用于片式密封的薄片的制造方法 本申请是申请日为2005年4月20日、中国申请号为200580013316.3、发明名称为“用于片式密封的薄片的制造方法”的专利申请的分案申请。
【技术领域】
本发明涉及旋转机械的密封领域。它涉及按权利要求1的前序部分所述的一种用于片式密封的薄片的制造方法。
技术背景
燃气轮机包括转子和定子外壳，具有压缩机叶片和涡轮叶片的各级设置在转子上。转子安装在转子轴各端部处的轴承里。
燃气轮机内的气流控制不仅对于功能性而且对于效率都具有极大的重要性。在沿转子轴的不同位置上应用密封技术来减小沿着该轴的轴向气流。这对于轴承附近来说尤其重要，以便防止轴承里所使用的油由于气流中的热气而发生过热。
传统上，在此情况下使用两种密封技术，通常为二者择其一地使用，但有时也相互组合使用。这两种密封技术为迷宫式密封和刷式密封。
迷宫式密封在转子和定子之间没有金属与金属的接触；因此其密封效果相对较小。但其优点是转动摩擦小并因此使用寿命实际上不受限。
另一方面，刷式密封由于硬毛端部和转子轴之间的摩擦而具有较高的摩擦损失。这造成磨损，限制了这种密封的使用寿命。但刷式密封可以更好地阻挡轴向气流，尤其在有较高的轴向压力差时。
在燃气轮机中为了密封而使用这些技术时有许多局限。首先，它们所能承受的轴向压力差相当低。在刷式密封中是因为硬毛，这些硬毛在轴向和周向方向上具有同样的刚性；高压使得硬毛在轴向方向上自动地吹回到它们自身上。这些密封对于允许并承受显著径向运动的能力也是低的。
刷式密封的设计往往是综合考虑使用提供足够轴向支撑的支撑板和不限制径向运动的目的之间的一种折衷方案。
为了避免已知的刷式密封的缺点，在US-B1-6343792中已经提出过一种片式密封(leaf seal)，它具有同迷宫式密封或者刷式密封同样的功能，但具有这两者的优点。薄的金属片或金属板以一种设定布局组装起来(例如参见US-B1-6343792的图3或本申请的图1)，以代替由圆形横截面的钢丝制成的硬毛。这些薄片的表面基本上平行于轴向方向定向，薄片的刚性在轴向上比周向方向上强得多。这意味着该密封能经受住较高的压差，而并不限制其允许径向运动的能力。而且，转子上被薄片末端扫过的宽区域也有机会在运行时产生一种流体动力学的力，该力能在工作期间使薄片末端与该轴分开。这就有可能产生并保持一个几微米的间距，从而使磨损、摩擦发热和摩擦损失降低到几乎为零。
基本的设计包括若干薄的金属片，它们之间具有可控制的气隙并与半径成预定角度固定住。该气隙是一个关键设计参数。它允许气流出现，从而产生流体动力学效应；但它不能大到允许有过大的轴向泄漏流。
可以有两种片式密封设计的方案：在一种方案中薄片被向下吹，而在另一种方案中则被向上吹。具有向下吹的薄片的方案包括：在组装和起动时，在薄片末端和轴之间具有一个间距；而且，通过使用薄片之间的气流而将该间隙的尺寸降低成非常小。另一方面，具有向上吹的薄片的方案包括：在起动时，薄片末端和轴相互稍微影响；并且当轴加速时产生一个间距。在两种情况下，流过薄片之间地气隙的介质流动都是关键的，正如对由薄片末端所产生的密封内径的控制。
通过薄片的气流可以通过使用前板和后板来改变，这在该组薄片表面和这些板之间留出狭窄的间隙(参见上述的图1和图3)。仔细设计这些几何形状，就能控制这些向上吹或向下吹效应。也希望的是：沿着薄片的长度或者从前侧或后侧方向向内主动供给压力，借此来辅助这种向下吹效应。
片式密封构思的另一个主要优点是径向运动的容限比在迷宫式密封或刷式密封时更大。这要求前侧板和后侧板的内径与轴之间有一个大的间距。
取决于所选密封件的几何形状，并取决于所要密封的轴的直径，薄片的数量可达几千个或几万个。在确保各对薄片之间的可复现的气隙的同时，它们的制造、装配和连接精度对于成功地实施各种可能的密封设计来说都是关键性的。
用于将薄片固定在位的连接方法可以是一种机械技术，如夹紧、焊接、硬焊或任意可能的组合。关于这一点，明显很重要的是：在连接过程中对薄片或它们的相对位置的破坏应该是最小的。
因此，尤其重要的是布置在薄片之间并设定了气隙宽度的隔离元件。这些隔离元件可以设计成独立的元件。这有如下优点：薄片作为具有恒定厚度的元件可以比较简单地制成。但这也有如下缺点：隔离元件必须单独地制造，而且将薄片和隔离元件交替组装以形成一组薄片是很复杂的，可能容易造成定位错误。然而，隔离元件也可以设计成薄片的集成元件，这极大地简化了组装。但是，在这种情况下，薄片必须进行特殊的加工，以形成具有不同厚度的区域。
为此，在上述的US-B1-6343792中(参见该文献的图27B以及在21栏的25-34行中相关说明)已经提出，借助于蚀刻来制造具有集成隔离元件的薄片的阶梯状厚度区域。蚀刻技术可以精确地设定厚度。但不足之处是：在已经将薄片切割成其应有尺寸之后，该蚀刻引入了一个附加的处理步骤，这就使制造变复杂了而且时间变长。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种具有集成隔离元件的薄片的制造方法，该薄片用于旋转机械(尤其是燃气轮机)的片式密封，此方法避免了已知方法的缺点，而且其特点尤其是高精度以及简化的处理工序。
该目的由权利要求1的特征组合来实现。本发明的核心包括：薄片是通过蚀刻而从金属板上切割出来的，并且不同厚度区域的形成是作为为此所需的蚀刻工艺的一部分而同时进行的。
为了切割出这些薄片，优选是使金属板分别在对应于边缘轮廓的区域中被蚀透(etched through)；而薄片优选是以这样的方式从金属板切割出来，即，为了更容易地搬动和更容易地运输，这些薄片以一种可容易分离的方式与其余的金属板在预定的连接点处保持连接。
如果有额外的可能来控制该组薄片之内和该组薄片周围的气流，则能实现进一步的改进。为此，优选是在各个薄片中设置至少一个通孔；而且，该通孔是通过蚀透该金属板来形成的，该通孔的形成是作为该蚀刻工艺的一部分来进行的，而不需要附加的处理步骤。
这些薄片分别具有较大厚度的集成隔离元件，以便设定相邻薄片之间的间距，而且，该集成隔离元件通过将位于隔离元件之外的区域侵蚀(etching away)成较小的厚度而制成，这样制造起来就特别简单；在这种情况下，隔离元件区域中的厚度优选基本上等于金属板的原始厚度。
所使用的蚀刻工艺优选是光化学加工(PCM)工艺，在该工艺中，在第一步中：用光刻胶层覆盖住金属板的一面或两面；在第二步中：以照相法对光刻胶层进行图形化，使得在预定区域中形成光刻胶层中的开口，在该预定区域中，将要通过蚀刻来减小金属板的厚度或者要将金属板蚀透；在第三步中：透过光刻胶层中的开口将金属板蚀透或侵蚀。
关于这点，尤其是关于对光刻胶层的照相法图形化，通过光掩模使光刻胶层曝光。
若为了蚀刻透金属板而从金属板的相反两面同时进行该蚀刻工艺，那么该方法所需的时间可以缩短并且简化该方法。
按照本发明的方法的另一种变型是：这些薄片各具有两个较大厚度的集成隔离元件，用于设定相邻薄片之间的间距；这两个集成隔离元件沿侧向相互紧邻布置，并通过第一折叠区域而以薄膜铰链的方式连接，该第一折叠区域的厚度通过蚀刻技术而减小，使得这两个集成隔离元件通过在第一折叠区域中折叠而完全重合地相互叠置。因此就可以简单地在比较小的初始板厚时也能在相邻薄片之间形成较大的间距。不言而喻，也可以提供多个附加的隔离元件来代替一个附加的隔离元件，并且可通过相互折叠而并入到该薄片的层叠结构中。
在该变型的一种优选改进中，多个各自具有两个集成隔离元件的薄片相互紧邻布置，并分别通过第二折叠区域相互连接起来。它们形成一排，通过以Z字形交替地在第一和第二折叠区域中进行折叠而使得这些薄片和集成隔离元件近似重合地相互叠置起来。以Z字形折叠的连续薄片简化了独立薄片的层叠和拼合，以形成成品的片式密封件。
在这种类型的折叠中，这一排的薄片和集成隔离元件在薄片的纵向方向上稍稍地相互错开，这在折叠时形成薄片和集成隔离元件的一种倾斜层叠结构，这样就该层叠结构中实现了所需的倾斜定位。
【附图说明】
以下根据示例性实施例结合附图对本发明进行详细说明，附图中：
图1示出了一种用在燃气轮机中的片式密封件的典型构造的透视侧视图；
图2示出了从径向方向倾斜布置的各个薄片的轴向方向的侧视图，隔离元件位于薄片之间；
图3示出了类似于图1所示的片式密封件在周向方向上的视图，并且具有前端板和后端板；
图4示出了按照本发明的一个优选示例性实施例在薄片的光化学制造过程中所涉及的各个步骤(a)至(d)的示意剖视图；
图5示出了从金属板上方看上去的平面图，其中，按照本发明用光化学工艺将具有集成隔离元件和通孔的许多薄片分割开、图形化并设有阶梯状厚度区域；
图6类似于图4示出了作为光化学工艺的一部分来制造双金属薄片的过程；
图7示意性示出了用双金属薄片可实现的对密封间隙的热控制；
图8示出了从上方看上去的本发明的薄片，它具有一个在侧面一体成型出的第二隔离元件，该第二隔离元件通过一个厚度减小的折叠区域与第一隔离元件相连并可折叠到第一隔离元件上；和
图9示出了从上方看上去的一连排的多个薄片和双隔离元件，这些隔离元件通过厚度减小的折叠区域相互连接，并通过Z字形折叠而相互叠置成一种倾斜的层叠结构。
【具体实施方式】
图1表示了一种片式密封件的典型构造的透视侧视图，正如它应用在燃气轮机中时那样。片式密封件12将燃气轮机10的转子轴11相对于外壳14密封，该转子轴11在箭头所示方向上旋转。在转子轴11和外壳14之间的环形空间中，将一组彼此以狭窄间距间隔开的薄片13布置成一个环。薄片13的平面平行于机器的旋转轴线。薄片按照图2从径向方向上向外倾斜一个角度w1，并在这些薄片之间分别有一狭窄的间隙或者空间18，该间隙或者空间18优选由设于薄片13之间的隔离元件17来确定。图2的隔离元件17示出为独立元件。但它们也可以集成于薄片上。
按照图1和图3，经过薄片13的气流可以通过使用前端板15和后端板16来改变，在薄片组的表面和端板15、16之间留出有狭窄的间隙(图3中的距离a和b)。仔细设计这些几何形状，就能控制背景技术中所提到的向上吹或向下吹效应。也希望的是：沿着薄片的长度或者从前侧或后侧方向向内主动供给压力，借此来辅助这种向下吹效应。
图1和图3所示的片式密封构思的另一个主要优点是径向运动的容限比在迷宫式密封或刷式密封时更大。这要求在前侧端板15和后侧端板16的内径和转子轴11之间有一个大的间距(图3中的间距c和d)。薄片13和转子轴之间的间隙(图3中的间距e)只有几个微米。
现在，按照本发明，使用了一种光化学加工(PCM)工艺来制造片式密封件的各个薄片。在少量生产的研制阶段，PCM在材料厚度、零件设计和研制周期方面都有高度的灵活性。但PCM也是一种适于大批量的生产技术，具有快速、精度地并价格合理地制造几万，几十万个相同零件的能力。
制造薄片的备选技术包括：冲压薄金属板、或者用激光、电火花加工(EDM)工艺或其它切割技术进行切割。
PCM相比于上述方法的主要优点是：在切割出边缘轮廓的同时能够有选择地减小金属板或者金属箔的厚度。这在下面结合图4进一步加以说明。
图4示意性表示了在按照发明的一个优选实施例制造薄片时从上向下进行的多个步骤a)至d)。开始是一种厚度为d1的金属板或者金属箔28。金属板28两面上都覆盖有光刻胶层21。光刻胶例如是一种聚合物，它通过用光照射而固化。两面上的光刻胶层21通过光掩模而有选择地被曝光，其中光刻胶层应该保留的那些区域被曝光。光刻胶层21中未曝光的其余区域在曝光之后被洗掉，于是，如图4(a)所示，预定区域22中的光刻胶层21中被选择性去除。
然后，将这样制备的金属板28浸入在蚀刻池里，或者放入喷射腔里从两面用蚀刻液进行喷射。现在，按照图4(b)，在已经选择性地去除了光刻胶层21的区域22中形成了蚀刻区域23，在该蚀刻区域23中，金属板28的材料被逐渐地去除掉。蚀刻过程的主方向是从金属板28的表面向内；但也有一定的侧向底切蚀刻，这在设计曝光掩模时必须加以考虑。在某些区域中，尤其在用于将薄片20从金属板28上割下来并限定了薄片20的边缘轮廓的该环形区域中，从两面进行蚀刻，在金属板28内部汇合并导致蚀透24(图4(c))。蚀透24将薄片20从金属板28上“切”出。它还在薄片20中形成通孔(图5中的30)，这些通孔用于控制随后的密封件中的气流。在该蚀透的同时，也进行大面积的侵蚀25，即，在随后薄片(图4(c)和4(d))的预定区域中，有目的地将厚度从厚度d1减小到厚度d2。通过在薄片28的两面上设定不同的蚀刻速度，可以在实现所需几何形状方面获得额外的灵活性，蚀刻速度的设定例如可通过使用不同的蚀刻剂喷射压来实现。最后，通过去掉光刻胶层21而使薄片表面26又露出来。
结果是薄片20在预定区域里具有不同的厚度d1和d2(图4(d))。通过适当地选择厚度d1和d2，就能生产出一种具有集成的27的薄片20。因此，不再需要为了形成一组具有适当气隙的薄片而将薄片和隔离元件交替组装。
在金属板或者金属箔28表面上的光刻胶层21的形状明确地只受PCM工艺标准参数的限制。例如，有可能的是或者希望的是：在条带的相反两面上具有显著不同的构造。
图4示意示出的示例表示了这样的结果，即，在薄片的两面上以相同的速度进行蚀刻，直到同时进行蚀刻的区域被完全蚀透。然而，通过适当的工艺控制能表明：这两面上的蚀刻速度可以不相同，以便以这种方式在原始厚度范围内获得宽范围的不同蚀刻厚度。同时也表明：PCM工艺可以在一个薄片中使用多于一次，其中每次所选的其它区域都用光刻胶层覆盖住。那么在同一个薄片里就可以实现宽范围的不同厚度组合。
在图5中表示了通过PCM制造的薄片的一个示例，这些薄片被用于原型片式密封件。薄片20具有：原始材料厚度的集成隔离元件27、作为用于气压补偿的通风的(矩形)通孔30、以及用于在组装时定位的侧臂31。导向通道32从通孔30出发，它使气流方向向下偏转到薄片的长度方向上。该薄片的功能部分(即集成隔离元件27之外的较大区域)被蚀刻缩减到了一个小的厚度。在图5中，通过周边的边缘侧的蚀透24，从原始金属板28中同时分离出许多薄片20。
PCM工艺的一个特别优点是：在完成该工艺之后，薄片20不需要从金属板28上完全分离开。在图5的示例中，薄片20仍然在其边界处在两个相反设置的小连接点29处保持在位。这有助于确保使它们在运输和处理期间保持平整，但仍然可以以最小的力和损伤使它们与金属板脱开。可以人工地或者在一个自动化过程中使它们脱开。
也容易看到，很容易通过PCM工艺而方便地产生独立的孔，从而完全消除了浪费。
在图5的示例中，每个薄片在PCM工艺的容差范围内都是相同的。但是，PCM工艺的灵活性也能在同一个光刻掩模内提供若干不同构造的薄片20。
在一些应用场合中，希望在片式密封里使用的薄片被构造成双金属薄片。这两种所用合金之间热膨胀系数的不匹配可以设计成使薄片在机器升温或冷却时经受一种受控的弯曲(见图7中的弯曲34)。而且，如果在运行过程中在薄片和转子轴之间有任何磨削接触，那么所产生的摩擦发热就会导致一种这样的双金属弯曲。可以对这种效应进行优化，使得在薄片末端和转子轴之间形成一种自动校正的间隙。但是也希望确保：该两层结构中的下层合金是一种具有适当磨损特性的合金。
若需要这样一种双金属薄片，它可以(如图6中所示那样)简单地作为上面所述的PCM工艺的一部分进行制造。在按照图6a-c刻蚀出薄片20’的边缘轮廓并且在没有覆盖光刻胶层21的区域中选择性地减小这些薄片的厚度之后，在掩模还存在的时候，通过镀覆工艺或其它涂覆工艺将一种金属材料涂层33施加到未覆盖的表面上，这种金属材料的热膨胀系数(CTE)与金属板28基材显著不同。光刻胶层21的掩模作用使得涂层33只沉积在薄片20’的底面上，而并不会不利地影响到该集成隔离元件27以及随后组装合该密封件过程。该镀覆工艺可以根据需求的不同而可以是电解类型、非电解类型、基于扩散的类型或任何其它类型。在施加涂层33之后可以按通常方法将光刻胶层21去除掉(图6d)。
若一种这样的双金属薄片20’在适当装配时通过与转子轴11的摩擦或者通过一般的温度变化而被加热，那么该具有两个层28和33的双金属结构(图7)从薄片末端起产生一种弯曲34，这种弯曲可以用来自动地设定薄片末端和转子轴11之间的间距。
在以前所述的实施例中所呈现的都是独立的薄片，通过在预定区域中保持原始板厚而在一个端部处形成集成的隔离元件(例如图5中的27)。在预先确定的初始板厚的情况下，以这种方式只可以实现隔离元件与薄片的有限范围的厚度比。为了能够实现较大的厚度比，可以按图8实施。除了包括有由图5已知的第一集成隔离元件35(其具有位于中心的用于通风的第一通孔36以及用于压缩空气的第一导向通道37)之外，图8所示薄片39还有具有第二通孔36’和第二导向通道37’的第二集成隔离元件35’。第二集成隔离元件35’沿侧向紧邻第一集成隔离元件35布置，并构造成与后者镜像对称，并通过位于它们之间的折叠区域38与之连接。该折叠区域38是厚度严重变小的片状部分，它的作用类似于一种薄膜铰链，并且可以使第二隔离元件35’沿着一条在薄片纵向方向上延伸的折叠线41折叠到第一隔离元件35上，使两者相互完全重合地叠置。因此，可以在板厚保持不变时使得两个薄片之间的间距实际上翻番。厚度变小的折叠区域38可以在按照发明的刻蚀工艺过程中也同时形成。此外不言而喻的是：另外的隔离元件可以通过折叠区域连接而设置在右侧或左侧上，以便在需要时实现薄片之间的更大间距。
图8所示实施例的一种优选的改进设计表示于图9中。此处，图8所示类型的多个带有一体成型的第二隔离元件的薄片40、40’、40”相互紧邻地布置成一排，并且通过另外的折叠区域38’相互连接起来。在该排中相互紧随的隔离元件35、35’分别在薄片纵向方向上相互错开一规定的距离。折叠区域38’具有与折叠区域38同样的设计和功能，而且它们也以相同的方式制成。薄片和位于薄片之间的隔离元件35’可以沿着在折叠区域38、38’中延伸的折叠线41以Z字形方式折叠在一起。在折叠在一起之后，这种纵向错开就形成了一种倾斜的薄片层叠结构，这使片式密封的组装大大地简化了。通过这种方式的制造和折叠，就可以特别简单地实现一种在薄片之间具有加大间距的片式密封件，而无需后处理过程，该后处理过程例如在US-B2-6553639的解决方案中是必需的。
总之，本发明产生了如下特征和优点：
-为了简化随后的制造过程而具有集成隔离元件的薄片是通过侵蚀成不同的厚度而制成的。
-薄片厚度在预定区域中是受控的。
-为了在薄片被组装和连接之后在薄片之间产生所需的气隙，对用于集成隔离元件的阶梯状厚度变化进行控制。
-可以通过一次或多次应用基本的PCM工艺而在薄片中设定不同的金属厚度。
-可以将用于控制围绕薄片组和在薄片组之内的气流的特性考虑在内，以便促进在薄片末端上产生流体动力学效应。这包括位于薄片头部处的通孔，它用作为通风孔，以便补偿压力的供给；还包括了导向通道，它们将气流方向向下偏转到薄片的长度方向上。
-薄片上设有较薄的区域，以便吸收大部分弹性弯曲应力。这减小了薄片的总体刚性并提高了径向匹配。
-通过可折叠的附加隔离元件可以在薄片之间实现加大的间距。
-一排连续的薄片和可选的附加隔离元件可以以Z字形方式折叠在一起，这简化了片式密封的组装。
标号列表
10 燃气轮机
11 转子轴
12 片式密封件
13，20，20’ 薄片
14 外壳
15 端板
17 隔离元件(独立的)
18 间隙(间距)
19 气流
21 光刻胶层
22 已经去除了光刻胶层的区域
23 蚀刻区域
24 蚀透(Etching-through)
25 侵蚀(Etching-away)
26 薄片表面
27 隔离元件(集成的)
28 金属板(金属箔)
29 连接点
30 通孔
31 侧臂
32 导向通道
33 涂层(具有高的CTE)
34 弯曲(热引起的)
35，35’ 隔离元件(集成的)
36，36’ 通孔
37，37’ 导向通道
38，38’ 折叠区域(薄膜铰链)
39 薄片
40，40’，40”薄片
41 折叠线
d1，d2 厚度