CN216478038U - 一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，包括压气机动叶片和相应的机匣处理结构，在所述压气机动叶顶部对应的机匣壁面开设两条周向槽，分别位于叶尖前缘的上游及下游，在周向槽的上方，叠加有沿周向中心对称的若干圆弧形处理缝，前缘上游周向槽前端与处理缝前端搭接并圆滑过渡，前缘下游周向槽后端与处理缝后端搭接并圆滑过渡。本实用新型通过将周向槽和轴向缝合理地结合，使得叶尖主流流体更为顺畅地流入、流出处理槽，提升扩稳能力，降低流动损失。

Description

一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构

技术领域

本实用新型属于叶轮机械领域，具体涉及一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构。

背景技术

燃气轮机压气机间隙区域的流动过程非常复杂，间隙流造成的损失在动叶和压气机级的总能量损失中占很大的比重。而压气机性能对叶尖间隙有着较高的敏感性，在运行过程中间隙的增大通常会导致压气机性能的衰退。在实际服役过程中，叶尖间隙可能发生暂时或永久性的增大，从而影响燃气轮机运行的经济性和稳定性。

端壁处理技术是一项较早研究和成功运用的压气机间隙流动控制方法，能够有效拓宽压气机稳定裕度。通常来说，周向槽类机匣处理对压气机效率的不利影响小于轴向缝类机匣处理，但是扩稳能力较弱，这是由于周向槽内空间较小，无法形成能量较强的射流导致的。若借鉴轴向缝类机匣处理的设计特点，以增强压气机周向槽的射流强度，可以在保持效率损失尽可能小的情况下增强扩稳能力的效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于基于压气机后面级转子叶尖前缘位置及叶尖间隙大小，提供了一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，通过将周向槽和轴向缝合理地结合，使得叶尖主流流体更为顺畅地流入、流出处理槽，提升扩稳能力，降低流动损失。

本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，包括压气机动叶片和相应的机匣处理结构，在所述压气机动叶顶部对应的机匣壁面开设两条周向槽，分别位于叶尖前缘的上游及下游，在周向槽的上方，叠加有沿周向中心对称的若干圆弧形处理缝，前缘上游周向槽前端与处理缝前端搭接并圆滑过渡，前缘下游周向槽后端与处理缝后端搭接并圆滑过渡。

本实用新型进一步的改进在于，所述上下游两条周向槽的宽度均为5％-10％轴向弦长，上游周向槽的后端距转子叶尖前缘约4％-8％轴向弦长，下游周向槽的前端距转子叶尖前缘为4％-8％轴向弦长，两条周向槽的深度g均为4％-8％轴向弦长，周向槽宽度d为4％-8％轴向弦长，下游周向槽与转子上端壁在子午面内的夹角为α₁，上游周向槽与上端壁的夹角为α₂。

本实用新型进一步的改进在于，所述周向槽上方的轴向缝，在子午面内进行轴向缝轮廓的设计，以90％～98％叶高范围内的前缘点作为圆心O₁，作半径为r₁的圆弧，该圆弧左侧端点记为A，右侧与机匣上方相距为g的平行线即周向槽上界交点记为B，记为圆弧

本实用新型进一步的改进在于，圆弧

与周向槽上界的夹角为β₁，β₁与α₁相等，取值范围为30°～60°，相应的，该圆弧的半径r₁的取值范围为：(τ+h)/cos30°≤r₁≤(τ+h)/cos60°，其中τ为转子叶尖间隙的大小，h为圆心O₁与叶尖的距离。

本实用新型进一步的改进在于，圆弧

的左侧端点A与圆心O₁的连线与周向槽上界交于D点，AD与径向方向的夹角为θ，θ的取值范围为0°～30°。

本实用新型进一步的改进在于，以连线AD的中点为圆心O₂，以AD为直径，作圆弧与周向槽上界相较于C点，记为圆弧

本实用新型进一步的改进在于，圆弧

与圆弧

共同组成了轴向缝在子午面内的轮廓，以该轮廓形成的轴向缝类机匣处理，与半径方向的夹角δ取值范围为30°～60°，处理缝数目取为转子叶片数的3-5倍，周向开孔率Φ取为30％-70％，开孔率Φ指机匣上处理缝开口面积与处理缝所在轴向范围内机匣面积之比。

本实用新型进一步的改进在于，轴向缝在子午面内的轮廓的半径r₂＝(r₁-DO₁)/2＝[r₁-(τ+h)/cos(θ+γ)]/2，其中γ为机匣壁面与轴向方向的夹角。

本实用新型进一步的改进在于，圆弧

的C点处切线与周向槽上界的夹角β₂与α₂取值相等，β₂＝θ+γ。

本实用新型至少具有如下有益的技术效果：

与现有技术相比，本实用新型设计构型使用两端光滑连接的圆弧构造轴向处理缝，并在轴向缝下方开设两条周向槽。下游周向槽使主流流体以较为平缓地进入处理缝，并通过处理缝两段圆弧连接的腔体返回上游，从上游周向槽进入主流。主流通过周向槽以较低的速度流入、流出处理缝，降低了槽内循环损失及与主流掺混的损失，从而在对效率影响较小的前提下，拓宽压气机的稳定裕度。

附图说明

图1为常规周向槽类机匣处理结构示意简图。

图2为常规轴向缝类机匣处理结构示意简图。

图3为本实用新型的子午面结构示意图。

图4为本实用新型的轴向视示意图。

图5为本实用新型的俯视示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

如图3至图5所示，本实用新型提供的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，包括：

1)在转子的子午面视图中，画出与机匣相距为g的平行线，称为周向槽上界，g的取值范围：

g∈[5％c_x,tip,15％c_x,tip]

其中，c_x,tip为转子叶尖轴向弦长。

2)以90％～98％叶高范围内的前缘点作为圆心O₁，即O₁与转子叶尖前缘的距离h为2％～10％H，H为转子叶高；

3)根据步骤2)中确定的圆心O₁，在子午面内做半径为r₁的圆弧，使得圆弧与周向槽上界相交于B；

4)根据步骤2)中确定的B点，可知B点处切线与周向槽上界的夹角，即处理槽后端与周向槽上界的夹角为β₁，β₁的取值范围：

β₁＝arccos[(τ+h+g)/r₁]∈[30°,60°]

其中τ为转子叶尖间隙的大小。因此r₁的取值范围为：

(τ+h+g)/cos30°≤r₁≤(τ+h+g)/cos60°

5)根据步骤3)中确定的圆弧，其左侧端点A与圆心O₁的连线与周向槽上界的连线交于D，AD与径向方向的夹角为θ，θ∈[0°,30°]。

6)根据步骤4)中确定的连线AD，以AD中点为圆心O₂，以AD为直径，作圆弧与周向槽上界相交于C点。根据机匣壁面与轴向方向的夹角γ，可知圆弧

的半径r₂为：

r₂＝(r₁-DO₁)/2＝[r₁-(τ+h+g)/cos(θ+γ)]/2

7)根据步骤5)中确定的圆弧

可知C点处切线与机匣壁面的夹角为：

β₂＝θ+γ

8)根据上述设计步骤确定的两段光滑连结的圆弧

与

形成了轴向缝的剖面形状。以该轮廓形成的轴向缝类机匣处理，处理缝数目一般取为转子叶片数的3-5倍，周向开孔率Φ一般取为30％-70％。开孔率Φ指机匣上处理缝开口面积与处理缝所在轴向范围内机匣面积之比。

9)以轴向缝剖面轮廓为基础，设计叶尖前缘上下游的周向槽。周向槽在子午面内的剖面形状为平行四边形。

10)上游周向槽的前端与轴向缝剖面轮廓前端位置一致，槽的前端面与机匣壁面的夹角为α₁＝β₁；下游周向槽的后端与轴向缝剖面轮廓后端位置一致，槽的后端面与机匣壁面的夹角为α₂＝β₂；两周向槽的深度为g，宽度为d，d∈[4％c_x,tip,8％c_x,tip]。

实施例

以某燃气轮机高压压气机第一级转子为例来说明本实用新型的具体实施方式。

该压气机转子的部分设计参数见表1所示。

表1 某燃气轮机高压压气机第一级转子部分设计参数。

根据本实用新型中的内容对本实用新型进一步详细说明：

1)在转子流域的子午面视图中，以95％叶高的前缘点作为圆心O₁，则h＝5％H＝6.75mm；

2)选定周向槽高g取值为3mm，选定β₁取值为45°，则r₁＝(τ+h+g)/cosβ₁＝14.78mm，以O₁为圆心做半径为r₁的圆弧，与机匣壁面相交于B点；

3)选定θ为15°，则确定圆弧左侧端点A的位置。端点A与圆心O₁的连线交于D；

4)以AD中点为圆心O₂，以AD为直径，作圆弧与机匣壁面相交于C点。圆弧

的半径r₂为：

r₂＝(r₁-DO₁)/2＝[r₁-(τ+h)/cos(θ+γ)]/2＝3.33mm

5)根据步骤4)中确定的圆弧

可知C点处切线与机匣壁面的夹角为：

β₂＝θ+γ＝23.6°

6)根据上述设计步骤确定的两段光滑连结的圆弧

与

形成了轴向缝的剖面形状，以该轮廓形成的轴向缝类机匣处理，与半径方向的夹角δ取为30°，处理缝数目取129，周向开孔率Φ取为50％。

7)上游周向槽的前端与轴向缝剖面轮廓前端位置一致，槽的前端面与机匣壁面的夹角为α₁＝β₁；下游周向槽的后端与轴向缝剖面轮廓后端位置一致，槽的后端面与机匣壁面的夹角为α₂＝β₂；两周向槽的深度g为3mm，宽度d为3mm。

根据如上结构的射流加强的周向槽式机匣处理，利用两段光滑连接的圆弧，使得叶尖流体能够顺利地从处理槽后部流入处理槽内，并从处理槽前部射入前缘上游，达到减低流动损失地同时提高裕度拓宽能力的目的。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，包括压气机动叶片和相应的机匣处理结构，在所述压气机动叶顶部对应的机匣壁面开设两条周向槽，分别位于叶尖前缘的上游及下游，在周向槽的上方，叠加有沿周向中心对称的若干圆弧形处理缝，前缘上游周向槽前端与处理缝前端搭接并圆滑过渡，前缘下游周向槽后端与处理缝后端搭接并圆滑过渡。

2.根据权利要求1所述的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，上游周向槽和下游周向槽的宽度均为5％-10％轴向弦长，上游周向槽的后端距转子叶尖前缘4％-8％轴向弦长，下游周向槽的前端距转子叶尖前缘为4％-8％轴向弦长，两条周向槽的深度g均为4％-8％轴向弦长，周向槽宽度d为4％-8％轴向弦长，下游周向槽与转子上端壁在子午面内的夹角为α₁，上游周向槽与上端壁的夹角为α₂。

3.根据权利要求2所述的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，所述周向槽上方的轴向缝，在子午面内进行轴向缝轮廓的设计，以90％～98％叶高范围内的前缘点作为圆心O₁，作半径为r₁的圆弧，该圆弧左侧端点记为A，右侧与机匣上方相距为g的平行线即周向槽上界交点记为B，记为圆弧

4.根据权利要求3所述的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，圆弧

与周向槽上界的夹角为β₁，β₁与α₁相等，取值范围为30°～60°，相应的，该圆弧的半径r₁的取值范围为：(τ+h)/cos30°≤r₁≤(τ+h)/cos60°，其中τ为转子叶尖间隙的大小，h为圆心O₁与叶尖的距离。

5.根据权利要求3所述的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，圆弧

的左侧端点A与圆心O₁的连线与周向槽上界交于D点，AD与径向方向的夹角为θ，θ的取值范围为0°～30°。

6.根据权利要求5所述的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，以连线AD的中点为圆心O₂，以AD为直径，作圆弧与周向槽上界相较于C点，记为圆弧

7.根据权利要求6所述的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，圆弧

与圆弧

共同组成了轴向缝在子午面内的轮廓，以该轮廓形成的轴向缝类机匣处理，与半径方向夹角为δ，δ的取值范围为30°～60°，处理缝数目取为转子叶片数的3-5倍，周向开孔率Φ取为30％-70％，开孔率Φ指机匣上处理缝开口面积与处理缝所在轴向范围内机匣面积之比，即Φ＝W/(W+L)，W为处理缝宽，L为缝之间的间隔距离。

8.根据权利要求7所述的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，轴向缝在子午面内的轮廓的半径r₂＝(r₁-DO₁)/2＝[r₁-(τ+h)/cos(θ+γ)]/2，其中γ为机匣壁面与轴向方向的夹角。

9.根据权利要求8所述的一种用于轴流压气机的组合式机匣处理结构，其特征在于，圆弧

的C点处切线与周向槽上界的夹角β₂与α₂取值相等，β₂＝θ+γ。

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