CN103541777A - 用于叶轮机械的叶片式无泄漏封严结构 - Google Patents

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Abstract

一种用于叶轮机械的叶片式无泄漏封严结构，属叶轮机械技术领域。对于转子叶片，通过转子箍环（4）把转子叶片（2）在叶尖处连成一个封闭的圆环，在转子箍环（4）外侧安装一圈转子封严叶片（3），转子封严叶片（3）叶尖与外机匣（1）之间留有间隙避免转静碰擦；静子叶片（7）叶根封严与转子叶尖封严相似，在转动鼓盘（8）上安装一圈静子封严叶片（5），静子封严叶片（5）叶尖与静子内环（6）之间留有间隙避免转静碰擦。该结构可以减少甚至消除带箍环转静子的间隙泄漏，可直接用在燃气涡轮发动机和燃气轮机结构上取代篦齿封严，大幅度提高封严效果。

Description

用于叶轮机械的叶片式无泄漏封严结构
技术领域
本发明涉及一种用于叶轮机械的叶片式无泄漏封严结构，属于叶轮机械技术领域。
背景技术
对于燃气涡轮发动机和燃气轮机，压气机和涡轮(统称为叶轮机械)流道内有较大压力梯度，转静配合处存在气流泄漏，这种泄漏造成的损失是影响燃气涡轮发动机和燃气轮机性能的重要因素。目前工程实际中通常采用篦齿结构利用齿尖节流和齿腔涡流进行封严，并通过主要几何参数调整改进封严效果。
2013年4月，杜发青、吉洪湖等在航空动力学报第28卷第4期上发表论文“齿形几何参数对直通篦齿封严泄漏特性影响的正交实验”，以齿宽、齿高、齿距、封严间隙等为设计参数，构成25个实验件进行正交实验，研究参数影响规律。但这种方法无法完全消除泄漏。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种用于叶轮机械的叶片式无泄漏封严结构。
一种用于叶轮机械的叶片式无泄漏封严结构，所述叶轮机械包括转动鼓盘和外机匣，还包括转子叶片或/和静子叶片；所述转子叶片安装于转动鼓盘上；所述静子叶片安装于外机匣上；其特征在于：所述的叶片式无泄漏封严结构分成转子叶片的叶片式无泄漏封严结构和/或静子叶片的叶片式无泄漏封严结构；
1）、所述转子叶片的叶片式无泄漏封严结构由一个将转子叶片的所有叶尖连在一起的封闭的圆环形的转子箍环和安装在转子箍环外侧的一圈转子封严叶片组成；转子封严叶片和外机匣之间留有避免转静碰擦的转子封严间隙；
转子叶片转动时，转子封严叶片随着一起转动，对气流产生逆泄漏流方向的作用力，阻止转子箍环与外机匣之间的气体泄漏；转子封严叶片根据压气机工作原理进行设计，具体设计步骤如下：①首先采用计算机仿真或实验测量方法，获得转子叶片的叶尖处进出口总压、进口总温；②根据轮缘速度及上述参数确定转子封严叶片进出口速度三角形；③进行转子封严叶片数量选择及气动外形设计；④采用计算机仿真或实际检验设计效果，如不满足要求返回③修改设计；
2）、所述静子叶片的叶片式无泄漏封严结构由安装在转动鼓盘外侧的一圈静子封严叶片组成，静子封严叶片和静子箍环之间留有避免转静碰擦的静子封严间隙；
转动鼓盘转动时，静子封严叶片随着一起转动，对气流产生逆泄漏流方向的作用力，阻止静子箍环与转动鼓盘之间的气体泄漏；静子封严叶片根据压气机工作原理进行设计，具体设计步骤如下：①首先采用计算机仿真或实验测量方法，获得静子叶片的叶尖处进出口总压、进口总温；②根据轮缘速度及上述参数确定静子封严叶片进出口速度三角形；③进行静子封严叶片数量选择及气动外形设计；④采用计算机仿真或实际检验设计效果，如不满足要求返回③修改设计。
本项发明所提出的叶片式无泄漏封严结构，可直接用在燃气涡轮发动机和燃气轮机结构上取代篦齿封严，大幅度提高封严效果。上述叶片式封严结构还可以安装在其他转静配合处的转动部件上，用于减少甚至消除气体在转静配合处的间隙泄漏。
附图说明
图1子午面转、静叶片整体示意图(缺少静子内环)；
图2转子叶尖叶片式封严局部剖面图；
图3静子叶根叶片式封严局部剖面图(缺少静子内环)；
图4叶片式封严叶片三维整体示意图；
图5 叶片式封严实施例子午流线图。
图中标号名称：1、外机匣，2、转子叶片，3、转子封严叶片，4、转子箍环，5、静子封严叶片，6、静子箍环，7、静子叶片，8、转动鼓盘；9、流线。
具体实施方法
图1至图4中各零部件功能如下：
外机匣1：引导气流并用于安装静子。转子叶片2：给气流加功，提高气体压力。转子封严叶片3：转动时产生逆泄漏流方向的作用力，减少甚至消除转子箍环4与外机匣1之间的气流泄漏。转子箍环4：把悬臂结构的转子叶片连成一体、增加转子整体刚性和安装转子封严叶片3。静子封严叶片5：转动时产生逆泄漏流方向的作用力，减少甚至消除静子箍环6与转动鼓盘8之间的气体泄漏。静子箍环6：把悬臂结构的静子叶片连成一体、增加静子整体刚性。静子叶片7：改变气流方向和提高气流压力。转动鼓盘8：用于安装转子叶片2和静子封严叶片5。
以下结合图1和图2说明本发明转子叶片式封严的实施方法（静子叶片式封严的实施方法与转子完全相同，不再说明）。通过转子箍环4将转子叶片2叶尖连成一个封闭的环，即转子箍环4；在转子箍环4外侧安装一圈转子封严叶片3。转子叶片2旋转时，转子封严叶片3随着转动，对气体产生逆泄漏流方向的作用力，阻止转子箍环4与外机匣1之间的气流泄漏。封严叶片外形设计采用常规压气机叶片设计方法，具体步骤如下：①首先采用计算机仿真或实验测量方法，获得转子叶尖处进出口总压、进口总温；②根据轮缘速度及上述参数确定转子封严叶片3进出口速度三角形；③进行叶片数量选择和气动外形设计。④采用计算机仿真或实际检验设计效果，如不满足要求返回③修改设计。
实施例
针对一台叶尖总压比为2.5的带箍风扇转子，采用本发明所述方法进行叶片式封严设计，子午面流线图（图5）表明：尽管在转子封严叶片3与外机匣间隙处有局部回流区，但完全消除了转子箍环4与外机匣1之间的气流由出口向进口的倒流。具体设计过程如下。
 采用计算机仿真方法计算出该带箍风扇转子叶尖处进口总压为98000Pa、进口总温为300K，出口总压为245000Pa；②由此三参数及假设封严叶片效率（初始设为0.7）可计算可轮缘功，并根据轮缘速度480m/s确定进出口速度三角形参数如下：进口相对气流角6度（与切向夹角）、出口相对气流角14度，进口相对速度483m/s；③选择叶片数为49个、根据稠度2.0确定弦长，再由速度三角形参数进行叶片气动外形设计；④由于固体壁面粘性及封严叶片叶尖间隙流造成流动三维性，初始设计结果通常不能满足要求，通过对流动的计算机仿真分析不足之处，返回③修改设计。

Claims (1)

1.一种用于叶轮机械的叶片式无泄漏封严结构，所述叶轮机械包括转动鼓盘（8）和外机匣（1），还包括转子叶片（2）或/和静子叶片（7）；所述转子叶片（2）安装于转动鼓盘（8）上；所述静子叶片（8）安装于外机匣（1）上；
其特征在于：
所述的叶片式无泄漏封严结构分成转子叶片的叶片式无泄漏封严结构和/或静子叶片的叶片式无泄漏封严结构；
1）、所述转子叶片的叶片式无泄漏封严结构由一个将转子叶片（2）的所有叶尖连在一起的封闭的圆环形的转子箍环（4）和安装在转子箍环（4）外侧的一圈转子封严叶片（3）组成；转子封严叶片（3）和外机匣（1）之间留有避免转静碰擦的转子封严间隙；
转子叶片（2）转动时，转子封严叶片（3）随着一起转动，对气流产生逆泄漏流方向的作用力，阻止转子箍环（4）与外机匣（1）之间的气体泄漏；转子封严叶片（3）根据压气机工作原理进行设计，具体设计步骤如下：①首先采用计算机仿真或实验测量方法，获得转子叶片（2）的叶尖处进出口总压、进口总温；②根据轮缘速度及上述参数确定转子封严叶片（3）进出口速度三角形；③进行转子封严叶片（3）数量选择及气动外形设计；④采用计算机仿真或实际检验设计效果，如不满足要求返回③修改设计；
2）、所述静子叶片的叶片式无泄漏封严结构由安装在转动鼓盘（8）外侧的一圈静子封严叶片（5）组成，静子封严叶片（5）和静子箍环（6）之间留有避免转静碰擦的静子封严间隙；
转动鼓盘（8）转动时，静子封严叶片（5）随着一起转动，对气流产生逆泄漏流方向的作用力，阻止静子箍环（6）与转动鼓盘（8）之间的气体泄漏；静子封严叶片（5）根据压气机工作原理进行设计，具体设计步骤如下：①首先采用计算机仿真或实验测量方法，获得静子叶片（7）的叶尖处进出口总压、进口总温；②根据轮缘速度及上述参数确定静子封严叶片（5）进出口速度三角形；③进行静子封严叶片（5）数量选择及气动外形设计；④采用计算机仿真或实际检验设计效果，如不满足要求返回③修改设计。
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