CN112431639A - 一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，该结构包括高压涡轮导叶端壁、转静容腔内齿环、内齿环挡板、轮缘侧向射流孔。本发明利用组合间隙增大燃气入侵流流动阻力，通过转静容腔内齿环分割转静盘腔，进而将高温入侵燃气限制在高半径位置处，避免深入盘心造成轮盘烧蚀。通过内齿环挡板构造静‑静系容腔以降低入侵流的切向速度比，缓冲高温高速入侵流，提高封严效率。此外，轮缘侧向射流孔形成高压冷气出流提高封严效率，改善内齿环与内齿环挡板的热应力分布，减小涡轮盘热运行变形，避免转静部件剐蹭，提高封严结构可靠性。

Description

一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构
技术领域
本发明涉及一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，应用于燃气轮机涡轮转子内部转静盘腔与涡轮轮盘盘缘，属于燃气轮机密封技术领域。
背景技术
当涡轮转-静盘腔内部压力低于主流压力时，主流高温燃气会进入涡轮盘腔形成燃气入侵。由于涡轮盘材料、结构与冷却方式的限制，高温燃气一旦入侵盘腔，会迅速烧蚀缺少冷气保护的轮盘表面，使轮缘与内径之间的温度梯度骤增，导致热应力超过轮盘设计的应力储备，造成有害变形甚至轮盘断裂。阿尔斯通公司指出，少量燃气入侵所带来的温度骤升就足以导致涡轮盘的寿命减少一半以上。为了保障涡轮盘使用寿命及其可靠性，必须阻止燃气入侵现象发生。
专利201710689988.0公开了一种缘板波浪形开槽喷射的轮缘密封结构，波浪形开槽喷射装置位于轮缘密封结构内部；波浪形开槽喷射装置进气部分的进口位于轮缘密封结构转动部分的底部且靠近转子盘的转动壁面；波浪形开槽喷射装置出气部分的出口位于轮缘密封结构的缘板，并在缘板上形成波浪形周向分布的喷射；其利用转子盘转动壁面摩擦泵效应夹带的封严气流，减弱摩擦泵效应导致的燃气入侵。通过波浪形开槽设计将抽取的封严气流在不同的周向位置喷出，对燃气入侵和封严出流同时产生流动阻力，既减小燃气入侵的程度，降低涡轮盘的温度，又减小封严出流的程度，减弱封严出流对主流的影响。
专利201810431123.9公开了一种燃气轮机涡轮转静子间鱼嘴封严结构，由涡轮导向器内环出口安装边、涡轮转子内环前缘壁面和辅助鱼嘴封严锥筒配合构成，涡轮导向器内环出口安装边为一简单环形平板，其一侧周向均匀分布有凸台；辅助鱼嘴封严锥筒最大半径处设有竖直环板和水平环板，竖直环板上设有凹槽与涡轮导向器内环出口安装边的凸台配合，防止涡轮导向器周向转动，辅助鱼嘴封严锥筒的最小半径处通过螺栓固定在静止部件上；高压封严气经鱼嘴封严结构流出到主流通道，防止高温燃气入侵到内部。
本发明通过在静盘或静叶护环上安装转静容腔内齿环，在转静容腔内齿环上安装内齿环挡板，并设置静叶护环进气孔与轮缘侧向射流孔，以此来构建复杂的轴向与径向间隙形成节流效应，增大流阻减小燃气入侵量，通过转静容腔内齿环将涡轮转静盘腔形成内外两个相对独立的容腔，将入侵流与入侵流的影响更多地限制在转静容腔内齿环外的大半径容腔。这种结构设计可以显著减小主流高温燃气入侵，减小入侵流对涡轮盘的烧蚀，同时提高封严效率，减小转静盘腔最小封严流量。
燃气轮机中通常从压气机侧抽取过量的冷气为涡轮盘腔“充压”以阻止燃气入侵，目前使用的先进燃气轮机从压气机抽取的冷却空气量已经超过高压压气机进口流量的18％，如此大的抽气量造成整机效率降低、油耗增加、极大地削弱了通过提高涡轮进口燃气温度带来的性能提升。如何利用最小的抽气量实现最佳的涡轮盘腔封严冷却效果，如何保障冷气不会溢出盘腔进入主流，成为了高效、长寿命、高可靠性高温涡轮气热设计的技术瓶颈，其最核心的问题是提高涡轮转静盘腔轮缘密封的封严效率，摒弃消耗过量冷气这种低效手段。
发明内容
本发明的目的在于设计一种可以提高涡轮转静盘腔封严效率，减少主流高温燃气入侵(泄漏)，减小从压气机侧抽(引)气消耗的高效轮缘封严结构。
本发明的目的是这样实现的：
本发明采用的技术方案为一种抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘封严结构，包括静叶护环端壁、转静容腔内齿环、内齿环挡板、静叶护环进气孔和轮缘侧向射流孔。转静容腔内齿环安装在静盘或静叶护环上，内齿环挡板安装在转静容腔内齿环上，静叶护环进气孔与轮缘侧向射流孔位于静叶护环顶部与侧壁处。静叶护环端壁与转静容腔内齿环及内齿环挡板共同构建形成“静-静”缓冲容腔，是限制燃气入侵的主要方式之一。
进一步地，转静容腔内齿环将涡轮转静容腔分成内外腔室，通过转静容腔内齿环与涡轮动盘之间的轴向间隙形成节流，降低高温燃气入侵流对整个涡轮盘腔流动与冷却的影响。
进一步地，利用轮缘侧向射流孔形成高压冷气出流，用高压气体封严高温高压入侵流以提高封严效率，改善内齿环与内齿环挡板的热应力分布，以减小涡轮盘热运行变形，保障不会发生转静部件剐蹭或磨损，提高封严可靠性。
进一步地，本发明还可以包括以下技术特征：
转静容腔内齿环为整周连续结构，其安装径向位置rs与轮缘半径b的比值为0.8-0.9。
转静容腔内齿环与动盘盘面形成的轴向间隙值sc,ax为转静盘腔间距S的5-8％。
内齿环挡板为整周连续结构，其安装位置为无量纲轴向位置即距离静叶护环z与转静盘腔间距S的比值为0.45-0.55。
内齿环挡板齿顶与端壁形成的径向间隙值sc,rad与轮缘半径b的比值为0.01-0.02。
内齿环挡板与转静容腔内齿环安装夹角α为85-90°。
轮缘侧向射流孔开孔径向位置rh与轮缘半径b的比值为0.82-0.92。
轮缘侧向射流孔径d为2-5mm，孔型为圆形孔。
轮缘侧向射流孔沿周向布置方式为非均匀布置，开孔位置与涡轮静叶尾缘局部高压区域一致。
轮缘侧向射流孔与端壁壁面存在角度β，致使高压冷气在轮缘侧向出流预旋比为0至-0.5。
本发明的优势在于：
本发明从燃气轮机高温高压涡轮转静轮缘间隙处燃气入侵问题出发，增加转静容腔内齿环实际上是通过组合密封结构，构建复杂的轴向与径向间隙形成节流效应，增大流阻减小燃气入侵量，通过转静容腔内齿环将涡轮转静盘腔形成内外两个相对独立的容腔，将入侵流与入侵流的影响更多地限制在转静容腔内齿环外的大半径容腔；设计内齿环挡板主要优势体现在：1.利用内齿环挡板齿顶间隙进行节流，进一步减小泄漏流(入侵流量)，2.减弱入侵流的轴向速度分量，3.内齿环挡板与静叶护环形成一个“静静”容腔，容腔具有几乎为0的切向速度比，可以对高位置入侵流起到缓冲作用，降低入侵流对盘腔内部流动切向速度比的影响，进而减弱对转静盘腔内部源区、核心区以及压力分布的影响；基于燃气入侵理论与燃气入侵特性开展轮缘侧向射流孔设计，可以进一步地利用高压气体减小燃气入侵流量，轮缘侧向射流孔沿周向布置方式与非均匀燃气入侵特性保持一致，高压封严气体同时可以对“静静”系容腔进行冷却，改善了各个容腔的温度场分布，避免出现热应力集中与较大热变形导致的密封磨损与失效。上述设计可以显著减小主流高温燃气入侵，减小入侵流对涡轮盘的烧蚀，同时提高封严效率，减小转静盘腔最小封严流量。
附图说明
图1一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构；
图2强缓冲“静静”容腔区域对切向速度比的影响计算结果；
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：
结合图1～2，转静容腔内齿环2安装在涡轮静盘或静叶护环1上，内齿环挡板3以一定角度安装在转静容腔内齿环2上，内齿环挡板与转静容腔内齿环安装夹角为α。静叶护环冷气进气孔4位于导叶内部冷却通道出口位置，静叶护环冷气进气孔4与轮缘侧向射流孔5相连接。涡轮导叶尾缘端壁6、转静容腔内齿环2与内齿环挡板3围成一个近似封闭的“静静”系容腔10，转静容腔内齿环2与涡轮动盘7形成轴向间隙轴向间隙sc,ax，内齿环挡板3与涡轮动叶端壁8或涡轮导叶尾缘端壁6形成径向间隙sc,rad，涡轮导叶9内部高压冷却气体经由静叶护环冷气进气孔4与轮缘侧向射流孔5，最终形成带有一定的进气预旋形成射流进入“静静”系容腔10。内齿环挡板3、转静容腔内齿环2、涡轮动盘7与涡轮动叶端壁8共同围城一个近似封闭的小型“转静”系盘腔11。转静容腔内齿环2、涡轮动盘7与涡轮静盘或静叶护环1围城一个“转静”系盘腔12。轮缘侧向射流孔5的孔型为圆形孔，轮缘侧向射流孔5沿周向布置方式为非均匀布置，开孔位置与涡轮导叶9尾缘局部高压区域一致，轮缘侧向射流孔5射流方向与涡轮静盘或静叶护环1壁面存在夹角β，致使高压冷气在轮缘侧向出流具有一定的预旋比。
本发明的技术思路是：
利用转静容腔内齿环将整个涡轮转静盘腔分隔为两个近似独立的腔室，这样可以保障高温入侵流被限制在高半径容腔，不会深入盘心，致使超过轮盘设计的应力储备，通过在增加内齿环挡板进一步将外部容腔分隔为两个近似独立的腔室，通过内齿环挡板的齿顶间隙对燃气入侵流进行节流，形成密封容腔形成漩涡进行能量耗散，涡轮导叶尾缘端壁、转静容腔内齿环与内齿环挡板围成一个近似封闭的“静静”系容腔，该容腔具有几乎为0的切向速度，可以显著地降低入侵流的切向速度，进而实现对高温燃气入侵现象的缓冲作用，与此同时，内齿环挡板可以显著降低入侵流的轴向速度分量。利用高压涡轮导叶内部冷却通道冷却气流在“静静”系容腔处形成轮缘侧向射流，可以形成高压“气墙”以提高封严效率，可以对“静静”系容腔进行冷却，改善“静静”系容腔温度场，保障内齿环挡板不会产生较大热应力与热运行形变，进而避免了与动盘的剐蹭与磨损，提高密封的寿命与可靠性。轮缘侧向射流孔的孔型为圆孔，其沿周向布置方式是依照非均匀多尺度燃气入侵理论进行布置，与涡轮导叶尾缘局部高压力势场与燃气入侵区域一一对应，可以提高高压封严冷气的利用效率，提高对封严效率的提升作用，除此之外，轮缘侧向射流孔可以形成带有一定负预旋的射流，可以进一步降低燃气入侵流的切向速度，强化该组合封严结构对高温燃气入侵流的缓冲作用，进一步提高封严效率，降低最小封严流量。
结合图1，本发明提出的一种抑制非均匀多尺度燃气入侵的高效轮缘封严结构主要包含一下几个特征，首先，基于大量轮缘间隙与转静盘腔内部流场计算与实验确定流动与传热特性，提出燃气入侵形式主要包含非均匀外部入侵与旋转诱导入侵，结论显示主流燃气对转静盘腔流动特性的影响主要体现在其较大的切向速度分量，因此本发明提出一种可以起到实质缓冲作用的“静静”容腔，对高温燃气进行阻隔。转静盘腔内齿环2将整个转静盘腔分隔为内外两个腔室，内齿环挡板进一步将外部腔室分隔为两个更小的腔室，其中腔室10为“静静”系容腔，腔室11为“转静”系容腔。其次，利用齿顶间隙的节流作用及密封容腔旋涡耗散以降低燃气入侵的负面影响，最后，针对燃气入侵严重区域，通过增加端壁侧向射流靶向封严高温燃气，进一步提高封严效率，改善燃气入侵现象。轮缘侧向射流孔开孔径向位置rh与轮缘半径b的比值为0.82-0.92。轮缘侧向射流孔径d为2-5mm，孔型为圆形孔。轮缘侧向射流孔沿周向布置方式为非均匀布置，开孔位置与涡轮静叶尾缘局部高压区域(即基于燃气入侵理论获得的外部诱导燃气入侵区域)一致。轮缘侧向射流孔与端壁壁面存在角度β，致使高压冷气在轮缘侧向出流预旋比为0至-0.5，轮缘侧向射流可以强化“静静”系容腔对主流高温燃气的缓冲作用。
图2为“静静”系容腔对主流高温燃气切向速度比的缓冲作用数值计算结果。

Claims (10)

1.一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：包括静叶护环端壁、转静容腔内齿环、内齿环挡板、静叶护环进气孔和轮缘侧向射流孔；转静容腔内齿环安装在静盘或静叶护环上，内齿环挡板安装在转静容腔内齿环上，静叶护环进气孔与轮缘侧向射流孔位于静叶护环顶部与侧壁处；静叶护环端壁与转静容腔内齿环及内齿环挡板共同构建形成“静-静”缓冲容腔。
2.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：转静容腔内齿环将涡轮转静容腔分成内外腔室，通过转静容腔内齿环与涡轮动盘之间的轴向间隙形成节流，降低高温燃气入侵流对整个涡轮盘腔流动与冷却的影响。
3.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：利用轮缘侧向射流孔形成高压冷气出流，用高压气体封严高温高压入侵流以提高封严效率，改善内齿环与内齿环挡板的热应力分布，以减小涡轮盘热运行变形。
4.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：转静容腔内齿环为整周连续结构，其安装径向位置rs与轮缘半径b的比值为0.8-0.9。
5.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：转静容腔内齿环与动盘盘面形成的轴向间隙值sc,ax为转静盘腔间距S的5-8％。
6.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：内齿环挡板为整周连续结构，其安装位置为无量纲轴向位置即距离静叶护环z与转静盘腔间距S的比值为0.45-0.55。
7.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：内齿环挡板齿顶与端壁形成的径向间隙值sc,rad与轮缘半径b的比值为0.01-0.02。
8.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：内齿环挡板与转静容腔内齿环安装夹角α为85-90°；
轮缘侧向射流孔开孔径向位置rh与轮缘半径b的比值为0.82-0.92；
轮缘侧向射流孔径d为2-5mm，孔型为圆形孔。
9.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：轮缘侧向射流孔沿周向布置方式为非均匀布置，开孔位置与涡轮静叶尾缘局部高压区域一致。
10.根据权利要求1所述的一种可抑制非均匀多尺度燃气入侵的轮缘密封结构，其特征在于：轮缘侧向射流孔与端壁壁面存在角度β，致使高压冷气在轮缘侧向出流预旋比为0至-0.5。
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