[发明专利]一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构

说明书

技术领域：

本发明涉及一种轮缘密封结构，特别涉及燃气透平及高温蒸汽透平转-静盘腔或转-转盘腔间隙处使用的，一种具有阻隔高温主流气体入侵作用的轮缘密封结构。

背景技术：

在航空发动机、重型燃气轮机、超临界以及超超临界蒸汽轮机等叶轮机械中，主流流道高温气体流过静叶喷嘴后，由于受到动静尾迹和动叶势位流场的共同作用，会在转-静部件中间区域沿周向交替形成高压流动区以及低压流动区。在高压流动区处因主流流道压力高于涡轮盘腔内部压力，会发生高温燃气入侵的现象。研究表明燃气入侵现象是导致涡轮盘过热失效的重要因素。面对燃气入侵现象引起涡轮盘过热失效问题，目前工程中主要通过从压气机级引入低温冷气却气流来冷却涡轮盘以及安装先进结构的轮缘密封等措施来解决。

轮缘密封安装在由静叶隔板与旋转涡轮盘等转静部件所构成的转-静盘腔以及由两个共转涡轮盘所构成的转-转盘腔的边缘处，通过增加高温入侵流侵入涡轮盘的流动阻力，从而阻遏燃气入侵，因而对涡轮盘的安全性能具有显著地影响。研究表明在轮盘轮缘位置设置轮缘密封可以有效的减少高温燃气入侵量，而密封的几何结构会对其性能产生显著的影响。目前常用的轮缘密封结构有轴向密封，径向密封等。根据安装位置的不同又分为涡轮盘前腔轮缘密封以及涡轮盘后腔轮缘密封。研究表明：在涡轮盘内，由于转盘泵送效应，从压气机引入的冷气流会沿着静盘上升，会与从主流进入涡轮盘的入侵流在密封间隙处相遇并摻混；增加入侵流在盘面的流动阻力能够显著减小燃气入侵程度，同时增强冷气流和入侵高温气流的掺混程度也能够使得燃气入侵程度减小。目前实际工程应用中通常采用径向轮缘密封代替传统的轴向轮缘的方法能够减小燃气入侵的程度，但是减小程度有限。研究表明：相比于使用轴向密封结构，采用径向密封时，由于径向密封内齿的设置可以迫使沿动盘面上升的冷气流向静盘面流动，从而使得入侵气流与冷气流在由径向密封内齿构成的密封径向间隙内充分混合，两股气流掺混力度较大，因而可以保证涡轮盘内温度水平较低。虽然采用径向密封结构能够在一定程度上减小燃气入侵程度，但效果有限，因此，能够更为有效减小燃气入侵程度的新型径向轮缘密封对改善涡轮盘传热稳定性、提高整机经济性具有重要的工程应用价值。

发明内容：

本发明的目的在于针对轮缘密封提高密封封严性能，改善轮盘传热稳定性和提高机组效率的要求，提供了一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，使其能够有效地增加入侵流在密封间隙处的流动阻力，同时使得冷气流和入侵流高效地掺混，进而减小燃气入侵的程度，降低涡轮盘的温度，提高涡轮盘的传热稳定性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构，该径向轮缘密封结构设置在燃气透平转-静盘腔内或燃气透平转-转盘腔内，包括相互配合的外齿和径向内齿；其中，在径向内齿的内齿上端面周向上均匀开设有若干阻尼孔，在径向内齿的内齿径向端面周向上均匀设置有若干导流叶片。

本发明进一步的改进在于，阻尼孔为蜂窝孔或圆孔。

本发明进一步的改进在于，阻尼孔为蜂窝孔时，蜂窝孔内切圆直径取值范围1.6～4.8mm，相邻两个蜂窝孔的蜂窝孔壁厚为0.5mm，阻尼孔深与内齿厚度的差值小于2mm且大于0。

本发明进一步的改进在于，若干导流叶片所构成的截面通道采用缩放型。

本发明进一步的改进在于，若干导流叶片等弧度地安装在径向内齿端面，其出口气流角偏转方向与涡轮盘旋转方向保持一致。

本发明进一步的改进在于，导流叶片的型线设置参数包括前缘小圆、尾缘小圆、前缘楔角、尾缘楔角、导流叶片叶弧以及导流叶片叶背。

本发明进一步的改进在于，导流叶片前缘进口小圆半径R₁的取值范围(0.015～0.08)b；导流叶片尾缘出口小圆半径R₂取值范围(0.005～0.02)b；导流叶片进出口边楔角取值范围均为1°～4°；导流叶片安装角β_y取值范围35°～45°；其中，b为导流片轴向长度。

本发明进一步的改进在于，导流叶片数目取4的倍数。

本发明进一步的改进在于，导流叶片数目为36或72。

本发明进一步的改进在于，燃气透平转-静盘腔由设置有透平旋转动叶的旋转涡轮盘与设置有透平静叶喷嘴的静叶隔板叶形成；燃气透平转-转盘腔由相连两个设置有透平旋转动叶的旋转涡轮盘形成。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：