CN205225343U - 一种基于复合被动控制思想的改进型叶尖结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于复合被动控制思想的改进型叶尖结构，属于叶轮机械技术领域。其主要特征在于，根据复合被动控制的思想，将两种被动式涡轮叶顶间隙泄漏控制方法——叶尖自发射流与叶尖凹槽，进行合理的组合，以期达到更好的叶尖间隙泄漏效果，进一步提高涡轮效率。工作时，自发射流在叶顶压力边肋条顶端经射流孔喷射而出，形成相对于叶尖泄漏流呈逆向的气流，实现叶尖泄漏的第一次抑制效应，随后，泄漏流在叶尖凹槽处局部膨胀，形成膨胀涡旋，实现叶尖泄漏流的第二次抑制效应。计算表明，两种方法的叠加能够对泄漏流的抑制产生放大和强化作用，这对于提高有效做功工质的质量，提高叶片周向载荷，减少泄漏流与主流的掺混损失，进而提高涡轮效率都具有重要意义。本实用新型结构简单，成本低，实用性强。

Description

一种基于复合被动控制思想的改进型叶尖结构

技术领域

本实用新型涉及一种改进型的涡轮叶尖结构，用以提高涡轮效率，属于叶轮机械技术领域。

背景技术

涡轮是燃气轮机的关键、核心部件之一，为了保证涡轮的安全工作，其叶顶与固定机壳之间必须留有必要的间隙以避免摩擦，这个间隙一般被称为叶顶间隙或叶尖间隙。由于间隙的存在，在涡轮机叶栅压力面和吸力面压差作用下，驱动了叶顶泄漏流的发生，泄漏流与主流相互作用形成了复杂的流动涡系(如图1所示)，同时对叶轮的气动性能、效率、稳定工作均产生巨大影响。有研究表明，叶顶间隙泄漏产生的损失占涡轮总流动损失可达三分之一，涡轮叶顶间隙每增加1％，效率约降低1.5％，而耗油率约升高3％。

叶尖泄漏流的危害不仅在于间隙的存在导致工作介质泄漏，造成做功损失，更重要的是泄漏流的发生会对叶顶附近以及整个叶栅通道的流场特性、传热特性以及流动损失产生重要影响。泄漏流的存在，是诱发吸力面附面层分离的重要原因；泄漏流与通道二次流交互作用产生了泄漏涡，泄漏涡在其后发展过程中，占据主流通道，降低了流通能力，其强烈的分离效应最终导致流动失稳；因此，发展叶尖泄漏流控制技术对于提高叶轮机械效率、扩展稳定工作范围具有十分重要的理论价值和现实意义。

流动控制技术最早引入叶轮机械领域主要是为了控制透平或者压气机叶栅的流动分离，进而减少流动损失、增加涡轮效率及输出功率。根据是否需要额外能量输入，分为主动流动控制和被动流动控制两种。随后，流动控制的概念又被引入到叶尖泄漏控制领域，也分为主动控制和被动控制两种。目前主动控制技术一般通过微执行器控制主动射流喷气、等离子体放电、主动改变叶顶间隙等手段实现，其中主动射流喷气又可分为机匣喷气和叶顶喷气两种，但主动控制实现复杂，可靠性低，技术不成熟，还未被实际装置所采用。目前常见的被动流动控制技术主要包含以下几种：叶尖凹槽(肋条)、叶尖小翼(襟翼)以及叶顶自发喷气等方法。

实用新型内容

本实用新型提出一种简单的改进型叶尖结构，即将已有的被动式流动控制方式经过合理组合，以实现对涡轮叶尖泄漏的强化控制。利用叶尖肋条形成的局部涡旋与自发射流形成的叶间隙高静压区，抑制叶尖泄漏流，从而减少叶尖泄漏损失以及由泄漏流与主流掺混造成的损失，提高涡轮机效率。

本实用新型的技术方案：一种基于复合被动控制思想的改进型叶尖结构，其特征是：以叶片高度H为尺寸设计标准。1.在涡轮机叶片顶端开凹槽，凹槽深度约为2％H，凹槽壁厚约为1.5％H，凹槽尽可能占据整个叶尖平面；2.将自发射流射流孔出口以较大的密度布置在压力边凹槽壁顶端，一直从叶片前缘延伸到叶片尾缘附近。射流孔引入口位于叶片压力面靠近叶尖的位置，目的是尽量减小内部通道长度，降低沿程流动损失。由于射流出口的存在，压力边凹槽壁的厚度可以略有增加。气体以压力边和叶尖间隙的压差为驱动力，由压力边进口引入口，经叶片内部射流通道，最后在叶片顶部射流引出口射出。3.射流孔出流角度以30°～60°为宜，这样射流可以与叶尖泄漏流成一定角度，增强射流的抑制效果。4。射流通道为渐缩形式，取射流入口与射流出口直径的孔径比为2:1，大的入口可以增加射流流量，小的出口可以提高射流流速，这样可以增强抑制效果。本实用新型中自发射流的技术方案可以通过3D打印或者精密铸造实现。

本实用新型的优点是：将已有的两种被动式叶顶间隙泄漏控制方法进行合理组合形成复合式被动控制方法，发挥各自方法的长处，利用他们之间的叠加、放大作用，强化叶尖泄漏抑制，最终起到提高叶轮效率的目的。由于采用的是被动式控制方法，不需要额外能量输入，不需要额外的装置，结构简单，方法的实现较为便利，可靠性高，适用范围广。几乎可以应用在所有叶片较厚的叶轮机械上，不管是轴流型还是离心型，以液体为工作介质的还是以气体为工作介质的叶轮机械。

附图说明

图1叶尖泄漏流示意图；

图2压力边自发射流加叶尖凹槽的改进型叶型示意图；

图3压力边自发射流加叶尖凹槽叶型对泄漏流的抑制效果图；

图4肋条与自发射流组合叶型示意图；

图5自发射流与叶尖小翼组合示意图；

图6肋条，小翼，自发射流三者结合叶型示意图。

附图符号说明：图1中，1叶尖泄漏流、2通道二次涡；图2中，a为改进型叶片俯视图，b为改进型叶型在A-A处剖面图；图3中，1自发射流出口、2压力边、3自发射流入口、4叶尖凹槽、5吸力边。

具体实施方式

压力边自发射流加叶尖凹槽叶型(如图2)，其设计关键特征如下：

将自发射流以一定的密度布置在压力边凹槽壁顶端，一直从叶片前缘延伸到叶片尾缘附近。在图2叶尖平面俯视图中以某射流引出孔中心点为原点，建立直角坐标系，沿纵坐标Y截取叶片截面A-A(图4)，在叶片顶部做平面凹槽，凹槽深度为叶高H的2％，凹槽壁厚度为叶高H的1.5％，射流孔引入口位于叶片压力面叶高中间处，射流孔出口位于凹槽壁上，射流孔入口与出口的比例为2:1，分别为叶高H的2％和1％，减小射流与平面叶尖的夹角α能增强射流对泄漏流的抑制效果，但小于30°时，射流孔道转折角度过大，从而使射流损失增大，降低抑制效果，以实验效果来看，夹角α在30°～60°之间较为合理，本例取45°。

压力边自发射流加叶尖凹槽叶型抑制机理说明：

高压气体在叶片压力边经射流进入口进入叶片内部的射流流道，由叶顶射流射出口喷出，喷出的气体对进入叶尖间隙的泄漏流产生第一个抑制作用，然后叶尖泄漏流进入叶尖凹槽，由于空间的突然变大，气体在凹槽内膨胀，并形成涡旋，膨胀的气体对泄漏流产生第二个抑制作用，其作用效果(如图3)。计算表明，自发射流与叶尖凹槽相结合的叶尖泄漏流抑制效果，比单独自发射流或单独叶尖凹槽的抑制效果都要好。

本实用新型中基于复合被动控制思想的改进型叶尖方案还有多种实现形式：例如，叶尖小翼+叶尖凹槽的叶型：既可以通过叶尖小翼延长叶尖长度进而增加叶尖泄漏流的沿程阻力，又可以通过叶尖凹槽使得泄漏流在叶尖凹槽处局部膨胀，从而进一步抑制叶尖泄漏流；叶尖小翼加+发射流叶型：通过叶尖小翼延长叶尖长度增加泄漏流沿程阻力，并结合自发射流形成的高静压区对泄漏流进一步加以抑制。图4为肋条与自发射流组合叶型示意图，图5为自发射流与叶尖小翼组合示意图，图6为肋条，小翼，自发射流三者结合叶型示意图。

实施例：以压力边射流加叶尖凹槽叶型、叶尖凹槽叶型、自发射流叶型、普通叶型为对比对象，采用Fluent软件数值模拟了复合改进叶型相比与普通改进叶型和无改进叶型对于叶尖泄漏流抑制效果的提升。叶高取200mm，叶尖间隙取2.5％H，为5mm，凹槽深度为2％H，为4mm，凹槽壁厚度为1.5％H，3mm，射流入口直径为4mm，射流出口直径为2mm，射流气体为45°逆向射流。在二维条件下，截取叶片某截面为研究对象，给定相同的进出口条件，通过比较叶尖间隙射流量得出结论。数值模拟结果表明，在同一工况下，普通无改进叶型的叶尖泄漏量为3.735kg/s，单独自发射流的叶型叶尖泄漏量为3.427kg/s，单独凹槽的叶型叶尖泄漏量为3.334kg/s，自发射流与凹槽结合的复合改进叶型的叶尖泄露量为3.195kg/s，复合改进叶型相对于普通无改进叶型、单独自发射流叶型、单独凹槽叶型，叶尖间隙泄漏量分别下降了14.45％、6.77％、4.17％，间隙泄漏量明显减少，可以在相同进口流量下，增加有效参与作用的工质质量，增加叶片载荷，同时减少因叶尖泄漏导致的流动损失，提高叶轮机械效率。

Claims (1)

1.一种基于复合被动控制思想的改进型叶尖结构，其特征为将带有叶尖凹槽叶片自压力面打孔，从主流中引入射流，经叶片内部通道，最后由叶顶喷出，在叶尖凹槽与自发射流共同作用下，间隙泄漏流受到强烈抑制，叶片顶部凹槽深度为叶高H的约2％，凹槽壁厚度为叶高H的约1.5％，凹槽面积尽可能占据整个叶尖平面，自发射流射流孔出口以较大的密度布置在压力边凹槽壁顶端，一直从叶片前缘延伸到叶片尾缘附近，射流孔引入口位于叶片压力面靠近叶尖的位置，目的是尽量减小内部通道长度，降低沿程流动损失，由于射流出口的存在，压力边凹槽壁的厚度可以略有增加，自发射流出口与射流引入口之间连接采用渐缩流道，射流孔的入口与出口直径分别为叶高H的2％和1％，即孔径比为2:1，目的是通过渐缩加速作用，获得高动量的自发射流，自发射流出流方向与平面叶尖的夹角α可以在30°～60°之间选取。