CN107339126A - 一种胃仿生造型的轮缘密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种胃仿生造型的轮缘密封结构，采用带有类似胃壁面褶皱的凸凹结构的静止壁面和转动壁面组成。主通道中静止壁面比转动壁面上分布更多的凸凹结构，通过增强扰动增加对入侵流的阻力，且凸凹结构相对于平滑壁面有更长的壁面湿面积，增加了入侵流与壁面的作用时间。同时，静止壁面和转动壁面的配合用来同时加强对入侵流和冷却气流的扰动，增强两者的掺混。胃仿生结构的空间布置增大了主流道的面积，为入侵流和冷却气流的掺混提供更大的空间。出口部分通过节流效应和凸凹结构继续阻挡入侵流，并有效引导冷却气流进入轮缘密封结构，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和提高发动机效率。

Description

一种胃仿生造型的轮缘密封结构
技术领域
本发明涉及燃气轮机涡轮技术领域结，具体地说，涉及一种胃仿生造型的轮缘密封结构。
背景技术
燃气轮机涡轮转盘和静止部件之间存在一个环形腔室称为涡轮盘腔，涡轮盘腔燃气入侵是指:涡轮盘的旋转，摩擦泵效应会不断地将盘腔内的空气泵出，使腔内的压力降低，在摩擦泵效应的作用下,当泵出流量大于冷气供给流量时，会在涡轮盘轮缘处发生燃气入侵，即主燃气会进入盘腔内；在主流道中转静子的相互干涉，造成主燃气的周向压力波动，也会形成封严处的入侵现象。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，入侵现象的发生，破坏盘腔冷却效果，损坏发动机安全可靠运行，且同时造成发动机效率的损失。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子与转子等转静部件所构成的转-静盘腔的边缘处，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有效地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。研究表明:在涡轮盘内，由于转盘泵送效应，从压气机引入的冷却气流会沿着动盘上升，会与从主流进入涡轮盘的入侵流在密封间隙处相遇并掺混；增加入侵流在盘面的流动阻力能显著减小燃气入侵程度，同时增强冷却气流和入侵高温气流的掺混程度，也能使得燃气入侵程度减小。专利CN105134306A公开了“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通过设置蜂窝型阻尼孔和渐缩通道的导流叶片来增加对入侵流的流动阻力，能有效地减小燃气入侵的程度。在专利CN105626157A公开了一种包括自适应喷气孔的多重轮缘密封结构，通过与静叶侧密封齿顶端正对动叶轮毂缘板下侧边缘处开有自适应喷气孔，增大了主燃气进入盘腔的阻力，提高了封严性能和涡轮效率。因此，能有效地减小燃气入侵程度的轮缘密封对改善涡轮盘传热稳定性、提高发动机经济性具有重要的工程应用价值。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种胃仿生造型的轮缘密封结构，能有效地增加入侵流进入盘腔的流动阻力，同时使得冷却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和提高发动机效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:轮缘密封结构由转动壁面与静止壁面组成，转动壁面与静止壁面上设有仿胃壁面褶皱的凸凹结构，其中静止壁面上分布的凸凹结构多余转动壁面上的凸凹结构；转动壁面与静止壁面配合形成流动通道包括进口部分、主通道和出口部分，主通道采用胃剖面结构的空间布设，主通道沿倾斜方向设置，静止壁面沿倾斜方向进行上下方向的扩张，进口部分的通道对于入侵流为扩张形，对于密封出流为收缩形；出口部分的进口为收扩通道，收缩比为5～6；出口部分的出口为扩张通道，出口部分的出口向对转子盘的壁面，用来引入摩擦泵效应夹带的冷却气流进入到轮缘密封结构内。
出口部分中间的静止壁面上分布有排列的凸凹结构，数目为6～10个。
有益效果
本发明提出的一种胃仿生造型的轮缘密封结构，由带有类似胃壁面褶皱的凸凹结构的静止壁面和转动壁面组成。轮缘密封结构的进口部分的主通道中静止壁面比转动壁面上分布更多的凸凹结构，不仅通过增强扰动增加了对入侵流的阻力，而且凸凹结构相对于平滑壁面有更长的壁面湿面积，增加了入侵流与壁面的作用时间。同时，静止壁面和转动壁面的配合用来同时加强对入侵流和冷却气流的扰动，增强两者的掺混。胃仿生结构的空间布置方式增大了主流道的面积，为入侵流和冷却气流的掺混提供更大的空间。轮缘密封结构的出口部分通过节流效应和凸凹结构继续阻挡入侵流，并有效引导冷却气流进入轮缘密封结构，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和提高发动机效率。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种胃仿生造型的轮缘密封结构作进一步详细说明。
图1为本发明胃仿生造型的轮缘密封结构安装在涡轮级的截面示意图。
图2为本发明的轮缘密封结构示意图。
图中
1.转静盘腔2.轮缘密封结构3.静子叶片4.转子叶片5.静子盘6.转子盘
7.为轮缘密封结构的进口部分
8.为轮缘密封结构的进口部分的主通道
9.为轮缘密封结构的出口部分
具体实施方式
本实施例是一种胃仿生造型的轮缘密封结构。
参阅图1、图2，本实施例胃仿生造型的轮缘密封结构，轮缘密封结构2由转动壁面与静止壁面组成，转动壁面与静止壁面上设置有仿胃壁面褶皱的凸凹结构，其中静止壁面上分布的凸凹结构多余转动壁面上的凸凹结构。转动壁面与静止壁面配合组成流动通道，其包括轮缘密封结构的进口部分7、轮缘密封结构的进口部分的主通道8和轮缘密封结构的出口部分9，主通道采用胃剖面结构的空间设置，主通道沿倾斜方向设置，静止壁面沿倾斜方向进行上下方向的扩张。进口部分7的通道对于入侵流为扩张形，对于密封出流为收缩形；出口部分9的进口为收扩通道，收缩比为5～6。出口部分9的出口为扩张通道，出口部分9的出口向对转子盘6的壁面，用来引入摩擦泵效应夹带的冷却气流进入到轮缘密封结构2内。轮缘密封结构的进口部分7的型面，尤其是转动壁面加工成光滑过渡的型面，以减小对密封出流的扰动。轮缘密封结构的进口部分7的通道对于入侵流为收缩形式，使得入侵流增速减压，在轮缘密封结构的进口部分的主通道8中产生更加强烈的掺混。同时，轮缘密封结构的进口部分7的通道对于密封出流为扩张形式，可使密封出流减速扩压，减小了密封出流对主流的扰动。
轮缘密封结构的进口部分的主通道8静止壁面的长度为转动壁面长度的2～3倍，主通道8中的凸凹结构直接通过胃壁面的褶皱结构仿生而来，或者直接给定凸凹结构的分布，主通道8静止壁面分布的凸凹结构数目为转动壁面的3～4倍。由于入侵流主要靠近静止壁面入侵，静止壁面上分布多的凸凹结构，一方面通过增强对入侵流的扰动，增加对入侵流的阻力；另一方面凸凹结构相对于平滑壁面有更长的壁面湿面积，在同样的流动速度下，增加了入侵流与壁面的作用时间。静止壁面和转动壁面上凸凹结构的配合用来同时加强对入侵流和冷却气流的扰动，增强两者的掺混。主通道8由于采用胃结构的空间布置方式，整体为倾斜方向布置，倾斜角度为30度；并且静止壁面沿倾斜方向进行了上下方向的扩张，向上扩张了30％～40％的主通道8宽度，向下扩张了10％～20％的主通道8宽度，向上的扩张使入侵流进入到急剧扩张的通道，在向上扩张的区域形成涡结构，消耗入侵流的能量并加强掺混。
轮缘密封结构的出口部分9的进口为幅度较大的收扩通道，收缩比为5～6，产生强烈的节流效果，用来进一步增强对入侵流的阻力。出口部分的中间的静止壁面上布置紧密排列的凸凹结构，数目为6～10个，用来再次增强对入侵流的阻力。出口部分9的出口为扩张通道，并正对转子盘6的壁面，用来引入摩擦泵效应夹带的冷却气流进入到胃仿生造型的轮缘密封结构中。
本实施例通过使用仿生胃褶皱的凸凹结构和胃的空间布置方式，获得胃仿生造型的轮缘密封结构2，高效地增加入侵流在轮缘密封结构中的流动阻力，同时使得冷却气流和入侵流有效地掺混，减小燃气入侵的程度，降低涡轮盘的温度，从而达到改善涡轮盘传热稳定性、提高发动机经济性的目的。

Claims (2)

1.一种胃仿生造型的轮缘密封结构，其特征在于:轮缘密封结构由转动壁面与静止壁面组成，转动壁面与静止壁面上设有仿胃壁面褶皱的凸凹结构，其中静止壁面上分布的凸凹结构多余转动壁面上的凸凹结构；转动壁面与静止壁面配合形成流动通道包括进口部分、主通道和出口部分，主通道采用胃剖面结构的空间布设，主通道沿倾斜方向设置，静止壁面沿倾斜方向进行上下方向的扩张，进口部分的通道对于入侵流为扩张形，对于密封出流为收缩形；出口部分的进口为收扩通道，收缩比为5～6；出口部分的出口为扩张通道，出口部分的出口向对转子盘的壁面，用来引入摩擦泵效应夹带的冷却气流进入到轮缘密封结构内。
2.根据权利要求1所述的胃仿生造型的轮缘密封结构，其特征在于:出口部分中间的静止壁面上分布有排列的凸凹结构，数目为6～10个。
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