CN113389601B - 一种叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构及叶轮机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构及叶轮机械，包括机匣、叶冠、动叶片和螺旋槽；所述动叶片的顶部设有环状叶冠，机匣位于叶冠的上方；所述叶冠径向外圆周上或机匣的内壁设置若干螺旋槽，所述螺旋槽顶部沿长度方向设有多个空腔；每一螺旋槽均与动叶片旋转的周向成夹角，该夹角为螺旋角α；且每一螺旋槽与动叶片的轴向也成夹角倾斜，该夹角为倾斜角β，螺旋槽向上游泄漏流入口侧倾斜布置；螺旋槽位于叶冠顶部与机匣内壁面之间。本发明综合利用螺旋密封、蜂窝密封和倾斜齿槽的优点，通过泵送效应、扰流效应和节流效应以减少叶顶间隙泄漏量和泄漏损失。

Description

一种叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构及叶轮机械

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，尤其涉及一种叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构及叶轮机械。

背景技术

目前，在电力以及各种动力设备中广泛应用的鼓风机、压缩机、蒸汽轮机、燃气轮机、航空发动机等叶轮机械内，均存在叶顶间隙泄漏的问题，其原因在于旋转叶片(即动叶)顶部与机匣之间都存在不可避免的间隙，叶顶间隙处的工质泄漏会降低叶轮机械的能量转换效率，增强流体对叶尖的扰动，造成能量损失，危害叶轮机械运行安全。为了加强密封效果，叶片顶部可加装叶冠或称为围带，并采用各种密封措施。现有叶冠密封技术中有以下解决方案：被动控制方法如改变进口和出口腔几何参数，叶冠布置凹槽和台阶、小翼型冠和加装肋条等，主动控制方法如在机匣端壁引入射流或叶尖开孔喷气等，射流或喷气方法会增加叶冠出口泄漏流量导致与主流的掺混损失更大，同时还需要高压空气并且会增加设备重量，叶冠附近结构优化设计可以起到一定的效果，但是泄漏减少量很有限并仍有一定的提升空间。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，涉及叶轮机械动叶片顶部的密封结构，以减少叶顶间隙泄漏量，降低泄漏损失。动叶片的顶部密封结构在叶冠外壁面或机匣的内壁面设置一定角度的倾斜螺旋槽，并在螺旋槽齿顶内部开设一定数量的孔腔，利用动叶片顶部叶冠较高的线速度，使得螺旋槽旋转时在槽道之间产生很强的“泵压”效果，通过泵送作用将叶顶泄漏侧的流体沿着螺旋槽持续地将低压侧的泄漏流体泵送至高压侧，泵送流与泄漏主流方向相反，产生更大的流动阻力，可以达到减少泄漏量的效果，倾斜齿槽旋转过程会对泄漏流产生扰动作用，同时螺旋槽齿顶间隙和孔腔内会因节流和涡流造成能量耗散，本发明综合利用螺旋槽的泵送效应、倾斜齿槽的扰流效应以及螺旋槽和孔腔的节流效应，增加泄漏流在叶顶间隙内受到的流动阻力，进一步减小动叶片叶顶间隙泄漏量和流动损失，从而提高机组的运行效率和经济效益。

本发明还提出了一种包括所述叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构的叶轮机械。

本发明的技术方案是：一种叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，包括机匣、叶冠、动叶片和螺旋槽；

所述动叶片的顶部设有环状叶冠，机匣位于叶冠的上方；所述叶冠外壁面或机匣的内壁面设置若干螺旋槽，所述螺旋槽顶部沿长度方向设有多个孔腔；每一螺旋槽均与动叶片旋转的周向成夹角，该夹角为螺旋角α；且每一螺旋槽与动叶片的轴向也成夹角倾斜，该夹角为倾斜角β，螺旋槽向上游泄漏流入口侧倾斜布置；螺旋槽位于叶冠顶部与机匣内壁面之间。

上述方案中，所述螺旋槽截面形状为平行四边形或梯形。

上述方案中，所述孔腔形状包括圆形、椭圆形或矩形。

上述方案中，所述孔腔沿动叶片轴向布置至少一排。

上述方案中，所述孔腔沿动叶片轴向布置两排以上，孔腔能够交错排布。

上述方案中，所述螺旋槽两侧壁面平整。

上述方案中，所述叶冠外壁面上设置若干螺旋槽，所述机匣的内壁面为光滑圆环面。

上述方案中，所述机匣的内壁面设置若干螺旋槽，所述叶冠外壁面为光滑圆环面。

一种叶轮机械，包括所述叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明动叶片叶冠或机匣的线速度较高，通过连续的螺旋槽可沿槽道持续泵送泄漏流，其泵送效果较为明显，多组螺旋槽形成的倾斜齿槽具有增强扰流的效果，且螺旋槽的节流效果和数量较多的孔腔形成类似蜂窝密封的节流效果。因此，综合泵送效果、扰流效果和节流效果，能进一步减少叶顶间隙泄漏量。相比传统的梳齿台阶迷宫密封结构，所述叶冠外壁面设置若干螺旋槽，所述机匣的内壁面光滑，或所述机匣的内壁面设置若干螺旋槽，所述叶冠外壁面为光滑圆环面，能避免叶轮机械机组运行过程中动叶片叶顶的轴向碰摩，可以延长叶片使用寿命，有利于机组安全运行。

附图说明

图1为本发明一实施方式的叶轮机械叶片顶部密封结构的三维示意图；

图2为本发明一实施方式的叶轮机械叶片顶部密封结构的主视图；

图3为本发明一实施方式的叶轮机械动叶片顶部密封结构的局部俯视图；

图4为一实施方式的螺旋槽截面及孔腔示意图；

图5为一实施方式的叶顶间隙泄漏、“泵送流动”及涡流示意图。

图中：机匣1，叶片顶部叶冠2，动叶片3，叶片轮毂4，螺旋槽5，孔腔6。

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。

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”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，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，或一体地连接；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。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。

图1、2、3所示为所述叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构的一种较佳实施方式，所述叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，包括机匣1、叶冠2、动叶片3、叶片轮毂4和螺旋槽5。

所述动叶片3的顶部设有环状叶冠2，机匣1位于叶冠2的上方；所述叶冠2外壁面或机匣1的内壁设置若干螺旋槽5形成的倾斜齿结构，所述螺旋槽5顶部沿长度方向设有多个空腔6；每一螺旋槽5均与动叶片3旋转的周向成夹角，该夹角为螺旋角α；且每一螺旋槽5与动叶片3的轴向也成夹角倾斜，该夹角为倾斜角β，螺旋槽5向上游泄漏流入口侧倾斜布置；螺旋槽5位于叶冠2顶部与机匣1内壁面之间。

优选的，所述螺旋槽5截面形状为平行四边形或梯形，每一条螺旋槽5的结构完全相同，均按照相同螺旋角和倾斜角设置在所述动叶片3顶部的叶冠2上。

优选的，所述孔腔6自螺旋槽5顶面沿平行于螺旋槽5侧面梯形时垂直于齿顶面方向开设，所述孔腔6形状包括圆形、椭圆形或矩形。

如图4所示，根据本实施例，优选的，所述孔腔6沿动叶片3轴向布置至少一排。当所述孔腔6沿动叶片3轴向布置两排以上的，孔腔6能够交错排布。

优选的，所述螺旋槽5两侧壁面平整，只要是处于螺旋槽齿顶区域内并有益于减小间隙处泄漏的形状及数量均可采用，每一所述孔腔大小、深度相同，孔腔深度可结合孔径设计为有利于形成涡流的数值，可以与螺旋槽高度不相同，所述孔腔的形状、数量和尺寸结构可结合实际密封效果进行调整。

优选的，所述叶冠2外壁面上设置若干螺旋槽5，所述机匣1的内壁面光滑，而当所述机匣1的内壁设置若干螺旋槽5，所述叶冠2外壁面光滑。

根据本实施例，优选的，对动叶片3顶部叶冠2顶部设计多排螺旋槽5形成倾斜齿结构，并在螺旋槽5齿顶区域内开设圆形孔腔6。本发明综合利用螺旋槽5和孔腔6形成的节流效果、倾斜齿的扰流效果和螺旋密封的泵送效果，以降低叶顶间隙的泄漏量，获得更高的气动效率和经济效益。

图1为叶片顶部密封的三维结构示意图。所述螺旋槽5位于叶冠2顶部与机匣1内壁面之间，保证螺旋槽5顶部距离机匣1内壁面的高度(即叶顶间隙高度)不变，螺旋槽5的螺旋角度在满足加工及叶冠2顶部几何条件的情况下设计尽可能小，这样可以在转子转动时，沿着小角度螺旋槽5壁面实现连续的泵送作用。

图2为叶片顶部密封的主视图。螺旋槽5与叶片3轴向呈一定角度，形成向泄漏流入口侧倾斜的螺旋齿，对泄漏来流产生偏转扰流作用，跟随转子高速旋转时其阻尼效果更大，从而能更好地阻挡泄漏流。螺旋槽5螺旋角度和螺旋槽齿的倾斜角度根据实际运行工况和流体工作特性进行计算和试验调整，以获得相对最优的角度参数。

图3为叶片顶部密封的俯视图。螺旋槽齿顶的内部设置有单排圆形孔腔6，孔腔6直径略小于螺旋槽齿宽度，在保证螺旋槽齿侧面平整的情况下，实现泵送效果的需要，能最大限度减轻叶冠质量。叶冠2可以调整其厚度，机匣1也可沿径向往上改变高度，根据实际结构和密封效果对比设计螺旋槽的相对最佳深度。

图4为螺旋槽和孔腔的结构形状及数量的示意图。螺旋槽5截面可不限于图4(a)的平行四边形，也可设计为图4(f)所示的梯形，孔腔形状可不限于图4(a)的圆形,也可设置为图4(d)所示方形或未展示的椭圆形，数量可不限于沿螺旋槽布置的如图4(a)和(d)的单排，可布置为半径更小的、平行布置的双排或多排，图4(b)或(e)展示的为双排孔腔,也可如图4(c)设计为交错排布的，在螺旋槽5顶部与机匣1形成的间隙处的节流次数更多，泄漏流受到的阻力越大，密封效果更佳。螺旋槽5头部和尾部尖端部分较窄，可不开孔，具体可结合孔径或边长进行调整。

所述螺旋槽5均以一固定较小的螺旋角、与间隙高度成比例的槽深和齿宽设置在所述动叶片3的叶冠2顶部，所述孔腔6深度可结合孔径设计为有利于形成涡流的数值，所述孔腔6数量在满足结构要求地情况下尽量地多，可使节流次数尽可能多，进一步减少叶顶间隙泄漏。

图5为叶顶间隙泄漏、泵送流动及涡旋示意图。间隙的存在会不可避免地产生泄漏流动，泵送流动方向与其方向相反。动叶片3转动时通过螺旋槽5壁面对具有粘性的流体工质产生泵送推动作用，沿着连续的螺旋槽5从泄漏流出口侧往入口侧方向输送，这样就能实现减小泄漏的作用。倾斜的螺旋槽5侧壁面在高速旋转时产生的扰流作用在槽根部附近产生涡旋，增加流阻。螺旋槽5部顶和机匣1形成的间隙处通过圆形孔腔6形成节流作用，在圆形孔腔6内部形成漩涡将泄漏流能量充分耗散，进而增大了流动阻力，齿顶的射流作用也会被减弱，有助于减少泄漏量。本发明综合利用螺旋密封、蜂窝密封和倾斜齿槽的优点，通过泵送效应、扰流效应和节流效应以减少叶顶间隙泄漏量和泄漏损失。

一种叶轮机械，包括所述叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，因此具有所述叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构的有益效果，所述叶轮机械动叶3顶部密封结构为增强节流效果，将常见的直线螺旋槽设计为与径向带有一定角度的倾斜螺旋槽5，且在螺旋槽5齿顶引入孔腔6的结构，在相邻螺旋槽之间由于间隙空间的收缩和扩张会形成漩涡，采用倾斜螺旋槽5使得涡流耗散更为充分，进一步增加槽道内的湍流阻力，产生更好的节流效果和扰流效果。常见平整的齿顶间隙内的射流速度很大，不利于所述螺旋槽的密封，采用孔腔6可将齿顶间隙处泄漏流体引入孔腔中形成涡流，数量较多的孔腔形成较多的漩涡，对泄漏流动产生的阻尼效果更大，从而减少泄漏量。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，其特征在于，包括机匣(1)、叶冠(2)、动叶片(3)和螺旋槽(5)；

所述动叶片(3)的顶部设有环状叶冠(2)，机匣(1)位于叶冠(2)的上方；所述叶冠(2)外壁面或机匣(1)的内壁设置若干螺旋槽(5)形成倾斜齿结构，倾斜齿结构截面形状为平行四边形或倒梯形，所述倾斜齿结构顶部沿长度方向设有多个孔腔(6)；所述螺旋槽(5)两侧壁面平整，每一螺旋槽(5)侧面均与动叶片(3)旋转的周向成夹角，该夹角为螺旋角α；且每一螺旋槽(5)与动叶片(3)的轴向也成夹角倾斜，该夹角为倾斜角β，螺旋槽(5)侧面向上游泄漏流入口侧倾斜布置；螺旋槽(5)位于叶冠(2)顶部与机匣(1)内壁面之间。

2.根据权利要求1所述的叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，其特征在于，所述孔腔(6)形状包括圆形、椭圆形或矩形。

3.根据权利要求1所述的叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，其特征在于，所述孔腔(6)沿动叶片(3)轴向布置至少一排。

4.根据权利要求1所述的叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，其特征在于，所述孔腔(6)沿动叶片(3)轴向布置两排以上，孔腔(6)能够交错排布。

5.根据权利要求1所述的叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，其特征在于，所述叶冠(2)外壁面上设置若干螺旋槽(5)，所述机匣(1)的内壁面为光滑圆环面。

6.根据权利要求1所述的叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构，其特征在于，所述机匣(1)的内壁面设置若干螺旋槽(5)，所述叶冠(2)外壁面为光滑圆环面。

7.一种叶轮机械，其特征在于，包括权利要求1-6任意一项所述叶顶带有孔腔的倾斜螺旋槽密封结构。

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