本發(fā)明屬于渦輪輪緣密封，特別涉及一種提高輪緣密封封嚴(yán)性能的結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

1、燃氣輪機作為一種重型機械裝備，具有啟?？?、變負荷響應(yīng)快、調(diào)峰調(diào)頻適應(yīng)能力強和功率大效率高等特點，廣泛應(yīng)用于燃氣發(fā)電、航空推進和船舶動力等領(lǐng)域。根據(jù)理論布雷頓循環(huán)過程，為提高燃氣輪機的輸出功率和效率，提高燃氣透平的進口溫度是行之有效的方法。當(dāng)前國際頂尖的燃氣輪機透平進口溫度達到了2000℃，已經(jīng)大幅超過了目前先進耐高溫金屬材料的蠕變極限。高溫燃氣通過轉(zhuǎn)靜間隙侵入透平盤腔接觸輪盤壁面，增加輪盤熱應(yīng)力和熱負荷，影響透平轉(zhuǎn)盤和轉(zhuǎn)子的工作穩(wěn)定性和壽命，極大地減少了透平熱端部件尤其是轉(zhuǎn)動部件的壽命。為解決此問題，在轉(zhuǎn)靜盤腔輪緣處設(shè)計密封結(jié)構(gòu)，阻擋主流燃氣通過輪緣處的轉(zhuǎn)靜間隙直接入侵輪盤，并將來自壓氣機的冷氣引入盤腔后經(jīng)過輪緣間隙射入主流通道，抑制燃氣入侵同時冷卻輪盤壁面。輪緣密封對于熱端部件防護和提高燃氣透平效率發(fā)揮著非常重要的作用。

2、目前為盡可能高效地抑制燃氣入侵轉(zhuǎn)靜盤腔，主流方案是通過增加封嚴(yán)冷氣量和優(yōu)化輪緣密封結(jié)構(gòu)兩種方式。封嚴(yán)冷氣量的增加可以增大盤腔內(nèi)整體壓力，在明顯減少燃氣入侵的同時提高對盤腔的轉(zhuǎn)盤壁面的冷卻效果，但冷氣量的增加會降低主流葉柵的氣動性能，進而導(dǎo)致燃氣透平整體效率降低。從輪緣密封結(jié)構(gòu)入手，可以在盡可能不影響燃氣透平效率的同時，以較少的封嚴(yán)冷氣量達到較高的封嚴(yán)效率。

3、目前的輪緣密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要方向是改變輪緣密封間隙或密封腔的幾何形狀以獲得更佳的封嚴(yán)性能，從而減小達到完全封嚴(yán)所需的冷氣量，其缺點主要是出流冷氣對主流的影響也增大了，主流的流動損失增加，透平效率降低。

4、因此，改進和設(shè)計具有更高封嚴(yán)性能的新型間隙阻尼輪緣密封結(jié)構(gòu)對于提高輪緣密封性能以及透平整體效率有十分重要的工業(yè)意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對燃氣透平輪緣密封提高密封效率的要求，提供了一種提高輪緣密封封嚴(yán)性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，從而能夠在盡可能不影響燃氣透平效率的同時，以較少的封嚴(yán)冷氣量達到較好的密封效果。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明的第一方面，提出了一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在動盤壁面斜坡上的間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)位于渦輪靜葉與渦輪動葉間的輪緣密封間隙內(nèi)，為長度方向同時垂直于徑向和軸向的凹凸相間結(jié)構(gòu)，當(dāng)主流燃氣經(jīng)過輪緣密封間隙入口沖擊動盤壁面斜坡時，凸起部分限制燃氣入侵的通流面積，下凹部分因阻礙燃氣入侵流動形成耗散主流燃氣向內(nèi)入侵部分動量的渦系結(jié)構(gòu)。

4、在一個實施例中，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)包括多個凸肩結(jié)構(gòu)，各凸肩結(jié)構(gòu)設(shè)置在動盤壁面斜坡上，相鄰?fù)辜缃Y(jié)構(gòu)之間形成凸肩結(jié)構(gòu)間隙。

5、在一個實施例中，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)包括多個凹槽，各凹槽刻蝕在動盤壁面斜坡上，作為凸肩結(jié)構(gòu)間隙，相鄰凹槽之間形成凸起，作為凸肩結(jié)構(gòu)。

6、在一個實施例中，所述凸肩結(jié)構(gòu)為矩形凸肩。

7、在一個實施例中，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)應(yīng)用的轉(zhuǎn)靜盤腔分為外腔、緩沖腔和內(nèi)腔，相鄰腔之間以徑向間隙連通，其中動靜盤第一級密封齒形成了輪緣密封間隙，連通了主流通道和外腔；徑向錯落布置的第二、三級動靜盤密封齒分別形成第一、二級徑向間隙，外腔和緩沖腔以第一級徑向間隙連通，緩沖腔和內(nèi)腔以第二級徑向間隙連通，封嚴(yán)冷氣依次經(jīng)內(nèi)腔、緩沖腔和外腔進入輪緣密封間隙。

8、在一個實施例中，所述動盤壁面斜坡與靜盤第一級密封齒下端壁平行，密封軸向間隙sax為21.5mm，密封齒徑向間隙srad為8.5mm，密封齒重疊間隙soverlap為7.7mm，盤腔輪緣半徑b為1239mm，靜葉端壁與靜盤第一級密封齒下端壁的夾角為20°。

9、在一個實施例中，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)垂直于所處動盤壁面斜坡布置。

10、在一個實施例中，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)布置在動盤壁面斜坡的整個周向范圍。

11、本發(fā)明的第二方面，在于提出了一種渦輪，其輪緣設(shè)置第一方面所述的提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)。

12、本發(fā)明的第二方面，在于提出了燃氣輪機，采用第二方面所述的渦輪。

13、本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：

14、本發(fā)明在輪緣密封間隙位置處的動盤壁面斜坡上設(shè)置凸肩結(jié)構(gòu)，改變?nèi)細馊肭趾屠錃獬隽鞯牧鲃犹卣鳎瑥亩趲缀醪挥绊懭細馔钙叫实耐瑫r，提高盤腔內(nèi)部的封嚴(yán)效率。具體包括：

15、(1)凸肩結(jié)構(gòu)的存在縮短了輪緣間隙長度，限制了燃氣入侵的通流面積。

16、(2)凸肩結(jié)構(gòu)間隙內(nèi)形成眾多渦系結(jié)構(gòu)，增大了燃氣向內(nèi)入侵的流動阻力。

17、綜上所述，本發(fā)明提供了一種提高輪緣密封封嚴(yán)性能的結(jié)構(gòu)，能夠在幾乎不影響燃氣透平效率的同時，提高盤腔封嚴(yán)效率，有利于燃氣輪機熱端部件防護和系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

技術(shù)特征：

1.一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括設(shè)置在動盤壁面斜坡(7)上的間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)位于渦輪靜葉(1)與渦輪動葉(2)間的輪緣密封間隙(3)內(nèi)，為長度方向同時垂直于徑向和軸向的凹凸相間結(jié)構(gòu)，當(dāng)主流燃氣經(jīng)過輪緣密封間隙(3)入口沖擊動盤壁面斜坡(7)時，凸起部分限制燃氣入侵的通流面積，下凹部分因阻礙燃氣入侵流動形成耗散主流燃氣向內(nèi)入侵部分動量的渦系結(jié)構(gòu)(10)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)包括多個凸肩結(jié)構(gòu)(8)，各凸肩結(jié)構(gòu)(8)設(shè)置在動盤壁面斜坡(7)上，相鄰?fù)辜缃Y(jié)構(gòu)(8)之間形成凸肩結(jié)構(gòu)間隙(9)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)包括多個凹槽，各凹槽刻蝕在動盤壁面斜坡(7)上，作為凸肩結(jié)構(gòu)間隙(9)，相鄰凹槽之間形成凸起，作為凸肩結(jié)構(gòu)(8)。

4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述凸肩結(jié)構(gòu)(8)為矩形凸肩。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)應(yīng)用的轉(zhuǎn)靜盤腔分為外腔(4)、緩沖腔(5)和內(nèi)腔(6)，相鄰腔之間以徑向間隙連通，其中動靜盤第一級密封齒形成輪緣密封間隙，連通主流通道和外腔(4)；徑向錯落布置的第二、三級動靜盤密封齒分別形成第一、二級徑向間隙，外腔(4)和緩沖腔(5)以第一級徑向間隙連通，緩沖腔(5)和內(nèi)腔(6)以第二級徑向間隙連通，封嚴(yán)冷氣依次經(jīng)內(nèi)腔(6)、緩沖腔(5)和外腔(4)進入輪緣密封間隙(3)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述動盤壁面斜坡(7)與靜盤第一級密封齒下端壁平行，密封軸向間隙sax為21.5mm，封嚴(yán)齒徑向間隙srad為8.5mm，封嚴(yán)齒重疊間隙soverlap為7.7mm，盤腔輪緣半徑b為1239mm，靜葉端壁與靜盤第一級密封齒下端壁的夾角為20°。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)垂直于所處動盤壁面斜坡(7)布置。

8.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種提高輪緣密封封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)布置在動盤壁面斜坡(7)的整個周向范圍。

9.渦輪，其特征在于，其輪緣設(shè)置權(quán)利要求1至8任一項所述的提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)。

10.燃氣輪機，其特征在于，采用權(quán)利要求9所述的渦輪。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種提高封嚴(yán)性能的輪緣密封結(jié)構(gòu)，包括設(shè)置在動盤壁面斜坡上的間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)，間隙動盤凸肩結(jié)構(gòu)位于渦輪靜葉與渦輪動葉間的輪緣密封間隙內(nèi)，為長度方向同時垂直于徑向和軸向的凹凸相間結(jié)構(gòu)，當(dāng)主流燃氣經(jīng)過輪緣密封間隙入口沖擊動盤壁面斜坡時，凸起部分限制燃氣入侵的通流面積，下凹部分因阻礙燃氣入侵流動形成耗散主流燃氣向內(nèi)入侵部分動量的渦系結(jié)構(gòu)，從而改變?nèi)細馊肭趾屠錃獬隽鞯牧鲃犹卣?，在幾乎不影響燃氣透平效率的同時，提高盤腔內(nèi)部的封嚴(yán)效率，有利于提高燃氣輪機整機熱效率和渦輪運行安全性。

技術(shù)研發(fā)人員：李軍,趙欣悅,雷隆,李志剛
受保護的技術(shù)使用者：西安交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/4