CN107246285A - 一种叶轮机械叶顶间隙泄漏复合被动控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种叶轮机械叶顶间隙泄漏复合被动控制方法，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。本发明强化叶尖泄漏抑制，起到提高叶轮效率的目的。结构简单，方法的实现较为便利，可靠性高，适用范围广。

Description

一种叶轮机械叶顶间隙泄漏复合被动控制方法
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：
复合被动控制方案中的射流参数：参见图2，在叶尖平面图截取叶片截面A-A，自发射流引入口位于叶片压力面叶高中间处，射流孔出口分别位于吸力边肋条顶端、压力边肋条顶端和凹槽中部，自发射流孔入口与自发出口的比例为2:1。减小射流与平面叶尖的夹角α能增强射流对泄漏流的抑制效果，但小于30°时，射流孔道转折角度过大，会使射流损失增大，降低抑制效果，计算结果表明，夹角α在30°～60°之间较为合理。自发射流在叶片内部的通道为圆弧渐缩型，其作用是利用流道的渐缩加速作用，获得高动能自发射流。
复合被动控制方案中的凹槽宽度w：参见图2，在叶尖平面图截取叶片截面A-A，在叶片顶部做平面凹槽，凹槽宽度与叶片厚度比值应介于15％～40％之间。数值计算表明：当凹槽宽度w与叶片厚度在15％～40％时，上述复合被动控制方案较单一控制方案(如纯自发射流或纯凹槽)抑制叶尖泄漏效果好。
复合被动控制方案中的凹槽深度d：参见图3，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％。数值计算表明，对于不同凹槽宽度，需要合理选取凹槽深度，才能获得更优的叶尖泄漏抑制效果。
复合被动控制方法的原理性说明：数值实验表明，在上述的射流参数和凹槽参数范围内，复合被动控制方案比单一控制方案(如纯自发射流或纯叶顶凹槽)有更好的泄漏抑制效果。下面以吸力边肋条顶端自发射流和叶尖凹槽组合为例对其抑制强化机理进行说明：
如图3所示，叶顶开槽后间隙内的流体向凹槽内部流动，同时一部分由机壳回落到叶顶的流体冲击凹槽底部，使得泄漏气流与机壳间产生较大回流区，进而导致间隙内间隙阻力增大，且由于凹槽的突扩膨胀作用，流体速度减缓，产生第一次抑制作用。然后，高压气体在叶片压力边经射流进入口进入叶片内部的射流流道，由叶顶射流射出口喷出，喷出的气体逆泄漏流射出产生第二次抑制作用。由于叶尖凹槽的存在，在其下游区制造了一个动力阴影区，即为负压区，该效应放大了射流进出口压差，使得自发射流对泄漏流的抑制作用得到强化。
本发明采用实验与数值计算两种手段对流场特性进行研究，首先利用相似性原理得到实验模型和数值计算模型。实验模型和实验装置分别见图4、图5。本次实验通过PIV***将单位时间内获取的80对原始粒子示踪图像进行矢量平均，获取流场矢量图，在矢量图的基础上绘制流线图。数值模型则利用CAD绘图，见图6，ICEM CFD软件进行六面体结构化网格划分，见图7，通过网格无性检查后，采用FLUENT软件进行数值模拟，得出仿真流线图。最后，对比实验获取的流线图与数值仿真计算获取的流线图，见图8，确定了数值计算的湍流模型为k-εStandard，验证了数值计算的可行性。综上，最终采用FLUENT软件进行数值仿真模拟计算。以上述模型为例，通过FLUENT模拟3种复合被动控制组合对叶尖泄漏的影响。具体模型参数如下：叶高200mm，叶尖间隙与叶高比0.25％，叶片弦长224mm,轴向弦长180mm，进、出口气流角分别为42.75°、-68.7°，自发射流出流角取45°，射流进口孔径为4mm，射流出口孔径为2mm，凹槽宽度w为10mm，凹槽深度d为2mm。得出数值模拟结果显示，进口流量相同时，单纯自发射流、单纯凹槽叶尖间隙泄漏流量分别为0.00279kg/s、0.002724kg/s，分别见图9、图10，而压力边肋条顶端自发射流和叶尖凹槽组合后可使叶尖间隙泄漏流量下降为0.002646kg/s，见图11，较单纯自发射流和单纯凹槽分别降低了5.4％、3.3％。同理，吸力边肋条顶端自发射流和叶尖凹槽组合较单纯自发射流和单纯凹槽分别降低了6.7％、4.2％，凹槽中部自发射流和叶尖凹槽组合较单纯自发射流和单纯凹槽分别降低了3.4％、1.3％。

Claims (3)

1.一种叶轮机械叶顶间隙泄漏复合被动控制方法，其特征在于：把两种被动式叶顶间隙泄漏抑制方法叶尖自发射流和叶尖凹槽进行合理组合，自发射流的进口均取在叶片的压力面且靠近叶尖的位置，根据射流出口设置不同可以分为3种：吸力边肋条顶端、压力边肋条顶端、凹槽中部，把叶尖自发射流与叶尖凹槽进行合理组合，将凹槽的节流膨胀作用与自发射流逆泄漏射出造成的阻挡作用相叠加，强化叶尖泄漏控制。
2.根据权利要求1所述的叶轮机械叶顶间隙泄漏复合被动控制方法，其特征在于：叶尖自发射流的出流方向为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，进口孔径大于出口孔径，孔径比以2：1，出流角度介于30°～60°之间。
3.根据权利要求1所述的叶轮机械叶顶间隙泄漏复合被动控制方法，其特征在于：间隙高度t与凹槽深度d的比值为6％～50％，凹槽宽度w和叶片厚度的比值为15％～40％。
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