专利名称：悬链式涡轮密封系统的制作方法
技术领域：
本文所公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及涡轮内的密封件。 技术领域通常，燃气涡轮发动机燃烧压缩空气和燃料的混合物来产生热燃烧气体。燃烧气 体可流过一个或多个涡轮级来生成动力用于负载和/或压缩机。各级之间会出现压降，这 会促进诸如燃烧气体的流体经由非预期的通路流动。密封件可设置在各级之间，用以减少 在各级之间的流体泄漏。
发明内容
在范围上与初始要求得到专利保护的本发明等同的一些实施例在下文进行了概 述。这些实施例并非旨在限制要求得到专利保护的本发明的范围，而是这些实施例仅意图 提供对本发明可能形式的简要概括。实际上，本发明可包含与下文阐述的实施例相似或不 同的多种形式。在第一实施例中，一种系统包括构造成用以围绕轴线旋转的一对相邻的转子叶 轮。该系统还包括悬链式密封结构，其仅由相邻的转子叶轮机械地支承，且围绕轴线环形地 设置，以便使相邻转子叶轮之间的容积与在相邻转子叶轮上流动的燃烧气体隔离。在第二实施例中，一种系统包括悬链式密封结构，该密封结构构造成围绕轴线环 形地设置且由两个相邻的转子叶轮机械地支承，这两个相邻的转子叶轮构造成围绕轴线旋 转。悬链式密封结构构造成用以使相邻转子叶轮之间的容积与在相邻转子叶轮上流动的热 流体隔离。该系统还包括一对连接界面(interface)，该连接界面构造成围绕轴线环形地设 置在悬链式密封结构的相对的轴向面上，且构造成用以将悬链式密封结构附接到相邻的转 子叶轮上，以便在悬链式密封结构的相对的轴向面之间没有中间支承的情况下机械地支承 该悬链式密封结构。在第三实施例中，一种系统包括旋转机器，该旋转机器具有围绕轴线旋转且包括 从第一转子叶轮沿径向延伸的第一叶片的第一转子叶轮，以及围绕轴线旋转且包括从第二 转子叶轮沿径向延伸的第二叶片的第二转子叶轮；以及悬链式密封结构，其仅由第一转子 叶轮和第二转子叶轮机械地支承，且围绕轴线环形地设置，以便使第一转子叶轮与第二转 子叶轮之间的容积与延伸穿过该第一叶片和第二叶片的流动通路隔离。
当参照附图来阅读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变 得更容易理解，所有附图中的相似标号表示相似的零件，在附图中图1为可使用涡轮密封件的燃气涡轮发动机实施例的示意性流程图；图2为截面经过纵轴线的图1中的燃气涡轮发动机的截面视图；图3为图2中的燃气涡轮发动机的一部分的详细视图，示出了位于涡轮级之间的密封件的实施例；图4为包括肋条的密封件的另一实施例的透视图；图5为包括设置在悬链式结构的表面上的密封齿的密封件的另一实施例的详细 视图；以及图6为密封件的另一实施例的详细视图。
具体实施例方式下文将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供对这些实施例的简要描述，在说明书中可不描述实际实现方式的所有特征。应当认识到的是，在任何这些实际实施 方式的开发中，如任何工程或设计项目中一样，必须作出许多实施方式的特殊决定，以实现 开发者的特定目标，例如遵循关于系统和关于商业的约束，这可从一个实施方式变化成另 一个实施方式。此外，应当认识到的是，这样的开发工作可能很复杂和耗时，但对于拥有本 文的利益的普通技术人员而言，仍为设计、制作和制造的常规任务。在介绍本发明的各个实施例的元件时，用语“一”、“一个”、“该”，以及“所述”用来 意指存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”，以及“具有”旨在为包括性的，且意指存在 除所列元件外的其它元件。本公开内容针对包括级间密封件的燃气涡轮发动机，在工作期间，该级间密封件 完全由相邻的涡轮叶轮支承而不需附加的径向支承。密封件包括具有端部的悬链弯曲部分 (curve)，该端部可附接到一对相邻的涡轮叶轮上，用以支承密封件。密封结构的悬链形状 和较轻的重量容许密封结构完全由相邻的叶轮支承而不需任何中间支承。换言之，密封件 的实施例不包括由定位在两个相邻叶轮之间的隔离盘所提供的中间径向支承。隔离盘(未 包括在所公开的实施例中)可在沿旋转轴线的中间位置处附接到密封件上或从密封件伸 出，用以径向地支承密封件。然而，隔离盘可增加成本和/或将桥接负载传递给密封件，这 会引起疲劳。因此，在一些实施例中，密封件可仅由相邻的涡轮叶轮机械地支承，该涡轮叶轮在 相对于旋转轴线的密封件的相对轴向端部处附接到密封结构上。相对的轴向端部可分别包 括设置成围绕旋转轴线且在轴向方向上与另一端间隔开的360度的周向表面。对于密封件 可不用提供中间径向支承。密封件的悬链形状可减小弯曲应力，且沿密封结构将负载传递 给相邻的涡轮叶轮。此外，在没有中间支承的情况下，密封件可与桥接件的温度和负载热学 地和/或机械地隔离。除去中间密封件支承还可在相邻的涡轮叶轮之间提供连续且未分开 的空间，用以加强冷却。图1为包括燃气涡轮发动机12的示例性系统10的框图，该燃气涡轮发动机12可 采用没有中间支承的级间悬链式密封件。在一些实施例中，系统10可包括飞行器、船舶、机 车、动力生成系统或它们的组合。所示的燃气涡轮发动机12包括空气进口区段16、压缩机 18、燃烧器区段20、涡轮22和排放区段24。涡轮22经由轴26联接到压缩机18上。如箭头所示，空气可经由进口区段16进入燃气涡轮发动机12，且流入压缩机18 中，压缩机18在空气进入燃烧器区段20之前对其压缩。所示的燃烧器区段20包括同心地 或环形地围绕轴26设置在压缩机18与涡轮22之间的燃烧器壳体28。来自压缩机18的压 缩空气进入燃烧器29，其中，压缩空气可在燃烧器29内与燃料相混合并燃烧，以驱动涡轮22.
自燃烧器区段20，热燃烧气体流过涡轮22，经由轴26驱动压缩机18。例如，燃烧 气体可将起动力施加到涡轮22内的涡轮转子叶片上，以使轴26旋转。在流过涡轮22之后， 热燃烧气体可经由排放区段24流出燃气涡轮发动机12。图2为沿纵轴线30截取的图1中的燃气涡轮发动机12的实施例的侧视图。如图 所示，燃气涡轮22包括三个单独的级31。各级31均可包括联接到转子叶轮34上的一组 叶片32，转子叶轮34可旋转地附接到轴26(图1)上。叶片32可从转子叶轮34沿径向向 外延伸，且可部分地设置在热燃烧气体的通路内。密封件可在相邻的转子叶轮34之间延伸 并受到支承。尽管燃气涡轮22示为三级涡轮，但本文所述的密封件可用于具有任意数目的 级和轴的任何适合类型的涡轮。例如，密封件可包括在单级燃气涡轮，包含低压涡轮和高压 涡轮的双涡轮系统，或蒸汽涡轮中。此外，本文所述的密封件还可用于旋转式压缩机，如图 1中所示的压缩机18。如上文参照图1所述，空气可经由空气进口区段16进入，且由压缩机18压缩。来 自压缩机18的压缩空气然后可引入燃烧器区段20，在其中，压缩空气可与燃料气体相混 合。压缩空气和燃料气体的混合物通常在燃烧器区段20内燃烧，以产生高温高压燃烧气 体，这可用于在涡轮22内产生转矩。具体而言，燃烧气体可将起动力施加到叶片上，以使叶 轮34转动。在一些实施例中，在涡轮的各级处可能出现压降，这会引起气流经过非预期的 通路。例如，热燃烧气体可流入涡轮叶轮34之间的级间容积中，这可将热应力给予到涡轮 构件上。在一些实施例中，级间容积可由从压缩机流出的或由另一来源所提供的排出空气 冷却。然而，热燃烧气体流入级间容积可降低冷却效果。因此，可在相邻的叶轮34之间设 置密封件，用以密封和围住级间容积免受热燃烧气体。图3为图2中所示的一对相邻转子级31的详细视图。出于示范的目的，仅示出了 级31的一部分。然而，级31通常可包括具有叶片32的圆形叶轮34，叶片32从叶轮34的 叶轮柱部分33沿径向向外(沿箭头35所示的方向)延伸。叶轮柱部分33可沿叶轮34的 圆周设置，且可包括用于保持叶片32的槽口。在一些实施例中，大约50至150个叶片可围 绕(沿箭头36所示延伸入页面的方向)叶轮34和对应的旋转轴线(大致沿箭头37所示 方向延伸)安装且周向地间隔开。叶轮34可通过将叶轮保持在一起的连杆(tie rod)或 桥接件38相连。桥接件38可轴向地(方向37)延伸穿过叶轮34之间的空间，且可在叶轮 之间传递转矩和其它负载。在一些实施例中，桥接件38可螺接、焊接或以另外的方式附接 到叶轮34上。悬链式密封结构40在两个相邻叶轮34之间延伸，且由叶轮34机械地支承。悬链 式密封结构40可环形地设置(方向36)在叶轮34之间，且可在叶轮34的界面区域42处 附接到叶轮34上。各叶轮34均可形成具有悬链式密封结构40的环形结构，该悬链式密封 结构40延伸为处于叶轮34之间的环形结构。在工作期间，叶轮34和悬链式密封结构40 可围绕共同的轴线旋转。界面区域42可设置在叶轮34的径向外部(方向35)区段上。界 面区域42可具有从叶轮34的周边沿径向向内(箭头45)延伸的高度44。在一些实施例 中，悬链式密封结构40可在与保持叶片32的叶轮34内的周向间隔开的开口相同的径向位 置(沿方向35延伸)处或附近与叶轮34相对接。悬链式密封结构40可包括360度的圆 形结构，该结构附接到相邻的叶轮34上，以便热隔离级间容积46。
级间容积46可收容从压缩机流出的排出空气用以冷却级间容积46和相邻的涡轮 构件，例如叶轮34和桥接件38。为了促进冷却，容积46可设计成尽可能大，且因此密封结 构40可在界面区域42处附接到叶轮34的最外部分上。具体而言，界面区域42可设置在 叶轮34的径向外部(方向35)区段上。各界面区域42均可具有从叶轮柱部分33沿径向 向内(方向45)延伸的高度44。在一些实施例中，界面区域42的高度44可至少小于总叶 轮高度48的大约0%至50%，以及其间的所有子范围。更具体而言，高度44可至少小于总 高度48的大约至5%。将密封结构40定位成朝向大体上由界面区域42所示的叶轮34 的径向外部区段(方向35)可最大限度地增大级间容积叶轮腔体46的容积，以便于在容积 46内进行冷却。增大叶轮腔体46的尺寸和对应的冷却能力可容许更低强度的材料用于叶 轮34。还可促进冷却，因为级间容积46内没有径向分隔。具体而言，在径向方向35内，容 积46为可仅由桥接件48轴向地分隔开的连续空间。悬链式密封结构40可与静止的定子导叶(Vane)50相对接，以便在流动通路 52(大体上由箭头所示)内引导诸如热燃烧气体或蒸汽的热流体流，该流动通路52设置在 叶轮34上方，穿过叶片32。具体而言，定子导叶结构50可包括密封表面54，该密封表面54 与悬链式密封结构40的密封齿条56相对接。在一些实施例中，迷宫式密封可形成在密封 表面材料54与密封齿条56之间。然而，在其它实施例中，可形成任何类型的密封。密封齿 条56可从密封结构40沿径向向外(方向35)定位，且可由薄的结构或腹板58支承。腹板 58可具有的高度59可进行调整和/或优化来用于单独的涡轮设计和构造。密封结构40包括从腹板58任意一侧延伸的两个臂段60和62。臂60和62形成 具有均勻或非均勻的截面(横切于由方向37所示的旋转轴线截取)和密度的悬链式凸状 弯曲部分，其朝向容积46向内延伸。各臂60和62均可自由地(即，可不用单独的结构支 承)悬置在相邻转子叶轮34上。此外，在一些实施例中，密封结构40可保持其在未附接到 转子叶轮34上时的形状。悬链形状可减小应变和弯曲应力。此外，悬链形状可容许悬链结 构40仅由相邻叶轮34支承，这可最大限度地降低涡轮构件的重量和成本。具体而言，不需 要附加的径向支承，举例而言，例如可由隔离盘提供径向支承。臂60和62的端部大体上可包括连接界面，如周向(方向36)榫接(rabbet)区段 64，其设计成附接到叶轮34的缘边66上。各榫接区段64均可形成与叶轮缘边66的榫接连 接。具体而言，各榫接区段64均可包括在各臂60和62端部中的凹槽或凹部，其构造成用 以与叶轮34的缘边66相配合。各榫接区段64均可形成360度的环，该环与缘边66的互 补的360度的圆形边缘相对接。榫接区段64可设置在密封结构40的轴向相对的周向端部 上。例如，密封结构可包括两个360度的周向表面，各周向表面均设置成围绕旋转轴线(方 向37)。在其它实施例中，可使用其它类型的连接界面64，例如其中有法兰、卡口、搭扣、舌 部和凹槽，以及干涉配合。在一些实施例中，榫接区段64的位置可为相反的。具体而言，缘 边66可包括构造成用以与臂60和62的端部相对接的榫接区段64。此外，附加的器件如保 持环、凸片和环形密封引线可包括在内，用以将臂60和62固定到界面区域42上。在一个 实例中，可包括小的螺栓用于轴向保持(方向37)。在一些实施例中，密封结构40的一个 臂60或62可为叶轮34的一体式延伸部分，且因此，仅相对的臂60或62可具有连接界面 如榫接区段64，用于附接到叶轮缘边66上。此外，在其它实施例中，臂60和62可在沿界面 区域42的不同位置处附接到叶轮34上。例如，臂60和62可附连到叶轮柱部分33或从缘边66沿径向向内(方向45)延伸的叶轮34区域上。图4为密封结构40的另一实施例的透视图，该密封结构40包括附接到密封结构40的径向内表面70上的肋条68。例如，肋条68可焊接、胶接、螺接或以另外的方式附接到 密封结构40上。在另一个实例中，肋条68可为密封结构40的组成部分。在其它实施例中， 肋条68可附接到密封结构40的径向外表面上。肋条68可提供加强用以对沿密封结构40 的挠曲进行控制。肋条68可设置在围绕密封结构40圆周的不同角位置处。在一些实施例 中，各肋条68均可包括在叶轮34之间沿轴向方向37(图3)延伸的新月形状。肋条68可 遵循表面70的曲率，且在一些实施例中，可具有位于腹板58下方的较厚的截面。肋条68 的形状、尺寸、相对大小、厚度和数目可取决于尤其是燃气涡轮发动机的制造考虑因素和工 作参数而变化。图4还示出了与叶轮34的缘边66相对接的榫接连接部分64。在一些实施例中， 榫接连接部分64可形成与缘边66的干涉配合。如上文参照图3所述，悬链式密封结构40 仅具有两个附接点，在各榫接连接部分64或凹槽区段处各有一个点。在一些实施例中，离 心力(大体上沿箭头35的方向作用)可用作将悬链式密封结构40保持就位。密封齿条56以大致平行于旋转轴线(方向37，图3中所示)的方式从腹板58向 外延伸。密封齿条56还沿圆周方向36延伸，以形成360度的环。在一些实施例中，薄的径 向腹板58可容许密封齿条56从悬链形状沿径向向外(方向35)延伸，用以最大限度地增 大密封齿条56的宽度69。密封齿条56可为单独的结构，或悬链式结构40的组成部分。密 封齿条56、腹板58和悬链式密封结构40可由相同或不同的材料构成。在一些实施例中，密 封齿条56、腹板58和悬链式密封结构40可由高强度钢或镍基超级合金构成。根据一些实施例，腹板58可用来将悬链式结构40与在密封齿条56处可产生的热 力加热隔离开。腹板58还可用来将密封齿条56与施加到密封结构40上的机械负载隔离 开。密封齿条56包括从密封齿条沿径向向外(方向35)延伸的密封齿71。密封齿71可垂 直于旋转轴线(方向37，图3中所示)延伸，或相对于旋转轴线(方向37)以变化的角度延 伸。密封齿可围绕悬链式结构40周向地36延伸，以形成360度的环。密封齿71可与定子 导叶50 (图3)的密封表面54形成密封。密封齿71的数目、尺寸和形状是可变的。例如， 密封齿71其中可包括三角形或T形截面。图5示出了包括一体式密封齿条74的悬链式密封结构72的另一实施例。密封齿 条74直接设置在密封结构72的悬链弯曲部分75上。密封齿条74与定子导叶50的密封 表面54相对接。在一些实施例中，一体式密封齿条74可便于制造。图6示出了另一悬链式密封结构76，该结构76包括从支承密封齿条56的腹板58 延伸的两个单独的悬链弯曲形臂78和80。各臂段78和80均包括延伸到级间容积46中的 悬链式凸状弯曲部分。在其它实施例中，悬链式结构76的厚度、尺寸和形状可变。例如，在 一些实施例中，悬链弯曲部分可包括凹状弯曲部分和凸状弯曲部分的组合。在其它实施例 中，悬链弯曲部分可包括其中具有W形截面、V形截面、M形截面或U形截面的360度的环。 在另一个实例中，可包括任意数目的悬链弯曲部分。此外，密封齿条56和腹板58的相对形 状和尺寸可变。本书面说明使用了包括最佳模式的实例来公开本发明，且还使本领域的技术人员 能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何相结合的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域的技术人员所构思出的其它实例。如果这些 其它的实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构成分，或者如果这些其它实例包括 与权 利要求的书面语言无实质差异的同等结构成分，则认为这些实例落在权利要求的范围 之内。
权利要求
一种系统(10)，包括构造成用以围绕轴线旋转的一对相邻的转子叶轮(34)；以及悬链式密封结构(40)，其仅由所述相邻的转子叶轮(34)机械地支承，且围绕所述轴线环形地设置，用以使所述相邻的转子叶轮(34)之间的容积(46)与在所述相邻的转子叶轮(34)上流动的热流体(52)隔离。
2.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述悬链式密封结构(40)包括具有 至少两个臂段(60，62)的延伸到所述容积(46)中的凸状弯曲区段，所述至少两个臂段(60， 62)沿相对的方向延伸，以便与所述相邻的转子叶轮(34)相对接。
3.根据权利要求2所述的系统(10)，其特征在于，所述臂段(60，62)包括构造成用以 连接到所述相邻的转子叶轮(34)的缘边(66)上的周向榫接区段(64)。
4.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述悬链式密封结构(40)包括构造 成用以与定子导叶密封表面(54)相对接的密封齿条(56)。
5.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述相邻的转子叶轮(34)联接到燃 气涡轮发动机(12)的轴(26)上。
6.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，各相邻的转子叶轮(34)均包括多个 周向间隔开的开口，支承从所述转子叶轮(34)沿径向(35)延伸的涡轮叶片(32)，以及其 中，所述悬链式密封结构(40)在与所述周向间隔开的开口相同的径向位置处与所述相邻 的转子叶轮(34)相对接。
7.根据权利要求1所述的系统(10)，其特征在于，所述系统(10)包括涡轮(22)、燃烧 器(20)、压缩机(18)或它们的组合。
8.一种系统(10)，包括悬链式密封结构(40)，其构造成围绕轴线环形地设置，且由构造成用以围绕所述轴线 旋转的两个相邻的转子叶轮(34)机械地支承，其中，所述悬链式密封结构(40)构造成用以 使所述相邻的转子叶轮(34)之间的容积(46)与在所述相邻的转子叶轮(34)上流动的热 流体(52)隔离；以及一对连接界面(64)，其构造成围绕所述轴线环形地设置在所述悬链式密封结构(40) 的相对的轴向面上，且构造成用以将所述悬链式密封结构(40)附接到两个所述相邻的转 子叶轮(34)上，以便机械地支承所述悬链式密封结构(40)，而无需在所述悬链式密封结构 的相对的轴向面之间的中间支承。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统包括密封齿条(56)，所述密封 齿条(56)设置在所述悬链式密封结构(40)上，且构造成用以与定子导叶(50)的密封表面 (54)相对接。
10.根据权利要求8所述的密封件，其特征在于，所述密封件包括肋条(68)，所述肋条 (68)沿所述悬链式密封结构(40)环形地间隔开，且在所述相对的轴向面之间延伸。
全文摘要
本发明涉及悬链式涡轮密封系统。具体而言，在一个实施例中，悬链式密封结构(40)可仅由两个相邻的转子叶轮(34)机械地支承，用以隔离在两个相邻转子叶轮(34)之间的容积(46)。悬链式密封结构(40)可围绕相邻转子叶轮(34)的旋转轴线环形地设置。
文档编号F02C7/28GK101818661SQ201010122270
公开日2010年9月1日 申请日期2010年2月10日 优先权日2009年2月13日
发明者I·威尔逊, J·S·卡明斯, K·布莱克 申请人:通用电气公司