CN114857086A - 一种轴流压气机及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴流压气机及燃气轮机，包括外机匣、内轮毂和静子叶片，外机匣为筒体，静子叶片安装在外机匣内壁；内轮毂设置于上述筒体内，且内轮毂的中心轴与上述筒体的中心轴重叠；内轮毂设置至少一个凹槽，凹槽的开口朝向静子叶片，凹槽沿内轮毂的周向延伸，凹槽沿内轮毂的轴向方向完全位于静子叶片与内轮毂的缝隙。该轴流压气机削弱了静子叶片间隙泄露流动，提高了轴流压气机的工作效率。

Description

一种轴流压气机及燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种轴流压气机及燃气轮机。

背景技术

轴流压气机是一种用于将机械能转化为压力势能的叶轮机械，其一般包括外机匣和内轮毂。为了生成高压空气，轴流压气机在内轮毂轴向装有多级叶片，若干叶片固定在轴流压气机的内轮毂上构成压气机转子，转子上的叶片与内轮毂一同旋转，称为转子叶片。在两级转子叶片之间装上一组静止的叶片(简称静子叶片)，静子叶片起着对工质整流的作用。一组转子叶片与后面相邻的静子叶片称为轴流压气机的一个级，即每一级叶片按工质进入方向前后顺序包含一组转子叶片与一组静子叶片。其中，静子叶片固定在外机匣上，转子叶片安装在内轮毂上。轴流压气机通过对工质做功，提升工质的压力。对于轻型及重型燃气轮机，为维护方便，静子叶片均无静子内环结构，多采用悬臂静子形式，由于静子叶片与内轮毂间存在相对运动，因此静子叶片的叶尖与内轮毂之间存在叶片间隙。叶片间隙位于工质的流道内部，存在严重的间隙泄露流动。上述间隙泄露流动严重影响轴流压气机的静子叶片的做功能力，进而影响轴流压气机部件的裕度与效率。

发明内容

本发明提供一种轴流压气机及燃气轮机，用以解决现有技术中轴流压气机的工质流道内部的叶片间隙存在严重泄露流动，影响轴流压气机工作效率的问题。

本发明实施例提供了一种轴流压气机，包括外机匣、内轮毂和静子叶片，外机匣为筒体，静子叶片安装在外机匣内壁。内轮毂设置于上述筒体内，且内轮毂的中心轴与上述筒体的中心轴重叠。内轮毂设置至少一个凹槽，该凹槽的开口朝向静子叶片。凹槽沿内轮毂的周向延伸。此外，凹槽沿内轮毂的轴向方向完全位于静子叶片与内轮毂的缝隙。

上述实施例中，位于静子叶片与内轮毂的缝隙中的凹槽削弱了叶片间隙中的泄露流动，提高了轴流压气机的工作效率。此外，轴流压气机的加工工艺简单，易实现。

可选的，静子叶片沿内轮毂轴向方向的弦长Cd，与凹槽的底部沿内轮毂轴向方向的宽度a，满足：0<a≤50％Cd。

可选的，凹槽的底部沿内轮毂轴向方向的宽度a，与凹槽的开口沿内轮毂轴向方向的宽度c满足：c≤2a。

可选的，静子叶片靠近气流进气方向的一侧的边缘为前缘，前缘距离最近的凹槽的开口沿内轮毂轴向方向的中点到前缘的垂直距离d，与静子叶片沿内轮毂轴向方向的弦长Cd，满足：d＝5％～40％Cd。

可选的，凹槽的底部沿内轮毂轴向方向的宽度a，与凹槽的深度b，满足：b≥a。

可选的，凹槽沿平行于内轮毂中心轴且过中心轴方向的截面为轴对称图形。

可选的，截面为梯形或方形。

可选的，沿内轮毂轴向排布至少两个凹槽，任意相邻两个凹槽的开口沿内轮毂轴向的中点之间的距离e，与静子叶片沿内轮毂轴向方向的弦长Cd，满足：e＝48～52％Cd。

可选的，凹槽的数量为二个。上述的两个凹槽加强了对泄露流动切断的力度。而且，设置两个凹槽，对内轮毂的削弱力度较小，对内轮毂的强度影响较小。同时，只设置两个凹槽，数量较少，加工工艺简单。

可选的，凹槽为沿内轮毂周向贯通的槽。周向贯通的凹槽使得内轮毂无论在任何位置与静子叶片相对，都能够较好的将泄露流动切断，实现泄露流动的弱化。

可选的，静子叶片靠近气流进气方向的一侧的边缘为前缘，靠近气流出气方向的一侧的边缘为后缘。凹槽为周向非贯通的槽，该凹槽包括至少两个沿内轮毂周向排布的子凹槽，任意一个上述子凹槽沿内轮毂周向的长度大于前缘与后缘沿内轮毂周向方向的距离。

基于同一种发明构思，本申请还提供了一种燃气轮机，包括上述任意一项技术方案中的轴流压气机。该轴流压气机位于静子叶片与内轮毂的缝隙中的凹槽，削弱了叶片间隙中的泄露流动，提高了轴流压气机的工作效率，使得燃气轮机的整体效率也得到提升。

附图说明

图1为现有技术的轴流压气机结构示意图；

图2为本发明的一个实施例中轴流压气机结构示意图；

图3为本发明的另一个实施例中轴流压气机凹槽结构示意图；

图4为本发明的另一个实施例中轴流压气机凹槽结构示意图；

图5为本发明的一个实施例中凹槽的左视结构示意图；

图6为本发明的一个实施例中子凹槽的左视结构示意图。

附图标记：

1-转子叶片； 2-静子叶片；

3-外机匣； 4-内轮毂；

5-叶片间隙； X-工质；

41-凹槽； 411-子凹槽；

410-前壁； 4100-后壁；

21-前缘； 22-后缘。

具体实施方式

为了降低静子叶片间隙泄露流动，本发明实施例提供了一种轴流压气机及燃气轮机。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图举实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为现有技术的轴流压气机结构示意图，如图1所示，轴流压气机包括外机匣3和内轮毂4，在内轮毂4轴向装有多级叶片，内轮毂上的叶片与内轮毂一同旋转，称为转子叶片1。在两级转子叶片1之间设置一组静子叶片2，静子叶片2用于对进入内机匣的工质X整流。具体安装上述静子叶片2时，该静子叶片2可以固定安装在外机匣3上。轴流压气机通过对工质做功，提升工质的压力。对于轻型及重型燃气轮机，为维护方便，静子叶片均无静子内环结构，多采用悬臂静子形式。由于静子叶片与内轮毂间存在相对运动，因此静子叶片的叶尖与内轮毂之间存在叶片间隙5。该叶片间隙5直接位于工质的流道内部，导致上述叶片间隙内出现严重的泄露流动，影响轴流压气机内静子叶片的做功能力，进而影响轴流压气机的裕度与效率。

图2为本发明的一个实施例中轴流压气机结构示意图。如图2所示，本发明实施例提供了一种轴流压气机，该轴流压气机包括外机匣3、内轮毂4、转子叶片1和静子叶片2。该外机匣3为筒体，静子叶片2安装在外机匣3内壁；内轮毂4设置于筒体内，且内轮毂4的中心轴与筒体的中心轴重叠。内轮毂4设置至少一个凹槽41，凹槽41的开口朝向静子叶片2，凹槽41沿内轮毂4的周向延伸，凹槽41沿内轮毂的轴向方向完全位于静子叶片2与内轮毂4的缝隙。具体的说，凹槽41位于静子叶片2的正下方，处于叶片间隙的位置，凹槽的前壁410和后壁4100均不能超过静子叶片2沿内轮毂轴向方向的边缘。

工质在轴流压气机中沿内轮毂轴向方向流动，该工质具体可以为空气。静子叶片与内轮毂之间的叶片间隙存在泄露流动，该泄露流动遇到完全位于叶片间隙中的凹槽41，会在凹槽41中形成旋涡，将叶片间隙中的泄露流动切断。该凹槽实现了泄露流动的弱化，提高了轴流压气机的工作效率。且上述轴流压气机的凹槽加工工艺简单，容易实现。

图3为本发明的另一个实施例中轴流压气机的凹槽结构示意图。如图3所示，在本申请进一步的实施例中，静子叶片2沿内轮毂4轴向方向的弦长为Cd，上述弦长具体指静子叶片2叶尖处的前缘21到后缘22的长度。凹槽41底部沿内轮毂4轴向方向的宽度为a。上述弦长Cd与宽度a满足：0<a≤50％Cd。

经过试验测定，上述的宽度a与弦长Cd满足0<a≤50％Cd时，能够使泄露流动得到较大程度的减弱。在具体的实施例中，本申请对于宽度a与弦长Cd之间的具体关系不做限制，例如采用如下数值均能够实现本发明的目的，达到弱化泄露流动的效果：a＝5％Cd；a＝10％Cd；a＝20％Cd；a＝30％Cd；a＝40％Cd；a＝50％Cd。

请继续参考图3，在另一个可选的实施例中，凹槽41底部沿内轮毂4轴向方向的宽度为a。凹槽41的开口沿内轮毂4轴向方向的宽度为c。上述的凹槽的底部宽度a与凹槽的开口宽度c满足：c≤2a。

经过试验测定，凹槽41的底部宽度a与凹槽41的开口宽度c满足c≤2a时，能够使泄露流动得到较大程度的减弱。在具体的实施例中，本申请对于凹槽41的底部宽度a与凹槽41的开口宽度c之间的具体关系不做限制，例如采用如下数值均能够实现本发明的目的，达到弱化泄露流动的效果：c＝a；c＝2a。

请继续参考图3，在另一个可选的实施例中，静子叶片靠近工质X进入方向的一侧的边缘为前缘21。静子叶片沿内轮毂轴向方向的弦长为Cd。与前缘21距离最近的凹槽41的开口，沿内轮毂轴向方向的中点，到前缘21的垂直距离为d。上述的弦长Cd与凹槽的开口中点到前缘的垂直距离d满足：d＝5％～40％Cd。

经过试验测定，弦长Cd与凹槽的开口中点到前缘的垂直距离d满足d＝5％～40％Cd时，能够使泄露流动得到较大程度的减弱。在具体的实施例中，本申请对于弦长Cd与距离d之间的具体关系不做限制，例如采用如下数值均能够实现本发明的目的，达到弱化泄露流动的效果：d＝5％Cd；d＝10％Cd；d＝15％Cd；d＝20％Cd；d＝25％Cd；d＝35％Cd；d＝40％Cd。

请继续参考图3，在另一个可选的实施例中，凹槽41底部沿内轮毂轴向方向的宽度为a。凹槽41的深度为b，该深度指的是凹槽的开口到凹槽的底部的垂直距离。上述宽度a与深度b满足：b≥a。

经过试验测定，宽度a与深度b满足b≥a时，能够使泄露流动得到较大程度的减弱。在具体的实施例中，本申请对于宽度a与深度b之间的具体关系不做限制，例如采用以下数值均能够实现本发明的目的，达到弱化泄露流动的效果：b＝a；b>a。

在内轮毂强度允许的范围内，凹槽深度b不小于凹槽底部宽度a时，能够达到良好的削弱泄露流动的效果。

在可选的实施例中，凹槽沿平行于内轮毂中心轴且过中心轴方向的截面为轴对称图形。在具体的实施例中，截面可以为半圆形，椭圆形，三角形等轴对称图形。凹槽截面的两壁对称，更能够很好的形成旋涡，减弱泄露流动。

优选的，截面为梯形或方形。经过试验测定，上述截面采用梯形或者方形时，泄露流动减弱的效果最好。

图4为本发明的另一个实施例中轴流压气机凹槽结构示意图。如图4所示，在可选的实施例中，沿内轮毂4轴向排布至少两个凹槽41，并且任意相邻的两个凹槽41的开口沿内轮毂轴向的中点之间的距离为e，静子叶片沿内轮毂轴向方向的弦长为Cd，上述两凹槽的开口中点间距e与弦长Cd满足：e＝48～52％Cd。

经过试验测定，上述两凹槽的开口中点间距e与弦长Cd满足e＝48～52％Cd时，能够使泄露流动得到较大程度的减弱。在具体的实施例中，本申请对于两凹槽的开口中点间距e与弦长Cd的具体关系不做限制，例如采用如下数值均能够实现本发明的目的，达到弱化泄露流动的效果：e＝48％Cd；e＝50％Cd；e＝52％Cd。

优选的，凹槽的数量为二个。此时，工质在经过第一个凹槽时形成旋涡，对泄露流动进行了削弱，紧接着在向后流动的过程中，在第二个凹槽中又形成一个旋涡，此时，加强了对泄露流动切断的力度。而且，设置两个凹槽，对内轮毂的削弱力度较小，对内轮毂的强度影响较小。同时，只设置两个凹槽，数量较少，加工工艺简单。

图5为本发明的一个实施例中凹槽的左视结构示意图。如图5所示，可选的实施例中，凹槽41为沿内轮毂4周向贯通的槽。周向贯通的槽，无论内轮毂4的任何位置与静子叶片相对，都能够较好的将泄露流动切断，实现泄露流动的弱化。

图6为本发明的一个实施例中子凹槽的左视结构示意图。如图6所示，可选的实施例中，静子叶片靠近工质进入方向的一侧的边缘为前缘21，靠近工质流出的方向的一侧的边缘为后缘22。在本实施例中，凹槽41为周向非贯通的槽，凹槽41包括至少两个沿内4周向排布的子凹槽411，任意一个子凹槽411沿内轮毂周向的长度，大于前缘21与后缘22沿所内轮毂周向方向的距离。上述的子凹槽极大的削弱了叶片间隙的泄露流动，提高了轴流压气机的效率。

整体上，本发明利用内轮毂表面的周向凹槽，扰乱了处于静子叶片的叶尖位置的泄露流动，并切断了该泄露流动在轴流压气机流道内的轴向附面层的发展，进而提升了轴流压气机的裕度，减少泄露流动。在不过分降低内轮毂强度、不增加静子叶片结构复杂性的基础上，利用周向凹槽结构降低了静子叶片与内轮毂叶片间隙处的泄露流动。并且，凹槽的加工工艺简单，容易实现，加工成本低。

本申请的实施例还提供了一种燃气轮机，包括上述实施例中的轴流压气机。该轴流压气机的效率较高，燃气轮机的整体效率也得到提升。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种轴流压气机，包括外机匣、内轮毂和静子叶片，所述外机匣为筒体，所述静子叶片安装在所述外机匣内壁；所述内轮毂设置于所述筒体内，且所述内轮毂的中心轴与所述筒体的中心轴重叠；其特征在于，所述内轮毂设置至少一个凹槽，所述凹槽的开口朝向所述静子叶片，所述凹槽沿所述内轮毂的周向延伸，所述凹槽沿所述内轮毂的轴向方向完全位于所述静子叶片与所述内轮毂的缝隙。

2.根据权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述静子叶片沿所述内轮毂轴向方向的弦长Cd，与所述凹槽的底部沿所述内轮毂轴向方向的宽度a，满足：0<a≤50％Cd。

3.根据权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述凹槽的底部沿所述内轮毂轴向方向的宽度a，与所述凹槽的开口沿所述内轮毂轴向方向的宽度c满足：c≤2a。

4.根据权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述静子叶片靠近气流进气方向的一侧的边缘为前缘，所述前缘距离最近的所述凹槽的开口沿所述内轮毂轴向方向的中点到所述前缘的垂直距离d，与所述静子叶片沿所述内轮毂轴向方向的弦长Cd，满足：d＝5％～40％Cd。

5.根据权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述凹槽的底部沿所述内轮毂轴向方向的宽度a，与所述凹槽的深度b，满足：b≥a。

6.根据权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述凹槽沿平行于所述内轮毂中心轴且过所述中心轴方向的截面为轴对称图形。

7.根据权利要求6所述的轴流压气机，其特征在于，所述截面为梯形或方形。

8.根据权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，沿所述内轮毂轴向排布至少两个所述凹槽，任意相邻两个所述凹槽的开口沿所述内轮毂轴向的中点之间的距离e，与所述静子叶片沿所述内轮毂轴向方向的弦长Cd，满足：e＝48～52％Cd。

9.根据权利要求1或8所述的轴流压气机，其特征在于，所述凹槽的数量为二个。

10.根据权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述凹槽为沿所述内轮毂周向贯通的槽。

11.根据权利要求1所述的轴流压气机，其特征在于，所述静子叶片靠近气流进气方向的一侧的边缘为前缘，靠近气流出气方向的一侧的边缘为后缘；所述凹槽为周向非贯通的槽，所述凹槽包括至少两个沿所述内轮毂周向排布的子凹槽，任意一个所述子凹槽沿所述内轮毂周向的长度大于所述前缘与所述后缘沿所述内轮毂周向方向的距离。

12.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1～11任意一项所述的轴流压气机。

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