吸氣迷宮式密封件的製作方法

2023-06-26 17:24:26 2

專利名稱：吸氣迷宮式密封件的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及用於旋轉機械的表面密封件，且特別是吸氣或氣體 平衡表面密封件。
背景技術：
表面密封件用來減少兩個部件間縫隙的滲漏，該滲漏來自高壓區到 低壓區。這種密封件已經被用於旋轉機械，比如蒸汽渦輪和燃氣輪機。在燃氣輪機中，表面密封件用於靜止的設備間、轉子和定子部件間， 並且可以用於不同的旋轉組件間。在這些不同部件之間的縫隙或漏洩路 徑必須被密封，並且所使用的密封件需要能補償由於在工具機工作周期間 產生的差別熱量和機器構件的伸長而導致的的縫隙的各種變化。通常通過在部件之間保持順從的接觸(比如，使用刷式密封件或葉 式密封件)或者通過建立能引起壓力損失的複合漏洩路徑從而減少流動 (比如採用迷宮式密封件)來適應待密封的可變間隙。在轉動和固定部 件之間的迷宮式密封件(極端情況下間隙關閉)可以通過允許轉子迷宮 齒摩擦柔軟的定子基體("可磨損")來調節。由於起始的縫隙，並且 由於密封件與鄰接面的接觸，這些密封件中沒有 一種可以滿足所需要的 全部性能和耐久性。舉例來說，圖1圖解了燃氣輪機的一部分，該燃氣輪機包括壓縮機10的後端、擴散管12、環形燃燒室14和包括固定噴嘴18與通過汽輪 機轉子22支撐的旋轉渦輪葉片20的高壓渦輪16。壓縮機10由渦輪16 通過軸24驅動。熱氣初級流動路徑"F"和軸24之間的空間形成二次 流動路徑。因為包括最大化效率和避免磨損等種種原因，希望儘可能控 制通過二次流動路徑的滲漏。利用包括一個或多個可減少或妨礙流動的 密封件來實現這些目的。在圖示的例子中，壓縮機排氣壓力(CDP)密 封組件26設置在擴散管12的內側，該密封組件26包括具有位於固定
磨損部件32對面的多個徑向向外延伸的環狀密封齒30的旋轉部件28。 向前的外部密封件(F0S) 34設置在渦輪噴嘴18的內側，該密封件34 包括具有位於固定磨損部件40對面的多個徑向向外延伸的環狀密封齒38 的旋轉部件36。表面密封件也用於發動機的其他位置。壓縮機排氣壓力 (CDP)密封組件26和向前外部密封件(F0S) 34經過上述的擴展操作 會磨損。發明內容本發明提供了 一種具有低滲漏和高耐久性的表面密封件。可控制密 封元件間的間隙以便密封件的齒不會摩擦密封件轉子。這在發動機製造 時間以及以後的使用時間提供了有效密封。估計與現有表面密封技術相 比，其能使主密封表面的滲漏降低大約25%。根據一個方面，本發明提供的密封組件具有通常形成軸向面對的 第一主密封表面的第一環形部件；和通常形成軸向面對的第二主密封表 面的第二環形部件，該第二環形部件按軸向可動的關係安裝到密封件支 架上以便第二主密封面面對第一主密封表面布置；其中第一主密封表面 和第二主密封表面中的至少一個具有至少一個從其軸向延伸的環狀密封 齒。根據本發明的另 一方面，布置在軸線周圍用於密封組件的密封件本 體包括一環形、軸向延伸部分； 一形成主密封表面的徑向延伸部分、 並與該軸向延伸部分配合形成大致L形剖面；和至少一個從主密封表面 軸向延伸的環狀密封齒。根據本發明的另 一 方面，位於軸線周圍用於燃氣輪發動機的密封組 件包括具有軸向面對的第一主密封表面的轉子；位於該轉子附近的固 定密封件支架；在該轉子和該密封件支架之間並附著於該密封件支架的 環狀密封本體，該密封件本體相對於該密封件支架可軸向活動，環狀密 封本體包括形成面對第一主密封表面的軸向面對的第二主密封表面的基 本徑向延伸部分，以及軸向延伸部分；其中至少第一主密封表面和第二 主密封表面中的一個具有至少一個從其軸向延伸的環狀密封齒。


參照以下說明並結合附圖可以更好地理解本發明圖1是現有技術中燃氣輪發動機的一部分的示意性的側視圖；圖2是根據本發明一實施例構造的表面密封組件的示意性的側剖面圖；圖3是圖2的表面密封組件件的一部分的前視圖； 圖4是圖2的表面密封組件的一部分的放大剖面圖； 圖5是圖2的表面密封組件的一部分另 一放大剖面圖；和 圖6是另一示例性的表面密封組件的示意性的側剖面圖。
具體實施方式
參照附圖，其中所有不同的附圖中相同的附圖標記表示相同的元件。 圖2和圖3圖示了密封較高壓力P (高)區域與較低壓力P (低)區域 之間洩漏的示例性的密封組件42。在該特定例子裡，密封組件42代替 了如上所述的壓縮機排氣壓力(CDP)密封件，並配置在中心軸24 '和擴 散箱12'之間，然而，可以理解，該密封組件42的特徵可以用於需要表 面密封的任何應用中。密封組件42的基本部件包括轉子44、固定密封 件支架46和密封件本體48 (有時被稱為"滑觸頭")，全部配置在發動 機的縱軸周圍。轉子44通常是圓盤形的並且形成第一軸向面^j"的主密 封表面50。密封件支架46是不轉動的軸向延伸部件，並且形成徑向面^"的第二 封閉表面47。在圖示的例子中，其是一個360°的連續環，但是它可以 被設置為環狀結構的一段，或一系列獨立支架。其後端52具有通過一 個或多個緊固件56固定到擴散殼12'上的徑向延伸的凸緣54。其前端58 支^F義一個或多個彈簧座60。在該例子中，有五個彈簧座繞密封件支架46 的周邊等距分布；然而彈簧座60可替換地配置為連續的或分萃殳的環形 結構。最好參見圖3,彈簧座60具有大致圓柱體62和形成一對橫向延 伸的安裝吊耳63的拱形凸緣64。該彈簧座通過一個或多個緊固件65固 定到密封件支架46上。殼62包括安裝在密封件本體48的補充調準槽68 中徑向向內延伸的調準導軌66以保持所要求的相應角對準或密封件支
架46和密封件本體48的"對準"(clocking )。從而通過密封4牛支架46 支承密封件本體48以便其能軸向移動而不發生橫向移動。密封件本體48可以是連續的或分段的環形部件，並且通常具有L形 剖面，該剖面具有徑向延伸部分70和軸向延伸部分72。在彈簧座60和密封件本體48的徑向向外延伸的凸緣74之間設置多 個拉簧73。每個拉簧73的後端位於凸緣74的彈簧腔76或其他適合的 定位部件中。拉簧73用來將密封件本體48從轉子44上移開，以下將 對該功能進行更詳細的描述。如圖所示，有五個壓縮型盤簧，但是也可 以 -使用其他類型和數量的彈簧。第二密封件78 (如已知類型的活塞環)配置在凸緣74的凹槽80中， 並且密封與彈簧支座組件46的軸向面對的第二密封表面47。活塞環可 以是具有連續的(或差不多連續的)圓周密封件的已知類型密封環。當 允許密封件本體48軸向移動時，第二密封78的目的是防止通過在密封 件本體48和承受與主密封件相同壓差的密封件支架46之間通道的滲 漏。可以注意到，上述密封件和安裝結構的特有構造不是限制性的，且 為適應特殊應用而進行改變並不影響密封組件42功能。如圖4和圖5所示，密封件本體48的徑向延伸部分70形成軸向面 對的第二主密封表面82。該第二主密封表面82非常接近於轉子44設置 並且面對第一主密封表面50。通常被稱為"起動密封件"(starter seal ) 的圓周密封齒84在轉子44的外側從徑向延伸部分70的外端軸向延伸， 且在該特定例子中，是徑向向內成一定角度的。流體通道86、 87以已 知的方式按密封件本體48工作中的液體靜力平衡的要求通過徑向延伸 部分70形成(以下進行更詳細的描述)。第二主密封表面82包括通過環形槽83分開的平面內部部分82A和 外面部分82B。 外面部分82B包括至少一個和隨意多個環形、徑向間隔 分開的、軸向延伸的密封齒88，其是用來為平面徑向流形成迂迴或彎曲 的流動路線以限制乂人初級流動路線流向二次流動路線。在圖示的例子 中，兩個密封齒88A和88B具有通過環形底部凹槽90間隔開的錐形橫 斷面。如果需要，齒88也可以從二維表面伸出。還可以了解到，密封 齒的結構可以反向，即密封齒88可以替代地形成在第一主密封表面50上。第二主密封表面82的結構可以通過密封齒88的不同特徵分幾部分 定義，包括密封齒88的數目、它們在軸向的高度"H"、它們的頂部寬 度"W"、它們在橫截面上的夾角"A"、它們從軸向向內或向外被稱為傾 斜角的散度"S"(注意，在圖示的例子中該角度是非常小的)、它們的 徑向間距或節距"P"和用"L"表示的密封齒88的總的徑向範圍或長 度。以下這些尺寸只是示例性的，不作為限制齒高H大約為0.38毫 米(0. 015英寸)，齒尖角A大約為10°,傾斜角S大約為0Q到45°,頂 寬W為大約0. 13毫米(0. 005英寸)到大約0. 76毫米(0. 030英寸) 和節距P為大約1. 3毫米(0. 05英寸)到大約3.8毫米(0. 15英寸)。 為適應專門應用可以改變這些值。在圖示的例子中，第一主密封表面50具有內部部分50A和在內部部 分50A軸尚向前偏移距離"D，，(參見圖2 )的外面部分50B,距離"D" 基本上等於密封齒88的頂部到第二主密封表面82的內部部分82A的軸 向距離。採用該結構時，在第一主密封表面50的內部和外部部分50A 和50B的接合處形成阻擋徑向流動的"臺階"，並且在工作期間，密封 齒88的遠側部分軸向設置在第一主密封表面50的內部和外部部分50A 和50B之間。在工作期間，密封件本體48與轉子"結令形成密封。拉簧73支撐 密封件本體48遠離轉子44以防止當發動機停機時兩個部件發生接觸。 當發動機工作速度增加時，發動機的主、次流動通道區域中的流體壓力 上升，並且因此密封組件42承受的作用在其軸向相對表面上的升高的 壓力，其結果引起了密封件本體48向轉子44移動。通過按已知方法選 擇密封件本體48的不同部分的相對表面積，通道86、 87的數量與尺寸 和拉簧73的尺寸，可以使密封組件42在所選擇的工作條件下達到流體 靜壓力平衡。因此，第二主密封表面82從不接觸第一主密封表面50, 但是以一很小的軸向間隙工作，比如大約0. 05毫米(0. 002英寸)到大 約0. 13毫米(0. 005英寸)。吸氣密封組件42的低運行間隙結合通過密 封齒88和在第一與第二主密封表面50之間的複雜流動路徑降4氐了滲圖6圖示了另一個密封組件142,其包括轉子144、密封件支架146 和分別具有徑向與軸向延伸部分170與172的密封件本體148。該密封 組件142在結構上與已描述的密封組件相仿，但是在第一和第二主密封 表面150與182的結構方面不同。圓周起動密封件184，從徑向延伸部 分170的外端軸向延伸。按滿足密封件本體148流體靜力平tf要求的已 知方法，通過徑向延伸部分170形成流體通道186、 187。第二主密封表面182包括至少一個和隨意多個環形、徑向間隔分開 的、軸向延伸的密封齒188,其是用來在徑向形成迂迴或彎曲的流動路 線的。在圖示的例子中，三個密封齒188A、 188B和188C具有通過環形 底部凹槽190分開的錐形橫斷面。為適應關於密封組件48的上述類似方式中的專門應用，可以改變第 一和第二主密封表面150和182之間的密封件的特徵。在第一主密封表面150中形成了具有圓底的環狀密封凹槽92。在軸 線方向，對應的密封齒188C具有比密封齒188A和188B更大的高度， 並且在工作期間伸入到密封槽92中以進一步減少滲漏。這些密封組件提供迷宮式密封件的複合漏洩路徑，並且從而比平面 密封件更大地減少滲漏。然而，和可能摩擦相鄰部件的現有的迷宮式密 封技術相比，密封元件之間的間隙是可以控制的，以便密封齒不會摩擦 密封件轉子。其在發動機的製造期間和以後的使用期間都提供了有效的 密封。前述事項已經描述了表面密封部件。儘管已經描述了本發明的特有 的實施例，顯然，對本領域的技術人員來說，進行的各種改進者卩沒有脫 離本發明的精神和範圍。
權利要求
1、一種位於燃氣輪發動機的軸線周圍的密封組件，包括轉子(44)，具有軸向面對的第一主密封表面(50)；固定密封件支架(46)，位於該轉子(44)附近；環狀密封件本體(48)，附著於該密封件支架(46)上並位於該轉子(44)和該密封件支架(46)之間，該密封件本體(48)相對於該密封件支架(46)可軸向活動，該環狀密封件本體(48)包括大致徑向延伸部分，其形成面對第一主密封表面(50)的軸向面對的第二主密封表面(47)，及大致軸向延伸部分(72)；其中，至少第一主密封表面(50)和第二主密封表面(82)中所選擇的一個具有至少一個從其軸向延伸的環狀密封齒(88)。
2、 如權利要求1所述的密封組件，其中，所述密封件支架(46)形 成徑向面對的第二密封表面(47)。 -
3、 如權利要求1所述的密封組件，其中，當允許所述密封件本體(48 ) 軸向移動時，所述密封件本體(48)的軸向延伸部分支承接觸第二密封 表面(47)的第二密密封件。
4、 如權利要求1所述的密封組件，其中，至少所述密封齒(88)中 的一個具有錐形橫斷面。
5、 如權利要求1所述的密封組件，其中，第一和第二主密封表面中 的另一個在其中包括環狀密封凹槽(80)，該密封凹槽(80)位於密封 齒(88 )的對面。
6、 如權利要求1所述的密封組件，其中，第二主密封表面(47)包括大概平的內部部分(5OA );和外面部分(50B),其位於該內部部分(50A)的徑向外側並且支承所 述密封齒(88)。
7、 如權利要求1所述的密封組件，其中，第一主密封表面(50)具 有內部部分(50A)和外面部分(50B)，該外面部分在內部部分(50A) 的前方軸向偏移以便在內部部分(50A)和外部部分(50B)的接合處形 成阻擋徑向流動的臺階。
8、 如權利要求7所述的密封組件，其中，密封齒(88)中的至少一 個的遠側部分位於第一主密封表面(50)的內部部分(50A)和外面部 分(50B)之間。
9、 如權利要求1所述的密封組件，還包括/人第二主密封表面(82) 大體軸向延伸的環形起動密封件。
10、 如權利要求1所述的密封組件，還包括位於密封件本體(48) 和密封件支架(46)之間的至少一個拉簧(73)，以便推動密封件本體(48)遠離轉子(44)。
全文摘要
密封件本體(48)，包括環形的軸向延伸部分(72)；徑向延伸部分(70)，其形成主密封表面(50)，並且與軸向延伸部分(72)向配合形成一大致L形的剖面；和至少一個環形軸向延伸的密封齒(88)。
文檔編號F16J15/447GK101113677SQ20071013628
公開日2008年1月30日 申請日期2007年6月11日 優先權日2006年6月10日
發明者C·C·格林, J·C·阿爾伯斯, P·克魯金頓, W·L·赫倫 申請人:通用電氣公司