[发明专利]一种叶轮机械叶顶间隙泄漏复合被动控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涉及叶轮机械技术领域，尤其是叶顶间隙泄漏控制方法。

背景技术

叶轮机械在旋转过程中，其叶顶与固定机壳之间必须留有必要的间隙以避免摩擦，这个间隙一般被称为叶顶间隙或叶尖间隙。由于间隙的存在，在叶片压力面和吸力面压差作用下，驱动了叶顶泄漏流的发生，泄漏流与主流相互作用形成了复杂的流动涡系，如图1所示，同时对叶轮的气动性能、效率、稳定工作均产生巨大影响。有研究表明，叶顶间隙泄漏产生的损失占涡轮总流动损失可达三分之一，涡轮叶顶间隙每增加1％，效率约降低1.5％，而耗油率约升高3％。

根据是否需要额外能量输入，叶尖泄漏控制可以分为主动流动控制和被动流动控制两种。目前主动控制技术一般通过微执行器控制主动射流喷气、等离子体放电、主动改变叶顶间隙等手段实现，但主动控制实现复杂，可靠性低，技术不成熟，还未被实际装置所采用。目前常见的被动流动控制技术主要包含以下几种：叶尖凹槽或肋条、叶尖小翼以及叶尖自发喷气等方法，其中，单纯采用叶尖凹槽或肋条的方法以及单纯采用叶尖小翼的方法已经被某些商用燃气轮机所采用，而单纯采用叶尖自发喷气的方法也被证明在减小叶尖泄漏方面具有一定效果。当前，采用单一控制方法和常规设计控制叶尖泄漏的潜力已接近极限。

发明内容

本发明将叶尖自发射流与叶尖凹槽相结合，形成一种复合被动控制方法，用于强化控制叶尖泄漏及其损失。然而柔性的自发射流与刚性叶尖凹槽两者之间存在显著的耦合和交互影响，简单叠加并非一定有效。因此必须在深入探究两者气固耦合作用特性的基础上，通过对间隙内流动进行精细化组织与设计，实现两者的参数匹配与优化，发挥各自优势、扬长避短才能取得更优的控制效果。进而取得比单一、常规控制方法更优的泄漏控制效果。

本发明的技术解决方案是：将两种被动式叶顶间隙泄漏抑制方法叶尖凹槽和叶尖自发射流以合理的方式组合起来，形成一种复合被动控制方法。

所述的复合被动式叶顶间隙泄漏控制方法的物理本质是将自发射流逆泄漏射出造成的阻挡作用与凹槽的节流膨胀作用相叠加，强化叶尖泄漏控制。

所述的复合被动式叶顶间隙泄漏控制方法衍生出如图2所示的3种组合方案，自发射流的进口均取在叶片的压力面且靠近叶尖的位置，不同在于自发射流的出口与凹槽相对位置有所不同。具体分为：a)射流出口设置在吸力边肋条顶部；b)射流出口设置在压力边肋条顶部；c)射流出口设置在凹槽中部。

所述复合被动式叶顶间隙泄漏控制方案，叶尖自发射流是受到压力面和叶顶的自然压差驱动所产生的，射流出流方向逆着叶尖泄漏流的方向，自发射流在叶片内部的通道为圆弧渐缩型，进出口孔径比为2：1为宜，出流角度应介于30°～60°之间，其加工方式可以是精密铸造或3D打印。

所述复合被动式叶顶间隙泄漏控制方案，间隙高度t在0.5～2mm间，间隙高度t与凹槽深度d的比值在6％～50％，凹槽宽度w与叶片厚度的比值在15％～40％为宜。

本发明的优点：将已有的两种被动式叶顶间隙泄漏控制方法进行合理组合后，可以发挥各自方法的长处，利用他们之间的叠加、放大作用，强化叶尖泄漏抑制，最终起到提高叶轮效率的目的。由于采用的是被动式控制方法，不需要额外能量输入，不需要额外的装置，结构简单，方法的实现较为便利，可靠性高，适用范围广。几乎可以应用在所有叶片较厚的轴流型或离心型，以液体或气体为工作介质的叶轮机械上。

附图说明

图1为叶尖泄漏流示意图；

图2为复合被动控制的三种实现方案示意图；

图3为吸力边顶端自发射流与叶尖凹槽组合方案的流场分布。

图4为实验模型，图4-a为实验流场模块整体结构，图4-b为原始叶型，图4-c为凹槽型图4-d为自发射流型

图5为主要实验装置

图6为叶栅基础模型；

图7为网格划分，其中图7-a流场整体网格，图7-b为凹槽局部网格细节，图7-c为射流入口网格细节；

图8为自发射流复合中间射流叶型的PIV测量结果与数值计算湍流模型对比图，图8-a为PIV实验图，图8-b为k-εStandard模型流线图；

图9为单一被动控制方法—纯自发射流的仿真计算结果；

图10为单一被动控制方法—纯凹槽的仿真计算结果；

图11为复合被动控制方法—压力边肋条顶端自发射流和叶尖凹槽组合的仿真计算结果。

具体实施方式 叶尖自发射流与叶尖凹槽组合包含图2所示的三种典型方案，其设计特征如下：