用于密封涡轮组件的设备和方法

摘要

涡轮或涡轮系统包括：压缩机；燃烧器；涡轮区段；扩散器，其在两个构件之间有分离线；以及沿着分离线的密封件。密封件包括凸起、凹部和在凸起和凹部之间的柔性部分。柔性部分具有垂直于分离线的弯曲横截面。弯曲横截面的外表面接触凹部的内表面。弯曲横截面的内表面接触凸起的外表面。密封燃气涡轮系统中的扩散器的两个部件之间的分离线包括将柔性部分设置在两个部件的凸起和凹部之间，使弯曲横截面的外表面接触凹部的内表面，使弯曲横截面的内表面接触凸起的外表面，以及对扩散器加压。

权利要求

1.一种涡轮系统，包括：

压缩机区段；

燃烧区段；

涡轮区段；

扩散器，其在所述扩散器的两个构件之间有分离线；以及沿着所述分离线的密封件，其中，所述密封件包括突出部分，

凹陷部分，以及

在所述突出部分和所述凹陷部分之间的柔性部分，其中：当垂直于所述分离线看时，所述柔性部分具有弯曲横截面，所述弯曲横截面的外表面接触所述凹陷部分的内表面，以及所述弯曲横截面的内表面接触所述突出部分的外表面。

2.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述分离线沿着所述扩散器的轴向方向。

3.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述凹陷部分的内表面为U形。

4.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述弯曲横截面为V形。

5.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述突出部分的外表面的一部分为V形。

6.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述突出部分在所述凹陷部分的内部，在所述突出部分和所述凹陷部分之间有空隙，以允许它们由于热膨胀而相对于彼此移动。

7.根据权利要求6所述的涡轮系统，其特征在于，所述热膨胀是所述扩散器的径向膨胀引起的。

8.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述柔性部分密封所述突出部分和所述凹陷部分之间的空隙。

9.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述弯曲横截面设置成使得跨越所述分离线的压差趋向于使所述弯曲横截面朝不那么弯曲的状态打开。

10.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述涡轮系统进一步包括第二密封件，所述第二密封件与所述密封件相同，其中，所述密封件和所述第二密封件沿着所述分离线彼此端对端地贴靠。

11.根据权利要求10所述的涡轮系统，其特征在于，在所述密封件和所述第二密封件彼此贴靠的位置附近，所述密封件和所述第二密封件不包括所述突出部分和所述凹陷部分。

12.根据权利要求11所述的涡轮系统，其特征在于，所述柔性部分包括所述弯曲横截面的延伸部，使得在所述密封件和所述第二密封件彼此贴靠的位置附近，所述弯曲横截面更长，所述延伸部在所述弯曲横截面的外表面接触所述凹陷部分的内表面的位置的附近。

13.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述密封件包括沿着所述分离线省略了所述凹陷部分和所述突出部分的长度，并且所述柔性部分包括所述弯曲横截面的延伸部，使得所述弯曲横截面在省略了所述凹陷部分和所述突出部分的位置处更长。

14.根据权利要求1所述的涡轮系统，其特征在于，所述弯曲横截面包括相对于所述突出部分固定的固定端和在所述弯曲横截面的外表面接触所述凹陷部分的内表面的位置附近的自由端。

15.根据权利要求14所述的涡轮系统，其特征在于，所述密封件包括沿着所述分离线省略了所述凹陷部分和所述突出部分的长度，并且所述柔性部分包括所述弯曲横截面的延伸部，使得所述弯曲横截面在省略了所述凹陷部分和所述突出部分的位置处更长。

16.一种功率装置，包括：

涡轮系统，包括

压缩机区段，

燃烧区段，

涡轮区段，

扩散器，其在所述扩散器的两个构件之间有分离线，沿着所述分离线的密封件，其中所述密封件包括突出部分，

凹陷部分，以及

在所述突出部分和所述凹陷部分之间的柔性部分，其中：当垂直于所述分离线看时，所述柔性部分具有弯曲横截面，所述弯曲横截面的外表面接触所述凹陷部分的内表面，以及所述弯曲横截面的内表面接触所述突出部分的外表面；

机械负载或电气负载；

入口系统；以及

控制系统。

17.一种涡轮，包括：

第一扩散器构件；

第二扩散器构件；

在所述第一扩散器构件和所述第二扩散器构件之间的分离线；以及沿着所述分离线的密封件，其中，所述密封件在横截面上包括，凸形部分，

凹形部分，以及

在所述凸形部分和所述凹形部分之间的柔性部分，其中：当垂直于所述分离线看时，所述柔性部分具有弯曲横截面，所述弯曲横截面具有固定端和自由端，所述弯曲横截面的外表面在所述自由端附近接触所述凹形部分的内表面，以及所述弯曲横截面的内表面在所述固定端附近接触所述凸形部分的外表面。

18.根据权利要求17所述的涡轮，其特征在于，所述第一扩散器构件和所述第二扩散器构件共同形成围绕通过所述涡轮的流的壳，通过所述涡轮的流在所述壳的内部进行扩散，并且所述密封件适于防止流体穿过所述分离线从所述壳的外部流到所述壳的内部。

19.根据权利要求17所述的涡轮，其特征在于，所述分离线沿着所述扩散器的轴向流方向延伸。

20.一种密封权利要求17所述的涡轮的方法，所述方法包括：将所述柔性部分设置在所述凹形部分和所述凸形部分之间，使得所述弯曲横截面的外表面在所述自由端附近接触所述凹形部分的内表面，并且所述弯曲横截面的内表面在所述固定端附近接触所述凸形部分的外表面；以及对所述第一扩散器构件和所述第二扩散器构件的内部加压。

说明书

用于密封涡轮组件的设备和方法

技术领域

[0001] 本文公开的主题涉及密封组件的设备和方法。特别地，设备和方法涉及沿着涡轮组件的两个构件之间的分离线提供密封件。

背景技术

[0002] 由于诸如制造简单或维护需要的考虑，可将功率装置组件的构件分成子构件，以可移除的方式将它们彼此连结。在子构件彼此接近或接触且可彼此分开的位置形成所谓的
分离线，并且其可包括设置在各构件之间的密封件。当存在与子构件有关的压差，即从内部到外部的压差，从外部到内部的压差，或者在子构件内的压差时，如果分离线未得到充分密封的话，压差可能趋向于产生穿过分离线的流。

[0003] 如果子构件在工作中遇到温度变化或温度梯度，则在分离线上提供密封可能是有挑战的。例如，如果子构件具有几百华氏度或者甚至几千华氏度的工作温度，则在子构件达到工作温度时，子构件可经历相当大的热膨胀。这可引起沿着分离线的尺寸变化，而且在子构件过渡到工作温度时，这样的尺寸变化可损害沿着分离线的任何密封件的特性。即使一
旦子构件达到稳定状态或半稳定状态工作温度，沿着分离线的温度梯度也可使密封件沿着
温度梯度具有不同的密封特性。即使沿着分离线的小尺寸变化也可导致密封性能有相当大
的变化，使得密封件变得不确定，因为密封件的尺寸变化可能使得预测构件在哪里彼此接
触，以及/或者构件在哪里接触密封件是困难的。

[0004] 不同的密封件特性在效率特别重要的涡轮中可能是特别得到关注的。例如，尽管泄漏可得到解决或者甚至是合乎需要的，但能够对泄漏进行建模或预测对于控制或测量涡
轮的性能是有用的。可包括这种分离线和/或密封件的特定构件是涡轮中的扩散器。

发明内容

[0005] 用于密封本文描述的涡轮组件的设备和方法的各方面对与现有技术相关联的一个或多个问题或缺点提供解决方案。

[0006] 在一个示例性但非限制性方面，本公开涉及一种涡轮系统，包括：压缩机区段；燃烧区段；涡轮区段；扩散器，其在扩散器的两个构件之间有分离线；以及沿着分离线的密封件。密封件包括突出部分、凹陷部分和在突出部分和凹陷部分之间的柔性部分。当垂直于分离线看时，柔性部分具有弯曲横截面。弯曲横截面的外表面接触凹陷部分的内表面，并且弯曲横截面的内表面接触突出部分的外表面。

[0007] 在另一个示例性但非限制性方面，本公开涉及一种功率装置，包括：涡轮系统；机械负载或电气负载；入口系统；以及控制系统。涡轮系统包括：压缩机区段；燃烧区段；涡轮区段；扩散器，其在扩散器的两个构件之间有分离线；以及沿着分离线的密封件。密封件包括突出部分、凹陷部分和在突出部分和凹陷部分之间的柔性部分。当垂直于分离线看时，柔性部分具有弯曲横截面，弯曲横截面的外表面接触凹陷部分的内表面，并且弯曲横截面的内表面接触突出部分的外表面。

[0008] 在另一个示例性但非限制性方面，本公开涉及一种涡轮，包括第一扩散器构件；第二扩散器构件；在第一扩散器构件和第二扩散器构件之间的分离线；以及沿着分离线的密封件。密封件在横截面上包括凸形部分、凹形部分和在凸形部分和凹形部分之间的柔性部
分。当垂直于分离线看时，柔性部分具有弯曲横截面，弯曲横截面具有固定端和自由端，弯曲横截面的外表面在自由端附近接触凹形部分的内表面，并且弯曲横截面的内表面在固定
端附近接触凸形部分的外表面。

附图说明

[0009] 图1是涡轮发动机系统的示意图；

[0010] 图2是涡轮发动机系统中的扩散器的局部横截面；

[0011] 图3A是在扩散器的两个构件匹配位置的分离线和相关联的密封件的详细视图；

[0012] 图3B是图3A的一部分的详细视图；

[0013] 图4是扩散器构件之间的分离线和密封件的横截面图；以及

[0014] 图5是密封件的柔性构件的独立视图。

具体实施方式

[0015] 下面将对本发明的一个或多个具体实施例进行描述。为了致力于提供对这些实施例的简明描述，可能不会在说明书中对实际实现的所有特征进行描述。应当理解，当例如在任何工程或设计项目中开发任何这种实际实现时，必须作出许多对实现而言专有的决定来
实现开发者的具体目标，例如符合与系统有关及与商业有关的约束，开发人员的具体目标
可根据不同的实现彼此有所改变。此外，应当理解，这种开发工作可能是复杂和耗时的，但尽管如此，对具有本公开的益处的普通技术人员来说，这种开发工作将是设计、生产和制造的例行任务。

[0016] 本文公开了详细的示例实施例。但是，本文公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，以便描述示例实施例。但是，本公开的实施例可体现为许多备选形式，并且不应理解为局限于本文阐述的实施例。

[0017] 因此，虽然示例实施例能够有各种修改和备选形式，但在图中仅以示例的方式示出其实施例，并且将在本文详细地描述其实施例。但应当理解的是，不意于将示例实施例局限于公开的特定形式，而是相反，示例实施例覆盖落在本公开的范围内的所有修改、等效物和备选方案。

[0018] 本文所用的用语仅是为了描述特定实施例，并且不意于限制实例实施例。如本文所用，单数形式“一”、“一种”和“所述”意于也包括复数形式，除非上下文清楚地另有说明。
当在本文中使用时，用语“包括”和/或“包含”规定了存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或构件，但是不排除存在或增加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、构件和/或它们的组合。

[0019] 虽然用语第一、第二、主要、辅助等可在本文用来描述各种元件，但这些元件不应受这些用语限制。这些用语仅仅用来区分一个元件与另一个元件。例如(但不限于)，第一元件可称为第二元件，而且类似地，第二元件可称为第一元件，而不偏离示例实施例的范围。如本文所用，用语“和/或”包括一个或多个相关联的所列项目的任何和所有组合。

[0020] 在本文使用某些用语可仅仅是为了方便读者，而且不应将其理解为限制本发明的范围。例如，诸如“上”、“下”、“水平”、“竖直”、“上游”、“下游”、“前”、“后”等词语仅仅描述图中显示的构造。实际上，本公开的实施例的元件或多个元件可按任何方向定向，因此用语应当理解为包含这样的变型，除非另有规定。

[0021] 如在说明书和权利要求中所使用的那样，“基本”和“大约”至少包括相对于理想值或标称值的在制造公差、工作公差和/或检查公差之内的偏离。

[0022] 本公开可应用于压缩吸力空气的各种各样的燃气涡轮发动机，诸如(但不限于)重型燃气涡轮；航空衍生燃气涡轮等等。本公开的实施例可应用于单个燃气涡轮发动机或多
个燃气涡轮发动机。本公开的实施例可应用于在单个循环或联合循环中工作的燃气涡轮发
动机。

[0023] 图1示出燃气涡轮发动机10，其具有入口系统12。燃气涡轮发动机10大体包括压缩机14、具有燃烧室16的至少一个燃烧器和涡轮区段18。在基于陆地的燃气涡轮中，涡轮区段
18典型地驱动机械负载或电气负载，诸如发电机20。压缩机14设有入口，入口可包括多个入口导叶(未显示)，它们布置在入口气室22的下游。涡轮区段18流通地连接到扩散器100上，扩散器100连接到热回收蒸汽发生器32上。入口系统12大体包括雨水罩24，雨水罩24安装到入口过滤间26的上游端上。雨水罩24通过入口空气导管28流通地连接到入口气室22上。可
提供控制系统30来控制燃气涡轮发动机10的任何方面。燃气涡轮发动机10可安装成功率装
置的一部分。

[0024] 图2示出燃气涡轮发动机10中的扩散器100的简化局部横截面。扩散器100的内部部分102允许扩散器100将速度转换成压力，即，对燃气涡轮发动机10中的气体流执行扩散
功能。扩散器100的外部部分104提供用于冷却流106的区域。提供冷却流106是为了使外壳
107保持低于最高工作温度。例如，外壳107可由碳钢制造而成，碳钢具有大约600至700华氏度的最高容许工作温度，而内部部分102可具有大约1200华氏度的高温燃烧气体。可提供冷却流106，以允许外壳107在这样的工作条件下工作。

[0025] 外部部分104中的流体(例如，冷却流106)可比内部部分102中的流体(例如，燃烧气体)处于更高的压力。例如，外部部分104中的流体可具有比内部部分102中的流体更高
2psi和3psi之间的压力。这种压差将使流体从外部部分104流到内部部分102。实际上，有意在前排出孔110和后排出孔112处提供一些流。

[0026] 图3A提供朝向扩散器外壳108的外表面的视图。如所示出的那样，扩散器外壳108包括第一构件114(上部构件)和第二构件116(下部构件)，它们合在一起形成壳，壳形成扩
散器100的外周。可提供任何数量的构件。为了简单，描述了两个构件。两个构件可各自基本为扩散器100的180°。

[0027] 第一构件114和第二构件116在分离线118处相遇，分离线118延伸通过扩散器108到达外部部分104，并且大体沿着燃气涡轮发动机10的轴向方向或轴向流方向延伸。示出了分离线118是基本水平的，但这不应理解为限制性的。任何构造的分离线118者是适用的，包括例如周向分离线、竖向分离线、水平分离线、非笔直分离线或者它们的组合。由于形成密封组件120的构件的原因，分离线118的大部分在图3A中是不可见的。

[0028] 图3B显示图3A的放大视图，并且示出密封组件120的一部分。图3A特别示出了两个密封组件120，它们基本相同且彼此端对端地贴靠。

[0029] 图4示出密封组件120的横截面。密封组件120包括插入到凹陷部分124中的突出部分122。示出了在突出部分122和凹陷部分124之间的柔性部分126。突出部分122和凹陷部分
124可形成于两个部件上，两个部件基本彼此成镜像而形成周向壳。突出部分122和凹陷部
分124可由任何适当的材料形成。柔性部分126可由提供足够的弹性和/或像弹簧一样的作
用的任何适当的材料制成。

[0030] 突出部分122可包括外表面128，外表面128可为凸形和/或大体V形的。凹陷部分124可为凹形和/或大体U形和/或鱼嘴形。突出部分122可为突舌，而凹陷部分124则可为凹
槽。实际上，突出部分122和凹陷部分124可具有彼此互补且适应本公开的其它方面的任何
形状。在突出部分122和凹陷部分124之间提供间隙130。间隙130可允许突出部分122和凹陷部分124之间有制造公差。间隙130可允许突出部分122和凹陷部分124之间由于热膨胀而有
变化，如上面论述的那样。热膨胀可能是因为例如扩散器100的径向热膨胀引起的。外表面
128可大体与柔性部分126的内表面互补。间隙130可为提供对于制造和/或热负载引起的尺
寸变化来说充分的空隙的任何距离。在示例中，间隙130基本介于0英寸和0.1英寸之间。在示例中，间隙130基本介于0.020英寸和0.080英寸之间。在示例中，间隙130基本介于0.040英寸和0.060英寸之间。随着突出部分122和凹陷部分124热膨胀，间隙130可变小或变大，这取决于诸如特定结构构造和/或温度梯度的因素。

[0031] 密封组件120可不设有柔性部分126。这种构造提供优于不包括突出部分122和凹陷部分124的分离线118(“笔直”分离线)的优点，因为突出部分122和凹陷部分124的互补构造允许因为热膨胀而有一些尺寸变化，或者因为其它原因而有尺寸变化，同时仍然对“笔
直”分离线提供良好的密封性能，因为突出部分122和凹陷部分124的互补形状允许在热膨
胀和收缩期间至少在某种程度上在突出部分122和凹陷部分124之间保留接触。

[0032] 柔性部分126具有弯曲横截面，它可基本为V形或U形。柔性部分126的第一端132可至少在一个点处接触突出部分122的外表面，并且第一端132被示出为完全沿着突出部分
122的面向内部部分102的第一侧134接触突出部分。柔性部分126可通过任何适当的手段保
持就位。如图4中示出的那样，柔性部分126在第一侧134处夹在突出部分122和凹陷部分124之间，使得突出部分122和凹陷部分124两者都接触柔性部分126。还示出了柔性部分126设
置在突出部分122中的槽口或凹槽136内。凹槽136可提供抵抗柔性部分126移动的紧密配合
(诸如压配)，或者可提供允许柔性部分126在凹槽136内滑动的松弛配合。

[0033] 虽然外表面128和柔性部分126具有相似形状，但柔性部分126可为较大的V形或U形，使得当第一端132如上面描述的那样受约束时，第二端138被偏压远离突出部分122的面向外部部分104的第二侧140。第二端138可接触凹陷部分124的内表面。关于这个构造，柔性部分126跨越间隙130，并且当穿过分离线118从外部部分104到内部部分102应用压差时，允许较好地抵抗通过分离线118的流。由于应用了压力时，压力应用趋向于打开柔性部分126
的V形或U形或使其变平，或者趋向于促使柔性部分126进入“不那么弯曲”的状态的力，并且改进密封。而且，通过以所示出和描述的方式接触突出部分122和凹陷部分124，柔性部分
126能够在间隙130由于制造和/或热膨胀而有尺寸变化的情况下弯曲。

[0034] 由于包括柔性部分126，在柔性部分126和凹陷部分124的内表面和/或突出部分122的外表面之间产生的间隙可为0.0至0.004英寸，0.0至0.002英寸，或0.0至0.1英寸，或者提供充分密封的任何间隙。柔性部分126可弯曲、膨胀和/或压缩，以尽可能最大程度地减小产生的间隙。

[0035] 包括柔性部分126提供某些优点，因为密封组件120变得比无柔性部分126的密封组件更具有确定性。例如，柔性部分126在热膨胀导致其变化的期间膨胀和收缩(通过变形)的能力允许沿着分离线118有更一致的密封。如果没有柔性部分126，密封组件120密封的能力变得不那么可预测和/或不那么可靠。例如，如果密封组件120在较高的温度下不能有效
地密封，则由于压力的原因，更多流体将流动穿过分离线118。这对涡轮的联合循环效率可有不合需要的影响，因为例如比需要的更多的冷却流体进入到扩散器100中，并且降低联合循环效率。由于密封得到改进，可出现诸如减少冷却流、减少流预测的不确定性和改进热预测的好处。

[0036] 图5单独示出柔性部分126。单独示出柔性部分126更容易地显示延伸的叶片142，或可设置在柔性部分126的一个或两个端部上的柔性部分的弯曲横截面的延伸部。

[0037] 回到图3B，延伸的叶片142可设置在其中省略了突出部分122和凹陷部分124的位置上。由于例如制造和/或维护考虑，在两个基本相似的密封组件120彼此端对端地贴靠的
位置可省略突出部分122和凹陷部分124的长度。而且，在单个密封组件120结束的位置，可省略突出部分122和凹陷部分124。在这些情形中，可提供延伸的叶片142来确保柔性部分
126充分地延伸以覆盖分离线118。如可在图4中看到的那样，在不包括延伸的叶片142的位
置(在这个图中的第二端138附近)，分离线118未被柔性部件覆盖。在包括突出部分122和凹陷部分124的位置，省略延伸的叶片142可防止干扰，同时仍然允许整体密封，在没有突出部分122和凹陷部分124的情况下，延伸的叶片142不会引起干扰，但覆盖分离线118而形成密
封。

[0038] 虽然前述描述集中在扩散器的分离线上，但密封组件120可应用于具有分离线的任何构件。此外，分离线可为直的或弯曲的，而且可适用于任何密封件，并且在由于构件之间的相对运动(例如，构件的热膨胀)而出现变化的情形中是特别有用的。

[0039] 虽然已经关于目前认为的最实际和优选的实施例来描述了本发明，但要理解的是，本发明不局限于公开的实施例，而是相反，本发明意于覆盖包括在所附权利要求的精神和范围之内的各种修改和等效布置。

[0040] 部件列表

[0041] 10燃气涡轮发动机

[0042] 12入口系统

[0043] 14压缩机

[0044] 16燃烧室

[0045] 18涡轮区段

[0046] 20发电机

[0047] 22入口气室

[0048] 24雨水罩

[0049] 26入口过滤间

[0050] 28入口空气导管

[0051] 30控制系统

[0052] 32热回收蒸汽发生器

[0053] 100扩散器

[0054] 102内部部分

[0055] 104外部部分

[0056] 106冷却流

[0057] 107外壳

[0058] 108扩散器外壳

[0059] 110前排出孔

[0060] 112后排出孔

[0061] 114第一构件

[0062] 116第二构件

[0063] 118分离线

[0064] 120密封组件

[0065] 122突出部分

[0066] 124凹陷部分

[0067] 126柔性部分

[0068] 128外表面

[0069] 130间隙

[0070] 132第一端

[0071] 134第一侧

[0072] 136凹槽

[0073] 138第二端

[0074] 140第二侧

[0075] 142叶片。