CN101922312B - 一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，对所述叶轮机构径向间隙位置附近的端壁进行改型处理，从而改变间隙附近的流动特性，达到减小流动损失的目的；改型处理的方法主要是指，在端壁布置三角形或者矩形或者梯形的绕流片；所述绕流片可以焊接于端壁，也可与端壁一体加工；所述绕流片的高度为旋转叶片高度的2％-15％，所述绕流片轴向长度为旋转叶片轴向弦长的5％-30％，所述绕流片放置方向应与气流呈一定夹角，从而产生与泄漏涡反向的旋涡。本发明有效地控制由泄漏流动而引起的流动损失，显著提高叶轮机械的效率。

Description

一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法

技术领域

本发明涉及一种叶轮机械径向间隙泄漏损失控制方法，主要用于航空发动机或燃气轮机中压气机和涡轮内径向间隙泄漏流动损失的控制。

背景技术

压气机及涡轮部件是航空发动机、地面燃气轮机等动力机械的重要组成部分，整个动力机械的效率很大程度上决定于压气机和涡轮部件的效率，这就要求压气机和涡轮部件的效率不断提高。

当前的航空发动机、地面燃气轮机等动力机械所采用的压气机和涡轮大多是叶片式的。压气机是通过旋转和静止的叶排对流体做功，将从转轴输入的机械能转换为流体的机械能和内能。涡轮则是通过静止和旋转的叶排将流体的机械能和内能转换为轴功率。由于压气机和涡轮都是由转静相间的叶排组成，在动静相接的部位就必然要存在一定的间隙，例如在压气机动叶的叶尖、压气机静叶的叶根和涡轮动叶的叶尖部位都难以避免地存在径向间隙。而由于工作时受热膨胀的程度有所不同以及转子会受到离心力的作用，为保险起见，一般的径向间隙难以控制得很小。这种情况下，端壁1和相对其运动的叶片2之间必然存在一定的径向间隙量，在叶片两侧压力差的作用下，间隙部位就会产生从高压力侧向低压力侧的流动，即所谓的泄漏流3，见图1。泄漏流的产生将会使实际参加做功的工质减少、干扰通道内的正常流动，同时由其产生的泄漏涡4对压气机和涡轮通道内部的流动也会产生强烈的影响，这些都会造成压气机和涡轮效率的降低。

为减小转静部件之间的间隙所带来的流动损失，目前涡轮大多采用动叶叶尖带冠、动叶叶尖修型的方法抑制泄漏流的产生。这些方法能在一定程度上减小间隙引起的损失，改善涡轮通道内部的流动，但其作用效果是有限的。而且，叶冠的存在一方面会使叶片尖部的局部形状发生一定改变，可能导致叶型的气动性能有所下降，另一方面，旋转叶片尖部的重量也会因叶冠的存而增加，带来严重的结构强度问题，同时会使整个叶轮机械的总重量增加，这些都是航空发动机的设计者所不愿看到的。而在压气机中，由于其叶片尖部厚度很小，上述在涡轮中采用的技术难以实现，目前尚未出现普遍适用的控制间隙泄漏损失的方法。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，该方法能够有效地控制由泄漏流动而引起的流动损失，显著提高叶轮机械的效率。

本发明所提供的技术方案是：一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特点在于：对径向间隙位置附近的端壁1进行改型处理，从而改变间隙附近的流动特性，达到减小流动损失的目的。其基本原理为：通过对端壁1进行的改型处理，产生与泄漏涡4旋转方向相反的旋涡5，从而抑制泄漏流3的形成和泄漏涡4的产生，减小由其引起的气动损失，见图2。

本发明所涉及的对端壁1改型处理的方式主要是指：在端壁1布置三角形或者矩形或者梯形的绕流片6。

上述绕流片6的高度为旋转叶片2高度的2％-15％，绕流片6轴向长度为旋转叶片2轴向弦长的5％-30％，绕流片6的厚度为旋转叶片最大厚度的2％-100％。绕流片6的放置方向应与气流流动呈一定夹角，夹角范围为0°到45°，以在不明显增加绕流片6自身引起的流动损失的前提下产生足够强的与泄漏涡反向的旋涡5。

扰流片6的数量根据具体叶轮机械的实际需要确定，对于叶尖泄漏流比较强的叶轮机械可以多设置些扰流片6，而泄漏流比较弱的叶轮机械可以少设置些扰流片6。一般为旋转叶片数目的0.5-3倍。

上述处理所实施的位置主要在上游叶片之后、旋转叶片25％弦长位置之前的端壁1，这样不仅可以降低流片6对上游流动的影响，也可以使流片6所产生的旋涡5与泄漏涡4有足够长的作用距离。

扰流片6焊接于流道端壁1上；或与端壁1一体加工。为减小扰流片6自身引起的流动损失，对扰流片6的前尾缘进行圆角处理。应用于航空发动机或燃气轮机时，扰流片6的材料为镍基高温合金或者钴基高温合金，如GH648、DZ40M等。应用于高压涡轮时，扰流片6还需要涂防高温涂层，发动机的防高温涂层是由多层不同功能的防护层构成，每层都针对具体环境和叶片材料，用不同元素按不同比例采用不同工艺混合而成，本领域技术人员可以根据实际情况来实现。

上述扰流片6在轴向可以布置一排，也可以布置多排。各排中各个扰流片6的尺寸可以相同，也可以不同。对于泄漏涡4较弱的情况，可以布置一排扰流片6；而对于泄漏涡4较强的情况，可以布置多排扰流片6，这样可以增大旋涡5的强度和作用范围。若泄漏涡4结构简单，就可以采用相同尺寸的扰流片6；如果泄漏涡4结构比较复杂，则尽量采用不同尺寸的扰流片6，这样可以产生多种尺度的旋涡5，对泄漏涡4的抑制效果更佳。具体的方案需要根据实际情况，综合考虑气动性能的提升及生产和维护成本的增加，这两个对立方面的综合影响而确定。

本发明与现有的技术相比在于：

(1)本发明通过对端壁进行的改型处理，产生与泄漏涡旋转方向相反的旋涡，从而抑制泄漏流的形成和泄漏涡的产生，有效控制了由泄漏流动而引起的流动损失，显著提高了叶轮机械的效率。

(2)而且本发明不受旋转部件结构形式的影响，可广泛应用于各种叶轮机械；不对旋转叶片进行任何处理，旋转部件的结构强度不会因此而受到影响；引起的叶轮机械的总重量的增加可明显小于现有技术；对材料、工艺方面的要求要明显低于现有技术，生产和使用成本能显著降低。

附图说明

图1为径向间隙附近流动示意图；

图2为本发明原理示意图；

图3为本发明实施例1结构正视图；

图4为图3中A向视图；

图5为图3中B-B剖视图；

图6为本发明实施例2结构正视图；

图7为图6中C向视图。

具体实施方式

本发明的控制方法可用于包括航空发动机、地面燃气轮机等各种叶轮机械内部的径向间隙泄漏损失的控制。本发明下述实施例是在某涡轮上实施，该涡轮旋转叶片2轴向弦长100mm，高度150mm，最大厚度4mm，叶尖间隙高度为1mm。

实施例1：对转子前缘附近的流道端壁1进行改型处理。由于该涡轮泄漏流的强度属于中等水平，泄漏涡4的结构也属于中等复杂的水平，经过初步的数值模拟和试验，在旋转叶片2上游布置一排扰流片6，其数量与旋转叶片2的数量相同时可以获得较好的效果，泄漏流的损失被控制在较小的范围内。扰流片6在轴向置于旋转叶片2上游5.0％轴向弦长的位置，其在周向等间距分布。扰流片6为等腰梯形，其结构及安装示意图见图3-5。扰流片6上下底的长度分别为5mm和4mm，分别为旋转叶片2轴向弦长的5.0％和4.0％；扰流片6的高为3mm，为旋转叶片2高度的2.0％；扰流片6的厚度为1mm，为旋转叶片2最大厚度的25％。扰流片6与来流方向呈10°夹角。为减小扰流片6自身引起的流动损失，对扰流片6的前尾缘进行圆角处理。应用于航空发动机或燃气轮机时，扰流片6应由镍基高温合金或钴镍基高温合金等制成，如GH648、DZ40M等。扰流片6焊接于流道端壁1，在流道端壁1的材料和加工工艺允许的情况下，上述的扰流片6也可与流道端壁1一体加工。

实施例2：对于实施例1的涡轮，为了扩大旋涡5的作用区域和其尺度的覆盖范围，进一步提高其对泄漏涡4的抑制作用，可以采取下述方式获得更好的控制效果。对转子前缘附近的流道端壁1进行改型处理，在旋转叶片2上游轴向布置两排扰流片6。两排扰流片6均为等腰梯形，其结构及安装示意图见图6和图7。第一排扰流片6在轴向置于旋转叶片2上游6.0％弦长的位置，第二排扰流片6在轴向置于旋转叶片2上游3.0％弦长的位置。所有扰流片6与来流方向均呈10°夹角。为减小扰流片6自身引起的流动损失，对扰流片6的前尾缘进行圆角处理。第一排扰流片6的几何尺寸与实施例1中的扰流片6尺寸相同。第二排扰流片6上下底的长度分别为3mm和2mm，高为2mm，厚度为1mm。两排扰流片6的数量均与旋转叶片数目相同。两种扰流片6在周向彼此相间，且等距分布。扰流片6焊接于流道端壁1，在流道端壁1的材料和加工工艺允许的情况下，上述的扰流片6也可与流道端壁1一体加工。应用于航空发动机或燃气轮机时，扰流片6应由镍基高温合金或钴镍基高温合金等制成，如GH648、DZ40M等。应用于高压涡轮时，扰流片6还需要涂防高温涂层，如MCrAlY涂层、陶瓷涂层等。实施例2提供的方法能够在气动性能上得到更好的效果，但是结构较为复杂，制造和维护成本较高。设计人员可以根据实际情况，综合考虑经济性能，确定最佳方案。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：对所述叶轮机械径向间隙位置附近的端壁（1）进行改型处理，即在端壁（1）布置三角形或者矩形或者梯形的扰流片（6），利用扰流片（6）产生的旋涡（5）来减弱泄漏涡（4）的强度，达到减小流动损失的目的；

所述扰流片（6）的高度为旋转叶片（2）高度的2%-15%，所述扰流片（6）轴向长度为旋转叶片（2）轴向弦长的5%-30%；所述扰流片（6）的厚度为旋转叶片最大厚度的2%-100%。

2.根据权利要求1所述的叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：所述扰流片（6）的数量为旋转叶片（2）数目的0.5-3倍。

3.根据权利要求1所述的叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：所述扰流片（6）的数量与旋转叶片（2）数目相同。

4.根据权利要求1所述的叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：所述扰流片（6）的放置方向应与气流流动呈一定夹角，所述夹角的范围为0°—45°，以在不明显增加流动损失的前提下产生足够强的与泄漏涡反向的旋涡（5）。

5.根据权利要求1所述的叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：所述扰流片（6）焊接于流道端壁（1）上；或与端壁（1）一体加工。

6.根据权利要求1或2所述的叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：为减小扰流片（6）自身引起的流动损失，对扰流片（6）的前尾缘进行圆角处理。

7.根据权利要求5所述的叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：应用于航空发动机或燃气轮机时，所述扰流片（6）的材料为镍基高温合金或者钴镍基高温合金；应用于高压涡轮时，所述扰流片（6）需涂防高温涂层。

8.根据权利要求1所述的叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：对所述叶轮机械径向间隙位置附近的端壁（1）进行改型处理所实施的位置主要在上游叶片之后、旋转叶片25%弦长位置之前的端壁（1）。

9.根据权利要求1所述的叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特征在于：所述扰流片（6）在轴向布置一排或布置多排，各排中各个扰流片（6）的尺寸相同或不同。

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