密封组件以及具有这种密封组件的燃气涡轮机的制作方法

本发明涉及一种放置在燃气涡轮机装置内的燃烧器和涡轮机之间的接口密封件设备组件。

其另外涉及一种带有这种密封组件设备的燃气涡轮机。

背景技术：

燃气涡轮机的燃烧器是通常静止的装置，其在接口处连接至包括多个附接至每个盘的旋转盘和叶片的涡轮机模块。密封件位于燃烧器和具有近侧导叶的近侧涡轮机模块之间的大致内径处，以使热空气流朝向旋转的叶片偏转。尤其地，该密封件面向近侧导叶的导叶平台，并且设计成用于减少热气体的主流中的冷却空气的泄漏并且吸收燃烧器和导叶平台之间的相对未对准和热膨胀差异。

文件us7178340公开了一种优选由蜂巢式材料制成的弹性密封件，其用于密封燃气涡轮机的燃烧器/涡轮机接口(见图1)。这种密封件封闭了导叶平台和燃烧器之间的密封间隙，并且基于蜂巢式材料的一些弹性能力而压靠导叶平台。当燃烧器和导叶平台之间的距离随着时间而改变时，这种预加载使得间隙保持闭合，并增加密封性能。此外，局部间隙由于未对准可以通过密封件的蜂巢式结构来补偿。在燃烧器和涡轮机之间的大的相对位移的情况下，这种布局可能不总是有效。

另一种密封设备包括双滑动接头，其具有在轴线方向上的第一自由度和在径向方向上的第二自由度。双滑动接头的缺点是可能存在未补偿的局部间隙。

燃烧器和涡轮机之间的紧密密封对于防止冷却空气绕过燃烧器因此导致更高的火焰温度和更高的nox排放来说是重要的。此外，冷却空气到热气路径中的泄漏通常导致涡轮机入口处的温度不均匀。在燃气涡轮机的使用寿命期间，密封设备老化和劣化磨损或塑性变形。两者都导致泄漏间隙的增大。第二个问题是，有时候燃烧器和涡轮机模块之间的相对运动是如此之大，使得其不能由材料的弹性特性所覆盖。于是，密封件塑性变形。这可能导致密封件的夹紧和差的密封品质。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种在燃烧器/涡轮机接口处的密封设备组件，其在燃烧器和接口之间的相对位移大的地方也提供高密封性能。

本发明的另一目的是提供一种带有这种密封组件的燃气涡轮机。

该目的和其它目的通过根据权利要求1的密封组件和根据权利要求9的燃气涡轮机来实现。根据本发明的密封设备具有平移自由度并且接收由压力差产生的用于将密封件推向密封部件的力以封闭密封间隙并且恢复燃烧器和涡轮机模块之间的相对运动，以便于在所有涡轮机操作期间提供足够的密封。

该力可以通过两个待密封的部分之间的压力差来实现。

尤其地，刚性可移动的密封设备容纳在与高压源、例如由高压压缩机产生的冷却空气流体连通的空腔中。

这可以通过在面向相对较高的压力的部件的表面中加工一个或多个孔或槽来实现，以便使加压空气通过并在密封设备上施加力，致使后者朝向内径导叶平台运动。该力补偿了与密封件运动相反的摩擦力。

为了实现均匀的压力，可以在密封件的背面加工出流动分配通道，使得供给至空腔的空气可均匀分布在整个周缘周围。凹槽设计成在激活流体入口和密封件的背面之间存在敞开的空间。

此外，密封设备是如此的，即其具有用于在其空腔中轴向滑动的空间。滑动空间的尺寸设计成使得当燃烧器靠近导叶平台时，密封件在其弹性能力内被压缩。尤其地，轴向滑动范围应为待密封的两个部分之间的相对运动的幅度减去密封件的弹性范围。当导叶移动离开燃烧器时，密封件在空腔中滑动并通过压力压靠导叶平台。

此外，密封件设备应设计成在空腔内的冷的条件下具有周缘的和径向的间隙。这种间隙应等于密封件在操作期间被压碎时的最大延伸。这避免了由于其压缩或温度而导致的密封件的径向和/或轴向膨胀所引起的可发生的密封件的夹紧或堵塞。

附图说明

为了更好地理解本发明，将参照附图进一步公开本发明，其中：

图1示出了燃烧器和涡轮机模块之间的接口区域的轴向横截面；

图2示出了图1的放大细节，其示出了根据本发明改进的密封设备的位置；

图3为图2的细节，示出了驱动根据本发明的密封设备的压差的作用的表面；

图4是根据本发明的密封设备的面向燃烧器的侧的正视图的成角度的截面；以及

图5是根据本发明的密封设备的面向燃烧器的侧的另一实施方案的正视图的成角度的截面。

具体实施方式

本发明的基本思想是提供一种可移动的密封设备，其通过压力差压靠导叶平台，以避免或至少减少密封件在使用期间的压碎。

图1公开了一种在燃气涡轮机内的布局，其中，燃烧器(未示出)的管道1面向涡轮机模块的导叶2的第一阶段，其接收由燃烧炉产生的热气体流。例如，管道1是来自用于将相应的燃烧室连接至导叶2的第一阶段的多个过渡管道中的一个。导叶使热气体的流偏转以用于与叶片3的有效的相互作用，其由旋转盘支撑。管道1包括面向导叶2的第一阶段的用于热气体的出口5。该出口在外径处通过面向外径导叶平台7的外环形空腔6界定；并且在内径处通过面向内径导叶平台9的内环形空腔8界定。内腔6和外腔8具有用于在燃气涡轮机的整个工作条件下与从相关的导叶平台轴向延伸的相对密的封齿相互作用的相应的径向尺寸。

尤其地，外径导叶平台7包括外齿7a，而内径导叶平台9包括内齿9a。如图中所示，至少在燃气涡轮机的稳态操作期间，两个齿7a,9a具有面向相应空腔6,8的相应尖端。

图2示出了燃烧器和内径导叶平台9之间的接口的细节。内腔8容纳可移动密封件10，尤其是可轴向移动的密封件，其通过在空腔8的内部体积之间建立的压差的作用而与内齿9a保持接触，该体积由可移动密封件10封闭，并且可移动密封件10的面接触内齿9a的区域或面向内齿9a的区域。尤其地，击打导叶2的主气流的压力具有如下压力，其相对于保持在内平台9和叶片3的旋转轴线(未示出)、即燃气涡轮机的轴线或机器轴线之间的区域中的压力而言处于稍低的水平。这可以例如，通过从高压压缩机溢出冷却空气并且将这种冷却流注射到由内导叶平台9与导叶平台9的下游的叶片和导叶的附加内平台限定的区域中。

可移动密封件10具有面向空腔的侧11的和面向导叶的侧12。面向空腔的侧11在内腔8的内部，而面向导叶的侧12的接触齿9a。优选地，可移动密封件10的压差的尺寸设计成使得在与齿9a接触期间，可移动密封件10在其弹性范围内。根据图2的实施方案，面向空腔的侧11和面向导叶的侧12的是轴向间隔开的，并且可移动密封件10在内腔8内可轴向移动。取决于施加在面向空腔侧11的和面向导叶的侧12的上的压差，内腔8引导可移动密封件10抽出和缩回。可移动密封件10在内腔8中的联结是这样的，即，限定流体屏障并因此使内腔8内延着从面向空腔的侧11朝向面向导叶的侧12的轴向方向的空气泄漏最小化。

优选地，可移动密封件10具有蜂巢式结构，其具有平行于面向空腔的侧11和面向导叶的侧12定向的单元。通常，单元可关于侧11,12倾斜，但是单元不能平行于可移动密封件10在内腔8内的平移方向。

为了接收作用在面向空腔的侧11上的压力信号，内腔8流体地连接至高压源，例如，冷却空气从高压压缩机溢出。流体连接使得相对较高的压力p1施加至面向空腔的侧11，例如，压力从高压压缩机溢出。

图3公开了如何将压力施加至可移动密封件10以获得将密封件压在内齿9a上的力。较高的压力p1作为整体作用在面向空腔的侧11上(实线和放大线)。压力p1也施加至面向导叶的侧12的径向内部于内齿9a的部分，即包括在内齿9a和叶片3的旋转轴线之间的面向导叶的侧12的部分(实线和放大线)。面向导叶的侧12的剩余环形部分，即从齿9a朝向导叶2的部分暴露于热气体主流流的压力p2。如先前已讨论的那样，压力p2低于压力p1，从而引起将可移动密封件10恒定地压靠内齿9s的平衡力。

图3的示例示出了实施方案，其中面向空腔的侧11的压力作用的相关区域和面向导叶的侧12的压力作用的相关区域是相同的。然而可能的是，取决于在燃烧器-涡轮机接口的区域中的压力分布布局，面向空腔的侧11具有与面向导叶的侧12的不同区域。实际上，必须以这样的方式选择环形表面11,12，即，使得在给定的压力差(p1-p2)的情况下产生力，该力使得密封件10朝向导叶平台9移动。面向空腔的侧11面向压力p1，而面向导叶的侧12面向如下两者，即，在齿9a下方的表面上的p1和在齿9a上方的表面上的压力p2。必须选择面向导叶的侧12的表面，使得在任何发动机条件下，作用在表面上的压力的总和朝向导叶平台9起作用。

图4示出了第一实施方案，根据该第一实施方案，内腔8的流体连通由多个通孔15实现。通孔15将内腔8连接至保持压力p1的区域，使得面向空腔的侧11暴露于压力p1。

图5示出了用于将压力p1施加至面向空腔的侧11的备选实施方案。尤其地，在围绕叶片的旋转轴线的周缘方向周围，多个周缘槽16将内腔8流体地连接至保持压力p1的区域。

根据本发明的密封组件的优点为：

可如此限制针对导叶2、尤其是针对内齿9a的密封压缩，使得可移动密封件10在其弹性范围内工作，同时在整个发动机操作期间仍然确保适当的密封。这可减少密封件损坏和磨损。

通常，作为来自导叶的压缩的结果，弹性密封件、尤其蜂巢式密封件周向伸长。因此，必须在设计中提供周缘空隙并创建额外的泄漏路径。根据本发明的密封组件减小了可移动密封件10的压缩，因为密封件滑动。由于在凹槽中的滑动空间而较少的压缩还意味着必须提供较少的周缘空间，其意味着较少的二次泄漏。

密封有效性仅取决于压差，因此其不受由于较高的温度或磨损导致的密封弹性变差所影响。

此外，密封材料可以根据其它标准(例如抗高温性，摩擦学)而不是根据弹性范围来选择。

通常，本发明提供了一种针对磨损的非期望的泄漏的更稳固的设计，其降低了火焰温度和排放增加的风险。

根据未示出的实施方案，在空腔8中提供弹簧元件以支撑压力并使可移动密封件10偏向内径导叶平台9。

此外，附图的实施方案设置成，可移动密封件10沿机器轴线平移。然而可能的是，空腔8如此成形，使得也限定可移动密封件10关于机器轴线的倾斜的或略微倾斜的平移。

根据未示出的实施方案，压差可以在外径压力激活的密封件上产生，例如，通过在外径路径上以已知方式从压缩机疏导空气。在这种情况中，优选具有与内齿7a接触的内径密封件。接触表面可以优选的是关于涡轮机轴线的倾斜的平面，和/或内径密封件是蜂巢式密封件。甚至更优选的是，蜂巢式单元旋转以至平行于密封表面。尤其地，内齿7a具有倾斜的接触表面，并且蜂巢式密封件具有保持在密封件载体中的对应倾斜的密封表面。密封件载体可以分开，以减少密封件和密封件载体之间的空隙。蜂窝式单元也是倾斜的，以便最小化至密封件的力，这有利于在带有密封件(其增大了空隙，即设计空隙和退化的材料两者)的情况下减少泄漏。密封载体的横截面的中心线是倾斜的并垂直于蜂巢式单元。在文件ep2998517中描述了这种密封件载体的例子。