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1、(10)申请公布号 CN 103422913 A(43)申请公布日 2013.12.04CN103422913A*CN103422913A*(21)申请号 201310385137.9(22)申请日 2013.08.29F01D 11/12(2006.01)F01D 5/34(2006.01)(71)申请人哈尔滨工程大学地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通大街145号哈尔滨工程大学科技处知识产权办公室(72)发明人高杰 郑群 董平 张正一(54) 发明名称一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮(57) 摘要本发明的目的在于提供一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，包括机匣、轮毂，轮毂沿其圆周方向均匀安。
2、装有动叶片，轮毂和动叶片均安装在机匣里，机匣内壁与动叶片的对应处设置有蜂窝状结构的凹陷。本发明可有效减少涡轮叶顶间隙的泄漏量，提高燃气涡轮的变工况性能并能减少高温燃气工质对机匣的传热以及烧蚀。并且，采用本发明的另一个好处是蜂窝状结构的可磨性较好，叶顶与机匣一旦相磨，磨去的是蜂窝，不是动叶片叶顶，从而提高燃气涡轮运行的可靠性。(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书3页 附图3页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书3页 附图3页(10)申请公布号 CN 103422913 ACN 103422913 A1/1页21.一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，包括。
3、机匣、轮毂，轮毂沿其圆周方向均匀安装有动叶片，轮毂和动叶片均安装在机匣里，其特征是：机匣内壁与动叶片的对应处设置有蜂窝状结构的凹陷。2.根据权利要求1所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：蜂窝状结构为径向蜂窝状结构或复合倾斜蜂窝状结构或径向-复合倾斜混合式蜂窝状结构；所述的径向蜂窝状结构为蜂窝状结构凹陷的中心线与处于其下方的动叶片的轴线平行；所述的复合倾斜蜂窝状结构为蜂窝状结构凹陷的中心线与处于其下方的动叶片的轴线的切向方向和流向方向的角度均大于零度。3.根据权利要求1或2所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：在竖直方向上，蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，蜂窝状。
4、结构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1和d2均不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。4.根据权利要求2所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：径向蜂窝状结构或复合倾斜蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，径向蜂窝状结构或复合倾斜蜂窝状结构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1不大于动叶片上端部轴向弦长的-30%，d2不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。5.根据权利要求2或4所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：所述的复合倾斜蜂窝状结构凹陷的切向倾斜角为3075，流向倾斜角为3060。6.根据权利要求3所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：所述的复合倾斜。
5、蜂窝状结构凹陷的切向倾斜角为3075，流向倾斜角为3060。7.根据权利要求1、2、4任一所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：所述的蜂窝状结构凹陷的芯格尺寸与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度不小于芯格尺寸。8.根据权利要求3任一所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：所述的蜂窝状结构凹陷的芯格尺寸与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度不小于芯格尺寸。9.根据权利要求5所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：所述的蜂窝状结构凹陷的芯格尺寸与叶顶最大厚度的比值为0.71.4。
6、，蜂窝深度与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度不小于芯格尺寸。10.根据权利要求6任一所述的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，其特征是：所述的蜂窝状结构凹陷的芯格尺寸与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度不小于芯格尺寸。权 利 要 求 书CN 103422913 A1/3页3一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮技术领域0001 本发明涉及的是一种涡轮，具体地说是蒸汽轮机、燃气轮机和航空发动机等大型轴流式叶轮机械的涡轮。背景技术0002 叶轮机械动叶顶部间隙损失是动叶及涡轮级损失的主要来源，在不带冠涡轮中，最高可分别占到动叶损失的45%和级损失的30。
7、%。在叶轮机械中，为使转子正常转动，必须确保转子和机匣之间存在一定的间隙，在叶片两侧压力差的作用下，间隙部位就会产生从压力侧向吸力侧的流动，即间隙泄漏流。间隙泄漏流造成的损失主要体现在以下几个方面：首先，间隙中工质并没有和主流中工质一样的偏转度，使得间隙中的工质对透平的做功没有贡献；其次，间隙中的射流涡、工质在叶顶及端壁壁面处的摩擦以及混合使得工质的熵变大，导致工质做功能力降低；最后，间隙中的流体进入动叶通道，形成泄漏涡，与通道中的主流流体掺混，这部分损失和间隙中的熵增损失具有同样的量级，由此可见，叶顶间隙存在造成了做功能力的减小和流动损失的增加；并且，在高压涡轮中，高温燃气在流经间隙时，气流。
8、速度迅速提高造成的射流效应不但会增加叶顶传热的复杂性，并且也会造成对机匣的热负荷冲击，使得涡轮机匣很容易出现烧蚀，影响燃气涡轮运行的可靠性。0003 为了减小叶顶间隙燃气泄漏所带来的负面影响，目前涡轮大多采用动叶叶顶带冠、动叶叶顶修型等方法抑制间隙泄漏流的产生，这些方法虽然能在一定程度上减小间隙泄漏损失，改善涡轮通道内部流动，但其作用效果因特定应用的涡轮叶片而异，比如高、低压涡轮叶片，亚、跨音速间隙流，长、短叶片等，并且在变工况运行条件下，这些方法对间隙泄漏的控制效果不佳。此外，现有的技术主要考虑涡轮叶顶间隙泄漏所带来的气动方面的影响，对在高温下工作的涡轮间隙区域的传热影响未能考虑。发明内容0。
9、004 本发明的目的在于提供既能有效减少间隙泄漏流量，提高燃气涡轮变工况性能，并能减少高温燃气工质对机匣的传热以及烧蚀的一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮。0005 本发明的目的是这样实现的：0006 本发明一种带有蜂窝状内壁机匣的涡轮，包括机匣、轮毂，轮毂沿其圆周方向均匀安装有动叶片，轮毂和动叶片均安装在机匣里，其特征是：机匣内壁与动叶片的对应处设置有蜂窝状结构的凹陷。0007 本发明还可以包括：0008 1、蜂窝状结构为径向蜂窝状结构或复合倾斜蜂窝状结构或径向-复合倾斜混合式蜂窝状结构；所述的径向蜂窝状结构为蜂窝状结构凹陷的中心线与处于其下方的动叶片的轴线平行；所述的复合倾斜蜂窝状结构为蜂窝状结。
10、构凹陷的中心线与处于其下方的动叶片的轴线的切向方向和流向方向的角度均大于零度。0009 2、在竖直方向上，蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，蜂窝状结说 明 书CN 103422913 A2/3页4构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1和d2均不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。0010 3、径向蜂窝状结构或复合倾斜蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，径向蜂窝状结构或复合倾斜蜂窝状结构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1不大于动叶片上端部轴向弦长的-30%，d2不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。0011 4、所述的复合倾斜蜂窝状结构凹陷的切向倾斜角为307。
11、5，流向倾斜角为3060。0012 5、所述的蜂窝状结构凹陷的芯格尺寸与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度不小于芯格尺寸。0013 本发明的优势在于：本发明可有效减少涡轮叶顶间隙的泄漏量，提高燃气涡轮的变工况性能并能减少高温燃气工质对机匣的传热以及烧蚀。并且，采用本发明的另一个好处是蜂窝状结构的可磨性较好，叶顶与机匣一旦相磨，磨去的是蜂窝，不是动叶片叶顶，从而提高燃气涡轮运行的可靠性。附图说明0014 图1是本发明的子午视图；0015 图2是带有径向蜂窝状内壁的不带冠涡轮子午视图；0016 图3是图2中的A向视图；0017 图4是带有复合倾斜。
12、蜂窝状内壁的不带冠涡轮子午视图；0018 图5是图4中的B向视图；0019 图6是图5中的C-C剖面图；0020 图7是带有径向-复合倾斜混合式蜂窝状内壁的不带冠涡轮子午视图；0021 图8是图2中径向蜂窝状结构的另一种布置位置图；0022 图9是图4中复合倾斜蜂窝状结构的另一种布置位置图。；具体实施方式0023 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：0024 实施方式1：0025 如图1-3所示，叶轮机械转子由轮毂1、机匣2和动叶片3组成，机匣2和动叶片3的顶部端面之间形成间隙。机匣2内壁与动叶片3的对应处设置有蜂窝状结构的凹陷。0026 本发明的技术思路是，在常规的不带冠涡轮动叶机匣的内。
13、壁（与动叶片配合侧）布置一系列蜂窝状结构，对叶顶间隙泄漏进行抑制，达到减少间隙泄漏，提高涡轮效率。降低机匣传热的目的。0027 对于变工况条件下涡轮叶顶间隙泄漏流动，仅有叶片前缘部分区域的泄漏流动对攻角的变化比较敏感，而在叶片后大半部分区域，攻角变化对间隙流场影响较小，本实施例为图2和3给出的径向蜂窝状结构形式，可减少间隙泄漏流动。0028 在竖直方向上，蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，蜂窝状结构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1和d2均不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。0029 实施方式2：0030 如图4-6所示，蜂窝状结构为复合倾斜蜂窝状结构，蜂窝状结构朝着设计。
14、工况下说 明 书CN 103422913 A3/3页5当地泄漏流方向布置，利用该技术方案能进一步提高间隙泄漏控制效果；0031 在竖直方向上，蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，蜂窝状结构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1和d2均不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。0032 复合倾斜蜂窝状结构凹陷的切向倾斜角为3075，流向倾斜角为3060。0033 实施方式3：0034 如图7所示，蜂窝状结构为径向-复合倾斜混合式蜂窝状结构，即在叶片前缘部分区域蜂窝状结构呈径向布置，而在叶片后大半部分区域，蜂窝状结构朝着设计工况下当地泄漏流方向布置，利用该技术方案可在变工况条件下实现对涡。
15、轮间隙泄漏的有效控制。0035 在竖直方向上，蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，蜂窝状结构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1和d2均不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。0036 实施方式4：0037 考虑到涡轮叶顶间隙泄漏流动主要发生在中后部，同时也为了减少机匣端壁损失，如图8所示，采用仅将径向蜂窝状结构布置在叶片中后部的形式。0038 径向蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，径向蜂窝状结构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1不大于动叶片上端部轴向弦长的-30%，d2不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。0039 实施方式5：0040 如图9所示，采用仅将。
16、复合倾斜蜂窝状结构布置在叶片中后部的形式。0041 复合倾斜蜂窝状结构凹陷左端与动叶片上端部左端距离为d1，复合倾斜蜂窝状结构凹陷右端与动叶片上端部右端距离为d2，d1不大于动叶片上端部轴向弦长的-30%，d2不大于动叶片上端部轴向弦长的10%。0042 值得注意的是，实施方式15皆能减少燃气涡轮叶顶间隙泄漏量，降低泄漏气流速度，从而降低泄漏气流对机匣和叶顶的冲击以及烧蚀。0043 本发明的各种实施方式在不同特定应用的轴流涡轮中皆可以得到应用，蜂窝的具体结构参数（蜂窝芯格尺寸dcell、蜂窝深度h、蜂窝切向倾斜角t和流向倾斜角s）可借助于三维计算流体动力学软件模拟或者试验获得。其中，蜂窝状结构凹陷的芯格尺寸与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度与叶顶最大厚度的比值为0.71.4，蜂窝深度不小于芯格尺寸。0044 值得注意的是，本发明也可以联合其他间隙控制措施以进一步控制间隙泄漏，根据间隙设计需要可采用主动间隙控制或者被动间隙控制。说 明 书CN 103422913 A1/3页6图1图2图3图4说 明 书 附 图CN 103422913 A2/3页7图5图6图7说 明 书 附 图CN 103422913 A3/3页8图8图9说 明 书 附 图CN 103422913 A。