用於渦輪機葉片冷卻迴路的旋轉式密封裝置的製作方法

2023-05-17 03:07:31

專利名稱：用於渦輪機葉片冷卻迴路的旋轉式密封裝置的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及一種用於燃氣渦輪發動機中的葉片冷卻迴路的密封裝置。更具體地說，本發明涉及一種順應性密封設計，其可響應於離心力而密封在重型燃氣渦輪發動機的渦輪機轉子隔塊與渦輪機轉子葉輪和葉片燕尾的軸向端面之間，以便減少葉片冷卻空氣的洩漏。
背景技術：
由於燃氣渦輪發動機中的較高工作溫度，通常對一級或多級渦輪機葉片進行對流式冷卻，以便提高耐用性。通常來說，冷卻空氣從一級或多級壓縮機中輸入，並經過由多個交界部件組成的不同通道而傳遞到渦輪機轉子上。從壓縮機中輸出的空氣的壓力要高於渦輪機中的空氣壓力，因此各界面會形成潛在的冷卻空氣洩漏路徑。一種這樣的洩漏路徑是轉子隔塊與轉子葉輪凸柱(wheelpost)和葉片燕尾之間的界面。
之前已經採用了若干種方法來密封這類洩漏路徑。在用作航空發動機的渦輪機中，蓋板(或葉片擋板)安裝在葉片/葉輪端面的前側和後側上，並具有位於中斷表面上的線密封件。例如可見美國專利No.4500098和5622475。蓋板用於密封提供至翼型中的冷卻空氣，並且還將葉片軸向地保持住。儘管密封件工作良好，但渦輪機的可維修性成為問題，這是因為更換一個或多個葉片要求拆下轉子。另一方面，重型的地基渦輪機必須具有在現場更換葉片的能力。在現有技術的重型渦輪機設計中，通常在隔塊緣邊上具有圓柱形的軸向凸起，其與輪緣的下側形成幹涉配合(嵌接)。在輪緣的下側中切出切向槽，並穿透到燕尾槽中。該穿透允許冷卻空氣從隔塊/葉輪空腔進入到葉片中，葉輪與隔塊緣邊之間的嵌接配合起密封的作用。葉輪和葉片上的單獨掛鈎與固定環一起將葉片軸向地保持住。儘管該設計使得可在現場取下葉片，然而該設計導致在輪緣中出現不需要的應力集中。
因此，需要研製一種密封組件，其可減小或消除葉輪上的應力集中，提供針對經由隔塊和葉輪之間的間隙而進入到葉片翼型中的冷卻空氣的有效密封，並防止來自氣路的熱氣體被吸入到冷卻空氣流動路徑中。

發明內容
根據本發明的一個優選方面，提供了一種用於密封在隔塊與葉輪凸柱和葉片燕尾的軸向端面之間的密封件，該密封件貼靠在處於隔塊與葉輪凸柱和葉片燕尾的軸向端面之間的成形空腔上。密封件可響應於轉子旋轉期間的離心力，從而不僅密封了葉片燕尾/葉輪凸柱端面與隔塊之間的接縫，而且密封在葉片燕尾/葉輪凸柱的界面之間。成形空腔通過環形隔塊上的徑向向外收斂的斜面以及葉片燕尾和葉輪凸柱的軸向向前端面來形成。密封件本身是順應著空腔的徑向外端形狀的編織密封件，並且尤其密封在葉片燕尾/葉輪凸柱界面上。葉輪凸柱具有軸向凸起，其疊置在隔塊的緣邊上，這兩者之間的界面通過幹涉配合(嵌接)來形成。另外，葉片燕尾具有軸向凸起，其疊置在隔塊緣邊上並與之徑向間隔開，使得隔塊緣邊不會因嵌接幹涉而施加載荷於葉片上。
在本發明的一個優選實施例中，提供了一種用於渦輪機的密封組件，包括渦輪機葉輪，其具有多個圍繞葉輪周邊相互間周向隔開的葉輪凸柱，它們形成了多個周向隔開的大致軸向延伸的槽，葉輪具有從被槽斷開的從其第一表面中軸向延伸出來的大致環形凸起；具有與中斷凸起相接合的環形臂的隔塊；均具有翼型和基部的多個渦輪機葉片，基部設置在槽中，各基部具有徑向地疊置在臂上並與之徑向隔開的軸向凸起；處於凸起的徑向內側的臂的環形面以及葉輪凸柱和葉片基部的軸向面，它們形成了環形空腔；以及設於空腔中的密封件，其可響應於在葉輪、葉片和隔塊旋轉時作用於密封件上的離心力而與大致軸向相對的臂的壁部分以及葉輪凸柱和葉片基部的軸向面的壁部分形成密封接合。
在另一優選實施例中，提供了一種用於渦輪機的密封組件，包括渦輪機葉輪，其具有多個圍繞葉輪周邊相互間周向隔開的葉輪凸柱，在它們之間形成了多個周向隔開的燕尾形槽，葉輪具有多個相互間周向隔開並從其一個表面上軸向伸出的凸起，凸起之間的間隙與燕尾形槽軸向對齊；具有與凸起相接合的環形臂的隔塊；均具有翼型和燕尾的多個渦輪機葉片，葉片燕尾設置在葉輪的燕尾形槽中，各葉片燕尾具有從其第一端面上軸向伸出並徑向地疊置在臂上且與臂徑向向外隔開的凸起；處於凸起的徑向內側的臂的環形面以及葉輪凸柱和葉片燕尾的軸向面，它們形成了環形空腔；以及設於空腔中的密封件，其可向應於在葉輪、葉片和隔塊旋轉時作用於密封件上的離心力而與大致軸向相對的臂的壁部分以及葉輪凸柱的軸向面和葉片燕尾端面的壁部分形成密封接合。


圖1是結合有根據本發明的一個優選方面的密封組件的重型渦輪機的第一和第二級的局部示意圖；圖2是隔塊臂、葉輪凸柱和葉片燕尾的局部透視圖，顯示了密封件和密封件空腔；圖3是放大的局部剖視圖，顯示了處於隔塊、葉輪凸柱與葉片燕尾之間的密封組件；圖4是透視圖，顯示了葉輪凸柱和葉輪槽中的互補形葉片燕尾之間的燕尾形槽；
圖5是在與用於接受葉片燕尾的燕尾槽側面相接的葉輪凸柱處大致徑向向內地看去的葉輪周邊的局部透視圖，顯示了線密封件(wireseal)的位置；圖6A-6D是用於更換葉片和線密封件而不必拆卸轉子的方法的示意圖；和圖7是顯示了密封件的各部分的放大剖視圖。
各幅圖中的標號含義如下14葉片；16葉輪；18翼型；28隔塊；34基部；36葉輪凸柱；38槽；40臂；49凸起；52凸起；60密封件；62空腔；70內芯；72矽石的上方編織層；74金屬箔片層；76金屬的外部編織層；64，66，68壁部分；80掛鈎；82狹縫；84掛鈎；86狹縫；88固定環。
具體實施例方式
現在參見附圖，具體見圖1，圖中顯示了重型渦輪機10的兩級的半剖面。渦輪機10包括第一級，其包括多個周向隔開的噴嘴12和葉片14。葉片14安裝在葉輪16上，噴嘴12安裝在固定件31上。噴嘴12和葉片14的翼型18處於箭頭20所示的渦輪機的熱氣體路徑中。渦輪機的第二級包括多個周向隔開的噴嘴22和葉片24。葉片24安裝在葉輪26上，噴嘴22安裝在固定件31上。噴嘴22和葉片24的翼型25處於箭頭20所示的渦輪機的熱氣體路徑中。第一級葉輪16和第二級葉輪26通過隔塊28和30連接在一起，以形成渦輪機轉子11的一部分。轉子11可相對於固定機殼件31旋轉。第一級隔塊28和第二級隔塊30都具有密封件29，其優選為迷宮式密封件，用於密封渦輪機機殼的固定件31。
如圖1-4最佳地顯示，葉片還包括葉柄32和基部如燕尾34。各葉輪的緣邊還包括多個周向隔開的葉輪凸柱36(圖4)，在周向相鄰的葉輪凸柱36之間形成了互補形的槽如燕尾38，其用於容納葉片的燕尾34。可以理解，葉片為通常已知類型的軸向進入式葉片，然而葉片也可以與軸線成一定角度如0-10°或更大角度地安裝，並且仍被表徵為大致軸向進入式葉片。
回頭參見圖1，可以理解，壓縮機排出的冷卻空氣提供到第一級葉片上，壓縮機的級間冷卻空氣被提供至第二級葉片上。壓縮機排出的空氣流經第一級隔塊28中的孔33，進入到隔塊28與葉片16之間的腔室中，並且進入到各葉片燕尾34的基部與相應葉輪燕尾38的基部之間的通道37(圖1)中，以便經過葉片中未示出的一個或多個通道而大致徑向向外地流動，從而冷卻葉片翼型。類似地，壓縮機的級間排氣被提供以用於冷卻第二級葉片翼型，並通過通道(未示出)而進入到第二級隔塊30與葉輪26之間的腔室中，並且進入到各葉片燕尾的基部與葉輪26上的相關燕尾槽的基部之間的通道中，以便在大致徑向向外的方向上流過翼型25，以用於冷卻目的。
通常來說，隔塊28和30通過嵌接固定在各自的葉輪16和26上。尤其是，隔塊28和30具有環形的構造，並且各自具有臂40和42(圖1)，各臂是固定在相關葉輪的軸向面上的環形體。隔塊臂40和42各自具有環形的軸向向後的凸起41，其用於與相應葉輪處的向前端面相接合。參見圖2和3，圖中顯示了隔塊臂40與第一級葉輪16之間的嵌接，可以理解，隔塊臂42和葉輪26類似地相互固定在一起。在圖3中，隔塊臂40終止於徑向向外朝向的、大致軸向延伸的環形面44中，該環形面44與葉輪16上的徑向向內朝向的軸向凸出面45相接合。表面45形成了圍繞著葉輪16的向前軸向面的軸向向前伸出的中斷凹口或凸起49的一部分，中斷結構由周向相鄰的葉輪凸柱36之間的相鄰燕尾槽38來形成。也就是說，葉輪16上的中斷凹口49處於一定的徑向距離處，並且還截斷了葉輪上的各燕尾槽38。葉輪和隔塊在裝配時相互間嵌接在一起，使得隔塊臂40被預加載，並且被徑向向外地壓入到葉輪凸柱36中。這便使臂和葉輪在發動機的瞬態起動和停機期間保持牢固地相互固定在一起。
如圖3最佳地顯示，各葉片的燕尾基部34具有軸向向前的凸起52，其疊置在隔塊臂的外環形面44上並與之徑向向外地間隔開。更具體地說，各凸起52經底切加工，使得其軸向延伸面54與隔塊臂40的外表面44徑向向外地間隔開。這就防止了隔塊28因隔塊與葉輪之間的嵌接配合而對葉片加載。
從對圖3的回顧可以理解，葉輪凸柱36具有向前端面，其與葉片燕尾的向前端面大致齊平。密封組件58設置在隔塊臂40的鄰接周邊與葉片燕尾34和葉輪凸柱36的軸向端面之間。具體而言，密封組件58包括環形的線密封件60，其設置在成形空腔62中。空腔62通過隔塊臂40的向後表面的壁部分64以及葉片燕尾的向前軸向端面的壁部分66和葉輪凸柱的向前軸向端面的壁部分68來形成。限定了空腔62的隔塊臂40的向後表面包括徑向向外地和軸向向後地傾斜的壁部分64。葉片燕尾和葉輪凸柱的端面的壁部分66，68是弧形的，並在軸向向前的方向上徑向向外地傾斜。因此，空腔具有徑向向外收斂的壁部分。線密封件60設置在隔塊臂40上的壁部分64與葉片燕尾和葉輪凸柱的端面的壁部分66，68之間。
密封件60優選為編織的線密封件，其可響應於渦輪機轉子旋轉期間作用於密封件上的離心力而順應著成形空腔62。離心力作用在線密封件上，以便使線密封件順應著因軸向或徑向方向上的葉片相對於葉輪凸柱的極小運動而形成於葉片燕尾34與葉輪凸柱36的端面之間的任何間隙。密封件60包括多層式密封件，其具有內部的、優選為編織金屬線的優選為鉻鎳鐵合金的內芯70(圖7)，無定形矽石的外芯72，一層鉻鎳鐵合金的箔片編織層74，以及優選為鉻鎳鐵合金的外部金屬線編織層76。鉻鎳鐵合金的內芯70提供了耐用性，而矽石外芯提供了密封件的可壓縮性。箔片編織層74改善了金屬線的密封能力，為外部編織層76提供了空氣可從中流過的主路徑。然而，外部編織層提供了非常曲折的洩漏路徑，這減少了密封件周圍的任何空氣洩漏。外部編織層76還提供了密封件在苛刻的發動機環境中的耐用性和耐久性。作為另選，線密封件60的第二構造可包括全鉻鎳鐵合金的金屬線編織層，而沒有上述的無定形矽石芯體或箔片編織層。
可以理解，在渦輪機工作時，密封件60產生變形，並因作用於隔塊以及葉片燕尾和葉輪凸柱的端面的密封壁部分上的離心載荷而與空腔62的其相鄰徑向向外末端處的形狀大致順應。因此，線密封件60密封了葉片冷卻空氣而避免其排入熱氣體路徑20中，並且防止熱氣體進入到冷卻空氣流動路徑中。
可以理解，上述密封裝置使得可在維修停機期間沿軸向向後方向取下一個或多個葉片。具體而言，參見圖6A-6D，葉片可通過沿向後方向的位移而從相應的葉輪上取下來，並且還可沿相反的向前方向安裝到葉輪上。葉片可通過環形固定環而在渦輪機工作期間保持成不會軸向向後運動。如圖6A-6D所示，葉輪凸柱的各向後表面具有具有徑向向內地朝向的掛鈎80(圖6B和6C)，其形成了狹縫82。類似地，葉片燕尾的各向後表面具有徑向向內地朝向的掛鈎84，其在與葉輪凸柱的掛鈎80和狹縫82相似的徑向和軸向位置處形成了相應的狹縫86。當葉片處於葉輪上的最終位置時，分別由葉輪凸柱掛鈎80和葉片燕尾掛鈎84所形成的狹縫82和86軸向地對齊，使得可以安裝環形的葉片固定環88。因此，當出於維修目的取下葉片或更換密封件60時，可將葉片固定環88向內移動，並從扣合的狹縫82和86上取下來。這就釋放了葉片，使得葉片可在軸向向後的方向上運動，以便將葉片從相關的葉輪上取下來。
在取下葉片後，就可通過葉輪的空出的燕尾槽38(圖5)來接近線密封件60，使得可在必要時或需要時取下和更換密封件60。密封件60是柔性的，並且密封件可被周向地放入到露出的密封件空腔中。然後可通過沿著燕尾槽來移動葉片的燕尾以便軸向地對齊葉片固定狹縫82和86，從而重新安裝葉片或安裝新的葉片。然後安裝葉片固定環88，以便將葉片固定成可阻止相對於相應葉輪的軸向運動。
儘管已經結合目前被視為最實用的和優選的實施例來介紹了本發明，然而可以理解，本發明並不限於所公開的這些實施例，相反，本發明旨在覆蓋包含在所附權利要求的精神和範圍內的不同修改和等效設置。
權利要求
1.一種用於渦輪機的密封組件，包括渦輪機葉輪(16)，其具有多個沿所述葉輪周邊相互間周向隔開的葉輪凸柱(36)，它們形成了多個周向隔開的大致軸向延伸的槽(38)，所述葉輪具有從其被所述槽斷開的第一表面中軸向延伸出的大致環形的凸起(49)；具有與所述中斷凸起相接合的環形臂(40)的隔塊(28)；均具有翼型(18)和基部(34)的多個渦輪機葉片(14)，所述基部設置在所述槽中，各所述基部具有徑向地疊置在所述臂上並與之徑向隔開的軸向凸起(52)；處於所述凸起的徑向內側的所述臂的環形面以及所述葉輪凸柱和所述葉片基部的軸向面，它們形成了環形空腔(62)；和設於所述空腔(62)中的密封件(60)，其可響應於在所述葉輪、葉片和隔塊旋轉時作用於所述密封件上的離心力而與大致軸向相對的所述臂的壁部分(64)以及所述葉輪凸柱和葉片基部的所述軸向面的壁部分(66，68)形成密封接合。
2.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述隔塊臂的壁部分(64)徑向向外地且軸向地朝向所述葉輪延伸，所述葉輪凸柱和所述葉片基部的所述壁部分(66，68)徑向向外地且軸向地離開所述葉輪延伸。
3.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述密封件(60)由在與所述臂的壁部分以及所述葉片基部的軸向面和所述葉輪凸柱的表面的壁部分形成密封接合時可順應著所述空腔的形狀的材料形成。
4.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述密封件(60)由金屬內芯(70)、矽石的上方編織層(72)、金屬箔片層(74)以及金屬的外部編織層(76)形成。
5.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，各所述葉片基部(34)具有燕尾構造，各所述槽(38)具有大致互補形的燕尾構造。
6.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述隔塊臂的壁部分(64)徑向向外地且軸向地朝向所述葉輪延伸，所述葉輪凸柱和所述葉片基部的所述壁部分(66，68)徑向向外地且軸向地離開所述葉輪延伸；其中所述密封件(60)由在與所述臂的壁部分以及所述葉片基部的軸向面和所述葉輪凸柱的表面的壁部分形成密封接合時可順應著所述空腔的形狀的材料形成。
7.根據權利要求6所述的組件，其特徵在於，所述密封件(60)由金屬內芯(70)、矽石的上方編織層(72)、金屬箔片層(74)以及金屬的外部編織層(76)形成；所述葉片基部具有燕尾構造，各所述槽具有大致互補形的燕尾構造。
8.根據權利要求1所述的組件，其特徵在於，所述葉輪凸柱(36)具有掛鈎(80)，其沿著與所述第一表面相對的所述葉輪的第二軸向面而形成了大致徑向延伸的狹縫(82)，所述基部具有掛鈎(84)，其沿著所述基部的端面形成了與所述葉輪凸柱的狹縫軸向對齊的大致徑向延伸的狹縫(86)，還具有環形的固定環(88)，其設置在所述對齊的掛鈎中，以便將所述葉片可釋放地固定在所述槽中，並阻止所述葉片在向後方向上相對於所述葉輪的大致軸向位移。
9.一種用於渦輪機的密封組件，包括渦輪機葉輪(16)，其具有多個圍繞所述葉輪周邊相互間周向隔開的葉輪凸柱(36)，在它們之間形成了多個周向隔開的燕尾形的槽(38)，所述葉輪(16)具有多個相互間周向隔開並從其一個表面上軸向伸出的凸起(49)，所述凸起之間的間隙與所述燕尾形槽軸向對齊；具有與所述凸起相接合的環形臂(40)的隔塊(28)；均具有翼型(18)和燕尾(34)的多個渦輪機葉片(14)，所述葉片燕尾設置在所述葉輪的燕尾形槽中，各所述葉片燕尾具有從其第一端面上軸向伸出並徑向地疊置在所述臂(40)上且與之徑向向外隔開的凸起(52)；處於所述凸起的徑向內側的所述臂的環形面以及所述葉輪凸柱和所述葉片燕尾的軸向面，它們形成了環形空腔(62)；和設於所述空腔中的密封件(60)，其可響應於在所述葉輪、葉片和隔塊旋轉時作用於所述密封件上的離心力而與大致軸向相對的所述臂的壁部分(64)以及所述葉輪凸柱的軸向面和所述葉片燕尾的端面的壁部分(66，68)形成密封接合。
10.根據權利要求9所述的組件，其特徵在於，所述隔塊臂(28)的壁部分(64)徑向向外地且軸向地朝向所述葉輪延伸，所述葉輪凸柱和所述葉片燕尾的所述壁部分(66，68)徑向向外地且軸向地離開所述葉輪延伸。
全文摘要
渦輪機葉片(14)的燕尾容納在燃氣輪機轉子的渦輪機葉輪上的周向相鄰的葉輪凸柱之間的燕尾槽(38)中。葉輪(16)和隔塊(28)相互嵌接在一起，各葉片燕尾上的軸向向前延伸的凸起(49)經底切加工，以便使葉片凸起與隔塊外緣間隔開，從而消除了隔塊作用於葉片上的應力。在隔塊(28)與葉輪凸柱和葉片燕尾的端面的徑向向外收斂的壁部分(64，66，68)之間形成了空腔(62)。環形密封線(60)可響應於渦輪機工作期間的離心力而順應著隔塊壁部分與葉輪凸柱和葉片燕尾的端面之間並實現了密封。
文檔編號F02C7/28GK1690389SQ200510067419
公開日2005年11月2日 申請日期2005年4月15日 優先權日2004年4月15日
發明者N·雷斯, K·沃爾利, R·萊屈耶 申請人:通用電氣公司