用於阻塞穿過洩漏間隙的洩漏流的流體密封布置及方法

2023-05-11 05:41:11 1

用於阻塞穿過洩漏間隙的洩漏流的流體密封布置及方法
【專利摘要】本發明涉及用於阻塞穿過洩漏間隙的洩漏流的流體密封布置及方法。本發明涉及一種用於阻塞被引導穿過由旋轉構件(16)和固定構件(17)界定的洩漏間隙(18)的洩漏流(8)的流體密封布置，其包括旋轉構件(16)和/或固定構件(17)中的至少一個噴嘴開口(13)，其分別面朝洩漏間隙(18)的相對側的旋轉構件(16)或固定構件(17)，以便經過噴嘴開口(13)將液體或氣態流體流(14)注入洩漏間隙(18)中。本發明的特徵在於所述至少一個噴嘴開口(13)流體地連接到旋轉構件(16)和/或固定構件(17)內的冷卻通道(11)上，以便噴嘴開口(13)處發出的所述流體流排他性地包括旋轉構件(16)和/或固定構件(17)的冷卻流體。
【專利說明】用於阻塞穿過洩漏間隙的洩漏流的流體密封布置及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種流體密封布置，其用於阻塞被引導穿過由旋轉構件和固定構件界定的洩漏間隙的洩漏流，包括旋轉構件和/或固定構件中的至少一個噴嘴開口，其分別面朝洩漏間隙的相對側的旋轉構件或固定構件，以便經過噴嘴開口將液體或氣態流體流注入洩漏間隙中。此類洩漏流通常出現在旋轉流機械中，如在燃氣渦輪布置中，尤其是在壓縮機及其渦輪單元中，其中旋轉部分與單元的固定構件包圍間隙，單元的壓縮空氣或熱氣體的軸流的小部分可穿過該間隙而沒有任何預防。此外，公開了一種用於通過以與洩漏流的流動方向橫向的流動方向將液體或氣態流體流注入洩漏間隙中來阻塞穿過由旋轉構件和固定構件界定的洩漏間隙的洩漏流的方法。

【背景技術】
[0002]文獻US 7，238，001 B2公開了一種在旋轉流機器中(優選在燃氣渦輪發動機中)使用的密封布置，其中熱氣流沿軸向經過渦輪級，以執行膨脹工作來促進轉子的旋轉動量。為了避免穿過在渦輪級的旋轉構件與固定構件之間沿徑向界定的間隙的洩漏流，尤其是所述洩漏流不會貢獻能量產生，公知的技術用於減小間隙的空隙，例如，通過在旋轉構件與固定構件之間施加迷宮式密封結構。迷宮式密封提供了沿徑向交錯的結構，其通過在間隙之間施加具有徑向延伸的機械流動阻擋件來防止穿過間隙的軸向自由流動通路。
[0003]作為備選或與之前提到的迷宮式密封組合，US 7, 238,001 B2提出了以定向成與洩漏流的方向橫向的流動方向將流體流注入洩漏間隙中，以便洩漏流將僅由注入的流體流來流體動力地阻塞。這裡，槽口設在均界定洩漏間隙的旋轉構件或固定構件中，流體流穿過洩漏間隙注入，且引導穿過洩漏間隙，以便提供流體流來進一步阻塞可用的洩漏間隙，以作為穿過該處的有效的抵抗流體片層。


【發明內容】

[0004]本發明的一個目的在於提供一種加強的流體密封布置，其用於基於之前公開的原理來阻塞被引導穿過由旋轉構件和固定構件界定的洩漏間隙的洩漏流，即，在洩漏間隙內使用流體動力地生成的流動阻擋件，使得旋轉機器的效率將顯著地提高。
[0005]該目的通過權利要求1或權利要求2中的一些總體特徵來實現。權利要求9和權利要求10中的各個的主題是用於阻塞穿過由旋轉構件和固定構件界定的洩漏間隙的洩漏流的方法。本發明可有利地通過也在尤其關於優選實施例的以下描述中的子權利要求中公開的特徵改變。
[0006]為了實現旋轉流機器的加強的操作，重要的是消除穿過旋轉流機器的流動通路中涉及的任何損耗機構，尤其是還避免界定洩漏間隙的旋轉構件與固定構件之間的任何洩漏流。為了實現洩漏流抑制，期望提出利用協同作用，其有助於減少能量消耗，以建立流體流來用於阻塞可用的洩漏間隙而作為穿過洩漏間隙的有效的抵擋流體片層。
[0007]根據本發明，一種流體密封布置，其用於阻塞被引導穿過由旋轉構件和固定構件界定的洩漏間隙的洩漏流，包括旋轉構件和/或固定構件中的至少一個噴嘴開口，其分別面朝洩漏間隙的相對側的旋轉構件或固定構件，以便經過噴嘴開口將液體或氣態流體流注入洩漏間隙中，該流體密封布置通過將至少一個噴嘴開口流體地連接到旋轉構件和/或固定構件內的冷卻通道來創造性地改善，以便噴嘴開口處發出的流體流排他性地包括旋轉構件和/或固定構件的冷卻流體。
[0008]本發明的流體密封布置使用已經存在的冷卻介質，該冷卻系統整體結合在旋轉流機器的旋轉構件和/或固定構件中，例如，在燃氣渦輪布置的壓縮機或渦輪單元中。為了避免渦輪級單元的熱氣流通路中的導葉和葉片過熱，冷卻通道的複雜系統整體結合在各個導葉和葉片內，冷卻介質經過冷卻通道，優選為從壓縮機單元的區段獲得的壓縮空氣的形式。所述冷卻空氣可取決於冷卻通道的結構設計來以對流冷卻和/或衝擊冷卻的方式冷卻構件。
[0009]在執行冷卻任務之後，冷卻介質經過冷卻通道的出口開口流入旋轉流機器的主通道中。創造性地提出了通過使在上遊接近冷卻通道的出口開口的一定量的冷卻介質旁通到在用於注入洩漏間隙中的噴嘴開口處合併的所謂的供給通道來使用至少一部分冷卻介質。本發明的技術優點在於，用於密封目的的所需的密封流體流已經從之前的應用即從旋轉構件和/或固定構件內的冷卻系統可用，且因此不需要提供注入到洩漏間隙中的流體流的任何額外供應。例如，來自用於將流體流供給至至少一個噴嘴開口的壓縮機單元的區段的任何直接供應管線都不再需要，相反，冷卻介質在旋轉流機器內的所有暴露於熱的構件中可用，以便可容易分接接近出口開口的旋轉構件或固定構件的冷卻通道，經過該冷卻通道，冷卻介質離開而進入旋轉流機器的主通道中。
[0010]第二發明方面可與將冷卻介質再用作用於經過噴嘴開口注入洩漏間隙來以洩漏流的體積阻擋物的方式填充洩漏間隙的前述原理組合，但其可認作是獨立的發明構想的第二發明方面也關於使用經過噴嘴開口注入到洩漏間隙中的液體或氣態流體流的能量流，其作用在洩漏間隙的與噴嘴開口相對側的旋轉構件或固定構件上。第二發明構想使用流動脈衝，其作用於旋轉構件或固定構件上，在經過噴嘴開口注入洩漏間隙中之後，流體流衝擊旋轉構件或固定構件。流動脈衝可用於提高或降低旋轉構件的旋轉動量。
[0011]用於阻塞被引導穿過由旋轉構件和固定構件界定的洩漏間隙的洩漏流的流體密封布置，包括方向構件和/或固定構件中的至少一個噴嘴開口，其分別面朝洩漏間隙的相對側的旋轉構件和固定構件，以便經過噴嘴開口將液體或氣態流體流注入洩漏間隙中，該流體密封布置通過以下來創造性改善:布置具有噴嘴軸線的至少一個噴嘴開口，流體流沿噴嘴軸線被引導，使得噴嘴軸線關於旋轉構件的旋轉軸線的徑向方向傾斜，使得旋轉構件的旋轉動量通過在至少一個噴嘴開口發出且衝擊洩漏間隙的與噴嘴開口的相對側的旋轉構件或固定構件的流體流而提高或降低。
[0012]與根據US 7, 238,001 B2的已知布置相比，其中流體流方向在正交地與旋轉構件的旋轉軸線交叉的平面中沿徑向被引導，經過該至少一個噴嘴開口注入的流體流的方向與關於之前限定的平面的徑向方向包圍角α古0°，即，在平行於旋轉構件的旋轉軸線的視圖投影中或正交地與旋轉軸線交叉的平面中。
[0013]通過適當選擇噴嘴軸線沿旋轉構件的旋轉方向或與該方向相反的傾斜，旋轉構件或固定構件上的流體流的衝擊可提高或降低旋轉動量。
[0014]在一個優選實施例中，至少一個噴嘴開口布置在固定構件處，其中噴嘴軸線包括角α，其與和噴嘴開口交叉的徑向方向將基本上適合O ° < α < ±90°，優選±5° < α <50°，使得噴嘴軸線沿旋轉構件的旋轉方向或與該方向相反地傾斜。在沿旋轉構件的旋轉方向傾斜的情況下，旋轉構件上的流體流衝擊提高了旋轉動量。在旋轉軸線與旋轉構件的旋轉方向相反地傾斜的情況下，旋轉動量將降低。事實上，主要方面在於提高旋轉動量，但本發明的範圍還將覆蓋降低旋轉動量的可能性。
[0015]在另一個優選實施例中，至少一個噴嘴開口布置在旋轉構件處，其中噴嘴軸線包括與和噴嘴開口交叉的徑向方向的角β古0°，使得噴嘴軸線沿旋轉構件的旋轉方向或與該方向相反地傾斜。旋轉構件處的至少一個噴嘴開口的布置還可與將至少一個噴嘴開口置於固定構件處的前文所述的布置組合。在兩種情況下，噴嘴軸線的傾斜量的選擇確定了對旋轉動量的影響量，且傾斜的定向確定了影響的類型，即，旋轉動量是否將提高或降低。
[0016]在旋轉構件和固定構件處的噴嘴開口的組合實現的情況下，噴嘴軸線的定向可從各個中獨立地選擇，這意味著α幸β，但優選α和β相等，且具有相同的定向。
[0017]可構想出另一個實施例，其提供在具有噴嘴軸線的旋轉構件處的至少一個噴嘴開口，使得旋轉動量將提高。此外，固定構件還提供至少一個噴嘴開口，其具有以相反定向的噴嘴軸線，以降低旋轉動量。穿過各個噴嘴開口的流體流的供應可獨立地受控，以便在第一操作模式中，在旋轉構件處的噴嘴開口將供應有流體流，以提高旋轉動量，同時抑制對固定構件處的至少一個噴嘴開口的流體流供應。在第二操作模式中，流體流將由固定構件處的噴嘴開口注入，以降低旋轉動量，同時抑制旋轉構件上的噴嘴開口處的流體流的供應。
[0018]本發明的構想基本上能夠應用於所有旋轉流機器，但優選應用於燃氣渦輪布置的壓縮機和渦輪級。通常，此類旋轉流機器的旋轉構件關於轉子的表面的葉片或區段。固定構件關於殼體或直接地或間接地連接到殼體上的構件，優選導葉、熱障元件或沿軸向界定渦輪殼體的燃燒器襯套。在所有這些情況下，冷卻通道都整體結合到暴露於熱的構件中，以便將沒有附加努力來將冷卻空氣用於阻塞穿過洩漏間隙的洩漏流。
[0019]大體上，提出的冷卻空氣的再使用可應用於任何位置處的旋轉流機器，其中間隙出現在旋轉構件與固定構件之間，且至少一個構件以前述方式冷卻。將組合附圖來更詳細描述優選實施例。
[0020]此外，描述了一種用於通過以與洩漏流的流動方向橫向的方向將液體或氣態流體流注入洩漏間隙中從而阻塞穿過由旋轉構件和固定構件界定的洩漏間隙的洩漏流的方法，且創造性特徵在於，液體或氣態流體流用作冷卻介質以在經過洩漏間隙之前首先冷卻旋轉構件和/或固定構件。
[0021]本發明的方法利用了已經存在的資源，S卩，再使用冷卻空氣，其在進入洩漏間隙來用於對穿過洩漏間隙的洩漏流的阻塞目的之前，供給穿過旋轉流機器內的暴露於熱的旋轉構件和/或固定構件內的冷卻通道。
[0022]本發明的另一個方面在於，液體或氣態流體流將引導到洩漏間隙中，使得旋轉構件的旋轉動量通過液體或氣態流體流與旋轉構件和/或固定構件的衝擊來提高或降低。
[0023]本發明的其它細節可從描述附圖中所示的優選實施例的以下公開內容得出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]隨後將連同附圖來基於示例性實施例更詳細地闡釋本發明。在附圖中
圖la，b示意性地示出了穿過與導葉的外徑平臺包圍邊沿腔的葉片的內徑平臺的縱向截面，以及穿過截面A-A的橫截面視圖，
圖2a示意性地示出了穿過具有導葉的平臺的衝擊冷卻的、界定洩漏間隙的葉片的平臺和導葉的平臺的縱截面，
圖2b示意性地示出了具有用於對界定洩漏間隙的葉片和相鄰導葉進行對流冷卻的冷卻通道的葉片的縱截面，
圖2c示意性地示出了穿過界定洩漏間隙的葉片的末梢和熱障元件的縱截面。
[0025]零件清單 I葉片
2葉片的平臺 3刀刃邊沿 4導葉 5導葉的平臺 6刀刃邊沿 7邊沿腔 8洩漏流 9蜂窩結構
10冷卻介質，冷卻空氣
11冷卻通道
12供給管線
13，13，噴嘴開口
14流體流
15冷卻通道的開口
16旋轉構件
17固定構件
18洩漏間隙
19噴嘴軸線
20徑向方向
21衝擊片層
22葉片的後緣
23葉片的末梢。

【具體實施方式】
[0026]圖1a示出了圍繞旋轉軸線R的旋轉葉片I的縱截面視圖。葉片I包括具有刀刃邊沿3的內徑平臺2。此外，導葉4沿軸向方向布置在葉片I旁邊，導葉4為固定構件，且在其外徑處也提供具有刀刃邊沿6的平臺5，其與葉片I的刀刃邊沿3 —起界定邊沿腔7。為了減小經過邊沿腔7的洩漏流8，蜂窩結構9附接到導葉4的平臺5處，以用於減小平臺5與葉片的刀刃邊沿3的末梢之間的間隙。
[0027]由於在操作期間出現的對蜂窩結構9的磨蝕效應，故經過邊沿腔7的洩漏流8不可避免。為了部分地或以優選方式完全地減小或限制洩漏流8，本發明提出了使冷卻空氣10的一部分分流，其供給穿過導葉4內的冷卻通道11進入供給管線12，供給管線12通向噴嘴開口 13，以注入冷卻空氣10的一部分來作為具有與經過邊沿腔7的洩漏流8橫向的流動方向的流體流14。
[0028]注入邊沿腔7中的流體流14顯著地阻塞洩漏流8，且類似於邊沿腔7內的流體動力體積阻擋物起作用。
[0029]圖1a公開了冷卻空氣10的使用，其供給穿過冷卻通道11，且在開口 15處離開冷卻通道11主要進入流動旋轉機器的流動通路中。冷卻空氣10的至少一部分將用於建立邊沿腔7內的流體阻擋物。
[0030]圖1b示出了沿圖1a中的切割線A-A的橫截面。對應於葉片I及其平臺2的旋轉構件16以逆時針方向的旋轉定向圍繞旋轉軸線R旋轉。對應於導葉4的固定構件17環繞對應於邊沿腔7的包圍洩漏間隙18的旋轉構件16。為了減小穿過洩漏間隙18的洩漏流，大量噴嘴開口 13布置在固定構件17處。各個噴嘴開口 13提供噴嘴軸線19，流體流14沿噴嘴軸線19經過各個噴嘴開口 13發出。噴嘴軸線19與關於旋轉軸線R的徑向方向20包圍角+α。在噴嘴開口 13的情況下，噴嘴軸線19定向成使得衝擊在旋轉構件16的流體流14提高旋轉構件16的旋轉動量。在此情況中，噴嘴軸線沿旋轉構件的旋轉方向傾斜。為了優化旋轉動量的提高，角α應當在5° < α <50°的角範圍內。
[0031]此外，圖1b示出了具有噴嘴軸線19』的噴嘴開口 13』的布置的另一個可能性，噴嘴軸線19』相對於旋轉構件16的旋轉方向傾斜。通過經過噴嘴開口 13』注入流體流，流體流作用於旋轉構件上，使得旋轉動量將降低。因此，角α為負值，且可在-5° ( α ^-50°的角範圍內，這取決於旋轉構件16的旋轉動量上的減速效應的量。
[0032]兩個所示情況，S卩，在旋轉側或固定側處的噴嘴布置，都可取決於旋轉流機器的操作的單獨情形來組合或交替地應用。
[0033]圖2a示出縱截面視圖中的另一個實施例。這裡，旋轉葉片I提供了內徑平臺2，其與導葉4的平臺5界定洩漏間隙18。為了阻塞穿過洩漏間隙18的洩漏流8，流體流14經過供給管線12的噴嘴開口 13注入，其由冷卻空氣10供應，冷卻空氣10通過衝擊冷卻來冷卻導葉4的平臺5。這裡，衝擊片層21布置在導葉4的平臺5內的冷卻系統內。
[0034]圖2b示出了穿過葉片I的縱截面，葉片I提供了用於冷卻葉片I的空氣翼型件的冷卻通道11。這裡，冷卻空氣11在葉片I的腳區段處進入冷卻通道11。剛好在發出到流機器的主流動通路中之前，在葉片I的後緣22處，冷卻空氣10的一部分進入供給管線12中，以用於作為流體流14穿過噴嘴開口 13注入由葉片I和導葉4的平臺2和5界定的洩漏間隙18中。流體流14顯著地阻塞洩漏流8。
[0035]圖2c示出了穿過包括冷卻通道11的葉片I的翼型件的一部分的縱截面。在葉片I的末梢23處，提供了噴嘴開口 13，冷卻空氣10的一部分作為流體流14經過噴嘴開口 13注入由葉片I的末梢23和固定構件17 (例如，熱障元件)界定的洩漏間隙18中。
【權利要求】
1.一種流體密封布置，用於阻塞被引導穿過由旋轉構件(16)和固定構件(17)界定的洩漏間隙(18)的洩漏流(8)，包括所述旋轉構件(16)和/或所述固定構件(17)中的至少一個噴嘴開口(13)，其分別面朝所述洩漏間隙(18)的相對側的旋轉構件或固定構件，以便將液體或氣態流體流(14)經過所述噴嘴開口(13)注入所述洩漏間隙(18)中，其特徵在於，所述至少一個噴嘴開口(13)流體地連接到所述旋轉構件(16)和/或所述固定構件(17)內的冷卻通道(11)上，以便所述噴嘴開口(13)處發出的所述流體流(14)排他性地包括所述旋轉構件(16)和/或所述固定構件(17)的冷卻流體。
2.根據權利要求1的前序部分或權利要求1所述的流體密封布置，其特徵在於，所述至少一個噴嘴開口(13)提供噴嘴軸線(19)，所述流體流(14)沿所述噴嘴軸線(19)引導，且所述噴嘴軸線(19)關於所述旋轉構件(16)的旋轉軸線(R)的徑向方向(20)傾斜，使得所述旋轉構件(16)的旋轉動量通過在所述至少一個噴嘴開口(13)發出且衝擊所述洩漏間隙(18)與所述噴嘴開口(13)相對的所述旋轉構件(16)或所述固定構件(17)的所述流體流(14)來提高或降低。
3.根據權利要求2所述的流體密封布置，其特徵在於，所述至少一個噴嘴開口(13)布置在所述固定構件(17)處，具有噴嘴軸線(19)，其包括與和所述噴嘴開口(13)的交叉的徑向方向(20)的角α #0°，使得所述噴嘴軸線(20)沿所述旋轉構件(16)的旋轉方向傾斜或與該旋轉方向相反地傾斜，且/或所述至少一個噴嘴開口(13)布置在所述旋轉構件(16)處，具有噴嘴軸線(19)，其包括與和所述噴嘴開口(13)的交叉的徑向方向(20)的角β ^O0，使得所述噴嘴軸線(19)沿所述旋轉構件(16)的旋轉方向傾斜或與該旋轉方向相反地傾斜。
4.根據權利要求3所述的流體密封布置，其特徵在於，α和β將適於:α等於β，或α 不等於 β,且 O。< α,β <±90° ,優選 ±5。<α,β<±50°。
5.一種具有根據權利要求1至權利要求4中的一項所述的流體密封布置的旋轉流機器，其特徵在於，所述旋轉流機器為燃氣渦輪布置中的壓縮機或渦輪級，以及所述至少一個旋轉構件(16)為葉片(I)或轉子的表面的區段，且所述至少一個固定構件(17)為殼體或直接地或間接地連接到所述殼體上的構件，優選導葉(4)、熱障元件或燃燒器襯套。
6.根據權利要求5所述的旋轉流機器，其特徵在於，所述洩漏間隙(18)由提供所述至少一個噴嘴開口(13)的所述葉片(I)的末梢(23)和所述殼體或連接到所述旋轉流機器的所述殼體上的構件界定，且所述至少一個噴嘴開口(13)連接到所述葉片(I)內的冷卻通道(11)，用於冷卻所述葉片(1)，且/或所述洩漏間隙(18)由所述葉片(I)的末梢(23)和所述殼體或連接到所述旋轉流機器的所述殼體上的構件界定，由此，所述殼體或所述構件提供所述至少一個噴嘴開口(13)，且所述至少一個噴嘴開口(13)連接到冷卻通道(11)，該冷卻通道(11)在所述殼體或連接到所述殼體上的所述構件內，用於冷卻所述殼體或所述構件。
7.根據權利要求5所述的旋轉流機器，其特徵在於，所述洩漏間隙(18)由所述葉片(I)的徑向內平臺(2)的區段和導葉(4)的徑向外平臺(5)的區段界定，且所述至少一個噴嘴開口(13)在所述葉片⑴的區段側和/或所述導葉⑷的區段側，且連接到冷卻通道(II)上用於分別冷卻所述葉片(I)或所述導葉(4)。
8.根據權利要求6或權利要求7所述的旋轉流機器，其特徵在於，所述冷卻通道(11)為對流冷卻通道，或包括衝擊冷卻布置。
9.一種用於通過以與所述洩漏流(18)的流動方向橫向的流動方向將液體或氣態流體流(14)注入所述洩漏間隙(18)中從而阻塞穿過由至少一個旋轉構件(16)和至少一個固定構件(17)界定的洩漏間隙(18)的洩漏流的方法，其特徵在於，所述液體或氣態流體流(14)用作在進入所述洩漏間隙(18)之前首先冷卻所述旋轉構件(16)和/或所述固定構件(17)的冷卻介質。
10.根據權利要求9的前序部分或權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述液體或氣態流體流(14)被引導到所述洩漏間隙(18)中，使得所述旋轉構件(16)的旋轉動量通過所述液體或氣態流體流(14)與所述旋轉構件(16)和/或所述固定構件(17)的衝擊來提高或降低。
11.根據權利要求9或權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述旋轉構件(16)和所述固定構件(17)為旋轉流機器的一部分，如燃氣渦輪布置的壓縮機或渦輪級。
【文檔編號】F01D11/10GK104373157SQ201410357894
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年7月25日 優先權日:2013年8月14日
【發明者】C.西蒙－德爾加多, V.史蒂芬尼斯, S.什楚金, J.克呂克爾斯 申請人:阿爾斯通技術有限公司