CN101178011B - 一种提高向心涡轮性能的叶轮叶片顶部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种向心涡轮的叶轮结构，包括半开式或开式叶轮叶片和叶轮轮盘，其特征在于，在所述叶轮叶片的顶部设置有一系列凹缝；该凹缝布置在距离叶轮叶片顶部20％的当地叶高区域及叶轮叶片顶部子午弦长的30％～100％范围内。本发明的向心涡轮叶轮结构，能有效削弱顶部间隙泄漏涡强度，减小顶部间隙泄漏量，降低间隙损失，提高向心涡轮效率，增加向心涡轮输出功率，达到了节能降耗的目的。

Description

一种提高向心涡轮性能的叶轮叶片顶部结构

技术领域

本发明属于流体机械技术领域的向心涡轮叶轮设计，涉及一种在向心涡轮的叶轮叶片顶部结构，该结构在常规的向心涡轮叶轮叶片顶部区域布置凹缝，使叶轮叶片顶部区域的小部分工质能够在流场自身作用下从叶片压力面侧向吸力面侧流动，削弱泄漏涡强度，减小顶部间隙泄漏量，降低间隙损失，能够提高向心涡轮效率，增加输出功率，并节能降耗。

背景技术

向心涡轮叶轮按其流道的结构形式可分为闭式、半开式和开式三种。闭式叶轮因为其叶轮进口许用线速度低，应用范围受到严重限制。半开式和开式叶轮由于叶片顶部没有与叶片一起旋转的轮盖，其受力状况得到了改善，其叶轮进口许用线速度可以很高，目前采用铸造高温合金精密铸造出的叶轮，其叶轮进口线速度甚至高达600m/s左右。众所周知，高叶轮旋转速度能够带来功率密度的增加及尺寸的减小。因此，半开式与开式这两种流道形式的叶轮，在涡轮增压器、航空发动机辅机与微型燃气轮机等设备上均有相当广泛的应用。

叶轮顶部间隙的存在，使得通过间隙的泄漏流动以及由此带来的间隙损失不可避免，无论是对轴流式，还是向心式涡轮来说都是如此。涡轮叶轮在工作时，叶片压力面与吸力面之间存在一定的压差，在这种压差的作用下，叶片压力面侧的部分工质就会通过叶片顶部间隙向叶片吸力面侧泄漏，泄漏出的工质一方面没有推动叶片做功，给涡轮造成了一定的功率亏损，另一方面泄漏出的这部分工质会与主流发生掺混，形成叶顶间隙泄漏损失，给涡轮造成通流效率的降低。

目前半开式或开式叶轮叶片顶部表面一般是通过数控磨削或车削叶轮毛胚得到，不做任何结构处理，而叶轮轮盖是实壁形式，即不做任何结构处理，具有光滑的内表面。轮盖的内表面与叶轮叶片顶部表面之间的间隙，即叶顶间隙，一般为当地叶高的1％～3％左右。虽然这种结构形式叶轮的受力状况得到了改善，但是使叶片顶部间隙中更多工质的横向串流成为可能，给向心涡轮带来功率亏损与间隙损失。

与不带冠的轴流涡轮叶轮顶部只有径向间隙不同，向心涡轮叶轮顶部间隙同时具有轴向和径向两种间隙，如附图1所示。

鉴于间隙结构的不同，向心涡轮叶轮轴向间隙与径向间隙对其整机总体性能的影响是不一致的，发明人及国外学者获得的叶轮顶部轴向与径向间隙对总-总效率和质量流量影响程度的主要结果如下：

(1)叶轮顶部径向间隙与轴向间隙对向心涡轮级效率的影响不同，径向间隙相对出口叶高增大1％，级效率降低1.5％，而轴向间隙相对叶轮进口宽度增大1％，级效率约降低0.15％。

(2)叶轮顶部径向间隙与轴向间隙对向心涡轮通流能力影响不同，径向间隙相对出口叶高增大1％，级通流能力提高0.24％，而轴向间隙相对叶轮进口宽度增大1％，级通流能力降低0.06％。

目前，对该问题研究的国内外学者普遍认为：

(1)在叶轮顶部间隙中，叶片顶部压力面与吸力面之间的压差以及叶片顶部与轮盖之间的相对运动引起的“刮削”流对间隙流场起着主要的影响作用，联合控制着叶轮顶部间隙流场。

(2)在工作轮顶部区域，工质在“刮削”的作用下从间隙的吸力面侧流入间隙，从压力面侧流出，相对压力面侧到吸力面侧的压差来说，“刮削”作用在该区域占绝对优势。

(3)在叶轮顶部间隙弦向中部区域，由于轮盖相对运动速度减小，“刮削”作用减弱，叶片负荷逐渐增强，压力面侧到吸力面侧的压差增大，在间隙中有“刮削”作用引起的吸力面到压力面侧的流动，也同样有压差引起的压力面到吸力面侧的流动；(4)在导风轮顶部区域，叶轮叶片两侧压差较大，“刮削”作用变得更弱，顶部间隙中几乎全部是从压力面侧向吸力面侧泄漏的气流。

附图2为申请人的发明人通过研究某向心涡轮叶轮顶部间隙流场获得的三种间隙尺寸下的间隙泄漏流量沿子午弦向位置的变化关系曲线，其中泄漏量是在间隙中弧面不同弦向位置通过积分得到，规定从压力面到吸力面的泄漏量为正值。从图中可以明显看出：

(1)叶轮顶部间隙越小，工作轮顶部区域的“刮削”作用越强，在间隙为1％时，间隙中由压差引起的从压力面侧到吸力面侧的泄漏流量在45％弦向位置与“刮削”引起的吸力面侧到压力面侧的泄漏流量相平衡，其后泄漏量基本上是沿弦向线性增加；而在间隙为2％时，泄漏量的平衡点前移到了20％弦向位置，在间隙为3％时，则该点更加靠前。

(2)间隙泄漏量主要发生在子午弦长的中后段，在该部分泄漏量几乎沿子午弦长线性增加。

(3)在间隙尺寸为2％时，间隙泄漏量相对级质量流量为6.5％，占了相当大的比例。

相对于向心涡轮叶轮顶部间隙流动特性，不带冠轴流涡轮叶轮顶部间隙增加1％，级效率将会降低2％左右，比向心涡轮径向间隙对级性能的影响程度要来得大，并且轴流式是大型原动力机械所采取的主要形式，其叶顶间隙流动特性及泄漏抑制结构也一直是研究热点之一。然而，对于一般处于辅助原动力机械地位的向心涡轮来说，随着能源问题的日趋紧张以及采用向心涡轮作为核心动力部件的微型燃气轮机逐步广泛应用，向心涡轮相关部件的气动性能研究近年来也逐渐受到国内外学者的关注，叶轮顶部间隙泄漏抑制结构研究是热点研究内容之一。

向心涡轮与轴流涡轮在叶轮顶部间隙结构的不同，致使向心涡轮叶轮顶部间隙的流动特性完全不同于轴流涡轮，因此需要针对其特有的泄漏特性构造向心涡轮叶轮顶部间隙的泄漏抑制结构。

发明内容

针对半开式或开式向心涡轮叶轮顶部间隙中工质横向串流引起输出功率亏损与间隙能量损失的实际问题，本发明的目的在于，提供一种能够提高向心涡轮性能的叶轮叶片顶部结构，该结构能有效抑制半开式或开式叶轮顶部间隙中工质的泄漏量，从而降低间隙损失，提高向心涡轮效率，增加其输出功率，并节能降耗。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种提高向心涡轮效率的叶轮叶片顶部结构，包括半开式或开式向心涡轮的叶轮叶片，其特征在于，在所述叶轮叶片的顶部设置有一系列凹缝；该凹缝布置在距离叶轮叶片顶部20％的当地叶高区域及叶轮顶部子午弦长30％～100％范围内。

本发明的其它一些特点是：所述的凹缝深度与宽度比值为1.0～5.0，凹缝间距与宽度比值为3.0～15.0。

所述凹缝的周向方向与叶轮旋转方向相同或成一定夹角。

所述凹缝在叶轮叶片压力面侧与吸力面侧的开口面积相同或不同。所述凹

缝在叶轮叶片顶部的开口面积与凹缝底面面积相同或其比值大于1。所述的凹缝底面具有合适的圆角。

本发明的向心涡轮叶轮叶片顶部结构，能有效削弱顶部间隙泄漏涡强度，减小顶部间隙泄漏量，降低间隙损失，提高向心涡轮效率，增加向心涡轮输出功率，并达到了节能降耗的目的。

附图说明

图1是向心涡轮叶轮间隙位置示意图；

图2是某向心涡轮叶轮设计工况三种间隙尺寸下顶部间隙泄漏量沿子午弦长分布；

图3是向心涡轮叶轮实体模型；

图4是向心涡轮叶轮上某支叶片叶顶区域的凹缝结构；

图5是图4中凹缝的放大图；

以下结合附图和技术原理对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

参见附图，按照本发明的技术方案，在常规的半开式或开式向心涡轮叶轮叶片顶部区域构建一系列凹缝，在叶轮旋转方向贯通叶片两侧，使工质在流场自身作用力下经过凹缝从压力面侧向吸力面侧流动，削弱顶部间隙泄漏涡强度，降低间隙损失，同时减小通过间隙的泄漏量，增加向心涡轮输出功率，达到节能降耗。

根据发明人对向心涡轮叶轮顶部间隙流场研究所得结论，叶轮间隙中的横向串流主要发生在子午弦长的中后部，因此布置在叶轮叶片顶部区域的密封结构须位于子午弦长的中后部。

所述的子午弦长中后部是指30％～100％的弦向位置。

鉴于半开式或开式向心涡轮叶轮的结构特征，目前其加工均采用整体精密铸造或铣削加工成型，因此，叶轮叶片顶部密封结构必须简单且工艺性好才行。本发明提出在向心涡轮叶轮叶片顶部布置凹缝，其结构简单，具有上开口形式，如附图4或5所示。该凹缝可以利用现有的加工技术如电火花成型加工以及磨削加工等去除部分叶轮材料方法，或者直接在精密铸造时铸出凹缝和铣削叶片前车削出凹缝结构得到。

本发明的技术原理如下：

参见图1，向心涡轮在正常工作时，工质经过导向器(附图中未示出)膨胀加速后，大部分在涡轮叶轮叶片1形成的通道中再次膨胀并将工质的热能转换成机械能，其余工质中的一小部分通过叶轮背面与隔热罩3之间形成的间隙泄漏出向心涡轮，另一大部分则通过叶轮叶片1与轮盖4之间形成的叶轮顶部间隙发生“串流”，没有参加热能向机械能的转换并且与通道中的做功工质相互影响，形成间隙泄漏损失，给向心涡轮造成了效率的降低和功率的亏损，本发明旨在降低间隙泄漏损失和减小间隙泄漏量，从而提高向心涡轮效率，增加向心涡轮输出功率。

根据国内外学者对向心涡轮叶轮顶部关于轴向间隙与径向间隙对其总体性能影响程度的结论，以及发明人对叶轮顶部间隙中泄漏量等的研究结果，泄漏主要发生在叶轮子午弦长的中后部，且在该区域造成间隙损失及主要泄漏量，因此在常规的半开式或开式向心涡轮叶轮顶部区域子午弦长的中后部布置密封结构是最有效的。

前已述及，向心透平叶轮顶部间隙泄漏主要是由两种因素共同作用的结果，一种是叶轮顶部截面与轮盖之间的相对运动，另一种是叶轮顶部间隙压力面侧与吸力面侧的压差。前一种因素对泄漏来说是积极的影响，它能在一定程度上抑制泄漏，而间隙两侧的压差则是造成间隙泄漏及间隙损失的最主要因素。

基于上述分析，减小半开式或开式向心涡轮叶轮顶部间隙损失及泄漏的一种方法就是在叶轮叶片顶部区域的局部利用流场自身作用力构建射流削弱间隙泄漏涡强度并且减小间隙两侧的压差。因此，发明人提出采用在叶轮顶部区域布置凹缝来达到上述目的。

向心涡轮叶轮在工作时，工质在叶轮叶片1的压力面侧4的压力高于吸力面侧6的压力，将热能转换成机械能，推动叶轮叶片1做功，通过在叶轮叶片1的顶部5当地叶高的20％区域的局部布置一系列凹缝8，使叶片1压力面侧4与吸力面侧6的工质相互贯通，在流场自身作用下，一少部分工质从压力面侧4向吸力面侧6流动，以削弱顶部间隙泄漏涡强度，降低间隙损失。

虽然有一少部分工质通过在叶轮叶片1顶部区域当地叶高20％范围内局部布置的一系列凹缝8向吸力面侧6流动，增加了泄漏量，但是正是由于这种工质在叶顶区域5局部凹缝泄漏的影响，减小了主要影响顶部间隙泄漏量的压差，降低了间隙泄漏量，从总体上减小了顶部间隙的泄漏量，增加了向心涡轮输出功率。

根据具体向心涡轮顶部间隙的泄漏特性及叶轮叶片顶部5沿子午弦长的几何角变化特征，凹缝8的周向方向与叶轮的旋转方向相同或成一定夹角后能更好地达到提高效率和增加输出功率的目的。

根据具体向心涡轮顶部间隙的泄漏涡强度，凹缝8在叶片1压力面侧4与吸力面侧6的开口面积相同或不同，使工质在凹缝8中减速或加速，以更好地达到提高效率和增加输出功率的目的。

由于半开式或开式叶轮的工作转速很高，凹缝8的开口面积要不小于底面面积，且与底面相接的地方应具有合适的圆角，以减小应力，避免应力集中，提高向心涡轮叶轮的可靠性。

申请人对国内外相关的向心涡轮叶轮叶片顶部结构的专利及其文献作了检索，经检索结果显示，未发现与本发明结构特征相近的向心涡轮叶轮叶片顶部结构。

Claims (5)

1.一种提高向心涡轮效率的叶轮叶片顶部结构，包括半开式或开式向心涡轮的叶轮叶片(1)，其特征在于，在所述叶轮叶片(1)的顶部(5)设置有一系列凹缝(8)；该凹缝(8)布置在距离叶轮叶片顶部(5)20％的当地叶高区域及叶轮顶部子午线长由前部起30％～100％范围内，所述凹缝(8)在叶轮叶片压力面侧与吸力面侧的开口面积相同或不同。

2.如权利要求1所述的提高向心涡轮效率的叶轮叶片顶部结构，其特征在于，所述的凹缝(8)深度与宽度比值为1.0～5.0，凹缝(8)间距与宽度比值为3.0～15.0。

3.如权利要求1所述的提高向心涡轮效率的叶轮叶片顶部结构，其特征在于，所述凹缝(8)的周向方向与叶轮旋转方向相同或成一定夹角。

4.如权利要求1所述的提高向心涡轮效率的叶轮叶片顶部结构，其特征在于，所述凹缝(8)在叶轮叶片顶部的开口面积与凹缝底面面积相同或其比值大于1。

5.如权利要求1所述的提高向心涡轮效率的叶轮叶片顶部结构，其特征在于，所述的凹缝(8)底面具有合适的圆角。

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