速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方法
2023-12-09 07:08:36 1
速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方法
【技術領域】：
[0001] 本發明屬於葉輪機械領域，具體涉及一種速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓 弧斜縫機匣處理方法。
【背景技術】：
[0002] 燃氣輪機中高壓壓氣機的負荷越高，對其穩定工作範圍的要求也越加苛刻。如果 壓氣機的穩定裕度過小，不僅限制了燃氣輪機性能的提高，更有可能使其工作在非穩定流 動狀態，將導致十分嚴重的後果。因而穩定裕度已成為高性能燃氣輪機研製中必須確保的 重要技術指標之一。拓寬壓氣機的穩定工作範圍，推遲氣流失速和喘振的發生，對於提高燃 氣輪機的性能和可靠性具有十分重要的意義，已成為燃氣輪機設計者致力追求的目標。
[0003] 壓氣機設計過程中，可採取流動控制的方法來提高穩定裕度。在諸多流動控制方 法中，機匣處理技術是一項被較早研究並成功運用的擴穩技術。它具有易於在結構上實現、 製造成本低、改型方便、可靠性高以及擴穩效果好等優點。其中，軸向縫類機匣處理是一種 擴穩效果顯著的機匣處理結構，其結構有軸向縫、軸向斜縫等多種幾何形式，如圖1-圖2所 示，在高速及低速壓氣機實驗臺上能夠獲得20%左右的穩定裕度提升量。但與此同時，軸向 縫類機匣處理會在拓寬穩定裕度的同時帶來顯著的峰值效率損失，效率損失量可達到5% 左右。要在現代先進高壓壓氣機上使用軸向縫類機匣處理，必須克服這一弊端，設計出在幾 乎不影響峰值效率的情況下達到擴穩效果的機匣處理結構。
【發明內容】
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[0004] 本發明的目的在於克服現有軸向縫類機匣處理對高壓壓氣機峰值效率影響嚴重 的弊端，以減少摻混損失為目的，基於壓氣機葉尖流場速度方向，提供了一種速度方向定製 的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方法，在幾乎不影響峰值效率的情況下拓寬燃氣 輪機高壓壓氣機的穩定工作範圍。
[0005] 為達到上述目的，本發明採用如下技術方案來實現的：
[0006] 速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方法，包括以下步驟：
[0007] 1)利用數值模擬方法找到待處理高壓壓氣機轉子的峰值效率工況，確定該工況下 的轉子葉尖速度場特徵；
[0008] 2)根據步驟1)中明確的峰值效率工況下的葉尖速度場特徵，以及高壓壓氣機動葉 葉尖幾何特點，確定速度方向定製的圓弧斜縫的外形參數。
[0009] 本發明進一步的改進在於，步驟1)中，利用網格生成軟體對壓氣機計算域生成網 格，在出口邊界施以靜壓出口邊界條件;通過逐漸改變出口靜壓的大小，得到壓氣機特性 線，並在特性線上找到峰值效率工況。
[0010] 本發明進一步的改進在於，步驟1)中，針對峰值效率工況的計算結果，後處理得到 周向平均後的葉尖三向絕對速度分量。
[0011] 本發明進一步的改進在於，步驟2)中，速度方向定製的圓弧斜縫的外形參數包括： 處理縫的軸向處理範圍、徑向縫深、處理縫圓弧型線弦長的長度、圓弧型線的半徑、前後端 面與機匣壁面的夾角、徑向傾斜角、縫內圓角半徑以及單個處理縫在周向方向上的弧度範 圍。
[0012]本發明進一步的改進在於，處理縫軸向處理範圍的起始位置位於葉尖前緣上遊 0.1-0.3bax，終止位置位於葉尖前緣下遊0.2-0.5bax，所述的徑向縫深Η取0.2-0.4b ax;根據 處理縫在軸向方向上的範圍，確定處理縫圓弧型線弦長的長度L = 0.3-0.7bax;其中，bax為 轉子葉尖基元級葉型的軸向弦長。
[0013] 本發明進一步的改進在於，根據圓弧型線弦長的長度L及葉尖基元葉型的安裝角 β，確定圓弧型線的半徑r3 = L/[2sin(90°-i3)]，且圓弧型線的彎曲方向與葉片的彎曲方向 相反。
[0014] 本發明進一步的改進在於，結合葉尖速度方向確定處理縫的前後端面與機匣壁面 的夾角γ取30°-50°，處理縫的徑向傾斜角α取30°-60°。
[0015] 本發明進一步的改進在於，縫內圓角半徑包括縫內銳角圓角半徑η和縫內鈍角圓角半 徑r2,根據縫深吸縫端面與機匣壁面夾角γ，確定縫內銳角圓角半徑
縫內鈍角圓角半徑
[0016] 本發明進一步的改進在於，單個處理縫在周向方向上的弧度範圍為360° X Φ/Ν， 其中：Ν為處理縫數目，Φ為開孔率，即軸向縫類機匣處理上處理縫的總面積與開孔區域總 面積的比值，其開孔率Φ取40%_70%;處理縫數目Ν取轉子葉片數的3-5倍。
[0017] 與現有技術相比，本發明考慮了峰值效率點的葉尖速度場以及葉尖基元級幾何特 徵。結合葉尖速度方向，確定前後端面在軸向方向上的傾斜程度，從而控制處理縫前部出氣 方向，減少處理縫在葉尖造成的損失;前後端面與上端面之間的圓角促進縫內循環流動，並 減少縫內摩擦損失的產生；其周向方向的圓弧型線根據轉子葉尖基元級葉型的安裝角確 定，便於葉尖壓力面側高壓流體順利進入處理縫。以上造型特點均能減少處理縫內的流動 損失，並保持良好的擴穩能力。
【附圖說明】：
[0018] 圖1為軸向縫機匣處理結構示意簡圖，其中，圖1(a)為圖1(b)的剖視圖。
[0019] 圖2為軸向斜縫機匣處理結構示意簡圖，其中，圖2(a)為圖2(b)的剖視圖。
[0020] 圖3為本發明實施在壓氣機轉子上的子午面示意圖。
[0021 ]圖4為本發明的垂直投影面示意圖。
[0022] 圖5為本發明的水平投影面示意圖。
[0023] 圖6為本發明應用於某燃氣輪機高壓壓氣機第一級轉子數值計算的特性線，其中， 圖6(a)為效率特性線，圖6(b)為壓比特性線。
【具體實施方式】：
[0024] 以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
[0025] 如圖2至圖5所示，本發明速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理 方法，通過分析壓氣機轉子效率最高點的葉尖速度場及葉尖基元級的幾何特徵，確定圓弧 斜縫機匣處理的設計參數;所述的圓弧斜縫機匣處理，處理縫開口輪廓線採取圓弧形設計； 在子午面內處理縫的前後端面向上遊傾斜，與機匣壁面成一銳角;縫的前後端面與上端面 相交處設計為圓角，促進縫內流動循環以減少損失。具體包括以下步驟：
[0026] 1)利用網格生成軟體對壓氣機計算域生成網格，在出口邊界施以靜壓出口邊界條 件;通過逐漸改變出口靜壓的大小，得到壓氣機特性線，並在特性線上找到峰值效率工況， 確定該工況下的轉子葉尖速度場特徵，也即周向平均後的葉尖三向絕對速度分量；
[0027] 2)根據步驟1)中明確的峰值效率工況下的葉尖速度場特徵，以及高壓壓氣機動葉 葉尖幾何特點，確定速度方向定製的圓弧斜縫的外形參數，包括:處理縫的軸向處理範圍、 徑向縫深、處理縫圓弧型線弦長的長度、圓弧型線的半徑、前後端面與機匣壁面的夾角、徑 向傾斜角、縫內圓角半徑以及單個處理縫在周向方向上的弧度範圍。
[0028] 所述的處理縫軸向處理範圍的起始位置位於葉尖前緣上遊0.1-0.3bax，終止位置 位於葉尖前緣下遊0.2-0.5b ax，所述的徑向縫深Η取0.2-0.4bax;根據處理縫在軸向方向上 的範圍，確定處理縫圓弧型線弦長的長度L = 0.3-0.7bax;其中，bax為轉子葉尖基元級葉型 的軸向弦長。並且，根據圓弧型線弦長的長度L及葉尖基元葉型的安裝角β，確定圓弧型線的 半徑r 3 = L/[2sin(90°-i3)]，以使葉尖壓力面側的高壓流體更為順利地進入處理縫，且圓弧 型線的彎曲方向與葉片的彎曲方向相反。
[0029]所述的結合葉尖速度方向確定處理縫的前後端面與機匣壁面的夾角γ取30°-50°， 處理縫的徑向傾斜角α取30°-60°，以控制處理縫前部出氣方向。並且，縫內圓角半徑包括縫內 銳角圓角半徑η和縫內鈍角圓角半徑r 2，根據縫深Η及縫端面與機匣壁面夾角γ，確定縫內銳 角圓角半召
縫內鈍角圓角半徑以減 少縫內摩擦損失的產生。
[0030] 所述的單個處理縫在周向方向上的弧度範圍為360° X Φ/Ν，其中：Ν為處理縫數 目，Φ為開孔率，即軸向縫類機匣處理上處理縫的總面積與開孔區域總面積的比值，其開孔 率Φ取40 % -70 % ;處理縫數目Ν取轉子葉片數的3-5倍。
[0031] 實施例：
[0032] 以某燃氣輪機高壓壓氣機第一級轉子為例來說明本發明的【具體實施方式】。
[0033]該壓氣機轉子的部分設計參數見表1所示。
[0034]表1某燃氣輪機高壓壓氣機第一級轉子部分設計參數。
[0035]
[0036] 根據
【發明內容】
中的設計方法進行如下設計：
[0037] 1)對該轉子葉片進行建模，對其內部流場進行數值模擬，得到其峰值效率工況下 的葉尖流場結構及流動特徵。
[0038] 2)確定處理縫在軸向方向上的範圍為葉尖前緣上遊0. 113^至葉尖前緣下遊 0 · 4bax 〇
[0039] 3)確定處理縫圓弧型線弦長的長度L = (h52bax = 31.2mm。
[0040] 4)確定圓弧型線的弦切角θ = 90-β = 53.13°。
[0041 ] 5)確定圓弧型線的半徑r3 = L/(2sin0) = 19.5mm。其彎曲方向與葉片的彎曲方向 相反。
[0042] 6)圓弧斜縫機匣處理的處理縫數目N取為轉子數目的3倍。
[0043] 7)機匣處理的開孔率Φ取為40%。
[0044] 8)確定單個處理縫在周向方向上的弧度範圍為360° ΧΦ/Ν=1.116°。
[0045] 9)處理縫的徑向縫深Η取為12mm。
[0046] 10)處理縫的徑向傾斜角α取為60°。
[0047] 11)前後端面與機匣壁面的夾角γ取45°。
[0048] 12)縫內銳角圓角半徑ri取2.5_，鈍角圓角半徑^取12_。
[0049] 如圖6所示，根據如上方法設計得到的圓弧斜縫機匣處理，能夠使該燃氣輪機高壓 壓氣機第一級轉子裕度提高7.31 %，同時其峰值效率幾乎不下降。
【主權項】
1. 速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方法，其特徵在於，包括以 下步驟： 1) 利用數值模擬方法找到待處理高壓壓氣機轉子的峰值效率工況，確定該工況下的轉 子葉尖速度場特徵； 2) 根據步驟1)中明確的峰值效率工況下的葉尖速度場特徵，以及高壓壓氣機動葉葉尖 幾何特點，確定速度方向定製的圓弧斜縫的外形參數。2. 根據權利要求1所述的速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方 法，其特徵在於，步驟1)中，利用網格生成軟體對壓氣機計算域生成網格，在出口邊界施以 靜壓出口邊界條件;通過逐漸改變出口靜壓的大小，得到壓氣機特性線，並在特性線上找到 峰值效率工況。3. 根據權利要求1所述的速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方 法，其特徵在於，步驟1)中，針對峰值效率工況的計算結果，後處理得到周向平均後的葉尖 三向絕對速度分量。4. 根據權利要求1所述的速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方 法，其特徵在於，步驟2)中，速度方向定製的圓弧斜縫的外形參數包括:處理縫的軸向處理 範圍、徑向縫深、處理縫圓弧型線弦長的長度、圓弧型線的半徑、前後端面與機匣壁面的夾 角、徑向傾斜角、縫內圓角半徑以及單個處理縫在周向方向上的弧度範圍。5. 根據權利要求4所述的速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方 法，其特徵在於，處理縫軸向處理範圍的起始位置位於葉尖前緣上遊0.1-0.3b ax，終止位置 位於葉尖前緣下遊0.2-0.5bax，所述的徑向縫深Η取0.2-0.4b ax;根據處理縫在軸向方向上 的範圍，確定處理縫圓弧型線弦長的長度L = 0.3-0.7bax;其中，bax為轉子葉尖基元級葉型 的軸向弦長。6. 根據權利要求5所述的速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方 法，其特徵在於，根據圓弧型線弦長的長度L及葉尖基元葉型的安裝角β，確定圓弧型線的半 徑r 3 = L/[2sin(9O°-0)]，且圓弧型線的彎曲方向與葉片的彎曲方向相反。7. 根據權利要求4所述的速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方 法，其特徵在於，結合葉尖速度方向確定處理縫的前後端面與機匣壁面的夾角γ取30°-50°，處理縫的徑向傾斜角α取30°-60°。8. 根據權利要求7所述的速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方 法，其特徵在於，縫內圓角半徑包括縫內銳角圓角半徑η和縫內鈍角圓角半徑r 2，根據縫深Η 及縫端面與機匣壁面夾角γ，確定縫內銳角圓角半徑內鈍角 圓角半徑9. 根據權利要求4所述的速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方 法，其特徵在於，單個處理縫在周向方向上的弧度範圍為360° X Φ /Ν，其中：Ν為處理縫數 目，Φ為開孔率，開孔率Φ取40%-70% ;處理縫數目Ν取轉子葉片數的3-5倍。
【專利摘要】本發明速度方向定製的燃氣輪機高壓壓氣機圓弧斜縫機匣處理方法，包括步驟：1)利用數值模擬方法找到待處理高壓壓氣機轉子的峰值效率工況，確定該工況下的轉子葉尖速度場特徵；2)根據步驟1)中明確的峰值效率工況下的葉尖速度場特徵，以及高壓壓氣機動葉葉尖幾何特點，確定速度方向定製的圓弧斜縫的外形參數。本發明提供的圓弧斜縫機匣處理可在保證壓氣機效率基本不變的前提下拓寬高壓壓氣機的穩定工作範圍。本發明以所處理轉子在峰值效率工況下的葉尖速度場為基礎，考慮了轉子葉尖基元級的幾何特徵，通過設計處理縫的外形參數，達到促進縫內流動循環以減少損失的效果，使得圓弧斜縫在幾乎不影響峰值效率的情況下有效提高高壓壓氣機失速裕度。
【IPC分類】F04D29/66, F04D29/40
【公開號】CN105715587
【申請號】CN201610052522
【發明人】段靜瑤, 肖俊峰, 李園園, 於飛龍, 高松, 上官博, 南晴
【申請人】西安熱工研究院有限公司