CN109458229A - 一种带旁路引气的涡轮盘腔封严结构 - Google Patents

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张维涛
贺进
薛伟鹏
杜鹏
卿雄杰
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Abstract

本发明属于燃气涡轮发动机领域，涉及一种带旁路引气的涡轮盘腔封严结构，包括：设置有内支撑环进气孔的内支撑环组件、前挡板组件、预旋喷嘴、传送所述预旋喷嘴输出的第一路冷气的第一气路和传送所述预旋喷嘴输出的第二路冷气的第二气路，所述带旁路引气的涡轮盘腔封严结构还包括：设置在所述内支撑环组件和所述前挡板组件之间的第三气路；所述第三气路包括：设置在所述内支撑环组件和所述前挡板组件之间的第一封严装置、子气路和旁路引气流路；所述预旋喷嘴输出的第三路冷气经过所述第一封严装置流入子气路和旁路引气流路，所述第三气路输出的气体流向高压涡轮动叶。

Description

一种带旁路引气的涡轮盘腔封严结构
技术领域
本发明属于燃气涡轮发动机领域，涉及一种带旁路引气的涡轮盘腔封严结构。
背景技术
燃气涡轮发动机的工作原理是利用压气机的压缩空气和燃料混合燃烧后产生的高温高压燃气驱动涡轮高速旋转，而涡轮又通过涡轮轴带动压气机，从而形成持续运转。涡轮由静止的导叶(组成静子部件)和转动的动叶(组成转子部件)组成。为保障涡轮转子的可靠运转，避免转静子间的碰磨，在转静子涡轮盘之间都存在一定的间隙。导叶和动叶根部之间轴向和径向间隙的存在，可能导致涡轮通道高温燃气通过该间隙入侵涡轮盘腔，从而造成涡轮盘温度过高而影响涡轮盘的工作安全和使用寿命。因此通常在涡轮盘腔中引入高压压气机出口的冷气作为封严气体，阻止燃气入侵涡轮盘腔，同时也对涡轮盘进行冷却。虽然引入封严冷气可以防止主流燃气入侵烧蚀盘腔，但是由于进入主流通道的封严冷气流速较低，气流预旋角度较小(相比导叶根部出口预旋角度)，封严冷气会在封严缝出口与主流燃气进行强烈的掺混，导致损失增加，涡轮效率降低。随着涡轮转速、涡轮前温度以及效率要求的提高，转静子间封严冷气的低流速和低预旋角度导致的涡轮性能下降日益明显。因此，需要对涡轮转静子间的盘腔封严结构进行优化设计，以满足涡轮性能提高的要求。
发明内容
本发明的目的是：针对目前所用涡轮盘腔封严结构的缺点，本发明实施例提出了一种带旁路引气的新型的涡轮盘腔封严结构，其目的是增加封严缝出口冷气的速度和预旋角度，从而减小封严冷气与主流的掺混，提高涡轮的效率。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
本发明实施例提供一种带旁路引气的涡轮盘腔封严结构，包括：设置有内支撑环进气孔的内支撑环组件、前挡板组件、预旋喷嘴、传送所述预旋喷嘴输出的第一路冷气的第一气路和传送所述预旋喷嘴输出的第二路冷气的第二气路，所述带旁路引气的涡轮盘腔封严结构还包括：设置在所述内支撑环组件和所述前挡板组件之间的第三气路；
所述第三气路包括：设置在所述内支撑环组件和所述前挡板组件之间的第一封严装置、子气路和旁路引气流路；所述预旋喷嘴输出的第三路冷气经过所述第一封严装置流入子气路和旁路引气流路，所述第三气路输出的气体流向高压涡轮动叶。
所述子气路包括：设置在所述子气路中的第二封严装置。
所述旁路引气流路包括：旁路引气槽、转折路径和出气孔；
其中，所述第三路冷气中的部分冷气由所述旁路引气槽流进，经所述折转路径后，由出气孔2高速喷射流出。
所述出气孔与发动机中心线75°夹角。
所述第一封严装置包括：设置在所述内支撑环组件的n篦齿结构和设置在所述前挡板组件的第一蜂窝结构，所述n篦齿结构和所述第一蜂窝结构相互封严，所述n是正整数；
所述第二封严装置包括：设置在所述内支撑环组件的m篦齿结构和设置在所述前挡板组件的第二蜂窝结构，所述m篦齿结构和所述第二蜂窝结构相互封严，所述m是大于n的是正整数。
所述n是1，所述m是3。
本发明的技术效果是：
采用带旁路引气的盘腔封严结构后，封严冷气出口的气流速度和预旋角度增加，可减小与导叶根部出口主流燃气的速度三角形差异，保证动叶根部工作在设计工况，如图4所示。现有盘腔封严结构的封严冷气出口绝对速度大小和方向都与导叶出口主流差异很大，在动叶转速一定的情况下，导致动叶进口的封严冷气相对速度与主流燃气的相对速度差异也大，从而影响动叶工况。采用本发明实施例提供的盘腔封严结构后，封严冷气出口绝对速度大小和方向与主流燃气差异很小，从而保证封严冷气相对动叶进口的相对速度大小和方向与主流差异很小，这样可减小掺混损失，保证动叶根部工作在设计工况。
采用本发明实施例提供的盘腔封严结构后，动叶根部工作在设计工况，动叶通道二次流损失大幅减小。与现有盘腔封严结构相比，可使涡轮效率提高0.5％以上。
本发明实施例结构简单，经济性和可实现性好。
附图说明
图1为现有技术的盘腔封严结构的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种带旁路引气的涡轮盘腔封严结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的内支撑环组件的结构示意图；
图4-a为现有技术的速度三角形的示意图；
图4-b为本发明实施例提供的速度三角形的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
现有的一种典型涡轮盘腔封严结构如图1所示，该结构由A1内支撑环、A2前挡板、A3前挡板进气孔、A4封严篦齿、A5蜂窝结构、A6预旋喷嘴、A7内支撑环进气孔组成。其中A1内支撑环通过卡环与高压涡轮导叶连接，A2前挡板采用快速扣合结构与涡轮动叶连接。该涡轮盘腔封严结构的工作原理是：从压气机前引入的冷气通过A1内支撑环上的A7内支撑环进气孔进入集气腔，经过A6预旋喷嘴的降压加速，分成三股冷气。第一股冷气直接通过A3前挡板进气孔进入动叶集气腔冷却动叶。第二股冷气向下通过A4封严篦齿和A5蜂窝结构组成的封严间隙进入涡轮盘根部冷却涡轮盘。第三股冷气向上通过两处A4封严篦齿和A5蜂窝结构组成的封严间隙，并由转静子间的封严缝进入主流通道，实现对导叶和动叶根部的冷却，以及防止主流高温燃气的入侵。
现有涡轮盘腔封严结构的缺陷是：图1中，第三股冷气经过两级封严篦齿和蜂窝组成的封严结构后，冷气的总压损失较大，冷气速度和冷气的预旋角度都较低，这就与导叶根部主流燃气存在很大差异，导致封严冷气进入到主流通道后会与主流的高速流体存在径向和周向掺混，并使进入动叶根部的主流气体出现很大负攻角状态，导致动叶根部工作在非设计点工况，这会增加动叶根部气流分离的风险以及增强通道二次流损失的强度，最终使涡轮通道的流动损失增加，涡轮效率降低，性能下降。对于高效涡轮而言，这种影响尤其明显。
本发明实施例提出的一种带旁路引气的涡轮盘腔封严结构如图2所示，由B1内支撑环组件和B2前挡板组件组成。与现有盘腔封严结构相比：B1内支撑环组件在A1内支撑环上部增加了旁路引气流路，并将A5蜂窝结构改为三篦齿结构，在A6预旋喷嘴出口增加了单篦齿结构；B2前挡板组件保留了A3前挡板进气孔和下面的双篦齿结构，将A2前挡板上部的三篦齿和单篦齿结构改为两处蜂窝结构。
B1内支撑环组件的详细结构如图3所示。保留了现有盘腔封严结构的A5蜂窝结构、A6预旋喷嘴和A7内支撑环进气孔，新增加1引气槽、2出气孔、3三篦齿结构和4单篦齿结构。其中，出气孔2与发动机中心线成75°夹角，并周向均布若干个斜孔，剖视图如B-B所示。
本发明实施例的涡轮盘腔封严结构工作原理是：从压气机前引入的冷气通过A1内支撑环上的A7内支撑环进气孔进入集气腔，经过A6预旋喷嘴的降压加速，分成三股冷气。第一股冷气直接通过A3前挡板进气孔进入动叶集气腔冷却动叶。第二股冷气向下通过A4封严篦齿和A5蜂窝结构组成的封严间隙进入涡轮盘根部冷却涡轮盘。上面两股冷气与现有盘腔封严结构一致，但第三股冷气在经过由B1内支撑环组件的单篦齿结构与B2前挡板组件的第一蜂窝结构组成的第一封严装置降压增速后分为两路，流路一经过由B1内支撑环组件的双篦齿结构与B2前挡板组件的第二蜂窝结构组成的第二封严装置，由封严缝流出，该路流速低，流量小；流路二冷气由旁路引气槽1流进，气流经过折转后，再由与发动机中心线75°夹角的出气孔2高速喷射流出，实现气流的加速和增加预旋角度。该股带预旋的高速冷气与流路一中的低速低预旋冷气进行掺混，使流出转静子封严缝的封严冷气流速和预旋角度都增加，接近或达到导叶根部出口的流速和预旋角度，减小两者的掺混，使动叶根部进口的气流达到动叶设计状态，从而减小二次流损失，达到增加涡轮做功能力，提高涡轮效率的目的。
如图3所示，本发明实施例工艺可实现性较好。B1内支撑环组件保留了现有盘腔封严结构的A5蜂窝结构、A6预旋喷嘴和A7内支撑环进气孔，新增加1引气槽、2出气孔、3三篦齿结构和4单篦齿结构。B2前挡板组件将A2前挡板上部的三篦齿和单篦齿结构改为两处蜂窝结构。对于B1内支撑环组件采用无余量精密铸造技术加工，保证获得精准的引气槽和出气孔结构。其余部件采用现有制造工艺加工完成。
采用带旁路引气的盘腔封严结构后，封严冷气出口的气流速度和预旋角度增加，可减小与导叶根部出口主流燃气的速度三角形差异，保证动叶根部工作在设计工况，如图4-a和图4-b所示，其中，S是导叶，R是动叶，V是主流绝对速度，U是旋转速度，W是主流相对速度。现有盘腔封严结构的采用带旁路引气的盘腔封严结构后，封严冷气出口的气流速度和预旋角度增加，可减小与导叶根部出口主流燃气的速度三角形差异，保证动叶根部工作在设计工况，如图4-a和图4-b所示，其中，S是导叶，R是动叶，V是主流绝对速度，U-旋转速度，W是主流相对速度，Vseal是封严绝对速度，Wseal是封严相对速度。封严冷气出口绝对速度大小和方向都与导叶出口主流差异很大，在动叶转速一定的情况下，导致动叶进口的封严冷气相对速度与主流燃气的相对速度差异也大，从而影响动叶工况。采用本发明实施例提供的盘腔封严结构后，封严冷气出口绝对速度大小和方向与主流燃气差异很小，从而保证封严冷气相对动叶进口的相对速度大小和方向与主流差异很小，这样可减小掺混损失，保证动叶根部工作在设计工况。
采用本发明实施例提供的盘腔封严结构后，动叶根部工作在设计工况，动叶通道二次流损失大幅减小。与现有盘腔封严结构相比，可使涡轮效率提高0.5％以上。
本发明实施例结构简单，经济性和可实现性好。

Claims (6)

1.一种带旁路引气的涡轮盘腔封严结构，包括：设置有内支撑环进气孔的内支撑环组件、前挡板组件、预旋喷嘴、传送所述预旋喷嘴输出的第一路冷气的第一气路和传送所述预旋喷嘴输出的第二路冷气的第二气路，其特征在于，所述带旁路引气的涡轮盘腔封严结构还包括：设置在所述内支撑环组件和所述前挡板组件之间的第三气路；
所述第三气路包括：设置在所述内支撑环组件和所述前挡板组件之间的第一封严装置、子气路和旁路引气流路；所述预旋喷嘴输出的第三路冷气经过所述第一封严装置流入子气路和旁路引气流路，所述第三气路输出的气体流向高压涡轮动叶。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述子气路包括：设置在所述子气路中的第二封严装置。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述旁路引气流路包括：旁路引气槽、转折路径和出气孔；
其中，所述第三路冷气中的部分冷气由所述旁路引气槽流进，经所述折转路径后，由出气孔2高速喷射流出。
4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述出气孔与发动机中心线75°夹角。
5.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述第一封严装置包括：设置在所述内支撑环组件的n篦齿结构和设置在所述前挡板组件的第一蜂窝结构，所述n篦齿结构和所述第一蜂窝结构相互封严，所述n是正整数；
所述第二封严装置包括：设置在所述内支撑环组件的m篦齿结构和设置在所述前挡板组件的第二蜂窝结构，所述m篦齿结构和所述第二蜂窝结构相互封严，所述m是大于n的是正整数。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述n是1，所述m是3。
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