CN108915789B - 一种径流涡轮叶顶间隙流损失的被动-主动耦合控制结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径流涡轮叶顶间隙流损失的被动‑主动耦合控制结构，仿生减阻结构布置在涡轮叶轮进口区域机匣表面；机匣射流结构布置在叶轮下游区域。其中仿生减阻结构包括：仿生减阻突起、凹坑、沟槽等；机匣射流结构包括：射流缝、射流孔等，射流方向角、射流流量、射流结构的几何尺寸根据实际工况确定和调整。涡轮类型为向心式、混流式等。本发明能有效控制径流涡轮叶顶间隙流损失，提高径流涡轮气动效率和做功能力，增加涡轮对能量的利用率，可广泛用于航空航天、交通运输、压缩空气储能等多个领域，尤其适用于高压径流涡轮。

Description

一种径流涡轮叶顶间隙流损失的被动-主动耦合控制结构

技术领域

本发明涉及流体机械中的径流涡轮领域，涉及一种径流涡轮叶顶间隙流损失的被动-主动耦合控制结构，具体地说是一种将多种泄漏流损失控制技术耦合的径流涡轮。

背景技术

近年来，径流涡轮应用十分广泛，结构型式也多种多样，为工业生产、民众生活提供电力和动力。为了使单位体积的设备在同等热力参数下尽可能多的输出机械能，就需要提高径流涡轮的效率。作为旋转机械的一种，径流涡轮的叶轮与机匣存在相对运动，二者之间势必存在间隙，而这种间隙结构使径流涡轮中的工质产生叶顶间隙流动损失，并且这种损失是径流涡轮的流动损失的重要组成部分，因此采用合适的技术手段控制径流涡轮叶顶间隙流损失是提高径流涡轮效率的重要途径。

目前，控制径流涡轮间隙流损失的主要技术手段是减小间隙尺寸，但这种方法受叶轮与机匣的几何形状、加工及安装精度、振动位移等因素影响，为防止叶轮与机匣碰撞摩擦，在实际应用中间隙尺寸不可能太小，应用受到限制。针对轴流式涡轮的间隙流损失控制技术虽然很多，诸如叶顶射流、叶顶等离子体控制、叶尖小翼结构、叶顶沟槽结构等。但应用在径流式涡轮上还存在如下问题：一、径流式涡轮叶顶间隙流场结构复杂，采用单一控制手段难以有效减少间隙流损失。径流涡轮的间隙流主要可分为由机匣和叶轮顶部间相对运动所引起的“刮削流”和叶片顶部压力面和吸力面两侧压差产生的“泄漏流”两种。并且这两种流动的主导作用随叶轮进口段、中间段和出口段位置的不同而存在差异：（1）进口段区域叶轮叶片与机匣间相对速度高，机匣相对运动引起的刮削流对间隙流损失较大；（2）中间段区域工质所处半径减小，相对流动速度较低，刮削作用减弱，泄漏流影响增加；（3）出口段区域工质基本沿轴向方向运动，半径进一步减小，泄漏流起主要影响。二、径流叶轮加工结构特殊，与轴流涡轮差异较大。常规轴流涡轮的叶片厚度大，因此在常规轴流叶顶位置加工沟槽、射流/抽吸孔等较为容易。但径流涡轮外径尺寸和叶片厚度小，在叶顶位置加工沟槽、钻取射流/抽吸孔等结构存在困难。综上所述，需要针对径流涡轮结构和加工特点，采用多种间隙流损失控制手段相结合的方法实现径流涡轮效率的提高。

发明内容

为解决径流式涡轮叶顶间隙流种类多、损失大、运行效率低、做功能力弱的问题，本发明公开了一种径流涡轮叶顶间隙流损失的被动-主动耦合控制结构，该技术解决了径流涡轮间隙流损失大的问题，满足了径流涡轮高效运行的需求，促进了径流涡轮在高效运行系统上的应用。该技术使径流涡轮运行效率更高，同时具有加工方便、造价低等特点，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种径流涡轮叶顶间隙流损失的被动-主动耦合控制结构，所述径流涡轮包括径流叶轮和机匣，所述径流叶轮同轴布置在所述机匣中，所述径流叶轮沿其周向均匀分布多个径流叶片，所述径流叶片的顶部与所述机匣之间存在叶顶间隙，其特征在于，

所述径流涡轮进口处的机匣内表面沿其周向布置有仿生减阻结构，所述仿生减阻结构用以减少由于所述径流叶片的顶部与所述机匣之间的相对运动引起的刮削流所导致的壁面摩擦损失；

所述径流涡轮出口处的机匣内表面沿其周向布置有射流结构，所述射流结构用以喷射气流以改变所述径流涡轮出口处叶顶间隙泄漏涡的分布特征，利用叶顶间隙泄漏涡低压特征提高涡轮叶片的载荷和做功能力，通过改变泄漏流与主流掺混特征减少叶顶间隙泄漏涡损失。

本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的控制结构，其间隙流损失控制原理为：径流涡轮叶顶间隙流损失主要受叶顶与机匣相对运动引起的刮削流和叶片顶部压力面和吸力面压差引起的泄漏流共同影响。刮削流与机匣高速摩擦产生壁面摩擦损失；叶片顶部压力面和吸力面压差形成的泄漏流与主流掺混形成泄漏流损失，二者损失机理不同，因此需要采取不同的流动控制技术来减小流动损失。通过采用基于仿生学原理的减阻结构减少刮削流引起的壁面摩擦损失；通过机匣射流结构改善叶顶间隙泄漏涡强度和分布特征，在减少流动损失的同时，利用泄漏涡低压特性提高叶片做功能力，提高效率。

优选地，所述径流叶轮的上游布置有静叶。

优选地，所述径流涡轮的类型为向心式、混流式等，所述径流涡轮为单级或多级结构。涡轮个数及几何外形和结构尺寸、转速随设计参数确定。

本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的控制结构中，在叶轮进口区域位置，在机匣上布置仿生减阻结构，通过降低叶轮进口气流与机匣的摩擦阻力，减小气流损失。

优选地，所述仿生减阻结构呈阵列布置，其外形可以是凸包、凹坑、棱纹、沟槽等。减阻结构的数量、间隔距离、深度/高度、半径、长度根据具体的径流涡轮的几何尺寸、运行参数确定。

优选地，所述仿生减阻结构可以直接在机匣上加工，也可以将带有仿生减阻结构的薄膜贴附在机匣上实现。随着运行工况的不同，通过替换机匣和薄膜以改变减阻结构参数，实现最佳的控制效果。

本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的控制结构中，在叶轮出口区域的机匣位置处布置射流结构，通过射流气改善叶顶间隙泄漏涡的分布特征，利用叶顶间隙泄漏涡低压特征提高涡轮叶片载荷和做功能力，通过改变泄漏流与主流掺混特征减少叶顶间隙泄漏涡损失。

优选地，所述射流结构为周向布置在所述径流涡轮出口处的机匣内表面的射流缝或射流孔等，所述射流缝或射流孔的射流气角度、射流气流量根据径流涡轮设计参数确定。对于给定的径流涡轮，射流气角度、射流气流量可以根据运行工况主动调节，提高该涡轮在非设计工况下的做功能力和效率。

本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的控制结构中，所述仿生减阻结构、射流结构二者具体几何参数和气流参数通过整体优化设计确定，保证控制效果最优。

优选地，所述的径流涡轮其工质气体来源包括大气、发动机尾气、锅炉蒸汽、燃气、工业排放烟气、压缩空气、太阳能集热器蒸汽、蓄热器蒸汽、化工过程气体等。

优选地，所述径流涡轮，其所述工质是空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、等。

根据本发明的另一方面，还提供了一种径流涡轮，所述径流涡轮包括本发明的上述抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的控制结构。

同现有技术相比，本发明的优点与有益效果为：

1. 本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的控制结构，采用模块化设计，控制结构参数可实现多种组合，因此对径流涡轮的几何外形和运行工况的适应性强。

2.将仿生减阻结构与机匣射流结构进行耦合优化，使径流涡轮间隙流引起的各类损失得到综合控制，能量利用效率更高，做功能力增强，适用于不同负荷等级的径流涡轮。

附图说明

图1为径流涡轮内气流工作过程图；

图2为抑制径流轮叶顶间隙流损失的控制结构示意图；

图3为径流涡轮进口处的仿生减阻结构示意图，其中，（a）为凹坑形式的减阻结构，（b）为凸包形式的减阻结构，（c）为棱纹形式的减阻结构，（d）为沟槽形式的减阻结构；

图4为径流涡轮机匣射流结构示意图，其中，（a）为射流缝结构，（b）为射流孔结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

如图1所示，径流涡轮包括径流叶轮10和机匣20，径流叶轮10同轴设置在机匣20内，径流叶轮10沿其周向均匀分布多个径流叶片11，径流叶片11的顶部与所述机匣20之间存在叶顶间隙。径流叶轮10的上游可进一步设置静叶30。径流涡轮可以为向心式、混流式等，且径流涡轮可以为单级或多级结构。径流涡轮的个数及几何形状和结构尺寸、转速随设计参数确定。工质气流在径流涡轮中流动时，工质首先进入涡轮静叶30，在涡轮静叶30中加速，随后进入径流叶轮10推动叶轮转动做功，气流在叶轮内推动叶轮做功的同时，流动方向也发生变化。由于径流涡轮叶顶间隙的存在，气流在径流涡轮中流动时存在叶顶间隙流损失，径流涡轮叶顶间隙流损失主要受叶顶与机匣20相对运动引起的刮削流和叶片顶部压力面和吸力面压差引起的泄漏流共同影响。刮削流与机匣20高速摩擦产生壁面摩擦损失；叶片顶部压力面和吸力面压差形成的泄漏流与主流掺混形成泄漏流损失，二者损失机理不同，且两种流动的主导作用随叶轮进口段、中间段和出口段位置的不同而存在差异，进口段区域径流叶轮与机匣间相对速度高，机匣相对运动引起的刮削流对间隙流损失较大；中间段区域工质所处半径减小，相对流动速度较低，刮削作用减弱，泄漏流影响增加；出口段区域工质基本沿轴向方向运动，半径进一步减小，泄漏流起主要影响。针对两种流动的不同特点，需要采用不同的流动控制结构以减小流动损失。

如图2所示，为抑制径流涡轮叶顶间隙流损失，本发明在径流涡轮的不同部段设置了不同类型的控制结构，包括：（1）设置在涡轮进口机匣表面的仿生减阻结构40；（2）设置在涡轮出口机匣表面的射流结构50。

如图3所示，为减少由于刮削流所导致的壁面摩擦损失，在叶轮进口区域位置的机匣内表面上布置仿生减阻结构40，进口机匣表面的仿生减阻结构40可采用凹坑、凸包、棱纹、沟槽等结构，仿生减阻结构的形状参数（深度、直径）、间隔距离、分布范围根据径流涡轮进口气流速度、粘度等参数确定，图中，参数D为凹坑或沟槽深度，H为突起高度，S为凹坑、突起、沟槽的间距，W、W ₁ 、W ₂ 为凹坑、突起、沟槽的宽度。仿生减阻结构40可以直接在机匣20上加工，也可以将带有仿生减阻结构的薄膜贴附在机匣20上实现。随着运行工况的不同，通过替换机匣或薄膜以改变仿生减阻结构，实现最佳的控制效果，并减少对机匣的加工，降低成本。

如图4所示，为控制间隙流泄漏量，在涡轮出口区域的机匣壁面上设置射流结构50，机匣射流结构可以采用射流缝、射流孔等结构形式；射流结构的位置、入射缝宽度、入射孔直径、入射孔间隔、入射气流的角度、入射气流的质量流量根据径流涡轮实际设计参数确定，对于特定径流涡轮的机匣射流结构，入射气流的角度、入射气流的质量流量可以随运行工况进行调节，提高涡轮非设计工况下的效率和做功能力。

当采用射流缝结构时，射流缝与轮盘轴向距离C根据间隙刮削流向间隙流转变位置确定。射流缝缝宽L、射流气机匣射流俯射角α、机匣射流偏转角β、射流流量根据径流涡轮运行工况。当径流涡轮的运行工况发生变化时，射流气机匣射流俯射角α、机匣射流偏转角β、射流流量可进行相应调整，使径流涡轮在非设计工况下也能保持较高的做功能力和效率。

上述进口机匣表面的仿生减阻结构40、出口机匣射流结构50两种控制结构同时采用并耦合到径流涡轮中，通过对不同类型间隙流的综合控制，实现抑制间隙流损失的功能。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (6)

1.一种径流涡轮叶顶间隙流损失的被动-主动耦合控制结构，所述径流涡轮包括径流叶轮和机匣，所述径流叶轮同轴布置在所述机匣中，所述径流叶轮沿其周向均匀分布多个径流叶片，所述径流叶片的顶部与所述机匣之间存在叶顶间隙，其特征在于：

所述径流涡轮进口区域，机匣内表面沿其周向布置有仿生减阻结构，所述仿生减阻结构用以减少由于所述径流叶片的顶部与所述机匣之间的相对运动引起的刮削流所导致的壁面摩擦损失；

所述径流涡轮出口区域，机匣内表面沿其周向布置有射流结构，所述射流结构用以喷射气流以改变所述径流涡轮出口处叶顶间隙泄漏涡的分布特征，利用叶顶间隙泄漏涡低压特征提高涡轮叶片的载荷和做功能力，并减少叶顶间隙泄漏涡引起的流动损失；

所述径流叶轮的上游布置有静叶；

所述径流涡轮为向心式或混流式，所述径流涡轮为单级或多级结构。

2.根据权利要求1所述的控制结构，其特征在于：所述仿生减阻结构形态包括：凸包、凹坑结构形式，其中凸包、凹坑的数量、间隔距离、深度/高度、半径、长度根据实际运行工况确定。

3.根据权利要求1所述的控制结构，其特征在于：所述机匣射流结构采用射流缝或射流孔结构形式；射流结构的位置、入射缝宽度、入射孔直径、入射孔间隔、入射气流的角度、入射气流的质量流量根据实际径流涡轮设计参数确定。

4.一种径流涡轮，所述径流涡轮包括上述权利要求1~3任一项所述的控制结构。

5.根据权利要求4所述的径流涡轮，其特征在于：所述径流涡轮的应用领域包括但不限于：交通工具引擎涡轮增压器、中低温余热发电装置、可再生能源发电装置、化工过程膨胀机或火箭发动机涡轮泵。

6.根据权利要求4所述的径流涡轮，其特征在于：所述径流涡轮所采用的工作介质是空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气或水蒸气。