一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪的制作方法
【專利摘要】本發明的目的在于提供一種具有正交型可調靜葉的大子午擴張變幾何渦輪，包括大子午擴張端壁機匣、輪轂，在機匣和輪轂之間沿圓周方向均勻安裝可調靜葉片和動葉片，可調靜葉片在前，動葉片在后，可調靜葉片的上、下端面分別設置上、下旋轉軸，其軸心在同一旋轉軸線上，且軸徑不同，上旋轉軸嵌入到機匣內，下旋轉軸嵌入到輪轂內，動葉片安裝在輪轂上，可調靜葉片為葉片自身與端壁成正交布置的正交型葉片，且輪轂包含與可調靜葉片相配合的凹凸結合段。本發明既能重組間隙端區流動，進而減少間隙端區損失，又能使得端區間隙高度隨工況改變而緩慢變化，進而改善變工況特性。
【專利說明】一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪
【技術領域】
[0001] 本發明涉及的是一種燃氣輪機的渦輪。
【背景技術】
[0002] 燃氣輪機經常會在非設計工況下工作，此時渦輪效率會大幅度降低。變幾何渦輪 技術可有效地改善燃氣渦輪變工況效率，而調節渦輪靜葉的安裝角度則是一種行之有效的 變幾何方法。現有技術的可調靜葉結構，為了保證渦輪靜葉可以轉動，靜葉上下端壁要留有 間隙，從而引起了靜葉的泄漏損失，嚴重影響渦輪效率；并且對于大子午擴張變幾何渦輪， 大子午擴張角易使得端壁附近流動減速，附面層增厚，流體抵抗橫向壓力梯度的能力減弱， 進而較容易形成二次流，這些都會進一步增加變幾何渦輪端區流動損失。此外，渦輪靜葉轉 動時端區間隙高度會發生改變，尤其在大子午擴張變幾何渦輪中間隙高度的變化速度更為 明顯，進一步影響了變幾何渦輪的工作性能。
[0003] 為了減小葉頂間隙泄漏的不利影響，現代燃氣輪機主要采用主動和被動間隙控 制。被動間隙控制方法主要采用葉頂和機匣處理，比如凹槽葉頂、機匣端壁造型等，這種方 法雖然可以改善渦輪設計點性能，但卻無法對間隙高度變化進行有效反饋。主動間隙控制 方法主要通過將壓氣機氣流引出對機匣或者葉片表面進行加熱或者冷卻，使其相應膨脹或 收縮，從而對間隙高度變化進行反饋控制，但該方法存在熱慣性、結構布置復雜等問題。為 了解決大子午擴張流道所帶來的流動問題，現有研究大多關注于子午流道端壁型線的優化 上。截止到目前，對于大子午擴張變幾何渦輪所存在的不利問題，現有技術并沒有考慮把對 葉頂間隙泄漏的控制與對大子午擴張端區流動的重組結合起來，更沒有考慮改善大子午擴 張變幾何渦輪的變工況特性。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供既能重組間隙端區流動，又能使得端區間隙高度隨工況改 變而緩慢變化的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：
[0006] 本發明一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪，其特征是：包括機 匣、動葉輪轂、動葉片，動葉輪轂位于機匣里，動葉輪轂里裝配有輪轂旋轉軸，動葉片與動葉 片之間沿輪轂圓周方向均勻布置并固定在動葉輪轂上，其特征是：還包括靜葉輪轂，靜葉輪 轂設置在動葉輪轂旁，沿氣體流動方向，在每個動葉片前方均設置可調靜葉片，可調靜葉片 安裝在靜葉輪轂上，靜葉輪轂里設置軸承，輪轂旋轉軸的端部與軸承配合，可調靜葉片的上 端面設置上旋轉軸，可調靜葉片的下端面設置下旋轉軸，每個可調靜葉片的外側均通過其 上旋轉軸與機匣相連，靜葉輪轂上設置靜葉片槽，下旋轉軸均設置在靜葉片槽里，上旋轉軸 上安裝調節可調靜葉片角度的調整桿，調整桿伸出至機匣外，可調靜葉片的旋轉軸線與輪 轂旋轉軸之間夾角在5°?20°之間。
[0007] 本發明還可以包括：
[0008] 1、上旋轉軸和下旋轉軸的軸線與可調靜葉片的旋轉軸線均位于同一直線上，上旋 轉軸軸徑大于下旋轉軸。
[0009] 2、可調靜葉片上端面與其所對的機匣內壁之間形狀相同，且二者留有轉動間隙， 轉動間隙各處的長度相等。
[0010] 3、靜葉輪轂外側的剖面線包括相連的進口平直段、凹凸結合段，動葉輪轂外側的 剖面線包括相連的漸縮段、出口平直段，其中凹凸結合段對應可調靜葉片下端面所在位置， 漸縮段對應動葉片根部的位置，可調靜葉片下端面與凹凸結合段之間形狀相同，且二者留 有轉動間隙，轉動間隙各處的長度相等。
[0011] 4、可調靜葉片前緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片前緣型線夾角 為75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片尾緣型線 夾角為75°?105° ;可調靜葉片前緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調靜葉片 前緣型線夾角為75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可 調靜葉片尾緣型線夾角為75°?105°。
[0012] 本發明的優勢在于：本發明通過采用正交葉片（從結構上看類似于"前掠葉片"）， 一是降低了葉片端區沿流向的逆壓梯度，盡管葉展中部的逆壓梯度有所增大，但由于流動 處于主流區，因而影響不大；二是沿葉高形成了兩端大、中間小的"C"形壓力分布，可將端 區邊界層"吸入"主流，減輕了低能流體在端區的堆積，從而改善端區流動性能；并且，本發 明設計的可調正交型靜葉片的旋轉軸軸線與機匣、輪轂端壁型線近于正交，使得大子午擴 張變幾何渦輪靜葉轉動時端區間隙高度的變化速度減緩，并且端區間隙高度隨工況的變化 情況與常規無擴張變幾何渦輪相似，從而改善了大子午擴張變幾何渦輪的變工況特性；此 夕卜，本發明結構也比較簡單，易于工程實現。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明的結構示意圖；
[0014] 圖2a為本發明的可調靜葉片與機匣之間配合的結構示意圖，圖2b為本發明的可 調靜葉片與輪轂之間配合的結構示意圖；
[0015] 圖3為本發明的輪轂結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述：
[0017] 結合圖1?3,本發明由輪轂1、可調靜葉片4、動葉片5和大子午擴張端壁機匣10 組成，在輪轂1和機匣10之間沿圓周方向均勻安裝可調靜葉片4和動葉片5,可調靜葉片 4在前，動葉片5在后，可調靜葉片的上端面8和下端面3分別設置上旋轉軸9和下旋轉軸 2,其軸心在同一旋轉軸線上以便于可調靜葉轉動，并且上旋轉軸的軸徑大于下旋轉軸，下 旋轉軸僅起定位作用。上旋轉軸9嵌入到機匣10內，下旋轉軸2嵌入到輪轂1內，動葉片5 安裝在輪轂1上。在機匣10和葉片上端面8以及輪轂1和葉片下端面3之間分別形成間 隙。
[0018] 結合圖2(a)?2(b)，制造本發明的具有正交型可調靜葉的大子午擴張變幾何渦 輪，首先采用傳統設計方法設計好常規扭葉片，然后對于給定的渦輪總體參數以及運行工 況范圍等情況，將該葉片進行適當正交操作，以保證葉片前緣、尾緣型線與機匣端壁的交點 位置處的切線分別與前緣、尾緣型線的夾角α1、α 2處于75°?105°之間。然后，為了確 保葉片前緣、尾緣型線與輪轂端壁的交點位置處的切線分別與前緣、尾緣型線的夾角α 4、 α5處于75°?105°之間，輪轂端壁應滿足如圖2或3所示的結構形式，具體上，輪轂依次 由進口平直段11、與可調靜葉片根部相配合的凹凸結合段13、與動葉片根部連接的漸縮段 15和出口平直段17組成，進口平直段11和與可調靜葉片根部相配合的凹凸結合段13在 拐點12連接，與可調靜葉片根部相配合的凹凸結合段13和與動葉片根部連接的漸縮段15 在拐點14連接，最后與動葉片根部連接的漸縮段15與出口平直段17在拐點16連接。此 夕卜，為了確保靜葉轉動機構能夠實現，并且能夠可靠工作，可調靜葉片旋轉軸線與徑向方向 的夾角不能過大，一般地該夾角處于5°?20°之間。
[0019] 本發明一種具有正交型可調靜葉的大子午擴張變幾何渦輪，包括大子午擴張端壁 機匣、輪轂，在機匣和輪轂之間沿圓周方向均勻安裝可調靜葉片和動葉片，可調靜葉片在 前，動葉片在后，可調靜葉片的上、下端面分別設置上、下旋轉軸，其軸心在同一旋轉軸線 上，且軸徑不同，上旋轉軸嵌入到機匣內，下旋轉軸嵌入到輪轂內，動葉片安裝在輪轂上，可 調靜葉片為葉片自身與端壁成正交布置的正交型葉片，且輪轂包含與可調靜葉片相配合的 凹凸結合段。
[0020] 可調靜葉片前緣型線分別與機匣、輪轂端壁的交點位置處的切線與前緣型線的夾 角為75°?105°。
[0021] 可調靜葉片尾緣型線分別與機匣、輪轂端壁的交點位置處的切線與尾緣型線的夾 角為75°?105°。
[0022] 可調靜葉片旋轉軸軸線與徑向方向的夾角為5°?20°。
【權利要求】
1. 一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪，其特征是：包括機匣、動葉 輪轂、動葉片，動葉輪轂位于機匣里，動葉輪轂里裝配有輪轂旋轉軸，動葉片與動葉片之間 沿輪轂圓周方向均勻布置并固定在動葉輪轂上，其特征是：還包括靜葉輪轂，靜葉輪轂設置 在動葉輪轂旁，沿氣體流動方向，在每個動葉片前方均設置可調靜葉片，可調靜葉片安裝在 靜葉輪轂上，靜葉輪轂里設置軸承，輪轂旋轉軸的端部與軸承配合，可調靜葉片的上端面設 置上旋轉軸，可調靜葉片的下端面設置下旋轉軸，每個可調靜葉片的外側均通過其上旋轉 軸與機匣相連，靜葉輪轂上設置靜葉片槽，下旋轉軸均設置在靜葉片槽里，上旋轉軸上安裝 調節可調靜葉片角度的調整桿，調整桿伸出至機匣外，可調靜葉片的旋轉軸線與輪轂旋轉 軸之間夾角在5°?20°之間。
2. 根據權利要求1所述的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪，其特 征是：上旋轉軸和下旋轉軸的軸線與可調靜葉片的旋轉軸線均位于同一直線上，上旋轉軸 軸徑大于下旋轉軸。
3. 根據權利要求1或2所述的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪， 其特征是：可調靜葉片上端面與其所對的機匣內壁之間形狀相同，且二者留有轉動間隙，轉 動間隙各處的長度相等。
4. 根據權利要求1或2所述的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪， 其特征是：靜葉輪轂外側的剖面線包括相連的進口平直段、凹凸結合段，動葉輪轂外側的剖 面線包括相連的漸縮段、出口平直段，其中凹凸結合段對應可調靜葉片下端面所在位置，漸 縮段對應動葉片根部的位置，可調靜葉片下端面與凹凸結合段之間形狀相同，且二者留有 轉動間隙，轉動間隙各處的長度相等。
5. 根據權利要求3所述的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪，其特 征是：靜葉輪轂外側的剖面線包括相連的進口平直段、凹凸結合段，動葉輪轂外側的剖面線 包括相連的漸縮段、出口平直段，其中凹凸結合段對應可調靜葉片下端面所在位置，漸縮段 對應動葉片根部的位置，可調靜葉片下端面與凹凸結合段之間形狀相同，且二者留有轉動 間隙，轉動間隙各處的長度相等。
6. 根據權利要求1或2所述的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪， 其特征是：可調靜葉片前緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片前緣型線夾角為 75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片尾緣型線夾 角為75°?105° ;可調靜葉片前緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調靜葉片前 緣型線夾角為75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調 靜葉片尾緣型線夾角為75°?105°。
7. 根據權利要求3所述的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪，其 特征是：可調靜葉片前緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片前緣型線夾角為 75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片尾緣型線夾 角為75°?105° ;可調靜葉片前緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調靜葉片前 緣型線夾角為75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調 靜葉片尾緣型線夾角為75°?105°。
8. 根據權利要求4所述的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪，其 特征是：可調靜葉片前緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片前緣型線夾角為 75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片尾緣型線夾 角為75°?105° ;可調靜葉片前緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調靜葉片前 緣型線夾角為75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調 靜葉片尾緣型線夾角為75°?105°。
9.根據權利要求5所述的一種具有正交型可調靜葉片的大子午擴張變幾何渦輪，其 特征是：可調靜葉片前緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片前緣型線夾角為 75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和機匣交點的切線與可調靜葉片尾緣型線夾 角為75°?105° ;可調靜葉片前緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調靜葉片前 緣型線夾角為75°?105°，可調靜葉片尾緣型線的延長線和靜葉輪轂交點的切線與可調 靜葉片尾緣型線夾角為75°?105°。
【文檔編號】F01D9/02GK104100305SQ201410349952
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】高杰, 鄭群, 王付凱, 趙展, 岳國強 申請人:哈爾濱工程大學