CN109322709B - 一种透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构。本发明包括喷嘴叶片，所述喷嘴叶片侧面开设有多个形成阻尼密封效果的盲孔。本发明针对传统透平膨胀机可调式喷嘴叶片与压紧装置间存在泄露的问题，提供了一种带有盲孔且形成阻尼密封效果的喷嘴叶片，本发明所述阻尼密封的密封机理是：气流通过孔带时产生很强的涡流和屏障，气流在各个盲孔空腔内分解成涡流，加强了气流能量耗散效果。本发明所述盲孔开设于喷嘴叶片侧面，喷嘴叶片整体轮廓结构无需变动，叶片型线没有改变，所以对膨胀机过流部件的主通道没有任何影响。本发明既可实现叶片灵活转动进行流量调节，又可有效降低高压气流通过喷嘴叶片时的泄露量，提高了膨胀机的整体效率。

Description

一种透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构
技术领域
本发明属于透平膨胀机技术领域，具体涉及一种透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构。
背景技术
透平膨胀机是通过将来自上游的高焓值气流膨胀为低焓值气流，将气体的内能转化为动能，从而推动叶轮的转轴将动能输出为机械能。图1为向心透平膨胀机的气动简图，其主要过流部件包含蜗壳、喷嘴、叶轮和扩压器。高温高压气流进入蜗壳后，再流入喷嘴、叶轮及扩压器，最终低温低压气流离开透平膨胀机，并输出功。
膨胀机的喷嘴叶片用来调节进入膨胀机叶轮的气量，喷嘴叶片材料一般选用低摩擦系数的不锈钢材质，使摩损最小。可以于喷嘴叶片表面喷以减摩剂，以进一步减少摩擦力。为了使膨胀机效率最大通常使用喷嘴压紧装置，以最大限度地降低喷嘴叶片侧面间隙处气流的泄漏量。
但为了保障喷嘴叶片的灵活转动，喷嘴叶片侧面与压紧装置表面始终存在一定的密封间隙△L1，如图2所示，部分高压气流直接通过密封间隙△L1进入叶轮。带来的问题有：1)泄露气流没有流经喷嘴叶片无序流动，对进入叶轮的主气流动有干扰；2)泄露气流在密封间隙△L1内的膨胀过程效率低，降低了膨胀机的整体效率；3)为了减小密封间隙△L1内的流动损失，尽可能减小间隙，但过小的间隙给机组的安全运行带来隐患；提高间隙侧面的光洁度或喷以减摩剂以减小摩擦损失，加大了加工难度增加了制造成本。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构。该喷嘴叶片机构有效降低高压气流通过喷嘴叶片时的泄露量，提高了膨胀机的整体效率。
为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：
一种透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构，包括喷嘴叶片，所述喷嘴叶片侧面开设有多个形成阻尼密封效果的盲孔。
进一步的技术方案：所述盲孔总面积占所在喷嘴叶片侧面总面积的32～36％，所述盲孔直径D＝1～3mm，相邻盲孔之间的间距T＝0.15～0.25mm。
进一步的技术方案：所述喷嘴叶片前侧面设有环状且用于压紧所述喷嘴叶片的压紧装置，所述喷嘴叶片、压紧装置之间的密封间隙ΔL1与所述盲孔深度H之间的关系满足H＝3ΔL1。
进一步的技术方案：所述喷嘴叶片后侧面设有环状且用于安装喷嘴叶片的安装盘，所述安装盘上设有平行布置的连杆以及定位销，所述定位销垂直所述喷嘴叶片且与所述喷嘴叶片转动连接，所述连杆由执行机构驱动并带动所述安装盘转动，所述喷嘴叶片上设有导向槽，所述连杆穿过所述导向槽且在所述安装盘转动时沿所述导向槽滑动从而实现对喷嘴开度的调节。
进一步的技术方案：所述安装盘外边缘处设有用于限制安装盘转动幅度的限位块。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明针对传统透平膨胀机可调式喷嘴叶片与压紧装置间存在泄露的问题，提供了一种带有盲孔且形成阻尼密封效果的喷嘴叶片，本发明所述阻尼密封的密封机理是：气流通过孔带时产生很强的涡流和屏障，气流在各个盲孔空腔内分解成涡流，加强了气流能量耗散效果。
本发明所述盲孔开设于喷嘴叶片侧面，喷嘴叶片整体轮廓结构无需变动，叶片型线没有改变，所以对膨胀机过流部件的主通道没有任何影响。本发明既可实现叶片灵活转动进行流量调节，又可有效降低高压气流通过喷嘴叶片时的泄露量，提高了膨胀机的整体效率。
(2)本发明所述阻尼密封的密封性能与盲孔直径S、盲孔间距T、盲孔深度H以及密封间隙△L1均有直接的关系。通过对各种孔型的测试表明，当盲孔总面积占喷嘴叶片侧面总面积的32～36％，深度为密封间隙的3倍时其密封性能最优，相对于光滑迷宫密封，该参数下本发明提供的孔型密封交叉阻尼增高37％，泄露量降低46％。
(3)本发明通过执行机构驱动连杆带动安装盘转动，连杆在导向槽内滑动，从而使得喷嘴叶片绕定位轴转动，以此实现喷嘴开度的调节控制，其控制结构简单，控制精度高。
附图说明
图1a、1b为向心透平膨胀机的气动简图。
图2为喷嘴叶片与压紧装置侧面密封间隙示意图。
图3a为喷嘴叶片闭合状态示意图。
图3b为喷嘴叶片全开状态示意图。
图4a为喷嘴叶片结构示意图。
图4b为图4a的A向剖视图。
图4c为图4b的I部放大图。
图5为本发明喷嘴叶片实现阻尼密封的密封机理示意图。
图6为本发明喷嘴叶片孔型阻尼密封数值模拟速度矢量云图。
附图中标记的含义如下：
11-喷嘴叶片；11a-盲孔；11b-导向槽；12-压紧装置；13-安装盘；13a-连杆；13b-定位销；14-执行机构；15-限位块；16-叶轮；17-蜗壳；18-扩压器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：
如图4a、4b所示，本发明包括喷嘴叶片，所述喷嘴叶片11侧面开设有多个形成阻尼密封效果的盲孔11a。
所述盲孔11a总面积占喷嘴叶片11侧面总面积的32～36％，所述盲孔11a直径D＝1～3mm，相邻盲孔11a之间的间距T＝0.15～0.25mm。
所述喷嘴叶片11前侧面设有环状且用于压紧所述喷嘴叶片11的压紧装置12，所述喷嘴叶片11与压紧装置12之间的密封间隙ΔL1＝0.2～0.5mm，所述盲孔11a深度H＝3ΔL1。
如图3a、3b所示，所述喷嘴叶片11后侧面设有环状且用于安装喷嘴叶片11的安装盘13，所述安装盘13上设有平行布置的连杆13a以及定位销13b，所述定位销13b垂直所述喷嘴叶片11侧面且与所述喷嘴叶片11b转动连接，所述连杆13a由执行机构14驱动并带动所述安装盘13转动，所述喷嘴叶片11上设有导向槽11b，所述连杆13a穿过所述导向槽11b且在所述安装盘13转动时沿所述导向槽11b滑动从而实现对喷嘴开度的调节。
所述安装盘13外边缘处设有用于限制安装盘13转动幅度的限位块15。
本发明喷嘴叶片的阻尼密封的密封机理是：气流通过孔带时产生很强的涡流和屏障(如图5所示)，气流在各个盲孔空腔内分解成涡流，加强了气流能量耗散效果。图6为孔型阻尼密封数值模拟速度矢量云图，从图6可以看出在靠近出口侧的非漩涡区(图6中画圈区域)存在明显的反冲气流，反冲气流下方的密封间隙区域对应形成局部低速区，即反冲气流能有效降低密封间隙内的气流速度，从而形成很大的阻尼而达到阻止气流泄漏的密封效果。对九种孔型密封进行的测试表明，盲孔总面积占密封总面积即喷嘴叶片侧面总面积的34％，深度为密封间隙的3倍时其密封性能最优，相对于光滑迷宫密封，该参数下本发明孔型密封交叉阻尼增高37％，泄露量降低46％。
孔型阻尼密封的密封性能与盲孔直径D、盲孔间距T、盲孔深度H以及密封间隙△L1均有直接的关系。透平膨胀机可调式喷嘴叶片与压紧装置的间隙一般为0.2～0.5mm，本专利△L1为0.25mm，盲孔深度H为0.8mm(约为△L1的3倍左右)，盲孔间距T为0.2mm，盲孔直径D确定原则：盲孔的总面积占叶片侧面总面积的35％左右、盲孔直径D在1～3mm之间。

Claims (3)

1.一种透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构，其特征在于：包括喷嘴叶片，所述喷嘴叶片（11）侧面开设有多个形成阻尼密封效果的盲孔（11a）；
所述盲孔（11a）总面积占所在喷嘴叶片（11）侧面总面积的32～36%，所述盲孔（11a）直径D=1～3mm，相邻盲孔（11a）之间的间距T=0.15～0.25mm；
所述喷嘴叶片（11）前侧面设有环状且用于压紧所述喷嘴叶片（11）的压紧装置（12），所述喷嘴叶片（11）、压紧装置（12）之间的密封间隙ΔL1与所述盲孔（11a）深度H之间的关系满足H=3ΔL1。
2.如权利要求1所述的透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构，其特征在于：所述喷嘴叶片（11）后侧面设有环状且用于安装喷嘴叶片（11）的安装盘（13），所述安装盘（13）上设有平行布置的连杆（13a）以及定位销（13b），所述定位销（13b）垂直所述喷嘴叶片（11）且与所述喷嘴叶片（11）转动连接，所述连杆（13a）由执行机构（14）驱动并带动所述安装盘（13）转动，所述喷嘴叶片（11）上设有导向槽（11b），所述连杆（13a）穿过所述导向槽（11b）且在所述安装盘（13）转动时沿所述导向槽（11b）滑动从而实现对喷嘴开度的调节。
3.如权利要求2所述的透平膨胀机的可调式喷嘴叶片机构，其特征在于：所述安装盘（13）外边缘处设有用于限制安装盘（13）转动幅度的限位块（15）。
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