CN105626159A - 一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮 - Google Patents

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郑群
魏明
董平
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    • F05D2240/303—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor related to the leading edge of a rotor blade

Abstract

本发明提供一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，包括机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装可调静叶片和动叶片，可调静叶片在前，动叶片在后，可调静叶片的上、下端面分别设置上、下旋转轴，其轴心在同一旋转轴线上，且轴径不同，上旋转轴嵌入到机匣内，下旋转轴嵌入到轮毂内，动叶片安装在轮毂上，在动叶片前缘位置设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。本发明可在非设计工况尤其是低工况下减小甚至消除叶片前部的分离涡流，从而明显减小动叶片通道内气动损失，而且设计工况下的性能也有略微提高，整体上本发明设计的变几何涡轮具有良好的全工况特性。

Description

一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮
技术领域
本发明涉及一种变几何涡轮，尤其涉及一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮。
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调节和优化燃气轮机各部件之间的匹配，提高燃气轮机的加减速特性和低工况性能。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。
现有技术的变几何涡轮，在低工况时，关小可调静叶减小工质流量和输出功率，而可调静叶下游动叶却趋向在较大正攻角下运行，并且引起动叶吸力面前侧分离流动；在启动和加速工况，开大可调静叶以增大燃气轮机压气机喘振裕度和燃气发生器剩余功率，而下游动叶却趋向在较大负攻角下运行，造成动叶压力面出现严重分离流动。据研究表明，可调静叶关小引起的动叶吸力面三维分离涡流场将导致变几何涡轮的效率更显著的下降，并且下降的幅度高达5％。
为了减小变几何涡轮动叶前缘大攻角流动带来的不利影响，国内外研究人员提出变几何涡轮动叶要采用较大负攻角的气动设计原则，进而指导动叶片叶型设计；然而，截至目前，还未见可有效减小变几何涡轮动叶片前缘大攻角流动带来不利影响的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供可在非设计工况尤其是低工况下减小甚至消除叶片前部的分离涡流，从而明显减小动叶片通道内气动损失，而且设计工况下性能也有略微提高的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮。
本发明的目的是这样实现的：包括机匣、静叶轮毂和动叶轮毂，动叶轮毂设置在静叶轮毂旁，在机匣和静叶轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有可调静叶片、在机匣和动叶轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有动叶片，可调静叶片的上端面和下端面分别设置上旋转轴和下旋转轴，上旋转轴嵌入到机匣内，下旋转轴嵌入到静叶轮毂内，动叶片安装在动叶轮毂上，动叶轮毂里装配有轮毂旋转轴，在动叶片前缘位置设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述动叶片波浪状前缘凹陷结构的波长为叶片弦长的10％～30％，且波浪状前缘凹陷结构的波幅为叶片前缘直径的1～4倍。
2.所述动叶片波浪状前缘凹陷结构沿叶片高度方向呈等间距排列或者沿轮毂到机匣方向呈渐疏状排列。
3.所述动叶片波浪状前缘凹陷结构与叶片表面的交界处采用圆角过渡。
4.所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明受海洋生物学家们在座头鲸鳍状肢形态学方面研究工作的启发，在变几何涡轮动叶片前缘位置设置呈波浪状的凹陷结构。由于波浪状前缘凹陷结构会诱导来流形成对转的流向涡，当可调静叶转动时，对转的流向涡会与动叶片前部出现的大攻角分离流动相互作用，抵消了分离流动内的部分涡系结构，同时通过动量输运提高叶片前部流体的动量，从而提高动叶片的抗分离能力。
在设计工况下，波浪状前缘凹陷结构诱导出的流向涡也会与端区通道涡发生相互干涉，从而减弱端区通道涡的强度，并降低端区损失，尽管动叶片主流区的损失有所增加，但总体上动叶片通道内的损失有略微降低。总体上，本发明具有良好的全工况工作特性。
此外，本发明不需要增加额外的附属结构，结构相对简单，易于实现。
附图说明
图1是带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮的子午视图；
图2是带有波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮动叶片结构示意图；
图3是波浪状前缘凹陷结构的局部视图；
图4是图1中的A-A剖面图。
图中：L为波浪状前缘凹陷结构的波长，W为波浪状前缘凹陷结构的波幅。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1～2，本发明由轮毂1(包括静叶轮毂和动叶轮毂)、可调静叶片3、动叶片4和机匣6组成，在轮毂1和机匣6之间沿圆周方向均匀安装可调静叶片3和动叶片4，可调静叶片3在前，动叶片4在后，可调静叶片的上、下端面分别设置上旋转轴5、下旋转轴2，其轴心在同一旋转轴线上以便于可调静叶转动，并且上旋转轴的轴径大于下旋转轴，下旋转轴仅起定位作用，上旋转轴嵌入到机匣6内，下旋转轴嵌入到轮毂1内，动叶片4安装在轮毂1上，动叶片左右两端分别为前缘7和尾缘8，在动叶片前缘7设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构9。
结合图3～4，制造本发明的带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，首先采用传统设计方法设计好变几何涡轮可调静叶片和动叶片，然后对于给定的变几何涡轮动叶片具体结构和气动参数以及运行工况范围等情况，设计波浪状前缘凹陷结构。
具体的设计步骤如下：
(1)根据变几何涡轮动叶片来流攻角范围和叶片结构和气动参数情况，确定呈波浪状的凹陷结构的波长和波幅；
(2)根据变几何涡轮动叶片通道内流动情况和实际需求，确定动叶片波浪状前缘凹陷结构的展向排布方式。
需注意的是，所述动叶片波浪状前缘凹陷结构的波长如果较大则对分离流动的控制效果较弱，如果波长较小，凹陷结构增多，其自身带来的损失也会较大，这部分抵消了凹陷结构带来的有益效果。对于波浪状前缘凹陷结构的波幅，如果太大，对叶片自身的性能损伤较大，反之，如果太小的话，所诱导出的对转流向涡的强度太小，控制效果同样较弱。因此，所述动叶片波浪状前缘凹陷结构的波长为叶片弦长的10％～30％，且波浪状前缘凹陷结构的波幅为叶片前缘直径的1～4倍。
另外，考虑到变几何涡轮在设计工况下动叶片通道内分离涡流呈三维流动特性，且从轮毂端壁产生并沿展向发展，因此所述动叶片波浪状前缘凹陷结构沿叶片高度方向呈等间距排列，或者沿轮毂到机匣方向呈渐疏状排列。
考虑到加工以及动叶片通道内流动对光滑壁面的要求，所述动叶片波浪状前缘凹陷结构与叶片表面的交界处采用圆角过渡。
一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，包括机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装可调静叶片和动叶片，可调静叶片在前，动叶片在后，可调静叶片的上、下端面分别设置上、下旋转轴，其轴心在同一旋转轴线上，且轴径不同，上旋转轴嵌入到机匣内，下旋转轴嵌入到轮毂内，动叶轮毂设置在静叶轮毂旁，动叶片安装在动叶轮毂上，动叶轮毂里装配有轮毂旋转轴，其特征是：在动叶片前缘位置设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。
本发明还可以包括：
1、所述动叶片波浪状前缘凹陷结构的波长为叶片弦长的10％～30％，且波浪状前缘凹陷结构的波幅为叶片前缘直径的1～4倍。
2、所述动叶片波浪状前缘凹陷结构沿叶片高度方向呈等间距排列，或者沿轮毂到机匣方向呈渐疏状排列。
3、所述动叶片波浪状前缘凹陷结构与叶片表面的交界处采用圆角过渡。
本发明的目的在于提供一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，包括机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装可调静叶片和动叶片，可调静叶片在前，动叶片在后，可调静叶片的上、下端面分别设置上、下旋转轴，其轴心在同一旋转轴线上，且轴径不同，上旋转轴嵌入到机匣内，下旋转轴嵌入到轮毂内，动叶片安装在轮毂上，在动叶片前缘位置设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。本发明设计的带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮可在非设计工况尤其是低工况下减小甚至消除叶片前部的分离涡流，从而明显减小动叶片通道内气动损失，而且设计工况下的性能也有略微提高，整体上本发明设计的变几何涡轮具有良好的全工况特性。

Claims (9)

1.一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，包括机匣、静叶轮毂和动叶轮毂，动叶轮毂设置在静叶轮毂旁，在机匣和静叶轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有可调静叶片、在机匣和动叶轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有动叶片，可调静叶片的上端面和下端面分别设置上旋转轴和下旋转轴，上旋转轴嵌入到机匣内，下旋转轴嵌入到静叶轮毂内，动叶片安装在动叶轮毂上，动叶轮毂里装配有轮毂旋转轴，其特征是：在动叶片前缘位置设置沿叶片高度方向间隔排列的呈波浪状的凹陷结构。
2.根据权利要求1所述的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，其特征是：所述动叶片波浪状前缘凹陷结构的波长为叶片弦长的10％～30％，且波浪状前缘凹陷结构的波幅为叶片前缘直径的1～4倍。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，其特征是：所述动叶片波浪状前缘凹陷结构沿叶片高度方向呈等间距排列或者沿轮毂到机匣方向呈渐疏状排列。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，其特征是：所述动叶片波浪状前缘凹陷结构与叶片表面的交界处采用圆角过渡。
5.根据权利要求3所述的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，其特征是：所述动叶片波浪状前缘凹陷结构与叶片表面的交界处采用圆角过渡。
6.根据权利要求1或2所述的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，其特征是：所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
7.根据权利要求3所述的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，其特征是：所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
8.根据权利要求4所述的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，其特征是：所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
9.根据权利要求5所述的一种带有动叶片波浪状前缘凹陷结构的变几何涡轮，其特征是：所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
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