CN114962329A - 一种新型的压气机转子间隙结构及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的压气机转子间隙结构及应用，涉及压气机流动控制领域。其中，所述压气机转子间隙结构具有压气机转子的叶片、轮毂及机匣，压气机转子的叶片的叶顶形状为飞羽形状。本发明基于飞羽形状对叶顶间隙进行仿生学造型，通过间隙内凹凸结构实现对压气机转子泄漏流动的整流，降低了泄漏涡、分离涡及间隙二次流引起的损失，提高了压气机转子的气动性能，并起到扩稳的作用。

Description

一种新型的压气机转子间隙结构及应用

技术领域

本发明涉及压气机流动控制领域，更具体的说是涉及一种新型的压气机转子间隙结构及应用。

背景技术

燃气轮机作为一种旋转叶轮式热力发动机，以连续流动的气体为工质，将热能转换为机械能。对燃气轮机来说，压气机是其核心部件，它的性能参数直接决定了整台燃气轮机的经济效率和安全可靠性。随着科技的不断进步，对压气机的性能要求也越来越高，需要满足在压比和效率均保持很高的情况下能够具有足够宽的失速裕度。压气机转子运动过程中，动叶与机匣及静叶与轮毂之间会有相对运动，为避免在运动过程中定子与转子之间出现摩擦和碰撞，通常在动叶与机匣及静叶与轮毂之间存在间隙。一部分流体在压力面与吸力面压差作用下会穿过叶顶间隙形成叶顶泄漏流。叶顶泄漏流是一种非常复杂的三维粘性流动，在与机匣轮毂及叶表附面层、主流和其他二次流相互作用及轴向两侧叶栅的非定常气动干涉的下形成叶顶泄漏涡。对于压气机而言，大多数叶顶泄漏流动成为了气流堵塞和流动损失的主要原因。大量的研究已经表明，泄漏损失通常占总损失的20-40％，严重影响压气机的性能，不仅导致其压升能力降低，效率下降，同时也导致压气机的稳定工作范围减小，而且泄漏流的非定常特性以及泄漏轨迹偏移是导致压气机失速的诱因之一，所以间隙泄漏的研究与控制一直是业内学者研究的重点。

目前关于压气机转子间隙流动的控制手段已经具有一定的研究基础。例如，针对均匀间隙进行优化，给出了轴向非均匀布置的间隙，即间隙的高度沿轴向进行线性变化。后来的学者给定了非线性的非均匀间隙变化。近年来，间隙高度差形成的台阶结构也有人进行了研究，同时，针对压气机转子叶顶区域的流动控制，机匣处理也是一种较为实用的方式。通过对机匣开槽进行顶部流动控制，一般布置为整周槽，而这种方式虽然能够改善压气机顶部的流动，但是需要更改机匣形状，调整发动机外机匣的布置结构，并且加工成本较高，所以存在一定的局限性，与之相同地，压气机顶室造型也有着不易实现的问题。因此给出一种改善间隙流动的简便可行的方法具有一定的发展意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种新型的压气机转子间隙结构及应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种新型的压气机转子间隙结构，所述压气机转子间隙结构具有压气机转子的叶片、轮毂及机匣，压气机转子的叶片的叶顶形状为飞羽形状。

可选的，所述压气机转子间隙结构的型线由NURBS曲线控制，形状以叶片重心线为对称线。

可选的，对称曲线半支的控制点给定15至30个。

可选的，对称曲线半支形成的凹凸结构给定8至15个。

可选的，凹凸结构宽度为转子叶片顶部弦长的3.3％至6.25％之间，凹凸结构的高度给定0.4mm至0.6mm之间。

一种新型的压气机转子间隙结构的应用，安装时，中间位置间隙值给定范围为0.5mm-0.7mm，两侧位置为最大间隙值，给定范围为2mm-3mm。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种新型的压气机转子间隙结构及应用，具有以下有益效果：

1、相比于非均匀间隙布置，本发明所述新型压气机叶顶间隙结构，能够在产生压力梯度的情况下，通过飞羽状仿生学造型，在压气机转子叶顶处布置凹凸结构，实现对间隙流动的整流，降低了叶顶泄漏涡及分离涡的损失，

2、相比于机匣处理方式，本发明所述新型压气机叶顶间隙结构，能够针对间隙二次流动进行直接控制，对于顶部涡结构引起的压气机转子失速具有更好的控制效果。同时，机匣结构不需要改变，加工成本低，整体结构更加容易实现。

3、相比于压气机顶室结构，本发明所述新型压气机叶顶间隙结构是在叶顶修形，针对间隙二次流动的控制更加有效，同时，相比顶室脊状结构的大面积布置，本发明所述的新型压气机叶顶间隙结构更加容易实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为所述新型压气机叶顶间隙应用于整周转子的示意图；

图2为所述压气机转子间隙的仿生形状示意图；

图3为所述压气机转子间隙曲线的造型控制点示意图；

图4a-图4b为带有新型间隙结构的转子叶顶流场结构示意图；

图5a-图5b为有新型间隙结构的转子性能提升效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种新型的压气机转子间隙结构，压气机转子间隙结构具有压气机转子的叶片、轮毂及机匣，压气机转子的叶片的叶顶形状为飞羽形状。

其中，压气机转子间隙结构的型线由NURBS曲线控制，形状以叶片重心线为对称线；对称曲线半支的控制点给定15至30个。对称曲线半支形成的凹凸结构给定8至15个。凹凸结构宽度为转子叶片顶部弦长的3.3％至6.25％之间，凹凸结构的高度给定0.4mm至0.6mm之间。

还公开了一种新型的压气机转子间隙结构的应用，安装时，中间位置间隙值给定范围为0.5mm-0.7mm，两侧位置为最大间隙值，给定范围为2mm-3mm。

结合附图对其进行详细说明，具体如下：

附图1所示为新型间隙结构的整周压气机转子示意图，对于轴流压气机转子而言，针对压气机顶部布置新型的间隙结构，压气机转子的叶型、轮毂及机匣均不发生变化，结构易于实现。

附图2所示为带有新型间隙结构的压气机转子子午示意图，其中D1表示最大间隙，D2表示最小间隙。压气机转子叶片叶顶的形状参考鸟类飞羽形状，基于仿生学原理进行造型。新型的压气机转子间隙结构型线最高点，为允许的最小间隙位置。整体的间隙形状呈现出轴对称的特点，二次流经过仿生结构的整流作用，改善了压气机转子的间隙流动，其中，本例所示的新型压气机转子间隙结构，其最小间隙位置间隙为0.7mm，最大间隙位置的间隙为2.8mm。

附图3所示为新型压气机转子间隙结构的造型方式，其中D3表示对称线。其形状参考鸟类飞羽的型线，整体结构呈现出对称性。新型压气机转子间隙结构，其型线由NURBS曲线控制，如图所示，曲线点设定为15至30个，通过控制点造型得到的半支型线凹凸结构为8至15个。在本例中，半支型线的曲线控制点取20个，仿生飞羽凹凸结构取9个，则对应完整间隙包含仿生飞羽凹凸结构18个，其中，本例所示叶片弦长为111.24mm，凹凸结构的宽度约为叶片顶部弦长的5.56％，即6.18mm。

附图4a-图4b所示为带有新型间隙的压气机转子叶顶区域的流场结构图，其中图4a表示普通转子叶片，图4b表示新型仿生间隙转子叶片。通过仿飞羽形状的新型间隙结构实现对间隙内二次流动的整流，减少了低能气体的聚积，同时使得压气机转子叶顶的泄漏涡及分离涡强度减弱，损失显著降低，压气机稳定性随之提高。

附图5a-图5b所示为带有新型间隙结构转子的气动性能图。图5a为靠近失速工况下，转子的等熵效率径向分布图，新型间隙结构转子能够提高改善泄漏二次流，提高叶顶区域的效率。图5b为压气机转子压比特性线图，可以看到压气机转子的裕度提高，工作范围拓宽。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种新型的压气机转子间隙结构，所述压气机转子间隙结构具有压气机转子的叶片、轮毂及机匣，其特征在于，压气机转子的叶片的叶顶形状为飞羽形状。

2.根据权利要求1所述的一种新型的压气机转子间隙结构，其特征在于，所述压气机转子间隙结构的型线由NURBS曲线控制，形状以叶片重心线为对称线。

3.根据权利要求2所述的一种新型的压气机转子间隙结构，其特征在于，对称曲线半支的控制点给定15至30个。

4.根据权利要求2所述的一种新型的压气机转子间隙结构，其特征在于，对称曲线半支形成的凹凸结构给定8至15个。

5.根据权利要求4所述的一种新型的压气机转子间隙结构，其特征在于，凹凸结构宽度为转子叶片顶部弦长的3.3％至6.25％之间，凹凸结构的高度给定0.4mm至0.6mm之间。

6.一种新型的压气机转子间隙结构的应用，其特征在于，安装时，中间位置间隙值给定范围为0.5mm-0.7mm，两侧位置为最大间隙值，给定范围为2mm-3mm。

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