CN116641759B - 一种基于刮削涡控制的涡轮转子双凹槽叶顶结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于刮削涡控制的涡轮转子双凹槽叶顶结构，包括三条肋条，分别为压力侧肋条、吸力侧肋条及中部肋条，三段肋条均位于无冠涡轮转子叶片顶部，压力侧肋条、吸力侧肋条前尾缘相连接，在转子叶片的叶顶中部形成凹槽；中部肋条将凹槽分割为两个子凹槽，靠近压力侧肋条一侧的为压力侧凹槽，靠近吸力侧肋条的一侧为吸力侧凹槽。本发明充分利用了叶顶凹槽结构，形成了双重的气动错齿式篦齿封严结构，并增大了泄漏流与肋条顶部夹角，增强了肋条顶部分离泡，减小了泄漏流有效流通面积，从而抑制了叶尖泄漏流动，降低了叶尖泄漏流动的流量及动量，减小了叶尖泄漏流与主流的掺混损失，降低了涡轮的气动损失，提升了涡轮的气动性能。

Description

一种基于刮削涡控制的涡轮转子双凹槽叶顶结构

技术领域

本发明涉及一种基于刮削涡控制的涡轮转子双凹槽叶顶结构，属于涡轮技术领域。

背景技术

涡轮作为燃气轮机的三大核心部件之一，被用于将流体工质中的能量转换为机械能。作为一种旋转叶轮机械，考虑到安全性和可靠性，防止转子动叶与机匣发生刮蹭，两者之间必定存在间隙，也即叶尖间隙。又由于其流场特征决定了间隙两侧具有较大压差，涡轮转子中的叶尖间隙泄漏流是无法消除的。

涡轮转子叶尖泄漏流动往往会带来做功能力、气动性能及传热性能等多方面的影响。叶尖泄漏流的增强，意味着参与做功的流体减少，涡轮做功能力下降；叶尖泄漏流在叶片吸力侧流出间隙后，形成叶尖泄漏涡，增强了流场的三维性及非定常性，且泄漏流与主流的掺混引起了极大的气动损失；燃气轮机中叶尖泄漏流是高温燃气工质，对涡轮转子叶顶极易造成烧蚀，降低叶片寿命。由此可见，减低涡轮叶尖泄漏流量，并减小涡轮叶尖泄漏损失，是提高现代化燃气轮机涡轮部件工作效率的重要途径。

针对不同类型的涡轮，叶尖泄漏流的抑制方法不同。通常，对于高压涡轮，采用凹槽叶顶结构进行叶尖泄漏流抑制；对于低压涡轮，采用带冠转子结构进行叶尖泄漏流抑制。高压涡轮转子结构中，传统的凹槽叶顶是指叶片顶部具有压力侧肋条及吸力侧肋条，且两侧肋条在前尾缘相连，叶顶中部存在凹腔结构，为单凹槽结构，如图1所示。

研究表明，凹槽叶顶对叶尖泄漏流的抑制机理是气动错齿式篦齿封严效应。该效应实际上是由压力侧肋条、吸力侧肋条以及凹腔内的刮削涡结构共同构成，如图2所示。其中，刮削涡是形成该效应的关键流动结构，其与两侧肋条构成了错齿式篦齿封严结构。该结构的封严效果与篦齿间距、篦齿数量等密切相关。同理，针对刮削涡这一流动结构的控制将是影响叶尖泄漏流动的关键。

目前，基于刮削涡结构定制化调控以及气动错齿式篦齿封严效应增强的研究较少，很难查到相关成果及理论，而这又恰恰是进一步增强叶尖泄漏流控制的关键，需要提出一种可以进一步增强气动错齿式篦齿封严效应的无冠涡轮转子叶顶结构。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提出一种能够增强刮削涡及其引起的气动错齿式篦齿封严效应的无冠涡轮转子叶顶结构，该结构可以定制化地改善刮削涡形态，更好地抑制叶尖泄漏流动，减少高温燃气进入叶尖间隙，降低泄漏流与主流掺混引起的气动损失，提升涡轮气动性能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于刮削涡控制的双凹槽叶顶结构，包括三条肋条，分别为压力侧肋条、吸力侧肋条及中部肋条，所述的三段肋条均位于无冠涡轮转子叶片顶部，压力侧肋条、吸力侧肋条前尾缘相连接，在转子叶片的叶顶中部形成凹槽；中部肋条将凹槽分割为两个子凹槽，靠近压力侧肋条一侧的为压力侧凹槽，靠近吸力侧肋条的一侧为吸力侧凹槽。

在上述两个凹槽中，受机匣相对运动的影响，泄漏流将卷起较强的刮削涡，进而在两个凹槽中分别形成气动错齿式篦齿封严效应，整体上形成多重气动错齿式篦齿封严效果。刮削涡的存在还会改变泄漏流流出时的角度，刮削涡越强，泄漏流与叶顶夹角越大，肋条顶部的分离泡也会越强，泄漏流的流通面积减小，泄漏流量也会显著降低。尤其两个凹槽内分别形成刮削涡后，泄漏流分别受到中部肋条和吸力侧肋条的阻塞，泄漏流动控制效果更加明显。

在本发明的一种优选方案中，所述的肋条包括至少1条压力侧肋条、1条吸力侧肋条和1条中部肋条。

在本发明的一种优选方案中，所述的压力侧肋条及吸力侧肋条在前缘和尾缘均应相连，也即两侧肋条应当为连续的，在本发明中统称为外侧肋条。

在本发明的一种优选方案中，所述的中部肋条的中线应当基本沿叶顶叶型的中弧线方向，也即中部肋条的走向基本沿主流流向。

在本发明的一种优选方案中，中部肋条的起点及终点应当在外侧肋条上，则中部肋条必然与外侧肋条相连，且叶顶必然存在两个凹槽，分别位于压力侧和吸力侧，中部肋条的起点及终点位置决定了两侧凹槽的相对大小，以及各凹槽的长宽比。

在本发明的一种优选方案中，在保证加工极限及叶顶结构强度的前提下，压力侧肋条、吸力侧肋条及中部肋条的厚度应当尽可能较小，建议肋条厚度为1–2倍的热态叶尖间隙高度。

在本发明的一种优选方案中，肋条的高度，也即凹槽的高度，应当为2.5–3.5倍的热态叶尖间隙高度。

在本发明的一种优选方案中，所述的两个子凹槽各自的最大宽度均应当在7.5倍的热态叶尖间隙高度以上，所述的凹槽最大宽度定义为垂直于凹槽型线中弧线的直线与凹槽型线两侧交点间的距离。

在本发明的一种优选方案中，受限于叶片最大厚度，为了尽可能地扩大两个子凹槽的最大宽度，压力侧肋条及吸力侧肋条可设置为倾斜结构，也即肋条与凹槽底板的夹角呈钝角。若采用该倾斜结构后，仍无法保证两个凹槽的最大宽度均在7.5倍热态叶尖间隙高度以上，不建议采用本发明提出的双凹槽叶顶结构。

相较于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：

在本发明的结构中，中部肋条走向基本上沿流向，不会破坏凹槽叶顶中原有的刮削涡结构形态，且有利于减小刮削涡与其所在凹槽两侧肋条的间距，增强气动错齿式篦齿封严效应，更有效地抑制叶尖泄漏流动，可有效减小泄漏流量。

在本发明的结构中，由于叶顶存在两个子凹槽，且各自的最大宽度足够，两个子凹槽内均会形成有效的刮削涡结构，并在两个子凹槽内都形成气动错齿式篦齿封严效应。由于大部分叶尖泄漏流将会流经两个子凹槽，在刮削涡的作用下，泄漏流与叶顶夹角增大，泄漏流流通面积减小，泄漏流量及泄漏流动量降低，这将有效减小泄漏流与主流之间的掺混损失，提升涡轮气动性能。

附图说明

图1为传统单凹槽叶顶结构的示意图；

图2为传统单凹槽叶顶间隙内部的流动拓扑示意图；

图3为本发明中双凹槽叶顶结构的示意图；

图4为本发明中双凹槽叶顶结构的俯视示意图；

图5为本发明中双凹槽叶顶结构的剖面示意图；

图6为本发明中采用倾斜肋条形式的双凹槽叶顶结构剖面示意图；

图7为本发明中双凹槽叶顶结构间隙内部的流动结构示意图；

图8为本发明中双凹槽叶顶结构间隙内部的流动拓扑示意图；

图9为本发明中双凹槽叶顶结构与传统单凹槽叶顶结构的单位长度泄漏流量分布对比图；

图10为本发明中双凹槽叶顶结构与传统单凹槽叶顶结构的叶尖端区总压损失系数分布图。

附图标记说明：

1、转子叶片；2、凹槽；3、压力侧肋条；4、吸力侧肋条；5、转子叶片压力面；6、转子叶片吸力面；7、机匣；11、凹槽内刮削涡；12、漏流；13、压力侧凹槽内刮削涡；14、吸力侧凹槽内刮削涡；15、压力侧肋条角涡；16、中部肋条角涡；17、叶尖泄漏涡；18、肋条顶部分离泡；21、压力侧凹槽；22、吸力侧凹槽；23、中部肋条；41、转子叶片叶尖叶型线；42、压力侧凹槽型线；43、吸力侧凹槽型线；44、中弧线；45、中线；46、垂直于中弧线44的辅助直线，用于确定中部肋条23的前端连接点A及尾端连接点B的位置；51、单凹槽叶顶的单位长度泄漏量分布曲线；52、双凹槽叶顶的单位长度泄漏量分布曲线；53、单凹槽叶顶的叶尖端区总压损失系数分布曲线；54、双凹槽叶顶的叶尖端区总压损失系数分布曲线；A、中部肋条23与外侧肋条的前端连接点；B、中部肋条23与外侧肋条的尾端连接点；C、中部肋条23的前端连接点A或者尾端连接点B对应的中弧线44上的垂足，也即辅助直线46与中弧线44的交点；t_p、压力侧肋条的厚度；t_s、吸力侧肋条的厚度；t_m、中部肋条的厚度；W_p、压力侧凹槽的最大宽度；W_s、吸力侧凹槽的最大宽度；τ：转子叶片叶尖间隙高度；H：肋条高度；α、倾斜肋条与凹槽底板的夹角。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的目的、技术方案及优点进行详细说明。

无冠涡轮的叶尖泄漏流动控制通常采用单凹槽叶顶结构，其结构如图1所示。该转子叶片1具备压力侧肋条3和吸力侧肋条4，压力侧肋条3和吸力侧肋条4为外侧肋条，两段外侧肋条在前尾缘相连接，在叶顶中部形成凹槽2。其间隙内部的流动结构拓扑如图2所示。本质上是凹槽内刮削涡11与两侧压力侧肋条3、吸力侧肋条4、机匣7共同构成了气动错齿式篦齿封严结构，进而对泄漏流12进行阻挡，减小泄漏量和泄漏流动量，进而降低气动损失。

为了增强气动错齿式篦齿封严效应，本发明构建了如图3所示的双凹槽叶顶结构。其中，在单凹槽叶顶的基础上，增加了一段沿流向的中部肋条23。中部肋条23与压力侧肋条3和吸力侧肋条4相连，将单凹槽分割为两个子凹槽，分别为压力侧凹槽21和吸力侧凹槽22。

为了保证两个子凹槽均能起到气动错齿式篦齿封严作用，中部肋条23的设计如图4所示。中部肋条23的中线45基本上沿转子叶片叶尖叶型41的中弧线44方向。

中部肋条23与压力侧肋条3和吸力侧肋条4的前端连接点A或尾端连接点B，均可位于压力侧肋条3或者吸力侧肋条4上，其具体位置为垂直中弧线44的辅助直线46与压力侧肋条3和吸力侧肋条4的交点，辅助直线46与中弧线44的垂足为点C，点C位置按中弧线44的弧长百分比确定，其对应的点A或者点B也由此确定。

前端连接点A对应垂足C为0％–20％中弧线弧长位置，图4中实施例的前端连接点A对应垂足C为0％中弧线弧长位置，因此，A和C重合。

尾端连接点B对应垂足C为50％–100％中弧线弧长位置，当垂足C为100％中弧线弧长位置时，中部肋条的中线45与中弧线44重合，尾端连接点B将位于叶型尾缘点。

中部肋条23、压力侧肋条3及吸力侧肋条4的厚度分别为t_m，t_p及t_s，三者均取1–2倍的热态转子叶片叶尖间隙高度τ。

压力侧凹槽的最大宽度W_p定义为压力侧凹槽型线42沿垂直中弧线44方向上的最大宽度；同理，吸力侧凹槽的最大宽度W_s定义为吸力侧凹槽型线43沿垂直中弧线44方向上的最大宽度。

压力侧凹槽的最大宽度W_p及吸力侧凹槽的最大宽度W_s均应大于7.5倍的热态叶尖间隙高度τ，这是保证两个凹槽均能形成气动错齿式篦齿封严效应的关键。

如图5所示，双凹槽叶顶结构的中部肋条23、压力侧肋条3及吸力侧肋条4的高度均为H，为2.5–3.5倍热态转子叶尖间隙高度τ。

当压力侧凹槽21或吸力侧凹槽22的最大宽度不满足7.5倍的热态叶尖间隙高度τ时，可将压力侧肋条3和吸力侧肋条4设计为倾斜肋条，倾斜角度为α，取值为90°–120°，如图6所示。如果采用该倾斜结构后，仍然无法保证两个凹槽的最大宽度都在7.5倍的热态叶尖间隙高度τ以上，则不建议采用本发明中的双凹槽叶顶结构进行泄漏流动控制。

利用数值模拟方法，对本发明中的双凹槽叶顶结构进行了流场分析，证明了该结构相对于传统单凹槽叶顶结构的气动优势。本发明中双凹槽叶顶结构成功实现了多重气动错齿式篦齿封严效应，有效抑制了叶尖泄漏流量，降低了叶尖泄漏流与主流的掺混损失，进而降低了涡轮的气动损失，提升了涡轮的气动性能。

图7是本发明中双凹槽叶顶结构的流动结构图。泄漏流12从转子叶片压力面5附近流入间隙，分别流经压力侧肋条3和中部肋条23，并分别形成压力侧肋条角涡15和中部肋条角涡16，两个旋涡结构相对较小。更为主要的旋涡结构分别是压力侧凹槽21中的压力侧凹槽内刮削涡13，以及吸力侧凹槽22中的吸力侧凹槽内刮削涡14。在压力侧凹槽21中，机匣7、压力侧肋条3、压力侧凹槽内刮削涡13、中部肋条23共同构成了一道气动错齿式篦齿封严结构，泄漏流12在流经该结构时受到较大阻塞；在吸力侧凹槽22中，机匣7、中部肋条23、吸力侧凹槽内刮削涡14及吸力侧肋条4共同构成了第二道气动错齿式篦齿封严结构，泄漏流12进一步受到该结构的阻塞。在经过两次封严之后，泄漏流12流出间隙并在转子叶片吸力面6的尖区附近形成了叶尖泄漏涡17。

图8是本发明中双凹槽叶顶结构的流动拓扑图。泄漏流12在两个凹槽内形成了压力侧凹槽内刮削涡13和吸力侧凹槽内刮削涡14，且两个刮削涡更靠近肋条，导致泄漏流12以更大的角度流出凹槽，并在肋条顶部形成较强的肋条顶部分离泡18，进而降低泄漏流的有效流通面积，形成更好的阻塞效果。

图9是双凹槽叶顶结构与传统单凹槽叶顶结构的单位长度泄漏量沿轴向弦长分布，在中部弦长位置，双凹槽叶顶的单位长度泄漏量分布曲线52明显低于单凹槽叶顶的单位长度泄漏量分布曲线51，这表明双凹槽叶顶有效阻塞了该区域的叶尖泄漏流动，而且该区域恰恰是叶尖泄漏涡快速发展的区域。

图10给出了单凹槽叶顶的叶尖端区总压损失系数分布曲线53和双凹槽叶顶的叶尖端区总压损失系数分布曲线54，显然，双凹槽叶顶结构的总压损失系数明显较低，这反应了双凹槽叶顶结构有效抑制了叶尖泄漏涡及叶尖泄漏损失，降低了涡轮的气动损失，提升了涡轮气动性能。

Claims (4)

1.一种基于刮削涡控制的涡轮转子双凹槽叶顶结构，其特征在于：该结构包括三段肋条，分别为压力侧肋条（3）、吸力侧肋条（4）及中部肋条（23），压力侧肋条（3）、吸力侧肋条（4）前尾缘相连接，在转子叶片（1）的叶顶中部形成凹槽（2）；中部肋条（23）将凹槽（2）分割为两个子凹槽，靠近压力侧肋条（3）一侧的为压力侧凹槽（21），靠近吸力侧肋条（4）的一侧为吸力侧凹槽（22）；

压力侧肋条（3）厚度t _p、吸力侧肋条（4）厚度t _s及中部肋条（23）厚度t _m，为1–2倍热态转子叶尖间隙高度τ；三段肋条的高度应为2.5–3.5倍热态转子叶尖间隙高度τ；

三段肋条分割得到的两个子凹槽的最大宽度均在7.5倍热态转子叶尖间隙高度τ以上，其中，两个子凹槽的最大宽度W _p、W _s分别定义为压力侧凹槽型线（42）、吸力侧凹槽型线（43）沿垂直中弧线（44）方向上的最大宽度。

2.根据权利要求1所述的一种基于刮削涡控制的涡轮转子双凹槽叶顶结构，其特征在于：中部肋条（23）的中线（45）沿转子叶尖叶型的中弧线（44）方向，中部肋条（23）与压力侧肋条（3）或吸力侧肋条（4）相连，前端连接点为点A，尾端连接点为点B。

3.根据权利要求2所述的一种基于刮削涡控制的涡轮转子双凹槽叶顶结构，其特征在于：前端连接点A及尾端连接点B的位置根据两点在中弧线（44）上的垂足（C）位置定义，垂足（C）位置则是基于中弧线（44）弧长百分比定义，前端连接点A的位置为0%–20%弧长对应位置，尾端连接点B的位置为50%–100%弧长对应位置。

4.根据权利要求1所述的一种基于刮削涡控制的涡轮转子双凹槽叶顶结构，其特征在于：当压力侧凹槽（21）或吸力侧凹槽（22）的最大宽度不满足7.5倍热态转子叶尖间隙高度τ时，压力侧肋条（3）或吸力侧肋条（4）设计为朝通道内倾斜的肋条，也即肋条与凹槽（2）底板的夹角α为钝角，α取值应在90°–120°范围。