一种具有叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构制造技术

一种具有叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构，涡轮机匣与冲击板形成第一腔室，冲击板上限定有多个冲击孔；涡轮外环，外环与冲击板形成第二腔室，外环上限定有多个扰流结构、气膜孔结构及防泄漏结构；冷气气流经由进气孔进入到第一腔室，通过冲击孔结构进入第二腔室以冲击外环，再经由扰流结构对涡轮外环进行充分冷却，最后从外环的气膜孔结构流出形成冷却气膜，最终与主流燃气混合；涡轮外环上的凸台结构主要用来阻止叶顶泄漏涡的形成与发展。本发明专利技术增强了冷却气流在机匣内部的换热效果，气膜孔结构对与高温燃气直接接触的涡轮机匣表面和叶顶部位起到了较好的冷却效果，防泄漏结构有效地降低了叶顶泄漏损失，提高了涡轮效率。

A case with the control of tip clearance and the control of the flow of the top of the leaf

Having a tip clearance control and tip casing flow control, turbine casing and the impact plate forming the first chamber, the impact plate defines a plurality of impingement holes; turbine outer ring, the outer ring and the impact plate is formed on the outer ring of the second chamber defines a plurality of turbulent flow structure, pore structure and gas film to prevent the leakage of air through the air inlet structure; air flow into the first chamber into the second chamber through the impact of pore structure to the impact of the outer ring, and then through the turbulent flow structure of the turbine outer ring sufficient cooling, finally from the film hole of the outer ring out to form a cooling gas film, and finally the main gas mixing; convex structure the outer ring is mainly used to prevent the formation and development of the tip leakage vortex. The present invention enhances the effect of heat transfer of the cooling air in the casing inside the film hole at the top of the good cooling effect on direct contact with high temperature gas turbine casing surface and leaves, the leak proof structure can effectively reduce the tip leakage loss, improve the turbine efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种具有叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构
本专利技术涉及一种涡轮机匣结构，尤其涉及一种可应用于航空发动机、燃气轮机等机械中的具有叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构。
技术介绍
随着燃气轮机性能的不断提升，涡轮前进口温度不断提高，迫切需要更高效、更先进的冷却技术保证燃气轮机高温部件的正常工作。涡轮机匣作为高温部件之一，其涡轮外环结构直接与主流燃气接触，工作条件恶劣，仅靠材料本身的耐高温性能，无法长期承受高温的侵蚀；同时涡轮机匣在高温作用下发生膨胀变形，导致叶尖间隙变大，严重影响了涡轮效率。为了保证涡轮外环的使用寿命和燃气轮机的工作效率，需要发展综合高效的涡轮机匣冷却技术。现有公布专利中，美国专利US.5,169,287采用冲击孔与气膜孔的组合冷却技术，冷却结构复杂且冷却效果不够充分，未能将冷气合理有效的分配利用。由于受到长期振动、高温腐蚀、涡轮叶尖非正常刮擦等作用，涡轮外环内壁涂层极易脱落，使得涡轮机匣成为燃气轮机中换修率较高的部件之一；同时研究发现在叶顶出口部位一般具有复杂的流动结构，该区域由于主流与泄漏流的掺混，引起流动损失，从而导致涡轮效率下降。为了进一步提高燃气轮机工作效率，需要发展更有效的涡轮外环封严技术。现有公布专利中，美国专利US.4,213,296采用台阶式封严结构，在叶冠篦齿之间叶尖间隙较大，且不能很好的适用于各种涡轮叶片结构，应用范围不够广泛。更重要的是，上述两项专利只是单方面考虑涡轮机匣冷却技术或封严技术，且冷却结构相对复杂，冷却方式相对简单，冷却效果不够充分，封严结构相对单一，碰磨问题并未考虑。为了更有效的提高机匣冷却效果、降低叶顶泄漏损失，需要创造更好的机匣冷却结构，寻找更高的叶顶防泄漏技术。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：本专利技术的目的在于提出一种用于叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构，以解决现有涡轮机匣受热膨胀变形大和叶顶泄漏损失严重的问题。本专利技术的技术方案是：一种具有叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构，包括涡轮机匣1、冲击板4和涡轮外环6；所述涡轮机匣1与冲击板4为一整体，定义两者之间形成的腔室为第一腔室3；涡轮外环6耦接到涡轮机匣1上，涡轮外环6与冲击板4形成第二腔室7；所述冲击板4上设有若干通孔作为冲击孔5；涡轮外环6上设有若干通孔作为气膜孔9，且涡轮外环6上设有若干凸起，作为扰流结构；涡轮外环内表面10上设有若干凸起作为封严结构12；来自外部高压压气机的冷气经冷气入口2进入第一腔室3，通过冲击板4上的冲击孔5进入第二腔室7，通过扰流结构改变气体流动形式、增强对流换热后，气体穿过气膜孔9，在涡轮外环内表面10上形成气膜保护层，在冷却涡轮外环6的同时起到隔离高温燃气的作用；封严结构12通过改变叶尖气体的流动形式来阻止叶顶泄漏涡的形成与发展。本专利技术的进一步技术方案是：所述若干冲击孔5成多排分布，且多排冲击孔5相互平行布置或错列布置。本专利技术的进一步技术方案是：所述冲击孔5轴线与冲击板所在平面的夹角为30°-90°本专利技术的进一步技术方案是：所述扰流结构为扰流柱或扰流肋，其中扰流柱为柱状凸起，扰流肋为条状凸起。本专利技术的进一步技术方案是：当扰流结构为扰流柱时，若干所述扰流柱成排分布，并与成排气膜孔9间隔分布，且多排扰流柱相互平行布置或错列布置。本专利技术的进一步技术方案是：当扰流结构为扰流肋时，若干所述扰流肋与成排气膜孔9间隔分布。本专利技术的进一步技术方案是：所述涡轮外环内表面10上，与叶片对应的部分设有可磨材料涂层11。专利技术效果本专利技术的技术效果在于：①涡轮机匣内的冷却结构简单，加工容易；②内部冷却方式多样，扰流结构大大增加了换热面积，提高了表面换热系数，从而加强了冷却效果；③涡轮外环气膜孔结构在涡轮外环内表面形成气膜，起到阻隔高温燃气的作用，达到降低涡轮外环温度的效果；④涡轮外环封严结构阻止了泄漏流的发展，有效降低了叶顶泄漏损失；⑤改进后的涡轮机匣结构距离转动轴的中心半径减小，进而减小了涡轮机匣的径向变形；⑥冷却效果增加，可减少冷气用量，使更多的气体用于膨胀做功，提高气体使用率；⑦涡轮外环内表面可磨材料的使用，防止叶顶与涡轮外环的磨损，延长了涡轮部件的工作寿命，同时缩小了叶尖间隙，进一步提高了涡轮效率。附图说明图1为本专利技术的涡轮机匣结构径向截面视图；图2为本专利技术的涡轮机匣三维结构视图；图3(a)和图3(b)为A-A剖面方向冲击板与冲击孔结构示意图；图4(a)和图4(b)为B-B剖面方向涡轮外环结构示意图；图5为涡轮外环内表面结构示意图。附图标记说明：1.涡轮机匣2.冷气入口3.第一腔室4.冲击板5.冲击孔6.涡轮外环7.第二腔室8.扰流肋9.气膜孔10.涡轮外环内表面(与主流燃气直接接触表面)11.可磨材料涂层12.封严结构13.叶冠14.篦齿15.涡轮动叶16.转动轴17.主燃气通道18.扰流柱具体实施方式参见图1-图5，本专利技术提出一种新型的涡轮机匣结构，其技术方案如下：本专利技术公开一种具有叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构，主要包括涡轮机匣、机匣内部冷却结构以及涡轮外环封严结构；机匣内部冷却结构上限定有冷气进气孔、冲击孔和冲击板结构，冲击板与涡轮机匣形成第一腔室，冲击板上限定有多个冲击孔；涡轮外环通过耦接方式连接到涡轮机匣结构上，其与冲击板形成第二腔室，外环上限定有多个扰流结构、气膜孔结构及防泄漏结构；冷气气流经由进气孔进入到第一腔室，通过冲击孔结构进入第二腔室以冲击涡轮外环，再经由扰流结构对涡轮外环进行充分冷却，最后从涡轮外环的气膜孔结构流出形成冷却气膜，最终与主流燃气混合；涡轮外环上的凸台结构对叶顶流体的流动产生影响，阻止了叶顶泄漏涡的形成与发展。具体地，涡轮机匣上的冲击板结构，主要用于机匣腔室的分隔以及冲击孔的布置。具体地，冲击孔结构多排平行或错列布置在冲击板上。优选地，冲击孔直径为0.5mm-2mm。优选地，多个冲击孔排列时孔排间距和同排孔间距均为孔直径的1.5-4倍。优选地，冲击孔与冲击板的夹角为30°-90°。优选地，冲击孔形状可以为圆形、椭圆形、方形、菱形等形式。具体地，扰流结构可为扰流柱或扰流肋，其中扰流柱为柱状凸起，扰流肋为条状凸起，且扰流结构与气膜孔结构间隔分布。具体地，扰流柱结构多排平行或错列布置在涡轮外环上。优选地，扰流柱直径为0.5mm-1.5mm。优选地，多个扰流柱排列时柱排间距和同排柱间距均为柱直径的2-3倍。更具体地，扰流柱结构可与上部冲击孔对应布置或错列布置。优选地，扰流柱形状可以为圆形、椭圆形、方形、菱形等形式。具体地，气膜孔结构布置在涡轮外环上，其将涡轮机匣的第二腔室与主流燃气通道连通；更具体地，气膜孔结构与扰流柱结构同排布置或错列布置。优选地，气膜孔直径为0.5mm-1.5mm。具体地，涡轮外环凸台结构的形状可为平面、蜂窝、锯齿等形式。具体地，与涡轮叶片对应的外环部分采用可磨材料。本专利技术的上述冷却结构主要工作过程如下：可作为冷却涡轮部件的气体主要来源于高压压气机，冷气经主进气口进入涡轮机匣第一腔室，然后通过冲击板上的冲击孔结构将冷气引入第二腔室，进入第二腔室的气体首先与扰流结构发生接触，扰流结构改变了气体原有的流动形式，使得气体与涡轮机匣和涡轮外环结构进行更加充分的接触，增强对流换热效果，绕过扰流结构的气体到达涡轮外环本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构，其特征在于，包括涡轮机匣(1)、冲击板(4)和涡轮外环(6)；所述涡轮机匣(1)与冲击板(4)为一整体，定义两者之间形成的腔室为第一腔室(3)；涡轮外环(6)耦接到涡轮机匣(1)上，涡轮外环(6)与冲击板(4)形成第二腔室(7)；所述冲击板(4)上设有若干通孔作为冲击孔(5)；涡轮外环(6)上设有若干通孔作为气膜孔(9)，且涡轮外环(6)上设有若干凸起，作为扰流结构；涡轮外环内表面(10)上设有若干凸起作为封严结构(12)；来自外部高压压气机的冷气经冷气入口(2)进入第一腔室(3)，通过冲击板(4)上的冲击孔(5)进入第二腔室(7)，通过扰流结构改变气体流动形式、增强对流换热后，气体穿过气膜孔(9)，在涡轮外环内表面(10)上形成气膜保护层，在冷却涡轮外环(6)的同时起到隔离高温燃气的作用；封严结构(12)通过改变叶尖气体的流动形式来阻止叶顶泄漏涡的形成与发展。

【技术特征摘要】
2017.05.05 CN 20171031035161.一种具有叶尖间隙控制和叶顶流动控制的机匣结构，其特征在于，包括涡轮机匣(1)、冲击板(4)和涡轮外环(6)；所述涡轮机匣(1)与冲击板(4)为一整体，定义两者之间形成的腔室为第一腔室(3)；涡轮外环(6)耦接到涡轮机匣(1)上，涡轮外环(6)与冲击板(4)形成第二腔室(7)；所述冲击板(4)上设有若干通孔作为冲击孔(5)；涡轮外环(6)上设有若干通孔作为气膜孔(9)，且涡轮外环(6)上设有若干凸起，作为扰流结构；涡轮外环内表面(10)上设有若干凸起作为封严结构(12)；来自外部高压压气机的冷气经冷气入口(2)进入第一腔室(3)，通过冲击板(4)上的冲击孔(5)进入第二腔室(7)，通过扰流结构改变气体流动形式、增强对流换热后，气体穿过气膜孔(9)，在涡轮外环内表面(10)上形成气膜保护层，在冷却涡轮外环(6)的同时起到隔离高温燃气的作用；封严结构(12)通过改变叶尖气体的流动形式来阻止叶顶泄漏涡的形成与发展。2....

【专利技术属性】
技术研发人员：仝福娟，李磊，高文静，孙守义，唐仲豪，李亚东，苟文选，岳珠峰，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61