CN107605544B - 一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构，波浪形开槽喷射装置位于轮缘密封结构内部；波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位于轮缘密封结构转动部分的底部且靠近转子盘的转动壁面；波浪形开槽喷射装置出气部分的出口位于轮缘密封结构的缘板，并在缘板上形成波浪形周向分布的喷射；其利用转子盘转动壁面摩擦泵效应夹带的封严气流，减弱摩擦泵效应导致的燃气入侵。通过波浪形开槽设计将抽取的封严气流在不同的周向位置喷出，对燃气入侵和封严出流同时产生流动阻力，既减小燃气入侵的程度，降低涡轮盘的温度，又减小封严出流的程度，减弱封严出流对主流的影响，对改善涡轮盘传热稳定性、提高整机效率具有工程应用价值。

Description

一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮技术领域，具体地说，涉及一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构。

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:涡轮盘旋转导致的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，也会在涡轮盘轮缘处形成燃气入侵。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，损坏整机安全可靠运行，并同时造成整机效率的损失。目前工程中主要通过从压气机级引入低温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，阻遏燃气入侵，因而对涡轮盘的安全性能有着显著的影响。研究表明:在涡轮盘内，由于转盘摩擦泵效应，从压气机引入的冷气流沿着动盘上升，并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的程度，同时增强冷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。另外，在发生燃气入侵的同时会伴随着封严出流的存在。封严出流是低温冷气通过轮缘进入主流通道，并与主流的高温燃气发生掺混的一种现象。研究发现封严出流对轮缘密封下游的主流区的叶型负荷、二次流分布和气动性能都会造成明显的影响，并且封严流量越大，造成的效果越明显。因此，增加封严出流进入主流的流动阻力，进而减小进入主流封严气流的流量，是削弱封严气流对主流影响的一种直接有效的手段。

由于燃气入侵和封严出流的区域随着转子转动会发生相应的变化，研究表明封严腔体出口由转子势作用主导时，燃气入侵发生在转子前缘和压力面高压作用区域，封严出流会发生在转子吸力面低压作用区域。因此，对于燃气入侵和封严出流的处理可在对应位置进行相应的喷射作用，以对燃气入侵和封严出流都产生流动阻力，进而削弱燃气入侵和封严出流的强度。文献“波浪形非均匀间隙结构影响涡轮性能的数值模拟”(航空动力学报,张晶辉)一文，表明使用波浪形非均匀间隙结构使得燃气入侵和封严出流结构破碎为小的结构，可提高涡轮效率0.9％。因此，可同时对燃气入侵和封严出流产生流动阻力的波浪形开槽喷射的轮缘封严结构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

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构。该轮缘密封结构能对燃气入侵和封严出流同时产生流动阻力，不仅能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，而且能减小封严出流的程度，减弱封严出流对主流的影响，提高整机的效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括波浪形开槽喷射装置，所述波浪形开槽喷射装置位于轮缘密封结构内部；波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位于轮缘密封结构转动部分的底部，并且波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位置靠近转子盘的转动壁面，波浪形开槽喷射装置出气部分的出口位于轮缘密封结构的缘板，并在缘板上形成波浪形周向分布的喷射，在转子前缘和压力面作用区域靠近转子，在转子吸力面作用区域远离转子，中间部位光滑过渡；

所述波浪形开槽喷射装置分为进气部分和出气部分，进气部分为沿周向分布的进气孔，出气部分为周向分布的出气槽；所述波浪形开槽喷射装置进气部分的进口、出口均为圆形结构，进气部分的出口半径小于进气部分的进口半径，从进口至出口为收缩通道使气流进行加速；所述波浪形开槽喷射装置出气部分的进口段采用光滑过渡型面，在出口段为直线型面，波浪形开槽喷射装置出气部分进口的宽度与进气部分出口的直径相同。

所述波浪形槽喷射装置进气部分的数目为多个。

有益效果

本发明提出一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构，波浪形开槽喷射装置位于轮缘密封结构内部；波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位于轮缘密封结构转动部分的底部，并且波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位置靠近转子盘的转动壁面，波浪形开槽喷射装置出气部分的出口位于轮缘密封结构的缘板，并在缘板上形成波浪形周向分布的喷射；利用转子盘转动壁面摩擦泵效应夹带的封严气流，减弱摩擦泵效应导致的燃气入侵。通过波浪形开槽设计将抽取的封严气流在不同的周向位置喷出，即在转子前缘和压力面作用区域靠近转子喷出，在转子吸力面作用区域远离转子喷出，对燃气入侵和封严出流同时产生流动阻力，不仅能减小燃气入侵的程度，降低涡轮盘的温度，而且还可减小封严出流的程度，减弱封严出流对主流的影响，对改善涡轮盘传热稳定性、提高整机效率的经济性具有重要的工程应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构作进一步详细说明。

图1为本发明的轮缘密封结构和波浪形开槽喷射装置的截面示意图。

图2为波浪形开槽喷射装置进气部分位置的周向分布示意图。

图3为波浪形开槽喷射装置出气部分位置的周向分布示意图。

图中

1.涡轮转静盘腔 2.波浪形开槽喷射装置 3.轮缘密封结构 4.静子叶片 5.转子叶片 6.静子盘 7.转子盘

8.波浪形开槽喷射装置进气部分

9.波浪形开槽喷射装置出气部分

具体实施方式

本实施例是一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构。

参阅图1、图2、图3，本实施例缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构，波浪形开槽喷射装置2位于轮缘密封结构3内部；波浪形开槽喷射装置2分为波浪形开槽喷射装置进气部分8和波浪形开槽喷射装置出气部分9，波浪形开槽喷射装置进气部分8为沿周向分布的进气孔，波浪形开槽喷射装置出气部分9为周向分布的出气槽。波浪形开槽喷射装置进气部分8的进口位于轮缘密封结构3转动部分的底部，并且波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位置靠近转子盘7的转动壁面，通过转子盘转动壁面摩擦泵效应夹带的封严气流，并减小摩擦泵效应夹带的封严气流对盘腔内流场的影响，减弱摩擦泵效应导致的燃气入侵。波浪形开槽喷射装置进气部分8的进口和出口均为圆形孔，两进口和出口同圆心；波浪形开槽喷射装置进气部分8出口的半径小于进口的半径，进气部分为圆台形，从进口到出口为收缩通道结构，可使气流进一步加速。波浪形开槽喷射装置进气部分8的数目根据需要喷射的封严气流流量决定，本实施例中波浪形开槽喷射装置进气部分8的数目为18个。

本实施例中，波浪形开槽喷射装置出气部分9进口的宽度与波浪形开槽喷射装置进气部分8出口的直径相同。波浪形开槽喷射装置出气部分9的进口段为光滑过渡的收缩型面，出口段为直线型面。波浪形开槽喷射装置出气部分9的出口位于轮缘密封结构3的缘板，并且波浪形开槽喷射装置出气部分9的出口在缘板上的周向分布为波浪形，在转子前缘和压力面作用区域靠近转子，距离为1mm，在转子吸力面作用区域远离转子，距离为4mm，并在中间位置光滑过渡；波浪形开槽喷射装置的出气部分在进口段采用光滑过渡型面以减小不规则型面的流动损失，在出口段使用直线型面以保证喷射效果。由于缘板是光滑过渡的型面，所以波浪形开槽喷射装置出气部分9的出口在不同位置，出口的实际宽度也不同；本实施例中，设计的原则是在俯视平面下波浪形开槽喷射装置出气部分9的出口为等宽度。

本实施例中，利用转子盘7转动壁面摩擦泵效应夹带的封严气流，在轮缘密封结构3的转动部分底部开孔抽取部分封严气流，并通过波浪形开槽设计将抽取的封严气流在不同的周向位置对于燃气入侵和封严出流产生喷出，从而利用波浪形开槽喷射装置2同时产生对于燃气入侵和封严出流的流动阻力，进而削弱燃气入侵和封严出流的强度。

本实施例中，波浪形开槽喷射装置位于轮缘密封结构的转动部分，主要针对密封腔体出口转子势占主导作用的情况，但是对于密封腔体出口静子占主导作用的情况也有明显的作用；可在轮缘密封结构的静止部分同样针对静子尾缘与压力面作用区域和静子通道吸力面作用区域导致的燃气入侵和封严出流，进行相应的波浪形喷射。

Claims (2)

1.一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构，其特征在于:包括波浪形开槽喷射装置，所述波浪形开槽喷射装置位于轮缘密封结构内部；波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位于轮缘密封结构转动部分的底部，并且波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位置靠近转子盘的转动壁面，波浪形开槽喷射装置出气部分的出口位于轮缘密封结构的缘板，并在缘板上形成波浪形周向分布的喷射，在转子前缘和压力面作用区域靠近转子，在转子吸力面作用区域远离转子，中间部位光滑过渡；

所述波浪形开槽喷射装置分为进气部分和出气部分，进气部分为沿周向分布的进气孔，出气部分为周向分布的出气槽；所述波浪形开槽喷射装置进气部分的进口、出口均为圆形结构，进气部分的出口半径小于进气部分的进口半径，从进口至出口为收缩通道使气流进行加速；所述波浪形开槽喷射装置出气部分的进口段采用光滑过渡型面，在出口段为直线型面，波浪形开槽喷射装置出气部分进口的宽度与进气部分出口的直径相同。

2.根据权利要求1所述的缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构，其特征在于:所述波浪形槽喷射装置进气部分的数目为多个。