CN104727862A - 用于燃气涡轮的密封*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮的密封***。本公开涉及用于涡轮定子(49，50)和涡轮转子(47，48)之间的通路的密封***，包括：第一臂(6)，其从涡轮转子(47，48)沿径向向外且朝向布置在定子(49，50)上的第一密封件(8)延伸，并且在不到第一密封件(8)处终止，从而在第一密封件(8)和第一臂(6)之间产生第一间隙(9)。密封***进一步包括布置在涡轮定子(49，50)上的第二密封件(12)，以及第二臂(10)，所述第二臂(10)从涡轮转子(47，48)沿轴向延伸向第二密封件基部(11)，并且在不到第二密封件(12)处终止，从而在第二密封件(12)和第二臂(10)之间产生第二间隙(13)。本公开进一步涉及包括这种密封***的燃气涡轮。

Description

用于燃气涡轮的密封***
技术领域
本公开涉及位于燃气涡轮中的旋转叶片和相邻的非旋转结构之间的环形空间中的缘边密封件。另外，本公开涉及包括密封***的燃气涡轮。
背景技术
燃气涡轮典型地包括从形成定子的壳体沿径向向内延伸的多排静态涡轮导叶，以及附连到相对于涡轮定子旋转的转子组件上的多排可旋转涡轮叶片。典型地，涡轮缘边密封件密封涡轮定子和涡轮转子之间的间隙，以最大程度地减少转子组件的冷却空气的损失和减少热气吸入涡轮定子和涡轮转子之间的间隙或空间中。
在从启动到稳态负载运行的运行期间，旋转涡轮转子相对于涡轮定子的位置由于不同的构件的不同的热膨胀和作用在转子上的离心力而改变。得到的相对位移取决于转子上、相应地定子上的部件的位置。结果，缘边密封件的密封表面、相应地缘边密封件的间隙的位置在燃气涡轮的运行期间改变。因此，密封件的泄漏可在运行期间改变。泄漏的增加会降低燃气涡轮性能；具体而言可降低功率和效率，并且泄漏可对燃气涡轮的排放有有害作用。间隙宽度的减小可导致转子和定子部件之间的摩擦，并且可损害燃气涡轮。
根据US2009/0014964，已知用于涡轮定子和涡轮转子之间的相交部的密封***，以密封冷却流体。这个密封***由从涡轮定子延伸的密封件基部、臂形成，臂从涡轮转子沿径向向外且朝向密封件基部延伸，但是在不到密封件基部处终止，从而在密封件基部和臂之间产生间隙。密封***进一步包括蜂窝形密封件，其附连到密封件基部上且从密封件基部沿径向向内延伸向臂，其中外部密封表面与涡轮转子旋转所围绕的纵向轴线不平行，从而减少涡轮转子轴向移动时的间隙的距离。
发明内容
本公开的目的是提供了一种燃气涡轮的密封***，其最大程度地减少过渡和稳态运行期间的泄漏，并且避免所有运行状况的危险摩擦。另外，公开的密封***具有稳定可靠的设计，具有低复杂性，其仅需要对现有解决方案进行小的修改。
根据第一实施例，一种用于涡轮定子和涡轮转子之间的间隙或通路的密封***包括：第一密封件基部，其从涡轮定子沿径向面向内；第一密封件，其附连到第一密封件基部且从第一密封件基部沿径向向内延伸；以及第一臂(还称为翅片)，其从涡轮转子沿径向向外且朝向第一密封件延伸。第一臂在不到第一密封件处终止，从而在第一密封件和第一臂之间产生第一间隙。密封***进一步包括：第二密封件基部，其从涡轮定子沿轴向方向朝向；第二密封件，其附连到第二密封件基部且从第二密封件基部沿轴向延伸向转子；以及第二臂(还称为翅片)，其从涡轮转子沿轴向延伸向第二密封件基部。第二臂在不到第二密封件处终止，从而在第二密封件和第二臂之间产生第二间隙。密封件和臂典型地围绕转子、相应地定子的周边延伸。
根据一个实施例，第一臂、第二臂和涡轮定子区段的面向第一臂的表面和涡轮定子区段的面向第二臂的表面界定外部腔体。外部腔体与其余环形腔体被第二臂和第二密封件分开。
这个外部腔体可例如具有布置在导叶平台下面的环的形状。
外部腔体用作转子和靠近转子的缘边的非旋转部件之间的额外的腔体，以减少泄漏。其还可抑制或阻止热气吸入转子阻尼的被冷却区段中。具体而言，其有助于减少转子由于高温泄漏物进入密封***中而吸收的热。
在密封***的另一个实施例中，面向外部腔体的涡轮定子区段包括两个构件。在两个构件之间，可布置密封件或槽口，其具有预定泄漏速率，以吹扫外部腔体。在密封件或间隙的上游，可布置具有加压暖空气的气室。
两个构件可例如为成排的涡轮导叶和转子盖，转子盖使上游气室与外部腔体和在定子和第一转子之间的环形间隙分开。
根据一个实施例，第一密封件和/或第二密封件可由蜂窝材料制成。备选地或组合地，第一密封件和/或第二密封件可由可磨损的材料制成。
第一臂具有径向延伸部，以抵靠着第一密封件而密封。但是，取决于定子朝向转子的突伸物(典型地导叶平台的一部分)的尺寸，第一臂还可具有朝向定子的轴向延伸部，以桥接转子和定子之间的距离的至少一部分。为了允许容易组装且拆卸，第二臂可比第一臂沿轴向方向朝向涡轮定子延伸得更远。
根据另一个实施例，密封***包括锁定板，其附连到成排的旋转叶片上，并且第一臂和/或第二臂从锁定板延伸。
第一臂和/或第二臂还可从成排的旋转叶片延伸，旋转叶片在涡轮转子那一侧界定密封***。将臂结合到成排的旋转叶片中会减少部件的数量和避免额外的固定和接口。但是，使用锁定板可简化叶片的制造。具体而言，可沿轴向方向延伸较远的第二臂的铸造会增加铸造模具需要的尺寸，并且使铸造过程复杂化。锁定板可进一步用来减少冷却空气从相邻的叶片之间的空间泄漏到密封***的通路中。
具体而言，第一密封件基部可在涡轮导叶的平台的背离涡轮的热气路径的侧。平台表面本身可为密封件基部。取决于定子材料，定子本身可用作结合到定子部件中的密封件和密封件基部。
除了密封***，本公开的目标是包括这种密封***的燃气涡轮。这种燃气涡轮具有压缩机、燃烧室、涡轮、涡轮定子和转子。另外，燃气涡轮包括上面描述的密封***，以用于密封该燃气涡轮的涡轮定子和涡轮转子之间的通路。
根据一个实施例，燃气涡轮包括在涡轮定子和涡轮转子之间在第二臂下方沿径向向内延伸的环形腔体，并且燃气涡轮包括进入环形腔体中的吹扫空气供应。
在从启动到稳态负载运行和稳态基本负载运行的运行期间，旋转涡轮转子相对于涡轮定子的位置改变。得到的相对位移取决于转子、相应地定子上的部件的位置。为了确保密封***在所有运行状况期间的良好密封性能和确保***的机械完整性，在设计具有这种密封***的燃气涡轮时，必须考虑这样的相对位移。
在冷机状况下组装燃气涡轮，即定子和转子实际上具有环境温度，相应地具有工厂车间的温度，并且在组装期间确定初始的冷机间隙。在稳态、具体而言基本负载或满负载下的暖机运行状况下，定子和转子相对于冷机状况被加热。因为定子和转子典型地由具有不同的热膨胀系数的不同的材料制成，具有不同的几何结构和质量，并且因为部件在运行期间被加热到不同的温度，所以间隙在运行期间改变。在燃气涡轮的运行之后，当其冷却回到冷机状况时，出现另外的改变。在设计燃气涡轮期间，必须考虑热膨胀差，并且可影响热膨胀差。
根据实施例，燃气涡轮的定子和转子设计成具有热膨胀差，使得设置在第一臂和第一密封件之间的第一间隙在运行期间相对于燃气涡轮的冷机状况下的第一间隙而关闭。这可例如以在支承密封件的结构中的环区段实现，其在局部被冷却，以减少其热膨胀，或其由具有比密封***处的转子区段的热膨胀系数小的热膨胀系数的材料制成。
组合地或作为备选方案，定子和转子可设计成具有热膨胀差，使得设置在第二臂和第二密封件之间的第二间隙在运行期间相对于处于冷机状况的第二间隙而关闭。这可通过例如设计具有冷却的涡轮来实现，所述冷却在密封***的轴向位置和公共上游固定点之间在定子区段中产生比转子区段中更高的平均温升。公共上游固定点可例如为轴向轴承。
在燃气涡轮的另一个实施例中，定子和转子设计成具有热膨胀差，使得在过渡升温期间，由于定子的热膨胀比转子的热膨胀更快，第二间隙关闭到最小间隙或第二臂摩擦到第二密封件中，并且在燃气涡轮的稳态运行期间，第二间隙打开到比最小间隙更宽的间隙。为了实现这种热膨胀差，燃气涡轮可例如设计成使得在密封***的轴向位置和公共上游固定点之间与转子区段的比热传递小于在密封***的轴向位置和公共上游固定点之间与定子的比热传递；其中比热传递为与构件的热传递速率除以构件的热容量。
在燃气涡轮的又一个实施例中，定子和涡轮转子设计成具有热膨胀差，使得在过渡升温期间，由于定子的热膨胀比转子的热膨胀更快，第一间隙打开到最大间隙，并且在燃气涡轮的稳态运行期间，关闭到小于最大间隙的间隙。为了实现这种热膨胀差，燃气涡轮可例如设计成使得在密封***的轴向位置和公共上游固定点之间与转子区段的比热传递小于在密封***的轴向位置和公共上游固定点之间与定子的比热传递；其中，比热传递为与构件的热传递除以构件的热容量。
在燃气涡轮的另一个实施例中，定子和转子设计成具有热膨胀差，使得在过渡冷却期间，由于定子的热收缩比转子的热收缩更快，第一间隙关闭到最小间隙或摩擦进第一密封件。另外或备选地，定子和转子设计成具有热膨胀差，使得在燃气涡轮的过渡冷却期间，由于定子的热收缩比转子的热收缩更快，第二间隙打开到最大间隙。
另外，在设计密封***时，可考虑离心力对密封臂和密封件之间的间隙的影响。这些对于第一密封件可为特别重要的。
由于布置了两个后续密封件，这两个密封件在它们过渡行为方面是反循环的，即，当第一密封件的间隙打开时，第二密封件的间隙关闭，并且反之亦然，所以在所有运行状况期间，可确保通往热气路径的环形间隙的良好密封。
公开的密封***对燃气涡轮设计具有低水平的几何结构影响，由于其设计紧凑。所需要的部件具有较低的复杂性。叶片和导叶突伸物、相应地密封臂保持较短。在结构部件中不需要突伸物。另外，不需要为导叶几何结构设计提供额外的空间。
密封***允许燃气涡轮有良好的维护性，因为其有改进的可接近性。竖向组装/拆卸结构部件是可行的。而且，重新调节结构部件和叶片是容易的，因为其设计具有低的复杂水平(例如简单的竖向蜂窝布置)。可在拆卸导叶之后接近叶片，而不需要进一步移除定子部件。
上部密封件，即第一臂和第一密封件之间的密封件确定整体密封性能以及热气流径的总泄漏流量。下部密封件，即第二臂和第二密封件之间的密封件限定和减少来自环形腔体的泄漏。其对环腔体提供经冷却空气，以及阻止对环形腔体的任何回流。
环腔体用作缓冲腔体。其保护转子和定子，以防热气吸入。如果热气进入环腔体中，其留在那里，因为有穿过内部密封件(由第二臂和第二密封件形成)的流。另外，其防止内部泄漏物的回流，例如从具有加压暖空气的气室进入环形腔体中。典型地第二循环流出现在环形腔体中，环形腔体将空气从径向外部位置传送到环形腔体的内径。如果暖空气在靠近热气流的位置处进入环形腔体，则这可导致内转子表面的局部过热。
阐述的所有优点可不仅以各个情况下规定的组合使用，而且还可以其它组合或单独地使用，而不偏离本发明的范围。这可例如应用于单燃烧燃气涡轮，以及顺序燃烧燃气涡轮。
附图说明
下面将借助于附图，更详细地描述本公开、其特性以及其优点。参照附图：
图1示意性地显示具有公开的密封***的燃气涡轮的横截面。
图2a以处于燃气涡轮的冷机状况的密封***的侧视图显示涡轮的切口。
图2b显示图2a的切口，其具有小的修改并且进一步指示在燃气涡轮的过渡运行期间的可能摩擦且进一步指示密封臂在燃气涡轮的暖机稳态运行状况期间的稳态位置。
图2c显示在运行期间在图2a的密封***中的冷却和泄漏流。
部件列表
1叶片
2平台
3翼型件
4叶片支脚
5导叶
6第一臂
7第一密封件基部
8第一密封件
9第一间隙
10第二臂
11第二密封件基部
12第二密封件
13第二间隙
14环形腔体
15外部腔体
16冷却腔体
17定子密封件
18锁定板
19第一密封件切口
20第二密封件切口
21第一臂稳态位置
22第二臂稳态位置
23第一凹槽
24暖泄漏
25吹扫空气
26混合漩涡
27热气
28热气吸入
29转子盖
30导叶支脚
40燃气涡轮(具有顺序燃烧)
41压缩机
42高压涡轮
43低压涡轮
44第一燃烧室
45第二燃烧室
46燃料喷管
47高压涡轮转子
48低压涡轮转子
49高压涡轮定子
50低压涡轮定子
51转子
52轴线
53轴向轴承
II密封***。
具体实施方式
图1显示根据示例性实施例的燃气涡轮动力装置的主要元件的示意图。燃气涡轮40沿着机器轴线52延伸且包括：在运行期间引导和压缩燃烧空气的压缩机41、后续的第一燃烧室44、还称为高压涡轮42的布置在第一燃烧室44下游的第一涡轮、第二燃烧室45，以及还称为低压涡轮43的布置在第二燃烧室45下游的第二涡轮。从第二涡轮45排出的排气离开涡轮。在燃气涡轮40中产生的可用能量可例如借助于布置在同一轴上的发电机(未示出)转换成电能。
从涡轮43出来的热排气可通过排气管路被引导到HRSG(热回收蒸汽发生器)或废热锅炉，以便最佳地利用仍然包含在其中的能量，并且用于产生用于蒸汽涡轮(未示出)或其它装置的流通蒸汽。
转子51相对于定子49、50的轴向位置由作为固定点的轴向轴承53确定。转子51包括被高压涡轮定子49包围的高压涡轮转子47和被低压涡轮定子50包围的低压涡轮转子48。密封***II布置在高压涡轮转子47和高压涡轮定子49之间以及低压涡轮转子48和低压涡轮定子50之间的接口处。
在图2中，密封***II示意性地更详细地显示为燃气涡轮40的切口。在图2a中，显示了燃气涡轮40的冷机状况的密封***。密封***II密封延伸在涡轮定子49、50和涡轮转子47、48之间的环形腔体14的缘边。在显示的示例中，涡轮转子的径向外部端由附连到转子盘上的涡轮叶片1的支脚4形成。涡轮定子49、50的径向外部端由导叶5的导叶支脚30形成。导叶支脚30可连接到转子盖29上，转子盖29进一步在定子侧界定环形腔体。在显示的示例中，密封件17布置在导叶支脚30和转子盖29之间，其与导叶支脚30交叠且从导叶支脚30沿径向向内延伸。
导叶5包括导叶平台2，其附连到导叶支脚30上或结合到导叶支脚30中。导叶平台沿轴向方向延伸，以至少部分地界定定子49、50和转子47、48之间的环形腔体的径向外部端。导叶平台2的背离涡轮的热气路径的侧形成第一密封件基部7。第一密封件8从第一密封件基部7沿径向向内延伸。
第一臂6从转子47、48、更具体而言从叶片根部4沿径向沿朝第一密封件8的方向延伸。第一臂6在不到第一密封件8处终止，从而在第一密封件8和第一臂6之间留下第一间隙9。
在第一臂6之下，锁定板18附连到叶片支脚4上，面向环形腔体14。转子盖29的表面构造成在沿轴向与锁定板18相对的区段中，在面向环形腔体14的表面上形成第二密封件基部11。第二密封件12附连到第二密封件基部11上，并且沿朝环形腔体14的方向延伸。
第二臂10从转子47、48、更具体而言从锁定板18沿轴向方向延伸向第二密封件12。第二臂10在不到第二密封件12处终止，从而在第二密封件12和第二臂10之间留下第二间隙13。
第二密封件12和第二臂10使外部环腔体15与主要环形腔体14分开。外部腔体由第二密封件12和第二臂10沿朝向燃气涡轮的轴线的径向方向界定，在一侧由转子盖29和导叶支脚30在轴向方向上界定，并且在另一侧由具有锁定板18的叶片支脚4界定，并且在远离轴线的径向方向上由导叶平台2界定。
导叶5的翼型件3从导叶平台2延伸到涡轮的热气流路径中。叶片翼型件(未显示)从叶片支脚4，相应地从叶片平台(也未显示)延伸到热气流路径中。
图2b显示基于图2a的另一个示例。在这个示例中，没有锁定板18布置在叶片支脚上，并且第二臂10从叶片支脚4延伸到环形腔体14中。
另外，在密封件8、12中指示分别在第一、第二密封件8、12中的第一密封件切口19和第二密封件切口20。密封件切口是由于在燃气涡轮的运行期间转子47、48相对于定子49、50的过渡移动引起的。
另外，第一臂稳态位置21和第二臂稳态位置22示出为虚线。臂位置21、22的改变是由于从冷机状态到暖机状态的不同的热膨胀引起的。
图2c基于图2a。显示了分别在第一、第二密封件中的第一密封件切口和第二密封件切口。而且第一臂稳态位置和第二臂稳态位置显示为虚线。
另外，在图2c中显示了密封***II的泄漏和冷却空气流。吹扫空气25通过第二间隙13从环形腔体14引入到环腔体15的下端中，在那里，其形成第一漩涡。暖泄漏24从冷却腔体16通过定子密封件17流到环腔体15的上部区域中，从而形成第二漩涡。在第一漩涡和第二漩涡之间，形成混合漩涡26，从而在环腔体15的所有区段中产生适中的温度。混合漩涡还防止由于来自叶片的上游侧处的热气流的热气27通过第一间隙的可能的热气吸入28而产生局部过热。
所有解释的优点不仅仅限于规定的组合，而是还可以其它组合或单独地使用，而不偏离公开的范围。可以可选地设想到其它可能性，例如第一/或第二臂可从定子延伸，并且一个或两个密封件可附连到转子上。另外，转子或定子表面本身可用作密封件。另外，可设想到例如具有多个密封件或多个臂的密封***，例如两个第一臂和/或两个第二臂串联布置。

Claims (14)

1. 一种用于涡轮定子(49，50)和涡轮转子(47，48)之间的通路的密封***，包括：从所述涡轮定子(49，50)沿径向面向内的第一密封件基部(7)、附连到所述第一密封件基部(7)上且从所述第一密封件基部(7)沿径向向内延伸的第一密封件(8)、第一臂(6)，所述第一臂(6)从所述涡轮转子沿径向向外且朝向所述第一密封件(8)延伸，并且在不到所述第一密封件(8)处终止，从而在所述第一密封件(8)和所述第一臂(6)之间产生第一间隙(9)，其特征在于，所述密封***包括从所述涡轮定子(49，50)沿轴向方向朝向的第二密封件基部(11)、附连到所述第二密封件基部(11)上且从所述第二密封件基部(11)沿轴向延伸向所述转子(47，48)的第二密封件(12)，以及第二臂(10)，所述第二臂(10)从所述涡轮转子(47，48)沿轴向延伸向所述第二密封件基部(11)且在不到所述第二密封件(12)处终止，从而在所述第二密封件(12)和所述第二臂(10)之间产生第二间隙(13)。
2. 根据权利要求1所述的密封***，其特征在于，所述密封***包括外部腔体(15)，其由所述第一臂(6)和所述第二臂(10)以及所述涡轮定子(49，50)区段的面向所述第一臂(6)和第二臂(10)的表面所界定。
3. 根据权利要求2所述的密封***，其特征在于，所述涡轮定子(49，50)包括面向所述外部腔体(15)的两个构件，所述两个构件具有置于其之间的密封件(17)或槽口，所述密封件(17)或槽口具有预定泄漏速率，以便吹扫所述外部腔体(15)。
4. 根据权利要求1至3中的任一项所述的密封***，其特征在于，所述第一密封件(8)和/或所述第二密封件(12)由蜂窝材料制成或由可磨损的材料制成。
5. 根据权利要求1至4中的任一项所述的密封***，其特征在于，与所述第一臂(6)相比，所述第二臂(10)沿轴向方向朝向所述涡轮定子(49，50)延伸得更远。
6. 根据权利要求1至5中的任一项所述的密封***，其特征在于，所述密封***包括附连到成排的旋转叶片(4)上的锁定叶片(18)，并且所述第一臂(6)和所述第二臂(10)中的至少一个从所述锁定板(18)延伸。
7. 根据权利要求1至6 中的任一项所述的密封***，其特征在于，所述第一臂(9)和所述第二臂(10)中的至少一个从成排的旋转叶片(4)延伸。
8. 根据权利要求1至7 中的任一项所述的密封***，其特征在于，所述第一密封件基部(7)在涡轮导叶(5)的平台(2)的背离所述涡轮(42，43)的热气路径的一侧。
9. 一种燃气涡轮(40)，其包括压缩机(41)、燃烧室(44，45)、涡轮(42，43)、定子(49，50)和转子(47，48，51)，其特征在于，所述燃气涡轮(40)包括根据权利要求1至9中的任一项所述的密封***。
10. 根据权利要求9所述的燃气涡轮，其特征在于，所述燃气涡轮包括环形腔体(14)，其在涡轮定子(49，50)和涡轮转子(47，48)之间从所述第二臂(10)沿径向向内延伸，并且所述燃气涡轮包括进入所述环形腔体(14)中的吹扫空气供应。
11. 根据权利要求9或10所述的燃气涡轮，其特征在于，所述定子(49，50)和所述转子(47，48，51)设计成具有热膨胀差，使得设置在所述第一臂(6)和所述第一密封件(8)之间的第一间隙(9)在运行期间相对于处于所述燃气涡轮(40)的冷机状况的第一间隙(9)而关闭，并且/或者所述定子(49，50)和所述转子(47，48，51)设计成具有热膨胀差，使得设置在所述第二臂(10)和所述第二密封件(12)之间的第二间隙(13)在运行期间相对于处于冷机状况的第二间隙(13)而关闭。
12. 根据权利要求9至11中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述定子(49，50)和所述转子(47，48，51)设计成具有热膨胀差，使得在过渡升温期间，由于所述定子(49，50)的热膨胀比所述转子(51)的热膨胀的更快，所述第二间隙(13)关闭到最小间隙或摩擦到所述第二密封件(12)中，并且在所述燃气涡轮(40)的稳态运行期间，打开到比所述最小间隙更宽的间隙。
13. 根据权利要求9至12中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述定子(49，50)和所述转子(47，48，51)设计成具有热膨胀差，使得在过渡升温期间，由于所述定子(49，50)的热膨胀比所述转子(51)的热膨胀的更快，所述第一间隙(9)打开到最大间隙，并且在所述燃气涡轮(40)的稳态运行期间，关闭到比所述最大间隙更小的间隙。
14. 根据权利要求9至13中的任一项所述的燃气涡轮，其特征在于，所述定子(49，50)和所述转子(47，48，51)设计成具有热膨胀差，使得在过渡冷却期间，由于所述定子(49，50)的热收缩比所述转子(51)的热收缩的更快，第一间隙(9)关闭到最小间隙或摩擦到所述第一密封件(8)中，并且/或者所述定子(49，50)和所述转子(47，48，51)设计成具有热膨胀差，使得在所述燃气涡轮(40)的过渡冷却期间，由于所述定子(49，50)的热收缩比所述转子(51)的热收缩的更快，所述第二间隙(13)打开到最大间隙。
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