[发明专利]具有加压囊式弹簧的弹性密封件

说明书

相关申请的交叉援引

本申请涉及提交日为2012年3月2日、标题为“A Resilient Seal Having A Pressurized Bellows Spring(具有加压囊式弹簧的弹性密封件)”的美国申请No.13/410,327，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于在例如喷气涡轮发动机的高温应用中使用的弹性密封件，更具体地，涉及一种用于在例如喷气涡轮发动机中的部件之间的半静态的高温应用中使用的弹性金属轴向端面密封件，该密封件产生机械弹簧力和对机械弹簧力进行补充的气体弹簧力，从而建立密封件与面板之间的密封接触力。

背景技术

在现有技术中，轴向端面密封组件的壳体面板是分开的，并由成形的金属弹簧密封。密封件的质量取决于提供发动机部件例如面板之间的分离力以试图确保建立气体密封从而密封发动机部件之间的分离间隙的弹簧的物理特性。这种类型的密封件通常用于燃气涡轮发动机中以提供某些部件、如发动机核心部分或发动机壳体之间的气体密封。这些发动机部分经受非常高的操作温度，由于非常高的温度在密封部件的冶金上的影响，该非常高的操作温度影响包括轴向端面密封件的金属部件的操作特性。密封件的弹性或密封件跟踪待被密封的部件的运动的能力对于在由温度引起的运动的范围内维持所述部件之间的密封接触是至关重要的。如果密封件断开与部件表面的接触，则可能发生泄漏。此外，如果这样设计的话，间隙可以防止密封件的外部压力激发，并且可允许空气流引起密封件摆动从而导致密封件的高循环疲劳。

随着对燃气涡轮发动机的性能期望的增加，密封要求也提高，同时发动机内部的操作条件变得更加苛刻。在现有技术中，弹性的金属轴向端面密封件主要依赖于金属弹簧的材料的机械特性来提供在面板之间密封的分离力。期望的是有一种新型的轴向端面密封件来减轻使用期间的过度应力状况和应力松弛，该过度应力状况和应力松弛会损害密封件的弹性并且由此损害密封件跟踪由发动机运行引起的密封面板移位的能力。通常使用的镍铬合金在宽范围的发动机运行条件下保持有效的机械性能，但在高于1200华氏度时变得不那么适于弹性金属密封件。具有改善的应力松弛或耐氧化性能的各种合金已被用于特定的应用；然而，这些合金通常缺乏机械性能以确保预期的密封功能。

发明内容

示例性的弹性密封件和密封组件使用囊式弹簧(波纹管弹簧，波形弹簧，bellow spring)，该囊式弹簧包括具有填充有气体、例如惰性气体的容积的密封的内部腔室，随温度增加产生增大的密封力以确保密封组件在腔体表面或面板移动时跟踪该腔体表面或面板，从而防止形成间隙。囊式弹簧由在用气体、如惰性气体加压的腔室中焊接在一起的多个专门设计的壁形成。该截留的气体提供了在较高温度下增加的弹簧力以补偿机械弹簧的损失或在装配花费大量时间的位置处允许机械弹簧被设计用于较低应力状态。

在装配阶段，密封的囊式弹簧的各个部件在处于为密封件的密封应用而优化的压力下在气体的容器内部焊接在一起。在本发明的一个实施例中，所述囊式弹簧的内部腔室填充有惰性气体，其中气体的压力大致遵循理想气体定律PV＝nRT而随温度增加。现有的密封件设计的主要优点是使由密封件产生的密封力与用来构造囊式弹簧的材料的机械性能解耦(脱开联系，decoupling)，从而在高于通常用于金属密封件的大多数合金的能力的温度下提供弹力。该设计的变型可以利用机械特性、操作压力激励和囊式弹簧的气体弹簧作用的组合来提供囊式弹簧与密封腔体表面、例如面板之间的必要的密封力。其它可能的变型包括使用具有极端抗氧化性的合金、具有跨密封件壁平衡发动机运行压力的压力、材料厚度从一个囊式弹簧部件到下一个囊式弹簧部件变化，以优化轴向端面密封组件的性能。此外，可以设计密封组件，使得在运行温度下，在封闭的腔体应用中，密封的囊件板中的弯曲应力处于很低的水平以使应力松弛降到最低程度。

各种囊式弹簧结构在本发明中示出并且可以用于根据应用提供各种操作特性。当在例如燃气涡轮发动机的应用中使用时，在囊式弹簧的构造中所使用的材料的冶金性能的变化、用于囊式弹簧的单个部件的厚度和囊式弹簧的结构全部都与轴向端面密封组件的操作特性有关。囊式弹簧的壁可以被成形为使内部应力降到最低，但仍操作以产生所需的机械和气体弹簧刚度。在这种方式中，由囊式弹簧所产生的密封力更适合于在经受宽范围的操作温度和相关联的腔体运动的轴向端面密封件中使用。