CN103375260A - 用于燃气涡轮机防护罩固定夹的基于云母的密封件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气涡轮机、一种燃气涡轮机防护罩，以及一种使用非金属密封件对燃气涡轮机防护罩进行密封的方法。所述燃气涡轮机防护罩包括内防护罩和外防护罩。非金属密封件位于所述内防护罩与所述外防护罩之间，而防护罩固定夹对所述内防护罩和所述外防护罩施加压力。所述压力压缩所述非金属密封件，以填充所述内防护罩与所述外防护罩之间的间隙空间，从而控制流路与非流路之间的流体流。

Description

用于燃气涡轮机防护罩固定夹的基于云母的密封件

技术领域

本发明涉及燃气涡轮机部件，确切地说，涉及燃气涡轮机防护罩和相关的硬件。

背景技术

燃气涡轮发动机最好在高温下运行，从而有效地从这些气体中产生和提取能量。燃气涡轮发动机的某些部件暴露在燃烧气体的加热气流中，所述部件例如，固定的防护罩段以及它们的支撑结构。防护罩经构造可抵抗流路内的燃烧气体的温度，但是其支撑结构并非如此，并且必须受到保护从而免受加热气流的影响。为了限制高压压缩机排出空气从非流路流到流路，应在对应的防护罩段表面和它们的支撑结构表面上维持相对紧密的制造公差(tight manufacturing tolerance)。此外，在非流路与流路之间维持正压差。

相对紧密的制造公差使防护罩段与它们的支撑结构之间留有较小间隙空间或不留有间隙空间，使得热燃烧气体从流路转到非流路。这已是一种有效设计，然而，相对的紧密的制造公差难以达到并且成本高昂。此外，防护罩段与其支撑结构之间的间隙空间的宽度可以依据这些部件的波动温度进行延长和缩短。因此，需要这样一种防护罩密封件，其可降低制造防护罩部件的难度和成本，并且同时对从非流路流到流路的压缩机排出空气的流动进行最小化或者将其消除。

发明内容

下文呈现简要的发明内容，以基本理解本说明书所述的***和/或方法的一些方面。该发明内容并非本说明书所述的***和/或方法的广泛概述。该发明内容并不旨在识别关键/决定性元素或叙述此类***和/或方法的范围。它的唯一目的是以简化的形式呈现一些概念，以作为下文呈现的更详细描述的序言。

本发明的一方面提供了一种燃气涡轮机防护罩。所述燃气涡轮机防护罩包括内防护罩和外防护罩。所述燃气涡轮机防护罩进一步包括内防护罩与外防护罩之间的非金属密封件。所述燃气涡轮机防护罩还包括防护罩固定夹，所述防护罩固定夹经配置以对内防护罩和外防护罩施加压力。压力对非金属密封件进行压缩，以填充内防护罩与外防护罩之间的间隙空间，从而对流路与非流路之间的流体流进行控制。

进一步的，其中所述非金属密封件放置在所述内防护罩的环形配合表面与所述外防护罩的环形配合表面之间。

进一步的，其中所述非金属密封件进一步放置在所述内防护罩的径向配合表面与所述外防护罩的径向配合表面之间。

进一步的，其中所述非金属密封件至少部分由云母组成。

进一步的，其中所述非金属密封件包括片材。

进一步的，其中所述非金属密封件呈圆柱形弯曲并且在所述燃气涡轮机的中心线轴上同轴地居中。

进一步的，其中所述非金属密封件的存在能够在限制上使所述内防护罩上的表面的至少一个制造公差扩大。

本发明的另一方面提供了一种燃气涡轮机。所述燃气涡轮机包括至少一个涡轮级，并且至少一个涡轮级包括多个涡轮叶片。所述燃气涡轮机进一步包括内防护罩、外防护罩以及内防护罩与外防护罩之间的非金属密封件。所述燃气涡轮机还包括防护罩固定夹，所述防护罩固定夹经配置以对内防护罩和外防护罩施加压力。压力对非金属密封件进行压缩，以填充内防护罩与外防护罩之间的间隙空间，从而对流路与非流路之间的流体流进行控制。

进一步的，其中所述非金属密封件放置在所述内防护罩的环形配合表面与所述外防护罩的环形配合表面之间。

进一步的，其中所述非金属密封件进一步放置在所述内防护罩的径向配合表面与所述外防护罩的径向配合表面之间。

进一步的，其中所述非金属密封件至少部分由云母组成。

进一步的，其中所述非金属密封件包括片材。

进一步的，其中所述非金属密封件呈圆柱形弯曲并且在所述燃气涡轮机的中心线轴上同轴居中。

进一步的，其中所述非金属密封件的存在能够在限制上使所述内防护罩上的表面的至少一个制造公差扩大。

本发明的又一方面提供了一种对燃气涡轮机的防护罩部件进行密封的方法。所述燃气涡轮机包括至少一个涡轮级，并且至少一个涡轮级包括多个涡轮叶片。所述燃气涡轮机进一步包括内防护罩和外防护罩。所述方法进一步包括在内防护罩与外防护罩之间提供非金属密封件。所述方法还包括施加作用于内防护罩和外防护罩的压力来压缩非金属密封件，以填充内防护罩与外防护罩之间的间隙空间，从而对非流路与流路之间的流体流进行控制。

进一步的，其中所述非金属密封件设置在所述内防护罩和所述外防护罩的所述环形配合表面之间。

进一步的，其中所述非金属密封件至少部分由云母组成。

进一步的，其中所述非金属密封件包括片材。

进一步的，其中所述非金属密封件呈圆柱形弯曲并且在所述燃气涡轮机的中心线轴上同轴地居中。

进一步的，其中所述非金属密封件的存在能够在限制上使所述内防护罩上的表面的至少一个制造公差扩大。

附图说明

通过阅读以下说明并参考附图，本发明所涉及的领域的技术人员将易于了解本发明的上述以及其他方面。

图1为并入了本发明的防护罩密封件的实例燃气涡轮机部分的截面图；

图2为图1的实例燃气涡轮机部分的防护罩组件的一部分的放大图；

图3为沿着图2中的线3-3截取的局部截面示意图；以及

图4为对燃气涡轮机防护罩部件进行密封的实例方法的流程图。

具体实施方式

在附图中对涵盖本发明的一个或多个方面的实例实施例进行了描述和图示。这些图示的实例并非旨在限制本发明。例如，本发明的一个或多个方面可用在其他实施例中，甚至可用在其他类型的装置中。此外，本说明书中使用的某些术语仅仅是为了方便起见，而不应将其视为对本发明的限制。此外，在附图中，相同的附图标记用于表示相同的部件。

图1中大体示出了示意性呈现的实例燃气涡轮机10。应理解，图1示出了可能的结构/配置等的一个实例，并且所构思出的其他实例也涵盖于本发明的范围内。在一个具体实例中，燃气涡轮机10可以是用于推动飞机的燃气涡轮喷气式发动机。在另一个具体实例中，燃气涡轮机10可以是用来发电的工业燃气涡轮机。燃气涡轮机10可包括具有许多压缩机级的压缩机(未图示)、燃烧室(未图示)，以及设置在发动机外壳16内的涡轮部分14。如图1所示，燃气涡轮机10包括一个涡轮级的涡轮部分14，虽然不同数目的涡轮级也是可能的。图1所示的涡轮级可称为第一级。第一级可包括：第一级转子18，其具有多个周向隔开的第一级叶片20，第一级叶片20从围绕发动机的中心线轴“C”旋转的第一级盘22沿径向向外延伸；以及固定的第一级涡轮机喷嘴24，其用于将燃烧气体引导入第一级叶片20中。涡轮部分14中后续的级可包括类似的结构。这是一种简化的描述，而且应理解，传统的燃气涡轮机和实例燃气涡轮机10可具有比上述部件更多的运行部件。

燃烧气体在箭头26所示的方向上从上游燃烧室(未图示)进入涡轮部分14。燃烧气体的温度可相对较高，而且出于至少若干原因，需要将燃烧气体维持在特定的流路内。将燃烧气体维持在特定的流路内的一个原因是：提高效率，方法是确保流动的燃烧气体冲击到第一级叶片20上，从而转动涡轮轴。将燃烧气体维持在特定的流路内的另一个原因是：燃气涡轮机10外部的支撑结构可能不是设计成在燃烧气体穿过燃气涡轮机10时能够抵抗燃烧气体相对较高的温度的。

为了将燃烧气体维持在所需的流路内，将多个呈圆柱形弯曲的或弧形的第一级内防护罩30周向布置成环形阵列，从而紧密环绕第一级叶片20。内防护罩30为流过第一级转子18的热燃烧气体限定外部流路边界。因此，流路通常可描述为内防护罩30与第一级叶片20和第一级涡轮机喷嘴24的内壁之间(不包括转子叶轮空间)的体积。非流路通常可描述为内防护罩30外部的体积。第一级内防护罩30和它们的支撑硬件可称为“防护罩组件”34。应理解，第一级内防护罩30和防护罩组件34的描述同等适用于燃气涡轮机10的任何级。

图2为实例防护罩组件34的一部分的放大图。称为外防护罩36的支撑结构被安装到发动机外壳16(图1中清晰可见)，而且将第一级内防护罩30固定到发动机外壳16。外防护罩36通常是弧形的，而且具有径向延伸臂40。外防护罩36可以是单一的连续

部件，或者外防护罩36可分割成多个弧形段。弧形钩44从臂40轴向延伸。每个内防护罩30包括具有轴向延伸轨道50的弧形底座46。安装用法兰54从每个内防护罩30的轨道50向后延伸。弧形钩44的向内表面56和轨道50的向外表面58可看作环形配合表面，虽然在弧形钩44与轨道50之间可存在间隙。每个内防护罩30的轨道50位于邻近外防护罩36的弧形钩44的位置，而且由多个称为防护罩固定夹60的固定构件进行固定。

防护罩固定夹60为弧形构件而且可具有C形横截面，所述C形横截面带有与安装用法兰54和弧形钩44交迭的内臂62和外臂64。防护罩固定夹60将内防护罩30的后端抵靠外防护罩36夹紧，方法是提供施加在内防护罩30和外防护罩36上的压力。内臂62和外臂64由弧形的、径向延伸的法兰66接合。虽然防护罩固定夹60可形成单一的连续环，但是防护罩固定夹60通常经分割以形成多个防护罩固定夹60。防护罩固定夹60的分割可在燃烧气体对内防护罩30、防护罩固定夹60和外防护罩36进行加热时，调节热膨胀。通常，每个防护罩固定夹60夹紧至少一个内防护罩30。防护罩固定夹60可压入配合到确保压缩配合的位置。

如上文所述，将燃烧气体流维持在流路内通常是有利的，所述流路在由内防护罩30限定的基本为圆柱形的容积内。限制燃烧气体逸出的一种方式是在内防护罩30和外防护罩36的配合表面之间维持相对紧密的制造公差。例如，臂前表面70可按相对紧密的公差制造，从而与轨道后表面72配合，所述轨道后表面72也可按相对紧密的公差制造。臂前表面70与轨道后表面72之间的界面可称为界面D。在另一实例中，安装用法兰前表面74可按相对紧密的公差制造，从而与臂后表面76配合，所述臂后面76也可按相对紧密的公差制造。安装用法兰前表面74与臂后表面76之间的界面可称为界面E。在燃气涡轮机10运行期间，一些压缩机排气流(高压)可进入流路，方式是穿过界面D，在臂40与安装用法兰54之间流动，并且穿过界面E。界面D和界面E的相对紧密的制造公差有助于限制泄漏到流路的压缩机排气的量。在一些燃气涡轮机10应用中，界面D、界面E或这两者都可按相对紧密的公差制造，从而限制压缩机排气至流路的损失。

压缩机排气泄漏到燃气涡轮机10的流路，这可对燃气涡轮机10的性能产生若干不利的影响。流路中的燃烧气体的损失可降低燃气涡轮机10的效率。此外，如果环绕流路的腔不保持受压状态，那么燃烧气体可逸出流路，而且向外防护罩36、发动机外壳16以及可能未设计成能够承受相对较高的热量的其他部件提供不需要的热量。由界面D和E的相对紧密的制造公差产生的紧密的组件间隙有助于将泄漏最小化并且使腔保持受压状态。然而，这些相对紧密的制造公差难以达到并且成本高昂。此外，在低温(即，室温)组装条件下，这些表面之间的相对紧密的间隙会受到涡轮机部件的膨胀和收缩带来的负面影响。在正常运行期间，当达到燃气涡轮机10的运行温度时，可发生膨胀和收缩。这种膨胀和收缩使得在高温(即，涡轮机运行温度)条件下更加难以维持可接受的泄漏间隙。

非金属密封件80位于内防护罩30与外防护罩36之间。在更具体的实例中，非金属密封件80可位于内防护罩30的安装用法兰54与外防护罩36的弧形钩44的环形配合表面之间。防护罩固定夹60经配置以对内防护罩30和外防护罩36施加压力来压缩非金属密封件80，从而控制从非流路到流路的泄漏的流体流。非金属密封件80填充外防护罩36的臂40与内防护罩30的安装用法兰54之间的间隙。在一个实例中，非金属密封件80在内防护罩30与外防护罩36之间提供空气密封，以限制或消除从非流路到流路的泄漏。

在一个实例中，非金属密封件80至少部分由云母组成。云母是可用于本发明的理想材料，这是因为云母的具有一定柔韧性的物理特性和能够受到压缩的能力。至少部分由云母组成的材料也可显示出耐热性和耐化学性。此外，至少部分由云母组成的材料可随着温度上升而膨胀。当内防护罩30和外防护罩36部件随着温度变化而膨胀和收缩时，非金属密封件80也会膨胀和收缩，从而即使在间隙空间膨胀或收缩时，也倾向于填充内防护罩30与外防护罩36之间的间隙空间。至少部分由云母组成的材料的一个实例是由福来西集团有限公司(The Flexitallic Group，Inc)制造的高温固力特

在另一个实例中，非金属密封件80可包括片材。所述片材可相对平坦，而且与相对较小的厚度尺寸相比具有相对较大的宽度和长度尺寸。所述片可以是非金属材料的连续环，或者可将其分割成多个弧形段。在低温组装条件下燃气涡轮机10的组装或重建过程中，可用粘合剂将非金属密封件80的片粘合到外防护罩36。在将非金属密封件80粘合到外防护罩36之后，内防护罩30可后装载到燃气涡轮机10中。随后，可采用防护罩固定夹60来产生有效地将非金属密封件夹在外防护罩36与内防护罩30之间的压力。在另一个实例中，非金属密封件80可以呈柱形弯曲并且在燃气涡轮机10的中心线轴C上同轴地居中。图3是防护罩固定夹60、外防护罩36、非金属密封件80，以及内防护罩30的周向关系的放大图。

图3是示出防护罩固定夹60、外防护罩36、非金属密封件80，以及内防护罩30的周向关系的放大的示意性截面图。防护罩固定夹60包括内臂62和外臂64。非金属密封件80的厚度可以经选择以提供由防护罩固定夹60施加到外防护罩36和内防护罩30上的预定的夹紧力。

回到图2，虽然这不是必要的，但是使非金属密封件80位于内防护罩30与外防护罩36之间能够使内防护罩30上的表面的至少一个制造公差提高。例如，因为非金属密封件80可限制从非流路到流路的泄漏，所以外防护罩36和内防护罩30的设计可较少地依赖于界面D和E的相对紧密的制造公差，从而限制从非流路到流路的泄漏。提高制造公差的限制可降低外防护罩36和内防护罩30的制造难度和成本。应理解，可能需要对提高制造公差以降低制造难度和成本与由相对较紧密的制造公差制造的内防护罩30相对于外防护罩36的受限的运动的益处进行权衡。

图4大体描述了对燃气涡轮机的防护罩部件进行密封的实例方法。所述方法可结合图1中的实例燃气涡轮机部件来执行。所述方法包括步骤110：提供燃气涡轮机。所述燃气涡轮机包括至少一个涡轮级，并且每个涡轮级包括多个涡轮叶片、一个内防护罩和一个外防护罩。所述燃气涡轮机可以是许多市售燃气涡轮机中的一种。

所述方法还包括步骤120：在内防护罩与外防护罩之间提供非金属密封件。在所述方法的一个实例中，非金属密封件提供在内防护罩和外防护罩的环形配合表面之间。在所述方法的另一个实例中，非金属密封件至少部分由云母组成。所述非金属密封件可由片材形成。此外，所述非金属密封件可以呈柱形弯曲并且可在燃气涡轮机的中心线轴上同轴地居中。

所述方法进一步包括步骤130：施加作用于内防护罩和外防护罩上的压力来压缩非金属密封件，从而控制非流路到流路之间的流体流。在所述方法的一个实例中，压力可由防护罩固定夹提供，所述防护罩固定夹有时称为C形夹。在所述方法的一个实例中，非金属密封件的存在能够在限制上使内防护罩上的表面的至少一个制造公差扩大。

用于燃气涡轮机防护罩的所述非金属密封件和相关的使用方法提供了若干益处。与通常用于对防护罩部件的对应表面进行机器加工的相对紧密的制造公差相比，基于云母的密封件提供了相对较低成本的替代方案来防止外防护罩与内防护罩之间的压缩机排出空气的泄漏。此外，在燃气涡轮机部件加热和冷却阶段期间，非金属密封件可膨胀和收缩，从而倾向于密封外防护罩与内防护罩之间的间隙，然而在防护罩部件中引入相对紧密的制造公差的已知方法在波动的温度条件下，会产生间隙空间的变化的宽度。在外防护罩和内防护罩的水平表面之间使用非金属密封件可减少应填充的流。应填充的流是燃气涡轮机正常运行所需的冷却媒介(例如，压缩机排出空气)。此外，因为在内防护罩、外防护罩与非金属密封件之间存在有压缩配合，所以如果非金属密封件失效，那么所述非金属密封件将倾向于保持在原位上并且不会与防护罩部件分离。

本发明已参考上述实例实施例进行了描述。本领域技术人员在阅读并理解本说明书之后将会想到各种修改和改变。并入本发明的一个或多个方面的实例实施例旨在包括所有包含在所附权利要求书范围内的此类修改和改变。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮机防护罩，其包括：

内防护罩；

外防护罩；

所述内防护罩与所述外防护罩之间的非金属密封件；以及

防护罩固定夹，其经配置以在所述内防护罩和所述外防护罩上施加压力来压缩所述非金属密封件，以填充所述内防护罩与所述外防护罩之间的间隙空间，从而控制非流路与流路之间的流体流。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机防护罩，其中所述非金属密封件放置在所述内防护罩的环形配合表面与所述外防护罩的环形配合表面之间。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮机防护罩，其中所述非金属密封件进一步放置在所述内防护罩的径向配合表面与所述外防护罩的径向配合表面之间。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮机防护罩，其中所述非金属密封件至少部分由云母组成。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮机防护罩，其中所述非金属密封件包括片材。

6.根据权利要求1所述的燃气涡轮机防护罩，其中所述非金属密封件呈圆柱形弯曲并且在所述燃气涡轮机的中心线轴上同轴地居中。

7.根据权利要求1所述的燃气涡轮机防护罩，其中所述非金属密封件的存在能够在限制上使所述内防护罩上的表面的至少一个制造公差扩大。

8.一种燃气涡轮机，其包括：

至少一个涡轮级，其中至少一个涡轮级包括多个涡轮叶片；

内防护罩；

外防护罩；

所述内防护罩与所述外防护罩之间的非金属密封件；以及

防护罩固定夹，其经配置以在所述内防护罩和所述外防护罩上施加压力来压缩所述非金属密封件，以填充所述内防护罩与所述外防护罩之间的间隙空间，从而控制流路与非流路之间的流体流。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其中所述非金属密封件放置在所述内防护罩的环形配合表面与所述外防护罩的环形配合表面之间。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮机，其中所述非金属密封件进一步放置在所述内防护罩的径向配合表面与所述外防护罩的径向配合表面之间。

11.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其中所述非金属密封件至少部分由云母组成。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其中所述非金属密封件包括片材。

13.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其中所述非金属密封件呈圆柱形弯曲并且在所述燃气涡轮机的中心线轴上同轴居中。

14.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其中所述非金属密封件的存在能够在限制上使所述内防护罩上的表面的至少一个制造公差扩大。

15.一种对燃气涡轮机的防护罩部件进行密封的方法，其包括：

提供燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：

至少一个涡轮级，其中至少一个涡轮级包括多个涡轮叶片；

内防护罩；

外防护罩；

在所述内防护罩与所述外防护罩之间提供非金属密封件；以及

在所述内防护罩和所述外防护罩上施加压力来压缩所述非金属密封件，以填充所述内防护罩与所述外防护罩之间的间隙空间，从而控制非流路到流路之间的流体流。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述非金属密封件设置在所述内防护罩和所述外防护罩的所述环形配合表面之间。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述非金属密封件至少部分由云母组成。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述非金属密封件包括片材。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述非金属密封件呈圆柱形弯曲并且在所述燃气涡轮机的中心线轴上同轴地居中。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述非金属密封件的存在能够在限制上使所述内防护罩上的表面的至少一个制造公差扩大。

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