[發明專利]一種帶有容腔封嚴結構的渦輪盤

有效

• 申請號: 201910987701.1
• 申請日: 2019-10-17
• 公開（公告）號: CN110805476B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 譚曉茗;張慶才;羅擎陽;單勇;張靖周
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F01D11/04
• 分類號: F01D11/04;F01D9/00;F01D5/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張弛

本發明公開了一種帶有容腔封嚴結構的渦輪盤，包括渦輪靜盤、渦輪動盤；渦輪轉靜盤緣間靜盤側外伸有靜盤內外封嚴環，渦輪動盤側外伸有動盤內封嚴環；其中靜盤內封嚴環首端或靠近靜盤壁面位置設有向高半徑方向凸起的圓環狀凸臺環，靜盤內封嚴環的末端或靠近末端位置設有向高半徑方向凸起的圓環狀凸環；該封嚴結構形成的靜盤外容腔，一方面使燃氣在靜盤外封嚴環和動盤內封嚴環之間產生旋渦，有效阻止部分高溫燃氣在封嚴冷氣出流口處的入侵，并消耗著一部分入侵的高溫燃氣；另一方面使燃氣在凸臺環和凸環間凹槽內產生駐渦，進一步地阻隔深腔內的燃氣，以防止燃氣入侵封嚴內腔；在封嚴用氣量一定的前提下，燃氣能被較好地阻擋在靜盤外容腔內，因而封嚴性能得到了較大提升。

技術領域

本發明屬于發動機技術領域，尤其涉及燃氣輪機、航空發動機等涉及旋轉件的技術領域。

背景技術

燃氣輪機氣動傳熱問題的研究在科學和技術領域有著重要的意義。

燃氣渦輪進口參數的不斷提高和冷卻空氣品質的下降，導致高溫熱端部件承受的熱負荷不斷增加，因此需設計先進的二次空氣冷卻系統以防止輪盤、葉片和轉子等旋轉部件過熱，并降低其熱應力水平。輪緣密封作為燃氣輪機先進二次空氣冷卻系統的重要組成部件之一，其結構設計也成為燃氣輪機發展的關鍵技術之一。

燃氣入侵是渦輪轉-靜盤腔可能遇到的嚴重問題。高溫燃氣順著轉-靜盤腔深入到盤心，導致不可控的輪盤變形和疲勞、附近的軸承等受到嚴重損壞等后果。減少燃氣入侵的主要途徑一是增加盤腔供氣，從壓氣機引入的冷卻氣體可以有效阻止主流燃氣入侵，但是過多地從壓氣機提取冷氣必將導致發動機總體熱效率的下降；另一項措施就是在渦輪盤外徑設置輪緣封嚴，以增大入侵燃氣的流阻。因此，合理的盤緣封嚴結構設計可顯著減少從壓氣機側抽引的冷卻空氣量，提高燃氣輪機的整體效率，是現代高參數大功率燃氣輪機領域發展的關鍵技術之一。

發明內容

發明目的：本發明涉及一種帶有容腔封嚴結構的渦輪盤，目的是采用相對簡單的結構，在較小的冷氣量下，使得盤緣封嚴能取得良好的封嚴性能。

技術方案：為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種具有復合盤緣封嚴結構的渦輪盤，包括渦輪機匣、渦輪靜盤、渦輪動盤；渦輪靜盤與渦輪動盤同軸設置，且渦輪動盤相對渦輪靜盤轉動；渦輪靜盤與渦輪動盤之間構成轉靜盤腔；渦輪機匣與渦輪靜盤、渦輪動盤之間形成主流通道；渦輪靜盤內側壁面和渦輪動盤內側壁面及主流通道構成冷氣通道；所述渦輪靜盤外緣設有向渦輪動盤延伸的圓環狀的外封嚴環；渦輪靜盤面對渦輪動盤的一面向渦輪動盤延伸有圓環狀的靜盤內封嚴環；渦輪動盤面對渦輪靜盤的一面向渦輪靜盤延伸有圓環狀的動盤內封嚴環；其中靜盤內封嚴環首端或靠近靜盤壁面位置設有向高半徑方向凸起的圓環狀凸臺環，靜盤內封嚴環的末端或靠近末端位置設有向高半徑方向凸起的圓環狀凸環；所述凸臺環與凸環之間形成開面面對高半徑方向的凹槽；靜盤的外封嚴環和靜盤內封嚴環構成靜盤外容腔。

有益效果：所述封嚴結構形成了一種新型靜盤外容腔，該容腔結構有效降低了入侵燃氣的流動速度，阻止了高溫燃氣向轉靜盤腔的深入入侵。在靜盤外容腔中，高溫燃氣沿著動盤內封嚴環外側斜面向腔內流動；離開斜面后，流動的大部分燃氣往高半徑且沿著靜盤外封嚴環內壁面回流，在靜盤外封嚴環和動盤內封嚴環之間產生順時針渦，這一方面阻擋了部分高溫燃氣往轉靜盤腔的入侵，另一方面消耗了大量的已入侵高溫燃氣，在一定程度上還削弱了旋轉誘導入侵效應；此外，在凸臺環和凸環間凹槽內會產生駐渦，駐渦和沿動盤內封嚴環內壁面流動的冷氣流，能有效地將另一部分流入深腔的燃氣阻擋在靜盤外容腔的深腔內；在不增加封嚴用氣量的前提下就能獲得較高的封嚴效率。

進一步的，還包括最外側環狀渦輪機匣、導葉、動葉；其特征在于：渦輪機匣與渦輪靜盤、渦輪動盤之間形成主流通道，主流通道內若干導葉一端固定在最外側環狀渦輪機匣上，另一端固定在渦輪靜盤上；主流通道內若干動葉與渦輪動盤固定連接。由于渦輪動盤相對渦輪靜盤同軸旋轉，動葉與渦輪機匣之間留有空隙。所述的靜盤壁面和動盤壁面的形面共同構成轉靜盤腔冷氣通道。動靜盤壁面封嚴環的存在使得盤腔流道變得曲折。