壓縮機后轂密封系統的制作方法

本發明總體涉及燃氣渦輪發動機，且涉及包括壓縮機后轂密封系統的燃氣渦輪發動機。

背景技術：

燃氣渦輪發動機包括壓縮機、燃燒器和渦輪部分。在壓縮機中壓縮的部分空氣可沿著燃氣渦輪發動機內的次級路徑重新導向，以冷卻燃燒器和渦輪段的各個部分。該重新導向的壓縮空氣在壓縮期間加熱，且可在壓縮空氣沿著次級路徑流過且在旋轉部件上拖動時進行進一步風阻加熱。一些該加熱的壓縮空氣中可能進入油槽，且可能導致油降解和燃氣渦輪發動機的功率損失。

授予C.Giroux的美國專利號4,544,167公開了一種用于氣體處理系統中的渦輪膨脹機壓縮機，該氣體處理系統具有密封系統，該密封系統避免氣體與通過軸承泵送的油的連通。該裝置具有在殼體中承載在軸承上的軸，該軸承在一側具有壓縮機葉輪，在另一側具有膨脹機葉輪。迷宮式密封件從殼體內部密封葉輪和軸承。機械密封件位于軸承和迷宮式密封件之間，用于防止油的泄漏。氣體從壓縮機排出口噴射到軸的膨脹機側上的凹槽中以提供熱障。機械密封件各自具有由軸承載的旋轉環和由殼體承載的非旋轉環。非旋轉環通過O形環偏置到旋轉環中。O形環位于孔的凹槽中以及非旋轉環上形成的凹部。偏移凹部以使環變形且使其相對于旋轉環在非旋轉環上施加力。

本發明旨在克服本發明人發現的一個或多個問題。

技術實現要素：

公開了一種用于燃氣渦輪發動機的后轂密封組件。在一個實施例中，后轂密封組件包括后轂、軸承蓋、空氣屏蔽件、后擋板、第一密封件、第二密封件和第三密封件。后轂包括主體部分和從主體部分徑向向外延伸的圓盤部分。圓盤部分包括圓盤部分后表面。軸承蓋包括軸承蓋主體，從所述軸承蓋主體的第一徑向外端延伸的軸承蓋外凸緣，位于所述軸承蓋主體的第一徑向內端且與所述主體部分間隔開的軸承蓋內部部分。空氣屏蔽件在軸承蓋的軸向前方。空氣屏蔽件包括空氣屏蔽件主體，從空氣屏蔽件主體的第二徑向外端延伸且聯接到軸承蓋的空氣屏蔽件外凸緣，以及位于空氣屏蔽件的第二徑向內端處且與所述主體部分間隔開的空氣屏蔽件內凸緣。后擋板位于空氣屏蔽件和圓盤部分之間。后擋板包括面向圓盤部分后表面的擋板前表面和大致遵循圓盤部分后表面的輪廓的擋板前表面。第一密封件位于軸承蓋內部部分和主體部分之間。第二密封件位于軸承蓋內部部分和主體部分之間。第三密封件位于空氣屏蔽件內凸緣和主體部分之間。

附圖說明

圖1是示例性燃氣渦輪發動機的示意圖。

圖2是包括圖1的后轂組件的壓縮機的一部分的剖視圖。

圖3是圖2中的夾緊到內部擴散器的后擋板的透視圖。

圖4是圖3中后擋板的透視圖。

具體實施方式

本文所公開的系統和方法包括后轂密封系統。在實施例中，后轂密封系統包括鄰近后轂的后擋板，包括多個密封件的軸承蓋，以及包括另一密封件的空氣屏蔽件。后擋板和密封件的組合可通過減少/防止風阻加熱以及減少/防止壓縮氣體進入油槽來降低支撐至少一部分后轂的軸承組件內的溫度和壓力。

圖1是示例性燃氣渦輪發動機的示意圖。為了清楚和易于解釋，一些表面被省略或夸大(這里和其他圖中)。另外，本發明可參考向前和向后。通常，除非另有說明，否則所有“向前”和“向后”的參考與主空氣(即，在燃燒過程中用到的空氣)的流動方向相關。例如，向前是相對于主空氣流“上游”，且向后是相對于主空氣流“下游”。

此外，本發明通常可參考燃氣渦輪發動機的旋轉中心軸線95，其通常可由其軸120(由多個軸承組件150支撐)的縱向軸線限定。中心軸線95可與各種其它發動機同心部件共同或共用。除非另有說明，否則所有對徑向、軸向和圓周方向以及測量參考中心軸線95，且諸如“內”和“外”的術語通常表示距中心軸線95的較小或較大的徑向距離，其中徑向96可在從中心軸線95垂直向內或向外輻射的任何方向上。

燃氣渦輪發動機100包括進口110，軸120，氣體產生器或“壓縮機”200，燃燒器300，渦輪400，廢氣裝置500和動力輸出聯接器600。燃氣渦輪發動機100可具有單軸或雙軸配置。

壓縮機200包括壓縮機轉子組件210，壓縮機固定葉片(“定子”)250，進口導向葉片255，后轂230和后轂密封組件260。壓縮機轉子組件210機械地聯接到軸120。如圖所示，壓縮機轉子組件210是軸流式轉子組件。壓縮機轉子組件210包括一個或多個壓縮機圓盤組件220。每個壓縮機圓盤組件220包括周向地填充有壓縮機轉子葉片的壓縮機轉子圓盤。定子250沿軸向跟隨每個壓縮機圓盤組件220。與沿著壓縮機圓盤組件220的相鄰定子250配對的每個壓縮機圓盤組件220被認為是壓縮機級。壓縮機200包括多個壓縮機級。進口導向葉片255在第一壓縮機級的軸向前方。

后轂230可位于壓縮機圓盤組件220的軸向后方，且可聯接到最遠的后壓縮機圓盤組件220。后轂密封組件260配置成與后轂230形成密封。后轂密封組件可包括后擋板270，空氣屏蔽件280和軸承蓋290。

壓縮機200還可包括擴散器240。擴散器240可位于壓縮機圓盤組件220的軸向后部，且可位于至少一部分后轂230的徑向外側。擴散器240可被配置成將壓縮氣體從壓縮機200導向到燃燒器300。

燃燒器300包括一個或多個噴射器310，且包括一個或多個燃燒室390。

渦輪機400包括渦輪機轉子組件410和由渦輪機殼體圍繞的渦輪機噴嘴450。渦輪轉子組件410機械地聯接到軸120。如圖所示，渦輪轉子組件410是軸流式轉子組件。渦輪轉子組件410包括一個或多個渦輪盤組件420。每個渦輪盤組件420包括周向地填充有渦輪葉片的渦輪盤。渦輪噴嘴450在每個渦輪盤組件420軸向前方。與在渦輪盤組件420前的相鄰渦輪噴嘴450配對的每個渦輪盤組件420被認為是渦輪級。渦輪400包括多個渦輪級。

廢氣裝置500包括廢氣擴散器510和廢氣收集器520。

圖2是包括圖1的部分后轂230和后轂密封組件260的壓縮機200的剖視圖。后轂230可包括主體部分234和圓盤部分231。主體部分234通常可以是圓柱形形狀，且可包括階梯式圓柱配置，其中后圓柱具有比相鄰的前圓柱更小的直徑。圓盤部分231可從主體部分234徑向向外延伸。圓盤部分231的外邊緣可形成通向擴散器的一部分氣體路徑。圓盤部分231可包括圓盤突出部232和圓盤部分后表面233。圓盤突出部232可從圓盤部分231的其余部分沿軸向向后和徑向向外的方向延伸。圓盤部分后表面233是面向后方的圓盤部分231的后表面。

擴散器240可包括內部擴散器241。內部擴散器241可形成擴散器240的徑向內部。內部擴散器241可包括內部擴散器主體242，第一內部擴散器凸緣244和第二內部擴散器凸緣246。內部擴散器主體242通常可具有中空圓柱形狀。內部擴散器主體242可漸縮以增加或減小外部擴散器和內部擴散器241之間的高度。縮減可以是恒定的，或可在內部擴散器主體242的長度上增加/減小。第一內部擴散器凸緣244可從內部擴散器主體242徑向向內延伸。第一內部擴散器凸緣244可以是環形形狀。第二內部擴散器凸緣246可位于第一內部擴散器凸緣244的后方，且可從內部擴散器主體242徑向向內延伸。第二內部擴散器凸緣246還可具有中空圓柱形狀。第二內部擴散器凸緣246可鄰近內部擴散器241的軸向后端。

后轂密封組件260可以是連接到燃氣渦輪發動機100的其它固定部件(例如內部擴散器241和軸承組件殼體155)的固定組件。軸承組件殼體155還可支撐一個或多個軸承組件150。在所示的實施例中，軸承組件150位于軸承組件殼體155的徑向內部，且連接到軸承組件殼體155。軸承組件150配置成支撐在主體部分234的后轂230。軸承組件殼體155和主體部分234可形成至少一部分油槽160。軸承組件殼體155可包括在軸向后方上延伸的一個或多個冷卻通道202。

軸承蓋290位于軸承組件殼體155的軸向前方以及主體部分234的徑向外側。軸承蓋290包括軸承蓋主體291，軸承蓋外凸緣293和軸承蓋內部部分292。軸承蓋主體291可具有截頭圓錐形狀。軸承蓋外凸緣293可從軸承蓋主體291徑向向外延伸且可位于軸承蓋主體291的徑向外端。軸承蓋外凸緣293可包括環形形狀，且配置成將軸承蓋290聯接到軸承組件殼體155(例如通過螺栓連接)。一個或多個冷卻孔296可通過軸承蓋外凸緣293軸向延伸，且與一個或多個冷卻通道202流體連通。

軸承蓋內部292可包括內部前端294和內部后端295。內部前端294可從軸承蓋主體291的徑向內端軸向向前延伸，遠離軸承蓋外凸緣293。內部后端295可從軸承蓋主體291的徑向內端軸向向后延伸，且可鄰接內部前端294。內部前端294和內部后端295均可具有中空圓柱形狀。在所述實施例中，內部前端294徑向上厚于內部后端295。

軸承蓋內部292可與主體部分234徑向間隔開，從而在其間形成徑向間隙288。第一密封件264可位于內部前端294，且第二密封件266可位于內端部后端295，以防止壓縮空氣通過在軸承蓋內部部分292和主體部分234之間通過而進入油槽160。在所述實施例中，第一密封件264是從軸承蓋內部部分292朝向主體部分234徑向向內延伸的刷式密封件，第二密封件266是包括形成在主體部分234上的齒267和在軸承蓋內部部分292上的波狀表面268的迷宮式密封件。波狀表面268可形成在或附接到內軸承蓋內部部分292。在其他實施例中，第一密封件264是迷宮式密封件，第二密封件266是刷式密封件。在另一些實施例中，迷宮式密封件齒形成在軸承蓋內部部分292上，且波狀表面在主體部分234上。

空氣屏蔽件280可位于軸承蓋290的軸向前方和主體部分234的徑向外部。空氣屏蔽件280包括空氣屏蔽件主體281，空氣屏蔽件外凸緣283和空氣屏蔽件內凸緣282。空氣屏蔽件主體281可具有截頭圓錐形狀。空氣屏蔽件主體281可與軸承蓋主體291間隔開，在其間形成第一氣隙289。冷卻孔296和冷卻通道202可從第一氣隙289沿軸向向后方向延伸。空氣屏蔽件外凸緣283可被配置為(例如通過壓力/干涉或螺栓)將空氣屏蔽件280聯接到軸承蓋290。空氣屏蔽件外凸緣283可從空氣屏蔽件主體281的徑向外端軸向地向后延伸且可具有中空圓柱形狀。

空氣屏蔽件內凸緣282可以是位于空氣屏蔽件主體281的徑向內端處的中空圓柱形狀，且可從空氣屏蔽件主體281軸向向前延伸。空氣屏蔽件內凸緣282可與主體部分234間隔開，在其間形成徑向間隙288。第三密封件262可位于空氣屏蔽件內凸緣282，以防止壓縮空氣經過空氣屏蔽件內凸緣282和主體部分234之間并進入第一氣隙289。第三密封件262可以是從空氣屏蔽件內凸緣282朝向主體部分234徑向向內延伸的刷式密封件。如圖2所示，每個密封件可位于主體部分234的階梯式圓柱體構型的不同層。

后擋板270通常可位于圓盤部分231和空氣屏蔽件280之間。后擋板270可與圓盤部分231間隔開，在其間形成第二氣隙239。后擋板270也可與空氣屏蔽件280間隔開，在其間形成第三氣隙279。后擋板270的輪廓可大致遵循圓盤部分后表面233的輪廓。

后擋板270可包括擋板徑向部分271，擋板彎曲部分272，擋板外部部分275，擋板凸緣274和擋板內部部分273。擋板徑向部分271可以是平坦形式，且大體可在徑向延伸。擋板彎曲部分272可從擋板徑向部分271的徑向外端向后彎曲，且可具有恒定的半徑，且可在擋板徑向部分271和擋板外部部分275之間轉變。擋板外部部分275可以從擋板彎曲部分272徑向向外和軸向向后延伸。擋板外部部分275可以包括截頭圓錐形狀。

擋板凸緣274可從擋板外部部分275的徑向外端徑向向外延伸。擋板凸緣274和擋板外部部分275之間的連接可以是圓形。擋板凸緣274通常可具有徑向形狀，且可構配置(例如通過螺栓)聯接到第一內部擴散器凸緣244。

擋板內部部分273可從擋板徑向部分271的徑向內端延伸。擋板內部部分273可從徑向向內方向到朝向空氣屏蔽件內凸緣282延伸的軸向向后方向彎曲。擋板內部部分273可與空氣屏蔽件內凸緣282間隔開，在其間形成軸向間隙278。

后擋板270還可包括擋板前表面276和擋板后表面277。擋板前表面276可面向圓盤部分后表面233。擋板前表面276可具有類似于圓盤部分后表面233的輪廓。擋板向前表面276和圓盤部分后表面233可分別形成第二氣隙239的向后和向前邊界。擋板后表面277可與擋板前表面276相對。

夾緊環245可以是配置成聯接到第一內部擴散器凸緣244且在其間夾緊擋板凸緣274的環形體。

圖3是圖2中被夾緊到內部擴散器241的后擋板270的透視圖。圖4是圖3中后擋板270的透視圖。如圖3和圖4所示，擋板凸緣274可包括擋板螺栓孔269和夾緊環245，夾緊環245可包括夾緊環螺栓孔247，夾緊環螺栓孔247配置成接收用于夾緊位于夾緊環245和第一內部擴散器凸緣244之間的擋板凸緣274在螺栓。

一個或多個上述部件(或它們的子部件)可由不銹鋼和/或被稱為“超合金”的耐用高溫材料制成。超合金或高性能合金是在高溫下表現出優異的機械強度、抗蠕變性、良好的表面穩定性、耐腐蝕和抗氧化性的合金。超合金可包括例如HASTELLOY、INCONEL、WASPALOY、RENE合金、HAYNES合金、INCOLOY、MP98T、TMS合金和CMSX單晶合金材料。

工業實用性

燃氣渦輪發動機可適用于任何數量的工業應用，例如石油和天然氣工業的各個方面(包括油和天然氣的傳輸，收集，存儲，取出和提升)，發電工業，熱電聯產，航空航天，以及其他交通運輸業。

參考圖1，氣體(例如空氣10)作為“工作流體”進入進口110，且被壓縮機200壓縮。在壓縮機200中，工作流體在環形流動路徑115中被一系列壓縮機圓盤組件220壓縮。特別的，空氣10以編號的“級”來壓縮，此級與每個壓縮機圓盤220相關。例如，“第四級空氣”可與下游或“后”方的第四壓縮機圓盤組件220相關聯，從進口110朝向廢氣裝置500。同樣地，每個渦輪盤組件420可與編號級相關。

一旦壓縮空氣10離開壓縮機200進入燃燒器300，壓縮空氣10在其中擴散且添加燃料。空氣10和燃料通過噴射器310噴射到燃燒室390中并燃燒。通過渦輪機400各級一系列渦輪盤組件420的燃燒反應來提取能量。然后，廢氣90可在廢氣擴散器510中擴散、收集和重新導向。廢氣90經由廢氣收集器520離開系統且可被進一步處理(例如，以減少有害排放物和/或從廢氣90回收熱量)。

一部分壓縮氣體可被導向到(例如冷卻通道202)冷卻路徑中，且被導向到燃燒器300和渦輪機400的各個部分，以冷卻各種部件(例如燃燒室390和渦輪噴嘴450)。壓縮氣體可流動到后轂230的軸向后方且可通過風阻加熱來加熱。在后轂230附近提供后擋板270可減少在后轂230的軸向后方流動的壓縮氣體的風阻加熱。減小風阻加熱可減少由該加熱引起的寄生功率損失，且可增加壓縮氣體作為冷卻介質的有效性，以及降低接觸壓縮氣體的各種部件和材料的溫度。

雖然該壓縮氣體可用作燃燒器300和渦輪機400內的冷卻介質，但該壓縮氣體可增加油槽160內的壓力和溫度，這可能導致油污染和降解，且還可能導致在油循環系統內使用的各種密封件的退化。

提供具有第一密封件264的軸承蓋290和具有后擋板270的第二密封件266能夠減少/防止壓縮氣體進入油槽160，且能夠防止槽內的壓力和溫度的增加。第一密封件264和第二密封件266可以是成對在一起的刷式密封件和迷宮式密封件。刷式密封件可更耐受振動和運動/不平衡，而迷宮式密封件通常更耐用。

第三密封件262越緊密，則第三密封件262和后轂主體部分234之間的距離越小。第三密封件262可減少進入第一氣隙289的壓縮氣體的量和壓力，可減少軸承蓋290上的熱負荷，且可進一步降低油槽160內的壓力/溫度的增加。在實施例中，氣體渦輪發動機100可被重新配置為將壓縮氣體從燃氣渦輪發動機100的不同部分導向到冷卻通道202中。

前述的具體實施方式本質上僅僅是示例性的，且不旨在限制本發明或本發明的應用和用途。所述實施例不限于結合特定類型的燃氣渦輪發動機使用。因此，雖然為了方便解釋，本發明描繪和描述了特定的后部輪轂密封組件，但是應當認為，包括根據本發明的后部擋板的后部輪轂密封組件可以在各種其他配置中實施，與各種其他類型的燃氣渦輪發動機一起使用，且可用在其他類型的機器中。此外，不希望受前述背景技術或具體實施方式中提出的任何理論的約束。還應當理解，這些圖示可能包括夸張的尺寸是為了更好地示出所示的參考項目，且不被認為是限制性的，除非明確地如此陳述。