一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构及其控制方法

摘要

本发明公开了一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构及其控制方法，该结构设置于轮缘间隙处，由仿生人体骨关节头的密封关节头、仿生人体骨关节窝的密封关节窝以及阻燃流道组成；该控制方法包括：变工况运行时，用位移传感器监测密封关节头和密封关节窝间的最小间隙，间隙过大时，控制电极片增大电敏柔性层厚度，保持密封关节腔为高阻尼阻燃流道；间隙过小时，控制电极片减小电敏柔性层厚度，防止密封结构发生摩碰；入口压力提高时，调节对应电极片使轮缘密封侧电敏柔性层厚度沿轮缘密封流动方向减小，形成高效阻燃流道；入口温度提高时，调节对应电极片使轮盘冷却侧电敏柔性层厚度沿轮盘冷却流动方向减小，增强轮盘表面的流动换热。

权利要求

1.一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构，其特征在于，包括静叶片(1)、静叶盘(2)、动叶片(3)、动叶盘(4)、密封关节头(6)、密封关节窝(7)、密封软骨(12)、电敏柔性层(13)、电极片(14)以及位移传感器(15)；

该骨关节仿生轮缘密封结构设置于静叶盘(2)和动叶盘(4)形成的轮缘间隙处，由仿生人体骨关节头的密封关节头(6)、仿生人体骨关节窝的密封关节窝(7)以及阻燃流道(8)组成，密封关节头(6)位于动叶盘(4)的上游轮缘间隙处，密封关节窝(7)与密封关节头(6)对应配合，位于静叶盘(2)的下游轮缘间隙处，密封关节头(6)与密封关节窝(7)配合形成的环腔称为密封关节腔(11)，仿生人体骨关节的关节腔；密封关节头(6)和密封关节窝(7)表面包裹有一层密封软骨(12)，仿生人体骨关节的关节软骨，在密封关节窝(7)的密封软骨(12)下方设置有电敏柔性层(13)，电敏柔性层(13)上布置有若干电极片(14)；密封关节窝(7)上布置有位移传感器(15)，用以监测密封关节头(6)与密封关节窝(7)之间的间隙；动叶盘(4)内部开设引流通道(5)，密封关节头(6)内部存在配气腔室(9)，配气腔室(9)一侧与引流通道(5)连通，另一侧布置有若干冷却气流喷射孔(10)，与密封关节腔(11)连通；静叶盘(2)下游轮缘间隙表面和动叶盘(4)上游轮缘间隙表面具有波浪齿结构，配合形成阻燃流道(8)。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构，其特征在于，通过控制不同位置的电极片(14)改变电敏柔性层(13)不同位置的厚度，进而改变密封关节窝(7)表面密封软骨(12)的形状，从而实现密封关节腔(11)的形状调节。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构，其特征在于，阻燃流道(8)具有沿径向方向由内而外渐扩的通流形状。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构，其特征在于，阻燃流道(8)对于燃气入侵流为收缩形通道，能够提高燃气入侵的流动阻力。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构，其特征在于，阻燃流道(8)对于冷却气流为扩张形通道，能够减小冷却气流的流动阻力。

6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构，其特征在于，密封软骨(12)由高温弹性材料制成的。

7.权利要求1至6中任一项所述的一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构的控制方法，其特征在于，包括：

机组变工况运行时，通过在密封结构的危险部位放置位移传感器(15)，用以监测密封关节头(6)和密封关节窝(7)间的最小间隙；当间隙过大时，通过控制电极片(14)增大电敏柔性层(13)的厚度，从而始终保持密封关节腔(11)为高阻尼的阻燃流道；当间隙过小时，通过控制电极片(14)减小电敏柔性层(13)的厚度，从而防止密封关节头(6)和密封关节窝(7)发生摩擦和碰撞；

机组入口压力提高时，轮缘间隙高温燃气侧的压力随之提高，燃气入侵的可能性增加，分别调节轮缘密封侧电敏柔性层(13)对应的多个电极片使得电敏柔性层(13)沿轮缘密封流动方向厚度逐渐减小；此时，轮缘密封侧的密封关节腔(11)对于燃气入侵流为收缩形通道，提高燃气入侵的流动阻力，对于冷却气流为扩张形通道，减小冷却气流的流动阻力，从而形成高效的阻燃流道；

机组入口温度提高时，静叶盘(2)和动叶盘(4)的温度随之提高，轮盘结构的安全性降低，分别调节轮盘冷却侧电敏柔性层(13)对应的多个电极片，使得电敏柔性层(13)沿轮盘冷却流动方向厚度逐渐减小；此时，轮盘冷却侧的密封关节腔(11)对于冷却气流为扩张形通道，有利于冷却气流往静叶盘(2)和动叶盘(4)间的转静盘腔流动，及时增强静叶盘(2)下游表面和动叶盘(4)上游表面的流动换热。

说明书

一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于燃气轮机领域，具体涉及一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构及其控制方法。

背景技术

[0002] 为防止燃气轮机涡轮转盘与静止部件发生接触和剐蹭，涡轮转盘与静止部件之间留有一定的间隙，从而形成轮缘间隙和涡轮盘腔。主流流道高温气体经过静叶喷嘴后，由于
受到动静尾迹和动叶势位流场的共同作用，导致轮缘间隙处的周向压力分布不均匀，形成
高压流动区和低压流动区。当涡轮盘腔内部压力低于主流压力时，高温燃气经过轮缘间隙
进入盘腔，对轮盘表面进行烧蚀，这种现象称为燃气入侵现象，燃气入侵现象是导致涡轮盘
过热失效的重要因素。

[0003] 为保证涡轮盘的使用寿命及可靠性，目前工程中主要通过从压气机级引入低温封严气流冷却涡轮盘以及在涡轮盘腔的边缘安装轮缘密封等措施减小燃气入侵。研究表明轮
缘密封可以增大高温燃气侵入涡轮盘的流动阻力，进而有效减少高温燃气入侵量，而密封
的几何结构会对其性能产生显著影响，因此提出新型高效轮缘密封结构，对改善涡轮盘传
热稳定性、提高燃机安全性和经济性具有重要的工程应用价值。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供了一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构及其控制方法，该结构仿生人体骨关节结构设计，密封关节头和密封关节窝配合形成密封关节腔，密封关
节腔内充满冷却气流，将主流燃气与转静盘腔隔绝，防止高温燃气入侵，密封关节窝的形状
可以通过电极片控制，进而改变密封关节腔内冷却气流的通流特性，可以适应燃机不同运
行工况下的功能需求。

[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0006] 一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构，包括静叶片、静叶盘、动叶片、动叶盘、密封关节头、密封关节窝、密封软骨、电敏柔性层、电极片以及位移传感器；

[0007] 该骨关节仿生轮缘密封结构设置于静叶盘和动叶盘形成的轮缘间隙处，由仿生人体骨关节头的密封关节头、仿生人体骨关节窝的密封关节窝以及阻燃流道组成，密封关节
头位于动叶盘的上游轮缘间隙处，密封关节窝与密封关节头对应配合，位于静叶盘的下游
轮缘间隙处，密封关节头与密封关节窝配合形成的环腔称为密封关节腔，仿生人体骨关节
的关节腔；密封关节头和密封关节窝表面包裹有一层密封软骨，仿生人体骨关节的关节软
骨，在密封关节窝的密封软骨下方设置有电敏柔性层，电敏柔性层上布置有若干电极片；密
封关节窝上布置有位移传感器，用以监测密封关节头与密封关节窝之间的间隙；动叶盘内
部开设引流通道，密封关节头内部存在配气腔室，配气腔室一侧与引流通道连通，另一侧布
置有若干冷却气流喷射孔，与密封关节腔连通；静叶盘下游轮缘间隙表面和动叶盘上游轮
缘间隙表面具有波浪齿结构，配合形成阻燃流道。

[0008] 本发明进一步的改进在于，通过控制不同位置的电极片改变电敏柔性层不同位置的厚度，进而改变密封关节窝表面密封软骨的形状，从而实现密封关节腔的形状调节。

[0009] 本发明进一步的改进在于，阻燃流道具有沿径向方向由内而外渐扩的通流形状。

[0010] 本发明进一步的改进在于，阻燃流道对于燃气入侵流为收缩形通道，能够提高燃气入侵的流动阻力。

[0011] 本发明进一步的改进在于，阻燃流道对于冷却气流为扩张形通道，能够减小冷却气流的流动阻力。

[0012] 本发明进一步的改进在于，密封软骨由高温弹性材料制成的。

[0013] 一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构的控制方法，包括：

[0014] 机组变工况运行时，通过在密封结构的危险部位放置位移传感器，用以监测密封关节头和密封关节窝间的最小间隙；当间隙过大时，通过控制电极片增大电敏柔性层的厚
度，从而始终保持密封关节腔为高阻尼的阻燃流道；当间隙过小时，通过控制电极片减小电
敏柔性层的厚度，从而防止密封关节头和密封关节窝发生摩擦和碰撞；

[0015] 机组入口压力提高时，轮缘间隙高温燃气侧的压力随之提高，燃气入侵的可能性增加，分别调节轮缘密封侧电敏柔性层对应的多个电极片使得电敏柔性层沿轮缘密封流动
方向厚度逐渐减小；此时，轮缘密封侧的密封关节腔对于燃气入侵流为收缩形通道，提高燃
气入侵的流动阻力，对于冷却气流为扩张形通道，减小冷却气流的流动阻力，从而形成高效
的阻燃流道；

[0016] 机组入口温度提高时，静叶盘和动叶盘的温度随之提高，轮盘结构的安全性降低，分别调节轮盘冷却侧电敏柔性层对应的多个电极片，使得电敏柔性层沿轮盘冷却流动方向
厚度逐渐减小；此时，轮盘冷却侧的密封关节腔对于冷却气流为扩张形通道，有利于冷却气
流往静叶盘和动叶盘间的转静盘腔流动，及时增强静叶盘下游表面和动叶盘上游表面的流
动换热。

[0017] 本发明至少具有如下有益的技术效果：

[0018] 1、本发明应用仿生生物学技术仿生人体骨关节结构，设计了密封关节头‑密封关节窝的轮缘密封结构，密封关节头和密封关节窝配合形成密封关节腔，冷却气流从密封关
节头内开设的喷射孔射入密封关节腔，一路冷却气流沿径向方向由内而外流动，经阻燃流
道汇入主流，实现静叶盘和动叶盘处轮缘间隙的密封；一路冷却气流沿径向方向由外而内
流动，流入静叶盘和动叶盘间的转静盘腔，并对静叶盘下游表面和动叶盘上游表面进行冷
却。为了实现燃气轮机轮缘密封和轮盘冷却的功能，传统的设计需要引入两股冷却气流，冷
却气流输送管路和燃气轮机内部结构复杂；而本发明只需要引入一股冷却气流即可实现轮
缘密封和轮盘冷却，简化了冷却气流的管道设置，具有结构简单的优势。

[0019] 2、密封关节头和密封关节窝表面包裹有一层由高温弹性材料制成的密封软骨，仿生人体骨关节的关节软骨，能够缓冲机组转变工况或异常运行时出现的振动和冲击，防止
密封结构受损。

[0020] 3、静叶盘下游轮缘间隙表面和动叶盘上游轮缘间隙表面具有波浪齿结构，配合形成阻燃流道，阻燃流道具有沿径向方向由内而外渐扩的通流形状。阻燃流道对于燃气入侵
流为收缩形通道，可以提高燃气入侵的流动阻力；对于冷却气流为扩张形通道，可以减小冷
却气流的流动阻力。

[0021] 4、在密封关节窝的密封软骨下方设置有电敏柔性层，电敏柔性层上布置有若干电极片。通过控制不同位置的电极片改变电敏柔性层不同位置的厚度，进一步改变密封关节
窝表面密封软骨的形状，从而实现密封关节腔的形状调节，进而可以根据运行需求精准调
节轮缘密封和轮盘冷却的冷却气流压力和流量等状态参数。

[0022] 5、机组变工况运行时，叶片及轮盘所受的旋转离心力和气流力与额定工况不同，叶片及轮盘产生的位移变形和振动也随之发生变化，从而造成轮缘间隙与额定工况完全不
同，此时，当间隙过大时，普通轮缘密封结构的封严效果会大大降低甚至失效，极大增加了
燃气入侵的可能，若增大冷却气流又会造成较大的冷气损失；当间隙过小时，普通轮缘密封
结构的转、静部件会发生摩擦和碰撞，造成密封结构的损坏和失效。本发明这种骨关节仿生
轮缘密封结构具有变工况高适应性的优点，通过在密封结构的危险部位放置位移传感器，
用以监测密封关节头和密封关节窝间的最小间隙。当间隙过大时，通过控制电极片增大电
敏柔性层的厚度，从而始终保持密封关节腔为高阻尼的阻燃流道，兼顾封严有效性和机组
高效性；当间隙过小时，通过控制电极片减小电敏柔性层的厚度，从而防止密封关节头和密
封关节窝发生摩擦和碰撞，确保密封结构的安全性和有效性。

[0023] 6、机组入口压力提高时，轮缘间隙高温燃气侧的压力随之提高，燃气入侵的可能性增加，分别调节轮缘密封侧电敏柔性层对应的电极片，使得电敏柔性层沿轮缘密封流动
方向厚度逐渐减小。此时，轮缘密封侧的密封关节腔对于燃气入侵流为收缩形通道，提高燃
气入侵的流动阻力，对于冷却气流为扩张形通道，减小冷却气流的流动阻力，从而形成高效
的阻燃流道，无需增加冷却气流的流量，降低了机组的冷气损失，确保了机组的高效性和经
济性。

[0024] 7、机组入口温度提高时，静叶盘和动叶盘的温度随之提高，轮盘结构的安全性降低，分别调节轮盘冷却侧电敏柔性层对应的电极片，使得电敏柔性层沿轮盘冷却流动方向
厚度逐渐减小。此时，轮盘冷却侧的密封关节腔对于冷却气流为扩张形通道，更有利于冷却
气流往静叶盘和动叶盘间的转静盘腔流动，及时增强静叶盘下游表面和动叶盘上游表面的
流动换热，提高机组的安全性。

附图说明

[0025] 图1是本发明一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构示意图；

[0026] 图2是本发明一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构的局部放大图。

[0027] 附图标记说明：

[0028] 1‑静叶片，2‑静叶盘，3‑动叶片，4‑动叶盘，5‑引流通道，6‑密封关节头，7‑密封关节窝，8‑阻燃流道，9‑配气腔室，10‑冷却气流喷射孔，11‑密封关节腔11，12‑密封软骨，13‑
电敏柔性层，14‑电极片，15‑位移传感器，a～g为图示7个电极片编号。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0030] 参阅图1和图2，本发明提供的一种燃气轮机骨关节仿生轮缘密封结构，包括：静叶片1，静叶盘2，动叶片3，动叶盘4，引流通道5，密封关节头6，密封关节窝7，阻燃流道8，配气
腔室9，冷却气流喷射孔10，密封软骨12，电敏柔性层13，电极片14以及位移传感器15。本发
明的骨关节仿生轮缘密封结构应用仿生生物学技术仿照人体骨关节结构设计，设置于静叶
盘2和动叶盘4形成的轮缘间隙处，主要由仿生人体骨关节头的密封关节头6、仿生人体骨关
节窝的密封关节窝7以及阻燃流道8组成。密封关节头6位于动叶盘4的上游轮缘间隙处，密
封关节窝7与密封关节头6对应配合，位于静叶盘2的下游轮缘间隙处。密封关节头6与密封
关节窝7配合形成的环腔称为密封关节腔11，仿生人体骨关节的关节腔。密封关节头6和密
封关节窝7表面包裹有一层由高温弹性材料制成的密封软骨12，仿生人体骨关节的关节软
骨，能够缓冲机组转变工况或异常运行时出现的振动和冲击，防止密封结构受损。在密封关
节窝7的密封软骨12下方设置有电敏柔性层13，电敏柔性层13上布置有若干电极片14。通过
控制不同位置的电极片14改变电敏柔性层13不同位置的厚度，进一步改变密封关节窝7表
面密封软骨12的形状，从而实现密封关节腔11的形状调节，进而可以根据运行需求精准调
节轮缘密封和轮盘冷却的冷却气流压力和流量等状态参数。密封关节窝7上布置有位移传
感器15，用以监测密封关节头6与密封关节窝7之间的间隙，防止两者由于间隙太小发生碰
撞。动叶盘4内部开设引流通道5，密封关节头6内部存在配气腔室9，配气腔室9一侧与引流
通道5连通，另一侧布置有若干冷却气流喷射孔10，与密封关节腔11连通。静叶盘2下游轮缘
间隙表面和动叶盘4上游轮缘间隙表面具有波浪齿结构，配合形成阻燃流道8，阻燃流道8具
有沿径向方向由内而外渐扩的通流形状。阻燃流道8对于燃气入侵流为收缩形通道，可以提
高燃气入侵的流动阻力，对于冷却气流为扩张形通道，可以减小冷却气流的流动阻力。

[0031] 为了对本发明进一步了解，现对其工作过程原理做进一步说明。

[0032] 在燃气轮机实际工作过程中，应用本发明提出的骨关节仿生轮缘密封结构以后，静叶盘4下游的冷却气流在旋转离心力的作用下通过引流通道5流入配气腔室9，然后经若
干冷却气流喷射孔10射入密封关节腔11，随后分为两条流路：一路冷却气流沿径向方向由
内而外流动，经阻燃流道8汇入主流，实现静叶盘2和动叶盘4轮缘间隙的密封；另一路冷却
气流沿径向方向由外而内流动，流入静叶盘2和动叶盘4间的转静盘腔，并对静叶盘2下游表
面和动叶盘4上游表面进行冷却。值得注意的是，一方面，阻燃流道8对于燃气入侵流是收缩
形流道，同时静叶盘2下游轮缘间隙表面和动叶盘4上游轮缘间隙表面具有波浪齿结构，从
而形成高阻尼的阻燃通流结构，大大提高了高温主流燃气入侵时的流动阻力；另一方面，阻
燃流道8对于冷却气流为扩张形通道，可以减小冷却气流的流动阻力，进一步降低燃气入侵
的可能性。特别的，为了实现燃气轮机轮缘密封和轮盘冷却的功能，传统的设计需要引入两
股冷却气流，冷却气流输送管路和燃气轮机内部结构复杂；而本发明只需要引入一股冷却
气流即可实现轮缘密封和轮盘冷却，简化了冷却气流的管道设置，具有结构简单的优势。

[0033] 密封关节头6和密封关节窝7表面包裹有一层由高温弹性材料制成的密封软骨12，仿生人体骨关节的关节软骨，能够缓冲机组运行时出现的振动和冲击，防止密封结构受损。
密封关节窝7上布置有位移传感器15，用以监测密封关节头6与密封关节窝7之间的间隙，防
止两者由于间隙太小发生碰撞。在密封关节窝7的密封软骨12下方设置有电敏柔性层13，电
敏柔性层13上布置有若干电极片14。通过控制不同位置的电极片14改变电敏柔性层13不同
位置的厚度，进一步改变密封关节窝7表面密封软骨12的形状，从而实现密封关节腔11的形
状调节，进而可以根据运行需求精准调节轮缘密封和轮盘冷却的冷却气流压力和流量等状
态参数。

[0034] 本发明骨关节仿生轮缘密封结构的具体控制方法如下：

[0035] 1)机组变工况运行时，叶片及轮盘所受的旋转离心力和气流力与额定工况不同，叶片及轮盘产生的位移变形和振动也随之发生变化，从而造成轮缘间隙与额定工况完全不
同，此时，当间隙过大时，普通轮缘密封结构的封严效果会大大降低甚至失效，极大增加了
燃气入侵的可能，若增大冷却气流又会造成较大的冷气损失；当间隙过小时，普通轮缘密封
结构的转、静部件会发生摩擦和碰撞，造成密封结构的损坏和失效。本发明这种骨关节仿生
轮缘密封结构具有变工况高适应性的优点，通过在密封结构的危险部位放置位移传感器
15，用以监测密封关节头6和密封关节窝7间的最小间隙。当间隙过大时，通过控制电极片14
增大电敏柔性层13的厚度，从而始终保持密封关节腔11为高阻尼的阻燃流道，兼顾封严有
效性和机组高效性；当间隙过小时，通过控制电极片14减小电敏柔性层13的厚度，从而防止
密封关节头6和密封关节窝7发生摩擦和碰撞，确保密封结构的安全性和有效性。

[0036] 2)机组入口压力提高时，轮缘间隙高温燃气侧的压力随之提高，燃气入侵的可能性增加，分别调节轮缘密封侧电敏柔性层13对应的电极片d、e、f和g，使得电敏柔性层13沿
轮缘密封流动方向厚度逐渐减小。此时，轮缘密封侧的密封关节腔11对于燃气入侵流为收
缩形通道，提高燃气入侵的流动阻力，对于冷却气流为扩张形通道，减小冷却气流的流动阻
力，从而形成高效的阻燃流道，无需增加冷却气流的流量，降低了机组的冷气损失，确保了
机组的高效性和经济性。

[0037] 3)机组入口温度提高时，静叶盘2和动叶盘4的温度随之提高，轮盘结构的安全性降低，分别调节轮盘冷却侧电敏柔性层13对应的电极片a、b和c，使得电敏柔性层13沿轮盘
冷却流动方向厚度逐渐减小。此时，轮盘冷却侧的密封关节腔11对于冷却气流为扩张形通
道，更有利于冷却气流往静叶盘2和动叶盘4间的转静盘腔流动，及时增强静叶盘2下游表面
和动叶盘4上游表面的流动换热，提高机组的安全性。

[0038] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修
改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批
的本发明的权利要求保护范围之内。