CN101424196B - 具有柔性弦向铰链密封件的燃气涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有柔性弦向铰链密封件的燃气涡轮机系统。根据一个实施例，涡轮机系统包括：喷嘴段，该喷嘴段包括在内带段(38)和外带段(40)之间延伸的定子叶片(20)；靠近内带段(38)的内支撑环(44)；及与喷嘴段可操作连通的内弦向铰链密封件(52)，该内弦向铰链密封件(52)包括自内带段(102)向内延伸的柔性内轨道(100)，内轨道具有突起(106)，用于密封地接合内支撑环(44)。

Description

具有柔性弦向铰链密封件的燃气涡轮机
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮机，更具体地，涉及用于密封燃气涡轮机内的涡轮喷嘴的柔性弦向铰链密封件(chordal hinge seal)。
背景技术
在燃气涡轮机中，燃烧热气从燃烧室流过第一级喷嘴和动叶(bucket)及后续涡轮级的喷嘴和动叶。第一级喷嘴包括成环形阵列或环形装配形式的铸造喷嘴段，每个段包括一个或一个以上的喷嘴定子叶片。每个第一级喷嘴段还包括相互沿径向间隔开的内带部分和外带部分。在组装这些喷嘴段时，定子叶片沿圆周相互间隔开，以在环形内带和环形外带之间形成环形阵列。连接至第一级喷嘴外带的外护罩或保持环将该第一级喷嘴支撑在该涡轮机的气体流路内。环形内支撑环与内带接合，为第一级喷嘴提供支撑以阻止轴向移动。
在一个示例性的布置中，设置48个铸造喷嘴段，每个段有一个叶片。环形阵列的段两两之间由侧密封件沿着邻接的周向边缘进行密封。通过使得内带沿径向向内延伸和使得外带沿径向向外延伸，侧密封件在高压区和低压区之间形成密封。高压区位于压缩机的排出空气中，而低压区位于热气体流路的燃烧热气中。
喷嘴段还包括内弦向铰链密封件和外弦向铰链密封件。内弦向铰链密封件用于第一级喷嘴的内带与内支撑环的轴向对向(axiallyfacing)表面之间的密封。每个内弦向铰链密封件包括从内带部分沿径向向内延伸的内轨道和沿该内轨道延伸的突起，该突起沿每个喷嘴段的内带部分的弦线成直线延伸。这个突起与内支撑环的相对的轴向对向密封表面成密封接合。当内支撑环和压缩机排气罩经历热膨胀时，内弦向铰链密封件还作为铰链以允许第一级喷嘴前后移动。
另外，外侧壁弦向铰链密封件还用于第一级喷嘴的外带和外护罩的轴向对向表面之间的密封。每个外弦向铰链密封件包括从外带部分沿径向向外延伸的外轨道和沿该外轨道延伸的突起，该突起沿每个喷嘴段的外带部分的弦线成直线延伸。这个突起与外护罩的相对的轴向对向密封表面密封接合。当外支撑环或外护罩和压缩机排气罩经历热膨胀时，外弦向铰链密封件还作为铰链以允许第一级喷嘴前后移动。
在第一级喷嘴工作和/或修理期间，已经发现外弦向铰链密封件和内弦向铰链密封件由于它们的轨道经历的温度差异而趋于产生扭曲。具体地，密封件趋于在中心处发生向后弯曲，而在轨道的段间端部上产生向前弯曲。这样的扭曲可导致在内外弦向铰链密封件与内支撑环和外护罩的相应密封表面之间产生间隙。这些间隙会使压缩机排出的冷却空气泄漏进热气体流路。这样的泄漏会导致很多问题，如氮氧化物污染物的产量增加，越过弦向密封件的热气吸入和更高的流路气体损失，这会导致较低的热率(heat rate)。
目前，在第一级喷嘴与内支撑环/外护罩的交界面处增加辅助密封件以减少越过弦向铰链密封件的泄漏流。然而，使用这样的辅助密封件显著地增加了制造燃气涡轮机的复杂性和成本。因此需要研制出这样一种方式，其能使越过弦向铰链密封件内外侧壁的流体泄漏量最小化，而不会显著增加制造包括这种密封件的燃气涡轮机的复杂性和成本。
发明内容
本文所公开的是具有柔性弦向铰链密封件的燃气涡轮机系统。根据一个实施例，涡轮机系统包括：喷嘴段，该喷嘴段包括在内带段和外带段之间延伸的定子叶片；靠近内带段的内支撑环；及与喷嘴段成可操作连通的内弦向铰链密封件，该内弦向铰链密封件包括从内带段向内延伸的柔性内轨道，内轨道具有突起，用于密封地接合内支撑环。
在另一个实施例中，涡轮机系统包括：喷嘴段，该喷嘴段包括在内外带段之间延伸的定子叶片；接近外带段的外护罩；及与喷嘴段成可操作连通的外弦向铰链密封件，该外弦向铰链密封件包括从外带段向外延伸的柔性外轨道，该外轨道具有突起，用于密封地接合外护罩。
附图说明
现参考附图，示出了一些示例性的实施例，其中相同的元件由相同的附图标记标识：
图1是一种燃气涡轮机的一部分的示意性正视图；
图2是用在燃气涡轮机上的一种柔性弦向铰链密封件的示意性透视图；
图3至图5是柔性弦向铰链密封件的不同角度的透视图，该柔性弦向铰链密封件附接到不同实施例的燃气涡轮机的喷嘴段上；及
图6是燃气涡轮机的一部分的一个实施例的示意性的侧面正视图，该燃气涡轮机包括第一级喷嘴，该第一级喷嘴包括本文所描述的弦向铰链密封件。
零件列表
10-燃气涡轮机
12-转接件
14-热气流路
16-动叶
18-第一级转子轮
20-定子叶片
22-动叶
24-第二级转子轮
26-定子叶片
28-动叶
30-第三级转子轮
32-定子叶片
34-间隔件
36-间隔件
37-高压区
38-内带段
40-外带段
42-外护罩
44-内支撑环
46-外弦向铰链密封件
52-内弦向铰链密封件
100-柔性轨道
102-带段
104-嵌条
106-突起
108-密封狭槽
300-保持环
325-后周向台肩
330-前周向台肩
345-轴孔
350-轴孔
410-内侧壁
420-外侧壁
430-翼型面
440-凸耳
445-凸耳
460-弦向铰链轨道
460-弦向铰链密封件
470-弦向铰链轨道
475-弦向铰链密封件
490-保持销
495-保持销
500-燃气涡轮机的一部分
510-转接件
520-第一级喷嘴
530-保持凸耳
540-第一级动叶
550-护罩
580-支撑环
590-保持销
具体实施方式
参见图1，示出了燃气轮机10的一部分的一个代表性实施例。涡轮机10接收来自成环形阵列的燃烧室(未示出)的燃烧热气，燃烧室将热气输送通过转接件12，以使流体沿环形的热气流路14流动。沿热气流路14布置涡轮级。每一级包括在圆周方向上间隔开的多个动叶和在圆周方向上间隔开的多个定子叶片，该多个动叶安装在涡轮机转子上并形成为该转子一部分，该多个定子叶片形成环形阵列喷嘴。例如，第一级包括多个在圆周方向上间隔开的定子叶片20和安装在第一级转子轮18上的多个在圆周方向上间隔开的动叶16。同样地，第二级包括多个在圆周方向上间隔开的定子叶片26和安装在第二级转子轮24上的多个动叶22。此外，第三级包括多个在圆周方向上间隔开的定子叶片32和安装在第三级转子轮30上的多个在圆周方向上间隔开的动叶28。如果需要可以设置另外的级。定子叶片20、26和32安装在涡轮机壳上，而动叶16、22、28和轮子18、24、30则成为涡轮机转子的一部分。位于转子轮之间的是间隔件34和36，它们也形成涡轮机转子的一部分。可理解的是，压缩机的排出空气置于区域37中，该区域37沿第一级的径向向内和径向向外的方向布置，且区域37中的这种空气的压力高过沿热气流路14流动的热气的压力。如本文所用的，“径向向内”被定义为沿着径向方向朝着由涡轮机轴所界定的涡轮机中心轴线延伸，而“径向向外”被定义为沿着径向方向远离由涡轮机轴所界定的涡轮机中心轴线延伸。
参考涡轮机10的第一级，第一级喷嘴包括喷嘴段和定子叶片，且分别在内带和外带之间排列成环形阵列的定子段，它们由涡轮机壳(未示出)支撑。这样，每一个喷嘴段都包括一个或一个以上的定子叶片20，该定子叶片20分别在内带段38和外带段40之间延伸。用于固定第一级喷嘴的外护罩42可与涡轮机壳和外带段40成可操作连通(operable communication)。这个外护罩42包括轴向对向表面，该轴向对向表面与喷嘴段的一个表面沿轴向相对。在这两个表面之间的交界面包括柔性的或顺从的外弦向铰链密封件。同样地，用于固定第一级喷嘴以阻止其轴向移动的内支撑环44可与内带段38成可操作连通。内支撑环44包括轴向对向表面，该轴向对向表面与喷嘴段的一个表面沿轴向相对。在这两个表面之间的交界面包括内弦向铰链密封件52。目的是当涡轮机10运转时，外弦向铰链密封件和内弦向铰链密封件在位于区域37内的高压压缩机排出空气与流动在热气流路14内的低压热气之间形成密封。
内和外柔性弦向铰链密封件具有相同或相似的设计。图2至图4示出了弦向铰链密封件的一个示例性的实施例，该弦向铰链密封件可用作内弦向铰链密封件和外弦向铰链密封件，这些图是弦向铰链密封件的不同角度的视图。弦向铰链密封件包括从带段102伸出的柔性轨道100。与现有技术的弦向铰链密封件的轨道相比，该轨道100的厚度大大的减小了。在内弦向铰链密封件设计中，内轨道从内带段向内延伸，而在外弦向铰链密封件设计中，外轨道自外带段向外延伸。如本文中所用的，“径向向内”被定义为沿着径向方向朝着由涡轮机轴所界定的涡轮机中心轴线延伸，而“径向向外”被定义为沿着径向方向远离涡轮机中心轴线延伸。弦向铰链密封件的轨道100包括弦向的、成直线延伸的突起106，用于密封地接合保持环/内支撑环。
为了最小化或防止从高压区到热气流路的低压区的泄漏流，轨道100是呈柔性的。如图所示，轨道100的柔性可通过改变与轨道100交叉的嵌条(fillet)104的曲率半径而得以优化。靠近轨道的段间端部的嵌条104在形状上与其它轨道的段间端部相匹配。这样，这些轨道就可以形成为成环形阵列的轨道。轨道100的每一个段间端部均可有密封狭槽108，该狭槽108在形状上与该环形阵列中的邻近轨道的段间端部的密封件相匹配。如本文中所定义的，“嵌条”是一种被成形以减缓内夹角的材料。嵌条104被放置在带段102和轨道100之间的夹角内。可通过各种方法形成理想形状为凹形的嵌条104，例如将嵌条104焊接至该接合部或将嵌条104与轨道100和带段102一起注模成型。
嵌条104可用于改变轨道100沿其长度的硬度，从而使得机械负载能克服轨道100在涡轮机运转期间可能发生的热变形。由于嵌条104定位在轨道的端部附近，因而轨道100的中心与带段102之间的接合部的曲率半径小于轨道100的端部与带段102之间的接合部的曲率半径。此外，每一个嵌条104的曲率半径可随着嵌条104接近轨道100的端部而增大。曲率半径沿轨道100的变化用于使轨道100在其中心附近的柔性最大化(否则该处的向后热弯曲将最大)并使轨道100在其端部附近的柔性最小化(否则该处的向前弯曲将最大)。使轨道100在其端部处的柔性的最小化还使得端部即使在最差情况的公差条件下也能与相邻轨道之间形成密封。因此，相邻轨道的端部处的段间密封件将装配到段间密封狭槽108内。图5是能够更好地说明在轨道100的段间端部附近的嵌条104的布置的简单附图。
不需显著增加制造燃气轮机的复杂性和成本就能方便地获得弦向铰链密封件的柔性。由于这种柔性，在高压压缩机排气区域和低压热气体流路之间就可形成更加有效的密封。结果就是，在涡轮机运转期间尽管密封件存在热变化，但是越过密封件的气体泄漏量会很少。因此，热气体流路中的气体损失得到了降低，进而提高了涡轮机的热耗率，降低了涡轮机产生的氮氧化物污染物(如一氧化氮和二氧化氮)的数量。越过密封件的热气体吸入量也减少了，从而提高了喷嘴、护罩和内支撑环的耐用性。
图6示出了燃气轮机的一部分500的一个代表性实施例，该实施例对包括本文所描述的柔性弦向铰链密封件的第一级喷嘴进行了说明。燃烧热气从燃烧室(未示出)流过转接件510。热气进入第一级喷嘴520，撞在翼型面(airfoil)430上。热气被翼型面430导引至第一级动叶540。喷嘴进行的导引过程还使气流加速，从而导致进口和出口面与喷嘴高压负载之间的静压下降。保持环300包括前周向台肩330和后周向台肩325。每个第一级喷嘴的外侧壁420的保持凸耳440、445(示出了一个)装配在环形凹槽320内。保持销490、495(示出了一个)分别通过轴向孔345和350装配在后周向台肩325和前周向台肩330中。保持销490、495穿过保持凸耳440、445为第一级喷嘴520提供径向和周向支撑。在外侧壁420上的弦向铰链轨道460在弦向铰链密封件465与用于第一级动叶540的护罩550接触的位置处为喷嘴提供轴向支撑。在内侧壁410上的弦向铰链轨道470在弦向铰链密封件475与支撑环580接触的位置处为喷嘴提供轴向支撑。通过弦向铰链轨道460防止保持销490、495从保持凸耳440、445中退出来。
本文所用的术语“一”和“一个”不代表数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的对象。遍及整个说明书的参考“一个实施例”、“另一实施例”、“一实施例”等等意味着结合该实施例描述的一个具体的要素(例如，特征、结构、和/或特性)被包括在本文所描述的至少一个实施例中，而在其它实施例中可能有也可能没有。另外，可理解的是可将所描述的各种要素以任何合适的方式结合到不同的实施例中。除非有相反的定义，本文所用的技术和科学术语的含义与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
已通过参考代表性的实施例对本发明进行了描述，本领域的熟练技术人员将明白可对本发明的要素作各种改变或作等同替换而不脱离本发明的范围。另外，对本发明的教导可作许多修改以适应具体的情况或部件而不会脱离本发明的基本范围。因此，目的不是要将本发明限制为所描述的作为实施本发明的最佳方式的具体实施例，而是要本发明包括所有落入所附权利要求保护范围的实施例。

Claims (8)

1.一种涡轮机系统，包括： 
喷嘴段，该喷嘴段包括在内带段(38)和外带段(40)之间延伸的定子叶片(20)； 
靠近所述内带段(38)的内支撑环(44)；及 
与所述喷嘴段成可操作连通的内弦向铰链密封件(52)，该内弦向铰链密封件(52)包括从所述内带段(102)向内延伸的柔性内轨道(100)，所述内轨道具有突起(106)，用于密封地接合所述内支撑环(44)；其中，所述内轨道(100)的靠近该内轨道(100)中心处的第一柔性大于所述内轨道(100)的靠近该内轨道(100)端部处的第二柔性。 
2.根据权利要求1所述的涡轮机系统，其中，所述内弦向铰链密封件(52)在位于所述密封件(52)的相反两侧上的低压区和高压区之间形成密封。 
3.根据权利要求1所述的涡轮机系统，其中，所述内弦向铰链密封件(52)包括位于所述内轨道(100)的各端部附近的嵌条(104)，并且该嵌条位于所述内轨道(100)与所述喷嘴段的内带段(102)之间的区域内，且其中，所述嵌条(104)的曲率半径随着所述嵌条(104)接近所述内轨道(100)的端部而增大。 
4.根据权利要求1或3所述的涡轮机系统，其中，所述内轨道(100)的中心区域与所述喷嘴段的内带段(102)之间的第一接合部的曲率半径小于位于所述内轨道(100)的端部区域与所述喷嘴段的内带段(102)之间的第二接合部的曲率半径。 
5.根据权利要求1或3所述的涡轮机系统，其中，该系统还包括： 
靠近所述外带段(40)的外护罩(42)；及 
与所述喷嘴段成可操作连通的外弦向铰链密封件(52)，该外弦向铰链密封件(52)包括从所述外带段(102)向外延伸的柔性外轨道(100)，所述外轨道具有第二突起(106)，用于在所述喷嘴段与所述外护罩(42)之间形成第二密封。 
6.一种涡轮机系统，包括： 
喷嘴段，该喷嘴段包括在内和外带段(38、40)之间延伸的定子叶片(20)； 
靠近所述外带段(40)的外护罩(42)；及 
与所述喷嘴段成可操作连通的外弦向铰链密封件(52)，该外弦向铰链密封件(52)包括从所述外带段(102)向外延伸的柔性外轨道(100)，该外轨道(100)具有突起(106)，用于密封地接合所述外护罩(42)；其中，所述外轨道(100)的靠近该外轨道(100)中心处的第一柔性大于所述外轨道(100)的靠近所述外轨道(100)端部处的第二柔性。 
7.根据权利要求6所述的涡轮机系统，其中，所述外弦向铰链密封件(52)在位于所述密封件(52)的相反两侧上的低压区和高压区之间形成密封。 
8.根据权利要求6所述的涡轮机系统，其中，所述外弦向铰链密封件(52)包括位于所述外轨道(100)的各端部附近的嵌条(104)，并且该嵌条位于所述外轨道(100)与所述喷嘴段的外带段(102)之间的区域内，且其中，所述嵌条(104)的曲率半径随着所述嵌条(104)接近所述外轨道(100)的端部而增大。 
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