專利名稱：燃氣輪機間隔盤的隔熱裝置的制作方法
在現代燃氣輪機中，對高效率的高輸出功率的要求已導致工作溫度的顯著升高。這又導致了采用不同材料的復合轉子構件的設計與制造。它還導致了研制許多復雜而昂貴的用于將冷卻空氣輸送到燃氣輪機各部分，包括暴露于熱燃氣的那些部分的內部流動回路，以適應在溫度提高狀態下的運轉。
在高效率、高溫度燃氣輪機運轉中的主要問題一直是轉子盤及夾于相鄰轉子盤之間的間隔盤的不均勻受熱與冷卻。例如，在過渡工況期間，即在起動以及在起動和透平額定轉速之間的其它速度變化期間，在包括葉片在內的透平轉子盤的外周部分和內周部分之間，存在很大的溫差。類似的溫度出現在間隔盤的內外部分之間。這些基本上沿徑向方向的溫度梯度引起的大的熱應力，它們本身又能縮短這些部件的使用壽命。具體就間隔盤來說，不能迅速修復間隔盤的傳統的高/低密封周邊(它通過一種互補的高/低面結構跟相鄰靜止構件配合)的損壞，導致昂貴的轉子扯毀，乃至整個間隙盤的刮傷。
本發明涉及一種隔熱裝置，它充分防止級間熱燃氣沖刷在燃氣輪機內間隔盤的外周面上，因而產生較低的溫度梯度和應力，并藉此延長該盤的工作壽命，并帶來如下所述的其它好處。
具體來說，本發明提供了圍繞轉子間隔盤整個圓周的可拆卸的高溫隔離弓形體附件。為此，在各間隔盤圓周面上形成的傳統環槽(作為高/低密封面結構的部分)重新形成為燕尾槽，該燕尾槽用來安裝各密封弓形體的互補或匹配部分。換句話說，每一相鄰的環槽安裝若干密封弓形體，其總體基本上防止或至少最大限度地減少熱燃氣直接沖刷在間隔盤的圓周面上。
按照本發明的另一觀點，在間隔盤的圓周上采用分離的密封弓形體還為更先進的高/低密封結構提供了一種結構基礎。
同時，損壞間隔盤的可能性本身減至最小，其中當相對于高/低密封結構的靜止部件出現任何磨損時，密封弓形體的徑向適應性允許它徑向收縮。如果弓形體本身出現磨損，就能容易地拆下并更換它們，無需耗費拆卸時間。
因此，在本發明的一個典型實施例中，在燃氣輪機每一間隔盤的周圍圓周面上設置若干燕尾型槽。每一槽可滑動地安裝若干密封弓形體。每一弓形體具有一種基本上和各相關的燕尾槽表面互補的底部結構。具體來說，每一密封弓形體的底部包括一平底面，一對向內和向上斜切的面，它們和弓形體的上部接合，弓形體的上部包括一基本水平部分，它本身構成一環形圓周槽，以保持一種高/低密封面結構，跟相鄰靜止構件上的互補表面結構配合來構成另外已知的阻止流動路徑。
密封弓形體下部或底部跟燕尾槽表面之間的間隙是這樣的，在間隔盤轉動期間，由于作用于其上的離心力的結果，該密封弓形體會被徑向向外推動，結果，各密封弓形體向上且向內斜切的表面便跟各燕尾槽相應的錐面密封嚙合。這種密封嚙合防止了級間熱燃氣直接沖刷在間隔盤圓周面上相當大的部分。在這一首先敘述的實施例中，極少量的熱燃氣最終接觸間隔盤其它圓周面部分是可能的，因為相鄰槽中間相鄰弓形體之間有間隙存在。然而，該密封弓形體對橫穿間隔盤沿軸向流動的氣體形成了一個很大的熱障。
在另一典型實施例中，密封弓形體的上部設有不對稱水平延伸的突緣，它們用來跟相鄰槽中相鄰弓形體上的類似突緣進行密封嚙合，因此，形成了一個基本完整的熱障，防止了任何級間熱燃氣直接沖刷在間隔盤的圓周面上。
在又一個結構里，通過把密封弓形體上部的形狀做成稍微復雜和不對稱分布便獲得了一種更為先進的高/低密封面結構，它為橫穿間隔盤表面軸向流動的燃氣提供了一條相當迂回的路途。
由于提供了如上所述的隔熱結構的結果，可以獲得下列優點①形成了有效的傳熱阻力，以使轉子間隔盤在過渡工況期間保持在較低的溫度;②由于采用了按最佳密封效果構成的弓形體，可得到更加先進的高/低迷宮密封裝置;③受損或磨損的密封裝置能在現場更換，減少停機時間;④能把先進的密封結構引入老的工地機組上，以改善性能;⑤間隔盤低的熱應力允許和相鄰透平轉盤一起分擔更大級別的負荷。
根據本發明的典型實施例隨后的詳細敘述，本發明的其它目的會變得明顯。


圖1是表示通過按本發明制造的燃氣輪機的軸的縱剖面的破碎剖視圖;
圖1A是公知間隙盤的局部橫剖面圖;
圖2是取自圖1的放大細部;
圖3是圖2中所示型式的密封弓形體軸側圖;
圖4是圖1中所示型式的間隙盤的局部橫剖視圖，但它具有連接于其上的按照本發明第二示范性實施例的密封弓形體;
圖5是按照本發明第三示范性實施例的密封弓形體的軸側圖;
圖6是表示裝配狀況的局部側視圖，其中處于單槽內的密封弓形體相互連接;
圖7是圖1中所示間隙盤的局部頂部軸側圖。
現在參照各附圖，尤其參照圖1、1A和2，這些圖用橫剖面表面了一燃氣輪機的轉子構件，其構件總的以10表示。該燃氣輪機包括通常的壓縮機，燃燒器，外殼和其它附屬構件，這些對于熟悉本技術的人們是顯然的。如在圖1中所示，轉子構件10包括軸12，軸12具有一前突緣14和一后突緣16，在軸12上，裝有若干轉子盤，其中表示了三個，包括前盤18，中盤20和后盤22。應該理解本發明對于具有更多轉子盤的各種燃氣輪機也是有用的。葉片24、26和28分別安裝在轉子盤18、20和22的外周。間隙盤30和32分別配置在前，中轉子盤18與20之間以及中、后轉子盤20與22之間。螺栓，其中一個以34表示，穿過在軸12前、后端的突緣14與16，將轉子盤和間隔盤相互固定成鄰接關系，因此，轉子盤與間隔盤圍繞轉子軸一起轉動。應該理解，上述轉子構件在本技術領域內是常規的，其上有很多輔助構件，除非熟悉本技術的人們由于操作燃氣輪機轉子的需要而要知道，在這里不再敘述這些構件。
簡要地參照圖1A，在過去通常的做法是設置一間隔盤30，圍繞其整個圓周表面有若干相鄰的環槽36，作為公知的高/低迷宮密封裝置的一部分，它用來最大限度地減少沿垂直于槽縱向的方向的軸向氣流泄漏。這些槽跟相鄰靜止部件31上的互補凸臺組合在一起，形成了一條阻止由箭頭A所示的這一軸向流的迂回通道。本發明相對于傳統的密封結構表現出顯著的改進，其中不僅保留了傳統的高/低密封面形狀，而且它本身還構成了間隔盤的隔熱裝置。
現在再參照圖1及圖2，按照本發明一個典型實施例的間隔盤30設有一系列燕尾槽38，它圍繞該盤的整個圓周延伸。每一橫向間隔的燕尾槽38包括一平直底面40，一對向上和向內漸縮的錐面42，它們終止于基本平直的圓周面44。當然，盤32(及任何另外的間隔盤)也包括燕尾槽和密封弓形體結構，但因為就槽/密封裝置的外形來說，它們本質是相同的，因此僅盤在這里需要詳細敘述。還應理解，提及頂部、底部、水平、垂直等關系涉及到盤30的方位，如在圖2中顯示的那樣，然而在別的方面都不是用來限制的。
用作與其匹配嚙合的若干密封弓形體46可滑動地插入每一燕尾槽38內。具體地說，每一弓形體46包括一具有平底面50的底部48，向內且向上漸縮的一對面52以及一上部54，所述上部包括一對朝向外的基本平直面56，基本垂直延伸的二側壁58和一基本平直的頂面60。在頂面60內制成一圓周槽62，自該弓形體的一端縱向延伸到另一端，以保持傳統高/低迷宮密封裝置的優點。
制成弓形體46的材料是經過選擇的，它在熱力、磨損及強度諸性質方面相對于最低成本之間達到最佳平衡。一種目前最佳的材料是具有低導熱系數的高溫鋼，但按照上述規范選定的其它鋼可同樣有效。
應當理解，安裝若干這種弓形體在每一環槽38內，以便沿間隔盤30的整個圓周而延伸。為了在單個槽內的相鄰部分之間保持密封關系，提供了如在圖3與6中所示的凸臺與凸爪結構。這樣，在一個弓形體上的凸臺64便和在相鄰弓形體上的相關凸爪66相嚙合，當然，對于所述每一弓形體，這種接合結構圍繞相關燕尾槽38的整個圓周是連續的。
現在參照圖7，相對于每一燕尾槽38，上平面44可開有對齊的切口68，以便在圍繞燕尾槽圓周的至少一處在該槽內形成一擴大的開口，允許所述密封弓形體插入該槽內。
在透平運轉期間，由于在弓形體46和槽38之間有予定的間隙，在盤30轉動產生的離心力作用下，各弓形體46會被徑向向外推入燕尾槽38內。然而，這些弓形體46由于它們在各燕尾槽內的對稱分布將會跟透平轉子旋轉軸保持同心。在這一徑向向外負荷狀態下，各弓形體46的表面52會相應地跟燕尾槽38的錐面42嚙合，從而達到它們之間的密封。弓形體46的徑向移動量是很小的，但萬一由于，例如，過度的熱膨脹跟相鄰靜止部件(如圖1A中的部件31)的磨擦磨損，無論如何足以允許某種程度的恢復原狀(通過徑向移回)。
雖然上述實施例允許某些少量熱燃氣在相鄰槽38中間的相鄰弓形體46之間，即二相鄰側壁58之間穿過，然而可以直接沖刷到盤30的圓周面40、42和44上的熱燃氣量卻大為減少。這就縮少了盤徑向內外部分之間的溫差，從而降低了熱應力，使盤工作壽命延長。同時，應當理解，磨損會發生在弓形體46上而不是在盤30上，這些弓形體經開口68易于更換，因此也導致盤工作壽命延長，并稍微縮短了完成這種更換的時間。
隨著盤30的轉速下降，所述弓形體回復到燕尾槽38內，這樣，該弓形體的表面56將跟盤的平直表面44相嚙合。在收縮位置上，在表面40和50之間可以有間隙，也可以沒有間隙。這取決于所選定的公差。
現在參照圖4，它表示了用于在燕尾槽38內密封嚙合的某一密封弓形體的另一典型實施例，該槽大體上和圖2實施例中的燕尾槽38相同。圖4所示的密封弓形體70各包括平底面72，向上和向內漸縮的密封面75、74、76各自匯合到向外延伸的密封突緣78、80。這些突緣又連接于所述弓形體的上部82。從圖4將會理解，突緣78和80相對于所述弓形體的中心線84是偏心定位的。例如突緣78比突緣80處于較高的垂直位置上(當從圖4所示的橫剖面觀察時)，并且突緣78自所述弓形體的上部比突緣80延伸較長的距離。借助于這種結構，得到在突緣78跟相對于弓形體70左側的緊鄰弓形體的突緣80之間的疊合密封結構。同樣，所述弓形體70的突緣80跟相對于弓形體70右側的該弓形體突緣78的下側密封嚙合。因此，在間隔盤36轉動期間，該密封弓形體的向外負荷不僅形成了一種密封裝置，其中錐面74、76嚙合燕尾槽錐面42，而且在相鄰弓形體的突緣78和80之間也會有密封嚙合，從而避免了熱燃氣直接洗刷在盤30的圓周面上。
現在參照圖5，公開了再一個密封弓形體結構，它包括一個改進的迷宮密封裝置。由在圖6中所公開的弓形體形成的隔熱裝置和圖1和2中所示的基本上相同。然而在圖6中，上面或圓周面60設有一鄰近于槽86的斜齒狀凸臺84，在靜止部件31上設有一類同的互補件，這樣為軸向流動著的氣體形成了一條特別迂回的途徑。
雖然已經敘述了本發明連同目前認為是最實用和最佳的實施例，然而應該理解，本發明并不限于所述公開的實施例，恰恰相反，而要覆蓋包含在附加的權利要求書的精神與范圍內的各種變型和等同結構。
權利要求
1.在一種安排于燃氣輪機中的一對轉子盤中間并用于跟其一起轉動的環形間隔盤中，該間隔盤具有一外圓周面，其改進包括在所述圓周面上制成若干側向對齊的環形槽，可拆卸地固定在每一所述環形槽內的若干密封件，所述密封件由于防止了熱燃氣直接沖刷在所述圓周面的至少相當部分而形成了一個隔熱裝置。
2.按權利要求1所述的間隔盤，其特征在于每一所述密封件包括若干相互連接的弓形件。
3.按權利要求1所述的間隔盤，其特征在于所述槽加工成燕尾槽，每一槽包括一個基本平底面，二錐形側面和基本平直的頂面，所述頂面在所述二槽的二相鄰面之間延伸。
4.按權利要求3所述的間隔盤，其特征在于每一所述密封件具有一底部，底部包括一基本平底面和工錐形側面，適于跟所述槽中的一條相關槽的所述基本平底面及二錐形側面較松配合嚙合，因此，所述密封件在第一和第二位置之間徑向移動。
5.按權利要求3所述的間隔盤，其特征在于每一所述燕尾槽設有一個便于所述密封件插入的擴大開口。
6.按權利要求4所述的間隔盤，其特征在于每一所述密封件包括一個相對于所述密封件底部及中心線對稱配置的上部。
7.按權利要求4所述的間隔盤，其特征在于每一所述密封件包括一個相對于所述密封件底部及中心線不對稱配置的上部。
8.一種用于燃氣輪機中的間隔盤，包括一個具有基本平行于所述盤旋轉軸的環形圓周面的盤體;若干在所述圓周面上形成的并沿其圓周延伸的基本平行槽;若干可拆卸地固定在每一所述槽內的密封弓形體，因此，基本上所有的所述圓周面被所述若干可活動的密封弓形體所覆蓋。
9.按權利要求8所述的間隔盤，其特征在于所述密封弓形體各有一底部和一上部，所述上部有一高/低外表面形狀。
10.按權利要求9所述的間隔盤，其特征在于每一所述底部具有一種基本上跟所述槽的橫斷面形狀互補的形狀。
11.按權利要求10所述的間隔盤，其特征在于所述槽具有一種大致燕尾形狀。
12.按權利要求11所述的間隔盤，其特征在于所述密封弓形體在徑向收縮位置和徑向延伸位置之間可以移動。
13.按權利要求9所述的間隔盤，其特征在于每一所述上部包括一對在水平方位上的密封表面和一條在所述上部內對中的圓周槽。
14.按權利要求9所述的間隔盤，其特征在于每一所述上部包括一個帶角度的環形凸臺和一條偏心的環槽。
15.按權利要求9所述的間隔盤，其特征在于每一所述上部包括一對配置在不同高度上的側向延伸的密封表面，這樣，在相鄰槽中的相鄰密封弓形件相互疊合。
16.按權利要求15所述的間隔盤，其特征在于每一所述上部包括一個不對稱于所述弓形體中心線的凸臺。
17.一種用于安裝在燃氣輪機相鄰轉子盤之間的間隔盤，所述間隔盤具有一個其上設置若干相鄰環槽的環形圓周面，每一所述環槽設有可拆卸和可更換的裝置，這一裝置用于對熱燃氣在所述圓周面上的直接沖刷構成熱障，并用于阻止燃氣沿所述圓周面軸向流動。
18.按權利要求17所述的間隔盤，其特征在于所述裝置可滑動地安裝在所述槽內。
19.按權利要求18所述的間隔盤，其特征在于所述裝置包括位于所述槽之間配置成疊合關系的一些表面。
20.按權利要求18所述的間隔盤，其特征在于所述裝置包括在所述槽之間，配置成面對面關系的一些表面。
全文摘要
本發明提供圍繞轉子間隔盤整個圓周的密封弓形件的可拆卸附件，為此，在每間隔盤的圓周面上設置的傳統環槽，(作為高/低密封表面結構的一部分)被重新改成燕尾槽，它們是用來安裝密封弓形件的互補或配合部分的。換句話說，每一相鄰環槽安裝若干密封弓形件，其總體基本上防止了或至少最大限度地減少了熱燃氣直接沖刷在間隔盤的圓周面上。
文檔編號F01D5/08GK1060137SQ91109190
公開日1992年4月8日 申請日期1991年9月25日 優先權日1990年9月28日
發明者D·歐塞比奧·卡雷諾 申請人:通用電氣公司