CN203978505U

CN203978505U - 一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮

Info

Publication number: CN203978505U
Application number: CN201420405783.7U
Authority: CN
Inventors: 高杰; 郑群; 赵展
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2014-07-22
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2024-07-22

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，包括机匣、动叶轮毂、静叶轮毂、动叶片，动叶轮毂位于机匣里，动叶片与动叶片之间沿轮毂圆周方向均匀布置并固定在动叶轮毂上，静叶轮毂设置在动叶轮毂旁，在每个动叶片前方均设置可调静叶片，可调静叶片安装在静叶轮毂上，可调静叶片的上端面设置上旋转轴，可调静叶片的下端面设置下旋转轴，可调静叶片的外侧通过其上旋转轴与机匣相连，静叶轮毂上设置静叶片槽，下旋转轴均设置在静叶片槽里，上旋转轴上安装调整杆，调整杆伸出至机匣外。本实用新型既能重组间隙端区复杂流动，减少端区间隙泄漏损失，又能保持静叶转动时端区间隙高度不变，从而改善变工况特性。

Description

一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮

技术领域

本实用新型涉及的是一种燃气轮机的涡轮。

背景技术

燃气轮机经常会在非设计工况下工作，此时涡轮效率会大幅度降低。变几何涡轮技术可有效地改善燃气涡轮变工况效率，而调节涡轮静叶的安装角度则是一种行之有效的变几何方法。现有技术的可调静叶结构，为了保证涡轮静叶可以转动，静叶上下端壁要留有间隙，从而引起了静叶的泄漏损失，严重影响涡轮效率；并且对于大子午扩张变几何涡轮，大子午扩张角易使得端壁附近流动减速，附面层增厚，流体抵抗横向压力梯度的能力减弱，进而较容易形成二次流，这些都会进一步增加变几何涡轮端区流动损失。此外，涡轮静叶转动时端区间隙高度会发生改变，尤其在大子午扩张变几何涡轮中间隙高度的变化速度更为明显，进一步影响了变几何涡轮的工作性能。

为了减小叶顶间隙泄漏的不利影响，现代燃气轮机主要采用主动和被动间隙控制。被动间隙控制方法主要采用叶顶和机匣处理，比如凹槽叶顶、机匣端壁造型等，这种方法虽然可以改善涡轮设计点性能，但却无法对间隙高度变化进行有效反馈。主动间隙控制方法主要通过将压气机气流引出对机匣或者叶片表面进行加热或者冷却，使其相应膨胀或收缩，从而对间隙高度变化进行反馈控制，但该方法存在热惯性、结构布置复杂等问题。为了解决大子午扩张流道所带来的流动问题，现有研究大多关注于子午流道端壁型线的优化上。截止到目前，对于大子午扩张变几何涡轮所存在的不利问题，现有技术并没有考虑把对叶顶间隙泄漏的控制与对大子午扩张端区流动的重组结合起来，更没有考虑改善大子午扩张变几何涡轮的变工况特性。

发明内容

本实用新型的目的在于提供既能重组间隙端区复杂流动，减少端区间隙泄漏损失，进而提高设计点涡轮效率，又能保持静叶转动时端区间隙高度不变，从而改善变工况特性的一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，包括机匣、动叶轮毂、动叶片，动叶轮毂位于机匣里，动叶片与动叶片之间沿轮毂圆周方向均匀布置并固定在动叶轮毂上，其特征是：还包括静叶轮毂，静叶轮毂设置在动叶轮毂旁，沿气体流动方向，在每个动叶片前方均设置可调静叶片，可调静叶片安装在静叶轮毂上，可调静叶片的上端面设置上旋转轴，可调静叶片的下端面设置下旋转轴，每个可调静叶片的外侧均通过其上旋转轴与机匣相连，静叶轮毂上设置静叶片槽，下旋转轴均设置在静叶片槽里，上旋转轴上安装调节可调静叶片角度的调整杆，调整杆伸出至机匣外。

本实用新型还可以包括：

1、上旋转轴和下旋转轴的轴线位于同一直线上，上旋转轴轴径大于下旋转轴。

2、机匣内侧的剖面线包括依次相连的第一进口平直段、第一台阶型线、第一球面型线、第二台阶型线、第二球面型线、第二出口平直段，其中第一球面型线对应可调静叶片上端面所在位置，第二球面型线对应动叶片端部的位置，第一球面型线和可调静叶片上端面的剖面均为圆弧型，且其共圆心。

3、静叶轮毂外侧的剖面线包括依次相连的第二进口平直段、第三台阶型线、第三球面型线，动叶轮毂外侧的剖面线包括依次相连的第四球面型线、第二出口平直段，其中第三球面型线对应可调静叶片下端面所在位置，第四球面型线对应动叶片根部的位置，第三球面型线和可调静叶片下端面的剖面均为圆弧形，且其共圆心。

4、静叶轮毂外侧的剖面线包括依次相连的第二进口平直段、第三台阶型线、第三球面型线，动叶轮毂外侧的剖面线包括依次相连的第四球面型线、第二出口平直段，其中第三球面型线对应可调静叶片下端面所在位置，第四球面型线对应动叶片根部的位置，第三球面型线和可调静叶片下端面的剖面均为圆弧形，且第一球面型线、第三球面型线、可调静叶片上端面的剖面、可调静叶片下端面的剖面共圆心。

5、第一进口平直段与第一台阶型线夹角为30°～75°，第一球面型线的左侧端点与可调静叶片前缘前缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片上端部轴向弦长的5％～15％，第一球面型线的右侧端点与可调静叶片尾缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片上端部轴向弦长的5％～15％；第二台阶型线与第一进口平直段夹角为30°～75°，第二球面型线的左侧端点与动叶片前缘顶部之间的轴向距离为动叶片上端部轴向弦长的5％～20％，第三台阶型线与第二进口平直段夹角为30°～75°，第三球面型线左侧端点与可调静叶片前缘根部之间的轴向距离为可调静叶片下端部轴向弦长的5％～15％，第三球面型线右侧端点与可调静叶片尾缘根部之间的轴向距离为可调静叶片下端部轴向弦长的5％～15％；可调静叶片的上端面与第一球面型线之间留有转动间隙，可调静叶片的下端面与第三球面型线之间均留有转动间隙。

本实用新型的优势在于：本实用新型基于旋涡运动的流动控制技术，通过在端壁上引入适当的台阶结构，进而引入分离涡，与通道涡一起对间隙泄漏涡的发展起到一定的抑制作用，同时也将大子午扩张端壁结构改为台阶结构与近于没有扩张的球面型线的结合，进而整体上改善了涡轮间隙端区流动性能，从而明显提高了大子午扩张变几何涡轮的气动效率；并且，本实用新型将可调静叶片的上、下端面设计成同心球面结构，并且同时与机匣与轮毂的球面段共球心，从而保证了静叶转动时端区间隙高度不变，从而有效改善了大子午扩张变几何涡轮的变工况特性。此外，本实用新型结构相对简单，也易于工程应用。

附图说明

图1为本实用新型的子午视图；

图2a为本实用新型机匣部分的结构示意图，图2b为本实用新型轮毂部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本实用新型做更详细地描述：

结合图1～2，本实用新型由轮毂1、可调静叶片4、动叶片5和大子午扩张端壁机匣8组成，在轮毂1和机匣8之间沿圆周方向均匀安装可调静叶片4和动叶片5，可调静叶片4在前，动叶片5在后，可调静叶片的上端面6和下端面3分别设置上旋转轴7和下旋转轴2，其轴心在同一旋转轴线上以便于可调静叶转动，并且上旋转轴7的轴径大于下旋转轴2，下旋转轴2仅起定位作用。上旋转轴7嵌入到机匣8内，下旋转轴2嵌入到轮毂1内，动叶片5安装在轮毂1上。在机匣8和叶片上端面6以及轮毂1和叶片下端面3之间分别形成间隙。

如图2(a)所示，大子午扩张端壁机匣8依次由进口平直段、与可调静叶片顶部相配合的台阶型球面段、与动叶片顶部相配合的台阶型倾斜段和出口平直段组成。进口平直段9和与可调静叶片顶部相配合的台阶型球面段(11,13)在拐点10连接，该台阶型球面段由台阶型线11与球面型线13组成，其中台阶型线11与球面型线13在拐点12连接，并且该台阶型球面段和与动叶片顶部相配合的台阶型球面段在拐点14连接，与动叶片顶部相配合的台阶型球面段由台阶型线15与球面型线17组成，其中台阶型线15与球面型线17在拐点16连接，最后该台阶型球面段与出口平直段19在拐点18连接。

如图2(b)所示，轮毂依次由进口平直段、与可调静叶片根部相配合的台阶型球面段、与动叶片根部连接的倾斜段和出口平直段组成。进口平直段23和与可调静叶片根部相配合的台阶型球面段在拐点24连接，该台阶型球面段由台阶型线25与球面型线27组成，其中台阶型线25与球面型线27在拐点26连接，并且该台阶型球面段和与动叶片根部连接的倾斜段在拐点28连接，最后与动叶片根部连接的倾斜段与出口平直段31在拐点30连接。

值得注意的是，影响最佳端壁结构形式的各个参数可借助于现有的计算流体动力学软件数值模拟或者相关试验获得：对于台阶型球面段部分，台阶倾斜角越大，台阶后侧分离涡及引起的分离损失越大，同时大分离涡对间隙泄漏涡的抑制作用也越大，进而更有效减少端区间隙泄漏损失，因此，总体上对于特定的涡轮存在最佳的台阶倾斜角，台阶倾斜角α1、α2、α3为30°～75°。考虑到涡轮叶片易受三维非定常内流场影响而发生变形，并且考虑到叶片材料热膨胀以及振动因素，台阶型球面段两侧拐点分别与可调静叶片前缘20、尾缘21相应径向位置之间的轴向距离应尽可能大，但考虑到变几何涡轮级轴向长度的限制，该轴向距离不应过大，该轴向距离(w1，w2，w4和w5)取值为可调静叶片相应径向位置轴向弦长的5％～15％；同样地，对于动叶片来说，以上因素带来的叶片变形、振动会更大，台阶拐点与动叶片前缘22相应径向位置之间的轴向距离w3为动叶片相应径向位置轴向弦长的5％～20％。

为了进一步减少涡轮叶片端区损失，在端壁各拐点(10,12,14,16,18,24,26,28和30)进行适当尺寸的圆弧过渡连接。

此外，可调静叶片4的上端面6、下端面3设计成同心球面结构，并且同时与机匣8与轮毂1的球面段共球心，以保证静叶转动时端区间隙高度保持不变。

值得注意的是，在本实用新型的具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮也可以联合其他主动、被动等间隙控制措施以进一步控制间隙泄漏流动。

本实用新型一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，包括大子午扩张端壁机匣、轮毂，在机匣和轮毂之间沿圆周方向均匀安装可调静叶片和动叶片，可调静叶片在前，动叶片在后，可调静叶片的上、下端面分别设置上、下旋转轴，其轴心在同一旋转轴线上，且轴径不同，上旋转轴嵌入到机匣内，下旋转轴嵌入到轮毂内，动叶片安装在轮毂上，机匣依次由进口平直段、与可调静叶片顶部相配合的台阶型球面段、与动叶片顶部相配合的台阶型倾斜段和出口平直段组成，轮毂依次由进口平直段、与可调静叶片根部相配合的台阶型球面段、与动叶片根部连接的倾斜段和出口平直段组成，可调静叶片的上、下端面设计成同心球面结构，并且同时与机匣与轮毂的球面段共球心。

所述机匣与可调静叶片顶部相配合的台阶型球面段的台阶倾斜角为30°～75°，球面段左侧拐点与可调静叶片前缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片顶部轴向弦长的5％～15％，球面段右侧拐点与可调静叶片尾缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片顶部轴向弦长的5％～15％。

所述机匣与动叶片顶部相配合的台阶型倾斜段的台阶倾斜角为30°～75°，并且台阶拐点与动叶片前缘顶部之间的轴向距离为动叶片顶部轴向弦长的5％～20％。

所述轮毂与可调静叶片根部相配合的台阶型球面段的台阶倾斜角为30°～75°，球面段左侧拐点与可调静叶片前缘根部之间的轴向距离为可调静叶片根部轴向弦长的5％～15％，球面段右侧拐点与可调静叶片尾缘根部之间的轴向距离为可调静叶片根部轴向弦长的5％～15％。

所述大子午扩张变几何涡轮可调静叶的上端面与机匣球面之间、下端面与轮毂球面之间均留有转动间隙。

Claims

1.一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，包括机匣、动叶轮毂、动叶片，动叶轮毂位于机匣里，动叶片与动叶片之间沿轮毂圆周方向均匀布置并固定在动叶轮毂上，其特征是：还包括静叶轮毂，静叶轮毂设置在动叶轮毂旁，沿气体流动方向，在每个动叶片前方均设置可调静叶片，可调静叶片安装在静叶轮毂上，可调静叶片的上端面设置上旋转轴，可调静叶片的下端面设置下旋转轴，每个可调静叶片的外侧均通过其上旋转轴与机匣相连，静叶轮毂上设置静叶片槽，下旋转轴均设置在静叶片槽里，上旋转轴上安装调节可调静叶片角度的调整杆，调整杆伸出至机匣外。

2.根据权利要求1所述的一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：上旋转轴和下旋转轴的轴线位于同一直线上，上旋转轴轴径大于下旋转轴。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：机匣内侧的剖面线包括依次相连的第一进口平直段、第一台阶型线、第一球面型线、第二台阶型线、第二球面型线、第二出口平直段，其中第一球面型线对应可调静叶片上端面所在位置，第二球面型线对应动叶片端部的位置，第一球面型线和可调静叶片上端面的剖面均为圆弧型，且其共圆心。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：静叶轮毂外侧的剖面线包括依次相连的第二进口平直段、第三台阶型线、第三球面型线，动叶轮毂外侧的剖面线包括依次相连的第四球面型线、第二出口平直段，其中第三球面型线对应可调静叶片下端面所在位置，第四球面型线对应动叶片根部的位置，第三球面型线和可调静叶片下端面的剖面均为圆弧形，且其共圆心。

5.根据权利要求3所述的一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：静叶轮毂外侧的剖面线包括依次相连的第二进口平直段、第三台阶型线、第三球面型线，动叶轮毂外侧的剖面线包括依次相连的第四球面型线、第二出口平直段，其中第三球面型线对应可调静叶片下端面所在位置，第四球面型线对应动叶片根部的位置，第三球面型线和可调静叶片下端面的剖面均为圆弧形，且第一球面型线、第三球面型线、可调静叶片上端面的剖面、可调静叶片下端面的剖面共圆心。

6.根据权利要求1或2所述的一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：第一进口平直段与第一台阶型线夹角为30°～75°，第一球面型线的左侧端点与可调静叶片前缘前缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片上端部轴向弦长的5％～15％，第一球面型线的右侧端点与可调静叶片尾缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片上端部轴向弦长的5％～15％；第二台阶型线与第一进口平直段夹角为30°～75°，第二球面型线的左侧端点与动叶片前缘顶部之间的轴向距离为动叶片上端部轴向弦长的5％～20％，第三台阶型线与第二进口平直段夹角为30°～75°，第三球面型线左侧端点与可调静叶片前缘根部之间的轴向距离为可调静叶片下端部轴向弦长的5％～15％，第三球面型线右侧端点与可调静叶片尾缘根部之间的轴向距离为可调静叶片下端部轴向弦长的5％～15％；可调静叶片的上端面与第一球面型线之间留有转动间隙，可调静叶片的下端面与第三球面型线之间均留有转动间隙。

7.根据权利要求4所述的一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：第一进口平直段与第一台阶型线夹角为30°～75°，第一球面型线的左侧端点与可调静叶片前缘前缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片上端部轴向弦长的5％～15％，第一球面型线的右侧端点与可调静叶片尾缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片上端部轴向弦长的5％～15％；第二台阶型线与第一进口平直段夹角为30°～75°，第二球面型线的左侧端点与动叶片前缘顶部之间的轴向距离为动叶片上端部轴向弦长的5％～20％，第三台阶型线与第二进口平直段夹角为30°～75°，第三球面型线左侧端点与可调静叶片前缘根部之间的轴向距离为可调静叶片下端部轴向弦长的5％～15％，第三球面型线右侧端点与可调静叶片尾缘根部之间的轴向距离为可调静叶片下端部轴向弦长的5％～15％；可调静叶片的上端面与第一球面型线之间留有转动间隙，可调静叶片的下端面与第三球面型线之间均留有转动间隙。

8.根据权利要求5所述的一种具有台阶型球面端壁的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：第一进口平直段与第一台阶型线夹角为30°～75°，第一球面型线的左侧端点与可调静叶片前缘前缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片上端部轴向弦长的5％～15％，第一球面型线的右侧端点与可调静叶片尾缘顶部之间的轴向距离为可调静叶片上端部轴向弦长的5％～15％；第二台阶型线与第一进口平直段夹角为30°～75°，第二球面型线的左侧端点与动叶片前缘顶部之间的轴向距离为动叶片上端部轴向弦长的5％～20％，第三台阶型线与第二进口平直段夹角为30°～75°，第三球面型线左侧端点与可调静叶片前缘根部之间的轴向距离为可调静叶片下端部轴向弦长的5％～15％，第三球面型线右侧端点与可调静叶片尾缘根部之间的轴向距离为可调静叶片下端部轴向弦长的5％～15％；可调静叶片的上端面与第一球面型线之间留有转动间隙，可调静叶片的下端面与第三球面型线之间均留有转动间隙。