一种具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构的制作方法
【技术领域】：
[0001] 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】：
[0002] 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。
[0003] 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，由于转盘栗送 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】
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[0004] 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。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：
[0006] -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。
[0007] 本发明进一步的改进在于，阻尼孔为蜂窝孔或圆孔。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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~ 〇. 08)b ;导流叶片尾缘出口小圆半径私取值范围（0. 005~0. 02)b ;导流叶片进出口边楔 角fl、Φ2取值范围均为Γ~4° ;导流叶片安装角|^取值范围35°~45° ;其中，b为 导流片轴向长度。
[0013] 本发明进一步的改进在于，导流叶片数目取4的倍数。
[0014] 本发明进一步的改进在于，导流叶片数目为36或72。
[0015] 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。
[0016] 相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
[0017] 本发明的总体技术思路是给传统的径向轮缘密封结构内齿面上引入阻尼孔，阻尼 孔沿密封表面均匀分布。入侵燃气流经过该阻尼结构时受到阻尼孔的阻滞作用，从而增加 入侵流在密封间隙的流动阻力。同时在密封内齿径向端面处引入导流叶片结构，构成渐缩 或者缩放通道，使得沿着盘面上升冷气在流经该通道时膨胀加速，在径向间隙处形成冷气 射流幕，进一步阻遏高温入侵流进入涡轮盘内，同时还使得冷气流与入侵流得以高效的掺 混。通过增加入侵流在密封间隙处的流动阻力和保证冷气流和入侵流高效的掺混的方法， 达到提高密封封严性能和改善轮盘传热稳定性的目的。
[0018] 实现上述目的所采用的技术方案是在转-静盘腔或由两个共转涡轮盘所构成的 转-转盘腔的边缘安装带阻尼孔的径向轮缘密封。包括在径向轮缘密封内齿面处设置阻尼 孔，以及在密封内齿径向端面处的设置导流叶片结构。
[0019] 进一步的，本发明还具有如下优点：
[0020] 1)径向齿面阻尼孔。
[0021] 阻尼孔设置在径向密封内齿端面处，阻尼孔孔型可以加工为蜂窝孔结构或圆孔结 构。阻尼孔沿径向端面均匀分布。采用数值模拟的方法，根据轮缘密封的运行工况（如压 气机冷气量、涡轮盘转速、主流透平级进出口压力），以密封封严效率最高为优化目标，对阻 尼孔的孔深以及孔径尺寸进行优化，从而确定最优的阻尼孔。
[0022] 2)径向内齿端面导流叶片结构。
[0023] -系列的导流叶片等弧度地安装在径向内齿端面。导流叶片所构成的截面通道采 用缩放型。导流叶片的出口气流角偏转方向与涡轮盘旋转方向保持一致。
[0024] 3)流片型线生成方法。
[0025] 导流叶片采用缩放型通道叶型，其型线由前缘小圆、尾缘小圆、前缘楔角、尾缘楔 角、叶弧以及叶背曲线决定。叶弧及叶背曲线由多阶贝塞尔曲线构成。同样采用数值模拟的 方法，根据轮缘密封的运行工况（如压气机冷气量、涡轮盘转速、主流透平级进出口压力）， 以出口速度最大为优化目标，对导流叶片的型线进行优化，从而确定最优型线。
[0026] 综上所述，本发明的具有阻尼作用的新型轮缘密封结构，可有效地增加密封间隙 处的入侵流的流动阻力，同时还可以增强冷气流与入侵流的掺混强度，显著地提高轮缘密 封的封严性能，改善密封涡轮盘的传热稳定性，提高燃气透平的经济性。本发明的阻尼轮缘 密封结构对目前叶轮机械的转静部件所构成的转-静盘腔封严具有普遍适用性。
【附图说明】：
[0027] 图1是本发明径向轮缘密封结构在燃气透平高压级中的相对配合安装示意图；
[0028] 图2是本发明径向轮缘密封结构的三维结构图，其中，图2(a)为径向内齿端面导 流叶片安装位置局部示意图，图2 (b)为阻尼孔安装位置局部示意图，图2 (c)为径向内齿端 面导流叶片与阻尼孔相对安装位置示意图，图2(d)为图2(c)的局部放大图；
[0029] 图3是传统径向轮缘密封结构的子午面结构图；
[0030] 图4是本发明具有阻尼孔和导流叶片的径向轮缘密封结构的子午面剖视图，图 4(a)为阻尼孔在内齿面装配位置子午面示意图，图4(b)为阻尼孔在内齿面装配位置在内 齿面装配位置俯视图；
[0031] 图5是本发明导流叶片的结构示意图。
[0032] 图中：1为燃气透平转-静盘腔，2为燃气透平转-转盘腔，3为径向轮缘密封结构， 4为透平静叶喷嘴，5为透平旋转动叶，6为静叶隔板叶，7为旋转涡轮盘，8为外齿，9为内齿 上端面，10为内齿径向端面，11为径向内齿，12为蜂窝孔内切圆直径，13为蜂窝孔壁厚，14 为蜂窝孔深，15为内齿厚度，16为导流叶片轴向长度，17为导流叶片几何