CN109653808B - 一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构，该径向轮缘密封结构(2)设置在燃气透平转‑静盘腔(1)内，包括互相配合的径向密封外齿(5)和径向密封内齿(6)；其中，径向密封内齿(6)的内齿上端面(7)均匀开设有若干内齿槽(8)。本发明提供的一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构，能够有效地减小高温燃气入侵的程度，改善轮缘密封的封严性能，从而避免涡轮盘过热失效，同时还可以降低从压气机处引入的低温冷却气流的使用量，进而使得机组的效率得以提高。

Description

一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构

技术领域

本发明涉及一种轮缘密封结构，具体涉及一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构，用于燃气透平及高温蒸汽透平转-静盘腔间隙处，具有减少盘腔燃气入侵的作用。

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叶轮机械中，主流流道高温气体流过静叶喷嘴后，由于受到动静尾迹和动叶势位流场的共同作用，会在转-静部件中间区域沿周向交替形成高压流动区以及低压流动区。在高压流动区处因主流流道压力高于涡轮盘腔内部压力，会发生高温燃气入侵的现象。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。面对燃气入侵现象引起涡轮盘过热失效问题，目前工程中主要通过从压气机级引入冷却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。

轮缘密封安装在由静叶隔板与旋转涡轮盘等转静部件所构成的转-静盘腔的边缘处，通过增加高温燃气侵入涡轮盘的流动阻力，从而阻遏燃气入侵，因而对涡轮盘的安全性能具有重要作用。研究表明在轮盘轮缘位置设置轮缘密封可以有效的减少高温燃气入侵量，而密封的几何结构会对其性能产生显著影响。目前常用的轮缘密封结构有轴向密封，径向密封等。根据安装位置的不同又分为涡轮盘前腔轮缘密封以及涡轮盘后腔轮缘密封。研究表明：在涡轮盘内，由于转盘泵送效应，从压气机引入的冷气流会沿着静盘上升，会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够显著减小燃气入侵程度，同时增强冷气流和入侵高温气流的掺混程度也能够使得燃气入侵程度减小。目前实际工程应用中通常采用径向轮缘密封代替传统的轴向轮缘的方法能够减小燃气入侵的程度，但是减小程度有限。研究表明：相比于使用轴向密封结构，采用径向密封时，由于径向密封内齿的设置可以迫使沿动盘面上升的冷气流向静盘面流动，从而使得入侵气流与冷气流在由径向密封内齿构成的密封径向间隙内充分混合，两股气流掺混程度较大，因而可以保证涡轮盘内温度水平较低。虽然采用径向密封结构能够在一定程度上减小燃气入侵程度，但效果有限。

发明内容

本发明的目的在于针对轮缘密封提高其封严性能，改善燃气透平轮盘传热稳定性和提高机组效率的要求，提供了一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构，使其能够有效地增加入侵流在密封间隙处的流动阻力，同时使得冷气流和入侵流高效地掺混，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来实现的：

一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构，该径向轮缘密封结构设置在燃气透平转-静盘腔内，包括互相配合的径向密封外齿和径向密封内齿；其中，径向密封内齿的内齿上端面均匀开设有若干内齿槽。

本发明进一步的改进在于，内齿槽槽宽取值范围为3～5mm，内齿槽槽深取值范围为 2～4mm。

本发明进一步的改进在于，当内齿槽倾斜角度在0°与90°之间时，内齿槽为斜向槽，且内齿槽的沟槽方向与透平静叶喷嘴出口气流方向一致。

本发明进一步的改进在于，当内齿槽倾斜角度为0°时，内齿槽为周向槽，周向槽的槽数由内齿槽槽宽、内齿槽槽间隔板厚度和内齿长度共同决定，多个周向槽等宽或者不等宽。

本发明进一步的改进在于，当内齿槽倾斜角度为90°时，内齿槽为轴向槽。

本发明进一步的改进在于，内齿槽槽间由内齿槽槽间隔板隔开，内齿槽槽间隔板厚度为 1mm。

本发明进一步的改进在于，径向密封内齿的内齿上端面上设置有内齿槽前端挡板，且内齿槽前端挡板厚度为1mm。

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在传统的径向轮缘密封结构内齿面上设置内齿槽结构。入侵燃气流经过内齿槽结构时由于密封结构的改变，流动结构随之改变，从而增加入侵流在密封间隙的流动阻力，密封的阻滞作用增强，入侵流的动能耗散增加。通过增加入侵流在密封间隙处的流动阻力，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转-静盘腔的边缘安装带内齿槽的径向轮缘密封，即在径向轮缘密封内齿上端面开设内齿槽的密封结构。

进一步的，本发明还具有如下优点：

1)径向齿面内齿槽。

内齿槽设置在径向密封齿的内齿上端面处，沟槽方向与透平静叶喷嘴出口气流方向一致。

2)内齿槽结构。

采用数值模拟的方法，根据轮缘密封的运行工况(如压气机冷气量、涡轮盘转速、主流透平级进出口压力)，以密封封严效率最高为优化目标，对内齿槽的槽深、槽宽和倾斜角度进行优化，从而确定最优的内齿槽结构。

3)内齿槽前端挡板。

在内齿上端面上设置内齿槽前端挡板，阻挡入侵气流从内齿槽直接进入盘腔内部。

综上所述，本发明的增强阻尼作用的新型轮缘密封结构，可有效地增加密封间隙处入侵流的流动阻力，同时还可以增强冷气流与入侵流的掺混强度，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。本发明的内齿槽轮缘密封结构对目前叶轮机械的转静部件所构成的燃气透平转-静盘腔封严具有普遍适用性。

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(a)-2(c)是本发明径向轮缘密封结构的三维结构图，其中，图2(a)为径向内齿上端面内齿槽结构的安装位置示意图，图2(b)为径向内齿上端面内齿斜向槽结构的安装位置示意图，图2(c)为径向内齿上端面内齿周向槽结构的安装位置示意图，图2(d)为径向内齿上端面内齿轴向槽结构的安装位置示意图；

图3是传统径向轮缘密封结构的子午面结构图；

图4(a)-4(c)是本发明具有内齿槽的径向轮缘密封结构剖视图，图4(a)为内齿斜向槽在内齿面装配位置子午面示意图，图4(b)为显示内齿斜向槽结构的A-A截面示意图，图4(c)为内齿周向槽在内齿面装配位置子午面示意图，图4(d)为内齿轴向槽在内齿面装配位置子午面示意图，图4(e)为显示内齿轴向槽结构的A-A截面示意图；

图5(a)-5(c)是本发明内齿槽在内齿面装配位置的俯视图，图5(a)为内齿斜向槽在内齿面装配位置的俯视图，图5(b)内齿周向槽在内齿面装配位置的俯视图，图5(c)内齿轴向槽在内齿面装配位置的俯视图；

附图标记说明：

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为径向密封外齿，6为径向密封内齿，7为内齿上端面，8为内齿槽，9为内齿槽槽深，10为内齿槽前端挡板，11为内齿槽前端挡板厚度，12为密封内齿厚度，13为内齿槽槽间隔板，14为内齿槽槽宽，15为内齿槽槽间隔板厚度，16为内齿槽倾斜角度，17为内齿长度。

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5(c)，本发明提供的一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构，该径向轮缘密封结构2设置在燃气透平转-静盘腔1内，包括相互配合的径向密封外齿5和径向密封内齿6；其中，在径向密封内齿6的内齿上端面7上均匀开设有若干内齿槽8；当内齿槽倾斜角度16 为0°时，内齿槽8为周向槽，当内齿槽倾斜角度16为90°时，内齿槽8为轴向槽，当内齿槽倾斜角度16在0°与90°之间时，内齿槽8为斜向槽，其沟槽方向与静叶出口气流方向一致。

具体来说，参见图2(a)-(c)、3，与传统径向轮缘密封不同，本发明提供的内齿槽径向轮缘密封，在径向密封内齿6上有结构的改动，即在内齿上端面7设置内齿槽8，但径向密封外齿5 保持不变。径向轮缘密封结构2采用独立加工后组装的加工方法。

参见图4(a)-(c)、5(a)-5(c)，内齿槽8均匀分布在内齿上端面7上。内齿槽8的沟槽方向与透平静叶喷嘴3出口气流方向一致，内齿槽倾斜角度16取值范围为0°～90°。内齿槽槽宽14取值范围为3～5mm，内齿槽槽间隔板厚度15为1mm，内齿槽槽深9取值范围由密封内齿厚度12决定，最大允许的内齿槽槽深9与密封内齿厚度12的差值应大于1mm，此处密封内齿厚度12为 5mm，内齿槽槽深9取值范围为2～4mm。内齿上端面7上内齿槽前端挡板厚度11为1mm。当内齿槽倾斜角度16为0°时，内齿槽8为周向槽，周向槽的槽数由内齿槽槽宽14、内齿槽槽间隔板厚度15和内齿长度17共同决定，多个周向槽等宽，也可以不等宽。内齿槽8在内齿径上端面7的加工时，采用直接开槽的加工方法。

为了对本发明进一步的了解，现对其工作原理做出如下说明：

参见图2(a)-2(c)，在涡轮盘内，由于转盘泵送效应，从压气机引入的冷气流会沿着静盘上升，同时入侵燃气流会沿着盘面进入燃气透平转-静盘腔1内，两股气流在密封间隙处相遇并掺混。研究表明：增加入侵流在盘面的流动阻力能够显著减小燃气入侵程度，同时增强冷气流和入侵高温流的掺混程度，并能够使得燃气入侵程度减轻。通过增加入侵流在密封间隙处的流动阻力和保证冷气流和入侵流高效的掺混方法，达到提高密封封严性能和改善轮盘传热稳定性的目的。

本发明的内齿槽8是通过阻滞入侵高温燃气流，增加入侵流向盘腔内流动的流动阻力，从而达到提高密封封严性能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。

本发明提供的一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构，工作时，入侵的主流高温燃气，从透平静叶喷嘴3流向透平旋转动叶4，进入燃气透平转-静盘腔1后，会受到开设在径向密封内齿6的内齿上端面7的内齿槽8的高阻尼作用，入侵高速气流的动能会在内齿槽8内耗散减弱逐渐转化为热能，从而使得入侵涡轮盘内区的程度降低。

数值模拟结果已初步证明了本发明的内齿槽8能够有效地控制燃气入侵的流量，能够显著地提高轮缘密封的封严有效性。

Claims (1)

1.一种具有内齿槽的径向轮缘密封结构，其特征在于，该径向轮缘密封结构（2）设置在燃气透平转-静盘腔（1）内，包括互相配合的径向密封外齿（5）和径向密封内齿（6）；其中，径向密封内齿（6）的内齿上端面（7）均匀开设有若干斜向或轴向的内齿槽（8）；

内齿槽槽宽（14）取值范围为 3~5mm，内齿槽槽深（9）取值范围为 2~4mm；

当内齿槽倾斜角度（16）在 0°与 90°之间时，内齿槽（8）为斜向槽，且内齿槽（8）的沟槽方向与透平静叶喷嘴（3）出口气流方向一致；当内齿槽倾斜角度（16）为 90°时，内齿槽（8）为轴向槽；

内齿槽（8）槽间由内齿槽槽间隔板（13）隔开，内齿槽槽间隔板厚度（15）为1mm；内齿槽（8）在径向密封内齿（6）的内齿上端面（7）加工时，采用直接开槽的加工方法；

径向密封内齿（6）的前端设置有一体的内齿槽前端挡板（10），且内齿槽前端挡板厚度（11）为1mm。

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