专利名称：密封组件及密封涡轮的旋转和静止构件之间界面的方法
技术领域：
本发明大体涉及回转机械，例如蒸汽和燃气涡轮，尤其涉及一种具有密封组件的回转机械，所述密封组件用于控制一间隙，该间隙位于旋转转子叶片(rotor blades)或“叶片(bucket)”顶端与回转机械固定外壳或定子之间。特别地，本发明通常涉及一种设置到涡轮旋转部分的可磨损密封件。本发明还涉及一种包括可磨损密封件的涡轮和/或涡轮叶片，以及一种方法，该方法用于密封涡轮或其它机械的旋转构件与静止构件之间的界面。
背景技术：
除了其它目的，蒸汽和燃气涡轮用于驱动发电机，并且除了其它目的，燃气涡轮也用于驱动飞机和轮船。蒸汽涡轮具有一蒸汽通道，按串联流程关系，其典型地包括蒸汽入口、涡轮和蒸汽出口。燃气涡轮具有一气体通道，按串联流程关系，其典型地包括空气输入端(或入口)、压缩机、燃烧器、涡轮和气体出口(或排放喷嘴)。压缩机和涡轮部分包括至少圆周一排的旋转叶片。旋转叶片的自由端或顶端被定子外壳包围。
涡轮的效率部分地取决于转子叶片顶端和周围外壳之间的径向间隙或缝隙。如果间隙太大，很多蒸汽或气体流将从转子叶片顶端和周围外壳之间的缝隙泄漏，降低涡轮的效率。如果所述间隙太小，在某些涡轮操作状况下，转子叶片顶端可能会碰撞周围外壳。
已经知道在加速或减速期间由于叶片顶端上离心力的变化，由于涡轮转子振动以及旋转转子和固定外壳之间的相关热量增加，所述间隙改变。
在不同离心力、转子振动以及转子和外壳的热量增加期间，所述间隙改变能导致运动叶片顶端相对于固定外壳的剧烈摩擦。叶片顶端间隙的这种增大导致效率降低。
间隙控制装置例如可磨损密封在以前已经被建议用于调节转子与外壳的间隙改变。例如参见美国专利No.6,340,286和No.6,547,522，它们都转让给通用电气公司。该保护装置的特点允许设计者减小涡轮机或发动机的冷构建(cold built)间隙，其减少不必要的泄漏，由此提高涡轮机或发动机的性能和/或效率。所述可磨损密封或涂层典型地被用到静止部件上，同时密封段加工到和/或填入转子组件。
然而，这些方法并未提供用于控制该间隙的最佳设计。因此，仍存在改进的需要，该改进将提供对上述间隙控制问题的一种解决方案，而同时不会引入任何新问题。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种具有密封组件的回转机械，其被设计成满足上述需要。
在一个实施例中，一种用于涡轮的密封组件，所述涡轮具有带有至少一个叶片的转子和部分地形成转子的主体外壳的定子，所述密封组件包括基础密封件，构建成位于所述主体外壳的内表面上；以及可磨损密封件，其被设计和构建为施加到所述至少一个叶片的顶端部分上。所述可磨损密封件是可面向所述基础密封件定位的。
在另一实施例中，一种用于涡轮的叶片包括具有近端和远端部分的主体，该近端部分包括用于将该近端部分固定到旋转驱动构件的结构，该远端部分包括翼片部分；和可磨损密封件，设置在所述主体的远端部分上。
仍在另一实施例中，提供了一种用于密封涡轮的转子叶片的顶端部分和定子外壳的内表面之间界面的方法，所述方法包括使基础密封件定位在所述定子外壳的内表面上；和面向所述基础密封件将可磨损密封件设置到至少一个叶片的顶端部分上。
还在另一实施例中，一种涡轮包括转子，该转子包括至少一个叶片；定子，该定子限定转子的主体外壳；以及密封组件，该密封组件包括基础密封件以及可磨损密封件，该基础密封件构建成设置在所述主体外壳的内表面上，该可磨损密封件设计和构建为施加到所述至少一个叶片的顶端部分上，所述可磨损密封件可以面向所述基础密封件定位。
优选实施例的这些和其它优点将结合下图进行说明。
图1是本发明一实施例的示意图；
图2说明本发明的一可选择实施例；图3示意性地示出一叶片周向列的一部分，所述叶片取自图2中所示
具体实施例方式
本发明是一种回转机械。回转机械包括但不限于离心压缩机、发生器和涡轮机。涡轮机包括但不限于蒸汽涡轮机和燃气涡轮机。涡轮机具有但不限于压缩部分和涡轮部分。尽管以下就涡轮对本发明进行描述，但可以理解本发明不限于此，并且正如本领域技术人员所明白的，其应用于任何回转机械。应注意图1仅示出部分的回转机械，除了别的构件，该部分包括涡轮外壳和转子。
现在参照附图尤其是图1，其以概略的形式示出本发明一个实施例的涡轮，其被总体标识为10，其具有可绕中心纵向轴线A旋转并有外部环形表面12a的转子12。多个叶片14设置到，例如固定安装到转子12的外部环形表面12a上。叶片14围绕转子12的外部环形表面12a沿周向彼此间隔开，并从转子12的外部环形表面12a向叶片14的顶端14a径向朝外延伸。每一叶片14的顶端14a可以包括翼片状外形。外壳16通常具有环形和圆筒形形状、以及内圆周面16a，该内圆周面16a围绕转子12和叶片14静止配置并且径向朝外地与其隔开，由此限定一环形缝隙18在外壳16的内圆周面16a和旋转叶片14的顶端14a之间。环形缝隙18实际上可以是在约0.250毫米至约2.05毫米范围内的一预定距离，具有约0.0250毫米至0.1毫米之间的公差。当然，其它预定距离和公差根据应用确定。
例如具有相对柔软材料的可磨损密封件20，设置在叶片14的顶端14a上。所述可磨损密封件20配置在环形缝隙18中，所述环形缝隙18限定于外壳16的内圆周面16a和与转子12一同旋转的叶片14的顶端14a之间。在转子12和叶片14相对于外壳16的差动扩大期间，密封件20响应与固定外壳16的接触而磨损。同样的，运动叶片顶端14a和固定外壳16之间的直接接触导致局部空穴，并且固定外壳16和运动叶片14之间的间隙由此借助密封件20得以控制。
在一个实施例中，密封件20可以与基础密封件22配合形成整体密封组件24。基础密封件设置在外壳16的内表面16a上。基础密封件22可以采用任何公知的适当方式定位在外壳16的内侧表面16a上，例如通过粘合剂、机械紧固件或类似物。形成部分定子的外壳16和转子12这样构建以便在操作中如果在密封件20和基础密封件22之间发生接触，叶片14的可磨损密封件20允许基础密封件22在该可磨损密封件20中切槽。
所述基础密封件22可以被设计成模制的、可更换插入件，其选择性地可插入外壳16的内表面16a。基础密封件22可以是刀口条或密封条、或其组合。
密封件20可以采用可磨损涂层形式，其设置在例如喷涂在各个叶片14的顶端14a上。各个叶片14包括与转子12连接的一近端和包括叶片顶端14a的一远端。叶片的远端包括可磨损密封件20。可磨损密封件20也可以是用粘合剂和/或机械紧固件等固定到叶片顶端14a的一单独层。
图2示出本发明的另一实施例。在图2中，多个叶片14′设置到转子12′上。各个叶片的近端与转子12′连接。各个叶片14′的远端设有或连接有叶片盖25。叶片盖在所属领域中是已知的。例如，参见通用电器公司的美国专利No.5,350,277。叶片盖25包括面向外壳16′的内表面16a放置的可磨损密封件20′。外壳16a′包括一个或更多基础密封部分22′，例如采用刀口密封的形式。基础密封部分22′也能采用所属领域中公知的条状密封形式。
图2中，在左手侧的叶片包括密封件，其设在叶片盖各个水平面而非垂直表面上。在右手侧的叶片包括密封部分20”，其略有不同，所述叶片盖的水平和垂直表面用密封部分20”覆盖。当然，叶片盖可以包括基本平坦的表面，如图3所示，与图2中所示阶梯叶片盖结构相反。
为了方便作为可磨损密封件20、20′的喷涂层的应用，各个叶片14的顶端14a或叶片盖25可以包括一个和优选地多个齿26，如图3所示。图3是多个叶片14′和相应叶片盖25的示意图。设置齿26和/或有槽/有刻痕/被粗糙过的表面可以便利和/或促进例如可磨损涂层的密封件粘合到顶端14a或叶片盖25上。如在本领域中已知的，相邻周向叶片14的叶片盖25可以包括配合和/或互锁表面，象一个拼板，由此为给定的一排叶片提供一整体的或基本不间断的连续表面，如图3中示意性示出的。
本发明的另一实施例针对一种用于密封界面的方法，所述界面在转子叶轮顶端部分和涡轮的定子外壳内表面之间。所述方法包括使例如刀口密封或条状密封的基础密封件22、22′设置在定子外壳16、16′的内表面16a、16a′上，以及设置可磨损密封件例如20或20′到至少一个叶片的面向该基础密封件22、22′的顶端上。所述方法能应用于机械的任何旋转构件，并且不限于对涡轮的应用。
以一种简化的方式，本发明的一个方面仅是给旋转构件而非静止构件提供一种可磨损密封构件。这种位置改变是困难的，因为在本申请人构思本发明时将例如涂层的可磨损密封件应用到转子是未经证实的。另外，尽管有在该新位置设置可磨损密封件的风险，发明人已经获得了显著的成功。改变可磨损密封件位置的风险，在设置整体齿到顶端或叶片盖一个实施例中，除了其它方面包括喷涂中可能更复杂化、基本周期可能增加以及可磨损密封件在此位置开裂的更高风险和性能损失的后续更高风险。
根据本发明的实施例，设备设计者可以减少涡轮或发动机的冷构建间隙，其减小有害的泄漏，由此提高涡轮或发动机的效率性能。
在可磨损密封件被设置到旋转构件之后，例如在涂层被涂覆到叶片顶端或叶片盖上之后，所述构件能被加工到相容并被平衡。例如刀口密封或条状密封的基础密封件22、22′可以被安置在静止构件(例如外壳16)中。因此，在上述的范围中，冷构建公差能被设得比正常的更紧。如果旋转部分接触密封件，可磨损密封件允许基础密封件在旋转构件中切槽而不损伤例如刀口或条状密封的基础密封件22、22′。
如图2中所示，转子12′包括外表面12a′，其包含多个通道30以容纳一排叶片14′。排成一行的各个叶片14′的基部32被构建成被通道30滑动地收纳。然而，基部32包括肩部34，其大于通道30的开口，以便由此防止叶片14′的径向移动。
一岛状部36设置在转子12′上，在相邻的通道30之间。在图2中，所述岛状部36包括一基础密封件38，例如至少一个和优选地多个刀口密封部分40。刀口密封部分40和密封件42一起形成设置在喷嘴片46的远端部分44上的迷宫式密封，所述喷嘴片46键接到定子外壳16′上。
图4示出根据本发明密封组件的一个可选择实施例。特别地，转子48包括设置在相邻通道52之间的一岛状部50，用于容纳叶片56的基部构件54。然而，岛状部50设有例如喷涂有如上所述的可磨损密封件58，而喷嘴片62的远端部分60包括一基础密封件64，例如多个刀口密封构件66。
图5示出转子48，并为了清楚起见，移除叶片56。在该实施例中，可磨损密封件58装配和喷涂到转子48的外表面上，以便其覆盖转子48上的许多槽和凸起部分。只有部分转子48的轴向长度设有可磨损密封件58，如同大括号和虚线所标明的。然而，更小轴向长度或更大的轴向长度(包括整个轴向长度)可以设置可磨损密封件58。图6是在喷嘴片62的远端部分60上的部分刀口密封件66的放大横截面视图，涉及设置在转子48上的可磨损密封件58。
因为不需要加工或安装所述刀口或条状密封到转子中，转子更耐用，必须在运转中的转子上进行修理的可能性大大降低。这允许刀口或条状密封被安置在静止构件中，在静止构件上它们可以被安装成可更换的插入件。这大大减少在涡轮组件安装或修理期间延长的再加工或耽误时间的可能性。
所述结构的其它优势包括减小间隙以允许在短时间操作期间摩擦以及保持刀口或条状密封在静止构件中，其大大增加涡轮的可修性/可用度。一可能的附加益处是例如涂层的可磨损密封的附加减少由生产和组装过程导致的效率变化影响，其影响冷间隙，由此提高在操作中相同设计或相同生产线的多个单元具有相似性能的可能性。
虽然本发明结合目前被认为是最实用和优选的实施例进行说明，应当理解本发明不仅限于所公开的实施例，而是相反，其目的在于覆盖包含在所附权利要求精神和范围中的各种修改和等同配置。
权利要求
1.一种用于涡轮(10)的密封组件(24)，所述涡轮(10)具有带有至少一个叶片(14，14′)的转子(12、12′)和部分地形成转子的主体外壳(16、16′)的定子，所述密封组件(24)包括基础密封件(22、22′)，构建成位于所述主体外壳的内表面(16a、16a′)上；以及可磨损密封件(20、20′)，其被设计和构建为施加到所述至少一个叶片(14、14′)的顶端部分(14a)上，所述可磨损密封件(20、20′)是可面向所述基础密封件(22、22′)定位的。
2.如权利要求1所述的密封组件，其中主体外壳(16、16′)的内表面(16a、16a′)被设计为与叶片(14、14′)的顶端部分(14a、14a′)间隔一预定距离，在预定的公差内。
3.如权利要求2所述的密封组件，其中所述预定距离在约0.250毫米到约2.05毫米之间，并且预定公差在约0.0250毫米到约0.1毫米之间。
4.如权利要求2所述的密封组件，其中所述定子和转子被构建成如果在操作中所述至少一个叶片的可磨损密封件(20、20′)和基础密封件(22、22′)之间发生接触，则所述可磨损密封件允许所述基础密封件在该可磨损密封件中切槽。
5.如权利要求1所述的密封组件，其中所述基础密封件(22、22′)被设计为模制的可更换插入件，该插入件选择性地可插入所述主体外壳(16、16′)的内表面。
6.如权利要求1所述的密封组件，其中所述可磨损密封件(20、20′)是涂层。
7.如权利要求1所述的密封组件，其中所述基础密封件(22、22′)是刀口密封件和密封条中的至少一种。
8.一种用于涡轮的叶片(14、14′、56)，包括具有近端和远端部分的主体，该近端部分包括用于将该近端部分固定到旋转驱动构件(12、12′、48)的结构，该远端部分包括翼片部分；和可磨损密封件(20、20′)，设置在所述主体的远端部分上。
9.一种用于密封涡轮(10)的转子叶片(14、14′、56)的顶端部分(14a、14a′)和定子外壳(16、16′)的内表面(16a、16a′)之间界面的方法，所述方法包括使基础密封件(22、22′)定位在所述定子外壳的内表面上；和面向所述基础密封件将可磨损密封件(20，20′)设置到至少一个叶片的顶端部分(14a、14a′)上。
10.一种涡轮(10)，包括转子(12，12′)，该转子包括至少一个叶片(14、14′、56)；定子，该定子限定转子的主体外壳(16、16′)；以及密封组件(24)，包括基础密封件(22、22′)，构建成设置在所述主体外壳的内表面(16a，16a′)上；以及可磨损密封件(20，20′)，设计和构建为施加到所述至少一个叶片的顶端部分(14a，14a′)上，所述可磨损密封件可以面向所述基础密封件定位。
11.一种涡轮(10)，包括转子(48)，包括外表面和至少一个远离该外表面延伸的叶片(56)；定子，具有至少一个喷嘴片(62)并限定所述转子的主体外壳；和密封组件，包括基础密封件(64)，构建成定位在所述喷嘴片的远端部分(60)上；和可磨损密封件(58)，设计和构建成施加到所述转子的外表面上，所述可磨损密封件可以面对所述基础密封件定位。
全文摘要
一种回转机械(10)，包括可旋转的转子(12，12′，48)；径向安装在所述转子上并与该转子分开的叶片(14， 14′，56)；环绕所述转子并从其径向向外配置的静止定子/外壳(16，16′)，从而在该外壳和所述叶片的顶部(14a，14a′)之间限定出环形缝隙(18)；以及可磨损密封件(20，20′)，设置到所述叶片顶端部分上并且并配置在该环形缝隙中，以便在转子和叶片相对于外壳差动扩大期间，所述密封件响应与设置到定子外壳上的基础密封件的接触而磨损。因此，在运动叶片顶端和定子外壳之间，定子外壳和叶片顶端之间的间隙被最小化。
文档编号F01D5/20GK1619109SQ200410095280
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月22日 优先权日2003年11月20日
发明者伯纳德·A·库图尔, 法沙德·格斯里普尔, 马克·W·科瓦尔齐克 申请人:通用电气公司