CN103883362A

CN103883362A - 具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置

Info

Publication number: CN103883362A
Application number: CN201410118134.3A
Authority: CN
Inventors: 张冬阳
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: CN103883362B

Abstract

本发明提供了一种具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置。该涡轮装置包括：涡轮机匣和N个涡轮叶片级。其中，涡轮机匣，其内表面具有N个叶片工作段，每一叶片工作段包括：静叶片外环壁；动叶片外环壁；叶冠密封腔前后过渡段。每一涡轮叶片级包括：静叶片；动叶片，其顶部具有叶冠，在该叶冠上具有蓖齿；导流环，呈圆环状，位于动叶片的下游侧，其由涡轮叶片级后过渡段的末端朝向所述动叶片上叶冠与蓖齿的连接处延伸，内侧边缘靠近但不接触涡轮叶冠和蓖齿。本发明中，导流环引导密封泄漏流在涡轮机匣内壁、蓖齿和导流环构成的腔室内近固体表面流动，消除了叶栅主流部分流体侵入出口腔内所引起的卷吸流动损失，减少了密封泄漏流与叶栅主流的掺混损失。

Description

具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置

技术领域

本发明涉及流体动力学技术领域，尤其涉及一种可应用于航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等流体机械中的具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置。

背景技术

在航空发动机、地面燃气轮机和蒸汽轮机等叶轮机械动力装置中，非接触式密封是不可缺少的部件，并且对装置的经济性和可靠性有不可忽视的影响。非接触式密封存在径向间隙，在密封腔进出口压力差的作用下，必然产生密封泄漏流动，并进而造成旁路和流动损失。

在涡轮结构中，从结构强度考虑，为了避免由于振动导致的涡轮叶片断裂，在涡轮顶部需要增加叶冠。在涡轮工作过程中，为了避免由于偏心位移或装配误差而导致的叶冠与涡轮机匣内腔发生碰撞，叶冠必须与涡轮机匣内腔保持一定的间隙。该间隙如果过小，叶冠就有与涡轮机匣内腔碰撞的风险，而该间隙如果过大，泄漏流量将大大增加。因此就需要考虑涡轮与涡轮机匣内腔的非接触式密封问题。

作为一种典型的非接触式密封，带冠涡轮叶片的顶部密封已经广泛采用了蓖齿与蜂窝的型式。由固定壁面及蜂窝带、叶冠和蓖齿构成的密封腔室被蓖齿分为三部分，即进口腔、中间腔(可多个)和出口腔。

在出口腔内一般具有复杂的流动结构，密封泄漏流与叶栅主流共同带动产生了多个旋涡，并卷吸部分叶栅主流侵入腔内，而贴壁流动的密封泄漏流主体以近垂直方向进入下一排叶栅前主流并掺混。这些均产生了流动损失。其中密封泄漏流与下一排的叶栅前主流的掺混损失是由密封泄漏流与叶栅主流速率与方向不一致所致，所产生的掺混损失占全部密封泄漏流流动损失的主要部分。减少与密封泄漏流相关的流动损失就会提高机组的热力效率。

在实现本发明的过程中，申请人发现现有技术涡轮装置的非接触式密封存在如下技术缺陷：叶冠密封开放的出口腔存在主流带动的涡耗散，密封泄漏流卷吸部分叶栅出口处流体，并以近垂直方向进入下一排叶栅前主流与之掺混，引起较大流动损失。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置，以减少密封泄漏流引起的流动损失。

(二)技术方案

本发明具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置包括：涡轮机匣和N个涡轮叶片级。其中，涡轮机匣，其内表面具有N个叶片工作段，每一叶片工作段包括：静叶片外环壁，其围成第一筒状工作区域；动叶片外环壁，其围成第二筒状工作区域；第一过渡段，将本叶片工作段静叶片外环壁的末端连接至到动叶片外环壁的起始端；以及第二过渡段，将本叶片工作段动叶片外环壁的末端连接至下一工作段静叶片外环壁的起始端。其中，第一筒状工作区域的半径小于第二筒状工作区域的半径，N≥1。每一涡轮叶片级包括：静叶片，固定于相应叶片工作段的第一筒状工作区域内；动叶片，位于相应叶片工作段的第二筒状工作区域内，围绕该第二筒状工作区域的中心轴线转动，其顶部具有叶冠，在该叶冠上具有蓖齿；导流环，呈圆环状，位于动叶片的下游侧，其由所述第二过渡段的末端朝向所述动叶片上叶冠与蓖齿的连接处延伸，内侧边缘靠近但不接触涡轮叶冠和蓖齿。

(三)有益效果

本发明具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置中，在动叶片叶冠密封腔室和下一级涡轮静叶片机匣内壁的交界处延伸一导流环，该导流环的内侧边缘靠近但不接触涡轮叶冠和蓖齿，从而引导密封泄漏流在涡轮机匣内壁、蓖齿和导流环构成的腔室内近固体表面流动，并经由导流环与蓖齿的间隙，导流环与叶冠表面的间隙汇入叶栅主流，从而产生了如下技术效果：

(1)由于导流环的存在，从根本上消除了叶栅主流部分流体侵入出口腔内所引起的卷吸流动损失；

(2)泄漏流流出时与叶栅主流共同削弱了叶冠后4有的主流带动的旋涡，而泄漏流在近封闭的出口腔内和A与蓖齿的间隙内折转流动并逐步扩散，增大了流阻；

(3)由于导流环AB段内表面与叶冠表面间隙的约束，泄漏流流入主流时具有与主流接近的子午面分速比，从而大大减少了原结构中泄漏流贴W2壁面直接冲向叶栅主流引起的较大掺混损失。

附图说明

图1为根据本发明实施例具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置的剖面示意图；

图2为图1所示涡轮装置中密封泄漏流出口腔室的剖面放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种涡轮装置，其通过导流环引导密封泄漏流在涡轮机匣内壁、蓖齿和导流环构成的腔室内外近固体表面流动，达到减少掺混损失的目的。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置。图1为根据本发明实施例具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置的剖面示意图。请参照图1和图2，本实施例涡轮装置包括：涡轮机匣和N个涡轮叶片级。

其中，涡轮机匣，其内表面具有N个叶片工作段，每一叶片工作段包括：静叶片外环壁，其围成第一筒状工作区域；以及动叶片外环壁，其围成第二筒状工作区域；第一过渡段，将本叶片工作段静叶片外环壁的末端连接至到动叶片外环壁的起始端；第二过渡段，将本叶片工作段动叶片外环壁的末端连接至下一工作段静叶片外环壁的起始端。其中，第一筒状工作区域的半径小于第二筒状工作区域的半径，N≥1。

每一涡轮叶片级包括：静叶片，固定于相应叶片工作段的第一筒状工作区域内；动叶片，位于相应叶片工作段的第二筒状工作区域内，围绕该第二筒状工作区域的中心轴线转动，其顶部具有叶冠，在该叶冠上具有蓖齿；导流环，呈圆环状，位于动叶片的下游侧，其由所述动叶片外环壁的末端朝向所述动叶片上叶冠与蓖齿的连接处延伸，内侧边缘靠近但不接触涡轮叶冠和蓖齿。

以下对本实施例具有密封泄漏流导流功能的涡轮结构的各个组成部分进行详细说明。为了部件描述方便，在下文中，沿流体流动的方向，其上游定义为前端，其下游定义为后端。

本实施例中，涡轮机匣、静叶片、动叶片、叶冠、蓖齿等均为本领域内的常见部件。并且，涡轮机匣叶片工作段数目以及涡轮叶片级的数目也可以根据需要进行调整。本领域技术人员可以根据实际的需要确定这些部件的材料、尺寸及数目，在此不再赘述。

动叶片外环壁和静叶片外环壁均为回转面，静叶片的外侧边缘固定于所述静叶片外环壁上。由于半径不同，动叶片外环壁在向涡轮机匣下一叶片工作段静叶片外环壁过渡的位置形成横截面呈台阶状的结构。

图2为图1所示涡轮装置中密封泄漏流出口腔室的的剖面放大图。请结合图1参照图2，导流环呈环状薄板结构。ABCD为导流环一侧的剖面图。沿涡轮机匣的轴向方向，该导流环可分为三段：固定段(CD段)、中间段(BC段)和非接触密封段(AB段)。

导流环固定段(CD段)密封固定于涡轮机匣下一叶片工作段静叶片外环壁的前端(即壁面W3部位)，固定段(CD段)和中间段(BC段)的交接点(C点)正好位于本叶片工作段第二过渡段与下一叶片工作段静叶片外环壁的交界处(即壁面W2和壁面W3的交界部位)。

非接触密封段(AB段)平行于叶冠表面，内表面距离叶冠表面预设距离，该预设距离介于1.5毫米～2.0毫米之间。非接触密封段(AB段)的内侧边缘(A)距离蓖齿预设距离，该预设距离介于2.0毫米～2.5毫米之间。一般情况下，非接触密封段(AB段)的长度应当大于5毫米，而如果其小于该尺寸，在结构允许的条件下，应设计蓖齿向上游移动以满足要求。

本实施例中，导流环材料与涡轮机匣的材料相同，导流环的固定段(CD段)与涡轮机匣下一叶片工作段静叶片外环壁的前端(W3壁面)焊接在一起。其中，壁面W3经预先切削以满足导流环固定段(CD段)内表面与其重合的要求；其厚度及焊接工艺应满足强度及寿命要求，并以成本和重量最小化为目标。导流环各段的厚度相同。

当然，导流环材料也可以不同于涡轮机匣内壁所在部件材料，在满足强度和寿命的前提下，降低成本。此外，导流环可以为变厚度结构以改善强度性能，其中，固定段(CD段)的厚度可以大于非接触密封段(AB段)的厚度，中间段(BC段)的厚度连续变化。

为了安装方便，导流环可由两个半环拼接而成。但本发明并不以此为限，对于大型的流体机械，导流环可以为三片、四片或更多的扇形片拼接而成，而对于小型的流体机械，该导流环可以在涡轮装置装配之初进行安装，这种情况下，该导流环可以为独立的一片。

请参照图2，蓖齿、叶冠、涡轮机匣内壁(W1、W2壁面)和导流环构成密封泄漏流的出口腔室，密封泄漏流在该出口腔室内近固体表面流动，并经由导流环与蓖齿的间隙，导流环与叶冠表面的间隙汇入叶栅主流，从而在根本上消除了叶栅主流部分流体侵入出口腔内所引起的卷吸流动损失。此外，由于AB段内表面与叶冠表面间隙的约束，泄漏流流入主流时具有与主流接近的子午面分速比，从而大大减少了原结构中泄漏流贴W2壁面直接冲向叶栅主流引起的较大掺混损失。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如，对：

(1)导流环还可以将CD折转90度成型，并焊接在涡轮机匣上本叶片工作段的第二过渡段上(W2壁面)；

(2)导流环还可以在非接触密封段(AB段)、中间段(BC段)、固定段(CD段)段交界处采用圆角过渡。

综上所述，本发明提供一种具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置。该涡轮装置通过导流环引导密封泄漏流在涡轮机匣内壁、蓖齿和导流环构成的腔室内外近固体表面流动，从根本上消除了叶栅主流部分流体侵入出口腔内所引起的卷吸流动损失，减少了密封泄漏流与叶栅主流的掺混损失，在航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机等领域具有广泛的应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种具有密封泄漏流导流功能的涡轮装置，其特征在于，包括：涡轮机匣，其内表面具有N个叶片工作段，每一叶片工作段包括：

静叶片外环壁，其围成第一筒状工作区域；

动叶片外环壁，其围成第二筒状工作区域，所述第一筒状工作区域的半径小于所述第二筒状工作区域的半径；

第一过渡段，将本叶片工作段内静叶片外环壁的末端连接至动叶片外环壁的起始端；以及

第二过渡段，将本叶片工作段内动叶片外环壁的末端连接至下一叶片工作段静叶片外环壁的起始端；以及

N个涡轮叶片级，其中，每一涡轮叶片级包括：

静叶片，固定于相应叶片工作段的第一筒状工作区域内；

动叶片，位于相应叶片工作段的第二筒状工作区域内，围绕该第二筒状工作区域的中心轴线转动，其顶部具有叶冠，在该叶冠上具有蓖齿；以及

导流环，呈圆环状，位于所述动叶片的下游侧，其由所述第二过渡段的末端朝向所述动叶片上叶冠与蓖齿的连接处延伸，内侧边缘靠近但不接触所述叶冠和蓖齿。

2.根据权利要求1所述的涡轮装置，其特征在于，所述导流环包括：

固定段，密封固定于所述涡轮机匣内壁；

中间段；以及

非接触密封段，平行于所述叶冠，其长度大于等于5毫米。

3.根据权利要求2所述的涡轮装置，其特征在于，所述非接触密封段的内表面与叶冠表面的距离介于1.5毫米～2.0毫米之间；所述非接触密封段的内侧边缘与蓖齿的距离介于2.0毫米～2.5毫米之间。

4.根据权利要求2所述的涡轮装置，其特征在于，所述固定段密封固定于涡轮机匣下一叶片工作段静叶片外环壁的前端，该固定段与中间段的交接点位于本叶片工作段第二过渡段与下一叶片工作段静叶片外环壁的交界处。

5.根据权利要求2所述的涡轮装置，其特征在于，所述固定段与所述第二过渡段平行，该固定段固定于该第二过渡段上。

6.根据权利要求2所述的涡轮装置，其特征在于，所述固定段、中间段和非接触密封段两两的交界处采用圆角过渡。

7.根据权利要求2所述的涡轮装置，其特征在于，所述固定段、中间段和非接触密封段的厚度相同。

8.根据权利要求2所述的涡轮装置，其特征在于，所述固定段的厚度大于所述非接触密封段的厚度，所述中间段的厚度连续变化。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮装置，其特征在于，所述导流环为单片或由多扇形片拼接而成。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮装置，其特征在于，所述导流环与所述涡轮机匣内壁的材料相同或不同，其通过焊接方式固定在所述涡轮机匣内壁上。