燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及燃氣輪機技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，包括連接在靜葉平臺上的靜葉和連接在動葉平臺上的動葉，靜葉平臺與動葉平臺之間形成封嚴冷氣通道，沿靜葉平臺的周向設(shè)有噴氣孔，噴氣孔與靜葉的冷卻通道相連通，噴氣孔的出口位于靜葉平臺的下游側(cè)并與封嚴冷氣通道相連通，噴氣孔用于導(dǎo)出冷卻通道內(nèi)的冷卻氣體并使冷卻氣體在封嚴冷氣通道的出口處形成氣幕。還涉及一種輪緣密封方法，為從靜葉平臺的下游側(cè)導(dǎo)出靜葉冷卻通道中的冷卻氣體，并使冷卻氣體在封嚴冷氣通道的出口處形成氣幕。該氣幕能夠改善燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)的封嚴性能、減小封嚴冷氣量、降低封嚴冷氣對主流氣動效率的影響、提高整機效率。
【專利說明】
燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及燃氣輪機技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]重型燃氣輪機主要包括壓氣機、燃燒室及透平三大部件。空氣進入壓氣機后被壓縮成高溫高壓的空氣，供給燃燒室燃料燃燒，產(chǎn)生的高溫高壓燃氣在透平中膨脹做功，然后經(jīng)排氣擴壓器排入大氣或余熱鍋爐等設(shè)備。
[0003]透平的主流流道高溫燃氣流過靜葉后，會在轉(zhuǎn)-靜部件中間區(qū)域沿周向交替形成高壓流動區(qū)以及低壓流動區(qū)。在高壓流動區(qū)處因主流流道壓力高于透平轉(zhuǎn)靜盤腔內(nèi)部壓力，這是誘發(fā)高溫燃氣入侵現(xiàn)象的原因之一。其二，轉(zhuǎn)靜盤腔內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)流動使得轉(zhuǎn)靜盤腔內(nèi)存在徑向壓力梯度，輪盤空隙內(nèi)的壓力低于外部，這也會誘發(fā)高溫燃氣入侵現(xiàn)象。研究表明燃氣入侵現(xiàn)象是導(dǎo)致透平輪盤過熱失效的重要因素。針對燃氣入侵現(xiàn)象引起透平輪盤過熱失效問題，目前主流重型燃氣輪機廠商中主要通過從壓氣機級引入高壓冷卻氣流來對轉(zhuǎn)靜盤腔進行封嚴冷卻以及安裝先進結(jié)構(gòu)的輪緣密封等措施來解決燃氣入侵問題。但是封嚴冷氣的流量過大，會嚴重影響整機效率，研究表明，減少50%的封嚴冷氣量，燃氣輪機的整機效率可以提高約0.3%。
[0004]目前，實際工程應(yīng)用中通常采用徑向輪緣密封代替?zhèn)鹘y(tǒng)的軸向輪緣的方法，可以在不發(fā)生燃氣入侵現(xiàn)象的前提下減少封嚴冷氣量，但是僅靠設(shè)置徑向輪緣密封對封嚴冷氣量的減少程度有限;并且封嚴冷氣直接以90°方向進入主流流道，還會對主流氣動效率有不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠有效減少封嚴冷氣量、降低封嚴冷氣對主流氣動效率影響的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)及方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，包括連接在靜葉平臺上的靜葉和連接在動葉平臺上的動葉，靜葉平臺與動葉平臺之間形成封嚴冷氣通道，沿靜葉平臺的周向設(shè)有噴氣孔，噴氣孔與靜葉的冷卻通道相連通，噴氣孔的出口位于靜葉平臺的下游側(cè)并與封嚴冷氣通道相連通，噴氣孔用于導(dǎo)出冷卻通道內(nèi)的冷卻氣體并使冷卻氣體在封嚴冷氣通道的出口處形成氣幕。
[0007]優(yōu)選地，在靜葉平臺內(nèi)部還設(shè)有一腔室，腔室與冷卻通道和噴氣孔相連通。
[0008]優(yōu)選地，靜葉平臺內(nèi)設(shè)有一擋板，在擋板和靜葉平臺的頂板之間形成腔室。
[0009]優(yōu)選地，腔室內(nèi)設(shè)有一沖擊板，沖擊板將腔室分隔成遠離靜葉平臺的頂板的壓力腔室和靠近靜葉平臺的頂板的沖擊冷卻腔室，且沖擊板上開設(shè)有多個將壓力腔室與沖擊冷卻腔室相連通的沖擊孔;壓力腔室與冷卻通道相連通，沖擊冷卻腔室與噴氣孔相連通。
[0010]優(yōu)選地，噴氣孔的出口氣流方向與靜葉的出口氣流方向之間的夾角小于30°。
[0011 ]優(yōu)選地，噴氣孔的出口的斷面形狀為圓形或長方形。
[0012]優(yōu)選地，靜葉平臺的外緣具有面向轉(zhuǎn)靜盤腔的凹陷彎曲面，動葉平臺的外緣具有面向主流流道的凸起彎曲面，凹陷彎曲面與凸起彎曲面相配合形成封嚴冷氣通道。
[0013]—種燃氣輪機輪緣密封方法，從靜葉平臺的下游側(cè)導(dǎo)出靜葉冷卻通道中的冷卻氣體，并使冷卻氣體在封嚴冷氣通道的出口處形成氣幕。
[0014]優(yōu)選地，使冷卻氣體對靜葉平臺進行沖擊冷卻后再從靜葉平臺的下游側(cè)導(dǎo)出。
[0015]優(yōu)選地，向封嚴冷氣通道內(nèi)通入封嚴冷氣，使封嚴冷氣與氣幕混合后進入主流流道。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有顯著的進步:
[0017]通過將靜葉冷卻通道中的冷卻氣體從靜葉平臺的下游側(cè)導(dǎo)出并在封嚴冷氣通道的出口處形成氣幕，該氣幕不僅可以作為阻止主流流道的高溫燃氣入侵轉(zhuǎn)靜盤腔的屏障，有效減小高溫燃氣入侵程度，改善燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)的封嚴性能，從而實現(xiàn)在保證不發(fā)生透平輪盤過熱損傷的前提下減小封嚴冷氣量;還可以改變封嚴冷氣通道中的封嚴冷氣進入主流流道的方向，使封嚴冷氣以與主流流道的主流方向夾角較小的方向進入主流流道與高溫燃氣混合，從而減少摻混損失、降低封嚴冷氣對主流氣動效率的影響;此外，該氣幕由靜葉的冷卻氣體形成，實質(zhì)上對靜葉冷卻氣體的再利用，可極大地節(jié)約整機冷卻氣體的使用總量。由此，采用本發(fā)明的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)及方法，可以顯著增加燃氣輪機的整機效率、提高燃氣輪機運行的安全穩(wěn)定性。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明實施例的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)的剖視示意圖。
[0019]圖2是圖1中A部的放大示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明實施例的噴氣孔出口氣流方向與靜葉出口氣流方向成夾角的示意圖。
[0021]圖中:
[0022]1、靜葉平臺101、頂板2、動葉平臺
[0023]3、靜葉4、動葉5、轉(zhuǎn)靜盤腔
[0024]6、封嚴冷氣通道7、噴氣孔8、冷卻通道
[0025]9、腔室10、擋板11、沖擊板
[0026]12、壓力腔室13、沖擊冷卻腔室14、沖擊孔
[0027]15、凹陷彎曲面16、凸起彎曲面
[0028]a、靜葉的出口氣流方向 b、噴氣孔的出口氣流方向
[0029]α、噴氣孔的出口氣流方向與靜葉的出口氣流方向之間的夾角
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細說明。這些實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制。
[0031]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0032]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。
[0033]此外，在本發(fā)明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0034]如圖1和圖2所示，本實施例提供了一種燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本實施例的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)包括靜葉平臺1、靜葉3、動葉平臺2和動葉4。本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，在燃氣輪機的透平組件中，靜葉3連接在靜葉平臺I上，動葉4連接在動葉平臺2上，動葉輪盤與靜子之間形成轉(zhuǎn)靜盤腔5，靜葉平臺I與動葉平臺2之間形成封嚴冷氣通道6，封嚴冷氣通道使轉(zhuǎn)靜盤腔5與主流流道相連通，向轉(zhuǎn)靜盤腔5內(nèi)通入封嚴冷氣，封嚴冷氣經(jīng)封嚴冷氣通道6進入主流流道，可以阻止主流流道內(nèi)的高溫燃氣入侵到轉(zhuǎn)靜盤腔5內(nèi)。
[0035]如圖2所示，本實施例的靜葉平臺I設(shè)有多個噴氣孔7，多個噴氣孔7沿靜葉平臺I的周向分布。噴氣孔7的入口位于靜葉平臺I的上游側(cè)并與靜葉3的冷卻通道8相連通，噴氣孔7的出口位于靜葉平臺I的下游側(cè)并與封嚴冷氣通道6相連通，使得噴氣孔7能夠?qū)⒗鋮s通道8內(nèi)的冷卻氣體導(dǎo)出至封嚴冷氣通道6，并使導(dǎo)出的冷卻氣體在封嚴冷氣通道6的出口處形成氣幕。該氣幕位于封嚴冷氣通道6與主流流道之間，不僅可以作為阻止主流流道的高溫燃氣入侵轉(zhuǎn)靜盤腔5的屏障，有效減小高溫燃氣入侵程度，改善燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)的封嚴性能，從而實現(xiàn)在保證不發(fā)生透平輪盤過熱損傷的前提下減小封嚴冷氣量;還可以改變封嚴冷氣通道6中的封嚴冷氣進入主流流道的方向，使封嚴冷氣以與主流流道的主流方向夾角較小的方向進入主流流道與高溫燃氣混合，從而減少摻混損失、降低封嚴冷氣對主流氣動效率的影響;此外，該氣幕由靜葉3的冷卻氣體形成，實質(zhì)上是對靜葉3冷卻氣體的再利用，可極大地節(jié)約整機冷卻氣體的使用總量。由此，采用本實施例的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，可以顯著增加燃氣輪機的整機效率、提高燃氣輪機運行的安全穩(wěn)定性。
[0036]需要說明的是，本文中的“上游”和“下游”，是以主流流道的主流方向為參照而言，主流流道的主流方向即為靜葉的出口氣流方向a。
[0037]在本實施例中，優(yōu)選噴氣孔7的出口氣流方向b與靜葉的出口氣流方向a平行，以形成與主流流道相平行的氣幕，使封嚴效果最優(yōu)。當(dāng)然，噴氣孔7的出口氣流方向b也可以偏離主流流道，但為了保證形成的氣幕能夠?qū)D(zhuǎn)靜盤腔5產(chǎn)生有效的封嚴作用，噴氣孔7的出口氣流方向b偏離主流流道的角度不宜過大。如圖3所示，噴氣孔7的出口氣流方向b與靜葉3的出口氣流方向a之間的夾角α應(yīng)小于30°，以使氣幕能夠有效地阻擋主流流道的高溫燃氣。噴氣孔7的出口的斷面形狀并不局限，可以為圓形或長方形。噴氣孔7的直徑大小則可根據(jù)實際燃氣輪機機組中的主流溫度、主流速度、冷卻氣體溫度以及噴氣孔7與燃氣輪機軸線之間的距離等參數(shù)進行設(shè)置。噴氣孔7的數(shù)量也不局限，可根據(jù)實際燃氣輪機組的參數(shù)進行設(shè)置。
[0038]進一步，在本實施例中，在靜葉平臺I內(nèi)部還設(shè)有一腔室9，腔室9與冷卻通道8和噴氣孔7相連通。冷卻通道8內(nèi)的冷卻氣體先通入腔室9內(nèi)，以保持冷卻氣體的壓力，再由噴氣孔7導(dǎo)出，有利于形成高壓氣幕，由此可獲得更好的封嚴效果。本實施例在靜葉平臺I內(nèi)設(shè)有一擋板10，在擋板10和靜葉平臺I的頂板101之間形成腔室9。
[0039]進一步，在本實施例中，為了提高冷卻氣體的利用率、加強冷卻效果，在腔室9內(nèi)設(shè)有一沖擊板11，沖擊板11與擋板10平行設(shè)置，沖擊板11將腔室9分隔成遠離靜葉平臺I的頂板101的壓力腔室12和靠近靜葉平臺I的頂板101的沖擊冷卻腔室13，即沖擊板11與擋板10之間形成壓力腔室12，沖擊板11與靜葉平臺I的頂板101之間形成沖擊冷卻腔室13。沖擊板11上開設(shè)有多個將壓力腔室12與沖擊冷卻腔室13相連通的沖擊孔14，壓力腔室12與冷卻通道8相連通，沖擊冷卻腔室13與噴氣孔7的入口相連通。圖2中的箭頭示出了冷卻氣體從冷卻通道8流至封嚴冷氣通道6的流經(jīng)路線，具體為，冷卻通道8中的冷卻氣體先通入壓力腔室12中，然后從沖擊板11上的沖擊孔14進入沖擊冷卻腔室13并沖擊靜葉平臺I的頂板101，實現(xiàn)對靜葉平臺I的沖擊冷卻，隨后再由噴氣孔7導(dǎo)出，形成高壓氣幕。由此，在實現(xiàn)靜葉3冷卻通道8中的冷卻氣體對靜葉平臺I進行沖擊冷卻的同時，也能夠進一步獲得更好的氣幕封嚴效果，從而進一步改善整機效率。
[0040]在本實施例中，沖擊板11上沖擊孔14的數(shù)量和大小并不局限，優(yōu)選地，沖擊板11上可以設(shè)有60-80個沖擊孔14，沖擊孔14的直徑可以設(shè)為0.6-2mm。
[0041 ]進一步，為了更好地改變封嚴冷氣通道6中的封嚴冷氣進入主流流道的方向，進一步減小封嚴冷氣進入主流流道的方向與主流流道的主流方向之間的夾角，本實施例中的靜葉平臺I的外緣具有面向轉(zhuǎn)靜盤腔5的凹陷彎曲面15，動葉平臺2的外緣具有面向主流流道的凸起彎曲面16，凹陷彎曲面15與凸起彎曲面16相配合形成封嚴冷氣通道6。由此使得封嚴冷氣在封嚴冷氣通道6內(nèi)的流向相對主流流道的主流方向成銳角傾斜(如圖2中箭頭所示)，通過氣幕的作用則可使該傾斜銳角進一步減小，因此能夠更好地減少摻混損失、降低封嚴冷氣對主流氣動效率的影響。
[0042]本實施例還提供了一種燃氣輪機輪緣密封方法。如圖1和圖2所示，本實施例的輪緣密封方法為:從靜葉平臺I的下游側(cè)導(dǎo)出靜葉冷卻通道8中的冷卻氣體，并使該冷卻氣體在封嚴冷氣通道6的出口處形成氣幕。向封嚴冷氣通道6內(nèi)通入封嚴冷氣，使封嚴冷氣與封嚴冷氣通道6出口處的氣幕相遇混合后進入主流流道。優(yōu)選地，使靜葉冷卻通道8中的冷卻氣體先通入靜葉平臺I內(nèi)部的腔室9中形成并保持壓力，再從靜葉平臺I的下游側(cè)導(dǎo)出，形成高壓氣幕。更優(yōu)地，使靜葉冷卻通道8中的冷卻氣體先通入靜葉平臺I內(nèi)部的腔室9中并對靜葉平臺I進行沖擊冷卻后，再從靜葉平臺I的下游側(cè)導(dǎo)出。進一步，使冷卻氣體從靜葉平臺I導(dǎo)出的氣流方向與靜葉的出口氣流方向之間的夾角小于30°。
[0043]本實施例的燃氣輪機輪緣密封方法可以通過本發(fā)明的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。
[0044]綜上所述，本實施例的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)及方法，通過將靜葉冷卻通道8中的冷卻氣體從靜葉平臺I的下游側(cè)導(dǎo)出并在封嚴冷氣通道6與主流流道之間形成氣幕，能夠?qū)崿F(xiàn)以下效果:
[0045](I)該氣幕作為阻止主流流道的高溫燃氣入侵轉(zhuǎn)靜盤腔5的屏障，能夠有效減小高溫燃氣入侵程度，改善燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)的封嚴性能，從而實現(xiàn)在保證不發(fā)生透平輪盤過熱損傷的前提下減小封嚴冷氣量，進而提高燃氣輪機的整機效率。
[0046](2)該氣幕能夠改變封嚴冷氣通道6中的封嚴冷氣進入主流流道的方向，使封嚴冷氣以與主流流道的主流方向夾角較小的方向進入主流流道與高溫燃氣混合，從而減少摻混損失、降低封嚴冷氣對主流氣動效率的影響，有利于整機效率的提升。
[0047](3)該氣幕由靜葉3的冷卻氣體形成，實質(zhì)上對靜葉3冷卻氣體的再利用，可極大地節(jié)約整機冷卻氣體的使用總量，從而有利于整機效率的提升。
[0048]以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，包括連接在靜葉平臺(I)上的靜葉(3)和連接在動葉平臺(2)上的動葉(4)，所述靜葉平臺(I)與所述動葉平臺(2)之間形成封嚴冷氣通道(6)，其特征在于，沿所述靜葉平臺(I)的周向設(shè)有噴氣孔(7)，所述噴氣孔(7)與所述靜葉(3)的冷卻通道(8)相連通，所述噴氣孔(7)的出口位于所述靜葉平臺(I)的下游側(cè)并與所述封嚴冷氣通道(6)相連通，所述噴氣孔(7)用于導(dǎo)出所述冷卻通道(8)內(nèi)的冷卻氣體并使所述冷卻氣體在所述封嚴冷氣通道(6)的出口處形成氣幕。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，在所述靜葉平臺(I)內(nèi)部還設(shè)有一腔室(9)，所述腔室(9)與所述冷卻通道(8)和噴氣孔(7)相連通。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述靜葉平臺(I)內(nèi)設(shè)有一擋板(10)，在所述擋板(10)和所述靜葉平臺(I)的頂板(101)之間形成所述腔室(9)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述腔室(9)內(nèi)設(shè)有一沖擊板(11)，所述沖擊板(11)將所述腔室(9)分隔成遠離所述靜葉平臺(I)的頂板(101)的壓力腔室(12)和靠近所述靜葉平臺(I)的頂板(101)的沖擊冷卻腔室(13)，且所述沖擊板(11)上開設(shè)有多個將所述壓力腔室(12)與所述沖擊冷卻腔室(13)相連通的沖擊孔(14);所述壓力腔室(12)與所述冷卻通道(8)相連通，所述沖擊冷卻腔室(13)與所述噴氣孔(7)相連通。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述噴氣孔(7)的出口氣流方向(b)與所述靜葉(3)的出口氣流方向(a)之間的夾角小于30°。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述噴氣孔(7)的出口的斷面形狀為圓形或長方形。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機輪緣密封結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述靜葉平臺(I)的外緣具有面向轉(zhuǎn)靜盤腔(5)的凹陷彎曲面(15)，所述動葉平臺(2)的外緣具有面向主流流道的凸起彎曲面(16)，所述凹陷彎曲面(15)與所述凸起彎曲面(16)相配合形成所述封嚴冷氣通道(6)。8.—種燃氣輪機輪緣密封方法，其特征在于，從靜葉平臺的下游側(cè)導(dǎo)出靜葉冷卻通道中的冷卻氣體，并使所述冷卻氣體在封嚴冷氣通道的出口處形成氣幕。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃氣輪機輪緣密封方法，其特征在于，使所述冷卻氣體對所述靜葉平臺進行沖擊冷卻后再從所述靜葉平臺的下游側(cè)導(dǎo)出。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的燃氣輪機輪緣密封方法，其特征在于，向所述封嚴冷氣通道內(nèi)通入封嚴冷氣，使所述封嚴冷氣與所述氣幕混合后進入主流流道。
【文檔編號】F01D11/10GK105971674SQ201610614170
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】計京津, 孫博, 黃丹萍
【申請人】上海電氣燃氣輪機有限公司