用于密封间隙的密封元件以及具有该密封元件的燃气轮机

摘要

本发明公开了一种用于密封涡轮机(22)内间隔开的第一和第二部件(2、3)之间的气路漏泄间隙(5)的密封元件(1),其中第一和第二部件(2、3)具有位于漏泄间隙(5)之外的相对的内表面和外表面(9、10)。该密封元件(1)包括一个总体不透气的密封件(4)以及一个包含陶瓷纤维的层(6)。层(6)至少部分覆盖所述密封元件(1)并形成一用来在间隙(5)外侧与涡轮机(22)的第一和第二部件(2、3)的外表面接触的密封面(21)。本发明还公开了一种燃气轮机(22),其包括多个在轴向和圆周方向上设置的部件(2、3),所述部件包括导向叶片(16)的导向叶片板(12)和壁部件(13),它们在圆周方向上或轴向上被一由密封元件(1)密封隔离的漏泄间隙(5)间隔开。

说明书

                        技术领域

本发明涉及一种密封元件，其用于密封在涡轮机、特别是燃气轮机内间隔开的第一和第二部件之间形成的间隙。本发明还涉及一种具有密封元件的燃气轮机。

                        背景技术

在工业设备中，特别是其中使用不同流体的热机机械和化学设备中，可能需要在设备内保持这些流体彼此分开。例如，在热力燃烧发电设备内，热的燃烧气体的流动区域必须与温度较低的冷却气体的流动区域密封地隔开。在具有例如高于1000摄氏度的高的涡轮机入口温度的燃气轮机机组中，该燃气轮机机组的各个部件发生热膨胀，所以为了避免很高的热应力和裂缝的形成，有时利用间隙将相邻的部件彼此间隔开。这种间隙可能构成高温气体流动区域和冷气体流动区域之间的接合处。将该间隙密封起来以减少冷气体流入高温气体流动区域，从而不因此而降低高温气体流动区域的温度是很有利的。

美国专利第3,341,172号和美国专利第2,991,045号均描述了一种具有一外部缸体和一由两部分组成的内部缸体的燃气轮机，它们具体说明了一种用于密封该两个内部缸体之间的间隙的密封元件，该元件具有呈细长的C的形状的横截面。在内部壳体与外部壳体之间形成了一环形间隙，冷却流体通过该间隙引导。驱动燃气轮机的高温气体在内部缸体内流动。

美国专利第4,537,024号描述了一种燃气轮机机组，在该机组中，喷嘴结构的各部件利用轴向和径向密封件进行密封。该密封件是为了阻止流过该喷嘴结构的高温气体渗入高温气体管道外的涡轮区。密封件的横截面大致具有压扁的8字形形状。

美国专利第5,975,844号描述了具有两个受热可相互移动的部件的总成内的一个密封元件，其每个部件具有彼此相对的部件槽。该密封元件沿着主线(main line)设置，以便密封两部件之间的间隙。在基本垂直于主线的横截面内、沿着一中线，该密封元件包括一第一端部、一与第一端部相对的第二端部以及一中间区，籍此该中间区域被设置于所述两端部之间，并且该密封件具有锯齿状第一表面。

美国专利第5,657,998号涉及一种气路泄漏密封，用以总体上密封燃气轮机的间隔开的第一和第二元件，特别是燃气轮机燃烧室壳体的第一和第二段之间的气路漏泄间隙。该密封包括一个普遍无孔的箔层组件(foil-layerassemblage)，该组件基本上由从由金属、陶瓷和聚合物组成的组中选择的材料组成。该箔层是不透气的并且被布置在气体部件漏泄间隙内。该箔层组件具有一纵向的第一箔层。该气体漏泄密封进一步包括一织物层组件(cloth-layer assemblage)，该织物层组件广泛地覆盖并接触整个第一箔组件的外表面，并基本上由从由金属、陶瓷和聚合物组成的组中选出的材料组成。优选地，织物层组件有两层，每层具有约10-25微米的厚度。这些织物层每层都是编织织物层，并且每层都包括一个高温镍基超级合金，如X-750镍铬铁耐热合金。该密封组件或者被安装在燃气轮机相邻部件的槽中，或者被引入燃烧室的U形凸缘内，或者被用于双层密封装置或多层密封装置。在两种情况下，该密封完全置于漏泄间隙内，并通过与该间隙内的表面接触、被插入槽中或者与另一密封组件接触来提供密封作用。与传统的金属刚性密封相比，根据美国专利第5,657,998号，这种具有两个箔组件的密封将气路漏泄由2.4％降低至总的1.0％。

                        发明内容

本发明的一个目的是提供一种气路漏泄密封元件，特别是为如燃气轮机这样的涡轮机提供气路漏泄密封元件。本发明的又一目的是提供一种具有密封元件的燃气轮机。

考虑到前述和其它目的，根据本发明，提供一种用于密封特别是涡轮机内间隔开的第一和第二部件之间的气路漏泄间隙的密封元件。该第一和第二部件具有位于泄漏间隙外的相对的内、外表面。该密封元件包括一个总的不透气的密封件和一个包含陶瓷纤维的层，该层至少部分地覆盖该密封元件，并形成用于与该间隙外侧接触从而与一组第一和第二部件的外表面接触的密封面。

利用陶瓷纤维层，该陶瓷纤维层构成一柔韧的和可变形的密封部分，可以确保良好的密封性能。该陶瓷纤维可以在高达约1200℃或更高的温度下使用。因此，该密封元件可用于密封暴露于高温气体中的涡轮机、炉子、燃烧器等等部件。该密封件提高了该密封元件的刚性，该刚性确保了该密封元件不会断裂成几部分并经该间隙坠落。此外，将该密封元件布置在间隙之外在这些部件的外表面上具有如下好处：即这些部件本身不必加工有槽、凹陷等等，并且不必为了导热的目的而在该间隙区域内加厚。

根据另一特征，该层包括一陶瓷纤维布(ceramic fibre fabric)、一陶瓷纤维带、一陶瓷纤维套管或一陶瓷纤维毡。优选地，该层本身独立于密封件制得。其被布置得与密封件相接触，以在其本身被制成以后，至少覆盖密封件的一部分。因此，优选地，它与密封件是松散地接触，并可从该密封件上卸下。在后一种情况下，在涡轮机维修过程中，它可以很容易地更换成一个新层。在该层被设置成套管的实施例中，该密封件被放入该套管内，从而该密封件的所有面都被该陶瓷纤维层覆盖。也可以将陶瓷纤维层设置成紧紧地包围该密封件。

根据另一特征，该密封件基本上由金属组成。适合的金属是那些耐高温的金属，例如象铬钢这样的耐热钢或以镍或钴为基体的高温合金。该密封件优选地是平的，特别是形成为金属薄板。它可以含有一个或多个平板元件。该金属一方面给该密封件提供了足够的机械刚度，另一方面给该密封件提供了足够的弹性，从而使该密封件在承受例如压强或力的机械载荷时，不会断裂成几部分。

根据又一特征，所述层包括基本上由象氧化锆(ZrO₂)、二氧化硅(SiO₂)或氧化铝(Al₂O₃)这样的材料组成的陶瓷纤维。应当理解的是，这些陶瓷材料可以组合，并且还可利用如氧化钇(Y₂O₃)的其它材料来稳定。例如陶瓷纤维基本上可以由(以重量百分比计)具有莫来石型结晶相和非晶相或仅仅是非晶相的62.5％Al₂O₃、24.5％SiO₂、13％B₂O₃组成；或由具有γ-Al₂O₃、莫来石和无定形SiO₂形式的70％Al₂O₃、28％SiO₂、2％B₂O₃组成；或由具有γ-Al₂O₃和无定形SiO₂的73％Al₂O₃、27％SiO₂组成；或由具有α-Al₂O₃和氧化钇稳定的氧化锆的89％Al₂O₃、10％ZrO₂、1％Y₂O₃组成；或由具有α-Al₂O₃和莫来石的85％Al₂O₃和15％的SiO₂组成；或由如α-Al₂O₃的＞99％的Al₂O₃组成。这样的陶瓷纤维材料例如可以使用位于美国明尼苏达州圣保罗市的3M(Minnesota Mining and Manufacturing Company)公司的商标为“Nextel”的产品。陶瓷纤维的加工以及含有陶瓷纤维的层的制造是本领域普通技术人员所熟知的。因此，含有具有特定特性、特别是达到约1200℃以上至约1372℃的耐热性、柔韧性和其它机械性能的陶瓷纤维的合适的层可以由本领域技术人员来选取，以便提供一个围绕或仅仅覆盖该密封件的层。如气孔率和不透气性的其它特征可以设置在预定的范围内。

根据一个附加的特征，该密封元件包括一个用于插入该间隙的间隙插入部分，该间隙插入部分与该层相连。该插入部分可用作将该密封元件相对于该间隙定位的定位机构。它还用来提供附加的密封作用。优选地，其在间隙的宽度上延伸。更为优选地，其具有可以在该间隙的方向上变形的横截面形状，和/或具有可以变形的内部结构。该插入部分可以具有一环形、圆形或底部胀大了的形状。它可以由与该层相同的材料制成或者甚至可以是该层的一部分。

根据一附加的特征，该密封元件包括一个紧固元件。该紧固元件可以永久地连接到该密封元件上，特别是连接到该密封件上，或者其可拆卸地与该密封元件相连，并且仅当被放入涡轮机中时才与该密封元件相连。该紧固元件可以是任何将该密封元件固定到所述部件的外表面上的合适的机构。优选地，该密封元件松散地与所述外表面相连。因此该紧固元件优选包括一弹簧元件，特别是弹簧片。这种弹簧元件对该密封元件施加附加的压力，并使该密封面与该外表面紧密地接触，并进一步确保了在涡轮机运行期间，该密封元件相对于该部件的外表面处于固定的位置。

根据又一特征，该密封元件被设置于燃气轮机中。该燃气轮机包括多个布置在轴向和圆周方向上的第一和第二部件，其中至少第一和第二所述部件在圆周方向或在轴向上被一漏泄间隙间隔开。另外，在被部件彼此隔开的燃气轮机区域中，主要存在着包括一高温气体区和一冷却气体区的区域。所述部件的内表面暴露于高温气体区中，而其外表面暴露于冷却气体区中。该密封元件的密封面布置于相邻的第一和第二部件的外表面上，从而密封该漏泄间隙。该密封元件可被用来密封在轴向上位于第一和第二部件之间的间隙，或者可被用来密封在圆周方向上位于第一和第二部件之间的间隙。由于与在高温气体区内流动的高温气体的较低压力相比，冷却气体的压力较高，该密封元件被压在该外表面上。为了加大作用于密封元件上的压力并从而提高密封效率，一紧固元件在该密封元件上施加了附加的机械力。由于该密封元件形成了一个与该燃气轮机的该部件的外表面相接触的密封面，并且密封件与外表面存在少量交叠，所以确保了对该间隙区域内的该部件的冷却。因此该间隙处的部件可具有与远离该间隙的区域内的部件相同的厚度。并且在该部件内不需要用来容纳和固定该密封元件的槽或凹陷等等。

根据本发明的另一目的，本发明提供了一种燃气轮机，其包括多个布置在轴向和圆周方向上的部件。该部件包括离开导向叶片的导向叶片板。这些导向叶片板也被叫作围带(shroud)。其它部件是壁部件，其也被称作密封环部件。至少第一和第二部件在圆周方向或在轴向上被一漏泄间隙间隔开。每个所述部件具有位于该漏泄间隙外的相对的内表面和外表面。燃气轮机进一步包括被所述部件彼此隔开的几个区域，其中这些区域包括一高温气体区和一冷却气体区，其中内表面暴露于高温气体区，而外表面暴露于冷却气体区并与所述高温气体区封闭隔开。一个具有一个总的不透气的密封件和一含有陶瓷纤维的层的密封元件用于密封该漏泄间隙。该层至少部分地覆盖该密封元件并形成一密封面，籍此该密封面与第一和第二部件的外表面相接触，从而密封该漏泄间隙。通过高压冷却气体与低压高温气体之间的压差，该密封元件被压在该外表面上。该密封元件还可被一附加的紧固元件固定到该外表面上。

根据又一特征，该紧固元件设置于该燃气轮机的一壁结构和该部件的外表面之间，该壁结构也被称作缸体。该紧固元件优选地将该密封元件压在该外表面上。

根据又一附加特征，一燃气轮机包括一位于该壁结构和该外表面之间的冷却气体区内的冲击板(impingement plate)。该紧固元件在一侧上与所述冲击板相连，在另一侧与所述密封元件相连。所述紧固元件可包括一弹簧元件。因而是弹簧型的。该弹簧元件可以包括一个弹簧片。

尽管如所述那样本发明在此处被描述和说明为一种用于密封一间隙的密封元件和一种燃气轮机，但是，由于在不背离本发明的精神以及在权利要求的等效方案的范围内的情况下，可以对其作出各种改进和结构变化，因此本发明并不局限于所示的详细说明。

然而，通过结合附图阅读下面关于具体实施例的描述，可以理解本发明的结构和操作方法，以及本发明的附加目的和优点。

                       附图说明

图1是一燃气轮机的局部的、概括性的纵断面视图；以及

图2是图1的部分II的进一步放大了的局部视图，显示了燃气轮机内的密封元件。

附图中，附图标记如下：1密封元件                   2第一部件3第二部件                   4密封件5漏泄间隙                   6陶瓷纤维层7间隙插入部分               8冷却气体区9内表面                     10外表面11高温气体区                12导向叶片板，围带13壁部件，导向环部件        14涡轮机主轴线15转动叶片                  16导向叶片17壁结构，缸体              18导向叶片轴线19转动叶片主轴线            20紧固元件21密封面                    22涡轮机，燃气轮机23冲击板                    24孔25冷却液体，冷却气体        26部件2、3的倒圆边缘D间隙5的宽度

                      具体实施方式

现在参照所附的详细的附图，并首先参照其中的附图1，可以看出沿着主轴线14设置的一燃气轮机(下面也称作气轮机)22。该燃气轮机22具有导向叶片16和转动叶片15，它们在壁结构(下面也称作缸体)17内沿轴线方向交替设置。导向叶片或导叶16沿着与主轴线14垂直的轴线18的方向定向，并且沿气轮机22的圆周布置以形成一个圆。导向叶片16每个均通过导向叶片板12连接至气轮机22的缸体17。导向叶片板12也被称作涡轮叶片上的围带或密封带(sealing strip)。其目的是为叶片提供刚性、减轻振动并且在一定程度上提供级间密封。

相邻导向叶片16通过使用各自的漏泄间隙5(见图2)沿圆周彼此间隔开，从而它们基本上可自由地热膨胀。该导向叶片板12将形成于燃气轮机22主轴线14周围的高温气体区11与形成于导向叶片板12与涡轮缸体17之间的冷却气体区8隔开。转动叶片15沿各自的主轴线19延伸，主轴线19同样也基本上垂直于燃气轮机22主轴线14。转动叶片15完全位于高温气体区内。沿燃气轮机22的圆周方向，利用多个壁部件13，其也被称作密封环部件，将该高温气体区11与冷却气体区8隔开。在这种情况下，壁部件13每个都与转动叶片15相邻。壁部件13被连接到涡轮缸体17上。为了清楚起见，在各个例子中，仅显示出一个导向叶片16、一个转动叶片15和一个壁部件13。通过使用间隙5，各个壁部件13在轴向上与各导向叶片16隔开，具体地与导向叶片板12隔开。

该间隙5用密封元件1密封起来，因此基本上防止了冷却气体流出冷却气体区8进入高温气体区11，并防止了高温气体通过间隙5流入冷却气体区8。在这种情况下，导向叶片板12构成第一部件2，而壁部分13构成第二部件3。第一和第二部件2、3每个都具有相应的朝着冷却气体区8的外表面10以及朝着高温气体区11的内表面9。将密封元件1放置来与相邻的第一和第二部件2、3的外表面10紧密接触地布置。部件2、3受热后可以相对于彼此进行移动。因此，在轴线方向上，在相邻导向叶片板12(围带)和壁部件13之间冷却气体区8与高温气体区11的封闭隔开发生，在所有情况下，在圆周方向上，两相邻的导向叶片板12之间的密封隔开、相应地两相邻壁部件13之间的密封隔开发生。

图2是图1中所指示的区域的放大了的横截面图，该区域具有一位于一冲击板23与第一和第二部件2、3之间的密封元件1。该密封元件1用于封闭在第一部件2和第二部件3之间在燃气轮机22轴线方向上具有宽度D的间隙5，其中第一部件2是导向叶片板12，第二部件3是燃气轮机22的壁部件13。密封元件1包括一密封件4，该密封件总的来说是不透气的。该密封件4是一平的元件，具体地是由薄板金属制成的金属条。该金属条的宽度大于间隙5的宽度D。该密封件5给密封元件1提供了良好的机械强度和弹性，从而该密封元件1可承受高压负荷，并避免了密封元件断成几部分并经间隙坠落的危险。所选的金属优选地是耐热钢或高温NiCr合金。该密封件4的所有侧部都用含有陶瓷纤维的层6覆盖。陶瓷纤维层6由陶瓷纤维套管制成，密封件4被放入该套管中。陶瓷纤维层6形成了一个柔韧的、可变形的密封面21。密封件4以其密封面21放置，与相邻的第一和第二部件2、3的外表面10紧密接触，从而该陶瓷纤维被压在外表面10上以封闭间隙5。该纤维优选地由二氧化硅SiO₂和氧化铝Al₂O₃的混合物组成，例如由γ-Al₂O₃和无定形SiO₂的(以重量百分比计)73％Al₂O₃和27％SiO₂组成。

密封元件1还包括一插入部分7，其与密封面21相连并伸入到间隙5中。该插入部分形成一种底部膨大的部分并具有环形横截面视图，从而延伸至间隙5的整个宽度D。它用与层6相同的材料做成，并且由于其形状以及由于柔韧的和弹性的纤维结构，它是可变形的。因此，由于热膨胀或收缩而引起的部件2、3的横向运动可以被该插入部分7补偿。它还用来封闭间隙5，并且相对于间隙5对密封元件1进行定位。

密封元件1被送入冷却气体区8的冷却气体压在外表面10上。冷却气体25的压力高于高温气体(未示出)的压力，高温气体流经高温气体区11内的涡轮22。因此存在一压力差，该压力差使密封元件1被压在外表面10上。

在冷却气体区8中设置了冲击板23，该冲击板具有孔24，特别是通孔，为了进行冷却，冷却气体25通过这些孔被送到部件2、3处。在冲击板23和密封元件1之间可预见一紧固元件20。该紧固元件20在一侧与冲击板23相连，另一侧与密封元件1相连。紧固元件20具有弹簧片形状，其拱形部分与密封元件1相接触。因此紧固元件20增加了施加到密封元件1上的压力，从而提高了密封效率，并对密封元件1的位置进行固定。

部件2、3具有从间隙5到外表面10的倒圆边缘，其便于插入部分7插入间隙5中，并减少了密封元件1的损坏进而降低其效率的可能性。密封元件1仅覆盖外表面10的一小部分，从而即使在边缘26处也保持了冷却流体25对部件2、3的有效冷却。在间隙5附近不需要特殊结构的部件2、3，例如为了导热的目的，部件2、3在间隙5附近增厚。