CN111963320B - 一种燃气轮机级间密封环结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃气轮机级间密封环结构，属于机械构造设计领域。本发明提供的燃气轮机级间密封环结构，在级间密封环上径向供气孔增加进气角度。本发明中，在级间密封环径向孔中设置有切向角结构，增加气流经过径向孔后的预旋转，从而减小气流与转子面间的周向速度差，减弱气体流过转子面后的摩擦阻力产生的升温，在相同的轮盘冷却要求下降低冷却空气用量。本发明的级间密封环结构在保证原流路结构基本不变的前提下，实现了优化，零件加工简单，安装方便，维护成本低。

Description

一种燃气轮机级间密封环结构

技术领域

本发明涉及机械构造设计领域，尤其涉及一种燃气轮机级间密封环结构。

背景技术

在燃气轮机中，转子轮盘工作温度较高，如果不对其温度加以控制，其过高的温度会导致强度的下降，进而影响机组的安全运行。为转子轮盘降温的通常做法是引入冷却空气，冷却空气一般会从静叶外围带处的供气腔供气，气体流过静叶内部通道后，进入静叶内围带与级间密封环组成的供气腔室，最后通过上游密封和下游密封后分别对上游轮盘和下游轮盘进行冷却，最终，冷却过轮盘后的气体会通过动静间隙汇入主流，对动静间隙起到密封，防止高温燃气侵入盘腔，对轮盘造成烧蚀。

参照附图1，目前的燃气轮机中，级间密封环安装在静叶内围带外伸端17上，与挡板18、静叶内围带16共同围成供气腔1，并与上、下游轮盘分别构成上游盘腔2、下游盘腔3。安装在级间密封环9上的上游盘腔入口密封齿5与轮盘密封外伸端10共同构成上游盘腔2冷却气通道，冷却空气量由上游盘腔入口密封齿5与轮盘密封外伸端10之间的间隙来控制。安装在级间密封环上的蜂窝密封11与加工在轮盘伸出翼19上的下游盘腔入口高低密封齿7共同构成下游盘腔3冷却气通道，冷却空气量由蜂窝密封11与轮盘伸出翼19上下游盘腔入口高低密封齿7之间的间隙来控制。上游轮盘和下游轮盘冷却空气的供气通过级间密封环9上的径向供气孔6来实现，气流由供气腔1经过径向供气孔6流入盘腔4，然后经过各自入口密封分别流入上游盘腔2和下游盘腔3，对轮盘8进行冷却后最终流入主流，轮盘最终所需冷却空气量的多少与冷却空气的温度相关，冷却空气温度越高，用气量越多，相应的机组效率就越低。

目前的燃气轮机中，冷却空气在由供气腔1流入盘腔3的过程中，经过了径向供气孔6、盘腔4、蜂窝密封11以及下游盘腔入口高低密封齿7，经过此四个部件后，由于热交换而使得气流自身温度升高，另外，由于盘腔4存在转子面12，高低密封齿7为转动件，蜂窝密封11为静止件，气流与转动面间存在周向速度差，摩擦阻力会使得气流温度进一步升高，因此在轮盘的冷却要求相同的情况下，摩阻温升使得进入盘腔3的冷却空气温度升高，额外增加了冷却空气用量，但是冷却空气量的增加会使得机组性能下降。

在中国专利申请文献CN204783122U中，公开了一种燃气轮机透平流量调节结构，用于调节透平静叶与相邻的两级透平动叶之间的冷却气流流量，包括密封环，所述密封环安装于所述透平静叶的内壁上，所述密封环的内壁上设有密封齿，使所述密封环与相邻的两级所述透平动叶之间形成冷却气流通道；所述两级透平动叶之间设有连接部，所述密封环与所述连接部相对设置，所述密封环与所述连接部之间形成所述冷却气流通道；所述密封齿为空间螺旋形结构，所述冷却气流通道为螺旋形的气流通道；所述密封齿与所述密封环为一体结构；所述密封齿的截面形状为梯形、半圆形、三角形或者矩形中的任意一种；所述密封齿为左旋或者右旋的螺旋形。该结构调节了两级透平动叶之间的冷却气流流量，但是螺旋形齿加工难度大，为了精确控制流量，加工精度要求高，增加了加工成本，另外，在机组运行中一旦密封齿损伤，则大修时需要更换整个密封环，维护成本高。螺旋齿与轮盘连接部间较大的间隙设置会增大密封的透气效应，实际通过流道的冷却气量会比设计值大的多，影响机组效率，该方案也无法减小冷气用量。

在中国专利申请文献CN204663595U中，公开了一种燃气轮机透平气体流量调节结构，用于调节环形的透平转子组件与透平静子组件之间的通气量，包括调节片，所述透平转子组件的外侧周向开设有第一安装槽，所述透平静子组件的一轴向侧开设有第二安装槽；所述调节片包括水平部和竖直部，所述水平部的一侧边缘与所述竖直部的一侧边缘连接，且所述水平部与竖直部相对垂直，所述水平部的另一侧边缘活动插设于所述第二安装槽；所述竖直部的另一侧边缘设有若干个通气孔，并活动插设于所述第一安装槽。所述水平部插设在所述第二安装槽中的一侧边缘具有波浪结构，所述波浪结构的波浪沿所述透平静子组件的轴向延伸。所述第二安装槽的开口处设有向内延伸的限位部，所述限位部用于在轴向上对所述波浪结构形成限位。所述调节片还包括连接部，所述连接部的截面呈U形，所述水平部与竖直部通过所述连接部的两侧边缘连接。该结构调节了透平转子组件与透平静子组件之间的通气量，但是调节片由于是弹性设计，且厚度较薄，精度要求高，这增加了加工难度，且精度难以控制，提高了加工成本，而且密封性不能保证。调整片竖直部分与转子上安装槽在轴向上始终处于接触摩擦状态，这使转子受到额外的接触力，会影响转子的稳定运转，摩擦产生的热量会增加额外的热负荷，该方案也无法减小冷气用量。

现有技术至少存在以下不足：

1.由于气流与转动面间存在周向速度差，摩擦阻力会使得气流温度升高，导致在轮盘冷却要求相同的情况下，需要额外消耗更多的冷却空气，而冷却空气量的增加会使得机组性能下降。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种燃气轮机级间密封环结构，改变级间密封环中径向孔的结构，在径向孔中设置有切向角结构，增加气流经过径向孔后的预旋转，从而减小气流与转子面间的周向速度差，减弱气体流过转子面后的摩擦阻力产生的升温，在相同的轮盘冷却要求下降低冷却空气用量。

本发明提供了一种燃气轮机级间密封环结构，包括级间密封环：

所述级间密封环的径向供气孔内壁带有切向角结构，所述切向角为大于0°且小于等于60°，使气流经过径向供气孔后有预旋转，且气流方向与转子转动方向一致。

优选地，所述级间密封环的径向供气孔内设置有内壁带有切向角的可拆卸部件。

优选地，所述内壁带有切向角的可拆卸部件的外壁与所述级间密封环的径向供气孔内壁之间有环形过渡腔室。

优选地，所述内壁带有切向角的可拆卸部件为上下分体拼插结构或周向布置的多个部件，并且大小邻近的两个可拆卸部件互相匹配可套叠。

优选地，所述内壁带有切向角的可拆卸部件通过T型槽安装于级间密封环上。

优选地，多个所述内壁带有切向角的可拆卸部件通过各自内壁及外壁上的螺纹旋紧固定。

优选地，所述内壁带有切向角的可拆卸部件上的孔为锥形孔。

优选地，所述锥形孔的锥度大小可调节。

优选地，所述内壁带有切向角的可拆卸部件的外壁与所述级间密封环的径向供气孔内壁相匹配。

优选地，所述内壁带有切向角的可拆卸部件为两头粗中间细的腰形孔。

与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明的级间密封环结构，在级间密封环内壁上安装带有切向角的可拆卸部件，使气流经过径向供气孔后有预旋转，增大了冷却空气流出径向供气孔后的周向速度，减小了气流与转子之间的速度差，减弱了气流因为摩擦阻力产生的升温，使得在相同的冷却要求下，冷却空气用量减少，机组效率提高。

(2)周向布置多个部件的可拆卸部件可以通过不开孔的部件替换开孔部件来完成锥形孔或两头粗中间细的腰形孔数量的调整，满足冷却供气压力的调节。

附图说明

图1是现有级间密封环结构示意图；

图2是现有级间密封环结构中径向供气孔剖视图，图中R-R向13为径向；

图3是本发明级间密封环结构示意图，图中14为S-S向，为径向；

图4是本发明级间密封环结构中径向供气孔剖视图；

图中，1—供气腔；2—上游盘腔；3—下游盘腔；4—盘腔；5—上游盘腔入口密封齿；6—径向供气孔；7—下游盘腔入口高低密封齿；8—轮盘；9—级间密封环；10—轮盘密封外伸端；11—蜂窝密封；12—盘腔4的转子面；13—R-R向；14—S-S向；15—带切向角的可拆卸部件；16—静叶内围带；17—静叶内围带外伸端；18—挡板；19—轮盘伸出翼；20—环形过渡腔室。

具体实施方式

根据本发明的一个具体实施方案，结合附图1-4对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明提供了一种燃气轮机级间密封环结构，包括级间密封环：

所述级间密封环的径向供气孔内壁带有切向角结构，所述切向角为大于0°且小于等于60°，使气流经过径向供气孔后有预旋转，且气流方向与转子转动方向一致。

作为优选实施方式，所述级间密封环的径向供气孔内设置有内壁带有切向角的可拆卸部件。

作为优选实施方式，所述内壁带有切向角的可拆卸部件的外壁与所述级间密封环的径向供气孔内壁之间有环形过渡腔室。

作为优选实施方式，所述内壁带有切向角的可拆卸部件为上下分体拼插结构或周向布置的多个部件，并且大小邻近的两个可拆卸部件互相匹配可套叠。

作为优选实施方式，所述内壁带有切向角的可拆卸部件通过T型槽安装于级间密封环上。

作为优选实施方式，多个所述内壁带有切向角的可拆卸部件通过各自内壁及外壁上的螺纹旋紧固定。

作为优选实施方式，所述内壁带有切向角的可拆卸部件上的孔为锥形孔。

作为优选实施方式，所述锥形孔的锥度大小可通过替换可拆卸部件进行调节。

作为优选实施方式，所述内壁带有切向角的可拆卸部件的外壁与所述级间密封环的径向供气孔内壁相匹配。

作为优选实施方式，所述内壁带有切向角的可拆卸部件上的为两头粗中间细的腰形孔。

实施例1

本发明提供了一种燃气轮机级间密封环结构，包括级间密封环9：

所述级间密封环9的径向供气孔6内壁带有切向角结构，所述切向角β为大于0°且小于等于60°，使气流经过径向供气孔6后有预旋转。切向角的角度越大，气流预旋转越多，由此产生的气流的周向速度越大，气流与转子之间的相对速度也就越小，气流因为摩擦阻力产生的升温越小，需要的冷气用量也就小。

所述级间密封环9的径向供气孔6内还可以通过设置有内壁带有切向角的可拆卸部件15，来实现气流经过径向供气孔6后有预旋转，所述内壁带有切向角的可拆卸部件的外壁与所述级间密封环的径向供气孔6的内壁之间设置有环形过渡腔室20，或者所述内壁带有切向角的可拆卸部件的外壁与所述级间密封环的径向供气孔6的内壁匹配，比如，级间密封环9的径向供气孔6内壁如果是光滑的，那么内壁带有切向角的可拆卸部件外壁也加工成光滑的，如果级间密封环9的径向供气孔6内壁是螺纹的，那么内壁带有切向角的可拆卸部件外壁也加工成螺纹的；如果级间密封环9的径向供气孔6为锥形孔，那么内壁带有切向角的可拆卸部件外壁也加工成锥形，如果级间密封环9的径向供气孔6为圆柱形直孔，那么内壁带有切向角的可拆卸部件外壁也加工成圆柱筒形，如果级间密封环9的径向供气孔6为两头粗中间细的腰形孔，内壁带有切向角的可拆卸部件外壁也加工成两头粗中间细的腰形孔。

所述内壁带有切向角的可拆卸部件为上下分体拼插结构或者周向布置的多个部件，并且大小邻近的两个可拆卸部件的互相匹配可套叠，可拆卸部件通过T型槽安装于级间密封环9上，此外多个所述内壁带有切向角的可拆卸部件通过各自内壁及外壁上的螺纹旋紧固定。

所述内壁带有切向角的可拆卸部件内壁为锥形孔，所述锥形孔的锥度大小可调节，通过调节锥度的大小可以调整供气的压力。若可拆卸部件为周向布置的多个，可以通过不开孔的部件替换开孔部件来完成锥形孔数量的调整。

所述内壁带有切向角的可拆卸部件内壁为两头粗中间细的腰形孔。

工作时，气流由供气腔室1经过级间密封环9上的径向孔6进入盘腔4，此处径向供气孔6设置有切向角结构，使得气流经过径向供气孔6后有预旋转，这样气流的周向速度加大，气流与转子之间的速度差减小，气流因为摩擦阻力产生的升温变小，此时从径向供气孔流出的气体再经过密封7后流入盘腔3，实现对轮盘8的冷却，最终由动静间隙流入主流。

本发明在不改变整体流路结构的前提下，仅改变径向供气孔的结构，增加了冷却空气的周向速度，减小了气流与转子之间的速度差，减弱了气流的摩阻温升。在相同的轮盘冷却要求下减少了冷却空气用量，提高了机组性能。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃气轮机级间密封环结构，包括级间密封环，其特征在于：

所述级间密封环的径向供气孔内壁带有切向角结构，所述切向角为大于0°且小于等于60°，使气流经过径向供气孔后有预旋转，且气流方向与转子转动方向一致；

所述级间密封环的径向供气孔内设置有内壁带有切向角的可拆卸部件。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机级间密封环结构，其特征在于，所述内壁带有切向角的可拆卸部件的外壁与所述级间密封环的径向供气孔内壁之间有环形过渡腔室。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机级间密封环结构，其特征在于，所述内壁带有切向角的可拆卸部件为上下分体拼插结构或周向布置的多个部件，并且大小邻近的两个可拆卸部件互相匹配可套叠。

4.根据权利要求1或3所述的燃气轮机级间密封环结构，其特征在于，所述内壁带有切向角的可拆卸部件通过T型槽安装于级间密封环上。

5.根据权利要求3所述的燃气轮机级间密封环结构，其特征在于，多个所述内壁带有切向角的可拆卸部件通过各自内壁及外壁上的螺纹旋紧固定。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机级间密封环结构，其特征在于，所述内壁带有切向角的可拆卸部件上的孔为锥形孔。

7.根据权利要求6所述的燃气轮机级间密封环结构，其特征在于，所述锥形孔的锥度大小可调节。

8.根据权利要求1所述的燃气轮机级间密封环结构，其特征在于，所述内壁带有切向角的可拆卸部件的外壁与所述级间密封环的径向供气孔内壁相匹配。

9.根据权利要求1所述的燃气轮机级间密封环结构，其特征在于，所述内壁带有切向角的可拆卸部件为两头粗中间细的腰形孔。

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