刷式密封装置的支撑 【技术领域】
本发明涉及涡轮机的密封装置，更具体地涉及一种位于涡轮机的旋转部件和固定部件之间以降低部件之间的气体流动的刷式密封装置。
背景技术
众所周知，机器的固定部分和旋转部分之间的密封装置存在各种形式。一些密封装置用于阻塞液体或粘性材料如润滑剂的流动，而其它一些密封装置用于阻塞固定部件和旋转部件之间的气体流动。
在涡轮机中，密封装置用来防止固定部件和旋转部件之间过多的气体流动，以便减小气体泄漏并因此提高涡轮机的工作效率。涡轮机中所采用的不同类型的密封装置包括迷宫式密封装置、O形密封圈和刷式密封装置，等等。关于这一点，刷式密封装置通常用于发电厂的燃气轮机和蒸汽轮机的压缩机和涡轮，以便减小固定部件和旋转部件之间的泄漏气流量。刷式密封装置将气体限定在预定的区域内，例如燃气轮机中的空气和燃烧产物的主流动路径以及燃气轮机中地冷却气流路径。
刷式密封装置通常包括多个在相对于旋转轴线的大致径向上延伸的金属刚毛。这些刚毛夹在一对环形支承板之间，这对支承板在其径向最外端处相连。这种密封装置是固定的，刚毛的外端通常从支承板之间沿径向向内的方向朝向旋转轴线而向外延伸，以便与旋转部件如压缩机转子或涡轮转子的环形表面相接触。
由于在刷式密封装置上存在着有时比较大的气压差，因此应在刷式密封装置的低压侧设置某种形式的支撑，以减小由压力引起的刚毛的偏转。关于这一点，刚毛在涡轮机轴向上的偏转会增大刚毛端部和旋转部件之间的间隙，这样，由于允许气体在刚毛内端的周围流动，因而降低了密封的有效性。通常在密封装置的下游侧通过径向伸长的支承板或单独的径向延伸的表面来提供对刚毛的支撑，此支承板与刚毛平行并在下游侧贴着刚毛放置。在陆上的或固定式涡轮机如蒸汽轮机或固定式燃气轮机中，重量不是主要的考虑因素，因此可以很容易地在刷式密封部分的周围设置足够刚性的支撑结构，以防止密封装置自身以及刚毛的轴向偏转。然而，在涡轮机的重量是非常重要的考虑因素的应用中，例如在飞机的燃气轮机中，在陆上涡轮机中可用的重型刚性支撑结构就不适用了。
本发明旨在提供一种刷式密封支撑装置，其可减小刷式密封装置的轴向偏转，同时能减轻密封支撑结构的重量。
【发明内容】
简单地说，根据本发明的一个方面，提供了一种用于处在固定涡轮机部件和旋转涡轮机部件之间的刷式密封装置的刷式密封支撑结构。刷式密封装置的目的是减小部件之间的气体流动。
这种结构包括环形的刷式密封装置，其具有相互间隔开并基本上相互平行的环形的上游支承板和环形的下游支承板，以及多个处于支承板之间的刚毛。刚毛基本上相互平行地设置，并在刷式密封装置的径向内端处从支承板之间朝向由旋转部件形成的承接面(landsurface)向外延伸。支承板在刷式密封装置的径向外端处通过桥接件相连。下游支承板包括轴向向外延伸的凸缘，其形成了在下游方向上与刚毛隔开的环形端面。
本发明提供了一种不能旋转的刷式密封装置的支撑，其包括基本上轴向设置的刷式密封装置的接触面，其径向向外地与承接面隔开。这种支撑结构包括径向向内的环形槽，其邻近于凸缘的环形端面。环形槽内设有固定环，其具有用于与下游支承板的凸缘端面相接合的基本上径向延伸的表面。
【附图说明】
图1是包括有刷式密封支撑装置的一个实施例的涡轮机的一部分的局部轴向截面图。
图2是图1所示类型的环形刷式密封装置的一个实施例的局部正视图。
图3是图1所示的刷式密封支撑装置的局部放大的轴向截面图。
图4是刷式密封支撑装置的另一实施例的局部放大的轴向截面图。
附图中各标号的说明如下：10涡轮；12气流路径；14方向箭头；16涡轮定子部分；18定子叶片；20燃烧室外壳；22定子外环；24燃烧室内壳；26定子内环；28涡轮转子部分；30外护罩；32转子轮盘；34转子叶片；36叶片基台；38定子支撑环；40刷式密封支撑环；42耐磨密封支撑环；44耐磨密封元件；46涡轮转子密封环；47密封齿；48冷却空气开口；50刷式密封装置；52上游支承板；54下游支承板；56刚毛；57箭头；58承接面；60桥接件；62前支撑面；64接触面；66定位环；68环形槽；70后环形凸缘；71凸缘外端面；72减振器；74接触环；76环形槽；78减振器支撑环；80偏压件；82刷式密封装置；84支撑环；86上游支承板；88前环形凸缘；90环形槽。
【具体实施方式】
参见附图尤其是图1，其显示了飞机燃气轮机的轴流式涡轮10的一级。环形气流路径12在箭头14所示方向上从环形燃烧部分(未示出)中延伸出，热的燃烧产物从燃烧部分中流向涡轮定子部分16，该定子部分包括多个径向延伸且周向间隔开的定子叶片18，在图1中只显示了其中的一个。燃烧室外壳20限定了气流路径12的外环面，外壳20与定子部分的外环22对齐并与之相连。燃烧室内壳24限定了气流路径12的内环面，内壳24和定子部分的内环26对齐并与之相连。定子叶片18固定在定子外环22和定子内环26上以形成涡轮喷嘴，其以相对于涡轮转子部分28成预定的角度来引导燃烧产物，涡轮转子部分28和涡轮定子部分16一起形成了涡轮10的一级。如本领域的技术人员所理解的那样，如果需要的话，此涡轮也可以是多级涡轮。
涡轮转子部分28包括固定的环形外护罩30，其围绕着可旋转的涡轮转子轮盘32，转子轮盘32带有多个径向延伸且周向间隔开的转子叶片34，在图1中只显示了其中的一个。护罩30的径向向内的环面与定子外环22的径向向内的环面大致对齐，这样就限定了穿过涡轮10的气流路径12的外环面。穿过涡轮10的气流路径12的内环面由定子内环26的径向向外的表面和转子叶片34的基台36的径向向外的表面限定。
在燃烧室内壳24和定子内环26之内设有定子支撑环38，其与固定的内部结构支撑件(未示出)相连。支撑环38还与定子内环26相连，并带有固定的刷式密封支撑环40。支撑环38带有耐磨的密封支撑环42，其上固定有环形的耐磨静态密封元件44，如蜂窝环。转子轮盘32带有涡轮转子密封环46，其包括用于与耐磨密封元件44相接合以在它们之间形成密封的环形密封齿47。转子密封环46包括多个周向设置且轴向延伸的冷却空气开口48，其允许来自压缩机(未示出)的低温冷却空气冷却涡轮的转子轮盘32，并流入和穿过设于转子叶片34中的冷却空气通道(未示出)。
刷式密封支撑环40是带有环形刷式密封装置50的环形件，刷式密封装置50包括上游支承板52和下游支承板54。在支承板52和54之间设有多个并排设置的金属刚毛56，其在大致径向上延伸。刷式密封装置50的刚毛56的径向最内端与涡轮的转子密封环46上的基本上轴向延伸的承接面58相对，以减少刷式密封装置50周围的气流。
在图2中以轴向视图显示了刷式密封装置50的基本结构，该图是从图1中的下游方向看去的视图。如图所示，刷式密封装置包括上游支承板52、下游支承板54，以及位于支承板52和54之间的刚毛56。刚毛位于涡轮机的轴向平面上，并相对于环形刷式密封装置的切线倾斜，刚毛在图2中箭头57所示的旋转方向上以锐角倾斜地延伸。刚毛的倾斜角度可以为45°左右。
图3以放大的形式显示了刷式密封装置50的结构及其在刷式密封支撑环40中的固定方式。如图所示，上游和下游支承板52，54通过桥接件60相连，桥接件60通常为焊缝的形式，其还与刚毛的径向最外端相接合以形成装配好的刷式密封装置。刷式密封支撑环40包括径向延伸的前支撑面62，上游支承板52的径向延伸的外表面靠在此前支撑面62上。支承板52，54和桥接件60的径向最外端面均与环形轴向接触面64相接合。结果，接触面64限制了刷式密封装置50的径向向外的运动。前支撑面62限制了刷式密封装置50在上游方向上、即与图1中箭头14所示的相反方向上的轴向运动。刷式密封装置50在下游方向上的轴向运动由环形固定环66来限制，其容纳在形成于刷式密封支撑环40中的径向延伸的环形槽68中。
如图3所示，上游支承板52和下游支承板54的径向最外端面对齐。这些端面均具有相同的外径，它们均靠在刷式密封支撑环40的轴向延伸的接触面64上。然而，上游支承板52具有比下游支承板54更短的径向长度尺寸。关于这一点，由于作为存在于密封装置50的各轴向面上的气压的结果而作用在刷式密封装置50的刚毛56上的气压差在从上游支承板52向下游支承板54的方向上起作用，因此下游支承板54较长。因此，下游支承板54的较长径向长度用于对刚毛的向后或向下游的偏转提供支撑。如果允许这种偏转发生的话，将会导致刚毛的径向最内端向后和向上偏转，远离承接面58，从而扩大了潜在的泄漏气流面积，导致刷式密封装置的周围存在不希望发生的气体泄漏。
下游支承板54有时构造成较厚的刚性件，以减小由密封装置的上游和下游之间的气压差所引起的偏转。或者，有时设置更重且更坚固的下游支撑结构，下游支承板靠在该下游支撑结构上，以减小其轴向偏转。关于这一点，作用在刷式密封装置上的轴向作用力可以非常大，刷式密封装置上的压力差可达约250磅/平方英寸左右或者更大。然而，在飞机燃气轮机的应用中，部件重量是非常重要的考虑因素，必须尽可能地降低下游支承板和下游支撑结构的轴向厚度，以便降低刷式密封结构的整体重量。然而这种厚度减小会导致下游支承板与刚毛一起沿向后的轴向方向偏转，在刷式密封装置上的压力差非常大时尤其如此。这种偏转导致下游支承板绕枢轴点进行枢轴转动，此枢轴点位于下游支承板的最后的径向外缘表面上。
为了减小下游支承板的偏转，图3所示的刷式密封装置的实施例包括后环形凸缘70，其从下游支承板上的邻近其径向最外表面的点处沿大致轴向的下游方向延伸出来。设置这种环形凸缘的效果是通过将支承板54设置为L形截面的构件来增强下游支承板54的结构刚度，从而降低其发生轴向偏转的趋势。凸缘用于将支承板的枢轴点向后移动，使之远离刚毛并靠近固定环66，固定环66位于下游支承板54的径向延伸的后表面的轴向下游处并与之间隔开。凸缘70具有与固定环66相接触的径向延伸的外端面71，以防止刷式密封装置50向后轴向移动，同时也减小向后的偏转。
图3还显示了处于刷式密封装置的上游侧并与刚毛56相对的刚毛减振器72，以便限制刚毛在远离下游支承板54的方向上的向前或向上游的轴向运动。这种运动可能会在压力脉动期间发生，或者由转子激励而发生，它会导致刚毛56振动或颤动。减振器72可以是环形圈74的形式，其容纳在减振器支撑环78的环形槽76中，支撑环78从刷式密封支撑环40上径向向内延伸。在槽76中可设置适当的偏压件80，以支撑并推动减振器环78靠在刚毛56的上游表面上，从而使刚毛保持在基本上径向的方位上。偏压件80可以是容纳在槽76中的正弦或波形弹簧的形式，用于推动减振器环78靠在刚毛的上游表面上，从而将刚毛牢固地夹在减振器环78和下游支承板54之间。
从图3所示的结构中可以清楚，通过支撑环40的接触面64限制了刷式密封装置50的径向向外的运动。此外，刷式密封支撑环40的前支撑面62支撑了密封装置，使其不会向前轴向运动，并且固定环66限制了其向后的轴向运动。然而，并未设置结构来限制刷式密封装置50以径向向内的方式运动，这就显著减小了刷式密封装置50及其支撑结构的整体重量。
在图4中显示了刷式密封装置82及刷式密封支撑环84的一个改进形式。图4所示的结构与图3所示的结构类似，然而其上游支承板86包括有向前延伸的环形凸缘88，其邻近于上游支承板的径向最外的表面。凸缘88以与凸缘70增强下游支承板54的刚度相同的方式来增强上游支承板86的刚度。在图4所示的实施例中，刷式密封支撑环84包括用于容纳凸缘88的轴向延伸的环形槽90，从而与图3和4所示实施例共有的结构一起限制了刷式密封装置82的径向运动以及相对于刷式密封支撑环84的向前轴向运动。此外，凸缘88和环形槽90还用于防止上游支承板86的向后枢轴转动。
虽然在上文中已经显示并介绍了本发明的具体实施例，然而本领域的技术人员应当清楚，在不脱离本发明的精神的条件下可以进行各种变化和修改。因此，所附权利要求中包括了所有这些变化和修改，它们都属于本发明的范围内。