CN104153821A - 一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，包括机匣、轮毂、可调静叶片，可调静叶片沿轮毂周向均匀布置，每个可调静叶片的上端面均设置上旋转轴，可调静叶片的下端面均设置下旋转轴，每个可调静叶片的外侧均通过其上旋转轴与机匣相连，下旋转轴均设置在轮毂的静叶片槽里，上旋转轴上安装调节可调静叶片角度的调整杆，调整杆伸出至机匣外，可调静叶片里设置自引气-喷气结构，自引气-喷气结构为贯穿可调静叶片的喷气孔，每个喷气孔的引气口位于可调静叶片的前缘，每个喷气孔的喷气口位于可调静叶片的上端面。本发明既能减少间隙泄漏量，提高变几何涡轮效率，又能降低涡轮变几何时性能对间隙高度变化敏感度。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机的涡轮。
背景技术
燃气轮机经常会在非设计工况下工作，此时涡轮效率会大幅度降低。变几何涡轮技术可有效地改善燃气涡轮变工况效率，而调节涡轮静叶的安装角度则是一种行之有效的变几何方法。现有技术的可调静叶结构，为了保证涡轮静叶可以转动，静叶上下端壁要留有间隙，从而引起了静叶的泄漏损失，严重影响涡轮效率。此外，涡轮静叶转动时端区间隙高度会发生改变，尤其在大子午扩张变几何涡轮中间隙高度的变化速度更为明显，进一步影响了变几何涡轮的工作性能。
为了减小叶顶间隙泄漏的不利影响，现代燃气轮机主要采用主动和被动间隙控制。被动间隙控制方法主要采用叶顶和机匣处理，比如凹槽叶顶、机匣端壁造型等，这种方法虽然可以改善涡轮设计点性能，但却无法对间隙高度变化进行有效反馈。主动间隙控制方法主要通过将压气机气流引出对机匣或者叶片表面进行加热或者冷却，使其相应膨胀或收缩，从而对间隙高度变化进行反馈控制，但该方法存在热惯性、结构布置复杂等问题。由于现有技术的不足，人们希望有一种既能提高变几何涡轮设计点性能，同时又能降低变几何时涡轮性能对间隙高度变化敏感度的变几何涡轮。
发明内容
本发明的目的在于提供既能减少间隙泄漏量，提高变几何涡轮效率，又能降低涡轮变几何时性能对间隙高度变化敏感度的一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，其特征是：包括机匣、轮毂、可调静叶片，可调静叶片沿轮毂周向均匀布置，每个可调静叶片的上端面均设置上旋转轴，可调静叶片的下端面均设置下旋转轴，每个可调静叶片的外侧均通过其上旋转轴与机匣相连，轮毂上设置静叶片槽，下旋转轴均设置在静叶片槽里，上旋转轴上安装调节可调静叶片角度的调整杆，调整杆伸出至机匣外，可调静叶片里设置自引气-喷气结构，自引气-喷气结构为贯穿可调静叶片的喷气孔，每个喷气孔的引气口位于可调静叶片的前缘，每个喷气孔的喷气口位于可调静叶片的上端面。
本发明还可以包括：
1、机匣与可调静叶片的上端面留有间隙，轮毂与可调静叶片下端面留有间隙，上旋转轴、可调静叶片、下旋转轴的轴线在一条直线上，上旋转轴轴径大于下旋转轴轴径。
2、所述的喷气孔包括相互连通的引气段和喷气段，引气段的端部为引气口，喷气段的端部为喷气口；引气段和喷气段为平滑过渡的曲线。
3、所述的喷气孔包括相互连通的引气段和喷气段，引气段的端部为引气口，喷气段的端部为喷气口；引气段和喷气段均为直线段，引气段水平布置，喷气段沿可调静叶片轴向布置。
4、每个可调静叶片喷气孔的数量为2-6个，以上旋转轴为界，至少一个喷气孔的喷气口位于可调静叶片上端面的前端，至少一个喷气孔的喷气口位于可调静叶片上端面的后端；每个喷气孔的引气口孔径与喷气口孔径的比值区间为1～5；喷气口处与喷气口所在可调静叶片上端面所成的自引气-喷气结构的喷气角α为30°～90°。
本发明的优势在于：本发明从涡轮叶片端区间隙泄漏流动机理出发，借鉴叶顶喷气结构既可以增加泄漏流动阻力，又可以降低涡轮性能对间隙高度变化敏感度的特点，通过开孔将前缘滞止气流引入到叶顶端面，然后高速喷出，形成“叶顶自适应喷气”效果，从而有效阻塞间隙泄漏，并能降低涡轮变几何时性能对间隙高度变化的敏感度。
本发明设计的带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮一方面减少了间隙泄漏量，提高了涡轮效率；另一方面也降低了在可调静叶转动时涡轮性能对间隙高度变化的敏感度，从而具有良好的变工况特性；并且，本发明无需外接气源，仅以叶片前缘和叶顶端面的压力差为驱动源，将叶片通道内部分气流引入形成“自适应喷气”效果，因此省去了额外引气气路的设计和布局，结构相对简单且工程应用方便。
附图说明
图1是本发明的子午视图；
图2是带有自引气-喷气结构的可调静叶片结构示意图；
图3是可调静叶自引气-喷气结构的子午视图；
图4是图3中的A向视图；
图5是另一种类型的可调静叶自引气-喷气结构的子午视图；
图6是图5中的A向视图；
图7是图3中的B-B剖面图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1～7，本发明由轮毂1、可调静叶片4和机匣9组成，可调静叶片4包括叶片前缘线5、尾缘线6、上端面7和下端面3组成，可调静叶的上端面7和下端面3分别设置上旋转轴8和下旋转轴2，上旋转轴8嵌入到机匣9内，下旋转轴2嵌入到轮毂1内，上、下旋转轴的轴心在同一旋转轴线上以便于可调静叶转动，并且上旋转轴8的轴径大于下旋转轴2，下旋转轴2仅起定位作用，在机匣9和叶片上端面7以及轮毂1和叶片下端面3之间分别形成间隙。在可调静叶片上端面7前、后侧分别设置与叶片前缘5连通的自引气-喷气结构10和11。图中，chole1为叶顶前侧自引气-喷气结构与叶片前缘之间的轴向距离，dhole1为叶顶前侧喷气孔直径，chole2为叶顶后侧自引气-喷气结构与叶片前缘之间的轴向距离，dhole2为叶顶后侧喷气孔直径，α为自引气-喷气结构的喷气角，PS为叶片压力侧，SS为叶片吸力侧。
本发明的技术思路是，以叶片前缘和叶顶端面之间较大的压力差为驱动源，将叶片通道内部分气流引入自引气-喷气结构并高速喷出，进而在叶顶形成“自适应喷气”效果，从而对叶顶间隙泄漏进行控制，达到提高涡轮效率的目的；并有效降低涡轮变几何时性能对间隙高度变化的敏感度。
结合图3～4，制造本发明的带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，首先采用传统设计方法设计好涡轮可调静叶片。对于给定的涡轮进出口气动边界以及运行工况范围等情况，可调静叶自引气-喷气结构参数可借助于现有的计算流体动力学软件数值模拟或者相关试验获得：
首先，自引气-喷气结构的引气口孔径和喷气口孔径并不一致，较大的引气口孔径可以增加叶顶喷气的流量，进而增加间隙泄漏阻力，但过大的引气口孔径会增加间隙端区掺混损失，也在一定程度上减少了主通道流做功能力；较小的喷气口孔径可以增大喷气口出流速度，进一步减小间隙泄漏，而过小的喷气口孔径不利于加工成型。引气口孔径与喷气口孔径的比值为1～5，并且引气口与喷气口之间过渡段形状应以尽可能减小流动阻力为最佳。
考虑到加工难度、成本等因素，本发明还存在图5和图6所示的结构形式，即引气段和喷气段分别为单直段或者多段直段，引气段保持平直方向，喷气段沿径向布置。
其次，对于喷气孔朝向，正对着泄漏流方向喷气可获得最佳的泄漏控制效果，考虑到加工限制，自引气-喷气结构的喷气角α为30°～90°。
最后，对于喷气孔数量，在叶顶端面布置得越多，喷气总流量越大，间隙泄漏量减少就越多，同时也可以更加明显地降低变几何时涡轮性能对间隙高度变化的敏感度，但在实际应用时，自引气-喷气结构布置得过于密集，将增加加工成本和周期，并且也降低了主通道流体的做功能力，严重影响变几何涡轮总体性能，因此具体应用时需综合考虑。自引气-喷气结构在叶顶前、后侧至少各有一个，且可调静叶片内自引气-喷气结构个数为2～6。
本发明的自引气-喷气结构在可调静叶片基础上进行加工生产，可采取将可调静叶片置于磁场中，通过电子束加工的方式获得。
Claims (7)
1.一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，其特征是：包括机匣、轮毂、可调静叶片，可调静叶片沿轮毂周向均匀布置，每个可调静叶片的上端面均设置上旋转轴，可调静叶片的下端面均设置下旋转轴，每个可调静叶片的外侧均通过其上旋转轴与机匣相连，轮毂上设置静叶片槽，下旋转轴均设置在静叶片槽里，上旋转轴上安装调节可调静叶片角度的调整杆，调整杆伸出至机匣外，可调静叶片里设置自引气-喷气结构，自引气-喷气结构为贯穿可调静叶片的喷气孔，每个喷气孔的引气口位于可调静叶片的前缘，每个喷气孔的喷气口位于可调静叶片的上端面。
2.根据权利要求1所述的一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，其特征是：机匣与可调静叶片的上端面留有间隙，轮毂与可调静叶片下端面留有间隙，上旋转轴、可调静叶片、下旋转轴的轴线在一条直线上，上旋转轴轴径大于下旋转轴轴径。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，其特征是：所述的喷气孔包括相互连通的引气段和喷气段，引气段的端部为引气口，喷气段的端部为喷气口；引气段和喷气段为平滑过渡的曲线。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，其特征是：所述的喷气孔包括相互连通的引气段和喷气段，引气段的端部为引气口，喷气段的端部为喷气口；引气段和喷气段均为直线段，引气段水平布置，喷气段沿可调静叶片轴向布置。
5.根据权利要求1或2所述的一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，其特征是：每个可调静叶片喷气孔的数量为2-6个，以上旋转轴为界，至少一个喷气孔的喷气口位于可调静叶片上端面的前端，至少一个喷气孔的喷气口位于可调静叶片上端面的后端；每个喷气孔的引气口孔径与喷气口孔径的比值区间为1～5；喷气口处与喷气口所在可调静叶片上端面所成的自引气-喷气结构的喷气角α为30°～90°。
6.根据权利要求3所述的一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，其特征是：每个可调静叶片喷气孔的数量为2-6个，以上旋转轴为界，至少一个喷气孔的喷气口位于可调静叶片上端面的前端，至少一个喷气孔的喷气口位于可调静叶片上端面的后端；每个喷气孔的引气口孔径与喷气口孔径的比值区间为1～5；喷气口处与喷气口所在可调静叶片上端面所成的自引气-喷气结构的喷气角α为30°～90°。
7.根据权利要求4所述的一种带有可调静叶自引气-喷气结构的变几何涡轮，其特征是：每个可调静叶片喷气孔的数量为2-6个，以上旋转轴为界，至少一个喷气孔的喷气口位于可调静叶片上端面的前端，至少一个喷气孔的喷气口位于可调静叶片上端面的后端；每个喷气孔的引气口孔径与喷气口孔径的比值区间为1～5；喷气口处与喷气口所在可调静叶片上端面所成的自引气-喷气结构的喷气角α为30°～90°。
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