CN108798794A - 一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构及使用该结构的涡轮 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构及使用该结构的涡轮，静叶片安装在静叶轮毂缘板上，动叶片安装在动叶轮毂缘板上，在静叶轮毂缘板后侧下方的隔板边缘处设置静叶侧密封齿，密封齿顶端径向向上突出呈镰刀状，静叶轮毂缘板后侧布置波浪状凹陷结构，凹陷朝向沿静叶出气角方向，凹陷深度沿流向逐步增加，动叶轮毂缘板前侧嵌入静叶轮毂缘板与静叶侧密封齿之间且成交错布置，构成带有波浪状凹陷的轮缘密封结构。本发明增加了静叶出口近轮毂端壁处气流的周向均匀性，减少了动叶旋转盘对最小冷却封严流量的需求，同时导直了静叶出口近轮毂端壁处气流，减少了全工况下发生燃气入侵的可能性，并且提高了涡轮气动效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡轮结构，尤其涉及一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构及使用该结构的涡轮。
背景技术
在燃气轮机/航空发动机涡轮部件之中，由于涡轮盘旋转的泵送效应，盘腔内的冷气会被不断泵出，导致封严腔内气流压力降低，这样在泵送效应的作用下，当泵出流量大于冷气供给流量时，会在涡轮盘轮缘处发生燃气入侵现象，即主流燃气通过轮缘密封结构进入涡轮盘腔结构的转静腔内。另外，在主流流道中转静叶片之间的相互干涉，造成主流燃气的周向压力波动，也会造成燃气入侵现象。燃气入侵会破坏盘腔冷却效果，并且损坏燃气轮机/航空发动机的安全可靠运行。目前，在燃气轮机/航空发动机中通常使用过量的冷气来阻止燃气入侵，但这样会造成燃气轮机/航空发动机效率降低，油耗增加。
轮缘密封一般安装在由涡轮静叶隔板与旋转动叶片盘等转静部件所构成的转静盘腔以及由两个同轴旋转涡轮盘所构成的转转盘腔的边缘处。现有轴向、径向等轮缘密封结构虽然能够在一定程度上减小燃气入侵的程度，但效果有限，尤其是在变工况条件下。由于现有技术的不足，人们一直希望有一种可有效控制燃气入侵、减少冷气用量的轮缘密封结构及使用该结构的涡轮。
发明内容
本发明的目的是为了能大幅度增加静叶出口近轮毂端壁处气流的周向均匀性，减少动叶旋转盘对最小冷却封严流量的需求，同时导直静叶出口近轮毂端壁处气流，减少全工况下发生燃气入侵可能性，提高涡轮气动效率的而提供一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构及使用该结构的涡轮。
本发明的目的是这样实现的：一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构，在静叶轮毂缘板后侧设置有波浪状凹陷结构，凹陷朝向沿静叶出气角方向，凹陷深度沿流向逐步增加；动叶轮毂缘板前侧嵌入静叶轮毂缘板与静叶密封齿之间且成交错布置，构成了带有波浪状凹陷的轮缘密封结构。
一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构的涡轮，包括机闸、静叶轮毂缘板、动叶轮毂缘板，静叶轮毂缘板上安装有静叶片，动叶轮毂缘板上安装有动叶片，动叶片与动叶旋转盘相连，静叶片与静叶隔板相连，且静叶隔板位于静叶轮毂缘板后侧下方，所述静叶隔板边缘处设置静叶侧密封齿，在静叶隔板与动叶旋转盘之间形成冷气流道，所述静叶侧密封齿顶端径向向上突出呈镰刀状，静叶轮毂缘板后侧设置有波浪状凹陷结构，凹陷朝向沿静叶出气角方向，凹陷深度沿流向逐步增加，动叶轮毂缘板前侧嵌入静叶轮毂缘板与静叶密封齿之间且成交错布置，构成了带有波浪状凹陷的轮缘密封结构。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述波浪状凹陷结构的长度为静叶片叶型根部弦长的5％-15％。
2.所述波浪状凹陷结构的出口宽度为静叶片根部节距的1/5-1/15，波浪状凹陷结构的出口深度为当地端壁边界层厚度的0.5-2倍。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在静叶轮毂缘板后侧布置波浪状凹陷结构，以强化流体掺混，有效增加了静叶出口近轮毂端壁处气流的周向均匀性，并导直静叶出口近轮毂端壁处气流，减少了气流方向及其周向均匀性对工况改变的敏感性，从而降低了全工况下发生燃气入侵的可能性，并提高了涡轮气动效率；此外，本发明结构比较简单，加工也比较方便，易于工程实现。
附图说明
图1是带有叶片轮毂缘板出口波浪状凹陷结构的涡轮的子午视图；
图2是叶片轮毂缘板出口波浪状凹陷的三维结构示意图；
图3是图2的A向视图；
图4是图2的B向视图。
图中：c为波浪状凹陷结构的长度，w为波浪状凹陷结构的出口宽度，h为波浪状凹陷结构的出口深度。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1～4，本发明由轮毂(包括静叶轮毂缘板3和动叶轮毂缘板4)、静叶片1、动叶片2和机匣(图中未给出)组成，在轮毂和机匣之间沿圆周方向均匀安装静叶片1和动叶片2，静叶片1在前，动叶片2在后，静叶片1安装在静叶轮毂缘板3上，且与静叶隔板5相连，动叶片2安装在动叶轮毂缘板4上，且与动叶旋转盘相连，在静叶隔板5与动叶旋转盘之间形成冷气流道，在静叶轮毂缘板3后侧下方的隔板边缘处设置静叶侧密封齿6，密封齿顶端径向向上突出呈镰刀状，静叶轮毂缘板后侧布置波浪状凹陷结构7，凹陷朝向沿静叶出气角方向，凹陷深度沿流向逐步增加，动叶轮毂缘板前测嵌入静叶轮毂缘板与静叶侧密封齿之间且成交错布置，构成带有波浪状凹陷的轮缘密封结构。
也即本发明提供一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构的涡轮，包括机匣、静叶片、动叶片和轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装静叶片和动叶片，静叶片在前，动叶片在后，静叶片安装在静叶轮毂缘板上，且与隔板相连，动叶片安装在动叶轮毂缘板上，且与动叶旋转盘相连，在静叶隔板与动叶旋转盘之间形成冷气流道，其特征是：在静叶轮毂缘板后侧下方的隔板边缘处设置静叶侧密封齿，密封齿顶端径向向上突出呈镰刀状，静叶轮毂缘板后侧布置波浪状凹陷结构，凹陷朝向沿静叶出气角方向，凹陷深度沿流向逐步增加，动叶轮毂缘板前侧嵌入静叶轮毂缘板与静叶侧密封齿之间且成交错布置，构成带有波浪状凹陷的轮缘密封结构。
所述静叶后部轮毂缘板、静叶侧密封齿和动叶前部轮毂缘板的厚度都为2～5mm。凹陷深度沿流向的变化规律可为线性变化，也可为弧线变化。考虑到实际结构尺寸的限制，波浪状凹陷结构的长度为静叶叶型根部弦长的5％～15％，并且波浪状凹陷结构的出口宽度和出口深度参数应以不带来较大二次损失为选择依据，具体地，波浪状凹陷结构的出口宽度为静叶根部节距的1/5～1/15，波浪状凹陷结构的出口深度为当地端壁边界层厚度的0.5～2倍，具体的细微结构形状和最佳参数可借助于试验或者数值模拟方法获得。
考虑到过渡工况时动叶片与旋转盘存在径向伸长、收缩变化，因此，为了确保轮缘密封的封严性能，所述静叶侧、动叶侧密封齿沿涡轮的轴向长度都大于所述冷气流道沿涡轮的轴向宽度的一半。从结构上看，为了保证涡轮端区流动性能，所述动叶前部轮毂缘板比中后部缘板略低，且在径向方向上位于静叶后部轮毂缘板的下方。
综上，本发明的目的在于提供一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构及使用该结构的涡轮，包括机匣、静叶片、动叶片和轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装静叶片和动叶片，静叶片在前，动叶片在后，静叶片安装在静叶轮毂缘板上，且与隔板相连，动叶片安装在动叶轮毂缘板上，且与动叶旋转盘相连，在静叶隔板与动叶旋转盘之间形成冷气流道，在静叶轮毂缘板后侧下方的隔板边缘处设置静叶侧密封齿，密封齿顶端径向向上突出呈镰刀状，静叶轮毂缘板后侧布置波浪状凹陷结构，凹陷朝向沿静叶出气角方向，凹陷深度沿流向逐步增加，动叶轮毂缘板前侧嵌入静叶轮毂缘板与静叶侧密封齿之间且成交错布置，构成带有波浪状凹陷的轮缘密封结构。本发明设计的具有波浪状凹陷的轮缘密封结构及使用该结构的涡轮增加了静叶出口近轮毂端壁处气流的周向均匀性，减少了动叶旋转盘对最小冷却封严流量的需求，同时导直了静叶出口近轮毂端壁处气流，减少了全工况下发生燃气入侵的可能性，并且提高了涡轮气动效率。
Claims (6)
1.一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构，其特征在于：在静叶轮毂缘板后侧设置有波浪状凹陷结构，凹陷朝向沿静叶出气角方向，凹陷深度沿流向逐步增加；动叶轮毂缘板前侧嵌入静叶轮毂缘板与静叶密封齿之间且成交错布置，构成了带有波浪状凹陷的轮缘密封结构。
2.根据权利要求1所述的一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构，其特征在于：所述波浪状凹陷结构的长度为静叶片叶型根部弦长的5％-15％。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构，其特征在于：所述波浪状凹陷结构的出口宽度为静叶片根部节距的1/5-1/15，波浪状凹陷结构的出口深度为当地端壁边界层厚度的0.5-2倍。
4.一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构的涡轮，包括机闸、静叶轮毂缘板、动叶轮毂缘板，静叶轮毂缘板上安装有静叶片，动叶轮毂缘板上安装有动叶片，动叶片与动叶旋转盘相连，静叶片与静叶隔板相连，且静叶隔板位于静叶轮毂缘板后侧下方，所述静叶隔板边缘处设置静叶侧密封齿，在静叶隔板与动叶旋转盘之间形成冷气流道，其特征在于：所述静叶侧密封齿顶端径向向上突出呈镰刀状，静叶轮毂缘板后侧设置有波浪状凹陷结构，凹陷朝向沿静叶出气角方向，凹陷深度沿流向逐步增加，动叶轮毂缘板前侧嵌入静叶轮毂缘板与静叶密封齿之间且成交错布置，构成了带有波浪状凹陷的轮缘密封结构。
5.根据权利要求4所述的一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构的涡轮，其特征在于：所述波浪状凹陷结构的长度为静叶片叶型根部弦长的5％-15％。
6.根据权利要求4或5所述的一种具有波浪状凹陷的轮缘密封结构的涡轮，其特征在于：所述波浪状凹陷结构的出口宽度为静叶片根部节距的1/5-1/15，波浪状凹陷结构的出口深度为当地端壁边界层厚度的0.5-2倍。
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2018
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