CN110608069B - 选取透平轮缘密封结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种选取透平轮缘密封结构的方法，选取透平轮缘密封结构的方法，包括以下步骤：依据主流热燃气特征参数计算以半经验系数K表示的无量纲闭锁临界密封流量c_w.min，依据密封冷气最大供应量q_max计算无量纲最大密封流量c_max；根据所述无量纲最大密封流量c_max大于所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min，获得所述半经验系数K的限定；根据每个密封结构对应的K值以及所述半经验系数K的限定选取所述透平轮缘密封结构。本发明的选取透平轮缘密封结构的方法，流程便捷，能够提高透平轮缘密封结构的设计效率，减少设计周期。

Description

选取透平轮缘密封结构的方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体地涉及一种选取透平轮缘密封结构的方法。

背景技术

燃气轮机是一种低排放、低污染的核心发电设备。燃气轮机的透平内的部件主要包括压气机、燃烧器和透平，其中，透平静叶工作在高温主流燃气中，若该高温主流燃气进入透平轮盘腔室的内部，危害整机安全性。为此，通常从压气机抽取少量高压低温冷气，该冷气既能够冷却轮盘，也能够密封透平轮缘以阻止高温主流燃气入侵至腔室内部。

用于冷却和密封的冷气量不能过多也不能过少，过多的冷气量则会造成热效率的降低，过少的冷气量不能足以起到冷却和密封作用。因此，设计简单实用、密封高效的透平轮缘的密封是十分必要的。

发明内容

为此，本发明提出一种选取透平轮缘密封结构的方法,该密封结构的选取方法流程便捷，能够提高透平轮缘密封结构的设计效率，减少了设计周期。

根据本发明的实施例的选取透平轮缘密封结构的方法，包括以下步骤：

依据主流热燃气特征参数计算以半经验系数K表示的无量纲闭锁临界密封流量c_w.min，依据密封冷气最大供应量q_max计算无量纲最大密封流量c_max；

根据所述无量纲最大密封流量c_max大于所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min，获得所述半经验系数K的限定；

根据每个密封结构对应的K值以及所述半经验系数K的限定选取所述透平轮缘密封结构。

根据本发明实施例的选取透平轮缘密封结构的方法，流程便捷，能够在初始设计阶段即可选取合适的轮缘密封结构，提高了透平轮缘密封结构的设计效率，减少了设计周期，且主要考虑主流热燃气特征参数对闭锁临界流量的影响，提高了透平轮缘的密封效果。

在一些实施例中，依据主流热燃气特征参数计算以半经验系数K表示的无量纲闭锁临界密封流量c_w.min包括：

确定所述透平轮缘密封结构的最小径向间隙y_min；

计算所述透平轮缘的密封位置的所述主流热燃气的周向压力幅值系数c_p.max和主流雷诺数Re_z，根据所述最小径向间隙y_min计算无量纲最小径向密封间隙G_c；

根据所述周向压力幅值系数c_p.max、所述主流雷诺数Re_z和所述无量纲最小径向密封间隙G_c计算所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min。

在一些实施例中，所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min由以下公式得出：

在一些实施例中，所述无量纲最大密封流量c_max依据公式：

c_max＝q_max/μ₂R

得出，根据所述无量纲最大密封流量c_max大于所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min得出所述半经验系数K的限定：

其中，R为所述透平轮缘的半径，μ₂为所述透平轮缘的密封位置的密封冷气动力密度。

在一些实施例中，所述选取透平轮缘密封结构的方法还包括：若所述主流雷诺数Re_z小于等于所述预定比较值δ，对所述半经验系数K的限定进行修正。

在一些实施例中，修正所述半经验系数K的限定的修正系数λ为：

修正后的所述半经验系数K的限定为：

其中，Re_w为旋转雷诺数。

在一些实施例中，所述旋转雷诺数Re_w根据公式：Re_w＝ρ₂ωR²/μ₂得出，其中，ρ₂为所述透平轮缘的密封位置的密封冷气密度，ω为所述透平内的轮盘的旋转角速度。

在一些实施例中，所述周向压力幅值系数c_p.max依据公式：

得出，其中，p_hub,max为所述透平轮缘的密封位置的最大压力，p_hub,min为所述透平轮缘的密封位置的最小压力，ρ₁为所述透平轮缘的密封位置的主流热燃气密度，ν₁为所述透平轮缘的密封位置的主流热燃气速度。

在一些实施例中，所述主流雷诺数Re_z依据公式：

Re_z＝ρ₁ν₁R/μ₁

得出，其中，R为所述透平轮缘的半径，μ₁为所述透平轮缘的密封位置的主流动力粘度。

在一些实施例中，所述无量纲最小径向密封间隙G_c依据公式：

G_C＝y_min/R得出。

附图说明

图1是现有技术中燃气轮机的透平的结构示意图；

图2是透平轮缘密封结构一的结构示意图；

图3是透平轮缘密封结构二的结构示意图；

图4是透平轮缘密封结构一的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的选取透平轮缘密封结构的方法的流程图。

附图标记：

透平壳体1，轮盘2，静叶3，动叶4，静止缘板5，密封环6，环形齿7。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，燃气轮机的透平包括透平壳体1、轮盘2、多个静叶3和多个动叶4。轮盘2、多个静叶3和多个动叶4均设在透平壳体1内，且多个静叶3以环绕方式设在透平壳体1的内壁上，静叶1的内端设有静止缘板5，多个动叶4以环绕方式设在轮盘2上，轮盘2的外端设有密封环6，密封环6的外周面具有环形齿7，环形齿7与静止缘板5形成透平轮缘密封结构，用以密封静叶3和动叶4之间的间隙。更进一步地，静止缘板5的内周面也可以具有环形齿7，密封环6的外周面可以具有一个环形齿7，也可以具有多个环形齿7，以形成不同的透平轮缘密封结构。其中，图2、3、4分别示出了三种不同的透平轮缘密封结构。

其中，透平轮缘密封结构的半经验系数K是反应密封效果的参数，K值越小，表明密封效果越好，透平轮缘密封结构越复杂。因此，不同的透平轮缘密封结构对应不同的K值。具体地，表一示出了图2-4中三种不同轮缘密封结构的可参考的K值。

表一不同轮缘密封结构的K值

根据本发明的实施例的选取透平轮缘密封结构的方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1、根据透平机组确定透平轮缘密封结构的最小径向间隙y_min和密封冷气最大供应量q_max；

S2、计算透平轮缘的密封位置的主流热燃气的周向压力幅值系数c_p.max和主流雷诺数Re_z，根据最小径向间隙y_min计算无量纲最小径向密封间隙G_c，其中，主流热燃气的周向压力幅值系数c_p.max代表了轮缘密封位置处压力的周向不均匀度；

S3、根据周向压力幅值系数c_p.max、主流雷诺数Re_z和无量纲最小径向密封间隙G_c计算无量纲闭锁临界密封流量c_w.min，由于周向压力幅值系数c_p.max和主流雷诺数Re_z均为主流热燃气的特征参数，则无量纲闭锁临界密封流量c_w.min是依据主流热燃气特征参数计算得出。

可以理解的是，无量纲闭锁临界密封流量c_w.min代表了透平轮缘密封结构能够达到有效密封所需的无量纲流量最小值；依据密封冷气最大供应量q_max计算无量纲最大密封流量c_max，无量纲最大密封流量c_max代表了透平轮缘密封结构可以供给的无量纲流量最大值。

具体地，无量纲闭锁临界密封流量c_w.min和无量纲最大密封流量c_max分别由以下公式：

c_max＝q_max/μ₂R

计算得出。

进一步地，周向压力幅值系数c_p.max由公式：

计算得出。可以理解的是，本发明并不限于此，例如周向压力幅值系数c_p.max还可以由公式：

计算得出。本实施例中，周向压力幅值系数c_p.max采用公式：

得出。

更进一步地，主流雷诺数Re_z由公式：Re_z＝ρ₁ν₁R/μ₁计算得出；无量纲最小径向密封间隙G_c由公式：G_C＝y_min/R计算得出；

其中，p_hub,max为透平轮缘的密封位置的最大压力，p_hub,min为透平轮缘的密封位置的最小压力，ρ₁为透平轮缘的密封位置的主流热燃气密度，ν₁为透平轮缘的密封位置的主流热燃气速度，R为透平轮缘的半径，μ₁为透平轮缘的密封位置的主流动力粘度，μ₂为透平轮缘的密封位置的密封冷气动力密度，Ω为轮盘旋转的角速度。

可以理解的是，且上述的最大压力p_hub,max、最小压力p_hub,min、主流热燃气密度ρ₁和主流热燃气速度ν₁可以通过透平通流设计结果或者根据透平三维仿真计算结果获得。

S4、根据无量纲最大密封流量c_max大于无量纲闭锁临界密封流量c_w.min，获得半经验系数K的限定：

可以理解的是，该半经验系数K的限定即为满足密封要求的判断准则，此外，由于无量纲闭锁临界密封流量c_w.min代表了透平轮缘密封结构能够达到有效密封所需的无量纲流量最小值，无量纲最大密封流量c_max代表了透平轮缘密封结构可以供给的无量纲流量最大值，为实现有效密封，防止主流热燃气的入侵，应该使得无量纲最大密封流量c_max＞无量纲闭锁临界密封流量c_w.min。

S5、对半经验系数K的限定进行修正：如果主流雷诺数Re_z大于预定比较值δ，则忽略旋转雷诺数Re_w的影响，步骤S4中的半经验系数K的限定不需要修正；如果主流雷诺数Re_z小于等于预定比较值δ，则需要充分考虑旋转雷诺数Re_w对无量纲闭锁临界密封流量c_w.min的影响，由此需要修正半经验系数K的限定，且修正后的半经验系数K的限定为：

具体地，预定比较值δ为0.4×106，如果主流雷诺数Re_z大于0.4×106，则忽略旋转雷诺数Re_w的影响，一般重型燃机主流雷诺数均大于0.4×106，则半经验系数K的限定：

旋转雷诺数Re_w根据公式：Re_w＝ρ₂ωR²/μ₂得出，其中，ρ₂为透平轮缘的密封位置的密封冷气密度，ω为透平内的轮盘的旋转角速度。

S6、根据步骤S4或S5中得出的半经验系数K值的取值范围选取合适的透平轮缘密封结构。可以理解的是，每个透平轮缘密封结构具有唯一的与其对应的半经验系数K值，根据上述步骤得出的半经验系数K的限定的右侧的值的取值范围越大，则可以选择的密封结构形式越多。假设将步骤S4中K半经验系数K的限定的右侧的

或者

定义为M，则K<M，若是根据上述步骤得出的M值越大，可选择的密封结构形式也就越多。

具体地，假设根据上公式得出的M＝0.7，只要密封结构对应的K值小于0.7，均可选取为该透平轮缘密封结构。可以理解的是，在具体的选择轮缘密封结构时，以满足密封要求且结构简单为宜。

可以理解的是，根据本发明实施例的选取透平轮缘的密封结构的方法，首先根据透平机组情况确定最小径向间隙y_min和密封冷气最大供应量q_max，并通过最小径向间隙y_min和密封冷气最大供应量q_max分别计算无量纲闭锁临界密封流量c_w.min和无量纲最大密封流量c_max，由此，通过上述过程设计出的最适用的轮缘密封结构，既满足最小径向间隙y_min和密封冷气最大供应量q_max的限制要求，又能有效密封透平轮缘，防止主流热燃气入侵。

根据本发明实施例的选取透平轮缘的密封结构的方法，流程便捷，在初始设计阶段即可选取合适的轮缘密封结构，提高了设计效率，减少了设计周期，且基于主流热燃气入侵机理，充分考虑主流热燃气雷诺数、主流热燃气周向压力幅值系数对无量纲闭锁临界密封流量的影响，提高了透平轮缘的密封效果。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

依据主流热燃气特征参数计算以半经验系数K表示的无量纲闭锁临界密封流量c_w.min，依据密封冷气最大供应量q_max计算无量纲最大密封流量c_max；

根据所述无量纲最大密封流量c_max大于所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min，获得所述半经验系数K的限定；

根据每个密封结构对应的K值以及所述半经验系数K的限定选取所述透平轮缘密封结构。

2.根据权利要求1所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，依据主流热燃气特征参数计算以半经验系数K表示的无量纲闭锁临界密封流量c_w.min包括：

确定所述透平轮缘密封结构的最小径向间隙y_min；

计算所述透平轮缘的密封位置的所述主流热燃气的周向压力幅值系数c_p.max和主流雷诺数Re_z，根据所述最小径向间隙y_min计算无量纲最小径向密封间隙G_c；

根据所述周向压力幅值系数c_p.max、所述主流雷诺数Re_z和所述无量纲最小径向密封间隙G_c计算所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min。

3.根据权利要求2所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，

所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min由以下公式得出：

4.根据权利要求3所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，所述无量纲最大密封流量c_max依据公式：

c_max＝q_max/μ₂R

得出，根据所述无量纲最大密封流量c_max大于所述无量纲闭锁临界密封流量c_w.min得出所述半经验系数K的限定：

其中，R为所述透平轮缘的半径，μ₂为所述透平轮缘的密封位置的密封冷气动力密度。

5.根据权利要求4所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，还包括：

若所述主流雷诺数Re_z小于等于预定比较值δ，对所述半经验系数K的限定进行修正。

6.根据权利要求5所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，修正所述半经验系数K的限定的修正系数λ为：

修正后的所述半经验系数K的限定为：

其中，Re_w为旋转雷诺数。

7.根据权利要求6所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，

所述旋转雷诺数Re_w根据公式：

Re_w＝ρ₂ωR²/μ₂

得出，其中，ρ₂为所述透平轮缘的密封位置的密封冷气密度，ω为所述透平内的轮盘的旋转角速度。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，所述周向压力幅值系数c_p.max依据公式：

得出，其中，p_hub,max为所述透平轮缘的密封位置的最大压力，p_hub,min为所述透平轮缘的密封位置的最小压力，ρ₁为所述透平轮缘的密封位置的主流热燃气密度，ν₁为所述透平轮缘的密封位置的主流热燃气速度。

9.根据权利要求8所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，所述主流雷诺数Re_z依据公式：

Re_z＝ρ₁ν₁R/μ₁

得出，其中，R为所述透平轮缘的半径，μ₁为所述透平轮缘的密封位置的主流动力粘度。

10.根据权利要求9所述的选取透平轮缘密封结构的方法，其特征在于，所述无量纲最小径向密封间隙G_c依据公式：

G_C＝y_min/R得出。

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