CN112012833B - 径流式燃气轮机级间密封结构及其仿真设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种径流式燃气轮机级间密封结构，压气机密封盘远轴心部固定到压气扩压器前端盘近轴心部后侧面；多个喷嘴环叶片沿周向均匀布置；对应各喷嘴环叶片分别形成有贯通喷嘴环前盘、喷嘴环叶片及喷嘴环后盘的冷气通孔；喷嘴环后盘后侧对应冷气通孔处同轴并且有轴向间隔固定有冷却环；喷嘴环前盘近轴心端前侧形成有一圆环形密封推环；压气机密封盘前端壁后侧面对应密封推环设置有径向密封环；密封推环压合到径向密封环。本发明还公开了该径流式燃气轮机级间密封结构的仿真设计方法。本发明，使燃气轮机级间密封性能预测简单，制造工艺要求低，并提高了径流式燃气轮机级间密封的可靠性及经济性。

Description

径流式燃气轮机级间密封结构及其仿真设计方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机，特别涉及一种径流式燃气轮机级间密封结构及其仿真设计方法。
背景技术
随着现代燃气轮机性能要求的不断提高，密封是燃气轮机的一个重要研究方向，优秀的密封结构对于改善燃气轮机的效率及保证其正常工作起到重要的作用。密封结构作为燃气轮机的一个重要组成部分，其密封性能对燃气轮机性能的发挥起到关键的作用，尤其是气路密封，将直接影响到燃气轮机增压比及涡轮效率的提高。
径流式燃气轮机的级间密封装置，目前常见结构形式有活塞环密封及弹性环密封，由于采用不同的密封原理使它们具有不同的优点及缺点。
热态下，活塞环密封结构利用活塞环受热膨胀使其紧贴到其它零件表面从而实现较高压差的级间密封，但有两个难点：一是如何保证在热态下，膨胀后的活塞环能紧贴在零件表面而不会出现较大间隙；要满足这个条件需要进行复杂而精确的计算，如果边界条件存在误差则实际结构有可能会出现间隙；二是活塞环工作时会有气体泄漏，特别是当两侧压差较大时，泄漏量会加大从而对燃气轮机的效率会有较大的影响，如何准确控制气体的泄漏量是保证其正常工作的难点。
弹性环密封是目前径流式燃气轮机级间密封另一种常用的结构形式，应用时将其安装在压气机密封盘与喷嘴环之间，热态下利用热膨胀使弹性环结构两端紧压在压气机密封盘侧及喷嘴环侧，但其有两个缺点：一是在热态下弹性环的应力较大，材料一般会进入屈服，由于工作温度较高，其疲劳寿命及蠕变寿命较短；二是弹性环是依靠侧平面与其他零件平面之间的接触来实现气路密封，由于接触面较大，这对制造工艺精度提出了较高的要求，较差的表面粗糙度及制造公差会严重影响到密封性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，使燃气轮机级间密封性能预测简单，制造工艺要求低，并提高了径流式燃气轮机级间密封的可靠性及经济性。
为解决上述技术问题，本发明提供的径流式燃气轮机级间密封结构，其喷嘴环1、压气机密封盘2、压气扩压器7、冷却环15均为环型结构件；
喷嘴环1、压气机密封盘2、压气扩压器7、冷却环15与环形燃烧室4同轴装配在一起；
压气机密封盘2远轴心部固定到压气扩压器7的前端盘70近轴心部后侧面；
所述喷嘴环1包括喷嘴环前盘11、喷嘴环叶片12、喷嘴环后盘13；
多个喷嘴环叶片12沿周向均匀布置；
各喷嘴环叶片12前端贴合固定到喷嘴环前盘11，后端贴合固定到喷嘴环后盘13；
对应各喷嘴环叶片12分别形成有贯通喷嘴环前盘11、喷嘴环叶片12及喷嘴环后盘13的冷气通孔14；
喷嘴环后盘13后侧对应冷气通孔14处同轴并且有轴向间隔固定有冷却环15；
所述喷嘴环前盘11远轴心端固定到压气扩压器7的前端盘70远轴心端后侧面；
所述喷嘴环前盘11近轴心端前侧形成有一圆环形密封推环112；
压气机密封盘2前端壁21后侧面对应所述密封推环112形成有一圆环形方槽；
径向密封环3前端固定嵌入到所述圆环形凹槽中；
所述密封推环112压合到径向密封环3后端。
较佳的，所述径向密封环3为E环。
较佳的，所述喷嘴环前盘11远离轴心侧同所述环形燃烧室4的环形燃烧室外环41通过活塞环5密封连接在一起。
较佳的，所述压气机密封盘2的前端壁21远轴心部后侧面形成有限位环22；
所述密封推环112位于限位环22的近轴心侧。
较佳的，压气机密封盘2远轴心部通过螺栓固定到压气扩压器7的前端盘70近轴心部后侧面。
较佳的，压气扩压器7的前端盘70远轴心部后侧面沿周向均匀形成有N个扩压器定位凸台72,N为大于2的整数；
喷嘴环前盘11远轴端前侧沿周向均匀形成有N个喷嘴环前盘定位凸台111；
各扩压器定位凸台72分别同对应的喷嘴环前盘定位凸台111通过定位销钉114固定连接。
较佳的，N为4、6、7或9。
较佳的，压气扩压器7固定在扩压器机匣81内；
所述压气扩压器7的前端盘70同扩压器机匣81之间形成有径向冷空气流道；
压气机密封盘2的前端壁21后侧形成有同轴的远轴环壁23及近轴环壁24；
远轴环壁23及近轴环壁24的后端之间装配有一圈隔热瓦61；
所述压气机密封盘2的前端壁21、远轴环壁23、近轴环壁24及隔热瓦61共同构成级间密封内腔20。
较佳的，隔热瓦61为扇环状；
隔热瓦61两翼分别设有凹槽与凸筋；
多片隔热瓦61通过凹槽与凸筋相配合，首尾相连形成一个完整的隔热瓦密封环。
较佳的，隔热瓦61远轴端通过隔热瓦定位销62固定连接到所述压气机密封盘2的远轴环壁23；
所述压气机密封盘2的近轴环壁24的远轴侧后端处沿周向形成有隔热瓦安装槽；
隔热瓦61近轴端插入所述隔热瓦安装槽，同所述压气机密封盘2的近轴环壁24密封配合。
较佳的，喷嘴环叶片12上的冷气通孔14，沿轴线方向穿过喷嘴环叶片12的几何中心处。
较佳的，喷嘴环叶片12采用空心叶片。
为解决上述技术问题，本发明提供的所述的径流式燃气轮机级间密封结构的仿真设计方法，其包括如下步骤：
一.通过燃气轮机结构数值仿真估算燃气轮机工作状态下的密封推环112的位置；
二.若密封推环112同压气机密封盘2的前端壁21间隙大于设定值，则加大冷却环15处的冷却效果；
三.基于E环前后两侧面的目标轴向力，结合燃气轮机结构数值，仿真确定施加于冷却环15处的换热系数大小；
目标轴向力为厂家标定的E环有效密封最小值的X倍，X在1～1.3之间；
四.结合施加于冷却环15处的换热系数大小及气动数值,仿真确定喷嘴环叶片冷气通孔14的尺寸。
较佳的，X＝1.2。
较佳的，步骤二中，通过增大喷嘴环叶片冷气通孔14的内径，来加大冷却环15处的冷却效果。
较佳的，步骤二中，通过增大喷嘴环前盘11冷气通孔14的内径，来加大冷却环15处的冷却效果；
或者，通过增大喷嘴环后盘13的冷气通孔14的内径，来加大冷却环15处的冷却效果；
或者，同时增大喷嘴环前盘11、喷嘴环叶片12及喷嘴环后盘13的冷气通孔14的内径，来加大冷却环15处的冷却效果。
本发明的径流式燃气轮机级间密封结构，径流式燃气轮机不工作时，所述密封推环112压合到径向密封环3后端，实现压气扩压器7同喷嘴环1热气喷射通道的径向密封隔离。径流式燃气轮机工作时，喷嘴环1的贯通喷嘴环前盘11、喷嘴环叶片12及喷嘴环后盘13的冷气通孔14通过将高压冷空气引到喷嘴环后盘13后侧并通过冷却环15对喷嘴环后侧进行冷却，从而保证喷嘴环前盘密封推环112热态下的位置能密封阻隔高压压气机出口气体与低压涡轮进口气体，使燃气轮机高效并可靠地运行，不但能克服了活塞环密封性能预测困难及弹性环制造工艺要求高的缺点，而且提高了径流式燃气轮机级间密封的可靠性及经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的径流式燃气轮机级间密封结构一实施例的轴对称剖面图。
图2为图1的局部放大图。
附图标记说明：
1喷嘴环；2压气机密封盘；21前端壁；22限位环；23远轴环壁；24近轴环壁；7压气扩压器；70前端盘；72扩压器定位凸台；4环形燃烧室；11喷嘴环前盘；12喷嘴环叶片；13喷嘴环后盘；14冷气通孔；15冷却环；112密封推环；3径向密封环；41环形燃烧室外环；5活塞环；111喷嘴环前盘定位凸台；114定位销钉；81扩压器机匣；61隔热瓦；20级间密封内腔；62隔热瓦定位销。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1、图2所示，径流式燃气轮机级间密封结构，其喷嘴环1、压气机密封盘2、压气扩压器7、冷却环15均为环型结构件；
喷嘴环1、压气机密封盘2、压气扩压器7、冷却环15与环形燃烧室4同轴装配在一起；
压气机密封盘2远轴心部固定到压气扩压器7的前端盘70近轴心部后侧面；
所述喷嘴环1包括喷嘴环前盘11、喷嘴环叶片12、喷嘴环后盘13；
多个喷嘴环叶片12沿周向均匀布置；
各喷嘴环叶片12前端贴合固定到喷嘴环前盘11，后端贴合固定到喷嘴环后盘13；
对应各喷嘴环叶片12分别形成有贯通喷嘴环前盘11、喷嘴环叶片12及喷嘴环后盘13的冷气通孔14；
喷嘴环后盘13后侧对应冷气通孔14处同轴并且有轴向间隔固定有冷却环15；
所述喷嘴环前盘11远轴心端固定到压气扩压器7的前端盘70远轴心端后侧面；
所述喷嘴环前盘11近轴心端前侧形成有一圆环形密封推环112；
压气机密封盘2前端壁21后侧面对应所述密封推环112形成有一圆环形方槽；
径向密封环3前端固定嵌入到所述圆环形凹槽中；
径流式燃气轮机不工作时，所述密封推环112压合到径向密封环3后端，实现压气扩压器7同喷嘴环1热气喷射通道的径向密封隔离。
较佳的，所述径向密封环3为E环。
径流式燃气轮机轴对称剖面图见图1，其工作原理是将化学能转化为输出的机械能；压气机吸收外部空气进行压缩，环形燃烧室4将一定压比的空气与燃气进行混合并燃烧，燃烧后的气体通过喷嘴环1带动涡轮旋转，涡轮通过转子系统将机械能量(以高速旋转的转子形式)输出到用户端。燃气轮机中气体的流动方向见图1中空心箭头所示的流动方向。径流式燃气轮机级间密封结构，主要作用为密封阻隔高压压气机出口气体与低压涡轮进口气体，使燃气轮机高效率并可靠地运行。
实施例一的径流式燃气轮机级间密封结构，径流式燃气轮机不工作时，所述密封推环112压合到径向密封环3后端，实现压气扩压器7同喷嘴环1热气喷射通道的径向密封隔离。径流式燃气轮机工作时，喷嘴环1的贯通喷嘴环前盘11、喷嘴环叶片12及喷嘴环后盘13的冷气通孔14通过将高压冷空气引到喷嘴环后盘13后侧并通过冷却环15对喷嘴环后侧进行冷却，从而保证喷嘴环前盘密封推环112热态下的位置能密封阻隔高压压气机出口气体与低压涡轮进口气体，使燃气轮机高效并可靠地运行，不但能克服了活塞环密封性能预测困难及弹性环制造工艺要求高的缺点，而且提高了径流式燃气轮机级间密封的可靠性及经济性。
实施例二
基于实施例一的径流式燃气轮机级间密封结构，所述喷嘴环前盘11远离轴心侧同所述环形燃烧室4的环形燃烧室外环41通过活塞环5密封连接在一起。
实施例一的径流式燃气轮机级间密封结构，所述的环形燃烧室4与喷嘴环前盘11之间通过活塞环5进行密封，以防止燃烧室内燃气通过两者之间的间隙泄漏，实现压气扩压器7的前端盘70同燃烧室的轴向密封隔离。
实施例三
基于实施例一的径流式燃气轮机级间密封结构，所述压气机密封盘2的前端壁21远轴心部后侧面形成有限位环22；
所述密封推环112位于限位环22的近轴心侧。
较佳的，压气机密封盘2远轴心部通过螺栓固定到压气扩压器7的前端盘70近轴心部后侧面。
实施例四
基于实施例一的径流式燃气轮机级间密封结构，压气扩压器7的前端盘70远轴心部后侧面沿周向均匀形成有N个扩压器定位凸台72,N为大于2的整数；
喷嘴环前盘11远轴端前侧沿周向均匀形成有N个喷嘴环前盘定位凸台111；
各扩压器定位凸台72分别同对应的喷嘴环前盘定位凸台111通过定位销钉114固定连接。
较佳的，N为4、6、7或9等。
实施例四的径流式燃气轮机级间密封结构，通过喷嘴环前盘定位凸台111、喷嘴环前盘定位销钉114及扩压器定位凸台72，实现喷嘴环1的轴向定位。
实施例五
基于实施例一的径流式燃气轮机级间密封结构，压气扩压器7固定在扩压器机匣81内；
所述压气扩压器7的前端盘70同扩压器机匣81之间形成有径向冷空气流道；
压气机密封盘2的前端壁21后侧形成有同轴的远轴环壁23及近轴环壁24；
远轴环壁23及近轴环壁24的后端之间装配有一圈隔热瓦61；
所述压气机密封盘2的前端壁21、远轴环壁23、近轴环壁24及隔热瓦61共同构成级间密封内腔20。
较佳的，隔热瓦61为扇环状；隔热瓦61两翼分别设有凹槽与凸筋；多片隔热瓦61通过凹槽与凸筋相配合，首尾相连形成一个完整的隔热瓦密封环。
较佳的，隔热瓦61远轴端通过隔热瓦定位销62固定连接到所述压气机密封盘2的远轴环壁23；所述压气机密封盘2的近轴环壁24的远轴侧后端处沿周向形成有隔热瓦安装槽；隔热瓦61近轴端插入所述隔热瓦安装槽，同所述压气机密封盘2的近轴环壁24密封配合。隔热瓦61通过隔热瓦定位销62及隔热瓦安装槽实现轴向定位。
实施例六
基于实施例一的径流式燃气轮机级间密封结构，喷嘴环叶片12上的冷气通孔14，沿轴线方向穿过喷嘴环叶片12的几何中心处。
较佳的，喷嘴环叶片12采用空心叶片。
实施例七
实施例一的径流式燃气轮机级间密封结构的仿真设计方法，其包括如下步骤：
一.通过燃气轮机结构数值仿真估算燃气轮机工作状态(热态)下的密封推环112的位置。
二.若密封推环112同压气机密封盘2的前端壁21间隙大于设定值，则加大冷却环15处的冷却效果。
由于燃气轮机工作时，燃气轮机不同区域温度会有明显差别，燃气轮机不同区域的部件的温度形变差别明显，密封推环112可能远离压气机密封盘2的前端壁21而无法压紧径向密封环3前端，难以保证压气扩压器7同喷嘴环1热气喷射通道的径向密封隔离。
加大冷却环15处的冷却效果，会使密封推环112同压气机密封盘2的前端壁21相向运动，使密封推环112压紧到径向密封环3前端，确保压气扩压器7同喷嘴环1热气喷射通道的径向密封隔离。
三.基于E环前后两侧面的目标轴向力，结合燃气轮机结构数值，仿真确定施加于冷却环15处的换热系数大小。
目标轴向力为厂家标定的E环有效密封最小值的X倍，X在1～1.3之间(例如X＝1.2)。
E环的密封效果与作用于其两侧面的轴向力大小成正比，为了达到最佳的密封效果，作用于E环前后两侧面的目标轴向力数值要求大于厂家标定的E环有效密封最小值。考虑到数值计算时的误差，目标轴向力可以是厂家标定的E环有效密封最小值乘以一个放大系数X。
四.结合施加于冷却环15处的换热系数大小及气动数值,仿真确定喷嘴环叶片冷气通孔14的尺寸。
通过该径流式燃气轮机级间密封结构的仿真设计方法确定的喷嘴叶片冷气通道14孔尺寸，能保证燃气轮机在工作状态(热态)下使密封推环112向压气机密封盘2的前端壁21相向运动从而实现径流式燃气轮机级间密封。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，其喷嘴环(1)、压气机密封盘(2)、压气扩压器(7)、冷却环(15)均为环型结构件；
喷嘴环(1)、压气机密封盘(2)、压气扩压器(7)、冷却环(15)与环形燃烧室(4)同轴装配在一起；
压气机密封盘(2)远轴心部固定到压气扩压器(7)的前端盘(70)近轴心部后侧面；
所述喷嘴环(1)包括喷嘴环前盘(11)、喷嘴环叶片(12)、喷嘴环后盘(13)；
多个喷嘴环叶片(12)沿周向均匀布置；
各喷嘴环叶片(12)前端贴合固定到喷嘴环前盘(11)，后端贴合固定到喷嘴环后盘(13)；
对应各喷嘴环叶片(12)分别形成有贯通喷嘴环前盘(11)、喷嘴环叶片(12)及喷嘴环后盘(13)的冷气通孔(14)；
喷嘴环后盘(13)后侧对应冷气通孔(14)处同轴并且有轴向间隔固定有冷却环(15)；
所述喷嘴环前盘(11)远轴心端固定到压气扩压器(7)的前端盘(70)远轴心端后侧面；
所述喷嘴环前盘(11)近轴心端前侧形成有一圆环形密封推环(112)；
压气机密封盘(2)前端壁(21)后侧面对应所述密封推环(112)形成有一圆环形方槽；
径向密封环(3)前端固定嵌入到所述圆环形凹槽中；
所述密封推环(112)压合到径向密封环(3)后端。
2.根据权利要求1所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
所述径向密封环(3)为E环。
3.根据权利要求1所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
所述喷嘴环前盘(11)远离轴心侧同所述环形燃烧室(4)的环形燃烧室外环(41)通过活塞环(5)密封连接在一起。
4.根据权利要求1所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
所述压气机密封盘(2)的前端壁(21)远轴心部后侧面形成有限位环(22)；
所述密封推环(112)位于限位环(22)的近轴心侧。
5.根据权利要求1所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
压气机密封盘(2)远轴心部通过螺栓固定到压气扩压器(7)的前端盘(70)近轴心部后侧面。
6.根据权利要求1所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
压气扩压器(7)的前端盘(70)远轴心部后侧面沿周向均匀形成有N个扩压器定位凸台(72),N为大于2的整数；
喷嘴环前盘(11)远轴端前侧沿周向均匀形成有N个喷嘴环前盘定位凸台(111)；
各扩压器定位凸台(72)分别同对应的喷嘴环前盘定位凸台(111)通过定位销钉(114)固定连接。
7.根据权利要求6所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
N为4、6、7或9。
8.根据权利要求1所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
压气扩压器(7)固定在扩压器机匣(81)内；
所述压气扩压器(7)的前端盘(70)同扩压器机匣(81)之间形成有径向冷空气流道；
压气机密封盘(2)的前端壁(21)后侧形成有同轴的远轴环壁(23)及近轴环壁(24)；
远轴环壁(23)及近轴环壁(24)的后端之间装配有一圈隔热瓦(61)；
所述压气机密封盘(2)的前端壁(21)、远轴环壁(23)、近轴环壁(24)及隔热瓦(61)共同构成级间密封内腔(20)。
9.根据权利要求8所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
隔热瓦(61)为扇环状；
隔热瓦(61)两翼分别设有凹槽与凸筋；
多片隔热瓦(61)通过凹槽与凸筋相配合，首尾相连形成一个完整的隔热瓦密封环。
10.根据权利要求9所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
隔热瓦(61)远轴端通过隔热瓦定位销62固定连接到所述压气机密封盘(2)的远轴环壁(23)；
所述压气机密封盘(2)的近轴环壁(24)的远轴侧后端处沿周向形成有隔热瓦安装槽；
隔热瓦(61)近轴端插入所述隔热瓦安装槽，同所述压气机密封盘(2)的近轴环壁(24)密封配合。
11.根据权利要求1所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
喷嘴环叶片(12)上的冷气通孔(14)，沿轴线方向穿过喷嘴环叶片(12)的几何中心处。
12.根据权利要求1所述的径流式燃气轮机级间密封结构，其特征在于，
喷嘴环叶片(12)采用空心叶片。
13.一种权利要求2所述的径流式燃气轮机级间密封结构的仿真设计方法，其特征在于，其包括如下步骤：
一.通过燃气轮机结构数值仿真估算燃气轮机工作状态下的密封推环(112)的位置；
二.若密封推环(112)同压气机密封盘(2)的前端壁(21)间隙大于设定值，则加大冷却环(15)处的冷却效果；
三.基于E环前后两侧面的目标轴向力，结合燃气轮机结构数值，仿真确定施加于冷却环(15)处的换热系数大小；
目标轴向力为厂家标定的E环有效密封最小值的X倍，X在1～1.3之间；
四.结合施加于冷却环(15)处的换热系数大小及气动数值,仿真确定喷嘴环叶片冷气通孔(14)的尺寸。
14.根据权利要求13所述的径流式燃气轮机级间密封结构的仿真设计方法，其特征在于，
X＝1.2。
15.根据权利要求13所述的径流式燃气轮机级间密封结构的仿真设计方法，其特征在于，
步骤二中，通过增大喷嘴环叶片冷气通孔(14)的内径，来加大冷却环(15)处的冷却效果。
16.根据权利要求13所述的径流式燃气轮机级间密封结构的仿真设计方法，其特征在于，
步骤二中，通过增大喷嘴环前盘(11)冷气通孔(14)的内径，来加大冷却环(15)处的冷却效果；
或者，通过增大喷嘴环后盘(13)的冷气通孔(14)的内径，来加大冷却环(15)处的冷却效果；
或者，同时增大喷嘴环前盘(11)、喷嘴环叶片(12)及喷嘴环后盘(13)的冷气通孔(14)的内径，来加大冷却环(15)处的冷却效果。
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