一種低進(jìn)氣度部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間過渡段結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低進(jìn)氣度部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間過渡段結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，該過渡段適用于低進(jìn)氣度的多級(jí)部分進(jìn)氣軸流渦輪。采用該級(jí)間過渡段結(jié)構(gòu)能夠提升過渡段后面級(jí)渦輪的進(jìn)氣度，進(jìn)而提升過渡段后面級(jí)渦輪氣動(dòng)性能。
【背景技術(shù)】
[0002]部分進(jìn)氣軸流渦輪的氣動(dòng)性能隨進(jìn)氣度的降低而降低，故而設(shè)計(jì)中希望在許可的條件下保持較大的進(jìn)氣面積，使得渦輪性能不至于降低過多。但在某些應(yīng)用領(lǐng)域，渦輪進(jìn)口總壓高、體積流量小的特點(diǎn)致使渦輪進(jìn)氣度較小，渦輪效率較低，尤其是多級(jí)部分進(jìn)氣時(shí)部分進(jìn)氣附加損失沿流向逐漸累積，抑制渦輪性能的提升。為此在部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間布置過渡段，使得渦輪工質(zhì)體積流量流出過渡段后有所增加，提升過渡段后面級(jí)渦輪進(jìn)氣度，進(jìn)而提升過渡段后面渦輪級(jí)氣動(dòng)性能。
[0003]為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，渦輪工質(zhì)在過渡段內(nèi)沿流向減速擴(kuò)壓，進(jìn)而使得過渡段出口工質(zhì)體積流量大于過渡段進(jìn)口值。由于過渡段內(nèi)氣流流動(dòng)規(guī)律類似于燃?xì)鉁u輪擴(kuò)壓器內(nèi)部氣流流動(dòng)特征，因而過渡段的設(shè)計(jì)可借鑒燃?xì)鉁u輪擴(kuò)壓器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。然而部分進(jìn)氣渦輪本身的流動(dòng)特點(diǎn)導(dǎo)致渦輪級(jí)間過渡段的氣動(dòng)設(shè)計(jì)又顯著區(qū)別于燃?xì)鉁u輪擴(kuò)壓器，如部分進(jìn)氣時(shí)僅有部分導(dǎo)葉流道有氣流流過且渦輪過渡段僅僅位于進(jìn)氣區(qū)，連接前后級(jí)部分進(jìn)氣渦輪，故而部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間過渡段在幾何上不在是一個(gè)完整的圓環(huán);部分進(jìn)氣效應(yīng)導(dǎo)致的非進(jìn)氣區(qū)游隙流導(dǎo)致過渡段進(jìn)口流動(dòng)均勻性較差，過渡段內(nèi)流動(dòng)損失較大;過渡段進(jìn)口氣流預(yù)旋較大且過渡段內(nèi)工質(zhì)的減速擴(kuò)壓過程主要發(fā)生在過渡段周向方向，故而過渡段周向側(cè)壁面的擴(kuò)張角并不一致;過渡段出口氣流流動(dòng)均勻性對后面級(jí)渦輪氣動(dòng)性能有顯著影響，故而級(jí)間過渡段既要增加工質(zhì)體積流量，又要保證過渡段出口氣流的均勻性;部分進(jìn)氣效應(yīng)對過渡段氣動(dòng)性能的影響機(jī)理也是未知的?；谏鲜鰡栴}，亟需尋求一種低進(jìn)氣度部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間過渡段的合理及氣動(dòng)設(shè)計(jì)方法，達(dá)到提升低進(jìn)氣度部分進(jìn)氣渦輪氣動(dòng)性能的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明旨在提供一種低進(jìn)氣度多級(jí)部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間過渡段結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，能夠在進(jìn)氣度較低的多級(jí)部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間提升工質(zhì)體積流量，同時(shí)還兼顧了過渡段的緊湊性和氣動(dòng)性能，達(dá)到提升低進(jìn)氣度部分進(jìn)氣渦輪氣動(dòng)性能的目的。
[0005]本發(fā)明解決上述問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種低進(jìn)氣度多級(jí)部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間過渡段結(jié)構(gòu)，所述過渡段包括一過渡段內(nèi)端壁、一過渡段外端壁和兩個(gè)相對的過渡段周向側(cè)壁面，所述過渡段內(nèi)、外端壁及過渡段周向側(cè)壁面構(gòu)成一兩端開口端過渡段氣流流道，其特征在于，
[0007]一所述過渡段氣流流道包括進(jìn)氣口和出氣口，所述進(jìn)氣口與過渡段前面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪的出口聯(lián)接，所述出氣口與過渡段后面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪的進(jìn)口聯(lián)接，所述過渡段前面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪和過渡段后面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪沿渦輪軸向同軸布置；
[0008]一所述過渡段內(nèi)、外端壁的半徑R1、R2沿渦輪軸向保持不變，所述過渡段周向側(cè)壁面包括一順著氣流預(yù)旋方向的過渡段周向側(cè)壁面和一逆著氣流預(yù)旋方向的過渡段周向側(cè)壁面，其中，所述順著氣流預(yù)旋方向的過渡段周向側(cè)壁面沿周向先收縮后擴(kuò)張，擴(kuò)張角沿周向先減小后增加，其周向擴(kuò)張角大于另一側(cè)過渡段周向壁面擴(kuò)張角。
[0009]優(yōu)選地，所述順著氣流預(yù)旋方向的過渡段周向側(cè)壁面的擴(kuò)張角按照所述過渡段前面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪的進(jìn)氣區(qū)主流與非進(jìn)氣區(qū)游隙流體速度的矢量和確定。
[0010]優(yōu)選地，逆著氣流預(yù)旋方向的另一側(cè)周向邊界的擴(kuò)張角最佳取值為O?3°
[0011 ]優(yōu)選地，所述過渡段氣流流道的喉口與所述進(jìn)氣口的軸向距離Lo與過渡段軸向長度L之比為0.2?0.4。
[0012]進(jìn)一步地，所述過渡段氣流流道的喉口面積與所述進(jìn)氣口面積之比為1:1?1:1.1O0
[0013]本發(fā)明的部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間過渡段結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上既是所述多級(jí)部分進(jìn)氣渦輪前后級(jí)之間的連接部分，同時(shí)也起到增加過渡段后面級(jí)渦輪進(jìn)口進(jìn)氣度的目的。所述順著氣流預(yù)旋方向的過渡段周向側(cè)壁面，其周向擴(kuò)張角大于另一側(cè)過渡段周向壁面擴(kuò)張角，以適應(yīng)過渡段進(jìn)口高氣流預(yù)旋條件;所述順著氣流預(yù)旋方向的過渡段周向側(cè)壁面沿周向先收縮后擴(kuò)張，通過加速氣流的方式克服部分進(jìn)氣效應(yīng)導(dǎo)致的該側(cè)壁面近過渡段進(jìn)口處的逆壓梯度，減小流動(dòng)損失;順著氣流預(yù)旋方向的過渡段周向壁面擴(kuò)張角按照進(jìn)氣區(qū)主流與非進(jìn)氣區(qū)游隙流體速度的矢量和確定，以獲取最佳擴(kuò)張角;通過過渡段進(jìn)口流道的收縮增強(qiáng)氣流之間的動(dòng)量交換效應(yīng)，克服部分進(jìn)氣效應(yīng)導(dǎo)致的氣流周向非均勻性。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明還提供了一種適用于上述低進(jìn)氣度多級(jí)部分進(jìn)氣渦輪級(jí)間過渡段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述級(jí)間過渡段結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法包括以下步驟:
[0015]SSl.沿過渡段高度方向，將過渡段分為若干層截面，各層截面的過渡段輪廓包括一進(jìn)口邊界、一出口邊界及兩個(gè)周向邊界。
[0016]SS2.確定過渡段各層截面的進(jìn)口初始幾何參數(shù):
[0017]根據(jù)過渡段前面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪的出口進(jìn)氣區(qū)的形狀和尺寸確定過渡段進(jìn)口的形狀和尺寸，使過渡段進(jìn)口的形狀和尺寸與過渡段前面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪出口進(jìn)氣區(qū)的形狀和尺寸相匹配；
[0018]根據(jù)過渡段前面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪的出口輪轂半徑確定過渡段內(nèi)端壁半徑Rl，根據(jù)過渡段前面級(jí)渦輪出口上端壁半徑確定過渡段外端壁半徑R2;
[0019]根據(jù)確定的過渡段內(nèi)端壁半徑Rl和過渡段外端壁半徑R2形成一圓環(huán)結(jié)構(gòu)，根據(jù)確定的過渡段進(jìn)口的形狀和尺寸確定過渡段進(jìn)口面積；
[0020]按照步驟SSl確定的過渡段的截面層數(shù)，沿過渡段高度方向分層，從而分別確定過渡段各層截面進(jìn)口邊界點(diǎn)Al和A2，其中，A2為順著氣流預(yù)旋方向的進(jìn)口邊界點(diǎn)，Al為與A2相對的另一進(jìn)口邊界點(diǎn)。
[0021]SS3.確定過渡段各層截面的進(jìn)口氣動(dòng)參數(shù):根據(jù)步驟SSl所確定的過渡段沿高度方向的分層，計(jì)算過渡段前面級(jí)部分進(jìn)氣渦輪出口對應(yīng)各層的進(jìn)氣區(qū)與非進(jìn)氣區(qū)氣動(dòng)參數(shù)周向分布，按照質(zhì)量平均方式獲得過渡段各層截面的進(jìn)口氣流預(yù)旋與氣流速度的平均值。[0022 ] SS4.設(shè)定過渡段各層截面的喉口軸向位置，并設(shè)定過渡段各層截面的喉口面積。
[0023]過渡段進(jìn)口順著氣流預(yù)旋方向的側(cè)壁面沿周向先收縮后擴(kuò)張，通過加速氣流的方式克服部分進(jìn)氣效應(yīng)導(dǎo)致的該側(cè)壁面近過渡段進(jìn)口處的逆壓梯度，減小流動(dòng)損失。故而過渡段橫截面積沿軸向先減小后增加。由于部分進(jìn)氣效應(yīng)導(dǎo)致的近過渡段進(jìn)口處的逆壓梯度僅位于過渡段進(jìn)口順著氣流預(yù)旋方向的側(cè)壁面，故而過渡段橫截面積的變化由該側(cè)壁面型線的周向變化實(shí)現(xiàn)。
[0024]SS5.確定過渡段各層截面的出口邊界點(diǎn)幾何位置:
[0025]首先假定過渡段未在周向方向減速擴(kuò)壓，氣流以步驟SS3所確定的入口氣流參數(shù)流入過渡段，并最終以該氣流參數(shù)流出過渡段，此時(shí)兩過渡段周向邊界的曲線均為一條由進(jìn)口平均預(yù)旋確定的直線段；
[0026]根據(jù)過渡段軸向長度L，獲得過渡段未擴(kuò)壓時(shí)各層截面的出口邊界點(diǎn)A3和A4，其中，A4為順著氣流預(yù)旋方向的出口邊界點(diǎn)，A3為與A4相對的另一出口邊界點(diǎn)；
[0027]隨后，在各層截面的出口邊界點(diǎn)A3和點(diǎn)A4的基礎(chǔ)上，通過給定過渡段各層截面兩側(cè)周向邊界的擴(kuò)張角，確定考慮擴(kuò)壓效應(yīng)后的過渡段出口邊界點(diǎn)Cl和C2，其中，C2為順著氣流預(yù)旋方向的出口邊界點(diǎn)，Cl為與C2相對的另一出口邊界點(diǎn)。
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