專利名稱：用于渦輪機(jī)的空氣動力密封組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請大體涉及用于渦輪機(jī)的密封組件，并且更具體而言，涉及用于密封轉(zhuǎn)子/定子空隙等的高級空氣動カ密封組件和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
諸如燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的各種類型的渦輪機(jī)是已知，并且廣泛用于功率發(fā)生、推進(jìn) 等等。渦輪機(jī)的效率部分地取決于內(nèi)部構(gòu)件之間的間隙和通過這些間隙的一次流體和二次流體的泄漏。例如，可在某些轉(zhuǎn)子-定子交接部處故意地允許有較大的間隙，以適應(yīng)較大的由熱引起的相對運(yùn)動。流體通過這些空隙從高壓的區(qū)域泄漏到低壓的區(qū)域可導(dǎo)致渦輪機(jī)有不良的效率。這種泄漏可影響效率，因?yàn)樾孤┑牧黧w無法做有用功。因而使用不同類型的密封系統(tǒng)來最大程度地減小流過渦輪機(jī)的流體的泄漏。但是，在不同的運(yùn)行階段期間，密封系統(tǒng)常常會經(jīng)受較高的溫度、熱梯度和熱膨脹和收縮，這可増加或減小通過其中的間隙。例如，燃?xì)廨啓C(jī)等上的級間密封件可在它們的性能上受到限制，因?yàn)閺膯拥椒€(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況間隙變化吋。應(yīng)用于這樣的位置的典型的密封系統(tǒng)包括迷宮密封件和刷密封件。在迷宮密封件的情況下，可對間隙設(shè)定預(yù)定的増大的邊界，以便避免與其的接觸。在啟動運(yùn)行階段期間有用的這個額外的間隙可降低渦輪機(jī)的效率和性能，因?yàn)樵诜€(wěn)態(tài)運(yùn)行階段期間，跨過密封件的泄漏會増加。此外，這樣的迷宮密封件典型地?zé)o法容忍旋轉(zhuǎn)軸的徑向間隙的變化。因而期望有一種用于渦輪機(jī)的改進(jìn)的密封組件和系統(tǒng)。優(yōu)選地，這樣的密封組件和系統(tǒng)可在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間提供較緊密的密封，同時在過渡運(yùn)行期間避免摩擦、接觸引起的磨損以及損害。這樣的密封組件和系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)改進(jìn)總的系統(tǒng)效率，同時制造起來成本低且提供長的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
因而本申請和得到的專利提供了一種用于渦輪機(jī)的空氣動カ密封組件。該空氣動力密封組件可包括多個彈簧、連接到彈簧上的瓦，以及定位在彈簧和瓦的周圍的二次密封件。本申請和得到的專利進(jìn)ー步提供了一種在固定構(gòu)件和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件之間進(jìn)行密封的方法。該方法可包括以下步驟沿第一方向旋轉(zhuǎn)瓦；沿第二方向旋轉(zhuǎn)二次密封件，以便接觸瓦；在空氣靜カ運(yùn)行期間，將瓦保持在平衡位置上；以及在空氣動カ運(yùn)行期間，使瓦運(yùn)動遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。本申請和得到的專利進(jìn)一歩提供了一種用于渦輪發(fā)動機(jī)的密封系統(tǒng)。該密封系統(tǒng)可包括固定構(gòu)件、旋轉(zhuǎn)構(gòu)件以及定位在固定構(gòu)件的周圍且面向旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的多個密封組件。密封組件各自可包括具有漸縮形狀的瓦。在審閱結(jié)合附圖和所附權(quán)利要求所得到的以下詳細(xì)描述之后，本申請和得到的專利的這些和其它特征與改進(jìn)對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得顯而易見。


圖I是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的示意圖。圖2是本文可描述的空氣動カ密封組件的側(cè)視平面圖。圖3是圖2的空氣動カ密封組件的正視平面圖。圖4是本文可描述的空氣動カ密封系統(tǒng)的一部分的正視平面圖。
部件列表10渦輪機(jī)15壓縮機(jī)20空氣流25燃燒器30流燃料35燃燒氣體流40 渦輪45 軸5O 負(fù)載100空氣動カ密封組件110固定構(gòu)件115高壓側(cè)120 定子125低壓側(cè)130旋轉(zhuǎn)構(gòu)件135流體流140 轉(zhuǎn)子150 彈簧160波紋件170折轉(zhuǎn)部180頂部件190 二次密封件195類似板的形狀200 瓦202較厚的中部204較薄的端部210類似漸縮楔的形狀220密封系統(tǒng)
230節(jié)段間空隙
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參看附圖，其中，相同標(biāo)號在若干幅圖中指相同元件，圖I顯示了諸如本文可描述的渦輪機(jī)10的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)的示意圖。渦輪機(jī)10可包括壓縮機(jī)15。壓縮機(jī)15壓縮進(jìn)入的空氣流20。壓縮機(jī)15將壓縮空氣流20輸送給燃燒器25。燃燒器25使壓縮空氣流20與壓縮燃料流30混合，并且點(diǎn)燃混合物而產(chǎn)生燃燒氣體流35。雖然本文中顯示了僅單個燃燒器25，但是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)10可包括任何數(shù)量的燃燒器25。燃燒氣體流35繼而被輸送給渦輪40。燃燒氣體流35驅(qū)動渦輪40，以便產(chǎn)生機(jī)械功。如上面描述的那樣，渦輪40中產(chǎn)生的機(jī)械功通過軸45來驅(qū)動壓縮機(jī)15和外部負(fù)載50，例如發(fā)電機(jī)等。渦輪機(jī)10可使用天然氣、各種類型的合成氣和/或其它類型的燃料。渦輪機(jī)10 可為紐約的斯卡奈塔第的通用電氣公司等提供的多種不同的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)中的任ー個。渦輪機(jī)10可具有不同的構(gòu)造，并且可使用其它類型的構(gòu)件。也可在本文中使用其它類型的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)。也可在本文中共同使用多個燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)、其它類型的渦輪和其它類型的動カ發(fā)生裝備。圖2顯示了本文可描述的空氣動カ密封組件100的ー個實(shí)例。類似于上面描述的，空氣動カ密封組件100在諸如定子120等的固定構(gòu)件110和諸如轉(zhuǎn)子140等的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件130之間進(jìn)行密封?？諝鈩鹰芊饨M件100可用于任何類型的固定構(gòu)件110和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件130?？稍诒疚闹惺褂闷渌鼧?gòu)造和其它構(gòu)件?？蓪⒖諝鈩鹰芊饨M件100定位在高壓側(cè)115和低壓側(cè)125之間，以密封它們之間的流體流135?？諝鈩鹰芊饨M件100可包括多個彈簧150。在這個實(shí)例中，彈簧150可呈其中具有多個折轉(zhuǎn)部170的波紋件(bellow) 160對的形式。也可在本文中使用呈其它構(gòu)造的其它類型的彈簧150。彈簧150的剛度或順從性以及彈簧150的抗壓能力可有所變化。波紋件160可由高強(qiáng)度的抗蠕變鎳-鉻基合金(例如因科鎳合金X750)、鎳基合金(例如Rene 41)等制成。彈簧150可在一端處附連到頂部件180上?？赏ㄟ^焊接、銅焊和其它類型的附連手段來附連彈簧150?？赏ㄟ^使用鉤(未顯示)和其它類型的連接機(jī)構(gòu)來將頂部件180附連到定子120或其它類型的固定構(gòu)件110上?？諝鈩鹰芊饨M件100還可包括二次密封件190。二次密封件190可附連到頂部件180上。二次密封件190可如下面將更加詳細(xì)地描述的那樣向下延伸。可通過焊接、銅焊和其它類型的附連手段來附連二次密封件190。二次密封件可具有很大程度上類似板的形狀195。二次密封件可由高強(qiáng)度的高抗蠕變鎳鉻基合金(例如因科鎳合金X750)、鎳基合金(例如Rene41)等制成。二次密封件190阻擋空氣流通過其中，并且還用作下面將更加詳細(xì)地描述的彈簧?？諝鈩鹰芊饨M件100還包括連接到彈簧150上的瓦200?？赏ㄟ^焊接、銅焊和其它類型的附連手段來附連瓦200。如在圖2中看到的那樣，瓦200從上游邊緣延伸到下游邊緣，較厚的中部202和較薄的端部204對形成基本類似漸縮楔的形狀210，較厚的中部部分202與轉(zhuǎn)子150交接。瓦200可由具有強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度的抗疲勞金屬制成。如圖3中顯示的那樣，瓦200可具有稍微大于彈簧150的寬度的寬度，以便允許在彈簧150的周圍有空氣流，以及確保彈簧150的任一側(cè)上有均等的空氣壓力。彈簧150的任ー側(cè)上的這個均等壓カ允許彈簧150執(zhí)行以下功能(a)引導(dǎo)瓦200的徑向運(yùn)動；以及(b)為瓦的運(yùn)動提供徑向和軸向剛度，而沒有來自彈簧150的周圍的空氣流型的任何干擾。因而，跨過密封件100的壓カ負(fù)荷主要被二次密封件190抵抗，使得消除了彈簧150抵抗壓カ負(fù)荷的額外功能。因?yàn)閺椈?50不必抵抗任何顯著的壓カ負(fù)荷，所以波紋彈簧的厚度不必較大以抵抗壓カ負(fù)荷。小波紋彈簧厚度的這個特征允許波紋彈簧160經(jīng)歷較大的變形，而具有遠(yuǎn)低于波紋彈簧材料強(qiáng)度能力的小的彎曲應(yīng)力，從而使得能夠有較大的徑向瓦運(yùn)動能力。因而，保持波紋彈簧寬度150小于瓦200的寬度(如圖3中看到的那樣)允許跨過波紋件160有壓カ平衡，這繼而允許使用能夠適應(yīng)瓦200的較大的徑向運(yùn)動的薄波紋彈簧。如在圖3中看到的那樣，彈簧150和二次密封件190沿切向方向(即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向)在很大程度上是筆直的。因而，即使是在彈簧150和二次密封件190在過渡運(yùn)行期間有較大的變形的期間也可最大程度地減小應(yīng)力。二次密封件190和瓦200可具有或可不具有圖2中顯示的最初敞開的空隙。通過 包括二次密封件190的剛度、彈簧150的剛度和瓦200上的可能會使最初敞開的空隙關(guān)閉的壓カ負(fù)荷的若干因素來確定二次密封件190和瓦200之間的可行的初始空隙的量?？赏ㄟ^與轉(zhuǎn)子140的故意曲率失配來實(shí)現(xiàn)類似漸縮楔的形狀210?？蓪㈩愃茲u縮楔的形狀210加工到瓦200中。也可在本文中使用沿圓形轉(zhuǎn)子運(yùn)動的方向漸縮-漸擴(kuò)的形狀?？稍诒疚闹惺褂闷渌愋偷闹圃旒寄??？稍诒疚闹惺褂闷渌鼧?gòu)件和其它構(gòu)造。漸縮-漸擴(kuò)楔形狀或漸縮楔形狀210的主要功能是在瓦200和轉(zhuǎn)子140之間形成流體壓膜，以便通過壓擠作用來產(chǎn)生較大的流體壓カ和類似的薄膜流體物理現(xiàn)象。瓦200的內(nèi)表面(面向轉(zhuǎn)子140)和轉(zhuǎn)子140的外部面(面向瓦200)應(yīng)當(dāng)帶有具有為瓦200和轉(zhuǎn)子140之間的最小預(yù)計(jì)流體膜厚度的大約十分之一至十五分之一的表面粗糙度值的良好的表面光潔度。轉(zhuǎn)子和瓦表面還可涂有抗磨損涂層(具有上面提到的合適的表面光潔度)，例如碳化鉻用于轉(zhuǎn)子，而PS304 (NASA開發(fā)的高溫陶瓷潤滑劑)用于瓦200?？稍诒疚闹惺褂闷渌牧稀D4顯示了本文可描述的空氣動カ密封系統(tǒng)220?？諝鈩鹰芊庀到y(tǒng)220可包括定位在轉(zhuǎn)子140或其它類型的旋轉(zhuǎn)構(gòu)件130的周緣的周圍的多個空氣動カ密封組件100或節(jié)段?？稍诒疚闹惺褂萌魏螖?shù)量的空氣動カ密封組件100或節(jié)段。可將節(jié)段間空隙230定位在相鄰的密封組件100或節(jié)段之間。節(jié)段間空隙230允許各個密封組件100獨(dú)立于相鄰的組件100而運(yùn)動。節(jié)段間空隙230是從高壓側(cè)115到低壓側(cè)125的直接開ロ?？赏ㄟ^以下方式來最大程度地減小節(jié)段間空隙泄漏(a)恰當(dāng)?shù)刈畲蟪潭鹊販p小二次密封件190的長度，同時考慮其剛度和壓カ負(fù)荷抵抗能力；以及(b)用諸如線材EDM的エ藝來精確地制造相鄰的密封組件100或節(jié)段，使得可在相鄰的節(jié)段之間可靠地保持小的節(jié)段間空隙。可在本文中使用其它構(gòu)件和其它構(gòu)造。在使用中，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間，由瓦200的周圍的空氣流型在瓦200上引起的空氣靜力カ趨向于將瓦200推離轉(zhuǎn)子140，而彈簧150和二次密封件190則趨向于將瓦200推向轉(zhuǎn)子140。瓦200獲得相對于轉(zhuǎn)子140的平衡位置，這取決于各種流體和結(jié)構(gòu)カ的平衡。在空氣靜カ運(yùn)行模式期間，平衡位置使得瓦200和轉(zhuǎn)子140之間存在薄的流體膜。瓦200沿徑向運(yùn)動遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子140，而同時在流體負(fù)荷和彈簧カ的影響下沿順時針旋轉(zhuǎn)(如在圖2中)。另ー方面，二次密封件190沿徑向朝轉(zhuǎn)子140彎曲，并且這樣做時，在瓦200上施加接觸力。在本實(shí)例中，這個接觸力的位置使得其導(dǎo)致瓦200朝轉(zhuǎn)子140沿徑向運(yùn)動以及瓦200沿逆時針旋轉(zhuǎn)(如圖2中所顯示)。(相應(yīng)的方向可有所變化。)上面描述的順時針運(yùn)動和逆時針運(yùn)動可彼此平衡，以便在空氣靜カ運(yùn)行期間導(dǎo)致有很大程度上平行于轉(zhuǎn)子140的瓦平衡位置。也可通過改變彈簧150的相對軸向位置、ニ次密封件190的軸向位置、與轉(zhuǎn)子交接的瓦200的較厚部分202的軸向位置、彈簧的剛度、二次密封件的剛度等來實(shí)現(xiàn)不平行于轉(zhuǎn)子140的其它瓦平衡位置。在轉(zhuǎn)子過渡期間，或者轉(zhuǎn)子半徑由于轉(zhuǎn)子140的熱增長的原因而增加，或者定子120沿徑向朝轉(zhuǎn)子140運(yùn)動。兩種動作均引起瓦200和轉(zhuǎn)子140之間的流體薄空隙的減小。當(dāng)流體膜空隙減小到小的數(shù)量(大致大約千分之一英寸或更小)時，密封件100則在空氣動カ運(yùn)行模式中運(yùn)行。當(dāng)流體膜厚度減小時，瓦200的較厚部分202上的空氣動カカ則由于轉(zhuǎn)子速度及瓦200的漸縮楔形狀210或漸縮-漸擴(kuò)楔形狀的原因増大，以便使瓦200沿徑向運(yùn)動遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子140。這個遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子140的運(yùn)動允許轉(zhuǎn)子140膨脹，同時避免與轉(zhuǎn)子140接觸。

因?yàn)楸〉牧黧w膜、旋轉(zhuǎn)速度和膜的類似楔的形狀可產(chǎn)生較大的空氣動カ力，所以瓦200可逆著彈簧150和二次密封件190的結(jié)構(gòu)阻力而被沿徑向向外推。因而瓦200可沿徑向向外運(yùn)動，并且適應(yīng)轉(zhuǎn)子140和定子120之間的較大的相對運(yùn)動，而在瓦200和轉(zhuǎn)子140之間無接觸。因而，密封組件100的這個非接觸和自適應(yīng)行為提供了長的壽命和穩(wěn)定的泄漏性能，其中轉(zhuǎn)子-定子的相對運(yùn)動在過渡期間可為特性不良的。可通過或者改變二次密封件190的長度或者改變相鄰的密封組件100或節(jié)段之間的間隔來提供對節(jié)段間空隙230的控制。具體而言，可通過減小二次密封件190的長度以及提供小的節(jié)段間空隙230來降低總的節(jié)段間泄漏。因而，通過在轉(zhuǎn)子140和瓦200之間保持小的徑向間隙，本文描述的空氣動カ密封組件100在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行期間提供良好的密封。同樣，空氣動カ密封組件100還用作可動彈簧，以便在過渡運(yùn)行期間通過產(chǎn)生另外的空氣動カ負(fù)荷來不妨礙轉(zhuǎn)子140。具體而言，加工到瓦200中的漸縮形狀210或漸縮/漸擴(kuò)形狀在過渡運(yùn)行期間產(chǎn)生另外的空氣動カ負(fù)荷。密封組件100因而在瓦200和轉(zhuǎn)子140之間保持空氣膜，以便確保它們之間沒有接觸或摩擦。在空氣靜カ運(yùn)行和空氣動カ運(yùn)行兩者的期間，二次密封件190可沿徑向向下彎曲，以便始終觸到瓦200。一旦二次密封件190接觸到瓦200，密封件190則阻擋在頂部件180和瓦200之間從上游流到下游的流體的大部分(節(jié)段間泄漏除外)。因而，二次密封件190用作密封件。另外，一旦與瓦200接觸，二次密封件190則在瓦200上施加接觸力。僅可在不僅克服彈簧150的阻力而且還克服二次密封件190所提供的呈接觸力的形式的阻力之后發(fā)生瓦200的任何徑向運(yùn)動(由空氣靜カ流體負(fù)荷和空氣動カ流體負(fù)荷引起的)。ニ次密封件190因而還用作密封件和彈簧兩者。應(yīng)當(dāng)顯而易見，前述內(nèi)容僅涉及本申請的某些實(shí)施例，并且本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可作出許多改變和修改，而不偏離由所附權(quán)利要求及其等效方案所限定的本發(fā)明的大體精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪機(jī)(10)的空氣動カ密封組件(100)，包括 多個彈簧(150)； 連接到所述多個彈簧(150)上的瓦(200);以及 定位在所述多個彈簧(150)和所述瓦(200)的周圍的二次密封件(190)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣動カ密封組件(100)，其特征在于，所述瓦(200)面向旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(130)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣動カ密封組件(100)，其特征在于，所述多個彈簧(150)包括多個波紋件(160)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣動カ密封組件(100)，其特征在于，所述多個彈簧(150)包括多個折轉(zhuǎn)部(170)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣動カ密封組件(100)，其特征在于，所述空氣動カ密封組件(100)進(jìn)ー步包括連接到所述多個彈簧(150)和所述二次密封件(190)上的頂部件(180)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空氣動カ密封組件，其特征在于，所述頂部件(180)附連到固定構(gòu)件(110)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣動カ密封組件(100)，其特征在于，所述多個彈簧(150)包括第一寬度，而所述瓦(200)包括第二寬度，以及其中，所述第一寬度小于所述第二寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣動カ密封組件(100)，其特征在于，所述多個彈簧(150)和所述二次密封件(190)包括鎳基合金或鎳-鉻基合金。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣動カ密封組件(100)，其特征在于，所述瓦(200)包括類似漸縮楔的形狀(210)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的空氣動カ密封組件(100)，其特征在于，所述二次密封件(190)包括類似板的形狀(195)。
11.ー種在固定構(gòu)件(110)和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(130)之間進(jìn)行密封的方法，包括 沿第一方向旋轉(zhuǎn)瓦(200)； 沿第二方向旋轉(zhuǎn)二次密封件(190)，以便接觸所述瓦(200)； 在空氣靜カ運(yùn)行期間，將所述瓦(200)保持在平衡位置上；以及 在空氣動カ運(yùn)行期間，使所述瓦(200)運(yùn)動遠(yuǎn)離所述旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(130)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)ー步包括阻擋通過其中的流體流(135)的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于渦輪機(jī)的空氣動力密封組件。本發(fā)明提供了一種用于渦輪機(jī)(10)的空氣動力密封組件(100)?？諝鈩恿γ芊饨M件(100)可包括多個彈簧(150)、連接到彈簧(150)上的瓦(200)，以及定位在彈簧(150)和瓦(200)的周圍的二次密封件(190)。
文檔編號F01D11/10GK102654063SQ201210012888
公開日2012年9月5日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月4日
發(fā)明者C·沃爾夫, R·A·比卡, 方飆 申請人:通用電氣公司