一种新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构

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1.本实用新型属于燃气轮机密封技术领域,具体涉及一种新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构。


背景技术：

2.在航空发动机与重型燃气轮机领域使用的传统迷宫密封结构气路简单，能量耗损形式较为单一，导致其密封性能可优化范围受到限制。本发明人于2021 年5月份申请了名称为一种新型迷宫、隔板、穿孔密封结构的专利【申请号： cn202110532224.7】，该密封结构在低转速的工况下，存在动力性能较差的缺陷。
3.图1为传统迷宫密封结构的周向展开示意图，传统迷宫密封结构由于周向是完全连通的腔室，对气流的环流速度并没有较大的抑制作用，这就导致了气流环流速度较大从而带来较低的动力学特性。
4.图2为一种新型迷宫、隔板、穿孔密封结构的周向展开示意图，图中最上方为气流入口，图中实线围合成的部分为密封齿与隔板。相邻水平实线区域为迷宫密封齿，相邻迷宫密封齿间的区域称为一级空腔，纵向相邻实线区域为隔板与穿孔隔板区域。四组虚线内的开口为穿孔隔板的孔隙示意图。该密封结构通过多级的周向穿孔区域，在保留了更多腔内涡流生成的基础之上，一定程度上降低了切向气流力，进而也提高了转子的工作稳定性。但该密封结构在低转速的工况下，存在动力性能较差的缺陷。


技术实现要素：

5.为了解决上述技术问题，本新型提供了一种以单个穿孔隔板与多个实体隔板组合作为单元的新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构。对传统迷宫密封结构和阻尼式密封结构中的隔板迷宫密封结构进行了复合式的结构改进，在保留了穿孔隔板提高来流能量耗散的基础之上，解决了阻尼式密封在低转速下的动力性能较差的缺陷，获得了一种具有高动力学特性与低泄漏量的组合式迷宫密封结构。
6.本实用新型采用的技术方案为：一种新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构，包括转子轴本体和安装在转子轴本体上的组合式迷宫密封结构，所述组合式迷宫密封结构为穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构，穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构包括若干个穿孔隔板和若干个隔板，靠近气流入口的一侧设置有穿孔隔板，相邻的两个穿孔隔板之间设置有两个隔板，也即穿孔隔板和隔板交替排布。
7.进一步的，所述穿孔隔板的数量为3个，所述隔板的数量为6个。
8.进一步的，所述组合式迷宫密封结构为隔板前置组合式迷宫密封结构，隔板前置组合式迷宫密封结构包括若干个穿孔隔板和若干个隔板，靠近气流出口的一侧设置有穿孔隔板，相邻的两个穿孔隔板之间设置有两个隔板，也即穿孔隔板和隔板交替排布。
9.进一步的，所述穿孔隔板的数量为3个，所述隔板的数量为6个。
10.进一步的，所述隔板为两级实心隔板。
11.本实用新型的有益效果：提供了一种以单个穿孔隔板与实体隔板组合作为单元的新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构。对传统迷宫密封结构和阻尼式密封结构中的隔板迷宫密封结构进行了复合式的结构改进，在保留了穿孔隔板提高来流能量耗散的基础之上，解决了阻尼式密封在低转速下的动力性能较差的缺陷，获得了一种具有高动力学特性与低泄漏量的组合式迷宫密封结构。
附图说明：
12.图1是背景技术中传统迷宫密封结构的周向展开示意图；
13.图2是背景技术中新型迷宫、隔板、穿孔密封结构的周向展开示意图；
14.图3是组合式迷宫密封结构的侧视图
15.图4是组合式迷宫密封结构的主视图；
16.图5是图3中a-a的截面图；
17.图6是图4中穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构的b-b截面图；
18.图7是图4中隔板前置组合式迷宫密封结构的b-b截面图；
19.图8是新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构的周向展开示意图；
20.图9是穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构、隔板前置组合式迷宫密封结构与传统迷宫密封结构、隔板迷宫密封结构及穿孔隔板迷宫密封结构的直接刚度对比图；
21.图10是孔隔板前置组合式迷宫密封结构、隔板前置组合式迷宫密封结构与传统迷宫密封结构、隔板迷宫密封结构及穿孔隔板迷宫密封结构的交叉耦合刚度对比图；
22.图11是孔隔板前置组合式迷宫密封结构、隔板前置组合式迷宫密封结构与传统迷宫密封结构、隔板迷宫密封结构及穿孔隔板迷宫密封结构的泄漏量对比图。
具体实施方式：
23.实施例一
24.参照图3-6，一种新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构，包括转子轴本体1和安装在转子轴本体1上的组合式迷宫密封结构2，所述组合式迷宫密封结构2为穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构21，穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构21包括3个穿孔隔板211和6个隔板212，靠近气流入口的一侧设置有1 个穿孔隔板211，相邻的两个穿孔隔板211之间设置有两个隔板212，也即穿孔隔板和隔板交替排布。
25.如图3-6所示，新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构的齿尖距离转子轴具有一定的间隙，图4中f0为转子轴的直径，f1为组合式迷宫密封的齿底内径， f2为组合式迷宫密封的安装外径。如图6所示，组合式迷宫密封的齿顶与转子轴之间的间隙为cr。如图5所示，组合式迷宫密封在周向具有多个轴对称的、厚度使用圆心角θ定义的隔板添加区域。
26.如图6所示，有其下半区域可知，穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构的隔板添加区域由一个穿孔隔板与两个实心隔板作为单胞顺序排列构成，其中在靠近气流入口的地方为穿孔隔板，其中穿孔直径为f3。
27.实施例二
28.参照图7，在实施例一技术方案的基础上，所述组合式迷宫密封结构2为隔板前置组合式迷宫密封结构22，隔板前置组合式迷宫密封结构22包括若干个穿孔隔板211和若干
个隔板212，靠近气流出口的一侧设置有穿孔隔板211，相邻的两个穿孔隔板211之间设置有两个隔板212，也即穿孔隔板和隔板交替排布；穿孔隔板211的数量为3个，隔板212的数量为6个。在气流入口处的前两级隔板为实心隔板。
29.穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构或隔板前置组合式迷宫密封结构均为通过单个穿孔隔板与两个实心隔板组成的单胞。在轴向顺序排列三个，并在周向对称共排列4组构成，其中隔板与穿孔隔板具有一致的厚度，使用θ＝1
°
的圆心角进行定义，即隔板与穿孔隔板的实际形状为直径60mm与67mm之间的圆心角为θ＝1
°
的环扇面。其余关键建模参数值如下所示：
30.φ0＝60mm，φ1＝67mm，φ2＝70mm，θ＝1
°
，φ3＝1mm，h＝3.5mm，l1＝3.8mm， l2＝2.3mm，t＝0.25mm，cr＝0.2mm。
31.使用ansys fluent软件对上述四种密封结构进行仿真，设置进口压力 0.69mpa，出口压力0.1mpa，转子转速选择1k rpm,5k rpm及10k rpm，转子涡动半径为0.01mm，转子涡动频率为300hz。
32.计算得到本发明所述的穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构及隔板前置组合式迷宫密封结构的动力学系数与泄漏量参数，与新型迷宫、隔板、穿孔密封结构中记载的传统迷宫密封结构、迷宫-隔板密封结构、新型迷宫、隔板、穿孔密封结构的动力学系数与泄漏量参数进行横向对比，并绘制成如图9-11。
33.如图9-11所示，本发明的穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构和隔板前置组合式迷宫密封结构获得了高于传统迷宫密封结构的直接刚度系数(直接刚度系数与转子稳定性正相关)，同时泄露量在高速10k rpm转速下分别较传统迷宫密封结构降低了8.67％与5.04％，其中组合式迷宫密封i的泄漏量在不同转速的工况下均低于新型迷宫、隔板、穿孔密封结构中三种迷宫密封结构。此外，虽然组穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构和隔板前置组合式迷宫密封结构的直接刚度系数均不同程度的低于新型迷宫、隔板、穿孔密封结构中的单孔迷宫-隔板
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穿孔密封结构，但穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构与隔板前置组合式迷宫密封结构的交叉耦合刚度系数在计算转速段均低于新型迷宫、隔板、穿孔密封结构中的单孔迷宫-隔板-穿孔密封结构(交叉耦合刚度系数与转子稳定性负相关)。特别的，在低转速下获得了其余三种迷宫密封结构均不具备的负交叉耦合刚度系数，实现了低转速下对转子稳定性的提升。
34.图8为新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构的周向展开示意图，中图点虚线方框内的结构为由一级穿孔隔板与两级实心隔板构成的组合式迷宫密封结构，在穿孔隔板提高微孔附近气流能量耗散的基础之上，采取了单级穿孔隔板与多级实心隔板作为一个胞元的结构设计(在示意图中为两级实心隔板)，在增加了部分穿孔区域能量耗散的情况下，降低了环流的流速，进而解决了新型迷宫、隔板、穿孔密封结构中隔板迷宫密封结构在低转速下存在的动力性能较差的缺点，取得了更高的稳定性与更低的泄漏量。
35.穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构和隔板前置组合式迷宫密封结构在泄漏量上均小于传统迷宫密封结构。在动力学特性方面，穿孔隔板前置组合式迷宫密封结构和隔板前置组合式迷宫密封结构在拥有较高的直接刚度系数的前提下，同时具备了较低的交叉耦合刚度系数。在动力学与工质利用率方面均相对传统迷宫密封结构有更好的效果。同时与新型迷宫、隔板、穿孔密封结构相比，在少量降低了直接刚度系数的情况下，大幅降低了交
叉耦合刚度系数与泄漏量。添加实心隔板组成的阻尼式密封，与穿孔隔板的周向连通腔的组合可以带来更好的性能，在工程设计中可以将其作为设计的一个重要考虑因素。
36.本实用新型的组合式迷宫密封结构基于阻尼式密封与传统迷宫密封的结构特点与性能优缺点，在传统迷宫密封结构的空腔内置有单级穿孔隔板与多级实心隔板相组合使用的隔板。设计了以单个穿孔隔板与多个实体隔板组合作为单元的组合式迷宫密封结构。对传统迷宫密封结构与阻尼式密封结构中的隔板迷宫密封结构，进行了复合式的结构改进后，在保留了穿孔隔板提高来流能量耗散的基础之上，克服了阻尼式密封在低转速下的动力性能较差的缺陷，获得了一种具有高动力学特性与低泄漏量的新型隔板-穿孔隔板组合式迷宫密封结构。在保留了传统迷宫密封结构简单，以及穿孔隔板带来的额外能量耗散的优点的基础之上，进一步提升了稳定性，降低了泄漏量，从而起到了动力学性能与工质利用率双提升的作用。