CN109854307A - 一种新型涡轮凸起封严结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型涡轮凸起封严结构，用于航空发动机涡轮段转静腔，该结构为布置于动盘径向位置的叶片形凸起。该凸起结构可以对盘腔内流体做功，在腔内形成高压带。相比于传统的圆柱形凸起，该结构能更加有效地阻止主流燃气入侵，大幅降低盘腔所需的最小封严冷气流量；在合适的径向位置布置凸起可以降低其引起的附加风阻，是一种能够利用凸起阻止燃气入侵的封严结构，有较好的实用前景。

Description

一种新型涡轮凸起封严结构

技术领域

本发明涉及航空发动机涡轮转静间封严技术领域，尤其涉及一种新型涡轮凸起封严结构。

背景技术

着航空事业的迅猛发展，现代航空发动机的涡轮进口温度以及增压比不断提高，这导致发动机转静盘腔封严系统的泄漏问题也日益严重，发动机设计者通常在封严间隙设计复杂的封严结构来阻止主流高温的燃气通过封严间隙进入盘腔内部恶化涡轮盘的冷却(也就是燃气入侵)。在通常情况下，会在转静系盘腔中通入封严冷气来阻止燃气入侵的发生。如果封严流量较小，会导致主流燃气进入转静腔降低发动机寿命，这种现象称为燃气入侵；但是如果通入过量的封严冷气，会导致主流中真正做功的流体减小。研究表明，入侵燃气在盘腔内有1％的增加，足以降低转盘50％的寿命；另一方面，减少50％的封严冷气量，燃气涡轮的整体效率将提高0.5％，燃油消耗率将减小0.5％。因此，改进与发展高性能封严装对减小耗油率、提高发动机效率有十分重要的使用价值和意义。

以往的研究都是通过研究轮缘封严篦齿来阻止燃气入侵，这些研究对象都是光滑盘腔。然而在实际发动机转静腔中，凸起是十分常见的连接零件，安装在转盘上的凸起对燃气入侵有明显的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型涡轮凸起封严结构，其是基于流体力学原理对凸起进行优化得到一种新型凸起封严结构能够有效的抑制燃气入侵，降低最小封严流量。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种新型涡轮凸起封严结构，包括应用于转静腔内的凸起结构，所述凸起结构为布置于动盘径向位置的叶片型凸起。

进一步的，所述叶片型凸起的高度h为转静间隙S的1/3～2/3，弦长d为转静间隙s的1/3～4/3，叶型弯角θ为10°～70°。

进一步的，所述叶片型凸起安装的径向位置r为动盘半径d的6/10～9/10。

进一步的，所述叶片型凸起沿周向均匀的布置于动盘上。

进一步的，在所述叶片型凸起的数量与尺寸固定的情况下安装在高半径区域。

进一步的，当动盘旋转后，叶片型凸起对腔内流体做功，增加流体速度与总压，从而阻止主流气体入侵盘腔，降低最小封严流量；当转速增加，叶片型凸起对气体做功增加，封严特性随着转速的增加而增强。

其工作原理是通过在动盘壁面周向均匀安装叶片型凸起，凸起随动盘旋转对腔内流体做功，从而增加了流体的切向速度与总压，形成高压流体区域。由于转静腔的压差是影响燃气入侵的主要因素，腔内总压的提升会抑制主流燃气入侵。叶片型凸起相比于传统圆柱形凸起能够更充分的对气体做功，从而在相同工况、凸起迎风面积与安装方式(凸起个数与安装位置)的情况下获得更高的封严效率。

此外，实验研究表明，在凸起数量一定的情况下，安装径向位置越高封严效果越好，而且凸起引起的风阻随着凸起之间的周向距离增加而降低。因此，本发明使用的叶片型凸起，在数量一定的情况下，尽可能的安装在高半径区域，使得在引入风阻的条件下最小获得最高的封严效率。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

1)本发明对转静腔内常见的凸起改进为叶片型凸起，该凸起能够有效地抑制燃气入侵，降低涡轮转静系盘腔需要的最小封严流量，而且随着转速的增加，封严特性增强，最小封严流量降低；

2)本发明对叶片型凸起按照合适的径向位置安装，可以实现在相同工况下下引起最小的风阻，最大程度的降低了凸起引起的风阻。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为本发明结构安装在带有径向封严篦齿转静腔的二维示意图；

图2为叶片型凸起的三维示意图；

图3为叶片型凸起安装在不同半径位置的径向封严效率对比图；

图4为安装叶片型凸起、传统圆柱形凸起盘腔与无凸起盘腔的封严效率对比图；

图5为安装叶片型凸起、传统圆柱形凸起盘腔与无凸起盘腔的总压对比图；

图6为安装叶片型凸起、传统圆柱形凸起盘腔与无凸起盘腔的最小封严冷气流量对比图。

附图标记说明：1、静盘；2、动盘；3、叶片型凸起；4、主流燃气；5、封严冷气。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明的封严结构为叶片型凸起3，将叶片型凸起3周向均匀的安装在带有简单径向封严结构的转静盘腔的动盘2上。

动盘半径为b，间隙比为s；叶片型凸起3的高度h为转静间隙s的1/3～2/3，弦长d为转静间隙s的1/3～4/3，叶型弯角θ为10°～70°，安装的径向位置r为动盘半径d的6/10～9/10。

图3为使用叶片型凸起安装在不同半径位置的径向封严效率对比。可以看出，在相同的凸起个数下，随着安装半径增加，封严效率提升。此外，以往的研究表明，凸起引起的风阻随着凸起间周向距离的增加而降低。因此，在凸起个数一定的条件下，应该尽可能在高半径安装凸起，保证在引起风阻最小的同时获得最高的封严效果。

图4和图5为以相同安装方式(径向位置、数量与迎风面积)不同形状的凸起(叶片型凸起与圆柱形凸起)与光滑盘在相同工况下的封严效率和总压的对比。可以看出，安装叶片型凸起的盘腔能够获得最高的封严效率。相比于传统圆柱形凸起，叶片型凸起能够更充分的对流体做功，提升腔内气体的切向速度与总压，从而得到更好的封严效果。

如图6所示，安装叶片型凸起盘腔的最小封严流量最低，并随着转速的增加而降低。这是由于转速增加，凸起对流体做功增加，能够抵消转盘带来的泵效应的负面影响。而圆柱形凸起在高转速下已经无法抵消泵效应。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种新型涡轮凸起封严结构，其特征在于：包括应用于转静腔内的凸起结构，所述凸起结构为布置于动盘径向位置的叶片型凸起(3)。

2.根据权利要求1所述的新型涡轮凸起封严结构，其特征在于：所述叶片型凸起(3)的高度h为转静间隙S的1/3～2/3，弦长d为转静间隙s的1/3～4/3，叶型弯角θ为10°～70°。

3.根据权利要求2所述的新型涡轮凸起封严结构，其特征在于：所述叶片型凸起(3)安装的径向位置r为动盘半径d的6/10～9/10。

4.根据权利要求1所述的新型涡轮凸起封严结构，其特征在于：所述叶片型凸起(3)沿周向均匀的布置于动盘(2)上。

5.根据权利要求1或4所述的新型涡轮凸起封严结构，其特征在于：在所述叶片型凸起(3)的数量与尺寸固定的情况下安装在所述动盘(2)的高半径区域。

6.根据权利要求1所述的新型涡轮凸起封严结构，其特征在于：当动盘(2)旋转后，叶片型凸起(3)对腔内流体做功，增加流体速度与总压，从而阻止主流气体(4)入侵盘腔，降低最小封严流量(5)；当转速增加，叶片型凸起(3)对气体做功增加，封严特性随着转速的增加而增强。