CN116988852A - 降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，机匣台阶造型结构包括机匣，机匣的内壁包括由台阶面过渡连接的第一段机匣内壁和第二段机匣内壁；第二段机匣内壁的直径大于第一段机匣内壁的直径；在高温燃气流动方向上，第一段机匣内壁适于位于动叶的上游；在第二段机匣内壁的径向方向上，第二段机匣内壁与动叶叶尖之间具有叶尖间隙；在第二段机匣内壁的轴向方向上，台阶面适于与叶尖前缘之间具有轴向间隙。这样一来，高温燃气将在轴向间隙处形成台阶涡，延缓高温燃气继续进入叶尖间隙的趋势，可以减小叶尖前缘的压力侧和吸力侧之间的压力梯度，使叶尖间隙泄漏流对叶尖壁面的冲击强度减弱，降低叶尖壁面的平均换热系数。

Description

降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构

技术领域

本发明涉及燃气轮机透平技术领域，具体涉及一种降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构。

背景技术

为解决可再生新能源发电带来的波动和不确定性，燃气轮机成为了电力调峰的重要手段。为进一步提高燃气轮机功率和热效率，实现高质量发电和调峰要求，燃气轮机燃烧室内的燃烧温度不断提升，下游透平第一级静叶和动叶表面承受严重的热负荷考验。

现有技术中，在从动叶叶根到动叶叶尖的径向方向上，动叶叶尖与机匣之间存在径向间隙，以免动叶与机匣内壁发生摩擦，此径向间隙称之为叶尖间隙。由于动叶叶尖在压力侧和吸力侧之间存在压力梯度，部分高温燃气在该压力梯度的作用下从动叶叶尖的压力侧叶栅通道进入叶尖间隙后，从动叶叶尖的吸力侧直接流出，这部分从叶尖间隙直接流出而不对动叶做功的高温燃气称为叶尖间隙泄漏流。为了减小叶尖间隙泄漏流的流量，自动叶叶尖的顶壁向内凹陷形成有凹槽，凹槽两侧的侧壁分别为压力侧肩壁和吸力侧肩壁。压力侧肩壁和吸力侧肩壁类似密封齿作用，在叶尖间隙处形成了一个迷宫密封类型的结构，从而可以减小叶尖间隙泄漏流的流量。

然而，受动叶叶尖两侧压力梯度的作用和叶尖凹槽几何形态的影响，叶尖间隙泄漏流在叶尖凹槽内形成了旋转方向相反的压力侧角涡和刮削涡，旋转方向相反的压力侧角涡和刮削涡形成一个反向涡对，反向涡对驱动压力侧的高温燃气呈近S流动形态流经叶尖间隙，拉薄了叶尖壁面的流动边界层，在叶尖壁面产生了剧烈的对流换热，进而在叶尖壁面形成高换热系数区，长时间服役的过程中，动叶叶尖上对应高换热系数区的部分易烧蚀，导致透平总体性能下降，甚至导致更为严重的运行故障。

鉴于上述不足，有必要设计一种降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于受动叶叶尖两侧压力梯度的作用和叶尖凹槽几何形态的影响，在叶尖壁面形成高换热系数区，长时间服役的过程中，动叶叶尖上对应高换热系数区的部分易烧蚀，从而提供一种降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，所述机匣台阶造型结构包括机匣，所述机匣的内壁包括由台阶面过渡连接的第一段机匣内壁和第二段机匣内壁；所述第二段机匣内壁的直径大于所述第一段机匣内壁的直径；在高温燃气流动方向上，所述第一段机匣内壁适于与静叶的位置对应并位于动叶的上游；在所述第二段机匣内壁的径向方向上，所述第二段机匣内壁与动叶叶尖之间具有叶尖间隙；在所述第二段机匣内壁的轴向方向上，所述台阶面适于与叶尖前缘之间具有轴向间隙。

进一步地，所述第一段机匣内壁和所述第二段机匣内壁同轴设置。

进一步地，所述叶尖间隙的尺寸适于与动叶叶高的尺寸的比值为0.0085至0.011。

进一步地，所述叶尖间隙的尺寸适于与所述动叶叶高的尺寸的比值为0.01。

进一步地，在所述第二段机匣内壁的径向方向上的台阶面宽度的尺寸适于与所述动叶叶高的尺寸的比值为0.0085至0.011。

进一步地，所述台阶面宽度的尺寸适于与所述动叶叶高的尺寸的比值为0.01。

进一步地，所述台阶面宽度的尺寸与所述叶尖间隙的尺寸相同。

进一步地，所述台阶面垂直于所述第二段机匣内壁的轴向方向，所述轴向间隙的尺寸适于与动叶叶高的尺寸的比值为0.0085至0.011。

进一步地，所述轴向间隙的尺寸适于与所述动叶叶高的尺寸的比值为0.01。

进一步地，所述动叶叶尖的顶壁向内凹陷形成有凹槽，所述凹槽的开口朝向所述第二段机匣内壁。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，台阶面过渡连接第一段机匣内壁和第二段机匣内壁；第二段机匣内壁的直径大于第一段机匣内壁的直径；在高温燃气流动方向上，第一段机匣内壁适于与静叶位置对应并位于动叶的上游；在第二段机匣内壁的径向方向上，第二段机匣内壁与动叶叶尖之间具有叶尖间隙；在第二段机匣内壁的轴向方向上，台阶面适于与叶尖前缘之间具有轴向间隙，这样一来，高温燃气将在轴向间隙处形成台阶涡，该台阶涡类似于密封齿设计，占据了轴向间隙的通流面积，延缓了高温燃气继续进入叶尖间隙的趋势，因此可以减小叶尖前缘的压力侧和吸力侧之间的压力梯度，压力梯度的减小，可使旋转方向相反的压力侧角涡和刮削涡形成的反向涡对对流经叶尖间隙处的叶尖间隙泄漏流的卷吸力减弱、叶尖间隙泄漏流对叶尖壁面的冲击强度减弱、对叶尖壁面的流动边界层的拉薄效果减弱、对流换热强度减弱，进而可降低叶尖壁面的平均换热系数，最终可以提升动叶的使用寿命，保障燃气轮机在高参数运行下的安全性，有利于机组的安全运行。

2.本发明提供的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，台阶面宽度的尺寸适于与动叶叶高的尺寸的比值为0.01，且台阶面宽度的尺寸与叶尖间隙的尺寸相同，这样一来，可使台阶涡的强度最大，因此降低叶尖壁面的平均换热系数的效果更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统燃气轮机透平第一级静叶和动叶子午面剖视图；

图2为包括本发明的机匣台阶造型结构的燃气轮机透平第一级静叶和动叶子午面剖视图；

图3为包括本发明涉及的燃气轮机透平第一级静叶和动叶的三维示意图；

图4为本发明的机匣台阶造型结构的三维局部放大图；

图5为本发明的机匣台阶造型结构的纵截面示意图；

图6为本发明的机匣台阶造型结构的横截面示意图；

图7为本发明的机匣台阶造型结构与叶尖前缘之间的轴向间隙处形成台阶涡的示意图；

图8为受本发明的机匣台阶造型结构引起的台阶涡影响后在叶尖凹槽内形成的压力侧角涡和刮削涡的示意图。

附图标记说明：

1、燃烧室出口；2、静叶；3、动叶；4、机匣；41、第一段机匣内壁；42、第二段机匣内壁；43、台阶面；51、静叶下端壁；52、动叶下端壁；61、燃烧室壁面气膜孔；62、静叶上游机匣槽缝；63、端壁槽缝；64、轮缘槽缝；7、动叶叶尖；71、凹槽；72、叶尖前缘；73、叶尖尾缘；74、压力侧；75、吸力侧；W、台阶面宽度；D、轴向间隙；G、叶尖间隙；H、动叶叶高；81、台阶涡；82、压力侧角涡；83、刮削涡。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

在介绍本实施例提供的一种降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构前，先给出现有的燃气轮机透平的示意图，具体如图1所示，给出了现有的燃气轮机透平静叶和动叶通道的子午面示意图。

图2为包括本实施例中的机匣台阶造型结构的燃气轮机透平第一级静叶和动叶子午面剖视图。与图1对比可以发现，在图1中的燃气轮机透平中，机匣的内壁半径从静叶部分到动叶部分，在燃气轮机的旋转轴的轴线方向没有变化，而本实施例提供的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，机匣4的构造有所改变。先简单介绍下燃气轮机透平：受燃烧室出口1过来的高温燃气的影响，透平的静叶2、动叶3、机匣4和端壁表面承受严重的热负荷，但从燃烧室壁面气膜孔61、静叶上游机匣槽缝62、端壁槽缝63、轮缘槽缝64流出的冷气流可对下游的机匣4、静叶下端壁51、动叶下端壁52提供有效地冷却保护；动叶13上临近机匣4的顶端被称为动叶叶尖7，在机匣4的径向方向上，动叶叶尖7和机匣4之间存在径向间隙，以防止动叶叶尖7和机匣4之间相互摩擦、触碰。

具体如图2至图8所示，动叶叶尖7上设有凹槽71，凹槽71自动叶叶尖7的顶壁向内凹陷形成，凹槽71的开口朝向机匣4。动叶叶尖7包括叶尖前缘72和叶尖尾缘73。叶尖前缘72相比叶尖尾缘73更靠近静叶2(如图8所示)，叶尖前缘72的两侧分别为压力侧74和吸力侧75(如图7和图8所示)，压力侧74朝向静叶2，吸力侧75背向静叶2。

在本实施例中，机匣4的内壁包括同轴设置且横截面均呈圆形的第一段机匣内壁41和第二段机匣内壁42。第二段机匣内壁42的直径大于第一段机匣内壁41的直径，第二段机匣内壁42通过台阶面43过渡连接第一段机匣内壁41。在高温主流燃气(以下简称高温燃气)的流动方向上，第一段机匣内壁41位于动叶3的上游。在第二段机匣内壁42的径向方向上，第二段机匣内壁42与动叶叶尖7之间具有叶尖间隙G，在工程应用层面，叶尖间隙G的尺寸的设置，既要考虑动叶叶尖7与机匣4的相互摩擦，又要考虑加工方便，通常，叶尖间隙G的尺寸与动叶叶高H的尺寸的比值为0.0085至0.011，优选地为0.01。

在本实施例中，台阶面43的横截面呈圆环状，台阶面43垂直于第二段机匣内壁42的轴线方向。在第二段机匣内壁42径向方向上，台阶面宽度W的尺寸与叶尖间隙G的尺寸相关，优选地，台阶面宽度W的尺寸与叶尖间隙G的尺寸相等，台阶面宽度W的尺寸与动叶叶高H的尺寸的比值为0.0085至0.011，优选地为0.01。另外，在第二段机匣内壁42的轴向方向上，台阶面43与动叶3的叶尖前缘72之间具有轴向间隙D，轴向间隙D的尺寸与动叶叶高H的尺寸的比值为0.0085至0.011，优选地为0.01。轴向间隙D的设置是为了避免转动的叶尖前缘72与台阶面43产生摩擦。

由于机匣4包括由台阶面43过渡连接的第一段机匣内壁41和第二段机匣内壁42，第二段机匣内壁42的直径大于第一段机匣内壁41的直径；在高温主流燃气(简称为高温燃气)流动方向上，第一段机匣内壁41位于动叶3的上游；在第二段机匣内壁42的径向方向上，第二段机匣内壁42与动叶叶尖7之间具有叶尖间隙G；在第二段机匣内壁42的轴向方向上，台阶面43与叶尖前缘72之间具有轴向间隙D，这样一来，高温燃气从静叶2过来后将在轴向间隙D处形成台阶涡81(如图7所示)，该台阶涡81类似于密封齿设计，占据了轴向间隙D的通流面积，延缓了高温燃气继续进入叶尖间隙G的趋势，因此可以减小叶尖前缘72的压力侧74和吸力侧75之间的压力梯度，压力梯度的减小，可减小凹槽71内的压力侧角涡82和刮削涡83的强度，并使压力侧角涡82和刮削涡83集中分布在凹槽71的压力侧肩壁(此处的压力侧肩壁是凹槽71上对应压力侧74的侧壁)附近(如图8所示)，由于压力侧角涡82和刮削涡83的强度减弱，旋转方向相反的压力侧角涡82和刮削涡83形成的反向涡对对流经叶尖间隙G处的叶尖间隙泄漏流的卷吸力减弱、叶尖间隙泄漏流对叶尖壁面的冲击强度减弱、对叶尖壁面的流动边界层的拉薄效果减弱、对流换热强度减弱，进而可降低叶尖壁面的平均换热系数，最终可以提升动叶3的使用寿命，保障燃气轮机在高参数运行下的安全性，有利用机组的安全运行。

另外，通过数值模拟方法发现当台阶面宽度W的尺寸与叶尖间隙G的尺寸相同，且台阶面宽度W的尺寸与动叶叶高H的尺寸的比值为0.01时，可以在不影响动叶3做功能力的同时尽可能的降低叶尖热负荷，也即，可以最大程度地提高台阶涡81的强度，使得在台阶面43下游处形成的台阶涡81可以更好地减少轴向间隙D的通流面积，进而可以更好地减少叶尖前缘72的压力侧74和吸力侧75之间的压力梯度、更好地降低凹槽71内压力侧角涡82和刮削涡83的旋转强度、更好地降低叶尖壁面的换热系数、更好地改善叶尖壁面的热负荷。而增加台阶面宽度W尺寸无法进一步提升台阶涡81的强度、叶尖前缘72的压力侧74和吸力侧75之间的压力梯度基本保持不变、凹槽71内的压力侧角涡82和刮削涡83形态未受到影响，因而无法进一步降低叶尖热负荷。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述机匣台阶造型结构包括机匣(4)，所述机匣(4)的内壁包括由台阶面(43)过渡连接的第一段机匣内壁(41)和第二段机匣内壁(42)；所述第二段机匣内壁(42)的直径大于所述第一段机匣内壁(41)的直径；在高温燃气流动方向上，所述第一段机匣内壁(41)适于与静叶(2)的位置对应并位于动叶(3)的上游；在所述第二段机匣内壁(42)的径向方向上，所述第二段机匣内壁(42)与动叶叶尖(7)之间具有叶尖间隙(G)；在所述第二段机匣内壁(42)的轴向方向上，所述台阶面(43)适于与叶尖前缘(72)之间具有轴向间隙(D)。

2.根据权利要求1所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述第一段机匣内壁(41)和所述第二段机匣内壁(42)同轴设置。

3.根据权利要求1所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述叶尖间隙(G)的尺寸适于与动叶叶高(H)的尺寸的比值为0.0085至0.011。

4.根据权利要求3所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述叶尖间隙(G)的尺寸适于与所述动叶叶高(H)的尺寸的比值为0.01。

5.根据权利要求3所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，在所述第二段机匣内壁(42)的径向方向上的台阶面宽度(W)的尺寸适于与所述动叶叶高(H)的尺寸的比值为0.0085至0.011。

6.根据权利要求5所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述台阶面宽度(W)的尺寸适于与所述动叶叶高(H)的尺寸的比值为0.01。

7.根据权利要求5所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述台阶面宽度(W)的尺寸与所述叶尖间隙(G)的尺寸相同。

8.根据权利要求3所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述台阶面(43)垂直于所述第二段机匣内壁(42)的轴向方向，所述轴向间隙(D)的尺寸适于与动叶叶高(H)的尺寸的比值为0.0085至0.011。

9.根据权利要求8所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述轴向间隙(D)的尺寸适于与所述动叶叶高(H)的尺寸的比值为0.01。

10.根据权利要求1－9中任一项所述的降低透平动叶带凹槽叶尖换热系数的机匣台阶造型结构，其特征在于，所述动叶叶尖(7)的顶壁向内凹陷形成有凹槽(71)，所述凹槽(71)的开口朝向所述第二段机匣内壁(42)。