CN114096739B - 燃气涡轮发动机中的密封组件 - Google Patents

Abstract

提出了一种燃气涡轮发动机（10）中的密封组件（400）。该密封组件被布置在内部压缩机出口扩散器（222）的前侧处。该密封组件被布置在出口引导轮叶组件（120）和内部压缩机出口扩散器（222）的前侧之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏，或者布置在相邻的出口引导轮叶组件之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。该密封组件包括多个密封段。该密封组件包括至少一个密封件，例如刷式密封件（410）。

Description

燃气涡轮发动机中的密封组件

技术领域

本发明总体上涉及燃气涡轮发动机中的密封组件，特别是用于减少燃气涡轮发动机中的冷却空气泄漏的密封组件。

背景技术

工业燃气涡轮发动机通常包括压缩机部段、涡轮部段和设置在它们之间的中间框架部段。压缩机部段包括多级的压缩机叶片和轮叶，以及处于最后一级叶片和轮叶后部的出口引导轮叶组件。中间框架部段通常包括压缩机出口扩散器和燃烧器组件。该压缩机出口扩散器使压缩空气从压缩机部段扩散到集气室（plenum）中，该压缩空气通过该集气室流动到燃烧器组件，该燃烧器组件将压缩空气与燃料混合并点燃混合物，并且将点燃的混合物输送到涡轮部段以实现机械功率。涡轮部段包括多级的涡轮叶片和轮叶。由于涡轮部段中点燃的混合物的高温，冷却空气被用于冷却涡轮叶片和轮叶，以维持足够的部件寿命。

通常，冷却空气可通过排放压缩机空气来抽取。然而，从压缩机排放空气可能会降低燃气涡轮发动机的性能和效率。密封件通常被布置在中间框架部段处，以减少冷却空气泄漏。可靠的密封系统对燃气涡轮发动机的性能和效率很重要。

发明内容

简言之，本发明的各方面涉及燃气涡轮发动机、燃气涡轮发动机中的密封组件以及用于减少燃气涡轮发动机中的泄漏的方法。

根据一个方面，提出了一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括压缩机部段，其包括出口引导轮叶组件。该燃气涡轮发动机包括中间框架部段，其布置在该压缩机部段的下游。该中间框架部段包括内部压缩机出口扩散器。该出口引导轮叶组件与该内部压缩机出口扩散器的前侧接合。该燃气涡轮发动机包括涡轮部段，其布置在该中间框架部段的下游。该燃气涡轮发动机包括布置在该内部压缩机出口扩散器的前侧处的密封组件。

根据一个方面，提出了一种燃气涡轮机中的密封组件。该燃气涡轮发动机包括与内部压缩机出口扩散器的前侧接合的出口引导轮叶组件。该密封组件包括布置在内部压缩机出口扩散器的前侧处的至少一个密封件。

根据一个方面，提出了一种用于减少燃气涡轮发动机中的泄漏的方法。该燃气涡轮发动机包括与内部压缩机出口扩散器的前侧接合的出口引导轮叶组件。该方法包括在内部压缩机出口扩散器的前侧处布置密封组件。

如上文和下文中所描述的本申请的各个方面和实施例不仅可在明确描述的组合中使用，而且还可在其他组合中使用。在阅读和理解本说明书后，技术人员将想到修改。

附图说明

关于附图进一步详细地解释本申请的示例性实施例。在附图中：

图1是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机的一部分的示意性纵向剖面图；

图2至图8是根据本发明的各种实施例的燃气涡轮发动机中的密封组件的示意性剖面图；

图9是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机中的密封组件的示意性局部透视图；以及

图10是根据本发明的实施例的密封组件的密封段的示意图。

为便于理解，在可能的情况下，相同的附图标记被用于标示各附图共有的相同元件。

具体实施方式

以下关于附图来描述与本发明的各方面相关的详细描述。

出于说明的目的，术语“轴向”或“轴向地”是指沿燃气涡轮发动机的纵向轴线的方向，术语“径向”或“径向地”是指垂直于燃气涡轮发动机的纵向轴线的方向，术语“下游”或“后”是指沿流动方向的方向，术语“上游”或“前”是指与流动方向相反的方向。

图1图示了根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机10的一部分的示意性纵向剖面图。如图1中所示，燃气涡轮发动机10包括沿纵向轴线18的多个部件。该多个部件可包括压缩机部段100、相对于流动方向A位于压缩机部段100下游的涡轮部段300以及位于它们之间的中间框架部段200。燃气涡轮发动机10还包括包围该多个部件的外壳12。转子14纵向连接压缩机部段100、中间框架部段200和涡轮部段300，并且由此被周向包围。转子14可部分或完全地被轴盖16包围。

压缩机部段100包括多级的压缩机旋转叶片111和压缩机固定轮叶112。图1仅示出了最后一级的压缩机旋转叶片111和压缩机固定轮叶112。出口引导轮叶组件120被布置在最后一级压缩机轮叶112的下游。压缩机叶片111被安装到转子14中。压缩机轮叶112和出口引导轮叶组件120被安装到压缩机轮叶载体113中。压缩机轮叶载体113与外壳12接合。涡轮部段300包括多级的涡轮固定轮叶312和涡轮旋转叶片311。图1仅示出了第一级的涡轮固定轮叶312和涡轮旋转叶片311。涡轮轮叶312被安装到涡轮轮叶载体313中。涡轮轮叶载体313与外壳12接合。涡轮叶片311被安装到转子14中。中间框架部段200通常包括燃烧器组件210和压缩机出口扩散器220。压缩机出口扩散器220位于出口引导轮叶组件120的下游。

压缩机出口扩散器220通常包括外部压缩机出口扩散器221和内部压缩机出口扩散器222。外部压缩机出口扩散器221通过栓接到支柱223来连接到内部压缩机出口扩散器222。内部压缩机出口扩散器222可包围轴盖16。外部压缩机出口扩散器221的前侧与外壳12接合。内部压缩机出口扩散器222的前侧与最后一级压缩机轮叶112和出口引导轮叶组件120接合。

在燃气涡轮发动机10的操作中，压缩机部段100经由入口管道（未示出）引入空气。该空气在通过多级的压缩机旋转叶片111和压缩机固定轮叶112的同时在压缩机部段100中被压缩和加速，如流动方向A所示。压缩空气通过出口引导轮叶组件120并进入压缩机出口扩散器220。压缩机出口扩散器200将压缩空气扩散到燃烧器组件210。压缩空气在燃烧器组件210中与燃料混合。该混合物在燃烧器组件210中被点燃并燃烧，以形成燃烧气体。该燃烧气体进入涡轮部段300，如流动方向A所示。该燃烧气体在通过多级的涡轮固定轮叶312和涡轮旋转叶片311的同时在涡轮部段300中膨胀，以产生驱动转子14的机械功率。转子14可被联接到发电机（未示出），以将该机械功率转换成电功率。膨胀的气体构成排气并离开燃气涡轮发动机10。

在操作中，由于燃烧气体的高温，使用冷却空气来冷却涡轮叶片311和轮叶312，以维持足够的部件寿命。冷却空气可能会在内部压缩机出口扩散器222的前侧处泄漏。冷却空气泄漏可能会负面地影响燃气涡轮发动机10的性能和效率。根据本发明的实施例，密封组件400可被布置在内部压缩机出口扩散器222的前侧处，以减少冷却空气泄漏。

图2是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机10中的密封组件400的示意性纵向剖面图。密封组件400被径向地布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。密封组件400可周向地围绕出口引导轮叶组件120或内部压缩机出口扩散器222的前侧。如图2的示例性实施例中所示，出口引导轮叶组件120包括出口引导轮叶翼型件121，其在翼型件根部122和内平台123之间径向延伸。出口引导轮叶翼型件121、翼型件根部122和内平台123可被制造为一体件。翼型件根部122被安装到压缩机轮叶载体113中。内平台123可通过经由凸缘125连接到内护罩124而朝向上游轴向延伸，从而在轴向方向上形成延伸的内护罩126。要理解的是，内平台123和内护罩124可通过任何合适的手段连接到彼此，或者可被一体地制造为一件。

密封组件400包括至少一个密封件410。根据示例性实施例，该至少一个密封件410可以是刷式密封件410。刷式密封件410在前侧处安装在内部压缩机出口扩散器222中并且径向啮合出口引导轮叶组件120。密封组件400可周向地围绕内部压缩机出口扩散器222的前侧。刷式密封件410具有壳体411和多个刷毛412。壳体411可具有U形形状。该多个刷毛412被固定在壳体411内。内部压缩机出口扩散器222包括密封槽224。该密封槽224可具有U形形状。刷式密封件410的壳体411被安装到内部压缩机出口扩散器222上的密封槽224中。壳体411和密封槽224尺寸设定成抵靠彼此形成紧密配合。该多个刷毛412的径向长度尺寸设定成提供对密封表面420的足够的气密密封接触，以减少它们之间的冷却空气泄漏。密封表面420可以是出口引导轮叶组件120的延伸的内护罩126的底表面127。

根据本发明的一个方面，密封组件400可包括多个刷式密封件410。该多个刷式密封件410可径向布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，并且在内部压缩机出口扩散器222的前侧处沿燃气涡轮发动机10的轴向方向串联。如图2的示例性实施例中所示，密封组件400包括分别位于上游和下游的双重刷式密封件410。该双重刷式密封件410被安装在内部压缩机出口扩散器222中并且径向啮合出口引导轮叶组件120。内部压缩机出口扩散器222包括分别处于该前侧处的上游和下游的双重密封槽422。上游刷式密封件410的壳体411被安装到上游密封槽224中。下游刷式密封件410的壳体411被安装到下游密封槽224中。刷毛412的径向长度尺寸设定成提供对密封表面420的足够的气密密封接触，以减少它们之间的冷却空气泄漏。密封表面420可以是出口引导轮叶组件120的延伸的内护罩126的底表面127。

图3是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机10中的密封组件400的示意性纵向剖面图。密封组件400被径向地布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。密封组件400可周向地围绕出口引导轮叶组件120。密封组件400包括至少一个密封件410。在图3中所示的示例性实施例中，该至少一个密封件410可以是刷式密封件410。刷式密封件410被安装在出口引导轮叶组件120中并且径向啮合内部压缩机出口扩散器222。出口引导轮叶组件120包括处于延伸的内护罩126的底侧处的密封槽128。通过将壳体411安装到出口引导轮叶组件120上的密封槽128中，刷式密封件410被安装在出口引导轮叶组件120中。该多个刷毛412的径向长度尺寸设定成提供对密封表面420的足够的气密密封接触，以减少它们之间的冷却空气泄漏。密封表面420可以是内部压缩机出口扩散器222的顶表面225。

根据本发明的一个方面，密封组件400可包括多个刷式密封件410。该多个刷式密封件410可径向布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，并且在内部压缩机出口扩散器222的前侧处沿燃气涡轮发动机10的轴向方向串联。如图3的示例性实施例中所示，密封组件400包括分别位于上游和下游的双重刷式密封件410。该双重刷式密封件410被安装在出口引导轮叶组件120中并且径向啮合内部压缩机出口扩散器222。出口引导轮叶组件120包括分别位于延伸的内护罩126的底侧处的上游和下游的双重密封槽128。上游刷式密封件410的壳体411被安装到上游密封槽128中。下游刷式密封件410的壳体411被安装到下游密封槽128中。双重刷式密封件410的该多个刷毛412的径向长度尺寸设定成提供对密封表面420的足够的气密密封接触，以减少它们之间的冷却空气泄漏。密封表面420可以是内部压缩机出口扩散器222的顶表面225。

图4是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机10中的密封组件400的示意性纵向剖面图。密封组件400被径向地布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。如图4的示例性实施例中所示，密封组件400包括分别位于上游和下游的双重刷式密封件410。上游刷式密封件410被安装在内部压缩机出口扩散器222中并且径向啮合出口引导轮叶组件120。下游刷式密封件410被安装在出口引导轮叶组件120中并且径向啮合内部压缩机出口扩散器222。双重刷式密封件410的刷毛412的径向长度尺寸设定成提供对密封表面420的足够的气密密封接触，以减少它们之间的冷却空气泄漏。在图3的图示实施例中，用于上游刷式密封件410的密封表面420是出口引导轮叶组件120的延伸的内护罩126的底表面127。用于下游刷式密封件410的密封表面420是内部压缩机出口扩散器222的顶表面225。图4仅用于说明目的。要理解的是，该多个刷式密封件410可径向布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，并且在任何构造中沿轴向方向串联。例如，上游刷式密封件410可被安装在出口引导轮叶组件120中并且径向啮合内部压缩机出口扩散器222，并且下游刷式密封件410可被安装在内部压缩机出口扩散器222中并且径向啮合出口引导轮叶组件120。

图5至图7图示了根据本发明的各种实施例的燃气涡轮发动机10中的密封组件400的示意性纵向剖面图。密封组件400被径向地布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。如图5的示例性实施例中所示，密封组件400包括在内部压缩机出口扩散器222的前侧处沿轴向方向串联布置的三个刷式密封件410。该三个刷式密封件410被安装在内部压缩机出口扩散器222中并且径向啮合出口引导轮叶组件120。如图6的示例性实施例中所示，密封组件400包括沿轴向方向串联布置的三个刷式密封件410。该三个刷式密封件410被安装在出口引导轮叶组件120中并且径向啮合内部压缩机出口扩散器222。如图7的示例性实施例中所示，密封组件400包括在内部压缩机出口扩散器222的前侧处沿轴向方向串联布置的三个刷式密封件410。该三个刷式密封件410中的两个被安装在内部压缩机出口扩散器222中并且径向啮合出口引导轮叶组件120。该三个刷式密封件410中的一个被安装在出口引导轮叶组件120中并且径向啮合内部压缩机出口扩散器222。这些附图仅用于说明目的。要理解的是，密封组件400可包括任何数量的刷式密封件410。刷式密封件410可以任何构造安装在内部压缩机出口扩散器222和/或出口引导轮叶组件120中。

图8是根据本发明的实施例的燃气涡轮发动机10中的密封组件400的示意性局部周向剖面图。燃气涡轮发动机10包括多个出口引导轮叶组件120。该多个出口引导轮叶组件120周向布置。该多个出口引导轮叶组件120形成与内部压缩机出口扩散器222的前侧接合的环形形状。在相邻的出口引导轮叶组件120之间可存在切向间隙。如图8的示例性实施例中所示，密封组件400周向地布置在相邻的出口引导轮叶组件120之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。密封组件400可沿相邻的出口引导轮叶组件120轴向延伸。密封组件400包括至少一个密封件410。该至少一个密封件410被安装在一个出口引导轮叶组件120的延伸的内护罩126中并且周向啮合相邻的出口引导轮叶组件120的延伸的内护罩126。该至少一个密封件410可以是刷式密封件410。图8仅用于说明目的。要理解的是，该至少一个密封件410可被安装在一个出口引导轮叶组件120的凸缘125中并且周向啮合相邻的出口引导轮叶组件120的凸缘125。还要理解的是，多个密封件410可周向布置在相邻的出口引导轮叶组件120之间并且沿轴向方向串联。

密封组件400可包括各种实施例的任何组合。例如，密封组件400可包括：至少一个密封件410，其径向布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏；以及至少另一个密封件410，其周向布置在相邻的出口引导轮叶组件120之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。

图9是根据图2中所示的本发明的实施例的安装在燃气涡轮发动机10中的密封组件400的示意性局部透视图。如图9的示例性实施例中所示，密封组件400包括径向布置在内部压缩机出口扩散器222的前侧处的双重刷式密封件410。该双重刷式密封件410分别位于上游和下游。双重刷式密封件410被安装在内部压缩机出口扩散器222中并且径向啮合出口引导轮叶组件120，如图2中所示。内部压缩机出口扩散器222包括分别位于内部压缩机出口扩散器222的前侧处的上游和下游的双重密封槽422。上游刷式密封件410的壳体411被安装到上游密封槽224中。下游刷式密封件410的壳体411被安装到下游密封槽224中。密封组件400可周向地围绕内部压缩机出口扩散器222的前侧。

该至少一个密封件410可包括多个密封段。图10图示了根据本发明的实施例的密封组件400中的密封件410的密封段413的示意图。该密封段413可具有圆形形状。密封段413可具有任何圆周度，例如45度、60度、90度或180度。该多个密封段413可形成围绕内部压缩机出口扩散器222的环形密封件410。例如，密封件410可包括六个60度密封段413。相邻的密封段413之间可存在空隙以用于热膨胀。

根据一个方面，所提出的密封组件400可减少燃气涡轮发动机10中的冷却空气泄漏。密封组件400可被布置在燃气涡轮发动机10的内部压缩机出口扩散器222的前侧处。密封组件400可径向地布置在出口引导轮叶组件120和内部压缩机出口扩散器222的前侧之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。密封组件400可周向地布置在相邻的出口引导轮叶组件120之间，以减少它们之间的冷却空气泄漏。所提出的密封组件400可减少燃气涡轮发动机10中的冷却空气泄漏，并且因此提高燃气涡轮发动机10的效率和性能。

根据一个方面，所提出的密封组件400可包括至少一个密封件410。该至少一个密封件410可以是刷式密封件410。

尽管本文中已示出并详细描述了结合本发明的教导的各种实施例，但是本领域技术人员可容易地设计出仍然结合这些教导的许多其他变型实施例。本发明在其应用上不限于在说明书中阐述或在附图中图示的示例性实施例的构造细节和部件布置结构。本发明能够具有其他实施例并且能够以各种方式来实践或执行。此外，还要理解的是，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的，并且不应被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目。除非另外指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”及其变型被广泛地使用，并且涵盖直接和间接的安装、连接、支撑和耦接。此外，“连接”和“耦接”不限于物理或机械的连接或耦接。

附图标记列表：

10：燃气涡轮发动机

12：外壳

14：转子

16：轴盖

18：纵向轴线

100：压缩机部段

111：压缩机叶片

112：压缩机轮叶

113：压缩机轮叶载体

120：出口引导轮叶组件

121：出口引导轮叶翼型件

122：翼型件根部

123：内平台

124：内护罩

125：凸缘

126：延伸的内护罩

127：延伸的内护罩的底表面

128：延伸的内护罩上的密封槽

200：中间框架部段

210：燃烧器组件

220：压缩机出口扩散器

221：外部压缩机出口扩散器

222：内部压缩机出口扩散器

223：支柱

224：内部压缩机出口扩散器上的密封槽

225：内部压缩机出口扩散器的顶表面

300：涡轮部段

311：涡轮叶片

312：涡轮轮叶

313：涡轮轮叶载体

400：密封组件

410：刷式密封件

411：刷式密封件的壳体

412：刷式密封件的刷毛

413：密封段

420：密封表面。

Claims (5)

1.一种燃气涡轮发动机(10)中的密封组件(400)，其中，所述燃气涡轮发动机(10)包括与内部压缩机出口扩散器(222)的前侧接合的出口引导轮叶组件(120)，所述密封组件(400)包括：

至少一个密封件(410)，其布置在所述内部压缩机出口扩散器(222)的所述前侧处，其中，所述至少一个密封件(410)径向地布置在所述出口引导轮叶组件(120)和所述内部压缩机出口扩散器(222)的所述前侧之间，

沿轴向方向串联布置的多个刷式密封件(410)，其中，所述多个刷式密封件(410)中的至少一个被安装在所述内部压缩机出口扩散器(222)中并且径向啮合所述出口引导轮叶组件(120)，并且其中，所述多个刷式密封件(410)中的至少另一个被安装在所述出口引导轮叶组件(120)中并且径向啮合所述内部压缩机出口扩散器(222)。

2.根据权利要求1所述的密封组件(400)，其中，所述燃气涡轮发动机(10)包括周向布置的多个出口引导轮叶组件(120)，并且其中，所述至少一个密封件(410)周向地布置在相邻的出口引导轮叶组件(120)之间。

3.根据权利要求1所述的密封组件(400)，其中，所述至少一个密封件(410)包括多个密封段(413)。

4.一种燃气涡轮发动机(10)，包括：

压缩机部段(100)，其包括出口引导轮叶组件(120)；

中间框架部段(200)，其布置在所述压缩机部段(100)的下游，其中，所述中间框架部段(200)包括内部压缩机出口扩散器(222)，其中，所述出口引导轮叶组件(120)与所述内部压缩机出口扩散器(222)的前侧接合；

涡轮部段(300)，其布置在所述中间框架部段(200)的下游；以及

如权利要求1-3中任一项所述的密封组件(400)，其布置在所述内部压缩机出口扩散器(222)的所述前侧处。

5.一种用于减少燃气涡轮发动机(10)中的泄漏的方法，其中，所述燃气涡轮发动机(10)包括与内部压缩机出口扩散器(222)的前侧接合的出口引导轮叶组件(120)，所述方法包括：

在所述内部压缩机出口扩散器(222)的所述前侧处布置如权利要求1-3中任一项所述的密封组件(400)。