用于涡轮机中的流动热气的密封组件和方法

摘要

本发明涉及用于涡轮机中的流动热气的密封组件和方法。根据本发明的一个方面，提供一种密封组件，该密封组件包括安装结构，该安装结构连接至涡轮机中的内部静态结构。此外，该密封组件包括连接至安装结构的刷式密封构件，其中刷式密封构件包括与转子密封接触的第一端部和与定子密封接触的第二端部，并且该刷式密封构件包括多个刷毛。

说明书

技术领域

本说明书所公开的发明涉及燃气涡轮机。更具体地，本发明涉及 燃气涡轮机的部件之间的密封件。

背景技术

在燃气涡轮机中，燃烧器将燃料或空气-燃料混合物的化学能转化 为热能。热能由流体(通常是来自压缩机的压缩空气)传递至涡轮， 热能在涡轮处被转化成机械能。压缩空气在压缩机零件或部件之间的 泄漏造成涡轮机的动力输出减少、并且效率降低。泄漏可能是由燃气 涡轮机操作期间某些部件的热膨胀和部件之间的相对移动造成的。因 此，减少部件之间的气体泄漏能够改进涡轮机的效率和性能。

发明内容

根据本发明的一个方面，一种密封组件包括连接至涡轮机中的内 部静态结构的安装结构。此外，该密封组件包括刷式密封构件，该刷 式密封构件连接至安装结构，其中刷式密封构件包括与转子密封接触 的第一端部和与定子密封接触的第二端部，并且刷式密封构件包括多 个刷毛(bristles)。

所述安装结构包括第一板和第二板，所述第一板和所述第二板连 接至所述内部静态结构。所述刷式密封构件布置在所述第一板与所述 第二板之间。所述第二板通过所述第二板的钩形部连接至所述内部静 态结构。大体在所述刷式密封构件的中心附近，所述刷式密封构件连 接至所述第一板和所述第二板。所述第一板包括第一凹部以允许所述 刷式密封构件的所述第一端部沿第一方向移动，并且所述第二板具有 第二凹部以允许所述刷式密封构件的所述第二端部沿第二方向移动， 其中所述第一方向与所述第二方向基本相反。所述第二方向包括用于 跨过所述定子的叶片的热气流路径的流动方向。

所述内部静态结构包括径向定位在所述定子的内侧的内部筒，所 述定子连接至外部静态结构。所述刷式密封构件包括刷毛，所述刷毛 相对于通过涡轮机轴线的径向线以一定角度倾斜。所述第一端部从所 述安装结构基本径向向内延伸，并且所述第二端部从所述安装结构基 本径向向外延伸。或者，所述安装结构包括第一板和第二板，并且所 述刷式密封构件包括位于所述第一板与所述第二板之间的多个刷毛。

根据本发明的另一个方面，一种用于涡轮机的密封组件包括柔性 密封构件，该柔性密封构件包括第一端部和第二端部，其中第一端部 和第二端部均从位于转子与定子叶片之间的静态结构延伸，第一端部 提供静态结构与转子之间的密封接触，并且第二端部提供静态结构与 定子叶片之间的密封接触。

所述柔性密封构件包括刷式密封构件。所述刷式密封构件包括多 个刷毛，其中每个刷毛都包括第一刷毛端部和第二刷毛端部，所述第 一刷毛端部形成所述柔性密封构件的所述第一端部，所述第二刷毛端 部形成所述柔性密封构件的所述第二端部。所述柔性密封构件位于连 接至所述内部静态结构的安装结构上，所述内部静态结构包括内部 筒。所述安装结构包括第一板和第二板，其中所述第二板通过所述第 二板的钩形部连接至所述内部静态结构。所述定子叶片连接至外部静 态结构，所述外部静态结构径向定位在所述内部静态结构的外侧。

在一个实施例中，所述安装结构包括第一板和第二板，并且所述 第一板形成第一凹部以允许所述刷式密封构件的所述第一端部沿第 一方向移动，并且所述第二板形成第二凹部以允许所述刷式密封构件 的所述第二端部沿第二方向移动，其中所述第一方向与所述第二方向 基本相反。

根据本发明的又一个方面，一种用于涡轮机的密封组件包括：定 子叶片，该定子叶片径向位于压缩机的内部筒的外侧；以及刷式密封 构件，该刷式密封构件包括从内部筒延伸的多个刷毛，其中刷式密封 构件的第一端部从内部筒延伸，以提供与定子叶片的密封接触，从而 减少定子叶片与内部筒之间的热气的回流。该组件进一步包括刷式密 封构件的第二端部，从而提供与转子的密封接触，以减少内部筒与转 子之间的热气的泄漏。

在所述刷式密封构件的中心附近，所述刷式密封构件连接至第一 板和第二板，其中所述第二板连接至所述内部筒。

通过下文结合附图的描述，这些以及其它的优点和特征将变得更 加显而易见。

附图说明

与本说明书一起的权利要求中特别指出并且明确要求保护了被 认为是本发明的主题。通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述 和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：

图1是燃气涡轮发动机的实施例的示意图，该燃气涡轮发动机包 括燃烧器、燃料喷嘴、压缩机和涡轮；

图2是示例性压缩机的一部分的侧视图；

图3是示例性密封组件的一部分的详细端视图。

参照附图通过示例的详细的描述解释了本发明的实施例以及优 点和特征。

附图标记列表：

  100   涡轮机系统   102   压缩机   104   燃烧器   106   涡轮   108   轴   110   喷嘴

  112   燃料供给部   200   压缩机   202   密封组件   204   筒组件   206   定子出口叶片   208   转子   209   轴线   210   内部筒   211   刷式密封构件   212   第一端部   213   第二端部   214   第一板   216   第二板   218   钩连接件   220   第一凹部   221   第一方向   222   第二凹部   223   第二方向   226   气流   228   第一路径   230   第二路径   300   刷毛   302   角度   304   线

具体实施方式

图1是燃气涡轮机系统100的实施例的示意图。系统100包括压 缩机102、燃烧器104、涡轮106、轴108和燃料喷嘴110。在一个实 施例中，系统100可以包括多个压缩机102、燃烧器104、涡轮106、 轴108和燃料喷嘴110。压缩机102和涡轮106通过轴108连接。轴 108可以是单个轴，或者可以是连接在一起以形成轴108的多个轴部 段。

在一个方面中，燃烧器104使用液体和/或气体燃料(例如天然气 或富含氢的合成气)来运行发动机。例如，燃料喷嘴110与空气供给 部和燃料供给部112流体连通。燃料喷嘴110产生空气-燃料混合物， 并且将空气-燃料混合物排放到燃烧器104中，由此产生燃烧，所述燃 烧对加压气体进行加热。燃烧器100通过过渡件将热加压排气导入涡 轮喷嘴(或者“一级喷嘴(stage one nozzle)”)中，并且接着导入 涡轮斗叶中，从而使涡轮106旋转。涡轮106的旋转使轴108旋转， 由此在空气流入压缩机102中时对空气进行压缩。涡轮机部件或零件 通过密封件或密封组件连接，所述密封件或密封组件构造成允许零件 的热膨胀和相对移动，同时防止气体在流过涡轮106时泄漏。具体而 言，减少压缩气流在压缩机中的部件之间的泄漏可使沿期望路径的热 气流的体积增加，使得能够从更多的热气提取功，进而使得涡轮机效 率得到改进。下面将参照图2和图3对用于设置在压缩机零件之间的 密封件和密封组件进行详细讨论。

现在参照图2，示出了示例性压缩机200的一部分的侧视图。压 缩机200包括密封组件202，密封组件202连接至筒组件204(也称 作“内部静态结构”或“内部壳体组件”)。密封组件202与定子出 口叶片206和转子208密封接触。筒组件204和定子出口叶片206基 本固定，而转子围绕轴线209旋转。在各个方面中，定子叶片206连 接至外部壳体，外部壳体径向定位在压缩机102(图1)的筒组件204 外侧。在一个实施例中，定子出口叶片206(或定子叶片)包括在压 缩机102出口级(exit stage)的定子部分中。此外，筒组件204包括 内部筒210。密封组件202包括具有第一端部212和第二端部213的 刷式密封构件(brush seal memeber)211。刷式密封构件211位于合 适的安装结构上，以提供与相邻的压缩机102部件的密封接触。例如， 示例性刷式密封构件211位于第一板214与第二板216之间，其中第 一板214和第二板216是筒组件204的一部分、并且/或者连接至筒组 件204。在该实施例中，大体在刷式密封构件211的中心附近，刷式 密封构件211连接至第一板214和第二板216，由此暴露刷式密封构 件211的每个端部(212、213)。此外，第一端部212从安装结构基 本径向向内延伸，并且第二端部213从安装结构基本径向向外延伸。 在一个实施例中，第二板216包括连接件(例如钩连接件218)，以 连接至内部筒210。

如图所示，第一板214包括第一凹部220，以使得刷式密封构件 211(也称作柔性密封构件)能够沿第一方向221移动。类似地，第 二板216包括第二凹部222，以使得刷式密封构件211能够沿第二方 向223移动。在示例性涡轮机系统100操作期间，热气流226被引导 跨过定子出口叶片206。当热气流226由于泄漏或回流而损失速度和/ 或流体时，压缩机102效率降低。第一流动路径228示出了可能在转 子204与内部筒210之间泄漏的气流路径。因此，通过将刷式密封构 件211定位成减少泄漏或者限制沿第一流动路径228的流动，来保持 热气流226的速度。第二流动路径230示出了可能在定子出口叶片206 与内部筒210之间泄漏的回流路径。通过刷式密封构件211减少或限 制了沿第二流动路径230的回流。因此，刷式密封构件211通过限制 泄漏和回流同时保持热气流226的速度而改进了压缩机102效率。

仍然参照图2，示例性刷式密封构件211包括多个刷毛，其中每 个刷毛都从刷式密封构件211的第一端部212延伸至第二端部213。 因此，刷式密封构件211的第一端部212和相应的第一刷毛端部与转 子208密封接触。此外，刷式密封构件211的第二端部213和相应的 第二刷毛端部与转子208密封接触。刷毛可以由任何合适的耐用材料 制成以承受涡轮机100中升高的温度，例如金属或复合材料。在所示 实施例中，密封组件202构造成减少热气流226的泄漏，并且减少从 高压填密区域232的泄漏。相对于内部筒210和密封组件202外侧的 区域，高压填密区域232是内部筒210和密封组件202内的高压区域。 刷式密封构件211由此保持跨过密封组件202的期望的压差。示例性 刷式密封构件211包括具有端部212、213的刷毛，所述刷毛构造成 提供相邻的压缩机102部件的密封接触，其中所述密封接触显著减少、 或限制跨过密封件的流体流。

图3是示例性密封组件202的一部分的详细端视图，其中该视图 是在压缩机102内向下游观察得到的。为了示出密封组件202的某些 部分，去掉了第一板214。在实施例中，多个密封组件202围绕压缩 机轴线209沿圆周定位。在一个实施例中，合适数量的相同的密封组 件(例如2个、4个、6个或8个组件)构成360度组件，该360度 组件布置在压缩机202中，以减少热气流226围绕整个压缩机202的 泄漏。为了简单起见，示出了单个密封组件202。密封组件202包括 多个刷毛300，其中刷毛300相对于从轴线209延伸的径向线304以 角度302倾斜。随着转子208围绕轴线209旋转，刷毛300的倾斜提 供与转子208和定子出口叶片206基本连续的密封接触。多个刷毛300 包括单个刷毛件，所述单个刷毛件构造成保持转子208与内部筒210、 以及内部筒210与定子出口叶片206之间的密封接触。因此，构造成 包括在每个端部处密封接触的刷毛300的密封组件202简化了密封设 计和生产，同时改进了压缩机效率。

尽管仅结合数量有限的实施例已经对本发明进行了详细描述，但 是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够 将本发明修改成结合到目前为止未进行描述但是与本发明的精神和 范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已 经对本发明的各种实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个 方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明并不受到以上描 述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限制。