CN114109522A - 控制间隙损失的导叶结构和动力系统 - Google Patents

控制间隙损失的导叶结构和动力系统 Download PDF

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Abstract

本文提供一种控制间隙损失的导叶结构和动力系统。导叶结构包括机匣、轮毂和导叶，导叶可转动地安装在机匣和轮毂之间；导叶的叶根和轮毂的转动配合处设有第一间隙损失控制结构，第一间隙损失控制结构包括第一凹槽和置于第一凹槽内的第一凸台，第一凸台和第一凹槽中的之一位于叶根、另一位于轮毂，且第一凸台和第一凹槽之间设有第一设定间隔g1；导叶的叶顶和机匣的转动配合处设有第二间隙损失控制结构，第二间隙损失控制结构包括第二凹槽和置于第二凹槽内的第二凸台，第二凸台和第二凹槽中的之一位于叶顶、另一位于机匣，且第二凸台和第二凹槽之间设有第二设定间隔g2。该导叶结构的气动性能和流动控制更好。

Description

控制间隙损失的导叶结构和动力系统
技术领域
本文涉及叶轮机械技术领域，尤指一种控制间隙损失的导叶结构和一种动力系统。
背景技术
燃气轮机和航空发动机等动力系统广泛应用于工业、航空、电力等行业，其导叶结构包括圆柱环状的机匣、圆柱环状的轮毂和多个导叶；轮毂与机匣同轴设置，且轮毂位于机匣内侧；多个导叶可转动地安装在机匣和轮毂之间、并沿轮毂的周向依次布置，导叶的旋转轴与轮毂的轴线垂直相交，相邻导叶之间形成喉口；任一导叶的叶根和叶顶相互平行。
相比于动力系统采用传统的固定流路循环技术，动力系统采用变几何动力涡轮技术，可以有效调节和优化各部件之间的匹配，提高整机的加减速特性，改变导叶喉口面积，从而实现大幅调节流通能力，保证动力系统效率在很宽广的范围内维持较高水平，最终达到提升导叶结构的气动性能和流动控制的目的。
如何更好地提升导叶结构的气动性能和流动控制，也是本领域技术人员一直致力于解决的技术难题。
发明内容
研究分析发现：在变几何导叶设计中，为了避免导叶旋转时的热胀冷缩以及碰磨，导叶的叶顶与机匣之间以及导叶的叶根与轮毂之间会预留比较大的端区间隙，受压力面和吸力面压力差的驱动，流体会从压力面流向吸力面，从而形成显著的端区间隙泄漏流(出现端区间隙流动损失)，当端区间隙泄漏流冲击到吸力面主流时，就会造成很强的掺混损失。由于机匣和轮毂是圆柱环状的回转结构，导叶在大角度调节时，端区间隙改变非常明显。尤其在导叶负荷非常高的情况下(即导叶安装角较大，致使喉道面积减小时)，端区间隙流动损失尤其严重，造成部件效率下降明显。
本申请提供了一种导叶结构，其气动性能和流动控制更好。
本申请还提供了一种动力系统。
本发明实施例提供的导叶结构，包括机匣、轮毂和导叶，所述导叶可转动地安装在所述机匣和所述轮毂之间；所述导叶的叶根和所述轮毂的转动配合处设有第一间隙损失控制结构，所述第一间隙损失控制结构包括第一凹槽和置于所述第一凹槽内的第一凸台，所述第一凸台和所述第一凹槽中的之一位于所述叶根、另一位于所述轮毂，且所述第一凸台和所述第一凹槽之间设有第一设定间隔g1；所述导叶的叶顶和所述机匣的转动配合处设有第二间隙损失控制结构，所述第二间隙损失控制结构包括第二凹槽和置于所述第二凹槽内的第二凸台，所述第二凸台和所述第二凹槽中的之一位于所述叶顶、另一位于所述机匣，且所述第二凸台和所述第二凹槽之间设有第二设定间隔g2。
在一示例性实施例中，0＜g1＜0.1h，0＜g2＜0.1h；h为所述导叶在叶根和叶顶之间的高度。
在一示例性实施例中，所述叶根和所述轮毂的转动配合处设有第一转轴，所述第一转轴连接在所述叶根的最大泄漏流区域；所述叶顶和所述机匣的转动配合处设有第二转轴，所述第二转轴连接在所述叶顶的最大泄漏流区域；其中，所述第一转轴和所述第二转轴关于所述导叶呈轴对称。
在一示例性实施例中，0.5Xmax<XR<2Xmax，Xmax为最大泄漏流区域与所述导叶的前缘之间的距离，XR为第一转轴的轴线与所述导叶的前缘之间的距离。
在一示例性实施例中，所述第一凸台为球面凸台，所述第一凹槽为球面凹槽，所述第一凸台的球心和所述第一凹槽的球心均位于所述第一转轴的轴线上。
在一示例性实施例中，所述第二凸台为球面凸台，所述第二凹槽为球面凹槽，所述第二凸台的球心和所述第二凹槽的球心均位于所述第二转轴的轴线上。
在一示例性实施例中，所述第一凸台的凸起高度为d1，所述第一凸台的半径为r1，所述第一转轴的半径为R1，0＜r1＜h，0＜d1＜0.1h，0＜R1＜dm/2， h为所述导叶在叶根和叶顶之间的高度，dm为第一转轴所在位置的刀叶厚度。
在一示例性实施例中，所述第二凸台的凸起高度为d2，所述第二凸台的半径为r2，所述第二转轴的半径为R2，0＜r2＜h，0＜d2＜0.1h，0＜R2＜dm/2， h为所述导叶在叶根和叶顶之间的高度，dm为第一转轴所在位置的刀叶厚度。
在一示例性实施例中，所述第一凸台位于所述叶根，所述第一凹槽位于所述轮毂，所述第一转轴连接在所述第一凸台，所述第二凸台位于所述叶顶，所述第二凹槽位于所述机匣，所述第二转轴连接在所述第二凸台。
在一示例性实施例中，所述第一凸台位于所述轮毂，第一凹槽位于所述叶根，所述第一转轴连接在所述第一凹槽，所述第二凸台位于所述机匣，所述第二凹槽位于所述叶顶，所述第二转轴连接在所述第二凹槽。
在一示例性实施例中，所述轮毂包括第一圆环壁，所述机匣包括第二圆环壁，所述第一圆环壁位于所述第二圆环壁内侧、并与所述第二圆环壁同轴设置，所述导叶包括多个，多个所述导叶均位于所述轮毂和所述机匣之间、并沿所述第一圆环壁的周向依次布置，所述叶根均朝向所述第一圆环壁，所述叶顶均朝向所述第二圆环壁。
本发明实施例提供的动力系统，包括上述任一实施例所述的导叶结构。
本发明实施例提供的导叶结构，由于第一凹槽和第一凸台均位于导叶的叶根和轮毂的转动配合处，而且第一凸台置于第一凹槽内、并与第一凹槽转动配合，因此g1并不随着导叶安装角的不同而增大，导叶的叶根和轮毂的转动配合处的端区间隙流动损失也就不会增大；由于第二凹槽和第二凸台均位于导叶的叶顶和机匣的转动配合处，而且第二凸台置于第二凹槽内、并与第二凹槽转动配合，因此g2并不随着导叶安装角的不同而增大，导叶的叶顶和机匣的转动配合处的端区间隙流动损失也就不会增大；因此，本申请导叶结构的气动性能和流动控制更好，而且结构简单。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为本申请一实施例所述的导叶结构的局部结构示意图；
图2为在叶根与轮毂之间为均匀间隙，叶顶与机匣之间为均匀间隙，无第一凸台、第一凹槽、第二凸台、第二凹槽、第一转轴和第二转轴的导叶结构的导叶静压分布图；
图3为图1所示导叶结构的立体结构局部示意图；
图4为图1所述的导叶结构在正负5°角度调节时的叶片喉道面积变化趋势图；
图5为图1所示导叶结构和图2所示导叶结构在正负5°角度调节时的效率值图，n为图1所示导叶结构在正负5°角度调节时的效率值，m为图2所示导叶结构在正负5°角度调节时的效率值。
其中，图1至图3中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
100机匣，200导叶，210叶根，220叶顶，221最大泄漏流区域，230 前缘，300轮毂，410第一转轴，420第二转轴，510球面凸台，520球面凹槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
研究分析发现：为了避免导叶旋转时的热胀冷缩以及碰磨，导叶的叶顶与机匣之间以及导叶的叶根与轮毂之间会预留比较大的端区间隙，受压力面和吸力面压力差的驱动，流体会从压力面流向吸力面，从而形成显著的端区间隙泄漏流(出现端区间隙流动损失)，当端区间隙泄漏流冲击到吸力面主流时，就会造成很强的掺混损失。由于机匣和轮毂是圆柱环状的回转结构，导叶在大角度调节时，端区间隙改变非常明显。尤其在导叶负荷非常高的情况下(即导叶安装角较大，致使喉道面积减小时)，端区间隙流动损失尤其严重，造成导叶结构的气动性能和流动控制下降明显。
本发明实施例提供的导叶结构，如图1和图3所示，包括机匣100、轮毂 300和导叶200，导叶200可转动地安装在机匣100和轮毂300之间；导叶200 的叶根210和轮毂300的转动配合处设有第一间隙损失控制结构，第一间隙损失控制结构包括第一凹槽和置于第一凹槽内的第一凸台，第一凸台和第一凹槽中的之一位于叶根210、另一位于轮毂300，且第一凸台和第一凹槽之间设有第一设定间隔g1；导叶200的叶顶220和机匣100的转动配合处设有第二间隙损失控制结构，第二间隙损失控制结构包括第二凹槽和置于第二凹槽内的第二凸台，第二凸台和第二凹槽中的之一位于叶顶220、另一位于机匣 100，且第二凸台和第二凹槽之间设有第二设定间隔g2。
该导叶结构，由于第一凹槽和第一凸台均位于导叶200的叶根210和轮毂300的转动配合处，而且第一凸台置于第一凹槽内、并与第一凹槽转动配合，因此g1并不随着导叶200安装角的不同而增大，导叶200的叶根210和轮毂300的转动配合处的端区间隙流动损失也就不会增大；由于第二凹槽和第二凸台均位于导叶200的叶顶220和机匣100的转动配合处，而且第二凸台置于第二凹槽内、并与第二凹槽转动配合，因此g2并不随着导叶200安装角的不同而增大，导叶200的叶顶220和机匣100的转动配合处的端区间隙流动损失也就不会增大；因此，本申请导叶结构的气动性能和流动控制更好，而且结构简单。
在一示例性实施例中，如图1和图3所示，第一凸台为球面凸台510，第一凹槽为球面凹槽520，第一凸台位于叶根210，第一凹槽位于轮毂300，叶根210和轮毂300的转动配合处设有第一转轴410，第一转轴410连接在第一凸台，第一转轴410和第一凸台位于叶根210的最大泄漏流区域，第一凸台的球心和第一凹槽的球心均位于第一转轴410的轴线上；第二凸台为球面凸台510，第二凹槽为球面凹槽520，第二凸台位于叶顶220，第二凹槽位于机匣100，叶顶220和机匣100的转动配合处设有第二转轴420，第二转轴420 连接在第二凸台，第二转轴420和第二凸台位于叶顶220的最大泄漏流区域，第二凸台的球心和第二凹槽的球心均位于第二转轴420的轴线上。g1和g2并不随着导叶200安装角的不同而变化，导叶200在大范围角度调节时，叶顶 220和叶根210的最大泄漏流区域的端区间隙流动损失始终保持为最小，因此导叶200的端区间隙流动损失得到有效减小，这样导叶结构的气动性能和流动控制更好。
在一示例性实施例中，如图1和图3所示，轮毂300包括第一圆环壁，机匣100包括第二圆环壁，第一圆环壁位于第二圆环壁内侧、并与第二圆环壁同轴设置，导叶200包括多个，多个导叶200均位于轮毂300和机匣100 之间、并沿第一圆环壁的周向依次布置，叶根210均朝向第一圆环壁，叶顶 220均朝向第二圆环壁。每个导叶的轴线均沿轮毂300的径向设置、并与轮毂 300的轴线垂直。
在叶根210与轮毂300之间为均匀间隙，叶顶220与机匣100之间为均匀间隙，无第一凸台、第一凹槽、第二凸台、第二凹槽、第一转轴410和第二转轴420情况下，获得叶顶220的静压分布和叶根210的静压分布，确认叶顶220最大压力梯度位置和叶根210最大压力梯度位置，也即叶顶220的最大泄漏流区域221和叶根210的最大泄漏流区域(如图2所示)，叶根210 的最大泄漏流区域和叶顶220的最大泄漏流区域关于导叶200相对应，第一转轴410和第二转轴420关于导叶200呈轴对称。
在一示例中，0.5Xmax<XR<2Xmax，Xmax(图中未示出)为最大泄漏流区域与导叶200的前缘230之间的距离，XR(图中未示出)为第一转轴410的轴线与导叶200的前缘230之间的距离(由于第一转轴410和第二转轴420关于导叶200呈轴对称，因此第二转轴420的轴线与导叶200的前缘230之间的距离也为XR)。
在一示例中，0＜g1＜0.1h，0＜g2＜0.1h；h为导叶200在叶根210和叶顶220之间的高度，g1和g2均设置的比较小，并满足导叶200与机匣100 不碰磨、导叶200与轮毂300不碰磨。
在一示例中，第一凸台的凸起高度为d1，第一凸台的半径为r1，第一转轴410的半径为R1(图中未示出)，0＜r1＜h，0＜d1＜0.1h，0＜R1＜dm/2， h为导叶200在叶根210和叶顶220之间的高度，dm为第一转轴410所在位置的刀叶厚度。在一实施例中，d1设置为3mm，r1设置为50mm，h设置为 200mm，R1设置为10mm。
在一示例中，第二凸台的凸起高度为d2，第二凸台的半径为r2，第二转轴420的半径为R2(图中未示出)，0＜r2＜h，0＜d2＜0.1h，0＜R2＜dm/2， h为导叶200在叶根210和叶顶220之间的高度，dm为第一转轴410所在位置的刀叶厚度。
在一实施例中，d1和d2均设置为3mm，r1和r2均设置为50mm，h设置为200mm，R1和R2均设置为10mm，g1和g2均设置为2mm，此结构的导叶结构的气动性能和流动控制更好。
在一示例中，在设计安装角为正负γ开度情况下，均可以实现较好的气动效果和流量调节，其中0＜γ≤45°。在一实施例中，γ设置为5°，在正负 5°角度调节时，可以实现50％的喉道面积变化范围，保证宽范围流量变化，与“叶根210与轮毂300之间为均匀间隙，叶顶220与机匣100之间为均匀间隙，无第一凸台、第一凹槽、第二凸台、第二凹槽、第一转轴410和第二转轴420的导叶结构”进行对比，在正负5度开度下，本申请的导叶结构可以效率可提升1％～2％，通过抑制导叶200的端区泄漏流损失，可大幅提升导叶结构的效率，导叶结构的气动性能和流动控制也更好。
当然，也可以是：第一凸台位于轮毂300，第一凹槽位于叶根210，第一转轴410连接在第一凹槽，第二凸台位于机匣100，第二凹槽位于叶顶220，第二转轴420连接在第二凹槽；此方案也可实现本申请的目的，其宗旨未脱离本发明的设计思想，在此不再赘述，也应属于本申请的保护范围内。
本发明实施例提供的动力系统，包括上述任一实施例所述的导叶结构。
该动力系统，具备上述任一实施例提供的导叶结构的全部优点，在此不再赘述。
综上所述，本发明实施例提供的导叶结构，由于第一凹槽和第一凸台均位于导叶的叶根和轮毂的转动配合处，而且第一凸台置于第一凹槽内、并与第一凹槽转动配合，因此g1并不随着导叶安装角的不同而增大，导叶的叶根和轮毂的转动配合处的端区间隙流动损失也就不会增大；由于第二凹槽和第二凸台均位于导叶的叶顶和机匣的转动配合处，而且第二凸台置于第二凹槽内、并与第二凹槽转动配合，因此g2并不随着导叶安装角的不同而增大，导叶的叶顶和机匣的转动配合处的端区间隙流动损失也就不会增大；因此，本申请导叶结构的气动性能和流动控制更好，而且结构简单。
在本发明中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、““口”字结构”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结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”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；术语“安装”、“连接”、“固定连接”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。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (10)

1.一种导叶结构，包括机匣、轮毂和导叶，所述导叶可转动地安装在所述机匣和所述轮毂之间；其特征在于：
所述导叶的叶根和所述轮毂的转动配合处设有第一间隙损失控制结构，所述第一间隙损失控制结构包括第一凹槽和置于所述第一凹槽内的第一凸台，所述第一凸台和所述第一凹槽中的之一位于所述叶根、另一位于所述轮毂，且所述第一凸台和所述第一凹槽之间设有第一设定间隔g1；
所述导叶的叶顶和所述机匣的转动配合处设有第二间隙损失控制结构，所述第二间隙损失控制结构包括第二凹槽和置于所述第二凹槽内的第二凸台，所述第二凸台和所述第二凹槽中的之一位于所述叶顶、另一位于所述机匣，且所述第二凸台和所述第二凹槽之间设有第二设定间隔g2。
2.根据权利要求1所述的导叶结构，其特征在于，0＜g1＜0.1h，0＜g2＜0.1h；h为所述导叶在叶根和叶顶之间的高度。
3.根据权利要求1所述的导叶结构，其特征在于，
所述叶根和所述轮毂的转动配合处设有第一转轴，所述第一转轴连接在所述叶根的最大泄漏流区域；
所述叶顶和所述机匣的转动配合处设有第二转轴，所述第二转轴连接在所述叶顶的最大泄漏流区域；
其中，所述第一转轴和所述第二转轴关于所述导叶呈轴对称。
4.根据权利要求3所述的导叶结构，其特征在于，0.5Xmax<XR<2Xmax，Xmax为最大泄漏流区域与所述导叶的前缘之间的距离，XR为第一转轴的轴线与所述导叶的前缘之间的距离。
5.根据权利要求3所述的导叶结构，其特征在于，
所述第一凸台为球面凸台，所述第一凹槽为球面凹槽，所述第一凸台的球心和所述第一凹槽的球心均位于所述第一转轴的轴线上；
所述第二凸台为球面凸台，所述第二凹槽为球面凹槽，所述第二凸台的球心和所述第二凹槽的球心均位于所述第二转轴的轴线上。
6.根据权利要求5所述的导叶结构，其特征在于，
所述第一凸台的凸起高度为d1，所述第一凸台的半径为r1，所述第一转轴的半径为R1，0＜r1＜h，0＜d1＜0.1h，0＜R1＜dm/2，h为所述导叶在叶根和叶顶之间的高度，dm为第一转轴所在位置的刀叶厚度。
7.根据权利要求5所述的导叶结构，其特征在于，
所述第二凸台的凸起高度为d2，所述第二凸台的半径为r2，所述第二转轴的半径为R2，0＜r2＜h，0＜d2＜0.1h，0＜R2＜dm/2，h为所述导叶在叶根和叶顶之间的高度，dm为第一转轴所在位置的刀叶厚度。
8.根据权利要求5所述的导叶结构，其特征在于，
所述第一凸台位于所述叶根，所述第一凹槽位于所述轮毂，所述第一转轴连接在所述第一凸台，所述第二凸台位于所述叶顶，所述第二凹槽位于所述机匣，所述第二转轴连接在所述第二凸台；或
所述第一凸台位于所述轮毂，第一凹槽位于所述叶根，所述第一转轴连接在所述第一凹槽，所述第二凸台位于所述机匣，所述第二凹槽位于所述叶顶，所述第二转轴连接在所述第二凹槽。
9.根据权利要求1所述的导叶结构，其特征在于，所述轮毂包括第一圆环壁，所述机匣包括第二圆环壁，所述第一圆环壁位于所述第二圆环壁内侧、并与所述第二圆环壁同轴设置，所述导叶包括多个，多个所述导叶均位于所述轮毂和所述机匣之间、并沿所述第一圆环壁的周向依次布置，所述叶根均朝向所述第一圆环壁，所述叶顶均朝向所述第二圆环壁。
10.一种动力系统，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的导叶结构。
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