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可调涡轮导向器

/variable-geometry turbine stator/
条目作者内流

内流

最后更新 2023-01-13
浏览 141
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由内环、外环和可绕其自身旋转轴转动的导向器叶片(可调导叶)组成的环形静止叶栅。

英文名称
variable-geometry turbine stator
所属学科
工程热物理及动力工程

采用可调导叶变几何涡轮可以随着运行工况的改变而重新分配燃气发生器涡轮和动力涡轮之间焓降,从而使工况变化时按所需要的共同工作线走向调节燃气轮机,比如在起动过程中开大可调导叶,不仅可以使压气机特性图上的共同工作线远离喘振边界,而且可以把相对更多的焓降分配给燃气发生器涡轮,让它有更大的扭矩使转子尽快加速,实现燃气轮机的快速起动。在低工况时,关小可调导叶降低涡轮的有效通流面积从而减小流量和功率,并维持较高的涡轮进口总温,从而有可能获得较高的循环效率。在动力涡轮甩负荷时,突然开大可调导叶可以立即使动力涡轮的焓降大幅度降低,使动力涡轮的效率急剧下降,在这种情况下甚至可使燃气作用在动力涡轮的扭矩成为负值(和旋转方向相反的扭矩),即成为制动扭矩,从而有效实现动力涡轮的超速保护。

可调涡轮导向器涡轮由于其良好的工况适应性和应用价值,在航空、航海和汽车方面都有着广泛的应用。早在20世纪60年代,西方国家就已经开始进行有关可调导叶涡轮的研究。70年代,美国国家航空航天局(NASA)与海军航空推进中心制订了一项利用变几何涡轮来实现发动机变循环的计划。80年代,美国通用电气(GE)公司开始研制F120变循环发动机,其中的低压涡轮就采用了静叶安装角可调的技术,为未来军用发动机设计指引了方向。在美国海军与罗·罗公司等合作开发的大功率WR-21船用间冷回热燃气轮机上也采用了变几何涡轮技术,这使其变工况性能曲线变得更加平坦,部分负荷下燃气轮机的性能得到进一步改善;整体上,WR-21与简单循环LM2500燃机相比约能降低30%~40%的年燃油消耗量,已成为新一代船用燃气轮机的象征。中国在“863”高技术航天领域项目中,开展了用于天地往返航天载机中吸气式组合发动机的概念研究,其中的涡轮风扇发动机即变循环发动机。该涡轮风扇发动机的非设计工况变化范围很大,从地面起飞状态到飞行马赫数3.5,致使涡轮也处于大范围的变工况条件下工作,为此采用了变几何涡轮。

采用可调导叶变几何涡轮固然能满足对燃气轮机提出的十分苛刻的性能要求,然而变几何涡轮的设计难度很大,尽管在气动和结构设计时想尽办法减少变几何带来的附加损失,但由于叶端间隙的存在,变几何涡轮自身的设计工况点效率总是低于定几何涡轮,并且可调导叶无论开大或关小,涡轮效率皆有明显降低,这部分抵消了涡轮变几何带来的燃气轮机循环收益。涡轮变几何的采用也导致了燃气轮机结构及调节更为复杂、燃气轮机安全性降低等问题,例如变几何产生的快速节流往往会引起气流振荡的危险。因此,在考虑变几何涡轮的气动设计时,除了要弄清楚涡轮变几何对其性能特性的具体影响之外,还要充分了解影响变几何涡轮效率的各种因素,以便能把由此引起的性能恶化降到最低程度。

  • 牛利民,李淑英.船舶燃气轮机结构.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007.
  • 翁史烈,王永泓,宋华芬,等.现代燃气轮机装置.上海:上海交通大学出版社,2015.

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