速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于叶轮机械领域，具体涉及一种速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆 弧斜缝机匣处理方法。
【背景技术】：
[0002] 燃气轮机中高压压气机的负荷越高，对其稳定工作范围的要求也越加苛刻。如果 压气机的稳定裕度过小，不仅限制了燃气轮机性能的提高，更有可能使其工作在非稳定流 动状态，将导致十分严重的后果。因而稳定裕度已成为高性能燃气轮机研制中必须确保的 重要技术指标之一。拓宽压气机的稳定工作范围，推迟气流失速和喘振的发生，对于提高燃 气轮机的性能和可靠性具有十分重要的意义，已成为燃气轮机设计者致力追求的目标。
[0003] 压气机设计过程中，可采取流动控制的方法来提高稳定裕度。在诸多流动控制方 法中，机匣处理技术是一项被较早研究并成功运用的扩稳技术。它具有易于在结构上实现、 制造成本低、改型方便、可靠性高以及扩稳效果好等优点。其中，轴向缝类机匣处理是一种 扩稳效果显著的机匣处理结构，其结构有轴向缝、轴向斜缝等多种几何形式，如图1-图2所 示，在高速及低速压气机实验台上能够获得20%左右的稳定裕度提升量。但与此同时，轴向 缝类机匣处理会在拓宽稳定裕度的同时带来显著的峰值效率损失，效率损失量可达到5% 左右。要在现代先进高压压气机上使用轴向缝类机匣处理，必须克服这一弊端，设计出在几 乎不影响峰值效率的情况下达到扩稳效果的机匣处理结构。
【发明内容】
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[0004] 本发明的目的在于克服现有轴向缝类机匣处理对高压压气机峰值效率影响严重 的弊端，以减少掺混损失为目的，基于压气机叶尖流场速度方向，提供了一种速度方向定制 的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方法，在几乎不影响峰值效率的情况下拓宽燃气 轮机高压压气机的稳定工作范围。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
[0006] 速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方法，包括以下步骤：
[0007] 1)利用数值模拟方法找到待处理高压压气机转子的峰值效率工况，确定该工况下 的转子叶尖速度场特征；
[0008] 2)根据步骤1)中明确的峰值效率工况下的叶尖速度场特征，以及高压压气机动叶 叶尖几何特点，确定速度方向定制的圆弧斜缝的外形参数。
[0009] 本发明进一步的改进在于，步骤1)中，利用网格生成软件对压气机计算域生成网 格，在出口边界施以静压出口边界条件;通过逐渐改变出口静压的大小，得到压气机特性 线，并在特性线上找到峰值效率工况。
[0010] 本发明进一步的改进在于，步骤1)中，针对峰值效率工况的计算结果，后处理得到 周向平均后的叶尖三向绝对速度分量。
[0011] 本发明进一步的改进在于，步骤2)中，速度方向定制的圆弧斜缝的外形参数包括： 处理缝的轴向处理范围、径向缝深、处理缝圆弧型线弦长的长度、圆弧型线的半径、前后端 面与机匣壁面的夹角、径向倾斜角、缝内圆角半径以及单个处理缝在周向方向上的弧度范 围。
[0012]本发明进一步的改进在于，处理缝轴向处理范围的起始位置位于叶尖前缘上游 0.1-0.3bax，终止位置位于叶尖前缘下游0.2-0.5bax，所述的径向缝深Η取0.2-0.4b ax;根据 处理缝在轴向方向上的范围，确定处理缝圆弧型线弦长的长度L = 0.3-0.7bax;其中，bax为 转子叶尖基元级叶型的轴向弦长。
[0013] 本发明进一步的改进在于，根据圆弧型线弦长的长度L及叶尖基元叶型的安装角 β，确定圆弧型线的半径r3 = L/[2sin(90°-i3)]，且圆弧型线的弯曲方向与叶片的弯曲方向 相反。
[0014] 本发明进一步的改进在于，结合叶尖速度方向确定处理缝的前后端面与机匣壁面 的夹角γ取30°-50°，处理缝的径向倾斜角α取30°-60°。
[0015] 本发明进一步的改进在于，缝内圆角半径包括缝内锐角圆角半径η和缝内钝角圆角半 径r2,根据缝深吸缝端面与机匣壁面夹角γ，确定缝内锐角圆角半径
缝内钝角圆角半径
[0016] 本发明进一步的改进在于，单个处理缝在周向方向上的弧度范围为360° X Φ/Ν， 其中：Ν为处理缝数目，Φ为开孔率，即轴向缝类机匣处理上处理缝的总面积与开孔区域总 面积的比值，其开孔率Φ取40%_70%;处理缝数目Ν取转子叶片数的3-5倍。
[0017] 与现有技术相比，本发明考虑了峰值效率点的叶尖速度场以及叶尖基元级几何特 征。结合叶尖速度方向，确定前后端面在轴向方向上的倾斜程度，从而控制处理缝前部出气 方向，减少处理缝在叶尖造成的损失;前后端面与上端面之间的圆角促进缝内循环流动，并 减少缝内摩擦损失的产生；其周向方向的圆弧型线根据转子叶尖基元级叶型的安装角确 定，便于叶尖压力面侧高压流体顺利进入处理缝。以上造型特点均能减少处理缝内的流动 损失，并保持良好的扩稳能力。
【附图说明】：
[0018] 图1为轴向缝机匣处理结构示意简图，其中，图1(a)为图1(b)的剖视图。
[0019] 图2为轴向斜缝机匣处理结构示意简图，其中，图2(a)为图2(b)的剖视图。
[0020] 图3为本发明实施在压气机转子上的子午面示意图。
[0021 ]图4为本发明的垂直投影面示意图。
[0022] 图5为本发明的水平投影面示意图。
[0023] 图6为本发明应用于某燃气轮机高压压气机第一级转子数值计算的特性线，其中， 图6(a)为效率特性线，图6(b)为压比特性线。
【具体实施方式】：
[0024] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0025] 如图2至图5所示，本发明速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理 方法，通过分析压气机转子效率最高点的叶尖速度场及叶尖基元级的几何特征，确定圆弧 斜缝机匣处理的设计参数;所述的圆弧斜缝机匣处理，处理缝开口轮廓线采取圆弧形设计； 在子午面内处理缝的前后端面向上游倾斜，与机匣壁面成一锐角;缝的前后端面与上端面 相交处设计为圆角，促进缝内流动循环以减少损失。具体包括以下步骤：
[0026] 1)利用网格生成软件对压气机计算域生成网格，在出口边界施以静压出口边界条 件;通过逐渐改变出口静压的大小，得到压气机特性线，并在特性线上找到峰值效率工况， 确定该工况下的转子叶尖速度场特征，也即周向平均后的叶尖三向绝对速度分量；
[0027] 2)根据步骤1)中明确的峰值效率工况下的叶尖速度场特征，以及高压压气机动叶 叶尖几何特点，确定速度方向定制的圆弧斜缝的外形参数，包括:处理缝的轴向处理范围、 径向缝深、处理缝圆弧型线弦长的长度、圆弧型线的半径、前后端面与机匣壁面的夹角、径 向倾斜角、缝内圆角半径以及单个处理缝在周向方向上的弧度范围。
[0028] 所述的处理缝轴向处理范围的起始位置位于叶尖前缘上游0.1-0.3bax，终止位置 位于叶尖前缘下游0.2-0.5b ax，所述的径向缝深Η取0.2-0.4bax;根据处理缝在轴向方向上 的范围，确定处理缝圆弧型线弦长的长度L = 0.3-0.7bax;其中，bax为转子叶尖基元级叶型 的轴向弦长。并且，根据圆弧型线弦长的长度L及叶尖基元叶型的安装角β，确定圆弧型线的 半径r 3 = L/[2sin(90°-i3)]，以使叶尖压力面侧的高压流体更为顺利地进入处理缝，且圆弧 型线的弯曲方向与叶片的弯曲方向相反。
[0029]所述的结合叶尖速度方向确定处理缝的前后端面与机匣壁面的夹角γ取30°-50°， 处理缝的径向倾斜角α取30°-60°，以控制处理缝前部出气方向。并且，缝内圆角半径包括缝内 锐角圆角半径η和缝内钝角圆角半径r 2，根据缝深Η及缝端面与机匣壁面夹角γ，确定缝内锐 角圆角半召
缝内钝角圆角半径以减 少缝内摩擦损失的产生。
[0030] 所述的单个处理缝在周向方向上的弧度范围为360° X Φ/Ν，其中：Ν为处理缝数 目，Φ为开孔率，即轴向缝类机匣处理上处理缝的总面积与开孔区域总面积的比值，其开孔 率Φ取40 % -70 % ;处理缝数目Ν取转子叶片数的3-5倍。
[0031] 实施例：
[0032] 以某燃气轮机高压压气机第一级转子为例来说明本发明的【具体实施方式】。
[0033]该压气机转子的部分设计参数见表1所示。
[0034]表1某燃气轮机高压压气机第一级转子部分设计参数。
[0035]
[0036] 根据
【发明内容】
中的设计方法进行如下设计：
[0037] 1)对该转子叶片进行建模，对其内部流场进行数值模拟，得到其峰值效率工况下 的叶尖流场结构及流动特征。
[0038] 2)确定处理缝在轴向方向上的范围为叶尖前缘上游0. 113^至叶尖前缘下游 0 · 4bax 〇
[0039] 3)确定处理缝圆弧型线弦长的长度L = (h52bax = 31.2mm。
[0040] 4)确定圆弧型线的弦切角θ = 90-β = 53.13°。
[0041 ] 5)确定圆弧型线的半径r3 = L/(2sin0) = 19.5mm。其弯曲方向与叶片的弯曲方向 相反。
[0042] 6)圆弧斜缝机匣处理的处理缝数目N取为转子数目的3倍。
[0043] 7)机匣处理的开孔率Φ取为40%。
[0044] 8)确定单个处理缝在周向方向上的弧度范围为360° ΧΦ/Ν=1.116°。
[0045] 9)处理缝的径向缝深Η取为12mm。
[0046] 10)处理缝的径向倾斜角α取为60°。
[0047] 11)前后端面与机匣壁面的夹角γ取45°。
[0048] 12)缝内锐角圆角半径ri取2.5_，钝角圆角半径^取12_。
[0049] 如图6所示，根据如上方法设计得到的圆弧斜缝机匣处理，能够使该燃气轮机高压 压气机第一级转子裕度提高7.31 %，同时其峰值效率几乎不下降。
【主权项】
1. 速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方法，其特征在于，包括以 下步骤： 1) 利用数值模拟方法找到待处理高压压气机转子的峰值效率工况，确定该工况下的转 子叶尖速度场特征； 2) 根据步骤1)中明确的峰值效率工况下的叶尖速度场特征，以及高压压气机动叶叶尖 几何特点，确定速度方向定制的圆弧斜缝的外形参数。2. 根据权利要求1所述的速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方 法，其特征在于，步骤1)中，利用网格生成软件对压气机计算域生成网格，在出口边界施以 静压出口边界条件;通过逐渐改变出口静压的大小，得到压气机特性线，并在特性线上找到 峰值效率工况。3. 根据权利要求1所述的速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方 法，其特征在于，步骤1)中，针对峰值效率工况的计算结果，后处理得到周向平均后的叶尖 三向绝对速度分量。4. 根据权利要求1所述的速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方 法，其特征在于，步骤2)中，速度方向定制的圆弧斜缝的外形参数包括:处理缝的轴向处理 范围、径向缝深、处理缝圆弧型线弦长的长度、圆弧型线的半径、前后端面与机匣壁面的夹 角、径向倾斜角、缝内圆角半径以及单个处理缝在周向方向上的弧度范围。5. 根据权利要求4所述的速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方 法，其特征在于，处理缝轴向处理范围的起始位置位于叶尖前缘上游0.1-0.3b ax，终止位置 位于叶尖前缘下游0.2-0.5bax，所述的径向缝深Η取0.2-0.4b ax;根据处理缝在轴向方向上 的范围，确定处理缝圆弧型线弦长的长度L = 0.3-0.7bax;其中，bax为转子叶尖基元级叶型 的轴向弦长。6. 根据权利要求5所述的速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方 法，其特征在于，根据圆弧型线弦长的长度L及叶尖基元叶型的安装角β，确定圆弧型线的半 径r 3 = L/[2sin(9O°-0)]，且圆弧型线的弯曲方向与叶片的弯曲方向相反。7. 根据权利要求4所述的速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方 法，其特征在于，结合叶尖速度方向确定处理缝的前后端面与机匣壁面的夹角γ取30°-50°，处理缝的径向倾斜角α取30°-60°。8. 根据权利要求7所述的速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方 法，其特征在于，缝内圆角半径包括缝内锐角圆角半径η和缝内钝角圆角半径r 2，根据缝深Η 及缝端面与机匣壁面夹角γ，确定缝内锐角圆角半径内钝角 圆角半径9. 根据权利要求4所述的速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方 法，其特征在于，单个处理缝在周向方向上的弧度范围为360° X Φ /Ν，其中：Ν为处理缝数 目，Φ为开孔率，开孔率Φ取40%-70% ;处理缝数目Ν取转子叶片数的3-5倍。
【专利摘要】本发明速度方向定制的燃气轮机高压压气机圆弧斜缝机匣处理方法，包括步骤：1)利用数值模拟方法找到待处理高压压气机转子的峰值效率工况，确定该工况下的转子叶尖速度场特征；2)根据步骤1)中明确的峰值效率工况下的叶尖速度场特征，以及高压压气机动叶叶尖几何特点，确定速度方向定制的圆弧斜缝的外形参数。本发明提供的圆弧斜缝机匣处理可在保证压气机效率基本不变的前提下拓宽高压压气机的稳定工作范围。本发明以所处理转子在峰值效率工况下的叶尖速度场为基础，考虑了转子叶尖基元级的几何特征，通过设计处理缝的外形参数，达到促进缝内流动循环以减少损失的效果，使得圆弧斜缝在几乎不影响峰值效率的情况下有效提高高压压气机失速裕度。
【IPC分类】F04D29/66, F04D29/40
【公开号】CN105715587
【申请号】CN201610052522
【发明人】段静瑶, 肖俊峰, 李园园, 于飞龙, 高松, 上官博, 南晴
【申请人】西安热工研究院有限公司