阅读说明：本技术 一种叶轮机械动叶叶顶密封结构 (Impeller machinery movable vane top seal structure ) 是由 李辉 陈海生 朱阳历 李文 王星 于 2020-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种叶轮机械动叶叶顶密封结构,包括透平叶冠、密封齿和机匣,叶冠进气侧的第一个凸台周向连续无开槽,其它高台阶设置泵送槽/孔,槽口由排气侧至进气侧呈收缩状,并与转轴中心线成一定夹角,这样在叶片转动时间隙气流通过收缩状泵送槽/孔产生“泵送作用”,从而提高长密封齿出气侧的压力,以减小长密封齿间隙两侧的压差,起到减小泄漏的作用。为了减小叶顶间隙气体沿着开槽逆流升压时向叶顶方向泄漏,叶顶凸台开槽向叶顶方向为收缩形状,或者在凸台上设置开孔来替代开槽,这样可以起到更好的防止泄漏的效果。通过上述密封结构的应用,可以使叶顶间隙的泄漏量更小,从而减小透平的泄漏损失,提高机组的效率和经济效益。(The invention discloses a sealing structure of a movable vane top of an impeller machine, which comprises a turbine vane crown, sealing teeth and a casing, wherein a first boss at the air inlet side of the vane crown is circumferentially and continuously provided with no groove, other high steps are provided with pumping grooves/holes, and a groove opening is in a contraction shape from the air outlet side to the air inlet side and forms a certain included angle with the central line of a rotating shaft, so that clearance airflow generates a pumping action through the contraction-shaped pumping grooves/holes when vanes rotate, thereby improving the pressure at the air outlet side of a long sealing tooth, reducing the pressure difference at two sides of a clearance between the long sealing teeth and reducing the leakage. In order to reduce the leakage of the gas in the clearance between the blade tops to the direction of the blade tops when the gas is reversely pressurized along the slots, the slots of the lug bosses of the blade tops are in a contraction shape towards the direction of the blade tops, or the slots are replaced by the holes arranged on the lug bosses, so that the effect of better preventing the leakage can be achieved. Through the application of the sealing structure, the leakage amount of the blade top gap can be smaller, so that the leakage loss of a turbine is reduced, and the efficiency and the economic benefit of a unit are improved.)

一种叶轮机械动叶叶顶密封结构

技术领域

本发明涉及叶轮机械的动叶叶顶密封结构，具体地说是一种透平叶顶迷宫与螺旋槽/孔的组合密封结构，通过综合利用迷宫密封和螺旋密封的优点，减小动叶叶顶间隙泄漏和流动损失，从而提高透平的效率和经济效益。

背景技术

迷宫密封的转子和机壳之间存在间隙，无固体接触，无须润滑，维修简单，使用寿命长，不需要采用其他密封材料并允许有热膨胀，能够适应高温、高压、高转速频率的场合，因此这种密封形式被广泛用于汽轮机、燃汽轮机、压缩机、鼓风机等设备的叶顶密封和轴封。迷宫密封的泄漏量随间隙值及密封前后压差的增大而增大。

螺旋槽密封的最大优点是密封件之间即使有较大的间隙，也能起到有效的密封作用，因为螺旋线槽有“泵压”的作用，能够增大泄漏通道的“阻尼”，以减少泄漏量。如果螺旋密封设计合理，其使用寿命可达无限大。由于可以从材料上广泛的选择，且制造上极其容易，当压差不大时，螺旋密封功率耗损和发热都很小。但螺旋密封受转子转速的影响较大，偏离设计转速一定程度时，存在着密封失效的问题。

为了能同时利用迷宫密封和螺旋槽密封的优点，本发明提出了一种透平叶顶迷宫与凸台开槽/孔的组合密封结构。通过迷宫密封和螺旋槽密封的组合应用，从而减小透平中通过叶顶间隙的泄漏损失，提高机组运行效率和经济效益。

发明内容

针对现有叶轮机械动叶叶顶迷宫密封及螺旋密封技术所存在的缺点和不足，为进一步提高叶轮机械动叶叶顶密封效果，减小透平中通过叶顶间隙的泄漏损失，本发明提出了一种叶轮机械动叶叶顶密封结构。通过该结构的应用，可以综合利用迷宫密封和螺旋密封的优点，减小叶顶间隙泄漏和流动损失，从而提高透平的效率和经济效益，因此具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的解决方案如下：

一种叶轮机械动叶叶顶密封结构，至少包括一动叶叶轮以及设置在所述动叶叶轮径向***的一环形机匣，所述动叶叶轮顶部固定设置一环状透平叶冠，所述环形机匣的径向内侧壁上设有若干沿轴向排列并沿径向延伸的环状密封齿，所述环状密封齿包括长密封齿和短密封齿，其特征在于，

所述环状透平叶冠的径向外侧壁上设有若干沿轴向排列的环状凸台，每一所述环状凸台的顶部均临近布置至少一所述短密封齿，相邻两所述环状凸台之间均临近所述环状透平叶冠的径向外侧壁布置至少一所述短密封齿，使得各密封齿与环状凸台之间形成台阶迷宫密封结构，

所述环状凸台的数量至少为三个，其中，第一环状凸台临近所述动叶叶轮的上游高压进气侧布置，第二环状凸台设置在第一环状凸台与第三环状凸台之间，第三环状凸台临近所述动叶叶轮的下游低压排气侧布置，且所述第一环状凸台采用整周连续无开槽结构，所述第二环状凸台、第三环状凸台均沿周向均匀设置有多个泵送槽和/或泵送孔，每一所述泵送槽和/或泵送孔整体均呈由下游低压排气侧向上游高压进气侧延伸的收缩状结构，且每一所述泵送槽和/或泵送孔相对于所述动叶叶轮的转轴中心线均为倾斜布置。

优选地，每一所述环状密封齿的根部均通过镶嵌方式固定设置在所述机匣的径向内侧壁上。

优选地，每一所述泵送槽和/或泵送孔的底部应正对所述长密封齿的泄漏间隙布置。

本发明的叶轮机械动叶叶顶密封结构中，由于透平叶冠的线速度很高，将泵送槽和/或泵送孔密封结构引入到透平叶冠的迷宫密封凸台时，能够在槽道中产生很强的“泵压”作用，而槽道中的泵送流量方向与泄漏主流方向相反，且泵送槽和/或泵送孔的流体出口正对迷宫密封低台阶的气封齿泄漏间隙，使得该间隙出口侧的压力增大，即间隙两侧的压差减小，从而起到减少泄漏量的效果，泵送槽和/或泵送孔的底部应正对着长密封齿的泄漏间隙，这样“阻尼”效果最好。

本发明的叶轮机械动叶叶顶密封结构中，密封齿镶嵌在机匣上与透平叶冠上的凸台形成台阶迷宫密封结构。高台阶的泵送槽和/或泵送孔正对着上一个台阶的节流射流，会增大“阻尼”效果以及泄漏空腔内的绕流耗散效果。为了减小泄漏，叶顶进气侧的第一个凸台采用整周连续密封。叶顶进气侧的第二个凸台上采用了收缩状的泵送槽和/或泵送孔，泵送槽和/或泵送孔与转轴中心线成一定角度，这样在动叶叶轮转动时间隙气流通过收缩状泵送槽和/或泵送孔产生“泵送作用”，并产生泵送压头，从而减小长密封齿间隙两侧的压差，减小泄漏量。

优选地，为了减少凹槽内气流在泵送过程中沿径向的泄漏，每一所述泵送槽和/或泵送孔沿径向向外的尺寸逐渐收缩。

优选地，每一所述泵送槽和/或泵送孔的槽道排气方向尽量接近轴向，从而使泵送气流与泄漏流形成对冲效果，同时泄漏间隙两侧的压差较小，这样起到更好的防止泄漏的作用。

优选地，所述泵送槽的横截面形状包括但不限于矩形、楔形、梯形、圆弧形或曲线形，所述泵送孔的横截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、双曲线形或贝塞尔曲线形，只要有益于减小向叶顶方向的泄漏的形状均可采用。

优选地，设置在所述第二凸台上的泵送槽呈弯曲收缩状，设置在所述第三凸台上的泵送槽呈直线收缩状。

本发明的另一发明目的在于提供一种叶轮机械，所述叶轮机械包括本发明的上述叶轮机械动叶叶顶密封结构。

同现有技术相比，本发明的叶轮机械动叶叶顶密封结构的优点与有益效果为：(1)由于透平叶冠的线速度很高，使得泵送槽和/或泵送孔密封的“泵压”效果较明显，能够很好地起到减小密封齿间隙两侧的压差、增强泄漏腔室的气流耗散的效果，相当于增大了密封齿泄漏通道的阻力以及泄漏腔室的“阻尼”。因此，相比传统的迷宫密封结构，本发明的组合密封结构的间隙泄漏量更少。(2)叶冠凸台上开设的泵送槽和/或泵送孔减少了叶冠重量，进而减小了叶片所受的离心力载荷，以及机组运行过程中叶片的形变量，使得热态叶顶间隙可以取值较小，以减少间隙泄漏量，提高系统的气动效率，并提升叶片的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的叶轮机械动叶叶顶密封结构的主视图；

图2为本发明的叶轮机械动叶叶顶密封的三维结构示意图；

图3为本发明的叶轮机械动叶密封结构的俯视图；

图4为叶顶间隙泄漏及“泵送流动”示意图；

图5为“泵送流动”速度三角形；

图6为泵送槽/泵送孔轴向剖面视图，其中，(a)为矩形泵送槽，(b)为梯形泵送槽，(c)为圆形泵送槽，(d)为收缩状三角形孔；

图中：机匣1，密封齿2，透平叶冠3，第一凸台4，第二凸台5，第三凸台6，弯曲收缩状的泵送槽7，直线收缩状的泵送槽8。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

本发明的实施例如图1～6所示。从图1可以看出，本发明的叶轮机械动叶叶顶密封结构主要包括带凸台的透平叶冠3、机匣1(静叶延伸环)和密封齿2三部分构成。密封齿2镶嵌在机匣1上和带凸台的透平叶冠3组成传统的参差台阶迷宫密封结构。在透平叶冠3上设置了三个凸台4、5、6，其中进气侧的第二、三凸台5、6周向带有开槽，通过迷宫密封和螺旋密封的组合作用，降低通过叶顶间隙的泄漏，提高系统的效率和经济收益。

图2所示的组合密封的三维示意图，透平叶冠3上带有三个凸台4、5、6，其中第一凸台4周向连续无缺口，凸台上方设置对应的密封齿，这样可以更好的起到减小迷宫密封叶顶泄漏的作用。其中进气侧的第二、三凸台5、6周向带有收缩状的泵送槽7、8，在转子转动时，作为推进装置与介质发生能量交换，产生所谓的“泵送作用”，并产生泵送压头，从而减小长密封齿两侧的压差，减小叶顶泄漏，泵送槽/孔的底部应正对着长密封齿的泄漏间隙，这样“阻尼”效果最好。

图3所示的组合密封的俯视图，进气侧的第二凸台5为弯曲状收缩开槽7，第三凸台6为直线收缩状开槽8，开槽的线型不局限于以上所述，也可以均为直线型或者曲线型，总之在应用中应根据实际运行条件和工质计算选择最优的收缩型线。

图4所示的叶顶间隙泄漏及泵送流动示意图，泵送流动方向和泄漏流动方向相反。转子转动时间隙气流通过收缩状开槽产生“泵送作用”，并产生泵送压头，这样可以提高长汽封齿出气侧的气流压力，减小汽封齿左右两侧的压差，从而起到减小泄漏的作用。一部分泄漏流在凸台收缩状开槽内受离心力的作用向叶顶方向泄漏，这部分泄漏流对于短汽封齿间隙泄漏也能够起到增大泄漏“阻尼”，从而在一定程度上减小泄漏流。

图5所示的“泵送流动”的速度三角形，在流动的入口，受牵连速度U的影响，相对流能够有效的进入开槽进而获得增压的效果。在泵送槽道内，受槽道对气体做功以及空间逐渐减小的影响，槽道内气流速度和压力逐渐增加，槽道排气方向尽量接近轴向，与泄漏流行成对冲效果，同时泄漏间隙两侧的压差较小，这样起到更好的防止泄漏的作用。

图6所示的组合密封的开槽轴向剖面视图，其中图6(a)为常规的矩形开槽。为了减小转子转动时，开槽内气流沿径向向叶顶间隙泄漏，叶顶凸台周向开槽沿叶顶方向逐渐收缩，形状如图6(b)所示梯形或者图6(c)所示圆形。或者在凸台上沿轴向打收缩状孔，如图6(d)所示，这样可以更好的减小向叶顶方向的泄漏。开槽的轴向形状不仅局限于如上图所示，也可为椭圆形或双曲线、贝塞尔曲线等，只要有益于减小向叶顶方向的泄漏的形状均可采用。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。