CN107869360B - 燃气涡轮发动机中的具有垫片基体和带有形成在其中的多个空腔的蜂窝状结构的密封件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃气涡轮发动机中的密封件，其包括垫片基体和蜂窝状结构，蜂窝状结构具有多个空腔，垫片基体和多个空腔利用增材制造形成为单个整体结构。

Description

燃气涡轮发动机中的具有垫片基体和带有形成在其中的多个 空腔的蜂窝状结构的密封件
技术领域
本发明大致涉及燃气涡轮发动机密封件，并且更具体地涉及燃气涡轮发动机中的具有垫片基体和在其中带有多个空腔的蜂窝状结构的密封件，多个空腔利用增材制造与垫片基体形成为单个整体结构(single unitary structure)。
背景技术
燃气涡轮发动机部件之间的密封槽通常具有歪斜、偏移、缺陷和/或裂纹，这可能妨碍与部件之间的刚性密封件的有效密封。薄垫片可以可变的足以在部件之间形成密封，而不考虑歪斜和偏移，只是在组装期间易于被压碎。织物密封件是柔性的并且抵抗挤压，而不能像单个垫片一样密封。作为机械地结合的垫片层的层压密封件可以提供部件之间的充分的密封，但是仍然可能在组装期间受到挤压和变形。因此，需要一种能够满足各种密封、抗挤压和灵活性要求的燃气涡轮发动机中的密封组件。
发明内容
以上全部上述需求和/或问题中的一些或全部可以通过本文公开的密封件的一些实施例得以解决。根据实施例，燃气涡轮发动机中的密封件包括垫片基体和多个邻接空腔。在有些情况下，垫片基体和多个邻接空腔利用增材制造形成为单个整体结构。
此外，本发明还提供如下技术方案：
技术方案1：一种燃气涡轮发动机中的密封件，密封件包括：
垫片基体；以及蜂窝状结构，蜂窝状结构具有与垫片基体形成为单个整体结构的多个空腔。
技术方案2：基于技术方案1的密封件，其中，垫片基体和多个空腔利用增材制造形成为单个整体结构。
技术方案3：基于技术方案1的密封件，其中，多个空腔中的每一个以不同的高度闭塞。
技术方案4：基于技术方案1的密封件，其中，多个空腔的一部分闭塞。
技术方案5：基于技术方案1的密封件，其中，多个空腔包括多个多孔空腔。
技术方案6：基于技术方案1的密封件，其中，多个空腔包括多个不同形状的多孔空腔。
技术方案7：基于技术方案1的密封件，其中，多个空腔由多个加强件、槽道、肋部、圆、正方形、椭圆形、六边形或其组合形成。
技术方案8：基于技术方案1的密封件，其中，垫片基体和多个空腔是柔性的。
技术方案9：基于技术方案1的密封件，其中，垫片基体和多个空腔是耐挤压的。
技术方案10：基于技术方案1的密封件，其中，垫片基体包括多个垫片基体，多个垫片基体各自布置在多个空腔的相邻空腔的交替端部上。
技术方案11：一种形成燃气涡轮发动机中的密封件的方法，方法包括：形成垫片基体；以及在垫片基体上形成多个空腔，多个空腔与垫片基体形成为单个整体结构。
技术方案12：基于技术方案11的方法，还包括利用增材制造将垫片基体和多个空腔形成为单个整体结构。
技术方案13：基于技术方案11的方法，还包括以不同的高度闭塞多个空腔中的每一个。
技术方案14：基于技术方案11的方法，还包括闭塞多个空腔中的一部分。
技术方案15：基于技术方案11的密封件，还包括将多个空腔形成为多孔空腔。
技术方案16：基于技术方案11的密封件，还包括使冷却剂流过多个空腔以冷却密封件。
技术方案17：一种燃气涡轮发动机中的密封件，密封件包括：
垫片基体；以及多个空腔，多个空腔与垫片基体形成为单个整体结构，其中，垫片基体和多个空腔利用增材制造形成为单个整体结构，其中，多个空腔中的每一个以不同的高度闭塞。
技术方案18：基于技术方案17的密封件，其中，多个空腔包括多个不同形状的多孔空腔。
技术方案19：基于技术方案17的密封件，其中，多个空腔由多个加强件、槽道、肋部、圆、正方形、椭圆形、六边形或其组合形成。
技术方案20：基于技术方案17的密封件，其中，垫片基体包括多个垫片基体，多个垫片基体布置在多个空腔的相邻空腔的交替端部上。
本发明的其他特征和方面对于本领域技术人员来说在参阅以下附图和详细说明的情况下将是明显的或将变得明显。全部其他特征和方面，以及其他***、方法和组件的实施例旨在包括在说明书内并且旨在落入所附权利要求的范围内。
附图说明
参照附图阐述详细说明。相同的附图标记的使用可以指示相似或相同的项目。各个实施例可以采用除附图中示出以外的元件和/或部件，并且一些元件和/或部件未必存在于各个实施例中。附图中的元件和/或部件不一定按比例绘制。在整个该说明书中，根据上下文，单数术语和复数术语可以互换地使用。
图1描绘了根据本发明的一个或多个实施例的燃气涡轮发动机。
图2描绘了根据本发明的一个或多个实施例的密封件。
图3描绘了根据本发明的一个或多个实施例的密封件。
图4描绘了根据本发明的一个或多个实施例的密封件。
具体实施方式
如下所述是可被用于在燃气涡轮发动机中的部件之间形成密封的密封件(以及密封件的单个部件)的实施例。还公开了制造和使用密封件的方法。密封件可以包括垫片基体和在其中具有多个空腔的蜂窝状结构，多个空腔与垫片基体形成为单个整体结构。例如，垫片基体和具有相邻空腔的蜂窝状结构可以利用增材制造形成为单个整体结构。示例性增材制造工艺可以包括3D打印等。直接金属激光熔融(DMLM，direct metal laser melting)是可以用于制造密封件的一个示例性制造技术。粉末熔融焊接(有时称作激光金属沉积)是可被用于形成空腔的另一个示例性制造技术。粘合剂喷射是可被用于形成空腔的另一个示例性制造技术。密封件可以是利用空腔附加地建造其上的垫片坯料(stock)的混合制造密封件。可以使用任何制造技术。在有些情况下，垫片基体和蜂窝状结构可以分别地制造并且此后相互固定。即，密封件的各个部件可以建造在各件中，并且此后通过钎焊、焊接等组装在一起。
尽管空腔可以为任何尺寸、形状或结构，但是术语“蜂窝”可被用于描述相邻的空腔结构。因此，术语“蜂窝”非旨在将空腔的形状限制为任何特定结构，比如六边形等，尽管在有些情况下空腔可以为六边形。此外，蜂窝状结构的定向以及由此形成的空腔可以相对于垫片为任何方向。
在有些情况下，空腔中的每一个可以以不同的高度闭塞(即闭合)。例如，空腔中的每一个可以以不同的交错和不均匀高度闭塞。在其他情况下，仅空腔中的一些可以闭塞。在仍然的其他情况下，全部空腔可以以相同的高度闭塞。在仍然的其他情况下，空腔中的一些可以以相同或不同的高度闭塞，而其他空腔未必闭塞。即，仅空腔的一部分可以闭塞。在有些情况下，空腔可以是多孔空腔，其中的一些或全部可以是开口(open-ended)的或闭塞的。在一些实施例中，垫片基体可以包括布置在相邻空腔的交替端部上的多个垫片基体。
如上所述，空腔包括多个不同形状的多孔空腔，不同形状的多孔空腔中的一些或全部可以是开口的或闭塞的。空腔的尺寸、形状和结构可以变化。即，空腔中的一些可以比其他更大和/或具有不同的形状。在其他情况下，空腔可以全部具有相同均匀的尺寸和/或形状。在有些情况下，空腔由多个加强件、槽道、肋部、圆、正方形、椭圆形、六边形或其组合形成。可以采用形成空腔的蜂窝的任何数量的结构。
为了便于在燃气涡轮发动机中的各个部件之间形成密封，垫片基体和空腔可以是柔性的。另外，垫片基体和空腔可以是抗挤压的。密封件的蜂窝状结构可以提供灵活性和抗压性。这样，垫片基体可以提供密封表面，同时蜂窝状结构提供沿纵向方向和扭转方向的灵活性和抗压性。可以在不损失沿纵向方向和扭转方向的灵活性的情况下增大密封件的厚度。偏置和各向异性结构可以结合到密封件内以定制密封件的密封和灵活性。在有些情况下，缩窄部(taper)可以添加至密封件的外周用于组装自动对准。另外，密封件还可以包括除垫片基体之外的顶部垫片坯料。顶部垫片坯料可以定位在空腔的与垫片基体相对面上以获得独立于组装方向的密封(例如密封件可以在任一侧向上的情况下安装)。此外，可以在密封件的非密封侧上添加用于冷却密封件的比如为槽道、孔等的冷却特征。在一个示例实施例中，冷却剂可以被提供并且流过蜂窝状结构的空腔以便冷却密封件。例如，空腔可以通过开口相互连接以允许冷却流从高压侧进入一个或多个空腔内，以及根据需要沿直线或弯曲路径从一个空腔流动至另一个空腔，以对密封件提供冷却。通过空腔的冷却流可以从密封件中的低压区域的一个或多个空腔排出。密封件能够实现燃气涡轮发动机中的泄漏流的降低并且提高发电效率。该密封件提供确保单独密封部件的决定性加载的方法。
现在参考附图，图1描绘了本文中可以使用的燃气涡轮发动机100的示意性视图。燃气涡轮发动机100可以包括压缩机102。压缩机102压缩进入空气流104。压缩机102将压缩的空气流104输送至燃烧器106。燃烧器106使压缩空气流104与压缩燃料流108混合并且点燃混合物以形成燃烧气体流110。尽管示出仅单个燃烧器106，但是燃气涡轮发动机100可以包括任何数量的燃烧器106。燃烧气体流110接着被输送至下游涡轮112。燃烧气体流110驱动涡轮112以产生机械功。在涡轮112中产生的机械功通过轴114驱动压缩机102和例如为发电机等的外部负载116。
燃气涡轮发动机100可以使用天然气、各种类型合成气和/或其他类型的燃料。燃气涡轮发动机100可以是多个不同燃气涡轮发动机中的任一种，比如为由纽约州斯克内克塔迪市的通用电气公司提供的燃气涡轮发动机等。燃气涡轮发动机100可以具有不同的结构并且可以采用其他类型的部件。在此也可以采用其他类型的燃气涡轮发动机。在此还可以一起采用多个燃气涡轮发动机、其他类型涡轮以及其他类型的发电设备。
图2描绘了密封件200。密封件200可以形成图1的燃气涡轮发动机100中的两个部件之间的密封。例如，密封件200可以形成密封件200的高压(HP)侧与低压(LP)侧之间的密封。密封件200可以包括垫片基体202。垫片基体202可以为任何尺寸、形状或结构。垫片基体202可以为金属、陶瓷或塑料。可以采用任何材料。
密封件200还可以包括蜂窝状结构的空腔204。可以采用任何数量空腔204。空腔204可以为任何尺寸、形状或结构。空腔204可以是金属、陶瓷或塑料。可以采用任何材料。空腔204可以是与垫片基体202相同或不同的材料。空腔204可以形成单个蜂窝状结构。在有些情况下，空腔中的每一个可以包括在其中形成腔室208的外壁206。外壁206可以在空腔204之间共用。垫片基体202和空腔204可以利用比如为3D打印(例如DMLM)的增材制造形成为单个整体结构。可以使用任何制造技术。
在一些实施例中，如图3中所描绘的，空腔204中的一些或全部可以以不同的高度闭塞(即闭合)。即，空腔204中的一些或全部可以包括关闭腔室208的平台210。平台210可以与垫片基体202相对地定位在腔室208内或定位在腔室208的端部。在有些情况下，空腔204中的一些或全部可以包括多个平台210。在一个实施例中，空腔204中的每一个可以以不同的交错和不均匀高度闭塞。在其他情况下，仅空腔204中的一些可以闭塞。在还有其他情况下，全部空腔204可以以相同的高度闭塞。在仍然的其他情况下，空腔204中的一些可以以相同或不同的高度闭塞，而其他空腔未必闭塞。即，仅空腔204的一部分可以闭塞。在有些情况下，空腔204可以是多孔空腔，其中的一些或全部可以是开口的或闭塞的。空腔204的尺寸、形状和结构可以改变。
在另一个示例性实施例中，如图4所描绘的，可以采用多个垫片基体212。垫片基体212可以布置在相邻空腔204的交替端部上。即，每个腔室208可以在一个端部214上闭合并且在相对的端部216上开口。开口端部216和闭合端部214可以交替。交替的垫片基体212确保密封件是柔性的。在有些情况下，一个或多个平台210可以布置在空腔204中的一些或全部的腔室208内，以闭塞空腔204中的全部或一部分。交替的垫片基体212可以提供密封件200的HP侧与LP侧之间的密封。另外，由于垫片基体212关于空腔204从一侧到另一侧交替，因此密封件200是柔性的。空腔204还确保密封件是耐挤压的。
尽管已经说明说明了本发明的具体实施例，但是许多其他变型和可替代实施例也在本发明的范围内。例如，关于特定装置或部件说明的任何功能可以通过另一个装置或部件实现。此外，虽然已经说明了具体的装置特征，但是本发明的实施例可以涉及许多其他装置特征。另外，尽管已经以特定用于结构特征和/或方法行为(methodologicalacts)的语言说明了实施例，但是可以理解的是本发明不一定受限于所说明的具体特征或行为。相反地，具体特征和作用以实施实施例的说明性形式公开。尤其是比如为“可以”、“能够”、“可能”或“可”的条件性的语言，除非相反地具体阐明，否则如上下文内所理解的大致旨在表达一些实施例可以包括一些特征、元件和/或步骤，而其他实施例未必包括。因此，这些条件性语言并非大致旨在暗示对于一个或多个实施例以任何方式需要那些特征、元件和/或步骤。

Claims (16)

1.一种燃气涡轮发动机中的密封件，所述密封件包括：
垫片基体；以及
蜂窝状结构，所述蜂窝状结构具有多个空腔，
其中，所述蜂窝状结构和所述垫片基体包括单个整体结构，
其中，所述垫片基体形成密封件且所述蜂窝状结构提供沿纵向方向和扭转方向的灵活性和抗挤压性，
其中，所述多个空腔的至少一部分由在所述多个空腔内的不同高度处与所述垫片基体相对的多个平台闭合。
2.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述垫片基体和所述多个空腔利用增材制造形成为单个整体结构。
3.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述多个空腔包括多个多孔空腔。
4.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述多个空腔包括多个不同形状的多孔空腔。
5.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述多个空腔由多个加强件、槽道、肋部、圆、正方形、椭圆形、六边形或其组合形成。
6.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述垫片基体和所述多个空腔是柔性的。
7.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述垫片基体和所述多个空腔是抗挤压的。
8.根据权利要求1所述的密封件，其中，所述垫片基体包括多个垫片基体，所述多个垫片基体各自布置在所述多个空腔的相邻空腔的交替端部上。
9.一种形成燃气涡轮发动机中的密封件的方法，所述方法包括：
形成垫片基体；
在所述垫片基体上形成多个空腔，所述多个空腔与所述垫片基体形成为单个整体结构；
利用所述垫片基体形成密封件；
利用所述多个空腔提供沿纵向方向和扭转方向的灵活性和抗挤压性；以及
由在所述多个空腔内的不同高度处与所述垫片基体相对的多个平台闭合所述多个空腔的至少一部分。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括利用增材制造将所述垫片基体和所述多个空腔形成为单个整体结构。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述多个空腔形成为多孔空腔。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括使冷却剂流过所述多个空腔以冷却所述密封件。
13.一种燃气涡轮发动机中的密封件，所述密封件包括：
垫片基体；以及
多个空腔，
其中，所述垫片基体和所述多个空腔包括单个整体结构，
其中，所述垫片基体形成密封件且所述多个空腔提供沿纵向方向和扭转方向的灵活性和抗压性，
其中，所述多个空腔的至少一部分由在所述多个空腔内的不同高度处与所述垫片基体相对的多个平台闭合。
14.根据权利要求13所述的密封件，其中，所述多个空腔包括多个不同形状的多孔空腔。
15.根据权利要求13所述的密封件，其中，所述多个空腔由多个加强件、槽道、肋部、圆、正方形、椭圆形、六边形或其组合形成。
16.根据权利要求13所述的密封件，其中，所述垫片基体包括多个垫片基体，所述多个垫片基体布置在所述多个空腔的相邻空腔的交替端部上。
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