CN104153822B - 一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮 - Google Patents

一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，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，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，可调静叶片的上端面和下端面上均设置小翼结构，上端面的小翼结构包括以上旋转轴为界形成的由肋条围城的前、后凹槽，下端面的小翼结构包括以下旋转轴为界形成由肋条围城的前、后凹槽。本发明能有效提高变几何涡轮气动效率，并且具有良好工作可靠性。

Description

一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮
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的变工况效率，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。另外，可调静叶片自身与其上、下旋转轴连接处经常出现过应力风险导致可调静叶片失效现象发生。由于现有技术的不足，人们希望有一种能有效提高变几何涡轮气动效率且工作可靠的变几何涡轮。
发明内容
本发明的目的在于提供能有效提高变几何涡轮气动效率，并且具有良好工作可靠性的一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，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，可调静叶片的上端面和下端面上均设置小翼结构，上端面的小翼结构包括以上旋转轴为界形成的由肋条围城的前、后凹槽，下端面的小翼结构包括以下旋转轴为界形成由肋条围城的前、后凹槽。
本发明还可以包括：
1、机匣和可调静叶片上端面之间留有间隙，轮毂和可调静叶片下端面之间留有间隙。
2、上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
3、在可调静叶片上端面和下端面的前凹槽内中间位置处布置垂直轴向弦长方向的横向肋条，并可调静叶片上端面和下端面的后凹槽内沿中弧线方向布置流向肋条。
4、小翼结构的肋条外轮廓与可调静叶片之间的距离wwl为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的2％～8％，小翼结构的厚度hwl为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～5％，小翼结构的肋条宽度wcavity为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～4％，小翼结构的肋条高度hcavity为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的2％～6％；横向肋条、流向肋条宽度均为wrib，wrib为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～4％。
本发明的优势在于：本发明从涡轮叶片间隙端区泄漏流动机理出发，在可调静叶片两端叶型轮廓基础上沿其圆周方向扩展出小翼结构，减少了间隙泄漏量，降低了间隙泄漏流动损失，并通过在扩展后的端面上设置前、后凹槽结构，进一步增加了间隙泄漏流动阻力，实现了对可调静叶片间隙端区泄漏流动的有效控制；同时，本发明小翼结构与旋转轴的有效融合也保证了可调静叶片的最佳受力状态，并避免在叶片自身与其旋转轴连接处出现应力峰值；此外，本发明结构简单，加工和工程应用也比较方便。
附图说明
图1是本发明的子午视图；
图2是叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶片结构示意图；
图3是图1中的A向视图；
图4是图3中的B-B剖面图；
图5是另一种叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶片结构的俯视图。
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1～5，本发明由轮毂1、可调静叶片3和机匣6组成，可调静叶的上端面5和下端面7分别设置上旋转轴4和下旋转轴2，上旋转轴4嵌入到机匣6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4的轴径大于下旋转轴2，下旋转轴2仅起定位作用，在机匣6和叶片上端面5以及轮毂1和叶片下端面7之间分别形成间隙。图中：wwl为小翼宽度，hwl为小翼厚度，wcavity为凹槽肋条宽度，hcavity为凹槽肋条高度，wrib为凹槽内横向、流向肋条宽度，PS为叶片压力侧，SS为叶片吸力侧。
结合图2～4，制造本发明的包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，首先采用传统设计方法设计好涡轮可调静叶片。对于给定的叶片负荷分布以及运行工况范围等情况，叶片两端凹槽状小翼结构的具体结构参数(小翼宽度wwl，小翼厚度hwl，凹槽肋条宽度wcavity和肋条高度hcavity)可借助于现有的计算流体力学软件模拟或者试验获得。小翼结构9和10沿叶型轮廓圆周方向的宽度可以相同或不同，其宽度wwl为可调静叶片两端面之间径向距离的2％～8％，小翼结构为等厚度小翼片，其厚度hwl为可调静叶片两端面之间径向距离的1％～5％；凹槽结构(包括前后凹槽)8和11的肋条宽度wcavity为可调静叶片两端面之间径向距离的1％～4％，且肋条高度hcavity为可调静叶片两端面之间径向距离的2％～6％。本领域技术人员应当明白，针对特定应用的可调静叶片，叶片两端的凹槽状小翼结构参数的选取目标是尽可能增加泄漏流动阻力，并要保证可调静叶片能可靠工作，同时兼顾考虑结构强度、加工难度、成本等因素。
考虑到密封结构可以增加流动阻力，进而减少间隙泄漏损失，图5给出了另一种叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶片结构的俯视图，即在可调静叶片两端前侧凹槽内中间位置处布置垂直轴向弦长方向的横向肋条12，并在后侧凹槽内沿中弧线方向布置流向肋条13。一般地，横向、流向肋条宽度太宽不利于产生泄漏涡流及增加泄漏流动阻力，而横向、流向肋条宽度太窄满足不了强度要求，因此，横向、流向肋条宽度wrib为可调静叶片两端面之间径向距离的1％～4％，其最佳值可借助于现有的计算流体力学软件模拟或者试验获得。
值得注意的是，在本发明的叶片两端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮也可以联合其他主动、被动等间隙控制措施以进一步控制间隙泄漏流动。

Claims (7)

1.一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，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，可调静叶片的上端面和下端面上均设置小翼结构，上端面的小翼结构包括以上旋转轴为界形成的由肋条围成的前、后凹槽，下端面的小翼结构包括以下旋转轴为界形成由肋条围成的前、后凹槽。
2.根据权利要求1所述的一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，其特征是：机匣和可调静叶片上端面之间留有间隙，轮毂和可调静叶片下端面之间留有间隙。
3.根据权利要求1或2所述的一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，其特征是：上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
4.根据权利要求1或2所述的一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，其特征是：在可调静叶片上端面的前凹槽和可调静叶片下端面的前凹槽内中间位置处布置垂直轴向弦长方向的横向肋条，并在可调静叶片上端面的后凹槽和可调静叶片下端面的后凹槽内沿中弧线方向布置流向肋条。
5.根据权利要求3所述的一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，其特征是：在可调静叶片上端面的前凹槽和可调静叶片下端面的前凹槽内中间位置处布置垂直轴向弦长方向的横向肋条，并在可调静叶片上端面的后凹槽和可调静叶片下端面的后凹槽内沿中弧线方向布置流向肋条。
6.根据权利要求4所述的一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，其特征是：小翼结构的肋条外轮廓与可调静叶片之间的距离wwl为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的2％～8％，小翼结构的厚度hwl为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～5％，小翼结构的肋条宽度wcavity为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～4％，小翼结构的肋条高度hcavity为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的2％～6％；横向肋条、流向肋条宽度均为wrib，wrib为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～4％。
7.根据权利要求5所述的一种包括叶端带有凹槽状小翼结构的可调静叶的变几何涡轮，其特征是：小翼结构的肋条外轮廓与可调静叶片之间的距离wwl为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的2％～8％，小翼结构的厚度hwl为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～5％，小翼结构的肋条宽度wcavity为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～4％，小翼结构的肋条高度hcavity为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的2％～6％；横向肋条、流向肋条宽度均为wrib，wrib为可调静叶片上端面和下端面之间径向距离的1％～4％。
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