用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封件的制作方法
【專利摘要】提供用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件。組件包括周向地配置在靜止殼體與轉(zhuǎn)子中間的多個(gè)密封裝置節(jié)段。節(jié)段中的每一個(gè)包括具有前蹄區(qū)段和后蹄區(qū)段的蹄片，其具有在前蹄區(qū)段與后蹄區(qū)段之間的面向轉(zhuǎn)子的多個(gè)迷宮齒。蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個(gè)迷宮齒的前部部分?并允許低壓流體至多個(gè)迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力。密封裝置節(jié)段還包括連接于蹄片和頂部連接元件的多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部，其中，多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體。此外，密封裝置節(jié)段包括次級(jí)密封件，其在一個(gè)第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
【專利說(shuō)明】用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封件
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究和開(kāi)發(fā)的聲明
本發(fā)明利用美國(guó)能源部授予的合同N0.DE-FC26-05NT42643下的部分政府支持完成。政府具有本發(fā)明中的某些權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本申請(qǐng)大體涉及用于渦輪機(jī)的密封組件，并且更特別地，涉及用于密封轉(zhuǎn)子/定子間隙等的先進(jìn)的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件。
【背景技術(shù)】
[0003]諸如燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)和蒸汽渦輪的各種類型的渦輪機(jī)是已知的，并且廣泛用于發(fā)電、推進(jìn)等。渦輪機(jī)的效率部分地取決于內(nèi)部構(gòu)件之間的空隙和穿過(guò)這些空隙的主流體和次級(jí)流體的泄漏。例如，可在某些轉(zhuǎn)子-定子連接面處有意地允許大空隙，以適應(yīng)大的熱或機(jī)械引起的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。流體穿過(guò)這些間隙從高壓區(qū)泄漏至低壓區(qū)可導(dǎo)致渦輪機(jī)的低效率。這種泄漏由于泄漏流體不能執(zhí)行有用的工作而可影響效率。
[0004]不同類型的密封系統(tǒng)用于最小化流過(guò)渦輪機(jī)的流體的泄漏。然而，在可通過(guò)密封系統(tǒng)增大或減小空隙的各種操作階段期間，密封系統(tǒng)通常經(jīng)受相對(duì)較高的溫度、熱梯度以及熱膨脹和收縮及機(jī)械膨脹和收縮。例如，組裝成在啟動(dòng)瞬變階段期間以非常緊密的空隙運(yùn)行的傳統(tǒng)迷宮密封件可在穩(wěn)態(tài)操作期間以大空隙運(yùn)行，由此導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)操作時(shí)的差性能。
[0005]因此，存在對(duì)用于與渦輪機(jī)一起使用的改進(jìn)順應(yīng)性密封組件的期望。優(yōu)選地，這種順應(yīng)性密封組件可在穩(wěn)態(tài)操作期間提供較緊密的密封，同時(shí)在瞬變操作期間避免由接觸引起的摩擦、磨損和損壞。這種密封組件應(yīng)當(dāng)改進(jìn)總系統(tǒng)效率，同時(shí)制造便宜，并且提供相關(guān)部件的延長(zhǎng)的壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件。組件包括周向地配置在靜止殼體與轉(zhuǎn)子中間的多個(gè)密封裝置節(jié)段。節(jié)段中的每一個(gè)包括具有前蹄(shoe)區(qū)段和后蹄區(qū)段的蹄片，該蹄片具有在前蹄區(qū)段與后蹄區(qū)段之間的面向轉(zhuǎn)子的多個(gè)迷宮齒。蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個(gè)迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個(gè)迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力。密封裝置節(jié)段還包括連接于蹄片和頂部連接元件的多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部，其中，多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體。此外，密封裝置節(jié)段包括次級(jí)密封件，其在一個(gè)第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種用于渦輪構(gòu)件的空氣動(dòng)力學(xué)密封裝置。密封裝置包括蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的面向可旋轉(zhuǎn)元件的多個(gè)迷宮齒。蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個(gè)迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個(gè)迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力。密封裝置還包括連接于蹄片和頂部連接元件的多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部，其中，多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體。此外，密封裝置包括次級(jí)密封件，其在一個(gè)第一端部處連接于頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位，其中，配置在密封裝置內(nèi)的次級(jí)密封件構(gòu)造成形成朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)和低壓側(cè)的前腔體和后腔體。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，提供了一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的靜止殼體與繞著旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的可旋轉(zhuǎn)元件之間形成氣體路徑密封件的方法。該方法包括將多個(gè)密封裝置節(jié)段配置在靜止殼體與可旋轉(zhuǎn)元件中間。密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)包括蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的多個(gè)迷宮齒，該蹄片構(gòu)造成用于允許高壓流體至多個(gè)迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個(gè)迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成用于在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力。該方法還包括將密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)中的多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部附接于蹄片和頂部連接元件，其中，多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成用于允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體。此外，該方法包括將次級(jí)密封件配置在密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)內(nèi)以形成前腔體和后腔體，其中，次級(jí)密封件在一個(gè)第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
[0009]一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，密封組件包括:多個(gè)密封裝置節(jié)段，其周向地配置在靜止殼體與轉(zhuǎn)子中間，其中，節(jié)段中的每一個(gè)包括:具有前蹄區(qū)段和后蹄區(qū)段的蹄片，其具有在前蹄區(qū)段與后蹄區(qū)段之間的面向轉(zhuǎn)子的多個(gè)迷宮齒，其中，蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個(gè)迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個(gè)迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力，多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部，其連接于蹄片和頂部連接元件，其中，多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體；以及次級(jí)密封件，其在一個(gè)第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
[0010]優(yōu)選地，蹄片包括由于蹄片的頂部部分的不同周向?qū)挾榷纬傻那疤愎┙o凹槽和朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)的前蹄片區(qū)段。
[0011]優(yōu)選地，蹄片包括由于蹄片的頂部部分的不同周向?qū)挾榷纬傻暮筇愎┙o凹槽和朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)的后蹄片區(qū)段。
[0012]優(yōu)選地，多個(gè)波紋管彈簧中的每一個(gè)包括小于頂部連接元件和蹄片的周向?qū)挾戎械拿恳粋€(gè)的周向?qū)挾取?br> [0013]優(yōu)選地，多個(gè)波紋管彈簧包括前波紋管彈簧和后波紋管彈簧。
[0014]優(yōu)選地，密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)包括次級(jí)密封件與蹄片之間的線接觸，從而使前波紋管彈簧與后波紋管彈簧對(duì)稱地或幾乎對(duì)稱地分開(kāi)在次級(jí)密封件與蹄片之間的線接觸的任一側(cè)。
[0015]優(yōu)選地，蹄片包括在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)位于線接觸之前的多個(gè)前端口，用于允許流體軸向流動(dòng)至多個(gè)迷宮齒的前部部分。
[0016]優(yōu)選地，多個(gè)前端口沿周向方向成角度，以在流體從前腔體流動(dòng)至多個(gè)迷宮齒的前部部分時(shí)將渦流給予流體。
[0017]優(yōu)選地，前腔體由頂部連接元件、次級(jí)密封件、前波紋管彈簧和在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)的蹄片形成。
[0018]優(yōu)選地，蹄片包括一個(gè)或更多個(gè)后端口，其在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)位于線接觸之后，并且構(gòu)造成使多個(gè)迷宮齒的后側(cè)連接于后腔體。
[0019]優(yōu)選地，后腔體由頂部連接元件、次級(jí)密封件、后波紋管彈簧和在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)的蹄片形成。
[0020]優(yōu)選地，一個(gè)或更多個(gè)后端口沿周向方向成角度，以將切向流給予從多個(gè)迷宮齒后面流動(dòng)到后腔體中的流體。
[0021 ] 優(yōu)選地，一個(gè)或更多個(gè)后端口為直端口或周向成角度的端口，用于允許流體從多個(gè)迷宮齒后面流動(dòng)至密封裝置節(jié)段的下游腔體。
[0022]優(yōu)選地，前蹄區(qū)段和后蹄區(qū)段中的每一個(gè)包括瑞利階梯，用于產(chǎn)生用于密封裝置節(jié)段上的附加向上推力的薄膜。
[0023]優(yōu)選地，面向轉(zhuǎn)子的蹄片的側(cè)面包括不同于轉(zhuǎn)子的曲率半徑的曲率半徑。
[0024]優(yōu)選地，面向轉(zhuǎn)子的蹄片的側(cè)面的曲率半徑大于轉(zhuǎn)子的曲率半徑。
[0025]一種用于渦輪構(gòu)件的空氣動(dòng)力學(xué)密封裝置，其包括:蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的面向可旋轉(zhuǎn)元件的多個(gè)迷宮齒，其中，蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至多個(gè)迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個(gè)迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力；多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部，其連接于蹄片和頂部連接元件，其中，多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體；以及次級(jí)密封件，其在一個(gè)第一端部處連接于頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位，其中，次級(jí)密封件配置在密封裝置內(nèi)以形成朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)和低壓側(cè)的前腔體和后腔體。
[0026]優(yōu)選地，空氣動(dòng)力學(xué)密封裝置還包括在分別朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)和低壓側(cè)的蹄片的側(cè)面處的前蹄供給凹槽和后蹄供給凹槽。
[0027]優(yōu)選地，多個(gè)波紋管彈簧中的每一個(gè)包括小于頂部連接元件和蹄片的周向?qū)挾戎械拿恳粋€(gè)的周向?qū)挾取?br> [0028]優(yōu)選地，空氣動(dòng)力學(xué)密封裝置還包括位于前腔體中的多個(gè)前端口和位于后腔體中的一個(gè)或更多個(gè)后端口。
[0029]一種在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的靜止殼體與繞著旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的可旋轉(zhuǎn)元件之間形成空氣動(dòng)力學(xué)密封件的方法，該方法包括:將多個(gè)密封裝置節(jié)段配置在靜止殼體與可旋轉(zhuǎn)元件中間，其中，密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)包括蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的多個(gè)迷宮齒，蹄片構(gòu)造成用于允許高壓流體至多個(gè)迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至多個(gè)迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成用于在蹄片與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力；將密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)中的多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部附接于蹄片和頂部連接元件，其中，多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成用于允許高壓流體占據(jù)前腔體并允許低壓流體占據(jù)后腔體；以及將次級(jí)密封件配置在密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)內(nèi)以形成前腔體和后腔體，其中，次級(jí)密封件在一個(gè)第一端部處附接于頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部和蹄片定位。
[0030]優(yōu)選地，蹄片包括在分別朝向高壓側(cè)和低壓側(cè)的蹄片的側(cè)面處的前蹄供給凹槽和
后蹄供給凹槽。[0031]優(yōu)選地，多個(gè)波紋管彈簧中的每一個(gè)包括小于頂部連接元件和蹄片的周向?qū)挾戎械拿恳粋€(gè)的周向?qū)挾取?br> [0032]優(yōu)選地，蹄片包括位于前腔體中的多個(gè)前端口和位于后腔體中的一個(gè)或更多個(gè)后端口。
[0033]優(yōu)選地，蹄片包括從NASA PS304、NASA PS400、石墨、金剛石類碳、六方氮化硼或相似的其它固體潤(rùn)滑劑涂層的組選擇的固體潤(rùn)滑涂層。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]當(dāng)參考附圖閱讀下列詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在該附圖中，同樣的標(biāo)記遍及附圖表示同樣的部件，其中:
圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件的透視圖。
[0035]圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段的透視圖。
[0036]圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的具有彎曲部的密封裝置節(jié)段的透視圖。
[0037]圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件的一部分的正視圖。
[0038]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段的側(cè)視圖。
[0039]圖6為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段的仰視圖。
[0040]圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段中的后端口。
[0041]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段中的另一個(gè)后端口。
[0042]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件的蹄-轉(zhuǎn)子曲率。
[0043]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段中的瑞利階梯。
[0044]圖11為流程圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的靜止殼體與繞著旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的可旋轉(zhuǎn)元件之間形成空氣動(dòng)力學(xué)密封件的方法中涉及的示例性步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0045]在介紹本發(fā)明的各種實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞〃 一 〃、〃 一個(gè)〃、〃該〃和〃所述〃意圖指的是存在元件中的一個(gè)或更多個(gè)。用語(yǔ)〃包括"、〃包含〃和〃具有〃意圖為包含的，并且指的是可存在除了列出元件之外的附加元件。操作參數(shù)的任何實(shí)例不排除公開(kāi)的實(shí)施例的其它參數(shù)。
[0046]圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件10的透視圖?？諝鈩?dòng)力學(xué)密封組件10圍繞轉(zhuǎn)子軸(未示出)周向地布置，使得密封組件10位于靜止殼體(未示出)與轉(zhuǎn)子軸中間。密封組件10包括定位成彼此相鄰以形成密封組件10的多個(gè)密封裝置節(jié)段12。密封裝置節(jié)段12中的每一個(gè)包括定位成接近轉(zhuǎn)子軸的蹄片14。在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的操作期間，蹄片14倚靠在轉(zhuǎn)子軸上方的空氣動(dòng)力學(xué)流體膜上。密封組件10還包括在面向轉(zhuǎn)子軸表面的一側(cè)位于蹄片14上的多個(gè)迷宮齒16。迷宮齒在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件10的任一側(cè)使來(lái)自高壓區(qū)18的流體與來(lái)自低壓區(qū)20的流體大致分開(kāi)。密封組件10還包括附接于蹄片14和頂部連接元件24的多個(gè)波紋管彈簧22。密封裝置節(jié)段12中的每一個(gè)相對(duì)于轉(zhuǎn)子組裝，使得在每個(gè)蹄片14與轉(zhuǎn)子軸之間存在間距(clearance gap)。相鄰的密封裝置節(jié)段12也包括它們之間的間距。在圖2中詳細(xì)描述密封裝置節(jié)段12中的每一個(gè)。
[0047]圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段12的透視圖。如示出的，密封裝置節(jié)段12包括具有前蹄區(qū)段26和后蹄區(qū)段28的蹄片14，蹄片14具有在前蹄區(qū)段26與后蹄區(qū)段28之間的面向轉(zhuǎn)子軸(未示出)的多個(gè)迷宮齒16。密封裝置節(jié)段12包括一個(gè)或更多個(gè)波紋管彈簧，其包括前波紋管彈簧30和后波紋管彈簧32。密封裝置節(jié)段12還包括次級(jí)密封件34，其在一個(gè)第一端部處經(jīng)由懸臂梁區(qū)段36附接于頂部連接元件24，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧30，32和蹄片14定位，其中，次級(jí)密封件34中的每一個(gè)在一個(gè)第二端部處形成與蹄片14的線接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，次級(jí)密封件34可直接附接于頂部連接元件24。如該實(shí)施例所示，波紋管彈簧30，32和次級(jí)密封件34在周向方向上為直的。直波紋管彈簧30，32和直次級(jí)密封件34允許機(jī)械應(yīng)力保持較低。在另一個(gè)實(shí)施例中，波紋管30，32和次級(jí)密封件34可沿周向方向彎曲。
[0048]在密封組件10(如圖1所示)中，來(lái)自鄰近的密封裝置節(jié)段12的次級(jí)密封件12形成用于頂部連接元件24與蹄片14之間的流體流的阻力路徑。在一個(gè)實(shí)施例中，前波紋管彈簧30和后波紋管彈簧32對(duì)稱地位于次級(jí)密封件34與蹄片14之間的接觸線的任一側(cè)。該對(duì)稱布置允許蹄片14以最小傾斜徑向地平移(前蹄區(qū)段26的邊緣比后蹄區(qū)段28的邊緣更靠近轉(zhuǎn)子，或反之亦然)。由對(duì)稱設(shè)計(jì)引起的減小的傾斜還確保蹄片14可以以穩(wěn)健的方式既徑向向內(nèi)又徑向向外(在轉(zhuǎn)子增長(zhǎng)事件期間)行進(jìn)大位移。
[0049]存在經(jīng)過(guò)次級(jí)密封件34與蹄片14之間的接觸線的小泄漏。次級(jí)密封件34構(gòu)造成將密封裝置節(jié)段12劃分成朝向高壓側(cè)18的前腔體38和朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)20的后腔體40。
[0050]在如圖3所示的一個(gè)實(shí)施例中，密封裝置節(jié)段13包括連接于蹄片14和頂部連接元件24的多個(gè)彎曲部31，33。圖3的多個(gè)彎曲部31，33中的每一個(gè)或圖2的波紋管彈簧30，32包括小于頂部連接元件24和蹄片14的周向?qū)挾戎械拿恳粋€(gè)的周向?qū)挾?。這確保在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的加壓之后，流體圍繞前波紋管彈簧30或彎曲部31流動(dòng)并且使前腔體38加壓。相似地，在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)20，低壓流體圍繞后波紋管彈簧32或彎曲部33流動(dòng)，以在后腔體40內(nèi)在次級(jí)密封件34后面形成低壓。
[0051]此外，在圖2的一個(gè)實(shí)施例中，密封裝置節(jié)段12包括在分別朝向旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)18和低壓側(cè)20的蹄片14的側(cè)面處的前蹄供給凹槽42和后蹄供給凹槽44。蹄片14的頂部部分46包括比形成供給凹槽42，44的底部部分48更寬的周向?qū)挾?。在密封組件10 (如圖1所示)中的相鄰密封裝置節(jié)段12之間，存在相鄰次級(jí)密封件36之間的間距。除了間距之外，存在如圖4所討論的徑向間隙。
[0052]圖4為示出相鄰密封裝置節(jié)段12(如圖1所示)之間的徑向間隙的密封組件10(如圖1所示)的一部分。如示出的，頂部連接元件24用于定子殼體的一部分，并且具有相鄰密封裝置節(jié)段12之間的定子-定子徑向間隙。相鄰次級(jí)密封件34也顯示徑向間隙。此外，在前蹄區(qū)段26 (如圖2所示)中，蹄片14的頂部部分46和底部部分48形成前蹄供給凹槽42。鄰近蹄的多個(gè)迷宮齒形成鄰近蹄之間的節(jié)段間隙。在密封組件10中，鄰近蹄片14之間和鄰近次級(jí)密封件34之間的節(jié)段徑向間隙設(shè)計(jì)成使得密封裝置節(jié)段12朝向轉(zhuǎn)子的徑向運(yùn)動(dòng)和節(jié)段12的任何周向熱膨脹不引起節(jié)段結(jié)合。
[0053]如圖2所示，蹄片14還包括位于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)18的線接觸之前的多個(gè)前端口 50，用于允許流體軸向流動(dòng)至多個(gè)迷宮齒16的前部部分。此外，蹄片14包括位于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)20的線接觸之后的一個(gè)或更多個(gè)后端口 52。在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或更多個(gè)后端口 52沿周向方向成角度，以將切向流給予從多個(gè)迷宮齒16后面流動(dòng)到后腔體40中的流體。在另一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或更多個(gè)后端口 52為直端口或周向成角度的端口，用于允許流體從迷宮齒16后面流動(dòng)至密封裝置節(jié)段12的后腔體40。
[0054]圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段12的側(cè)視圖。如一個(gè)實(shí)施例所示，前波紋管彈簧30和后波紋管彈簧32通過(guò)硬焊接頭連接于頂部連接元件24和蹄片14。圖5還示出了作用在蹄片14和次級(jí)密封件34上的各種壓力。在前腔體38和后腔體40中，密封裝置節(jié)段12的加壓使蹄片14在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的啟動(dòng)操作期間朝向轉(zhuǎn)子移動(dòng)。在非限制性實(shí)例中，蹄片14可在空氣靜力學(xué)操作模式中倚靠在流體膜上，該流體膜厚度可取決于與轉(zhuǎn)子的初始密封組件空隙而在大約3/1000英寸至5/1000英寸的范圍內(nèi)。
[0055]在空氣靜力學(xué)操作模式中，加壓使次級(jí)密封件34徑向向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，從而朝向轉(zhuǎn)子推動(dòng)蹄片14。當(dāng)次級(jí)密封件34朝向轉(zhuǎn)子推動(dòng)蹄片14時(shí)，波紋管彈簧30，32支持和引導(dǎo)蹄片14的運(yùn)動(dòng)。除了次級(jí)密封件接觸力和波紋管彈簧力之外，蹄片14還經(jīng)受空氣靜力學(xué)壓力負(fù)載。這些空氣靜力學(xué)壓力負(fù)載由圍繞蹄片14的流體的存在引起。如圖5的徑向外面所示，蹄片14在次級(jí)密封件34與蹄片14之間的次級(jí)密封件線接觸的任一側(cè)經(jīng)受高壓流體和低壓流體。
[0056]在一個(gè)實(shí)施例中，前端口 50和兩個(gè)前蹄供給凹槽42 (如圖2、圖3所示)將高壓流體從前腔體38帶至多個(gè)迷宮齒16的前側(cè)。相似地，一個(gè)或更多個(gè)后端口 52和后蹄供給凹槽44(如圖2、圖3所示)將低壓流體從后腔體40帶至多個(gè)迷宮齒16的后側(cè)。因此，多個(gè)迷宮齒16經(jīng)受橫跨密封裝置節(jié)段12的壓降，并且執(zhí)行向沿轉(zhuǎn)子-蹄片間隙的泄漏提供流動(dòng)限制的功能。由于前端口 50的存在，故次級(jí)密封件34上游的蹄片14的所有面經(jīng)受高壓流體。相似地，一個(gè)或更多個(gè)后端口 52確保次級(jí)密封件34下游的蹄片14的所有面經(jīng)受低壓流體。當(dāng)流體膜厚度在蹄片14與轉(zhuǎn)子表面之間為3/1000英寸至5/1000英寸或更大時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)不使蹄片14下方的流體膜壓力顯著不同于由前端口 50和后端口 52引起的高壓和低壓。因此，蹄片14上的凈流體負(fù)載大約為零。蹄片14在幾乎為零的凈流體負(fù)載、向內(nèi)推動(dòng)蹄片14的次級(jí)密封件接觸力和克服該徑向向內(nèi)運(yùn)動(dòng)支承其的波紋管彈簧的影響下徑向向內(nèi)移動(dòng)。
[0057]圖6為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段12的仰視圖。在該實(shí)施例中，密封裝置節(jié)段12示出包括四個(gè)端口的前端口 50。在其它實(shí)施例中，前端口 50可為較少端口或多于四個(gè)端口。在當(dāng)前實(shí)施例中，前端口 50構(gòu)造成允許流體從前端口 50沿軸向方向流動(dòng)至多個(gè)迷宮齒16的前部。在另一個(gè)實(shí)施例中，前端口 50沿周向方向成角度，以在流體從前腔體38流動(dòng)至多個(gè)迷宮齒16的前部部分時(shí)將渦流給予流體(獲得切向速度)。在該實(shí)施例中，從密封裝置節(jié)段12的仰視圖示出后端口 52的一個(gè)第一端部。后端口 52使迷宮齒16的后側(cè)連接于后腔體40。如示出的，后端口 52的一個(gè)第一端部開(kāi)口位于面向迷宮齒16的后側(cè)的后蹄區(qū)段28的第一邊緣處。在圖7中示出后腔體40中的后端口 52的一個(gè)第二端部開(kāi)口。在一個(gè)實(shí)施例中，后端口 52可分成多個(gè)端口。在又一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或更多個(gè)后端口 52沿周向方向成角度，以將切向流給予從多個(gè)迷宮齒16后面流動(dòng)到后腔體40中的流體。[0058]圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的密封裝置節(jié)段12中的另一個(gè)后端口 52。在該實(shí)施例中，一個(gè)或更多個(gè)后端口 52為直端口或周向成角度的端口，用于允許流體從多個(gè)迷宮齒16后面直接流動(dòng)至密封裝置節(jié)段12的下游腔體。一個(gè)或更多個(gè)后端口 52的第一端部開(kāi)口可位于面向迷宮齒16的后側(cè)的后蹄區(qū)段28的第一邊緣處。如該實(shí)施例所示，一個(gè)或更多個(gè)后端口 52的第二端部開(kāi)口可位于蹄片14的后蹄區(qū)段的第二邊緣處，從而將流體流從多個(gè)迷宮齒16后面直接指引至密封裝置節(jié)段12的下游腔體。
[0059]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件10中的蹄-轉(zhuǎn)子曲率。密封組件10還在空氣動(dòng)力學(xué)操作模式中操作。當(dāng)轉(zhuǎn)子-蹄片間隙開(kāi)始減小(例如，在引起空隙變化的熱或機(jī)械的瞬變事件期間)時(shí)，薄流體膜開(kāi)始建立附加壓力。在該實(shí)施例中，蹄片14的曲率半徑有意地大于轉(zhuǎn)子半徑。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子-蹄片間隙變小(小于1/1000英寸)時(shí)，流體膜沿旋轉(zhuǎn)方向單調(diào)地會(huì)聚或會(huì)聚-擴(kuò)散。呈流體楔形式的該流體膜使附加壓力積累。薄膜的物理性質(zhì)從液體動(dòng)壓軸承或箔帶軸承充分地理解，并且可使用適當(dāng)?shù)牧黧w流模型建模?；驹頌椋谛D(zhuǎn)方向上的流體膜厚度中的任何負(fù)梯度將使流體膜中的壓力增大至高于其邊界壓力。由薄流體膜引起的附加壓力擠壓波紋管彈簧30，32，由此使蹄片14徑向向外移動(dòng)并且抑制轉(zhuǎn)子接觸蹄片14。在該意義上，轉(zhuǎn)子的任何向外偏移由每個(gè)密封裝置節(jié)段12上的蹄片14跟隨。
[0060]在如圖10所示的另一個(gè)實(shí)施例中，薄流體膜由于在旋轉(zhuǎn)方向上存在蹄片14上的一個(gè)或更多個(gè)瑞利階梯60，62而產(chǎn)生附加力。如示出的，前蹄區(qū)段26包括第一瑞利階梯60，而后蹄區(qū)段28包括第二瑞利階梯62。應(yīng)當(dāng)注意，多個(gè)前端口 50和一個(gè)或更多個(gè)后端口52還滿足冷卻端口的目的，該冷卻端口用于帶走可在薄膜空氣動(dòng)力學(xué)密封件操作模式中產(chǎn)生的附加熱。兩個(gè)蹄區(qū)段(即，前蹄區(qū)段26和后蹄區(qū)段28)的存在允許沿兩個(gè)方向產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力矩(繞著周向軸線)。例如，如果蹄片14傾斜成使得后蹄區(qū)段28的后緣比前蹄區(qū)段26的前緣更靠近轉(zhuǎn)子，則后蹄區(qū)段28將比前蹄區(qū)段26產(chǎn)生更大的空氣動(dòng)力學(xué)力，并且產(chǎn)生的空氣動(dòng)力學(xué)力矩將修正蹄的傾斜。相似地，前蹄區(qū)段26在前蹄區(qū)段26更靠近轉(zhuǎn)子的情況下允許空氣動(dòng)力學(xué)傾斜修正?？傮w上，具有與轉(zhuǎn)子的曲率失配的兩個(gè)蹄片區(qū)段布置或一個(gè)或更多個(gè)瑞利階梯60，62允許自我修正密封件行為，其不但可修正徑向空隙變化，而且還修正密封件中的前-后傾斜。
[0061]在非限制性實(shí)例中，波紋管彈簧30，32和次級(jí)密封件34(如圖2所示)兩者由如Inconel X750或Rene41的高溫金屬合金墊片形成。波紋管彈簧30，32的兩個(gè)端部硬焊于頂部連接元件24和蹄片14。次級(jí)密封件34懸臂連接(硬焊)于定子或頂部連接元件24，并且在蹄片表面上軸向地自由滑動(dòng)。在本實(shí)施例中，次級(jí)密封件34的自由端部觸碰蹄片14(如示出的)，并且一直保持與蹄片14接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，在加壓之前，次級(jí)密封件34與蹄片14之間可存在間隙(無(wú)接觸)，并且該間隙將在加壓之后閉合，以創(chuàng)建次級(jí)密封件34與蹄片14之間的接觸。在一個(gè)實(shí)施例中，蹄片14和定子連接件或頂部連接元件24被加工或鑄造。在一個(gè)實(shí)施例中，蹄片的徑向最內(nèi)表面可涂覆有潤(rùn)滑涂層，如NASA PS304或NASA PS400或相似的固體潤(rùn)滑劑涂層，該潤(rùn)滑涂層可處理密封件操作環(huán)境條件下的蹄片14與轉(zhuǎn)子之間的無(wú)意摩擦。在另一個(gè)實(shí)施例中，與蹄片14連接的轉(zhuǎn)子表面可涂覆有碳化鉻或氮化鈦鋁或相似涂層，以改進(jìn)轉(zhuǎn)子的硬度、抗腐蝕性和維持良好表面光潔度的能力。
[0062]圖11為流程圖100，其示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的、在旋轉(zhuǎn)機(jī)器的靜止殼體與繞著旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的可旋轉(zhuǎn)元件之間形成空氣動(dòng)力學(xué)密封件的方法中涉及的步驟。在步驟102處，該方法包括在靜止殼體與可旋轉(zhuǎn)元件中間配置多個(gè)密封裝置節(jié)段，其中，密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)包括蹄片，其具有在前蹄片區(qū)段與后蹄片區(qū)段之間的多個(gè)迷宮齒。蹄片還包括在分別朝向高壓側(cè)和低壓側(cè)的蹄片的側(cè)面處的前蹄供給凹槽和后蹄供給凹槽。在步驟104處，該方法包括將密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)中的多個(gè)波紋管彈簧附接于蹄片和頂部連接元件。最后，在步驟106處，該方法包括將次級(jí)密封件配置在密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)內(nèi)，以形成前腔體和后腔體，其中，次級(jí)密封件在一個(gè)第一端部處經(jīng)由懸臂梁區(qū)段附接于頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著多個(gè)波紋管彈簧和蹄片定位。
[0063]有利地，本空氣動(dòng)力學(xué)密封組件為用于具有高壓降和大瞬變的旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的若干位置的、可靠穩(wěn)健的密封件。密封組件還是制造經(jīng)濟(jì)的。密封件的非接觸操作使它們對(duì)于大轉(zhuǎn)子瞬變位置而言尤其有吸引力。此外，本發(fā)明允許彈簧剛度和抗壓能力(因?yàn)閺椈刹皇菈毫虞d的)的獨(dú)立控制，由此允許仍耐受高壓降的順應(yīng)性密封件的設(shè)計(jì)。此外，本發(fā)明允許蹄片在空氣靜力學(xué)操作中保持與轉(zhuǎn)子平行，并且在空氣動(dòng)力學(xué)模式期間平行于轉(zhuǎn)子平移。本發(fā)明還包括用于徑向運(yùn)動(dòng)的改進(jìn)的預(yù)測(cè)能力(用于泄漏性能和穩(wěn)健性的增強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力)。
[0064]此外，技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到來(lái)自不同實(shí)施例的各種特征的互換性。相似地，各種方法步驟和描述的特征，以及用于每個(gè)這種方法和特征的其它已知的等同物可由本領(lǐng)域技術(shù)人員混合和匹配以構(gòu)建根據(jù)本公開(kāi)的原理的附加系統(tǒng)和技術(shù)。當(dāng)然，將理解，以上描述的所有這種目的或優(yōu)點(diǎn)可不必根據(jù)任何特別實(shí)施例實(shí)現(xiàn)。因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可以以實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化如本文中教導(dǎo)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或成組優(yōu)點(diǎn)的方式來(lái)實(shí)施或執(zhí)行本文中描述的系統(tǒng)和技術(shù)，而不必實(shí)現(xiàn)如可在本文中教導(dǎo)或建議的其它目的或優(yōu)點(diǎn)。
[0065]雖然已經(jīng)僅在本文中示出和描述本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和變化。因此，將理解，所附權(quán)利要求意圖涵蓋落入在本發(fā)明的真實(shí)精神內(nèi)的所有這種修改和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種用于旋轉(zhuǎn)機(jī)器的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，所述密封組件包括: 多個(gè)密封裝置節(jié)段，其周向地配置在靜止殼體與轉(zhuǎn)子中間，其中，所述節(jié)段中的每一個(gè)包括: 具有前蹄區(qū)段和后蹄區(qū)段的蹄片，其具有在所述前蹄區(qū)段與所述后蹄區(qū)段之間的面向所述轉(zhuǎn)子的多個(gè)迷宮齒，其中，所述蹄片構(gòu)造成允許高壓流體至所述多個(gè)迷宮齒的前部部分并允許低壓流體至所述多個(gè)迷宮齒后面，并且還構(gòu)造成在所述蹄片與所述轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生空氣動(dòng)力學(xué)力， 多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部，其連接于所述蹄片和頂部連接元件，其中，所述多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部構(gòu)造成允許所述高壓流體占據(jù)前腔體并允許所述低壓流體占據(jù)后腔體；以及 次級(jí)密封件，其在一個(gè)第一端部處附接于所述頂部連接元件，并且在一個(gè)第二端部處繞著所述多個(gè)波紋管彈簧或彎曲部和所述蹄片定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，其特征在于，所述蹄片包括由于所述蹄片的頂部部分的不同周向?qū)挾榷纬傻那疤愎┙o凹槽和朝向所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)的所述前蹄片區(qū)段。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，其特征在于，所述蹄片包括由于所述蹄片的頂部部分的不同周向?qū)挾榷纬傻暮筇愎┙o凹槽和朝向所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)的所述后蹄片區(qū)段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，其特征在于，所述多個(gè)波紋管彈簧中的每一個(gè)包括小于所述頂部連接元件和所述蹄片的周向?qū)挾戎械拿恳粋€(gè)的周向?qū)挾取?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣動(dòng)力學(xué)組件，其特征在于，所述多個(gè)波紋管彈簧包括前波紋管彈簧和后波紋管彈簧。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，其特征在于，所述密封裝置節(jié)段中的每一個(gè)包括所述次級(jí)密封件與所述蹄片之間的線接觸，從而使所述前波紋管彈簧與所述后波紋管彈簧對(duì)稱地或幾乎對(duì)稱地分開(kāi)在所述次級(jí)密封件與所述蹄片之間的所述線接觸的任一側(cè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，其特征在于，所述蹄片包括在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)位于所述線接觸之前的多個(gè)前端口，用于允許流體軸向流動(dòng)至所述多個(gè)迷宮齒的前部部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，其特征在于，所述多個(gè)前端口沿周向方向成角度，以在所述流體從所述前腔體流動(dòng)至所述多個(gè)迷宮齒的前部部分時(shí)將渦流給予所述流體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，其特征在于，所述前腔體由所述頂部連接元件、所述次級(jí)密封件、所述前波紋管彈簧和在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的高壓側(cè)的所述蹄片形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的空氣動(dòng)力學(xué)密封組件，其特征在于，所述蹄片包括一個(gè)或更多個(gè)后端口，其在所述旋轉(zhuǎn)機(jī)器的低壓側(cè)位于所述線接觸之后，并且構(gòu)造成使所述多個(gè)迷宮齒的后側(cè)連接于所述后腔體。
【文檔編號(hào)】F01D11/08GK103527263SQ201310161985
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月6日
【發(fā)明者】R.A.比卡, M.奇里, A.M.薩特, J.R.威廉斯 申請(qǐng)人:通用電氣公司