具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置製造方法
2023-05-14 02:39:56 2
具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供了一種具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置。該渦輪裝置包括：渦輪機匣和N個渦輪葉片級。其中，渦輪機匣，其內表面具有N個葉片工作段，每一葉片工作段包括：靜葉片外環壁；動葉片外環壁；葉冠密封腔前後過渡段。每一渦輪葉片級包括：靜葉片；動葉片，其頂部具有葉冠，在該葉冠上具有蓖齒；導流環，呈圓環狀，位於動葉片的下遊側，其由渦輪葉片級後過渡段的末端朝向所述動葉片上葉冠與蓖齒的連接處延伸，內側邊緣靠近但不接觸渦輪葉冠和蓖齒。本發明中，導流環引導密封洩漏流在渦輪機匣內壁、蓖齒和導流環構成的腔室內近固體表面流動，消除了葉柵主流部分流體侵入出口腔內所引起的卷吸流動損失，減少了密封洩漏流與葉柵主流的摻混損失。
【專利說明】具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及流體動力學【技術領域】，尤其涉及一種可應用於航空發動機、燃氣輪機和蒸汽輪機等流體機械中的具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置。
【背景技術】
[0002]在航空發動機、地面燃氣輪機和蒸汽輪機等葉輪機械動力裝置中，非接觸式密封是不可缺少的部件，並且對裝置的經濟性和可靠性有不可忽視的影響。非接觸式密封存在徑向間隙，在密封腔進出口壓力差的作用下，必然產生密封洩漏流動，並進而造成旁路和流動損失。
[0003]在渦輪結構中，從結構強度考慮，為了避免由于振動導致的渦輪葉片斷裂，在渦輪頂部需要增加葉冠。在渦輪工作過程中，為了避免由於偏心位移或裝配誤差而導致的葉冠與渦輪機匣內腔發生碰撞，葉冠必須與渦輪機匣內腔保持一定的間隙。該間隙如果過小，葉冠就有與渦輪機匣內腔碰撞的風險，而該間隙如果過大，洩漏流量將大大增加。因此就需要考慮渦輪與渦輪機匣內腔的非接觸式密封問題。
[0004]作為一種典型的非接觸式密封，帶冠渦輪葉片的頂部密封已經廣泛採用了蓖齒與蜂窩的型式。由固定壁面及蜂窩帶、葉冠和蓖齒構成的密封腔室被蓖齒分為三部分，即進口腔、中間腔(可多個)和出口腔。
[0005]在出口腔內一般具有複雜的流動結構，密封洩漏流與葉柵主流共同帶動產生了多個旋渦，並卷吸部分葉柵主流侵入腔內，而貼壁流動的密封洩漏流主體以近垂直方向進入下一排葉柵前主流並摻混。這些均產生了流動損失。其中密封洩漏流與下一排的葉柵前主流的摻混損失是由密封洩漏流與葉柵主流速率與方向不一致所致，所產生的摻混損失佔全部密封洩漏流流動損失的主要部分。減少與密封洩漏流相關的流動損失就會提高機組的熱力效率。
[0006]在實現本發明的過程中， 申請人:發現現有技術渦輪裝置的非接觸式密封存在如下技術缺陷:葉冠密封開放的出口腔存在主流帶動的渦耗散，密封洩漏流卷吸部分葉柵出口處流體，並以近垂直方向進入下一排葉柵前主流與之摻混，引起較大流動損失。
【發明內容】
[0007](一 )要解決的技術問題
[0008]鑑於上述技術問題，本發明提供了一種具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置，以減少密封洩漏流弓I起的流動損失。
[0009]( 二 )技術方案
[0010]本發明具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置包括:渦輪機匣和N個渦輪葉片級。其中，渦輪機匣，其內表面具有N個葉片工作段，每一葉片工作段包括:靜葉片外環壁，其圍成第一筒狀工作區域；動葉片外環壁，其圍成第二筒狀工作區域；第一過渡段，將本葉片工作段靜葉片外環壁的末端連接至到動葉片外環壁的起始端；以及第二過渡段，將本葉片工作段動葉片外環壁的末端連接至下一工作段靜葉片外環壁的起始端。其中，第一筒狀工作區域的半徑小於第二筒狀工作區域的半徑，NS I。每一渦輪葉片級包括:靜葉片，固定於相應葉片工作段的第一筒狀工作區域內；動葉片，位於相應葉片工作段的第二筒狀工作區域內，圍繞該第二筒狀工作區域的中心軸線轉動，其頂部具有葉冠，在該葉冠上具有蓖齒?』導流環，呈圓環狀，位於動葉片的下遊側，其由所述第二過渡段的末端朝向所述動葉片上葉冠與蓖齒的連接處延伸，內側邊緣靠近但不接觸渦輪葉冠和蓖齒。
[0011](三)有益效果
[0012]本發明具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置中，在動葉片葉冠密封腔室和下一級渦輪靜葉片機匣內壁的交界處延伸一導流環，該導流環的內側邊緣靠近但不接觸渦輪葉冠和蓖齒，從而引導密封洩漏流在渦輪機匣內壁、蓖齒和導流環構成的腔室內近固體表面流動，並經由導流環與蓖齒的間隙，導流環與葉冠表面的間隙匯入葉柵主流，從而產生了如下技術效果:
[0013](I)由於導流環的存在，從根本上消除了葉柵主流部分流體侵入出口腔內所引起的卷吸流動損失；
[0014](2)洩漏流流出時與葉柵主流共同削弱了葉冠後4有的主流帶動的旋渦，而洩漏流在近封閉的出口腔內和A與蓖齒的間隙內折轉流動並逐步擴散，增大了流阻；
[0015](3)由於導流環AB段內表面與葉冠表面間隙的約束，洩漏流流入主流時具有與主流接近的子午面分速比，從而大大減少了原結構中洩漏流貼W2壁面直接衝向葉柵主流引起的較大摻混損失。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為根據本發明實 施例具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置的剖面示意圖；
[0017]圖2為圖1所示渦輪裝置中密封洩漏流出口腔室的剖面放大圖。
【具體實施方式】
[0018]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。實施例中提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明的保護範圍。
[0019]本發明提供了一種渦輪裝置，其通過導流環引導密封洩漏流在渦輪機匣內壁、蓖齒和導流環構成的腔室內外近固體表面流動，達到減少摻混損失的目的。
[0020]在本發明的一個示例性實施例中，提供了一種具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置。圖1為根據本發明實施例具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置的剖面示意圖。請參照圖1和圖2，本實施例渦輪裝置包括:渦輪機匣和N個渦輪葉片級。
[0021]其中，渦輪機匣， 其內表面具有N個葉片工作段，每一葉片工作段包括:靜葉片外環壁，其圍成第一筒狀工作區域；以及動葉片外環壁，其圍成第二筒狀工作區域；第一過渡段，將本葉片工作段靜葉片外環壁的末端連接至到動葉片外環壁的起始端；第二過渡段，將本葉片工作段動葉片外環壁的末端連接至下一工作段靜葉片外環壁的起始端。其中，第一筒狀工作區域的半徑小於第二筒狀工作區域的半徑，N≥1。
[0022]每一渦輪葉片級包括:靜葉片，固定於相應葉片工作段的第一筒狀工作區域內；動葉片，位於相應葉片工作段的第二筒狀工作區域內，圍繞該第二筒狀工作區域的中心軸線轉動，其頂部具有葉冠，在該葉冠上具有蓖齒；導流環，呈圓環狀，位於動葉片的下遊側，其由所述動葉片外環壁的末端朝向所述動葉片上葉冠與蓖齒的連接處延伸，內側邊緣靠近但不接觸渦輪葉冠和蓖齒。
[0023]以下對本實施例具有密封洩漏流導流功能的渦輪結構的各個組成部分進行詳細說明。為了部件描述方便，在下文中，沿流體流動的方向，其上遊定義為前端，其下遊定義為後端。
[0024]本實施例中，渦輪機匣、靜葉片、動葉片、葉冠、蓖齒等均為本領域內的常見部件。並且，渦輪機匣葉片工作段數目以及渦輪葉片級的數目也可以根據需要進行調整。本領域技術人員可以根據實際的需要確定這些部件的材料、尺寸及數目，在此不再贅述。
[0025]動葉片外環壁和靜葉片外環壁均為迴轉面，靜葉片的外側邊緣固定於所述靜葉片外環壁上。由於半徑不同，動葉片外環壁在向渦輪機匣下一葉片工作段靜葉片外環壁過渡的位置形成橫截面呈臺階狀的結構。
[0026]圖2為圖1所示渦輪裝置中密封洩漏流出口腔室的的剖面放大圖。請結合圖1參照圖2，導流環呈環狀薄板結構。ABCD為導流環一側的剖面圖。沿渦輪機匣的軸向方向，該導流環可分為三段:固定段(CD段)、中間段(BC段)和非接觸密封段(AB段)。
[0027]導流環固定段(CD段)密封固定於渦輪機匣下一葉片工作段靜葉片外環壁的前端(即壁面W3部位)，固定段(CD段)和中間段(BC段)的交接點(C點)正好位於本葉片工作段第二過渡段與下一葉片工作段靜葉片外環壁的交界處(即壁面W2和壁面W3的交界部位)。
[0028]非接觸密封段(AB段)平行於葉冠表面，內表面距離葉冠表面預設距離，該預設距離介於1.5毫米~2.0毫米之間。非接觸密封段(AB段)的內側邊緣㈧距離蓖齒預設距離，該預設距離介於2.0毫米~2.5毫米之間。一般情況下，非接觸密封段(AB段)的長度應當大於5毫米，而如果其小於該尺寸，在結構允許的條件下，應設計蓖齒向上遊移動以滿足要求。
[0029]本實施例中，導流環材料與渦輪機匣的材料相同，導流環的固定段(CD段)與渦輪機匣下一葉片工作段靜葉片外環壁的前端(W3壁面)焊接在一起。其中，壁面W3經預先切削以滿足導流環固定段(CD段)內表面與其重合的要求；其厚度及焊接工藝應滿足強度及壽命要求，並以成本和重量最小化為目標。導流環各段的厚度相同。
[0030]當然，導流環材料也可以不同於渦輪機匣內壁所在部件材料，在滿足強度和壽命的前提下，降低成本。此外，導流環可以為變厚度結構以改善強度性能，其中，固定段(CD段)的厚度可以大於非接觸密封段(AB段)的厚度，中間段(BC段)的厚度連續變化。
[0031]為了安裝方便，導流環可由兩個半環拼接而成。但本發明並不以此為限，對於大型的流體機械，導流環可以為三片、四片或更多的扇形片拼接而成，而對於小型的流體機械，該導流環可以在渦輪裝置裝配之初進行安裝，這種情況下，該導流環可以為獨立的一片。[0032]請參照圖2，蓖齒、葉冠、渦輪機匣內壁(W1、W2壁面)和導流環構成密封洩漏流的出口腔室，密封洩漏流在該出口腔室內近固體表面流動，並經由導流環與蓖齒的間隙，導流環與葉冠表面的間隙匯入葉柵主流，從而在根本上消除了葉柵主流部分流體侵入出口腔內所引起的卷吸流動損失。此外，由於AB段內表面與葉冠表面間隙的約束，洩漏流流入主流時具有與主流接近的子午面分速比，從而大大減少了原結構中洩漏流貼W2壁面直接衝向葉柵主流弓I起的較大摻混損失。
[0033]至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員應當對本發明具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置有了清楚的認識。
[0034]此外，上述對各元件和方法的定義並不僅限於實施例中提到的各種具體結構、形狀或方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如，對:
[0035](I)導流環還可以將CD折轉90度成型，並焊接在渦輪機匣上本葉片工作段的第二過渡段上(W2壁面)；
[0036](2)導流環還可以在非接觸密封段(AB段)、中間段(BC段)、固定段(CD段)段交界處採用圓角過渡。
[0037]綜上所述，本發明提供一種具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置。該渦輪裝置通過導流環引導密封洩漏流在渦輪機匣內壁、蓖齒和導流環構成的腔室內外近固體表面流動，從根本上消除了葉柵主流部分流體侵入出口腔內所引起的卷吸流動損失，減少了密封洩漏流與葉柵主流的摻混損失，在航空發動機、燃氣輪機和蒸汽輪機等領域具有廣泛的應用。
[0038]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種具有密封洩漏流導流功能的渦輪裝置，其特徵在於，包括:渦輪機匣，其內表面具有N個葉片工作段，每一葉片工作段包括: 靜葉片外環壁，其圍成第一筒狀工作區域； 動葉片外環壁，其圍成第二筒狀工作區域，所述第一筒狀工作區域的半徑小於所述第二筒狀工作區域的半徑； 第一過渡段，將本葉片工作段內靜葉片外環壁的末端連接至動葉片外環壁的起始端；以及 第二過渡段，將本葉片工作段內動葉片外環壁的末端連接至下一葉片工作段靜葉片外環壁的起始端；以及 N個渦輪葉片級,其中，每一渦輪葉片級包括: 靜葉片，固定於相應葉片工作段的第一筒狀工作區域內； 動葉片，位於相應葉片工作段的第二筒狀工作區域內，圍繞該第二筒狀工作區域的中心軸線轉動，其頂部具有葉冠，在該葉冠上具有蓖齒；以及 導流環，呈圓環狀，位於所述動葉片的下遊側，其由所述第二過渡段的末端朝向所述動葉片上葉冠與蓖齒的連接處延伸，內側邊緣靠近但不接觸所述葉冠和蓖齒。
2.根據權利要求1所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述導流環包括: 固定段，密封固定於所述渦輪機匣內壁； 中間段；以及 非接觸密封段，平行於所述葉冠，其長度大於等於5毫米。
3.根據權利要求2所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述非接觸密封段的內表面與葉冠表面的距離介於1.5毫米?2.0毫米之間；所述非接觸密封段的內側邊緣與蓖齒的距離介於2.0毫米?2.5毫米之間。
4.根據權利要求2所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述固定段密封固定於渦輪機匣下一葉片工作段靜葉片外環壁的前端，該固定段與中間段的交接點位於本葉片工作段第二過渡段與下一葉片工作段靜葉片外環壁的交界處。
5.根據權利要求2所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述固定段與所述第二過渡段平行，該固定段固定於該第二過渡段上。
6.根據權利要求2所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述固定段、中間段和非接觸密封段兩兩的交界處採用圓角過渡。
7.根據權利要求2所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述固定段、中間段和非接觸密封段的厚度相同。
8.根據權利要求2所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述固定段的厚度大於所述非接觸密封段的厚度，所述中間段的厚度連續變化。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述導流環為單片或由多扇形片拼接而成。
10.根據權利要求1至8中任一項所述的渦輪裝置，其特徵在於，所述導流環與所述渦輪機匣內壁的材料相同或不同，其通過焊接方式固定在所述渦輪機匣內壁上。
【文檔編號】F01D11/02GK103883362SQ201410118134
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月27日 優先權日:2014年3月27日
【發明者】張冬陽 申請人:中國科學院工程熱物理研究所