CN107869362A - 轮缘封严结构、涡轮及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轮缘封严结构、涡轮及燃气轮机，其中轮缘封严结构包括设置在动叶(1)根部的第一缘板(3)和第二缘板(4)及设置在导叶(2)根部的第三缘板(5)，第一缘板比第二缘板更靠近动叶，第三缘板伸入第一缘板与第二缘板之间所形成的开口，并至少与第一缘板和第二缘板形成供封严气体流通的第一腔室(8)，第一腔室(8)上设有引射孔(6)，引射孔(6)用于将比封严气体的压力高的高压气体射入第一腔室(8)，以通过高压气体的射流作用带动封严气体流出第一腔室(8)。本发明通过设置引射孔引入高压气体的射流作用，加速封严气体的流动，减少封严气体用量，提高封严效果，降低对封严压差的要求，减少主流燃气的倒灌。

Description

轮缘封严结构、涡轮及燃气轮机

技术领域

本发明涉及封严技术领域，尤其涉及一种轮缘封严结构、涡轮及燃气轮机。

背景技术

燃气轮机的轮缘封严是十分重要的结构。轮缘封严结构一般从压气机引气，对涡轮的轮缘位置进行封严，目的是防止流经涡轮主流的高温燃气倒灌，进入盘腔中，造成对涡轮盘的烧蚀。从压气机引气的量也需要严格控制，引气量过少，有可能导致主流燃气倒灌；引气量过多，对燃气轮机的总体性能会产生影响，因此，合理的安排封严用气量，提高封严效果，是发动机设计中的重要部分。

目前轮缘封严基本采用鱼嘴型封严结构，如图1所示，动叶a1、涡轮盘a3和篦齿盘a7为旋转件，导叶a2为静子件，动叶a1上设有第一缘板a4和第二缘板a5，导叶a2上设有第三缘板a6，第一缘板a4和第二缘板a5与第三缘板a6之间形成鱼嘴型的封严结构，通过第一缘板a4和第二缘板a5分别与第三缘板a6形成的两道封严结构来防止燃气倒灌进入盘腔中。但是，这虽然种结构在一定程度上能够防止主流燃气倒灌，但是封严效果并不是很理想，封严气体用量也较大，为保证封严效果，对封严腔的压差要求较高，因此封严结构仍需进一步改进。

需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种轮缘封严结构、涡轮及燃气轮机，以进一步改善封严效果，降低对封严腔压差的要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种轮缘封严结构，包括设置在动叶根部的第一缘板和第二缘板及设置在导叶根部的第三缘板，所述第一缘板比所述第二缘板更靠近所述动叶，所述第三缘板伸入所述第一缘板与所述第二缘板之间所形成的开口，并至少与所述第一缘板和所述第二缘板形成供封严气体流通的第一腔室，所述第一腔室上设有引射孔，所述引射孔用于将比所述封严气体的压力高的高压气体射入所述第一腔室，以通过所述高压气体的射流作用带动所述封严气体流出所述第一腔室。

进一步地，所述第三缘板与所述第一缘板的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙，所述引射孔设置在对着所述第一间隙的位置。

进一步地，所述引射孔设置在靠近所述第一缘板的下表面的位置，以使所述高压气体能够贴近所述第一缘板的下表面流动。

进一步地，所述第三缘板与所述第一缘板的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙，所述第三缘板伸入所述第一腔室的端部和/或所述第一缘板的下表面设有相对于所述导叶的轴向倾斜的第一倾斜部，以减小所述第一间隙。

进一步地，所述第三缘板与所述第二缘板的上表面之间形成供封严气体流入的第二间隙，所述第三缘板伸入所述第一腔室的端部和/或所述第二缘板的上表面设有相对于所述导叶的轴向倾斜的第二倾斜部，以减小所述第二间隙。

进一步地，所述第一倾斜部包括设置在所述第三缘板伸入所述第一腔室的端部的第一斜齿，所述第一斜齿能够使得所述第一间隙的流通面积在封严气体通过所述第一间隙流出所述第一腔室的方向上由大变小。

进一步地，所述第二倾斜部包括设置在所述第三缘板伸入所述第一腔室的端部的第二斜齿，所述第二斜齿能够使得所述第二间隙的流通面积在封严气体通过所述第二间隙进入所述第一腔室的方向上由大变小。

进一步地，所述第三缘板与所述第一缘板的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙，在所述第三缘板伸入所述第一腔室的端部设有第一斜齿，所述第一斜齿能够使得所述第一间隙的流通面积在封严气体通过所述第一间隙流出所述第一腔室的方向上由大变小；所述第三缘板与所述第二缘板的上表面之间形成供封严气体流入的第二间隙，在所述第三缘板伸入所述第一腔室的端部设有第二斜齿，所述第二斜齿能够使得所述第二间隙的流通面积在封严气体通过所述第二间隙进入所述第一腔室的方向上由大变小。

进一步地，所述第一斜齿的倾斜角度为45～75度，和/或所述第二斜齿的倾斜角度为105～135度。

进一步地，所述第一斜齿和所述第二斜齿在同一条直线上。

进一步地，所述第一斜齿和所述第二斜齿单独制造或者一体成型。

进一步地，所述第一斜齿和所述第二斜齿与所述第三缘板一体成型。

进一步地，所述第一缘板的下表面和/或所述第二缘板的上表面设有蜂窝结构，以减少所述第三缘板与所述第一缘板或所述第二缘板之间的碰摩。

为实现上述目的，本发明还提供了一种涡轮，包括上述的轮缘封严结构。

为实现上述目的，本发明还提供了一种燃气轮机，包括上述的涡轮。

基于上述技术方案，本发明通过在第一腔室上设置引射孔，通过引射孔引入的高压气体的射流作用，可以使封严气体的流动加速，并带动封严气体流出第一腔室，通过引射孔的射流可以减少封严气体用量，提高封严效果；并且，在高压气体的带动下，能够使封严气体更加顺畅地排出至主流燃气中，降低对封严压差的要求，确保封严效果；同时，在高压气体的射流作用下，高压气体和封严气体的流动可以有效减少主流燃气的倒灌，避免涡轮的盘腔受到高温主流燃气的烧蚀。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中轮缘封严结构的示意图。

图2为本发明轮缘封严结构一个实施例的结构示意图。

图3为从本发明轮缘封严结构一个实施例的侧面看引射孔的结构示意图。

图4为从本发明轮缘封严结构一个实施例的另一角度看引射孔的结构示意图。

图中：a1-动叶，a2-导叶，a3-涡轮盘，a4-第一缘板，a5-第二缘板，a6-第三缘板，a7-篦齿盘；

1-动叶，2-导叶，3-第一缘板，4-第二缘板，5-第三缘板，6-引射孔，7-蜂窝结构，8-第一腔室，9-第二腔室，51-第一斜齿，52-第二斜齿。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如前所述，燃气轮机的轮缘封严对于防止燃气倒灌有十分重要作用。若发生燃气倒灌，则对盘腔产生很大的影响，可能会导致盘面温度超过材料的许用温度，导致对盘的烧蚀，引起故障。在燃气封严时，需要保证用于封严的冷气量不得小于轮缘封严的闭锁流量。若封严气小于闭锁流量，可能会导致燃气入侵。

为改善轮缘的封严效果，本发明提出一种改进的轮缘封严结构。如图2所示，为本发明轮缘封严结构的一个实施例的结构示意图。

该轮缘封严结构包括设置在动叶1根部的第一缘板3和第二缘板4及设置在导叶2根部的第三缘板5，其中，第一缘板3比第二缘板4更靠近动叶1，第三缘板5伸入第一缘板3与第二缘板4之间所形成的开口，并至少与第一缘板3与第二缘板4形成供封严气体流通的第一腔室8。

具体来说，第一腔室8由第三缘板5、第一缘板3、第二缘板4以及第一缘板3和第二缘板4之间的部分围成，第一腔室8具有至少两道间隙，以使封严气体流入和流出。

第一缘板3和第二缘板4与第三缘板5形成鱼嘴型的两道封严结构，引自压气机的封严气体从第二腔室9经过第二缘板4与第三缘板5之间形成的第一道封严结构进入第一腔室8，然后经过第一缘板3与第三缘板5之间形成的第二道封严结构流出第一腔室8，在轮缘封严结构的外表面形成冷气层，防止高温主流燃气进入第一腔室8，以保护涡轮的盘腔结构，避免盘腔结构受到高温主流燃气的烧蚀，引起故障。

在第一腔室8上设有引射孔6，引射孔6用于将比封严气体的压力高的高压气体射入第一腔室8，以通过高压气体的射流作用带动封严气体流出第一腔室8。其中，射流作用的原理为：高压高速气流能够带动低压低速的气流流动。

如图3和图4所示，分别为从不同角度看引射孔6的设置位置。引射孔6一般为较小的孔，该引射孔6引入的高压气流通过较小的流动面积排入低压区，可以形成高速流动的气流，以带动低速气流流动。

其中，引射孔6所引入的高压气体来自于压气机，引气位置比封严气体的引气位置更为靠后，只要比封严气体的压力高即可。

引射孔6的个数可以根据需要进行设置，既可以设置一个或两个，也可以设置多个。

通过在第一腔室8上设置引射孔6，通过引射孔6引入的高压气体的射流作用，可以使封严气体的流动加速，并带动封严气体流出第一腔室8，通过引射孔6的射流可以减少封严气体用量，提高封严效果；并且，在高压气体的带动下，能够使封严气体更加顺畅地排出至主流燃气中，降低对封严压差的要求，确保封严效果；同时，在高压气体的射流作用下，高压气体和封严气体的流动可以有效防止主流燃气的倒灌，避免涡轮的盘腔受到高温主流燃气的烧蚀。

具体地，所述第三缘板5与所述第一缘板3的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙(其中，“下表面”指的是第一缘板3的在径向上更靠近涡轮轴线的一面，下文中出现的“上表面”如无特别说明，均是指在径向上相对远离涡轮轴线的一面)，引射孔6设置在对着所述第一间隙的位置，优选地但不限于引射孔6设置在正对着所述第一间隙的位置，这样可以使高压气体从引射孔6射出后带动第一腔室8内的封严气体直接通过第一间隙流出，引射效果更好。

当然，引射孔6也可以设置在偏离第一间隙的位置，只要能够起到加速封严气体和带动封严气体流出第一腔室8的作用即可。

进一步地，引射孔6可以设置在靠近第一缘板3的下表面的位置，以使高压气体能够贴近第一缘板3的下表面流动。即，引射孔6设置在第一缘板3的下根部，此时引射孔6还可以正对第一间隙，使高压气体贴着第一缘板3的下表面直接流出第一腔室8，此过程中高压气体的射流作用可以加速封严气体，并有利于封严气体的顺利流出，降低了对封严压差的要求，同时也可以减少封严气体用量，提升封严效果。

在轮缘封严结构的一个改进实施例中，第三缘板5与第一缘板3的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙，第一间隙即为上述的第二道封严结构，第三缘板5伸入第一腔室8的端部和/或第一缘板3的下表面设有相对于导叶2的轴向倾斜的第一倾斜部，以减小第一间隙。第一间隙的减小，可以使得主流燃气通过第一间隙进入第一腔室8变得更加困难。

其中，导叶2的轴向可以理解为图2中图示方向的水平方向，而图2中图示方向的竖直方向则为导叶2的径向方向，当第三缘板5的主体部分与水平方向平行时，第一倾斜部也可以称为相对于第三缘板5的主体部分倾斜。

作为第一倾斜部的一个优选实施例，第一倾斜部包括设置在第三缘板5伸入第一腔室8的端部的第一斜齿51，第一斜齿51能够使得所述第一间隙的流通面积在封严气体通过所述第一间隙流出所述第一腔室8的方向上由大变小，即第一间隙为缩口结构，封严气体从第一腔室8流出时所经历的流通通道的截面面积由大变小，优选为逐渐变小，相对于现有技术(如图1所示)中的第三缘板结构来说，设置第一斜齿51可以减小第一间隙，有效防止主流燃气的倒灌，但在高压气体的射流作用下，封严气体的流出基本不会受到影响。即，第一间隙的减小使得主流燃气更加难以进入，而封严气体更加容易流出。

在轮缘封严结构的另一改进实施例中，第三缘板5与第二缘板4的上表面之间形成供封严气体流入的第二间隙，第二间隙即为上述的第一道封严结构，第三缘板5伸入第一腔室8的端部和/或第二缘板4的上表面设有相对于导叶2的轴向倾斜的第二倾斜部，以减小第二间隙。第二间隙可以进一步增加主流燃气通过轮缘封严结构的难度。

其中，导叶2的轴向可以理解为图2中图示方向的水平方向，而图2中图示方向的竖直方向则为导叶2的径向方向，当第三缘板5的主体部分与水平方向平行时，第二倾斜部也可以称为相对于第三缘板5的主体部分倾斜。

作为第二倾斜部的一个具体实施例，第二倾斜部包括设置在第三缘板5伸入第一腔室8的端部的第二斜齿52，第二斜齿52的设置不但减小了第二间隙，而且能够使得第二间隙的流通面积在封严气体通过第二间隙进入第一腔室8的方向上由大变小，即第二间隙为缩口结构，封严气体在进入第一腔室8前所经历的流通通道的截面面积由大变小，优选为逐渐变小，这样使得封严气体在进入第一腔室8之前先经过截面积比较大的流通通道进行积聚，然后达到预定的量之后通过截面积较小的第二间隙进入第一腔室8，有利于提高封严气体的流速，改善封严效果。

在轮缘封严结构的又一个改进实施例中，第三缘板5与第一缘板3的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙，在第三缘板5伸入第一腔室8的端部设有第一斜齿51，第一斜齿51能够使得第一间隙的流通面积在封严气体通过第一间隙流出第一腔室8的方向上由大变小；第三缘板5与第二缘板4的上表面之间形成供封严气体流入的第二间隙，在第三缘板5伸入第一腔室8的端部设有第二斜齿52，第二斜齿52能够使得第二间隙的流通面积在封严气体通过第二间隙进入第一腔室8的方向上由大变小。

其中，第一斜齿51的倾斜角度为45～75度，优选地为60度；第二斜齿52的倾斜角度为105～135度，优选地为120度。

第一斜齿51和第二斜齿52还可以在同一条直线上，以使封严气体在第一斜齿51和第二斜齿52之间平滑过渡。

第一斜齿51和第二斜齿52可以单独制造，也可以一体成型。第一斜齿51和第二斜齿52还可以与第三缘板5一体成型。

在工作条件下，由于动叶轮盘的旋转变形或者温升变形等影响，动叶轮盘可能会沿径向伸长，与设置在导叶轮缘5上的第一斜齿51和第二斜齿52发生碰摩，在轮缘封严结构的另一个实施例中，第一缘板3的下表面和/或第二缘板4的上表面设有蜂窝结构7，以减少第三缘板5与第一缘板3或第二缘板4之间的碰摩。

基于上述轮缘封严结构，本发明还提出一种具有上述轮缘封严结构的涡轮。该涡轮可以应用于燃气轮机上。上述轮缘封严结构各个实施例所具备的积极效果同样适用于涡轮及燃气轮机，这里不再赘述。

下面对本发明轮缘封严结构、涡轮及燃气轮机的一个实施例的工作过程进行说明：

如图2所示，燃气轮机的轮缘封严结构一般位于涡轮动叶与导叶第二缘板交汇处，通过提供一定量的高压冷气来防止主流的高温燃气进入盘腔中，以免发生超温现象。

轮缘封严结构主要包括：第一缘板3、第二缘板4和第三缘板5，其中，动叶1的第一缘板3与设置在第三缘板5上的第一斜齿51形成一道篦齿封严结构，第一斜齿51与导叶2轴向的正方向形成120度左右的倾斜角。

在动叶1的第一缘板3的下方开1到2个引射孔6，如图3、图4所示，将动叶1的第二缘板4下方腔的高压气体通过引射孔6排入前方轮缘封严槽(即第一腔室8)内。

第二缘板4的上表面焊接有蜂窝结构7，与设置在第三缘板5上的第二斜齿52形成一道蜂窝篦齿封严结构。第二斜齿52与导叶2轴向的正方向形成60度左右的倾斜角。

该轮缘封严结构的运行机理为：封严气流在从第二腔室9经过第二间隙进入第一腔室8中，气流在第一腔室8中形成涡流后通过第一间隙排入主流燃气中；另一股高压高速气流从引射孔6排入第一腔室8中，该股高速气流紧贴第一缘板3的下方并正对第一间隙流动，在射流的作用下，有效地带动第一腔室8中的气流通过第一间隙进入主流燃气中，提高封严效果。且基于引射原理，高压高速气流能有效地带动低压低速气流流动，能适当地降低封严压差要求，提高封严效率。

通过对本发明轮缘封严结构、涡轮及燃气轮机的多个实施例的说明，可以看到本发明轮缘封严结构、涡轮及燃气轮机实施例至少具有以下一种或多种优点：

1、通过设置引射孔，使高压气体通过小孔面积高速排出至封严腔，通过引射作用有效防止主流燃气倒灌，减少封严气体用量，降低封严压差要求，提高封严效果；

2、通过设置第一倾斜部和第二倾斜部，减小第一间隙和第二间隙，进一步防止主流燃气的倒灌；

3、通过设置蜂窝结构，提高轮缘封严的封严效率，减小由于径向变形导致碰磨带来的风险。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (15)

1.一种轮缘封严结构，其特征在于，包括设置在动叶(1)根部的第一缘板(3)和第二缘板(4)及设置在导叶(2)根部的第三缘板(5)，所述第一缘板(3)比所述第二缘板(4)更靠近所述动叶(1)，所述第三缘板(5)伸入所述第一缘板(3)与所述第二缘板(4)之间所形成的开口，并至少与所述第一缘板(3)和所述第二缘板(4)形成供封严气体流通的第一腔室(8)，所述第一腔室(8)上设有引射孔(6)，所述引射孔(6)用于将比所述封严气体的压力高的高压气体射入所述第一腔室(8)，以通过所述高压气体的射流作用带动所述封严气体流出所述第一腔室(8)。

2.根据权利要求1所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第三缘板(5)与所述第一缘板(3)的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙，所述引射孔(6)设置在对着所述第一间隙的位置。

3.根据权利要求1或2所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述引射孔(6)设置在靠近所述第一缘板(3)的下表面的位置，以使所述高压气体能够贴近所述第一缘板(3)的下表面流动。

4.根据权利要求1所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第三缘板(5)与所述第一缘板(3)的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙，所述第三缘板(5)伸入所述第一腔室(8)的端部和/或所述第一缘板(3)的下表面设有相对于所述导叶(2)的轴向倾斜的第一倾斜部，以减小所述第一间隙。

5.根据权利要求1所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第三缘板(5)与所述第二缘板(4)的上表面之间形成供封严气体流入的第二间隙，所述第三缘板(5)伸入所述第一腔室(8)的端部和/或所述第二缘板(4)的上表面设有相对于所述导叶(2)的轴向倾斜的第二倾斜部，以减小所述第二间隙。

6.根据权利要求4所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第一倾斜部包括设置在所述第三缘板(5)伸入所述第一腔室(8)的端部的第一斜齿(51)，所述第一斜齿(51)能够使得所述第一间隙的流通面积在封严气体通过所述第一间隙流出所述第一腔室(8)的方向上由大变小。

7.根据权利要求5所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第二倾斜部包括设置在所述第三缘板(5)伸入所述第一腔室(8)的端部的第二斜齿(52)，所述第二斜齿(52)能够使得所述第二间隙的流通面积在封严气体通过所述第二间隙进入所述第一腔室(8)的方向上由大变小。

8.根据权利要求1所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第三缘板(5)与所述第一缘板(3)的下表面之间形成供封严气体流出的第一间隙，在所述第三缘板(5)伸入所述第一腔室(8)的端部设有第一斜齿(51)，所述第一斜齿(51)能够使得所述第一间隙的流通面积在封严气体通过所述第一间隙流出所述第一腔室(8)的方向上由大变小；所述第三缘板(5)与所述第二缘板(4)的上表面之间形成供封严气体流入的第二间隙，在所述第三缘板(5)伸入所述第一腔室(8)的端部设有第二斜齿(52)，所述第二斜齿(52)能够使得所述第二间隙的流通面积在封严气体通过所述第二间隙进入所述第一腔室(8)的方向上由大变小。

9.根据权利要求8所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第一斜齿(51)的倾斜角度为45～75度，和/或所述第二斜齿(52)的倾斜角度为105～135度。

10.根据权利要求8所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第一斜齿(51)和所述第二斜齿(52)在同一条直线上。

11.根据权利要求8所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第一斜齿(51)和所述第二斜齿(52)单独制造或者一体成型。

12.根据权利要求8所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第一斜齿(51)和所述第二斜齿(52)与所述第三缘板(5)一体成型。

13.根据权利要求1所述的轮缘封严结构，其特征在于，所述第一缘板(3)的下表面和/或所述第二缘板(4)的上表面设有蜂窝结构(7)，以减少所述第三缘板(5)与所述第一缘板(3)或所述第二缘板(4)之间的碰摩。

14.一种涡轮，其特征在于，包括如权利要求1～13任一项所述的轮缘封严结构。

15.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求14所述的涡轮。