一种提高封严性能的轮缘密封结构

本发明属于涡轮轮缘密封，特别涉及一种提高轮缘密封封严性能的结构。

背景技术：

1、燃气轮机作为一种重型机械装备，具有启停快、变负荷响应快、调峰调频适应能力强和功率大效率高等特点，广泛应用于燃气发电、航空推进和船舶动力等领域。根据理论布雷顿循环过程，为提高燃气轮机的输出功率和效率，提高燃气透平的进口温度是行之有效的方法。当前国际顶尖的燃气轮机透平进口温度达到了2000℃，已经大幅超过了目前先进耐高温金属材料的蠕变极限。高温燃气通过转静间隙侵入透平盘腔接触轮盘壁面，增加轮盘热应力和热负荷，影响透平转盘和转子的工作稳定性和寿命，极大地减少了透平热端部件尤其是转动部件的寿命。为解决此问题，在转静盘腔轮缘处设计密封结构，阻挡主流燃气通过轮缘处的转静间隙直接入侵轮盘，并将来自压气机的冷气引入盘腔后经过轮缘间隙射入主流通道，抑制燃气入侵同时冷却轮盘壁面。轮缘密封对于热端部件防护和提高燃气透平效率发挥着非常重要的作用。

2、目前为尽可能高效地抑制燃气入侵转静盘腔，主流方案是通过增加封严冷气量和优化轮缘密封结构两种方式。封严冷气量的增加可以增大盘腔内整体压力，在明显减少燃气入侵的同时提高对盘腔的转盘壁面的冷却效果，但冷气量的增加会降低主流叶栅的气动性能，进而导致燃气透平整体效率降低。从轮缘密封结构入手，可以在尽可能不影响燃气透平效率的同时，以较少的封严冷气量达到较高的封严效率。

3、目前的轮缘密封结构优化，主要方向是改变轮缘密封间隙或密封腔的几何形状以获得更佳的封严性能，从而减小达到完全封严所需的冷气量，其缺点主要是出流冷气对主流的影响也增大了，主流的流动损失增加，透平效率降低。

4、因此，改进和设计具有更高封严性能的新型间隙阻尼轮缘密封结构对于提高轮缘密封性能以及透平整体效率有十分重要的工业意义。

技术实现思路

1、本发明针对燃气透平轮缘密封提高密封效率的要求，提供了一种提高轮缘密封封严性能的结构设计方法，从而能够在尽可能不影响燃气透平效率的同时，以较少的封严冷气量达到较好的密封效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明的第一方面，提出了一种提高封严性能的轮缘密封结构，包括设置在动盘壁面斜坡上的间隙动盘凸肩结构，所述间隙动盘凸肩结构位于涡轮静叶与涡轮动叶间的轮缘密封间隙内，为长度方向同时垂直于径向和轴向的凹凸相间结构，当主流燃气经过轮缘密封间隙入口冲击动盘壁面斜坡时，凸起部分限制燃气入侵的通流面积，下凹部分因阻碍燃气入侵流动形成耗散主流燃气向内入侵部分动量的涡系结构。

4、在一个实施例中，所述间隙动盘凸肩结构包括多个凸肩结构，各凸肩结构设置在动盘壁面斜坡上，相邻凸肩结构之间形成凸肩结构间隙。

5、在一个实施例中，所述间隙动盘凸肩结构包括多个凹槽，各凹槽刻蚀在动盘壁面斜坡上，作为凸肩结构间隙，相邻凹槽之间形成凸起，作为凸肩结构。

6、在一个实施例中，所述凸肩结构为矩形凸肩。

7、在一个实施例中，所述间隙动盘凸肩结构应用的转静盘腔分为外腔、缓冲腔和内腔，相邻腔之间以径向间隙连通，其中动静盘第一级密封齿形成了轮缘密封间隙，连通了主流通道和外腔；径向错落布置的第二、三级动静盘密封齿分别形成第一、二级径向间隙，外腔和缓冲腔以第一级径向间隙连通，缓冲腔和内腔以第二级径向间隙连通，封严冷气依次经内腔、缓冲腔和外腔进入轮缘密封间隙。

8、在一个实施例中，所述动盘壁面斜坡与静盘第一级密封齿下端壁平行，密封轴向间隙sax为21.5mm，密封齿径向间隙srad为8.5mm，密封齿重叠间隙soverlap为7.7mm，盘腔轮缘半径b为1239mm，静叶端壁与静盘第一级密封齿下端壁的夹角为20°。

9、在一个实施例中，所述间隙动盘凸肩结构垂直于所处动盘壁面斜坡布置。

10、在一个实施例中，所述间隙动盘凸肩结构布置在动盘壁面斜坡的整个周向范围。

11、本发明的第二方面，在于提出了一种涡轮，其轮缘设置第一方面所述的提高封严性能的轮缘密封结构。

12、本发明的第二方面，在于提出了燃气轮机，采用第二方面所述的涡轮。

13、本发明的有益技术效果如下：

14、本发明在轮缘密封间隙位置处的动盘壁面斜坡上设置凸肩结构，改变燃气入侵和冷气出流的流动特征，从而在几乎不影响燃气透平效率的同时，提高盘腔内部的封严效率。具体包括：

15、(1)凸肩结构的存在缩短了轮缘间隙长度，限制了燃气入侵的通流面积。

16、(2)凸肩结构间隙内形成众多涡系结构，增大了燃气向内入侵的流动阻力。

17、综上所述，本发明提供了一种提高轮缘密封封严性能的结构，能够在几乎不影响燃气透平效率的同时，提高盘腔封严效率，有利于燃气轮机热端部件防护和系统的稳定运行。

技术特征：

1.一种提高封严性能的轮缘密封结构，其特征在于，包括设置在动盘壁面斜坡(7)上的间隙动盘凸肩结构，所述间隙动盘凸肩结构位于涡轮静叶(1)与涡轮动叶(2)间的轮缘密封间隙(3)内，为长度方向同时垂直于径向和轴向的凹凸相间结构，当主流燃气经过轮缘密封间隙(3)入口冲击动盘壁面斜坡(7)时，凸起部分限制燃气入侵的通流面积，下凹部分因阻碍燃气入侵流动形成耗散主流燃气向内入侵部分动量的涡系结构(10)。

2.根据权利要求1所述的一种提高封严性能的轮缘密封结构，其特征在于，所述间隙动盘凸肩结构包括多个凸肩结构(8)，各凸肩结构(8)设置在动盘壁面斜坡(7)上，相邻凸肩结构(8)之间形成凸肩结构间隙(9)。

3.根据权利要求1所述的一种提高封严性能的轮缘密封结构，其特征在于，所述间隙动盘凸肩结构包括多个凹槽，各凹槽刻蚀在动盘壁面斜坡(7)上，作为凸肩结构间隙(9)，相邻凹槽之间形成凸起，作为凸肩结构(8)。

4.根据权利要求2或3所述的一种提高封严性能的轮缘密封结构，其特征在于，所述凸肩结构(8)为矩形凸肩。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种提高封严性能的轮缘密封结构，其特征在于，所述间隙动盘凸肩结构应用的转静盘腔分为外腔(4)、缓冲腔(5)和内腔(6)，相邻腔之间以径向间隙连通，其中动静盘第一级密封齿形成轮缘密封间隙，连通主流通道和外腔(4)；径向错落布置的第二、三级动静盘密封齿分别形成第一、二级径向间隙，外腔(4)和缓冲腔(5)以第一级径向间隙连通，缓冲腔(5)和内腔(6)以第二级径向间隙连通，封严冷气依次经内腔(6)、缓冲腔(5)和外腔(4)进入轮缘密封间隙(3)。

6.根据权利要求5所述的一种提高封严性能的轮缘密封结构，其特征在于，所述动盘壁面斜坡(7)与静盘第一级密封齿下端壁平行，密封轴向间隙sax为21.5mm，封严齿径向间隙srad为8.5mm，封严齿重叠间隙soverlap为7.7mm，盘腔轮缘半径b为1239mm，静叶端壁与静盘第一级密封齿下端壁的夹角为20°。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种提高封严性能的轮缘密封结构，其特征在于，所述间隙动盘凸肩结构垂直于所处动盘壁面斜坡(7)布置。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种提高轮缘密封封严性能的轮缘密封结构，其特征在于，所述间隙动盘凸肩结构布置在动盘壁面斜坡(7)的整个周向范围。

9.涡轮，其特征在于，其轮缘设置权利要求1至8任一项所述的提高封严性能的轮缘密封结构。

10.燃气轮机，其特征在于，采用权利要求9所述的涡轮。

技术总结本发明公开了一种提高封严性能的轮缘密封结构，包括设置在动盘壁面斜坡上的间隙动盘凸肩结构，间隙动盘凸肩结构位于涡轮静叶与涡轮动叶间的轮缘密封间隙内，为长度方向同时垂直于径向和轴向的凹凸相间结构，当主流燃气经过轮缘密封间隙入口冲击动盘壁面斜坡时，凸起部分限制燃气入侵的通流面积，下凹部分因阻碍燃气入侵流动形成耗散主流燃气向内入侵部分动量的涡系结构，从而改变燃气入侵和冷气出流的流动特征，在几乎不影响燃气透平效率的同时，提高盘腔内部的封严效率，有利于提高燃气轮机整机热效率和涡轮运行安全性。技术研发人员：李军,赵欣悦,雷隆,李志刚受保护的技术使用者：西安交通大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4