部件的公共軸；100密封件承載部；110彈簧；120密封組件。
具體實施例方式
如附圖1所示，一種典型的旋轉機器10，例如蒸汽透平(也用附圖標記10表示)，其一般包括至少一個旋轉部件15，例如轉子35或者旋轉葉片65；和靜止部件20，例如環(huán)繞旋轉部件15的靜止的蒸汽噴嘴(也用附圖標記20表示)。旋轉部件15和靜止部件20都繞公共的軸92沿圓周布置。對于蒸汽透平10，穿過靜止噴嘴20的蒸汽被引導成相對于旋轉部件15高速流動，這使得旋轉部件高速旋轉。
首先參照附圖1對密封組件120進行說明。如圖所示，密封組件120設置在旋轉部件15和靜止部件20之間。仍然參見附圖1，密封組件120包括至少一個固定在旋轉部件15或者靜止部件20其中之一上的密封條30?？赡p部55設置在旋轉部件和靜止部件中的另一個上。
附圖1和2示出密封組件120的實施例，其中至少一個密封條30固定在旋轉部件15上，并且可磨損部55設置在靜止部件20上。在附圖2示出的特定的實施例中，旋轉部件包括轉子35，靜止部件包括具有噴嘴蓋42的噴嘴20。在圖2所示的實施例中，一系列密封條30借助于合適的連接件45(例如，通常為填充用的金屬線45)固定在轉子35上?？赡p部55設置在噴嘴蓋42的外表面50上并且布置成與密封條30沿徑向相對。在附圖3示出的特定實施例中，旋轉部件包括具有端部60的葉片65，靜止部件包括殼體40。如此處采用的一樣，葉片端部60為葉片65上的葉片蓋62的端部，如附圖3所示。如圖所示，密封條30固定在葉片端部60上。密封條30的理想厚度范圍一般大約在0.005英寸至0.100英寸，更優(yōu)選地大約在0.010英寸至0.030英寸。當密封條30與可磨損部55發(fā)生干涉，導致可磨損顆粒的局部塑性變形時，使密封條30的厚度保持在理想的范圍之內可以有利地維持密封條30的整體性，因此，密封條30和可磨損部55之間磨損碎片的捕集從可磨損層的下一層釋放可磨損顆粒以形成新的可磨損層，使在可磨損部55上的侵入最小。
參見附圖2至4，可磨損部55一般從該可磨損部55位于其上的表面50、75、90伸出，伸出長度為“S”。密封條30和沿徑向與其相對的表面50，75，90之間冷加工(cold built)成的徑向間隙“t”可以由例如透平葉片65或者透平轉子35侵入可磨損部55的徑向最大期望值等因素來確定。因此，冷加工的徑向間隙“t“由旋轉機器10的預定的偏移量和透平葉片65或者透平轉子35在旋轉機器10的瞬變或者穩(wěn)定運行狀態(tài)時的徑向偏移量來確定。在典型運行狀態(tài)期間，例如在旋轉機器啟動和瞬變運行期間，當密封條30與表面50，75，90發(fā)生干涉時，可磨損部55一般防止密封條30發(fā)生可能的磨損。即可磨擦部55包括犧牲涂層，當密封條30與其上設置有可磨損部55的表面50，75，90摩擦時，該犧牲涂層被密封條切割成鋸齒狀而不對密封條30產生任何損壞。因此，密封條30和與密封條30徑向相對的表面50，75，90之間冷加工的間隙“t”可以保持在“較近的間隙”值。由于使流體經過此處時阻力增加，使該間隙保持為“較近的間隙”值有益于減少穿過密封條30和表面50，75，90之間的氣流空間的蒸汽泄漏。減少穿過所述氣流空間的泄漏提高了旋轉機器10的整機效率和性能。
諸如葉片65或者轉子35的旋轉部件15和諸如殼體40或者噴嘴20的靜止部件之間的失配導致密封條30和可磨損部55發(fā)生干涉。當密封條30在可磨損部55的表面上滑過時，旋轉或轉動力與侵入力的共同作用迫使可磨損層中的顆粒剝離，導致密封條侵入可磨損部55。因此，可磨損材料在摩擦過程中，在所有可能的切削狀態(tài)下，都預期應該保持穩(wěn)定，不斷裂，不分層或者損壞旋轉部件。特別地，設置在表面50，75，90上的可磨損層最好應該具有充足的孔，借以防止損壞密封條30，例如，可磨損層的孔隙率預期應該在大約15％至60％體積百分比的范圍內，特別是在大約25％至50％(體積百分比)的范圍內。而且，設置在表面50，75，90上的可磨損層的厚度應該大約在0.001英寸至0.015英寸，特別地大約在0.010英寸至0.060英寸，更特別地大約在0.015英寸至0.055英寸。
因此，可磨損材料預期應該適應各種摩擦條件下的不同磨損機理。沒有條件限制的話，這些摩擦的條件包括例如密封條材料、密封組件的運行溫度、旋轉部件的尖端速度和侵入速率。因此，樣例中的密封條30包括諸如奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、鎳基超耐熱合金、鈷基超耐熱合金、聚合材料以及它們的組合物之類的材料。在附圖2中示出的實施例中，密封條30包括抗磨損層80以進一步提高其抗磨損的能力。樣例中的抗磨損層80包括氧化鋁、碳化鉻和硬合金。
樣例中的形成可磨損部55的可磨損材料包括熱噴射涂敷材料，燒結金屬纖維，例如FeltmetalTM(由Deland FL的Technectics公司出售)，和具有蜂窩狀結構的材料。樣例中具有蜂窩狀結構的材料包括形成蜂窩狀結構的金屬材料和陶瓷材料。樣例中的熱噴射涂敷材料包括第一種成分，例如鈷、鎳、鉻、鋁、釔(此后稱為CoNiCrAlY)，和第二種成分，例如六邊形的氮化硼、熱固性聚合物或者它們的組合物。有益的是，諸如六邊形氮化硼一類的材料使結構疏松，因此提高了可磨損層的可磨能力。如本領域的熟練技術人員會理解的一樣，也可以采用其它的固體潤滑劑。一般通過控制熱噴射涂敷工藝本身或者添加熱固性聚合物來實現形成可磨損層的理想孔隙率。樣例中的熱固性聚合物包括聚酯和聚酰胺。
為了提高其密封性，密封組件可以進一步包括附加的密封結構。關于附圖4中示出的實施例，密封組件120進一步包括彈簧回彈式密封件承載部100，該彈簧回彈式密封件承載部設有至少一個彈簧110以保持該密封件承載部100位于旋轉部件35附近?？赡p部55設置在密封件承載部100的上表面90上。樣例中的彈簧110包括板簧和螺旋彈簧。當在旋轉機器10中組裝彈簧110時，彈簧110施加徑向的力，力的大小一般大約為該彈簧所支撐的密封件承載部100重量的2至5倍，在運行過程中，彈簧110僅僅需要提供足夠的作用力，以使密封件承載部100沿徑向朝靜止部件40“坐下”，并使密封件承載部100保持位于透平轉子35附近。
雖然根據專利法對本發(fā)明進行了說明和描述，但是對本領域的熟練技術人員來說，很明顯在不脫離本發(fā)明的本質精神和范圍的情況下，可以對披露的實施例進行修改和變換。因此，應該理解，在后的權利要求覆蓋落在本發(fā)明的本質精神和范圍之內的所有修改和變更。
權利要求
1.一種設置在旋轉機器(10)內、旋轉部件(15)和靜止部件(20)之間的密封組件(120)，所述密封組件包括至少一個固定在旋轉部件和靜止部件其中之一上的密封條(30)；和設置在旋轉部件和靜止部件中的另一個上的可磨損部(55)，所述可磨損部布置成與所述至少一個密封條沿徑向相對。
2.如權利要求1所述的密封組件(120)，其中所述至少一個密封條(30)固定在旋轉部件(15)上，所述可磨損部(55)設置在靜止部件(20)上。
3.如權利要求2所述的密封組件(120)，其中旋轉部件(15)包括轉子(35)，所述至少一個密封條(30)固定在該轉子上。
4.如權利要求2所述的密封組件(120)，其中旋轉部件(15)包括具有端部(60)的葉片(65)，所述至少一個密封條(30)固定在該葉片端部上。
5.如權利要求2所述的密封組件(120)，其中所述至少一個密封條(30)的厚度范圍在大約0.005英寸至0.1英寸。
6.如權利要求5所述的密封組件(120)，其中所述至少一個密封條(30)的厚度范圍在大約0.01英寸至0.03英寸。
7.如權利要求2所述的密封組件(120)，其中靜止部件(20)包括殼體(40)，所述可磨損部(55)設置在殼體上。
8.如權利要求2所述的密封組件(120)，其中靜止部件(20)包括具有蓋子(42)的噴嘴(20)，所述可磨損部(55)設置在蓋(42)上。
9.一種具有多個級的旋轉機器(10)，其包括旋轉部件(15)；環(huán)繞所述旋轉部件的靜止部件(20)，所述旋轉部件和靜止部件繞公共的軸線布置；設置在所述旋轉部件和靜止部件之間的密封組件(120)，所述密封組件包括至少一個固定在所述旋轉部件和靜止部件其中之一上的密封條(30)和設置在旋轉部件和靜止部件中的另一個上的可磨損部(55)，所述可磨損部布置成與所述至少一個密封條(30)沿徑向相對。
10.如權利要求9的旋轉機器(10)，其中所述密封條(30)固定在所述旋轉部件(1 5)上，所述可磨損部(55)設置在所述靜止部件(20)上，所述可磨損部與所述密封條沿徑向相對。
全文摘要
一種設置在旋轉機器(10)內、旋轉部件(15)和靜止部件(20)之間的密封組件(120)，所述密封組件包括至少一個固定在旋轉部件和靜止部件其中之一上的密封條(30)，該密封組件進一步包括設置在旋轉部件和靜止部件中的另一個上的可磨損部(55)，該可磨損部布置成與所述至少一個密封條(30)沿徑向相對。
文檔編號F01D11/08GK1515811SQ200310124740
公開日2004年7月28日 申請日期2003年12月26日 優(yōu)先權日2002年12月31日
發(fā)明者法沙德·格斯里普爾, 諾曼·A·特恩奎斯特, 伯納德·A·考圖爾, 羅納德·W·科祖恩, A 考圖爾, W 科祖恩, A 特恩奎斯特, 法沙德 格斯里普爾 申請人:通用電氣公司