CN102943694A - 动叶叶顶隔板式迷宫结构 - Google Patents

Abstract

动叶叶顶隔板式迷宫结构，叶片上设有隔板和气膜孔，气膜孔位于压力面侧，隔板位于吸力面侧。对于不同的叶片来说，叶片越厚，隔板排数越多。对于同一个叶片不同位置来说，越靠近中弦区，隔板排数越多。本发明的优点是：（1）叶顶间隙燃气泄漏量明显减少，采用隔板式迷宫结构的叶栅总压损失系数降低14%。（2）叶顶的气膜冷却效果明显改进，叶顶气膜冷却效率提高23%，叶顶换热系数降低12%。

Description

动叶叶顶隔板式迷宫结构

技术领域：本发明涉及一种燃气轮机动叶叶栅的结构，尤其是一种动叶叶顶隔板式迷宫结构。

背景技术:燃气轮机通过燃气对涡轮动叶的冲击使动叶转动而输出功。受涡轮部件工作时温度变化和离心力产生的形变、气动载荷、加工和装配等因素的影响，叶顶和机匣之间必须预留一定的间隙，如图2和图3所示。燃气会通过叶顶间隙从压力面一侧向吸力面一侧形成燃气泄漏流动，泄漏的工质一方面没有推动涡轮作用，给涡轮造成了一定的功率亏损，另一方面泄漏工质和叶栅通道内的主气流掺混而造成燃气气动损失，降低涡轮通流效率。就目前涡轮入口温度而言，必须对涡轮部件进行有效的冷却才能够使涡轮正常工作。通常在叶顶开一排小孔（气膜孔），从气膜孔向叶顶间隙内喷冷气形成冷气膜而保护叶顶不被燃气烧坏。由于叶顶间隙内流场非常复杂，气膜冷却效率较低而且分布不均匀。如何降低叶顶间隙泄漏流造成的气动损失并降低泄漏燃气向叶顶的传热量是叶片结构设计必须认真考虑的技术问题。在叶顶边缘加肋条形成的叶顶凹槽结构可以在一定程度上减少叶顶间隙的泄漏量，但是在改善叶顶冷却效果方面非常有限。

发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种使燃气不易流入叶顶间隙内，减少燃气泄漏量，提高燃气做功能力的动叶叶顶隔板式迷宫结构。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：动叶叶顶隔板式迷宫结构，叶片上设有隔板和气膜孔，气膜孔位于压力面侧，隔板位于吸力面侧。对于不同的叶片来说，叶片越厚，隔板排数越多。对于同一个叶片不同位置来说，越靠近中弦区，隔板排数越多。

隔板长度L1与叶片弦长L的比值在0.05-0.5之间，隔板宽度W2与隔板长度L1的比值在0.05-0.3之间，隔板高度H1与隔板长度L1比值在0.05-0.3之间。隔板与叶顶平面的夹角α在45°到90°之间,当角度小于90°时，隔板向着压力面一侧倾斜。

最靠近叶片前缘的隔板到叶片前缘的距离L2与叶片弦长L的比值在0.05-0.1之间。隔板由前缘向尾缘沿着母线方向一次排开，可以是2-5排，每排隔板数量由压力面侧向吸力面侧逐渐减少或者不变。相邻两排的隔板进行交叉布置，相邻两排之间的距离W3与叶片弦长L的比值在0.01-0.1之间，每排隔板中相邻隔板的距离L3与隔板长度L1的比值在0.5-2.0之间。

气膜孔的直径D与隔板长度L1的比值在0.1-0.5之间，气膜孔中轴线与叶顶的夹角β在20°-90°之间。

本发明的整体思路是一方面利用隔板的迷宫效应对叶顶间隙泄漏流进行密封（图2），使燃气不易流入叶顶间隙内，减少燃气泄漏量，提高燃气做功能力；另一方面，利用迷宫效应对叶顶气膜孔喷出的冷气进行密封(图1)，使冷气不易流出叶顶间隙，延长冷气在叶顶间隙的流程，提高冷却效果。增加泄漏流流通阻力，尤其是泄漏流量较大的中弦区的流通阻力。当隔板周向距离较短时，泄漏燃气在迷宫内会形成流动死区，速度非常低，实现间隙内泄漏燃气径向速度梯度较慢的变化，减少燃气向叶顶的传热量。从而提高涡轮级整体性能。隔板可以灵活布置，泄流量较大的叶片中弦区叶顶的宽度大，恰好可以布置较多了隔板。从而实现叶顶间隙泄漏量的降低和泄漏燃气向叶顶传热量的减少。

本发明的优点是：（1）叶顶间隙燃气泄漏量明显减少，采用隔板式迷宫结构的叶栅总压损失系数降低14%。（2）叶顶的气膜冷却效果明显改进，叶顶气膜冷却效率提高23%，叶顶换热系数降低12%。

附图说明

图1是冷气从气膜孔喷出后的流线示意图。

图2是燃气通过叶顶间隙的流线示意图。

图3是叶顶尺寸示意图。

图中：1.气膜孔  2.边缘肋条  3隔板  4.气膜孔喷出的冷气流线  5.机匣  6.叶顶间隙内的燃气流线  7.叶片压力面  8.叶片吸力面

具体实施方式：本实施例是用于某发动机的涡轮动叶顶部结构，叶片弦长在50mm-100mm之间。具体是在动叶顶端布置一些隔板，如图1-图3所示，隔板3可以和叶顶整体铸造而成。隔板3长度1mm-3mm、宽度0.3mm-1mm、隔板3高度0.5mm-2mm。隔板3与叶顶平面的夹角α为45°-90°。从叶顶压力面到吸力面一侧，依次为叶顶压力面侧7、边缘肋条2、气膜孔1、隔板3（多排），叶顶吸力面侧8。每个气膜孔1的直径在0.5mm-3mm，气膜孔1中心距离叶顶凹槽底部压力面侧距离为2mm-8mm。靠近气膜孔孔的隔板排中隔板数量与气膜孔的数量相同。

本发明的气动工况要求是：叶顶气膜孔喷气速度与叶栅通道入口速度比值在0.5-3之间。当燃气流过隔板时，在隔板的背风面会形成低速漩涡（如图2所示），在流向上隔板距离较小时，漩涡会充满整个叶顶间隙，从而阻止压力面侧燃气通过叶顶间隙流入吸力面侧；另一方面，利用迷宫效应对叶顶气膜孔喷出的冷气进行密封(图1)，使冷气不易流出叶顶间隙，延长冷气在叶顶间隙的流程，提高冷却效果。具体是利用隔板改变冷气流动方向，使冷气在隔板内形成绕流流动，（如图3所示）。

实施例1：叶片弦长60mm。叶顶布置3排隔板，隔板长度3mm，隔板宽度0.3mm，隔板高度0.5mm，隔板与叶顶平面夹角90°。气膜孔直径0.5mm，气膜孔中心距离叶顶凹槽底部压力面侧距离为2mm，气膜孔数量8个，靠近气膜孔孔的隔板排中隔板数量为8个。每2排隔板之间的距离为6mm，每排隔板中相邻隔板之间的距离为2mm。

每个气膜孔的喷气速度与叶栅入口速度比值为1，保证冷气和燃气在迷宫内有效掺混。

当燃气流过隔板时，在隔板的背风面会形成低速漩涡（如图2所示），在流动方向上隔板距离较小时，漩涡会充满整个叶顶间隙，从而阻止压力面侧燃气通过叶顶间隙流入吸力面侧；另一方面，利用迷宫效应对叶顶气膜孔喷出的冷气4进行密封(图1)，使冷气4不易流出叶顶间隙，延长冷气在叶顶间隙的流程，提高冷却效果。具体是利用隔板改变冷气流动方向，使冷气在隔板内形成绕流流动。（如图3所示）

实施例2：叶片弦长120mm。叶顶布置5排隔板，隔板长度5mm，隔板宽度1mm，隔板高度1mm，隔板与叶顶平面夹角45°。气膜孔直径1mm，气膜孔中心距离叶顶凹槽底部压力面侧距离为3mm，气膜孔数量6个，靠近气膜孔孔的隔板排中隔板数量为6个。每2排隔板之间的距离为10mm，每排隔板中相邻隔板之间的距离为5mm。

每个气膜孔的喷气速度与叶栅入口速度比值为1.5，保证冷气和燃气在迷宫内有效掺混。

实施例3：叶片弦长80mm。叶顶布置4排隔板，隔板长度2mm，隔板宽度0.3mm，隔板高度0.5mm，隔板与叶顶平面夹角70°。气膜孔直径1.5mm，气膜孔中心距离叶顶凹槽底部压力面侧距离为2mm，气膜孔数量8个，靠近气膜孔孔的隔板排中隔板数量为8个。每2排隔板之间的距离为6mm，每排隔板中相邻隔板之间的距离为2mm。

每个气膜孔的喷气速度与叶栅入口速度比值为2，保证冷气和燃气在迷宫内有效掺混。

Claims (5)

1.动叶叶顶隔板式迷宫结构，其特征在于：叶片上设有隔板和气膜孔，气膜孔位于压力面侧，隔板位于吸力面侧；隔板长度与叶片弦长的比值在0.05-0.5之间，隔板宽度与隔板长度的比值在0.05-0.3之间，隔板高度与隔板长度比值在0.05-0.3之间，隔板与叶顶平面的夹角α在45°到90°之间，当角度小于90°时，隔板向着压力面一侧倾斜，最靠近叶片前缘的隔板到叶片前缘的距离与叶片弦长的比值在0.05-0.1之间，隔板由前缘向尾缘沿着母线方向一次排开，每排隔板数量由压力面侧向吸力面侧逐渐减少或者不变，相邻两排的隔板进行交叉布置，相邻两排之间的距离与叶片弦长的比值在0.01-0.1之间，每排隔板中相邻隔板的距离L3与隔板长度L1的比值在0.5-2.0之间；气膜孔的直径与隔板长度的比值在0.1-0.5之间，气膜孔中轴线与叶顶的夹角β在20°-90°之间。

2.如权利要求1所述的动叶叶顶隔板式迷宫结构，其特征在于：对于不同叶片来说，叶片越厚，隔板排数越多。

3.如权利要求1所述的动叶叶顶隔板式迷宫结构，其特征在于：对于同一叶片来说，越靠近中弦区，隔板排数越多。

4.如权利要求1所述的动叶叶顶隔板式迷宫结构，其特征在于：所述的隔板为2-5排。

5.如权利要求1所述的动叶叶顶隔板式迷宫结构，其特征在于：所述的隔板和叶顶整体铸造而成。

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