[发明专利]用于旋转机器的空气动力学密封件

说明书

关于联邦政府资助研究和开发的声明

本发明利用美国能源部授予的合同No. DE-FC26-05NT42643下的部分政府支持完成。政府具有本发明中的某些权利。

技术领域

本申请大体涉及用于涡轮机的密封组件，并且更特别地，涉及用于密封转子/定子间隙等的先进的空气动力学密封组件。

背景技术

诸如燃气涡轮发动机、航空发动机和蒸汽涡轮的各种类型的涡轮机是已知的，并且广泛用于发电、推进等。涡轮机的效率部分地取决于内部构件之间的空隙和穿过这些空隙的主流体和次级流体的泄漏。例如，可在某些转子-定子连接面处有意地允许大空隙，以适应大的热或机械引起的相对运动。流体穿过这些间隙从高压区泄漏至低压区可导致涡轮机的低效率。这种泄漏由于泄漏流体不能执行有用的工作而可影响效率。

不同类型的密封系统用于最小化流过涡轮机的流体的泄漏。然而，在可通过密封系统增大或减小空隙的各种操作阶段期间，密封系统通常经受相对较高的温度、热梯度以及热膨胀和收缩及机械膨胀和收缩。例如，组装成在启动瞬变阶段期间以非常紧密的空隙运行的传统迷宫密封件可在稳态操作期间以大空隙运行，由此导致稳态操作时的差性能。

因此，存在对用于与涡轮机一起使用的改进顺应性密封组件的期望。优选地，这种顺应性密封组件可在稳态操作期间提供较紧密的密封，同时在瞬变操作期间避免由接触引起的摩擦、磨损和损坏。这种密封组件应当改进总系统效率，同时制造便宜，并且提供相关部件的延长的寿命。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种用于旋转机器的空气动力学密封组件。组件包括周向地配置在静止壳体与转子中间的多个密封装置节段。节段中的每一个包括具有前蹄(shoe)区段和后蹄区段的蹄片，该蹄片具有在前蹄区段与后蹄区段之间的面向转子的多个迷宫齿。蹄片构造成允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成在蹄片与转子之间产生空气动力学力。密封装置节段还包括连接于蹄片和顶部连接元件的多个波纹管弹簧或弯曲部，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体。此外，密封装置节段包括次级密封件，其在一个第一端部处附接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位。

根据本发明的实施例，提供了一种用于涡轮构件的空气动力学密封装置。密封装置包括蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的面向可旋转元件的多个迷宫齿。蹄片构造成允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成在蹄片与转子之间产生空气动力学力。密封装置还包括连接于蹄片和顶部连接元件的多个波纹管弹簧或弯曲部，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体。此外，密封装置包括次级密封件，其在一个第一端部处连接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位，其中，配置在密封装置内的次级密封件构造成形成朝向旋转机器的高压侧和低压侧的前腔体和后腔体。

根据本发明的实施例，提供了一种在旋转机器的静止壳体与绕着旋转机器的轴线转动的可旋转元件之间形成气体路径密封件的方法。该方法包括将多个密封装置节段配置在静止壳体与可旋转元件中间。密封装置节段中的每一个包括蹄片，其具有在前蹄片区段与后蹄片区段之间的多个迷宫齿，该蹄片构造成用于允许高压流体至多个迷宫齿的前部部分并允许低压流体至多个迷宫齿后面，并且还构造成用于在蹄片与转子之间产生空气动力学力。该方法还包括将密封装置节段中的每一个中的多个波纹管弹簧或弯曲部附接于蹄片和顶部连接元件，其中，多个波纹管弹簧或弯曲部构造成用于允许高压流体占据前腔体并允许低压流体占据后腔体。此外，该方法包括将次级密封件配置在密封装置节段中的每一个内以形成前腔体和后腔体，其中，次级密封件在一个第一端部处附接于顶部连接元件，并且在一个第二端部处绕着多个波纹管弹簧或弯曲部和蹄片定位。