[发明专利]一种低进气度部分进气涡轮级间过渡段结构及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低进气度部分进气涡轮级间过渡段结构及其设计方法，该过渡段适用于低进气度的多级部分进气轴流涡轮。采用该级间过渡段结构能够提升过渡段后面级涡轮的进气度，进而提升过渡段后面级涡轮气动性能。

背景技术

部分进气轴流涡轮的气动性能随进气度的降低而降低，故而设计中希望在许可的条件下保持较大的进气面积，使得涡轮性能不至于降低过多。但在某些应用领域，涡轮进口总压高、体积流量小的特点致使涡轮进气度较小，涡轮效率较低，尤其是多级部分进气时部分进气附加损失沿流向逐渐累积，抑制涡轮性能的提升。为此在部分进气涡轮级间布置过渡段，使得涡轮工质体积流量流出过渡段后有所增加，提升过渡段后面级涡轮进气度，进而提升过渡段后面涡轮级气动性能。

为实现上述目标，涡轮工质在过渡段内沿流向减速扩压，进而使得过渡段出口工质体积流量大于过渡段进口值。由于过渡段内气流流动规律类似于燃气涡轮扩压器内部气流流动特征，因而过渡段的设计可借鉴燃气涡轮扩压器设计经验。然而部分进气涡轮本身的流动特点导致涡轮级间过渡段的气动设计又显著区别于燃气涡轮扩压器，如部分进气时仅有部分导叶流道有气流流过且涡轮过渡段仅仅位于进气区，连接前后级部分进气涡轮，故而部分进气涡轮级间过渡段在几何上不在是一个完整的圆环；部分进气效应导致的非进气区游隙流导致过渡段进口流动均匀性较差，过渡段内流动损失较大；过渡段进口气流预旋较大且过渡段内工质的减速扩压过程主要发生在过渡段周向方向，故而过渡段周向侧壁面的扩张角并不一致；过渡段出口气流流动均匀性对后面级涡轮气动性能有显著影响，故而级间过渡段既要增加工质体积流量，又要保证过渡段出口气流的均匀性；部分进气效应对过渡段气动性能的影响机理也是未知的。基于上述问题，亟需寻求一种低进气度部分进气涡轮级间过渡段的合理及气动设计方法，达到提升低进气度部分进气涡轮气动性能的目的。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种低进气度多级部分进气涡轮级间过渡段结构及其设计方法，能够在进气度较低的多级部分进气涡轮级间提升工质体积流量，同时还兼顾了过渡段的紧凑性和气动性能，达到提升低进气度部分进气涡轮气动性能的目的。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

根据本发明的一方面，提供了一种低进气度多级部分进气涡轮级间过渡段结构，所述过渡段包括一过渡段内端壁、一过渡段外端壁和两个相对的过渡段周向侧壁面，所述过渡段内、外端壁及过渡段周向侧壁面构成一两端开口端过渡段气流流道，其特征在于，

--所述过渡段气流流道包括进气口和出气口，所述进气口与过渡段前面级部分进气涡轮的出口联接，所述出气口与过渡段后面级部分进气涡轮的进口联接，所述过渡段前面级部分进气涡轮和过渡段后面级部分进气涡轮沿涡轮轴向同轴布置；

--所述过渡段内、外端壁的半径R1、R2沿涡轮轴向保持不变，所述过渡段周向侧壁面包括一顺着气流预旋方向的过渡段周向侧壁面和一逆着气流预旋方向的过渡段周向侧壁面，其中，所述顺着气流预旋方向的过渡段周向侧壁面沿周向先收缩后扩张，扩张角沿周向先减小后增加，其周向扩张角大于另一侧过渡段周向壁面扩张角。

优选地，所述顺着气流预旋方向的过渡段周向侧壁面的扩张角按照所述过渡段前面级部分进气涡轮的进气区主流与非进气区游隙流体速度的矢量和确定。

优选地，逆着气流预旋方向的另一侧周向边界的扩张角最佳取值为0～3°

优选地，所述过渡段气流流道的喉口与所述进气口的轴向距离L₀与过渡段轴向长度L之比为0.2～0.4。

进一步地，所述过渡段气流流道的喉口面积与所述进气口面积之比为1:1～1:1.10。

本发明的部分进气涡轮级间过渡段结构，在结构上既是所述多级部分进气涡轮前后级之间的连接部分，同时也起到增加过渡段后面级涡轮进口进气度的目的。所述顺着气流预旋方向的过渡段周向侧壁面，其周向扩张角大于另一侧过渡段周向壁面扩张角，以适应过渡段进口高气流预旋条件；所述顺着气流预旋方向的过渡段周向侧壁面沿周向先收缩后扩张，通过加速气流的方式克服部分进气效应导致的该侧壁面近过渡段进口处的逆压梯度，减小流动损失；顺着气流预旋方向的过渡段周向壁面扩张角按照进气区主流与非进气区游隙流体速度的矢量和确定，以获取最佳扩张角；通过过渡段进口流道的收缩增强气流之间的动量交换效应，克服部分进气效应导致的气流周向非均匀性。