CN109026186B - 一种抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合被动控制技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合被动控制技术，仿生减阻结构布置在径流涡轮进口区域的机匣表面上；涡轮叶顶间隙尺寸沿涡轮进口到出口具有变化特征；叶片叶顶厚度分布沿涡轮进口到出口具有变化特征。仿生减阻结构用以减少由于径流叶片的顶部与机匣之间的相对运动而引起的刮削流所导致的壁面摩擦损失，叶顶间隙尺寸分布以及叶顶厚度分布沿所述径流涡轮进口至出口的方向均可变化，以使得由于所述径流叶片叶顶的压力面与吸力面之间的压差引起的泄漏流得到抑制。本发明能有效控制径流涡轮叶顶间隙流及相应损失，使气动效率增加，有效提高径流涡轮的能量的利用效率，可广泛用于航空航天、交通运输、压缩空气储能等多个领域。

Description

一种抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合被动控制技术

技术领域

本发明属于流体机械中的径流涡轮技术领域，涉及径流涡轮叶顶间隙流损失的控制，具体地说是一种抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合控制结构。

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。作为流体机械的一种，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、加工以及安装精度、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控制间隙流损失。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”以及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，泄漏流影响开始增加；(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。但径流涡轮叶片厚度相对较小，因此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动结构种类多、损失大、运行效率低的问题，本发明公开了一种抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合被动控制技术，涉及径流式涡轮中的向心、混流等型式，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：

一种抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合被动控制技术，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；

叶顶间隙尺寸分布以及叶顶厚度分布沿所述径流涡轮进口至出口的方向均具有变化特征，该变化特征应满足使得由于所述径流叶片的压力面与吸力面之间的压差引起的泄漏流得到抑制。

本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合控制结构，其工作原理为：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顶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；叶顶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，因此需要多种流动控制技术减小流动损失。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；通过调整叶顶间隙形态，控制叶顶间隙泄漏流通流面积，减少泄漏流强度，抑制泄漏流损失；通过改变叶顶厚度分布，控制叶片压力面和吸力面之间压差，减弱叶顶间隙泄漏流驱动力，抑制泄漏流损失。

优选地，所述径流涡轮布置有静叶。

优选地，所述径流涡轮为向心式、或混流式涡轮，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、转速设计参数确定。

优选地，所述仿生减阻结构为呈阵列布置在所述径流涡轮进口处的机匣内表面的凸包、凹坑、棱纹或沟槽。所述凸包、凹坑、棱纹或沟槽的数量、间隔距离、深度/高度、半径、长度根据实际运行工况确定。

优选地，所述仿生减阻结构可以直接在机匣上加工形成，也可以将带有减阻结构的薄膜贴附在机匣上实现。

优选地，通过调整机匣型线，改变叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向变化特征。

优选地，所述叶顶间隙尺寸分布沿所述径流涡轮进口至出口的方向的变化形式为逐渐增加、逐渐减少、先增加后减小或先减小后增加，或在特定流向位置突扩、突减等。突扩或突减的位置根据具体向心涡轮几何尺寸和运行工况确定。

优选地，所述叶顶厚度分布沿所述径流涡轮进口至出口的方向的变化形式为逐渐增加、逐渐减小、特定流向位置之前保持不变之后逐渐缩小、特定流向位置之前保持不变之后逐渐增加、先增加后减小、或按照标准翼型厚度分布等，具体变化方式根据向心涡轮几何尺寸和运行工况确定。

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多元耦合控制结构。

优选地，所述径流涡轮采用的工作介质是空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂或水蒸气等。

本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合控制结构，其工作过程是：工质首先进入涡轮静叶，在涡轮静叶中加速，随后进入径流叶轮推动叶轮转动做功，气流在叶轮内推动叶轮做功的同时，流动方向也发生变化。通过在叶轮进口区域轮盖侧布置减阻结构，减少壁面摩擦损失；通过调整轮盖型线，改变叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向变化特征，进一步控制间隙流泄漏量；通过调整叶顶位置处，叶片厚度分布从叶轮进口到出口的变化特征，进一步控制间隙流泄漏量。

本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合控制结构中，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。减阻结构的外形可以是凸包、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。仿生减阻结构可以直接在机匣上加工，也可以将带有减阻结构的薄膜贴附在机匣上实现。随着运行工况的不同，可以通过替换机匣或薄膜以改变减阻结构，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多元耦合控制结构中，叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向的变化特征，可以是逐渐增加、逐渐减少、先增加后减小、先减小后增加，在特定流向位置突扩、突减等。变化特征以及突扩、突减的位置根据具体向心涡轮几何尺寸和运行工况确定。上述变化特征通过直接加工机匣型线或采用机匣覆膜的方式实现，随着运行工况的不同，通过替换不同形状的机匣和薄膜，改变叶顶间隙尺寸变化特征，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多元耦合控制结构中，叶片厚度分布从叶轮进口到出口的变化特征，可以是逐渐增加、逐渐减小；特定流向位置之前保持不变，之后逐渐缩小；特定流向位置之前保持不变，之后逐渐增加；以及先增加后减小、按照标准翼型厚度分布等。具体变化方式根据向心涡轮几何尺寸和运行工况确定。

本发明的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合控制结构中，仿生减阻结构、叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向变化特征、叶片厚度分布沿叶轮进口到出口的变化特征三者具体几何参数通过整体优化设计确定，保证控制效果最优。

本发明的径流涡轮，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。所述工质气体具体是空气、氮气、氧气、二氧化碳、燃气、天然气、氨气、氟利昂或水蒸汽。

本发明的径流涡轮，其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、压缩空气储能、化工过程膨胀机、火箭发动机涡轮泵等。

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多元耦合控制结构，采用模块化设计，控制结构可实现多种组合，因此对径流涡轮的几何结构和运行工况的适应性强。

2、将减阻结构与多种泄漏流控制结构进行耦合，使径流涡轮叶顶的间隙流损失得到抑制，运行效率提高，做功能力增强，适用于各类不同负荷等级的径流涡轮，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，同时具有加工方便、造价低等特点，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为径流涡轮内气流工作过程图；

图2为抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合控制结构示意图；

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为径流涡轮叶顶间隙分布从叶轮进口到出口变化示意图，其中，(a)为叶顶间隙尺寸逐渐减少的结构；(b)为叶顶间隙尺寸逐渐增加的结构；(c)为叶顶间隙尺寸在特定流向位置突增的结构；(d)为叶顶间隙尺寸在特定流向位置突减的结构；

图5为径流涡轮叶顶厚度分布从叶轮进口到出口变化示意图，其中，(a)为叶顶厚度分布逐渐增加的结构；(b)为叶顶厚度分布逐渐减少的结构；(c)为叶顶厚度分布在特定流向位置之前保持不变之后逐渐缩小的结构；(d)为叶顶厚度分布在特定流向位置之前保持不变后逐渐扩大的结构；(e)为叶顶厚度分布按照标准翼型厚度分布的结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

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。径流涡轮的上游可进一步设置涡轮静叶30。径流涡轮可以为向心式、混流式涡轮等，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外形和结构尺寸、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，泄漏流影响逐渐增加；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多个部段采用了不同的控制结构，该多元耦合控制结构包括：(1)在径流涡轮进口处的机匣内表面上设置了仿生减阻结构40，以减少由于刮削流所导致的壁面摩擦损失；(2)通过调整机匣型线，改变叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向变化特征50，进一步控制间隙流泄漏量；(3)以及叶顶厚度分布从进口到出口方向变化特征60，进一步控制间隙流泄漏量。

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，仿生减阻结构40包括多种结构形式，其外形可采用凹坑、凸包、棱纹、沟槽结构，减阻结构的数量、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、工质粘度等参数确定，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、W₁、W₂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，通过替换机匣和薄膜以改变仿生减阻结构，实现最佳的控制效果。

如图4所示，为控制间隙流泄漏量，通过调整机匣型线，改变叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口的分布。其中，L_clr1为叶轮进口间隙高度，L_clr2为叶轮出口间隙高度，L_ifp为叶顶间隙突变起始流向位置。叶顶间隙尺寸在叶轮进口到出口方向变化特征，可以是逐渐增加、逐渐减少、先增加后减小、先减小后增加、或在特定流向位置突扩、突减等。例如当选择叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向先不变后突然缩小的结构时，突缩拐点所在的流向位置L_ifp根据间隙刮削流向间隙流转变的位置确定。当刮削流引起的壁面摩擦损失占主导作用时，使叶顶间隙适当增加，减少刮削流与泄漏流的相互作用，抑制损失；当泄漏流引起的泄漏损失占主导作用时，减小叶顶间隙尺寸，控制泄漏流的泄漏量，减少泄漏流与主流掺混引起的损失。

如图5所示，为进一步控制间隙流泄漏量，通过调整叶顶位置处叶顶厚度沿所述径流涡轮进口至出口方向的分布。叶顶厚度分布从叶轮进口到出口的变化特征，可以是逐渐增加、逐渐减小；特定流向位置之前保持不变，之后逐渐缩小；特定流向位置之前保持不变，之后逐渐增加；以及先增加后减小、按照标准翼型厚度分布等。例如可选择叶顶厚度从叶轮进口到出口先保持不变，在流向位置L_Flow点后，叶片厚度逐渐减小。流向位置根据泄漏流强度确定。通过减小叶顶厚度分布，降低叶片压力面和吸力面两侧压差，减小泄漏流推动力。最终控制泄漏流强度，降低泄漏流与主流掺混，抑制泄漏流损失。

上述进口机匣表面仿生减阻结构、叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向变化特征、以及叶顶厚度分布从进口到出口方向变化特征三个方案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目标。仿生减阻结构、叶顶间隙尺寸从叶轮进口到出口方向变化特征、叶片厚度分布从叶轮进口到出口的变化特征三者具体几何参数通过整体优化设计确定，保证控制效果最优。

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 (7)

1.一种抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合控制结构，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而引起的刮削流所导致的壁面摩擦损失；

仿生减阻结构为呈阵列布置在所述径流涡轮进口处的机匣内表面的凸包、凹坑、棱纹或沟槽结构形式；凸包、凹坑、棱纹或沟槽的数量、间隔距离、深度、高度、半径或长度根据实际运行工况确定；叶顶间隙尺寸分布以及叶顶厚度分布沿所述径流涡轮进口至出口的方向均具有变化特征，该变化特征应满足使得由于所述径流叶片叶顶的压力面与吸力面之间的压差引起的泄漏流得到抑制；

通过调整机匣内表面的型线，改变叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向的变化特征；

叶顶间隙尺寸沿叶轮进口到出口方向的变化形式为逐渐增加、逐渐减少、先增加后减小或先减小后增加；

叶顶厚度分布从叶轮进口到出口的变化形式为逐渐增加或逐渐减小；所述叶顶厚度分布的具体变化方式根据向心涡轮几何尺寸和运行工况确定。

2.根据权利要求1所述的多元耦合控制结构，其特征在于，所述径流涡轮布置有静叶。

3.根据权利要求1所述的多元耦合控制结构，其特征在于，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。

4.根据权利要求1所述的多元耦合控制结构，其特征在于，所述仿生减阻结构直接在机匣上加工形成或将带有仿生减阻结构的薄膜贴附在机匣上实现。

5.一种径流涡轮，所述径流涡轮包括上述权利要求1-4任一项所述的抑制径流涡轮叶顶间隙流损失的多元耦合控制结构。

6.根据权利要求5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、压缩空气储能、化工过程膨胀机或火箭发动机涡轮泵。

7.根据权利要求5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。