[发明专利]汽轮机静叶自射流二次流控制结构

说明书

技术领域

本发明属于叶轮机械领域，涉及一种抑制或减弱二次流动以提高气动效率的汽轮机静叶自射流二次流控制结构。

背景技术

汽轮机是能源、化工以及国防领域重要的原动力机械，其静叶的气动效率直接影响整个汽轮机的效率以及燃料的消耗。汽轮机流道中的损失主要包括：叶型损失、泄漏损失和二次流损失等。

叶型损失包括由叶型周围边界层中的阻力引起的气流能量损失和在叶片尾缘附近形成的尾迹损失。在超音速气流中，叶型损失还包括由于激波而引发的激波损失。为提高透平效率，降低叶型损失，国内外诸多学者对叶片型线的设计方法和优化方法进行了研究，提出基于现代优化理论的叶片型线优化系统。由于汽轮机的静止部件和转子之间存在间隙，这种间隙而造成的泄漏损失通常占汽轮机效率总损失的1/4，国内外学者及相关行业企业采用了诸如迷宫密封，蜂窝密封和刷式密封等方法来有效地降低了泄漏损失。

在汽轮机通道中，二次流损失是整个通道流动损失的重要组成部分。在近叶片顶部和根部区域的端壁边界层内流体流动速度较低，气流从吸力面到压力面的离心力作用不足以抵消压力面与吸力面间的横向压力梯度，于是在这两处的边界层中就形成了气流由压力面到吸力面的二次流动。这种二次流动将叶型吸力面的气流由两端向叶片中部排挤，形成上下两个旋涡区，将引起可观的能量损失。其次，由于叶片进口区端壁边界层以及叶片前缘厚度的影响，来流在叶片的前缘形成马蹄涡并分为压力面和吸力面两个分支，形成叶栅通道内不同于主流的二次流动。另外，由于叶栅的环形效应，导致气流在叶栅顶部的气流压力高于根部，形成沿径向的压力梯度，该压力梯度部分被气流的离心力所抵消，将引发沿叶片高度方向的二次流动。上述三部分二次流造成的二次流损失，在某些情况下可以达到整个叶栅损失的30％-50％。决定二次流损失的因素有很多，如叶片型线、反动度、攻角、展弦比等。在一定的叶片型线、攻角以及反动度的情况下，展弦比的大小在很大程度上决定了二次流损失在总损失中的份额。特别的，对低展弦比叶片而言，如何抑制通道内的二次流动、降低二次流损失就显得十分重要。国内外学者对叶栅内部流动作了大量的实验和理论研究，提出了：(1)子午收缩理论，在近壁面的区域利用气流加速的作用来抑制边界层的发展从而改善端壁的流动状况；(2)可控涡方法，利用流线的反曲率来减小径向正压梯度从而改变透平级反动度的径向分布来控制叶栅端壁附近的流动性能，降低二次流损失；(3)叶片倾斜的方法来抑制二次流；(4)弯扭联合气动成型方法，在二次流的控制上也取得了显著效果；(5)针对小展弦比叶栅，由于叶片相对较短没有充分的弯扭造型余地，提出了后加载叶型，使通道中二次流损失降低。以上5种方法均在一定程度上减小了二次流损失并具有一定的适用范围。鉴于二次流损失对汽轮机效率的重大影响，需要有效的抑制或减弱二次流动，从而提高汽轮机效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽轮机静叶自射流二次流控制结构，该结构能够有效抑制二次流动，减少低能流体在叶片上下端部吸力面附近堆积，从而降低二次流动损失，提高汽轮机静叶效率，增加其输出功率，实现节能降耗。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：在静叶的上、下端开设有空腔，在静叶压力面开设有连通流道和空腔的吸气孔，在静叶的吸力面开设有若干个连通空腔和流道的射流孔。

所述的空腔沿静叶高度方向布置，空腔高度同静叶高度满足关系式：0＜H_t≤0.35L；0＜H_b≤0.35L，其中H_t是顶部空腔高度，H_b是根部空腔高度，L为汽轮机静叶高度。

所述的吸力面射流孔和压力面吸气孔尺寸满足关系：0.5mm≤Dj，Ds≤8mm；h_b＝0.5H_b，h_t＝0.5H_t；3Dj≤p_b≤50Dj，3Dj≤p_t≤50Dj，其中Dj为吸力面射流孔直径，Ds为压力面吸气孔直径，h_b为吸气孔、射流孔和叶片根部的距离，h_t为吸气孔、射流孔和叶片顶部的距离，p_b为叶片根部吸力面射流孔流向间距，p_t为叶片顶部吸力面射流孔流向间距。

所述的压力面吸气孔位于Cx≤70％范围内，Cx为轴向弦长百分比；所述吸力面流向第一个射流孔位于Cx≥40％范围内；且压力面吸气孔处的壁面静压大于吸力面射流孔处的静压。