专利名称：用于带护罩的燃气涡轮机叶片的主动顶隙控制和相关方法
技术领域：
本发明涉及涡轮机密封技术，且更具体地，涉及用于带护罩的燃气涡轮机叶片或轮叶的主动顶隙控制。
背景技术：
在燃气涡轮发动机的较后级中，通常提供径向外部顶罩，其连接固定在轴向间隔开的涡轮机叶轮上的环形的一排此类叶片或轮叶的顶端，涡轮机叶轮固定在涡轮机转子上。护罩的顶部或径向外缘可设有一个或多个径向凸出的齿以加强护罩，并充当迷宫密封件，以减少工作流体在带护罩的轮叶上的泄漏。在护罩齿(或多个齿)和周围定子结构之间的间隙是必须的，以防止在瞬态期间 (例如起动和停止或其它显著的负载变化期间)的摩擦，但在正常操作状态期间应减小该间隙，以便最小化泄漏。有时定子结构携带蜂巢表面或其它耐磨表面，其忍受反复的摩擦，从而可保持更紧密的间隙。使用多个齿也是已知的，其中一些齿携带在顶罩上，并且其它齿在相对的定子表面上。还已知一旦涡轮机部件已经达到热平衡就径向向内移动定子表面以减小间隙，而在起动和停止期间则保持大的安全间隙。还有一种间隙控制系统，其涉及使转子相对于定子轴向地移动，从而调整在无护罩轮叶的相应的角度面和定子的相似的角度面之间的间隙。
发明内容
根据本发明的一个示例性的但非限制性的方面，提供了一种涡轮机轮叶顶隙控制系统，其包括转子组件和定子组件，转子组件包括转子，该转子具有多个轴向间隔开的叶轮，各个轴向间隔开的叶轮安装环形的一排轮叶，位于多个轴向间隔开的叶轮的至少其中一个叶轮上的环形的这排轮叶具有设有至少一个密封齿的径向外部顶罩；定子组件包括径向向内的轴向阶梯面，轴向阶梯面形成有由肩部连接的径向内密封面和外密封面；并且其中定子组件和转子组件可相对彼此轴向地移动，以使得能够选择性地使该至少一个密封齿移动到与径向内密封面和外密封面的其中一个密封面径向相对的位置，从而选择性地改变在该至少一个密封齿和径向向内的轴向阶梯面之间的隙距。根据另一示例性的但非限制性的方面，本发明提供了一种涡轮机轮叶顶隙控制系统，其包括转子组件和定子组件，转子组件包括转子，该转子具有多个轴向间隔开的叶轮， 各个轴向间隔开的叶轮安装环形的一排轮叶，位于多个轴向间隔开的叶轮的至少其中一个叶轮上的环形的这排轮叶具有设有至少一个密封齿的径向外部顶罩；定子组件包围了顶罩，并且形成有径向向内的密封面，该密封面包括与转子轴线基本平行的至少一个轴向定向面和至少一个连续的锐角面，其中该至少一个轴向定向面限定了最大隙距，并且所述至少一个连续的锐角面限定了小于最大隙距的一系列隙距。根据又一示例性的但非限制性的方面，本发明提供了一种在安装于涡轮机转子上的环形的一排涡轮机轮叶的顶罩和基本同心设置的涡轮机定子之间控制顶隙的方法，其中顶罩设有至少一个径向向外凸出的密封齿，并且其中定子包括径向向内的表面，该表面包括至少第一密封面和第二密封面，该第一密封面和第二密封面与该至少一个径向向外凸出的密封齿的密封边缘分别限定至少第一密封间隙和第二密封间隙，该方法包括在涡轮机的瞬时起动和停止操作期间使涡轮机转子和涡轮机定子的其中一个轴向移动，从而造成所述至少一个径向向外凸出的密封齿与第一密封面径向对齐；并且当涡轮机在基本热平衡的条件下操作时，使涡轮机转子和定子的其中一个轴向移动，从而造成径向向外凸出的密封齿与第二密封部分径向对齐。现在将结合以下标示的图纸详细地描述本发明。
图1是局部剖切的侧视图，显示了根据本发明的第一示例性实施例的轮叶顶隙构造；图2是与图1相似的侧视图，但显示一个备选的示例性实施例；图3是简化的局部侧剖面图，显示了本发明的另一示例性实施例；且图4是简化的局部侧剖面图，显示了本发明的另一示例性实施例。零部件列表10，110涡轮机转子12，112，312 定子14，114 一排叶片或轮叶16，116 顶罩18，118，218，318 密封齿19向内面向的表面20，120，220，320，420 轴向面22，122径向肩部222，322 倾斜肩部24，124，224 轴向表面26，126，226，326密封齿的外部密封边缘Cl隙距部分C2更紧密的隙距部分30，130液压装置或气动装置2 ，3 定子表面
具体实施例方式参看图1，燃气涡轮机转子10同心地定位在部分地被周围定子12所限定的涡轮机外壳部分中。转子10典型地形成有多个轴向间隔开的叶轮，各叶轮安装了环形的一排叶片或轮叶(图中以标号14显示了一个)，其基本上垂直于转子的旋转轴线(或简称“转子轴线”)而径向向外朝着定子12延伸。至少其中一个叶轮上的一排相似的轮叶中的轮叶14设有顶罩16，该顶罩16可呈两个或多个弧段的形式，各段周向地在其中两个或更多叶片或轮叶14上方延伸。各个顶罩段16均可形成有一个或多个径向向外延伸的密封齿18，密封齿 18与定子的相对表面相互作用，从而最小化跨越顶罩段和定子之间的间隙的燃烧气体的泄漏。为了方便，在认识到顶罩可如上所述由两段或多段构成的情况下，本文将只简单地提及 “顶罩”。在一个示例性的但非限制性的实施例中，定子12的径向向内的表面19包括第一轴向面20、径向肩部22和第二轴向面24。在这个实施例中，径向肩部22相对于第一和第二轴向面20，M基本定向为90度。应该懂得，轴向面20和M在顶罩和定子之间，并且更具体地说，在密封齿(或多个齿)的顶端和定子之间形成了不同的径向间隙。在此示例性实施例中，转子10和这排轮叶或叶片14可轴向移动(至左边)，如图1中的虚影所示。通过将阶梯面20和M结合在定子上，一个或多个密封齿18可在例如起动和停止等瞬态期间，或在显著的负载变化期间从大的间隙部分Cl内的一轴向位置移动，并且当涡轮机部件达到(或返回)基本热平衡时移动至减小的更紧密的间隙部分C2。正如本领域技术人员所理解的那样，转子相对于固定定子的整体或部分的轴向移动可通过任何合适的机械(或机电)、液压或气动装置30或130来实现，或者通过所选择的转子和定子材料的所设计的不同热膨胀特性来实现。图2代表本发明的一个备选的示例性实施例。在图2中，相似的标号用于指示相应的部件，但添加了前缀“1”。这里，转子Iio保持固定，但定子112可相对于轮叶顶罩116 及其一个或多个密封齿118而轴向移动，从而取得与上面结合图1所述相同的结果。应该懂得密封齿的外部密封边缘可以是相当钝的，并且基本上平行于转子轴线(参见图3中的边缘226)，或者形成为以锐角延伸至护罩顶端(和延伸至转子轴线)，例如分别如图1和图 2中的标号沈和1 所示。图3代表本发明的另一示例性的但非限制性的实施例。与图1和图2中所使用的那些标号相似，但添加了前缀“2”的标号在图3中用于指示相应的部件。在这个示例性实施例中，连接轴向面220和224的肩部222相对于表面220，2M和转子轴线成锐角(例如 45度)倾斜。当转子相对于定子轴向移动时(或反之)，此布置在密封齿218的平直边缘 2 和定子之间提供了最大间隙和最小间隙之间更大的间隙调整范围。在所示的示例中，在第一大间隙Cl和第二小间隙C2之间的移动需要0. 50英寸的相对轴向位移(如图3中所示移动至左边)。确切的隙距、所需要的轴向位移距离等将依赖于具体的应用而变化。图4代表了图3的变体，并且相似的但带有前缀“3”的标号用于指示相应的部件。 这里，密封齿318的密封边缘3 相对于顶罩(并相对于转子轴线)以45度的角度形成， 从而基本上平行于定子312的倾斜肩部322。注意对于其它方面相似的尺寸关系，成角度的密封边缘3 将在如上面结合图3所述的相同的0. 50英寸的轴向位移上产生相同的隙距。对于图3和图4两者中的密封构造，在允许转子或定子在相反方向上的相对轴向移动的情况下，在表面220，230的右边的定子表面2 和3 分别可提供中间的隙距C3 (也可沿着倾斜肩部222，322获得)。虽然已经结合目前被认为最可行且最优选的实施例而描述了本发明，但是应该懂得本发明并不局限于所公开的实施例，相反，其意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种变体和等效装置。
权利要求
1.一种涡轮机轮叶顶隙控制系统，包括转子组件，其包括转子(10)，所述转子具有多个轴向间隔开的叶轮，各所述轴向间隔开的叶轮安装了环形的一排轮叶(14)，所述多个轴向间隔开的叶轮的至少其中一个叶轮上的所述环形的一排轮叶具有设有至少一个密封齿(18)的径向外部顶罩(16)；定子组件(12)，其包括径向向内的轴向阶梯面，所述轴向阶梯面形成有由肩部02)连接的径向内密封面00)和径向外密封面04)；且其中所述定子组件和所述转子组件可相对彼此轴向地移动，使得能够选择性地使所述至少一个密封齿(18)移动至与所述径向内密封面OO)和所述径向外密封面04)的其中一个密封面径向相对的位置，从而选择性地改变所述至少一个密封齿(18)和所述径向向内的轴向阶梯面(19)之间的隙距(Cl或⑵。
2.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶顶隙控制系统，其特征在于，所述控制系统包括用于使所述转子组件相对于所述定子组件轴向地移动的装置(30)。
3.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶顶隙控制系统，其特征在于，所述控制系统包括用于使所述定子组件相对于所述转子组件轴向地移动的装置(130)。
4.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶顶隙控制系统，其特征在于，所述径向外部顶罩 (16)设有至少两个密封齿。
5.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶顶隙控制系统，其特征在于，所述至少一个密封齿(18)形成有轴向定向的密封边缘0沈)。
6.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶顶隙控制系统，其特征在于，所述至少一个密封齿形成有成锐角的密封边缘06)。
7.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶顶隙控制系统，其特征在于，所述肩部02)相对于所述径向内密封面OO)和所述径向外密封面04)以基本90度定向。
8.根据权利要求1所述的涡轮机轮叶顶隙控制系统，其特征在于，所述肩部(222)相对于所述径向内密封面(220)和所述径向外密封面OM)以基本45度定向。
9.一种控制在安装于涡轮机转子(10)上的环形的一排涡轮机轮叶(14)上的顶罩 (16)和基本同心布置的涡轮机定子(1 之间的顶隙的方法，其中所述顶罩(16)设有至少一个径向向外凸出的密封齿(18)，并且其中所述定子(1 包括径向向内的表面，所述径向向内的表面包括与所述至少一个径向向外凸出的密封齿的密封边缘06)分别限定至少第一密封间隙(Cl)和第二密封间隙(以)的至少第一密封面OO)和第二密封面(M)，所述方法包括在所述涡轮机的瞬时操作期间使所述涡轮机转子(10)和所述涡轮机定子(1 的其中一个轴向移动，从而造成所述至少一个径向向外凸出的密封齿(18)与所述第一密封面 (20)径向地对齐；以及当所述涡轮机在基本热平衡的条件下操作时，使所述涡轮机转子和所述涡轮机定子的其中一个轴向移动，从而造成所述至少一个径向向外凸出的密封齿与所述第二密封面04) 径向地对齐。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一密封面和所述第二密封面 (222)的至少其中一个密封面相对于所述涡轮机转子的旋转轴线以锐角定向，并且其中所述至少一个密封齿(318)的密封边缘(3 )以基本相同的锐角定向。
全文摘要
本发明涉及用于带护罩的燃气涡轮机叶片的主动顶隙控制和相关方法，具体而言，涉及一种涡轮机轮叶顶隙控制系统，其包括转子组件和定子组件，转子组件具有支撑多个轴向间隔开的叶轮的转子，各个叶轮安装了环形的一排轮叶，位于多个轴向间隔开的叶轮的至少其中一个叶轮上的环形的这排轮叶具有设有至少一个密封齿的径向外部顶罩。定子组件包括径向向内的轴向阶梯面，阶梯面形成有由肩部连接在一起的径向内密封面和径向外密封面。定子组件和转子组件相对彼此可轴向移动，使得能够选择性地使该至少一个密封齿定位成与径向内密封面和径向外密封面的其中一个密封面径向相对，从而选择性地改变在该至少一个密封齿和该径向向内的轴向阶梯面之间的隙距。
文档编号F01D11/20GK102200036SQ20111007993
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者H·E·米勒 申请人:通用电气公司