CN206338093U - 一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，包括：可调静子叶片通过旋转轴沿圆周方向均匀设置于静叶机匣及静叶轮毂之间，且通过静叶偏转调节机构调节可调静子叶片绕旋转轴的偏转角；静叶机匣与叶尖端面对应的壁面处设置有机匣凹陷，机匣凹陷的表面为由叶尖端面轮廓线绕旋转轴旋转构成的曲面；所述静叶轮毂与叶根端面对应的壁面处设置有轮毂凸台，轮毂凸台的表面为由叶根端面轮廓线绕旋转轴旋转构成的曲面；凸台凹陷结构与轮毂机匣面光滑过渡。本实用新型结构简单、成本较低、控制效果良好，能够保证可调静子叶片在偏转前后叶根叶尖与轮毂机匣的间隙基本不变，从而减小间隙泄漏流，提高压气机气动性能。

Description

一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型

技术领域

本发明涉及一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，属于航空机械工程领域。

背景技术

为了保证压气机在非设计工况下稳定可靠工作，压气机设计中通常采用一级或几级可调静子，主要由叶片、机匣处旋转凸台、轮毅处旋转凸台组成。但是，在现有的可调静子设计过程中，通常直接延用不可调静子的设计方法，旋转凸台仅作为附件进行单独的结构设计，并不考虑旋转凸台与可调静子叶片相互关联对静子性能的影响，这种非关联性设计方法导致压气机在运行过程中可调静子端区流动偏离理想状态并出现较大的端区流动损失。

由于旋转凸台的存在以及静子安装角度可调的需求，使得可调静子端区结构特征及流动损失相较于不可调静子发生了改变:

(1)在静子角度调节过程中，为了避免静子端壁与机匣/轮毅相碰撞，静子端壁与机匣/轮毅之间存在一定的间隙。随着可调静子最大调节角度的增加，静子端壁与机匣/轮毅之间的最大间隙量增加，与间隙大小相关的间隙泄漏流损失增加。先进高负荷压气机中可调静子的最大调节角度较大，这意味着可调静子端区间隙引起的泄漏流动损失不可忽略。

(2)静子角度调节过程由端部的两个圆柱型旋转凸台实现，旋转凸台的遮蔽特性改变了静子端部间隙分布。由于泄漏流量大部分产生于叶片的高负荷区，当改变旋转凸台大小及轴向位置使其遮盖住叶型高负荷区时，端区间隙的消失有利于减少可调静子端区间隙泄漏流动损失。

(3)静子角度调节过程中，旋转凸台端面与机匣/轮毅壁面不再共面，随着旋转凸台增大，端壁造型对可调静子端区流动损失的影响增强。

综上所述，压气机可调静子端区损失主要由端区间隙损失、凸台相关的端壁造型损失组成，其中端区间隙损失包括间隙泄露流损失与凸台绕流损失两部分，国内外己有的旋转凸台设计方法仅仅针对凸台引起的间隙泄露流动损失，没有考虑凸台绕流、端壁造型对静子端区损失的影响，这种研究现状使得旋转凸台的设计仍带有一定的盲目性。

实用新型内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，具有结构简单、成本较低、控制效果良好等优点，能够保证可调静子叶片在偏转前后叶根叶尖与轮毂机匣的间隙基本不变，从而减小间隙泄漏流，提高压气机气动性能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，包括静叶机匣、静叶轮毂、若干可调静子叶片及静叶偏转调节机构，且可调静子叶片沿圆周方向均匀设置于静叶机匣及静叶轮毂之间；

其中，所述可调静子叶片包括沿可调静子叶片叶高方向延伸的旋转轴，可调静子叶片通过旋转轴安装于轮毂及机匣之间，且通过静叶偏转调节机构调节可调静子叶片绕其旋转轴的偏转角；

所述静叶机匣与可调静子叶片叶尖端面对应的壁面处设置有机匣凹陷，机匣凹陷的表面为由可调静子叶片叶尖端面轮廓线绕其旋转轴旋转构成的曲面，且机匣凹陷的边缘与静叶机匣的壁面光滑过渡；所述静叶轮毂与可调静子叶片叶根端面对应的壁面处设置有轮毂凸台，轮毂凸台的表面为由可调静子叶片叶根端面轮廓线绕其旋转轴旋转构成的曲面，且轮毂凸台的边缘与静叶轮毂的壁面光滑过渡。

本发明取出压气机可调静子叶片的叶根、叶尖端面轮廓线，以此轮廓线绕旋转轴进行旋转形成与叶根叶尖更为贴合的曲面，以此曲面为基准对轮毂机匣面进行局部重塑造型，使其形成非轴对称的凸台与凹陷。这种带有非轴对称凸台凹陷的轮毂机匣面可以保证可调静子叶片在其安装角发生偏转前后叶根叶尖与轮毂机匣的间隙基本不变，从而减小间隙泄漏流，提高压气机气动性能。同时，也将非对称凸台、凹陷端壁结构与没有进行局部几何重塑的机匣轮毂面相融合，避免产生台阶或局部流道几何突变，从而减小凸台绕流损失，进一步改善了压气机间隙端区流动性能，提高了压气机的气动效率。

优选的，为了适用于大多数可调静子机构，所述可调静子叶片的偏转角范围为-30°至30°，且机匣凹陷的表面为由可调静子叶片叶尖端面轮廓线绕其旋转轴旋转-30°至30°构成的曲面，轮毂凸台的表面为由可调静子叶片叶根端面轮廓线绕其旋转轴旋转-30°至30°构成的曲面。

优选的，所述机匣凹陷与静叶机匣的过渡段及轮毂凸台与静叶轮毂的过渡段的压气机轴向剖面线条均为一条高阶曲线，此曲线由高阶曲线分段拟合形成，从而保证过渡段的光滑过渡；考虑到转静子级间影响，其长度不超过叶片端面弦长的10％。

优选的，所述机匣凹陷与轮毂凸台内均设置有旋转轴安装孔，用于安装旋转轴。

优选的，所述可调静子叶片为直叶片。

有益效果：本发明提供的一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，相对于现有技术，具有以下优点：1、实现了对可调静子叶片转动前后上下端壁间隙的被动控制，有效的抑制了间隙泄漏流的形成；2、过渡段与轮毂机匣面相融合，减小了凸台绕流损失，从而明显提高了压气机的气动效率。

附图说明

图1为本发明实施例在可调静子叶片偏转0°时的压气机轴向剖面示意图；

图2为本发明实施例在可调静子叶片偏转30°时的沿叶片弦长剖面示意图；

图3为本发明实施例中机匣凹陷的压气机径向剖面示意图；

图4为本发明实施例中轮毂凸台的压气机径向剖面示意图；

图中包括：1、静叶机匣，2、静叶轮毂，3、可调静子叶片，4、旋转轴，5、可调静子叶片叶尖端面，6、可调静子叶片叶根端面，7、机匣凹陷，8、轮毂凸台，9、机匣凹陷与静叶机匣的过渡段，10、轮毂凸台与静叶轮毂的过渡段。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1、2所示为一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，包括静叶机匣1、静叶轮毂2、若干可调静子叶片3及静叶偏转调节机构，且可调静子叶片3沿圆周方向均匀设置于静叶机匣1及静叶轮毂2之间；

其中，所述可调静子叶片3包括沿可调静子叶片3叶高方向延伸的旋转轴4，可调静子叶片3通过旋转轴4安装于轮毂及机匣之间，且通过静叶偏转调节机构调节可调静子叶片3绕其旋转轴4的偏转角；

如图3所示，所述静叶机匣1与可调静子叶片叶尖端面5对应的壁面处设置有机匣凹陷7，机匣凹陷7的表面为由可调静子叶片叶尖端面5轮廓线绕旋转轴4旋转构成的曲面，且机匣凹陷7的边缘与静叶机匣1的壁面光滑过渡；如图4所示，所述静叶轮毂2与可调静子叶片叶根端面6对应的壁面处设置有轮毂凸台8，轮毂凸台8的表面为由可调静子叶片叶根端面6轮廓线绕其旋转轴4旋转构成的曲面，且轮毂凸台8的边缘与静叶轮毂2的壁面光滑过渡。

本实施例中，所述可调静子叶片3的偏转角范围为-30°至30°，且机匣凹陷7的表面为由可调静子叶片叶尖端面5轮廓线绕旋转轴4旋转-30°至30°构成的曲面，轮毂凸台8的表面为由可调静子叶片叶根端面6轮廓线绕其旋转轴4旋转-30°至30°构成的曲面。

本实施例中，所述机匣凹陷与静叶机匣的过渡段9及轮毂凸台与静叶轮毂的过渡段10的压气机轴向剖面线条均为一条高阶曲线，此曲线由高阶曲线分段拟合形成，且其长度不超过可调静子叶片3弦长的10％。

本实施例中，所述旋转轴4设置于可调静子叶片3靠近前缘处，所述机匣凹陷7与轮毂凸台8内均设置有旋转轴安装孔。

本实施例中，所述压气机为轴流式压气机，且所述可调静子叶片3为直叶片；可调静子叶片3周期性分布，即可调静子叶片3的几何形状、安装角、偏转情况都相同。

由图3、4中可明显看出机匣/轮毂局部端壁处的局部处理使得可调静子叶片3在偏转后其叶根叶尖端面与机匣轮毂之间的间隙保持相同，利用本实用新型设计方法优化后叶端间隙与未加控制手段的叶端间隙相比明显减小。

本发明提供了一种可调静子叶片端部泄漏流的被动控制手段：首先对轮毂机匣面上的可调静子叶片安装面进行局部重塑造型，通过数值模拟计算流动损失，对造型进行优化设计，直至安装面与叶片上下端面的间隙变化不大，且造型对端区流动有明显的控制效果为止；同时局部端壁造型过渡段高阶曲线的选取以光滑过渡为原则，实现凸台绕流损失的抑制。

本发明可以直接推广应用于包含可调叶片的各类叶轮机械中，如通风机、地面燃气轮机、航空发动机、水轮机等，在满足叶轮机械宽工作范围需求的情况下，能够有效提高叶轮机械的效率。

本发明所匹配的可调静子机构，其可调静子叶片的类型包括直叶片、弯扭叶片、前、后略叶片及其他类型叶片。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，其特征在于，包括静叶机匣(1)、静叶轮毂(2)、若干可调静子叶片(3)及静叶偏转调节机构，且可调静子叶片(3)沿圆周方向均匀设置于静叶机匣(1)及静叶轮毂(2)之间；

其中，所述可调静子叶片(3)包括沿可调静子叶片(3)叶高方向延伸的旋转轴(4)，可调静子叶片(3)通过旋转轴(4)安装于轮毂及机匣之间，且通过静叶偏转调节机构调节可调静子叶片(3)绕其旋转轴(4)的偏转角；

所述静叶机匣(1)与可调静子叶片叶尖端面(5)对应的壁面处设置有机匣凹陷(7)，机匣凹陷(7)的表面为由可调静子叶片叶尖端面(5)轮廓线绕旋转轴(4)旋转构成的曲面，且机匣凹陷(7)的边缘与静叶机匣(1)的壁面光滑过渡；所述静叶轮毂(2)与可调静子叶片叶根端面(6)对应的壁面处设置有轮毂凸台(8)，轮毂凸台(8)的表面为由可调静子叶片叶根端面(6)轮廓线绕旋转轴(4)旋转构成的曲面，且轮毂凸台(8)的边缘与静叶轮毂(2)的壁面光滑过渡。

2.根据权利要求1所述的一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，其特征在于，所述可调静子叶片(3)的偏转角范围为-30°至30°，且机匣凹陷(7)的表面为由可调静子叶片叶尖端面(5)轮廓线绕旋转轴(4)旋转-30°至30°构成的曲面，轮毂凸台(8)的表面为由可调静子叶片叶根端面(6)轮廓线绕旋转轴(4)旋转-30°至30°构成的曲面。

3.根据权利要求1所述的一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，其特征在于，所述机匣凹陷与静叶机匣的过渡段(9)及轮毂凸台与静叶轮毂的过渡段(10)的剖面线条均为一条高阶曲线，其长度不超过可调静子叶片(3)弦长的10％。

4.根据权利要求1所述的一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，其特征在于，所述机匣凹陷(7)与轮毂凸台(8)内均设置有旋转轴安装孔。

5.根据权利要求1所述的一种控制可调静子叶片端部泄漏流的非轴对称端壁造型，其特征在于，所述可调静子叶片(3)为直叶片。