CN108518355A - 一种改形压气机抽气机匣 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种改形压气机抽气机匣，包括：压气机机匣和抽气机匣，抽气机匣套设于压气机机匣上；压气机机匣的侧壁的周向上设有机匣槽道，机匣槽道穿透压气机机匣的侧壁，压气机机匣通过机匣槽道与抽气机匣连通；机匣槽道的形状为复杂线型周期性重复组成的周向曲线。本发明通过将传统的周向对称抽气机匣槽道由围绕压气机机匣外壁的周向直线改为复杂线型周期性重复组成的周向曲线，使得抽气槽道内周向上气团迁移的沿程阻力增加，削弱了由于高压气流在抽气槽缝中周向迁移而对低压分离气团被抽吸离开压气机流道的阻碍作用，流动分离更容易被缓解，有效防止压气机机匣内气体旋转失速加剧而导致喘振现象的发生，实现燃气轮机更加平稳安全地起动。

Description

一种改形压气机抽气机匣

技术领域

本发明涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种改形压气机抽气机匣。

背景技术

燃气轮机是实现能源高效清洁转化和保障国家能源安全的重大技术装备。燃气轮机由压气机、燃烧室和透平三部分组成。其中，压气机中的流动包含复杂的逆压力梯度流动，在起动的过程中，由于流量较小，很容易发生旋转失速而引发喘振，从而造成重大安全事故。在燃气轮机起动的过程中，转子转速不断变化，压气机工作在非平衡的工作状态，需要对压气机进行抽气来防止旋转失速的发生，从而保证燃气轮机安全起动。

传统的压气机抽气机匣槽道一般采用轴向对称的结构，即将压气机机匣的圆柱体外壳沿平面展开时，机匣槽道的型线为直线，这样的抽气机匣机构可以在一定程度上满足燃气轮机安全启动的需求。然而压气机中的失速现象并非同时产生于所有叶栅通道中，由于加工、安装的误差和气流并非轴对称等因素的影响，叶栅中各个叶片的几何参数和工作条件实际上不可能完全一致，即导致旋转失速，实际上的失速区可以包括几个动叶通道，在一级的动叶中也可有几个失速区。轴向对称抽气结构在压气机发生失速时，相比于压力更低的失速区，高压流体更容易被抽出，旋转失速不容易被缓解，易导致喘振的发生。

因此，为了使得压气机抽气机匣内气流稳定，不易发生旋转失速和喘振，可针对压气机抽气机匣的槽道进行改形，使得压气机抽气机匣内的低压气团容易被抽吸，而不会因低压气团产生分离导致旋转失速，有效防止喘振的发生。

发明内容

为了解决目前传统的轴向对称机匣机构不能很好地抽吸低压失速气团的问题，本发明提供了一种改形压气机抽气机匣，包括：压气机机匣和抽气机匣，所述抽气机匣套设于所述压气机机匣上；所述压气机机匣的侧壁的周向上设有机匣槽道，所述机匣槽道穿透所述压气机机匣的侧壁，所述压气机机匣通过所述机匣槽道与所述抽气机匣连通；所述机匣槽道的形状为复杂线型周期性重复组成的周向曲线。

优选地，所述周向曲线的型线、复杂线型周期个数和复杂线型周期幅值由压气机叶片的叶型、叶片数和叶片安装角确定。

优选地，所述周向曲线的型线采用计算流体力学计算方法选取，所述周向曲线的型线包括折线、正弦曲线、B-样条曲线或Nurbs曲线。

优选地，所述周向曲线的一个周期对应的周向角度为所述压气机机匣内产生的分离气团的周向角度的110％～150％。

优选地，所述周向曲线的复杂线型周期幅值为所述压气机机匣内产生的分离气团的轴向长度的150％～500％。

优选地，所述机匣槽道的宽度为所述压气机机匣内产生的分离气团的轴向长度的10％～50％。

优选地，所述抽气机匣的横截面直径比所述压气机机匣的横截面直径大30-80％。

优选地，所述压气机机匣和所述抽气机匣均为圆柱体。

优选地，所述抽气机匣的侧壁上固定连接有止气阀，所述抽气机匣通过所述止气阀与外界连通。

优选地，所述机匣槽道的轴向宽度为所述机匣槽道的轴向宽度的 3～5倍。

本发明提供了一种改形压气机抽气机匣，通过将传统的周向对称抽气机匣槽道由围绕压气机机匣外壁的周向直线改为波浪形的周向曲线，使得压气机机匣内周向上气团的沿程阻力增加，高压区域的气团向低压区域迁移变得更加困难，从而使得低压区域的分离气团比高压区域的气团更容易被抽吸离开流道，压气机机匣内的气体流量更容易达到稳定，使得旋转失速更容易被缓解，有效防止压气机机匣内气体发生喘振现象，实现燃气轮机更加平稳安全地启动。

附图说明

图1为根据本发明一个优选实施例的一种改形压气机抽气机匣的示意图；

图2为根据本发明一个优选实施例的一种改形压气机抽气机匣的压气机机匣的示意图；

其中：

1.压气机流道 2.压气机转子叶片 3.压气机静子叶片

4.机匣槽道 5.压气机机匣 6.抽气机匣

7.止气阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和造作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为根据本发明一个优选实施例的一种改形压气机抽气机匣的示意图，图2为根据本发明一个优选实施例的一种改形压气机抽气机匣的压气机机匣的示意图，如图1和图2所示，本发明提供了一种改形压气机抽气机匣，包括：压气机机匣5和抽气机匣6，抽气机匣6套设于压气机机匣5上，压气机机匣5的侧壁的周向上设有机匣槽道4，机匣槽道4穿透压气机机匣5的侧壁，压气机机匣5通过机匣槽道4 与抽气机匣6连通；机匣槽道4的形状为复杂线型周期性重复组成的周向曲线。

其中，压气机是燃气轮机中利用高速旋转的叶片给空气做功以提高空气压力的部件，燃气轮机在起动过程中，压气机转子转速不断变化，压气机容易因进气量不足导致气体分离而发生旋转失速，从而导致喘振，喘振时会由于气流强烈的脉冲使压气机产生严重的周期性振动和吼声，这对压气机是十分有害的，会使压气机转子叶片受到的应力大大增加，噪音加剧，使得整个燃气轮机发生强烈的振动，并可能损坏轴承、密封，进而造成停车或严重的事故。

压气机在非平衡的工作状态中，需要对压气机机匣5内进行抽气，防止因气体分离而导致严重的旋转失速甚至是喘振，从而保证燃气轮机安全起动；而针对压气机机匣5内部抽气对压气机效率影响较大，需要在防止压气机喘振的前提下抽走尽量少的气体，因此抽走低压区域的分离气团远比高压区域的正常流动的气流更有利。

具体地，本改形压气机抽气机匣包括压气机机匣5和抽气机匣6，压气机机匣5用于容纳高速旋转的压气机转子叶片2和静子叶片3；压气机机匣5的侧壁的周向上设有穿透压气机机匣5的机匣槽道4；在压气机机匣5的外壁上套设抽气机匣6，抽气机匣6通过机匣槽道4与压气机机匣5连通，用于对压气机机匣5内部的气体进行抽气。

传统的压气机抽气机匣6槽道4一般采用轴向对称的周向直线结构，当压气机因进气量不足产生气体分离时，需要通过抽气机匣6对压气机机匣5内部进行抽气，由于高压气体相比于低压气团具有更高的压力势能，因此在压气机抽气过程中，高压气流在通过机匣槽道4 的过程中可以沿着周向迁移至压力相对较低的区域，并且阻碍在压气机机匣5内部的低压分离气团通过槽道4进入抽气机匣6，由气体分离导致的低压分离气团不易离开压气机流道，旋转失速不易被缓解。

本实施例将传统的周向对称抽气机匣槽道由围绕压气机机匣5外壁的周向直线改为复杂线型周期性重复组成的周向曲线，使得压气机抽气过程中，抽气槽道4内气体沿周向迁移的沿程阻力增加，抽气槽道4中的气体周向迁移变得更加困难，从而避免由于高压气体在抽气槽道4内的周向迁移儿阻碍当地低压分离气团离开压气机机匣5进入抽气机匣6，低压分离气团更容易被抽吸离开压气机机匣5，流动分离更容易被缓解，有效防止压气机机匣5内气体旋转失速加剧而导致喘振现象的发生，实现燃气轮机更加平稳安全地起动。

基于上述实施例，如图1所示，压气机机匣5内设有压气机机匣5 轴、多级压气机转子叶片2和多级压气机静子叶片3，多级压气机转子叶片2依次套设于压气机机匣5轴上，多级压气机静子叶片3依次嵌设于压气机机匣5内。

具体地，压气机机匣5内部设有多级压气机转子叶片2和多级压气机静子叶片3，多级压气机转子叶片2套设于压气机机匣5轴上，多级压气机静子叶片3依次嵌设于压气机机匣5内；当压气机起动时，多级压气机转子叶片2随着压气机机匣5轴转动而转动，多级压气机静子叶片3不随着压气机机匣5轴转动而转动，压气机转子叶片2和静子叶片3占据的空间之外的空间为压气机流道1。

当压气机进气量不足时，在压气机转子叶片2和静子叶片3周围发生气体分离，在压气机流道1中形成高压区域的气团和低压区域的气团，高压区域的气团向低压区域的气团在压气机机匣5内部沿压气机机匣5周向流动。

进一步地，由于压气机转子叶片2和静子叶片3的加工和安装的误差，且同一级内各个压气机转子叶片2和静子叶片3的几何参数并非完全一致，因此由气体分离导致的旋转失速并非发生于所有的压气机流道1中，可以发生在几个不同位置的压气机流道1中。

基于上述实施例，如图2所示，线周向的周期个数和幅值由分离气团的大小和数量决定。分离气团的大小和数量会受到压气机叶片的叶型、叶片数和叶片安装角等参数的影响，其具体大小和数量利用现有常用的试验技术和计算流体动力学(CFD)计算方法可以比较准确地获得。周向曲线周期个数由分离气团的大小决定，一般建议保证一个周期对应的周向角度大小为分离气团在流道中占据的周向角度的 110％～150％，其取值并不限于此范围。一般建议曲线的幅值要保证轴向长度为分离气团轴向长度的150％～500％，其取值亦并不限于此范围。

其中，型线是指压气机机匣5表面及有关附体型表面的外廓线，投影线及与剖切平面的交线。

周向曲线的型线根据现有常用的试验技术和计算流体动力学 (CFD)计算方法可以优化选取，包括但不限于折线、正弦曲线、B- 样条曲线和Nurbs曲线。对于折线和正弦曲线的型线，其幅值和整周重复的周期数根据压气机机片的叶型、叶片数和叶片安装角这三个参数优化决定；对于B-样条曲线和Nurbs曲线的型线，插补点根据压气机机片的叶型、叶片数和叶片安装角这三个参数优化决定。另外，周向曲线的幅值由压气机转子叶片的轴向弦长确定。

进一步地，为了制作方便和作用均匀，一般情况下，机匣槽道4 的周向曲线中每个复杂线型周期的型线和幅值相同。

进一步地，所述机匣槽道4的宽度根据分离气团的大小而定，一般建议取分离气团轴向长度的10％～50％，其取值并不限于此范围，以方便通过机匣槽道4对压气机机匣5进行抽气。

进一步地，为了方便抽气机匣6套设于压气机机匣5外，且在压气机机匣5外的抽气机匣6通过机匣槽道4对压气机机匣5进行抽气，所述抽气机匣6的横截面直径应根据具体压气机工作条件而定，一般建议取比所述压气机机匣5的横截面直径大30％～80％，其取值并不限于此范围。

需要说明的是，抽气机匣6一般采用圆柱体，以方便燃气轮机的装配、安装及使用。

基于上述实施例，如图1所示，抽气机匣6的外壁上固定连接有止气阀7，抽气机匣6通过止气阀7与外界连通。

具体地，抽气机匣6的外壁上固定连接有止气阀7，打开止气阀7 时，抽气机匣6通过止气阀7与外界连通，从而使得压气机机匣5也与外界连接。当需要对压气机机匣5抽气时，打开止气阀7，在机匣槽道4处对压气机机匣5抽气，将抽出的气体通过止气阀7排出；当不需要对压气机机匣5抽气时，关闭止气阀7，防止压气机机匣5内的气体通过机匣槽道4流入抽气机匣6，再通过止气阀7与外界连通，影响压气机运行。

进一步地，为了使得通过机匣槽道4对压气机机匣5抽气时，能对压气机机匣5内部气流起到均匀作用，所述抽气机匣的宽度根据具体压气机工作条件而定，一般建议取抽气机匣轴向宽度约为槽道覆盖的轴向宽度的3-5倍，其取值并不限于此范围。

本发明提供了一种改形压气机抽气机匣，通过将传统的周向对称抽气机匣槽道由围绕压气机机匣外壁的周向直线改为复杂线型周期性重复组成的周向曲线，使得抽气槽道内周向上气团的沿程阻力增加，从而避免由于高压气体在抽气槽道内的周向迁移而阻碍当地低压分离气团离开压气机机匣进入抽气机匣，低压分离气团更容易被抽吸离开压气机机匣，流动分离更容易被缓解，有效防止压气机机匣内气体旋转失速加剧而导致喘振现象的发生，实现燃气轮机更加平稳安全地起动。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，包括：压气机机匣和抽气机匣，所述抽气机匣套设于所述压气机机匣上；所述压气机机匣的侧壁的周向上设有机匣槽道，所述机匣槽道穿透所述压气机机匣的侧壁，所述压气机机匣通过所述机匣槽道与所述抽气机匣连通；所述机匣槽道的形状为复杂线型周期性重复组成的周向曲线。

2.根据权利要求1所述的一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，所述周向曲线的型线、复杂线型周期个数和复杂线型周期幅值由压气机叶片的叶型、叶片数和叶片安装角确定。

3.根据权利要求2所述的一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，所述周向曲线的型线采用计算流体力学计算方法选取，所述周向曲线的型线包括折线、正弦曲线、B-样条曲线或Nurbs曲线。

4.根据权利要求1所述的一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，所述周向曲线的一个周期对应的周向角度为所述压气机机匣内产生的分离气团的周向角度的110％～150％。

5.根据权利要求2所述的一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，所述周向曲线的复杂线型周期幅值为所述压气机机匣内产生的分离气团的轴向长度的150％～500％。

6.根据权利要求1所述的一种压气机抽气机匣，其特征在于，所述机匣槽道的宽度为所述压气机机匣内产生的分离气团的轴向长度的10％～50％。

7.根据权利要求1所述的一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，所述抽气机匣的横截面直径比所述压气机机匣的横截面直径大30-80％。

8.根据权利要求1所述的一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，所述压气机机匣和所述抽气机匣均为圆柱体。

9.根据权利要求1所述的一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，所述抽气机匣的侧壁上固定连接有止气阀，所述抽气机匣通过所述止气阀与外界连通。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种改形压气机抽气机匣，其特征在于，所述机匣槽道的轴向宽度为所述机匣槽道的轴向宽度的3～5倍。