CN205422837U - 一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，包括机匣、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，可调静叶片的上、下端面分别设置上、下旋转轴，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，在动叶片前部沿径向开有贯通叶片压力面和吸力面的弯曲形消涡孔结构，且动叶片叶型的负荷分布为后部加载。本实用新型不仅可在非设计工况下减小甚至消除叶片前部的分离涡流，从而明显减小动叶片通道内气动损失，而且还可在设计工况下减少叶片前部的横向压差，延迟二次流的形成，进而减小二次流损失，整体上本实用新型设计的变几何涡轮具有良好的全工况特性。
Description
技术领域
本实用新型涉及变几何涡轮，尤其涉及一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮。
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调节和优化燃气轮机各部件之间的匹配，提高燃气轮机的加减速特性和低工况性能。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。
现有技术的变几何涡轮，在低工况时，关小可调静叶减小工质流量和输出功率，而可调静叶下游动叶却趋向在较大正攻角下运行，并且引起动叶吸力面前侧分离流动；在启动和加速工况，开大可调静叶以增大燃气轮机压气机喘振裕度和燃气发生器剩余功率，而下游动叶却趋向在较大负攻角下运行，造成动叶压力面出现严重分离流动。据研究表明，可调静叶关小引起的动叶吸力面三维分离涡流场将导致变几何涡轮的效率更显著地下降，并且下降的幅度高达5％。
为了减小变几何涡轮动叶前缘大攻角流动带来的不利影响，国内外研究人员提出变几何涡轮动叶要采用较大负攻角的气动设计原则，进而指导动叶片叶型设计；然而，截至目前，还未见可有效减小变几何涡轮动叶片前缘大攻角流动带来不利影响的相关报道。
发明内容
本实用新型的目的在于提供即可在非设计工况下减小甚至消除动叶片前部的分离涡流，从而明显减小动叶片通道内气动损失，而且还可在设计工况下减少叶片前部的横向压差，延迟二次流的形成，从而具有良好全工况特性的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮
本实用新型的目的是这样实现的：包括机匣、静叶轮毂和动叶轮毂，动叶轮毂设置在静叶轮毂旁，在机匣和静叶轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有可调静叶片、在机匣和动叶轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有动叶片，可调静叶片的上端面和下端面分别设置上旋转轴和下旋转轴，上旋转轴嵌入到机匣内，下旋转轴嵌入到静叶轮毂内，动叶片安装在动叶轮毂上，动叶轮毂里装配有轮毂旋转轴，在动叶片前部沿径向方向设置有贯通动叶片压力面和吸力面的弯曲形消涡孔结构。
本实用新型还包括这样一些结构特征：
1.所述动叶片前部消涡孔的吸力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.2～0.4，消涡孔压力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.15～0.35，消涡孔吸力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为10°～40°，消涡孔压力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为15°～45°，消涡孔直径与叶片弦长的比值为0.005～0.05。
2.所述动叶片前部消涡孔的吸力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.2～0.4，消涡孔压力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.15～0.35，消涡孔吸力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为10°～40°，消涡孔压力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为15°～45°，消涡孔直径与叶片弦长的比值为0.005～0.05。
3.所述动叶片前部的消涡孔结构包括沿径向等距排布或者沿轮毂到机匣方向呈渐疏状排布的3～15个小孔。
4.所述动叶片前部的消涡孔结构与动叶片表面的交界处采用圆角过渡。
5.所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型不需要额外附加能量和装置就能自动地改善变几何涡轮动叶通道内的流场结构，即可在非设计工况下减小甚至消除动叶片前部的分离涡流，从而明显减小动叶片通道内气动损失，而且还可在设计工况下减少叶片前部的横向压差，延迟二次流的形成，从而具有良好的全工况工作特性，此外，本实用新型结构也比较简单，易于工程实现。
附图说明
图1是带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮的子午视图；
图2是带有消涡孔结构的变几何涡轮动叶片结构示意图；
图3是图1中的A-A剖面图；
图4是变几何涡轮动叶片叶型负荷分布示意图。
图中：czs为消涡孔吸力侧出口与叶型前缘点L之间的轴向距离，czp为消涡孔压力侧出口与叶型前缘点L之间的轴向距离，αs为消涡孔吸力侧出口方向与出口处切向之间的夹角，αp为消涡孔压力侧出口方向与出口处切向之间的夹角，Cps为无量纲静压系数，叶型负荷分布即为叶型压力侧8、吸力侧9无量纲静压系数沿轴向分布，Z/C为无量纲轴向距离。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
结合图1～2，本实用新型由轮毂1(包括静叶轮毂和动叶轮毂)、可调静叶片3、动叶片4和机匣6组成，在轮毂1和机匣6之间沿圆周方向均匀安装可调静叶片3和动叶片4，可调静叶片3在前，动叶片4在后，可调静叶片的上、下端面分别设置上旋转轴5、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，并且上旋转轴的轴径大于下旋转轴，下旋转轴仅起定位作用，上旋转轴嵌入到机匣6内，下旋转轴嵌入到轮毂1内，动叶片4安装在轮毂1上，在动叶片前部沿径向开有贯通叶片压力面和吸力面的弯曲形消涡孔结构7。
结合图3，制造本实用新型的带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，首先采用传统设计方法设计好变几何涡轮可调静叶片和动叶片，然后对于给定的变几何涡轮动叶片具体结构和气动参数以及运行工况范围等情况，消涡孔结构的具体结构参数包括消涡孔吸力侧出口与叶型前缘点之间的轴向距离czs、消涡孔压力侧出口与叶型前缘点之间的轴向距离czp、消涡孔吸力侧出口方向与出口处切向之间的夹角αs、消涡孔压力侧出口方向与出口处切向之间的夹角αp、消涡孔直径以及消涡孔孔数可借助于现有的计算流体力学软件进行模拟或者相关试验获得。
需注意的是，处于不同叶高位置处的消涡孔，其结构参数可以是不同的。一般地，消涡孔在叶片两侧的位置应处于分离区范围内，因此消涡孔吸力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.2～0.4，消涡孔压力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.15～0.35。为了更加有效地吹除分离区，射流方向应尽可能贴壁面喷出，但考虑到加工因素以及消涡孔内损失应尽量保持在小值，因此消涡孔吸力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为10°～40°，消涡孔压力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为15°～45°。对于消涡孔直径的选择，消涡孔直径太大，射流效果太强，对主流干扰太大，而消涡孔直径太小满足不了射流强度要求，因此消涡孔直径与叶片弦长的比值为0.005～0.05。
另外，当变几何涡轮处于变工况时，动叶片压力侧8或者吸力侧9的分离区大都是从轮毂端壁产生，并向上发展，因此为了更加有效地减小甚至消除分离区，消涡孔结构应沿径向等距排布或者沿轮毂到机匣方向呈渐疏状排布，孔数为3～15个。
为了确保变几何涡轮可调静叶在零转角时消涡孔不会对动叶片前部流场产生不利影响，动叶片前部压力侧和吸力侧的横向压差不宜过大，也即动叶片叶型的负荷分布应为后部加载(即在叶型前部压力侧、吸力侧静压差比后部小)。
另外，动叶片前部的消涡孔结构与叶片表面的交界处采用圆角过渡也有利于零转角下动叶通道内损失控制。
本实用新型的技术原理如下：
可调静叶转动改变了静叶喉部面积，造成了下游叶片列处于非设计工况下运行。在零转角下，动叶叶型负荷分布为后部加载，即在叶型前部压力侧、吸力侧静压差比后部小。当可调静叶关小时，动叶攻角趋向正攻角，前驻点向压力面移动，动叶前部横向压差增大，动叶工作状态由后部加载转变为均匀加载或者前部加载。而当可调静叶打开时，动叶进气攻角转变为负攻角，前驻点向吸力面移动，动叶前部吸力侧压力逐步大于压力侧，横向压差方向发转，并且逐步变大。本实用新型在变几何涡轮动叶片前部打若干贯通叶片压力面和吸力面的弯曲形消涡孔，当可调静叶关小时，动叶前部较大的横向压差驱使主流从消涡孔压力侧出口进入消涡孔，然后从吸力侧流出，形成“射流”效果，可减小甚至吹除吸力侧的分离旋涡区，从而减小动叶通道内损失。而当可调静叶打开时，动叶前部改变方向的横向压差驱使主流从消涡孔吸力侧出口进入消涡孔，然后从压力侧流出，可减小甚至吹除压力侧的大尺度流动分离区，同样可明显减小动叶通道内损失。此外，在可调静叶处于零转角时，消涡孔可进一步减小动叶片前部的横向压差，从而有效减小二次流动。
一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，包括机匣、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，动叶轮毂设置在静叶轮毂旁，动叶片安装在动叶轮毂上，动叶轮毂里装配有轮毂旋转轴，其特征是：在动叶片前部沿径向开有贯通叶片压力面和吸力面的弯曲形消涡孔结构，且动叶片叶型的负荷分布为后部加载。
本实用新型还可以包括：
1、所述动叶片前部消涡孔的吸力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.2～0.4，消涡孔压力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.15～0.35，消涡孔吸力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为10°～40°，消涡孔压力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为15°～45°，消涡孔直径与叶片弦长的比值为0.005～0.05。
2、所述动叶片前部的消涡孔结构包括沿径向等距排布或者沿轮毂到机匣方向呈渐疏状排布的3～15个小孔。
3、所述动叶片前部的消涡孔结构与叶片表面的交界处采用圆角过渡。
本实用新型的目的在于提供一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，包括机匣、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，在动叶片前部沿径向开有贯通叶片压力面和吸力面的弯曲形消涡孔结构，且动叶片叶型的负荷分布为后部加载。本实用新型设计的带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮不仅可在非设计工况下减小甚至消除叶片前部的分离涡流，从而明显减小动叶片通道内气动损失，而且还可在设计工况下减少叶片前部的横向压差，延迟二次流的形成，进而减小二次流损失，整体上本实用新型设计的变几何涡轮具有良好的全工况特性。
Claims (9)
1.一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，包括机匣、静叶轮毂和动叶轮毂，动叶轮毂设置在静叶轮毂旁，在机匣和静叶轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有可调静叶片、在机匣和动叶轮毂之间且沿圆周方向均匀安装有动叶片，可调静叶片的上端面和下端面分别设置上旋转轴和下旋转轴，上旋转轴嵌入到机匣内，下旋转轴嵌入到静叶轮毂内，动叶片安装在动叶轮毂上，动叶轮毂里装配有轮毂旋转轴，其特征在于：在动叶片前部沿径向方向设置有贯通动叶片压力面和吸力面的弯曲形消涡孔结构。
2.根据权利要求1所述的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，其特征在于：所述动叶片前部消涡孔的吸力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.2～0.4，消涡孔压力侧出口与叶型前缘点之间轴向距离与叶片弦长的比值为0.15～0.35，消涡孔吸力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为10°～40°，消涡孔压力侧出口方向与出口处切向之间的夹角为15°～45°，消涡孔直径与叶片弦长的比值为0.005～0.05。
3.根据权利要求1或2所述的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，其特征在于：所述动叶片前部的消涡孔结构包括沿径向等距排布或者沿轮毂到机匣方向呈渐疏状排布的3～15个小孔。
4.根据权利要求1或2所述的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，其特征在于：所述动叶片前部的消涡孔结构与动叶片表面的交界处采用圆角过渡。
5.根据权利要求3所述的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，其特征在于：所述动叶片前部的消涡孔结构与动叶片表面的交界处采用圆角过渡。
6.根据权利要求1或2所述的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，其特征在于：所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
7.根据权利要求3所述的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，其特征在于：所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
8.根据权利要求4所述的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，其特征在于：所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
9.根据权利要求5所述的一种带有动叶片前部消涡孔结构的变几何涡轮，其特征在于：所述上旋转轴和下旋转轴的轴线与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴的轴径大于下旋转轴的轴径。
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