CN108730040A - 用于耐磨材料的包括倾斜腔的涡轮机的密封环形元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮机的密封件，该密封件用于在涡轮机的两个元件之间提供密封，密封件包括：密封环元件(6s)，其包括具有包括第一区域(6p1)和第二区域(6p2)的密封部分(6p)，第一区域(6p1)的内表面(6i)与涡轮机的轴线(X)相距相同的径向距离，该密封部分(6p)包括通向第二区域(6p2)的内表面的环形空腔(6c)，并且该环形空腔(6c)延伸进入第一区域(6p1)中，环形空腔(6c)限定上游侧壁(6m)和/或下游侧壁(6v)，该上游侧壁(6m)和/或下游侧壁与第一区域(6p1)的内表面(6i)形成严格地在0和90°之间的角度(α)，使得第一区域(6p1)的耐磨材料的部分(P)径向叠加在环形空腔(6c)的部分(P2)上；和擦拭器(2l)。

Description

用于耐磨材料的包括倾斜腔的涡轮机的密封环形元件

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，尤其涉及燃气涡轮发动机领域，并且更具体地涉及密封元件的一般领域，尤其是定子密封元件，用于涡轮机的相对于彼此旋转的部件之间(特别是在涡轮机的移动部件和定子部件之间)的密封件，尤其是迷宫式密封件。

本发明适用于任何类型的陆地的或航空涡轮机，并且特别适用于飞机涡轮机，诸如涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机。更优选地，本发明可以应用于涡轮风扇喷气发动机。

背景技术

燃气涡轮发动机例如在涡轮机上包括在旋转叶片的外径向端部与由旋转级的外径向端部扫过的定子的表面之间的密封。这需要防止发动机气体的一部分通过绕过涡轮机的级来工作。迷宫式密封件用于此目的。这些密封件包括与转子一体的密封元件，该密封元件由一个或多个叶片形成，被称为“擦拭器”，其相对于机器的旋转的X轴线(参见图1)径向和横向布置。它们还包括与叶片相对的互补定子元件。该元件具有与叶片啮合的表面部分，以便尽可能地布置最低的窜动(play)。多个并联的叶片在气体流动中气体绕过涡轮机的级引起一系列的负载损失，提供期望的密封。

这种迷宫式密封件布置在发动机的几个位置处，例如涡轮机的轴和由定子翅片形成的定子级的基部之间，在涡轮机的两个连续的旋转级之间。

举例来说，图1示意性地示出了代表本发明技术背景的被称为燃气涡轮发动机类型的低压涡轮机1的实施例的局部轴向横截面。

这里的涡轮机1具有四个级。涡轮机1的转子2在该实施例中由螺栓连接在一起的四个涡轮盘4形成。每个涡轮盘4分别在其边缘上承载旋转叶片4a。在外部径向端部，旋转叶片4a设置有桩件(stub)4t，其上分别布置径向叶片4l，该径向叶片4l转向定子3。在图1的实施例中，每个桩件4t支撑两个径向叶片4l，形成迷宫式密封件的擦拭器。与擦拭器相对，定子包括密封元件5，如本身已知的那样，与桩件4t迷宫式密封件上的擦拭器一起形成。在这个实施例中，迷宫式密封件相对于机器的X轴线具有不同的半径。

在级间定子叶片6的轮子的内径向端部上也有迷宫式密封件。定子密封元件6s例如是两个半环。擦拭器2l由涡轮盘4的横向延伸部支撑，以使通过螺栓连接后者。

燃气涡轮发动机根据它们的运行条件在特别是定子元件和那些转子之间经历差别膨胀变化。这些变化的差异，如果它们不受控制，会影响旋转部分和固定部分之间的窜动(play)。对于正在飞行中的飞机的推进发动机而言，出于任何原因在燃烧室中出现的火焰都是如此，涡轮机的所有部分因其不再被高温气体穿过而被冷却。然而，壳体可以比涡轮机转子更快地冷却，对窜动产生影响。然而，为了获得最佳输出，迷宫式密封件的窜动在运行期间被计算为尽可能低。在这种情况下，由于擦拭器与定子元件的耐磨材料或多或少地紧密接触，这导致转子锁定的风险。请注意，耐磨材料是与擦拭器旋转接触而磨损或变形的材料，优选后者。它可以特别是蜂窝材料。

迷宫式密封件的特性被确定和调整，以允许在飞行的各个阶段期间窜动的变化和可能的弱接触，在正常运行中，当尺寸变化基本上来自这种类型的事件，迷宫式密封件不能再发挥其作用。由于防止了转子旋转，因此可能无法令人满意地经由低压(LP)或高压(HP)本体的风车状态(windmilling)或通过辅助发动机的驱动来重新起动发动机。

为了在燃烧室熄火的情况下防止转子的变紧，可以考虑增加擦拭器与耐磨材料之间的间隙(play)。然而，这种解决方案由于其引发的发动机性能下降而在经济上不可行。

因此已经考虑了解决方案，以便能够处理燃烧室过早熄火的情况，而不会降低正常运行中发动机的性能。

如此，参照图2，示出了实现这种解决方案的实施例迷宫式密封件的定子密封元件6s的实施方式。

在这个实施例中，密封是在级间定子盘的内径向端部上进行的。定子密封元件6s是环形扇区。它包括布置的两个表面部分6p，以便分别与所考虑的级的叶片的桩件4t的擦拭器2l接合。另外，每个表面部分6p包括第一区域6p1和第二区域6p2。第一区域6p1是在第二区域6p2的上游并且与桩件4t的擦拭器2l接合。该第一区域6p1对应于机器的正常运行中的擦拭器2l的轴向位置。擦拭器2l与密封元件6s的耐磨材料之间的间隙受到控制。在燃气涡轮发动机的正常运行中，在风车状态阶段之外，迷宫式密封件不会遭受任何实质性的损坏，温度差异受到控制，并且旋转部分和定子部分之间的膨胀差异不会影响耐磨材料的表面。擦拭器2l然后到达耐磨材料的第一区域6p1。

在位于第一区域6p1下游的第二区域6p2中，耐磨材料层的厚度减小。实际上在材料中加工了环形空腔6c或凹口以削弱它。该环形空腔6c位于密封元件6s的内周边并径向向内开口。该第二区域6p2对应于发动机的极端运行期间擦拭器2l的轴向位置，诸如图2所示的擦拭器2l的定位，其中燃烧室在飞行中熄灭。然后转子能够被定子元件夹紧。事实上，当燃烧室因不希望的原因而熄灭时，发动机气体不再通过转子，并且它们受到进入发动机的空气的压力。在这种情况下，转子在下游方向受到轴向位移。从转子和定子之间的差别冷却可以看出，如果定子被快速冷却并缩回，则擦拭器的端部穿入耐磨材料，因此穿孔阻力因空腔6c而降低。转子锁定的风险可以减少。

然而，该解决方案不一定能够防止转子锁定的风险。事实上，在重新点火期间，接着风车状态阶段，擦拭器2l将从其在第一区域6p1上的轴向位置沿下游方向移动，以到达第二区域6p2和空腔6c。然而，在由图2中的箭头C表示的传送装置C中，借助于擦拭器2l，后者穿过位于第一区域6p1中的耐磨材料6c的一部分。通过穿过这部分耐磨材料，会出现转子锁定的现象。

然后可以考虑直接斜切这部分耐磨材料，通过其中擦拭器2l在其传送装置C期间从第一区域6p1到达第二区域6p2。然而，这样的解决方案在正常运行期间会对发动机的性能产生负面影响，使得它看起来不能被考虑。

发明内容

因此，本发明的目的是至少部分地弥补上文提到的需要和有关现有技术的实施方式的缺点。

具体地说，本发明的目的是提出一种替代现有技术的解决方案，以降低、甚至消除在燃烧室过早熄火之后转子锁定的危险，并不会降低发动机在正常运行时的性能。

本发明就其目的而言，根据其一个方面，密封环元件，尤其是涡轮机的定子密封环，尤其是围绕涡轮机的轴线设置的涡轮机的涡轮的密封环元件，密封环元件由耐磨材料制成并且包括至少一个密封部分能够与至少一个密封擦拭器接合，所述至少一个密封部分包括第一区域和第二区域，所述第一区域尤其具有第一擦拭器穿透阻力，所述第二区域在涡轮机的轴线的方向上与第一区域相邻，换句话说轴向地特别具有相对于第一区域减小的擦拭器穿透阻力，其中第一区域的内表面具有与用于任何密封部分的涡轮机的轴线相距相同的径向距离，其特征在于，所述至少一个密封部分包括有利地形成于耐磨材料中的环形空腔，其通向第二区域的内表面并延伸进入第一区域中，环形空腔限定上游侧壁和/或下游侧壁，该上游侧壁和/或下游侧壁与第一区域的内表面形成一个角度，尤其是与第一对应区域的内表面沿其延伸的轴线形成一个角度，该角度严格地在0和90°之间，这样使得第一区域的部分耐磨材料径向叠加在部分环形空腔上。

有利地，密封环元件布置形成与围绕迷宫式密封件的轴线至少一个环形擦拭器关联的迷宫式密封件。

有利地，环形空腔限定基本径向的上游侧壁和下游侧壁，并且上游侧壁和下游侧壁至少部分地彼此面对。

更优选地，上游侧壁和/或下游侧壁分别通过轴向截面的观察沿着空腔的上游轴线和/或沿着空腔的下游轴线延伸，该上游轴线和/或下游轴线不垂直于涡轮机的轴线。

此外，根据本发明的密封环元件可以包括单独或以任何技术上可允许的组合取得的以下特征中的一个或多个。

密封环元件可以是密封环扇形或完整的环。

有利地，对于几个密封表面部分的所有第一区域，密封部分的第一区域的半径是恒定。再换句话说，耐磨材料不是阶梯式的，即阶梯式是具有内表面在轴向截面中具有水平行进的部分(march)和直立部分(riser)交替的阶梯形状。

进一步有利地，所述至少一个环形空腔的上游侧壁和/或下游侧壁环形地限定具有锥形形状的表面部分。

耐磨材料可包括上游侧壁和下游侧壁，通过观察轴向截面，所述上游侧壁和下游侧壁分别沿着耐磨材料的上游轴线和耐磨材料的下游轴线延伸，所述上游轴线和下游轴线平行于空腔的上游轴线和/或空腔的下游轴线。

耐磨材料可以非常特别地为蜂窝型材料，其中蜂窝的蜂房沿着空腔的上游轴线和/或空腔的下游轴线定向。

所述环形空腔尤其可以通过机械加工形成在围绕涡轮机轴线的耐磨材料的整个圆周上。

此外，所述环形空腔尤其可以通过机械加工形成在耐磨材料的内周边处并径向向内开口。

而且，所述环形空腔可以包括底壁，通过观察轴向截面，该底壁平行于涡轮机的轴线延伸。

密封环元件优选可以是定子密封环元件。

这样，定子密封环元件可以例如布置成在涡轮机的旋转叶片的径向端部形成密封。定子密封环元件也可布置成在涡轮机的定子叶片的内径向端部形成密封。

此外，根据本发明的另一方面，本发明的目的还在于用于涡轮机特别是涡轮机的涡轮的密封件，特别是迷宫式密封件，其用于在涡轮机的两个元件之间提供密封，所述两个元件相对于彼此旋转并且围绕密封件的轴线旋转，所述密封件包括：

-至少一个如上文所定义的密封环元件，环形地围绕密封件的轴线，旨在由涡轮机的相对于彼此旋转的两个元件中的一个支撑，

-至少一个擦拭器，环形的围绕密封件的轴线，旨在由涡轮机的相对于彼此旋转的两个元件中的另一个支撑。

所述至少一个擦拭器可以包括下游侧壁，旨在与所述空腔的下游侧壁相对。通过观察轴向截面，空腔的下游轴线和与所述空腔相关联的第一区域的内表面沿其延伸的轴线之间形成的角度可以大于或等于所述至少一个擦拭器的下游侧壁沿其延伸的轴线和与所述空腔相关联的第一区域的内表面沿其延伸的轴线之间的角度，这样使得所述至少一个擦拭器可以穿入所述环形空腔中。

而且，根据本发明的另一方面，本发明的目的还在于提供一种燃气涡轮发动机的涡轮机，其特征在于，其包括诸如上文所限定的密封环元件或如上文所定义的密封件，所述至少一个密封部分的所述第一区域对应于涡轮机的标称运行以及所述至少一个密封部分的所述第二区域对应于燃烧室熄火后重燃阶段的运行。

此外，根据本发明的另一方面，本发明的另一目的还在于提供一种涡轮机，特别是燃气涡轮发动机，其特征在于，其包括如上所述的涡轮机、密封件或密封环元件。

本发明特别具有这样的应用，其中该元件布置成在涡轮机的定子叶片的内径向端部形成迷宫式密封。

附图说明

当阅读后面的非限制性实施方式的以下详细描述以及附图的图示的和局部的图的检查时，可以更好地理解本发明，其中：

-图1示出了代表本发明的技术背景的燃气涡轮发动机的低压涡轮机的实施例的部分轴向横截面图，

-图2非常示意性地示出了迷宫式密封件的定子密封元件的已知实施方式的局部横截面图，

-图3和4非常示意性地示出了根据本发明的迷宫式密封件的定子密封元件的两个实施方式的部分横截面图，

-图5是类似于图4的视图，并且能够示出根据本发明的密封元件的操作原理，以及

-图6是类似于图4的视图，并且能够示出与对应的擦拭器相对的根据本发明密封元件的空腔的构造。

在所有这些附图中，相同的参考标记可以表示相同或相似的元件。

另外，附图中所示的各部分不一定按照统一的比例显示，以便使附图更清晰。

具体实施方式

在所有描述中，应注意的是，术语“上游”和“下游”将被认为是与图1所示的用于涡轮机的正常气流(在下游方向上)的主方向F相关。此外，密封件或涡轮机的轴线X是指密封件或涡轮机的径向对称轴线的径向轴线。密封件的轴向对应于密封件的X轴线的方向。密封件的径向是垂直于密封件的X轴线的方向。此外，除非另有说明，否则形容词和副词轴向、径向、轴向地和径向地参照上述轴向和径向方向使用。另外，除非另有说明，术语内部和外部参照径向方向使用，使得元件的内部部分比相同元件的外部部分更靠近密封件的X轴线。

上文在相对于现有技术的部分以及本发明的技术背景中描述了图1和2。

参照图3至6，现在将描述根据本发明的迷宫式密封件的密封环元件6s的实施方式。在这些实施例中，密封环元件6s是定子型的。它与围绕迷宫式密封件的轴线X的两个环形擦拭器2l形成迷宫式密封件。但是，这些选择决不是限制。

从这些图3至6中可以看出，密封环元件6s包括具有两个密封表面部分6p的耐磨材料，每个密封表面部分能够与相应的擦拭器2l接合。

每个密封部分6p轴向地包括第一区域6P1和第二区域6P2；第一区域6P1具有第一擦拭器穿透阻力2l，第二区域6P2邻近第一区域6P1并且位于第一区域6P1的下游，且具有相对于第一区域6p1减小的擦拭器穿透阻力2l。

换句话说，第二区域6p2通过其构造使得第一区域6p1在径向方向上更能抵抗擦拭器的穿透。

另外，如在这些图3至6中可以看出的，第一区域6p1的内表面6i与两个密封表面部分6p的迷宫式密封件的轴线X距离相同的径向距离。换句话说，耐磨材料有利地不是“阶梯”类型的。

此外，根据本发明，每个第二区域6p2包括形成于耐磨材料中的环形空腔6c，特别是通过机械加工形成。

第一上游空腔6c包括上游侧壁6m和下游侧壁6v，通过观察轴向截面，其分别沿着空腔的上游轴线Cm和沿着空腔的下游轴线Cv延伸。这些上游侧壁6m和下游侧壁6v通过该第一上游空腔6c的底壁6f连接。

第二下游空腔6'c仅包括沿空腔的上游轴线Cm延伸的上游侧壁6m，其连接到底壁6f。

换句话说，第一上游空腔6c通向耐磨材料的内周边，并且第二下游空腔6'c也通向耐磨材料的内周边并且也通向其下游侧壁7v。

有利地，上游空腔轴线Cm和下游空腔轴线Cv不垂直于迷宫式密封件的X轴线。特别地，它们在这里彼此平行并且与轴线Ci形成角度α，第一区域6p1的内表面6i沿着该轴线Ci延伸，角度α严格地在0与90°之间，例如在30与60°之间。这样，第一区域6p1的耐磨材料的部分P沿径向叠加在第二区域6p2的空腔6c、6'c的部分P2上。

此外，根据空腔6c、6'c的底壁6f所延伸的轴线有利地平行于迷宫式密封件的X轴线。

同样地，为了解决转子锁定的问题同时仍然保持发动机在运行过程中的性能，本发明实施了倾斜的或安装斜角的空腔或凹口的解决方案。

在图3的实施例中，耐磨材料的上游侧壁7m和下游侧壁7v垂直于迷宫式密封件的X轴线。

然而，由于耐磨材料有利地是蜂窝型的，为了获得耐磨材料的最佳阻力，以倾斜的方式实施蜂窝的蜂房是优选的。然后，也优选以倾斜的方式实施耐磨材料的侧壁7m和7v。

同样地，图4示出了密封环元件6s的构造，其中耐磨材料的上游侧壁7m和下游侧壁7v相对于迷宫式密封件的X轴线具有与空腔6c和蜂窝的蜂房相同的倾角。根据用于蜂窝的这个斜率选择网格使得可以促进空腔6c的机械加工。另外，选择与空腔6c的斜率类似的倾斜网格的斜率使得可以不损失性能，例如经由空气泄漏通过蜂房，与在耐磨材料中仅考虑执行孔的解决方案相反。如果蜂窝的倾斜角度至多等于角度α，则性能没有损失。如果蜂窝的倾斜角度小于角度α，则对性能没有影响。

图5可以显示本发明的运行原理。事实上，由于本发明，在正常运行期间，因为擦拭器2l将与未加工的耐磨材料相对可以保持发动机的性能，换句话说，一部分耐磨材料不存在环形空腔6c，因此对空气通过具有最佳阻力，其对应于图5中的虚线图T1。

另一方面，在重燃期间，擦拭器2l将仅穿过耐磨材料的尖端，如图5中的实线图T2所示，并且在不引起任何转子锁定现象的情况下将其断开。在恢复正常运行期间，由于耐磨材料峰破碎的损失，性能的损耗将仅仅是开口(opening)。

此外要注意的是，本发明使得有可能在耐磨材料上容易地形成两个或更多空腔，特别是通过机械加工，空腔具有相同的直径，而不必使用阶梯式耐磨型的解决方案。

另外，空腔6c的实施在耐磨材料中完成完全覆盖360°。

有利地，环形空腔6c的加工斜率必须足以允许在重燃期间耐磨材料的破裂并允许擦拭器2l进入环形空腔6c而不会阻塞它。同样地，空腔6c的数量有利地对应于相对的擦拭器2l的数量。更精确地说，环形空腔6c下游的斜率必须至少等于擦拭器2l的斜率，以便允许后者如图6所示进入空腔底部。换句话说，通过观察轴向截面，在空腔的下游轴线Cv和轴线Ci之间形成的角度α大于或等于角度β；与环形空腔6c相关联的第一区域6p1的内表面6i沿轴线Ci延伸，角度β形成于轴线Lv和轴线Ci之间，这样使得擦拭器2l能够穿入环形空腔6c中；擦拭器2l的下游侧壁2v沿轴线Lv延伸。

此外，环形空腔6c的深度，换句话说，轴线Ci和底壁6f之间的距离，例如如图3和4所示，尤其可以通过在风车状态阶段的重新启动期间的预测磨损来确定。

因此，本发明所提出的解决方案使得能够在重燃模式下具有可运行性，同时还避免了转子锁定的风险，并且还能够在正常运行中不降低性能。

当然，本发明不限于刚刚描述的实施方式。本领域技术人员可以对其进行各种修改。

Claims (8)

1.用于涡轮机的密封件，特别是迷宫式密封件，该密封件用于在涡轮机的两个元件之间提供密封，所述两个元件相对于彼此旋转并且围绕密封件的轴线(X)旋转，其特征在于，所述密封件包括：

-围绕涡轮机轴线(X)布置的涡轮机的至少一个密封环元件(6s)，其环形地围绕密封件的轴线(X)并且旨在由涡轮机的相对于彼此旋转的两个元件中的一个支撑，该密封环元件(6s)由耐磨材料制成并且包括能够与至少一个密封擦拭器(2l)接合的至少一个密封部分(6p)，所述至少一个密封部分(6p)包括第一区域(6p1)和第二区域(6p2)，该第二区域(6p2)沿涡轮机的轴线(X)的方向与第一区域(6p1)相邻，对于任何密封表面部分(6p)，第一区域(6p1)的内表面(6i)与涡轮机的轴线(X)相距相同的径向距离，该密封部分(6p)包括通向第二区域(6p2)的内表面的环形空腔(6c)，并且该环形空腔(6c)延伸进入第一区域(6p1)中，环形空腔(6c)限定上游侧壁(6m)和/或下游侧壁(6v)，该上游侧壁(6m)和/或下游侧壁与第一区域(6p1)的内表面(6i)形成严格地在0和90°之间的角度(α)，使得第一区域(6p1)的耐磨材料的部分(P)径向叠加在环形空腔(6c)的部分(P2)上，

-至少一个擦拭器(2l)，其环形地围绕密封件的轴线(X)，旨在由涡轮机的相对于彼此旋转的两个元件中的另一个支撑，所述至少一个擦拭器(2l)包括下游侧壁(2v)，旨在与所述环形空腔(6c)的下游侧壁(6v)相对，并且通过观察轴向截面，角度(α)形成于空腔的下游轴线(Cv)和与所述环形空腔(6c)相关联的第一区域(6p1)的内表面(6i)沿其延伸的轴线(Ci)之间，角度(α)大于或等于角度(β)，角度(β)形成于所述至少一个擦拭器(2l)的下游侧壁(2v)沿其延伸的轴线(Lv)和与所述环形空腔(6c)相关联的第一区域(6p1)的内表面(6i)沿其延伸的轴线(Ci)之间，这样使得所述至少一个擦拭器(2l)可以穿入所述环形空腔(6c)中。

2.根据权利要求1所述的密封件，其特征在于，通过观察轴向截面，上游侧壁(6m)和/或下游侧壁(6v)分别沿着空腔的上游轴线(Cm)和/或沿着空腔的下游轴线(Cv)延伸，空腔的上游轴线和空腔的下游轴线不垂直于涡轮机的轴线(X)；其特征还在于耐磨材料包括上游侧壁(7m)和下游侧壁(7v)，通过观察轴向截面，上游侧壁(7m)和下游侧壁(7v)分别沿耐磨材料的上游轴线(Dm)和耐磨材料的下游轴线(Dv)延伸，所述耐磨材料的上游轴线(Dm)和耐磨材料的下游轴线(Dv)平行于空腔的上游轴线(Cm)和/或空腔的下游轴线(Cv)。

3.根据权利要求2所述的密封件，其特征在于，耐磨材料是蜂窝型材料，其中蜂窝的蜂房沿着空腔的上游轴线(Cm)和/或空腔的下游轴线(Cv)定向。

4.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，所述环形空腔(6c)尤其是通过机械加工形成在围绕涡轮机的轴线(X)的耐磨材料的整个圆周上。

5.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，所述环形空腔(6c)尤其通过机械加工形成在耐磨材料的内周边处并径向向内开口。

6.根据前述权利要求中任一项所述的密封件，其特征在于，所述环形空腔(6c)包括底壁(6f)，通过观察轴向截面，该底壁平行于涡轮机的轴线(X)延伸。

7.一种燃气涡轮发动机的涡轮机(1)，其特征在于，其包括根据权利要求1至6中任一项所述的密封件，所述至少一个密封部分(6p)的所述第一区域(6p1)对应于涡轮机的标称运行并且所述至少一个密封部分(6p)的所述第二区域(6p2)对应于在燃烧室熄火之后在重燃阶段的运行。

8.涡轮机，尤其是燃气涡轮发动机，其特征在于，其包括根据权利要求7所述的涡轮机(1)或根据权利要求1至6中任一项所述的密封件。