一种带有蜂窝密封的涡轮级间封严结构及燃气轮机

1.本发明属于燃气轮机领域，具体涉及一种带有蜂窝密封的涡轮级间封严结构及燃气轮机。


背景技术：

2.随着现代航空发动机的进一步发展，当前最先进的航空发动机的压气机压比已超过40，涡轮进口温度已超过2100k，远远高于涡轮金属部件的耐温极限，这会导致发动机热端部件超温的问题。以第一级涡轮盘为例，因为安装静子的静止盘和安装转子的旋转盘之间存在间隙，主流的高温高压燃气会通过这一间隙入侵到盘腔深处，烧蚀涡轮盘。特别是涡轮的旋转盘(动盘)，由于长期处在高温和高转速的恶劣工作环境下，受到很高的热应力和离心拉应力，一旦超温，将发生涡轮盘破裂等严重事故，降低发动机寿命甚至危及发动机安全。于是从压气机引一部分空气从通入盘腔来抵抗主流燃气的侵入就显得十分有必要，而此时又面临两个问题：如果冷气引入量过少，会导致主流高温燃气侵蚀涡轮盘，大大降低涡轮使用寿命；然而引气量过高会减少主流道内用于做功的空气流量，降低燃气轮机整机效率。
3.在贾兴运等人在《热能动力工程》的2021年6月第六期上发表的《燃气轮机涡轮盘腔燃气入侵与封严技术进展》中，指出若通过盲目缩小封严间隙，在减弱燃气入侵的同时也抑制了冷气出流，在封严间隙增加更为复杂的结构虽会带来良好的封严效果，但在真实工作环境下部件产生的热变形可能导致两侧部件发生碰磨、剐蹭等问题。
4.因此，本发明提供的可以减小压气机冷气引气量的新型蜂窝密封结构具有十分重要的工程应用价值。
5.相较于传统的封严结构设计，蜂窝密封涡轮级间封严结构在抑制高温燃气侵入盘腔的同时，又降低了涡轮盘质量，且蜂窝结构的优秀几何力学性能，也满足了整体结构强度需求。


技术实现要素：

6.要解决的技术问题：
7.为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种带有蜂窝密封的涡轮级间封严结构及燃气轮机，两处蜂窝腔室的入口截面均正对着主流燃气来流方向，高温主流在多个腔室内形成涡流，加强腔室内的涡耗散，增加燃气流通阻力从而对燃气入侵现象产生抑制作用；同时采用蜂窝结构使得用于涡耗散的腔室空间最大化，且具备优秀的几何力学性能、在减轻涡轮盘质量的同时整体结构强度并未下降。
8.本发明的技术方案是：一种带有蜂窝密封的涡轮级间封严结构，包括涡轮动盘和涡轮静盘，所述涡轮动盘和涡轮静盘之间设置有间隙；所述涡轮动盘和涡轮静盘之间设置有径向封严结构，所述径向封严结构包括分别设置于涡轮动盘和涡轮静盘上的两处蜂窝腔室结构；
9.所述两处蜂窝腔室结构分别沿涡轮动盘和涡轮静盘的周向设置，其入口均与高温燃气来流方向正对，用于增加燃气流通阻力。
10.本发明的进一步技术方案是：所述蜂窝腔室结构包括沿周向设置的若干蜂窝单元，所述蜂窝单元为正六边形凹槽结构；其中，蜂窝单元的直径为d，蜂窝单元的腔室深度为h，相邻蜂窝单元之间的距离即蜂窝单元壁厚为d。
11.本发明的进一步技术方案是：所述涡轮动盘的蜂窝腔室结构位于其凸肩根部的内端面，所述涡轮静盘的蜂窝腔室结构位于凸肩外壁面的根部，均与高温燃气来流方向正对；蜂窝腔室结构的径向宽度即蜂窝结构布置宽度l。
12.本发明的进一步技术方案是：所述蜂窝结构布置宽度l、封严轴向间隙s
c,ax
、封严径向间隙s
c,rad
三者的关系为：l＝s
c,ax
＝s
c,rad
。
13.本发明的进一步技术方案是：所述蜂窝单元壁厚d与封严轴向间隙s
c,ax
的关系为：d＝0.1s
c,ax
。
14.本发明的进一步技术方案是：所述蜂窝单元直径d与封严轴向间隙s
c,ax
的关系为：d＝0.45s
c,ax
。
15.本发明的进一步技术方案是：所述蜂窝腔室深度h与涡轮静盘的凸肩径向厚度h的关系为：h＝0.8h。
16.本发明的进一步技术方案是：所述两处蜂窝腔室结构的尺寸形状均一致。
17.一种燃气轮机，包括静子和转子，静子安装于涡轮静盘上，转子安装于涡轮动盘上；所述涡轮动盘和涡轮静盘之间设置有径向封严结构，所述径向封严结构包括分别设置于涡轮动盘和涡轮静盘上的两处蜂窝腔室结构，两处蜂窝腔室的入口截面均正对着高温燃气来流方向，用于增加燃气侵入腔室内部的能力。
18.有益效果
19.本发明的有益效果在于：本发明的封严结构处，高温主流在蜂窝结构形成的多个腔室内产生很强的涡流，强化了气流掺混与能量耗散，增加燃气流通阻力，从而达到抑制燃气入侵的作用。本发明在低封严冷气流量下也可以达到较好封严效果，极大减小最小封严流量(盘腔阻止燃气入侵现象所需的最小冷气流量)，即减少来自压气机的用于抑制燃气入侵的冷气引气量，进而提升燃气轮机的整机效率；其次由于蜂窝结构的本身特性，在减轻涡轮盘质量的同时，整体结构强度并未下降。具体分析如下：
20.1.蜂窝腔室的入口截面均正对着高温燃气来流方向，增加燃气侵入腔室内部的能力。
21.2.蜂窝单元采用正六边形蜂窝结构，使得用于涡耗散的腔室空间最大化，强化了蜂窝腔室内部的气流掺混与能量耗散。
22.3.采用蜂窝结构使得用于涡耗散的腔室空间最大化，蜂窝结构具备优秀的几何力学性能、在减轻涡轮盘质量的同时整体结构强度并未下降。
附图说明
23.图1是设有蜂窝密封的单级透平几何结构示意图；
24.图2是设有蜂窝密封的级间封严处流动特征示意图；
25.图3是蜂窝结构和级间封严结构放大示意图。
26.附图标记说明：1-涡轮动盘，2-涡轮静盘，3-径向封严结构，4-蜂窝单元直径d，5-蜂窝单元壁厚d，6-涡轮静盘的凸肩径向厚度h，7-蜂窝腔室深度h，8-封严轴向间隙s
c,ax
，9-封严径向间隙s
c,rad
，10-蜂窝结构布置宽度l。
具体实施方式
27.下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.参见图1-2所示，本发明提供了一种带有蜂窝密封的涡轮级间封严结构，包括涡轮动盘1和涡轮静盘2，涡轮动盘1和涡轮静盘2之间设置有间隙；所述涡轮动盘1和涡轮静盘2之间设置有径向封严结构3，径向封严结构3包括分别设置于涡轮动盘和涡轮静盘上的两处蜂窝腔室结构；所述两处蜂窝腔室结构分别沿涡轮动盘和涡轮静盘的周向设置，其入口均与高温燃气来流方向正对，用于增加燃气流通阻力。高温燃气在多个腔室内形成涡流，加强腔室内的涡耗散，增加燃气流通阻力从而对燃气入侵现象产生抑制作用。
30.参照图3所示，所述蜂窝腔室结构包括沿周向设置的若干蜂窝单元，所述蜂窝单元为正六边形凹槽结构；其中，蜂窝单元的直径为d，蜂窝单元的腔室深度为h，相邻蜂窝单元之间的距离即蜂窝单元壁厚为d。
31.参照图3所示，所述涡轮动盘1的蜂窝腔室结构位于其凸肩根部的内端面，所述涡轮静盘2的蜂窝腔室结构位于凸肩外壁面的根部，均与高温燃气来流方向正对，两处蜂窝腔室结构的尺寸形状均一致；蜂窝腔室结构的径向宽度即蜂窝结构布置宽度l。
32.优选的，所述蜂窝结构布置宽度l、封严轴向间隙s
c,ax
、封严径向间隙s
c,rad
三者的关系为：l＝s
c,ax
＝s
c,rad
。
33.优选的，所述蜂窝单元壁厚d与封严轴向间隙s
c,ax
的关系为：d＝0.1s
c,ax
。
34.优选的，所述蜂窝单元直径d与封严轴向间隙s
c,ax
的关系为：d＝0.45s
c,ax
。
35.优选的，所述蜂窝腔室深度h与涡轮静盘的凸肩径向厚度h的关系为：h＝0.8h。
36.本封严结构的封严效果已经通过数值模拟验证，验证方法是对有、无蜂窝密封结构下的封严效果进行比较。通过设定相同的主流及封严流条件，分别计算有蜂窝密封结构辅助封严的盘腔的封严效率以及无蜂窝密封结构辅助封严的盘腔的封严效率随封严流流量的变化进行对比。两处蜂窝结构的单元尺寸及排布布局已经限定。
37.经过数值计算得到的有、无蜂窝结构的封严效率如表1：
38.封严流流量g/s2.35.011.2无蜂窝0.260.540.87有蜂窝0.480.710.96
39.由表1中可见，在低封严流流量(2.3g/s)下最大程度的提升了封严效率，提升效果为84.6％，在高封严流量(11.2g/s)下提升效果较低，为10.3％。数值结果表示在各个封严
流量下，相比原结构均对封严效率有提升。
40.本实施例中，同时采用正六边形蜂窝结构使得用于涡耗散的腔室空间最大化，且该结构具备优秀的几何力学性能、在减轻涡轮盘质量的同时整体结构强度并未下降。
41.本实施例中，蜂窝结构布置宽度l、封严轴向间隙sc,ax与封严径向间隙sc,rad三者的关系为：l＝sc,ax＝sc,rad＝4mm。
42.本实施例中，轮缘密封内齿径向高度h与蜂窝腔室深度h的关系为：h＝3mm，h＝0.8h＝2.4mm。
43.本实施例中，蜂窝单元壁厚d与封严轴向间隙sc,ax的关系为：d＝0.1sc,ax＝0.4mm。
44.本实施例中，蜂窝单元直径d与封严轴向间隙sc,ax的关系为：d＝0.45sc,ax＝1.8mm。
45.参见图2，本发明使得高温主流在蜂窝腔室内产生很强的涡流，强化了盘腔内部的气流掺混与能量耗散，增加燃气流通阻力，使得在低封严冷气流量下也可以达到较好的封严效果；同时蜂窝结构的采用使得用于涡耗散的腔室空间最大化，且该结构具备优秀的几何力学性能、在减轻涡轮盘质量的同时整体结构强度并未下降。
46.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。