CN104847416A - 叶顶围带及透平机 - Google Patents

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张万福
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Abstract

叶顶围带及透平机，透平机包括气缸和布置在气缸中并且能够相对气缸转动的叶轮，叶顶围带围绕叶轮顶端设置并且包括：沿其外周面周向均匀隔开布置的多个叶栅，所述多个叶栅为叶顶围带的外周面上的多个突起。根据本发明的叶顶围带及透平机，能够有效利用泄漏流体能量，抑制流体激振力，提高级内效率。

Description

叶顶围带及透平机
技术领域
本发明总体涉及透平机械，具体涉及一种用于透平机叶轮的叶顶围带。
背景技术
目前国内外公认，透平机械叶顶流体激振问题是影响机组的安全、稳定、可靠运行的关键因素之一。随着机组向着大容量、高参数方向发展以及现代社会对大型设备节能减排要求的不断提高，抑制透平机械叶顶流体激振就显得越来越重要。
目前，国内外抑制叶顶流体激振的主要措施包括4方面：(1)叶顶形状改进设计。对于含有围带的叶片，将叶顶围带外表面形状由光滑形改为非光滑形，如：在围带上开凹槽来增大泄漏流动阻力等；对于不含围带的叶片，将其顶部外表面形状由光滑平面改为蜂窝状平面等；(2)气缸内表面改进设计。最常见的方法是在气缸内表面和叶顶围带之间布置梳齿型密封。总的趋势是：密封齿数越来越多，密封形式越来越复杂。近些年来，也出现了一些新技术，如：在气缸内表面增设导流环，气缸内表面和叶尖之间采用非均匀间隙设计等；(3)减少泄漏量沿圆周方向上的不均匀性，如：调整转子在气缸内的偏心等；(4)外部止涡结构，如：抽出/注入逆向气流。
上述技术对于抑制透平机械叶顶流体激振是有效的，但是其效果在很大程度上取决于叶顶间隙的大小，叶顶间隙越小，效果越好。对于透平机械而言，为了防止动静摩擦以及由此可能产生的叶片断裂等事故，叶尖间隙不可能取得很小。另一方面，由于流体在上级静叶出口(即动叶叶顶间隙入口)具有较大的入口预旋速度，在入口预旋速度及转子表面线速度的带动下，叶顶间隙内流体在周向将形成不均匀的压力分布，间隙内螺旋形流动效应、气体轴承效应都将增强，这正是诱发流体激振的主要原因。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的某些或某个缺陷，本发明提出一种用于透平机叶轮的叶顶围带以及带有该叶顶围带的透平机，该叶顶围带和透平机能够抑制透平机械的叶顶流体激振。
根据本发明的一个方面，提供一种用于透平机叶轮的叶顶围带，透平机包括气缸和布置在气缸中并且能够相对气缸转动的叶轮，叶顶围带围绕叶轮顶端设置并且包括：沿其外周面周向均匀隔开布置的多个叶栅，所述多个叶栅为叶顶围带的外周面上的多个突起。
优选情况下，其中气缸内表面上还设置有迷宫齿，迷宫齿与叶顶围带形成气密配合。更优选情况下，其中入射气流沿叶栅突起的月牙形内弧表面吹扫通过，月牙形内弧表面的入口角度与总气流喷入角度一致，而月牙形内弧表面的出口角度与总气流逸出角度一致。
根据本发明的另一方面，提供一种透平机，包括气缸和布置在气缸中并且能够相对气缸转动的叶轮，其中围绕叶轮顶端设置有叶顶围带，叶顶围带沿其外周面周向均匀隔开布置有多个叶栅，所述多个叶栅为叶顶围带的外周面上的多个突起。
优选情况下，其中气缸内表面上还设置有迷宫齿，迷宫齿与叶顶围带形成气密配合。
优选情况下，其中气缸内表面上固定设置有支撑外壳，迷宫齿设置在支撑外壳上。
优选情况下，其中叶栅突起的横截面形状为月牙形。更优选情况下，其中入射气流沿叶栅突起的月牙形内弧表面吹扫通过，月牙形内弧表面的入口角度与总气流喷入角度一致，而月牙形内弧表面的出口角度与总气流逸出角度一致。
与现有技术相比，本发明提出的叶顶围带以及透平机有益效果如下：
(1)通过在叶顶围带的间隙入口设置叶栅，改变了流体在叶顶间隙入口的流动速度，即叶顶间隙入口预旋(流体激振力产生的主要原因)，叶顶间隙内流体在入口流动方向由正预旋变为负预旋，减小了流体周向流动，降低了流体的螺旋形流动效应和气体轴承效应，抑制了流体激振力。CFD数值模拟计算结果表明，与传统结构相比，本发明结构使叶顶流体激振力减少了85％左右。
(2)气流以一定的预旋角度和速度进入叶顶围带的叶顶间隙首先作用于叶栅上，可将泄漏流体的动能转化为轮周功，有效地利用了泄漏流体能量。
(3)在叶顶围带的作用下叶顶间隙泄漏流体在出口将以与主流一致的角度进入下级，因此可以降低叶顶间隙出口混流作用，同时也优化了泄漏流体进入下级静叶的攻角，从而降低了混流和攻角损失，提高了级内效率。
附图说明
图1是本发明透平机的局部结构示意图；
图2是本发明叶顶围带的叶栅中气体的流动示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明，本领域技术人员应该理解，实施例和附图只是为了更好地理解本发明，并不用来做出任何限制。参见图1，根据本发明的透平机包括气缸(图中未示出)和布置在气缸中并且能够相对气缸转动的叶轮(图中未示出)，叶顶围带2围绕叶轮顶端设置。叶顶围带2与叶轮可以是分体件，二者之间通过焊接或其它方式固定到一起。在气缸内表面固定设置有支撑外壳1，在支撑外壳1与叶顶围带2之间形成叶顶间隙，流经叶轮的总气流的一部分会从叶顶间隙流过。在叶顶间隙气流入口5处的叶顶围带2上沿其外周面周向均匀隔开布置有一列叶栅4。另外，在叶顶间隙气流出口6处的支撑外壳1内表面上可以设置有数个迷宫齿3，迷宫齿3与叶顶围带2形成气密配合，形成传统型式的围带密封。在本发明的某些实施例中，支撑外壳1可以省略，直接由气缸内壁取代支撑外壳1。
在本发明的某些实施例中，叶栅4为叶顶围带2的外周面上的多个突起。参见图2，叶栅突起的横截面形状为月牙形。其中入射气流沿叶栅突起的月牙形内弧表面吹扫通过，月牙形内弧表面的入口角度与总气流喷入角度8(上游喷嘴气流出口角度)一致，而月牙形内弧表面的出口角度与总气流逸出角度9(动叶气流出口角度)一致。
本发明的叶顶围带在叶顶间隙入口设置叶栅，气流以一定的预旋角度和速度进入叶顶间隙首先作用于叶栅上，可将泄漏流体的动能转化为轮周功，有效地利用了泄漏流体能量。
如图2所示，叶顶围带改变了流体在叶顶间隙入口的流动速度，即叶顶间隙入口预旋(流体激振力产生的主要原因)，叶顶间隙内流体在入口流动方向由正预旋变为负预旋，减小了流体周向流动，降低了流体的螺旋形流动效应和气体轴承效应，抑制了流体激振力。表1给出了本发明与传统叶尖梳齿式密封结构气流激振力比较，可以看出与传统叶顶结构相比，本发明内流体激振力大幅下降，本发明结构抑制流体激振力较强。
同时，在叶顶围带的作用下叶顶间隙泄漏流体在出口将以与主流一致的角度进入下级，因此可以降低叶顶间隙出口混流作用，同时也优化了泄漏流体进入下级静叶的攻角，从而降低了混流和攻角损失，提高了级内效率。表2给出了传统结构和本发明结构的泄漏率对比，可以看出泄漏率减少了5％左右。
发明人在实验中还意外地发现，当叶栅突起和迷宫齿按以下方式设置时，抑制流体激振力和降低泄漏率效果最佳。叶顶围带外周面与迷宫齿内端之间的距离：0.3mm～1.5mm。叶栅突起的高度为12mm～14mm，与气缸内表面之间的距离为3mm～5mm。各个突起数量z为：z＝πdm/t，其中dm为突起平均直径，t为突起节距，由根据叶型气动特性试验曲线及数据确定。
表1
径向激振力/N 切向激振力/N
传统结构 1645 2843
本发明结构 254 362
表2泄漏率(叶顶间隙泄漏量占主流比例)对比
传统结构/％ 本发明结构/％
3000rpm 0.651 0.621
6000rpm 0.665 0.643
9000rpm 0.682 0.654

Claims (10)

1.一种用于透平机叶轮的叶顶围带，透平机包括气缸和布置在气缸中并且能够相对气缸转动的叶轮，叶顶围带围绕叶轮顶端设置并且包括：沿其外周面周向均匀隔开布置的多个叶栅，所述多个叶栅为叶顶围带的外周面上的多个突起。
2.根据权利要求1的叶顶围带，其中气缸内表面上还设置有迷宫齿，迷宫齿与叶顶围带形成气密配合。
3.根据权利要求2的叶顶围带，其中气缸内表面上固定设置有支撑外壳，迷宫齿设置在支撑外壳上。
4.根据权利要求1的叶顶围带，其中叶栅突起的横截面形状为月牙形。
5.根据权利要求4的叶顶围带，其中入射气流沿叶栅突起的月牙形内弧表面吹扫通过，月牙形内弧表面的入口角度与总气流喷入角度一致，而月牙形内弧表面的出口角度与总气流逸出角度一致。
6.一种透平机，包括气缸和布置在气缸中并且能够相对气缸转动的叶轮，其中围绕叶轮顶端设置有叶顶围带，叶顶围带沿其外周面周向均匀隔开布置有多个叶栅，所述多个叶栅为叶顶围带的外周面上的多个突起。
7.根据权利要求6的透平机，其中气缸内表面上还设置有迷宫齿，迷宫齿与叶顶围带形成气密配合。
8.根据权利要求6的透平机，其中气缸内表面上固定设置有支撑外壳，迷宫齿设置在支撑外壳上。
9.根据权利要求6的透平机，其中叶栅突起的横截面形状为月牙形。
10.根据权利要求9的透平机，其中入射气流沿叶栅突起的月牙形内弧表面吹扫通过，月牙形内弧表面的入口角度与总气流喷入角度一致，而月牙形内弧表面的出口角度与总气流逸出角度一致。
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