CN104989529B - 控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统 - Google Patents

Abstract

控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，属于涡轮机技术领域。它能控制涡轮叶栅顶部端区流动，减小端区流动损失，且可靠性高，工艺简单，无需额外能量注入系统。涡轮上游叶栅表面或者涡轮上游叶栅顶部的机匣上设置有若干个引气孔，涡轮下游叶栅表面或者涡轮下游叶栅顶部的机匣上设置有若干个射流孔，若干个引气孔通过若干根管道与若干个射流孔相连通。也可将若干个引气孔与引气储气室连通，将若干个射流孔与射流储气室连通，引气储气室与射流储气室之间通过管道连通。本发明用于控制控制涡轮叶栅顶部端区流动。

Description

控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统

技术领域

本发明涉及一种控制涡轮叶栅顶部端区流动的引气射流系统，属于涡轮机技术领域。

背景技术

涡轮是航空发动机、地面燃气轮机、蒸汽轮机等动力和发电装置的核心部件，其性能直接制约、决定整个机组的经济性和可靠性。涡轮叶栅顶部端区流动(包括端壁附面层横向迁移、泄漏流动、角区分离)是影响涡轮叶栅性能的主要因素之一，尤其是随着涡轮负荷的增加，其导致的流动损失可占总损失的50％甚至更多，从而极大的影响了涡轮的效率。

附面层抽吸和吹除是两种典型的控制涡轮叶栅顶部端区流动的技术，现有方法往往单独考虑其中一种，因此需要复杂的管道和抽吸、吹除驱动系统，且管道流动损失较大，稳定性可靠性低，工艺复杂，需要额外能量注入系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，它能控制涡轮叶栅顶部端区流动，减小端区流动损失，且可靠性高，工艺简单，无需额外能量注入系统。

本发明解决上述问题采取的技术方案分别是：

方案一：控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述涡轮叶栅包括涡轮上游叶栅和涡轮下游叶栅，所述涡轮上游叶栅表面或者涡轮上游叶栅顶部的机匣上设置有若干个引气孔，所述涡轮下游叶栅表面或者涡轮下游叶栅顶部的机匣上设置有若干个射流孔，所述若干个引气孔通过若干根连接管道与若干个射流孔相连通。

方案二：控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述涡轮叶栅包括涡轮上游叶栅和涡轮下游叶栅，所述涡轮上游叶栅表面或者涡轮上游叶栅顶部的机匣上设置有若干个引气孔，所述若干个引气孔与引气储气室连通；所述涡轮下游叶栅表面或者涡轮下游叶栅顶部的机匣上设置有若干个射流孔，所述若干个射流孔与射流储气室连通，所述引气储气室与射流储气室之间通过连接管道连通。

对于现有技术的有益效果是：

1、本发明的方案一通过在涡轮上游叶栅顶部的机匣上开引气孔，在涡轮下游叶栅顶部的机匣上开射流孔，利用管道将二者连通，利用涡轮多级流道内沿流向顺压梯度，实现在涡轮上游叶栅顶部的机匣引气和在涡轮下游叶栅顶部的机匣射流，以改善涡轮上下游叶栅端区流动，减小损失，提高涡轮效率。

2、本发明的方案一利用涡轮上下游压差自动实现涡轮上游叶栅的机匣引气和涡轮下游叶栅的机匣射流，不需要引气和射流驱动系统，成本低、稳定性好，工艺简单。

3、本发明的方案二基于涡轮上下游叶栅的压差采用被动式引气原理，高压气体经引气孔进入引气储气室；之后，经射流孔和射流储气室进入涡轮下游叶栅流道。由于涡轮叶栅通道从上游至下游压力依次降低，通过整个闭环式引气射流系统利用涡轮上下游叶栅通道内的压差实现自动引气的目的。

4、本发明容易在新型涡轮机设计中采用，没有结构、机械强度以及气动设计等方面的难点问题，可靠性高，工艺简单，无需额外能量注入系统，极易将该技术应用到现有发动机或者发电机组上。

5、本发明可减小涡轮叶栅顶部端区低能流体导致的流动损失3％以上，提高涡轮气动效率1％以上，适用于航空发动机、地面燃气轮机、蒸汽轮机等动力装置。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图，其中若干个引气孔设置在涡轮上游叶栅表面，若干个射流孔设置在涡轮下游叶栅表面；

图2是本发明中设置有引气储气室、射流储气室的整体结构主视图；

图3是本发明的整体结构主视图，其中若干个引气孔设置在涡轮上游叶栅顶部的机匣上，若干个射流孔设置在涡轮下游叶栅顶部的机匣上；

图4是表示引气孔的结构参数的示意图；

图5是表示射流孔的结构参数的示意图；

图6是实施例1的示意图。

图中：涡轮上游叶栅1、涡轮下游叶栅2、涡轮上游叶栅顶部的机匣3、引气孔4、涡轮下游叶栅顶部的机匣5、射流孔6、连接管道7、控制阀8、引气储气室9、射流储气室10、第一级静叶11、第一级动叶12、第二级静叶13。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1及图3所示，控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述涡轮叶栅包括涡轮上游叶栅1和涡轮下游叶栅2，所述涡轮上游叶栅1表面或者涡轮上游叶栅1顶部的机匣3上设置有若干个引气孔4，所述涡轮下游叶栅2表面或者涡轮下游叶栅2顶部的机匣5上设置有若干个射流孔6，所述若干个引气孔4通过若干根连接管道7与若干个射流孔6相连通。

即从涡轮上游叶栅1或者涡轮上游叶栅1顶部的机匣3引气，经连接管道7引至涡轮下游叶栅2内或者涡轮下游叶栅2顶部的机匣5内。利用涡轮上、下游叶栅通道内的压差实现自动引气与射流。

上述方案有四种组合方式：

组合方式一：设置在涡轮上游叶栅1表面上的若干个引气孔4通过若干根连接管道7与设置在涡轮下游叶栅2表面上的若干个射流孔6相连通。能自动实现涡轮上游叶栅1表面的附面层吸除和涡轮下游叶栅2表面的射流控制。

组合方式二：设置在涡轮上游叶栅1表面上的若干个引气孔4通过若干根连接管道7与设置在涡轮下游叶栅2顶部的机匣5上的若干个射流孔6相连通。可自动实现涡轮上游叶栅1表面的附面层吸除和涡轮下游叶栅顶部的机匣5处的射流控制。

组合方式三：设置在涡轮上游叶栅1顶部的机匣3上的若干个引气孔4通过若干根连接管道7与设置在涡轮下游叶栅2表面上的若干个射流孔6相连通。可自动实现涡轮上游叶栅顶部的机匣3的附面层吸除和涡轮下游叶栅2表面处的射流控制。

组合方式四：设置在涡轮上游叶栅1顶部的机匣3上的若干个引气孔4通过若干根连接管道7与设置在涡轮下游叶栅2顶部的机匣5上的若干个射流孔6相连通。可自动实现涡轮上游叶栅顶部的机匣3的附面层吸除和涡轮下游叶栅顶部的机匣5处的射流控制。

利用涡轮上下游压差实现相邻或相近的叶栅流道的自动引气射流，从而达到控制涡轮上游叶栅1及涡轮下游叶栅2端区流动(包括端壁二次流、叶顶间隙流、角区低能流体堆积等)的目的。

引气孔4与射流孔6通过连接管道7连接起来，结构简单，由于流道从进至出压降大，可以直接在相邻或者相近的涡轮上下游叶栅间采用以上闭环式引气射流系统，连接管道7长度短、损失小。为了减小引气在连接管道7中流动的损失，连接管道7尽量采用直管，并合理选择连接管道7管径。

具体实施方式二：如图3所示，具体实施方式一所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，设置在涡轮上游叶栅1顶部的机匣3上的若干个引气孔4沿涡轮上游叶栅1顶部的机匣3圆周侧壁均匀设置；设置在涡轮下游叶栅2顶部的机匣5上的若干个射流孔6沿涡轮下游叶栅2顶部的机匣5圆周侧壁均匀设置(引气孔4和射流孔6的形状可为圆孔或方孔或其他形状)。本实施方式具有不影响涡轮叶栅和机匣几何结构，附加装置少，整体尺寸小、结构重量小的特点。

具体实施方式三：如图1～图3所示，具体实施方式一所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，每根所述连接管道7上均安装有控制阀8，且所述控制阀8设置在引气孔4与射流孔6之间(根据不同的工作条件和需求实施主动流动控制)。控制阀8的结构形式不限。

所述连接管道7也称为气道，本发明中，可以不在气道上安装任何形式的控制系统，作为闭式被动控制。

具体实施方式四：如图1～图5所示，具体实施方式一、二或三所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述引气孔4的结构参数包括引气孔4的周向位置A1、轴向位置B1、倾角α1和偏角β1；所述引气孔4的周向位置A1为引气孔4中心至涡轮上游叶栅前缘C1的距离，所述引气孔4的轴向位置B1为引气孔4中心至涡轮上游叶栅额线D1的距离，所述引气孔4的倾角α1为引气孔4的吸气方向在涡轮上游叶栅1顶部的机匣3表面上的投影与引气孔4的吸气方向之间的夹角，所述引气孔4的偏角β1为引气孔4的吸气方向在涡轮上游叶栅1顶部的机匣3表面上的投影与涡轮上游叶栅1顶部的机匣3轴向之间的夹角；

所述射流孔6的结构参数包括射流孔6的周向位置A2、轴向位置B2、倾角α2和偏角β2；所述射流孔6的周向位置A2为射流孔6中心至涡轮下游叶栅前缘C2的距离，所述射流孔6的轴向位置B2为射流孔6中心至涡轮下游叶栅额线D2的距离，所述射流孔6的倾角α2为射流孔6的吹气方向在涡轮下游叶栅2顶部的机匣5表面上的投影与射流孔6的吹气方向之间的夹角，所述射流孔6的偏角β2为射流孔6的吹气方向在涡轮下游叶栅2顶部的机匣5表面上的投影与涡轮下游叶栅2顶部的机匣5轴向之间的夹角。

为了得到最佳流动控制效果和损失减小量，引气孔4和射流孔6形状、大小以及开设方向及开设位置等，可根据具体涡轮几何参数和内部流动特点来确定。通过合理设计引气孔4的开设位置及开设方向可达到控制上游端壁二次流、减小端区损失的目的，引气孔4结构参数主要包括轴向位置、周向位置、射流孔直径、倾角及偏角。同理，涡轮下游叶栅2流道内的射流旋涡强度、方向等特性也主要受射流孔6轴向位置、周向位置、射流孔直径、倾角、偏角的影响。在具体实施过程中，可通过以上引气孔4和射流孔6参数的优化选取，以较好的控制涡轮上游引气通道二端区流动并通过射流旋涡较好的控制涡轮下游动叶或者静叶顶部流动。

具体实施方式五：如图2所示，控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述涡轮叶栅包括涡轮上游叶栅1和涡轮下游叶栅2，所述涡轮上游叶栅1表面或者涡轮上游叶栅1顶部的机匣3上设置有若干个引气孔4，所述若干个引气孔4与引气储气室9连通；所述涡轮下游叶栅2表面或者涡轮下游叶栅2顶部的机匣5上设置有若干个射流孔6，所述若干个射流孔6与射流储气室10连通，所述引气储气室9与射流储气室10之间通过连接管道7连通。

所述连接管道7两端与引气储气室9和射流储气室10采用焊接方式或者螺纹连接方式连接。为了减小引气在连接管道7中流动的损失，连接管道7尽量采用直管，并合理选择连接管道7管径。

具体实施方式六：如图2所示，具体实施方式五所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，设置在涡轮上游叶栅1顶部的机匣3上的若干个引气孔4沿涡轮上游叶栅1顶部的机匣3圆周侧壁均匀设置；设置在涡轮下游叶栅2顶部的机匣5上的若干个射流孔6沿涡轮下游叶栅2顶部的机匣5圆周侧壁均匀设置(引气孔4和射流孔6的形状可为圆孔或方孔或其他形状)。本实施方式具有不影响涡轮叶片和机匣几何结构，附加装置少，整体尺寸小、结构重量小的特点。

具体实施方式七：如图2所示，具体实施方式五所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述连接管道7上安装有控制阀8，且所述控制阀8设置在引气孔4与射流孔6之间(根据不同的工作条件和需求实施主动流动控制)。控制阀8的形式不限。

所述连接管道7也称为气道，本发明中，可以不在气道上安装任何形式的控制系统，作为闭式被动控制。

具体实施方式八：如图2、图4及图5所示，具体实施方式五、六或七所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述引气孔4的结构参数包括引气孔4的周向位置A1、轴向位置B1、倾角α1和偏角β1；所述引气孔4的周向位置A1为引气孔4中心至涡轮上游叶栅前缘C1的距离，所述引气孔4的轴向位置B1为引气孔4中心至涡轮上游叶栅额线D1的距离，所述引气孔4的倾角α1为引气孔4的吸气方向在涡轮上游叶栅1顶部的机匣3表面上的投影与引气孔4的吸气方向之间的夹角，所述引气孔4的偏角β1为引气孔4的吸气方向在涡轮上游叶栅1顶部的机匣3表面上的投影与涡轮上游叶栅1顶部的机匣3轴向之间的夹角；

所述射流孔6的结构参数包括射流孔6的周向位置A2、轴向位置B2、倾角α2和偏角β2；所述射流孔6的周向位置A2为射流孔6中心至涡轮下游叶栅前缘C2的距离，所述射流孔6的轴向位置B2为射流孔6中心至涡轮下游叶栅额线D2的距离，所述射流孔6的倾角α2为射流孔6的吹气方向在涡轮下游叶栅2顶部的机匣5表面上的投影与射流孔6的吹气方向之间的夹角，所述射流孔6的偏角β2为射流孔6的吹气方向在涡轮下游叶栅2顶部的机匣5表面上的投影与涡轮下游叶栅2顶部的机匣5轴向之间的夹角。

为了得到最佳流动控制效果和损失减小量，引气孔4和射流孔6形状、大小以及开设方向及开设位置等，可根据具体涡轮几何参数和内部流动特点来确定。通过合理设计引气孔4的开设位置及开设方向可达到控制上游端壁二次流、减小端区损失的目的，引气孔4结构参数主要包括轴向位置、周向位置、射流孔直径、倾角及偏角。同理，涡轮下游叶栅2流道内的射流旋涡强度、方向等特性也主要受射流孔轴向位置、周向位置、射流孔直径、倾角、偏角的影响。在具体实施过程中，可通过以上引气孔4射流孔6的优化选取，以较好的控制涡轮上游引气通道二端区流动并通过射流旋涡较好的控制涡轮下游动叶或者静叶顶部流动，，从而减小涡轮多级损失2.0％以上，改善其气动性能、提高其工作效率0.5％以上。

实施例1：

图6给出了在某一级半涡轮上游第一级静叶栅机匣位置布置引气孔4、而在下游第二级静叶栅机匣位置布置射流孔6的实施方案，其中引气孔4在叶栅前缘40％弦长以后位置，距离吸力面30％节距，偏角β1为40°、倾角α1为20°，射流孔6在叶栅前缘5％弦长之前位置，距离吸力面10％节距，偏角β2为90°、倾角α2为20°，见图4。该方案中，引气流量可达总流量的0.5％，第二级静叶13能量损失系数降低约9.5％，整机效率提高约1.1％。

本发明的工作原理是：利用涡轮多级从流道内沿流向顺压力梯度，通过在涡轮上游叶栅表面或者涡轮上游叶栅顶部的机匣上设置有若干个引气孔，在涡轮下游叶栅表面或者涡轮下游叶栅顶部的机匣上设置有若干个射流孔，并利用连接管道将二者连通，从而形成闭式引气射流系统。本发明的创新之处在于可同时控制涡轮上游叶栅和涡轮下游叶栅顶部端区二次流，结构简单，不需要复杂的管道和引气、射流驱动系统，采用连接管道直接连接时可作为被动控制系统，在连接管道上安装控制阀可作为主动控制系统。其具体作用机制为：在涡轮上游叶栅表面或者涡轮上游叶栅顶部的机匣上开设引气孔，对涡轮上游叶栅顶部端区附面层具有抽吸效应，可减弱端区二次流及其在吸力面角区的低能流体堆积。射流在涡轮下游叶栅中的应用主要包括以下两种：一是在涡轮下游动叶顶部控制间隙流动，二是在涡轮下游静叶顶部机匣上控制端区二次流。由于涡轮上下游压差较大，可以获得较大的射流速度，射流气体既可以直接为机匣、叶片等端壁位置附面层注入能量，又可以将其作为射流漩涡发生器，实现“以涡制涡”的流动控制。

由于涡轮沿流向膨胀做功，压力降低，通过引气孔、管道及射流孔可以自动实现对涡轮上游叶栅顶部端区附面层的抽吸效应并在涡轮下游叶栅顶部端区产生射流。为了达到射流的最佳利用效果，可将射流孔与来流按一定角度偏斜(该角度通常设计为15°～90°)，作为射流漩涡发生器，从而实现“以涡制涡”，并加剧叶栅顶部端区低能流体与主流的能量交换。射流气体也可直接用于叶栅顶部端区附面层吹除和对其注入能量。以上两种方式均可较好的控制叶栅顶部端区流动。

Claims (8)

1.一种控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述涡轮叶栅包括涡轮上游叶栅(1)和涡轮下游叶栅(2)，其特征在于：所述涡轮上游叶栅(1)表面或者涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)上设置有若干个引气孔(4)，所述涡轮下游叶栅(2)表面或者涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)上设置有若干个射流孔(6)，所述若干个引气孔(4)通过若干根连接管道(7)与若干个射流孔(6)相连通。

2.根据权利要求1所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，其特征在于：设置在涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)上的若干个引气孔(4)沿涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)圆周侧壁均匀设置；设置在涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)上的若干个射流孔(6)沿涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)圆周侧壁均匀设置。

3.根据权利要求1所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，其特征在于：每根所述连接管道(7)上均安装有控制阀(8)，且所述控制阀(8)设置在引气孔(4)与射流孔(6)之间。

4.根据权利要求1、2或3所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，其特征在于：所述引气孔(4)的结构参数包括引气孔(4)的周向位置(A1)、轴向位置(B1)、倾角(α1)和偏角(β1)；所述引气孔(4)的周向位置(A1)为引气孔(4)中心至涡轮上游叶栅前缘(C1)的距离，所述引气孔(4)的轴向位置(B1)为引气孔(4)中心至涡轮上游叶栅额线(D1)的距离，所述引气孔(4)的倾角(α1)为引气孔(4)的吸气方向在涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)表面上的投影与引气孔(4)的吸气方向之间的夹角，所述引气孔(4)的偏角(β1)为引气孔(4)的吸气方向在涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)表面上的投影与涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)轴向之间的夹角；

所述射流孔(6)的结构参数包括射流孔(6)的周向位置(A2)、轴向位置(B2)、倾角(α2)和偏角(β2)；所述射流孔(6)的周向位置(A2)为射流孔(6)中心至涡轮下游叶栅前缘(C2)的距离，所述射流孔(6)的轴向位置(B2)为射流孔(6)中心至涡轮下游叶栅额线(D2)的距离，所述射流孔(6)的倾角(α2)为射流孔(6)的吹气方向在涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)表面上的投影与射流孔(6)的吹气方向之间的夹角，所述射流孔(6)的偏角(β2)为射流孔(6)的吹气方向在涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)表面上的投影与涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)轴向之间的夹角。

5.一种控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，所述涡轮叶栅包括涡轮上游叶栅(1)和涡轮下游叶栅(2)，其特征在于：所述涡轮上游叶栅(1)表面或者涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)上设置有若干个引气孔(4)，所述若干个引气孔(4)与引气储气室(9)连通；所述涡轮下游叶栅(2)表面或者涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)上设置有若干个射流孔(6)，所述若干个射流孔(6)与射流储气室(10)连通，所述引气储气室(9)与射流储气室(10)之间通过连接管道(7)连通。

6.根据权利要求5所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，其特征在于：设置在涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)上的若干个引气孔(4)沿涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)圆周侧壁均匀设置；设置在涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)上的若干个射流孔(6)沿涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)圆周侧壁均匀设置。

7.根据权利要求5所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，其特征在于：所述连接管道(7)上安装有控制阀(8)，且所述控制阀(8)设置在引气孔(4)与射流孔(6)之间。

8.根据权利要求5、6或7所述控制涡轮叶栅顶部端区流动的闭环式引气射流系统，其特征在于：所述引气孔(4)的结构参数包括引气孔(4)的周向位置(A1)、轴向位置(B1)、倾角(α1)和偏角(β1)；所述引气孔(4)的周向位置(A1)为引气孔(4)中心至涡轮上游叶栅前缘(C1)的距离，所述引气孔(4)的轴向位置(B1)为引气孔(4)中心至涡轮上游叶栅额线(D1)的距离，所述引气孔(4)的倾角(α1)为引气孔(4)的吸气方向在涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)表面上的投影与引气孔(4)的吸气方向之间的夹角，所述引气孔(4)的偏角(β1)为引气孔(4)的吸气方向在涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)表面上的投影与涡轮上游叶栅(1)顶部的机匣(3)轴向之间的夹角；

所述射流孔(6)的结构参数包括射流孔(6)的周向位置(A2)、轴向位置(B2)、倾角(α2)和偏角(β2)；所述射流孔(6)的周向位置(A2)为射流孔(6)中心至涡轮下游叶栅前缘(C2)的距离，所述射流孔(6)的轴向位置(B2)为射流孔(6)中心至涡轮下游叶栅额线(D2)的距离，所述射流孔(6)的倾角(α2)为射流孔(6)的吹气方向在涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)表面上的投影与射流孔(6)的吹气方向之间的夹角，所述射流孔(6)的偏角(β2)为射流孔(6)的吹气方向在涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)表面上的投影与涡轮下游叶栅(2)顶部的机匣(5)轴向之间的夹角。