CN115142903B - 一种用于提升带冠涡轮封严性能的机匣 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于提升带冠涡轮封严性能的机匣，该机匣内部安装有轮毂，以及在轮毂上沿圆周均匀安装的叶片，叶片端部所组成的圆周上安装有叶冠，叶冠外壁安装篦齿，机匣在与篦齿相对应的地方设有一个宽槽，叶冠及篦齿与其顶部的宽槽内壁面之间形成间隙。本发明通过数值模拟的计算已经验证能够提升带冠涡轮的级效率，且其结构简单，更具有实用价值。

Description

一种用于提升带冠涡轮封严性能的机匣
技术领域
本发明属于涡轮技术领域，具体涉及一种用于提升带冠涡轮封严性能的机匣。
背景技术
涡轮叶尖泄漏流动引起的损失是涡轮级总涡轮级损失的重要组成部分。低压涡轮常采用叶冠封严结构来抑制泄漏流动，减小泄漏损失，但泄漏流动仍对涡轮级性能有着重要的影响。因此，控制带冠低压涡轮的泄漏流动，尽量减小其负面影响是近年来低压涡轮叶冠泄漏流动研究的热点和难点问题之一。
控制泄漏量是提升涡轮性能的直接途径，为了减小泄漏量从而降低泄漏损失，最常用的做法是增加篦齿齿数来增大泄漏流的流动阻力。篦齿齿数越多，流动阻力越大，泄漏量越小。泄漏流与主流的掺混损失是泄漏损失的重要组成部分。泄漏流汇入主流的速度方向是这部分掺混损失的重要影响因素，因为泄漏流与主流切向速度差是引起掺混损失的主要来源。在叶冠容腔内安置导流片可以偏转泄漏流的方向，从而减小泄漏流与主流的切向速度差，从而降低掺混损失。
而研究表明篦齿齿数对泄漏量的控制作用符合边际效益递减规律，即当篦齿齿数大于3时，再增加篦齿齿数对泄漏量的影响较小。同时，增大篦齿齿数可能会增加叶冠结构的质量，从而增大叶片的离心应力，限制涡轮的转速，影响到叶片的寿命。
在叶冠容腔内部安装导流片尽管得到了试验和数值计算的验证，但试验采用的是模拟试验工况，是在低温低压的条件下进行的。在发动机实际工作状态中，较薄的导流片能否经受高温燃气的冲蚀并未得到验证。此外，为了不增加叶冠结构的重量，导流片通常安置在机匣上，但导流片的安装会增加机匣结构的复杂性，一定程度上会影响结构的稳定性。因此目前还难以应用于实际的低压带冠涡轮上。
发明内容
针对上述技术问题本发明提出一种用于提升带冠涡轮封严性能的机匣，提升带冠涡轮的级效率。
具体的技术方案为：
一种用于提升带冠涡轮封严性能的机匣，该机匣内部安装有轮毂，以及在轮毂上沿圆周均匀安装的叶片，叶片端部所组成的圆周上安装有叶冠，叶冠外壁安装篦齿，机匣在与篦齿相对应的位置设有一个宽槽，叶冠及篦齿与其顶部的宽槽壁面之间形成间隙。
篦齿的齿尖与宽槽壁面的间隙高度τ是影响涡轮封严性能的重要参数。
宽槽与篦齿的相对位置参数以及尺寸参数包括：
相对位置参数：间隙高度τ，宽槽左侧壁面与篦齿齿尖的距离d，宽槽右侧壁面与篦齿齿尖的距离d；
尺寸参数：宽槽前深度h，宽槽后深度h，宽槽宽度L；
其中宽槽宽度由篦齿齿尖宽度d，齿间间距D，宽槽左侧壁面与篦齿齿尖的距离d1，宽槽右侧壁面与篦齿齿尖的距离d2三者决定，齿间间距D、篦齿齿尖宽度d是篦齿造型结构造型时已知的几何参数，因此宽槽宽度L并非决定宽槽造型的独立结构参数。
采用间隙高度τ对宽槽前深度h1，宽槽后深度h2进行无量纲化，得到宽槽前相对深度和/>采用叶顶轴向弦长Cax对宽槽左侧壁面与篦齿齿尖的距离d1，宽槽右侧壁面与篦齿齿尖的距离d2进行无量纲化，得到相对距离/>对于某个特定的涡轮，其叶顶轴向弦长是个已知的几何参数，那么给定间隙高度下，上述各个无量纲参数的取值范围见表1：
表1宽槽3造型无量纲几何参数的推荐取值范围
本发明的目的提出一种用于提升单篦齿或者双篦齿带冠涡轮封严性能的机匣，这种机匣结构通过数值模拟的计算已经验证能够提升带冠涡轮的级效率，且其结构简单，更具有实用价值。
附图说明
图1为本发明单篦齿带冠涡轮的机匣结构示意图；
图2为本发明双篦齿带冠涡轮的机匣结构示意图；
图3为本发明单篦齿带冠涡轮的机匣结构参数示意图；
图4为本发明双篦齿带冠涡轮的机匣结构参数示意图；
图5为实施例单篦齿带冠涡轮(算例A1)的宽槽造型参数示意图；
图6为实施例单篦齿带冠涡轮(算例A2)的宽槽造型参数示意图；
图7为实施例双篦齿带冠涡轮(算例B1)的宽槽造型参数示意图；
图8为实施例双篦齿带冠涡轮(算例B2)的宽槽造型参数示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1或图2所示，一种用于提升带冠涡轮封严性能的机匣，该机匣内部安装有轮毂，以及在轮毂上沿圆周均匀安装的叶片5。叶片5端部所组成的圆周上安装有叶冠4，叶冠4外壁安装篦齿2，机匣1在与篦齿2相对应的地方设有一个宽槽3，叶冠4及篦齿2与其顶部的宽槽3壁面之间形成间隙。
宽槽与篦齿的相对位置参数以及尺寸参数如图3和图4所示。
相对位置参数：间隙高度τ，宽槽左侧壁面与篦齿齿尖的距离d1，宽槽右侧壁面与篦齿齿尖的距离d2；
尺寸参数：宽槽前深度h1，宽槽后深度h2，宽槽宽度L。
本实施例使用某型涡轮进行数值模拟，将研究对象为平机匣单篦齿带冠涡轮的算例记为算例A，两种不同宽槽几何参数的开槽机匣单篦齿带冠涡轮算例分别记为算例A1和算例A2。算例A1和A2宽槽的具体几何参数如图5和图6所示。
将研究对象为平机匣双篦齿带冠涡轮的算例记为算例B，两种不同宽槽几何参数的开槽机匣双篦齿带冠涡轮算例分别记为算例B1和算例B2。算例B1和B2宽槽的具体几何参数如图7和图8所示。
表2开槽机匣算例与平机匣基准算例的涡轮级效率
从数值模拟得到的涡轮效率来看，平机匣单篦齿基准算例A的效率为90.52％，采用篦齿齿顶开槽机匣的单篦齿带冠涡轮算例A1和A2其效率都增加近0.10％。篦齿齿顶开槽机匣在双篦齿带冠涡轮上也有一定的效果，算例B1和B2的效率相较于平机匣双篦齿基准算例B提升近0.05％。

Claims (1)

1.一种用于提升带冠涡轮封严性能的机匣，所述的机匣内部安装有轮毂，在轮毂上沿圆周均匀安装有叶片；其特征在于，所述的叶片（5）端部所组成的圆周上安装有叶冠（4），叶冠（4）外壁安装篦齿（2），机匣（1）在与篦齿（2）相对应的地方设有一个宽槽（3），叶冠（4）及篦齿（2）与其顶部的宽槽（3）壁面之间形成间隙；
采用间隙高度τ对宽槽（3）深度进行无量纲化，得到宽槽（3）前相对深度和宽槽（3）后相对深度/>；采用叶顶轴向弦长C ax对宽槽（3）左侧壁面与篦齿（2）的距离d 1，宽槽（3）右侧壁面与篦齿（2）的距离d 2进行无量纲化，得到相对距离/>、/>；
宽槽（3）前相对深度的取值介于0到2之间，而宽槽（3）后相对深度/>的取值介于0到1之间；相对距离/>、/>取值均介于0.1到0.3之间。
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