一種提高封嚴性能的輪緣密封結構

本發明屬于渦輪輪緣密封，特別涉及一種提高輪緣密封封嚴性能的結構。

背景技術：

1、燃氣輪機作為一種重型機械裝備，具有啟停快、變負荷響應快、調峰調頻適應能力強和功率大效率高等特點，廣泛應用于燃氣發電、航空推進和船舶動力等領域。根據理論布雷頓循環過程，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。當前國際頂尖的燃氣輪機透平進口溫度達到了2000℃，已經大幅超過了目前先進耐高溫金屬材料的蠕變極限。高溫燃氣通過轉靜間隙侵入透平盤腔接觸輪盤壁面，增加輪盤熱應力和熱負荷，影響透平轉盤和轉子的工作穩定性和壽命，極大地減少了透平熱端部件尤其是轉動部件的壽命。為解決此問題，在轉靜盤腔輪緣處設計密封結構，阻擋主流燃氣通過輪緣處的轉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靜盤腔，主流方案是通過增加封嚴冷氣量和優化輪緣密封結構兩種方式。封嚴冷氣量的增加可以增大盤腔內整體壓力，在明顯減少燃氣入侵的同時提高對盤腔的轉盤壁面的冷卻效果，但冷氣量的增加會降低主流葉柵的氣動性能，進而導致燃氣透平整體效率降低。從輪緣密封結構入手，可以在盡可能不影響燃氣透平效率的同時，以較少的封嚴冷氣量達到較高的封嚴效率。

3、目前的輪緣密封結構優化，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性能，從而減小達到完全封嚴所需的冷氣量，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，改進和設計具有更高封嚴性能的新型間隙阻尼輪緣密封結構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意義。

技術實現思路

1、本發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性能的結構設計方法，從而能夠在盡可能不影響燃氣透平效率的同時，以較少的封嚴冷氣量達到較好的密封效果。

2、為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

3、本發明的第一方面，提出了一種提高封嚴性能的輪緣密封結構，包括設置在動盤壁面斜坡上的間隙動盤凸肩結構，所述間隙動盤凸肩結構位于渦輪靜葉與渦輪動葉間的輪緣密封間隙內，為長度方向同時垂直于徑向和軸向的凹凸相間結構，當主流燃氣經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入侵部分動量的渦系結構。

4、在一個實施例中，所述間隙動盤凸肩結構包括多個凸肩結構，各凸肩結構設置在動盤壁面斜坡上，相鄰凸肩結構之間形成凸肩結構間隙。

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

6、在一個實施例中，所述凸肩結構為矩形凸肩。

7、在一個實施例中，所述間隙動盤凸肩結構應用的轉靜盤腔分為外腔、緩沖腔和內腔，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，緩沖腔和內腔以第二級徑向間隙連通，封嚴冷氣依次經內腔、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構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構布置在動盤壁面斜坡的整個周向范圍。

11、本發明的第二方面，在于提出了一種渦輪，其輪緣設置第一方面所述的提高封嚴性能的輪緣密封結構。

12、本發明的第二方面，在于提出了燃氣輪機，采用第二方面所述的渦輪。

13、本發明的有益技術效果如下：

14、本發明在輪緣密封間隙位置處的動盤壁面斜坡上設置凸肩結構，改變燃氣入侵和冷氣出流的流動特征，從而在幾乎不影響燃氣透平效率的同時，提高盤腔內部的封嚴效率。具體包括：

15、(1)凸肩結構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)凸肩結構間隙內形成眾多渦系結構，增大了燃氣向內入侵的流動阻力。

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

技術特征：

1.一種提高封嚴性能的輪緣密封結構，其特征在于，包括設置在動盤壁面斜坡(7)上的間隙動盤凸肩結構，所述間隙動盤凸肩結構位于渦輪靜葉(1)與渦輪動葉(2)間的輪緣密封間隙(3)內，為長度方向同時垂直于徑向和軸向的凹凸相間結構，當主流燃氣經過輪緣密封間隙(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入侵部分動量的渦系結構(10)。

2.根據權利要求1所述的一種提高封嚴性能的輪緣密封結構，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結構包括多個凸肩結構(8)，各凸肩結構(8)設置在動盤壁面斜坡(7)上，相鄰凸肩結構(8)之間形成凸肩結構間隙(9)。

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

4.根據權利要求2或3所述的一種提高封嚴性能的輪緣密封結構，其特征在于，所述凸肩結構(8)為矩形凸肩。

5.根據權利要求1或2或3所述的一種提高封嚴性能的輪緣密封結構，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結構應用的轉靜盤腔分為外腔(4)、緩沖腔(5)和內腔(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)和內腔(6)以第二級徑向間隙連通，封嚴冷氣依次經內腔(6)、緩沖腔(5)和外腔(4)進入輪緣密封間隙(3)。

6.根據權利要求5所述的一種提高封嚴性能的輪緣密封結構，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，封嚴齒徑向間隙srad為8.5mm，封嚴齒重疊間隙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.根據權利要求1或2或3所述的一種提高封嚴性能的輪緣密封結構，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結構垂直于所處動盤壁面斜坡(7)布置。

8.根據權利要求1或2或3所述的一種提高輪緣密封封嚴性能的輪緣密封結構，其特征在于，所述間隙動盤凸肩結構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，其輪緣設置權利要求1至8任一項所述的提高封嚴性能的輪緣密封結構。

10.燃氣輪機，其特征在于，采用權利要求9所述的渦輪。

技術總結
本發明公開了一種提高封嚴性能的輪緣密封結構，包括設置在動盤壁面斜坡上的間隙動盤凸肩結構，間隙動盤凸肩結構位于渦輪靜葉與渦輪動葉間的輪緣密封間隙內，為長度方向同時垂直于徑向和軸向的凹凸相間結構，當主流燃氣經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入侵部分動量的渦系結構，從而改變燃氣入侵和冷氣出流的流動特征，在幾乎不影響燃氣透平效率的同時，提高盤腔內部的封嚴效率，有利于提高燃氣輪機整機熱效率和渦輪運行安全性。

技術研發人員：李軍,趙欣悅,雷隆,李志剛
受保護的技術使用者：西安交通大學
技術研發日：
技術公布日：2024/11/4