CN111691927A - 涡轮机及涡轮机叶顶间隙密封结构 - Google Patents

涡轮机及涡轮机叶顶间隙密封结构 Download PDF

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陈绍文
李伟航
周治华
王松涛
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator

Abstract

本发明公开了一种涡轮机及涡轮机叶顶间隙密封结构，涡轮机包括机匣和动叶，动叶具有叶顶，叶顶上设有叶冠，涡轮机叶顶间隙密封结构包括：多个第一篦齿，多个第一篦齿彼此间隔开且设于叶冠的朝向机匣内壁的第一壁面上；多个第二篦齿，多个第二篦齿彼此间隔开且设于机匣的内壁上，其中多个第一篦齿和多个第二篦齿相对且交错布置。根据本发明实施例的涡轮机叶顶间隙密封结构，通过在叶冠上布置双侧篦齿封严机构最大化减少叶冠内的泄漏流体，通过适当的齿距、齿厚调节泄漏流在叶冠内的流动状态，减低泄漏流体在叶冠内的流动损失和流出叶冠后与主流流体的掺混损失，提高涡轮级的气动性能。

Description

涡轮机及涡轮机叶顶间隙密封结构
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种涡轮机及涡轮机叶顶间隙密封结构。
背景技术
在涡轮级的流动中，叶顶间隙泄漏引起的一系列问题是包括燃气轮机和航空发动机等旋转机械在内的引起损失的重要来源之一。间隙泄漏问题得到越来越多的关注，其中燃气轮机中由叶顶间隙引起的流动损失占到1/3以上。为了减少叶顶间隙泄漏流动，相关技术人员提出了许多方法，包括翼梢小翼、肋条叶尖、机匣喷气和叶顶喷气等不同的方式均在一定程度上有效的改善了叶顶泄漏流动的发展，提高了涡轮级的气动性能，并且在工程实践中得到了应用。
相关技术中，通过在在叶顶加装封严结构减小叶顶泄漏流动，叶冠的封严结构因具有良好的气动性能以及结构特性广泛的应用在低压涡轮结构中。叶冠几何结构的复杂性使得其流动和热力学过程十分复杂，在叶顶间隙内存在旋涡、分离以及在叶冠出口存在射流等流动并且相互之间的作用。
然而，由于带冠涡轮叶顶间隙泄漏流与主流的速度三角形不匹配，泄漏流从出口腔流出后，与主流发生掺混会进一步影响涡轮出口的气动参数，传统的叶冠篦齿封严结构仅仅是在机匣或者叶冠上增加单侧的密封齿，其密封效果有限，如何进一步提高叶冠内的密封性能，不仅有难度而且十分必要。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种涡轮机叶顶间隙密封结构，通过在叶冠上布置双侧篦齿封严机构最大化减少叶冠内的泄漏流体，通过适当的齿距、齿厚调节泄漏流在叶冠内的流动状态，减低泄漏流体在叶冠内的流动损失和流出叶冠后与主流流体的掺混损失，提高涡轮级的气动性能。
本发明的第二个目的在于提出一种涡轮机。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种涡轮机叶顶间隙密封结构，所述涡轮机包括机匣和动叶，所述动叶具有叶顶，所述叶顶上设有叶冠，所述涡轮机叶顶间隙密封结构包括：多个第一篦齿，多个所述第一篦齿彼此间隔开且设于所述叶冠的朝向所述机匣内壁的第一壁面上；多个第二篦齿，多个所述第二篦齿彼此间隔开且设于所述机匣的内壁上，其中多个第一篦齿和多个第二篦齿相对且交错布置。
另外，根据本发明上述实施例的涡轮机叶顶间隙密封结构还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述机匣的内壁上设有容纳所述叶冠的容纳槽，所述第一篦齿和所述第二篦齿均容纳在所述容纳槽内。
根据本发明的一个实施例，每个所述第一篦齿和每个所述第二篦齿的主投影形状均为梯形。
根据本发明的一个实施例，所述叶冠入口的宽度为4τ。
根据本发明的一个实施例，所述叶冠的邻近所述叶冠入口的侧壁与所述叶冠底壁之间的夹角为77.6°，所述第一篦齿与所述叶冠顶壁之间的夹角为102.4°。
根据本发明的一个实施例，所述第一篦齿的齿顶宽度为τ，所述第一篦齿的齿顶与所述容纳槽的顶壁之间的距离为τ，所述叶冠的顶壁和底壁之间沿平行于所述容纳槽侧壁方向的间距为2.5τ。
根据本发明的一个实施例，所述第二篦齿的齿根与齿顶之间沿平行于所述容纳槽侧壁方向的间距为4τ。
根据本发明的一个实施例，所述第一篦齿的数量和所述第二篦齿的数量相等，且邻近所述叶冠入口的所述第一篦齿的侧壁与所述叶冠的侧壁平齐。
根据本发明的一个实施例，所述第一篦齿和所述第二篦齿彼此相对的侧壁平行。
根据本发明实施例的涡轮机叶顶间隙密封结构，通过在叶冠和机匣上分别增加四个密封齿并且交错布置形成双侧密封结构，可以在保证叶顶径向间隙高度以及轴向间隙距离的情况下有效的阻挡叶冠内的泄漏流体的通过，当流体从主流区流入到叶冠中时，流体在每一个密封齿顶部流过时，均会出现流体射出密封齿，并在在密封齿前段形成一个密封区域后再附到密封齿上，在每个密封齿顶部形成的密封区域均能有效的降低叶冠流体的通流能力，从而最大限度的降低叶冠内的泄漏流体，提高叶冠的密封性，并提高涡轮级的气动性能。为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种涡轮机，其包括上述的涡轮机叶顶间隙密封结构。
根据本发明实施例的涡轮机，通过在叶冠和机匣上分别增加四个密封齿并且交错布置形成双侧密封结构，可以在保证叶顶径向间隙高度以及轴向间隙距离的情况下有效的阻挡叶冠内的泄漏流体的通过，当流体从主流区流入到叶冠中时，流体在每一个密封齿顶部流过时，均会出现流体射出密封齿，并在在密封齿前段形成一个密封区域后再附到密封齿上，在每个密封齿顶部形成的密封区域均能有效的降低叶冠流体的通流能力，从而最大限度的降低叶冠内的泄漏流体，提高叶冠的密封性，并提高涡轮级的气动性能。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明实施例的涡轮机叶顶间隙密封结构的示意图；
图2是根据相关技术中涡轮机叶顶间隙密封结构的示意图；
图3是根据本发明一个实施例的增加扫频射流器涡轮叶栅流动示意图；
图4是根据本发明一个实施例的扫频射流器控制涡轮叶顶泄漏流机理示意图；。
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，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。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。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的涡轮机及涡轮机叶顶间隙密封结构。
图1是本发明实施例的涡轮机叶顶间隙密封结构的示意图。
在介绍本发明实施例的涡轮机叶顶间隙密封结构之前，先简单介绍下相关技术中的涡轮机叶顶间隙密封结构。
如图2(a)所示，由于带冠涡轮叶顶间隙泄漏流与主流的速度三角形不匹配，泄漏流从出口腔流出后，与主流发生掺混会进一步影响涡轮出口的气动参数，因此，相关技术中提出如图2(b)和图2(c)所示的结构，通过在机匣上增加单侧的密封齿，或者在叶冠上增加单侧的密封齿。
然而，该方式密封效果有限，仍然存在泄露流量的情况的发生。
因此，正是由于上述缺陷，本发明实施例提出一种涡轮机叶顶间隙密封结构。该实施例中，涡轮机包括机匣和动叶，动叶具有叶顶，叶顶上设有叶冠，如图1所示，该涡轮机叶顶间隙密封结构10包括：多个第一篦齿100、多个第二篦齿200。
其中，多个第一篦齿100彼此间隔开且设于叶冠的朝向机匣内壁的第一壁面上。多个第二篦齿彼此间隔开且设于机匣的内壁上，其中多个第一篦齿100和多个第二篦齿200相对且交错布置。
可以理解的是，本发明实施例可以将该涡轮机叶顶间隙密封结构应用于高压涡轮动叶叶冠密封中，通过在叶冠上和机匣上分别增加四个密封齿交错分布，通过交错的密封齿能够有效的抑制泄漏流向下游的流动。相比与相关技术中的单侧的机匣篦齿和叶冠篦齿，双侧篦齿具有更好的密封性能，能够降低叶冠出口流场与主流流场的掺混损失。
由此，通过在叶冠内增加双侧篦齿并且交错布置来控制叶冠内泄漏流体，提高涡轮级的气动性能，双侧篦齿封严结构具有更高的阻挡泄漏流效果，减少泄漏流体再射入主流所引起的巨大损失，通过建立泄漏流流量与叶冠篦齿数的经验关联式，最高限度提高流场的性能。
进一步地，本发明实施例可以通过利用现有的理论分析、数值仿真等方法对涡轮级的流场进行细致的分析与探求，获取带冠涡轮叶冠内流动情况以及泄漏流出口与主流流体的掺混损失分布。
进一步地，本发明实施例还可以根据叶冠内的流场情况以及叶冠的轴向尺寸，选取适当的篦齿数量交错的布置在叶冠内来控制叶冠泄漏流，根据涡轮动叶和机匣之间的径向间隙高度和轴向间隙高度确定密封齿的尺寸以及密封齿的间距。
并且，本发明实施例可以根据篦齿的不同形状、不同间距和不同齿数条件下叶冠内的流动特性以及损失分布，建立密封齿布置形式与叶冠泄漏流量之间的经验关联式，以在设计要求下最大程度降低叶冠内泄漏流体，减少叶冠出口泄漏流与主流的掺混损失，提高涡轮级的气动性能，提高带冠涡轮的气动性能以及叶冠的传热性能。
下面结合具体实施例进行详细阐述本发明实施例的涡轮机叶顶间隙密封结构。
进一步地，根据本发明的一个实施例，结合图1和图3，机匣的内壁上设有容纳叶冠的容纳槽，第一篦齿和第二篦齿均容纳在容纳槽内。
优选地，根据本发明的一个实施例，如图1所示，每个第一篦齿和每个第二篦齿的主投影形状均为梯形。
可以理解的是，本发明实施例可以在叶顶机匣上布置不同几何形状的双侧篦齿封严结构，控制流体在叶冠内的流动损失，优选地，每个第一篦齿和每个第二篦齿的主投影形状均为梯形
优选地，根据本发明的一个实施例，如图4所示，叶冠入口的宽度为4τ。
优选地，根据本发明的一个实施例，如图4所示，叶冠的邻近叶冠入口的侧壁与叶冠底壁之间的夹角为77.6°，第一篦齿与叶冠顶壁之间的夹角为102.4°。
优选地，根据本发明的一个实施例，如图4所示，第一篦齿的齿顶宽度为τ，第一篦齿的齿顶与容纳槽的顶壁之间的距离为τ，叶冠的顶壁和底壁之间沿平行于容纳槽侧壁方向的间距为2.5τ。
优选地，根据本发明的一个实施例，如图4所示，第二篦齿的齿根与齿顶之间沿平行于容纳槽侧壁方向的间距为4τ。
优选地，根据本发明的一个实施例，第一篦齿的数量和第二篦齿的数量相等，且邻近叶冠入口的第一篦齿的侧壁与叶冠的侧壁平齐。
优选地，根据本发明的一个实施例，第一篦齿和第二篦齿彼此相对的侧壁平行。
需要说明的是，关于上述叶冠入口的宽度、叶冠的邻近叶冠入口的侧壁与叶冠底壁之间的夹角、第一篦齿与叶冠顶壁之间的夹角、第一篦齿的齿顶宽度、第一篦齿的齿顶与容纳槽的顶壁之间的距离、叶冠的顶壁和底壁之间沿平行于容纳槽侧壁方向的间距、第二篦齿的齿根与齿顶之间沿平行于容纳槽侧壁方向的间距、以及第一篦齿的数量和第二篦齿的数量等均为示例性的，不作为对本发明的限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行设计，在此不做具体限定。
根据本发明实施例提出的涡轮机叶顶间隙密封结构，通过在叶冠和机匣上分别增加四个密封齿并且交错布置形成双侧密封结构，可以在保证叶顶径向间隙高度以及轴向间隙距离的情况下有效的阻挡叶冠内的泄漏流体的通过，当流体从主流区流入到叶冠中时，流体在每一个密封齿顶部流过时，均会出现流体射出密封齿，并在在密封齿前段形成一个密封区域后再附到密封齿上，在每个密封齿顶部形成的密封区域均能有效的降低叶冠流体的通流能力，从而最大限度的降低叶冠内的泄漏流体，提高叶冠的密封性，并提高涡轮级的气动性能。
此外，本发明实施例提出了一种涡轮机，该涡轮机包括上述的涡轮机叶顶间隙密封结构。
根据本发明实施例提出的涡轮机，通过在叶冠和机匣上分别增加四个密封齿并且交错布置形成双侧密封结构，可以在保证叶顶径向间隙高度以及轴向间隙距离的情况下有效的阻挡叶冠内的泄漏流体的通过，当流体从主流区流入到叶冠中时，流体在每一个密封齿顶部流过时，均会出现流体射出密封齿，并在在密封齿前段形成一个密封区域后再附到密封齿上，在每个密封齿顶部形成的密封区域均能有效的降低叶冠流体的通流能力，从而最大限度的降低叶冠内的泄漏流体，提高叶冠的密封性，并提高涡轮级的气动性能。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
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)

1.一种涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，所述涡轮机包括机匣和动叶，所述动叶具有叶顶，所述叶顶上设有叶冠，所述涡轮机叶顶间隙密封结构包括：
多个第一篦齿，多个所述第一篦齿彼此间隔开且设于所述叶冠的朝向所述机匣内壁的第一壁面上；
多个第二篦齿，多个所述第二篦齿彼此间隔开且设于所述机匣的内壁上，其中多个第一篦齿和多个第二篦齿相对且交错布置。
2.根据权利要求1所述的涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，
所述机匣的内壁上设有容纳所述叶冠的容纳槽，所述第一篦齿和所述第二篦齿均容纳在所述容纳槽内。
3.根据权利要求1所述的涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，
每个所述第一篦齿和每个所述第二篦齿的主投影形状均为梯形。
4.根据权利要求1所述的涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，
所述叶冠的边缘与所述容纳槽的侧壁之间形成叶冠入口，所述叶冠入口的宽度为4τ。
5.根据权利要求4所述的涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，
所述叶冠的邻近所述叶冠入口的侧壁与所述叶冠底壁之间的夹角为77.6°，所述第一篦齿与所述叶冠顶壁之间的夹角为102.4°。
6.根据权利要求4所述的涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，
所述第一篦齿的齿顶宽度为τ，所述第一篦齿的齿顶与所述容纳槽的顶壁之间的距离为τ，所述叶冠的顶壁和底壁之间沿平行于所述容纳槽侧壁方向的间距为2.5τ。
7.根据权利要求4所述的涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，所述第二篦齿的齿根与齿顶之间沿平行于所述容纳槽侧壁方向的间距为4τ。
8.根据权利要求4所述的涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，所述第一篦齿的数量和所述第二篦齿的数量相等，且邻近所述叶冠入口的所述第一篦齿的侧壁与所述叶冠的侧壁平齐。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的涡轮机叶顶间隙密封结构，其特征在于，所述第一篦齿和所述第二篦齿彼此相对的侧壁平行。
10.一种涡轮机，其特征在于，包括根据权利要求1-9任一项所述的涡轮机叶顶间隙密封结构。
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