專利名稱：用于渦輪發(fā)動機的密封結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于渦輪發(fā)動機的密封結構，更具體地，涉及一種構造成(能)在無需大量拆卸發(fā)動機的情況下從發(fā)動機拆出的氣封結構/油封結構。
背景技術：
燃氣渦輪發(fā)動機可用于工業(yè)應用，例如但不限于石油和天然氣的傳輸、采集、儲存、回收和升舉中。在這些應用中，渦輪發(fā)動機通常位于海上或偏遠位置，用戶在工地外將發(fā)動機運送到制造廠以進行維護和/或修理的成本非常高。具體地，用戶必須承受在運輸、 維護或修理以及停產方面的費用。因此，特別是在偏遠位置或海上的用戶位置處，能由渦輪發(fā)動機制造商進行現(xiàn)場修理和維護是有利的。但是，渦輪發(fā)動機的常規(guī)結構不利于現(xiàn)場維護或修理，具體因為發(fā)動機最容易被磨損——因此最容易失效——的零部件都埋入/嵌入在發(fā)動機外殼內。因此，不拆卸發(fā)動機的至少是相當大的一部分——由于各種原因這在用戶現(xiàn)場通常行不通——便不能接觸到這些零部件。例如，海上石油平臺會具有不利于拆卸的空間限制。另外，制造商將拆卸發(fā)動機所需的某些工具攜帶到用戶現(xiàn)場也可能很困難和/或昂貴；或者由用戶現(xiàn)場給出的空間限制可能不允許將這些工具帶來。另外，渦輪發(fā)動機在工廠里通常是豎直地組裝和拆卸。但是在實地，發(fā)動機一般水平布置，這使得拆卸不方便。這樣，由于至少這些原因，渦輪發(fā)動機必須經常在現(xiàn)場外被運送到制造廠以進行修理和維護，這樣效率低且成本高。渦輪發(fā)動機一般在外殼內包括多個轉動的機翼，該轉動的機翼驅動(轉動)一經發(fā)動機中心縱向延伸的軸向的軸。所述軸通常伸出發(fā)動機外殼以驅動其后的部件和/或系統(tǒng)，如泵等。另外，在所述軸的伸出部分上可通過一聯(lián)接軸聯(lián)接一附件傳動變速器。附件傳動變速器可具有一個或多個齒輪并可用于向輔助系統(tǒng)如發(fā)電機、交流發(fā)電機、空調系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等提供動力。此外，在所述軸的伸出部分上還可聯(lián)接有用于將所述軸安裝到發(fā)動機上并承受來自所述軸的徑向載荷和軸向推力載荷的軸承組件、用于將軸向載荷傳遞到所述軸承組件的推力環(huán)、以及前氣封結構/油封結構，該前氣封結構/油封結構密封在軸承組件內的潤滑劑如油，防止油滲入壓縮機中。渦輪發(fā)動機最容易磨損和失效的零部件包括軸承組件、推力環(huán)和前氣封結構/油封結構。為軸承室與壓縮機室之間的隔氣/油結構研發(fā)了各種密封設計。例如，授權給Arora等人的美國專利No. 6，330，790 (此后稱作“ ‘790專利”)公開了一種在軸承室和壓縮機室之間的迷宮式密封結構/復式密封結構。但是，拆出該密封結構需要大量拆卸該發(fā)動機。在此構型中，為拆出密封結構的可磨耗(即耐磨)部分，必須拆出進氣殼體，因為密封結構比進氣殼體中的開口大且位于該開口后面。這種大量拆卸使得密封結構的修理/更換不能在實地實行。因此，發(fā)動機必須被運輸到配備有為支承和拆出大部件如進氣殼體而設計的專用大型設備的修理點。還值得注意，在一些系統(tǒng)中，如在‘790專利中，前密封結構實際上是兩個分離的密封結構。通常這些分離的密封結構具有不同的直徑，即，呈階梯式構型。具有兩個分離的密封結構的設計會更昂貴(即，僅因為存在附加的部件)，甚至更難修理/修理成本更高(即，因為為拆出兩個密封結構需要更多地拆卸發(fā)動機)。此外，一些渦輪發(fā)動機制造商已經研發(fā)出了各種系統(tǒng)，在所述系統(tǒng)中伸出的軸延伸穿過進氣殼體，有時伸出進氣殼體外，該軸由軸承組件支承，該軸承組件由單獨的軸承殼體支承，該軸承殼體可緊固到進氣殼體上。在這種構型中，可在不從發(fā)動機拆出進氣殼體的情況下接觸到軸承組件。但是，用單獨的軸承殼體支承軸承組件不如用進氣殼體支承軸承組件堅固，該進氣殼體通常是大的、粗壯的結構。因此，為生產更易修理的發(fā)動機，具有這些構型的系統(tǒng)通常犧牲了軸支承件的堅固性。本發(fā)明旨在克服一個或多個上述問題
發(fā)明內容
一方面，本發(fā)明涉及一種渦輪發(fā)動機。該發(fā)動機可包括限定一壓縮機室的主殼體和安裝到該主殼體上的進氣殼體。該發(fā)動機還可包括一轉子，該轉子包括設置在壓縮機室內的壓縮機部分和轂部分，該轂部分從壓縮機室伸出、穿過進氣殼體中的開口、進入由進氣殼體限定的軸承室中。該發(fā)動機還可包括一密封結構，該密封結構在轉子的轂部分和進氣殼體之間的環(huán)形縫隙中安裝在進氣殼體中的開口內，所述密封結構可構造成在軸承室和壓縮機室之間形成密封。所述密封結構構造成在進氣殼體被安裝在主殼體上的情況下(能)被從進氣殼體中的開口拆出。另一方面，本發(fā)明涉及一種從渦輪發(fā)動機拆出密封結構的方法，其中所述渦輪發(fā)動機包括限定一壓縮機室的主殼體、安裝到該主殼體上的進氣殼體、轉子以及密封結構，所述轉子包括從壓縮機室伸出、穿過進氣殼體中的開口、進入由進氣殼體限定的軸承室中的轂部分，所述密封結構安裝在進氣殼體的開口中并在軸承室和壓縮機室之間形成密封。所述方法可包括從轉子的轂部分拆出一個或多個零部件。所述方法還可包括在進氣殼體被安裝在主殼體上的情況下從進氣殼體中的開口拆出所述密封結構。另一方面，本發(fā)明可涉及一種用于渦輪發(fā)動機的密封結構。這種氣封結構/油封結構可包括大致為管狀的元件，所述大致為管狀的元件構造成可拆出地安裝在渦輪發(fā)動機的進氣殼體中的開口內。該密封結構還可包括周向排列的進氣孔和周向排列的排放孔，所述進氣孔圍繞密封結構的大致為管狀的元件的周緣設置，所述排放孔圍繞密封結構的大致為管狀的元件的周緣設置。進氣孔可以大小相同并圍繞密封結構的周緣等距布置；而排放孔可以大小相同，但在直徑上大于進氣孔，所述排放孔圍繞密封結構的周緣等距布置。


圖I是渦輪發(fā)動機的示意圖；圖2是根據示例性公開的實施例的渦輪發(fā)動機的進氣殼體的局部剖開的透視圖；圖3是根據示例性公開的實施例的渦輪發(fā)動機的前端部件的分解圖；圖4是根據示例性公開的實施例的渦輪發(fā)動機軸承室的局部剖開的透視圖；圖5是在根據示例性公開的實施例的渦輪發(fā)動機軸承室中的迷宮式密封接合區(qū)的剖視圖；圖6A是根據示例性公開的實施例的氣封結構/油封結構的透視圖；圖6B是安裝在進氣殼體中的圖6A的氣封結構/油封結構的正視圖；圖6C是圖6A的氣封結構/油封結構的局部剖視圖。
具體實施例方式現(xiàn)在詳細參照附圖。在可能的情況下，將在全部附圖中都使用相同的附圖標記來表示相同或類似的部件。

圖I示出一渦輪發(fā)動機10。圖I表示一般的渦輪發(fā)動機構型。圖I的目的不在于示出示例性公開的實施例，而是在于示出示例性渦輪發(fā)動機構型的各零部件之間的一般關系。盡管圖I 一般性地表示出發(fā)動機的各部件，但是圖I中使用的附圖標記也將被6應用于全部附圖中以表示圖I所示部件的示例性實施例。在一些實施例中，發(fā)動機10可以是燃氣渦輪發(fā)動機。渦輪發(fā)動機10可與一構造成完成預定任務的固定式或移動式作業(yè)機械相聯(lián)接。例如，渦輪發(fā)動機10可體現(xiàn)為產生電力輸出的發(fā)電機組的主動力源或執(zhí)行流體泵送操作的泵送機構的主動力源?；蛘邷u輪發(fā)動機10可體現(xiàn)為土方機械、乘用車輛、船舶、飛行器或本領域已知的任何其它移動式機械的原動機/牽引機。發(fā)動機10可包括前端11和后端12。發(fā)動機10還可包括壓縮機部段13、燃燒室部段14、渦輪機部段16和排氣部段18。發(fā)動機10可包括限定一壓縮機室22的主殼體20和安裝在主殼體20上的進氣殼體24，該進氣殼體構造成將空氣導入壓縮機室22。發(fā)動機10還可包括轉子26，該轉子包括設置在壓縮機室22內的壓縮機部分28。轉子26的壓縮機部分28可包括安裝在其上的壓縮機葉片30。轉子26還可包括轂部分32,該轂部分從壓縮機室22伸出、穿過進氣殼體24中的開口、進入由進氣殼體24限定的軸承室34中。圖2示出進氣殼體24的一示例性實施例。如圖2所示,一軸承組件35可設計成由進氣殼體24支承。如圖3和4所示，發(fā)動機10可包括一密封結構48，該密封結構可在不大量拆卸發(fā)動機10的情況下被拆出。在轉子26的轂部分32和進氣殼體24之間的一環(huán)狀縫隙51 (如圖4所示)中，密封結構48可包括一大致為管狀的元件，該大致為管狀的元件構造成可拆出地安裝在進氣殼體24中的開口 50的內部。這樣，密封結構48可構造成在軸承室34和壓縮機室22之間形成密封。密封結構48可以是氣封結構/油封結構，該氣封結構/油封結構構造成防止軸承室34中的油滲入壓縮機室22中。此處公開的實施例實現(xiàn)了在不拆出進氣殼體24的情況下接觸到密封結構48。也就是說，在進氣殼體24安裝在主殼體20上的情況下，可從進氣殼體24中的開口 50拆出和安裝密封結構48。此外，密封結構48可包括一個具有大致為管狀的元件的長密封結構，該大致為管狀的元件在其軸向長度上具有基本一致的平均直徑，而不是兩個或多個短的階梯式的密封結構，所述短的階梯式的密封結構如在一些設計方案——例如在上面背景技術部分討論的那些一中那樣具有較大的直徑。如圖4所示，開口 50可以是壓縮機室22和軸承室34之間的最小的開口。因此，密封結構48的尺寸可確定成配合在該最小開口 50內，并因此可從開口 50的軸承室側(SP，從發(fā)動機10的前端)拆出。密封結構48可包括面向軸承室34的前端52、和面向壓縮機室22的后端54。在一些實施例中，在密封結構48的前端52處，該密封結構48可包括至少一個從大致為管狀的元件徑向向外延伸的聯(lián)接凸緣56。聯(lián)接凸緣56可通過一個或多個緊固件如螺栓58、螺釘、銷子等固定到進氣殼體24上。轉子26還可包括刀口密封件/銳緣密封件(knife-edge sealing members) 60,密封結構48可構造成與該刀口密封件相配對，從而形成迷宮式密封接合區(qū)84。刀口密封件60可均具有相同的外徑并可由耐用的硬質材料(如鋼)形成。密封結構48可由比刀口密封件60的材料略軟的材料形成。例如，密封結構48可包括鋼質背襯和較軟的材料覆層，如青銅(又名巴氏合金材料)。該覆層也可稱作“可磨耗覆層”或“可磨耗材料”。如圖3和4所示，發(fā)動機10在軸承室34內還可包括多個其它零部件。這些零部件中的一個或多個可構造成安裝在轉子26的轂部分32上，例如，后推力軸承62(可構造成承受軸向載荷，包括沿反向(即向后)方向的載荷)、推力環(huán)64、推力環(huán)螺母66、軸承組件68、配平平衡飛輪70、以及附件傳動變速器72，該附件傳動變速器可構造成驅動附件裝置(未示出)，如油泵或空氣壓縮機。替代地或者附加地，可將從外部供以動力的裝置操作地連接到轉子26上以在某些條件下驅動轉子26 (即，而不是由轉子26驅動)。例如，可將一起動器構造成使轉子26回轉以起動發(fā)動機10。也可將一回轉裝置構造成當轉子26在發(fā)動機停機后冷卻時使轉子26回轉，以防止轉子26彎曲。附件傳動變速器72可通過附件傳動轂76安裝到轉子26的轂部分32的前端，該附件傳動轂可用一附件傳動止動螺母固定在轉子26上。 軸承組件68可以是組合軸承，構造成承受轉子26和進氣殼體24之間的軸向載荷(即推力)和徑向載荷。軸承組件68可(例如利用板鎖(plate locks)和螺栓80)安裝在進氣殼體24中的配對開口內并在所述軸承組件本身和轉子26的轂部分32之間保持一小的間隙，其中一油膜維持(所述間隙的)分離并在轂部分32和進氣殼體24之間傳遞軸向載荷。推力環(huán)64可安裝在轉子26的轂部分32上，并構造成將軸向載荷傳遞給軸承組件68。在一些實施例中，密封結構48的大致為管狀的元件可具有與軸承組件68的平均直徑基本相同的平均直徑。發(fā)動機10的使得能夠利用本發(fā)明的氣封結構/油封結構設計(即一個具有與軸承組件相同的直徑的長密封結構)的一個設計特征是進氣殼體24和轉子26比現(xiàn)有機型長。因為進氣殼體24和轉子26較長，所以轂部分32具有直徑較小的較長部分(即，轂部分32的前端)，從而使得軸承組件68和密封結構48均能夠被安裝在轉子26的轂部分32的直徑較小的部分上。如圖5所示，進氣殼體24可包括至少一個緩沖空氣通道82，該緩沖空氣通道可通過密封結構48中的一個或多個進氣孔86將緩沖空氣導引到迷宮式密封接合區(qū)84。緩沖空氣的流入可沿向前的方向和向后的方向攜帶無意中泄漏進迷宮式密封接合區(qū)84中的任何油。在向后的方向上，一后擋油圈88可將緩沖空氣和由緩沖空氣攜帶的任何油導進并入密封結構48中的至少一個排油通道90中，并構造成將過多的油導出軸承室34。被導入排油通道90中的緩沖空氣和油可通過密封結構48中的一個或多個排放孔92排入換氣通道94中。此外，一些緩沖空氣可被導引穿過迷宮式密封接合區(qū)84并排入壓縮機室22中。在向前的方向上，一前擋油圈96可將緩沖空氣和由緩沖空氣攜帶的任何油導入進氣殼體24中、的排油通道98內。圖6A-6C示出密封結構48的各細節(jié)。例如，在一些實施例中，聯(lián)接凸緣56可包括一個或多個凸耳100，如圖6A和6B所示?；蛘?，聯(lián)接凸緣56可包括圍繞密封結構48前端52的一個(完整的)周向凸緣(未示出)。此外，如圖6A和6C所示，密封結構48可包括周向排列的各進氣孔86和周向排列的各排放孔92。各進氣孔86可以大小相同和/或圍繞密封結構48的周緣等距布置，例如以30度的角增量(相間隔)。各排放孔92也可以大小相同和/或圍繞密封結構48的周緣等距布置，例如以30度的角增量(相間隔)。在一些實施例中，排放孔92也可具有比進氣孔86的直徑大的直徑。此外，如圖6A和6C所示，排放孔92可存在于排油通道90內。排油通道90可以是一周向的通道，如圖6A所示。在一些實施例中，排油通道90可包括呈角度的或傾斜的側壁102，如圖6C所示。工業(yè)適用性所公開的渦輪發(fā)動機實施例可適用于多種工業(yè)應用，例如但不限于石油和天然氣工業(yè)的各方面。例如，燃氣渦輪發(fā)動機的示例性應用可包括石油和天然氣的傳輸、采集、存儲、回收和升舉。為便于維修和/或維護，本發(fā)明的渦輪發(fā)動機的實施例可構造成使得最容易磨損和失效的零部件被設置在發(fā)動機的附件位置或基本上在發(fā)動機外部的位置上。通過這種方式，可在無需大量地拆卸發(fā)動機的情況下在現(xiàn)場將所述零部件拆出并隨后更換或修理。進行現(xiàn)場維修和/或維護的能力可具有顯著優(yōu)點。例如，通過進行現(xiàn)場維修和維護，停工時間和成本均可大大減小?，F(xiàn)場維修和維護可使海上位置或其它偏遠位置受益最大，同時當地的工作點也同樣受益，盡管(受益)程度略低。除上述渦輪發(fā)動機和氣封結構/油封結構的實施例外，還公開了一種用于實地維修渦輪發(fā)動機的相關方法。一種示例性的方法可包括從一從渦輪發(fā)動機伸出的軸向傳動軸的一部分上拆出零部件，所述零部件包括附件傳動變速器、配平平衡飛輪、軸承組件、推力環(huán)和推力環(huán)螺母、后軸承組件、以及氣封結構/油封結構。所述方法還可包括替換上至少一個新的零部件或修復所述零部件中的至少一個并以相反的順序重新組裝所述零部件。
從渦輪發(fā)動機(如上述發(fā)動機10)中拆出氣封結構/油封結構的一種示例性方法可包括從發(fā)動機10的轉子26的轂部分32拆出一個或多個零部件。所述方法還可包括在進氣殼體24被安裝在發(fā)動機10的主殼體20上的情況下從進氣殼體24中的開口 50拆出氣封結構/油封結構10。此外，從開口 50拆出密封結構48可包括拆出將密封結構48的至少一個凸緣56固定到進氣殼體24上的至少一個緊固件(如螺栓58)。在一些實施例中，從轉子26的轂部分32拆出一個或多個零部件可包括拆出構造成承受轉子26和進氣殼體24之間的軸向和徑向載荷的軸承組件68。此外，從轉子26的轂部分32拆出一個或多個零部件還可包括拆出安裝在轉子26的轂部分32上并構造成將軸向載荷傳到軸承組件68的推力環(huán)64。所述方法還可包括在拆出軸承組件68時支承轉子26的轂部分32。另外，從轉子26的轂部分32拆出一個或多個零部件可包括拆出安裝在轉子26的轂部分32上的飛輪70、變速器72、和/或附件裝置。盡管已經說明了本發(fā)明的實施例，但是對本領域技術人員顯而易見地，能在不背離本發(fā)明的范圍的情況下對所公開的用于渦輪發(fā)動機的密封結構做各種修改和變型。此夕卜，通過對說明書的思考，所公開的設備和方法的其它實施例對本領域技術人員是顯而易見的。說明書和示例應認為僅是示例性的，本發(fā)明的真實范圍由所附權利要求及其等效方 案指出。
權利要求
1.一種用于渦輪發(fā)動機(10)的密封結構(48)，包括 大致為管狀的元件，所述大致為管狀的元件構造成可拆出地安裝在渦輪發(fā)動機的進氣殼體(24)中的開口(50)內； 周向排列的進氣孔(86)，所述進氣孔圍繞所述密封結構的大致為管狀的元件的周緣設置；以及 周向排列的排放孔(92)，所述排放孔圍繞所述密封結構的大致為管狀的元件的周緣設置，其中所述排放孔的總數與所述進氣孔的總數相等； 其中，所述各進氣孔大小相同并圍繞所述密封結構的周緣等距布置；以及 其中，所述各排放孔大小相同，但在直徑上大于所述進氣孔，所述排放孔圍繞所述密封結構的周緣等距布置。
2.根據權利要求I所述的密封結構，其特征在于，圍繞所述密封結構的大致為管狀的元件，所述進氣孔以30度的增量相互間隔開；圍繞所述密封結構的大致為管狀的元件，所述排放孔以30度的增量相互間隔開。
3.根據權利要求I所述的密封結構，其特征在于，所述密封結構還包括從密封結構的大致為管狀的元件的前端徑向向外延伸的至少一個聯(lián)接凸緣(56)，所述至少一個凸緣構造成通過至少一個緊固件固定到進氣殼體上。
4.根據權利要求I所述的密封結構，其特征在于，所述密封結構還包括圍繞所述密封結構的大致為管狀的元件的內周的至少一個周向排油通道(90 )。
5.根據權利要求4所述的密封結構，其特征在于，所述排放孔存在于所述周向排油通道內。
6.根據權利要求I所述的密封結構，其特征在于，所述大致為管狀的元件具有軸向長度和直徑；所述大致為管狀的元件的直徑在該大致為管狀的元件的軸向長度上基本一致。
7.根據權利要求3所述的密封結構，其特征在于，所述至少一個聯(lián)接凸緣包括以90°相互間隔開的4個聯(lián)接凸緣。
8.根據權利要求7所述的密封結構，其特征在于，所述4個聯(lián)接凸緣的每一個均包括構造成容許緊固件穿過的孔。
9.根據權利要求3所述的密封結構，其特征在于，所述進氣孔位于所述排放孔和所述至少一個聯(lián)接凸緣之間。
10.根據權利要求5所述的密封結構，其特征在于，所述排油通道包括呈角度的側壁。
11.根據權利要求5所述的密封結構，其特征在于，所述排油通道包括傾斜的側壁。
全文摘要
本發(fā)明一方面涉及一種渦輪發(fā)動機(10)。該渦輪發(fā)動機包括限定一壓縮機室(22)的主殼體(20)和安裝在主殼體上的進氣殼體(24)。發(fā)動機還可包括轉子(26)，該轉子包括設置在壓縮機室內的壓縮機部分(28)，和從壓縮機室伸出、穿過進氣殼體中的開口(50)、進入由進氣殼體限定的軸承室(34)中的轂部分(32)。發(fā)動機還可包括在轉子轂部分和進氣殼體之間的一環(huán)形縫隙中安裝在進氣殼體的開口中的密封結構(48)，該密封結構構造成在軸承室(34)和壓縮機室(22)之間形成密封。該密封結構(48)構造成在進氣殼體(24)被安裝在主殼體(20)上的情況下被從進氣殼體(24)的開口(50)中拆出。
文檔編號F16J15/44GK102705083SQ20121015886
公開日2012年10月3日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權日2006年9月14日
發(fā)明者C·C·科尼利厄斯, G·J·格林 申請人:索拉透平公司