CN111441827B - 一种抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖‑机匣空腔结构，适用于压缩空气储能系统中，在前轮盖与机匣之间形成的狭长空腔中，依次设置扩张流道、密封结构、泄漏流掺混抑制结构。扩张流道的通流面积沿流动方向逐渐增加；泄漏流掺混抑制结构为空腔出口至密封出口的遮挡片。本发明在通过常规密封结构控制泄漏流的基础上，还能通过空腔扩张流道减少进口泄漏流量，通过泄漏流掺混抑制进一步减少泄漏流与主流的掺混损失，最终提高涡轮气动效率和做功能力，增加涡轮对能量的利用率，本发明除可应用于压缩空气储能外，还可广泛应用于航空航天、交通运输、石油化工、能源动力等多个领域，尤其适用于高压径流涡轮。

Description

一种抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构

技术领域

本发明涉及流体机械中的径流涡轮领域，涉及一种抑制闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔泄漏流损失的结构，具体地说是一种将多种结构耦合的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构。

背景技术

近年来，利用气体工质能量的向心涡轮应用十分广泛，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，就需要提高向心涡轮的效率。作为旋转机械的一种，向心涡轮的闭式叶轮的轮盖与机匣存在相对运动，二者之间势必存在空腔，而这种空腔结构使向心涡轮中的工质产生轮盖-机匣空腔泄漏流动损失，并且这种损失是向心涡轮流动损失的重要部分，因此采用合适的技术手段控制向心涡轮的轮盖-机匣泄漏流损失是提高径流涡轮效率的重要途径。

目前，控制向心闭式叶轮轮盖-机匣空腔泄漏流损失的主要技术手段是采用常规密封结构，但这种方法受叶轮与机匣的几何形状、振动位移、加工及安装精度、安装工艺等因素影响，为防止轮盖与机匣碰撞摩擦，在实际应用中间隙尺寸不可能太小，应用受到限制。虽然针对向心闭式轮盖-机匣空腔泄漏流损失的密封技术虽然很多，诸如篦齿密封、刷式密封、蜂窝密封等，但上述结构并未考虑上游泄漏流进入密封时的流动参数(速度、方向等)，也并未考虑流出密封后，泄漏流与主流进一步的掺混速度和方向，使得损失控制效果受限。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

针对现有技术的上述缺点和不足，为进一步降低闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔泄漏流掺混损失，本发明提出了一种抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构，该结构在常规密封基础上，进一步降低了泄漏流与主流掺混而引起的损失，满足了向心涡轮高效运行的需求，促进了向心涡轮在系统上的高效应用。同时具有加工方便、造价低等特点，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构，所述闭式向心涡轮包括闭式向心叶轮和机匣，所述闭式向心叶轮同轴布置在所述机匣中，所述闭式向心叶轮包括前轮盖、轮毂以及沿周向均匀分布在所述前轮盖与后轮盖之间的多个径流叶片，所述前轮盖与机匣之间形成一从叶轮进口延伸至叶轮出口的狭长空腔，其特征在于，

在所述狭长空腔的进口处，所述机匣上形成一进口台阶，叶轮进口处的泄漏流经过所述进口台阶时基本折转90°后进入所述狭长空腔中，

在所述狭长空腔的出口处，所述机匣上形成一出口台阶，所述狭长空腔中的泄漏流经过所述出口台阶时基本折转90°后进入叶轮出口的主流中，

所述狭长空腔从其进口延伸至接近出口位置形成一扩张流道，所述扩张流道用以减小所述狭长空腔进口的通流面积，并降低泄漏流在所述狭长空腔内的流速，最终降低泄漏流量和掺混强度，减少流动损失；

所述狭长空腔内的下游布置有齿形密封结构，所述有齿形密封结构用以形成节流效应，以进一步减少泄漏流量，降低泄漏流动损失；

在所述狭长空腔出口区域，所述机匣的出口台阶上布置有泄漏流掺混抑制结构，所述泄漏流掺混抑制结构为固定在所述机匣的出口台阶上的一延伸至所述前轮盖出口侧的密封板，所述泄漏流掺混抑制结构一方面形成用以密封所述狭长空腔的容腔结构和节流结构，以减少泄漏流向叶轮主流的泄漏量，另一方面改变所述狭长空腔出口流场分布，以减少泄漏流速度，进一步降低泄漏流与主流的掺混损失。

本发明的上述抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构，其泄漏流损失控制原理为：闭式向心叶轮的前轮盖与机匣之间的狭长空腔中，泄漏流损失主要受泄漏流量和泄漏流-主流掺混强度共同影响。本发明在采用常规密封结构的基础上，将狭长空腔的两侧壁面进行优化使得狭长空腔整体成扩张流道，在减小泄漏流进入空腔通流面积的同时，进一步增加下游流场压力，降低泄漏流在空腔内的流速，减少泄漏量和掺混损失；在所述空腔出口区域，所述机匣的出口台阶上布置泄漏流掺混抑制结构，该机构为固定在机匣出口台阶侧并延伸至前轮盖出口侧的一密封板，一方面形成容腔和节流结构减少泄漏流向叶轮主流泄漏量，另一方面改变空腔出口流场分布，减少泄漏流速度，进一步降低与主流的掺混损失。通过多种手段的综合使用，进一步控制泄漏量和掺混强度，减少流动损失。

优选地，所述向心叶轮的上游布置有静叶。

优选地，所述向心叶轮为单级或多级串联结构。涡轮个数及几何外形和结构尺寸、转速随设计参数确定。

本发明的抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构中，在空腔上游区域轮盖面与空腔面设计成扩张流道，减少泄漏流进入空腔通流面积和空腔内流速，减少泄漏量和掺混损失。

优选地，所述上游区域轮盖面与空腔面构成的扩张流道，其通流面积沿流动方向逐渐增加，构成流道的曲线可包括圆弧线、二次曲线、样条曲线等，具体形状根据运行工况确定。

优选地，所述扩张流道机匣侧曲面形状可以直接在机匣上加工。随着运行工况的不同，通过替换机匣部件以改变通流面积变化规律，实现最佳的控制效果。

本发明的抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构中，在空腔出口区域布置有空腔出口机匣侧至密封出口轮盖侧的密封板，通过形成容腔和节流结构减少泄漏流向叶轮主流泄漏量，通过改变空腔出口流场分布，减少泄漏流速度，进一步降低与主流的掺混损失。

优选地，所述密封结构为篦齿密封、迷宫密封、刷式密封等。

优选地，所述空腔出口机匣侧至密封出口轮盖侧的密封板，其剖面型线包括直线、S型、圆弧型、样条曲线等；密封板剖面形状、厚度、在机匣壁面上的位置可以根据具体向心涡轮运行工况设计，实现该涡轮效率最优。

本发明的抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构中，所述扩张流道、密封结构、出口泄漏流掺混抑制结构三者具体几何参数和气流参数通过整体优化设计确定，保证效果最优。

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

优选地，所述向心涡轮，其所述工质是空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂等。

根据本发明的另一方面，还提供了一种向心涡轮，所述向心涡轮包括本发明的上述抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构。

同现有技术相比，本发明的优点与有益效果为：

1.本发明的抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构，可采用模块化设计，控制结构参数可实现多种组合，因此对向心涡轮的几何外形和运行工况的适应性强。

2.将空腔扩张流道、密封结构、泄漏流掺混抑制机构进行耦合优化，使向心闭式叶轮轮盖-空腔泄漏流引起的损失得到综合控制，能量利用效率更高，做功能力增强，适用于不同负荷等级的向心涡轮。

附图说明

图1为现有闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔内泄漏流动过程图；

图2为本发明的抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构；

图3为扩张流道构成曲线示意图，其中，(a)为圆弧形式的扩张流道结构，(b)为样条线形式的扩张流道结构；

图4为泄漏流掺混抑制机构示意图，其中，(a)～(c)为三种不同倾斜角度的直线型结构，(d)为圆弧形结构，(e)样条形结构，(f)为直线型结构。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。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，现有闭式向心涡轮包括闭式向心叶轮10、前轮盖40和机匣20，向心叶轮10同轴设置在机匣20内，向心叶轮10沿其周向均匀分布多个径流叶片11，前轮盖40与所述机匣20之间存在狭长空腔。径流叶轮10的上游可进一步设置静叶30。向心涡轮可以为单级或多级串联结构。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。由于轮盖-机匣空腔的存在，气流在径流涡轮中分成在叶轮内部的主流和空腔内的泄漏流，上述流体在叶轮出口掺混形成流动损失。

如图2所示，为抑制向心闭式叶轮轮盖-机匣空腔流动损失，本发明在轮盖机匣空腔的不同部段设置了不同类型的控制结构，包括：(1)设置在空腔上游，由轮盖面与空腔面构成的扩张流道50；(2)设置在空腔内部的密封结构60。(3)设置在空腔出口处，由机匣侧至密封出口轮盖侧的密封板70。

如图3所示，为减少空腔进口泄漏量和空腔内泄漏流速所导致流动损失，在空腔上游区域通过轮盖面与空腔面构成扩张流道50，使通流面积沿流动方向逐渐增加。构成扩张流道50的机匣和轮盖表面可采用圆弧线、二次曲线、样条曲线等，具体形状根据运行工况确定。扩张流道通流面积沿流动方向的变化规律根据径流涡轮进口气流速度、粘度等参数确定。图中，曲面可以直接在机匣20和轮盖40上加工。随着运行工况的不同，通过替换机匣以改变通流面积，实现最佳效果，降低加工复杂程度和成本。

如图4所示，为进一步控制机匣-轮盖空腔泄漏量和掺混强度，在机匣-轮盖空腔出口区域设置由空腔出口机匣侧至密封出口轮盖侧的密封板70，密封板70的剖面型线包括直线、S型、圆弧型、样条曲线等。具体形状可根据向心涡轮实际设计参数确定。

上述轮盖-机匣空腔上游扩张流道50、轮盖空腔出口密封板70与常见密封结构同时采用并耦合到向心闭式叶轮中，通过对空腔泄漏流实现综合控制，抑制流动损失。

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 (8)

1.一种抑制泄漏损失的闭式向心涡轮轮盖-机匣空腔结构，所述闭式向心涡轮包括闭式向心叶轮和机匣，所述闭式向心叶轮同轴布置在所述机匣中，所述闭式向心叶轮包括前轮盖、轮毂以及沿周向均匀分布在所述前轮盖与轮毂之间的多个径流叶片，所述前轮盖与机匣之间形成一从叶轮进口延伸至叶轮出口的狭长空腔，其特征在于，

在所述狭长空腔的进口处，所述机匣上形成一进口台阶，叶轮进口处的泄漏流经过所述进口台阶时基本折转90°后进入所述狭长空腔中，

在所述狭长空腔的出口处，所述机匣上形成一出口台阶，所述狭长空腔中的泄漏流经过所述出口台阶时基本折转90°后进入叶轮出口的主流中，

所述狭长空腔从其进口延伸至接近出口位置形成一扩张流道，所述扩张流道用以减小所述狭长空腔进口的通流面积，并降低泄漏流在所述狭长空腔内的流速，最终降低泄漏流量和掺混强度，减少流动损失；

所述狭长空腔内的下游布置有密封结构，所述密封结构用以形成节流效应，以进一步减少泄漏流量，降低泄漏流动损失；

在所述狭长空腔出口区域，所述机匣的出口台阶上布置有泄漏流掺混抑制结构，所述泄漏流掺混抑制结构为固定在所述机匣的出口台阶上的一延伸至所述前轮盖出口侧的密封板，所述泄漏流掺混抑制结构一方面形成用以密封所述狭长空腔的容腔结构和节流结构，以减少泄漏流向叶轮主流的泄漏量，另一方面改变所述狭长空腔出口流场分布，以减少泄漏流速度，进一步降低泄漏流与主流的掺混损失。

2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述闭式向心叶轮的上游布置有静叶。

3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述闭式向心叶轮为单级或多级串联结构。

4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，空腔扩张流道的通流面积沿流动方向逐渐增加，构成流道的曲线为圆弧线、二次曲线、或样条曲线，具体形状根据运行工况确定。

5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，泄漏流掺混抑制结构为空腔出口至密封出口的密封板，密封板剖面型线为直线、S型、圆弧型、或样条曲线，根据实际径流涡轮设计参数确定。

6.根据权利要求1-5任一项所述的结构，其特征在于，所述密封结构为篦齿密封、迷宫密封、或刷式密封。

7.一种闭式向心涡轮，其特征在于，所述闭式向心涡轮包括上述权利要求1-6任一项所述的结构。

8.根据权利要求7所述的闭式向心涡轮，其特征在于，所述闭式向心涡轮采用的工作介质为空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂或水蒸气。

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