CN105134306A - 一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，该径向轮缘密封结构设置在燃气透平转-静盘腔内或燃气透平转-转盘腔内，包括相互配合的外齿和径向内齿；其中，在径向内齿的内齿上端面周向上均匀开设有若干阻尼孔，在径向内齿的内齿径向端面周向上均匀设置有若干导流叶片。进一步，阻尼孔呈蜂窝型，在密封齿面沿周向均匀排布。导流叶片等弧的排列在密封径向内齿端面，叶片具有渐缩型通道。该轮缘密封结构能够有效地减小高温燃气入侵的程度，改善轮缘密封的封严性能，从而避免涡轮盘过热失效，同时还可以降低从压气机处引入的低温冷却气流的使用量，进而使得机组的效率得以提高。

Description

一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构

技术领域：

本发明涉及一种轮缘密封结构，特别涉及燃气透平及高温蒸汽透平转-静盘腔或转-转盘腔间隙处使用的，一种具有阻隔高温主流气体入侵作用的轮缘密封结构。

背景技术：

在航空发动机、重型燃气轮机、超临界以及超超临界蒸汽轮机等叶轮机械中，主流流道高温气体流过静叶喷嘴后，由于受到动静尾迹和动叶势位流场的共同作用，会在转-静部件中间区域沿周向交替形成高压流动区以及低压流动区。在高压流动区处因主流流道压力高于涡轮盘腔内部压力，会发生高温燃气入侵的现象。研究表明燃气入侵现象是导致涡轮盘过热失效的重要因素。面对燃气入侵现象引起涡轮盘过热失效问题，目前工程中主要通过从压气机级引入低温冷气却气流来冷却涡轮盘以及安装先进结构的轮缘密封等措施来解决。

轮缘密封安装在由静叶隔板与旋转涡轮盘等转静部件所构成的转-静盘腔以及由两个共转涡轮盘所构成的转-转盘腔的边缘处，通过增加高温入侵流侵入涡轮盘的流动阻力，从而阻遏燃气入侵，因而对涡轮盘的安全性能具有显著地影响。研究表明在轮盘轮缘位置设置轮缘密封可以有效的减少高温燃气入侵量，而密封的几何结构会对其性能产生显著的影响。目前常用的轮缘密封结构有轴向密封，径向密封等。根据安装位置的不同又分为涡轮盘前腔轮缘密封以及涡轮盘后腔轮缘密封。研究表明：在涡轮盘内，由于转盘泵送效应，从压气机引入的冷气流会沿着静盘上升，会与从主流进入涡轮盘的入侵流在密封间隙处相遇并摻混；增加入侵流在盘面的流动阻力能够显著减小燃气入侵程度，同时增强冷气流和入侵高温气流的掺混程度也能够使得燃气入侵程度减小。目前实际工程应用中通常采用径向轮缘密封代替传统的轴向轮缘的方法能够减小燃气入侵的程度，但是减小程度有限。研究表明：相比于使用轴向密封结构，采用径向密封时，由于径向密封内齿的设置可以迫使沿动盘面上升的冷气流向静盘面流动，从而使得入侵气流与冷气流在由径向密封内齿构成的密封径向间隙内充分混合，两股气流掺混力度较大，因而可以保证涡轮盘内温度水平较低。虽然采用径向密封结构能够在一定程度上减小燃气入侵程度，但效果有限，因此，能够更为有效减小燃气入侵程度的新型径向轮缘密封对改善涡轮盘传热稳定性、提高整机经济性具有重要的工程应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于针对轮缘密封提高密封封严性能，改善轮盘传热稳定性和提高机组效率的要求，提供了一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，使其能够有效地增加入侵流在密封间隙处的流动阻力，同时使得冷气流和入侵流高效地掺混，进而减小燃气入侵的程度，降低涡轮盘的温度，提高涡轮盘的传热稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，该径向轮缘密封结构设置在燃气透平转-静盘腔内或燃气透平转-转盘腔内，包括相互配合的外齿和径向内齿；其中，在径向内齿的内齿上端面周向上均匀开设有若干阻尼孔，在径向内齿的内齿径向端面周向上均匀设置有若干导流叶片。

本发明进一步的改进在于，阻尼孔为蜂窝孔或圆孔。

本发明进一步的改进在于，阻尼孔为蜂窝孔时，蜂窝孔内切圆直径取值范围1.6～4.8mm，相邻两个蜂窝孔的蜂窝孔壁厚为0.5mm，阻尼孔深与内齿厚度的差值小于2mm且大于0。

本发明进一步的改进在于，若干导流叶片所构成的截面通道采用缩放型。

本发明进一步的改进在于，若干导流叶片等弧度地安装在径向内齿端面，其出口气流角偏转方向与涡轮盘旋转方向保持一致。

本发明进一步的改进在于，导流叶片的型线设置参数包括前缘小圆、尾缘小圆、前缘楔角、尾缘楔角、导流叶片叶弧以及导流叶片叶背。

本发明进一步的改进在于，导流叶片前缘进口小圆半径R₁的取值范围(0.015～0.08)b；导流叶片尾缘出口小圆半径R₂取值范围(0.005～0.02)b；导流叶片进出口边楔角取值范围均为1°～4°；导流叶片安装角β_y取值范围35°～45°；其中，b为导流片轴向长度。

本发明进一步的改进在于，导流叶片数目取4的倍数。

本发明进一步的改进在于，导流叶片数目为36或72。

本发明进一步的改进在于，燃气透平转-静盘腔由设置有透平旋转动叶的旋转涡轮盘与设置有透平静叶喷嘴的静叶隔板叶形成；燃气透平转-转盘腔由相连两个设置有透平旋转动叶的旋转涡轮盘形成。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：

本发明的总体技术思路是给传统的径向轮缘密封结构内齿面上引入阻尼孔，阻尼孔沿密封表面均匀分布。入侵燃气流经过该阻尼结构时受到阻尼孔的阻滞作用，从而增加入侵流在密封间隙的流动阻力。同时在密封内齿径向端面处引入导流叶片结构，构成渐缩或者缩放通道，使得沿着盘面上升冷气在流经该通道时膨胀加速，在径向间隙处形成冷气射流幕，进一步阻遏高温入侵流进入涡轮盘内，同时还使得冷气流与入侵流得以高效的掺混。通过增加入侵流在密封间隙处的流动阻力和保证冷气流和入侵流高效的掺混的方法，达到提高密封封严性能和改善轮盘传热稳定性的目的。

实现上述目的所采用的技术方案是在转-静盘腔或由两个共转涡轮盘所构成的转-转盘腔的边缘安装带阻尼孔的径向轮缘密封。包括在径向轮缘密封内齿面处设置阻尼孔，以及在密封内齿径向端面处的设置导流叶片结构。

进一步的，本发明还具有如下优点：

1)径向齿面阻尼孔。

阻尼孔设置在径向密封内齿端面处，阻尼孔孔型可以加工为蜂窝孔结构或圆孔结构。阻尼孔沿径向端面均匀分布。采用数值模拟的方法，根据轮缘密封的运行工况(如压气机冷气量、涡轮盘转速、主流透平级进出口压力)，以密封封严效率最高为优化目标，对阻尼孔的孔深以及孔径尺寸进行优化，从而确定最优的阻尼孔。

2)径向内齿端面导流叶片结构。

一系列的导流叶片等弧度地安装在径向内齿端面。导流叶片所构成的截面通道采用缩放型。导流叶片的出口气流角偏转方向与涡轮盘旋转方向保持一致。

3)流片型线生成方法。

导流叶片采用缩放型通道叶型，其型线由前缘小圆、尾缘小圆、前缘楔角、尾缘楔角、叶弧以及叶背曲线决定。叶弧及叶背曲线由多阶贝塞尔曲线构成。同样采用数值模拟的方法，根据轮缘密封的运行工况(如压气机冷气量、涡轮盘转速、主流透平级进出口压力)，以出口速度最大为优化目标，对导流叶片的型线进行优化，从而确定最优型线。

综上所述，本发明的具有阻尼作用的新型轮缘密封结构，可有效地增加密封间隙处的入侵流的流动阻力，同时还可以增强冷气流与入侵流的掺混强度，显著地提高轮缘密封的封严性能，改善密封涡轮盘的传热稳定性，提高燃气透平的经济性。本发明的阻尼轮缘密封结构对目前叶轮机械的转静部件所构成的转-静盘腔封严具有普遍适用性。

附图说明：

图1是本发明径向轮缘密封结构在燃气透平高压级中的相对配合安装示意图；

图2是本发明径向轮缘密封结构的三维结构图，其中，图2(a)为径向内齿端面导流叶片安装位置局部示意图，图2(b)为阻尼孔安装位置局部示意图，图2(c)为径向内齿端面导流叶片与阻尼孔相对安装位置示意图，图2(d)为图2(c)的局部放大图；

图3是传统径向轮缘密封结构的子午面结构图；

图4是本发明具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构的子午面剖视图，图4(a)为阻尼孔在内齿面装配位置子午面示意图，图4(b)为阻尼孔在内齿面装配位置在内齿面装配位置俯视图；

图5是本发明导流叶片的结构示意图。

图中：1为燃气透平转-静盘腔，2为燃气透平转-转盘腔，3为径向轮缘密封结构，4为透平静叶喷嘴，5为透平旋转动叶，6为静叶隔板叶，7为旋转涡轮盘，8为外齿，9为内齿上端面，10为内齿径向端面，11为径向内齿，12为蜂窝孔内切圆直径，13为蜂窝孔壁厚，14为蜂窝孔深，15为内齿厚度，16为导流叶片轴向长度，17为导流叶片几何进气角，18为导流叶片前缘进口小圆半径，19为导流叶片尾缘出口小圆半径，20为导流叶片进口边楔角，21为导流叶片出口边楔角，22为导流叶片安装角，23为导流叶片叶弧，24为导流叶片叶背，25为阻尼孔，26为导流叶片。

具体实施方式：

以下结合附图和技术原理对本发明作进一步的详细说明。

参见图1至图5，本发明一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，该径向轮缘密封结构3设置在燃气透平转-静盘腔1内或燃气透平转-转盘腔2内，包括相互配合的外齿8和径向内齿11；其中，在径向内齿11的内齿上端面9周向上均匀开设有若干阻尼孔25，在径向内齿11的内齿径向端面10周向上均匀设置有若干导流叶片26。

具体来说，参见图2、3，与传统径向轮缘密封不同，本发明的阻尼径向轮缘密封，在径向内齿11上有结构的改动，包括在内齿上端面9设置有阻尼孔25，以及在内齿径向端面10设置有导流叶片26，但外齿11保持不变。导流叶片26和轮缘密封，采用独立加工后组装的加工方法。

参见图4a和b，阻尼孔25均匀分布在内齿上端面9上。当阻尼孔25采用蜂窝孔时，蜂窝孔内切圆直径12取值范围1.6～4.8mm。相邻两个蜂窝孔的蜂窝孔壁厚13取值为0.5mm。蜂窝孔深14取值范围由内齿厚度15决定，最大允许蜂窝孔深14与内齿厚度15的差值应小于2mm。阻尼孔25在内齿径向端面10的加工时，采用直接打孔的加工方法。

参见图5，本发明的径向齿端面的导流叶片通道为渐缩通道。导流叶片(26)的型线由其型线由前缘小圆、尾缘小圆、前缘楔角、尾缘楔角、叶弧以及叶背曲线参数决定。导流叶片设计时，需要给定必要的初始设计参数包括：叶型的几何进口角、节距t、弦长b(或轴向宽度B)、喉宽O₂、进口小圆半径R₁、出口小圆半径R₂、进口边楔角出口边楔角转折角和安装角β_y等。设计时，导流片轴向长度b16应略小于内齿端面厚度尺寸15。导流叶片几何进气角17的取值与沿涡轮盘面上升的冷气流的旋转方向有关，通过数值模拟应保证导流叶片几何进口角17应与上升冷气流偏转角相等以减小导流叶片中的攻角损失。叶片节距由叶片数目以及所在安装弧段的半径决定。导流叶片(26)数目可取36,72，……等4的倍数。导流叶片前缘进口小圆半径R₁18的取值范围(0.015～0.08)b；导流叶片尾缘出口小圆半径R₂19取值范围(0.005～0.02)b；其中，b为导流片轴向长度16。导流叶片进出口边楔角20、21取值范围均为1°～4°。导流叶片安装角β_y22取值范围35°～45°。导流叶片叶弧23以及导流叶片叶背24曲线根据给定的初始设计参数，由多阶B样条曲线生成，最优叶片型线的获得，还需采用优化算法和数值模拟，以出口气流速度最大为控制目标，通过对有限控制点坐标进行优化获得。导流叶片的独立加工成型，采用焊接的方法组装在轮缘密封内齿径向端面处。

为了对本发明进一步的了解，现对其工作原理做出如下说明：

参见图2，在涡轮盘内，由于转盘泵送效应，从压气机引入的冷气流会沿着静盘上升，同时入侵燃气流会沿着盘面进入涡轮盘腔内，两股气流会与在密封间隙处相遇并掺混。研究表明：增加入侵流在盘面的流动阻力能够显著减小燃气入侵程度，同时增强冷气流和入侵高温流的掺混程度也能够使得燃气入侵程度减轻。通过增加入侵流在密封间隙处的流动阻力和保证冷气流和入侵流高效的掺混的方法，达到提高密封封严性能和改善轮盘传热稳定性的目的。

本发明的阻尼孔25是通过阻滞入侵高温燃气流，增加入侵流向盘腔内流动的流动阻力，从而达到提高密封封严性能和改善轮盘传热稳定性的目的。

本发明的导流叶片26通过控制沿盘面上升的冷气流的流动形式，使冷气流通过导流叶片膨胀加速，形成冷气流射流幕，增强冷气流与高温入侵燃气流的湍流掺混，达到改善轮盘传热稳定性的目的。

为了对发明进一步了解，现对其工作过程做一说明。

本发明一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封工作时，从压气机引入的冷却气流受到旋转涡轮盘7的泵送效应，沿着旋转涡轮盘7上升，到达阻尼轮缘密封内齿径向端面的导流叶片26处时，气流受到导流叶片的作用膨胀加速，形成冷气流射流幕，从而充分阻隔密封间隙处的入侵燃气进入涡轮盘。另一方面，入侵的主流高温燃气进入密封间隙后，会受到安装在径向内齿面处的阻尼孔25的高阻尼作用，入侵高速气流的动能会在阻尼孔内耗散减弱逐渐转化为热能，从而使得入侵涡轮盘内区的程度降低。

数值模拟结果已初步证明了本发明的阻尼孔25和导流叶片26能够有效地控制燃气入侵的流量，能够显著地提高轮缘密封的封严有效性。

Claims (10)

1.一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，该径向轮缘密封结构(3)设置在燃气透平转-静盘腔(1)内或燃气透平转-转盘腔(2)内，包括相互配合的外齿(8)和径向内齿(11)；其中，在径向内齿(11)的内齿上端面(9)周向上均匀开设有若干阻尼孔(25)，在径向内齿(11)的内齿径向端面(10)周向上均匀设置有若干导流叶片(26)。

2.根据权利要求1所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，阻尼孔(25)为蜂窝孔或圆孔。

3.根据权利要求1所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，阻尼孔(25)为蜂窝孔时，蜂窝孔内切圆直径(12)取值范围1.6～4.8mm，相邻两个蜂窝孔的蜂窝孔壁厚(13)为0.5mm，阻尼孔深(14)与内齿厚度(15)的差值小于2mm且大于0。

4.根据权利要求1所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，若干导流叶片(26)所构成的截面通道采用缩放型。

5.根据权利要求1或4所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，若干导流叶片(26)等弧度地安装在径向内齿端面，其出口气流角偏转方向与涡轮盘旋转方向保持一致。

6.根据权利要求1或4所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，导流叶片(26)的型线设置参数包括前缘小圆、尾缘小圆、前缘楔角、尾缘楔角、导流叶片叶弧(23)以及导流叶片叶背(24)。

7.根据权利要求6所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，导流叶片前缘进口小圆半径R₁(18)的取值范围(0.015～0.08)b；导流叶片尾缘出口小圆半径R₂(19)取值范围(0.005～0.02)b；导流叶片进出口边楔角取值范围均为1°～4°；导流叶片安装角β_y(22)取值范围35°～45°；其中，b为导流片轴向长度(16)。

8.根据权利要求1或4所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，导流叶片(26)数目取4的倍数。

9.根据权利要求8所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，导流叶片(26)数目为36或72。

10.根据权利要求1所述的一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，其特征在于，燃气透平转-静盘腔(1)由设置有透平旋转动叶(5)的旋转涡轮盘(7)与设置有透平静叶喷嘴(4)的静叶隔板叶(6)形成；燃气透平转-转盘腔(2)由相连两个设置有透平旋转动叶(5)的旋转涡轮盘(7)形成。