CN102144076A

CN102144076A - 燃气轮机的多个燃烧器单元的过渡管道之间的密封结构

Info

Publication number: CN102144076A
Application number: CN2009801345783A
Authority: CN
Inventors: J·M·兹博罗夫斯基; A·J·黑罗斯
Original assignee: Siemens Power Generations Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: EP2342426B1; US8142142B2; EP2342426A1; US20100061837A1; CN102144076B; WO2010027384A1

Abstract

提供了燃气轮机过渡管道设备，其包括第一和第二涡轮机过渡管道（10）和条带密封件（40a）。条带密封件（40a）可以包括密封元件（400）和弹簧结构（410）。

Description

燃气轮机的多个燃烧器单元的过渡管道之间的密封结构

技术领域

本发明涉及包括第一和第二过渡管道以及条带密封件的燃气轮机过渡管道设备。

背景技术

常规燃气涡轮发动机包括压缩机、包括多个燃烧器单元的燃烧器以及涡轮机。压缩机压缩环境空气。燃烧器单元使得压缩空气与燃料相结合并且点燃混合物从而产生限定了工作气体的燃烧产物。工作气体在多个过渡管道内部行进到涡轮机。在涡轮机内存在一系列成行的静止叶瓣和旋转叶片。旋转叶片联接到轴和盘组件。随着工作气体膨胀通过涡轮机，工作气体导致叶片且因而导致盘组件旋转。

每个过渡管道可包括大致管状主体和联接到主体出口的卡圈。过渡管道可以被定位成在圆形阵列中彼此相邻。过渡管道卡圈连接到涡轮机入口。为了性能优化，优选地仅燃烧气体进入涡轮机入口。管道可以包括例如如美国专利No.5,265,412所示的刷式密封件、例如如美国专利No.7,090,224所示的密封条或者例如如美国专利No.6,345,494所示的迷宫式密封件/曲径密封件，从而阻止或限制冷却的压缩气体进入涡轮机入口内。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供燃气轮机过渡管道设备，其包括第一和第二涡轮机过渡管道以及条带密封件。第一涡轮机过渡管道包括具有第一和第二端的大致管状第一主体以及联接到主体第二端的第一卡圈。第一卡圈具有第一上部、第一下部和第一侧部。第一侧部中的一个第一侧部可以具有第一凹陷。第二涡轮机过渡管道包括具有第三和第四端的大致管状第二主体以及联接到主体第四端的第二卡圈。第二卡圈具有第二上部、第二下部和第二侧部。第二侧部中的一个第二侧部可以具有第二凹陷。所述一个第一侧部可以定位成与所述一个第二侧部相邻，使得所述第一和第二凹陷设置成彼此相邻。第一和第二凹陷可以限定第一槽。条带密封件可以位于第一槽内并且包括密封元件和弹簧结构。弹簧结构施加轴向力于所述一个第一侧部、所述一个第二侧部和密封板。

条带密封件的外边缘可以被容纳在第一和第二凹陷内以便第一和第二凹陷将条带密封件相对于第一和第二过渡管道轴向定位。

弹簧结构可以包括具有第一长度的细长波形弹簧。细长波形弹簧可以由镍基超合金、钴基超合金或Haynes 230形成。

密封元件可以包括具有比波形弹簧的第一长度更长的第二长度的细长密封板。

密封元件还可以包括与细长密封板一体成形的保持凸片以用于接合波形弹簧并将波形弹簧保持成邻近于细长板。

细长密封板可以包含孔隙，压缩空气流动通过所述孔隙来冷却细长板。

细长板可以由例如Inconel 600系列的镍基超合金、钴基超合金、Haynes 230、Haynes 188或Hastelloy-X材料形成。

第一和第二凹陷以及/或者波形弹簧和细长密封板可以涂覆有抗磨损涂层。可替换地，第一和第二凹陷可以内衬有可消耗的磨损材料，例如布金属（clothmetal）或纤维金属材料。还可以想到的是，波形弹簧可以涂覆有硬质抗磨损涂层并且与内衬有可消耗磨损材料（例如布金属或纤维金属材料）的细长密封板相结合使用。

第一卡圈的第一上部可以具有第一上凹陷，并且第二卡圈的第二上部可以具有第二上凹陷。燃气轮机过渡管道设备还可以包括位于第一和第二上凹陷内且定位成靠近或接触条带密封件的上端的第一密封结构。可以提供紧固件来穿过第一和第二卡圈的第一和第二上部以及第一密封结构以便将第一密封结构固定到第一和第二卡圈。

第一卡圈的第一下部可以具有第一下凹陷，并且第二卡圈的第二下部可以具有第二下凹陷。燃气轮机过渡管道设备还可以包括位于第一和第二下凹陷内且接触条带密封件的下端的第二密封结构。

根据本发明的第二方面，提供燃气轮机过渡管道设备，其包括第一和第二涡轮机过渡管道和条带密封件。第一涡轮机过渡管道可以包括具有第一和第二端的大致管状第一主体以及联接到主体第二端的第一卡圈。第一卡圈可以具有第一上部、第一下部和第一侧部。第一侧部中的一个第一侧部可以具有第一凹陷。第二涡轮机过渡管道可以包括具有第三和第四端的大致管状第二主体以及联接到主体第四端的第二卡圈。第二卡圈可以具有第二上部、第二下部和第二侧部。第二侧部中的一个第二侧部可以具有第二凹陷。所述一个第一侧部可以被定位成与所述一个第二侧部相邻，使得所述第一和第二凹陷设置成彼此相邻。第一和第二凹陷可以限定第一槽。条带密封件可以位于第一槽内，并且包括波形弹簧和包含密封板的密封元件。

附图说明

图1是根据本发明构造的多个燃气轮机过渡管道设备的立体图；

图2是燃气轮机过渡管道设备的一部分的分解图；

图3是燃气轮机过渡管道设备的一部分的视图；

图4是燃气轮机过渡管道设备的一部分的立体图；

图5是沿图3中的线5-5截取的视图；

图6是沿图3中的线6-6截取的视图；

图7是沿图3中的线7-7截取的视图；

图8是本发明的条带密封件的立体图；

图9是类似于图5的视图，其示出了在限定第一卡圈第二侧部和第二卡圈第三侧部的第二和第三凹陷的内凸缘和外凸缘上设置的抗磨损涂层；以及

图10是类似于图5的视图，其示出了在限定第一卡圈第二侧部和第二卡圈第三侧部的第二和第三凹陷的内凸缘和外凸缘上设置的金属层。

具体实施方式

常规燃气涡轮发动机（未示出）包括压缩机（未示出）、包括多个燃烧器单元（未示出）的燃烧器（未示出）和涡轮机（未示出）。压缩机压缩环境空气。燃烧器单元使得压缩空气与燃料相结合并且点燃混合物从而产生限定了工作气体的燃烧产物。工作气体在多个过渡管道10内部从燃烧器单元行进到涡轮机的入口（未示出），参见图1-2。工作气体在涡轮机内膨胀并且导致联接于轴和盘组件的叶片旋转。

根据本发明，提供多个燃气轮机过渡管道设备20，每个都包括相邻成对30的过渡管道10和条带密封件40。每个燃气轮机过渡管道设备20能以相同方式被构造。因此，这里将详细描述单个燃气轮机过渡管道设备，在图中以20A被标示出。

燃气轮机过渡管道设备20A包括相邻过渡管道对30A，其包括第一过渡管道10A和第二过渡管道10B（图2中仅示出了第二过渡管道10B）。燃气轮机过渡管道设备20A还包括条带密封件40A，参见图2。

第一涡轮机过渡管道10A包括具有第一和第二端102和104的大致管状第一主体100和联接到主体第二端104的第一卡圈106。第一卡圈106可以与第一主体100一体成形或者作为被焊接于第一主体100的单独元件。第一卡圈106包括第一上部106A、第一下部106B以及第一和第二侧部106C和106D。第一侧部106C具有第一凹陷206C，并且第二侧部106D具有第二凹陷206D，参见图1、图5和图6。在所示实施例中，第一凹陷206C大致沿第一侧部106C的整个长度延伸，而第二凹陷206D大致沿第二侧部106D的整个长度延伸。第一管状主体100和第一卡圈106可以由镍基超合金（例如Inconel 617）、钴基超合金或Haynes 230形成。

第二涡轮机过渡管道10B包括具有第三和第四端112和114的大致管状第二主体110和联接到主体第四端114的第二卡圈116。第二卡圈116可以与第二主体110一体成形或者作为被焊接于第二主体110的单独元件。第二卡圈116包括第二上部116A、第二下部116B以及第三和第四侧部116C和116D。第三侧部116C具有第三凹陷216C，并且第四侧部116D具有第四凹陷216D，参见图1、图2和图4-6。第三凹陷216C可以大致沿第三侧部116C的整个长度延伸，而第四凹陷可以大致沿第四侧部116D的整个长度延伸。第二管状主体110和第二卡圈116可以由镍基超合金（例如Inconel 617）、钴基超合金或Haynes 230形成。

第一卡圈第二侧部106D定位成靠近第二卡圈第三侧部116C，参见图1、图3和图5，使得第二和第三凹陷206D和216C被定位成彼此相邻。第二和第三凹陷206D和216C在其间限定槽300，参见图5和图6。

条带密封件40A包括密封元件400和弹簧结构410。密封元件400包括细长密封板402和一体凸片404。密封板402包括L形上端402A和L形下端402B，参见图8。弹簧结构410包括具有第一长度L₁的细长波形弹簧410A，参见图8。密封板402具有比长度L₁更长的长度L₂，参见图8。波形弹簧410A被保持成经由凸片404与密封板402相邻，参见图8。因为密封板402具有比波形弹簧410A的长度L₁更长的长度L₂并且波形弹簧410A没有在弹簧的两个相对端被固定于密封板402，所以当波形弹簧在径向***到槽300内时沿轴向方向（该轴向方向由图7和图8中的箭头A标出）压缩时允许波形弹簧410A径向扩张，该径向方向由图7和图8中的箭头R标出。密封元件400可以由例如Inconel系列600材料的镍基超合金、钴基超合金、Haynes 230、Haynes 188或Hastelloy-X材料形成。弹簧结构410可以由镍基超合金、Inconel X750、钴基超合金或Haynes 230形成。

应该想到，波形弹簧410A可以在一端（例如在波形弹簧410A的下端1410A）经由点焊415（仅在图8中被示出）被固定地联接到密封板402。优选地，波形弹簧410A仅在一端被点焊到密封板402从而允许波形弹簧410A在***到槽300内期间且响应波形弹簧410A上的其他机械影响而径向运动/扩张，其中所述机械影响诸如由于燃气涡轮发动机操作期间发生的振动所导致。因为波形弹簧410A能够响应沿径向方向R作用在弹簧410A上的机械力（例如振动）相对于密封板402径向运动，所以这些机械力很少地或不引入应力到波形弹簧410A中。

如上所述，条带密封件40A被***到槽300内，该槽300是由第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的第二和第三凹陷206D和216C限定的。因此，条带密封件40A的外边缘被容纳在第二和第三凹陷206D和216C中，以便条带密封件40A相对于第一和第二过渡管道10A和10B被适当地轴向定位。当位于槽300内时，条带密封件40A用来阻挡由压缩机产生的压缩空气经过第一和第二卡圈106和116之间并且进入涡轮机入口。

波形弹簧410A的尺寸被制成使得当其位于槽300内时其施加轴向力（即向外推动）于第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的内凸缘1106D和1116C以及密封板402的内表面402C，参见图5和图8。由波形弹簧410A施加于密封板内表面402A的轴向力导致密封板402的外表面402D压抵于第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的外凸缘2106D和2116C。由波形弹簧410A产生的轴向力导致密封板402且因而导致条带密封件40A在槽300中被机械地保持就位。

在燃气涡轮发动机操作期间，第一和第二卡圈106和116随它们的温度增加可以沿周向方向运动分开，以便在它们之间的间隙可以沿周向方向增加。优选的是，波形弹簧410A和密封板402中的每一个的尺寸被制成沿周向方向延伸的宽度足够大，从而当第一和第二卡圈106和116之间沿周向方向的间隙处于最大值时允许波形弹簧410A总是保持接触于第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的内凸缘1106D和1116C并且允许密封板402的外表面402D总是接合于第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的外凸缘2106D和2116C。还应该想到的是，在环境温度下，包括L形上端和下端402A和402B的密封板402沿周向方向的宽度可以基本等于槽300沿周向方向的宽度。

细长密封板402可以包含小孔隙402E，仅在图8中示出，非常少量的压缩空气流动通过所述孔隙402E以冷却细长板402。波形弹簧410A包括居中定位的细长开口1411，压缩空气通过该开口1411穿过波形弹簧410A以便进入并穿过密封板402内的孔隙402E。穿过开口1411的压缩空气也可以接触并冷却波形弹簧410A的后表面2411的部分（所述部分与密封板402分隔开）从而进一步冷却波形弹簧410A。波形弹簧410A内的开口1411还限定波形弹簧410A的两个单独支腿，其中第一支腿被容纳在凹陷206D内并且第二支腿被容纳在凹陷216C内。当波形弹簧410A被***到槽300内时单独支腿能够单独地适应凹陷206D和216C的不同形状/尺寸。

限定第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的第二和第三凹陷206D和216C的内凸缘和外凸缘1106D、1116C、2106D和2116C可以具有硬质抗磨损涂层500，诸如例如通过空气等离子喷涂（APS）过程施加的镍-铬/铬-碳化物材料或者例如通过空气等离子喷涂（APS）过程或高速氧燃料（HVOF）过程施加的可从德克萨斯Houston的FW Gartner商业获得的T-800，从而减少条带密封件40A对于内凸缘和外凸缘1106D、1116C、2106D和2116C的磨损，参见图9。

可替换地，限定第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的第二和第三凹陷206D和216C的内凸缘和外凸缘1106D、1116C、2106D和2116C可以内衬有可磨耗金属层502，即可消耗的磨损材料，从而减少内凸缘和外凸缘1106D、1116C、2106D和2116C以及条带密封件40A的磨损。示例性金属层材料包括纤维金属和布金属层。示例性纤维金属层包括由Hastelloy-X材料、Haynes188材料或FeCrAlY材料形成的金属毡（Feltmetal）材料。由这三种材料形成的金属毡可以从佛罗里达的Deland的Technetics Corporation商业获得。示例性布金属层可以从Cleveland Wire Cloth或Unique Wire Weaving商业获得。应该想到布金属层可以由Inconel 718或Inconel X750制成。

还应该想到，与第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的内凸缘1106D和1116C接合的波形弹簧410A的表面可以涂覆有硬质抗磨损涂层，例如上面列出的硬质抗磨损涂层中的一种，与第一卡圈第二侧部106D和第二卡圈第三侧部116C的外凸缘2106D和2116C接合的密封板402的外表面402D可以涂覆有硬质抗磨损涂层，例如上面列出的硬质抗磨损涂层中的一种，或者可以内衬有上述金属层中的一种。

第一卡圈106的第一上部106A可以具有第一上凹陷1106A，并且第二卡圈116的第二上部116A可以具有第二上凹陷1116A，参见图1、图2和图6。在所示实施例中，第一密封结构600位于第一和第二上凹陷1106A和1116A内并且定位成靠近或接触密封板402的L形上端402A。紧固件602穿过第一和第二卡圈106和116的第一和第二上部106A和116A内的孔206、216（孔206、216可以具有螺纹）以及第一密封结构600的孔600A以便将第一密封结构600固定于第一和第二卡圈106和116，参见图1、图2和图4。第一密封结构600用于将条带密封件40A径向维持在槽300内。

第一卡圈106的第一下部106B具有第一下凹陷1106B，并且第二卡圈116的第二下部116B具有第二下凹陷1116B，参见图1、图2、图4和图7。第二密封结构610被定位且摩擦地保持在第一和第二下凹陷1106B和1116B内并且可以与密封板402的L形下端402B接触从而将条带密封件40A径向维持在槽300内。

在所示实施例中，在第二密封结构610位于第一和第二下凹陷1106B和1116B内之后条带密封件40A被***到槽300中。一旦条带密封件40A已经被***到槽300中，则第一密封结构600被***到第一和第二上凹陷1106A和1116A中。

还应该想到，密封板402可以被机械地固定到第一卡圈第二侧部106D或第二卡圈第三侧部116C从而减少条带密封件40A的振动。

虽然已经图示且描述了本发明的具体实施例，不过本领域技术人员可以显而易见到可以在不背离本发明精神和范围的情况下做出各种其他变化和改进。因此所附权利要求中试图涵盖落入本发明范围内的所有这样的变化和改进。

Claims

1.一种燃气轮机过渡管道设备，包括：

第一涡轮机过渡管道，其包括具有第一和第二端的大致管状第一主体以及联接到所述主体第二端的第一卡圈，所述第一卡圈具有第一上部、第一下部和第一侧部，所述第一侧部中的一个第一侧部具有第一凹陷；

第二涡轮机过渡管道，其包括具有第三和第四端的大致管状第二主体以及联接到所述主体第四端的第二卡圈，所述第二卡圈具有第二上部、第二下部和第二侧部，所述第二侧部中的一个第二侧部具有第二凹陷；

所述一个第一侧部定位成与所述一个第二侧部相邻，使得所述第一和第二凹陷设置成彼此相邻，所述第一和第二凹陷限定第一槽；以及

条带密封件，其位于所述第一槽内并且包括密封元件和弹簧结构，所述弹簧结构施加轴向力于所述一个第一侧部、所述一个第二侧部和所述密封板。

2.如权利要求1所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述条带密封件的外边缘被容纳在所述第一和第二凹陷内以便所述第一和第二凹陷将所述条带密封件相对于所述第一和第二过渡管道轴向定位。

3.如权利要求1所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述弹簧结构包括具有第一长度的细长波形弹簧。

4.如权利要求3所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述细长波形弹簧由镍基超合金形成。

5.如权利要求3所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述密封元件包括细长密封板，该细长密封板具有比所述波形弹簧的所述第一长度更长的第二长度。

6.如权利要求5所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述密封元件还包括保持凸片，所述保持凸片与所述细长密封板一体成形从而接合所述波形弹簧并将所述波形弹簧保持为邻近于所述细长板。

7.如权利要求5所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述细长密封板包含孔隙，压缩空气穿过所述孔隙来冷却所述细长板。

8.如权利要求5所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述细长板由镍基超合金形成。

9.如权利要求1所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述第一和第二凹陷涂覆有抗磨损涂层。

10.如权利要求1所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述第一和第二凹陷内衬有可消耗磨损材料。

11.如权利要求1所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述第一卡圈的所述第一上部具有第一上凹陷并且所述第二卡圈的所述第二上部具有第二上凹陷，并且还包括位于所述第一和第二上凹陷内且定位成靠近或接触所述条带密封件的上端的第一密封结构。

12.如权利要求11所述的燃气轮机过渡管道设备，还包括紧固件，其用于穿过所述第一和第二卡圈的所述第一和第二上部以及所述第一密封结构以便将所述第一密封结构固定于所述第一和第二卡圈。

13.如权利要求1所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述第一卡圈的所述第一下部具有第一下凹陷并且所述第二卡圈的所述第二下部具有第二下凹陷，并且还包括位于所述第一和第二下凹陷内且接触所述条带密封件的下端的第二密封结构。

14.一种燃气轮机过渡管道设备，包括：

条带密封件，其位于所述第一槽内并且包括波形弹簧和包含密封板的密封元件。

15.如权利要求14所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述波形弹簧由镍基超合金形成。

16.如权利要求14所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述密封元件还包括保持凸片，所述保持凸片与所述密封板一体成形从而接合所述波形弹簧并将所述波形弹簧保持成邻近于所述细长板。

17.如权利要求14所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述第一和第二凹陷涂覆有抗磨损涂层。

18.如权利要求14所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述第一和第二凹陷内衬有可消耗磨损材料。

19.如权利要求14所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述第一卡圈的所述第一上部具有第一上凹陷并且所述第二卡圈的所述第二上部具有第二上凹陷，并且还包括位于所述第一和第二上凹陷内且定位成靠近或接触所述条带密封件的上端的第一密封结构。

20.如权利要求14所述的燃气轮机过渡管道设备，其中所述第一卡圈的所述第一下部具有第一下凹陷并且所述第二卡圈的所述第二下部具有第二下凹陷，并且还包括位于所述第一和第二下凹陷内且接触所述条带密封件的下端的第二密封结构。