CN105715585B - 可变几何出口导叶 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种可变几何出口导叶，所述出口导叶包括进口可调段、出口固定段，进口可调段尾缘、与出口固定段前缘之间存在一间隙；该间隙由两段光滑曲线组成，通过该间隙连通压力面和吸力面，利用压力面与吸力面之间的压差，将小部分气流经缝隙自凹面引入凸面，以便吹薄附面层，减小损失，增大气流转折角。本发明提出的压气机的可变几何出口导叶，通过调整出口导叶前部的位置，避免在变工况下运行时，由于导叶进口冲角过大，造成流动分离或者堵塞，同时由于导叶后部保持不动，导叶转动对排气扩散段与燃烧室流动影响很小。

Description

可变几何出口导叶

技术领域

本发明属于叶轮机械设备技术领域，涉及一种压气机，尤其涉及一种压气机的可变几何出口导叶。

背景技术

压气机在设计工况下运行时，流体能较好的附着在叶型上，不会发生较大的分离。但当压气机在小流量下运行时，导叶进口出现较大正冲角，气流将会在叶型背弧发生分离，分离区随着冲角的增加而迅速严重的发展，最终导致压气机流动的失速；当压气机在大流量下运行时，导叶进口会出现较大的负冲角，当负冲角达到一定程度时容易造成叶片通道的堵塞，降低压气机的通流能力。

为了避免压气机在变工况下运行时发生失速或者堵塞，可以将导叶设计成可转的，以保证在非设计工况下的进口冲角都保持在设计冲角附近。但对于出口导叶而言，需要考虑到燃烧室以及排气扩散段对导叶出口气流角的要求，如果出口导叶为整体旋转，当调整量过大的时候，导叶的出口气流角会较大偏离设计工况，对排气扩散段和燃烧室的流动造成不利影响，因此最好设计一种分段出口导叶，能够对出口导叶的前段进行调节，后段则固定不动。

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的出口导叶，以便克服现有出口导叶的上述缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种可变几何出口导叶，可避免在变工况下运行时，由于导叶进口冲角过大，造成流动分离或者堵塞。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种可变几何出口导叶，所述出口导叶包括进口可调段、出口固定段，进口可调段尾缘、与出口固定段前缘之间存在一间隙；

该间隙由两段光滑曲线组成，通过该间隙连通压力面和吸力面，利用压力面与吸力面之间的压差，将小部分气流经缝隙自凹面引入凸面，以便吹薄附面层，减小损失，增大气流转折角；

进口可调段为非对称叶型；进口可调段包括可调段吸力面、可调段前缘、可调段压力面、调节机构转轴、可调段尾缘；叶型的可调段压力面与可调段吸力面从可调段前缘到可调段尾缘连续的弯曲，使得流体在叶片通道中平稳的减速扩压，在冲角较小时，流体能够较好地贴合在叶型表面，为后面出口固定段提供一个较好速度分布的来流；将可调段尾缘设置成光滑曲线，增加进口可调段的调节范围和减小对后半段气流的影响；

出口固定段也为非对称叶型；出口固定段包括固定段前缘、固定段压力面、固定段吸力面；将固定段前缘设置成光滑曲线，避免进口可调段来流对固定段前缘造成冲击；出口固定段叶型的固定段压力面与固定段吸力面从固定段前缘到固定段尾缘连续的弯曲，平滑地给气流以转折，出口固定段比进口可调段长且更为平直；

在进口可调段尾缘处设置调节机构转轴；调节机构转轴与伺服器和传动机构连接，完成进口调节段姿态的调整；

一种可变几何出口导叶，所述出口导叶包括进口可调段、出口固定段，进口可调段尾缘、与出口固定段前缘之间存在一间隙；

该间隙由两段光滑曲线组成，通过该间隙连通压力面和吸力面，利用压力面与吸力面之间的压差，将小部分气流经缝隙自凹面引入凸面，以便吹薄附面层，减小损失，增大气流转折角。

作为本发明的一种优选方案，进口可调段为非对称叶型；进口可调段包括可调段吸力面、可调段前缘、可调段压力面、调节机构转轴、可调段尾缘；叶型的可调段压力面与可调段吸力面从可调段前缘到可调段尾缘连续的弯曲，使得流体在叶片通道中平稳的减速扩压，在冲角较小时，流体能够较好地贴合在叶型表面，为后面出口固定段提供一个较好速度分布的来流；将可调段尾缘设置成光滑曲线，增加进口可调段的调节范围和减小对后半段气流的影响。

作为本发明的一种优选方案，出口固定段也为非对称叶型；出口固定段包括固定段前缘、固定段压力面、固定段吸力面；将固定段前缘设置成光滑曲线，避免进口可调段来流对固定段前缘造成冲击；出口固定段叶型的固定段压力面与固定段吸力面从固定段前缘到固定段尾缘连续的弯曲，平滑地给气流以转折，出口固定段比进口可调段长且更为平直。

作为本发明的一种优选方案，在进口可调段尾缘处设置调节机构转轴；调节机构转轴与伺服器和传动机构连接，完成进口调节段姿态的调整。

作为本发明的一种优选方案，所述的出口导叶前缘叶中部位焊有探针，探针沿周向均匀分布，探针测得的三维流场速度信息传输到信号处理中心，在信号处理中心完成信号分析后，向出口导叶调节机构发出调节指令，步进调节出口导叶安装角；

出口导叶分为可调段和固定段；导叶调节机构对出口导叶可调段安装角进行调节，调节机构转轴位于可调段尾缘附近；

进口可调段为非对称叶型，可调段压力面与可调段吸力面从可调段前缘到可调段尾缘连续的弯曲，使得流体在叶片通道中平稳的减速扩压，在冲角较小时，流体能够较好地贴合在叶型表面，为后面出口固定段提供一个较好速度分布的来流；

出口固定段也为非对称叶型出口固定段叶型的固定段压力面与固定段吸力面从固定段前缘到固定段尾缘连续的弯曲，平滑地给气流以转折，出口固定段比进口可调段长且更为平直；

进口可调段尾缘、与出口固定段前缘之间存在一间隙；该间隙由两段光滑曲线组成，通过该间隙连通压力面和吸力面，利用压力面与吸力面之间的压差，将小部分气流经缝隙自凹面引入凸面，以便吹薄附面层，减小损失，增大气流转折角。

本发明的有益效果在于：本发明提出的压气机及其可变几何出口导叶，通过调整出口导叶前部的位置，避免压气机在变工况下运行时，由于导叶进口冲角过大，造成流动分离或者堵塞。调整过后出口导叶前部冲角较小，气流得以平顺的流经出口导叶，完成气流的转折，流动损失大大减小，压气机的效率得以提高，同时由于流动的改善，导叶出口流场更为均匀，为排气扩散段和燃烧室提供了较好的来流条件。本发明的方法在压气机处于变工况运行时，改善了压气机的出口流场，计算表明通过采用变几何出口导叶，压气机部分工况下的效率最高可以提高0.82％，整个燃气轮机机组效率可以提高0.45％，这对于电厂运行经济效益的提高和节能减排的目标实现具有积极的意义。

附图说明

图1为一种可以使用本发明的出口导叶的压气机子午通流截面图；

图2为在可调段安装角处于开大的位置时图1的A-A向剖面图；

图3为在可调段安装角处于关小的位置时图1的A-A向剖面图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

请参阅图1至图3，本发明揭示一种压气机，包括气缸10、轮毂11、动叶13、静叶14、进口导叶12、可变几何出口导叶30、导叶调节控制系统。

图1展示了一台压气机的子午通流示意图，压气机的通流由动叶13、静叶14以及气缸10、轮毂11组成。气体流经进口导叶12，在进口导叶12出口给动叶13预旋，随后在动叶13、静叶14中压缩成高压的气体，温度也随之升高。压缩空气在轮毂11和气缸10之间的通道内流动；动叶13安装在轮毂11上，静叶14安装在气缸10上，气流在动静叶14叶片以及轮毂11和气缸10之间的通道内流动，获得增压；高压气体从出口导叶30流出后，经过排气扩散段进入燃烧室。

所述可变几何出口导叶30包括进口可调段301、出口固定段302，进口可调段301包括可调段吸力面31、可调段前缘32、可调段压力面33、调节机构转轴34、可调段尾缘35，出口固定段302包括固定段前缘36、固定段压力面37、固定段吸力面38。可调段尾缘35、固定段前缘36之间存在一间隙。

进口可调段301为非对称叶型；叶型的可调段压力面33与可调段吸力面31从前缘32到尾缘35连续的弯曲，使得流体在叶片通道中平稳的减速扩压，在冲角较小时，流体能够较好地贴合在叶型表面，为后面固定段提供一个较好速度分布的来流；将进口可调段301的尾缘35设置成光滑曲线，增加可调段的调节范围和减小对后半段气流的影响。

出口固定段302也为非对称叶型；将前缘36部分设置成光滑曲线，避免进口可调段来流对出口固定段302的前缘36造成冲击；出口固定段302叶型的压力面37与吸力面38从前缘36到尾缘连续的弯曲，平滑地给气流以转折，出口固定段比进口可调段长且更为平直。

在可调段尾缘35处设置调节机构转轴34；调节机构转轴34与伺服器和传动机构连接，完成进口调节段姿态的调整。

所述导叶调节控制系统包括依次连接的信号采集模块、信号处理中心、伺服器、调节机构；调节机构与出口导叶的进口可调段连接，调节进口可调段的角度。

所述信号采集模块包括在出口导叶前缘叶中部位焊有的探针20，以及沿该探针周向均匀分布的若干个探针；探针测得的三维空间的气流速度场传输到信号处理中心，气流速度场包括流速的大小、流速的方向。

在该信号处理中心完成流场数据的处理，并根据储存的出口导叶的叶型数据以及出口导叶的安装角信息，结合探针的校准曲线，计算出压气机叶中部分前缘处的冲角，若冲角小于阈值，则不进行调节，如果大于阈值，则向出口导叶伺服器发出调节信号，由伺服器带动出口导叶的调节机构，调整前段可调部分的出口导叶安装角。

当探针测得的出口导叶前缘出现大的正冲角时，则出口导叶的进口段的安装角必须往远离轴向方向开大，以减小在前缘处的正冲角，防止发生流动分离甚至失速。根据探针测得压力信号，数据采集和处理中心向出口导叶伺服器发出调节指令，出口导叶的调节机构根据指令步进增加出口导叶的安装角。在调整完成以后，根据调整后的探针测得的进口导叶冲角值，如在阈值以内，则停止向伺服调节器发出调节指令，出口导叶的安装角调整完成。

当探针测得的出口导叶前缘出现大的负冲角时，则出口导叶的进口段的安装角必须往靠近轴向方向关小，以减小在前缘处的负冲角，防止发生流动堵塞。根据探针测得压力信号，数据采集和处理中心向出口导叶伺服器发出调节指令，出口导叶的调节机构根据指令步进减小出口导叶的安装角。在调整完成以后，根据调整后的探针测得的进口导叶冲角值，如在阈值以内，则停止向伺服调节器发出调节指令，出口导叶的安装角调整完成。

此外，导叶调节控制系统还包括静叶调节机构，静叶调节机构与出口导叶伺服调节器一起完成出口导叶安装角的调整。

实施例二

为了避免压气机在变工况下运行时发生失速或者堵塞，同时考虑到燃烧室以及排气扩散段对导叶出口气流角的要求，将出口设计成分段调节，前段可调，后段固定，既能保证在非设计工况下的进口冲角不会过大，又能避免出口气流角变化对排气扩散段的流动产生不利影响。

本实施例中，可变几何出口导叶包括进口可调段、出口固定段，进口可调段尾缘、与出口固定段前缘之间存在一间隙；该间隙不宜过大或过小。该间隙由两段光滑曲线组成，通过该间隙连通压力面和吸力面，利用压力面与吸力面之间的压差，将小部分气流经缝隙自凹面引入凸面，以便吹薄附面层，减小损失，增大气流转折角。

进口可调段为非对称叶型。叶型的压力面与吸力面从前缘到尾缘连续的弯曲，使得流体在叶片通道中平稳的减速扩压，在冲角较小时，流体能够较好地贴合在叶型表面，为后面固定段提供一个较好速度分布的来流。为了增加可调段的调节范围和减小对后半段气流的影响，将进口可调段的尾缘设置成光滑曲线。进口可调段的调整是有范围的。

出口固定段也为非对称叶型。为了避免进口段来流对固定段前缘造成冲击，将前缘部分设置成光滑曲线。出口段叶型的压力面与吸力面从前缘到尾缘连续的弯曲，平滑地给气流以转折，相比于进口段，出口固定段较长且较为平直。为了使得流动更好地贴合叶片表面，导叶的进口可调段与出口固定段同时设计。

可变几何出口导叶具有如下转动角度：(远离轴向为正，靠近轴向为负，参考图2与图3)：

零转角(如图2与图3中的虚线)：零转角对应压气机设计工况，此时出口导叶的安装角为设计工况下的角度。在设计工况下，进口段冲角较小，流体在叶型中流动平稳，不会有大的分离和堵塞，出口尾缘处也不会形成大的尾迹流，出口参数均匀。

正转角(对应控制系统中大的正冲角，如图2中的实线)：当探针测得的出口导叶前缘出现大的正冲角时，则出口导叶的进口段的安装角必须往远离轴线方向开大，由于安装角的变化，冲角减小，不会在进口前缘处出现大的冲击，也不会在叶型的吸力面形成大的流动分离，流体经由进口段平稳减速扩压，在转入固定段后平滑地完成气流转折，在固定段的尾缘处不会形成大的尾迹，保证出口参数的均匀，有利于排气扩散段的流动。

负转角(对应控制系统中大的负冲角，如图3的实线)：当探针测得的出口导叶前缘出现大的负冲角时，则出口导叶的进口段的安装角必须往靠近轴线方向关小，由于安装角的变化，冲角减小，不会在进口前缘处出现大的冲击，也不会在叶型通道中形成流动堵塞，流体经由进口段平稳减速扩压，在转入固定段后平滑地完成气流转折，在固定段的尾缘处不会形成大的尾迹，保证出口参数的均匀，有利于排气扩散段的流动。

综上所述，本发明提出的压气机及其可变几何出口导叶，通过调整出口导叶前部的位置，避免在变工况下运行时，由于导叶进口冲角过大，造成流动分离或者堵塞，同时由于导叶后部保持不动，导叶转动对排气扩散段与燃烧室流动影响很小。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (6)

1.一种可变几何出口导叶，其特征在于，所述出口导叶包括进口可调段、出口固定段，进口可调段尾缘与出口固定段前缘之间存在一间隙；

该间隙由两段光滑曲线组成，通过该间隙连通压力面和吸力面，利用压力面与吸力面之间的压差，将小部分气流经缝隙自凹面引入凸面，以便吹薄附面层，减小损失，增大气流转折角；

进口可调段为非对称叶型；进口可调段包括可调段吸力面、可调段前缘、可调段压力面、调节机构转轴、可调段尾缘；叶型的可调段压力面与可调段吸力面从可调段前缘到可调段尾缘连续的弯曲，使得流体在叶片通道中平稳的减速扩压，在冲角较小时，流体能够较好地贴合在叶型表面，为后面出口固定段提供一个较好速度分布的来流；将可调段尾缘设置成光滑曲线，增加进口可调段的调节范围和减小对后半段气流的影响；

出口固定段也为非对称叶型；出口固定段包括固定段前缘、固定段压力面、固定段吸力面；将固定段前缘设置成光滑曲线，避免进口可调段来流对固定段前缘造成冲击；出口固定段叶型的固定段压力面与固定段吸力面从固定段前缘到固定段尾缘连续的弯曲，平滑地给气流以转折，出口固定段比进口可调段长且更为平直；

在可调段尾缘处设置调节机构转轴；调节机构转轴与伺服器和传动机构连接，完成进口调节段姿态的调整；

所述的可调段前缘和所述的固定段前缘叶中部位焊有探针，探针沿周向均匀分布，探针测得的三维流场速度信息传输到信号处理中心，在信号处理中心完成信号分析后，向出口导叶调节机构发出调节指令，步进调节出口导叶安装角。

2.一种可变几何出口导叶，其特征在于，所述出口导叶包括进口可调段、出口固定段，进口可调段尾缘与出口固定段前缘之间存在一间隙；

该间隙由两段光滑曲线组成，通过该间隙连通压力面和吸力面，利用压力面与吸力面之间的压差，将小部分气流经缝隙自凹面引入凸面，以便吹薄附面层，减小损失，增大气流转折角；

所述的可调段前缘和所述的固定段前缘叶中部位焊有探针，探针沿周向均匀分布，探针测得的三维流场速度信息传输到信号处理中心，在信号处理中心完成信号分析后，向出口导叶调节机构发出调节指令，步进调节出口导叶安装角

3.根据权利要求2所述的可变几何出口导叶，其特征在于：

进口可调段为非对称叶型；进口可调段包括可调段吸力面、可调段前缘、可调段压力面、调节机构转轴、可调段尾缘；叶型的可调段压力面与可调段吸力面从可调段前缘到可调段尾缘连续的弯曲，使得流体在叶片通道中平稳的减速扩压，在冲角较小时，流体能够较好地贴合在叶型表面，为后面出口固定段提供一个较好速度分布的来流；将可调段尾缘设置成光滑曲线，增加进口可调段的调节范围和减小对后半段气流的影响。

4.根据权利要求2所述的可变几何出口导叶，其特征在于：

出口固定段也为非对称叶型；出口固定段包括固定段前缘、固定段压力面、固定段吸力面；将固定段前缘设置成光滑曲线，避免进口可调段来流对固定段前缘造成冲击；出口固定段叶型的固定段压力面与固定段吸力面从固定段前缘到固定段尾缘连续的弯曲，平滑地给气流以转折，出口固定段比进口可调段长且更为平直。

5.根据权利要求2所述的可变几何出口导叶，其特征在于：

在进口可调段尾缘处设置调节机构转轴；调节机构转轴与伺服器和传动机构连接，完成进口调节段姿态的调整。

6.根据权利要求2所述的可变几何出口导叶，其特征在于：

出口导叶分为可调段和固定段；导叶调节机构对出口导叶可调段安装角进行调节，调节机构转轴位于可调段尾缘附近；

进口可调段为非对称叶型，可调段压力面与可调段吸力面从可调段前缘到可调段尾缘连续的弯曲，使得流体在叶片通道中平稳的减速扩压，在冲角较小时，流体能够较好地贴合在叶型表面，为后面出口固定段提供一个较好速度分布的来流；

出口固定段也为非对称叶型出口固定段叶型的固定段压力面与固定段吸力面从固定段前缘到固定段尾缘连续的弯曲，平滑地给气流以转折，出口固定段比进口可调段长且更为平直。