专利名称：一级喷嘴到过渡件的密封的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于涡轮机应用的密封，并且具体地涉及在燃 烧器的过渡件和涡轮^L的 一级喷嘴之间的密封。
背景技术：
在旋转机械中密封时常是必要的，特别是当两个相对可移 动的机械构件处于彼此紧密接近时。例如，在燃气涡轮机的燃烧器过 渡件和一级喷嘴之间的界面处需要密封以防止或者至少最小化燃烧 气体的泄漏。在由受让人制造的燃气涡轮机中典型地发现的管环 (can-annular)燃烧器的布置中，绕着涡轮才几的轴线把多个燃烧器布置成 环形的阵列。热燃烧气体从各燃烧器穿过各自的过渡件流入第一级喷 嘴。除了由于例如在这些部件之间的动态脉动所引起的相对运动以 外，过渡件和第 一级喷嘴由不同的材料制成并且在运行期间经受不同 的温度，由此经历不同程度的热生长。因此，过渡件和第一级喷嘴和 /或喷嘴支撑元件二者都可能相对于彼此径向地、周向地以及轴向地移 动。在过渡件和第一级喷嘴和/或喷嘴支撑元件的界面处的这种"失配" 需要有效的密封以容纳燃烧产物和跨越该界面的压力差，并且从而防 止压缩^L排气绕开燃烧器。已知的是，为了在燃烧器过渡件和第一级喷嘴或喷嘴支撑 件之间的密封而采用双重刚度的布刷式密封件(dual stiffhess cloth brush seal)。特别地，例如，通过夹紧到框架上、把材料焊接到框架上 等等，把布材料的层设置在框架中并且适当地紧固到该框架上。在把 密封支撑件安装在形成于第一级喷嘴或喷嘴支撑件中的凹槽或槽中的同时，把层的自由边缘接合在u形通道中，该u形通道绕着各过渡
件的下游端的外围延伸。在共同拥有的美国专利No.6,042，119中公开 了这种类型的布刷式密封件。然而，这种密封不是完全地有效。例如， 由于在喷嘴的压力侧和抽吸侧上变化的速度，所以一级喷嘴的内侧壁 和外侧壁没有均匀地受热。这引起密封支撑件紧固在其上的凹槽或槽 不均匀地变形。实际上，这种变形将过渡件的密封件提离了它在凹槽 或槽中的压力密封表面，导致压缩^L的排气绕过燃烧器，由此增加了 被排放到大气的NOx的水平。共同拥有的美国专利No.6,547,257通过把过渡件的密封件 与柔性弹簧密封元件相结合以试图最小化泄漏，这在过渡件和一级 喷嘴或喷嘴支撑件的界面处提供更好的泄漏控制。特别地，除过渡件的密封支撑件之外，，257专利的各柔性 弹簧密封元件均包括一般为水平的安装凸缘，该安装凸缘使得能够把 弹簧密封元件紧固在形成于第一级喷嘴中的槽中。该弹簧密封元件的 剩余部分具有S形或Z形的分支，且该密封元件的柔性自由端适合于 接合第一级喷嘴的前向面。弹簧密封元件形成有多个側向隔开、轴向 定向的槽，这些槽从自由密封边缘大致向水平安装凸缘延伸，以便弹 簧密封元件可以区别地适应或符合第一级喷嘴的前向面。为了防止通 过槽的泄漏，把大致相同的第二弹簧密封元件覆盖在第一弹簧密封元 件上，^f旦是以挤压排列的方式侧向地偏移，由此闭合在各自弹簧元件 中的槽。当把弹簧密封元件与过渡件的密封支撑件一起安装在第一级 喷嘴中的凹槽或槽中时，弹簧密封元件的自由端4氐靠一级喷嘴的前向 面弹性地压缩或偏置，产生第一密封位置。同时，密封元件的轴向压 缩还在安装凸缘上导致向下的力，^^靠第一级喷嘴中的凹槽或槽的下 表面推动过渡件的密封支撑件，产生第二密封位置。然而，，257的设计并不是没有潜在的缺陷。在这点上，弹 簧密封元件容易产生组装和操作的损坏，比如在部件的相对运动时过 度压缩而产生的损坏。此外，绕密封的无意的泄漏预计是通过后部框架孔的实际计划冷却的1.7倍。而且，后部框架焊缝可损害过渡件的 可靠性，并且根据该设计所提供的侧伊(side scoop)引起了高的热梯度， 导致可靠性风险升高。
发明内容
本发明可由过渡件的密封组件体现，该密封组件用于密封 至少一个过渡件和第一级涡轮机喷嘴之间的界面，该至少一个过渡件 在涡轮机燃烧器和第一级涡轮机喷嘴之间延伸，该密封组件包括后 部框架和至少一个弹性密封元件，该后部框架在它的第一轴向侧上具 有用于轴向地容纳过渡件的后端的至少一个轴向地突出的管形容器， 且在它的第二轴向侧上具有用于被设置成与第一级喷嘴成相对面向 关系的一般为平面的安装表面；该至少一个弹性密封元件被设置在所 述管形容器的内周向表面上，以便^皮设置在所述过渡件的后端和所述 管形容器之间。本发明也可由包括燃烧器的环形阵列的燃气涡轮机体现， 各燃烧器均具有在燃烧器和第一级涡轮机喷嘴之间延伸的过渡件，并 且其中把过渡件密封组件插在各过渡件的内面和第一级涡轮机喷嘴 之间，各过渡件密封组件均包括后部框架和至少一个弹性密封元件， 该后部框架在它的第 一轴向侧上具有用于轴向地容纳过渡件的后端 的至少一个轴向地突出的管形容器，且在它的第二轴向侧上具有用于 净皮设置成与第 一级喷嘴成相对面向关系的一般为平面的安装表面；该 至少一个弹性密封元件被设置在所述管形容器的内周向表面上，以便 被设置在所述过渡件的后端和所述管形容器之间。本发明还可由 一种方法体现，该方法控制在过渡件和第一 级涡轮机喷嘴的界面处的泄漏，其中过渡件在燃烧器和第一级涡轮枳i 喷嘴之间延伸，该方法包括a)在过渡件和第一级涡轮机喷嘴之间提 供过渡件密封组件，其中过渡件密封组件被支撑在第一级涡轮机喷嘴 的前向面上，且过渡件密封组件包括后部框架和至少一个弹性密封元件，该后部框架在它的第一轴向侧上具有用于轴向地容纳过渡件的后 端的至少一个轴向地突出的管形容器，且在它的第二轴向侧上具有用
于被设置成与第 一级喷嘴成相对面向关系的 一般为平面的安装表面； 该至少一个弹性密封元件被设置在所述管形容器的内周向表面上，和 b)把过渡件的后端插入到各所述管形容器中，以便所述密封元件被径 向地设置在所述过渡件的后端和所述管形容器之间。
结合附图，通过对本发明的当前优选示范性实施例的下列 更详细描述的仔细研究，将会更完全地理解和认识本发明这些的和其 它的目的和优点，在附图中图1是体现本发明的第一级喷嘴到过渡件的密封的示意性 截面图；图2是根据本发明的一个实施例被安装到第一级喷嘴组件
的对应部分上的后部框架段的透视图；图3是图2的显著标示区域的细节；图4是从喷嘴侧取的图2的组件的透视图；图5是后部框架段的一部分的透视图，图解了设置在其中
的密封结构；图6是图5的显著标示区域的细节；和图7是图解了在本发明的一个实施例中被组装到后部框架
段上的过渡件零件的透视图。
具体实施例方式本发明是到涡轮机热气路部件的用于燃烧的 一种密封设 计。它把燃烧过渡件连接到涡轮机的第一级喷嘴上。由于需要允许在 喷嘴和过渡件之间由于瞬时热变形而产生的相对运动，所以在该接合 处会发生明显的泄漏。该泄漏导致更高的NOx排放和从燃烧器到燃烧器的气流的变化。在一级喷嘴和过渡件之间的密封必须(l)允许冷却热气路 零件，(2)允许相对运动，(3)最小化泄漏，以及(4)从不连续的圆柱形 流(管面)到环形流(360。环面)的过渡。迄今为止，通过在燃烧器过渡件 背部上焊接的后部框架和在接合处的顶部、底部和侧部上的多个柔性 密封件，已经实现了此功能。通过使后部框架的一侧为"管形"而另一侧为"环形"， 将本发明的概念以设计功能的分离来体现。在本发明的一个实施例 中，通过使得后部框架具有符合不连续的管形几何形状的一侧和具有 符合连续的环形几何形状的另 一侧，获得了从不连续的圆柱形流(管形) 到环形流的过渡。这允许在不连续的管形区域中燃烧过渡件到后部框 架的密封对冷却、相对运行和低泄漏进行最优化。在连续的环形构造 中，后部框架到一级喷嘴的密封能够对连续环状结构中的低泄漏和冷 却进行最优化。在本发明的一个实施例中，提供到第 一级喷嘴的过渡件的 密封，与传统的密封结构相比较，其在仍然允许必要冷却的同时降低 了密封組件的复杂性和成本，并减少了泄漏量和变化。如注意到的， 在热瞬变期间在不引起泄漏/冷却变化的情况下，本发明的密封结构允 许过渡件和一级喷嘴的相对运动，并且允许有效地从不连续的圆柱形 流(管形)过渡到环形流。因此，提供根据本发明的一个实例实施例的过渡件的密封 组件，其将管形容器限定在它的一个轴向侧上，各管形容器均用于轴 向可滑动地容纳各自的过渡件。该密封组件的另一侧限定扁平的安装 表面，以抵靠涡轮机的一级喷嘴邻接并紧固。该扁平安装表面绕着由 上游侧上的管所限定的穿过密封组件的每一个开口周边地延伸，以有 效地从在该密封组件的过渡件侧上的管形构造过渡到在管状一级喷 嘴侧上的环形构造。如在图1、图2和图4中所图解的，特别地，提供后部框架10,以从过渡件12的管形构造过渡到由第一级喷嘴14所限定的环面。 在所图解的实例实施例中，后部框架包括多个后部框架段16。在所图 解的实例中，各后部框架段16均包括第一和第二C形管形零件18, 20，当该第一和第二 C形管形零件18， 20分别与下一个相邻的C形 管形零件配合时，它们限定用于容纳各自过渡件12的后端的管形容 器。绕着喷嘴14的内径限定凹槽22，该凹槽22环状地绕着涡 轮机的结构延伸。各后部框架段16均包括向下的悬垂凸缘24，该悬 垂凸缘24构造成钩到喷嘴内径的凹槽22中。由于各后部框架段16 都被钩到喷嘴内径中，因此后部框架段可以滑动以接合下一个相邻的 后部框架段。如在图3和图6中所图解的，在该实例实施例中，后部框 架段16的一个周向侧边缘在其中一个C形管形零件18的端部处包括 轴向地延伸的榫舌26,该榫舌26在后部框架IO的圆周方向上突出。 C形管形零件20中的另一个零件包括在后部框架IO的圆周方向上凹 入的轴向地延伸的凹槽28，用于容纳下一个相邻的管形零件18的榫 舌26。因此，各后部框架段16均可向左侧或右侧滑动，以把榫舌26 装配到下一个相邻的后部框架段16的凹槽28中。在该实例实施例中， 最后两个后部框架^R在两个周向侧上都具有凹槽以易于组装。在后部 框架段的管形零件的凹槽彼此朝向的情形中，提供另 一个锁定插入件 以完成組装。新的后部框架建议由不锈钢形成。如在图1和图4中所图解的，绕着喷嘴14外径将螺栓孔30 限定在间隔的位置处，用于把后部框架段的径向外部外围螺栓连接就 位。如在图2和图4中所图解的，在后部框架段中提供了用于容纳这 种螺栓的多个孔或槽32。尽管使用螺栓是牢固地固定在外环处的制造 友好的方式，但是允许如上组装并导致紧密密封的任何紧固装置和/ 或技术都将是可接受的备选方案。把弹性密封元件设置在过渡件衬里12和后部框架IO之间。根据一个实例实施例，如在图1、图5和图7中所图解的，弹性密封 元件是设置在过渡件衬里12和后部框架10之间的呼啦密封件(hula seal)34。该密封允许在第 一级喷嘴和过渡件之间的相对运动而不引起 泄漏或冷却变化。在该实例实施例中，该密封组件本质上是被焊接到 单个制造的后部框架段上的两个改进的180。呼啦密封件。如上面所提及的，，257的板簧设计易受热变形和机械变形 影响。提供在本发明的所示实例实施例中的呼啦密封件34允许轴向 的相对运动而不易受热变形或机械变形影响。如在36处把呼啦密封件焊接到后部框架的C形管形零件 18, 20上，以固定它的前端，而它的后端是自由偏转的。如所图解的， 如在38处对呼啦密封件开槽。该槽38延伸到密封材料的后端，但是 与前端隔开，以限定多个独立的弯曲部40。如在图5中所示，这些段 在拐角附近大约窄两倍，以允许弯曲变形。尽管图解了单个呼啦密封 件，但是双呼啦密封件的形式也可能是有用的。还可以理解的是，可 以使用例如刷式密封件的某些其它类型的弹性密封元件。事实上，本 发明性概念并不被限于特定类型的弹性密封元件。除了螺栓以外，用两个新密封件替换，257设计的四个组件 内部密封组件、外部密封组件和两个侧部密封组件(在，257专利中没有 示出)，这导致零件总数从大约25个减少到2个。如上面所提及的，后部框架段16钩到一级喷嘴的槽或凹槽 22中并且向前旋转以被螺栓连接到喷嘴14的凸缘上。然后，燃烧器 过渡件12如正常地轴向地滑动就位。尽管已经结合当前被认为是最可行和最优选的实施例描述 了本发明，但是可以理解的是，本发明并不限于所公开的实施例，而 是相反，本发明意在覆盖被包含在所附权利要求的精神和范围内的各 种修改和等同装置。
权利要求
1. 一种过渡件密封组件，用于密封在至少一个过渡件(12)和第一级涡轮机喷嘴(14)之间的界面，所述至少一个过渡件(12)在涡轮机燃烧器和第一级涡轮机喷嘴(14)之间延伸，所述过渡件密封组件包括后部框架(10)，所述后部框架(10)在其第一轴向侧上具有至少一个轴向地突出的管形容器(18，20)，所述管形容器(18，20)用于轴向地容纳过渡件(12)的后端，且所述后部框架(10)在其第二轴向侧上具有用来被设置成与所述第一级喷嘴(14)成相对面向关系的一般为平面的安装表面；和至少一个弹性密封元件(34)，其设置在所述管形容器(18，20)的内周向表面上，以便被设置在所述过渡件(12)的后端和所述管形容器(18，20)之间。
2. 根据权利要求1所述的过渡件密封组件，其特征在于，在穿 过所述后部框架、与所述管形容器对应的开口的周边的周围限定所述 安装表面。
3. 根据权利要求1所述的过渡件密封组件，其特征在于，所述 后部框架包括用于容纳固定装置的多个孔(32)，以把所述后部框架紧 固到所述第一级喷嘴上。
4. 根据权利要求1所述的过渡件密封组件，其特征在于，所述 后部框架包括多个后部框架段(16)，各所述后部框架段均包括第一 C 形管形零件(18)和第二 C形管形零件(20)，以便相互邻近的后部框架 段一起限定各所述管形容器。
5. 根据权利要求4所述的过渡件密封组件，其特征在于，其中 一个所述C形管形零件(20)的周向地相向的、轴向地延伸的侧边缘包 括凹槽(28),而所述C形零件(18)中的另一个C形零件(18)的周向地相 向的、轴向地延伸的侧边缘包括突起(26),该突起用于接合下一个相 邻的C形管形零件的周向地相向的、轴向地延伸的凹槽。
6. 根据权利要求4所述的过渡件密封组件，其特征在于，在喷 嘴(14)的内径周围限定凹槽(22)，以环形地绕涡轮^/L的结构延伸，并且 其中各后部框架段(16)均包括构造成钩到该喷嘴内径的所述凹槽中的 向下的悬垂凸缘(24),由此各后部框架段(16)均能够钩到该喷嘴内径的 凹槽中，然后周向地移动以接合下一个相邻的后部框架段，并且其中 所述C形管形零件(20)中的一个C形管形零件(20)的周向地相向的、 轴向地延伸的侧边缘包括凹槽(28),而所述C形零件(18)中的另 一个C 形零件(18)的周向地相向的、轴向地延伸的侧边缘包括突起(26)，该突 起(26)用于接合下一个相邻的C形管形零件的周向地相向的、轴向地 延伸的凹槽(28)。
7. 根据权利要求1所述的过渡件密封组件，其特征在于，所述 弹性密封元件包括至少一个呼啦密封件(34),其中，所述至少一个呼 啦密封件的上游端焊接(36)到所述管形容器(18， 20)上，并且其中，所 述至少一个呼啦密封件被开槽(38)，所述槽(38)与焊接的上游端隔开并 且延伸到密封材料的后端以限定多个弯曲部(40)。
8. —种包括环形阵列的燃烧器的燃气涡轮机，各燃烧器均具有 在所述燃烧器和第一级涡轮机喷嘴(14)之间延伸的过渡件(12),并且其 中，如权利要求1所要求的过渡件密封组件被插在各过渡件的内面和 第 一级涡轮机喷嘴之间。
9， 一种在过渡件和第一级涡轮4几喷嘴的界面处控制泄漏的方法， 其中，过渡件在燃烧器和第一级涡轮机喷嘴之间延伸，所述方法包括a)在所述过渡件和所述第一级涡轮机喷嘴之间提供过渡件密封 组件，其中，所述过渡件密封组件支撑在所述第一级涡轮才几喷嘴的前 向面上，且所述过渡件密封组件包括后部框架(10)和至少一个弹性密 封元件(34)，所述后部框架(10)在其第一轴向侧上具有用于轴向地容纳 过渡件(12)的后端的至少一个轴向地突出的管形容器(18， 20)，且所述 后部框架(IO)在其第二轴向侧上具有用于被设置成与所述第一级喷嘴 (14)成相对面向关系的一般为平面的安装表面；所述至少一个弹性密封元件(34)设置在所述管形容器的内周向表面上；和b)把过渡件(12)的后端插入到各所述管形容器(18，20)中，以便所 述密封元件被径向地设置在所述过渡件的后端和所述管形容器之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述后部框架包 括多个后部框架段(16),各所述后部框架段均包括第一 C形管形零件 (18)和第二 C形管形零件(20)，以便相互邻近的后部框架段一起限定 各所述管形容器，其中，在喷嘴内径的周围限定凹槽(22)，以在涡轮 机结构的周围环形地延伸，并且其中，各后部框架段均包括构造成钩 到该喷嘴内径的所述凹槽中的向下的悬垂凸缘(24),由此各后部框架 段均钩到该喷嘴内径的凹槽中，且然后周向地移动以接合下一个相邻 的后部框架段。
全文摘要
本发明公开了一级喷嘴到过渡件的密封，具体而言，涉及一种用于密封在至少一个过渡件(12)和第一级涡轮机喷嘴(14)之间的界面的过渡件密封组件，该至少一个过渡件(12)在涡轮机燃烧器和第一级涡轮机喷嘴(14)之间延伸。该密封组件包括后部框架(10)和至少一个弹性密封元件(34)，该后部框架(10)在其第一轴向侧上具有用于轴向地容纳过渡件(12)的后端的至少一个轴向地突出的管形容器(18，20)，且在其第二轴向侧上具有用来被设置成与第一级喷嘴(14)成相对面向关系的一般为平面的安装表面；该弹性密封元件(34)设置在管形容器(18，20)的内周向表面上，以便被设置在该过渡件的后端和管形容器之间。
文档编号F01D9/02GK101435345SQ20081017458
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月6日 优先权日2007年11月7日
发明者S·R·西蒙斯 申请人:通用电气公司