專利名稱：用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開大體涉及用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
渦輪廣泛地使用在各種航空、工業(yè)和發(fā)電應(yīng)用中以執(zhí)行功。每個渦輪大體包括交替的成級的外周地安裝的定子靜葉和旋轉(zhuǎn)葉片。定子靜葉可附接于諸如環(huán)繞渦輪的外殼的固定構(gòu)件，并且旋轉(zhuǎn)葉片可附接于沿著渦輪的軸向中心線定位的轉(zhuǎn)子。壓縮工作流體(諸如蒸汽、燃燒氣體或空氣)沿著氣體路徑流動穿過渦輪。定子靜葉使壓縮工作流體加速，并且將壓縮工作流體引導(dǎo)到隨后級旋轉(zhuǎn)葉片上以給予旋轉(zhuǎn)葉片運(yùn)動，因此使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且執(zhí)行功。圍繞或繞過定子靜葉或旋轉(zhuǎn)葉片泄漏的壓縮工作流體降低渦輪的效率，并且各種系統(tǒng)和方法開發(fā)成減少和/或防止壓縮工作流體圍繞定子靜葉或旋轉(zhuǎn)葉片泄漏。例如，一個或更多個定子段和/或護(hù)罩段可分別圍繞定子靜葉和/或旋轉(zhuǎn)葉片周向地安裝，以減少和/或防止壓縮工作流體逃離氣體路徑。另外，冷卻介質(zhì)可在氣體路徑的外部供應(yīng)成冷卻定子段和/或護(hù)罩段，并且順應(yīng)性密封件可安裝在定子段、護(hù)罩段和外殼的各種組合之間，以減少或防止冷卻介質(zhì)進(jìn)入氣體路徑。然而，順應(yīng)性密封件將復(fù)雜性和成本添加于渦輪，并且因此不適合于所有位置。因此，在用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)和方法方面的繼續(xù)改進(jìn)將是有用的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面和優(yōu)點(diǎn)在下面在下列描述中被提出，或者可從描述是明顯的，或者可通過本發(fā)明的實(shí)踐學(xué)習(xí)。本發(fā)明的一個實(shí)施例是一種用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括定子環(huán)段、與定子環(huán)段相鄰的護(hù)罩段和在定子環(huán)段與護(hù)罩段之間的第一承載表面。第一非金屬墊片與在定子環(huán)段與護(hù)罩段之間的第一承載表面接觸。本發(fā)明的另一個實(shí)施例是一種用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)，其包括定子環(huán)段、與定子環(huán)段相鄰的護(hù)罩段和外殼，其周向地環(huán)繞定子環(huán)段和護(hù)罩段的至少一部分。承載表面位于定子環(huán)段、護(hù)罩段和外殼中的任何兩個之間。非金屬墊片與承載表面接觸。本發(fā)明還可包括一種用于密封渦輪中的氣體路徑的方法。該方法包括將非金屬墊片放置在定子環(huán)段、護(hù)罩段和外殼中的任何兩個之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員在審閱說明書之后將更好地理解這種實(shí)施例和其他實(shí)施例的特征和方面。


本發(fā)明的完整且能夠?qū)崿F(xiàn)的公開(包括對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言的其最佳模式)在說明書的其余部分被更特別地提出，包括參考附圖，其中: 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的渦輪的部分的簡化側(cè)視截面圖；并且 圖2是圖1中示出的非金屬墊片的放大圖。部件列表 10渦輪 12外殼 14定子靜葉 16旋轉(zhuǎn)葉片 18轉(zhuǎn)子 20工作流體 30定子環(huán)段
32定子環(huán)鉤狀部 40護(hù)罩段 42護(hù)罩鉤狀部 44護(hù)罩空腔 50外殼中的空腔 60豎直承載表面
62水平承載表面 70非金屬墊片
72膠粘劑。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參考本發(fā)明的目前實(shí)施例，在附圖中示出該實(shí)施例的一個或更多個實(shí)例。詳細(xì)描述使用數(shù)字標(biāo)記和字母標(biāo)記以表示附圖中的特征。附圖和描述中的同樣或相似的標(biāo)記用于表示本發(fā)明的同樣或相似的部件。如在本文中使用的，用語“第一”、“第二”和“第三”可以可互換地用于將一個構(gòu)件與另一個構(gòu)件區(qū)別開，并且不意圖表示單獨(dú)構(gòu)件的位置或重要性。另外，用語“上游”和“下游”表示流體通道中的構(gòu)件的相對位置。例如，如果流體從構(gòu)件A流到構(gòu)件B，則構(gòu)件A位于構(gòu)件B上游。相反地，如果構(gòu)件B從構(gòu)件A接收流體流，則構(gòu)件B位于構(gòu)件A下游。每個實(shí)例作為本發(fā)明的說明而不是本發(fā)明的限制被提供。實(shí)際上，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將顯而易見的是，在不背離本發(fā)明的范圍或精神的情況下，可在本發(fā)明中作出修改和變化。例如，作為一個實(shí)施例的部分被示出或描述的特征可使用在另一個實(shí)施例中以產(chǎn)生又一個實(shí)施例。因此，意圖是，本發(fā)明涵蓋在所附權(quán)利要求和它們的等同物的范圍內(nèi)的這種修改和變化。本發(fā)明的各種實(shí)施例包括用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)和方法。燃?xì)鉁u輪大體包括在現(xiàn)有技術(shù)中已知的、交替的成級的固定靜葉和旋轉(zhuǎn)葉片。系統(tǒng)和方法分別包括一個或更多個定子環(huán)段和一個或更多個護(hù)罩段，它們周向地環(huán)繞每級定子靜葉和旋轉(zhuǎn)葉片。外殼可周向地環(huán)繞定子環(huán)段和/或護(hù)罩段的至少一部分，并且非金屬墊片定位在定子環(huán)段、護(hù)罩段和外殼中的任何兩個之間的承載表面之間。在特別實(shí)施例中，非金屬墊片可包括云母基材料。非金屬墊片不比現(xiàn)有順應(yīng)性密封件復(fù)雜，并且云母提供用于減少相鄰表面之間的泄漏的廉價材料，因此提高渦輪的循環(huán)效率。雖然本發(fā)明的示例性實(shí)施例將在燃?xì)鉁u輪中的氣體路徑的背景下被大體描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解本發(fā)明的實(shí)施例可應(yīng)用于任何渦輪。圖1提供了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的渦輪10的部分的簡化截面圖。如圖1所示，渦輪10可包括被外殼12環(huán)繞的固定構(gòu)件和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。固定構(gòu)件可包括例如附接于外殼12的固定噴嘴或定子靜葉14。旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可包括例如附接于轉(zhuǎn)子18的旋轉(zhuǎn)葉片16。如圖1所示，工作流體20 (諸如蒸汽、燃燒氣體或空氣)沿著熱氣體路徑從左到右流動穿過渦輪10。第一級定子靜葉14使工作流體20加速，并且將工作流體20引導(dǎo)到第一級旋轉(zhuǎn)葉片16上，從而使第一級旋轉(zhuǎn)葉片16和轉(zhuǎn)子18旋轉(zhuǎn)。接著，工作流體20流經(jīng)第二級定子靜葉14，這使工作流體20加速，并且將工作流體20重新引導(dǎo)到下一級旋轉(zhuǎn)葉片(未示出)，并且該過程重復(fù)用于每個隨后級。如圖1所示，渦輪10可進(jìn)一步包括一系列相鄰的定子環(huán)段30和護(hù)罩段40，它們分別從每級定子靜葉14和旋轉(zhuǎn)葉片16徑向向外，以減小繞過定子靜葉14或旋轉(zhuǎn)葉片16的工作流體20的量。定子環(huán)段30和護(hù)罩段40典型地由適合連續(xù)暴露于工作流體20所預(yù)期的溫度和壓力的合金鋼和/或陶瓷復(fù)合材料機(jī)加工或者鑄造。相鄰的定子環(huán)段30形成周向地環(huán)繞每級定子靜葉14的、在外殼12內(nèi)的環(huán)，并且一個或更多個定子靜葉14連接于每個定子環(huán)段30。相鄰的護(hù)罩段40相似地形成周向地環(huán)繞每級旋轉(zhuǎn)葉片16的、在外殼12內(nèi)的環(huán)。外殼12、定子環(huán)段30和護(hù)罩段40包括用于附接、連接或支撐各個構(gòu)件的互補(bǔ)表面。例如，如圖1所示，外殼12可包括空腔50、凹口或狹槽，并且護(hù)罩段40可包括互補(bǔ)形的鉤狀部42。以該方式，護(hù)罩段40上的鉤狀部42可滑動或者配合到外殼12中的空腔50中，以將每個護(hù)罩段40可釋放地連接于外殼12。相似地，護(hù)罩段40可包括空腔44、凹口或狹槽，并且定子環(huán)段30可包括互補(bǔ)形的鉤狀部32。以該方式，定子環(huán)段30上的鉤狀部32可滑動或者配合到護(hù)罩段40中的空腔44中，以將每個定子環(huán)段30可釋放地連接于相鄰的護(hù)罩段40。本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易理解，用于將定子環(huán)段30和護(hù)罩段40連接或者附接于外殼12的可選結(jié)構(gòu)和配置在本發(fā)明的各種實(shí)施例的范圍內(nèi)。例如，在可選實(shí)施例中，定子環(huán)段30可構(gòu)造成可釋放地連接于外殼12，并且護(hù)罩段40可構(gòu)造成可釋放地連接于定子環(huán)段30。在外殼12、定子環(huán)段30和/或護(hù)罩段40之間的相鄰表面產(chǎn)生在這些構(gòu)件之間的各個承載表面。例如，如圖1所示，在定子環(huán)段30與護(hù)罩段40之間的大致豎直的承載表面60傳遞由工作流體20流經(jīng)定子靜葉14產(chǎn)生的氣動力。相似地，在定子環(huán)段30與護(hù)罩段40之間的大致水平的承載表面62傳遞由渦輪10內(nèi)的各個構(gòu)件的熱膨脹產(chǎn)生的力。具體地，流動穿過渦輪10的工作流體20的溫度的變化使定子靜葉14、旋轉(zhuǎn)葉片16、定子環(huán)段30和護(hù)罩段40膨脹和收縮。大致水平的承載表面62傳遞由相鄰構(gòu)件之間的膨脹和收縮產(chǎn)生的力。承載表面60，62大體以如下表面為特征:不非常適合于順應(yīng)性密封件的外殼12、定子環(huán)段30和護(hù)罩段40的相鄰的合金鋼或陶瓷復(fù)合材料表面。因此，非金屬墊片70可安裝在承載表面60，62中，以減少或者防止冷卻介質(zhì)泄漏到氣體路徑中。圖2提供了在定子環(huán)段30與護(hù)罩段40之間的圖1中示出的非金屬墊片70的放大圖。非金屬墊片70可在裝配期間插入在定子環(huán)段30與護(hù)罩段40之間，并且接著，承載表面60，62可將非金屬墊片70保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｔ谔貏e實(shí)施例中，非金屬墊片70可在安裝在渦輪10中之前附接于各個表面中的一個或更多個。例如，如圖2所示，在使定子環(huán)段30的鉤狀部32滑動到護(hù)罩段40中的空腔44中之前，可熱溶解的膠粘劑72或其它合適的粘合劑可用于將非金屬墊片70附接于定子環(huán)段30。非金屬墊片70可由適合連續(xù)暴露于工作流體20所預(yù)期的溫度和壓力的任何材料制造。例如，在特別實(shí)施例中，非金屬墊片70可包括云母或硅酸鹽或頁硅酸鹽礦物的云母簇。云母材料非常適合于典型地存在于燃?xì)鉁u輪中的高溫環(huán)境，并且容易地形成為薄的、平滑的抗裂片，其可提供在合金鋼或陶瓷復(fù)合材料的相鄰表面之間的流動阻力。非金屬墊片70的厚度典型地小于0.1英寸，并且可根據(jù)特別位置變化。包括云母的合適非金屬墊片70目前由位于德克薩斯州的Flexitallic以注冊商標(biāo)Thermiculite 出售。關(guān)于圖1和圖2描述和示出的系統(tǒng)還可提供用于密封渦輪10中的氣體路徑的方法。該方法可包括將非金屬墊片70放置在定子環(huán)段30、護(hù)罩段40和外殼12中的任何兩個之間，以減少或者防止冷卻介質(zhì)泄漏到氣體路徑中。在特別實(shí)施例中，云母墊片70可放置或者安裝在定子環(huán)段30、護(hù)罩段40和外殼12中的任何兩個之間?？蛇x地或者另外，該方法可包括將非金屬墊片70附接于定子環(huán)段30、護(hù)罩段40或外殼12中的至少一個。該書面的描述使用實(shí)例以公開本發(fā)明(包括最佳模式)，并且還使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明(包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)并且執(zhí)行任何并入的方法)。本發(fā)明的可專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其他實(shí)例。如果這些其他實(shí)例具有不與權(quán)利要求的字面語言不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果這些其他實(shí)例包括與權(quán)利要求的字面語言無顯著差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些其他實(shí)例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)，其包括: a.定子環(huán)段； b.護(hù)罩段，其與所述定子環(huán)段相鄰； c.第一承載表面，其位于所述定子環(huán)段與所述護(hù)罩段之間；和 d.第一非金屬墊片，其與在所述定子環(huán)段與所述護(hù)罩段之間的所述第一承載表面接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一承載表面為大致水平的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一承載表面包括所述定子環(huán)段的下游表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一非金屬墊片包括云母。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一非金屬墊片附接于所述定子環(huán)段或所述護(hù)罩段中的至少一個。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括外殼、第二承載表面和第二非金屬墊片，所述外殼周向地環(huán)繞所述護(hù)罩段的至少一部分，所述第二承載表面位于所述護(hù)罩段與所述外殼之間，所述第二非金屬墊片與在所述護(hù)罩段與所述外殼之間的所述第二承載表面接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二非金屬墊片附接于所述護(hù)罩段或所述外殼中的 至少一個。
8.一種用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)，其包括: a.定子環(huán)段； b.護(hù)罩段，其與所述定子環(huán)段相鄰； c.外殼，其周向地環(huán)繞所述定子環(huán)段和所述護(hù)罩段的至少一部分； d.承載表面，其位于所述定子環(huán)段、所述護(hù)罩段和所述外殼中的任何兩個之間；和 e.非金屬墊片，其與所述承載表面接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述承載表面為大致水平的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述承載表面包括所述定子環(huán)段的下游表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述承載表面包括所述外殼的表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非金屬墊片包括云母。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述非金屬墊片附接于所述定子環(huán)段、所述護(hù)罩段或所述外殼中的至少一個。
14.一種用于密封渦輪中的氣體路徑的方法，其包括: a.將非金屬墊片放置在定子環(huán)段、護(hù)罩段和外殼中的任何兩個之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述放置步驟包括將云母墊片放置在所述定子環(huán)段、所述護(hù)罩段和所述外殼中的任何兩個之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述非金屬墊片放置在所述定子環(huán)段、所述護(hù)罩段和所述外殼中的任何兩個之間的水平間隙中。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述非金屬墊片放置在所述定子環(huán)段、所述護(hù)罩段和所述外殼中的任何兩個之間的承載表面上。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述非金屬墊片附接于所述定子環(huán)段、 所述護(hù)罩段或所述外殼中的至少一個。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)和方法。用于密封渦輪中的氣體路徑的系統(tǒng)包括定子環(huán)段、與定子環(huán)段相鄰的護(hù)罩段和在定子環(huán)段與護(hù)罩段之間的第一承載表面。第一非金屬墊片與在定子環(huán)段與護(hù)罩段之間的第一承載表面接觸。用于密封渦輪中的氣體路徑的方法包括將非金屬墊片放置在定子環(huán)段、護(hù)罩段和外殼中的任何兩個之間。
文檔編號F01D11/02GK103195498SQ20131000159
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者D.W.韋伯, V.J.摩根 申請人:通用電氣公司