一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮的制作方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种具有正交型可调静叶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，可调静叶片为叶片自身与端壁成正交布置的正交型叶片，且轮毂包含与可调静叶片相配合的凹凸结合段。本发明既能重组间隙端区流动，进而减少间隙端区损失，又能使得端区间隙高度随工况改变而缓慢变化，进而改善变工况特性。
【专利说明】一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮
【技术领域】
[0001] 本发明涉及的是一种燃气轮机的涡轮。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 本发明的目的在于提供既能重组间隙端区流动，又能使得端区间隙高度随工况改 变而缓慢变化的一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：
[0006] 本发明一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：包括机 匣、动叶轮毂、动叶片，动叶轮毂位于机匣里，动叶轮毂里装配有轮毂旋转轴，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，静叶轮毂里设置轴承，轮毂旋转轴的端部与轴承配合，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，可调静叶片的旋转轴线与轮 毂旋转轴之间夹角在5°?20°之间。
[0007] 本发明还可以包括：
[0008] 1、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 转轴轴径大于下旋转轴。
[0009] 2、可调静叶片上端面与其所对的机匣内壁之间形状相同，且二者留有转动间隙， 转动间隙各处的长度相等。
[0010] 3、静叶轮毂外侧的剖面线包括相连的进口平直段、凹凸结合段，动叶轮毂外侧的 剖面线包括相连的渐缩段、出口平直段，其中凹凸结合段对应可调静叶片下端面所在位置， 渐缩段对应动叶片根部的位置，可调静叶片下端面与凹凸结合段之间形状相同，且二者留 有转动间隙，转动间隙各处的长度相等。
[0011] 4、可调静叶片前缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片前缘型线夹角 为75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片尾缘型线 夹角为75°?105° ;可调静叶片前缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调静叶片 前缘型线夹角为75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可 调静叶片尾缘型线夹角为75°?105°。
[0012] 本发明的优势在于：本发明通过采用正交叶片（从结构上看类似于"前掠叶片"）， 一是降低了叶片端区沿流向的逆压梯度，尽管叶展中部的逆压梯度有所增大，但由于流动 处于主流区，因而影响不大；二是沿叶高形成了两端大、中间小的"C"形压力分布，可将端 区边界层"吸入"主流，减轻了低能流体在端区的堆积，从而改善端区流动性能；并且，本发 明设计的可调正交型静叶片的旋转轴轴线与机匣、轮毂端壁型线近于正交，使得大子午扩 张变几何涡轮静叶转动时端区间隙高度的变化速度减缓，并且端区间隙高度随工况的变化 情况与常规无扩张变几何涡轮相似，从而改善了大子午扩张变几何涡轮的变工况特性；此 夕卜，本发明结构也比较简单，易于工程实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的结构示意图；
[0014] 图2a为本发明的可调静叶片与机匣之间配合的结构示意图，图2b为本发明的可 调静叶片与轮毂之间配合的结构示意图；
[0015] 图3为本发明的轮毂结构示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
[0017] 结合图1?3,本发明由轮毂1、可调静叶片4、动叶片5和大子午扩张端壁机匣10 组成，在轮毂1和机匣10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8和下端面3分别设置上旋转轴9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，并且上旋转轴的轴径大于下旋转轴，下 旋转轴仅起定位作用。上旋转轴9嵌入到机匣10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10和叶片上端面8以及轮毂1和叶片下端面3之间分别形成间 隙。
[0018] 结合图2(a)?2(b)，制造本发明的具有正交型可调静叶的大子午扩张变几何涡 轮，首先采用传统设计方法设计好常规扭叶片，然后对于给定的涡轮总体参数以及运行工 况范围等情况，将该叶片进行适当正交操作，以保证叶片前缘、尾缘型线与机匣端壁的交点 位置处的切线分别与前缘、尾缘型线的夹角α1、α 2处于75°?105°之间。然后，为了确 保叶片前缘、尾缘型线与轮毂端壁的交点位置处的切线分别与前缘、尾缘型线的夹角α 4、 α5处于75°?105°之间，轮毂端壁应满足如图2或3所示的结构形式，具体上，轮毂依次 由进口平直段11、与可调静叶片根部相配合的凹凸结合段13、与动叶片根部连接的渐缩段 15和出口平直段17组成，进口平直段11和与可调静叶片根部相配合的凹凸结合段13在 拐点12连接，与可调静叶片根部相配合的凹凸结合段13和与动叶片根部连接的渐缩段15 在拐点14连接，最后与动叶片根部连接的渐缩段15与出口平直段17在拐点16连接。此 夕卜，为了确保静叶转动机构能够实现，并且能够可靠工作，可调静叶片旋转轴线与径向方向 的夹角不能过大，一般地该夹角处于5°?20°之间。
[0019] 本发明一种具有正交型可调静叶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，可 调静叶片为叶片自身与端壁成正交布置的正交型叶片，且轮毂包含与可调静叶片相配合的 凹凸结合段。
[0020] 可调静叶片前缘型线分别与机匣、轮毂端壁的交点位置处的切线与前缘型线的夹 角为75°?105°。
[0021] 可调静叶片尾缘型线分别与机匣、轮毂端壁的交点位置处的切线与尾缘型线的夹 角为75°?105°。
[0022] 可调静叶片旋转轴轴线与径向方向的夹角为5°?20°。
【权利要求】
1. 一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮，其特征是：包括机匣、动叶 轮毂、动叶片，动叶轮毂位于机匣里，动叶轮毂里装配有轮毂旋转轴，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，静叶轮毂里设置轴承，轮毂旋转轴的端部与轴承配合，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，可调静叶片的旋转轴线与轮毂旋转 轴之间夹角在5°?20°之间。
2. 根据权利要求1所述的一种具有正交型可调静叶片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与可调静叶片的旋转轴线均位于同一直线上，上旋转轴 轴径大于下旋转轴。
3. 根据权利要求1或2所述的一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮， 其特征是：可调静叶片上端面与其所对的机匣内壁之间形状相同，且二者留有转动间隙，转 动间隙各处的长度相等。
4. 根据权利要求1或2所述的一种具有正交型可调静叶片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相连的进口平直段、凹凸结合段，动叶轮毂外侧的剖 面线包括相连的渐缩段、出口平直段，其中凹凸结合段对应可调静叶片下端面所在位置，渐 缩段对应动叶片根部的位置，可调静叶片下端面与凹凸结合段之间形状相同，且二者留有 转动间隙，转动间隙各处的长度相等。
5. 根据权利要求3所述的一种具有正交型可调静叶片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相连的进口平直段、凹凸结合段，动叶轮毂外侧的剖面线 包括相连的渐缩段、出口平直段，其中凹凸结合段对应可调静叶片下端面所在位置，渐缩段 对应动叶片根部的位置，可调静叶片下端面与凹凸结合段之间形状相同，且二者留有转动 间隙，转动间隙各处的长度相等。
6. 根据权利要求1或2所述的一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮， 其特征是：可调静叶片前缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片前缘型线夹角为 75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片尾缘型线夹 角为75°?105° ;可调静叶片前缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调静叶片前 缘型线夹角为75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调 静叶片尾缘型线夹角为75°?105°。
7. 根据权利要求3所述的一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮，其 特征是：可调静叶片前缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片前缘型线夹角为 75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片尾缘型线夹 角为75°?105° ;可调静叶片前缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调静叶片前 缘型线夹角为75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调 静叶片尾缘型线夹角为75°?105°。
8. 根据权利要求4所述的一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮，其 特征是：可调静叶片前缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片前缘型线夹角为 75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片尾缘型线夹 角为75°?105° ;可调静叶片前缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调静叶片前 缘型线夹角为75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调 静叶片尾缘型线夹角为75°?105°。
9.根据权利要求5所述的一种具有正交型可调静叶片的大子午扩张变几何涡轮，其 特征是：可调静叶片前缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片前缘型线夹角为 75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和机匣交点的切线与可调静叶片尾缘型线夹 角为75°?105° ;可调静叶片前缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调静叶片前 缘型线夹角为75°?105°，可调静叶片尾缘型线的延长线和静叶轮毂交点的切线与可调 静叶片尾缘型线夹角为75°?105°。
【文档编号】F01D9/02GK104100305SQ201410349952
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】高杰, 郑群, 王付凯, 赵展, 岳国强 申请人:哈尔滨工程大学