CN110145373B - 一种非均匀的横纵槽涡轮外环结构 - Google Patents
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Abstract
一种非均匀的横纵槽涡轮外环结构，包括冲击体，冲击体由内壳体、外壳体和连接体组成，在外壳体上设有若干冲击孔，在内壳体的内壁上设置有肋槽，所述肋槽包括周向肋槽和轴向肋槽，在叶栅入口处所述内壳体内壁沿周向设置有周向肋槽，且若干周向肋槽非均匀或均匀分布在内壳体内壁上，在叶栅的出口处所述内壳体内壁沿轴向设置有轴向肋槽，且若干轴向肋槽均匀分布在内壳体内壁上，所述内壳体上开设有若干气膜孔，所述外壳体和内壳体通过连接体固定安装。当燃气通过肋槽时，由于肋槽对燃气有阻碍作用，槽内的燃气速度明显降低。与无肋槽结构的涡轮外环相比，在增加了横纵槽结构后，间隙泄漏流减少了1‑3％。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机涡轮外环结构，特别是涉及一种非均匀的横纵槽燃气轮机涡轮外环结构。
背景技术
燃气轮机通过燃气对涡轮动叶的冲击使动叶转动而输出功，涡轮外环结构将转动的动叶和静止件隔开。在叶栅通道内，燃气温度已经高于涡轮部件的耐温极限，必须对其进行有效的冷却。通常采用气膜冷却的方式对外环进行冷却，将叶栅通道内的高温燃气和外壁面隔开。采用气膜冷却后，叶顶间隙的泄漏流体与通道主流流体掺混，流动非常复杂，一方面，前缘区会形成渗流，造成主流流体的能量损失，另一方面，叶片压力面和吸力面的压差会形成间隙泄漏流，从而干扰叶栅内部主流的正常稳定流动。由于外环表面光滑，叶栅级间压力大，燃气流动速度快，燃气从叶栅入口流向叶栅出口时，会造成燃气的大量泄漏，导致燃气的使用效率和外环的气膜冷却效率降低。为保证叶栅的正常工作，提升燃气的使用率和外环气膜冷却效率，降低运行和维修成本，并保持燃气轮机内部的正常压力，需要对涡轮外环进行改进，减少泄漏量。
发明内容
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种非均匀的横纵槽涡轮外环结构，包括环形的冲击体，冲击体由内壳体、外壳体和连接体组成，在所述外壳体上设有若干冲击孔，在所述内壳体的内壁上设置有肋槽，所述肋槽分为两组，其中一组为周向肋槽，另一组为轴向肋槽，在叶栅入口处所述内壳体内壁沿周向设置有周向肋槽，在叶栅入口处，由于气压较大，燃气的流动速度较大，设置周向肋槽，对燃气流动有密封作用，阻碍燃气沿轴向的流动，提高了燃气的使用效率，且若干周向肋槽非均匀或均匀分布在内壳体内壁上，在叶栅的出口处所述内壳体内壁沿轴向设置有轴向肋槽，在叶栅出口处，设置轴向肋槽，气膜孔的冷气可以沿着肋槽覆盖更大面积，提升气膜冷却效率，且若干轴向肋槽均匀分布在内壳体内壁上，所述内壳体上开设有若干气膜孔，所述外壳体和内壳体通过连接体固定安装。
所述内壳体在轴向肋槽处的气膜孔位于肋槽的槽底或肋槽的封严齿齿顶处。
所述气膜孔的入射角度为15-90°，形状为圆形，内径为0.4-0.8mm，个数为25-60个。
所述冲击孔的个数为25-40个，冲击孔内径为0.5-1mm，所述冲击孔的冲击角度为30-90°。
本发明的有益效果为：
1、在涡轮外环的内壳体上增加了肋槽，并使两组肋槽垂直分布，减少叶顶间隙内的燃气流量，周向分布的肋槽起到对叶栅通道入口燃气的封严作用，阻碍燃气进入叶顶间隙，提高燃气使用效率。在靠近叶栅出口处，将肋槽的排布方向改为轴向，减少叶片压力面向吸力面的燃气泄漏，与无肋槽结构的涡轮外环相比，在增加了横纵槽结构后，涡轮外环的封严性能提升了1-4％。
2、在两种肋槽上保留原有的气膜孔，气膜孔可以均匀排布，也可以不均匀排布。气膜孔的冷气可以沿肋槽流动，肋槽在减少燃气泄漏同时，能够使气膜孔喷出中的冷气覆盖面积更大，提升气膜冷却效率，与无肋槽结构的涡轮外环相比，在增加了横纵槽结构后，冷却性能提升了12-15％。
3、当燃气通过肋槽时，由于肋槽对燃气有阻碍作用，槽内的燃气速度明显降低。为达到同样的冷却效果，在相同密流比的情况下，本结构所需要的冷气量更少。与无肋槽结构的涡轮外环相比，在增加了横纵槽结构后，间隙泄漏流减少了1-3％。
附图说明
图1是涡轮冲击体整体结构的示意图。
图2是涡轮环形的冲击体的局部细节图。
图3是涡轮环形的冲击体局部侧视图。
图4是涡轮环形的冲击体局部仰视图。
图5是周向肋槽侧面局部细节图。
图6是轴向肋槽侧面局部细节图。
1-外壳体，2-内壳体，3-连接体，4-周向肋槽，5-轴向肋槽，6-冲击孔，7-气膜孔，8-叶片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1-图6所示，一种非均匀的横纵槽涡轮外环结构，包括环形的冲击体，冲击体由内壳体2、外壳体1和连接体3组成，在所述外壳体1上设有若干冲击孔6，冲击孔6沿周向且呈两排布置，冲击孔6个数为25-40个，内径为0.5-1mm，冲击孔6的冲击角度为30-90°，当冲击孔6个数少于25个时，每个冲击孔6的进气量会有明显差别，导致冷气分布不均匀，冷却效果不理想；当冲击孔6的个数多于40个时，相同冷气量下的冲击速度较低，冲击冷却效果不明显；当冲击孔6的内径小于0.5mm时，冷气流速过大，导致冷气分布不均匀，影响冷却效果；当冲击孔6内径大于1mm时，导致冷气量过大，冷气消耗过多，在所述内壳体2的内壁上设置有肋槽，所述肋槽分为两组，其中一组为周向肋槽4，另一组为轴向肋槽5，在叶栅入口处所述内壳体2内壁沿周向设置有周向肋槽4，在叶栅入口处，由于气压较大，燃气的流动速度较大，周向肋槽4的设置，对燃气流动有密封作用，阻碍燃气沿轴向的流动，提高了燃气的使用效率，且若干周向肋槽4非均匀或均匀分布在内壳体2内壁上，通过改变周向肋槽4的凹槽和封严齿的宽度使周向肋槽4呈非均匀布置，扩大冷气的覆盖面积，在叶栅的出口处所述内壳体2内壁沿轴向设置有轴向肋槽5，在叶栅出口处，轴向肋槽5的设置，气膜孔7的冷气可以沿着肋槽覆盖更大面积，提升气膜冷却效率，且若干轴向肋槽5均匀分布在内壳体2内壁上，所述内壳体2上开设有若干气膜孔7，气膜孔7沿周向且呈两排布置，其中一排位于周向肋槽4处，另一排位于轴向肋槽5处，所述内壳体2在轴向肋槽5处的气膜孔7位于肋槽的槽底或肋槽的封严齿齿顶处，所述气膜孔7的入射角度为15-90°，形状为圆形，内径为0.4-0.8mm，个数为25-60个，当气膜孔7的个数小于25个时，气膜孔7的冷气无法完全覆盖外环表面，不能达到冷却的效果；当气膜孔7的个数大于60个时，增加了制造成本；在进行气膜冷却时，冷气先通过冲击孔6，再通过气膜孔7，最后覆盖外环表面，使外环与燃气隔开，入射角度最大为90°，当入射角度小于15°时，会破坏外环表面的肋槽结构，导致封严效果失效，也会增加气膜孔7的长度，从而增加通入冷气的难度，气膜孔7的内径应当与通入冷气的冷气量和冷气速度相配合，内径过大时，冷气量增加，相同冷气量下的冷却范围减小；内径过小时，加工难度增大，所述外壳体1和内壳体2通过连接体3固定安装，连接体3起到支撑和连接内壳体2与外壳体1的作用，图中箭头指向为叶栅入口方向。
本发明由于叶尖间隙泄漏流动随动叶转速变化的函数关系比较复杂，当雷诺数较高时泄漏燃气受到相对转速的影响更大，要求主流燃气马赫数大于0.1，动叶转速大于3600转/分钟。
实施例1
叶片8轴向弦长40mm；外壳体1轴向长度为50mm，内壳体2和外壳体1厚度为10mm，连接体3高8mm；冲击孔6内径0.8mm，两排冲击孔6，每排30个，均匀排布，冲击孔6冲击角度为85°；连接体3个数为12个，均匀排布；两排气膜孔7，每排气膜孔7为30个，气膜孔7直径0.5mm；周向肋槽4高度为0.5mm，肋槽间隙为0.2mm，肋槽封严齿宽度为1.3mm，封严齿齿顶倒角为62.5°，周向肋槽4整体长度为25mm，均匀分布于叶栅入口一侧；轴向肋槽5高度为0.5mm，肋槽底部宽度为0.2mm，肋槽封严齿宽度为0.2mm，封严齿的齿顶倒角为62.5°，轴向肋槽5整体长度25mm，均匀分布于叶栅出口一侧。
本实施例适用于主流空气速度为0.4马赫时，涡轮转速18000转/分钟的情况。
实施例2
叶片8轴向弦长40mm；外壳体1轴向长度为50mm，内壳体2和外壳体1厚度为10mm，连接体3高度为8mm；冲击孔6直径0.8mm，两排冲击孔6，每排25个，均匀排布，冲击孔6的冲击角度为90°；连接体3个数为20个，均匀排布；两排气膜孔7，每排气膜孔7为25个，气膜孔7内径0.5mm；周向肋槽4高度为0.5mm，肋槽间隙为0.2mm，肋槽封严齿宽度为0.6mm，封严齿的齿顶倒角为62.5°，周向肋槽4整体长度为20mm，均匀分布于叶栅入口一侧；轴向肋槽5高度为0.5mm，肋槽底部宽度为0.2mm，肋槽封严齿宽度为0.2mm，封严齿的齿顶倒角为62.5°，轴向肋槽5整体长度为30mm，均匀分布于叶栅出口一侧。
本实施例适用于主流空气速度为0.2马赫，涡轮转速15000转/分钟的情况。
实施例3
叶片8轴向弦长40mm；外壳体1轴向长度为50mm，内壳体2和外壳体1厚度为10mm，连接体3高度为8mm；冲击孔6内径0.8mm，两排冲击孔6，每排25个，均匀排布，冲击孔6的冲击角度为80°；连接体3个数为20个，均匀排布；两排气膜孔7，每排气膜孔7为30个，气膜孔7内径0.5mm；周向肋槽4高度为0.5mm，肋槽间隙0.2mm，肋槽封严齿宽度不同，越靠近叶栅入口处宽度越小，最小宽度为0.5mm，最大宽度为1.5mm，向叶栅出口方向依次递增。封严齿齿顶倒角为62.5°，周向肋槽4整体长度为30mm，非均匀分布于叶栅入口一侧；轴向肋槽5高度为0.5mm，肋槽底部宽度为0.2mm，肋槽封严齿宽度为0.2mm，封严齿齿顶倒角为62.5°，轴向肋槽5整体长度为20mm，均匀分布于叶栅出口一侧。
本实施例适用于主流空气速度为0.5马赫，涡轮转速20000转/分钟的情况。
通过上述三个实施例与无肋槽结构的涡轮外环相比，在增加了横纵槽结构后，涡轮外环的封严性能提升了1-4％，间隙泄漏流减少了1-3％，冷却性能提升了12-15％，涡轮外环的封严效果和冷却效果都有了明显提高。
Claims (3)
1.一种非均匀的横纵槽涡轮外环结构，其特征在于，包括环形的冲击体，冲击体由内壳体、外壳体和连接体组成，在所述外壳体上设有若干冲击孔，在所述内壳体的内壁上设置有肋槽，所述肋槽分为两组，其中一组为周向肋槽，另一组为轴向肋槽，在叶栅入口处所述内壳体内壁沿周向设置有周向肋槽，且若干周向肋槽非均匀或均匀分布在内壳体内壁上，在叶栅的出口处所述内壳体内壁沿轴向设置有轴向肋槽，且若干轴向肋槽均匀分布在内壳体内壁上，所述内壳体上开设有若干气膜孔，所述外壳体和内壳体通过连接体固定安装；
所述气膜孔的入射角度为15-90°，形状为圆形，内径为0.4-0.8mm，每排气膜孔的个数为25-60个。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀的横纵槽涡轮外环结构，其特征在于：所述内壳体在轴向肋槽处的气膜孔位于肋槽的槽底或肋槽的封严齿齿顶处。
3.根据权利要求1所述的一种非均匀的横纵槽涡轮外环结构，其特征在于：每排所述冲击孔的个数为25-40个，冲击孔内径为0.5-1mm，所述冲击孔的冲击角度为30-90°。
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