CN108643974A - 燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构 - Google Patents

燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，该局部球凹非轴对称端壁造型结构设置在燃气透平转‑静盘腔与径向轮缘密封结构的燃气透平高压级的动叶前缘下端壁处，通过端壁造型轴向控制线与端壁造型周向控制线对动叶前缘下端壁进行非轴对称端壁造型。该局部球凹非轴对称端壁造型结构形成的局部球凹端壁能够使主流气体在动叶前缘上游形成一个近壁面涡，从而有效地减小轮缘密封出口附近主流周向的压力波动，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。同时较小的局部凹陷程度将因端壁造型而增加的效率损失控制在了一个很小的程度，对透平整体运行影响很小。

Description

燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构
技术领域
本发明涉及一种非轴对称端壁造型结构，特别涉及在具有转-静盘腔结构的燃气透平及高温蒸汽透平高压级中使用的，一种具有减少盘腔燃气入侵作用的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构。
背景技术
在航空发动机、重型燃气轮机、超临界以及超超临界蒸汽轮机等轴流式叶轮机械中，高温气体流过高压级静叶后，由于静叶尾迹与动叶前缘的相互作用，在转静部件间隙附近形成周向交替出现并随动叶转动不断变化的高压与低压区域。在高压区域，透平转静盘腔内部压力小于主流，同时低压区域透平转静盘腔内部压力大于主流，由此形成周向间断的燃气入侵现象。为防止燃气入侵导致的涡轮盘过热，工程中主要采用向盘腔内通入从压气机引出的低温气体以及采用更先进的透平结构等方法来解决。
端壁造型结构设置在具有转-静盘腔的燃气透平高压级的动叶前缘下端壁处，对动叶前缘下端壁进行非轴对称端壁造型。通过使动叶前缘下端壁局部凹陷的方法降低动叶前缘高压区大小，减少主流压力波动，从而减少燃气入侵，有利于提高涡轮盘的安全性能。研究表明在动叶前缘进行端壁造型可以有效地改变局部压力，而端壁造型的造型结构会对其性能产生显著的影响。凹壁面端壁造型会导致动叶前缘处局部压力降低，减少主流周向压力波动，减少盘腔燃气入侵；凸壁面端壁造型会导致动叶前缘滞止区域前移，增大局部压力，增大主流周向压力波动，增加盘腔燃气入侵。同时，动叶前缘的端壁造型相比于轴对称端壁设计提高了动叶总压损失，设计时需综合考虑减少的燃气入侵效果与增加的效率损失。目前为减少盘腔燃气入侵的结构优化多是针对密封结构本身，通过改变密封内部的流动以求减少封严所需的冷气量，而改变主流端壁结构降低主流周向压力波动的研究较少。因此，能够更为有效减小燃气入侵程度的新型端壁造型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
本发明的目的在于针对端壁造型减少盘腔燃气入侵，改善轮盘传热稳定性和提高机组效率的要求，提供了一种燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，使其能够在动叶前缘上游形成一个近壁面控制涡，从而有效地减小轮缘密封出口附近主流周向的压力波动，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。
本发明采用如下技术方案予以实现的：
燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，该局部球凹非轴对称端壁造型结构设置在燃气透平转-静盘腔与径向轮缘密封结构的燃气透平高压级的动叶前缘下端壁处；该局部球凹非轴对称端壁造型结构在动叶前缘下端壁处具有局部非轴对称造型，且局部球凹非轴对称端壁造型结构在动叶前缘下端壁具有局部球凹造型。
本发明进一步的改进在于，该局部球凹非轴对称端壁造型结构的端壁最大凹陷位置位于动叶前缘处。
本发明进一步的改进在于，端壁最大凹陷的深度为透平旋转动叶叶高的2-8％。
本发明进一步的改进在于，该局部球凹非轴对称端壁造型结构的端壁造型轴向控制线与端壁造型周向控制线使用连续函数构建而成。
本发明进一步的改进在于，端壁造型轴向控制线根据正弦、余弦函数，B样条，或者根据主流通道压力分布得到。
本发明进一步的改进在于，端壁造型周向控制线根据正弦、余弦函数，B样条，或根据主流通道压力分布得到。
本发明进一步的改进在于，端壁造型轴向控制线和端壁造型周向控制线分别采用函数A1和函数A2来构建：
式中，b为动叶前缘下端壁处半径；h为端壁最大凹陷的深度；z为端壁造型的轴向坐标；z1为燃气透平转-静盘腔与动叶前缘下端壁相交处的轴向坐标；z2为动叶前缘的轴向坐标；θ为端壁造型的周向角度；θ0为动叶前缘的周向角度；θ1为局部球凹非轴对称端壁造型结构造型边缘的周向角度。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明的总体技术思路是给传统的透平高压级单级轮缘密封系统的动叶前缘下端壁处进行局部球凹端壁造型，局部球凹端壁与动叶一一对应。局部球凹端壁造型使得近壁面处本应在动叶前缘滞止的主流向下流动进入端壁凹陷处，形成一个近壁面周向涡；近壁面涡大大降低了局部压力，减少了动叶前缘下端壁的高压区与盘腔内的压力梯度。通过降低主流周向压力波动的方法，达到提高密封封严性能和改善轮盘传热稳定性的目的。
实现上述目的所采用的技术方案是在具有转-静盘腔的透平高压级的动叶前缘下端壁处进行局部球凹的非轴对称端壁造型。
具体特征包括：
1)局部球凹端壁位置。
局部球凹端壁造型位于动叶前缘下端壁处，与动叶一一对应，其最大凹陷位于动叶前缘处。
2)局部球凹端壁凹陷程度。
采用数值模拟的方法，根据带轮缘密封的高压透平级的运行工况(如压气机冷气量、涡轮盘转速、主流透平级进出口压力)，以提升轮缘密封封严效率与控制主流总压损失为优化目标，对局部球凹端壁凹陷程度进行优化，从而确定最优的局部球凹端壁造型。
3)局部球凹端壁造型方法。
端壁造型的周向和轴向控制线均采用连续的余弦函数构建。
综上所述，本发明的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，可有效地减少主流下端壁转静间隙处的压力波动，减少主流高压区压力，从而显著地提高轮缘密封的封严性能，改善密封涡轮盘的传热稳定性，提高燃气透平的经济性。本发明的端壁结构对目前叶轮机械的带转-静盘腔的高压级具有普遍适用性。
附图说明
图1是本发明径向轮缘密封结构在燃气透平高压级中的相对配合安装示意图；
图2是本发明局部球凹非轴对称端壁造型结构的三维结构图。
图3为图2的局部放大图。
图4是传统单级透平轮缘密封结构的子午面结构图。
图5是本发明具有局部球凹非轴对称端壁造型的端壁造型轴向控制线的单级透平轮缘密封结构子午面示意图。
图6是本发明具有局部球凹非轴对称端壁造型的端壁造型周向控制线的A-A截面示意图。
图7是本发明叶片型线与局部球凹非轴对称端壁造型结构轴向与周向控制线的示意图。
图中：1为燃气透平转-静盘腔，2为径向轮缘密封结构，3为透平静叶喷嘴，4为透平旋转动叶，5为动叶前缘下端壁，6为局部球凹非轴对称端壁造型结构，7为端壁造型轴向控制线，8为端壁造型周向控制线，9为端壁最大凹陷，10为动叶前缘。
具体实施方式
以下结合附图和技术原理对本发明作进一步的详细说明。
参见图1至图7，本发明提供的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，该局部球凹非轴对称端壁造型结构6设置在燃气透平转-静盘腔1与径向轮缘密封结构2的燃气透平高压级的动叶前缘下端壁5处；对动叶前缘下端壁5进行非轴对称端壁造型，使得动叶前缘下端壁5局部凹陷，端壁最大凹陷9处位于动叶前缘10。
具体来说，参见图2至图4，与传统单级透平轮缘密封结构不同，本发明提供的局部球凹非轴对称端壁造型结构6是根据端壁造型轴向控制线7和端壁造型周向控制线8对动叶前缘下端壁5进行改动。参见图5至图7，为了保持端壁面的光滑，在端壁造型轴向控制线7和端壁造型周向控制线8均采用了连续的余弦函数来构建，并保证动叶前缘10位置为端壁最大凹陷处。其中端壁造型轴向控制线7和端壁造型周向控制线8分别采用函数A1和函数A2来构建。
式中，b为动叶前缘下端壁5处半径；h为端壁最大凹陷9的深度；z为端壁造型的轴向坐标；z1为燃气透平转-静盘腔1与动叶前缘下端壁5相交处的轴向坐标；z2为动叶前缘10的轴向坐标；θ为端壁造型的周向角度；θ0为动叶前缘10的周向角度；θ1为局部球凹非轴对称端壁造型结构6造型边缘的周向角度。
为了对本发明进一步了解，现对其工作原理做出如下说明：
参见图2、3及图5、6，在透平机械中，主流在动叶前缘10滞止形成马蹄涡流动，因此在动叶前缘10形成一个滞流高压区。局部球凹非轴对称端壁造型结构6使得本应在动叶前缘10滞止的气流向下流动，形成一个明显顺时针涡，极大地降低了动叶前缘10附近的压力，减小了轮缘密封处的周向压力波动。通过降低主流周向压力波动的方法，达到减少盘腔燃气入侵和改善轮盘传热稳定性的目的。
为了对发明进一步了解，现对其工作过程做一说明：
本发明提供的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，工作时，通过透平静叶喷嘴3的主流高温气流流向透平旋转动叶4，并在动叶前缘10处形成局部高压，但由于局部球凹非轴对称端壁造型结构6的存在，近壁面的滞止气流向下流动填补增加的流动空间，形成明显的顺时针涡。涡的存在降低了局部的压力波动，减小局部主流压力与燃气透平转-静盘腔1内部的压力梯度，从而减少通过径向轮缘密封结构2的主流高温燃气的数量，提高封严效率。
数值模拟结果已初步证明了本发明局部球凹非轴对称端壁造型结构6能够有效地控制燃气入侵的流量，能够显著地提高盘腔封严效率。

Claims (7)

1.燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，其特征在于，该局部球凹非轴对称端壁造型结构(6)设置在燃气透平转-静盘腔(1)与径向轮缘密封结构(2)的燃气透平高压级的动叶前缘下端壁(5)处；该局部球凹非轴对称端壁造型结构(6)在动叶前缘下端壁(5)处具有局部非轴对称造型，且局部球凹非轴对称端壁造型结构(6)在动叶前缘下端壁(5)具有局部球凹造型。
2.根据权利要求1所述的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，其特征在于，该局部球凹非轴对称端壁造型结构(6)的端壁最大凹陷(9)位置位于动叶前缘(10)处。
3.根据权利要求1所述的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，其特征在于，端壁最大凹陷(9)的深度为透平旋转动叶(4)叶高的2-8％。
4.根据权利要求1所述的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，其特征在于，该局部球凹非轴对称端壁造型结构(6)的端壁造型轴向控制线(7)与端壁造型周向控制线(8)使用连续函数构建而成。
5.根据权利要求4所述的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，其特征在于，端壁造型轴向控制线(7)根据正弦、余弦函数，B样条，或者根据主流通道压力分布得到。
6.根据权利要求4所述的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，其特征在于，端壁造型周向控制线(8)根据正弦、余弦函数，B样条，或根据主流通道压力分布得到。
7.根据权利要求4所述的燃气透平动叶前缘下端壁的局部球凹非轴对称端壁造型结构，其特征在于，端壁造型轴向控制线(7)和端壁造型周向控制线(8)分别采用函数A1和函数A2来构建：
式中，b为动叶前缘下端壁处半径；h为端壁最大凹陷的深度；z为端壁造型的轴向坐标；z1为燃气透平转-静盘腔与动叶前缘下端壁相交处的轴向坐标；z2为动叶前缘的轴向坐标；θ为端壁造型的周向角度；θ0为动叶前缘的周向角度；θ1为局部球凹非轴对称端壁造型结构造型边缘的周向角度。
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