CN108443236A - 一种压气机静叶角区分离控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种压气机静叶角区分离控制装置及其控制方法，其中所述控制装置包括：开设在压气机中间级的机匣上的抽气孔，压气机后面级的静叶具有第一冷却通道；所述第一冷却通道的入口和出口均为设在所述静叶与机匣连接处的开口；通过第一输送管道将所述抽气孔与所述第一冷却通道的入口相连，以使所述压气机中间级的气体冷却所述压气机后面级的静叶壁面。本发明提供的压气机静叶角区分离控制装置，在不对静叶角区进行改型的情况下，实现对静叶角区气体流动的控制，减弱静叶角区分离，提高压气机的气动性能；同时冷却后面级静叶处的主流气体，可以降低下一级压气机进口处的温度，提高了下一级压气机的扩压能力。

Description

一种压气机静叶角区分离控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，更具体地，涉及一种压气机静叶角区分离控制装置及其控制方法。

背景技术

轴流压气机作为航空发动机与燃气轮机的核心部件之一，其气动性能的好坏对机组整体性能起着十分重要的作用。压气机亚音级静叶中，由于逆压梯度的存在，存在着复杂的三维流动现象，如马蹄涡、通道涡、尾缘脱落涡、角涡、集中脱落涡等，在非设计工况下涡系结构尤为复杂，会显著增强损失，降低压气机气动效率。

为改善压气机静叶角区分离，需要对于角区流动进行流动控制，目前，控制静叶三维角区分离的主要控制手段有叶片三维造型端壁造型、抽吸气控制等。叶片的三维造型、端壁造型等被动控制手段能够在一定程度上有效控制角区分离，但随着压气机工作状态的变化，这些手段很难适应不同的工作条件；利用抽吸气来控制端壁或叶表附面层的主动控制手段，即通过抽吸端壁或叶片表面边界层内的低速流体或改变速度剖面分布，来提高边界层抗分离的能力，从而提高压气机的负荷，但是其具有结构较为复杂、加工难度较大、通道易堵塞等缺点。现有的静叶角区分离控制方式均需要改变叶片外部几何结构，因此实现难度较大，且需要保证改型对后面级气动性能不产生恶化影响。

发明内容

针对上述的技术问题，本发明提供一种压气机静叶角区分离控制装置及其控制方法。

第一方面，本发明提供一种压气机静叶角区分离控制装置，包括：开设在压气机中间级的机匣上的抽气孔，压气机后面级的静叶具有第一冷却通道；所述第一冷却通道的入口和出口均为设在所述静叶与机匣连接处的开口，且所述第一冷却通道位于所述静叶的内部；通过第一输送管道将所述抽气孔与所述第一冷却通道的入口相连，以使所述压气机中间级的气体冷却所述压气机后面级的静叶壁面。

其中，所述第一冷却通道的出口通过第二输送管道与压气机后方的透平相连，以使所述压气机中间级的气体冷却所述静叶壁面后用于冷却所述透平的叶片。

其中，所述的压气机静叶角区分离控制装置，还包括：第二冷却通道，所述第二冷却通道设置在机匣内，所述第二冷却通道的入口和出口均为设在所述机匣的表面的开口；所述第二冷却通道与所述机匣一体成型，所述机匣与所述静叶的顶部相连；所述第二冷却通道的入口通过所述第一输送管道与所述抽气孔相连，所述第二冷却通道的出口通过所述第二输送管道与所述透平相连。

其中，所述的压气机静叶角区分离控制装置，还包括：第三冷却通道，所述第三冷却通道设置在轮毂内，所述第三冷却通道的入口和出口均为设在所述静叶的根部与所述轮毂连接处的开口，且所述第三冷却通道位于所述轮毂的内部；所述第三冷却通道的入口与所述第一冷却通道的进气侧连通，所述第三冷却通道的出口与所述第一冷却通道的出气侧连通。

其中，在所述第一冷却通道的内表面设有扰流柱。

其中，在所述第二冷却通道的内表面设有扰流柱。

其中，在所述第三冷却通道的内表面设有扰流柱。

第二方面，本发明提供一种上述压气机静叶角区分离控制装置的控制方法，包括：抽取所述压气机中间级的气体，并将所述压气机中间级的气体用于冷却压气机后面级的静叶壁面。

其中，所述的压气机静叶角区分离控制方法，还包括：将冷却所述静叶壁面而升温的冷却气体再次用于冷却透平的叶片。

其中，所述的压气机静叶角区分离控制方法，还包括：将所述压气机中间级的气体用于冷却与所述静叶的顶部相连的机匣，以降低所述静叶的顶部的温度和机匣的温度；和/或，将所述压气机中间级的气体用于冷却与所述静叶的根部相连的轮毂，以降低所述静叶的根部的温度和轮毂的温度。

本发明提供的一种压气机静叶角区分离控制装置及其控制方法，通过利用压气机中间级的气体冷却压气机后面级的静叶的壁面，进而对压气机后面级静叶处的主流气体进行冷却，在不对静叶角区进行改型的情况下，实现对静叶角区气体流动性的控制，减弱静叶角区分离，提高气压机的气动性能；同时冷却后面级静叶处的主流气体，可以降低了下一级压气机进口处的温度，提高了下一级压气机的扩压能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的压气机静叶角区分离控制装置的总体结构示意图；

图2为图1所示的压气机静叶角区分离控制装置中第一冷却通道、第二冷却通道和第三冷却通道的结构示意图；

图3为角区分离控制前后近壁面极限流线示意图，其中虚线为无采用静叶角区分离控制时的角区分离区域边界，实线为采用图1所示的控制装置进行静叶角区分离控制时的角区分离区域边界；

其中，1-动叶；2-静叶；31-第一输送管道；32-第二输送管道；4-第一冷却通道；5-第二冷却通道；6-机匣；7-第三冷却通道；8-轮毂。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的压气机静叶角区分离控制装置的结构示意图，如图1所示，该压气机静叶角区分离控制装置包括：开设在压气机中间级的机匣上的抽气孔，压气机后面级的静叶2具有第一冷却通道4；所述第一冷却通道4的入口和出口均为设在所述静叶与机匣连接处的开口，且所述第一冷却通道4位于所述静叶的内部；通过第一输送管道31将所述抽气孔与所述第一冷却通道4的入口相连，以使所述压气机中间级的气体冷却所述压气机后面级的静叶壁面。

其中，压气机(compressor)：燃气轮机或航空发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。压气机由一排转子叶片和一排静子叶片组成一级，单级的增压比较小，为了获得较高的增压比，一般采用多级结构。空气在压气机中被逐级增压后，密度和温度也逐级提高。

压气机主要由主轴、静叶、动叶、轮毂、机匣组成；动叶通过轮缘与主轴相连，静叶与机匣固定连接。

具体地，在压气机中间级的机匣上设置抽气孔，由于压气机由多级转子叶片(即，动叶1)和静子叶片(即，静叶2)组成，则在压气机中间级部分的机匣上开抽气孔，以将压气机中间级的气体抽出。以及，压气机后面级的静叶2具有第一冷却通道4，即，在静叶2与机匣连接处开设两个开口，其中一个开口作为第一冷却通道4的入口，另一个开口作为第一冷却通道4的出口；由于压气机的静叶2有一定的厚度，则可将第一冷却通道4与后面级的静叶2一体制作。

然后，通过第一输送管道31将中间级的机匣上抽气孔与后面级的静叶2上的第一冷却通道4的入口连通，且由于中间级的气体的温度低于后面级静叶2处的主流气体的温度，则可将中间级的气体用于冷却后面级静叶2的壁面。对后面级静叶2的壁面进行冷却的过程中，实现对压气机后面级静叶2处的主流气体进行冷却，从而增大静叶2边界层密度，减小层流边界层粘性，总体上达到减小边界层厚度的目的；且增强静叶2中间叶高处流体的流向速度，降低角区二次流(即低能流体)带来的影响，减弱角区分离的程度，实现对于静叶2角区气体流动的控制。

在本发明实施例中，无需对静叶角区进行改型，利用压气机已有的结构作为换热器，即利用压气机中间级的气体冷却压气机后面级的静叶壁面，即可实现对静叶角区气体流动的控制，减弱静叶角区分离，提高气压机的气动性能；同时冷却后面级静叶处的主流气体，可以降低了下一级压气机进口处的温度，提高了下一级压气机的扩压能力。

在上述实施例的基础上，所述第一冷却通道4的出口通过第二输送管道32与压气机后方的透平相连，以使所述压气机中间级的气体冷却所述静叶壁面后用于冷却所述透平的叶片。

其中，透平(turbine)是将流体介质中蕴有的能量转换成机械功的机器，又称涡轮。透平与压气机、燃烧室为燃气轮机装置的三大主要部件。空气供入压气机，压缩成较高压力和温度的压缩空气，流入燃烧室与燃料混合、燃烧，形成高温、高压、高速的燃气，流入透平并推动透平旋转，经主轴输出机械功。

具体地，压气机、燃烧室和透平共同构成燃气轮机，且透平位于压气机的后方。将压气机后面级的静叶2上的第一冷却通道4的出口通过第二输送管道32与压气机后面的透平相连，且由于冷却后面级静叶2的壁面的气体的温度仍低于透平处的温度，则可将升温后的气体再次用于冷却透平，即，冷却透平的叶片。另外，也可直接将抽气孔均与第一冷却通道4的进口及透平相连，且第一冷却通道4的出口也与透平连通，则压气机中间级的气体一部分用于冷却后面级静叶2的壁面，另一部分用于冷却透平；且冷却后面级静叶壁面而升温的气体，还可再次用于冷却透平。

在本发明实施例中，通过将冷却后面级静叶壁面而升温的中间级气体，用于冷却透平处的叶片。

在上述各实施例的基础上，结合图2，所述的压气机静叶角区分离控制装置，还包括：第二冷却通道5，所述第二冷却通道5设置在所述机匣6内，所述第二冷却通道5的入口和出口均为设在所述机匣6的表面的开口，且所述第二冷却通道5与所述机匣6一体成型；所述机匣6与所述静叶2的顶部相连，所述机匣6与所述静叶2的顶部相连；所述第二冷却通道5的入口通过所述第一输送管道31与所述抽气孔相连，所述第二冷却通道5的出口通过所述第二输送管道32与所述透平相连。所述的压气机静叶角区分离控制装置，还包括：第三冷却通道7，所述第三冷却通道7设置所述轮毂8内，所述第三冷却通道7的入口和出口均为设在所述静叶的根部与所述轮毂8连接处的开口，且所述第三冷却通道7位于所述轮毂8的内部；所述第三冷却通道7的入口与所述第一冷却通道4的进气侧连通，所述第三冷却通道7的出口与所述第一冷却通道4的出气侧连通。

具体地，在与后面级静叶2的顶部相连的机匣6上设置第二冷却通道5；和/或，在与后面级静叶2的根部相连的轮毂8上设置第三冷却通道7，则可以将抽取的中间级的气体通过第二冷却通道5输送至机匣6处，进而对静叶2的机匣6进行冷却；以及，将抽取的中间级气体通过第三冷却通道7输送至轮毂8处，进而对静叶2的轮毂8进行冷却。

通过利用中间级的气体冷却与后面级静叶2相连的机匣6和轮毂8，即，中间级的气体将后面级静叶2的中部及两端的温度均冷却下来，从而进一步降低后面级主流气体的温度，达到对静叶角区复杂涡系结构的流动进行控制，减弱静叶角区分离。且冷却静叶2和机匣6后的中间级气体，还通过第二输送管道32输送至透平处，再次用于冷却透平处叶片的温度。

在本发明实施例中，通过在机匣上设置第二冷却通道；和/或，在轮毂上设置第三冷却通道，实现对后面级静叶的中部及两端进行冷却，进一步降低后面级主流气体的温度，进而影响后面级主流气体的物性，达到改变后面级主流气体流场结构的目的，实现控制静叶角区的流动性，减弱静叶角区的分离，提高压气机气动性能。

在上述各实施例的基础上，在所述第一冷却通道4的内表面设有扰流柱。在所述第二冷却通道5的内表面设有扰流柱。在所述第三冷却通道7的内表面设有扰流柱。

其中，扰流柱常用于换热设备中，使用扰流柱可以增强流体的流动性能，达到强化传热和节能的效果。

具体地，也在第一冷却通道4的内表面设置扰流柱，可以提高第一冷却通道4内流体的流动性能，进而提高中间级气体与后面级静叶壁面的换热效果，即可在较短时间内降低后面级静叶壁面的温度，则可以较快的改变边界层的流动状态，提高控制静叶角区分离的效率。

在第二冷却通道5的内表面设置扰流柱，可以提高第二冷却通道5内流体的流动性能，进而提高中间级气体与机匣6的换热效果，即可在较短时间内降低与后面级静叶2的顶部相连的机匣6温度，即达到降低后面级静叶2的顶部的温度和机匣6的温度的目的，提高控制静叶角区分离的效率。

以及，在第三冷却通道7的内表面设置扰流柱，可以提高第三冷却通道7内流体的流动性能，进而提高中间级气体与轮毂8的换热效果，即可在较短时间内降低与后面级静叶2的根部相连的轮毂8的温度，提高控制静叶角区分离的效率。

在本发明实施例中，通过在第一冷却通道的内表面设置扰流柱；在第二冷却通道的内表面设有扰流柱；在第三冷却通道的内表面设有扰流柱，达到提高中间级气体与静叶壁面、静叶顶部和静叶根部的换热效率的目的，从而减小静叶角区分离的区域大小。

另外，还可以在第一冷却通道4的内表面设置肋片，可以增加第一冷却通道4的换热面积，即可以通过第一冷却通道4的表面和肋片同时进行换热，进而较快的实现中间级气体与后面级静叶壁面的换热，从而快速的降低后面级静叶壁面的温度，进而可以较快的改变边界层的流动状态，提高控制静叶角区分离的效率。在第二冷却通道5的内表面设置肋片，可以增加第二冷却通道5的换热面积，即可以通过第二冷却通道5的表面和肋片同时进行换热，进而较快的实现中间级气体与机匣6的换热，从而快速的降低与后面级静叶2的顶部相连的机匣6的温度提高控制静叶角区分离的效率。和/或，在第三冷却通道7的内表面设置肋片，可以增加第三冷却通道7的换热面积，即可以通过第三冷却通道7的表面和肋片同时进行换热，进而较快的实现中间级气体与轮毂8的换热，从而快速的降低与后面级静叶2的根部相连的轮毂8的温度，提高控制静叶角区分离的效率。

另外，将第一冷却通道4的入口和出口均设置在静叶2与机匣6相连接处，例如，将第一冷却通道4的入口和出口设置在静叶2的同侧，如图2所示，以及，将第一冷却通道4设置在静叶2的内部，则第一冷却通道4的形成类似蛇行通道；另外，也可将第一冷却通道4的入口和出口设在静叶2的不同侧，且将第一冷却通道4设置在静叶2的内部，则第一冷却通道4的形状类似直线型。

本发明实施例提供一种利用上述压气机静叶角区分离控制装置的控制方法，包括：抽取所述压气机中间级的气体，并将所述压气机中间级的气体用于冷却压气机后面级的静叶壁面。

具体地，在压气机中间级的机匣6上设置抽气孔，以将压气机中间级的气体抽出；以及，压气机后面级的静叶2具有第一冷却通道4；然后，通过第一输送管道31将中间级的机匣6上抽气孔与后面级的静叶2上的第一冷却通道4连通。由于中间级的气体的温度低于后面级静叶2处的主流气体的温度，则可将中间级的气体用于冷却后面级静叶2的壁面。对后面级的静叶壁面进行冷却的过程中，同时对压气机后面级静叶2处的主流气体进行冷却，从而增大静叶边界层密度，减小层流边界层粘性，总体上达到减小边界层厚度的目的；且增强中间级叶片高处流体的流向速度，减弱角区分离的程度，如图3所示；以及降低低能流体带来的影响，实现对于静叶角区气体流动的控制。

在本发明实施例中，利用压气机中间级的气体冷却压气机后面级的静叶壁面，即可实现对静叶角区气体流动的控制，提高压气机的气动性能；同时冷却后面级静叶处的主流气体，可以降低了下一级压气机进口处的温度，提高了下一级压气机的扩压能力。

在上述实施例的基础上，所述的压气机静叶角区分离控制方法，还包括：将冷却所述静叶壁面而升温的中间级气体再次用于冷却透平的叶片。

具体地，将压气机后面级的静叶2上的第一冷却通道4的出口与压气机后面的透平相连，且由于冷却后面级静叶2的壁面的气体的温度仍低于透平处的温度，则可将升温后的气体再次用于冷却透平，即，冷却透平的叶片。

在上述实施例的基础上，所述的压气机静叶角区分离控制方法，还包括：将所述压气机中间级的气体用于冷却与所述静叶2的顶部相连的机匣6，以降低所述静叶2的顶部的温度；和/或，将所述压气机中间级的气体用于冷却与所述静叶2的根部相连的轮毂8，以降低所述静叶2的根部的温度。

具体地，在与后面级静叶2的顶部相连的机匣6上设置第二冷却通道5；和/或，在与后面级静叶2的根部相连的轮毂8上设置第三冷却通道7，则可以将抽取的中间级的气体通过第二冷却通道5输送至机匣6处，进而降低机匣6与静叶2顶部连接处的温度，从而对静叶2的顶部主流进行冷却；以及，将抽取的中间级气体通过第三冷却通道7输送至轮毂8处，进而降低轮毂8与静叶2根部连接处的温度，从而对静叶2的根部主流进行冷却。

通过利用中间级的气体冷却与后面级静叶2相连的机匣6和轮毂8，即，中间级的气体将后面级静叶2的中部及两端的温度均冷却下来，从而进一步降低后面级主流气体的温度，达到对静叶角区复杂涡系结构的流动性进行控制，减弱静叶角区分离。且冷却静叶2和机匣6后的中间级气体还通过第二输送管道32输送至透平处，再次用于冷却透平处叶片的温度，实现冷能的多级利用，提高能源的利用效率。

在本发明实施例中，通过在机匣6上设置第二冷却通道5，以及在轮毂8上设置第三冷却通道7，实现对后面级静叶的中部及两端进行冷却，进一步降低后面级主流气体的温度，进而影响后面级主流气体的物性，达到改变后面级主流气体流场结构的目的，实现控制静叶角区的流动性，减弱静叶角区的分离，提高压气机气动性能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种压气机静叶角区分离控制装置，其特征在于，包括：开设在压气机中间级的机匣上的抽气孔，压气机后面级的静叶具有第一冷却通道；

所述第一冷却通道的入口和出口均为设在所述静叶与机匣连接处的开口，且所述第一冷却通道位于所述静叶的内部；

通过第一输送管道将所述抽气孔与所述第一冷却通道的入口相连，以使所述压气机中间级的气体冷却所述压气机后面级的静叶壁面。

2.根据权利要求1所述的压气机静叶角区分离控制装置，其特征在于，所述第一冷却通道的出口通过第二输送管道与压气机后方的透平相连，以使所述压气机中间级的气体冷却所述静叶壁面后用于冷却所述透平的叶片。

3.根据权利要求2所述的压气机静叶角区分离控制装置，其特征在于，还包括：第二冷却通道，所述第二冷却通道设置在机匣内，所述第二冷却通道的入口和出口均为设在所述机匣的表面的开口；所述第二冷却通道与所述机匣一体成型，所述机匣与所述静叶的顶部相连；

所述第二冷却通道的入口通过所述第一输送管道与所述抽气孔相连，所述第二冷却通道的出口通过所述第二输送管道与所述透平相连。

4.根据权利要求2或3所述的压气机静叶角区分离控制装置，其特征在于，还包括：第三冷却通道，所述第三冷却通道设置在轮毂内，所述第三冷却通道的入口和出口均为设在所述静叶的根部与所述轮毂连接处的开口，且所述第三冷却通道位于所述轮毂的内部；

所述第三冷却通道的入口与所述第一冷却通道的进气侧连通，所述第三冷却通道的出口与所述第一冷却通道的出气侧连通。

5.根据权利要求1所述的压气机静叶角区分离控制装置，其特征在于，在所述第一冷却通道的内表面设有扰流柱。

6.根据权利要求3所述的压气机静叶角区分离控制装置，其特征在于，在所述第二冷却通道的内表面设有扰流柱。

7.根据权利要求4所述的压气机静叶角区分离控制装置，其特征在于，在所述第三冷却通道的内表面设有扰流柱。

8.一种利用权利要求1-7任一项压气机静叶角区分离控制装置的控制方法，其特征在于，包括：

抽取所述压气机中间级的气体，并将所述压气机中间级的气体用于冷却压气机后面级的静叶壁面。

9.根据权利要求8所述的压气机静叶角区分离控制方法，其特征在于，还包括：

将冷却所述静叶壁面而升温的冷却气体再次用于冷却透平的叶片。

10.根据权利要求8所述的压气机静叶角区分离控制方法，其特征在于，还包括：

将所述压气机中间级的气体用于冷却与所述静叶的顶部相连的机匣，以降低所述静叶的顶部的温度和机匣的温度；和/或，

将所述压气机中间级的气体用于冷却与所述静叶的根部相连的轮毂，以降低所述静叶的根部的温度和轮毂的温度。