CN109209520A - 一种向心涡轮背部空腔泄漏流损失抑制密封技术 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种向心涡轮背部空腔泄漏流损失抑制密封技术。具体结构为：在向心涡轮主流道与叶轮背部空腔交界区域的机匣上设置泄漏流密封结构，密封结构可采用矩形凸起形式、梯形凸起形式、蓖齿密封结构，刷式密封结构等；该结构可采用软金属、石墨等材料以减少对叶轮的磨损；该结构可从机匣上拆卸，便于磨损后更换；可应用于航空航天、交通运输、压缩空气储能等多个领域内向心涡轮，尤其适用于高压向心涡轮。该结构优点在于：有效控制工质气体从叶轮流道向叶轮背部空腔的泄漏，以及叶轮背部空腔密封气向叶轮流道的泄漏，因此能有效控制向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流的损失，使向心涡轮气动效率增加，提高涡轮对能量的利用率，便于维护更换。

Description

一种向心涡轮背部空腔泄漏流损失抑制密封技术
技术领域
本发明涉及叶轮机械中向心涡轮技术领域，涉及到向心涡轮内部泄漏流损失控制技术，具体地说是一种向心涡轮背部空腔泄漏流损失抑制密封技术。
背景技术
叶轮机械应用十分广泛，结构型式也多种多样，在各个领域为工业生产、民众生活提供电力和动力。作为叶轮机械的一种，向心涡轮具有结构简单、成本低、单级压比高等特点得到了广泛的应用。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，就需要提高向心涡轮的效率。如图1～3所示，由于向心涡轮的叶轮10旋转，叶轮顶部、轮背与机匣20之间势必存在间隙40、50，使向心涡轮内工质与外界环境通过该间隙形成能量和质量交换，产生流动损失，降低了向心涡轮的做功能力，其流场结构如图9所示。因此采用合适的技术手段控制向心叶轮背部空腔泄漏损失是提高向心涡轮效率的重要途径。目前，控制向心涡轮内工质通过轮盘背部空腔向外部泄漏的常用手段是：在轮盘背部的中部半径位置施加篦齿密封结构60，见图1～3。但这种方法并未考虑篦齿密封结构60上游轮盘背部空腔50内工质在叶轮高速旋转离心力带动下向叶轮主流道的泄漏，以及叶轮主流道内工质与该区域内高熵工质的质量和能量交换产生的流动损失。
发明内容
为解决现有技术中的上述问题，本发明公开了一种向心涡轮背部空腔泄漏流损失抑制密封技术，该结构有效控制了工质气体从叶轮流道向叶轮背部空腔的泄漏，以及叶轮背部空腔密封气向叶轮流道的泄漏，解决了向心涡轮径流涡轮间轮盘背部空腔泄漏引起的流动损失大的问题，满足了向心涡轮高效运行的需求，使向心涡轮气动效率增加，促进了向心涡轮在能源系统上的高效运行，提高涡轮对能量的利用效率，并具有加工方便、造价低、便于维护更换等特点，应用前景广阔。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种向心涡轮背部空腔泄漏流损失抑制密封技术，所述向心涡轮包括叶轮和机匣，所述叶轮的表面沿其周向均匀分布多个叶片，所述叶轮的顶部与所述机匣之间存在轮顶间隙，所述叶轮的背部与所述机匣之间形成叶轮背部空腔，所述轮顶间隙与所述叶轮背部空腔连通，所述叶轮背部的中部半径位置处设有篦齿并与该处的机匣之间形成篦齿密封结构，其特征在于：
在所述轮顶间隙的机匣表面上沿其周向设有至少一圈用以减小通流面积的泄漏流密封结构，当叶轮背部空腔中的密封气压力高于叶轮主流道的气流压力时，所述泄漏流密封结构能够有效控制流体由叶轮背部空腔向叶轮主流道的泄漏；当叶轮背部空腔中的密封气压力小于叶轮主流道的气流压力时，所述泄漏流密封结构能够有效控制流体由叶轮主流道向叶轮背部空腔的泄漏。
优选地，所述向心涡轮的进口处还设有涡轮导叶。
优选地，所述泄漏流密封结构的几何结构型式可包括：矩形凸起、梯形凸起、蓖齿密封，刷式密封等。密封结构型式、高度、宽度、数量的选择根据向心涡轮的结构以及实际运行工况参数确定。
优选地，所述泄漏流密封结构的材料可以采用金属铜、石墨、钴基金属、非金属纤维等材料以减少对叶轮的磨损。
优选地，所述泄漏流密封结构可与机匣整体加工，也可采用可拆卸结构。
优选地，所述泄漏流密封结构采用与机匣可拆卸的结构，可通过连接件与机匣相连，便于磨损后更换。
优选地，本发明的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构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、压缩空气储能、化工过程膨胀机、火箭发动机涡轮泵等。
优选地，向心涡轮所采用的工作介质是空气、燃气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂或水蒸气等。
同现有技术相比，本发明的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构，其技术优点与有益效果为：1)向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构可采用模块化设计，可根据运行工况、磨损程度灵活更换，对向心涡轮的几何结构和运行工况的适应性强。2)有效控制工质气体从叶轮流道向叶轮背部空腔的泄漏，以及叶轮背部空腔密封气向叶轮流道的泄漏，因此能有效控制向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流的损失，使向心涡轮气动效率增加，提高涡轮对能量的利用效率，便于维护更换。
附图说明
图1为现有向心涡轮叶轮背部空腔结构示意图，图中，(A)为整体结构图，(B)为局部放大图；
图2为现有叶轮背部空腔流体向叶轮主流道泄漏示意原理图，图中，(A)为整体结构图，(B)为局部放大图；
图3为现有叶轮主流道流体向涡轮叶轮背部空腔泄漏示意原理图，图中，(A)为整体结构图，(B)为局部放大图；
图4为本发明的一种向心涡轮背部空腔泄漏流损失抑制密封技术示意图，图中，(A)为整体结构图，(B)为局部放大图；
图5为泄漏流密封结构为矩形凸起的结构示意图；
图6为泄漏流密封结构为梯形凸起的结构示意图；
图7为泄漏流密封结构为刷式密封的结构示意图；
图8为泄漏流密封结构为可拆卸结构的示意图；
图9为现有叶轮背部空腔的流场示意图；
图10为本发明叶轮背部空腔的流场示意图。
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4所示，本发明的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失的抑制结构，该结构用于抑制流体由叶轮背部空腔向叶轮主流道的泄漏运动。向心涡轮包括叶轮10和机匣20，叶轮10的表面沿其周向均匀分布多个叶片，叶轮10的顶部与机匣20之间存在叶顶间隙40，叶轮10的背部与机匣20之间形成叶轮背部空腔50，轮顶间隙40与叶轮背部空腔50连通，叶轮背部的中部半径位置处设有篦齿60并与该处的机匣之间形成篦齿密封结构。
在轮顶间隙40的机匣表面上沿其周向设有至少一圈用以减小通流面积的泄漏流密封结构70，当叶轮背部空腔中的密封气压力高于叶轮主流道11的气流压力时，泄漏流密封结构70能够有效控制流体由叶轮背部空腔50向叶轮主流道11的泄漏；当叶轮背部空腔50中的密封气压力小于叶轮主流道11的气流压力时，泄漏流密封结构70能够有效控制流体由叶轮主流道11向叶轮背部空腔50的泄漏。
如图5～7所示，该泄漏流密封结构70可采用矩形凸起、梯形凸起、蓖齿密封，刷式密封等几何结构形式，密封结构型式、高度、宽度、数量的选择根据向心涡轮的结构以及实际运行工况参数确定，图中，H为背部空腔泄漏流损失抑制结构高度，L为梯形凸起顶部与静叶机匣距离，W为矩形凸起宽度，W1为梯形凸起底部宽度，W2为梯形凸起顶部宽度，W3为刷式密封宽度。泄漏流密封结构70的材料可选用铜、石墨、钴基金属、非金属纤维等材料以减少对叶轮的磨损。
如图8所示，该泄漏流密封结构70可采用螺栓固定在机匣上，长时间运行磨损后可以拆卸并进行更换。
对比图9、10可以看出，采用本发明的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构后，向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流体的通流面积大幅度减少，泄漏流体的流动速度减小，对叶轮主流道流体运动扰动减弱，流动损失减少。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种向心涡轮背部空腔泄漏流损失抑制密封技术，所述向心涡轮包括叶轮和机匣，所述叶轮沿其周向均匀分布多个叶片，所述叶轮的顶部与所述机匣之间存在轮顶间隙，所述叶轮的背部与所述机匣之间形成叶轮背部空腔，所述轮顶间隙与所述叶轮背部空腔连通，所述叶轮背部的中部半径位置处设有篦齿并与该处的机匣之间形成篦齿密封结构，其特征在于：
在所述轮顶间隙的机匣表面上沿其周向设有至少一圈用以减小通流面积的泄漏流密封结构，当叶轮背部空腔中的密封气压力高于叶轮主流道的气流压力时，所述泄漏流密封结构能够有效控制流体由叶轮背部空腔向叶轮主流道的泄漏；当叶轮背部空腔中的密封气压力小于叶轮主流道的气流压力时，所述泄漏流密封结构能够有效控制流体由叶轮主流道向叶轮背部空腔的泄漏。
2.根据上述权利要求所述的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构，其特征在于，所述向心涡轮的进口处还设有涡轮导叶。
3.根据上述权利要求所述的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构，其特征在于：所述泄漏流密封结构的几何结构为矩形凸起、梯形凸起、蓖齿密封、或刷式密封。
4.根据上述权利要求所述的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构，其特征在于：所述泄漏流密封结构的材料为金属铜、石墨、钴基金属或非金属纤维。
5.根据上述权利要求所述的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构，其特征在于：所述泄漏流结构与机匣整体加工，或采用可拆卸结构。
6.根据权利要求5所述的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构，其特征在于：采用可拆卸结构时，所述泄漏流结构通过紧固件与所述机匣相连，便于磨损后更换。
7.根据上述权利要求所述的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构，其特征在于：所述向心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、火箭发动机涡轮泵等。
8.根据上述权利要求所述的向心涡轮叶轮背部空腔泄漏流损失抑制结构，其特征在于：所述向心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、氟利昂或水蒸气等。
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