燃气涡轮发动机中的级间密封壳体优化系统的制作方法

本发明一般涉及涡轮发动机，并且更特别地涉及密封系统，该密封系统用于减小涡轮发动机中的转动部件与径向相邻的静止部件之间的间隙，以便通过减小经过密封系统的泄漏而改进涡轮发动机的效率。

背景技术：

在燃气涡轮发动机中，通常存在需求以便密封相邻涡轮部件之间的连接从而使流体分离并且维持涡轮的效率。更特别地，通常需要密封件以便在部件之间将高压区域和低压区域分离，由此部件之一是静止的而相邻的部件转动。例如，用于分离高压压缩机气体和低压气体的常见位置位于转动的转子组件和在涡轮发动机操作期间保持相对静止的定子组件之间。

用在涡轮发动机的可转动部件和静止部件之间的常规密封件包括环式密封件，该环式密封件具有从可转动的本体延伸的多个脊部。该脊部被设计成初始地接触相对的静止本体并且在静止本体中切入沟槽的大小。当在使用期间可转动本体转动时，脊部只是在沟槽内转动。该脊部防止一些气体（但不是所有气体）经过形成在脊部和沟槽之间的间隙。因此，环式密封件易于泄漏并且导致其中使用密封件的涡轮发动机的低效率。因此，对于能够密封可转动涡轮部件和静止涡轮部件之间的开口的涡轮密封件存在需求。

技术实现要素：

用于在燃气涡轮发动机操作期间调整级间密封件的位置以便提高密封件的效率的级间密封系统被公开。级间密封系统可以包括由周向延伸的壳体形成的级间密封壳体，该壳体具有定位在级间密封壳体的径向内表面上的密封件。级间密封壳体可以经由一个或多个弹簧而被径向地向外偏置从而使级间密封壳体的径向内表面向外偏置。级间密封壳体可以置于级间壳体容纳腔体中。在涡轮发动机操作期间，可以将比级间密封壳体的另一侧上的压力更高的气体供应至该腔体。这样一来，级间密封壳体径向地向内受力以便当径向指向内的高压力克服径向地指向外的弹簧偏置时使密封件内的间隙闭合。

在至少一个实施例中，用于将级间密封壳体径向地定位在燃气涡轮发动机内的系统可以包括由周向延伸的壳体形成的级间密封壳体，该壳体具有定位在级间密封壳体的径向内表面上的密封件，并且包括从级间密封壳体径向地向外延伸的一个或多个偏置支撑件。该系统还可以包括联接至偏置支撑件的一个或多个弹簧以便使级间密封壳体的径向内表面偏置，并且包括在级间密封壳体的外表面之间延伸、与相邻的燃气涡轮发动机的部件接触的一个或多个侧波形弹簧。

级间密封壳体可以具有轴向延伸的上游支撑臂，该上游支撑臂具有径向内密封表面并且可以形成用于容纳级间密封壳体支撑件的第一钩部的上游腔体。级间密封壳体还可以具有轴向延伸的下游支撑臂，该下游支撑臂具有径向内密封表面并且可以形成用于容纳级间密封壳体支撑件的第二钩部的下游腔体。轴向延伸的上游支撑臂和轴向延伸的下游支撑臂可以定位在级间密封壳体的径向内表面的径向外侧。级间密封壳体支撑件可以定位在级间密封壳体的径向外侧，并且可以包括在级间密封壳体的上游侧具有第一钩部的第一臂。第一钩部可以容纳在上游腔体内并且可以包括径向外密封表面，该径向外密封表面被构造成在涡轮操作期间与轴向延伸的上游支撑臂的径向内密封表面密封。级间密封壳体支撑件还可以包括在级间密封壳体的下游侧上具有第二钩部的第二臂。第二钩部可以容纳在下游腔体内并且可以包括径向外密封表面，该径向外侧密封表面被构造成在涡轮操作期间与轴向延伸的下游支撑臂的径向内密封表面密封。

级间密封壳体支撑件还可以包括一个或多个入口通道，该一个或多个入口通道与级间壳体容纳腔体连通以用于将增压气体供应至该级间壳体容纳腔体，该增压气体的压力比密封件处的级间密封壳体的一侧上的压力更高，该密封件定位在级间密封壳体的径向内表面上。级间密封壳体支撑件可以包括一个或多个出口通道，该一个或多个出口通道与级间壳体容纳腔体连通以用于排出增压气体，该增压气体的压力比密封件处的级间密封壳体的一侧上的压力更高，该密封件定位在级间密封壳体的径向内表面上。

弹簧偏置支撑件可以包括在远端处具有一个或多个头部的一个或多个轴，由此该头部支撑弹簧的远端。该轴可以是中空的并且形成容纳螺栓的腔体。螺栓可以延伸通过容纳螺栓的腔体以使得螺栓的近端联接至级间密封壳体并且螺栓的远端包括靠在轴的外表面上的头部。弹簧的近端可以靠在位于级间密封壳体的径向外侧的级间密封壳体支撑件上。偏置支撑件可以在级间密封壳体的外表面内居中。

在至少一个实施例中，位于级间密封壳体的径向内表面上的密封件可以由周向延伸的壳体形成，该周向延伸的壳体具有在级间密封壳体的径向内表面上径向向内延伸从而形成环式密封件的多个密封臂。位于级间密封壳体的径向内表面上的多个密封臂可以是总体平行于彼此的密封臂。弹簧可以定位成同心地围绕至少一个偏置支撑件，其中，弹簧被构造成使级间密封壳体的内表面径向向外偏置。

在至少一个实施例中，侧波形弹簧可以由多个侧波形弹簧形成。侧波形弹簧可以以W形构造多次接触级间密封壳体的外表面以及相邻的部件。侧波形弹簧的W形构造可以具有沿着纵向轴线以交替方式联接在一起的多个脊部和谷部。多个侧波形弹簧可以周向延伸并且在周向上彼此偏离。

在操作期间，级间密封壳体置于级间密封壳体支撑件中的级间壳体容纳腔体内。级间密封壳体借助第一钩部和第二钩部保持就位，该第一钩部从级间密封壳体支撑件延伸至级间密封壳体中的上游腔体中，该第二钩部从级间密封壳体支撑件延伸至级间密封壳体中的下游腔体中。弹簧还通过径向向外推偏置支撑件的头部而使级间密封壳体在径向向外的方向上偏置。当涡轮发动机操作时，比径向内表面的径向内侧的气体压力更高的气体经由入口通道通入至级间壳体容纳腔体中。较高压力的气体在级间壳体容纳腔体内产生力，该力克服了弹簧的偏置力并且径向地向内驱动级间密封壳体，直至第一钩部的径向外密封表面接触轴向延伸的上游支撑臂的径向内密封表面以及第二钩部的径向外密封表面接触轴向延伸的下游支撑臂的径向内密封表面。

级间密封系统的优点在于以该方式定位的级间密封壳体能够使得密封件定位在高效的位置中，以便提供所设计的密封特性但不会过早失效。

下面详细描述这些和其他实施例。

附图说明

包括在说明书中并且形成说明书的一部分的附图示出了本公开发明的实施例，并且与说明书一起公开了本发明的原理。

图1是涡轮发动机的结构的横截面侧视图，其示出了定位在静叶的径向内侧并且位于叶片的相邻级之间的级间密封系统。

图2是沿细节线2-2截取的级间密封系统连同就位的级间密封壳体支撑件的横截面透视图。

图3是级间密封系统连同级间密封壳体支撑件被移除的横截面透视图。

图4是联接至级间密封壳体支撑件的级间密封系统的横截面侧视图。

图5是级间密封系统的一部分的透视图。

图6是沿着图2中的截面线6-6截取的级间密封系统连同级间密封壳体支撑件被移除的横截面透视图。

具体实施方式

如在图1-6中所示，用于在燃气涡轮发动机14的操作期间调整级间密封件12的位置以便提高密封件12的效率的级间密封系统10被公开。级间密封系统10可以包括由周向延伸的壳体形成的级间密封壳体16，该壳体具有定位在该级间密封壳体16的径向内表面18上的密封件12。级间密封壳体16可以经由一个或多个弹簧20而被径向地向外偏置以便向外偏置级间密封壳体16的径向内表面18。级间密封壳体16可以安置在级间壳体容纳腔体22中。在涡轮发动机操作期间，可以向腔体22供应比级间密封壳体16的另一侧24上的更高的压力的气体。如此一来，当径向指向内的高压力克服径向指向外的弹簧偏置时，级间密封壳体16径向向内受力以便使密封件12内的间隙26闭合。

在至少一个实施例中，级间密封系统10可以构造用于在燃气涡轮发动机14内径向地定位级间密封壳体16。级间密封壳体16可以由周向延伸的壳体形成，该壳体具有定位在级间密封壳体16的径向内表面上的密封件12。级间密封系统10可以包括从级间密封壳体16径向地向外延伸的一个或多个偏置支撑件28。级间密封系统10可以包括联接至偏置支撑件28的一个或多个弹簧20，以便使级间密封壳体16的径向内表面18偏置。级间密封系统10可以包括一个或多个侧波形弹簧30，侧波形弹簧30在级间密封壳体16的外表面32之间延伸，与相邻的燃气涡轮发动机14的部件接触，该部件可以是级间密封壳体支撑件42。

级间密封壳体16可以具有轴向延伸的上游支撑臂34，上游支撑臂34具有径向内密封表面36并形成用于容纳级间密封壳体支撑件42的第一钩部40的上游腔体38，并且级间密封壳体16具有轴向延伸的下游支撑臂44，下游支撑臂具有径向内密封表面46并形成用于容纳级间密封壳体支撑件42的第二钩部50的下游腔体48。轴向延伸的上游支撑臂34和轴向延伸的下游支撑臂44可以定位在级间密封壳体16的径向内表面18的径向外侧。级间密封壳体支撑件42可以定位在级间密封壳体16的径向外侧，并且包括在级间密封壳体16的上游侧54上的具有第一钩部40的第一臂52。第一钩部40可以容纳在上游腔体38内，并且可以包括径向向外的密封表面56，密封表面56被构造成在涡轮操作期间与轴向延伸的上游支撑臂34的径向内密封表面36密封。级间密封壳体支撑件42还可以包括在级间密封壳体16的下游侧62上的具有第二钩部50的第二臂58。第二钩部50可以容纳在下游腔体48内，并且可以包括径向向外的密封表面64，密封表面64被构造成在涡轮操作期间与轴向延伸的下游支撑臂44的径向向内的密封表面46密封。

级间密封壳体支撑件42还可以包括一个或多个入口通道66，入口通道66与级间壳体容纳腔体22连通以用于将比密封件12处的级间密封壳体16的侧面24上的压力更高的增压气体供应至级间壳体容纳腔体22，密封件12定位在级间密封壳体16的径向内表面18上。入口通道66可以径向地向内延伸并且在级间壳体容纳腔体68内终止，级间密封壳体16置于级间壳体容纳腔体68中。入口通道66可以具有任意适合的横截面形状、面积和大小。入口通道66可以由单个通道或多个通道形成。级间密封壳体支撑件42还可以包括一个或多个出口通道70，出口通道70与级间壳体容纳腔体68连通以用于排出比密封件12处的级间密封壳体16的侧面24上的压力更大的增压气体，密封件12处定位在级间密封壳体16的径向内表面18上。出口通道70可以轴向地延伸，并且具有与级间壳体容纳腔体68连通的入口72。出口通道70可以具有任意适合的横截面形状、面积和大小。出口通道70可以由单个通道或多个通道形成。

弹簧偏置支撑件28可以包括在远端78处具有一个或多个头部76的一个或多个轴74。头部76可以支撑弹簧20的远端80。轴74可以是中空的并且可以形成容纳螺栓的腔体84。螺栓84可以延伸穿过容纳螺栓的腔体82以使得螺栓84的近端86联接至级间密封壳体16，并且螺栓84的远端88可以包括靠在轴74的外表面上的头部90。弹簧20的近端92可以靠在级间密封壳体支撑件42上，级间密封壳体支撑件42定位在级间密封壳体16的径向外侧。偏置支撑件28可以在级间密封壳体16的外表面94上居中，如在图5中所示。

定位在级间密封壳体16的径向内表面18上的密封件12可以由具有多个密封臂100的周向延伸的壳体形成，密封臂100在径向上向内延伸以形成位于级间密封壳体16的径向内表面18上的环式密封件（labyrinth seal）。定位在级间密封壳体16的径向内表面18上的多个密封臂100可以是总体彼此平行的密封臂100。在至少一个实施例中，弹簧20可以围绕偏置支撑件28同心地定位。弹簧20可以被构造成在方向102上径向向外偏置级间密封件12壳体的内表面18。

在至少一个实施例中，侧波形弹簧30包括多个侧波形弹簧30。侧波形弹簧30可以以W形构造多次接触级间密封壳体16的外表面32和相邻部件。侧波形弹簧30的W形构造可以具有沿着纵向轴线108以交替方式联接在一起的多个脊部104和谷部106。多个侧波形弹簧30可周向延伸并且可以与彼此周向偏离。

在操作期间，级间密封壳体16置于级间密封壳体支撑件42中的级间壳体容纳腔体22内。级间密封壳体16借助第一钩部40和第二钩部50而保持就位，第一钩部40从级间密封壳体支撑件42延伸至级间密封壳体16中的上游腔体38中，第二钩部50从级间密封壳体支撑件42延伸至级间密封壳体16中的下游腔体48中。弹簧20还通过径向地向外推偏置支撑件28的头部76而在径向向外的方向102上使级间密封壳体16偏置。通常，在涡轮发动机操作的早期阶段中达到级间密封件12的热膨胀与公差之间的夹点（pinch point）。

当涡轮发动机操作时，比径向内表面18的径向内侧的气体压力更高的气体经由入口通道66被通入级间壳体容纳腔体22中。更高压力的气体在级间壳体容纳腔体22内产生力，该力克服弹簧20的偏置力并且径向地向内驱动级间密封壳体16，直至第一钩部40的径向外密封表面56接触轴向延伸的上游支撑臂34的径向内密封表面36以及第二钩部50的径向外密封表面64接触轴向延伸的下游支撑臂44的径向内密封表面46。以该方式定位级间密封壳体16能够使得密封件12定位在高效位置中以便提供所设计的密封特性但不会过早地失效。

为了说明、解释和描述本发明的实施例的目的而提供了上述内容。对于本领域技术人员而言，这些实施例的修改和改变将是明显的，并且可以在不脱离本发明的范围或精神的情况下做出这些修改和改变。