CN116557349B - 一种双层交错式压气机机匣处理结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双层交错式压气机机匣处理结构，基于单层带槽环式处理机匣的结构形式，在回流腔带槽环外设置一带有周向槽的薄壁环结构，薄壁环可沿现有带槽环周向移动。根据气动设计结果设计薄壁环结构，实现双层交错可变通道的机匣结构设计。根据压气机的不同转速，不同流量，控制处理机匣上薄壁环结构的周向移动，来实现叶顶区域引气量的多少。这种流场的被动控制方法能够有效控制压气机叶尖处间隙泄漏流的影响及端区失速团的产生，从而提高压气机在不同转速下的稳定工作裕度。

Description

一种双层交错式压气机机匣处理结构

技术领域

本发明涉及一种双层交错式压气机机匣处理结构，是一种可以提高压气机稳定工作裕度的处理机匣结构，属于压气机流动控制领域。

背景技术

随着工业技术不断提升，在制造业技术快速发展以及科研能力逐步提高的背景下，具有大功率特点和高机动性优势的燃气轮机得以初步普及甚至广泛应用于各类舰船以及航空飞机的动力系统中。作为燃气轮机三大部件之一的压气机，其工作环境非常苛刻，在相同的工作条件下，也更容易产生故障。船舶在巡航状态下，燃气轮机输出功率通常只达到额定输出功率的10％～20％之间，按照共同工作线，压气机处于中低转速条件下(60％～70％转速)运行，由于此时已经严重偏离了压气机的设计点，压气机导致稳定工作裕度不足问题产生，存在发生喘振的危险。

机匣处理是一种被动流动控制技术，用于扩大压气机稳定工作范围，即在压气机机匣上特定部位开缝或槽等结构，以抑制叶尖区域气流失速，其具有扩稳效果好、结构简单易于实现的特点，能够较大幅度的提高压气机的稳定工作范围，但是随之带来的重要问题就是会增加额外的气动损失，降低压气机气动效率(2～4％以上)，影响机组整体性能。在现役的船舶燃机X25和在研的我国下一代大功率船舶燃机动力大功率简单循环燃机的低压压气机上，机匣处理技术都是必须采用的关键扩稳措施之一。

现有的传统机匣处理形式是采用完全被动控制方式，机匣结构一经设计好之后，在燃机变工况过程中，无论流场结构如何变化，机匣结构就不会改动，这会导致处理机匣结构参数与压气机失速流场之间的匹配问题，无法达到最优的控制效果，或者更多的牺牲高工况的压气机效率(压气机的效率牺牲1％，可能导致输出功率降低3％左右、整机效率降低0.3％以上)。因此，为了在不同工况下，机匣处理都可以起到较好的效果，开发一款可调控机匣处理结构具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了在有效改善压气机端区流动情况下，不过多影响压气机工作效率，同时又可以有效改善压气机稳定工作裕度。传统的处理机匣为了增加喘振裕度，必然会破坏原有已定型的流动状态，造成压气机效率的下降，一般设计点效率会降低2％以上，对于目前设计效率已经接近90％的先进船舶燃机压气机来讲，是非常可观的。

本发明引入了变几何的流动控制思想，将压气机的部分机匣结构作为控制变量，直接干预燃机变工况过程中处理机匣的控制效果。通过薄壁环的带槽环周向移动，实现机匣处理气体流通量的改变，实现在不同工况下，叶尖区域回流量从零开始的连续内可调，在燃机变工况过程中达到最优的流动控制效果。

本发明的目的是这样实现的：包含电动机、滑动连杆、连接卡扣、周向环、连杆、薄壁环，电动机，滑动连杆，结构左侧形成周向槽、右侧为回流腔，周向环位于压气机机匣外部，连杆与薄壁环位于处理机匣内部，电动机通过滑动连杆与周向环连接，周向环通过连接卡扣与连杆固定在一起，连杆与薄壁环固连，引气孔位于轴流压气机动叶叶顶靠近叶片尾缘处。

进一步地，所述电动机有三个，等间距设置在压气机机闸外。

进一步地，薄壁环为一圈打孔的圆圈，孔洞的大小与排列与引气孔方式相同。

进一步地，引气孔个数在每个通道内均匀分配，每个通道内引气孔个数在2～4个；引气孔前端与叶片前缘距离为弦长的5％～10％；引气孔后端与叶片尾缘距离为弦长的5％～10％；

进一步地，引气孔相位角布置：

(1)与叶顶弦长方向保持一致，变化角度在-10°～10°；

(2)与叶顶弦长方向呈轴向对称，变化角度在-10°～10°。

进一步地，回流腔深度取叶片高度的10％～15％。

进一步地，电动机通过滑动连杆推动周向环，周向环带动薄壁环进行周向旋转，薄壁环的周向旋转导致薄壁环上的孔洞与引气孔产生相位差，使引气孔可流通面积发生变化，控制引气量；从引气孔流入的气体流入回流腔内，回流腔内处于顺压力梯度流动，气体会从压力高的区域流向压力低的区域，保持周向的压力分布均匀，通过通流缝流向周向槽处，在叶顶前缘压力较低处及主流区域压力较低处流出，维持动叶端区流动的稳定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本专利所述的压气机双层交错机匣处理结构，能够有效改善叶片端区流动，抑制叶顶泄漏涡对主流区的影响，提高压气机在不同转速下的稳定工作裕度。

1、相比于传统的机匣处理结构，本发明所述的双层交错机匣处理结构可以根据压气机不同工况进行变化，解决了传统机匣处理结构在压气机设计工况下对压气机效率的影响。

2、相比于轴向槽机匣处理结构，本发明所述的双层交错机匣处理结构在轴向槽的基础上增加了回流腔，使得压气机叶顶周向压力均匀分布，抑制了叶顶失速团的产生，提高了压气机稳定工作裕度。

3、相比于主动控制机匣处理结构，本发明所述的双层交错机匣处理结构，可以在不额外提供能量的情况下，通过压气机内部压力梯度进行自动引气。

4、相比于周向槽机匣处理结构，本发明所述的双层交错机匣处理结构不仅可以在周向进行气体的交换，同时可以将叶顶尾缘处的高压流体向叶顶前缘处流动，改善叶顶进气攻角。

附图说明

图1为所述的压气机双层交错机匣刨面图示意图；

图2为所述的压气机双层交错机匣三维立体示意图；

图3为所述的压气机双层交错机匣各具体参数设计技术路线图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

1、结构组成

附图1为所述压气机双层交错机匣处理结构刨面图示意图，附图2为所述压气机双层交错机匣处理结构三维立体示意图。本发明所述双层交错式压气机机匣处理结构是在压气机机匣上进行加工改造，其包含电动机1、滑动连杆2、连接卡扣5、周向环6、连杆4、薄壁环3等部件。本发明所述结构如图1所示，分为左侧的周向槽11与右侧的引气孔8与回流腔9结合两部分组成。两部分结构之间通过通流缝10进行气体的交换。

电动机，滑动连杆，周向环位于压气机机匣7外部，连杆与薄壁环位于处理机匣内部。压气机机匣外部均匀分布三个电动机，电动机通过滑动连杆与周向环连接。电动机的正反转通过滑动连杆来带动周向环的周向移动。周向环通过连接卡扣与连杆固定在一起，连杆与薄壁环通过螺纹或焊接的方式固定在一起，通过这种结构实现机匣外部的周向环与处理机匣内的薄壁环的连接，可以同步进行周向旋转。薄壁环为一圈打孔的圆圈，孔洞的大小与排列与附图2中的引气孔方式相同。

2、实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

引气孔位于轴流压气机动叶叶顶靠近叶片尾缘处，电动机通过滑动连杆推动周向环，周向环带动薄壁环进行周向旋转。薄壁环的周向旋转导致薄壁环上的孔洞与引气孔产生相位差，使得引气孔可流通面积发生变化，从而控制引气量的多少。从引气孔流入的气体流入回流腔内。回流腔内处于顺压力梯度流动，气体会从压力高的区域流向压力低的区域，保持周向的压力分布均匀，通过通流缝流向周向槽处，在叶顶前缘压力较低处及主流区域压力较低处流出，维持动叶端区流动的稳定。

附图3为所述的压气机双层交错机匣各具体参数设计技术路线图。首先根据理论依据，并通过三维计算结果，分析在不同转速下的压气机失速时的三维流场分布，预设双层交错机匣参数，包括引气孔的轴向相位角，引气孔的轴向长度等。对预设的机匣处理结构进行三维数值仿真。根据三维数值仿真结果，如效率变化值，稳定工作裕度值等，来判断预设机匣处理参数是否满足所需要求，以及预设机匣处理参数在压气机失速边界时是否对流场有较大改善。若不满足所需要求，根据具体的三维流场对机匣处理参数进行略微调整。

根据现有压气机实际工作情况，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，通过对压气机内部的流场分析来确定机匣处理的引气孔及薄壁环的结构参数，建立燃机在不同工况下，压气机失速边界、工作效率等与双层交错机匣处理结构开合度之间的内在联系。

对于所述压气机双层交错机匣处理结构，布置位置位于动叶叶顶处：

(1)引气孔前端与叶片前缘距离为弦长的5％～10％。

(2)引气孔后端与叶片尾缘距离为弦长的5％～10％。

对于所述压气机双层交错机匣处理结构，引气孔相位角布置：

(1)与叶顶弦长方向保持一致，变化角度在-10°～10°。

(2)与叶顶弦长方向呈轴向对称，变化角度在-10°～10°。

对于所述压气机双层交错机匣处理结构，引气孔个数在每个通道内均匀分配，每个通道内引气孔个数在2～4个。

对于所述压气机双层交错机匣处理结构，回流腔深度取叶片高度的10％～15％。

对于所述压气机双层交错机匣处理结构，根据压气机转速的不同选择不同的薄壁环转动角度，来控制引气孔的流通面积大小。

Claims (6)

1.一种双层交错式压气机机匣处理结构，其特征在于：包含电动机、滑动连杆、连接卡扣、周向环、连杆和薄壁环，结构左侧形成周向槽、右侧为回流腔，周向环位于压气机机匣外部，连杆与薄壁环位于压气机机匣内部，电动机通过滑动连杆与周向环连接，周向环通过连接卡扣与连杆固定在一起，连杆与薄壁环固连，引气孔位于轴流压气机动叶叶顶靠近叶片尾缘处，周向槽与回流腔通过通流缝进行气体交换；

电动机通过滑动连杆推动周向环，周向环带动薄壁环进行周向旋转，薄壁环的周向旋转导致薄壁环上的孔洞与引气孔产生相位差，使引气孔可流通面积发生变化，控制引气量；从引气孔流入的气体流入回流腔内，回流腔内处于顺压力梯度流动，气体会从压力高的区域流向压力低的区域，保持周向的压力分布均匀，通过通流缝流向周向槽处，在叶顶前缘压力较低处及主流区域压力较低处流出，维持动叶端区流动的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种双层交错式压气机机匣处理结构，其特征在于：所述电动机有三个，等间距设置在压气机机闸外。

3.根据权利要求1所述的一种双层交错式压气机机匣处理结构，其特征在于：薄壁环为一圈打孔的圆圈，孔洞的大小与排列与引气孔方式相同。

4.根据权利要求1所述的一种双层交错式压气机机匣处理结构，其特征在于：引气孔个数在每个通道内均匀分配，每个通道内引气孔个数在2~4个；引气孔前端与叶片前缘距离为弦长的5%~10%；引气孔后端与叶片尾缘距离为弦长的5%~10%。

5.根据权利要求1所述的一种双层交错式压气机机匣处理结构，其特征在于：引气孔相位角布置：

（1）与叶顶弦长方向保持一致，变化角度在-10°~10°；

（2）与叶顶弦长方向呈轴向对称，变化角度在-10°~10°。

6.根据权利要求1所述的一种双层交错式压气机机匣处理结构，其特征在于：回流腔深度取叶片高度的10%~15%。