一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种变几何涡轮，尤其涉及一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮。
【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。
[0003]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的下降，并且下降的幅度高达5%。
[0004]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】
[0005]本发明的目的在于提供即可在非设计工况尤其是在低工况下减小动叶片前缘根部的气流攻角，抑制产生于动叶片根部的三维分离涡的展向发展，还可缩小可调静叶和动叶之间缝隙出流与主流之间的速度不匹配程度，从而明显减小动叶通道内气动损失，而且还可在设计工况下抑制通道涡的发展，从而具有良好全工况特性的一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮。
[0006]本发明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，在动叶片前缘根部向前扩展出有边条小翼结构。
[0007]本发明还包括这样一些结构特征:
[0008]1.所述边条小翼结构沿根部叶型前缘点处中弧线切向方向的长度与叶片根部弦长的比值为0.2?0.4，且其长度不超过叶片前轮毂的轴向宽度，边条小翼结构在叶型前缘点处径向高度与叶片高度的比值为0.03?0.1。
[0009]2.所述动叶片边条小翼结构的顶部缘线为斜线、折线或光滑曲线形式。
[0010]3.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。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明效仿飞机边条翼原理，结合变几何涡轮在非设计工况下动叶片通道内三维分离涡流是从轮毂端壁产生并沿展向发展的实际情况，在变几何涡轮动叶片前缘根部向前扩展出边条小翼结构;在非设计工况下，通过边条小翼结构诱导出的细长涡系，在动叶片前缘根部将来流转正，形成等效零或小攻角工况运行;并且细长涡系的流向发展也抑制了动叶通道内的分离涡尤其是低工况下吸力侧的开式分离涡沿展向的发展;还可对可调静叶和动叶之间缝隙出流产生导向作用，从而缩小缝隙出流与主流之间的速度不匹配程度;此外，在设计工况下，边条小翼所诱导的细长涡系通过旋涡之间的相互作用也对通道涡的发展产生了抑制作用，从而减小了端区损失，整体上使得本发明具有良好的全工况工作特性。此外，本发明结构也比较简单，易于工程实现。
【附图说明】
[0012]图1是带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮的子午视图；
[0013]图2是带有边条小翼结构的变几何涡轮动叶片结构示意图；
[0014]图3是边条小翼结构的子午视图；
[0015]图4是图3中的B向视图；
[0016]图5(a)、图5(b)和图5(c)分别是图3中边条小翼结构的其他结构形式的示意图。
[0017]图中:I为边条小翼结构沿叶型前缘点处中弧线切向方向的长度，h为边条小翼结构在叶型前缘点处径向高度。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述。
[0019]结合图1?2，本发明由轮毂(静叶轮毂I和动叶轮毂8)、可调静叶片3、动叶片5和机匣7组成，在轮毂(静叶轮毂I和动叶轮毂8)和机匣7之间沿圆周方向均匀安装可调静叶片3和动叶片5，可调静叶片3在前，动叶片5在后，可调静叶片的上、下端面分别设置上旋转轴6、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7内，下旋转轴嵌入到静叶轮毂I内，动叶片5安装在动叶轮毂8上，在动叶片前缘根部向前扩展出边条小翼结构4。其中，图1中A处为缝隙出流。
[0020]结合图3?4，制造本发明的带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，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，边条小翼结构的具体结构参数包括边条小翼结构沿根部叶型前缘点处中弧线切向方向的长度与叶片根部弦长的比值，边条小翼结构在叶型前缘点处径向高度与叶片高度的比值可借助于现有的计算流体力学软件模拟或者试验获得。
[0021]需注意的是，边条小翼结构沿根部叶型前缘点处中弧线切向方向的长度不超过叶片前轮毂的轴向宽度。考虑到边条小翼应直接作用于根部端区，其长度和高度应与根部边界层具有相当的尺度，因此边条小翼结构沿根部叶型前缘点处中弧线切向方向的长度与叶片根部弦长的比值为0.2?0.4，且其长度不超过叶片前轮毂的轴向长度，另外，边条小翼结构在叶型前缘点处径向高度与叶片高度的比值为0.03?0.1。
[0022]为了更有效地组织全工况下不同类型变几何涡轮动叶片的端区涡旋流动，边条小翼结构的顶部缘线9也可存在图5(a)、5(b)或5(c)的结构形式。
[0023]—种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，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:在动叶片前缘根部向前扩展出边条小翼结构。
[0024]本发明还可以包括:
[0025]1、所述动叶片边条小翼结构沿根部叶型前缘点处中弧线切向方向的长度与叶片根部弦长的比值为0.2?0.4，且其长度不超过叶片前轮毂的轴向宽度，边条小翼结构在叶型前缘点处径向高度与叶片高度的比值为0.03?0.1。
[0026]2、所述动叶片边条小翼结构的顶部缘线为斜线、折线或光滑曲线形式。
[0027]本发明的目的在于提供一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，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，在动叶片前缘根部向前扩展出边条小翼结构。本发明设计的带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮不仅可在非设计工况尤其是在低工况下减小叶片前缘根部的攻角，并且边条小翼所诱导的细长涡系也抑制了产生于叶片根部的三维分离涡的展向发展，还可缩小可调静叶和动叶之间缝隙出流与主流之间的速度不匹配程度，从而明显减小动叶通道内气动损失，而且在设计工况下边条小翼所诱导的细长涡系对端区通道涡的发展也产生了抑制作用，进而减小二次流损失。整体上本发明设计的变几何涡轮具有良好的全工况特性。
【主权项】
1.一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，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，其特征是:在动叶片前缘根部向前扩展出有边条小翼结构。2.根据权利要求1所述的一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，其特征是:所述边条小翼结构沿根部叶型前缘点处中弧线切向方向的长度与叶片根部弦长的比值为0.2?0.4，且其长度不超过叶片前轮毂的轴向宽度，边条小翼结构在叶型前缘点处径向高度与叶片高度的比值为0.03?0.1。3.根据权利要求1或2所述的一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，其特征是:所述动叶片边条小翼结构的顶部缘线为斜线、折线或光滑曲线形式。4.根据权利要求1或2所述的一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，其特征是: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。5.根据权利要求3所述的一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，其特征是: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。
【专利摘要】本发明提供一种带有动叶片边条小翼结构的变几何涡轮，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，动叶片安装在轮毂上，在动叶片前缘根部向前扩展出边条小翼结构。本发明不仅可在非设计工况尤其是在低工况下减小叶片前缘根部的攻角，且边条小翼所诱导的细长涡系也抑制了产生于叶片根部的三维分离涡的展向发展，还可缩小可调静叶和动叶之间缝隙出流与主流之间的速度不匹配程度，从而明显减小动叶通道内气动损失，而且在设计工况下边条小翼所诱导的细长涡系对端区通道涡的发展也产生了抑制作用，进而减小二次流损失。
【IPC分类】F01D5/14
【公开号】CN105604611
【申请号】CN201610118635
【发明人】高杰, 郑群, 刘鹏飞, 岳国强, 董平
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年3月3日