CN107762963B - 一种用于压气机级间的双重径向封严结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压气机级间的双重径向封严结构，属于航空发动机压气机应用领域。当气流通过进口轴向封严段后，经过第一径向封严段和第二径向封严段；两个径向封严段由三个挡片组成，一个挡片加工在静子冠上，两个挡片设置在压气机轮毂上,三个环形挡片在周向剖面上均为矩形，挡片侧端导圆角；三个挡片沿径向的高度不同，在不同的径向位置交替排列组成双重径向封严结构；同时，轮毂上的两个环形挡片旋转，增大进口转静盘腔的旋流，用于阻碍泄漏流的流过。双重径向封严结构易于加工实现。双重径向封严结构通过挡片和径向间隙双重封严阻碍气流的流入，增大气流的流动阻力，可有效地降低压气机级间泄漏流量，提高压气机的效率。

Description

一种用于压气机级间的双重径向封严结构

技术领域

本发明涉及航空发动机压气机应用技术领域，具体地说，涉及一种用于压气机级间的双重径向封严结构。

背景技术

在航空发动机中，压气机常用带冠静子叶片来防止叶片过大的振动，在转子轮毂上一般都有缺槽来容放静子冠，通常将这个主流流道内部转子和静子之间的区域称为压气机级间。随着压气机主流压力的升高，气流会通过级间反向泄漏。为了防止过多的气流从级间间隙泄漏，在转子轮毂和静子冠之间常用篦齿进行封严。这股气流会引起主流流量减少，干扰压气机主流的气动特性，降低压气机效率。另外，级间的风阻温升和旋流发展会影响叶根的强度、振动以及压气机转静子的热分析精度。

压气机级间封严一般由进口轴向封严、进口转静盘腔、篦齿封严、出口转静盘腔和出口轴向封严组成。为了减小泄漏，常规的方法都是减小篦齿的齿顶设计间隙。但是，间隙过小，级间气流温升严重，从而使得级间处转静子升温明显，通过实验测量高压压气机级间位置壁面的最高温度会达到比压气机主流气体温度高120K。温升较大，转子和静子变形量较大，篦齿与静子容易产生严重的剐蹭，降低压气机的寿命，甚至会产生危险。另外，由于转子线速度大，气流温度高，刷式密封等新型封严结构的应用也相当困难。

随着发动机循环参数的不断提高，只通过减小篦齿的齿顶间隙来降低级间泄漏流量，提高压气机效率是很困难的。级间的进出口轴向封严和进出口盘腔对泄漏流的流动特性也有较大影响。如何在较大的齿顶间隙下，减小泄漏流量是保证压气机效率和防止篦齿严重剐蹭的重要途径，这就为压气机级间的设计提出了更高的要求。

发明内容

为了减小压气机级间的泄漏流量，提高压气机的效率，同时避免篦齿发生剐蹭，本发明提出一种用于压气机级间的双重径向封严结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括前级转子叶片、静子叶片、静子冠、后级转子叶片、轮毂、进口轴向封严段、进口转静盘腔、篦齿封严段、出口转静盘腔、出口轴向封严段、第一径向封严段、第二径向封严段、第一挡片、第二挡片、第三挡片，压气机的主流经前级转子叶片和静子叶片后，气流由静子冠和后级转子叶片之间的缝隙经级间封严反向流回；压气机级间封严由进口轴向封严段、进口转静盘腔、篦齿封严段、出口转静盘腔和出口轴向封严段组成，封严篦齿加工在轮毂上，为转动部件；静子叶片和静子冠为静止部件；进口转静盘腔和出口转静盘腔为转-静系；气流通过进口轴向封严段后，经过第一径向封严段与第二径向封严段，其特征在于，所述第一径向封严段与所述第二径向封严段由第一挡片、第二挡片和第三挡片组成，第一挡片位于静子冠上，第二挡片和第三挡片设置在压气机轮毂上,第一挡片、第二挡片和第三挡片均为环形，挡片在周向剖面上为矩形，第一挡片、第二挡片和第三挡片沿径向的高度不同，在不同的径向位置交替排列组成双重径向封严结构，用于阻碍气流的泄漏流。

所述第一挡片、第二挡片和第三挡片侧端导圆角。

有益效果

本发明提出的一种用于压气机级间的双重径向封严结构，通过挡片和径向间隙对气流的阻碍，可有效地降低压气机级间泄漏流量，提高压气机的效率。

其次，降低级间泄漏流量的常规方法是减小级间篦齿封严处的齿顶间隙。但在级间处，旋转壁面较长，气流的风阻温升明显，高转速下转子和静子的升温和径向位移量较大。由于旋转带来的离心力的存在，转子的径向位移量大于静子。这样会使得齿顶间隙较小时，篦齿很容易与静子冠发生剐蹭。在转速和温升较大时，剐蹭严重，篦齿盘容易产生裂纹甚至使发动机产生故障。

本发明用于压气机级间双重径向封严结构，可在篦齿间隙不变或较大的情况下，降低压气机级间泄漏流量，同时避免级间篦齿与静子冠发生剐蹭。此外，双重径向封严结构易于加工，易于实现，为压气级的级间设计提出了新的思路。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种用于压气机级间的双重径向封严结构作进一步详细说明。

图1为压气机级间结构示意图。

图2为常规级间结构周向截面轮廓图。

图3为本发明双重径向封严结构的周向截面轮廓图。

图4为本发明双重径向封严级间结构三维图。

图5为常规级间结构速度流线图。

图6为带双重径向封严级间结构速度流线图。

图中:

1.前级转子叶片 2.静子叶片 3.静子冠 4.后级转子叶片 5.轮毂 6.进口轴向封严段 7.进口转静盘腔 8.篦齿封严段 9.出口转静盘腔 10.出口轴向封严段11.第一径向封严段 12.第二径向封严段 13.第一挡片 14.第二挡片 15.第三挡片

a进出口轴向封严间隙 b进出口转静盘腔宽度 c篦齿齿顶间隙

h进出口转静盘腔高度 R齿顶半径

具体实施方式

本实施例是一种用于压气机级间的双重径向封严结构。双重径向封严结构是指气流径向流动时，两个由径向间隙阻挡气流的封严结构。双重径向封严结构增加在级间的进口轴向封严之后，通过双重径向封严阻碍气流的流入，增大气流的流动阻力，从而降低泄漏流量，提高压气机的效率。

参阅图1～图2，在压气机级间结构中，压气机的主流经过前级转子叶片1和静子叶片2后压力升高。由于压差的存在，气流会由静子冠3和后级转子叶片4之间的缝隙经级间封严反向流回。压气机级间封严由进口轴向封严段6、进口转静盘腔7、篦齿封严段8、出口转静盘腔9和出口轴向封严段10组成。封严篦齿8加工在轮毂5上，为转动部件；静子叶片2和静子冠3为静止部件；进口转静盘腔7和出口转静盘腔9为转-静系。

常规级间结构中，进出口轴向封严间隙为a，进出口转静盘腔宽度为b，进出口转静盘腔高度为h。常规级间结构中封严篦齿是主要的封严件，为了减小泄漏流量，一般都是减小篦齿齿顶间隙c。然而，小间隙时，运行过程中篦齿与静子冠容易产生剐蹭，降低压气机的寿命，甚至使篦齿盘产生裂纹，导致发动机故障。另外，齿顶半径R也是级间结构中的重要参数，由于转子离心变形和热变形，发动机运行过程中，齿顶半径R是变化的。

参阅图3～图4，本实施例用于压气机级间的双重径向封严结构，气流通过进口轴向封严段6后，经过第一径向封严段11与第二径向封严段12。第一径向封严段11与第二径向封严段12由第一挡片13、第二挡片14和第三挡片15组成，第一挡片13加工在静子冠3上，第二挡片14和第三挡片15设置在压气机轮毂5上。气流流入级间后，经过两次环形挡片的阻挡而通过两重径向封严，增大流动阻力，有效降低压气机级间的泄漏流量。另外，轮毂5上的第二挡片14和第三挡片15为旋转部件，增大进口转静盘腔7的旋流，用于阻碍泄漏流的流过。第一挡片13、第二挡片14和第三挡片15均为环形，挡片在周向剖面上为矩形结构，，易于加工。第一挡片13、第二挡片14和第三挡片15沿径向的高度不同，在不同的径向位置交替排列组成双重径向封严结构；用于阻碍气流的泄漏流。本实施例中，压气机安装顺序为先安装转子叶片，然后装入带冠静子叶片。所以第一挡片13、第二挡片14和第三挡片15的高度不能影响带冠静子叶片的的安装。在加工时,第一挡片13、第二挡片14和第三挡片15侧端均导圆角。

实施例

本实施例中，对于某高压压气机级间结构，对比分析常规级间结构和带双重径向封严级间结构封严性能差异。

级间结构几何参数如下:

进出口轴向封严间隙a为1.5mm，进出口转静盘腔宽度b为10mm，进出口转静盘腔高度h为20mm，篦齿齿顶间隙c为0.5mm，齿顶半径R为250mm。

根据CFD数值模拟，可得到转速8000rpm时如图5所示的常规级间结构速度流线图和图6所示的带双重径向封严级间结构速度流线图。从图5中可以看到，常规级间结构中，在气流流入进口转静盘腔，由于轮毂转动，转子壁面附近的气流径向外流，静子壁面附近的气流径向内流，并在盘腔中形成一个较大的顺时针方向旋涡。随后气流受到篦齿封严的阻挡，增大气流的流动阻力。在出口转静盘腔，气流大部分被卷吸到转子面径向外流，并顺势从出口轴向封严流出盘腔；部分气流沿静子面径向内流，并在盘腔中形成逆时针的旋涡。从图6中可以看到，气流沿进口轴向封严段流入后，经过环形第二挡片的阻挡通过第一径向封严段，随后经过第一挡片和第三挡片的阻挡而通过第二径向封严段。有效地增大了气流的流动阻力，降低泄漏流量。此外，双重径向封严使级间结构不只通过减小齿顶间隙来降低泄漏流量，为压气级的级间设计提出新的思路,用来降低压气机级间泄漏流量，同时,避免级间篦齿与静子冠发生剐蹭。

下表为通过CFD数值模拟得到的不同压比下常规级间结构和带双重径向封严级间结构泄漏流量的对比。从表中可以看出，不同压比下，带双重径向封严级间结构的泄漏流量均小于常规级间结构时的泄漏流量。带双重径向封严级间结构使泄漏流量降低19％左右。所以，双重径向封严结构，通过挡片和径向封严的阻挡可有效的增大气流的流动阻力，降低级间泄漏流量。

泄漏流量对比(ω＝8000rpm)

Claims (1)

1.一种用于压气机级间的双重径向封严结构，包括前级转子叶片、静子叶片、静子冠、后级转子叶片、轮毂、进口轴向封严段、进口转静盘腔、篦齿封严段、出口转静盘腔、出口轴向封严段、第一径向封严段、第二径向封严段、第一挡片、第二挡片、第三挡片，压气机的主流经前级转子叶片和静子叶片后，气流由静子冠和后级转子叶片之间的缝隙经级间封严反向流回；压气机级间封严由进口轴向封严段、进口转静盘腔、篦齿封严段、出口转静盘腔和出口轴向封严段组成，封严篦齿加工在轮毂上，为转动部件；静子叶片和静子冠为静止部件；进口转静盘腔和出口转静盘腔为转-静系；气流通过进口轴向封严段后，经过第一径向封严段与第二径向封严段，其特征在于:

所述第一径向封严段与所述第二径向封严段由第一挡片、第二挡片和第三挡片组成，第一挡片位于静子冠上，第二挡片和第三挡片设置在压气机轮毂上,第一挡片、第二挡片和第三挡片均为环形，挡片在周向剖面上为矩形，第一挡片、第二挡片和第三挡片沿轴向的高度不同，在不同的径向位置交替排列组成双重径向封严结构，用于阻碍气流的泄漏流；所述第一挡片、第二挡片和第三挡片侧端导圆角。

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