CN112483193A - 一种可抑制亥姆霍兹共振燃气入侵的涡轮阻尼盘缘结构 - Google Patents

一种可抑制亥姆霍兹共振燃气入侵的涡轮阻尼盘缘结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，该结构包括涡轮导叶端壁、涡轮动叶端壁、转‑静轮缘间隙、转‑静盘腔挡板、环形阻尼结构。本发明利用涡轮轮缘区域的环形阻尼密封结构、转‑静盘腔挡板、组合轴向与径向间隙，共同抑制由于亥姆霍兹共振问题引起的燃气轮机涡轮部件的非定常高温燃气入侵盘腔现象。基于转‑静盘腔挡板与盘腔气动设计改善盘腔流动，主动地抑制高温燃气入侵驱动力。本发明通过组合多个轴向与径向间隙增加入侵流流阻，减小入侵流量及其对主流通道以外区域的负面影响，减小亥姆赫兹共振，限制主流高温燃气入侵盘腔，防止烧蚀轮盘表面，保障了涡轮盘的寿命与可靠性。

Description

一种可抑制亥姆霍兹共振燃气入侵的涡轮阻尼盘缘结构
技术领域
本发明涉及一种可抑制亥姆霍兹共振燃气入侵的涡轮阻尼盘缘结构，属于燃气轮机涡轮转子转-静盘腔与涡轮盘轮缘技术领域。
背景技术
由于涡轮盘材料、结构与冷却方式的限制，当主流高温燃气经由涡轮转静轮缘间隙入侵涡轮盘腔时，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。
本发明是基于亥姆霍兹共振理论提出的一种可抑制亥姆霍兹共振燃气入侵的涡轮阻尼盘缘结构，抑制涡轮转-静盘腔与主流通道出现亥姆霍兹共振及其诱导的大量燃气入侵现象，提高对主流高温燃气的封严性能，提高盘腔封严效率，在尽可能的减小封严冷气消耗量的前提下保障涡轮盘寿命，提高涡轮盘可靠性。本发明通过提高转-静盘腔气体的气动阻尼，避免与主流通道流体产生亥姆霍兹共振，减小由于亥姆霍兹共振引起的转-静盘腔内部压力变化，进而阻止燃气入侵。本发明的环形阻尼结构通过真空钎焊在转-静盘腔挡板上，且在径向设置了两个环形阻尼结构，更加有效地抑制了亥姆霍兹共振燃气入侵。
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，其最核心的问题是抑制主流高温燃气入侵、提高涡轮转静盘腔轮缘密封的封严效率。
发明内容
本发明的目的在于设计一种可抑制亥姆霍兹共振燃气入侵的涡轮阻尼盘缘结构，抑制涡轮转-静盘腔与主流通道出现亥姆霍兹共振及其诱导的大量燃气入侵现象，提高对主流高温燃气的封严性能，提高盘腔封严效率，在尽可能的减小封严冷气消耗量的前提下保障涡轮盘寿命，提高涡轮盘可靠性。
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可抑制亥姆霍兹共振燃气入侵的涡轮阻尼盘缘结构，包括涡轮导叶端壁、涡轮动叶端壁、转-静轮缘间隙、转-静盘腔挡板和环形阻尼结构。涡轮导叶端壁与涡轮动叶端壁形成转-静轮缘间隙，其中转-静盘腔挡板安装在涡轮静盘上，环形阻尼结构通过真空钎焊在转-静盘腔挡板上。涡轮导叶端壁、涡轮动叶端壁、涡轮静盘、涡轮动盘共同构成转-静盘腔，转-静轮缘间隙位于主流通道与涡轮转-静盘腔的连接处，主流通道高温燃气经由转-静轮缘间隙入侵涡轮转-静盘腔，涡轮转-静盘腔内部为从压气机侧抽取的封严冷气，在封严间隙的同时，对热端部件供气并冷却热端部件。
进一步地，转-静盘腔挡板将涡轮转-静盘腔分割为内外两个腔室，作用是减小静盘侧入侵流的径向速度分量以及高温燃气的入侵深度，防止高温燃气入侵涡轮盘心，降低燃气入侵的影响范围；同时转-静盘腔挡板与涡轮动盘构成轴向间隙形成节流效应，将高温燃气更多地限制在外部环腔。
进一步地，环形阻尼结构钎焊在转-静盘腔挡板表面，环形阻尼结构能够提高对入侵流体的能量耗散，同时提高转-静盘腔气体的气动阻尼，避免与主流通道流体产生亥姆霍兹共振，减小转-静盘腔内部压力震荡和燃气入侵；环形阻尼结构能够与涡轮动叶端壁下沿形成径向间隙，减小入侵通道横截面积减小入侵流量。
进一步地，环形阻尼结构采用可摩擦材料，减小转静间隙以及入侵流量。可摩擦材料可选用高锰钢、碳钢、低合金耐磨钢以及石墨钢等。
进一步地，本发明还包括以下特征：
转-静盘腔挡板为整周连续环形结构，其安装径向位置的尺寸rs与轮缘半径b的比值为0.8-0.9。
转-静盘腔挡板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％。
环形阻尼结构为整周连续结构，其安装位置为无量纲轴向位置(距离静叶护环z与转静盘腔间距S的比值)为0-0.8。
环形阻尼结构顶部与端壁形成的径向间隙值sc,rad与轮缘半径b的比值为0.005-0.01。
环形阻尼结构包括高阻尼设计蜂窝/高阻尼设计孔型与内齿环挡板，其中内齿环挡板又分为轴向内齿环挡板与周向内齿环挡板。
整个环形阻尼结构至少包括5个轴向内齿环挡板，共形成4个环形密封腔。
每两个相邻轴向内齿环挡板形成1个环形密封腔，该环形密封腔中至少包含2层蜂窝/孔型结构，蜂窝/孔型的芯格尺寸为3.2mm。
每两个相邻轴向内齿环挡板形成1个环形密封腔，该环形密封腔中包含6-8个周向内齿环挡板，内齿环挡板沿整周均匀分配。
环形阻尼结构中，内齿环挡板的高度为环形阻尼结构最大值，轴向内齿环挡板与周向内齿环挡板高度一致，且高于蜂窝/孔型区域。
蜂窝芯格尺寸与蜂窝芯格深度比例为1：1；
孔型结构半径与孔深度比例为1：1；
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-静盘腔挡板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；设计环形阻尼结构主要优势体现在：1.利用环形阻尼结构提高对入侵流体的能量耗散；2.提高转-静盘腔气体的气动阻尼，避免与主流通道流体产生亥姆霍兹共振，减小由于亥姆霍兹共振引起的转-静盘腔内部压力变化，进而阻止燃气入侵；3.环形阻尼结构可以与涡轮动叶端壁下沿形成径向间隙，环形阻尼结构采用可摩擦材料，可与进一步减小转静部件间隙，即减小入侵通道横截面积，进一步减小入侵流量。
附图说明
图1一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构；
图2环形阻尼结构内部轴向内齿环挡板与周向内齿环挡板；
图3环形密封腔内部蜂窝/孔型结构；
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1，一种可抑制亥姆霍兹共振燃气入侵的涡轮阻尼盘缘结构，涡轮导叶端壁1、涡轮动叶端壁2、涡轮静盘3与涡轮动盘4共同构成涡轮转-静盘腔5，涡轮导叶端壁1与涡轮动叶端壁2之间为转-静轮缘间隙6，涡轮转-静盘腔5与转-静轮缘间隙6为燃气轮机涡轮部件典型单元，转-静轮缘间隙6为连接主流通道7与涡轮转-静盘腔5的关键区域，转-静盘腔挡板8安装在涡轮静盘3上，转-静盘腔挡板8为整周连续环形结构，其安装径向位置rs与轮缘半径b的比值为0.8-0.9。转-静盘腔挡板8与涡轮动盘4形成的轴向间隙值sc,ax为转静盘腔间距S的5-8％。转-静盘腔挡板8上安装有环形阻尼结构9，环形阻尼结构9钎焊在转-静盘腔挡板8与涡轮动叶端壁2的下表面。环形阻尼结构9为整周连续结构，其安装位置为无量纲轴向位置(与涡轮静盘3间距z与转静盘腔间距S的比值)为0-0.8，转-静盘腔挡板8上环形阻尼结构9顶部与涡轮动叶端壁2侧环形阻尼结构9形成的径向间隙值sc,rad与轮缘半径b的比值为0.005-0.01。环形阻尼结构9内部详细结构通过图2-3进行详细描述。整个环形阻尼结构9至少包括5个轴向内齿环挡板10，共形成至少4个环形密封腔11，即每两个相邻轴向内齿环挡板10形成1个环形密封腔11，该腔中至少包含2层蜂窝12/孔型13结构，每两个相邻轴向内齿环挡板10形成1个环形密封腔11，整周环形密封腔11中包含6-8个周向内齿环挡板14，其角度均匀分配，环形阻尼结构9中，轴向内齿环挡板10与周向内齿环挡板11高度一致，其高度为环形阻尼结构9最大值，高于蜂窝12/孔型13区域。
本发明的技术思路是：
本发明从燃气轮机高温高压涡轮转静轮缘间隙处复杂的高温燃气入侵问题出发，通过在静盘侧加装转-静盘腔挡板8构建复杂的轴向与径向间隙形成节流效应，增大流阻减小高温燃气入侵时的径向速度分量，通过转-静盘腔挡板8将涡轮转-静盘腔5分隔内外两个相对独立的盘腔流体域，将入侵流与入侵流的影响更多地限制在涡轮转-静盘腔5的外部区域。导致燃气入侵的因素很多，最为常见的是外部诱导入侵与旋转诱导入侵，这两种入侵都属于一种大尺度的稳态入侵，实际造成燃气入侵剧烈增加的是由于涡轮转-静盘腔5内部流动与主流通道7的流场形成了亥姆霍兹共振导致盘腔内部压力剧烈震荡，进而造成的一股股的高温入侵现象。本发明中所设计的环形阻尼结构9的技术思路主要体现在提高涡轮转-静盘腔5内部气体的气动阻尼，避免与主流通道7流体产生亥姆霍兹共振，减小由于亥姆霍兹共振引起的转-静盘腔内部压力变化，进而减小燃气入侵，这是一种从设计层面出发的、主动地抑制燃气入侵的机理性创新。同时，利用环形阻尼结构9内部布置的蜂窝12/孔型13设计可以提高对入侵流体的能量耗散，此外，采用环形阻尼结构9可以减小环形阻尼结构9与涡轮动叶端壁2下沿形成径向间隙，环形阻尼结构9采用可摩擦、可磨损材料，显著减小入侵通道横截面积，进一步减小入侵流量。
结合图1，涡轮导叶端壁1、涡轮动叶端壁2、涡轮静盘3与涡轮动盘4共同构成涡轮转-静盘腔5，涡轮导叶端壁1与涡轮动叶端壁2之间为转-静轮缘间隙6，涡轮转-静盘腔5与转-静轮缘间隙6为燃气轮机涡轮部件典型单元，转-静轮缘间隙6为连接主流通道7与涡轮转-静盘腔5的关键区域，转-静盘腔挡板8安装在涡轮静盘3上，转-静盘腔挡板8为整周连续环形结构，其安装径向位置rs与轮缘半径b的比值为0.8-0.9。转-静盘腔挡板8与涡轮动盘4形成的轴向间隙值sc,ax为转静盘腔间距S的5-8％。转-静盘腔挡板8上安装有环形阻尼结构9，环形阻尼结构9钎焊在转-静盘腔挡板8与涡轮动叶端壁2的下表面。环形阻尼结构9为整周连续结构，其安装位置为无量纲轴向位置(与涡轮静盘3间距z与转静盘腔间距S的比值)为0-0.8，转-静盘腔挡板8上环形阻尼结构9顶部与涡轮动叶端壁2侧环形阻尼结构9形成的径向间隙值sc,rad与轮缘半径b的比值为0.005-0.01。
结合图2-3，环形阻尼结构9钎焊在转-静盘腔挡板8与涡轮动叶端壁2的下表面。整个环形阻尼结构9至少包括5个轴向内齿环挡板10，共形成至少4个环形密封腔11，即每两个相邻轴向内齿环挡板10形成1个环形密封腔11，该腔中至少包含2层蜂窝12或孔型13结构，每两个相邻轴向内齿环挡板10形成1个环形密封腔11，整周环形密封腔11中包含6-8个周向内齿环挡板14，其角度均匀分配，环形阻尼结构9中，轴向内齿环挡板10与周向内齿环挡板11高度一致，其高度为环形阻尼结构9最大值，高于蜂窝12/孔型13区域。环形密封腔11内部钎焊有蜂窝12/孔型13结构，蜂窝芯格尺寸与蜂窝芯格深度比例为1：1，孔型结构半径与孔深度比例为1：1。

Claims (10)

1.一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：包括涡轮导叶端壁、涡轮动叶端壁、转-静轮缘间隙、转-静盘腔挡板和环形阻尼结构；涡轮导叶端壁与涡轮动叶端壁形成转-静轮缘间隙，其中转-静盘腔挡板安装在涡轮静盘上，环形阻尼结构通过真空钎焊在转-静盘腔挡板上；涡轮导叶端壁、涡轮动叶端壁、涡轮静盘、涡轮动盘共同构成转-静盘腔，转-静轮缘间隙位于主流通道与涡轮转-静盘腔的连接处，主流通道高温燃气经由转-静轮缘间隙入侵涡轮转-静盘腔，涡轮转-静盘腔内部为从压气机侧抽取的封严冷气，在封严间隙的同时，对热端部件供气并冷却热端部件。
2.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：转-静盘腔挡板将涡轮转-静盘腔分割为内外两个腔室，减小静盘侧入侵流的径向速度分量以及高温燃气的入侵深度，防止高温燃气入侵涡轮盘心，降低燃气入侵的影响范围；同时转-静盘腔挡板与涡轮动盘构成轴向间隙形成节流效应，将高温燃气更多地限制在外部环腔。
3.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：环形阻尼结构钎焊在转-静盘腔挡板表面，环形阻尼结构能够提高对入侵流体的能量耗散，同时提高转-静盘腔气体的气动阻尼，避免与主流通道流体产生亥姆霍兹共振，减小转-静盘腔内部压力震荡和燃气入侵；环形阻尼结构能够与涡轮动叶端壁下沿形成径向间隙，减小入侵通道横截面积减小入侵流量。
4.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：环形阻尼结构采用可摩擦材料，减小转静间隙以及入侵流量。
5.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：转-静盘腔挡板为整周连续环形结构，其安装径向位置的尺寸rs与轮缘半径b的比值为0.8-0.9。
6.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：转-静盘腔挡板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％。
7.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：环形阻尼结构为整周连续结构，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0-0.8；
环形阻尼结构顶部与端壁形成的径向间隙值sc,rad与轮缘半径b的比值为0.005-0.01。
8.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：环形阻尼结构包括高阻尼设计蜂窝/高阻尼设计孔型与内齿环挡板，其中内齿环挡板又分为轴向内齿环挡板与周向内齿环挡板。
9.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：每两个相邻轴向内齿环挡板形成1个环形密封腔，该环形密封腔中至少包含2层蜂窝/孔型结构，每两个相邻轴向内齿环挡板形成1个环形密封腔，该环形密封腔中包含6-8个周向内齿环挡板，内齿环挡板沿整周均匀分配。
10.根据权利要求1所述的一种可抑制高温燃气亥姆霍兹共振入侵的涡轮轮缘阻尼密封结构，其特征在于：环形阻尼结构中，内齿环挡板的高度为环形阻尼结构最大值，轴向内齿环挡板与周向内齿环挡板高度一致，且高于蜂窝/孔型区域。
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