[發明專利]一種葉輪機械徑向間隙泄漏損失的控制方法

有效

• 申請號: 201010132149.7
• 申請日: 2010-03-24
• 公開（公告）號: CN101922312A
• 公開（公告）日: 2010-12-22
• 發明（設計）人: 張偉昊;鄒正平;葉建;綦蕾;劉火星;方祥軍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F01D11/08
• 分類號: F01D11/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;李新華

技術領域

本發明涉及一種葉輪機械徑向間隙泄漏損失控制方法，主要用于航空發動機或燃氣輪機中壓氣機和渦輪內徑向間隙泄漏流動損失的控制。

背景技術

壓氣機及渦輪部件是航空發動機、地面燃氣輪機等動力機械的重要組成部分，整個動力機械的效率很大程度上決定于壓氣機和渦輪部件的效率，這就要求壓氣機和渦輪部件的效率不斷提高。

當前的航空發動機、地面燃氣輪機等動力機械所采用的壓氣機和渦輪大多是葉片式的。壓氣機是通過旋轉和靜止的葉排對流體做功，將從轉軸輸入的機械能轉換為流體的機械能和內能。渦輪則是通過靜止和旋轉的葉排將流體的機械能和內能轉換為軸功率。由于壓氣機和渦輪都是由轉靜相間的葉排組成，在動靜相接的部位就必然要存在一定的間隙，例如在壓氣機動葉的葉尖、壓氣機靜葉的葉根和渦輪動葉的葉尖部位都難以避免地存在徑向間隙。而由于工作時受熱膨脹的程度有所不同以及轉子會受到離心力的作用，為保險起見，一般的徑向間隙難以控制得很小。這種情況下，端壁1和相對其運動的葉片2之間必然存在一定的徑向間隙量，在葉片兩側壓力差的作用下，間隙部位就會產生從高壓力側向低壓力側的流動，即所謂的泄漏流3，見圖1。泄漏流的產生將會使實際參加做功的工質減少、干擾通道內的正常流動，同時由其產生的泄漏渦4對壓氣機和渦輪通道內部的流動也會產生強烈的影響，這些都會造成壓氣機和渦輪效率的降低。

為減小轉靜部件之間的間隙所帶來的流動損失，目前渦輪大多采用動葉葉尖帶冠、動葉葉尖修型的方法抑制泄漏流的產生。這些方法能在一定程度上減小間隙引起的損失，改善渦輪通道內部的流動，但其作用效果是有限的。而且，葉冠的存在一方面會使葉片尖部的局部形狀發生一定改變，可能導致葉型的氣動性能有所下降，另一方面，旋轉葉片尖部的重量也會因葉冠的存而增加，帶來嚴重的結構強度問題，同時會使整個葉輪機械的總重量增加，這些都是航空發動機的設計者所不愿看到的。而在壓氣機中，由于其葉片尖部厚度很小，上述在渦輪中采用的技術難以實現，目前尚未出現普遍適用的控制間隙泄漏損失的方法。

發明內容

本發明技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種葉輪機械徑向間隙泄漏損失的控制方法，該方法能夠有效地控制由泄漏流動而引起的流動損失，顯著提高葉輪機械的效率。

本發明所提供的技術方案是：一種葉輪機械徑向間隙泄漏損失的控制方法，其特點在于：對徑向間隙位置附近的端壁1進行改型處理，從而改變間隙附近的流動特性，達到減小流動損失的目的。其基本原理為：通過對端壁1進行的改型處理，產生與泄漏渦4旋轉方向相反的旋渦5，從而抑制泄漏流3的形成和泄漏渦4的產生，減小由其引起的氣動損失，見圖2。

本發明所涉及的對端壁1改型處理的方式主要是指：在端壁1布置三角形或者矩形或者梯形的繞流片6。

上述繞流片6的高度為旋轉葉片2高度的2％-15％，繞流片6軸向長度為旋轉葉片2軸向弦長的5％-30％，繞流片6的厚度為旋轉葉片最大厚度的2％-100％。繞流片6的放置方向應與氣流流動呈一定夾角，夾角范圍為0°到45°，以在不明顯增加繞流片6自身引起的流動損失的前提下產生足夠強的與泄漏渦反向的旋渦5。

擾流片6的數量根據具體葉輪機械的實際需要確定，對于葉尖泄漏流比較強的葉輪機械可以多設置些擾流片6，而泄漏流比較弱的葉輪機械可以少設置些擾流片6。一般為旋轉葉片數目的0.5-3倍。

上述處理所實施的位置主要在上游葉片之后、旋轉葉片25％弦長位置之前的端壁1，這樣不僅可以降低流片6對上游流動的影響，也可以使流片6所產生的旋渦5與泄漏渦4有足夠長的作用距離。

擾流片6焊接于流道端壁1上；或與端壁1一體加工。為減小擾流片6自身引起的流動損失，對擾流片6的前尾緣進行圓角處理。應用于航空發動機或燃氣輪機時，擾流片6的材料為鎳基高溫合金或者鈷基高溫合金，如GH648、DZ40M等。應用于高壓渦輪時，擾流片6還需要涂防高溫涂層，發動機的防高溫涂層是由多層不同功能的防護層構成，每層都針對具體環境和葉片材料，用不同元素按不同比例采用不同工藝混合而成，本領域技術人員可以根據實際情況來實現。