CN109779696B - 一种具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构，转子轮缘端壁与导向器轮缘端壁、辅助封严凸出端壁形成鱼嘴封严结构，辅助封严孔在径向上位于辅助封严凸出端壁的外环面与导向器轮缘端壁的内环面之间，各辅助封严孔相对于涡轮中心线具有向外侧倾斜的仰角α，且辅助封严凸出端壁的外环面、导向器轮缘端壁的内环面、以及转子轮缘端壁的外环面均为与具有与辅助封严孔相同仰角的斜面，且辅助封严孔在周向上对应各涡轮导向器叶片尾缘区域的布置数量及直径，均大于非尾缘区域。本发明针对外流入侵下轮缘处周向压力分布特点，通过辅助封严孔流量分布设计及封严孔仰角的调整进行有效轮缘封严，同时减小封严使用的冷气量，提高了发动机整机性能。

Description

一种具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构

技术领域

本发明涉及地面燃气轮机及航空发动机领域，涉及一种轮缘封严结构，具体的，涉及转静盘腔间轮缘封严结构的改进以增加外流入侵流阻的方式防止燃气倒灌，提升封严效果，减小轮盘热负荷。

背景技术

地面燃气轮机和航空发动机中都存在旋转盘腔结构，其轮缘处易发生主流高温造成燃气倒灌进盘腔，使涡轮盘承受较大热负荷，降低其寿命及可靠性。为抑制燃气入侵，可引入封严冷气进行轮缘的封严，封严气量越大其封严效果越好，但同时会带来整机效率的损失。因此，研究一种能够采用较少冷气量进行有效封严的封严结构十分必要。现有的封严结构中，由于鱼嘴封严结构具有较好的封严效果而被广泛使用，例如中国专利CN201610820605、CN201810431123等都涉及对鱼嘴封严结构的优化：CN201610820605主要聚焦在如何提高轮盘轮缘表面与冷却气体之间的换热效率以及减少二次气流封严气体泄漏入主流时的掺混损失，为此在封严结构件上设计有与轮盘旋转方向具有一定倾斜角度的倾斜孔或者用特有叶型设计所构造的倾斜叶片通道。CN201810431123主要通过引入辅助鱼嘴封严锥筒，改进了高压涡轮转静子间的封严效果，减小了封严结构的加工难度，也减小了高压涡轮静子内环后安装边的热应力。

研究发现，涡轮导向器叶片出口压力变化引起的周向压力不均匀为燃气入侵的一个主要因素。导向器叶片壁面附近边界层内在粘性作用下气体流速低，主流气体流经其尾缘在导向器出口形成局部高压区，一个栅距内远离叶片壁面区域则气体流速高，主流流出形成低压区。因此，周向一个栅距内主流压力系数呈现波动趋势，尾缘处为压力系数峰值，两导向器叶片中间区域为压力系数谷值。这样的主流非均匀压力分布下主流与盘腔内压力差沿周向也呈现周期性变化，轮缘在周向上燃气入侵程度必然不同。目前的现有技术，如中国专利CN201610820605等，其在封严结构件上的倾斜孔主要是与轮盘旋转方向设置一定的倾斜角度，该方向的倾斜角度以及倾斜孔的设置位置并没有考虑到主流非均匀压力分布下主流与盘腔内压力差沿周向的周期性变化，因而一定程度上仍然存在二次空气系统引气量较大的问题，影响了发动机整机性能。因此，需要针对轮缘处燃气入侵机理及流动结构进行具有流动结构适应性的封严结构设计，提出一种在有效抑制外流诱导入侵下产生的周向非均匀燃气入侵现象的同时尽量减少空气系统冷气量的封严方法。

发明内容

针对上述技术需要，本发明提出了一种具有流动结构适应性的带辅助封严孔的鱼嘴封严结构，针对外流入侵下轮缘处周向压力分布特点，通过辅助封严孔周向流量分布设计及封严孔俯仰角度的调整进行有效轮缘封严，同时减小封严使用的冷气量。

为实现上述技术目标，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构，包括涡轮导向器、涡轮转子和辅助封严结构件，其中，

所述涡轮导向器，包括一竖直环板、周向分布在所述竖直环板外围的多个涡轮导向器叶片，所述竖直环板的径向外边缘处设置一轴向向外凸出的环形导向器轮缘端壁，所述竖直环板上沿周向开设若干辅助封严孔，

所述辅助封严结构件，包括一环形板主体，所述环形板主体通过连接件固定连接在所述竖直环板上，所述环形板主体径向外边缘处设置一轴向向外凸出的环形辅助封严凸出端壁，所述辅助封严孔在径向上位于所述辅助封严凸出端壁的外环面与所述导向器轮缘端壁的内环面之间，

所述涡轮转子，在轴向上位于所述涡轮导向器的下游，包括周向分布的涡轮转子叶片、轴向向外凸出的转子轮缘端壁，所述转子轮缘端壁在轴向上与所述导向器轮缘端壁、辅助封严凸出端壁相对布置，并在径向上位于所述导向器轮缘端壁、辅助封严凸出端壁之间，所述转子轮缘端壁与所述导向器轮缘端壁、辅助封严凸出端壁形成鱼嘴封严结构，

其特征在于，

各所述辅助封严孔相对于涡轮中心线具有向外侧倾斜的仰角α，且所述辅助封严凸出端壁的外环面、所述导向器轮缘端壁的内环面、以及所述转子轮缘端壁的外环面均为与具有与所述辅助封严孔相同仰角的斜面，

且所述辅助封严孔在周向上对应各所述涡轮导向器叶片尾缘区域的布置数量及直径，均大于非尾缘区域。

本发明的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构中，带有辅助封严孔的双层封严结构的转静盘腔之间的轮缘封严存在两股封严气：主要封严气由低半径位置处进入盘腔，先冷却涡轮盘心位置，再沿轮盘向上流动封严轮缘位置处。辅助封严气由辅助封严孔喷出，用于增加轮缘处倒灌燃气的流动阻力，提高封严效果。其中辅助封严气可由燃烧室二股气流引入，缩短引气路径，提高冷气利用效率。

辅助封严孔沿周向数量及大小的分布由流动结构决定。由于主流燃气经过涡轮导向器叶片在其尾缘区域局部压力偏高，燃气倒灌现象更严重，辅助封严孔在此区域内的数量或大小相应增加。而远离尾缘区域导向器出口主流压力较小，甚至小于封严气在轮缘该区域处的压力不发生燃气倒灌，故辅助封严孔在此区域内的数量或大小可相应减少，以减少封严冷气用量。

可选择的，针对燃气倒灌现象不严重的盘腔结构，所述辅助封严孔沿周向均匀分布，其数目与所述涡轮导向器叶片的数目相等，周向上一一布置在各所述涡轮导向器叶片的尾缘出口处，用于冲击该处倒灌燃气。

可选择的，针对产生较严重倒灌的盘腔结构，所述辅助封严孔沿周向上大小非均匀分布，其数目为所述涡轮导向器叶片数目的2倍，周向上各所述涡轮导向器叶片尾缘出口处辅助封严孔直径较大，相邻两直径较大的辅助封严孔之间布置直径较小的辅助封严孔。通过辅助封严孔的直径大小沿周向的分布调整，调节辅助封严气沿周向流量分布，将封严气集中于燃气入侵严重区域，减少非严重倒灌区域的冷气消耗。

优选的，所述辅助封严孔的仰角为5°～20°。由于入侵燃气为径向向内流动，带有仰角的辅助封严孔可使封严气带有径向向外速度分量，增强对入侵燃气的阻遏。且在该角度范围内仰角越大，对侵入高温主流燃气的流动阻力越强，封严效果越好。但过大的仰角会使封严气汇入主流时与主流流动发生掺混，影响下游主流流动和涡轮性能。具体仰角需结合应用结构进一步仿真分析得到。某些发动机结构中转子轮缘端壁外环面为斜面，该结构下辅助封严孔的仰角可与转子轮缘端壁外环面倾斜角度一致，相应的，轮缘内环面和辅助封严结构件的外环面均应设计为具有相同角度的斜面。

优选的，所述辅助封严孔在径向上的高度位置应低于所述转子突出轮缘端壁的外环面径向高度，所述转子轮缘端壁可阻遏辅助封严孔出流进入主流发生掺混的现象。

本发明提出的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构与现有封严结构相比具有以下优势：(1)将辅助封严气集中用于易发生倒灌的腔内压力显著小于主流燃气的局部区域，提升封严效果；(2)辅助封严孔的减少和直径调整带来封严气量的减少，二次空气系统引气量减少可提高发动机整机性能；(3)辅助封严孔减少使得孔与孔之间间距变大，提高结构可靠性；(4)带仰角的辅助封严孔设计可增大入侵高温燃气流阻，增强对燃气的封严作用；(5)辅助封严孔封严气由燃烧室二股气流引出，引气路径短，气体沿程损失小，冷却效率高。

附图说明

图1为本发明的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构示意图；

图2为本发明的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构局部放大图；

图3为涡轮导向器出口尾缘主流高温燃气沿周向一个栅距内的静压系数分布曲线图；

图4为本发明的周向均匀分布辅助封严孔示意图；

图5为本发明的周向非均匀分布辅助封严孔示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构，包括涡轮导向器1，涡轮转子2及辅助封严结构3。涡轮导向器1包括凸出的导向器轮缘端壁101、竖直环板102、位于竖直环板102上的并沿周向分布的多个辅助封严孔103和周向分布的涡轮导向器叶片104。涡轮转子2包括凸出的转子轮缘端壁201、涡轮转盘202和周向分布的涡轮转子叶片203，其中，转子轮缘端壁201与导向器轮缘端壁101相对布置。辅助封严结构3包括一环形板主体、位于环形板主体高半径周向边缘并向外凸出的辅助封严凸出端壁301及用于连接导向器竖直环板102和环形板主体的螺栓302。导向器轮缘端壁101、辅助封严凸出端壁301、转子轮缘端壁201交错布置形成鱼嘴封严结构，竖直环板102上开有辅助封严孔103，辅助封严孔103在径向上位于导向器轮缘端壁101、辅助封严凸出端壁301之间，且辅助封严孔103的出口正对鱼嘴封严空腔。

封严方式为在由低半径盘心位置的主要封严气进行封严的基础上，引入辅助封严气强化封严效果。其中主要封严气由低半径位置处进入盘腔，先冷却涡轮盘心位置，再沿轮盘向上流动封严轮缘位置处。辅助封严气由双层封严结构中的辅助封严孔103喷出，用于增加轮缘处倒灌燃气的流动阻力，提高封严效果。基于该封严结构，为缩短引气路径，该股辅助封严气体由燃烧室二股气流引出，提高冷气利用效率。

为使得辅助封严气带有与入侵高温燃气径向流动方向相反的速度分量，提高入侵燃气流动阻力，本发明在现有技术的基础上对辅助封严孔的角度设置方向重新进行了优化，主要是使得辅助封严孔103的设计带有相对于中心线向外侧倾斜的仰角α，其角度至在5°到20°之间，如图2所示。由于入侵燃气为径向向内流动，带有俯仰角的封严孔可使封严气带有径向向外速度分量，增强对入侵燃气的阻遏。且在该角度范围内俯仰角度越大，对侵入高温主流燃气的流动阻力越强，封严效果越好。但过大的俯仰角会使封严气汇入主流时与主流流动发生掺混，影响下游主流流动和涡轮性能。具体俯仰角度需结合应用结构进一步仿真分析得到。为适应辅助封严孔103的角度开设方向及与其相对应的气流方向，在进行设计时，应保证导向器轮缘端壁101的内环面、辅助封严凸出端壁301的外环面和转子轮缘端壁201的外环面即外流道面均为角度为α的斜面设计。此外，辅助封严孔在径向上的高度位置应略低于转子突出轮缘端壁的外环面径向高度，转子轮缘端壁可起到一定的阻遏辅助封严孔出流进入主流发生掺混的作用。

此外，针对涡轮导向器叶片出口尾缘主流燃气局部压力系数高的流动结构导致的主流与盘腔压差周向分布不均匀现象(如图3所示，一个栅距内，主流压力系数先增大后减小，在导向器尾缘处达到峰值)，在主流燃气经过涡轮导向器尾缘局部压力偏高、燃气倒灌现象更严重的区域，辅助封严孔数量或大小相应增加。而远离尾缘区域导向器出口主流压力较小，甚至小于封严气在轮缘该区域处的压力而不发生燃气倒灌，辅助封严孔在此区域内的数量或大小可相应减少，以减少封严冷气用量。对于燃气倒灌现象不严重的盘腔采用结构一，如图4所示，辅助封严孔103沿周向均布，与涡轮导向器叶片一一对应，每一辅助封严孔103在周向上布置时均位于一涡轮导向器叶片的尾缘位置。对于燃气倒灌严重的盘腔采用结构二，如图5所示，竖直环板102上开有第一辅助封严孔1031和第二辅助封严孔1032，辅助封严孔1031的直径至少为第二辅助封严孔1032的两倍。第一辅助封严孔1031在周向上一一布置在各涡轮导向器叶片的尾缘位置，从而在倒灌严重区域提供较大辅助封严流量，第二辅助封严孔1032位于相邻两第一辅助封严孔1031中间，为非严重倒灌区域提供补充封严气。通过辅助封严孔的直径大小沿周向的分布调整，调节辅助封严气沿周向流量分布，将封严气集中于燃气入侵严重区域，减少非严重倒灌区域的冷气消耗。

由于不同结构下涡轮导向器叶片的叶形不同，形成的导向器出口局部高压力系数区域面积也有所不同，进而导致不同程度的高温燃气倒灌现象。所以针对不同结构特点，也可根据其导向器出口一个栅距内的压力系数变化曲线给出适应其主流流动结构的开孔轮缘封严结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构，包括涡轮导向器、涡轮转子和辅助封严结构件，其中，

所述涡轮导向器包括一竖直环板以及周向分布在所述竖直环板外围的多个涡轮导向器叶片，所述竖直环板的径向外边缘处设置一轴向向外凸出的环形导向器轮缘端壁，所述竖直环板上沿周向开设若干辅助封严孔，

所述辅助封严结构件包括一环形板主体，所述环形板主体通过连接件固定连接在所述竖直环板上，所述环形板主体径向外边缘处设置一轴向向外凸出的环形辅助封严凸出端壁，所述辅助封严孔在径向上位于所述辅助封严凸出端壁的外环面与所述导向器轮缘端壁的内环面之间，

所述涡轮转子在轴向上位于所述涡轮导向器的下游，包括周向分布的涡轮转子叶片和轴向向外凸出的转子轮缘端壁，所述转子轮缘端壁在轴向上与所述导向器轮缘端壁和辅助封严凸出端壁相对布置，并在径向上位于所述导向器轮缘端壁与辅助封严凸出端壁之间，所述转子轮缘端壁与所述导向器轮缘端壁及辅助封严凸出端壁形成鱼嘴封严结构，

其特征在于，

各所述辅助封严孔相对于涡轮中心线具有向外侧倾斜的仰角，且所述辅助封严凸出端壁的外环面和所述导向器轮缘端壁的内环面以及所述转子轮缘端壁的外环面均具有与所述辅助封严孔相同仰角的斜面，

且所述辅助封严孔在周向上对应各所述涡轮导向器叶片尾缘区域的布置数量及直径均大于非尾缘区域。

2.根据权利要求1所述的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构，其特征在于，针对燃气倒灌现象不严重的盘腔结构，所述辅助封严孔沿周向均匀分布，其数目与所述涡轮导向器叶片的数目相等，周向上一一布置在各所述涡轮导向器叶片的尾缘出口处，用于冲击该处倒灌燃气。

3.根据权利要求1所述的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构，其特征在于，针对产生严重倒灌的盘腔结构，所述辅助封严孔沿周向上大小非均匀分布，其数目为所述涡轮导向器叶片数目的2倍，相邻两直径大的辅助封严孔之间布置直径小的辅助封严孔。

4.根据权利要求1所述的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构，其特征在于，所述辅助封严孔的仰角为5°~20°。

5.根据权利要求1所述的具有流动结构适应性的开孔轮缘封严结构，其特征在于，所述辅助封严孔在径向上的高度位置低于所述转子轮缘端壁的外环面径向高度，所述转子轮缘端壁用以阻遏辅助封严孔出流进入主流发生掺混的现象。

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