用于燃气涡轮的密封系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及位于燃气涡轮中的旋转叶片和相邻的非旋转结构之间的环形空间中的缘边密封件。另外，本公开涉及包括密封系统的燃气涡轮。
【背景技术】
[0002]燃气涡轮典型地包括从形成定子的壳体沿径向向内延伸的多排静态涡轮导叶，以及附连到相对于涡轮定子旋转的转子组件上的多排可旋转涡轮叶片。典型地，涡轮缘边密封件密封涡轮定子和涡轮转子之间的间隙，以最大程度地减少转子组件的冷却空气的损失和减少热气吸入涡轮定子和涡轮转子之间的间隙或空间中。
[0003]在从启动到稳态负载运行的运行期间，旋转涡轮转子相对于涡轮定子的位置由于不同的构件的不同的热膨胀和作用在转子上的离心力而改变。得到的相对位移取决于转子上、相应地定子上的部件的位置。结果，缘边密封件的密封表面、相应地缘边密封件的间隙的位置在燃气涡轮的运行期间改变。因此，密封件的泄漏可在运行期间改变。泄漏的增加会降低燃气涡轮性能；具体而言可降低功率和效率，并且泄漏可对燃气涡轮的排放有有害作用。间隙宽度的减小可导致转子和定子部件之间的摩擦，并且可损害燃气涡轮。
[0004]根据US2009/0014964，已知用于涡轮定子和涡轮转子之间的相交部的密封系统，以密封冷却流体。这个密封系统由从涡轮定子延伸的密封件基部、臂形成，臂从涡轮转子沿径向向外且朝向密封件基部延伸，但是在不到密封件基部处终止，从而在密封件基部和臂之间产生间隙。密封系统进一步包括蜂窝形密封件，其附连到密封件基部上且从密封件基部沿径向向内延伸向臂，其中外部密封表面与涡轮转子旋转所围绕的纵向轴线不平行，从而减少涡轮转子轴向移动时的间隙的距离。
【发明内容】
[0005]本公开的目的是提供了一种燃气涡轮的密封系统，其最大程度地减少过渡和稳态运行期间的泄漏，并且避免所有运行状况的危险摩擦。另外，公开的密封系统具有稳定可靠的设计，具有低复杂性，其仅需要对现有解决方案进行小的修改。
[0006]根据第一实施例，一种用于涡轮定子和涡轮转子之间的间隙或通路的密封系统包括:第一密封件基部，其从涡轮定子沿径向面向内；第一密封件，其附连到第一密封件基部且从第一密封件基部沿径向向内延伸；以及第一臂(还称为翅片)，其从涡轮转子沿径向向外且朝向第一密封件延伸。第一臂在不到第一密封件处终止，从而在第一密封件和第一臂之间产生第一间隙。密封系统进一步包括:第二密封件基部，其从涡轮定子沿轴向方向朝向；第二密封件，其附连到第二密封件基部且从第二密封件基部沿轴向延伸向转子；以及第二臂(还称为翅片)，其从涡轮转子沿轴向延伸向第二密封件基部。第二臂在不到第二密封件处终止，从而在第二密封件和第二臂之间产生第二间隙。密封件和臂典型地围绕转子、相应地定子的周边延伸。
[0007]根据一个实施例，第一臂、第二臂和涡轮定子区段的面向第一臂的表面和涡轮定子区段的面向第二臂的表面界定外部腔体。外部腔体与其余环形腔体被第二臂和第二密封件分开。
[0008]这个外部腔体可例如具有布置在导叶平台下面的环的形状。
[0009]夕卜部腔体用作转子和靠近转子的缘边的非旋转部件之间的额外的腔体，以减少泄漏。其还可抑制或阻止热气吸入转子阻尼的被冷却区段中。具体而言，其有助于减少转子由于高温泄漏物进入密封系统中而吸收的热。
[0010]在密封系统的另一个实施例中，面向外部腔体的涡轮定子区段包括两个构件。在两个构件之间，可布置密封件或槽口，其具有预定泄漏速率，以吹扫外部腔体。在密封件或间隙的上游，可布置具有加压暖空气的气室。
[0011]两个构件可例如为成排的涡轮导叶和转子盖，转子盖使上游气室与外部腔体和在定子和第一转子之间的环形间隙分开。
[0012]根据一个实施例，第一密封件和/或第二密封件可由蜂窝材料制成。备选地或组合地，第一密封件和/或第二密封件可由可磨损的材料制成。
[0013]第一臂具有径向延伸部，以抵靠着第一密封件而密封。但是，取决于定子朝向转子的突伸物(典型地导叶平台的一部分)的尺寸，第一臂还可具有朝向定子的轴向延伸部，以桥接转子和定子之间的距离的至少一部分。为了允许容易组装且拆卸，第二臂可比第一臂沿轴向方向朝向涡轮定子延伸得更远。
[0014]根据另一个实施例，密封系统包括锁定板，其附连到成排的旋转叶片上，并且第一臂和/或第二臂从锁定板延伸。
[0015]第一臂和/或第二臂还可从成排的旋转叶片延伸，旋转叶片在涡轮转子那一侧界定密封系统。将臂结合到成排的旋转叶片中会减少部件的数量和避免额外的固定和接口。但是，使用锁定板可简化叶片的制造。具体而言，可沿轴向方向延伸较远的第二臂的铸造会增加铸造模具需要的尺寸，并且使铸造过程复杂化。锁定板可进一步用来减少冷却空气从相邻的叶片之间的空间泄漏到密封系统的通路中。
[0016]具体而言，第一密封件基部可在涡轮导叶的平台的背离涡轮的热气路径的侧。平台表面本身可为密封件基部。取决于定子材料，定子本身可用作结合到定子部件中的密封件和密封件基部。
[0017]除了密封系统，本公开的目标是包括这种密封系统的燃气涡轮。这种燃气涡轮具有压缩机、燃烧室、涡轮、涡轮定子和转子。另外，燃气涡轮包括上面描述的密封系统，以用于密封该燃气涡轮的涡轮定子和涡轮转子之间的通路。
[0018]根据一个实施例，燃气涡轮包括在涡轮定子和涡轮转子之间在第二臂下方沿径向向内延伸的环形腔体，并且燃气涡轮包括进入环形腔体中的吹扫空气供应。
[0019]在从启动到稳态负载运行和稳态基本负载运行的运行期间，旋转涡轮转子相对于涡轮定子的位置改变。得到的相对位移取决于转子、相应地定子上的部件的位置。为了确保密封系统在所有运行状况期间的良好密封性能和确保系统的机械完整性，在设计具有这种密封系统的燃气涡轮时，必须考虑这样的相对位移。
[0020]在冷机状况下组装燃气涡轮，即定子和转子实际上具有环境温度，相应地具有工厂车间的温度，并且在组装期间确定初始的冷机间隙。在稳态、具体而言基本负载或满负载下的暖机运行状况下，定子和转子相对于冷机状况被加热。因为定子和转子典型地由具有不同的热膨胀系数的不同的材料制成，具有不同的几何结构和质量，并且因为部件在运行期间被加热到不同的温度，所以间隙在运行期间改变。在燃气涡轮的运行之后，当其冷却回到冷机状况时，出现另外的改变。在设计燃气涡轮期间，必须考虑热膨胀差，并且可影响热膨胀差。
[0021]根据实施例，燃气涡轮的定子和转子设计成具有热膨胀差，使得设置在第一臂和第一密封件之间的第一间隙在运行期间相对于燃气涡轮的冷机状况下的第一间隙而关闭。这可例如以在支承密封件的结构中的环区段实现，其在局部被冷却，以减少其热膨胀，或其由具有比密封系统处的转子区段的热膨胀系数小的热膨胀系数的材料制成。
[0022]组合地或作为备选方案，定子和转子可设计成具有热膨胀差，使得设置在第二臂和第二密封件之间的第二间隙在运行期间相对于处于冷机状况的第二间隙而关闭。这可通过例如设计具有冷却的涡轮来实现，所述冷却在密封系统的轴向位置和公共上游固定点之间在定子区段中产生比转子区段中更高的平均温升。公共上游固定点可例如为轴向轴承。
[0023]在燃气涡轮的另一个实施例中，定子和转子设计成具有热膨胀差，使得在过渡升温期间，由于定子的热膨胀比转子的热膨胀更快，第二间隙关闭到最小间隙或第二臂摩擦到第二密封件中，并且在燃气涡轮的稳态运行期间，第二间隙打开到比最小间隙更宽的间隙。为了实现这种热膨胀差，燃气涡轮可例如设计成使得在密封系统的轴向位置和公共上游固定点之间与转子区段的比热传递小于在密封系统的轴向位置和公共上游固定点之间与定子的比热传递；其中比热传递为与构件的热传递速率除以构件的热容量。
[0024]在燃气涡轮的又一个实施例中，定子和涡轮转子设计成具有热膨胀差，使得在过渡升温期间，由于定子的热膨胀比转子的热膨胀更快，第一间隙打开到最大间隙，并且在燃气涡