阅读说明：本技术 一种带有容腔封严结构的涡轮盘 (Turbine disc with cavity structure of obturaging ) 是由 谭晓茗 张庆才 罗擎阳 单勇 张靖周 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种带有容腔封严结构的涡轮盘,包括涡轮静盘、涡轮动盘；涡轮转静盘缘间静盘侧外伸有静盘内外封严环,涡轮动盘侧外伸有动盘内封严环；其中静盘内封严环首端或靠近静盘壁面位置设有向高半径方向凸起的圆环状凸台环,静盘内封严环的末端或靠近末端位置设有向高半径方向凸起的圆环状凸环；该封严结构形成的静盘外容腔,一方面使燃气在静盘外封严环和动盘内封严环之间产生旋涡,有效阻止部分高温燃气在封严冷气出流口处的入侵,并消耗着一部分入侵的高温燃气；另一方面使燃气在凸台环和凸环间凹槽内产生驻涡,进一步地阻隔深腔内的燃气,以防止燃气入侵封严内腔；在封严用气量一定的前提下,燃气能被较好地阻挡在静盘外容腔内,因而封严性能得到了较大提升。(The invention discloses a turbine disc with a cavity sealing structure, which comprises a turbine static disc and a turbine dynamic disc, wherein the turbine static disc is provided with a cavity; the inner and outer sealing rings of the static disc extend outwards from the side of the static disc between the edges of the static disc of the turbine wheel, and the inner sealing ring of the dynamic disc extends outwards from the side of the dynamic disc of the turbine wheel; wherein, the head end or the position close to the wall surface of the static disc of the sealing ring in the static disc is provided with a circular boss ring which is convex towards the high radius direction, and the tail end or the position close to the tail end of the sealing ring in the static disc is provided with a circular boss ring which is convex towards the high radius direction; the static disc outer containing cavity formed by the sealing structure enables gas to generate vortex between the static disc outer sealing ring and the movable disc inner sealing ring on one hand, effectively prevents part of high-temperature gas from invading at the sealed cold air outflow port, and consumes part of invading high-temperature gas; on the other hand, standing vortex is generated in the groove between the boss ring and the convex ring by the fuel gas, so that the fuel gas in the deep cavity is further blocked, and the fuel gas is prevented from invading the sealed inner cavity; on the premise of certain sealing air consumption, the fuel gas can be better blocked in the outer containing cavity of the static disc, so that the sealing performance is greatly improved.)

一种带有容腔封严结构的涡轮盘

技术领域

本发明属于发动机技术领域，尤其涉及燃气轮机、航空发动机等涉及旋转件的技术领域。

背景技术

燃气轮机气动传热问题的研究在科学和技术领域有着重要的意义。

燃气涡轮进口参数的不断提高和冷却空气品质的下降，导致高温热端部件承受的热负荷不断增加，因此需设计先进的二次空气冷却系统以防止轮盘、叶片和转子等旋转部件过热，并降低其热应力水平。轮缘密封作为燃气轮机先进二次空气冷却系统的重要组成部件之一，其结构设计也成为燃气轮机发展的关键技术之一。

燃气入侵是涡轮转-静盘腔可能遇到的严重问题。高温燃气顺着转-静盘腔深入到盘心，导致不可控的轮盘变形和疲劳、附近的轴承等受到严重损坏等后果。减少燃气入侵的主要途径一是增加盘腔供气，从压气机引入的冷却气体可以有效阻止主流燃气入侵，但是过多地从压气机提取冷气必将导致发动机总体热效率的下降；另一项措施就是在涡轮盘外径设置轮缘封严，以增大入侵燃气的流阻。因此，合理的盘缘封严结构设计可显著减少从压气机侧抽引的冷却空气量，提高燃气轮机的整体效率，是现代高参数大功率燃气轮机领域发展的关键技术之一。

发明内容

发明目的：本发明涉及一种带有容腔封严结构的涡轮盘，目的是采用相对简单的结构，在较小的冷气量下，使得盘缘封严能取得良好的封严性能。

技术方案：为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有复合盘缘封严结构的涡轮盘，包括涡轮机匣、涡轮静盘、涡轮动盘；涡轮静盘与涡轮动盘同轴设置，且涡轮动盘相对涡轮静盘转动；涡轮静盘与涡轮动盘之间构成转静盘腔；涡轮机匣与涡轮静盘、涡轮动盘之间形成主流通道；涡轮静盘内侧壁面和涡轮动盘内侧壁面及主流通道构成冷气通道；所述涡轮静盘外缘设有向涡轮动盘延伸的圆环状的外封严环；涡轮静盘面对涡轮动盘的一面向涡轮动盘延伸有圆环状的静盘内封严环；涡轮动盘面对涡轮静盘的一面向涡轮静盘延伸有圆环状的动盘内封严环；其中静盘内封严环首端或靠近静盘壁面位置设有向高半径方向凸起的圆环状凸台环，静盘内封严环的末端或靠近末端位置设有向高半径方向凸起的圆环状凸环；所述凸台环与凸环之间形成开面面对高半径方向的凹槽；静盘的外封严环和静盘内封严环构成静盘外容腔。

有益效果：所述封严结构形成了一种新型静盘外容腔，该容腔结构有效降低了入侵燃气的流动速度，阻止了高温燃气向转静盘腔的深入入侵。在静盘外容腔中，高温燃气沿着动盘内封严环外侧斜面向腔内流动；离开斜面后，流动的大部分燃气往高半径且沿着静盘外封严环内壁面回流，在静盘外封严环和动盘内封严环之间产生顺时针涡，这一方面阻挡了部分高温燃气往转静盘腔的入侵，另一方面消耗了大量的已入侵高温燃气，在一定程度上还削弱了旋转诱导入侵效应；此外，在凸台环和凸环间凹槽内会产生驻涡，驻涡和沿动盘内封严环内壁面流动的冷气流，能有效地将另一部分流入深腔的燃气阻挡在静盘外容腔的深腔内；在不增加封严用气量的前提下就能获得较高的封严效率。

进一步的，还包括最外侧环状涡轮机匣、导叶、动叶；其特征在于：涡轮机匣与涡轮静盘、涡轮动盘之间形成主流通道，主流通道内若干导叶一端固定在最外侧环状涡轮机匣上，另一端固定在涡轮静盘上；主流通道内若干动叶与涡轮动盘固定连接。由于涡轮动盘相对涡轮静盘同轴旋转，动叶与涡轮机匣之间留有空隙。所述的静盘壁面和动盘壁面的形面共同构成转静盘腔冷气通道。动静盘壁面封严环的存在使得盘腔流道变得曲折。

进一步的，动盘内封严环轴向长度与转静盘腔轴向间距之比S₁/S应大于0.5，静盘外封严环与动盘内封严环在径向的投影应该有重叠，静盘内封严环至动盘盘面的距离与转静盘腔轴向间距之比S₅/S应小于0.5，以确保静盘内封严环和动盘内封严环有一定的重叠，而其径向厚度h₂为3～5mm。

进一步的，所述凸台环首端或邻近静盘壁面处截面与静盘壁面采用圆弧平滑连接，凸台环末端截面与静盘内封严环采用凸圆弧连接，也可以采用凹圆弧连接；而静盘内封严环末端凸环的横截面为直角梯形，且凸环截面的直角梯形的下底与静盘内封严环连接。

进一步的，静盘外封严环面向动盘内封严环的表面与静盘壁面的夹角β为100°～120°，其间连接为平滑过渡，动叶根部、轮毂端面、动盘内封严环平滑过渡，动盘内封严环和动盘端面之间平滑过渡。

进一步的，静盘内封严环末端面处凸环截面上底面与动盘内封严环距离为2～4mm，齿高不得超过4mm，上底S₃为0.5～1.5mm，上顶角α为100°～120°。

进一步的，静盘内封环首端凸台环的厚度h₁应高于梯形齿，但要低于动盘内封严环，且静盘内封环首端凸台的轴向长度S₄与静盘外容腔至动盘内封严环末端面距离S₂之比S₄/S₂为0.5～1。

进一步的，动盘内封严环末端面向静盘的端面的最小径向距离应在1～2mm，动盘内封严环外表面除了采用直斜面外，也可以采用凸斜面或者凹斜面。当采用凸斜面时，封严的最小径向间隙相对减小，进入封严腔的高温燃气因而减少，进而提高了封严效率；当采用凹斜面时，静盘外封严环和动盘内封严环间的涡系会被加强，流向深腔内的燃气会被上抬吹向深腔高半径壁面，燃气会被长期的限制在深腔内。

进一步的，在动盘内封严环与静盘外封严环重叠的部分中，动盘内封严环外表面与静盘外封严环内表面的径向距离应在2～4mm。

附图说明

图1为涡轮盘整体结构的轴测图，并部分剖开展示内部结构。

图2为涡轮盘结构示意图。

图3为图1轴测图中虚线框部分的局部放大剖视图。

图4为涡轮盘静盘外容腔的矢量流线示意图。

具体实施方式

附图仅给出了一个优选实施例的结构示意图，下面结合附图，详细说明本发明的具体实施方式，此外，该实例是对本发明的解释，本发明并不局限于本实例。

参考图1与图3所示，本实施例是一种具有复合盘缘封严结构的涡轮盘，用于航空发动机或者燃气轮机等涉及涡轮部件的产品。所述发明主要包含：涡轮机匣1；涡轮导叶2；涡轮动叶3；涡轮静盘4；涡轮动盘5；静盘外封严环6；静盘外容腔7；动盘内封严环8；凸环截面9；静盘静盘内封严环10；静盘内容腔11；主流燃气通道12；转静盘腔13。涡轮主流燃气通道12内的导叶2两端分别固定在涡轮机匣1和涡轮静盘4之间，而动叶3与涡轮动盘5固定连接，动叶3高半径一端与涡轮机匣留有一定间隙，涡轮静盘4与动盘5组成一个转静系统，两轮盘间的间隙称为转静盘腔13，静盘4壁面和动盘5壁面及主流通道构成了冷气通道，其间流通着从压气机引入的冷气。转静盘腔内涡轮静盘4侧设有圆环状外封严环6和圆环状静盘内封严环10，转静盘腔内涡轮动盘5侧设有圆环状内封严环8；其中静盘静盘内封严环10首端或靠近静盘4壁面位置设有向高半径方向凸起的圆环状凸台环14，静盘静盘内封严环10的末端或靠近末端位置设有向高半径方向凸起的圆环状凸环9；静盘外封严环6和静盘内封严环10构成了静盘外容腔7。封严环之间交错布置，呈覆叠状，高温燃气沿着动盘内封严环外侧直斜面该面往腔内流动，大部分燃气在离开直斜面后往高半径处且沿着静盘外封严环内壁面回流，在静盘外封严环和动盘内封严环之间产生顺时针涡；在凸台环和凸环间凹槽内会产生驻涡，在不增加冷气流量的条件下，这将高温燃气完全地阻挡在静盘外容腔7内。故该新型盘缘封严结构能在不增加冷气使用量的情况下，提高封严效率和涡轮效率。为达到上述结果，在本实施方式中，动盘内封严环8轴向长度与转静盘腔轴向间距之比S₁/S应大于0.5，静盘外封严环6与动盘内封严环8在径向的投影应该有重叠，静盘静盘内封严环10至动盘5盘面的距离与转静盘腔轴向间距之比S₅/S应小于0.5，以确保静盘内封严环和动盘内封严环有一定的重叠，而其径向厚度h₂为3～5mm之内。

在本实施方式中，所述凸台环14首端或邻近静盘4壁面处截面与静盘壁面采用圆弧平滑连接，凸台环末端截面与静盘静盘内封严环10采用凸圆弧连接，也可以采用凹圆弧连接；而静盘静盘内封严环10末端凸环9的横截面为直角梯形，且凸环9截面的直角梯形的下底与静盘静盘内封严环10连接。所述静盘静盘内封严环10末端凸环截面9上底面与动盘内封严环8距离为2～4mm，齿高不得超过4mm，上底S₃为0.5～1.5mm，上顶角α为100°～120°。所述静盘内封环10首端凸台环14的厚度h₁应高于梯形齿9，但要低于动盘内封严环8，且静盘内封环10首端凸台的轴向长度S₄与静盘外容腔7至动盘内封严环末端面距离S₂之比S₄/S₂为0.5～1。在动盘内封严环8与静盘外封严环6重叠的部分中，动盘内封严环8外表面与静盘外封严环6内表面的径向距离应在2～4mm之间。静盘外封严环面向动盘内封严环8的表面与静盘4壁面的夹角β为100°～120°，之间采用平滑过渡连接，动叶3根部、轮毂端面、动盘内封严环8平滑过渡，动盘内封严环8和动盘5端面之间平滑过渡。动盘内封严环8末端面向静盘的端面的最小径向距离应在1～2mm，动盘内封严环8外表面除了采用直斜面外，如本实施例中图3所示，也可以采用凸斜面16或者凹斜面17。当采用凸斜面16时，封严的最小径向间隙相对减小，进入封严腔的高温燃气因而减少，进而提高了封严效率；当采用凹斜面17时，静盘外封严环6和动盘内封严环8间的涡系会被加强，流向深腔内的燃气会被上抬吹向深腔高半径壁面，燃气会被长期的限制在深腔内。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其他各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。