CN102959183B

CN102959183B - 用于涡轮机盘的组合式密封和平衡装置

Info

Publication number: CN102959183B
Application number: CN201180033347.0A
Authority: CN
Inventors: A.布拉思韦特
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: US20130216383A1; EP2550434B1; WO2012004094A1; US9593581B2; CN102959183A; RU2581296C2; RU2013104538A; EP2405100A1; EP2550434A1

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机（120）特别是燃气涡轮的涡轮机盘（100）。该涡轮机盘（100）包括第一突起（101）和第二突起（102）。第一突起（101）和第二突起（102）以如下方式被形成，即：使得平衡配重（103）能耦连在第一突起（101）与第二突起（102）之间。第一突起（101）包括密封区段（104），该密封区段（104）能够密封涡轮机盘（100）与涡轮机（120）的另一涡轮机部分（121）之间的流体通道（105）。

Description

用于涡轮机盘的组合式密封和平衡装置

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮机的涡轮机盘，而且涉及一种包括涡轮机盘的涡轮机。此外，本发明涉及一种生产用于涡轮机的涡轮机盘的方法。

背景技术

涡轮机盘旋转地安装到传统燃气涡轮机的轴。涡轮机盘能够例如接纳涡轮机叶片。涡轮机盘相对于静止非可动的涡轮机部分旋转，从而使得涡轮机盘需要密封和平衡装置，以便提供适当的密封和旋转特性。

在可动部分（例如涡轮机盘）与静止部分（例如输出预涡流装置和涡轮机外壳）之间存在多个腔。在可动部分与静止部分之间适当的密封是必须的。因此，在传统的燃气涡轮机中，减少来自腔内的流体的泄漏可通过使用例如单一密封翼片装置而被控制，该单一密封翼片装置被布置到传统涡轮机盘上的预定位置。

此外，用于对可动部分进行平衡的平衡装置是必须的。此平衡装置可例如通过使用位于涡轮机盘上特别是涡轮机盘相对侧上的预定位置处的平衡带而实现，其中单一翼片装置位于涡轮机盘的该相对侧上。

图4示出了这种传统的涡轮机盘装置。在传统的涡轮机盘400的第一表面上布置有传统的单一密封唇缘401，在传统的涡轮机盘400的相对侧上布置有传统的平衡装置402。

US 4, 817, 455公开了一种用于燃气涡轮发动机的平衡装置，其中卡环被放置在转子的转子盘中的槽内。在相对于卡环分开的位置，密封装置可被附接到转子盘。

US 4, 926, 710公开了一种对装有叶片的燃气涡轮发动机转子进行平衡的方法。平衡环被安装到位于卡环与涡轮机盘的唇缘之间的转子盘。在相对于平衡环分开的位置，布置有用于密封转子盘的迷宫式密封。

US 4, 220, 055公开了一种用于对转子进行平衡的平衡装置。配重特别是L形配重被布置在第一涡轮机部分与可旋转的第二转子部分之间。在相对于L形配重的分开位置，迷宫式密封装置形成在转子盘上。

US 7, 491, 031 B2公开了一种涡轮机组发动机的平衡装置。密封盘或另一盘通过螺栓螺母连接被固定到涡轮机盘的凸缘。在螺栓与螺母之间附接有平衡物。在盘的分开位置可形成有迷宫式密封元件。

在US 3, 985, 465中，压缩机盘的轴向延伸部的基本径向向外的表面被用于保持平衡配重。这允许经由检查孔利用细长的工具径向向外来接近平衡配重。平衡配重的位置靠近轴流式压缩机的定子罩与转子叶片之间的主流体路径的较宽通道。较宽通道特别地并不形成密封，但可用于将来自主流体路径的流体转向到二次空气系统。

因而，传统装置中的密封装置和平衡装置在功能上时分开的，并且彼此之间没有相互影响。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种适合的涡轮机盘，其制造起来简单且廉价。

这一目的通过一种用于涡轮机（特别是燃气涡轮机）的涡轮机盘、一种包括涡轮机盘的涡轮机、以及一种生产用于涡轮机的涡轮机盘的方法而得以实现。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于涡轮机特别是燃气涡轮机的涡轮机盘。该涡轮机盘包括第一突起和第二突起。第一突起和第二突起以如下方式被形成，即：使得平衡配重能耦连在第一突起与第二突起之间。此外，第一突起包括密封区段，该密封区段能够密封涡轮机盘与涡轮机的另一涡轮机部分之间的流体通道。

根据本发明一个进一步的方面，提出了一种涡轮机，特别是燃气涡轮机。该涡轮机包括涡轮机部分和上文所述的涡轮机盘。涡轮机盘能以如下方式耦连到涡轮机部分，即：使得涡轮机盘的第一突起的密封区段密封涡轮机盘与涡轮机部分之间的流体通道。

根据本发明一个进一步的方面，提供了一种生产用于涡轮机特别是燃气涡轮机的涡轮机盘的方法。该方法包括在涡轮机盘上形成第一突起和第二突起的步骤。第一突起和第二突起以如下方式被形成，即：使得平衡配重能耦连在第一突起与第二突起之间。第一突起包括密封区段，该密封区段能够密封涡轮机盘与涡轮机的另一涡轮机部分之间的流体通道。

用语“突起”表示基本沿着涡轮机盘的表面的法线方向延伸的凸缘、带或边缘。突起例如还可由圆凸或扩口形成。

第一突起和第二突起在功能上耦连，这是因为两个突起共同实现所述平衡配重的耦连，其中一个突起进一步包括用于提供涡轮机盘的密封能力的密封区段。因而，通过第一突起和第二突起的功能上的耦连，提出了一种组合式密封和平衡装置。

用语“涡轮机盘”表示类似板状的盘，其例如可旋转地连接到涡轮机的涡轮机轴或连接到涡轮机外壳的内表面。涡轮机盘可包括涡轮机叶片。涡轮机盘也可用作压缩机盘，因而能安装到压缩机或涡轮机的压缩级中。

用语“涡轮机的另一部分”表示涡轮机或压缩机的可动和非可动静止部分。涡轮机的静止部分例如为涡轮机的外壳、（外置）预涡流室的部分、燃烧室或轴。涡轮机的可动部分例如进一步邻近涡轮机或压缩机盘。如果上述涡轮机盘和相邻定位的涡轮机盘在彼此之间提供相对运动，则合适的密封是必须的。

用语“流体通道”表示位于涡轮机内的两个腔之间的流体的通道。通道的密封由第一突起的密封区段提供。密封区段可例如包括压靠在涡轮机的另一部分上的密封唇缘。密封区段可相对第一突起整体形成或为单体，或者相对于第一突起可为分离的部分。如果密封区段相对第一突起为分离的部分，则密封区段可拆卸地或不可拆卸地附接到第一突起。因而，密封区段可包括与第一突起类似的材料，或者可包括相对于第一突起不同的材料。例如，密封区段可由具有高密封性能的材料（例如耐磨材料或刷式密封）形成，其中第一突起可由金属或陶瓷材料形成。

平衡配重能例如通过压配合连接或通过分离的固定元件（例如螺钉或螺栓）固定在第一突起与第二突起之间。平衡配重例如通过锤平、粘接或焊接同样能固定在第一突起与第二突起之间。

利用上述涡轮机盘，密封和平衡装置在功能上耦连和组合。突起中的每一个，即第一突起和第二突起，用于保持平衡配重，其中，额外地，突起中的至少一个提供密封区段。因而，通过组合密封和平衡装置，因为用于提供密封和平衡的所有功能元件被组合在两个突起内，因而减少必须的安装空间。因为形成或布置有平衡和密封装置的加工表面可保持得非常小，以致于例如舍弃多个不同和分开的加工表面，因而这导致简单和低廉的生产涡轮机盘的方法。因为仅有一个加工表面必须进行加工，因而可舍弃在制造装置中重新调节涡轮机盘。

根据一个进一步的示例性实施例，涡轮机盘进一步包括第一表面和第二表面，其中第一突起和第二突起形成在第一表面或第二表面中的至少一个上。

根据一个进一步的示例性实施例，涡轮机盘能以如下方式耦连到涡轮机，即：使得第一表面和第二表面相对于涡轮机的轴的轴向方向为相对表面。第二表面可不具有平衡配重装置和另一密封区段。第二表面可形成涡轮机盘的指向涡轮机的主流体流方向的上游和/或下游的表面。因而，因为用于涡轮机盘的密封和平衡的功能元件位于一个表面上，另一第二表面可不具有用于密封或平衡涡轮机盘的任一功能元件。因而，例如，因为不具有任一功能元件的第二表面更容易夹紧在制造装置中，因而涡轮机盘更容易操纵。

根据一个进一步的示例性实施例，涡轮机盘能以如下方式耦连到涡轮机，即：使得第一表面被定向成相对于涡轮机的流体流朝向上游，第二表面被定向成相对于流体流朝向下游。

根据一个进一步的示例性实施例，密封区段包括单一密封唇缘。

根据一个进一步的示例性实施例，密封区段包括迷宫式密封。通过使用迷宫式密封，多个组合式密封唇缘用于密封涡轮机盘和另一涡轮机部分。

根据一个进一步的示例性实施例，第一突起和第二突起以如下方式被形成和/或布置，即：使得在第一突起与第二突起之间形成有凹部。该凹部以如下方式被形成，即：使得涡轮机盘被耦连到涡轮机时，凹部相对于涡轮机的轴沿着圆周方向前进。

用语“凹部”表示第一突起与第二突起之间的空间，平衡配重可安装在该空间中。当第一突起和第二突起在彼此之间形成曲状的凹部时，平衡配重可相对于涡轮机的轴或同样相对于涡轮机盘的旋转轴线沿着涡轮机盘的圆周方向在所需位置耦连到涡轮机盘。因而，通过将平衡配重滑动地附接在凹部内，可找到用于平衡配重的所需平衡位置，涡轮机盘在该平衡位置被平衡。

除了凹部的圆周方向之外，凹部同样可直线前进，而不具有曲状形状。特别地，凹部同样可沿着径向方向、沿着切向方向或沿着涡轮机盘的表面在相对于轴的任一其他直线方向上前进。

凹部由第一突起与第二突起之间的空间形成。凹部还可以如下方式被限定，即：使得在涡轮机盘中额外地例如铣有槽隙。

根据一个进一步的示例性实施例，凹部以如下方式被形成，即：使得凹部和平衡配重通过鸠尾连接而能耦连。通过提供鸠尾连接，防止平衡配重与涡轮机盘分开。同时，平衡配重仍沿着涡轮机盘的第一表面滑动地位于凹部内。

平衡配重可被耦连为使得其能够被插入且稍后夹紧、楔入、或固定到凹部中。

根据一个进一步的示例性实施例，第一突起位于第一位置，第二突起位于第二位置。第一位置与涡轮机盘的中心之间的第一距离大于第二位置与涡轮机的中心之间的第二距离。

根据一个进一步的示例性实施例，第一突起和/或第二突起可拆卸地安装在涡轮机盘上。因为损坏的第一突起或第二突起可简单地互换，从而不再需要互换整个涡轮机盘，因而可改进涡轮机盘的维护。因而，维护成本减少。

根据一个进一步的示例性实施例，第一突起和第二突起与涡轮机盘整体（单体式）形成。由于涡轮机盘以及第一突起和第二突起可在一个生产步骤中形成，例如通过铸造或铣削而形成，因而制造方法可更容易。用于固定第一突起或第二突起的另外的操作步骤可能不是必须的。

要注意，已参照不同主题描述了本发明的各实施例。特别地，已参照装置类型权利要求对一些实施例进行了描述，参照方法类型权利要求对其他实施例进行了描述。然而，根据上文和下文的描述，本领域技术人员将获悉，除非另有说明，否则，除了属于一种类型主题的各特征的任一组合外，不同主题有关的各特征之间的任一组合，特别是装置类型权利要求的各特征与方法类型权利要求的各特征之间的任一组合，应被视为已被本申请公开。

附图说明

根据下文将描述的各实施例，本发明上文限定的各方面以及进一步的方面将变得明显，并且将参照各实施例对其进行解释。下文中，将参照各实施例更详细地描述本发明，但本发明并不限于这些实施例。

图1示出了具有根据本发明一个示例性实施例的涡轮机盘的涡轮机；

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的涡轮机盘的示例性实施例的详细视图；

图3示出了图2所示涡轮机盘的示例性实施例的剖视图III-III；以及

图4示出了传统的涡轮机盘。

具体实施方式

附图中的例示是示意性的。注意，在不同附图中为类似或相同的元件提供了相同的附图标记。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的用于涡轮机120的涡轮机盘100。涡轮机120特别是燃气涡轮机。涡轮机盘100包括第一突起101和第二突起102。第一突起101和第二突起102以如下方式被形成，即：使得平衡配重103可耦连在第一突起101与第二突起102之间。第一突起101包括密封区段104，该密封区段104能够密封涡轮机盘100与涡轮机120的另一部分之间的流体通道105。

密封区段104可被定位和布置成具有与如图4所示的传统的单一密封唇缘401类似的密封效果。密封区段104优选可仍被形成为唇缘或翼片。

涡轮机120的另一涡轮机部分121例如为涡轮机120的外壳或另一涡轮机盘，该另一涡轮机盘邻近所描述的涡轮机盘100。特别地，图1所示的涡轮机部分121为涡流室。另一涡轮机部分121特别地不是主流体路径的部件，而是主流体路径（特别是涡轮机盘的表面）的径向向内的部件。

如图1所示，冷却空气由涡流室121吹入位于涡流室121与涡轮机盘100之间的腔111内。冷却空气特意在流过涡轮机盘100的冷却空气管道110，以便流入叶片109内冷却叶片109。沿着涡轮机盘100的第一表面106流入腔111内的冷却流气冷却涡轮机盘100。为了防止冷却流体涌入到涡轮机120的上游侧（即，从腔111逸出），第一突起101的密封区段104密封内腔111。

根据附图，密封区段104径向位于冷却空气管道110的内部。腔111经由密封区段104径向向内以及通过另一密封径向向外界定。

如图1所示，涡轮机盘100的第一表面106指向涡轮机120的流体流的上游侧。一般而言，每一个涡轮机120包括从上游侧至下游侧的主流体流方向F，其中，对于本发明的涡轮机盘100而言，涡轮机盘100将上游侧与下游侧隔开。另一方面，冷却空气流可具有与主流体流的方向相同或相反的流动方向（即，如图1所示从右至左）。这对于下游的涡轮级尤为如此，在该情况下，平衡和密封装置优选位于涡轮机盘的下游侧上。密封区段104密封内腔111与上游侧之间的流体通道105，以便减少冷却流体通过流体通道105的泄漏。

如图1所示，第一突起101和第二突起102被形成或布置到涡轮机盘100的第一表面106，其中第一表面106与涡轮机120的上游侧对齐。在第一突起101与第二突起102之间可附接有平衡配重103，从而，第一突起101和第二突起102的组合装置形成平衡装置。此外，第一突起101包括密封区段104（例如密封唇缘或迷宫式密封），从而，第一突起和第二突起的组合呈现一种密封装置和平衡装置。

在第一突起101与第二突起102之间形成有凹部108，平衡配重103可附接在该凹部108中，特别是滑动地可附接到凹部108中。配重元件103的最终固定可通过可移除的固定元件（例如螺钉或螺栓）、或通过永久性的固定元件（例如焊接点或压配合连接）确定。优选地，平衡配重将被锤平，以使其成为半永久性的。

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的涡轮机盘100的更为详细的视图。平衡配重103被附接在第一突起101与第二突起102之间。如图2所示，第一突起101和第二突起102在彼此之间形成凹部108。凹部108沿着围绕涡轮机盘100的轴122或旋转轴线的曲线（由虚线表示）特别是圆形线延伸。因而，平衡配重103可在凹部108内沿着圆周方向围绕轴122移动或放置。

平衡配重103可通过锤平而被最终固定，如图2所示。图中示出了平衡配重103被捶打在凹部108内，这是因为凹部108在其宽度上比平衡配重103小，从而实现压配合连接。其他固定手段（例如螺钉配合或螺栓配合）同样适用。

此外，图中示出了第一突起101包括密封区段104，该密封区段104例如可表现为密封唇缘。

图3示出了图2的剖视图III-III。第一突起101包括形成为密封唇缘的密封区段104。此外，由第一突起101和第二突起102形成的凹部108的内轮廓形成鸠尾状的中空轮廓。在此鸠尾状的中空轮廓内，可安装有具有相应（鸠尾状）轮廓的平衡配重103。

如图3中的虚线所示，第一突起101和第二突起102可与涡轮机盘100整体形成，或者替代性地被可拆卸地布置在涡轮机盘100处。同样，密封区段104可与第一突起101整体形成，或者替代性地被可拆卸地布置在第一突起101处。优选地，密封区段104和第一突起101形成从涡轮机盘100的侧面突出的圆形表面。优选地，组合式的密封区段104和第一突起101位于轴向平面上。同样，平衡配重将优选地被布置在轴向平面上。因而，平衡配重将从轴向方向插入到涡轮机盘100。

密封区段104特别地可位于涡轮机盘100的侧面上，即位于指向上游方向的表面或可能指向下游方向的表面上。而且，密封区段104可形成唇缘，以与相对的非旋转表面形成狭窄通道。此狭窄通道将允许通过未进入到冷却空气管道110中的少量的二次冷却空气。优选地，狭窄通道对腔111形成密封。

根据本发明，密封区段104可形成用于保持平衡配重的一个轮缘。

优选地，第一突起101和第二突起102形成同心圆形突起。

应该注意，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于涡轮机（120）的涡轮机盘（100），所述涡轮机盘（100）包括：

第一突起（101）和第二突起（102），

其中所述第一突起（101）和所述第二突起（102）以如下方式被形成，即：使得平衡配重（103）能耦连在所述第一突起（101）与所述第二突起（102）之间，并且

其中所述第一突起（101）包括密封区段（104），所述密封区段（104）能够密封所述涡轮机盘（100）与所述涡轮机（120）的另一涡轮机部分（121）之间的流体通道（105）。

2.根据权利要求1所述的涡轮机盘（100），进一步包括

第一表面（106）和第二表面（107），

其中所述第一突起（101）和所述第二突起（102）被形成在所述第一表面（106）或所述第二表面（107）中的至少一个上。

3.根据权利要求2所述的涡轮机盘（100），

其中所述涡轮机盘（100）能以如下方式耦连到所述涡轮机（120），即：使得所述第一表面（106）和所述第二表面（107）是沿着所述涡轮机（120）的轴（122）的轴向方向的相反表面。

4.根据权利要求2所述的涡轮机盘（100），

其中所述涡轮机盘（100）能以如下方式耦连到所述涡轮机（120），即：使得所述第一表面（106）被定向成相对于所述涡轮机（120）的流体流朝向上游，所述第二表面（107）被定向成相对于所述流体流朝向下游。

5.根据权利要求1至4之一所述的涡轮机盘（100），

其中所述密封区段（104）包括单一密封唇缘。

6.根据权利要求1至4之一所述的涡轮机盘（100），

其中所述密封区段（104）包括迷宫式密封。

7.根据权利要求1至4之一所述的涡轮机盘（100），

其中所述第一突起（101）和所述第二突起（102）以如下方式被形成和/或布置，即：使得在所述第一突起（101）与所述第二突起（102）之间形成凹部（108），并且

其中所述凹部（108）以如下方式被形成，即：使得当所述涡轮机盘（100）被耦连到所述涡轮机（120）时，所述凹部（108）相对于所述涡轮机（120）的轴（122）沿着圆周方向前进。

8.根据权利要求7所述的涡轮机盘（100），

其中所述凹部（108）以如下方式被形成，即：使得所述凹部（108）和所述平衡配重（103）能通过鸠尾连接而耦连。

9.根据权利要求1至4之一所述的涡轮机盘（100），

其中所述第一突起（101）位于第一位置，所述第二突起（102）位于第二位置，

其中所述第一位置与所述涡轮机盘（100）的中心之间的第一距离大于所述第二位置与所述涡轮机盘（100）的所述中心之间的第二距离。

10.根据权利要求1至4之一所述的涡轮机盘（100），

其中所述第一突起（101）和所述第二突起（102）可拆卸地安装到所述涡轮机盘（100）。

11.根据权利要求1至4之一所述的涡轮机盘（100），

其中所述第一突起（101）和所述第二突起（102）与所述涡轮机盘（100）整体形成。

12.根据权利要求2至4之一所述的涡轮机盘（100），

其中所述第二表面（107）不具有平衡配重（103）装置和另一密封区段。

13.根据权利要求1所述的涡轮机盘（100），

其中所述涡轮机（120）是燃气涡轮机。

14.一种涡轮机（120），其中所述涡轮机（120）包括

涡轮机部分（121），以及

根据权利要求1至12之一所述的涡轮机盘（100），

其中所述涡轮机盘（100）能以如下方式耦连到所述涡轮机部分（121），即：使得所述涡轮机盘（100）的第一突起（101）的密封区段（104）密封所述涡轮机盘（100）与所述涡轮机部分（121）之间的流体通道（105）。

15.根据权利要求14所述的涡轮机（120），

其中所述涡轮机（120）是燃气涡轮机。

16.一种生产用于涡轮机（120）的涡轮机盘（100）的方法，其中所述方法包括：

在所述涡轮机盘（100）上形成第一突起（101）和第二突起（102），

其中所述第一突起（101）包括密封区段（104），该密封区段（104）能够密封所述涡轮机盘（100）与所述涡轮机（120）的另一涡轮机部分（121）之间的流体通道（105）。

17.根据权利要求16所述的方法，

其中所述涡轮机（120）是燃气涡轮机。