一種葉輪機械葉頂間隙洩漏複合被動控制方法與流程
2023-05-31 14:25:31
本發明涉及一種涉及葉輪機械技術領域，尤其是葉頂間隙洩漏控制方法。
背景技術：
葉輪機械在旋轉過程中，其葉頂與固定機殼之間必須留有必要的間隙以避免摩擦，這個間隙一般被稱為葉頂間隙或葉尖間隙。由於間隙的存在，在葉片壓力面和吸力面壓差作用下，驅動了葉頂洩漏流的發生，洩漏流與主流相互作用形成了複雜的流動渦系，如圖1所示，同時對葉輪的氣動性能、效率、穩定工作均產生巨大影響。有研究表明，葉頂間隙洩漏產生的損失佔渦輪總流動損失可達三分之一，渦輪葉頂間隙每增加1％，效率約降低1.5％，而耗油率約升高3％。
根據是否需要額外能量輸入，葉尖洩漏控制可以分為主動流動控制和被動流動控制兩種。目前主動控制技術一般通過微執行器控制主動射流噴氣、等離子體放電、主動改變葉頂間隙等手段實現，但主動控制實現複雜，可靠性低，技術不成熟，還未被實際裝置所採用。目前常見的被動流動控制技術主要包含以下幾種：葉尖凹槽或肋條、葉尖小翼以及葉尖自發噴氣等方法，其中，單純採用葉尖凹槽或肋條的方法以及單純採用葉尖小翼的方法已經被某些商用燃氣輪機所採用，而單純採用葉尖自發噴氣的方法也被證明在減小葉尖洩漏方面具有一定效果。當前，採用單一控制方法和常規設計控制葉尖洩漏的潛力已接近極限。
技術實現要素：
本發明將葉尖自發射流與葉尖凹槽相結合，形成一種複合被動控制方法，用於強化控制葉尖洩漏及其損失。然而柔性的自發射流與剛性葉尖凹槽兩者之間存在顯著的耦合和交互影響，簡單疊加並非一定有效。因此必須在深入探究兩者氣固耦合作用特性的基礎上，通過對間隙內流動進行精細化組織與設計，實現兩者的參數匹配與優化，發揮各自優勢、揚長避短才能取得更優的控制效果。進而取得比單一、常規控制方法更優的洩漏控制效果。
本發明的技術解決方案是：將兩種被動式葉頂間隙洩漏抑制方法葉尖凹槽和葉尖自發射流以合理的方式組合起來，形成一種複合被動控制方法。
所述的複合被動式葉頂間隙洩漏控制方法的物理本質是將自發射流逆洩漏射出造成的阻擋作用與凹槽的節流膨脹作用相疊加，強化葉尖洩漏控制。
所述的複合被動式葉頂間隙洩漏控制方法衍生出如圖2所示的3種組合方案，自發射流的進口均取在葉片的壓力面且靠近葉尖的位置，不同在於自發射流的出口與凹槽相對位置有所不同。具體分為：a)射流出口設置在吸力邊肋條頂部；b)射流出口設置在壓力邊肋條頂部；c)射流出口設置在凹槽中部。
所述複合被動式葉頂間隙洩漏控制方案，葉尖自發射流是受到壓力面和葉頂的自然壓差驅動所產生的，射流出流方向逆著葉尖洩漏流的方向，自發射流在葉片內部的通道為圓弧漸縮型，進出口孔徑比為2：1為宜，出流角度應介於30°～60°之間，其加工方式可以是精密鑄造或3d列印。
所述複合被動式葉頂間隙洩漏控制方案，間隙高度t在0.5～2mm間，間隙高度t與凹槽深度d的比值在6％～50％，凹槽寬度w與葉片厚度的比值在15％～40％為宜。
本發明的優點：將已有的兩種被動式葉頂間隙洩漏控制方法進行合理組合後，可以發揮各自方法的長處，利用他們之間的疊加、放大作用，強化葉尖洩漏抑制，最終起到提高葉輪效率的目的。由於採用的是被動式控制方法，不需要額外能量輸入，不需要額外的裝置，結構簡單，方法的實現較為便利，可靠性高，適用範圍廣。幾乎可以應用在所有葉片較厚的軸流型或離心型，以液體或氣體為工作介質的葉輪機械上。
附圖說明
圖1為葉尖洩漏流示意圖；
圖2為複合被動控制的三種實現方案示意圖；
圖3為吸力邊頂端自發射流與葉尖凹槽組合方案的流場分布。
圖4為實驗模型，圖4-a為實驗流場模塊整體結構，圖4-b為原始葉型，圖4-c為凹槽型圖4-d為自發射流型
圖5為主要實驗裝置
圖6為葉柵基礎模型；
圖7為網格劃分，其中圖7-a流場整體網格，圖7-b為凹槽局部網格細節，圖7-c為射流入口網格細節；
圖8為自發射流複合中間射流葉型的piv測量結果與數值計算湍流模型對比圖，圖8-a為piv實驗圖，圖8-b為k-εstandard模型流線圖；
圖9為單一被動控制方法—純自發射流的仿真計算結果；
圖10為單一被動控制方法—純凹槽的仿真計算結果；
圖11為複合被動控制方法—壓力邊肋條頂端自發射流和葉尖凹槽組合的仿真計算結果。
具體實施方式葉尖自發射流與葉尖凹槽組合包含圖2所示的三種典型方案，其設計特徵如下：
複合被動控制方案中的射流參數：參見圖2，在葉尖平面圖截取葉片截面a-a，自發射流引入口位於葉片壓力面葉高中間處，射流孔出口分別位於吸力邊肋條頂端、壓力邊肋條頂端和凹槽中部，自發射流孔入口與自發出口的比例為2:1。減小射流與平面葉尖的夾角α能增強射流對洩漏流的抑制效果，但小於30°時，射流孔道轉折角度過大，會使射流損失增大，降低抑制效果，計算結果表明，夾角α在30°～60°之間較為合理。自發射流在葉片內部的通道為圓弧漸縮型，其作用是利用流道的漸縮加速作用，獲得高動能自發射流。
複合被動控制方案中的凹槽寬度w：參見圖2，在葉尖平面圖截取葉片截面a-a，在葉片頂部做平面凹槽，凹槽寬度與葉片厚度比值應介於15％～40％之間。數值計算表明：當凹槽寬度w與葉片厚度在15％～40％時，上述複合被動控制方案較單一控制方案(如純自發射流或純凹槽)抑制葉尖洩漏效果好。
複合被動控制方案中的凹槽深度d：參見圖3，間隙高度t在0.5～2mm間，間隙高度t與凹槽深度d的比值在6％～50％。數值計算表明，對於不同凹槽寬度，需要合理選取凹槽深度，才能獲得更優的葉尖洩漏抑制效果。
複合被動控制方法的原理性說明：數值實驗表明，在上述的射流參數和凹槽參數範圍內，複合被動控制方案比單一控制方案(如純自發射流或純葉頂凹槽)有更好的洩漏抑制效果。下面以吸力邊肋條頂端自發射流和葉尖凹槽組合為例對其抑制強化機理進行說明：
如圖3所示，葉頂開槽後間隙內的流體向凹槽內部流動，同時一部分由機殼回落到葉頂的流體衝擊凹槽底部，使得洩漏氣流與機殼間產生較大回流區，進而導致間隙內間隙阻力增大，且由於凹槽的突擴膨脹作用，流體速度減緩，產生第一次抑制作用。然後，高壓氣體在葉片壓力邊經射流進入口進入葉片內部的射流流道，由葉頂射流射出口噴出，噴出的氣體逆洩漏流射出產生第二次抑制作用。由於葉尖凹槽的存在，在其下遊區製造了一個動力陰影區，即為負壓區，該效應放大了射流進出口壓差，使得自發射流對洩漏流的抑制作用得到強化。
本發明採用實驗與數值計算兩種手段對流場特性進行研究，首先利用相似性原理得到實驗模型和數值計算模型。實驗模型和實驗裝置分別見圖4、圖5。本次實驗通過piv系統將單位時間內獲取的80對原始粒子示蹤圖像進行矢量平均，獲取流場矢量圖，在矢量圖的基礎上繪製流線圖。數值模型則利用cad繪圖，見圖6，icemcfd軟體進行六面體結構化網格劃分，見圖7，通過網格無性檢查後，採用fluent軟體進行數值模擬，得出仿真流線圖。最後，對比實驗獲取的流線圖與數值仿真計算獲取的流線圖，見圖8，確定了數值計算的湍流模型為k-εstandard，驗證了數值計算的可行性。綜上，最終採用fluent軟體進行數值仿真模擬計算。以上述模型為例，通過fluent模擬3種複合被動控制組合對葉尖洩漏的影響。具體模型參數如下：葉高200mm，葉尖間隙與葉高比0.25％，葉片弦長224mm,軸向弦長180mm，進、出口氣流角分別為42.75°、-68.7°，自發射流出流角取45°，射流進口孔徑為4mm，射流出口孔徑為2mm，凹槽寬度w為10mm，凹槽深度d為2mm。得出數值模擬結果顯示，進口流量相同時，單純自發射流、單純凹槽葉尖間隙洩漏流量分別為0.00279kg/s、0.002724kg/s，分別見圖9、圖10，而壓力邊肋條頂端自發射流和葉尖凹槽組合後可使葉尖間隙洩漏流量下降為0.002646kg/s，見圖11，較單純自發射流和單純凹槽分別降低了5.4％、3.3％。同理，吸力邊肋條頂端自發射流和葉尖凹槽組合較單純自發射流和單純凹槽分別降低了6.7％、4.2％，凹槽中部自發射流和葉尖凹槽組合較單純自發射流和單純凹槽分別降低了3.4％、1.3％。