【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于变几何涡轮，具体涉及一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型及方法。
技术介绍
1、船用燃气轮机的工作环境、工作特性与航空发动机有很大不同，先进的船用燃气轮机的研制必须满足船舰动力和海洋工作环境的特殊要求，其主要工作特点包括：航空发动机的工况变化范围远低于船用燃气轮机的0％～100％工况变化范围，且船用燃气轮机在90％的寿命期内都处于低工况运行环境，同时由于舰船战时机动性要求高，还导致其工况变化频繁，大范围变工况使其对于工作特性变化非常敏感。
2、船用燃气轮机的全工况工作特性使得采用有效的技术途径来提高其部分载荷性能成为船舰动力燃气涡轮技术的研究重点。变几何涡轮技术可以在不降低或者略降低涡轮进口燃气温度的条件下，通过关小可调导叶，使得导叶喉部面积减小，进而降低涡轮的通流能力和流量，从而达到降低涡轮输出功率的目的，但值得注意的是，此时由于燃气轮机的燃气初温依旧很高，因此燃气轮机效率依旧保持在较高水平。综上所述，变几何涡轮技术的使用可以在提高船用燃气轮机低工况运行使得高效率和稳定性以及快速机动性，并且保持高于传统定几何涡轮的经济型。
3、需要注意的是，应用变几何涡轮时，一定要避免使得可能获得的循环收益被变几何改型时造成的动力涡轮效率下降所抵消。研究发现，涡轮变几何后，必须在静叶端部留有一定的间隙高度，以保证静叶的自由转动，这样就会引起静叶端部的附加损失，导致涡轮效率下降。针对以上问题，众学者提出了包括凹槽叶顶、叶顶小翼、叶顶喷气等一系列端区泄漏流调控手段，一定程度上缓解了涡轮变几何时引入的额
4、然而现代燃气轮机气动涡轮一般都是大子午扩张设计，对于这种类型涡轮进行变几何设计时，一般需要在端部给定较大的间隙以保证可调静叶在整个转角范围内都不被卡死，这必然会带来较高的端区损失。此时传统的端区泄漏流调控手段已经无法有效降低端区泄漏流带来的损失，然而是针对真实大子午扩张变几何涡轮可调静叶端区流动损失控制的研究寥寥无几，这对变几何涡轮技术在具有大子午流道扩张特征的船用燃气轮机中的推广带来了很大阻力。
技术实现思路
1、要解决的技术问题：
2、为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型及方法，该导叶构型由变几何涡轮导叶沿径向分段得到，依次分为固定在机匣壁面上的机匣导叶段、可以转动的导叶主体段、固定在轮毂上的轮毂导叶段，各段之间设有间隙，并在导叶各段间设置冷气屏障以减小间隙处泄漏流流量，提高对导叶主体的冷却效率，保障了变几何涡轮导叶的运行安全。本专利技术解决了具有大子午流道扩张特征的变几何涡轮与导叶端区之间因间隙过大导致的泄漏流损失过大的问题，同时解决了具有大子午流道扩张特征的变几何涡轮导叶在旋转时端区间隙剧烈变化的问题。
3、本专利技术的技术方案是：一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，导叶沿涡轮径向依次分为机匣导叶段、导叶主体段、轮毂导叶段，其中机匣导叶段固定于机匣壁面上，轮毂导叶段固定于轮毂上，导叶主体段通过转轴分别与两端的机匣导叶段、轮毂导叶段转动连接，并在导叶各段之间留有间隙；通过调节导叶主体段转角完成对导叶喉道面积的调节；
4、所述间隙处设置有冷气发生器，能够在间隙内形成冷气屏障，以调节导叶各段之间的泄漏流流量。
5、本专利技术的进一步技术方案是：所述冷气发生器包括高压冷气腔、设置于机匣导叶段和轮毂导叶段端面上的冷气射流孔、安装于射流孔内的喷嘴；
6、所述机匣导叶段的冷气射流孔入口通过桥路与位于机匣外的高压冷气腔连通，出口位于朝向导叶主体段的下端面上，并在出口处安装喷嘴，通过调节喷嘴的喷射角度，保证冷气的射流方向始终朝向导叶主体段上端面的边缘，以在机匣导叶段、导叶主体段之间的间隙处形成冷气屏障；
7、所述轮毂导叶段的冷气射流孔入口通过桥路与位于轮毂内的高压冷气腔连通，出口位于朝向导叶主体段的上端面上，并在出口处安装喷嘴，通过调节喷嘴的喷射角度，保证冷气的射流方向始终朝向导叶主体段下端面的边缘，以在导叶主体段、轮毂导叶段之间的间隙处形成冷气屏障。
8、本专利技术的进一步技术方案是：所述冷气发生器的冷气流量可调，通过调节冷气流量，完成对泄漏流流量和对导叶主体段冷却效果的调节。
9、本专利技术的进一步技术方案是：所述冷气射流孔分别沿着所在端面翼型压力侧和吸力侧不均匀布置；在转轴上游，冷气射流孔的轴向间距为2％～5％导叶轴向弦长，在转轴下游，冷却孔的轴向间距为10％～20％轴向弦长；冷却孔边界距离所在端面的边界不小于2mm，同时距离转轴边界不小于4mm；冷气射流孔的直径为1～6mm。
10、本专利技术的进一步技术方案是：所述导叶主体段和轮毂导叶段从前缘到尾缘等高；机匣导叶段的下端面与导叶主体段上端面平行，其上端面与机匣内壁贴合且型面一致；所述机匣导叶段、导叶主体段、轮毂导叶段之间的两处间隙均为等高间隙。
11、本专利技术的进一步技术方案是：所述转轴的直径为5％导叶轴向弦长，其中心轴距离导叶前缘40％轴向弦长处，且中心轴位于导叶的中弧面上。
12、本专利技术的进一步技术方案是：所述导叶主体段占原型导叶叶高的75％～95％，所述轮毂导叶段占原型导叶叶高的2.5％～12.5％。
13、本专利技术的进一步技术方案是：所述机匣导叶段的前缘叶高设置为10％原型导叶前缘叶高，轮毂导叶段的前缘叶高设置为10％原型导叶前缘叶高；两处间隙均为3％导叶前缘叶高。
14、一种调节涡轮通流能力和流量的方法，具体步骤如下：
15、将所述径向分段式导叶构型沿径向安装于涡轮的轮毂与机匣内壁之间；
16、基于涡轮通流流量的要求，设计所述径向分段式导叶构型的导叶主体段安装角；
17、根据导叶主体段安装角调整冷气发生器的冷气喷射方向，以保证在机匣导叶段、导叶主体段、轮毂导叶段之间的间隙处形成冷气屏障；
18、通过调节冷气喷射流量以减少泄漏流流体的产生，同时对导叶主体段进行冷却。
19、本专利技术的进一步技术方案是：当导叶主体段位于设计安装角时，冷气流量保持一致；当导叶主体段旋转后，冷气流量均需要增加；
20、当导叶主体段处于打开状态时，设置在机匣导叶段下端面和轮毂导叶上端面翼型吸力侧的冷气射流孔的射流流量较压力侧加大，导叶主体段打开的角度越大，射流流量加大的程度也越大；当导叶主体段处于关小状态时，设置在机匣导叶段下端面和轮毂导叶上端面翼型压力侧的冷气射流孔的射流流量较吸力侧加大，导叶主体段关小的角度越大，射流流量加大的程度也越大。
21、有益效果
22、本专利技术的有益效果在于：本专利技术提出一种适用于大子午流道扩张变几何涡轮的径向分段式导叶新构型，该构型以具有大子午流道的变几何涡轮为对象，通过对其导叶进行径向分段设计，从根本上解决了大子午流道扩张的变几何涡轮导叶端区为保证导叶顺利旋转需要预留大间隙的问题，同时从根本上解决了大子午流道扩张的变几何本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：导叶沿涡轮径向依次分为机匣导叶段、导叶主体段、轮毂导叶段，其中机匣导叶段固定于机匣壁面上，轮毂导叶段固定于轮毂上，导叶主体段通过转轴分别与两端的机匣导叶段、轮毂导叶段转动连接，并在导叶各段之间留有间隙；通过调节导叶主体段转角完成对导叶喉道面积的调节；
2.根据权利要求1所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述冷气发生器包括高压冷气腔、设置于机匣导叶段和轮毂导叶段端面上的冷气射流孔、安装于射流孔内的喷嘴；
3.根据权利要求2所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述冷气发生器的冷气流量可调，通过调节冷气流量，完成对泄漏流流量和对导叶主体段冷却效果的调节。
4.根据权利要求3所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述冷气射流孔分别沿着所在端面翼型压力侧和吸力侧不均匀布置；在转轴上游，冷气射流孔的轴向间距为2％～5％导叶轴向弦长，在转轴下游，冷却孔的轴向间距为10％～20％轴向弦长；冷却孔边界距离所在端面的边界不小于
5.根据权利要求1所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述导叶主体段和轮毂导叶段从前缘到尾缘等高；机匣导叶段的下端面与导叶主体段上端面平行，其上端面与机匣内壁贴合且型面一致；所述机匣导叶段、导叶主体段、轮毂导叶段之间的两处间隙均为等高间隙。
6.根据权利要求1所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述转轴的直径为5％导叶轴向弦长，其中心轴距离导叶前缘40％轴向弦长处，且中心轴位于导叶的中弧面上。
7.根据权利要求1所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述导叶主体段占原型导叶叶高的75％～95％，所述轮毂导叶段占原型导叶叶高的2.5％～12.5％。
8.根据权利要求1所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述机匣导叶段的前缘叶高设置为10％原型导叶前缘叶高，轮毂导叶段的前缘叶高设置为10％原型导叶前缘叶高；两处间隙均为3％导叶前缘叶高。
9.一种调节涡轮通流能力和流量的方法，其特征在于具体步骤如下：
10.根据权利要求9所述一种调节涡轮通流能力和流量的方法，其特征在于：当导叶主体段位于设计安装角时，冷气流量保持一致；当导叶主体段旋转后，冷气流量均需要增加；
...【技术特征摘要】
1.一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：导叶沿涡轮径向依次分为机匣导叶段、导叶主体段、轮毂导叶段，其中机匣导叶段固定于机匣壁面上，轮毂导叶段固定于轮毂上，导叶主体段通过转轴分别与两端的机匣导叶段、轮毂导叶段转动连接，并在导叶各段之间留有间隙；通过调节导叶主体段转角完成对导叶喉道面积的调节；
2.根据权利要求1所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述冷气发生器包括高压冷气腔、设置于机匣导叶段和轮毂导叶段端面上的冷气射流孔、安装于射流孔内的喷嘴；
3.根据权利要求2所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述冷气发生器的冷气流量可调，通过调节冷气流量，完成对泄漏流流量和对导叶主体段冷却效果的调节。
4.根据权利要求3所述一种大子午流道扩张变涡轮的径向分段式导叶构型，其特征在于：所述冷气射流孔分别沿着所在端面翼型压力侧和吸力侧不均匀布置；在转轴上游，冷气射流孔的轴向间距为2％～5％导叶轴向弦长，在转轴下游，冷却孔的轴向间距为10％～20％轴向弦长；冷却孔边界距离所在端面的边界不小于2mm，同时距离转轴边界不小于4mm；冷气射流孔的直径为1～6mm。
5.根据权利要求1所述一种...
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