一种带预旋引气的涡轮盘腔封严结构制造技术

本发明专利技术公开了一种带预旋引气的涡轮盘腔封严结构，在内支撑环1上设置有若干个预旋引气流路，预旋引气流路依次由引气孔2、集气腔3和出气孔4构成，其中，引气孔2为周向均布的若干个圆孔，设置于内支撑环进气孔外圈的端面上；集气腔3为空腔结构；出气孔4与发动机中心线的夹角范围为65到80度。采用本专利盘腔封严结构后，动叶根部工作在设计工况，动叶通道二次流损失大幅减小。与现有盘腔封严结构相比，采取本专利后可使涡轮效率提高近1％。本专利结构简单，可大部分借用现有盘腔封严结构，经济性和可实现性好。

【技术实现步骤摘要】
一种带预旋引气的涡轮盘腔封严结构
：本专利涉及燃气涡轮发动机
，具体的说，是其中的涡轮部件盘腔封严结构，具体涉及一种带预旋引气的涡轮盘腔封严结构。
技术介绍
燃气涡轮发动机的工作原理是利用压气机的压缩空气和燃料混合燃烧后产生的高温高压燃气驱动涡轮高速旋转，而涡轮又通过涡轮轴带动压气机，从而形成持续运转。涡轮由静止的导叶(组成静子部件)和转动的动叶(组成转子部件)组成。为保障涡轮转子的可靠运转，避免转静子间的碰磨，在转静子涡轮盘之间都存在一定的间隙。导叶和动叶根部之间轴向和径向间隙的存在，可能导致涡轮通道高温燃气通过该间隙入侵涡轮盘腔，从而造成涡轮盘温度过高而影响涡轮盘的工作安全和使用寿命。因此通常在涡轮盘腔中引入高压压气机出口的冷气作为封严气体，阻止燃气入侵涡轮盘腔，同时也对涡轮盘进行冷却。虽然引入封严冷气可以防止主流燃气入侵烧蚀盘腔，但是由于进入主流通道的封严冷气流速较低，气流预旋角度较小(相比导叶根部出口预旋角度)，封严冷气会在封严缝出口与主流燃气进行强烈的掺混，导致损失增加，涡轮效率降低。随着涡轮转速、涡轮前温度以及效率要求的提高，转静子间封严冷气的低流速和低预旋角度导致的涡轮性能下降日益明显。因此，需要对涡轮转静子间的盘腔封严结构进行优化设计，以满足涡轮性能提高的要求。现有的一种典型涡轮盘腔封严结构如图1所示，该结构由A1内支撑环、A2螺栓连接、A3前导流板、A4前挡板、A5前挡板进气孔、A6封严篦齿、A7蜂窝结构、A8预旋喷嘴、A9内支撑环进气孔组成。其中A1内支撑环通过卡环与高压涡轮导叶连接，采用螺栓与A5前导流板连接，A4前挡板采用快速扣合结构与涡轮动叶连接。该涡轮盘腔封严结构的工作原理是：从压气机前引入的冷气通过A1内支撑环上的A9内支撑环进气孔进入集气腔，经过A8预旋喷嘴的降压加速，分成三股冷气；第一股冷气直接通过A5前挡板进气孔进入动叶集气腔冷却动叶；第二股冷气向下通过A6封严篦齿和A7蜂窝结构组成的封严间隙进入涡轮盘根部冷却涡轮盘；第三股冷气向上通过两处A6封严篦齿和A7蜂窝结构组成的封严间隙，并由转静子间的封严缝进入主流通道，实现对导叶和动叶根部的冷却，以及防止主流高温燃气的入侵。现有涡轮盘腔封严结构的缺陷是：图1中，第三股冷气经过两级封严篦齿和蜂窝组成的封严结构后，冷气的总压损失较大，冷气速度和冷气的预旋角度都较低，这就与导叶根部主流燃气存在很大差异，导致封严冷气进入到主流通道后会与主流的高速流体存在径向和周向掺混，并使进入动叶根部的主流气体出现很大负攻角状态，导致动叶根部工作在非设计点工况，这会增加动叶根部气流分离的风险以及增强通道二次流损失的强度，最终使涡轮通道的流动损失增加，涡轮效率降低，性能下降。对于高效涡轮而言，这种影响尤其明显。
技术实现思路
：专利技术目的：针对目前所用涡轮盘腔封严结构的缺点，本专利提出了一种带预旋引气的新型涡轮盘腔封严结构，其目的是增加封严缝出口冷气的速度和预旋角度，从而减小封严冷气与主流的掺混，提高涡轮的效率。技术方案：一种带预旋引气的涡轮盘腔封严结构，其特征在于，在内支撑环1上设置有若干个预旋引气流路，预旋引气流路依次由引气孔2、集气腔3和出气孔4构成，其中，引气孔2为周向均布的若干个圆孔，设置于内支撑环进气孔外圈的端面上；集气腔3为空腔结构；出气孔4与发动机中心线的夹角范围为65到80度。所述的集气腔3横截面积由引气孔2向出气孔4的方向上不断减小。所述的若干个预旋引气流路的集气腔3之间互相连通。所述出气孔4与发动机中心线的夹角为75度。有益效果a)采用预旋引气的流路后，封严冷气出口的气流速度和预旋角度增加，可减小与导叶根部出口主流燃气的速度三角形差异，保证动叶根部工作在设计工况。b)采用本专利盘腔封严结构后，动叶根部工作在设计工况，动叶通道二次流损失大幅减小。与现有盘腔封严结构相比，采取本专利后可使涡轮效率提高近1％。c)本专利结构简单，可大部分借用现有盘腔封严结构，经济性和可实现性好。附图说明图1为现有的盘腔封严结构图。图2本专利的盘腔封严结构图。图3本专利内支撑环1的结构示意及引气流路图。图4a和图4b为现有速度三角形与本专利速度三角形对比。其中，内支撑环1，引气孔2、集气腔3和出气孔4；S-导叶，R-动叶，V-主流绝对速度，U-旋转速度，W-主流相对速度，Vseal-封严绝对速度，Wseal-封严相对速度。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术技术方案做详细叙述。本专利提出的新型涡轮盘腔封严结构如图2所示。本专利保留了现有盘腔封严结构中的A2螺栓连接、A3前导流板、A4前挡板、A5前挡板进气孔、A6封严篦齿、A7蜂窝结构、A8预旋喷嘴和A9内支撑环进气孔，并保留了A1内支撑环的基本结构，仅在A7蜂窝结构和A8预旋喷嘴上端增加了引气流路。如图2所示，新盘腔封严结构与现有结构的区别仅在于带预旋引气的内支撑环1。带预旋引气的内支撑环1的详细结构如图3所示。增加的预旋引气流路由引气孔2、集气腔3和出气孔4组成。其中，引气孔2为周向均布的若干个圆孔；集气腔3为空腔，并且横截面积由引气孔2向出气孔4的方向上不断减小形成收缩通道，且不同集气腔3之间可连通，或为锥形环状整体通腔；出气孔4为周向均布若干个斜孔，与发动机中心线成75°夹角，剖视图如图3的B-B所示。本专利的涡轮盘腔封严结构工作原理是：引入的压气机冷气分两路流入封严盘腔，第一路冷气由A9内支撑环引气孔进入，其流动路径与描述的现有盘腔封严结构一致，前两股冷气分别冷却动叶和涡轮盘，第三股冷气冷却导叶和动叶根部以及防止主流高温燃气入侵；第二路冷气由引气孔2进入集气腔3，由收缩型通道实现加速，再由与发动机中心线75°夹角的出气孔4高速喷射流出，实现气流的加速和增加预旋角度。该股带预旋的高速冷气与流路一中的第三股低速低预旋冷气进行掺混，使流出转静子封严缝的封严冷气流速和预旋角度都增加，接近或达到导叶根部出口的流速和预旋角度，减小两者的掺混，使动叶根部进口的气流达到动叶设计状态，从而减小二次流损失，达到增加涡轮做功能力，提高涡轮效率的目的。本专利大部分保留了现有涡轮盘腔封严结构，对于1带预旋引气的内支撑环采用无余量精密铸造技术加工，保证获得精准的引气孔、集气腔和出气孔结构，其余部件采用现有制造工艺加工完成。采用预旋引气的流路后，封严冷气出口的气流速度和预旋角度增加，可减小与导叶根部出口主流燃气的速度三角形差异，保证动叶根部工作在设计工况，如图4a和图4b所示。现有盘腔封严结构的封严冷气出口绝对速度大小和方向都与导叶出口主流差异很大，在动叶转速一定的情况下，导致动叶进口的封严冷气相对速度与主流燃气的相对速度差异也大，从而影响动叶工况。采用本专利盘腔封严结构后，封严冷气出口绝对速度大小和方向与主流燃气差异很小，从而保证封严冷气相对动叶进口的相对速度大小和方向与主流差异很小，这样可减小掺混损失，保证动叶根部工作在设计工况。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种带预旋引气的涡轮盘腔封严结构，其特征在于，在内支撑环(1)上设置有若干个预旋引气流路，预旋引气流路依次由引气孔(2)、集气腔(3)和出气孔(4)构成，其中，引气孔(2)为周向均布的若干个圆孔，设置于内支撑环进气孔外圈的端面上；集气腔(3)为空腔结构；出气孔(4)与发动机中心线的夹角范围为65到80度。

【技术特征摘要】
1.一种带预旋引气的涡轮盘腔封严结构，其特征在于，在内支撑环(1)上设置有若干个预旋引气流路，预旋引气流路依次由引气孔(2)、集气腔(3)和出气孔(4)构成，其中，引气孔(2)为周向均布的若干个圆孔，设置于内支撑环进气孔外圈的端面上；集气腔(3)为空腔结构；出气孔(4)与发动机中心线的夹角范围为65到80度。2.根据权利要求1的一种带预...

【专利技术属性】
技术研发人员：张维涛，贺进，薛伟鹏，杜鹏，唐国庆，
申请(专利权)人：中国航发四川燃气涡轮研究院，
类型：发明
国别省市：四川,51