[发明专利]一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种叶轮机械径向间隙泄漏损失控制方法，主要用于航空发动机或燃气轮机中压气机和涡轮内径向间隙泄漏流动损失的控制。

背景技术

压气机及涡轮部件是航空发动机、地面燃气轮机等动力机械的重要组成部分，整个动力机械的效率很大程度上决定于压气机和涡轮部件的效率，这就要求压气机和涡轮部件的效率不断提高。

当前的航空发动机、地面燃气轮机等动力机械所采用的压气机和涡轮大多是叶片式的。压气机是通过旋转和静止的叶排对流体做功，将从转轴输入的机械能转换为流体的机械能和内能。涡轮则是通过静止和旋转的叶排将流体的机械能和内能转换为轴功率。由于压气机和涡轮都是由转静相间的叶排组成，在动静相接的部位就必然要存在一定的间隙，例如在压气机动叶的叶尖、压气机静叶的叶根和涡轮动叶的叶尖部位都难以避免地存在径向间隙。而由于工作时受热膨胀的程度有所不同以及转子会受到离心力的作用，为保险起见，一般的径向间隙难以控制得很小。这种情况下，端壁1和相对其运动的叶片2之间必然存在一定的径向间隙量，在叶片两侧压力差的作用下，间隙部位就会产生从高压力侧向低压力侧的流动，即所谓的泄漏流3，见图1。泄漏流的产生将会使实际参加做功的工质减少、干扰通道内的正常流动，同时由其产生的泄漏涡4对压气机和涡轮通道内部的流动也会产生强烈的影响，这些都会造成压气机和涡轮效率的降低。

为减小转静部件之间的间隙所带来的流动损失，目前涡轮大多采用动叶叶尖带冠、动叶叶尖修型的方法抑制泄漏流的产生。这些方法能在一定程度上减小间隙引起的损失，改善涡轮通道内部的流动，但其作用效果是有限的。而且，叶冠的存在一方面会使叶片尖部的局部形状发生一定改变，可能导致叶型的气动性能有所下降，另一方面，旋转叶片尖部的重量也会因叶冠的存而增加，带来严重的结构强度问题，同时会使整个叶轮机械的总重量增加，这些都是航空发动机的设计者所不愿看到的。而在压气机中，由于其叶片尖部厚度很小，上述在涡轮中采用的技术难以实现，目前尚未出现普遍适用的控制间隙泄漏损失的方法。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，该方法能够有效地控制由泄漏流动而引起的流动损失，显著提高叶轮机械的效率。

本发明所提供的技术方案是：一种叶轮机械径向间隙泄漏损失的控制方法，其特点在于：对径向间隙位置附近的端壁1进行改型处理，从而改变间隙附近的流动特性，达到减小流动损失的目的。其基本原理为：通过对端壁1进行的改型处理，产生与泄漏涡4旋转方向相反的旋涡5，从而抑制泄漏流3的形成和泄漏涡4的产生，减小由其引起的气动损失，见图2。

本发明所涉及的对端壁1改型处理的方式主要是指：在端壁1布置三角形或者矩形或者梯形的绕流片6。

上述绕流片6的高度为旋转叶片2高度的2％-15％，绕流片6轴向长度为旋转叶片2轴向弦长的5％-30％，绕流片6的厚度为旋转叶片最大厚度的2％-100％。绕流片6的放置方向应与气流流动呈一定夹角，夹角范围为0°到45°，以在不明显增加绕流片6自身引起的流动损失的前提下产生足够强的与泄漏涡反向的旋涡5。

扰流片6的数量根据具体叶轮机械的实际需要确定，对于叶尖泄漏流比较强的叶轮机械可以多设置些扰流片6，而泄漏流比较弱的叶轮机械可以少设置些扰流片6。一般为旋转叶片数目的0.5-3倍。

上述处理所实施的位置主要在上游叶片之后、旋转叶片25％弦长位置之前的端壁1，这样不仅可以降低流片6对上游流动的影响，也可以使流片6所产生的旋涡5与泄漏涡4有足够长的作用距离。

扰流片6焊接于流道端壁1上；或与端壁1一体加工。为减小扰流片6自身引起的流动损失，对扰流片6的前尾缘进行圆角处理。应用于航空发动机或燃气轮机时，扰流片6的材料为镍基高温合金或者钴基高温合金，如GH648、DZ40M等。应用于高压涡轮时，扰流片6还需要涂防高温涂层，发动机的防高温涂层是由多层不同功能的防护层构成，每层都针对具体环境和叶片材料，用不同元素按不同比例采用不同工艺混合而成，本领域技术人员可以根据实际情况来实现。