CN114251130A - 一种用于控制叶顶泄漏流的鲁棒性转子结构和动力系统 - Google Patents

Abstract

本文提供一种用于控制叶顶泄漏流的转子结构和动力系统。转子结构包括机匣、轮毂和转子，轮毂可转动地安装在机匣内，转子位于机匣和轮毂之间、并固定在轮毂上；转子的叶顶设有第一波浪面，机匣的内周面设有第二波浪面，第一波浪面与第二波浪面以设定间隔g相匹配。实验发现，转子随轮毂在机匣内沿机匣的周向转动的过程中，第一波浪面和第二波浪面之间的设定间隔将原本完整连续的大泄漏涡打碎成了多个不连续的小泄漏涡，叶顶泄漏流损失会降低；另外，转子与机匣发生轴向相对位移时，机匣与转子之间的间隙分布并不均匀，与转子和机匣通过圆柱曲面匹配的方案相比，泄漏流流量和叶顶泄漏流损失会降低。

Description

一种用于控制叶顶泄漏流的鲁棒性转子结构和动力系统

技术领域

本文涉及叶轮机械技术领域，尤指一种用于控制叶顶泄漏流的转子结构和一种动力系统。

背景技术

在航空发动机和燃气轮机中，对于不戴冠的涡轮转子叶片(即：转子)，为了避免涡轮转子叶片旋转时碰磨或者热胀冷缩，往往会在转子的叶顶和机匣之间预留一定间隙。当流体流过转子时，受刀叶两侧的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，从而形成明显的叶顶间隙泄漏流，当泄漏流冲击到吸力面主流时，就会造成掺混损失，严重制约设备的旋转机械效率。在航空发动机和燃气轮机中，每1％的叶顶间隙，就可能造成1-2％的旋转机械效率损失。如何更好地降低旋转机械效率损失，是本领域技术人员一直致力于解决的技术难题。

发明内容

分析研究发现：受热胀冷缩及轴向力的作用，转子与机匣之间会发生径向相对位移和轴向相对位移，尤其是在大扩张角的子午流道中，这种相对位移会使得叶顶间隙相应变大或者变小，会进一步影响设备的旋转机械效率。

本申请提供了一种用于控制叶顶泄漏流的转子结构，能够减弱转子与机匣之间径向相对位移以及轴向相对位移对叶顶间隙泄漏流的影响，因此设备的旋转机械效率更好。

本申请还提供了一种动力系统。

本发明实施例提供的用于控制叶顶泄漏流的转子结构，包括机匣、轮毂和转子，所述轮毂可转动地安装在所述机匣内，所述转子位于所述机匣和所述轮毂之间、并固定在所述轮毂上；所述转子的叶顶设有第一波浪面，所述机匣的内周面设有第二波浪面，所述第一波浪面与所述第二波浪面以设定间隔g相匹配。

在一示例性实施例中，所述第一波浪面的母线满足：

其中，-C_x为转子在机匣轴向上的投影长度，n为正整数，τ为第一波浪面的振幅，0＜τ≤g，K为1或-1，x轴沿机匣的轴向，z轴沿机匣的径向。

在一示例性实施例中，在所述机匣的轴向上：所述第一波浪面自所述转子的叶顶尾端延伸至所述转子的叶顶前端；在所述机匣的周向上：所述第二波浪面连续。

在一示例性实施例中，所述机匣和所述转子的相对轴向窜动距离D_x满足：

其中，-C_x为转子在机匣轴向上的投影长度，n为正整数。

在一示例性实施例中，n为3～10。

在一示例性实施例中，所述第一波浪面的母线与所述第二波浪面的母线形状相同。

在一示例性实施例中，所述第一波浪面正对所述第二波浪面。

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用于控制叶顶泄漏流的转子结构。

本发明实施例提供的转子结构，转子的叶顶设有第一波浪面，机匣的内周面设有第二波浪面，第一波浪面与第二波浪面以设定间隔g相匹配，实验发现，转子随轮毂在机匣内沿机匣的周向转动的过程中，第一波浪面和第二波浪面之间的设定间隔将原本完整连续的大泄漏涡打碎成了多个不连续的小泄漏涡，叶顶泄漏流损失会降低；另外，转子与机匣发生轴向相对位移时，机匣与转子之间的间隙分布并不均匀，与转子和机匣通过圆柱曲面匹配的方案相比，泄漏流流量会降低，叶顶泄漏流损失也会降低。

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转子结构中转子的立体结构示意图；

图2为本申请一实施例所述的转子结构中转子和机匣相配合状态的剖视结构局部示意图；

图3为转子的叶顶的设计参数示意图；

图4为考虑轴向窜动时叶片和机匣的相对位置示意图，d1为第二波浪面，d2为安装位置的第一波浪面，d3为窜动后的第一波浪面；

图5为圆柱曲面匹配和波浪面匹配的流动结构对照图；

图6为圆柱曲面匹配和波浪面匹配的工作状态对照图。

其中，图1至图6中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

100机匣，110第二波浪面，200转子，210第一波浪面。

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。

本发明实施例提供的用于控制叶顶泄漏流的转子结构，如图1和图2所示，包括机匣100、轮毂和转子200，轮毂可转动地安装在机匣100内，转子200位于机匣100和轮毂之间、并固定在轮毂上；转子200的叶顶设有第一波浪面210，机匣100的内周面设有第二波浪面110，第一波浪面210与第二波浪面110以设定间隔g相匹配，0＜g＜0.1h，h为导叶在叶根和叶顶之间的高度。

该转子结构，转子200的叶顶设有第一波浪面210，机匣100的内周面设有第二波浪面110，第一波浪面210与第二波浪面110以设定间隔g相匹配，实验发现，转子200随轮毂在机匣100内沿机匣100的周向转动的过程中，第一波浪面210和第二波浪面110之间的设定间隔将原本完整连续的大泄漏涡(圆柱曲面匹配形成完整连续的大泄漏涡)打碎成了多个不连续的小泄漏涡(如图5所示，TLV表示泄漏涡大小)，叶顶泄漏流损失会降低；另外，转子200与机匣100发生轴向相对位移时，机匣100与转子200之间的间隙分布并不均匀，与转子200和机匣100通过圆柱曲面匹配的方案相比，泄漏流流量和叶顶泄漏流损失会降低(如图6所示)。P表示圆柱曲面匹配方案转子不窜动状态的泄漏流损失，P1表示圆柱曲面匹配方案转子窜动状态的泄漏流损失，随着机匣与转子之间的间隙变化，P1相对于P，泄漏流损失变大。Q表示波浪面匹配方案转子不窜动状态的泄漏流损失，Q1表示波浪面匹配方案转子窜动状态的泄漏流损失，随着机匣100与转子200之间的间隙变化，Q1相对于Q，泄漏流损失变小。

在一示例性实施例中，第二波浪面110在机匣100的周向上连续，第二波浪面110的母线长度等于或大于第一波浪面210的母线长度。

在一实施例中，如图1所示，在机匣100的轴向上，第一波浪面210自转子200的叶顶尾端a延伸至转子200的叶顶前端b，这样转子200随轮毂在机匣100内沿机匣100的周向转动的过程中，叶顶泄漏流损失更小。较好地，叶顶设置成布满第一波浪面210。

在一示例性实施例中，如图2和图3所示，第一波浪面210的母线与第二波浪面110的母线形状相同，第一波浪面210的母线长度等于第二波浪面110的母线长度，而且第一波浪面210正对第二波浪面110，这样第一波浪面210和第二波浪面110之间在机匣100轴向上各位置的设计间隙相等。

在一实施例中，第一波浪面210的母线满足：

其中，-C_x为转子200在机匣100轴向上的投影长度，n为正整数，τ为第一波浪面210的振幅，0＜τ≤g，K为1或-1，x轴沿机匣100的轴向，z轴沿机匣100的径向。如图3所示，在叶顶制作第一波浪面210时，可以将基准零点建立在刀叶的叶顶尾端a，z轴建立为指向机匣100的轴线。其中，K＝-1，则z为负值，第一波浪面210朝向机匣100凸出；K＝1，则z为正值，第一波浪面210朝向轮毂的轴线凸出。

实验发现，转子200随轮毂在机匣100内沿机匣100的周向转动的过程中，第一波浪面210和第二波浪面110之间的设定间隔将原本完整连续的大泄漏涡打碎成了多个不连续的小泄漏涡(如图5所示)，叶顶泄漏流损失会降低2％～2.5％。

在一实施例中，机匣100和转子200的相对轴向窜动距离D_x满足：

同前文所述一致：-C_x为转子200在机匣100轴向上的投影长度，n为正整数。

对于实际工作环境会导致转子200的轴向窜动量很大(即转子200和机匣100的轴向相对位移大)的转子结构，转子200在设计时n取小一点的数值，这样D_x较大；对于实际工作环境不会导致转子200的轴向窜动量很大(即转子200和机匣100的轴向相对位移不是很大)的转子结构，转子200在设计时n取大一点的数值，这样D_x较小。n取值越大，叶顶泄漏流损失越小。D_x取正值，表示转子200往叶顶尾端方向窜动；D_x取负值，表示转子200往叶顶前端方向窜动，本领域技术人员可以根据实际工作环境造成的转子200相对于机匣100的窜动方向来进行选择。

如图4所示，实验发现，转子200随轮毂在机匣100内沿机匣100的周向转动的过程中，转子200与机匣100发生轴向相对位移时，机匣100与转子200之间的间隙分布并不均匀，与转子200和机匣100通过圆柱曲面匹配的方案相比，泄漏流流量会降低，叶顶泄漏流损失能够至少降低8％～10％。d1为第二波浪面，d2为安装位置的第一波浪面，d3为窜动后的第一波浪面。

在一实施例中，n为5，D_x＝-C_x/40，也即一个第一波浪面210的母线的周期的1/8，此方案与转子200和机匣100通过圆柱曲面匹配的方案相比，叶顶泄漏流损失降低可达14％。

该转子结构对转子200和机匣100之间的间隙变化变得不敏感，转子200发生轴向窜动时，叶顶泄漏流损失能够明显得到降低，对转子结构鲁棒性设计具有非常重要的意义。

当然，n也可以根据需要选择其他正整数，如1、2、3、8、10或12等，均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，均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(图中未示出)，包括上述任一实施例所述的用于控制叶顶泄漏流的转子结构。

该动力系统，具备上述任一实施例提供的用于控制叶顶泄漏流的转子结构的全部优点，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例提供的转子结构，转子的叶顶设有第一波浪面，机匣的内周面设有第二波浪面，第一波浪面与第二波浪面以设定间隔g相匹配，实验发现，转子随轮毂在机匣内沿机匣的周向转动的过程中，第一波浪面和第二波浪面之间的设定间隔将原本完整连续的大泄漏涡打碎成了多个不连续的小泄漏涡，叶顶泄漏流损失会降低；另外，转子与机匣发生轴向相对位移时，机匣与转子之间的间隙分布并不均匀，与转子和机匣通过圆柱曲面匹配的方案相比，泄漏流流量和叶顶泄漏流损失会降低。

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 (8)

1.一种用于控制叶顶泄漏流的转子结构，包括机匣、轮毂和转子，所述轮毂可转动地安装在所述机匣内，所述转子位于所述机匣和所述轮毂之间、并固定在所述轮毂上；其特征在于，所述转子的叶顶设有第一波浪面，所述机匣的内周面设有第二波浪面，所述第一波浪面与所述第二波浪面以设定间隔g相匹配。

2.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述第一波浪面的母线满足：

其中，C_x为转子在机匣轴向上的投影长度，n为正整数，τ为第一波浪面的振幅，0＜τ≤g，K为1或-1，x轴沿机匣的轴向，z轴沿机匣的径向。

3.根据权利要求2所述的转子结构，其特征在于，

在所述机匣的轴向上：所述第一波浪面自所述转子的叶顶尾端延伸至所述转子的叶顶前端；

在所述机匣的周向上：所述第二波浪面连续。

4.根据权利要求1所述的转子结构，其特征在于，所述机匣和所述转子的相对轴向窜动距离D_x满足：

其中，C_x为转子在机匣轴向上的投影长度，n为正整数。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的转子结构，其特征在于，n为3～10。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的转子结构，其特征在于，所述第一波浪面的母线与所述第二波浪面的母线形状相同。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的转子结构，其特征在于，所述第一波浪面正对所述第二波浪面。

8.一种动力系统，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的用于控制叶顶泄漏流的转子结构。

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