CN115371978B - 一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，包括进气结构、出气结构、榫头与榫槽装配间隙结构；榫头与榫槽装配间隙结构参考实际燃气轮机透平叶片中的典型榫头/榫槽结构。在实验过程中，压缩空气首先通过进气结构进入榫头与榫槽装配间隙结构，随后通过出气结构流出。本发明有助于掌握压缩空气在榫头/榫槽试验结构内的流动过程，可以开展关于榫头/榫槽内流动传热特性的相关研究。榫头与榫槽装配间隙结构参考了实际燃气轮机透平叶片，使得试验的结果更加贴近实际情况。

Description

一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，特别涉及一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置。

背景技术

燃气轮机凭借其功率密度大、体积小重量轻、启停速度快等诸多优势在航空推进、船舶动力、陆用发电等工业领域应用广泛。提高燃气轮机透平的进口温度是提高燃气轮机循环效率及功率的重要途径。目前先进燃气轮机的透平进气温度已经超过了透平叶片材料的承受温度。因此对透平叶片热端进行冷却是十分必要的。对叶片热端部件进行冷却一方面可以降低其温度梯度以减少热应力，另一方面可以降低零件的表面温度以达到叶片材料可以承受的温度。燃气轮机透平叶片的榫头榫槽结构在装配过程中会产生一对锯齿状的装配间隙。这种间隙中间流通截面宽，两头流通截面窄，呈现“S”型，局部还可能会出现死角。这样复杂的结构对于流动与换热都带来了很大的影响，其中影响最大的是流动特性和局部换热特性。在实际工程应用中，装配间隙中的流动和传热特性往往被简化。目前关于榫头榫槽结构的研究基本都集中于对其结构的优化，几乎没有对于装配间隙内流动换热影响的研究。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，以模拟装配间隙结构参数对榫头/榫槽装配间隙流动与换热的影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，包括进气结构、出气结构以及装配间隙结构；所述进气结构和出气结构均为顶部开口底部密封的空心柱状结构，其中，进气结构的顶部开口为进气口，出气结构的顶部开口为出气口，所述装配间隙结构两端连通进气结构和出气结构的内部空间，其间隙形状模拟燃气轮机透平叶片与轮盘之间的榫头与榫槽安装间隙。

在一个实施例中，所述进气结构和出气结构的截面形状为矩形。

在一个实施例中，所述装配间隙结构两端分别与进气连接板、出气连接板粘连，进气连接板四周分布有通孔一，出气连接板四周分布有通孔二，进气连接板在通孔一处与进气结构螺栓连接，出气连接板在通孔二处与出气结构螺栓连接；装配后的进气连接板位于进气结构与装配间隙之间，出气连接板位于出气结构与装配间隙之间。

在一个实施例中，所述装配间隙结构由亚克力板一、亚克力板二以及垫片拼接组成，所述亚克力板一与亚克力板二拼接形成实际燃气轮机透平叶片中的榫头与榫槽契合安装结构，二者之间形成装配间隙，所述垫片封堵于所述装配间隙的底部。

在一个实施例中，所述亚克力板一由顶板一、连接板一和侧板一顺次连接组成，所述顶板一为水平板或类水平板，所述侧板一为竖直板或类竖直板，所述连接板一为倾斜板，连接所述顶板一的后侧边沿与所述侧板一的顶端边沿；

所述亚克力板二由顶板二、连接板二和侧板二顺次连接组成，所述顶板二为水平板或类水平板，位于所述顶板一的上方；所述侧板二为竖直板或类竖直板，位于所述侧板一的后方；所述连接板二连接所述顶板二的后侧边沿与所述侧板二的顶端边沿；

所述装配间隙由所述侧板一与所述侧板二之间的间隙一以及所述连接板一与所述连接板二之间的间隙二组成，所述垫片设置于所述间隙一中。

在一个实施例中，所述侧板一底部设置有通孔，所述顶板二上开有若干通孔-键槽结构；所述亚克力板一、亚克力板二与垫片通过所述通孔螺栓连接；所述亚克力板一与亚克力板二通过所述通孔-键槽结构螺栓连接。

在一个实施例中，所述顶板二的底面与所述顶板一的顶面贴合；所述连接板二的前侧面为向后内凹的弧形，所述连接板一的后侧面为平直的板状，所述侧板一与所述侧板二之间的间隙距离为装配间隙宽度D，所述垫片的顶部与所述顶板一的顶面之间的距离为榫头/榫槽结构高度h，所述间隙一的长度方向与竖直方向的夹角为榫头/榫槽结构与竖直方向间的夹角θ。

在一个实施例中，所述弧形的弧顶与所述连接板一的距离大于所述装配间隙宽度D。

在一个实施例中，所述亚克力板一与亚克力板二之间通过螺栓连接，二者之间的装配距离可调，所述垫片的高度尺寸有多种规格或所述垫片在所述间隙一中的装配位置可调。

在一个实施例中，所述装配间隙宽度D的取值为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm；所述榫头/榫槽结构高度h的取值为224.1mm、249.1mm、274.1mm、299.1mm或324.1mm；所述榫头/榫槽结构与竖直方向间的夹角θ取值为5°、10°、15°、20°或25°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)发明了一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽的试验结构，模拟了榫头/榫槽内的流动过程，可以开展关于榫头/榫槽内流动传热特性的研究。

(2)榫头/榫槽结构参数设计参考了实际燃气轮机透平叶片的设计，试验结构更接近实际的燃气轮机透平叶片。

(3)改变榫头/榫槽结构的不同高度、装配间隙宽度可以通过更换垫片的尺寸或位置实现。

(4)当需要改变榫头/榫槽结构的高度及装配间隙宽度时，因为亚克力板二已与两端的连接板用胶粘连，因此更换相应尺寸的垫片时只需要拆卸安装亚克力板一，随后在亚克力板一与两端的连接板接触处用硅脂加以密封，保证实验的准确性，使得实验工作得到简化。

(5)当改变榫头榫槽结构与竖直方向的夹角时，选择好对应尺寸的亚克力板一、亚克力板二、进气连接板、出气连接板、垫片。随后将亚克力板一、亚克力板二、垫片进行螺栓连接，装配后形成装配间隙结构。随后在装配间隙结构的两端分别用胶粘连对应的连接板，最后将两端的连接板在通孔处通过螺栓连接分别与进气结构、出气结构相连。

附图说明

图1为叶片与涡轮轮盘装配参考示意图。

图2为一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽试验装置的示意图。

图3为图2中的榫头与榫槽装配间隙结构的示意图。

图4为榫头/榫槽结构与竖直方向夹角示意图。

图5为图3结构的装配示意俯视图。

图6为图3结构的装配示意前视图。

图7为榫头/榫槽结构与出气结构的装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式进行详细说明。本实施例仅为根据上述技术方案给出的一种具体的实施方式，并不用来限定本发明的实施范围，基于本发明技术原理做的其他等效变化均属于本发明的保护范围。

燃气轮机透平叶片与涡轮轮盘利用榫头101与榫槽102进行安装的结构如图1所示，其侧边缘产生了一对锯齿状的装配间隙103。该间隙呈现中间流通截面宽，两头流通截面窄的“S”型结构。为了深入研究装配间隙103中的流动和传热特性，以及模拟装配间隙结构参数对流动与换热的影响，本发明提供了相应的试验装置，能够改变榫头/榫槽结构高度、榫头/榫槽间隙宽度、榫头/榫槽与竖直方向的夹角，所选参数参考了实际榫头/榫槽结构，试验条件更贴近实际燃气轮机透平叶片的工况，实验结果更贴合更具说服力。

本发明试验装置的结构可参考图2，其主要包括进气结构3、出气结构4以及装配间隙结构5。其中，进气结构3和出气结构4均为顶部开口底部密封的空心柱状结构，进气结构3的顶部开口为进气口1，出气结构4的顶部开口为出气口2。装配间隙结构5连通进气结构3和出气结构4的内部空间，装配间隙结构5参考了实际燃气轮机透平叶片中典型榫头/榫槽结构的设计，其间隙形状模拟燃气轮机透平叶片与轮盘之间的榫头与榫槽安装间隙。在本发明中，由于装配间隙103是对称的“S”型结构，为简化起见，装配间隙结构5的间隙形状模拟的是上述的“S”型结构的1/2，即腰部的一半与头部，或腰部的一半与尾部。

示例地，本发明进气结构3和出气结构4的截面形状为矩形，选择矩形的原因是其加工方便，其它形状的结构也显然具有相同的试验原理。

根据上述结构，压缩空气通过进气口1流入进气结构3，随后流入装配间隙结构5；最后通过出气结构4经出气口2流出。

参考图3，本发明提供了装配间隙结构5的一种具体组成方式，其由亚克力板一6、亚克力板二7以及垫片8拼接组成。其中亚克力板一6与亚克力板二7拼接形成实际燃气轮机透平叶片中的榫头与榫槽契合安装结构，并且二者之间形成装配间隙，而垫片8则封堵于装配间隙的底部(对应于前述“S”型结构的腰部中心位置)。

其中，亚克力板一6由顶板一61、连接板一62和侧板一63顺次连接组成，亚克力板二7则由顶板二71、连接板二72和侧板二73顺次连接组成。

顶板一61可以为水平板或类水平板，侧板一63则可以为竖直板或类竖直板，连接板一62需要为倾斜板，其作用是连接顶板一61的后侧边沿与侧板一63的顶端边沿，形成一个拐角。

顶板二71可以为水平板或类水平板，其位于顶板一61的上方；侧板二73则可以为竖直板或类竖直板，其位于侧板一63的后方；连接板二72可以是一块倾斜板，也可以是直角板，其作用是连接顶板二71的后侧边沿与侧板二73的顶端边沿，并在内侧形成一个与连接板一62具有间距的拐角。

由此，本发明试验装置模拟的装配间隙由侧板一63与侧板二73之间的间隙一以及连接板一62与连接板二72之间的间隙二组成。显然，间隙一和间隙二是连通的，但在某些特殊试验要求下，其也可以隔离。其中，垫片8设置于间隙一中。

其中，顶板二71的底面与顶板一61的顶面贴合；连接板二72的前侧面设计为向后内凹的弧形，连接板一62的后侧面为平直的板状。

本发明中，在侧板一63底部设置有通孔64，顶板二71上则开有若干通孔-键槽结构74；亚克力板一6、亚克力板二7与垫片8通过通孔64螺栓连接；亚克力板一6与亚克力板二7通过通孔-键槽结构74螺栓连接。

参考图3和图4，侧板一63与侧板二73之间的间隙距离为装配间隙宽度D，垫片8的顶部与顶板一61的顶面之间的距离为榫头/榫槽结构高度h，间隙一的长度方向与竖直方向的夹角为榫头/榫槽结构与竖直方向间的夹角θ。

本发明中，连接板二72前侧面弧形的弧顶与连接板一62的距离大于装配间隙宽度D。

本发明D、h和θ的选择均参考了实际燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构参数。示例地，装配间隙宽度D的取值为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm；榫头/榫槽结构高度h的取值为224.1mm、249.1mm、274.1mm、299.1mm或324.1mm；榫头/榫槽结构与竖直方向间的夹角θ取值为5°、10°、15°、20°或25°。

参考图5，本发明在顶板二71或连接板二72上开有若干通孔-键槽结构74，这是因为当改变装配间隙宽度D时，需要更换垫片8的尺寸，会造成顶板61的位置发生改变。因此需要开设通孔-键槽结构74，使得装配间隙D改变时，顶板71的底面仍能和顶板61的顶面紧密贴合。

参考图4和图7，本发明中，装配间隙结构5两端分别与进气连接板9、出气连接板10粘连，进气连接板9四周分布有通孔一91，出气连接板10四周分布有通孔二1001，进气连接板9在通孔一91处与进气结构3螺栓连接，出气连接板10在通孔二1001处与出气结构4螺栓连接。装配后的进气连接板9位于进气结构3与装配间隙5之间，出气连接板10位于出气结构4与装配间隙5之间。其目的在于在实验过程中改变榫头/榫槽结构参数时，只需拆卸更换进气连接板9、出气连接板10，无需更改进气结构3、出气结构4，使实验得到简化同时节约了实验成本。

参考图6和图7，本发明中，亚克力板一6与亚克力板二7之间的装配距离可调，示例地，二者可通过螺栓等方式固定，以便于调整间距和位置。垫片8在间隙一中的装配位置可调，示例地，垫片8可通过螺栓连接，也可将垫片8的高度/宽度尺寸设置多种规格，根据需要选择使用。

例如，当需要改变D、h时，选择与所需尺寸对应的垫片8。亚克力板二7与两端的进气连接板9、出气连接板10事先已用胶粘连好，此时不需要拆卸亚克力板7，使得实验工作得到简化。只需拆卸亚克力板一6，更换不同尺寸的垫片8并将其置于亚克力板6、7之间，随后在亚克力板一6与亚克力板二7下方的通孔64以及上方的通孔-键槽结构74进行螺栓连接，装配后形成装配间隙结构5。最后在亚克力板6与两端的连接板9、10处用硅脂加以密封，保证试验的准确性。

当需要改变θ时，选择与所需θ对应尺寸的亚克力板一6、亚克力板二7、进气连接板9、出气连接板10、垫片8。先将亚克力板一6、亚克力板二7、垫片8在通孔64与通孔-键槽结构74处进行螺栓连接，装配后形成装配间隙结构5。随后在装配间隙结构5的两端分别用胶粘连对应的连接板9、10。最后连接板9、10在通孔91、1001处通过螺栓连接分别与进气结构3、出气结构4相连。

本发明的具体使用方法/过程/原理如下：

在实验过程中，由于结构较为复杂，所以在设计实验装置时，在保证原有主要特征的前提下，忽略了一些次要因素，在模拟原有试验装置流动特性的条件下，尽量简化实验装置的设计，这样做有利于加工与测量。综合考虑实验条件后，将实际的“S”型通道结构放大5倍后进行实验。根据相似原理，只要在实验过程中保证实验模型与实物之间几何条件相似、流动条件相似即为同类性质的流动，可以用相同的基本运动方程进行描述。在本发明中压缩空气通过进气结构的进气口进入，流经装配间隙结构，最后通过位于出气结构的出气口流出。若在实验过程中保证实验的密闭性条件，则可以用此结构来模拟实际燃气轮机透平叶片中榫头/榫槽内的流动。

综上，此发明有效地模拟实际燃气轮机透平叶片中榫头/榫槽内的流动，让试验条件更贴近实际燃气轮机透平叶片的工况，试验结果更具说服力。本发明可以通过更换垫片的尺寸改变榫头/榫槽结构的不同高度、装配间隙宽度。当需要改变榫头/榫槽的不同高度以及装配间隙宽度时，因为亚克力板二已与两端的连接板用胶粘连，因此更换相应尺寸的垫片时只需要拆卸安装亚克力板一，随后在亚克力板一与两端的连接板接触处用硅脂加以密封，保证实验的准确性，使得实验工作得到简化。当需要改变榫头榫槽结构与竖直方向的夹角时，先选择好对应尺寸的亚克力板一、亚克力板二、进气连接板、出气连接板、垫片。随后将亚克力板一、亚克力板二、垫片进行螺栓连接，装配后形成装配间隙结构。随后在装配间隙结构的两端分别用胶粘连对应的连接板，最后将两端的连接板在通孔处通过螺栓连接分别与进气结构、出气结构相连。本发明有助于掌握压缩空气在榫头/榫槽试验结构内的流动过程，可以开展关于榫头/榫槽内流动传热特性的相关研究。榫头与榫槽装配间隙结构参考了实际燃气轮机透平叶片，使得试验的结果更加贴近实际情况。

Claims (6)

1.一种模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，其特征在于，包括进气结构（3）、出气结构（4）以及装配间隙结构（5）；所述进气结构（3）和出气结构（4）均为顶部开口底部密封的空心柱状结构，其中，进气结构（3）的顶部开口为进气口（1），出气结构（4）的顶部开口为出气口（2），所述装配间隙结构（5）两端连通进气结构（3）和出气结构（4）的内部空间，其间隙形状模拟燃气轮机透平叶片与轮盘之间的榫头与榫槽安装间隙；

所述装配间隙结构（5）由亚克力板一（6）、亚克力板二（7）以及垫片（8）拼接组成，所述亚克力板一（6）与亚克力板二（7）拼接形成实际燃气轮机透平叶片中的榫头与榫槽契合安装结构，二者之间形成装配间隙，所述垫片（8）封堵于所述装配间隙的底部；

所述亚克力板一（6）由顶板一（61）、连接板一（62）和侧板一（63）顺次连接组成，所述顶板一（61）为水平板，所述侧板一（63）为竖直板，所述连接板一（62）为倾斜板，连接所述顶板一（61）的后侧边沿与所述侧板一（63）的顶端边沿；

所述亚克力板二（7）由顶板二（71）、连接板二（72）和侧板二（73）顺次连接组成，所述顶板二（71）为水平板，位于所述顶板一（61）的上方；所述侧板二（73）为竖直板，位于所述侧板一（63）的后方；所述连接板二（72）连接所述顶板二（71）的后侧边沿与所述侧板二（73）的顶端边沿；

所述装配间隙由所述侧板一（63）与所述侧板二（73）之间的间隙一以及所述连接板一（62）与所述连接板二（72）之间的间隙二组成，所述垫片（8）设置于所述间隙一中；

所述侧板一（63）底部设置有通孔（64），所述顶板二（71）上开有若干通孔-键槽结构（74）；所述亚克力板一（6）、亚克力板二（7）与垫片（8）通过所述通孔（64）螺栓连接；所述亚克力板一（6）与亚克力板二（7）通过所述通孔-键槽结构（74）螺栓连接；

所述顶板二（71）的底面与所述顶板一（61）的顶面贴合；所述连接板二（72）的前侧面为向后内凹的弧形，所述连接板一（62）的后侧面为平直的板状，所述侧板一（63）与所述侧板二（73）之间的间隙距离为装配间隙宽度D，所述垫片（8）的顶部与所述顶板一（61）的顶面之间的距离为榫头/榫槽结构高度h，所述间隙一的长度方向与竖直方向的夹角为榫头/榫槽结构与竖直方向间的夹角θ。

2.根据权利要求1所述模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，其特征在于，所述进气结构（3）和出气结构（4）的截面形状为矩形。

3.根据权利要求1所述模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，其特征在于，所述装配间隙结构（5）两端分别与进气连接板（9）、出气连接板（10）粘连，进气连接板（9）四周分布有通孔一（91），出气连接板（10）四周分布有通孔二（1001），进气连接板（9）在通孔一（91）处与进气结构（3）螺栓连接，出气连接板（10）在通孔二（1001）处与出气结构（4）螺栓连接；装配后的进气连接板（9）位于进气结构（3）与装配间隙（5）之间，出气连接板（10）位于出气结构（4）与装配间隙（5）之间。

4.根据权利要求1所述模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，其特征在于，所述弧形的弧顶与所述连接板一（62）的距离大于所述装配间隙宽度D。

5.根据权利要求1所述模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，其特征在于，所述亚克力板一（6）与亚克力板二（7）之间通过螺栓连接，二者之间的装配距离可调，所述垫片（8）的高度尺寸有多种规格或所述垫片（8）在所述间隙一中的装配位置可调。

6.根据权利要求1所述模拟燃气轮机透平叶片榫头/榫槽结构的试验装置，其特征在于，所述装配间隙宽度D的取值为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm；所述榫头/榫槽结构高度h的取值为224.1mm、249.1mm、274.1mm、299.1mm或324.1mm；所述榫头/榫槽结构与竖直方向间的夹角θ取值为5°、10°、15°、20°或25°。