一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，包括機(jī)匣、輪轂，在機(jī)匣和輪轂之間沿圓周方向均勻安裝可調(diào)靜葉片和動(dòng)葉片，可調(diào)靜葉片的上、下端面分別設(shè)置上、下旋轉(zhuǎn)軸，上旋轉(zhuǎn)軸嵌入到機(jī)匣內(nèi)，下旋轉(zhuǎn)軸嵌入到輪轂內(nèi)，動(dòng)葉片安裝在輪轂上，在動(dòng)葉片前部沿徑向開有貫通葉片壓力面和吸力面的彎曲形消渦孔結(jié)構(gòu)，且動(dòng)葉片葉型的負(fù)荷分布為后部加載。本實(shí)用新型不僅可在非設(shè)計(jì)工況下減小甚至消除葉片前部的分離渦流，從而明顯減小動(dòng)葉片通道內(nèi)氣動(dòng)損失，而且還可在設(shè)計(jì)工況下減少葉片前部的橫向壓差，延遲二次流的形成，進(jìn)而減小二次流損失，整體上本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的變幾何渦輪具有良好的全工況特性。
【專利說明】
一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及變幾何渦輪，尤其涉及一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪。
【背景技術(shù)】
[0002]燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常會(huì)在非設(shè)計(jì)工況下工作，此時(shí)渦輪效率會(huì)大幅度降低。變幾何渦輪技術(shù)可有效地調(diào)節(jié)和優(yōu)化燃?xì)廨啓C(jī)各部件之間的匹配，提高燃?xì)廨啓C(jī)的加減速特性和低工況性能。調(diào)節(jié)渦輪靜葉的安裝角度則是一種行之有效的變幾何方法。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的變幾何渦輪，在低工況時(shí)，關(guān)小可調(diào)靜葉減小工質(zhì)流量和輸出功率，而可調(diào)靜葉下游動(dòng)葉卻趨向在較大正攻角下運(yùn)行，并且引起動(dòng)葉吸力面前側(cè)分離流動(dòng);在啟動(dòng)和加速工況，開大可調(diào)靜葉以增大燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)喘振裕度和燃?xì)獍l(fā)生器剩余功率，而下游動(dòng)葉卻趨向在較大負(fù)攻角下運(yùn)行，造成動(dòng)葉壓力面出現(xiàn)嚴(yán)重分離流動(dòng)。據(jù)研究表明，可調(diào)靜葉關(guān)小引起的動(dòng)葉吸力面三維分離渦流場(chǎng)將導(dǎo)致變幾何渦輪的效率更顯著地下降，并且下降的幅度高達(dá)5%。
[0004]為了減小變幾何渦輪動(dòng)葉前緣大攻角流動(dòng)帶來的不利影響，國內(nèi)外研究人員提出變幾何渦輪動(dòng)葉要采用較大負(fù)攻角的氣動(dòng)設(shè)計(jì)原則，進(jìn)而指導(dǎo)動(dòng)葉片葉型設(shè)計(jì);然而，截至目前，還未見可有效減小變幾何渦輪動(dòng)葉片前緣大攻角流動(dòng)帶來不利影響的相關(guān)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供即可在非設(shè)計(jì)工況下減小甚至消除動(dòng)葉片前部的分離渦流，從而明顯減小動(dòng)葉片通道內(nèi)氣動(dòng)損失，而且還可在設(shè)計(jì)工況下減少葉片前部的橫向壓差，延遲二次流的形成，從而具有良好全工況特性的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪
[0006]本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:包括機(jī)匣、靜葉輪轂和動(dòng)葉輪轂，動(dòng)葉輪轂設(shè)置在靜葉輪轂旁，在機(jī)匣和靜葉輪轂之間且沿圓周方向均勻安裝有可調(diào)靜葉片、在機(jī)匣和動(dòng)葉輪轂之間且沿圓周方向均勻安裝有動(dòng)葉片，可調(diào)靜葉片的上端面和下端面分別設(shè)置上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸，上旋轉(zhuǎn)軸嵌入到機(jī)匣內(nèi)，下旋轉(zhuǎn)軸嵌入到靜葉輪轂內(nèi)，動(dòng)葉片安裝在動(dòng)葉輪轂上，動(dòng)葉輪轂里裝配有輪轂旋轉(zhuǎn)軸，在動(dòng)葉片前部沿徑向方向設(shè)置有貫通動(dòng)葉片壓力面和吸力面的彎曲形消渦孔結(jié)構(gòu)。
[0007]本實(shí)用新型還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征:
[0008]1.所述動(dòng)葉片前部消渦孔的吸力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.2?0.4，消渦孔壓力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.15?0.35，消渦孔吸力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為10°?40°，消渦孔壓力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為15°?45°，消渦孔直徑與葉片弦長的比值為0.005?
0.05ο
[0009]2.所述動(dòng)葉片前部消渦孔的吸力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.2?0.4，消渦孔壓力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.15?0.35，消渦孔吸力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為10°?40°，消渦孔壓力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為15°?45°，消渦孔直徑與葉片弦長的比值為0.005?
0.05ο
[0010]3.所述動(dòng)葉片前部的消渦孔結(jié)構(gòu)包括沿徑向等距排布或者沿輪轂到機(jī)匣方向呈漸疏狀排布的3?15個(gè)小孔。
[0011]4.所述動(dòng)葉片前部的消渦孔結(jié)構(gòu)與動(dòng)葉片表面的交界處采用圓角過渡。
[0012]5.所述上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸的軸線與可調(diào)靜葉片的旋轉(zhuǎn)軸線均位于同一直線上，上旋轉(zhuǎn)軸的軸徑大于下旋轉(zhuǎn)軸的軸徑。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型不需要額外附加能量和裝置就能自動(dòng)地改善變幾何渦輪動(dòng)葉通道內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，即可在非設(shè)計(jì)工況下減小甚至消除動(dòng)葉片前部的分離渦流，從而明顯減小動(dòng)葉片通道內(nèi)氣動(dòng)損失，而且還可在設(shè)計(jì)工況下減少葉片前部的橫向壓差，延遲二次流的形成，從而具有良好的全工況工作特性，此外，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)也比較簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0014]圖1是帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪的子午視圖；
[0015]圖2是帶有消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是圖1中的A-A剖面圖；
[0017]圖4是變幾何渦輪動(dòng)葉片葉型負(fù)荷分布示意圖。
[0018]圖中:Czs為消渦孔吸力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)L之間的軸向距離，czp為消渦孔壓力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)L之間的軸向距離，as為消渦孔吸力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角，αΡ為消渦孔壓力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角，Cps為無量綱靜壓系數(shù)，葉型負(fù)荷分布即為葉型壓力側(cè)8、吸力側(cè)9無量綱靜壓系數(shù)沿軸向分布，Z/C為無量綱軸向距離。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0020]結(jié)合圖1?2，本實(shí)用新型由輪轂1(包括靜葉輪轂和動(dòng)葉輪轂)、可調(diào)靜葉片3、動(dòng)葉片4和機(jī)匣6組成，在輪轂I和機(jī)匣6之間沿圓周方向均勻安裝可調(diào)靜葉片3和動(dòng)葉片4，可調(diào)靜葉片3在前，動(dòng)葉片4在后，可調(diào)靜葉片的上、下端面分別設(shè)置上旋轉(zhuǎn)軸5、下旋轉(zhuǎn)軸2，其軸心在同一旋轉(zhuǎn)軸線上以便于可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)，并且上旋轉(zhuǎn)軸的軸徑大于下旋轉(zhuǎn)軸，下旋轉(zhuǎn)軸僅起定位作用，上旋轉(zhuǎn)軸嵌入到機(jī)匣6內(nèi)，下旋轉(zhuǎn)軸嵌入到輪轂I內(nèi)，動(dòng)葉片4安裝在輪轂I上，在動(dòng)葉片前部沿徑向開有貫通葉片壓力面和吸力面的彎曲形消渦孔結(jié)構(gòu)7。
[0021]結(jié)合圖3，制造本實(shí)用新型的帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，首先采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)好變幾何渦輪可調(diào)靜葉片和動(dòng)葉片，然后對(duì)于給定的變幾何渦輪動(dòng)葉片具體結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)參數(shù)以及運(yùn)行工況范圍等情況，消渦孔結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)包括消渦孔吸力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間的軸向距離czs、消渦孔壓力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間的軸向距離czp、消渦孔吸力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角?、消渦孔壓力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角αΡ、消渦孔直徑以及消渦孔孔數(shù)可借助于現(xiàn)有的計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行模擬或者相關(guān)試驗(yàn)獲得。
[0022]需注意的是，處于不同葉高位置處的消渦孔，其結(jié)構(gòu)參數(shù)可以是不同的。一般地，消渦孔在葉片兩側(cè)的位置應(yīng)處于分離區(qū)范圍內(nèi)，因此消渦孔吸力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.2?0.4，消渦孔壓力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.15?0.35。為了更加有效地吹除分離區(qū)，射流方向應(yīng)盡可能貼壁面噴出，但考慮到加工因素以及消渦孔內(nèi)損失應(yīng)盡量保持在小值，因此消渦孔吸力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為10°?40°，消渦孔壓力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為15°?45°。對(duì)于消渦孔直徑的選擇，消渦孔直徑太大，射流效果太強(qiáng)，對(duì)主流干擾太大，而消渦孔直徑太小滿足不了射流強(qiáng)度要求，因此消渦孔直徑與葉片弦長的比值為0.005?0.05。
[0023]另外，當(dāng)變幾何渦輪處于變工況時(shí)，動(dòng)葉片壓力側(cè)8或者吸力側(cè)9的分離區(qū)大都是從輪轂端壁產(chǎn)生，并向上發(fā)展，因此為了更加有效地減小甚至消除分離區(qū)，消渦孔結(jié)構(gòu)應(yīng)沿徑向等距排布或者沿輪轂到機(jī)匣方向呈漸疏狀排布，孔數(shù)為3?15個(gè)。
[0024]為了確保變幾何渦輪可調(diào)靜葉在零轉(zhuǎn)角時(shí)消渦孔不會(huì)對(duì)動(dòng)葉片前部流場(chǎng)產(chǎn)生不利影響，動(dòng)葉片前部壓力側(cè)和吸力側(cè)的橫向壓差不宜過大，也即動(dòng)葉片葉型的負(fù)荷分布應(yīng)為后部加載(即在葉型前部壓力側(cè)、吸力側(cè)靜壓差比后部小)。
[0025]另外，動(dòng)葉片前部的消渦孔結(jié)構(gòu)與葉片表面的交界處采用圓角過渡也有利于零轉(zhuǎn)角下動(dòng)葉通道內(nèi)損失控制。
[0026]本實(shí)用新型的技術(shù)原理如下:
[0027]可調(diào)靜葉轉(zhuǎn)動(dòng)改變了靜葉喉部面積，造成了下游葉片列處于非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。在零轉(zhuǎn)角下，動(dòng)葉葉型負(fù)荷分布為后部加載，即在葉型前部壓力側(cè)、吸力側(cè)靜壓差比后部小。當(dāng)可調(diào)靜葉關(guān)小時(shí)，動(dòng)葉攻角趨向正攻角，前駐點(diǎn)向壓力面移動(dòng)，動(dòng)葉前部橫向壓差增大，動(dòng)葉工作狀態(tài)由后部加載轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣虞d或者前部加載。而當(dāng)可調(diào)靜葉打開時(shí)，動(dòng)葉進(jìn)氣攻角轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)攻角，前駐點(diǎn)向吸力面移動(dòng)，動(dòng)葉前部吸力側(cè)壓力逐步大于壓力側(cè)，橫向壓差方向發(fā)轉(zhuǎn)，并且逐步變大。本實(shí)用新型在變幾何渦輪動(dòng)葉片前部打若干貫通葉片壓力面和吸力面的彎曲形消渦孔，當(dāng)可調(diào)靜葉關(guān)小時(shí)，動(dòng)葉前部較大的橫向壓差驅(qū)使主流從消渦孔壓力側(cè)出口進(jìn)入消渦孔，然后從吸力側(cè)流出，形成“射流”效果，可減小甚至吹除吸力側(cè)的分離旋渦區(qū)，從而減小動(dòng)葉通道內(nèi)損失。而當(dāng)可調(diào)靜葉打開時(shí)，動(dòng)葉前部改變方向的橫向壓差驅(qū)使主流從消渦孔吸力側(cè)出口進(jìn)入消渦孔，然后從壓力側(cè)流出，可減小甚至吹除壓力側(cè)的大尺度流動(dòng)分離區(qū)，同樣可明顯減小動(dòng)葉通道內(nèi)損失。此外，在可調(diào)靜葉處于零轉(zhuǎn)角時(shí)，消渦孔可進(jìn)一步減小動(dòng)葉片前部的橫向壓差，從而有效減小二次流動(dòng)。
[0028]—種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，包括機(jī)匣、輪轂，在機(jī)匣和輪轂之間沿圓周方向均勻安裝可調(diào)靜葉片和動(dòng)葉片，可調(diào)靜葉片在前，動(dòng)葉片在后，可調(diào)靜葉片的上、下端面分別設(shè)置上、下旋轉(zhuǎn)軸，其軸心在同一旋轉(zhuǎn)軸線上，且軸徑不同，上旋轉(zhuǎn)軸嵌入到機(jī)匣內(nèi)，下旋轉(zhuǎn)軸嵌入到輪轂內(nèi)，動(dòng)葉輪轂設(shè)置在靜葉輪轂旁，動(dòng)葉片安裝在動(dòng)葉輪轂上，動(dòng)葉輪轂里裝配有輪轂旋轉(zhuǎn)軸，其特征是:在動(dòng)葉片前部沿徑向開有貫通葉片壓力面和吸力面的彎曲形消渦孔結(jié)構(gòu)，且動(dòng)葉片葉型的負(fù)荷分布為后部加載。
[0029]本實(shí)用新型還可以包括:
[0030]1、所述動(dòng)葉片前部消渦孔的吸力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.2?0.4，消渦孔壓力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.15?0.35，消渦孔吸力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為10°?40°，消渦孔壓力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為15°?45°，消渦孔直徑與葉片弦長的比值為0.005?
0.05ο
[0031]2、所述動(dòng)葉片前部的消渦孔結(jié)構(gòu)包括沿徑向等距排布或者沿輪轂到機(jī)匣方向呈漸疏狀排布的3?15個(gè)小孔。
[0032]3、所述動(dòng)葉片前部的消渦孔結(jié)構(gòu)與葉片表面的交界處采用圓角過渡。
[0033]本實(shí)用新型的目的在于提供一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，包括機(jī)匣、輪轂，在機(jī)匣和輪轂之間沿圓周方向均勻安裝可調(diào)靜葉片和動(dòng)葉片，可調(diào)靜葉片在前，動(dòng)葉片在后，可調(diào)靜葉片的上、下端面分別設(shè)置上、下旋轉(zhuǎn)軸，其軸心在同一旋轉(zhuǎn)軸線上，且軸徑不同，上旋轉(zhuǎn)軸嵌入到機(jī)匣內(nèi)，下旋轉(zhuǎn)軸嵌入到輪轂內(nèi)，動(dòng)葉片安裝在輪轂上，在動(dòng)葉片前部沿徑向開有貫通葉片壓力面和吸力面的彎曲形消渦孔結(jié)構(gòu)，且動(dòng)葉片葉型的負(fù)荷分布為后部加載。本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪不僅可在非設(shè)計(jì)工況下減小甚至消除葉片前部的分離渦流，從而明顯減小動(dòng)葉片通道內(nèi)氣動(dòng)損失，而且還可在設(shè)計(jì)工況下減少葉片前部的橫向壓差，延遲二次流的形成，進(jìn)而減小二次流損失，整體上本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的變幾何渦輪具有良好的全工況特性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，包括機(jī)匣、靜葉輪轂和動(dòng)葉輪轂，動(dòng)葉輪轂設(shè)置在靜葉輪轂旁，在機(jī)匣和靜葉輪轂之間且沿圓周方向均勻安裝有可調(diào)靜葉片、在機(jī)匣和動(dòng)葉輪轂之間且沿圓周方向均勻安裝有動(dòng)葉片，可調(diào)靜葉片的上端面和下端面分別設(shè)置上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸，上旋轉(zhuǎn)軸嵌入到機(jī)匣內(nèi)，下旋轉(zhuǎn)軸嵌入到靜葉輪轂內(nèi)，動(dòng)葉片安裝在動(dòng)葉輪轂上，動(dòng)葉輪轂里裝配有輪轂旋轉(zhuǎn)軸，其特征在于:在動(dòng)葉片前部沿徑向方向設(shè)置有貫通動(dòng)葉片壓力面和吸力面的彎曲形消渦孔結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，其特征在于:所述動(dòng)葉片前部消渦孔的吸力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.2?0.4，消渦孔壓力側(cè)出口與葉型前緣點(diǎn)之間軸向距離與葉片弦長的比值為0.15?0.35，消渦孔吸力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為10°?40°，消渦孔壓力側(cè)出口方向與出口處切向之間的夾角為15°?45°，消渦孔直徑與葉片弦長的比值為0.005?0.05。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，其特征在于:所述動(dòng)葉片前部的消渦孔結(jié)構(gòu)包括沿徑向等距排布或者沿輪轂到機(jī)匣方向呈漸疏狀排布的3?15個(gè)小孔。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，其特征在于:所述動(dòng)葉片前部的消渦孔結(jié)構(gòu)與動(dòng)葉片表面的交界處采用圓角過渡。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，其特征在于:所述動(dòng)葉片前部的消渦孔結(jié)構(gòu)與動(dòng)葉片表面的交界處采用圓角過渡。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，其特征在于:所述上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸的軸線與可調(diào)靜葉片的旋轉(zhuǎn)軸線均位于同一直線上，上旋轉(zhuǎn)軸的軸徑大于下旋轉(zhuǎn)軸的軸徑。7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，其特征在于:所述上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸的軸線與可調(diào)靜葉片的旋轉(zhuǎn)軸線均位于同一直線上，上旋轉(zhuǎn)軸的軸徑大于下旋轉(zhuǎn)軸的軸徑。8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，其特征在于:所述上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸的軸線與可調(diào)靜葉片的旋轉(zhuǎn)軸線均位于同一直線上，上旋轉(zhuǎn)軸的軸徑大于下旋轉(zhuǎn)軸的軸徑。9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種帶有動(dòng)葉片前部消渦孔結(jié)構(gòu)的變幾何渦輪，其特征在于:所述上旋轉(zhuǎn)軸和下旋轉(zhuǎn)軸的軸線與可調(diào)靜葉片的旋轉(zhuǎn)軸線均位于同一直線上，上旋轉(zhuǎn)軸的軸徑大于下旋轉(zhuǎn)軸的軸徑。
【文檔編號(hào)】F01D5/14GK205422837SQ201620159874
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年3月3日
【發(fā)明人】高杰, 鄭群, 董平, 岳國強(qiáng), 劉鵬飛
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)