CN101014790A - 叶片密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叶片密封装置(30，50)，其中，在外壳(33，53)内部有与叶片密封元件(32，52)上的非平行倒角边缘(41，61)内关联的边缘部分(40，60)。在这样的状况下，叶片密封元件(32，52)相对于旋转轴(37，57)在向外方向(42，62)或向内方向(43，63)上的偏转形成边缘(40，60)与倒角边缘(41，61)之间的控制间隙X、XX的变化。控制间隙X、XX的这种增大或减小调整了叶片密封元件(32，52)具有的空气动力径向力，借此，那些元件(32，52)可以更准确地维持在所要求的叶片位置，以便最优化泄漏，同时实现良好的耐磨性能。

Description

叶片密封装置

本发明涉及叶片密封(leaf seal)装置，尤其是涉及针对旋转轴所使用的叶片密封装置。

应当理解，存在很多需要在轴的两侧设置密封分隔区域的情形。不过，这些轴在旋转期间会受到偏心度(eccentricity)的影响，因此传统上使用了迷宫式或刷式密封件。刷式密封件通常包括朝该轴伸出的一定深度的硬毛，以便在该密封装置上形成一种屏障。显而易见，应当明白，这些硬毛的尖端容易磨损，特别是在这些硬毛通过使用背衬板或高压差而被向下“锁定”成与该轴相接合的情况下。

近年来，已经设计了叶片密封件来克服刷式密封件的过早磨损和使用寿命低的问题。这些叶片密封件包括金属叶片来取代上述刷式密封装置中的硬毛。在轴向方向上设置一定深度的叶片，叶片在径向方向上是顺从的，但在轴向方向上是刚性的。轴向方向上的刚性消除了对支撑垫环的需要，因而消除了在密封装置上施加不同压力时叶片密封元件锁定在某一位置的任何倾向。密封元件锁定在某一位置会造成该轴与密封叶片的边缘之间的最大接触磨损。

与单个硬毛相比，传统叶片密封件借助于叶片的固有轴向刚性而消除了与刷式密封有关的轴向弯曲问题。将叶片堆叠在一起的方法会在叶片之间形成将会成为泄漏路径的空隙，所以采用前板和后板来限制这种流动。可以看出，这些板的位置能够改变基本的叶片行为：封闭前板或封闭径向间隙前板将促进一种提升的吹上(blow up)力作用在叶片上，而封闭后板或封闭径向间隙后板将促进一种向下的吹下(blow down)力作用在叶片上。通常，几何形状将限定为促进一个或其它基本特征，增加的泄漏由基本吹上设计配置引起，增加的磨损由基本吹下配置引起。

理想地，邻接轴的叶片边缘在其间存在有微小的气隙，这样，这些叶片基本上漂浮在(ride on)通过该间隙泄漏的空气上，以阻止叶片密封元件在旋转轴上的过早接触磨损。应当理解，该气隙必须尽可能地窄，以便使得只需要最小量的泄漏空气就能形成这种空气漂浮效果，从而限制该密封件的实际泄漏量。应当明白，通常在沿轴的轴向长度的相邻位置上设置若干叶片密封装置，以进一步地限制在整个组合组件上通过它们的深度的泄漏量。不过，叶片密封元件边缘与该轴之间的紧密接近增加了接触和磨损的可能性。

如果将该密封件布置成可改变其行为以匹配不同的工作条件，则将是有利的。

依照本发明，提供了一种叶片密封装置，其包括在外壳内部伸出的多个叶片密封元件，至少一些叶片密封元件具有边缘倒角，该外壳具有与边缘倒角相关联的边缘部分，借此，在使用时，这些叶片密封元件的偏转改变了该边缘倒角与该边缘部分之间的任何控制空隙，以改变叶片密封元件偏转的阻力。

通常，叶片密封元件在外壳内沿径向伸出。

通常，所有的叶片密封元件都具有同样的倒角边缘，借此，叶片密封元件的相对两个侧边彼此不平行。总的来说，所述边缘倒角是在叶片密封元件上形成的直的向内截断或向外倾斜。

总的来说，该外壳的所述边缘部分包括朝着所述边缘倒角向内凸出的球状脚部。

通常，所述叶片密封元件在使用时朝着旋转轴有角度地存在于外壳内部。一般来说，所述边缘部分在使用时通常布置成位于该装置的高压侧。

进一步，依照本发明，还提供了一种叶片密封组合，其包括多个如上所述的叶片密封装置。

另外，依照本发明，还提供了一种包括如上所述的叶片密封装置或叶片密封组合的发动机。

现在参考附图，将通过举例描述本发明的实施例，其中：

图1是传统叶片密封装置在轴的轴线方向上的部分横截面示意图；

图2是图1所示的传统叶片密封装置的部分横截面示意图；

图3是叶片密封装置的第一实施例在旋转轴方向上描绘的部分横截面示意图；

图4是图3所示叶片密封装置的第一实施例的部分横截面示意图；

图5是叶片密封装置的第二实施例在旋转轴方向上描绘的部分横截面示意图；

图6是图5所示叶片密封装置的第二实施例的部分横截面示意图；和

图7是发动机的部分横截面示意图。

本发明限定了根据叶片位置改变吹上或吹下行为的装置。例如，有利的是，将密封件限定为在一开始处于“吹上”构造，以适应增加的轴直径(这例如是由离心增长引起的)，这伴随有压差的增加。但是，通常希望限制该吹上特征，甚至希望引起一些吹下，以使在该已改变的工作条件下产生较少的泄漏。这可以通过构造该叶片轮廓的前部和/或后部以在给定的叶片方向上提供一组预定的控制间隙来实现。根据该操作所需要的力，可以使用简单的倒角，或更复杂的复合倒角或曲线。

参照图1和2，其描绘了传统的叶片密封装置1。因而，该装置1包括若干固定在外壳3内部的叶片密封元件2，外壳3具有用来约束和安置这些叶片密封元件2的侧板4、5。应该理解，绕该外壳的整个圆周都有元件2朝轴7伸出。这些元件2堆叠成使得朝叶片2的外密封直径形成接近正三角形的小间隙6。没有进一步的附加特征，这些间隙6作为该密封装置1的泄漏路径。设置该侧板4、5，以便限制流入和流出由并排在该外壳3中的叶片密封元件2构成的封装组件的流量。

可以看到，叶片2以一种基本上沿向内径向的有角度构造朝该旋转轴7伸出，使得与旋转轴7表面接触的叶片密封元件2定位成使泄漏最小。该侧板4、5的内径8选择成使得可利用的进口区域最小。侧板4、5的内径8到旋转轴7之间的间隙是受限的，但保持成为轴7的旋转偏心度留有足够的轴向间隙。

叶片密封元件2受到叶片力的作用，该叶片力倾向于提升(吹上)元件2或者将该元件2降低(吹下)成与轴7相接合。这些叶片力的产生利用了对间隙的选择、该密封装置1上从上游侧9到下游侧10的工作密封压降、以及轴7的旋转速度。如前面所指出的，一种特定问题涉及叶片密封元件2作用在轴7上的过大的向下压力，由此导致这些叶片密封元件2的过早磨损，并因而导致密封装置1性能的降低。

应当理解，该旋转轴可能受到若干旋转偏心度的影响，旋转偏心度会使接触表面11的相对位置朝箭头A的方向位移。该位移对叶片密封元件2施加压力，从而导致其弯曲以适应这些位移。叶片密封元件2的弯曲通常会造成叶片密封元件2之间的区域12内的泄漏，但是由于侧板4、5的约束，该泄漏将会被阻塞，并迫使该叶片密封元件2的端部与表面11之间形成锁定接合，从而引起这些元件2和表面11之间更大的磨损。不过，依照本发明所希望的是，利用下面所述的实施例，通过对该泄漏的更大控制，实现对叶片密封元件的变形和偏转的更大控制，借此在叶片密封元件的端部与旋转轴表面之间维持紧密但留有间隔的定位。在这样的状况下，密封效率得到保持，同时降低了邻接旋转轴表面的密封元件边缘的磨损。

图3和4显示了依照本发明的叶片密封装置的第一实施例。因而，该装置30包括若干叶片密封元件32，其像前述介绍的一样，叶片密封元件32在外壳33内朝旋转轴37有角度地沿径向伸出。该外壳33包括用来朝旋转轴37约束和安置叶片密封元件32的侧板34、35。如前面一样，该外壳33通过侧板34、35而具有内径38，这样存在最小进口区域31，以适应旋转偏心度。

总的来说，依照本发明，外壳33的朝着高压侧39的上游侧板34具有边缘部分40，该边缘部分40沿轴向向外壳33内部延伸，以接合该密封元件32的倒角边缘41。所以，叶片密封元件32具有非平行特性。由于该倒角边缘41的切除或截断性质，应当明白，当密封元件32在方向42上弯曲时，控制间隙X增加。增大的控制间隙X调节所存在的空气动力，并且，允许调节该径向力，以便与轴37的偏心旋转所需要的偏转相匹配。或者，当该倒角边缘41朝边缘部分40移动从而存在箭头43方向上的移动时，该控制间隙X减少。在这样的状况下，根据偏转运动的方向42、43，径向力往复变化，以便提供与所需要的偏转相匹配的调整，以使叶片密封元件32适当地定位成漂浮在叶片密封元件32端部与旋转轴37表面31之间的精确气隙上。该适当的位置等同于该装置的稳态条件。

图5和6显示了依照本发明的叶片密封装置50的第二实施例。总的来说，第二实施例提供了向外的倒角边缘，不同于图3和4所描绘的向内或切出的倒角边缘41。该装置50还包括布置成绕旋转轴57从外壳53有角度地径向伸出的叶片密封元件52。设置有侧板54、55，叶片密封元件52存在于侧板54、55内部。设置有球状边缘部分60，其沿径向向外壳53内部延伸，用于与倒角边缘61相关联，以便使边缘60与倒角边缘61之间的控制间隙XX随叶片密封元件52的偏转而变化。因此，在箭头62方向上的向外偏移导致控制间隙XX的减小，而在箭头63方向上的向内偏转导致控制空隙XX的增大。如前面所指出的，控制间隙XX宽度的这些变化改变了所存在的空气动力，因此控制了元件52相对于该轴的位置。

适当选择用于控制该控制间隙X、XX的球状边缘部分40、60和与之相对的倒角边缘41、61，借此，通过该控制间隙X、XX产生的泄漏确保了对偏转的径向阻力会有变化，即易于受吹上力或吹下力的影响。该变化与叶片密封元件32、52所需要的偏转相匹配，而叶片密封元件32、52所需要的偏转取决于旋转轴37、57的偏心度和/或密封装置30、50上的压差。通过适当选择该边缘部分40、60和倒角边缘41、61的大小和形状，可以根据具体安装需要来协调该径向力的必要响应和调整。应当明白，如图所示，边缘部分40、60和倒角边缘41、61可以设置在密封装置30、50的上游前沿和/或该装置30、50的下游或尾沿侧(也就是在侧板35、55上)。通过这样的布置，可以为叶片密封元件32、52提供变化的偏转响应性，借此使这些元件32、52与轴37、57之间很少有锁定接触，即不存在过大的吹下压力使得有害的磨损导致密封装置30、50的过早失效。

为了实现所要求的密封效果和使用寿命，除制造叶片密封元件32、52的材料种类以及叶片密封元件32、52的厚度和形状之外，与倒角边缘41、61相关联的边缘部分40、60的使用提供了另一种设计选择。

应当明白，边缘部分40、60和倒角边缘41、61的相对定位对于非平行响应来说不必是关于该轴57成线性的。因而，控制间隙X、XX根据叶片密封元件32、52偏转而变宽或变窄的进程不能提供该控制间隙X、XX的宽度随位移进行均匀一致的变化，由此，径向力可以随偏转而非均匀地变化。在这样的状况下，倒角边缘40、41或许具有由虚线44、64示出的弯曲或其它凹进形状，由此，控制间隙X、XX随着沿箭头方向42、43；62、63的偏转变化而非均匀地变化。

传统上，应当明白，叶片密封元件封装件或堆叠件的上游面(板34、54)的特征倾向于控制“吹上”行为，而下游(侧板35、55)的特征倾向于控制密封装置30、50的“吹下”行为。通过将图3、4与图5、6所描绘的实施例组合成一种密封装置组合并处于该组合的进口侧和出口侧，可以通过利用控制节流孔来根据密封元件32、52偏转的需要切换所希望的径向力“吹上”行为和“吹下”行为，从而限制叶片密封元件32、52的最大压力漂移效应。这样，可以提供一种更合意于旋转轴37、57偏心度的密封组合。在这样的状况下，通过能够改变和调整径向力，可以确保该多个叶片密封元件(这些叶片密封元件一起组合成一种在外壳33、53中形成的密封封装件)可以在旋转轴37、57上保持所需要的预先设置的叶片密封元件姿态，以便由于较低的磨损而优化了泄漏特性和使用寿命。

本发明特别适用于在任何应用中使用的燃气轮机。应当明白，这些发动机通常是多轴的并具有串联的压缩机和涡轮，各级之间需要密封隔离。在这样的状况下，以适当组合提供的叶片密封装置被用来提供这样的分级隔离。密封装置30、50沿旋转轴的轴向长度串联组合，以便提供必要的密封隔离。

通过提供与倒角边缘41、61相关联的球状边缘部分40、60以便改变该控制间隙X、XX，应当理解，可形成袋部45、65，空气通过该控制间隙X、XX而泄漏到袋部45、65中。泄漏到袋部45、65内的气体通过节流孔进入相邻元件32、52之间的内部叶片密封元件间隔，形成所需的径向力变化，从而根据需要形成更可靠地定位叶片密封元件所需的偏转变化。根据密封组合中的单个或全体密封装置30、50的合适性能的需要，来确定这些袋部45、65的尺寸。

参照图7，燃气轮机总体由110表示，其包括成轴流串联的空气入口111、推进风扇112、中压压缩机113、高压压缩机114、燃烧设备115、高压涡轮116、中压涡轮117、低压涡轮118和排气喷嘴119。

燃气轮机110以传统方式工作，这样，进入入口111的空气被风扇112加速，风扇112产生两个气流：流入中压压缩机113的第一气流和提供推进推力的第二气流。中压压缩机包括在将空气传送到高压压缩机114之前引入中压压缩机的气流，在高压压缩机中进行进一步的压缩。

从高压压缩机114排出的压缩空气被引入燃烧设备115，在燃烧设备115中，压缩空气与燃料混合，并燃烧混合物。然后，所生成的热的燃烧产物膨胀，从而在通过喷嘴119排出之前驱动高压、中压和低压涡轮116、117和118，以提供额外的推进推力。高压、中压和低压涡轮116、117和118通过适当的互连轴分别驱动高压压缩机114、中压压缩机113和风扇112。

可以在互连轴周围利用依照本发明的叶片密封装置和组合，以便隔离和防止压缩段和涡轮段之间的气体泄漏。

应当理解，该前板和后板可以具有有助于限定出现控制节流孔的半径的特征。该特征可以在最里面的直径处，或者在某个其它径向位置处。与直边的叶片相比，能够在更宽范围的工作条件下调整和优化该吹上或吹下行为。因而，对依照本发明的典型密封装置来说，可能存在如下的运动/控制。

对于轴向上运动成接触来说，该叶片元件边缘被向上移动/被向上推，这样，对于上游控制边缘，当吹上增加时叶片具有离开运动；对于下游控制边缘，叶片对轴的力越大，吹下越大；对于一种改进的下游控制边缘，吹下增加到一限度，以便实现所希望的/可控的叶片对轴的力的增加，但这受限于可能要确保最大轴运动处的“轻载”；最后，对于复合控制，即对于上游控制边缘和下游控制边缘两者，吹上初始增加，叶片初始远离该轴运动，直到该下游边缘开始控制，吹下推到轴上，用于稳定定位。

对于轴向下运动(远离叶片接触)来说，叶片本身可以向下运动，这样，对于上游控制边缘，如果叶片开始移动以跟随该轴或者以别的方式被持续吹下，则吹下增加；对于下游控制边缘，如果叶片开始运动，吹上增加，同样，改进的下游控制边缘吹上增加，如果叶片流向轴，吹下倾向降低，对于上游和下游控制边缘的负荷控制，初始在轴向上位置，叶片跟随轴运动，直到叶片获得在作用在叶片元件上的吹上表示稳态位置时的所要求的位置。

鉴于以上所述，可以提供用于更宽范围的预期工作条件的密封装置。

Claims (9)

1.一种叶片密封装置(30，50)，其包括在外壳(33，53)内部伸出的多个叶片密封元件(32，52)，至少一些叶片密封元件(32，52)具有边缘倒角(41，61)，该外壳(33，53)具有与边缘倒角(41，61)相关联的边缘部分(40，60)，借此，在使用时，这些叶片密封元件的偏转改变了该边缘倒角(41，61)与该边缘部分(40，60)之间的任何控制空隙(X、XX)，以改变叶片密封元件(32，52)偏转的阻力。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述叶片密封元件(32，52)在外壳(33，53)内沿径向伸出。

3.如权利要求1或2所述的装置，其中，全部的叶片密封元件(32，52)都具有同样的倒角边缘(41，61)，借此，叶片密封元件的相对两个侧边彼此不平行。

4.如权利要求1、2或3所述的装置，其中，所述边缘倒角(41，61)是在叶片密封元件上形成的直的向内截断或向外倾斜。

5.如前述任一项权利要求所述的装置，其中，该外壳的所述边缘部分(40，60)包括朝着所述边缘倒角(41，61)向内凸出的球状脚部。

6.如前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述叶片密封元件(32，52)在使用时朝着旋转轴(37，57)有角度地存在于外壳(33，53)内部。

7.如前述任一项权利要求所述的装置，其中，所述边缘部分(40，60)在使用时通常布置成位于该装置的高压侧(39)。

8.一种叶片密封组合，其包括多个如权利要求1-8中任一项所述的叶片密封装置(30，50)。

9.一种发动机(110)，其包括如权利要求1-8中任一项所述的叶片密封装置(30，50)或包括如权利要求9所述的叶片密封组合。

Images