CN106194435B - 轮缘封严冷却结构件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于高温旋转轮盘的轮缘封严结构，可应用在地面燃气轮机、航空发动机等领域。通过在轮缘封严结构上安排具有一定倾斜角度的斜孔(孔式)或者倾斜的叶片所构成的预旋气流结构(叶片式)引入额外冷却气流，不仅可以补充高温旋转轮盘的盘腔在转静子轮缘轴向间隙处的封严气量；同时，受倾斜孔以及倾斜叶片通道的作用，用于盘腔封严的二次泄露流气体形成与主流类似的气流角度。本发明的轮盘冷却方式结构简单、易于实现，通过在轮缘位置封严结构件上增加倾斜孔或者倾斜叶片，即可降低封严气流与主流的掺混损失，并强化高温旋转轮盘轮缘位置的换热效果，从而提高叶片与轮盘榫齿连接部位的安全裕度，进而增加发动机的运行安全性。

Description

轮缘封严冷却结构件

技术领域

本发明涉及一种用于地面燃气轮机、航空发动机等含有高温旋转轮盘的封严冷却结构。

背景技术

高温旋转轮盘轮缘封严以及轮盘冷却问题是两个在燃气轮机以及航空发动机领域均有重要实际意义的工程性问题。

在以往的燃气轮机、航空发动机结构设计中，轮缘封严或者轮缘冷却均是依靠旋转轮盘较低半径处的引导气体来实现的。这样存在两个问题：一是引气半径过低，会造成气流向外流动时引气气流在旋转盘泵效应下的温度升高；二是引气半径过低，会造成引气气流沿流程总压的降低。在这两个因素综合作用下，针对高温旋转轮盘的盘腔，传统的二次气流的引导气体的技术方案不能满足高性能燃气轮机、航空发动机性能进一步提升的要求。迫切需要提出一种更优的轮缘封严以及轮盘冷却方案。

发明内容

本发明涉及一种用于高温旋转轮盘轮缘封严及冷却的结构，可在燃气轮机、航空发动机等叶轮机械领域中处于高温工作环境下的旋转轮盘部件上使用。其目的是提高轮盘轮缘表面与冷却气体之间的换热效率、减少二次气流封严气体泄漏入主流时的掺混损失。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种用于高温旋转轮盘的封严冷却结构，包括高温旋转轮盘和封严结构件。在封严结构件上设计有与轮盘旋转方向具有一定倾斜角度的倾斜孔或者用特有叶型设计所构造的倾斜叶片通道。

冷却气流经特有的封严结构件流入旋转轮盘的轮缘位置，在冲击轮缘金属壁面后，与轮盘较低半径处的气流汇合并泄漏入主流通道。

其中，冷气通过所述封严结构件上的倾斜孔或者倾斜叶片通道流入旋转轮盘的轮缘位置。

优选地，所述冷却气流为由上游低温端压气机端壁位置引入的气流。

优选地，所述封严结构件上的倾斜孔角度或者倾斜叶片通道出口角度与轮盘旋转方向夹角需要通过理论计算获得。保证与位于高温旋转轮盘的盘腔较低半径的位置，通过诸如蓖齿、石墨环等各类封严元件引入发动机或燃气轮机低温端的第二股冷却气流掺混后的混合冷却气流具有较优的气流角度，最大程度的降低混合冷却气流与主流的掺混损失。

可选择地，旋转轮盘封严结构件上的倾斜孔的孔型可以设计为普通圆孔、复合孔或者其它异型孔型式。不同的孔型设计需要满足设计所需要保证的流量系数要求。同时，应注意不同孔型会导致孔出口射流-尾迹流动图谱发生改变，进一步会改变轮缘冲击冷却的效果。

较优地，构造旋转轮盘封严结构件上的倾斜叶片通道的叶型可设计为支板翼型、涡轮导向器叶型或者其它经过优化的叶型方案。

较优地，不同叶型构造的通道为收敛型通道，保证冷却气流在通道内的加速流动以满足轮缘冲击冷却射流速度的要求。

可选择地，通过调整上游冷却气路与旋转盘腔气路的压差，非收敛型的通道设计方案也能实现所需要的射流冲击冷却效果。

较优地，构造旋转轮盘轮缘的封严结构件上的倾斜孔、倾斜叶片通道周向数量不少于2个，其选取原则为保证第一股冷却气流与第二股冷却气流的掺混效果；

较优地，封严冷却结构上的倾斜孔、倾斜叶片应位于靠近高半径接近外环位置；

可选择地，封严冷却结构上的倾斜孔、倾斜叶片可位于其他半径位置处，其选取原则为保证第一股冷却气流与第二股冷却气流的掺混效果。

较优地，该应用于高温旋转轮盘的轮缘封严结构应用于高压涡轮(透平)的旋转盘腔前腔位置；

可选择地，该应用于高温旋转轮盘的轮缘封严结构亦可应用于多级压气机的后面级轮缘封严及冷却位置，或多级高/低压涡轮(透平)的高温旋转轮盘的轮缘位置。

较优地，该应用于高温旋转轮盘的轮缘封严结构可设计有其它轮缘封严结构。比如各种形式的轮缘搭接封严结构等。最大限度的提高轮缘封严效果，避免主流通道内高温气体的倒灌。

附图说明

图1为轮缘封严冷却结构件的装配示意图；

图2为轮缘封严冷却结构件的倾斜孔式结构示意图；

图3为沿着图2的A-A剖视图；

图4为轮缘封严冷却结构件的的倾斜叶片通道式结构示意图；

图5为沿着图4的B-B剖视图；

图6为图2的倾斜孔式结构的纵剖面示意图；

图7为图6中A向视图的示意图；

图8为图4的倾斜叶片通道式结构的零件示意图；和

图9为沿着图8的C-C剖视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

本发明涉及一种用于燃气轮机、航空发动机等含有高温旋转轮盘的封严冷却结构，可以通过在旋转轮盘轮缘封严结构件高半径位置处设计倾斜孔或者倾斜的叶片通道，提高轮盘轮缘的换热效果，降低轮缘向盘心的热传导。同时，该结构出口的冷却气体可以用于高温旋转轮盘的盘腔的轮缘封严，并可通过设计合理的倾斜角度实现盘腔二次气流与主流气流的较优的掺混效率。

图1为本实施例的装配示意图。该实施例为本发明的轮缘封严冷却结构件在高压涡轮级中的应用。在高压涡轮的高温旋转轮盘4的盘腔3中一般地具有两股冷却气流。引自压气机端的第一股冷却气流1是盘腔封严、冷却气流，该第一股冷却气流1从轮盘4的低半径位置处流入高温旋转轮盘4的盘腔3，在轮盘泵效应下伴随着一定的压力升高，在轮盘4的轮缘5位置处与引自燃烧室的第二股冷却气流2汇合。该引自燃烧室的外环的第二股冷却气流2通过轮缘封严冷却结构件6的倾斜孔或者倾斜叶片通道流入轮盘4的外缘位置。

图2和3显示采用的倾斜孔12的一个实施例。考虑到加工成本及加工的便利性要求，倾斜孔12采用了成型较为简单的圆孔型式。来自倾斜孔12的出口的气流与第一股冷却气流1掺混以后继续通过轮缘封严结构6向外流动，最终与主流掺混。

如图3所示，为了保证较低的掺混损失，来自倾斜孔12的出口的气流角度与导向器叶片8的根本截面通道出口角度基本上一致。倾斜孔12的出口角度的优化同时还需要考虑轮缘附近位置较优的射流-尾迹冲击冷却效应。

图4和5显示采用倾斜叶片结构的一个实施例。倾斜叶片13采用了直纹涡轮叶型。来自叶片通道出口的气流与第一股冷却气流1掺混后继续通过轮缘封严结构6向外流动，最终与主流掺混。

如图5所示，为了保证较低的掺混损失，来自叶片通道出口的气流角度基本与导向器叶片8的根部截面通道出口角度一致。叶片通道出口角度的优化同时还需要考虑轮缘附近位置较优的射流-尾迹冲击冷却效应。

图6显示采用复合倾斜孔的另一个实施例。如图6所示，复合倾斜孔包括两部分：其中一部分为主孔部分，主孔的直径为D并且具有30度的倾斜角；另一部分为辅助孔部分，辅助孔部分从主孔部分的中心轴线向下倾斜15度角。

图7示意地示出了气流流过图6中的复合倾斜孔的过程。复合倾斜孔的采用可以有效提升孔出口肾形涡(kidney vortex)的卷吸效应，进一步提升复合孔对轮缘的冷却效果。

图8显示采用另外一种倾斜叶片13的实施例。在该实施例中，倾斜叶片13采用一种新型的叶型。这种类似于压气机叶型的倾斜叶片设计方案可以通过叶型进出口截面的(周向)扭转，以优化叶型的出口气流参数。

在倾斜孔和倾斜叶片型式的实施例中，孔半径、叶片出口半径位置可通过各种优化设计获得，其原则为尽可能的降低气流的掺混损失，并提高高温旋转轮盘的换热效果。

在倾斜孔和倾斜叶片型式的实施例中的轮缘封严冷却结构包括高温环境中的旋转轮盘4和静止的轮缘封严结构件6。

高温旋转轮盘4的前端面和静止的轮缘封严结构件6等其它静止结构件共同形成高温旋转轮盘的二次气流冷却盘腔3。

静止轮缘封严结构件6上游入口截面有引自发动机或燃气轮机低温端的第一股冷却气流1。

在高温旋转轮盘4的盘腔3的较低半径的位置处，通过诸如蓖齿、石墨环等各类封严元件可引入发动机或燃气轮机低温端的第二股冷却气流2。

依靠第一股冷却气流1对轮盘4的前端面上的盘体表面进行射流冲击冷却，并且依靠第二股冷却气流2对轮盘4的前端面上的盘体表面进行自然对流冷却。

主要依靠第二股冷却气流2对高温旋转轮盘4的前腔进行封严，第二股冷却气流2在旋转轮盘4的盘体表面泵效应的作用下，压力逐渐升高，并且在轮盘4的轮缘5的位置处与第一股冷却气流1汇合，泄漏入主流通道中。

为了保证较优的泄漏流/主流掺混特性以及轮缘的对流换热特性，在高温旋转轮盘4的轮缘5的位置处的静止的封严结构件6上需要设置孔式或者叶片式的倾斜出流结构。

静止的封严结构件6上可以布置孔式或者叶片式的结构。

孔式封严结构的开孔型式不限于普通圆孔，亦可采用复合倾斜孔或者各类异型孔。

叶片式封严结构可采用较为复杂的涡轮叶型，比如弯扭叶片等，或者简单的直纹面板式结构。

静止的封严结构件6可以用不同的连接方式固定在其它的静止结构件上，诸如螺栓连接、焊接方式、紧度配合等。

气流对静止的封严结构件6施加的气动作用力可通过静止的结构件传出至发动机、燃气轮机的主/辅安装节位置。

静止的封严结构件6可以用于任何单路或多路封严二次气流向外流动的封严轮盘4的盘腔3的结构中。这类高温旋转轮盘4的盘腔3一般位于发动机、燃气轮机后面级的压气机或者高、低压涡轮位置处。通过在轮缘5的位置处设置封严结构，实现了相应旋转轮盘4的盘腔3的轮缘5的补充封严、轮缘5的冷却以及主流/二次泄漏流的低损失掺混。

孔式或者叶片式的静止的封严件6可用焊接、成型电极以及精密铸造等不同加工方式实现。

静止的封严结构件6上的开孔方向或者叶片出口气流角方向与轮盘4的轮缘5的位置周向之间的夹角介于0-90度之间；夹角为0度时，开孔方向或者叶片出口气流角方向与轮盘轮缘切线方向重合。

静止的封严结构件6中的叶片式封严结构的叶片式的通道高度一般为1mm～3mm左右。

静止的封严结构件6上的孔式封严结构的孔的当量直径一般为0.5mm～2mm左右。

本发明的用于高温旋转轮盘的轮缘封严结构可以应用在地面燃气轮机、航空发动机等领域。通过在轮缘封严结构上安排具有一定倾斜角度的斜孔(孔式)或者倾斜的叶片所构成的预旋气流结构(叶片式)引入额外冷却气流，不仅可以补充高温旋转轮盘4的盘腔3在转静子轮缘轴向间隙处的封严气量；同时，受倾斜孔以及倾斜叶片通道的作用，用于盘腔封严的二次泄露流气体形成与主流类似的气流角度。

进一步地，从传热角度分析，轮缘封严结构6不仅可以增加高温旋转轮盘4的高半径位置轮缘位置气流的紊流度，而且封严转静子轮缘轴向间隙的二次冷却气流也可以通过孔式、叶片式封严结构的射流冲击作用在旋转轮盘4的轮缘位置形成交替的尾迹再附流动。这种紊流度大幅度增加、射流冲击/尾迹再附的复杂流场特性可以进一步提高轮缘位置处的对流换热系数，并实现轮缘表面温度的降低，最终减少主流通道高温(燃)气流向轮盘盘体的热传导。

与传统的轮盘封严结构相比，本发明的轮盘冷却方式结构简单、易于实现，通过在轮缘位置封严结构件上增加倾斜孔或者倾斜叶片，即可降低封严气流与主流的掺混损失，并强化高温旋转轮盘轮缘位置的换热效果，从而提高叶片与轮盘榫齿连接部位的安全裕度，进而增加发动机的运行安全性。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轮缘封严冷却结构件，在所述轮缘封严冷却结构件与旋转轮盘之间形成旋转轮盘的二次气流冷却盘腔，从所述轮缘封严冷却结构件的上游入口从旋转轮盘的较高半径的位置处引入第一股冷却气流；从旋转轮盘的较低半径的位置处引入第二股冷却气流，其特征在于：

封严结构件上设置有出流结构，使得第一股冷却气流对旋转轮盘进行射流冲击冷却，第二股冷却气流对旋转轮盘进行自然对流冷却；所述出流结构是孔式出流结构，其中出口流结构的气流角度与旋转轮盘的导向器叶片的根部截面通道出口角度基本一致。

2.根据权利要求1所述的轮缘封严冷却结构件，其特征在于，所述孔式出流结构的开孔型式是普通圆孔或者异型孔。

3.根据权利要求1或2所述的轮缘封严冷却结构件，其特征在于，所述轮缘封严冷却结构件上的孔式出流结构中的孔的当量直径为0.5mm～2mm。

4.根据权利要求1或2所述的轮缘封严冷却结构件，其特征在于，所述轮缘封严冷却结构件的孔式出流结构的孔的轴向方向与轮盘的轮缘位置周向方向之间的夹角在0-90度之间，在夹角为0度时，孔的轴向方向与轮盘的轮缘切线方向重合。

5.根据权利要求1所述的轮缘封严冷却结构件，其特征在于，所述出流结构是叶片式出流结构。

6.根据权利要求5所述的轮缘封严冷却结构件，其特征在于，所述叶片式出流结构是涡轮叶型或者直纹面板式结构。

7.根据权利要求5或6所述的轮缘封严冷却结构件，其特征在于，所述轮缘封严冷却结构件的叶片式出流结构的叶片出口气流角方向与轮盘的轮缘位置周向之间的夹角介于0-90度之间，在夹角为0度时，所述叶片出口气流角与轮盘的轮缘切线方向重合。

8.根据权利要求5或6所述的轮缘封严冷却结构件，其特征在于，所述轮缘封严冷却结构件上的叶片式出流结构的叶片式的通道高度为1mm～3mm。

9.根据权利要求1所述的轮缘封严冷却结构件，其特征在于，所述轮缘封严冷却结构件用于单路或多路封严二次气流向外流动的封严盘腔结构中。