CN108506249B - 一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法 - Google Patents

一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法，通过峰值效率及近失速工况叶尖泄漏流速度轴向分量的分布，确定端壁处理的轴向范围，并在处理范围内开设若干锯齿形周向槽，通过减少指向上游的泄漏流降低压气机效率对叶尖间隙的敏感性。该槽类端壁处理方法可以降低压气机效率对叶尖间隙的敏感性。本发明利用峰值效率及近失速工况下的泄漏流轴向速度分布确定处理范围，在处理范围内开设锯齿型周向槽，减少流向上游的泄漏流，从而降低泄漏损失，在大间隙情况下保持甚至提高压气机效率，同时对压气机裕度几乎没有影响。

Description

一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法
技术领域
本发明属于叶轮机械技术领域，具体涉及一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法，用于降低燃气轮机轴流压气机叶尖间隙敏感性。
背景技术
燃气轮机压气机间隙区域的流动过程非常复杂，间隙流造成的损失在动叶和压气机级的总能量损失中占很大的比重。而压气机性能对叶尖间隙有着较高的敏感性，在运行过程中间隙的增大通常会导致压气机性能的衰退。在实际服役过程中，叶尖间隙可能发生暂时或永久性的增大，从而影响燃气轮机运行的经济性和稳定性。
端壁处理技术是一项较早研究和成功运用的压气机间隙流动控制方法，能够有效拓宽压气机稳定裕度，已经被广泛应用于众多发动机实际型号中，如美国的JT-9D发动机、CFM-56发动机，俄罗斯的ЛН-31Ф发动机以及我国的WP-14等航空燃气轮机发动机。基础的周向槽类及轴向缝类端壁处理示意图如图1、图2及图3所示。
对端壁处理的进一步研究发现，端壁处理的作用效果对压气机间隙大小不敏感，在一定的叶尖间隙范围内，其扩稳能力随间隙的增大的增强，能够有效降低压气机性能对间隙的敏感性。在一些特定的研究对象及运行工况下，合理的端壁处理方法能够在成功拓宽稳定裕度、降低间隙敏感性的同时，保持甚至提高大间隙下的压气机效率。以降低轴流压气机叶尖间隙敏感性为目的进行端壁处理，对维持燃气轮机短期及长期性能指标有着十分重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于降低燃气轮机压气机性能对转子叶尖间隙敏感性，基于转子叶尖泄漏流的速度分布，提供了一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法。
本发明采用如下的技术方案来实现：
一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法，通过峰值效率及近失速工况叶尖泄漏流速度轴向分量的分布，确定端壁处理的轴向范围，并在处理范围内开设若干锯齿形周向槽，通过减少指向上游的泄漏流降低压气机效率对叶尖间隙的敏感性。
本发明进一步的改进在于，具体步骤如下：
1)对需要处理的转子叶片进行建模，对其内部流场进行数值模拟，通过改变压气机背压的方式得到压气机特性线，并确定其数值峰值效率工况及近失速工况；
2)根据步骤1)中明确的峰值效率工况及近失速工况，提取叶尖间隙网格中间平面的流场速度信息，得到两个工况下泄漏流轴向速度沿轴向方向的分布曲线；
3)根据步骤2)中两个工况下泄漏流轴向速度沿轴向的分布曲线，确定峰值效率工况及近失速工况下泄漏流轴向速度wL,x峰值的轴向位置ZPE和ZNS；
4)根据步骤3)中确定的两个工况下的泄漏流轴向速度wL,x峰值的轴向位置ZPE和ZNS，确定端壁处理轴向范围位于两个峰值位置之间，轴向长度L＝ZPE-ZNS；
5)根据步骤4)中确定的端壁处理轴向长度，确定每个锯齿型处理槽的轴向长度LS为L/5～L/3，即锯齿型处理槽的数目为3～5个；
6)锯齿形周向槽子午面轮廓的上游段垂直于压气机轴线，根据压气机转子叶尖间隙高度τ，确定锯齿形周向槽高度h为τ～4τ；
7)锯齿形周向槽子午面轮廓的下游段为一段圆弧，该圆弧的圆心位于上游垂线段所在的直线上，根据转子上方机匣与轴线的夹角γ，以及步骤4)及步骤5)中确定的单个锯齿长度LS及高度h，确定圆弧的半径
Figure BDA0001615635170000031
与现有技术相比，本发明利用峰值效率工况及近失速工况下的泄漏流轴向速度曲线确定端壁处理的处理范围。在处理范围内构造3～5个锯齿型处理槽，锯齿的下游段斜坡诱导泄漏流进入槽内，上游段突起抑制泄漏流流向上游的趋势，从而削弱泄漏流强度，降低泄漏损失。在大间隙情况下，泄漏流的强度增大，锯齿型端壁处理仍然能够对泄漏流起到显著的抑制作用，从而降低转子性能对间隙的敏感性。且合理进行的锯齿型处理槽对稳定裕度产生的影响较小。
附图说明
图1为常规周向槽类机匣处理结构示意简图。
图2为常规轴向缝类机匣处理结构示意简图。
图3为图2的剖面图。
图4为某转子叶尖间隙泄漏流轴向速度沿轴向弦长的分布图。
图5为本发明的子午面结构示意图。
图6为某转子中使用本发明前后等熵效率对间隙敏感性的变化。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
如图4至图6，本发明提供的一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法，通过峰值效率及近失速工况叶尖泄漏流速度轴向分量的分布，确定端壁处理的轴向范围，并在处理范围内开设若干锯齿形周向槽，通过减少指向上游的泄漏流降低压气机效率对叶尖间隙的敏感性。
以某燃气轮机高压压气机第一级转子为例。
该压气机转子的部分设计参数见表1所示。
表1某燃气轮机高压压气机第一级转子部分设计参数。
Figure BDA0001615635170000041
本发明提供的槽类端壁处理方法，具体步骤如下：
1)对需要处理的转子叶片进行建模，对其内部流场进行数值模拟。通过改变压气机背压的方式得到压气机特性线，并确定其数值峰值效率工况及近失速工况。
2)根据步骤1)中确定的峰值效率工况和近失速工况，提取叶尖间隙网格中间平面的流场速度信息，得到两个工况下泄漏流轴向速度沿轴向方向的分布曲线，如图4所示。
3)根据步骤2)中两个工况下泄漏流轴向速度沿轴向的分布曲线，得到峰值效率工况及近失速工况下泄漏流轴向速度峰值的轴向位置，分别为ZPE＝0.60·cax，ZNS＝0.27·cax。
4)根据步骤3)中确定的两个工况下的泄漏流轴向速度wL,x峰值的轴向位置ZPE和ZNS，确定端壁处理的轴向范围为转子叶尖前缘下游0.27·cax至0.60·cax，轴向长度L＝0.33·cax。
5)根据步骤4)中确定的端壁处理轴向长度，确定锯齿数量为3，则根据端壁处理轴向长度L，每个锯齿型处理槽的轴向长度LS＝L/3＝0.11·cax＝6.60mm。
6)锯齿形周向槽子午面轮廓的上游段垂直于压气机轴线，根据压气机转子叶尖间隙高度τ，确定锯齿形周向槽高度h为两倍间隙高度，则h＝2τ＝1.40mm。
7)根据机匣与轴线夹角γ＝8.6°，以及单个锯齿的轴向长度LS及高度h，确定下游段圆弧半径
Figure BDA0001615635170000051
端壁处理的子午面结构示意图如图5所示。
根据如上方法得到的锯齿型端壁处理，使得峰值效率在大间隙情况下有所升高，从而降低了该转子对叶尖间隙的敏感性，如图6所示。

Claims (1)

1.一种用于轴流压气机的槽类端壁处理方法，其特征在于，通过峰值效率及近失速工况叶尖泄漏流速度轴向分量的分布，确定端壁处理的轴向范围，并在处理范围内开设若干锯齿形周向槽，通过减少指向上游的泄漏流降低压气机效率对叶尖间隙的敏感性，具体步骤如下：
1)对需要处理的转子叶片进行建模，对其内部流场进行数值模拟，通过改变压气机背压的方式得到压气机特性线，并确定其数值峰值效率工况及近失速工况；
2)根据步骤1)中明确的峰值效率工况及近失速工况，提取叶尖间隙网格中间平面的流场速度信息，得到两个工况下泄漏流轴向速度沿轴向方向的分布曲线；
3)根据步骤2)中两个工况下泄漏流轴向速度沿轴向的分布曲线，确定峰值效率工况及近失速工况下泄漏流轴向速度wL,x峰值的轴向位置ZPE和ZNS；
4)根据步骤3)中确定的两个工况下的泄漏流轴向速度wL,x峰值的轴向位置ZPE和ZNS，确定端壁处理轴向范围位于两个峰值位置之间，轴向长度L＝ZPE-ZNS；
5)根据步骤4)中确定的端壁处理轴向长度，确定每个锯齿型处理槽的轴向长度LS为L/5～L/3，即锯齿型处理槽的数目为3～5个；
6)锯齿形周向槽子午面轮廓的上游段垂直于压气机轴线，根据压气机转子叶尖间隙高度τ，确定锯齿形周向槽高度h为τ～4τ；
7)锯齿形周向槽子午面轮廓的下游段为一段圆弧，该圆弧的圆心位于上游垂线段所在的直线上，根据转子上方机匣与轴线的夹角γ，以及步骤5)及步骤6)中确定的单个锯齿长度LS及高度h，确定圆弧的半径
Figure FDA0002357102400000021
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