用于旋转机器的适应性箔片密封件.pdf

本发明涉及用于旋转机器的适应性箔片密封件。具体而言，一种适应性箔片密封件(10，30)包括底部箔片(11，31)以及一个或多个上部箔片(12，13，32)，该底部箔片(11，31)构造成周向地围绕转子(22，42)的至少一部分定位，该一个或多个上部箔片(12，13，32)构造成用以与定子(21，41)相配合以将底部箔片(11，31)定位成适应性地面对转子(22，42)并且位于定子(21，41)与转子(22，42)之间。还提出了一种适应性箔片密封组件以及一种旋转机器(20，40)。

1.  一种适应性箔片密封件(10，30)，包括：
构造成周向地围绕转子(22，42)的至少一部分定位的底部箔片(11，31)；以及
构造成用以与定子(21，41)相配合以将所述底部箔片(11，31)定位成适应性地面对所述转子(22，42)并且位于所述定子(21，41)与所述转子(22，42)之间的一个或多个上部箔片(12，13，32)。

2.  根据权利要求1所述的适应性箔片密封件，其特征在于，所述底部箔片(11，31)和所述一个或多个上部箔片(12，13，32)为整体的，以及其中，所述一个或多个上部箔片(12，13，32)中的至少一个上部箔片收容于限定在所述定子(22，42)中的至少一个凹部内。

3.  根据权利要求1所述的适应性箔片密封件，其特征在于，所述适应性箔片密封件(30)包括一个上部箔片(23)，以及其中，所述一个上部箔片(32)包括鞍形形状。

4.  根据权利要求1所述的适应性箔片密封件，其特征在于，所述适应性箔片密封件(10)包括第一上部箔片(12)和第二上部箔片(13)，所述第一上部箔片(12)构造成用以直接与所述定子(21)相配合，所述第二上部箔片(13)连接到所述第一上部箔片(12)上且被构造成用于保持所述底部箔片(11)，其中，所述适应性箔片密封件(10)包括Z形。

5.  一种适应性箔片密封组件，包括：
设置成端对端且被构造成环状地围绕转子(22，42)定位的多个适应性箔片密封件，其中，各个适应性箔片密封件(10，30)均包括：
构造成周向地围绕所述转子(22，42)的至少一部分定位的底部箔片(11，31)；以及
构造成用以与定子(21，41)相配合以将所述底部箔片(11，31)定位成适应性地面对所述转子(22，42)并且位于所述定子(21，41)与所述转子(22，42)之间的一个或多个上部箔片(12，13，32)。

6.  根据权利要求5所述的适应性箔片密封组件，其特征在于，各个适应性箔片密封件的所述底部箔片(11，31)和所述一个或多个上部箔片(12，13，32)为整体的，以及其中，各个适应性箔片密封件(10，30)的所述一个或多个上部箔片(12，13，32)中的至少一个上部箔片收容于限定在所述定子(21，41)中的至少一个凹部内。

7.  根据权利要求5所述的适应性箔片密封组件，其特征在于，各个适应性箔片密封件(10)均包括第一上部箔片(12)和第二上部箔片(13)，所述第一上部箔片(12)构造成用以直接与所述定子(21)相配合，所述第二上部箔片(13)连接到所述第一上部箔片(12)和所述底部箔片(11)上。

8.  一种旋转机器(20，40)，包括：
定子(21，41)；
可旋转地收容在所述定子(21，41)中的转子(22，42)；以及
设置成端对端地用以环状地围绕所述转子(22，42)定位的多个适应性箔片密封件，其中，各个适应性箔片密封件(10，30)均包括：
构造成周向地围绕所述转子(22，42)的至少一部分定位的底部箔片(11，31)，以及
构造成用以与所述定子(21，41)相配合以将所述底部箔片(11，31)定位成适应性地面对所述转子(22，42)并且位于所述定子(21，41)与所述转子(22，42)之间的一个或多个上部箔片(12，13，32)。

9.  根据权利要求8所述的旋转机器，其特征在于，所述定子(21，41)包括周向地分布于其中的一个或多个凹部(210，50)，以及其中，所述一个或多个上部箔片(12，13，32)中的至少一个上部箔片收容在相应的所述一个或多个凹部(210，50)中。

10.  根据权利要求8所述的旋转机器，其特征在于，各个适应性箔片密封件(10，30)的所述底部箔片(11，31)和所述一个或多个上部箔片(12，13，32)为整体的。

用于旋转机器的适应性箔片密封件
技术领域
本发明主要涉及用于旋转机器的密封件。更具体而言，本发明涉及用于最大限度地减小流过旋转机器的流体泄漏的适应性箔片密封件(compliant foil seal)。
背景技术
诸如燃气涡轮发动机的各种类型的旋转机器，是众所周知且广为使用的。旋转机器的效率取决于旋转机器构件的内部公差。例如，松公差的旋转机器在内部构件之间可能具有相对较差的配合，且因此会表现出较低的效率，例如在旋转机器内出现从高压区域至低压区域的相对较高的流体泄漏。
为了将发生在旋转机器内的流体泄漏最大限度地减小至期望水平，在旋转机器中采用了不同类型的间隙密封件。然而，在设计这些间隙密封件时，旋转机器的变化的工作状态提出了一些难题。例如，当旋转机器的旋转轴旋转时，它们在高转速下会经受轻微的离心生长。此外，在旋转期间，这些轴会经受由极限速度变化、温度波动、非同心对准，或其它因素所造成的径向偏移。因此，间隙密封件应当适用于这些动态条件。
迷宫式密封件为间隙密封件，其通过使用紧密邻近于旋转轴的一系列齿或叶片来分解压力。这些密封件是公知的，且较为可靠。然而，迷宫式密封件可容许很高的气体泄漏率，并且通常不能容许旋转轴的偏移。
因此，需要一种用于最大限度地减小流过旋转机器的流体泄漏的新型和改进的适应性箔片密封件。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供了一种适应性箔片密封件。该适应性箔片密封件包括构造成周向地围绕转子定位的底部箔片，以及构造成与定子相配合以将底部箔片定位成适应性地面对转子并且位于定子与转子之间的一个或多个上部箔片。
根据本发明的另一实施例，提供了一种适应性箔片密封组件。该适应性箔片密封件包括设置成端对端且构造成环状地围绕转子定位的多个适应性箔片密封件。各个适应性箔片密封件均包括构造成周向地围绕转子的至少一部分定位的底部箔片，以及构造成与定子相配合以将底部箔片定位成适应性地面对转子并且位于定子与转子之间的一个或多个上部箔片。
本发明的实施例还提供了一种旋转机器。该旋转机器包括定子、可旋转地收容在定子中的转子，以及设置成端对端用以环状地围绕转子定位的多个适应性箔片密封件。各个适应性箔片密封件均包括构造成周向地围绕转子的至少一部分定位的底部箔片，以及构造成与定子相配合以将底部箔片定位成适应性地面对转子并且位于定子与转子之间的一个或多个上部箔片。
附图说明
当结合附图时，本文的上述及其它方面、特征和优点将根据如下详细描述将变得更为明显，在附图中：
图1为根据本发明的一个实施例的适应性箔片密封件的简图；
图2为旋转机器的示意性截面图，可用于示出其根据本发明的一个实施例的适应性箔片密封件组件、定子以及转子；
图3为根据本发明的另一实施例的适应性箔片密封件的简图；
图4为根据本发明的另一实施例的旋转机器的简图；以及
图5为图4中所示的旋转机器的部分A的放大简图。
零件清单
10，30适应性箔片密封件
11，31底部箔片
110自由端
111连接端
12第一上部箔片
120凸缘端
13第二上部箔片
20，40旋转机器
21，41定子
210，50凹部
22，42转子
220轴线
P_H高压
P_L低压
32上部箔片
320凸缘端
43密封组件
44部分
具体实施方式
下文将参照附图来描述本文的优选实施例。在如下说明中，将不会详细描述众所周知的功能或构造，以避免使公开内容在不必要的细节方面而变得不清楚。
图1示出了根据本发明的一个实施例的适应性箔片密封件10。在本发明的实施例中，用语“适应性”是指箔片密封件10可在转子旋转期间与转子的偏移或径向生长等一致地移动，以在其间保持所期望的间隙。如图1中所示，适应性箔片密封件10包括底部箔片11、第一上部箔片12，以及连接到底部箔片11和第一上部箔片12上的第二上部箔片13。
在本发明的实施例中，底部箔片11、第一上部箔片12和第二上部箔片13可由抗疲劳且具有较强机械强度的金属制成，如镍基钢、铍铜合金或铍青铜合金。在一些非限制性实例中，底部箔片11、第一上部箔片12以及第二上部箔片13可由合金制成，如Ni基金属、Rene^TM超合金(Rene为General Electric Company的商标)或Inconel^TM超合金(Inconel为Special Metals Corporation的商标)片材，或容许箔片11至箔片13在高温下使用的其它适合的合金。在一个非限制性实例中，箔片11-13由商品名为Inconel X-750(厂商为Inco AlloysInternational，Huntington，West Virginia)的市售合金制成。此外，应当理解的是，箔片11-13的材料可取决于适应性箔片密封件10的具体应用而变化。
在所示的实施例中，底部箔片11为平滑的，而第一上部箔片12和第二上部箔片13为波状的。底部箔片11包括自由端110以及与自由端110相反的连接端111。连接端111向上弯曲，以连接到第二上部箔片13的一端(未标示)上，以便改善底部箔片11的刚度。第二上部箔片13还包括与其连接到底部箔片11上的一端相反的另一端(未标示)，用以连接到第一上部箔片12的一端上。第一上部箔片12还包括与其连接到第二上部箔片13上的一端相反的凸缘端120。因此，适应性箔片密封件10为Z形。此外，在一个实例中，底部箔片11的宽度可为大约10mm，而第一上部箔片12和第二上部箔片13的宽度可为大约15mm。
在本发明的实施例中，底部箔片11、第一上部箔片12以及第二上部箔片13可为整体的。用语“整体”是指可通过一些公知的方法如模制、焊接和铆接来将箔片11-13形成为一体，且箔片11-13可用作一个元件。也就是说，如图1中所示，第二上部箔片13可通过模制、焊接或铆接而设置在底部箔片11和第一上部箔片12上。也可使用其它适合的附接方法来使得箔片11-13形成为一体。在一些实施例中，箔片11-13可以分开或不可分开。
图2示出了旋转机器20的示意性截面图。如图2中所示，旋转机器20包括定子21、可旋转地设置在定子21中的转子22，以及包括多个适应性箔片密封件10的密封组件(未标示)，多个适应性箔片密封件10设置成端对端(类似于图4中所示的密封组件43)且周向地围绕转子22的至少一部分。
应当注意，图2中的旋转机器20的实施例是示范性的。在一个非限制性实例中，密封组件包括设置成端对端且周向地或环状地围绕整个转子22的五个适应性箔片密封件10。
如图2中所示，底部箔片11面对转子22。定子21包括周向地设置于其上的凹部210。第一上部箔片12的凸缘端120收容在凹部210中，以将箔片11-13保持在定子21与转子22之间。在一些实施例中，凸缘端120可宽松地或可滑动地直接收容在凹部210中，以便容许适应性箔片密封件10相对于转子22在径向上和轴向上都有一定的运动灵活性，使得底部箔片11适应性地面对转子22，以在其间保持所期望的间距，从而在转子22旋转期间进行主密封。作为备选，凸缘端120可固定在定子21上。在一个非限制性实例中，凸缘端120焊接在定子21上。在所示的实施例中，第一上部箔片12可用作弹性元件如弹簧，以改善适应性箔片密封件10的挠性，并且第一上部箔片12和第二上部箔片13可进行副密封，以最大限度地减小在转子22旋转期间的泄漏。在一个非限制性实例中，底部箔片11和/或第二上部箔片13可不用保持在定子21中。
此外，在本发明的实施例中，转子22可围绕轴线220旋转，因此，径向可限定为朝向或远离轴线220的方向，轴向可限定为沿轴线220或平行于轴线220的方向，以及周向可限定为围绕轴线220延伸的方向。
在所示的实施例中，在工作期间，具有高压P_H的区域和具有低压P_L的区域分布在适应性箔片密封件10的两侧，以便越过适应性箔片密封件10产生压差。底部箔片11的自由端110和连接端111分别邻近具有高压的区域和具有低压的区域。在转子22旋转且存在压差的情况下，流体膜如气膜由于粘性流体动力效应而形成在转子22与底部箔片11之间。气膜的压力逐渐增大，以远离转子22抬升底部箔片11。
因此，所形成的气膜有助于在适应性箔片密封件10与转子22之间的非接触式工作，且支承转子22的旋转。底部箔片11有助于形成气膜，以便在高压区域与低压区域之间对转子22提供主密封。第一上部箔片12和第二上部箔片13有助于底部箔片11跟随转子22的偏移，特别是在转子22具有较大偏移时。此外，第一上部箔片12和第二上部箔片13阻塞气体从高压区域流至低压区域的路径，以便用作副密封。因此，第二上部箔片13、底部箔片11以及第一上部箔片12的配合可最大限度地减小气体从高压区域至低压区域的泄漏。在一些实例中，在工作期间，少量但可容许的气体可穿过在各底部箔片11与转子22之间的间距(未标示)和/或在密封组件的每两个相邻的适应性箔片密封件之间的间隙(未标示)而泄漏。
图3示出了根据本发明另一实施例的适应性箔片密封件30的简图。如图3中所示，适应性箔片密封件30包括底部箔片31和上部箔片32。也就是说，在本发明的实施例中，适应性箔片密封件可包括底部箔片和至少一个上部箔片。此外，适应性箔片密封件30的材料可类似于适应性箔片密封件10的材料。
在所示的实施例中，底部箔片31是平滑的，且具有大约10mm的宽度。上部箔片32为鞍形，且具有大约15mm的宽度。上部箔片32可与底部箔片31一起为整体的，且在一个实例中是设置在底部箔片31的中间部分上。此外，如图所示，上部箔片32包括两个凸缘端320。
图4示出了根据本发明另一实施例的旋转机器40的简图。图5示出了图4中所示的旋转机器40的部分44的放大简图。如图4中所示，旋转机器40包括定子41、可旋转地设置在定子41中的转子42，以及包括多个适应性箔片密封件30的密封组件43，多个适应性箔片密封件30设置成端对端且周向地围绕转子42的至少一部分。
应当注意到，图4中的旋转机器40的实施例为示范性的，类似于图2中的实施例。在一个非限制性实例中，密封组件43可包括设置成端对端且周向地或环状地围绕整个转子42的五个适应性箔片密封件30。当将适应性箔片密封件30组装到旋转机器40中时，底部箔片31设置成周向地围绕转子42。以及两个凸缘端320可宽松地或可滑动地收容在定子41中的相应凹部50中(图5中所示)，以将底部箔片31和上部箔片32保持在定子41与转子42之间，以便容许适应性箔片密封件30相对于转子42沿径向和轴向都有一定的运动灵活性。作为备选，仅一个凸缘端320可收容在定子21的相应凹部(未示出)中。在有些实施例中，一个或多个凸缘端320可固定在定子41上。因此，底部箔片31适应性地面对转子42，以在其间保持所期望的间距，从而在其间形成流体膜来有助于在适应性箔片密封件30与转子42之间的非接触式工作，以及在转子42旋转期间用作主密封。上部箔片32阻塞气体从高压区域流至低压区域的路径，以便用作副密封。此外，流体膜可支承转子42的旋转。
在有些实施例中，鞍形上部箔片32不但可用作弹性元件用以改善适应性箔片密封件30的挠性，而且还阻塞气体从高压区域流至低压区域的路径，以进行副密封。此外，少量但可容许的气体可经过在各底部箔片31与转子42之间的间距(未标示)和/或在密封组件的每两个相邻的适应性箔片密封件31之间的间隙(未标示)而泄漏。
尽管本公开内容已在典型实施例中进行了示出和描述，但并不认为其受限于所示的细节，因为在不以任何方式脱离本公开内容精神的情况下可进行各种修改和替换。因此，本领域的技术人员可仅利用常规实验便可构思出文中所披露的公开内容的其它修改和等同方案，并且所有的此类修改和等同方案都将认作是由所附权利要求限定的本公开内容的精神和范围内。