密封組件和用於組裝渦輪的方法
2023-07-04 05:00:46 1
專利名稱：密封組件和用於組裝渦輪的方法
技術領域：
本文所公開的主題涉及渦輪。更特定而言，該主題涉及渦輪構件之間的密封件。
背景技術：
在燃氣渦輪中，燃燒器將燃料或空氣-燃料混合物的化學能轉換成熱能。熱能由流體(通常為來自壓縮機的壓縮空氣)傳送至渦輪，熱能在此轉換為機械能。壓縮機零件或構件之間的壓縮空氣的洩漏對渦輪導致減少的功率輸出和較低的效率。在燃氣渦輪的操作期間，某些構件的熱膨脹和構件之間的相對運動可導致洩漏。因此，減少構件之間的流體洩漏(例如氣體/空氣洩漏)可提高渦輪的效率和性能。可將密封件放置在渦輪構件之間以減少洩漏。密封件應當是耐久的且能夠承受高的壓力和溫度，同時還允許構件的相對運動。
發明內容
根據本發明的一個方面，一種用於組裝渦輪的方法包括:將中間層放置在第一和第二外部部件之間，其中，中間層包括材料的非連續層，並且第一外部部件和第二外部部件各自包括連續材料的部件；以及，將主接頭焊接在中間層、第一外部部件和第二外部部件之間，主接頭延伸穿過第一外部部件、中間層以及第二外部部件的至少一部分。該方法還包括將次級接頭焊接在中間層和第一外部部件之間，次級接頭延伸穿過第一外部部件以及中間層的至少一部分。根據本發明的另一方面，一種密封組件包括毛刷層、設置在毛刷層的第一側上的第一板以及聯接毛刷層和第一板的主接頭，其中，主接頭通過電子束焊接形成。該組件還包括聯接該層和第一板的次級接頭，其中，次級接頭由焊縫形成，該焊縫與主接頭的至少一部分重疊並去除主接頭中的結構缺陷。從結合附圖的以下描述，這些和其它的優點和特徵將變得更加顯而易見。
被視為本發明的主題在本說明書的結論處的權利要求中特別指出並清楚地要求保護。從結合附圖的以下詳細描述，本發明的前述及其它的特徵和優點是顯而易見的，在附圖中:
圖1是包括燃燒器、燃料噴嘴、壓縮機和渦輪的渦輪發動機的一實施例的示意 圖2是密封組件的一實施例的側視 圖3是顯示在組裝過程的第一階段中的圖2的密封組件的詳細的剖面側視圖；以及 圖4是顯示在組裝過程的第二階段中的圖3的密封組件的詳細的剖面側視圖。該詳細描述參照附圖以示例的方式解釋了本發明的實施例，以及優點和特徵。附圖標記:
100渦輪系統 102壓縮機
104燃燒器
106渦輪
108軸
110噴嘴
112燃料供應
200密封組件
202轉子
204定子
206軸線
208第一板
210第二板
212毛刷層
214刷毛
216聯接件
218流體
220熱氣體
300主接頭
302裂紋(結構缺陷)
304界面
306裂紋(結構缺陷)
308界面
400次級接頭
402第三級接頭。
具體實施例方式圖1是渦輪系統100 (例如燃氣渦輪)的一實施例的示意圖。該系統100包括壓縮機102、燃燒器104、渦輪106、軸108和燃料噴嘴110。在一實施例中，系統100可包括多個壓縮機102、燃燒器104、渦輪106、軸108和燃料噴嘴110。壓縮機102和渦輪106由軸108聯接。軸108可為單根軸或聯接在一起而形成軸108的多個軸段。在一方面，燃燒器104使用液體和/或氣體燃料(例如天然氣或富氫合成氣體)來運行發動機。例如，燃料噴嘴110與空氣供應和燃料供應112流體連通。燃料噴嘴110形成空氣-燃料混合物且將該空氣-燃料混合物排出到燃燒器104中，由此導致燃燒，該燃燒將加壓氣體加熱。燃燒器104引導熱的加壓排氣穿過過渡件進入渦輪噴嘴(或「第一級噴嘴」)中且然後到渦輪動葉中，從而導致渦輪106旋轉。渦輪106的旋轉導致軸108旋轉，由此在空氣流入壓縮機102中時壓縮空氣。渦輪構件或零件由密封件或密封組件接合，該密封件或密封組件配置成允許零件的熱膨脹和相對運動，同時在氣體/空氣流過渦輪106時防止該氣體/空氣的洩漏。具體而言，減少壓縮機中的構件之間的壓縮氣流的洩漏增加了沿期望路徑的熱氣流體積，從而使得能夠從更多的熱氣體獲取功，引起提高的渦輪效率。下面參照圖2至圖4詳細論述用於放置在壓縮機零件之間的密封組件。如本文中使用的，「下遊」和「上遊」為表示相對於通過渦輪的工作流體流的方向的用語。因此，用語「下遊」指大體上對應於工作流體流的方向的方向，而用語「上遊」大體上指與工作流體流的方向相反的方向。用語「徑向」指垂直於軸線或中心線的運動或位置。可能有用的是描述關於軸線處於不同徑向位置的零件。在這種情況下，如果第一構件比第二構件更靠近軸線，則可在本文中陳述為，第一構件在第二構件的「徑向向內」。在另一方面，如果第一構件比第二構件更遠離軸線，則可在本文中陳述為，第一構件在第二構件的「徑向向外」或「外部」。用語「軸向」指平行於軸線的運動或位置。最後，用語「周向」指圍繞軸線的運動或位置。雖然下面的論述主要關注於燃氣渦輪，但是，所論述的概念不限於燃氣渦輪，並且可適用於任何合適的機械，包括蒸汽渦輪。因此，本文的論述針對燃氣渦輪實施例，但可適用於其它渦輪系統。圖2是一系統(例如渦輪系統100)中的密封組件200的一實施例的側視圖。密封組件200減少或限制旋轉構件和非旋轉構件(例如轉子202和定子204)之間的流體流。轉子202和定子204是圍繞渦輪軸線206設置的構件。密封組件200包括第一板208和第二板210 (也被稱為「外部部件」)，在板之間設置有毛刷層212 (也被稱為「中間層」)。在一實施例中，密封組件200經由從第一板208延伸到定子204中的聯接件216聯接至定子204。毛刷層212包括一個或更多柔性部件，例如刷毛214，其布置成減少跨過毛刷層212的流。例如，毛刷層212提供對於跨過毛刷層212的流體218 (例如冷空氣)的流的限制或屏障。在一方面，毛刷層212基本是柔性的，以允許對於彼此相對移動的構件(例如旋轉的轉子202和非旋轉的定子204)的密封。毛刷層212的柔性還允許由各種因素(例如機械振動和熱膨脹)導致的零件的相對運動。此外，毛刷層212配置成減少或限制跨過毛刷層212的熱氣體220的洩漏，從而使得能夠從熱氣體220獲取更多功。此外，通過減少到熱氣體220中的流體218的流而維持熱氣體220的溫度，從而也允許通過渦輪獲取更多功。如下面論述的，示例性密封組件200使用電子束(EB)焊接工藝組裝，以形成聯接或連接第一板208、第二板210和毛刷層212的多個接頭。在實施例中，焊接形成沿著渦輪周向延伸的接頭，並以夾心方式將毛刷層212聯接至第一板208和第二板210。圖3是密封組件200的詳細的剖面側視圖。該實施例示出處於組裝過程的選定階段的密封組件200。密封組件200包括設置在第一板208和第二板210之間的毛刷層212。主接頭300形成於毛刷層212、第一板208和第二板210之間。主接頭300可通過任何合適工藝(例如EB焊接工藝)形成。EB焊接工藝形成橫向穿過毛刷層212和板208及210的主接頭300，從而形成將零件聯接在一起以放置在渦輪組件中的釘形或子彈形截面的接頭。主接頭300配置成承受渦輪內高的溫度和壓力，從而提供渦輪區域之間洩漏和流體流的減少。在一實施例中，一個或更多結構缺陷(例如裂紋302和306)可在主接頭300的焊接期間形成。裂紋302和306形成於毛刷層212和第一板208之間，分別靠近界面304和308。裂紋302和306可由於各種因素形成。在一個實施例中，裂紋302和306由於從第一板208中的連續部件到毛刷層212中材料的非連續層的過渡而形成。示例性第一板208被描述為連續部件，因為該板是基本上實心或連續的耐久材料(例如鋼合金或不鏽鋼)的部件。毛刷層212被描述為非連續的，由於該層由相鄰的刷毛214形成，刷毛214在刷毛或刷毛線之間具有間距，由此導致該層為非連續的。刷毛214可具有任何合適的截面形狀，例如圓形、六邊形和/或任何合適的多邊形。示例性刷毛214由合適耐久的耐磨材料(例如鈷基合金、鎳、不鏽鋼或氮強化不鏽鋼)製成。在一實施例中，第一板208(不鏽鋼)和刷部件212 (鈷基合金)的不同材料可在主接頭300的形成期間導致裂紋302和306的發展。圖4是圖3中所示的階段之後的密封組件200的詳細的剖面側視圖。如圖所示，次級接頭400和第三級接頭402形成於密封組件200中。可使用合適的工藝(例如EB焊接)形成次級接頭400和第三級接頭402。次級接頭400和第三級接頭402聯接或接合第一板208和毛刷層212。在一實施例中，次級接頭400和第三級接頭402與主接頭300的一部分相鄰並與其重疊。次級接頭400和第三級接頭402鄰近主接頭300設置且「癒合」或去除裂紋302和306。在一實施例中，在EB焊接工藝期間，以與用於形成主接頭300相比更低的熱輸入和接頭上對應的更低應力來形成次級接頭400和第三級接頭402。在另一實施例中，主接頭300、次級接頭400和第三級接頭402通過雷射焊接工藝形成。因此，在一示例中，所示的工藝和組件可通過雷射焊接而不是本文所論述的EB焊接來形成。由於與主接頭300相比第一板208和刷部件212之間不同和更低的稀釋水平，次級接頭400和第三級接頭402各自在接頭中提供良性的微結構。在一方面，主接頭300穿透第一板208、刷部件212的整個厚度以及第二板210的一部分。在EB焊接主接頭300的第一道次(pass)期間，刷毛材料(例如鈷基合金)熔化並與板208和210的鋼合金材料混合。在實施例中，刷毛材料與板的鋼合金的混合形成容易開裂的化學性質。因此，在一實施例中，當做出電子束焊接道次以形成次級接頭400和第三級接頭402時，接頭僅僅穿透第一板208以及刷部件212的一部分，從而導致接頭400和402中刷毛材料的減少的量。結果，在一實施例中，次級接頭400和第三級接頭402的的化學性質和微結構較不容易開裂。在另一實施例中，次級接頭400和第三級接頭402各自可延伸穿過第一板208、毛刷層212以及第二板210的至少一部分。此外，在一個實施例中，次級接頭400和第三級接頭402可延伸與主接頭300進入第二板中相同的距離。次級接頭400和第三級接頭402的添加還降低了接頭處的應力，同時改進了化學性質以減少結構缺陷的形成。在實施例中，次級接頭400和第三級接頭402分別癒合一個或更多裂紋302和306，這些裂紋在對主接頭300的焊接道次期間形成。因此，所得到的主接頭300、次級接頭400和第三級接頭402被增強以使密封組件200能夠承受極端的溫度和磨損。在實施例中，可在密封組件200中形成單個次級接頭400以癒合主接頭300並提供改進的耐久性。例如，次級接頭400形成於主接頭300的更有可能由於應用特定因素(例如裝夾和/或組件構造)形成裂紋的一側上。該示例性組件和方法可被用來將連續部件聯接或組裝至用於機械或設備中的非連續層或部件，其中，所示方法和組件提供癒合的接頭以將非連續層聯接至連續部件。雖然結合僅僅有限數量的實施例詳細描述了本發明，但是應當容易理解，本發明並不限於此類公開的實施例。而是，本發明可被修改以包括迄今尚未描述但與本發明的精神和範圍相稱的任意數目的變型、改變、替換或等同布置。另外，雖然已經描述了本發明的各種實施例，但是應當理解，本發明的方面可包括所描述實施例中的僅僅一些。因此，本發明不被視為由前面的描述限制，而是僅由所附權利要求的範圍限制。
權利要求
1.一種用於組裝渦輪的方法，所述方法包括: 將中間層放置在第一外部部件和第二外部部件之間，其中，所述中間層包括材料的非連續層，並且所述第一和第二外部部件各自包括連續材料的部件； 將主接頭焊接在所述中間層、第一外部部件和第二外部部件之間，所述主接頭延伸穿過所述第一外部部件、所述中間層以及所述第二外部部件的至少一部分；以及 將次級接頭焊接在所述中間層和第一外部部件之間，所述次級接頭延伸穿過所述第一外部部件以及所述中間層的至少一部分。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，焊接所述主接頭包括在所述主接頭中形成裂紋，並且其中，形成所述次級接頭去除所述主接頭中的裂紋。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，焊接所述次級接頭包括將所述次級接頭形成為與所述主接頭的至少一部分重疊。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括將第三級接頭焊接在所述中間層和第一外部部件之間，所述第三級接頭延伸穿過所述第一外部部件以及所述中間層的至少一部分。
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述次級接頭和第三級接頭各自鄰近所述主接頭設置。
6.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，焊接所述主接頭包括在所述主接頭中形成裂紋，並且其中，焊接所述第三級接頭去除所述主接頭中的裂紋。
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述中間層包括形成密封部件的多個刷毛，並且其中 ，所述第一外部部件和第二外部部件各自包括板，並且其中，所述多個刷毛包括鈷基合金、鎳和不鏽鋼中的一種，並且其中，所述第一和第二外部部件的板各自包括鋼合金。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，焊接所述主接頭包括電子束焊接或雷射焊接，並且其中，焊接所述次級接頭包括電子束焊接或雷射焊接。
9.一種用於組裝渦輪的方法，所述方法包括: 將毛刷層放置在第一板和第二板之間，其中，所述層包括多個刷毛； 在所述毛刷層、第一板和第二板之間形成主接頭，其中，形成所述主接頭包括焊接以形成延伸穿過所述第一板、所述毛刷層以及所述第二板的至少一部分的主接頭；以及 在所述毛刷層和第一板之間形成次級接頭，其中，形成所述次級接頭包括焊接以形成與所述主接頭的至少一部分重疊的次級接頭，並且其中，所述次級接頭去除所述主接頭中的結構缺陷。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述結構缺陷包括裂紋。
11.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述次級接頭延伸穿過所述第一板以及所述毛刷層的至少一部分。
12.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，所述多個刷毛包括鈷基合金，並且其中，所述第一板和第二板各自包括鋼合金。
13.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，包括在所述毛刷層和第一板之間形成第三級接頭，其中，形成所述第三級接頭包括焊接以形成延伸穿過所述第一板以及所述毛刷層的至少一部分的第三級接頭。
14.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述次級接頭和第三級接頭各自鄰近所述主接頭設置。
15.根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，形成所述主接頭包括電子束焊接或雷射焊接中的一種，並且其中，形成所述次級接頭包括電子束焊接或雷射焊接。
16.一種密封組件，包括: 毛刷層； 設置在所述毛刷層的第一側上的第一板； 主接頭，所述主接頭聯接所述毛刷層和第一板，其中，所述主接頭通過焊接形成；以及 次級接頭，所述次級接頭聯接所述層和第一板，其中，所述次級接頭由焊縫形成，所述焊縫與所述主接頭的至少一部分重疊並去除所述主接頭中的結構缺陷。
17.根據權利要求16所述的密封組件，其特徵在於，包括第二板，所述第二板設置在所述毛刷層的與所述第一側相反的第二側上，其中，所述主接頭聯接所述毛刷層、第一板和第二板。
18.根據權利要求17所述的密封組件，其特徵在於，所述主接頭延伸穿過所述第一板、所述毛刷層以及所述第二板的至少一部分。
19.根據權利要求16所述的密封組件，其特徵在於，所述次級接頭延伸穿過所述第一板以及所述毛刷層的至少一部分。
20.根據權利要求16所述的密封組件，其特徵在於，所述主接頭和次級接頭各自包括電子束焊接或激 焊接中的一種。
全文摘要
本發明涉及密封組件和用於組裝渦輪的方法。根據本發明的一個方面，一種用於組裝渦輪的方法包括將中間層放置在第一和第二外部部件之間，其中，中間層包括材料的非連續層，並且第一和第二外部部件各自包括連續材料的部件；以及，將主接頭焊接在中間層、第一外部部件和第二外部部件之間，主接頭延伸穿過第一外部部件、中間層以及第二外部部件的至少一部分。該方法還包括將次級接頭焊接在中間層和第一外部部件之間，次級接頭延伸穿過第一外部部件以及中間層的至少一部分。
文檔編號B23K15/00GK103192175SQ201310001339
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月4日 優先權日2012年1月4日
發明者崔巖, W.E.阿迪斯, S.C.科蒂林加姆, 林德超, M.D.麥克, D.F.珀迪 申請人:通用電氣公司