專利名稱：一級噴嘴到過渡件的密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于渦輪機應(yīng)用的密封，并且具體地涉及在燃 燒器的過渡件和渦輪^L的 一級噴嘴之間的密封。
背景技術(shù)：
在旋轉(zhuǎn)機械中密封時常是必要的，特別是當兩個相對可移 動的機械構(gòu)件處于彼此緊密接近時。例如，在燃氣渦輪機的燃燒器過 渡件和一級噴嘴之間的界面處需要密封以防止或者至少最小化燃燒 氣體的泄漏。在由受讓人制造的燃氣渦輪機中典型地發(fā)現(xiàn)的管環(huán) (can-annular)燃燒器的布置中，繞著渦輪才幾的軸線把多個燃燒器布置成 環(huán)形的陣列。熱燃燒氣體從各燃燒器穿過各自的過渡件流入第一級噴 嘴。除了由于例如在這些部件之間的動態(tài)脈動所引起的相對運動以 外，過渡件和第 一級噴嘴由不同的材料制成并且在運行期間經(jīng)受不同 的溫度，由此經(jīng)歷不同程度的熱生長。因此，過渡件和第一級噴嘴和 /或噴嘴支撐元件二者都可能相對于彼此徑向地、周向地以及軸向地移 動。在過渡件和第一級噴嘴和/或噴嘴支撐元件的界面處的這種"失配" 需要有效的密封以容納燃燒產(chǎn)物和跨越該界面的壓力差，并且從而防 止壓縮^L排氣繞開燃燒器。已知的是，為了在燃燒器過渡件和第一級噴嘴或噴嘴支撐 件之間的密封而采用雙重剛度的布刷式密封件(dual stiffhess cloth brush seal)。特別地，例如，通過夾緊到框架上、把材料焊接到框架上 等等，把布材料的層設(shè)置在框架中并且適當?shù)鼐o固到該框架上。在把 密封支撐件安裝在形成于第一級噴嘴或噴嘴支撐件中的凹槽或槽中的同時，把層的自由邊緣接合在u形通道中，該u形通道繞著各過渡
件的下游端的外圍延伸。在共同擁有的美國專利No.6,042，119中公開 了這種類型的布刷式密封件。然而，這種密封不是完全地有效。例如， 由于在噴嘴的壓力側(cè)和抽吸側(cè)上變化的速度，所以一級噴嘴的內(nèi)側(cè)壁 和外側(cè)壁沒有均勻地受熱。這引起密封支撐件緊固在其上的凹槽或槽 不均勻地變形。實際上，這種變形將過渡件的密封件提離了它在凹槽 或槽中的壓力密封表面，導(dǎo)致壓縮^L的排氣繞過燃燒器，由此增加了 被排放到大氣的NOx的水平。共同擁有的美國專利No.6,547,257通過把過渡件的密封件 與柔性彈簧密封元件相結(jié)合以試圖最小化泄漏，這在過渡件和一級 噴嘴或噴嘴支撐件的界面處提供更好的泄漏控制。特別地，除過渡件的密封支撐件之外，，257專利的各柔性 彈簧密封元件均包括一般為水平的安裝凸緣，該安裝凸緣使得能夠把 彈簧密封元件緊固在形成于第一級噴嘴中的槽中。該彈簧密封元件的 剩余部分具有S形或Z形的分支，且該密封元件的柔性自由端適合于 接合第一級噴嘴的前向面。彈簧密封元件形成有多個側(cè)向隔開、軸向 定向的槽，這些槽從自由密封邊緣大致向水平安裝凸緣延伸，以便彈 簧密封元件可以區(qū)別地適應(yīng)或符合第一級噴嘴的前向面。為了防止通 過槽的泄漏，把大致相同的第二彈簧密封元件覆蓋在第一彈簧密封元 件上，^f旦是以擠壓排列的方式側(cè)向地偏移，由此閉合在各自彈簧元件 中的槽。當把彈簧密封元件與過渡件的密封支撐件一起安裝在第一級 噴嘴中的凹槽或槽中時，彈簧密封元件的自由端4氐靠一級噴嘴的前向 面彈性地壓縮或偏置，產(chǎn)生第一密封位置。同時，密封元件的軸向壓 縮還在安裝凸緣上導(dǎo)致向下的力，^^靠第一級噴嘴中的凹槽或槽的下 表面推動過渡件的密封支撐件，產(chǎn)生第二密封位置。然而，，257的設(shè)計并不是沒有潛在的缺陷。在這點上，彈 簧密封元件容易產(chǎn)生組裝和操作的損壞，比如在部件的相對運動時過 度壓縮而產(chǎn)生的損壞。此外，繞密封的無意的泄漏預(yù)計是通過后部框架孔的實際計劃冷卻的1.7倍。而且，后部框架焊縫可損害過渡件的 可靠性，并且根據(jù)該設(shè)計所提供的側(cè)伊(side scoop)引起了高的熱梯度， 導(dǎo)致可靠性風(fēng)險升高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明可由過渡件的密封組件體現(xiàn)，該密封組件用于密封 至少一個過渡件和第一級渦輪機噴嘴之間的界面，該至少一個過渡件 在渦輪機燃燒器和第一級渦輪機噴嘴之間延伸，該密封組件包括后 部框架和至少一個彈性密封元件，該后部框架在它的第一軸向側(cè)上具 有用于軸向地容納過渡件的后端的至少一個軸向地突出的管形容器， 且在它的第二軸向側(cè)上具有用于被設(shè)置成與第一級噴嘴成相對面向 關(guān)系的一般為平面的安裝表面；該至少一個彈性密封元件被設(shè)置在所 述管形容器的內(nèi)周向表面上，以便^皮設(shè)置在所述過渡件的后端和所述 管形容器之間。本發(fā)明也可由包括燃燒器的環(huán)形陣列的燃氣渦輪機體現(xiàn)， 各燃燒器均具有在燃燒器和第一級渦輪機噴嘴之間延伸的過渡件，并 且其中把過渡件密封組件插在各過渡件的內(nèi)面和第一級渦輪機噴嘴 之間，各過渡件密封組件均包括后部框架和至少一個彈性密封元件， 該后部框架在它的第 一軸向側(cè)上具有用于軸向地容納過渡件的后端 的至少一個軸向地突出的管形容器，且在它的第二軸向側(cè)上具有用于 凈皮設(shè)置成與第 一級噴嘴成相對面向關(guān)系的一般為平面的安裝表面；該 至少一個彈性密封元件被設(shè)置在所述管形容器的內(nèi)周向表面上，以便 被設(shè)置在所述過渡件的后端和所述管形容器之間。本發(fā)明還可由 一種方法體現(xiàn)，該方法控制在過渡件和第一 級渦輪機噴嘴的界面處的泄漏，其中過渡件在燃燒器和第一級渦輪枳i 噴嘴之間延伸，該方法包括a)在過渡件和第一級渦輪機噴嘴之間提 供過渡件密封組件，其中過渡件密封組件被支撐在第一級渦輪機噴嘴 的前向面上，且過渡件密封組件包括后部框架和至少一個彈性密封元件，該后部框架在它的第一軸向側(cè)上具有用于軸向地容納過渡件的后 端的至少一個軸向地突出的管形容器，且在它的第二軸向側(cè)上具有用
于被設(shè)置成與第 一級噴嘴成相對面向關(guān)系的 一般為平面的安裝表面； 該至少一個彈性密封元件被設(shè)置在所述管形容器的內(nèi)周向表面上，和 b)把過渡件的后端插入到各所述管形容器中，以便所述密封元件被徑 向地設(shè)置在所述過渡件的后端和所述管形容器之間。


結(jié)合附圖，通過對本發(fā)明的當前優(yōu)選示范性實施例的下列 更詳細描述的仔細研究，將會更完全地理解和認識本發(fā)明這些的和其 它的目的和優(yōu)點，在附圖中圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的第一級噴嘴到過渡件的密封的示意性 截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例被安裝到第一級噴嘴組件
的對應(yīng)部分上的后部框架段的透視圖；圖3是圖2的顯著標示區(qū)域的細節(jié)；圖4是從噴嘴側(cè)取的圖2的組件的透視圖；圖5是后部框架段的一部分的透視圖，圖解了設(shè)置在其中
的密封結(jié)構(gòu)；圖6是圖5的顯著標示區(qū)域的細節(jié)；和圖7是圖解了在本發(fā)明的一個實施例中被組裝到后部框架
段上的過渡件零件的透視圖。
具體實施例方式本發(fā)明是到渦輪機熱氣路部件的用于燃燒的 一種密封設(shè) 計。它把燃燒過渡件連接到渦輪機的第一級噴嘴上。由于需要允許在 噴嘴和過渡件之間由于瞬時熱變形而產(chǎn)生的相對運動，所以在該接合 處會發(fā)生明顯的泄漏。該泄漏導(dǎo)致更高的NOx排放和從燃燒器到燃燒器的氣流的變化。在一級噴嘴和過渡件之間的密封必須(l)允許冷卻熱氣路 零件，(2)允許相對運動，(3)最小化泄漏，以及(4)從不連續(xù)的圓柱形 流(管面)到環(huán)形流(360。環(huán)面)的過渡。迄今為止，通過在燃燒器過渡件 背部上焊接的后部框架和在接合處的頂部、底部和側(cè)部上的多個柔性 密封件，已經(jīng)實現(xiàn)了此功能。通過使后部框架的一側(cè)為"管形"而另一側(cè)為"環(huán)形"， 將本發(fā)明的概念以設(shè)計功能的分離來體現(xiàn)。在本發(fā)明的一個實施例 中，通過使得后部框架具有符合不連續(xù)的管形幾何形狀的一側(cè)和具有 符合連續(xù)的環(huán)形幾何形狀的另 一側(cè)，獲得了從不連續(xù)的圓柱形流(管形) 到環(huán)形流的過渡。這允許在不連續(xù)的管形區(qū)域中燃燒過渡件到后部框 架的密封對冷卻、相對運行和低泄漏進行最優(yōu)化。在連續(xù)的環(huán)形構(gòu)造 中，后部框架到一級噴嘴的密封能夠?qū)B續(xù)環(huán)狀結(jié)構(gòu)中的低泄漏和冷 卻進行最優(yōu)化。在本發(fā)明的一個實施例中，提供到第 一級噴嘴的過渡件的 密封，與傳統(tǒng)的密封結(jié)構(gòu)相比較，其在仍然允許必要冷卻的同時降低 了密封組件的復(fù)雜性和成本，并減少了泄漏量和變化。如注意到的， 在熱瞬變期間在不引起泄漏/冷卻變化的情況下，本發(fā)明的密封結(jié)構(gòu)允 許過渡件和一級噴嘴的相對運動，并且允許有效地從不連續(xù)的圓柱形 流(管形)過渡到環(huán)形流。因此，提供根據(jù)本發(fā)明的一個實例實施例的過渡件的密封 組件，其將管形容器限定在它的一個軸向側(cè)上，各管形容器均用于軸 向可滑動地容納各自的過渡件。該密封組件的另一側(cè)限定扁平的安裝 表面，以抵靠渦輪機的一級噴嘴鄰接并緊固。該扁平安裝表面繞著由 上游側(cè)上的管所限定的穿過密封組件的每一個開口周邊地延伸，以有 效地從在該密封組件的過渡件側(cè)上的管形構(gòu)造過渡到在管狀一級噴 嘴側(cè)上的環(huán)形構(gòu)造。如在圖1、圖2和圖4中所圖解的，特別地，提供后部框架10,以從過渡件12的管形構(gòu)造過渡到由第一級噴嘴14所限定的環(huán)面。 在所圖解的實例實施例中，后部框架包括多個后部框架段16。在所圖 解的實例中，各后部框架段16均包括第一和第二C形管形零件18, 20，當該第一和第二 C形管形零件18， 20分別與下一個相鄰的C形 管形零件配合時，它們限定用于容納各自過渡件12的后端的管形容 器。繞著噴嘴14的內(nèi)徑限定凹槽22，該凹槽22環(huán)狀地繞著渦 輪機的結(jié)構(gòu)延伸。各后部框架段16均包括向下的懸垂凸緣24，該懸 垂凸緣24構(gòu)造成鉤到噴嘴內(nèi)徑的凹槽22中。由于各后部框架段16 都被鉤到噴嘴內(nèi)徑中，因此后部框架段可以滑動以接合下一個相鄰的 后部框架段。如在圖3和圖6中所圖解的，在該實例實施例中，后部框 架段16的一個周向側(cè)邊緣在其中一個C形管形零件18的端部處包括 軸向地延伸的榫舌26,該榫舌26在后部框架IO的圓周方向上突出。 C形管形零件20中的另一個零件包括在后部框架IO的圓周方向上凹 入的軸向地延伸的凹槽28，用于容納下一個相鄰的管形零件18的榫 舌26。因此，各后部框架段16均可向左側(cè)或右側(cè)滑動，以把榫舌26 裝配到下一個相鄰的后部框架段16的凹槽28中。在該實例實施例中， 最后兩個后部框架^R在兩個周向側(cè)上都具有凹槽以易于組裝。在后部 框架段的管形零件的凹槽彼此朝向的情形中，提供另 一個鎖定插入件 以完成組裝。新的后部框架建議由不銹鋼形成。如在圖1和圖4中所圖解的，繞著噴嘴14外徑將螺栓孔30 限定在間隔的位置處，用于把后部框架段的徑向外部外圍螺栓連接就 位。如在圖2和圖4中所圖解的，在后部框架段中提供了用于容納這 種螺栓的多個孔或槽32。盡管使用螺栓是牢固地固定在外環(huán)處的制造 友好的方式，但是允許如上組裝并導(dǎo)致緊密密封的任何緊固裝置和/ 或技術(shù)都將是可接受的備選方案。把彈性密封元件設(shè)置在過渡件襯里12和后部框架IO之間。根據(jù)一個實例實施例，如在圖1、圖5和圖7中所圖解的，彈性密封 元件是設(shè)置在過渡件襯里12和后部框架10之間的呼啦密封件(hula seal)34。該密封允許在第 一級噴嘴和過渡件之間的相對運動而不引起 泄漏或冷卻變化。在該實例實施例中，該密封組件本質(zhì)上是被焊接到 單個制造的后部框架段上的兩個改進的180。呼啦密封件。如上面所提及的，，257的板簧設(shè)計易受熱變形和機械變形 影響。提供在本發(fā)明的所示實例實施例中的呼啦密封件34允許軸向 的相對運動而不易受熱變形或機械變形影響。如在36處把呼啦密封件焊接到后部框架的C形管形零件 18, 20上，以固定它的前端，而它的后端是自由偏轉(zhuǎn)的。如所圖解的， 如在38處對呼啦密封件開槽。該槽38延伸到密封材料的后端，但是 與前端隔開，以限定多個獨立的彎曲部40。如在圖5中所示，這些段 在拐角附近大約窄兩倍，以允許彎曲變形。盡管圖解了單個呼啦密封 件，但是雙呼啦密封件的形式也可能是有用的。還可以理解的是，可 以使用例如刷式密封件的某些其它類型的彈性密封元件。事實上，本 發(fā)明性概念并不被限于特定類型的彈性密封元件。除了螺栓以外，用兩個新密封件替換，257設(shè)計的四個組件 內(nèi)部密封組件、外部密封組件和兩個側(cè)部密封組件(在，257專利中沒有 示出)，這導(dǎo)致零件總數(shù)從大約25個減少到2個。如上面所提及的，后部框架段16鉤到一級噴嘴的槽或凹槽 22中并且向前旋轉(zhuǎn)以被螺栓連接到噴嘴14的凸緣上。然后，燃燒器 過渡件12如正常地軸向地滑動就位。盡管已經(jīng)結(jié)合當前被認為是最可行和最優(yōu)選的實施例描述 了本發(fā)明，但是可以理解的是，本發(fā)明并不限于所公開的實施例，而 是相反，本發(fā)明意在覆蓋被包含在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的各 種修改和等同裝置。
權(quán)利要求
1. 一種過渡件密封組件，用于密封在至少一個過渡件(12)和第一級渦輪機噴嘴(14)之間的界面，所述至少一個過渡件(12)在渦輪機燃燒器和第一級渦輪機噴嘴(14)之間延伸，所述過渡件密封組件包括后部框架(10)，所述后部框架(10)在其第一軸向側(cè)上具有至少一個軸向地突出的管形容器(18，20)，所述管形容器(18，20)用于軸向地容納過渡件(12)的后端，且所述后部框架(10)在其第二軸向側(cè)上具有用來被設(shè)置成與所述第一級噴嘴(14)成相對面向關(guān)系的一般為平面的安裝表面；和至少一個彈性密封元件(34)，其設(shè)置在所述管形容器(18，20)的內(nèi)周向表面上，以便被設(shè)置在所述過渡件(12)的后端和所述管形容器(18，20)之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過渡件密封組件，其特征在于，在穿 過所述后部框架、與所述管形容器對應(yīng)的開口的周邊的周圍限定所述 安裝表面。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過渡件密封組件，其特征在于，所述 后部框架包括用于容納固定裝置的多個孔(32)，以把所述后部框架緊 固到所述第一級噴嘴上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過渡件密封組件，其特征在于，所述 后部框架包括多個后部框架段(16)，各所述后部框架段均包括第一 C 形管形零件(18)和第二 C形管形零件(20)，以便相互鄰近的后部框架 段一起限定各所述管形容器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的過渡件密封組件，其特征在于，其中 一個所述C形管形零件(20)的周向地相向的、軸向地延伸的側(cè)邊緣包 括凹槽(28),而所述C形零件(18)中的另一個C形零件(18)的周向地相 向的、軸向地延伸的側(cè)邊緣包括突起(26),該突起用于接合下一個相 鄰的C形管形零件的周向地相向的、軸向地延伸的凹槽。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的過渡件密封組件，其特征在于，在噴 嘴(14)的內(nèi)徑周圍限定凹槽(22)，以環(huán)形地繞渦輪^/L的結(jié)構(gòu)延伸，并且 其中各后部框架段(16)均包括構(gòu)造成鉤到該噴嘴內(nèi)徑的所述凹槽中的 向下的懸垂凸緣(24),由此各后部框架段(16)均能夠鉤到該噴嘴內(nèi)徑的 凹槽中，然后周向地移動以接合下一個相鄰的后部框架段，并且其中 所述C形管形零件(20)中的一個C形管形零件(20)的周向地相向的、 軸向地延伸的側(cè)邊緣包括凹槽(28),而所述C形零件(18)中的另 一個C 形零件(18)的周向地相向的、軸向地延伸的側(cè)邊緣包括突起(26)，該突 起(26)用于接合下一個相鄰的C形管形零件的周向地相向的、軸向地 延伸的凹槽(28)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的過渡件密封組件，其特征在于，所述 彈性密封元件包括至少一個呼啦密封件(34),其中，所述至少一個呼 啦密封件的上游端焊接(36)到所述管形容器(18， 20)上，并且其中，所 述至少一個呼啦密封件被開槽(38)，所述槽(38)與焊接的上游端隔開并 且延伸到密封材料的后端以限定多個彎曲部(40)。
8. —種包括環(huán)形陣列的燃燒器的燃氣渦輪機，各燃燒器均具有 在所述燃燒器和第一級渦輪機噴嘴(14)之間延伸的過渡件(12),并且其 中，如權(quán)利要求1所要求的過渡件密封組件被插在各過渡件的內(nèi)面和 第 一級渦輪機噴嘴之間。
9， 一種在過渡件和第一級渦輪4幾噴嘴的界面處控制泄漏的方法， 其中，過渡件在燃燒器和第一級渦輪機噴嘴之間延伸，所述方法包括a)在所述過渡件和所述第一級渦輪機噴嘴之間提供過渡件密封 組件，其中，所述過渡件密封組件支撐在所述第一級渦輪才幾噴嘴的前 向面上，且所述過渡件密封組件包括后部框架(10)和至少一個彈性密 封元件(34)，所述后部框架(10)在其第一軸向側(cè)上具有用于軸向地容納 過渡件(12)的后端的至少一個軸向地突出的管形容器(18， 20)，且所述 后部框架(IO)在其第二軸向側(cè)上具有用于被設(shè)置成與所述第一級噴嘴 (14)成相對面向關(guān)系的一般為平面的安裝表面；所述至少一個彈性密封元件(34)設(shè)置在所述管形容器的內(nèi)周向表面上；和b)把過渡件(12)的后端插入到各所述管形容器(18，20)中，以便所 述密封元件被徑向地設(shè)置在所述過渡件的后端和所述管形容器之間。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述后部框架包 括多個后部框架段(16),各所述后部框架段均包括第一 C形管形零件 (18)和第二 C形管形零件(20)，以便相互鄰近的后部框架段一起限定 各所述管形容器，其中，在噴嘴內(nèi)徑的周圍限定凹槽(22)，以在渦輪 機結(jié)構(gòu)的周圍環(huán)形地延伸，并且其中，各后部框架段均包括構(gòu)造成鉤 到該噴嘴內(nèi)徑的所述凹槽中的向下的懸垂凸緣(24),由此各后部框架 段均鉤到該噴嘴內(nèi)徑的凹槽中，且然后周向地移動以接合下一個相鄰 的后部框架段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一級噴嘴到過渡件的密封，具體而言，涉及一種用于密封在至少一個過渡件(12)和第一級渦輪機噴嘴(14)之間的界面的過渡件密封組件，該至少一個過渡件(12)在渦輪機燃燒器和第一級渦輪機噴嘴(14)之間延伸。該密封組件包括后部框架(10)和至少一個彈性密封元件(34)，該后部框架(10)在其第一軸向側(cè)上具有用于軸向地容納過渡件(12)的后端的至少一個軸向地突出的管形容器(18，20)，且在其第二軸向側(cè)上具有用來被設(shè)置成與第一級噴嘴(14)成相對面向關(guān)系的一般為平面的安裝表面；該彈性密封元件(34)設(shè)置在管形容器(18，20)的內(nèi)周向表面上，以便被設(shè)置在該過渡件的后端和管形容器之間。
文檔編號F01D9/02GK101435345SQ20081017458
公開日2009年5月20日 申請日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月7日
發(fā)明者S·R·西蒙斯 申請人:通用電氣公司