CN104763477A - 一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构 - Google Patents

Abstract

本发明一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，属于叶轮机械技术领域。包括压力面侧伸围带、吸力面侧伸围带、前缘翼、压力面近前缘翼、吸力面近前缘翼、压力面近尾缘翼、吸力面近尾缘翼和尾缘翼。压力面侧伸围带和吸力面侧伸围带为在叶片两侧同一轴向位置伸出的宽度围带结构，其它部件为叶型型线沿其外法线方向的扩展，各部件之间光滑过渡。部分围带与部分围带间采用留有间隙的摩擦接触式连接方式。本发明解决了现有叶尖小翼结构控制泄漏有限和全围带叶顶结构重量大、热负荷大技术问题；有效降低了跨叶顶泄漏量，改善了叶栅通道内的涡结构，削弱了各涡之间的相互作用，降低了叶栅通道内气动损失。由于采用部分围带结构，降低了叶顶热负荷。

Description

一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构

技术领域

本发明属于叶轮机械技术领域，涉及一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构。

背景技术

叶轮机械中，为防止动静部件的碰撞摩擦，动叶叶尖与机匣之间会留有一定的间隙。部分流体在叶顶压、吸力侧压差作用下流经此间隙并从吸力面流出，这一现象称为间隙泄漏。泄漏流体在间隙内产生的损失以及流出间隙后与主流的掺混损失会大大降低叶轮机械的级效率。因此有效控制间隙泄漏流动是现代叶轮机械设计中一个至关重要的问题。

目前，较常采用的间隙泄漏控制技术是改变叶尖或机匣几何结构。在动叶顶部加装围带可以抑制间隙泄漏并能够改善叶片的振动特性。然而，围带的重量导致动叶承受的离心应力增大，高温环境中较大的换热面积也限制了围带的应用范围。另一种结构为叶尖小翼，如钟兢军等人的专利申请，申请号：CN200810010515，其小翼本体如图1所示，由前缘翼[1]、压力面翼[2]、吸力面翼[3]和尾缘翼[4]组成。叶尖小翼在一定程度上可以降低泄漏量，但其控制效果有限，对泄漏涡的生成位置以及强度和尺寸改变不大，因此对叶栅性能的改善作用较小。另外，由于叶片小翼独立存在，不相互接触，因此不能满足叶片振动特性的要求。

综上，现有动叶叶尖结构虽有一定积极作用，但仍有其局限性。故有必要对动叶叶尖结构进行优化设计，以进一步提高叶轮机械性能。

发明内容

本发明以有效降低叶轮机械动叶叶顶泄漏量从而降低叶栅气动损失为目的，提出一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，由压力面侧伸围带2、吸力面侧伸围带3、前缘翼4、压力面近前缘翼5、吸力面近前缘翼6、压力面近尾缘翼7、吸力面近尾缘翼8和尾缘翼9组成；其中压力面侧伸围带2由压力面近前缘过渡段2-1、压力面近尾缘过渡段2-2和压力面侧伸围带连接段2-3组成；其中吸力面侧伸围带3由吸力面近前缘过渡段3-1、吸力面近尾缘过渡段3-2和吸力面侧伸围带连接段3-3组成；各组成部件之间均为光滑过渡；部分围带本体11主要用于叶轮机械动叶10，安装于动叶顶部。

所述的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其所述的压力面侧伸围带2和吸力面侧伸围带3为在叶片两侧伸出的围带结构，二者围带结构的宽度相同，宽度大小为10％-30％轴向弦长；二者中线处于同一轴向位置，其中线轴向位置为40％-60％轴向弦长；具体位置以及宽度根据泄漏涡的生成位置和尺寸而定。

其所述的压力面近前缘过渡段2-1和吸力面近前缘过渡段3-1为圆弧面或光滑曲面；采用圆弧面时，二者曲率半径相同，半径为20％-30％节距。

其所述的压力面近尾缘过渡段2-2和吸力面近尾缘过渡段3-2为圆弧面或光滑曲面；采用圆弧面时，二者曲率半径相同，半径为7％-15％节距。

其所述的压力面侧伸围带连接段2-3和吸力面侧伸围带连接段3-3连接不采用平面连接，以保证两部分围带的相对位置约束，并采用摩擦接触式连接方式，以保证机械运行时具有良好的振动特性，其接触间隙不大于0.5mm。

所述的压力面侧伸围带连接段2-3和吸力面侧伸围带连接段3-3采用圆弧连接、光滑曲面连接或类燕尾接口连接，采用类燕尾接口连接时，如图3所示，此接口分为直切口和斜切口两部分，两段直切口分别占总切口长度的1/8，两段斜切口分别占总切口长度的3/8，并沿中心线对称分布。

所述的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其所述的压力面近前缘翼5、吸力面近前缘翼6、压力面近尾缘翼7和吸力面近尾缘翼8均为动叶叶型型线在其外法线方向的扩展，扩展宽度不大于10％节距；具体宽度以及形状由实验或数值模拟而得的泄漏流情况而定。

所述的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其所述的前缘翼4和尾缘翼9分别为压力面近前缘翼5、吸力面近前缘翼6在前缘和压力面近尾缘翼7、吸力面近尾缘翼8在尾缘的延伸，最佳延伸起点由数值计算或实验而定；前缘翼4采用圆弧形状，尾缘翼9采用圆弧、椭圆弧或燕尾形中的一种。

所述的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其所述各部件采用统一厚度，厚度为0.5％-3％轴向弦长；其所述部件4-9中，可选取一个部件单独与压力面侧伸围带2、吸力面侧伸围带3组合使用，也可两个或多个与压力面侧伸围带2、吸力面侧伸围带3组合使用。

所述的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，可以在部分围带本体11上表面于压力面侧伸围带2和吸力面侧伸围带3处加装两条或多条密封齿12；各密封齿等高且平行等间距排列，与轴向夹角范围为0°-10°；密封齿形状为长方体，其横截面为长方形，高度和宽度范围为60％-85％的叶顶间隙高度。

本发明的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，通过了数值以及风洞实验验证，有如下技术效果：在叶轮机械中采用本发明的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，可有效降低跨叶顶的间隙泄漏量，近而降低了泄漏涡强度，削弱了通道内各涡系的相互作用，从而有效的降低了叶轮机械叶栅通道内的气动损失，此外，由于部分围带间采用摩擦接触，可以有效改善叶栅的振动特性。

附图说明

图1是现有技术中叶轮机械动叶叶尖小翼基元示意图。

图2是本发明叶轮机械动叶与部分围带三维视图。

图3是本发明具有类燕尾接口的部分围带俯视图。

图4a是本发明具有圆弧接口的部分围带加密封齿示意图。

图4b是本发明具有类燕尾接口的部分围带加密封齿示意图。

图4c是本发明C-C剖面示意图。

图5是无叶顶结构的流场结构示意图。

图6是本发明的流场结构示意图。

图中：1叶轮机械动叶叶型型线；2压力面侧伸围带；3吸力面侧伸围带；

4前缘翼；5压力面近前缘翼；6吸力面近前缘翼；7压力面近尾缘翼；

8吸力面近尾缘翼；9尾缘翼；10叶轮机械动叶；11部分围带本体；

12密封齿；2-1压力面近前缘过渡段；2-2压力面近尾缘过渡段；

2-3压力面侧伸围带连接段；3-1吸力面近前缘过渡段；

3-2吸力面近尾缘过渡段；3-3吸力面侧伸围带连接段；[1]前缘翼；

[2]压力面翼；[3]吸力面翼；[4]尾缘翼；A轴向；B周向。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明发明的具体实施方式。

如图所示，本发明的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，由压力面侧伸围带2、吸力面侧伸围带3、前缘翼4、压力面近前缘翼5、吸力面近前缘翼6、压力面近尾缘翼7、吸力面近尾缘翼8和尾缘翼9组成。

(1)根据所选取的叶轮机械动叶叶型，通过数值模拟确定泄漏涡的生成位置以及尺寸；从而确定压力面侧伸围带2和吸力面侧伸围带3的轴向位置以及宽度；并通过计算确定前缘翼4和尾缘翼9的最佳延伸起点。

(2)根据需求，选用部件4-9中的一个或多个与压力面侧伸围带2和吸力面侧伸围带3组合使用。各部件间光滑过渡，采用一体成型工艺加工。

(3)为满足强度要求，部分围带本体和动叶片应采用一体成型工艺加工，部分围带本体和密封齿之间也采用一体成型工艺加工。

如图5所示，在没有叶顶结构的叶尖流场中，泄漏流体在动叶吸力面流出并在吸力面角区形成泄漏涡，其强度和尺寸均较大。并将通道涡向叶展中部挤压，使通道涡卷吸大量主流流体，从而加强了通道涡的强度和尺寸。二者相互作用剧烈，造成了较大的气动损失。

如图6所示，在叶尖使用了部分围带叶顶结构的流场中，前缘翼、压力面近前缘翼和压力面近尾缘翼有效地降低和控制了泄漏流流量与动量。压力面侧伸围带和吸力面侧伸围带抑制了泄漏涡的发展。吸力面近前缘翼和吸力面近尾缘翼使泄漏涡远离吸力面。削弱的泄漏涡对通道涡的挤压作用降低，参与通道涡发展的主流流体减小，因而通道涡强度与尺度也得以抑制，叶栅气动性能得到明显的改善。

Claims (10)

1.一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，该叶轮机械动叶叶尖部分围带结构包括压力面侧伸围带、吸力面侧伸围带、前缘翼、压力面近前缘翼、吸力面近前缘翼、压力面近尾缘翼、吸力面近尾缘翼和尾缘翼；其中压力面侧伸围带包括压力面近前缘过渡段、压力面近尾缘过渡段和压力面侧伸围带连接段；其中吸力面侧伸围带包括吸力面近前缘过渡段、吸力面近尾缘过渡段和吸力面侧伸围带连接段；各组成部件间均为光滑过渡；部分围带本体用于叶轮机械动叶，安装于动叶顶部；

所述的压力面侧伸围带和吸力面侧伸围带为在叶片两侧伸出的围带结构，二者围带结构的宽度相同，宽度大小为10％-30％轴向弦长；二者中线处于同一轴向位置，其中线轴向位置为40％-60％轴向弦长；

所述的压力面近前缘过渡段和吸力面近前缘过渡段为圆弧面或光滑曲面；采用圆弧面时，二者曲率半径相同；半径为20％-30％节距；

所述的压力面近尾缘过渡段和吸力面近尾缘过渡段为圆弧面或光滑曲面；采用圆弧面时，二者曲率半径相同，半径为7％-15％节距；

所述的压力面侧伸围带连接段和吸力面侧伸围带连接段连接不采用平面连接，保证两部分围带的相对位置约束，并采用摩擦接触式连接方式，保证机械运行时具有良好的振动特性，其接触间隙不大于0.5mm；

所述的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，所述的压力面近前缘翼、吸力面近前缘翼、压力面近尾缘翼和吸力面近尾缘翼均为动叶叶型型线在其外法线方向的扩展，扩展宽度不大于10％节距；

所述的一种叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其所述的前缘翼和尾缘翼分别为压力面近前缘翼、吸力面近前缘翼在前缘和压力面近尾缘翼、吸力面近尾缘翼在尾缘的延伸。

2.根据权利要求1所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，所述的压力面侧伸围带连接段和吸力面侧伸围带连接段采用圆弧连接、光滑曲面连接或类燕尾接口连接。

3.根据权利要求2所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，采用类燕尾接口连接时，此接口分为直切口和斜切口两部分，两段直切口分别占总切口长度的1/8，两段斜切口分别占总切口长度的3/8，并沿中心线对称分布。

4.根据权利要求1、2或3所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，前缘翼采用圆弧形状，尾缘翼采用圆弧、椭圆弧或燕尾形。

5.根据权利要求1、2或3所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，在部分围带本体上表面于压力面侧伸围带和吸力面侧伸围带处加装两条或多条密封齿；各密封齿等高且平行等间距排列，与轴向夹角范围为0°-10°；密封齿形状为长方体，其横截面为长方形，高度和宽度范围为60％-85％的叶顶间隙高度。

6.根据权利要求4所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，在部分围带本体上表面于压力面侧伸围带和吸力面侧伸围带处加装两条或多条密封齿；各密封齿等高且平行等间距排列，与轴向夹角范围为0°-10°；密封齿形状为长方体，其横截面为长方形，高度和宽度范围为60％-85％的叶顶间隙高度。

7.根据权利要求1、2、3或6所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，上述各部件采用统一厚度，厚度为0.5％-3％轴向弦长。

8.根据权利要求4所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，上述各部件采用统一厚度，厚度为0.5％-3％轴向弦长。

9.根据权利要求5所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，上述各部件采用统一厚度，厚度为0.5％-3％轴向弦长。

10.根据权利要求1、2、3、6、8或9所述的叶轮机械动叶叶尖部分围带结构，其特征在于，前缘翼、压力面近前缘翼、吸力面近前缘翼、压力面近尾缘翼、吸力面近尾缘翼和尾缘翼中，选取一个部件单独与压力面侧伸围带、吸力面侧伸围带组合使用，或两个或多个与压力面侧伸围带、吸力面侧伸围带组合使用。