透平静轮盘、透平机以及燃气轮机
技术领域
本实用新型涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种透平静轮盘、透平机以及燃气轮机。
背景技术
高温部件冷却技术是当代燃气轮机发展过程中的关键一环，其出现和发展使得燃气轮机的热端部件能够在更高的参数下稳定运行，而不同的部件所采用的冷却结构均有所不同。高温透平转静轮盘所构成的腔室需要对轮缘间隙进行封严，以避免高温高压的主流燃气侵入造成的轮盘过热。在某些燃气轮机的轮缘附近，除了来自于低半径腔室的封严气体，还有一股由端壁流出的具有较低温度和较高动量的流体也会对轮缘附近的流场产生显著影响。传统的端壁侧向出流孔结构将轴向出流引入轮缘间隙，使入侵的燃气在轮缘间隙受到挤压。侵入涡系受到端壁出流的挤压后其中心线位置被明显的抬高同时该涡系的大小也受到抑制，使得燃气入侵的程度被削弱。然而传统的出流孔结构仍然存在封严效果较差，使得部分缝隙处燃气入侵严重。同时，大量的端壁侧向出流会减少用于冷却端壁表面的封严气体量，在工程实际中并不可取。
实用新型内容
基于此，有必要针对现有端壁侧向出流孔结构存在的封严效果差的问题，提供一种有效封严轮缘间隙的透平静轮盘、透平机以及燃气轮机。
一种透平静轮盘，其端壁上的出流孔应用于主流高温燃气的封严，所述透平静轮盘包括：
轮盘本体；
静轮缘，设置于所述轮盘本体的外周缘，所述静轮缘上沿所述轮盘本体轴向的至少一个端壁上开设多个所述出流孔，多个所述出流孔沿所述轮盘本体的回转方向间隔分布，多个所述出流孔沿所述轮盘本体的回转方向至少形成第一出流区和第二出流区，多个所述第一出流区沿所述轮盘本体的回转方向分别与多个透平静叶的尾缘相对应，多个所述第二出流区沿所述轮盘本体的回转方向分别位于相邻两个透平静叶之间，所述第一出流区的排气量大于所述第二出流区的排气量。
在其中一个实施例中，所述第一出流区中包括多个所述出流孔，所述第一出流区中所述出流孔的数量大于所述第二出流区中所述出流孔的数量。
在其中一个实施例中，所述第二出流区中包括多个所述出流孔，所述第二出流区中的多个所述出流孔沿所述轮盘本体的回转方向等间隔分布；所述第一出流区中的多个所述出流孔沿所述轮盘本体的回转方向等间隔分布。
在其中一个实施例中，所述第一出流区中多个所述出流孔之间的周向孔距为lm，所述第二出流区中多个所述出流孔之间的周向孔距为ln，且lm≤ln。
在其中一个实施例中，每个所述第一出流区的周向中心位置分别与一个透平静叶的尾缘沿所述轮盘本体回转方向重合。
在其中一个实施例中，每个所述第一出流区中的所述出流孔的数量为单数，每个所述第一出流区中位于周向中心位置的所述出流孔，分别与一个透平静叶的尾缘沿所述轮盘本体回转方向重合。
在其中一个实施例中，所述第一出流区中所述出流孔的直径等于所述第二出流区中所述出流孔的直径。
在其中一个实施例中，所述透平静轮盘能够与相邻的其它轮盘形成轮缘间隙，所述出流孔的直径与轮缘间隙宽度的比值介于0.2-0.5之间。
在其中一个实施例中，所述静轮缘上的全部所述出流孔绕所述轮盘本体的轴心呈等半径的圆周分布。
在其中一个实施例中，所述第一出流区中所述出流孔的直径大于所述第二出流区中所述出流孔的直径。
一种透平机，使用上述方案中任一项所述的透平静轮盘。
一种燃气轮机，包括压气机、燃烧室以及上述方案所述的透平机，所述压气机、所述燃烧室以及所述透平机沿气体流动的方向顺次连接。
上述透平静轮盘、透平机以及燃气轮机，在传统出流孔结构的基础上根据轮缘附近主流压力分布调整了不同周向位置的排气量。相较于传统结构明显改善静叶尾缘区域的主流入侵程度以及轮缘间隙整体的温度分布，可使密封效率提高3％左右。同时，在较大的密封流量作用下，上述透平静轮盘使得轮缘间隙下游(沿轮盘径向指向轴心的方向)的低温区域更加连续和均匀。本实用新型提供的透平静轮盘、透平机以及燃气轮机，能够在不影响整体密封效率的情况下改善静叶尾缘区域的密封效果，适用于所有在轮缘封严间隙存在端壁侧向出流孔的燃气轮机机型。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型一实施例提供的非均匀出流孔结构示意图；
图2为本实用新型一实施例提供的非均匀出流孔结构应用于高温透平轮缘间隙的结构示意图；
图3为本实用新型一实施例提供的应用本实用新型的非均匀出流孔结构与传统均匀出流孔结构的封严效果对比示意图。
其中：1、第一出流区；2、第二出流区；3、出流孔；4、轮缘间隙；5、透平静轮盘；6、静叶尾缘；7、主流燃气；8、透平静叶；9、封严气体；10、轮盘本体；11、静轮缘。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。下面对具体实施方式的描述仅仅是示范性的，应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本实用新型，而绝不是对本实用新型及其应用或用法的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。相反，当元件被称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
高温透平是燃气轮机工作过程中的关键步骤，在高温透平过程中，高温的主流燃气流经透平叶片(包括透平静叶和透平动叶)时将自身的热能转化为叶轮的动能，进而驱动与燃气轮机传动连接的其他结构转动。在透平过程中，高温透平转静轮盘所构成的腔室需要对轮缘间隙进行封严，以避免高温高压的主流燃气侵入造成的轮盘过热。本实用新型提供一种能够有效封严轮缘间隙的透平静轮盘、透平机、燃气轮机以及端壁侧向出流孔的设计方法，有效避免透平轮盘在工作过程中的过热失效，进而保证燃气轮机持续、高效的工作。
如图1及图2所示，本实用新型一实施例提供一种透平静轮盘5，其端壁上的出流孔3应用于主流高温燃气的封严，可以理解的，透平静轮盘5在使用过程中与透平动轮盘形成转静腔室。本实施例提供的透平静轮盘5包括轮盘本体10和静轮缘11。静轮缘11设置于轮盘本体10的外周缘，静轮缘11上沿轮盘本体10轴向的至少一个端壁上开设多个出流孔3，多个出流孔3沿轮盘本体10的回转方向间隔分布，多个出流孔3沿轮盘本体10的回转方向至少形成第一出流区1和第二出流区2，多个第一出流区1沿轮盘本体10的回转方向分别与多个透平静叶8的尾缘相对应(意即第一出流区1与透平静叶8的尾缘沿轮盘本体10的回转方向至少部分重合)，多个第二出流区2沿轮盘本体10的回转方向分别位于相邻两个透平静叶8之间，第一出流区1的排气量大于第二出流区2的排气量。
上述实施例给出的透平静轮盘5，在传统出流孔3结构的基础上根据轮缘附近主流压力分布调整了不同周向位置的排气量。相较于传统结构明显改善静叶尾缘6区域的主流入侵程度以及轮缘间隙4整体的温度分布，可使密封效率提高3％左右。同时，在较大的密封流量作用下，上述透平静轮盘5使得轮缘间隙4下游(沿轮盘径向指向轴心的方向)的低温区域更加连续和均匀。并且本实用新型提供的透平静轮盘5，能够在不影响整体密封效率的情况下改善静叶尾缘6区域的密封效果，适用于所有在轮缘封严间隙存在端壁侧向出流孔3的燃气轮机机型。
为便于说明，如图1及图2所示，将透平静轮盘5的回转方向(也就是透平动轮盘的转动方向)定义为周向，将透平静轮盘5的直径方向定位为径向，将透平动轮盘的转轴延伸方向(也就是透平静轮盘5的厚度方向，或者透平静轮盘5和透平动轮盘的间隔布置方向)定义为轴向。可以理解的，当透平静轮盘5沿轴向只有一端具有透平动轮盘时，也仅在透平静轮盘5对应的一端形成转静腔室，并且静轮缘11也只在这一端与动轮缘形成轮缘间隙4，此时只需在静轮缘11上沿轴向的一个端壁上开设多个出流孔3。当透平静轮盘5沿轴向的两端分别具有透平动轮盘时，在透平静轮盘5沿轴向的两端分别形成转静腔室，并且静轮缘11也在沿轴向的两端分别与动轮缘形成轮缘间隙4，此时需在静轮缘11上沿轴向的两个端壁上分别开设多个出流孔3。以下以“在静轮缘11上沿轴向的一个端壁上开设多个出流孔3”为例进行说明，“在静轮缘11上沿轴向的两个端壁上分别开设多个出流孔3”同理可以理解。
静轮缘11的端壁上与透平静叶8的尾缘沿轴向的对应位置处排出更多的封严气体9是上述实施例中透平静轮盘5的关键特征，可以理解的，只要能实现上述特征的结构均应视作本实用新型的保护范围。作为一种可实现的方式，第一出流区1中出流孔3的直径大于第二出流区2中出流孔3的直径，当第一出流区1中出流孔3和第二出流区2中出流孔3中分别通入流速相当的封严气体9时，第一出流区1中的出流孔3由于直径较大，进而第一出流区1中排出更多的封严气体9。在实际工况中，转静间隙附近主流燃气7的压力呈非均匀分布，静叶尾缘6处主流燃气7压力较大，而相邻静叶8之间的主流燃气7压力相对较小，使得静叶尾缘6处封严效果较差，燃气入侵最严重的区域依旧存在于静叶尾缘6附近。在本实施方式中，设计第一出流区1中出流孔3的直径大于第二出流区2中出流孔3的直径，有效增大了轮缘间隙4中与静叶尾缘6沿轴向对应位置处的封严气体9出气量，降低甚至避免了静叶尾缘6附近主流燃气7对转静腔室的入侵。
如图1及图2所示，作为另一种可实现的方式，第一出流区1中包括多个出流孔3，第一出流区1中出流孔3的数量m大于第二出流区2中出流孔3的数量n，进而第一出流区1沿周向在静轮缘11的端壁上呈现为密集区，第二出流区2沿周向在静轮缘11的端壁上呈现为稀疏区，并且密集区和稀疏区沿周向交替分布。可以理解的，可以仍然根据实际工况在静轮缘11的端壁上设计第三出流区，对应透平静叶8的其它位置，本实施例并不具体限制。在本实施例中，根据轮缘间隙4附近的主流压力分布，在压力较高的静叶尾缘6区域设置较多个出流孔3，在压力较低的流道区域设置相对较少个出流孔3，非均匀的出流孔3结构明显改善静叶尾缘6区域的主流入侵程度以及轮缘间隙4整体的温度分布，可使密封效率提高3％左右。本实施例提供的端壁侧向非均匀出流孔3结构的另外一个优点在于：在较大的密封流量作用下，非均匀出流孔3结构使得轮缘间隙4下游的低温区域更加连续和均匀。
可以理解的，上述实施例中第一出流区1中出流孔3的直径仍然大于第二出流区2中出流孔3的直径，或者也可以第一出流区1中出流孔3的直径等于第二出流区2中出流孔3的直径。在本实用新型一实施例中，如图1及图2所示，第一出流区1中出流孔3的直径等于第二出流区2中出流孔3的直径，能够便于静轮缘11的端壁上出流孔3的机械加工。并且，静轮缘11上的全部出流孔3绕轮盘本体10的轴心呈等半径的圆周分布，进一步便于静轮缘11的端壁上出流孔3的机械加工，也便于仅通过调整第一出流区1中与第二出流区2中出流孔3数量的差异来适应不同工况下静叶尾缘6与透平静叶8之间的主流压力的变化。
在本实用新型一实施例中，如图1及图2所示，每个第一出流区1中的出流孔3数量介于5-20个之间，并且第一出流区1中的多个出流孔3沿轮盘本体10的回转方向等间隔分布。每个第一出流区1的周向中心位置分别与一个透平静叶8的尾缘沿轮盘本体10回转方向重合，保证第一出流区1中排出的封严气体9能够最大程度的封严静叶尾缘6处的轮缘间隙4。作为一种可实现的方式，每个第一出流区1中的出流孔3的数量为单数，每个第一出流区1中存在位于周向中心位置的出流孔3，并且这个出流孔3与一个透平静叶8的尾缘沿轮盘本体10回转方向重合。作为另一种可实现的方式，每个第一出流区1中的出流孔3的数量为双数，每个第一出流区1中周向中心的位置介于相邻两个出流孔3之间，每个第一出流区1中周向中心的位置分别与一个透平静叶8的尾缘沿轮盘本体10回转方向重合。
进一步，如图1及图2所示，第二出流区2中也包括多个出流孔3，每个第二出流区2中的出流孔3数量介于2-4个之间，并且第二出流区2中的多个出流孔3沿轮盘本体10的回转方向等间隔分布，第一出流区1中多个出流孔3之间的周向孔距为lm，第二出流区2中多个出流孔3之间的周向孔距为ln，且lm≤ln，多个出流孔3之间孔距较小的第一出流区1中能够开设更多的出流孔3。更进一步的，根据轮缘间隙4的宽度L设计出流孔3直径的大小是合理的，具体的，透平静轮盘5能够与相邻的其它轮盘形成轮缘间隙4，出流孔3的直径与轮缘间隙4宽度L的比值介于0.2-0.5之间。可以理解的，第一出流区1中出流孔3与第二出流区2中出流孔3的周向孔距s可根据实际的工况进行设计，本实施例并不进行限制。
本实用新型一实施例还提供一种透平机，使用上述各实施例中任一项所述的透平静轮盘5。对应的，本实用新型一实施例还提供一种燃气轮机，包括压气机、燃烧室以及上述实施例所述的透平机，压气机、燃烧室以及透平机沿气体流动的方向顺次连接。上述透平机和燃气轮机，在传统出流孔3结构的基础上根据轮缘附近主流压力分布调整了不同周向位置的排气量。相较于传统结构明显改善静叶尾缘6区域的主流入侵程度以及轮缘间隙4整体的温度分布，可使密封效率提高3％左右。同时，在较大的密封流量作用下，上述透平静轮盘5以及端壁侧向出流孔3的设计方法使得轮缘间隙4下游(沿轮盘径向指向轴心的方向)的低温区域更加连续和均匀。本实施例提供的透平机和燃气轮机，能够在不影响整体密封效率的情况下改善静叶尾缘6区域的密封效果，适用于所有在轮缘封严间隙存在端壁侧向出流孔3的燃气轮机机型。
本实用新型一实施例还提供一种端壁侧向出流孔3的设计方法，用于在燃气轮机中透平轮盘的端壁上开设侧向的出流孔3，透平轮盘上沿自身轴向的至少一个端壁上开设多个出流孔3，多个出流孔3沿透平轮盘的回转方向间隔分布，多个出流孔3沿透平轮盘的回转方向至少形成第一出流区1和第二出流区2，多个第一出流区1沿透平轮盘的回转方向分别与多个透平静叶8的尾缘相对应，多个第二出流区2沿透平轮盘的回转方向分别位于相邻两个透平静叶8之间，第一出流区1的排气量大于第二出流区2的排气量。作为一种可实现的方式，第二出流区2沿周向位于两个相邻透平静叶8的静叶尾缘6中间。
上述端壁侧向出流孔3的设计方法，在传统出流孔3结构的基础上根据轮缘附近主流压力分布调整了不同周向位置的排气量。相较于传统结构明显改善静叶尾缘6区域的主流入侵程度以及轮缘间隙4整体的温度分布，可使密封效率提高3％左右。同时，在较大的密封流量作用下，上述透平静轮盘5以及端壁侧向出流孔3的设计方法使得轮缘间隙4下游(沿轮盘径向指向轴心的方向)的低温区域更加连续和均匀。本实施例提供的端壁侧向出流孔3的设计方法，能够在不影响整体密封效率的情况下改善静叶尾缘6区域的密封效果，适用于所有在轮缘封严间隙存在端壁侧向出流孔3的燃气轮机机型。
作为一种可实现的方式，如图1及图2所示，第一出流区1中包括多个出流孔3，第一出流区1中出流孔3的数量大于第二出流区2中出流孔3的数量。作为另一种可实现的方式，第一出流区1中出流孔3的数量等于第二出流区2中出流孔3的数量。以下以“第一出流区1中出流孔3的数量大于第二出流区2中出流孔3的数量”为例进行说明。进一步，全部出流孔3绕透平轮盘的轴心呈等半径的圆周分布，第一出流区1中出流孔3沿透平轮盘的回转方向等间隔分布，并且第二出流区2中出流孔3沿透平轮盘的回转方向等间隔分布。第一出流区1中多个出流孔3之间的周向孔距为lm，第二出流区2中多个出流孔3之间的周向孔距为ln，且lm≤ln，便于在第一出流区1中设计更多的出流孔3中。更进一步的，每个第一出流区1的周向中心位置分别与一个透平静叶8的尾缘沿透平轮盘回转方向重合，保证第一出流区1中排出的封严气体9能够最大程度的封严静叶尾缘6处的轮缘间隙4。在本实用新型一实施例中，第一出流区1中出流孔3的直径等于第二出流区2中出流孔3的直径，透平轮盘能够与相邻的其它轮盘形成轮缘间隙4，出流孔3的直径与轮缘间隙4宽度L的比值介于0.2-0.5之间。
在本实用新型一具体的实施例中，如图1及图2所示，透平静轮盘5的半径R为190mm，轮缘间隙4的宽度L＝2mm；第一出流区1和第二出流区2中的出流孔3均为直径0.5mm的圆形孔，并分布于半径189mm的圆周上；每个第一出流区1包含13个出流孔3，周向孔距lm为0.8mm；每个第二出流区2由2个出流孔3组成，周向孔距ln为2mm；每个第一出流区1的中间出流孔3与对应的静叶尾缘6位于同一周向位置；相邻第一出流区1和第二出流区2的周向孔距s(第一出流区1和第二出流区2中距离最近的两个出流孔3的周向中心距)为7mm。当主流燃气7流经透平静叶8，第一出流区1大量的侧向出流使静叶尾缘6的入侵程度得到明显改善，且冷却气体(封严气体9)随着透平动轮盘旋转发生周向迁移，补充第二出流区2，最终得以改善轮缘间隙4整体温度分布，如图3的仿真结果所示。
可以理解的，本实用新型根据轮缘附近主流压力分布调整了出流孔3的分布方式，增大了静叶尾缘6的端壁侧向出流，使该区域的燃气入侵程度明显改善。各第一出流区1和第二出流区2中出流孔3个数m和n、孔距lm和ln、以及相邻第一出流区1和第二出流区2的孔距s均可根据压力分布进行适当调整，这些参数是影响封严效率的主要参数。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
