CN107725482A - 改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶及其调节机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，包括沿气流流动方向依次设置的进口可调段、中间固定段和出口可调段，所述进口可调段靠近中间固定段的一端具有第一摆动支点，进口可调段可绕第一摆动支点旋转，所述出口可调段靠近中间固定段的一端具有第二摆动支点，出口可调段可绕第二摆动支点旋转，本发明还提供了一种导叶调节机构，可以调节上述出口导叶的位置。本发明一方面通过调节进口可调段，使得进口冲角得到控制，另一方面通过调节出口可调段使得出口气流方向、速度得到控制，此外通过三段调节方式还可以使得叶型型线尽量光滑，降低气流涡产生概率，从而降低损失。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机压气机领域，特别是涉及一种改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶及导叶调节机构。
背景技术
当前主流先进高效压气机向高压比、大流量、宽工作范围等高性能技术方向发展，对叶片安全稳定运行的冲角范围、出口气流均匀程度、叶片损失尽量降低的要求越来越高。一方面变工况下冲角变化过大，会导致叶片内部流动失速，导致压气机效率等性能骤降，另一方面变工况下特别是接近极端工况叶片落后角变化较大，导致出口气流偏离轴向方向太大，损失增加；其次接近堵塞工况时出口气流马赫数增大会导致压气机扩压器中的气流损失增大，导致进入燃烧室中气流总压不能满足要求，整机性能下降。
申请号201410742343.5的中国发明专利说明书中公开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。该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。但是上述导叶在接近极端工况下出口气流偏离轴向方向太大。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的第一个技术问题在于提供一种改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，可以降低变工况下气流损失，使得出口气流速度、方向与大小控制在合理范围内。
为实现上述目的，本发明提供一种改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，包括沿气流流动方向依次设置的进口可调段、中间固定段和出口可调段，所述进口可调段靠近中间固定段的一端具有第一摆动支点，进口可调段可绕第一摆动支点旋转，所述出口可调段靠近中间固定段的一端具有第二摆动支点，出口可调段可绕第二摆动支点旋转。
优选地，所述进口可调段的尾缘具有外弧形凸面，所述出口可调段的前缘具有外弧形凸面，所述中间固定段的两端为内弧形凹面，并与所述外弧形凸面，相配合。
优选地，所述中间固定段固定在压气机的气缸上；所述进口可调段和所述出口可调段分别通过第一转轴和第二转轴可摆动地安装在所述压气机的气缸上，所述第一转轴形成所述第一摆动支点，第二转轴形成所述第二摆动支点。
优选地，所述第一转轴靠近进口可调段的尾缘，所述第二转轴靠近所述出口可调段的前缘。
优选地，所述进口可调段还包括进口段压力面和进口段吸力面，所述出口可调段还包括出口段压力面和出口段吸力面。
优选地，所述进口可调段的外弧形凸面和所述中间固定段的内弧形凹面之间设有第一间隙；所述出口可调段的外弧形凸面和所述中间固定段的内弧形凹面之间设有第二间隙。
本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种调节上述分段调节出口导叶的导叶调节机构，包括进口段导叶调节机构和出口段导叶调节机构；所述进口段导叶调节机构包括与第一转轴连接的第一液压调节机构，所述出口段导叶调节机构包括与第二转轴连接的第二液压调节机构。
优选地，所述进口段导叶调节机构包括第一探针，所述第一探针连接第一数据采集器，所述第一数据采集器和所述第一液压调节机构分别与第一控制中心连接；所述出口段导叶调节机构包括第二探针，所述第二探针连接第二数据采集器，所述第二数据采集器和所述第二液压调节机构分别与第二控制中心连接。
优选地，所述第一探针设在所述压气机内靠近进口可调段的位置；所述第二探针设在所述压气机内靠近出口可调段的位置。
优选地，所述第一探针和所述第二探针分别为五孔探针/七孔探针。
如上所述，本发明涉及的改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶及导叶调节机构，具有以下有益效果：通过调整导叶进口段的位置，使气流进口冲角得到控制，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；通过调整导叶出口段的位置，使得出口气流方向和速度得到控制。本发明提供的导叶调节机构可以根据气流速度更精确地调整导叶摆动的位置。
附图说明
图1为本发明中导叶调节结构的结构示意图。
图2为图1中A-A向剖视图。
图3为图2的分解结构示意图。
元件标号说明
1 进口可调段
10 第一转轴
11 进口段压力面
12 进口段吸力面
13 外弧形凸面
2 中间固定段
21 内弧形凹面
22 内弧形凹面
3 出口可调段
30 第二转轴
31 出口段压力面
32 出口段吸力面
33 外弧形凸面
41 第一间隙
42 第二间隙
5 压气机的气缸
6 进口段导叶调节机构
61 第一探针
62 第一液压调节机构
63 第一数据采集器
64 第一控制中心
7 出口段导叶调节机构
71 第二探针
72 第二液压调节机构
73 第二数据采集器
74 第二控制中心
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1至图3所示，本发明提供一种改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，包括沿气流流动方向依次设置的进口可调段1、中间固定段2和出口可调段3。所述进口可调段1靠近中间固定段2的一端具有第一摆动支点，进口可调段1可绕第一摆动支点旋转，所述出口可调段3靠近中间固定段2的一端具有第二摆动支点，出口可调段3可绕第二摆动支点旋转。本发明通过进口可调段1的旋转可以有效拓宽出口导叶的安全工作范围，减少叶片流道内气流发生失速以及堵塞概率，通过出口可调段3的旋转可以控制出气方向以及控制出口气流马赫数，降低压气机出口扩压器损失。
如图1至图3所示，优选地，所述进口可调段1的尾缘具有外弧形凸面13，所述出口可调段3的前缘具有外弧形凸面33，所述中间固定段2的两端为内弧形凹面21，22并与所述外弧形凸面13，33相配合，使得所述进口可调段1或出口可调段3摆动时不会触碰到所述中间固定端2。优选地，所述中间固定段2固定在压气机的气缸5上；所述进口可调段1和所述出口可调段3分别通过第一转轴10和第二转轴30可摆动地安装在所述压气机的气缸5上，所述第一转轴10形成所述第一摆动支点，第二转轴30形成所述第二摆动支点。优选地，所述第一转轴10靠近进口可调段的尾缘，所述第二转轴30靠近所述出口可调段的前缘，便于所述进口可调段或出口可调段的摆动。优选地，所述进口可调段1还包括进口段压力面11和进口段吸力面12，所述出口可调段3还包括出口段压力面31和出口段吸力面32。所述进口段压力面11和所述进口段吸力面各自12沿气流流动方向连续的弯曲成弧形，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导叶表面，从而降低气流损失。优选地，所述出口段压力面31和出口段吸力面32各自沿气流流动方向连续的弯曲成弧形，给与气流稳定的转折，减小气流损失。
如图1至图3所示，优选地，所述进口可调段的外弧形凸面13和所述中间固定端段的内弧形凹面21之间设有第一间隙41；所述出口可调段的外弧形凸面33和所述中间固定端段的内弧形凹面22之间设有第二间隙42。所述第二间隙42与所述出口可调段3两侧的气流连通，由于所述进口段压力面11和进口段吸力面12之间存在压差，因此所述第一间隙41的间距较小，使得所述进口段压力面11向进口段吸力面12的气流泄漏较小，有效地控制了导叶的叶型二次流损失，同理，所述第二间隙42的间距也应设置较小，所述第一间隙41和所述第二间隙42的具体间距大小应以所述进口可调段1和所述出口可调段3能往复摆动为宜，所述第一间隙41/第二间隙42的前后间距均匀，更利于所述进口可调段1或出口可调段3的摆动，减小了所述出口段压力面31向出口段吸力面32的气流泄漏。
如图1所示，本发明要解决的第二个技术问题在于提供一种调节上述分段调节出口导叶的导叶调节机构，包括进口段导叶调节机构6和出口段导叶调节机构7；所述进口段导叶调节机构6包括与第一转轴10连接的第一液压调节机构62，所述第一液压调节机构62与所述第一转轴10固定连接，所述进口可调段1固定在所述第一转轴10上，通过所述第一液压调节机构62带动所述第一转轴10转动，从而使所述进口可调段1往复摆动。所述出口段导叶调节机构7包括与第二转轴30连接的第二液压调节机构72，通过所述第二液压调节机构72带动所述第二转轴30转动，从而使所述出口可调段3往复摆动。
如图1所示，优选地，所述进口段导叶调节机构6包括第一探针61，所述第一探针61连接第一数据采集器63，所述第一数据采集器63和所述第一液压调节机构62分别与第一控制中心64连接；所述出口段导叶调节机构7包括第二探针71，所述第二探针71连接第二数据采集器73，所述第二数据采集器73和所述第二液压调节机构72分别与第二控制中心74连接。通过第一探针61监测获取进气速度方向及大小，并通过第一数据采集器63采集相关数据，所述第一数据采集器63将数据信号反馈到第一控制中心64上，所述第一数据采集器63根据当前数据设定需要调整进口可调段1的摆动位置，并使第一液压调节机构62调整所述进口可调段1摆动到指定位置。通过第二探针71监测获取出气速度方向及大小，并通过第二数据采集器73采集相关数据，所述第二数据采集器73将数据信号反馈到第二控制中心74上，所述第二数据采集器73根据当前数据设定需要调整出口可调段3的摆动位置，并使第二液压调节机构72调整所述出口可调段3摆动到指定位置。优选地，所述第一探针61设在所述压气机5内靠近进口可调段1的位置，便于更精确地测得气流流经所述进口可调段1的速度；所述第二探针71设在所述压气机5内靠近出口可调段3的位置，便于更精确地测得气流流经所述出口可调段3的速度。优选地，所述第一探针61和所述第二探针71分别为五孔探针/七孔探针。上述第一控制中心64和第二控制中心74可以是同一个控制中心。
本发明的工作原理如下：
1、进口段
出口导叶的安装角为设计工况下的角度。在设计工况下，进口可调段冲角较小，流体在叶型中流动平稳，不会有大的分离和堵塞。
当第一探针通过测量叶片进口侧不同方向的速度分量，间接获得气流角以及叶片冲角，预测到进口可调段的前缘出现大的正冲角时，则进口可调段偏离压气机中心轴线，往安装角增大的方向转动。由于安装角的增大，使得叶片进口几何角增大，叶栅前缘通道更加迎合进气气流，从而冲角减小，不会在进口可调段的前缘处出现大的冲击，并且降低在叶型的吸力面形成大的流动分离的概率。由于连接处均为光滑圆弧过渡，流体经由进口可调段平稳减速扩压，在转入固定段后平滑地完成气流转折。
2、出口可调段
图2中的虚线为出口导叶的出口可调段设计工况下的角度。在设计工况下，流体在叶型中流动平稳，不会有大的分离和堵塞，出口可调段的尾缘处也不会形成大的尾迹流，出口参数均匀，气流方向接近水平轴向，导叶后扩压段内流动损失较小。
当第二探针通过测量叶片出口侧不同方向的速度分量，间接获得气流角以及落后角，预测到出口可调段的落后角变化较大，则出口可调段偏离压气机中心轴线，往安装角增大的方向转动，由于安装角的增大，使得叶片出口几何角增大，叶栅尾缘通道更加顺应出气气流变化，从而落后角减小，使得出口气流方向和速度均得到控制，从而降低叶栅通道内部以及压气机出口扩压段的气流损失。
综上所述，本发明提出的压气机及其可变几何出口导叶，通过调整出口导叶进口可调段的位置，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，同时通过调整出口导叶出口可调段的位置，控制出气方向以及控制出口气流马赫数，降低压气机出口扩压器损失。相对进口可调段可调、出口可调段不便的出口导叶，本发明的采用进口可调段与出口可调段同时独立可调、中间固定段固定的方式明显增大了叶片弯角，使得气流做功能力增强；明显增大安装角调节范围，使得叶片安全工作范围变宽。此外本发明通过三段调节方式还可以使得叶型型线尽量光滑，降低气流涡产生概率，从而降低损失。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，其特征在于，包括沿气流流动方向依次设置的进口可调段(1)、中间固定段(2)和出口可调段(3)，所述进口可调段(1)靠近中间固定段(2)的一端具有第一摆动支点，进口可调段(1)可绕第一摆动支点旋转，所述出口可调段(3)靠近中间固定段(2)的一端具有第二摆动支点，出口可调段(3)可绕第二摆动支点旋转。
2.根据权利要求1所述的改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，其特征在于：所述进口可调段(1)的尾缘具有外弧形凸面(13)，所述出口可调段(3)的前缘具有外弧形凸面(33)，所述中间固定段(2)的两端为内弧形凹面(21，22)并与所述外弧形凸面(13，33)相配合。
3.根据权利要求1所述的改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，其特征在于：所述中间固定段(2)固定在压气机的气缸(5)上；所述进口可调段(1)和所述出口可调段(3)分别通过第一转轴(10)和第二转轴(30)可摆动地安装在所述压气机的气缸(5)上，所述第一转轴(10)形成所述第一摆动支点，第二转轴(30)形成所述第二摆动支点。
4.根据权利要求3所述的改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，其特征在于：所述第一转轴(10)靠近进口可调段的尾缘，所述第二转轴(30)靠近所述出口可调段的前缘。
5.根据权利要求2所述的改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，其特征在于：所述进口可调段(1)还包括进口段压力面(11)和进口段吸力面(12)，所述出口可调段(3)还包括出口段压力面(31)和出口段吸力面(32)。
6.根据权利要求1所述的改善压气机变工况性能的分段调节出口导叶，其特征在于：所述进口可调段的外弧形凸面(13)和所述中间固定端段的内弧形凹面(21)之间设有第一间隙(41)；所述出口可调段的外弧形凸面(33)和所述中间固定端段的内弧形凹面(22)之间设有第二间隙(42)。
7.一种权利要求1-6中任一项所述的分段调节出口导叶的调节机构，其特征在于：包括进口段导叶调节机构(6)和出口段导叶调节机构(7)；所述进口段导叶调节机构(6)包括与第一转轴(10)连接的第一液压调节机构(62)，所述出口段导叶调节机构(7)包括与第二转轴(30)连接的第二液压调节机构(72)。
8.根据权利要求7所述的调节机构，其特征在于：所述进口段导叶调节机构(6)包括第一探针(61)，所述第一探针(61)连接第一数据采集器(63)，所述第一数据采集器(63)和所述第一液压调节机构(62)分别与第一控制中心(64)连接；所述出口段导叶调节机构(7)包括第二探针(71)，所述第二探针(71)连接第二数据采集器(73)，所述第二数据采集器(73)和所述第二液压调节机构(72)分别与第二控制中心(74)连接。
9.根据权利要求7所述的调节机构，其特征在于：所述第一探针(61)设在所述压气机内靠近进口可调段(1)的位置；所述第二探针(71)设在所述压气机内靠近出口可调段(3)的位置。
10.根据权利要求7所述的调节机构，其特征在于：所述第一探针(61)和所述第二探针(71)分别为五孔探针/七孔探针。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20180223 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |