CN112610281A - 一种开式向心涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了本发明提供一种开式向心涡轮，包括：转子和蜗壳，所述蜗壳具有蜗壳出口，所述蜗壳出口与压缩腔连通，所述转子在所述压缩腔内转动，所述压缩腔前端敞开，后端设有封闭件，所述封闭件的内壁面为所述压缩腔的后端面，所述蜗壳出口的后侧面与所述封闭件的内壁面平滑连接。所述蜗壳出口的后侧面与所述封闭件的内壁面在同一平面内。本发明公开的一种开式向心涡轮，使气流的降速和漩涡现象大大改善，降低了气动效率损失，使开式向心涡轮的效率大大提高。

Description

一种开式向心涡轮
技术领域
本发明涉及涡轮领域，尤其涉及一种开式向心涡轮。
背景技术
向心涡轮根据转子背盘的样式不同可以分为全背盘向心涡轮和开式向心涡轮。开式向心涡轮在全背盘向心涡轮的基础上，除去了轮盘的部分材料，使得转子的质量和转动惯量都得到了大幅度地降低。因此，开式向心涡轮在工作时所承受的热应力和机械应力更低，工作寿命更长，在高负荷工况下具有更实际的应用性。
但是，开式向心涡轮的气动效率损失较大。
发明内容
本发明提供一种开式向心涡轮，以解决上述问题。
一种开式向心涡轮，包括：转子和蜗壳，所述蜗壳具有蜗壳出口，所述蜗壳出口与压缩腔连通，所述转子在所述压缩腔内转动，所述压缩腔前端敞开，后端设有封闭件，所述封闭件的内壁面为所述压缩腔的后端面，所述蜗壳出口的后侧面与所述封闭件的内壁面平滑连接。
进一步地，所述蜗壳出口的后侧面与所述封闭件的内壁面在同一平面内。
进一步地，所述转子包括叶片和轮盘，所述叶片的叶尖旋转半径大于所述轮盘的半径。
进一步地，所述叶片的背部与所述封闭件的内壁面之间存在第一间隙，所述轮盘的背部与所述封闭件的内壁面之间存在第二间隙，所述第一间隙与第二间隙相等。
进一步地，所述封闭件为隔热板。
本发明公开的一种开式向心涡轮，使气流的降速和漩涡现象大大改善，降低了气动效率损失，使开式向心涡轮的效率大大提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中全背盘涡轮结构示意图；
图2为现有技术中全背盘涡轮蜗壳出口局部放大图；
图3为现有技术中全背盘涡轮转子流道的流线图；
图4为现有技术中全背盘涡轮转子的熵分布图；
图5为现有技术中开式涡轮结构示意图；
图6为现有技术中开式涡轮结构蜗壳出口局部放大图；
图7为现有技术中开式涡轮转子流道的流线图；
图8为现有技术中开式涡轮转子的熵分布图；
图9为本发明中开式涡轮结构示意图；
图10为本发明中开式涡轮结构蜗壳出口局部放大图；
图11为本发明中开式涡轮转子流道的流线图；
图12为本发明中开式涡轮转子的熵分布图；
图13为现有技术中，隔热板相对于蜗壳出口具有不同凹槽深度时的气动效率图。
图中：1、蜗壳出口；2、封闭件；3、第一间隙；4、第二间隙。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，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。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。
现有技术中的涡轮结构，气流从蜗壳进入压缩腔，驱动转子转动，并沿转子轴向流出，蜗壳出口与压缩腔连通，下文中，气流沿转子轴向流出的方向称为“前”，气流沿转子轴向流出的反方向称为“后”，故，蜗壳出口相对靠后的侧面，称为“后侧面”，封闭件朝向转子的一面处于压缩腔内，称为“内壁面”。
经过分析，得到了开式向心涡轮较大气动效率损失的原因。
如图1、图4所示，为现有技术中的涡轮结构示意图，分别为全背盘式涡轮和开式涡轮。现有技术中，为了提高涡轮的工作，需要让蜗壳中的来流尽可能多的作用于转子叶片，所以，将蜗壳出口设置为完全朝向转子的叶片，即在全背盘涡轮中转子的轮毂和蜗壳出口后侧面平齐，在开式涡轮中转子的背盘旋转平面与蜗壳出口的后侧面平齐。这两种结构，使蜗壳出口可以完全朝向转子的叶片，进而使转子尽可能多将动能转化为输出功。然而，为了使转子不与转子背面方向设置的封闭件，即隔热板，发生摩擦，隔热板需要与涡轮出口的后侧面错位设置，即隔热板在轴向上相对于蜗壳出口的后侧面后退。
由于隔热板在轴向上相对于蜗壳出口的后侧面后退，因此会产生一个台阶结构。在现有技术的全背盘式涡轮中，转子的轮毂面和蜗壳出口后侧面平齐。由于全背盘结构的存在，蜗壳来流经过台阶结构时并不会发生明显的流动变化，可以很平稳地流入转子通道中。在现有技术的开式涡轮中，转子的转子背盘面和蜗壳出口后侧面平齐。不同于全背盘结构，开式涡轮转子的背盘在高半径区域上完全切缺，蜗壳来流经过台阶结构时会发生明显的流动分离。流动分离导致气流产生明显的降速，甚至会形成漩涡，气流的降速和漩涡带来了熵的增大，造成了效率损失。同时，开式涡轮转子的背盘为敞开结构，使气流可以通过敞开部分直接进入背部间隙，进而使这种损失再次扩大，进一步影响了涡轮的效率。
为了改善开式涡轮中的气流降速和漩涡现象，需要减轻气流在台阶结构处的流动分离，使蜗壳出口的后侧面与隔热板之间平滑连接可以改善这种现象。二者的平滑连接，使气流的降速和漩涡现象大大改善，当二者在同一平面上时，这种降速和漩涡的改善效果达到最佳。降低了气动效率损失，使开式向心涡轮的效率得到提高。
如图1、图2所示，为一种全背盘向心涡轮，包括：转子和蜗壳，所述蜗壳的出口与压缩腔连通，所述转子在所述压缩腔内转动，所述压缩腔前端敞开，后端设有隔热板，气流从蜗壳出口流入压缩腔，然后从压缩腔前端流出。气流流动过程中，会经过蜗壳与隔热板交界处，为了使气流直接作用于转子的叶片，隔热板的位置相对于蜗壳出口后侧面靠后，即隔热板相对于蜗壳出口的后侧面形成一个凹槽，这样，转子可以向后设置，使气流直接作用于转子的叶片。
如图3、图4所示，由于隔热板相对于蜗壳出口的后侧面形成一个凹槽，使蜗壳出口的后侧面与隔热板形成类似台阶的结构。然而，由于转子的轮毂面和蜗壳出口后侧面平齐且转子的全背盘结构非常靠近台阶结构，使得蜗壳出来的气流可以很平稳地渡过这个台阶，流入压缩腔，图3中，A位置的颜色变化均匀，表示气流平稳。图4中，B位置的颜色变化均匀，表示整个流道的熵分布比较均匀。
如图5、图6所示，采用开式向心涡轮，叶片的叶尖旋转半径大于转子背盘的半径，使叶片之间存在开口，将转子的前后连通，气流会从这个开口流入转子背部间隙。在蜗壳出口处，气流经过台阶会发生流动分离和失速，并且由于开口的存在，分离和失速也会影响到转子通道中的流场，台阶附近甚至会形成旋涡。这些影响都会导致熵的增大，造成气动效率损失，如图7、图8所示，图7中，C位置颜色发生较为明显的变化，表示发生流动分离和失速，图8中，D位置颜色变浅，为高亮显示，表示熵的增大。
为了降低气流经过台阶时的影响，所述蜗壳出口的后侧面与所述压缩腔的后端面平滑连接。这会减少流体经过台阶结构时候发生的旋涡。
进一步地，如图9、图10所示，所述蜗壳出口的后侧面与所述压缩腔后端面在同一平面内，即隔热板朝前的平面与蜗壳出口后侧面平齐设置，这样即消除了隔热板相对于蜗壳出口后侧面形成的凹槽。本发明消除了台阶结构对气流流动的影响，使得气流可以从蜗壳中很平滑地流进转子流道(压缩腔)。
所述叶片的背部与所述封闭件2的内壁面之间存在第一间隙3，所述轮盘的背部与所述封闭件2的内壁面之间存在第二间隙4，所述第一间隙3与第二间隙4相等。叶轮背部空间均匀平整，气流不易发生扰动，不会对转子气流流动造成影响。
我们分析了不同运行工况下，凹槽对于气动效率的影响。在U/C值(U是叶片尖端速度，C是出口等熵喷流速度，不同U/C值代表不同的运行工况)分别为0.5和0.71的工况下，不同配置的涡轮中的流体质量流量如下表所示：
Figure BDA0002842429370000051
从表中可以看出，不同配置的涡轮中的流体质量流量基本保持不变。
但是，如图13所示，蜗壳和隔热板对齐配置的气动效率要比四个不同凹槽深度的非对齐配置的气动效率高，且凹槽深度越深，效率损失越大，气动效率越低。
经过以上分析，本实施例将隔热板朝前的平面，即内壁面与蜗壳出口后侧面平齐设置，使蜗壳出口的后侧面与压缩腔后端面在同一平面内，如图11、图12所示，E位置颜色变化均匀，转子流道流线平顺稳定，D位置没有颜色高亮显示，且变化均匀，熵值较非平齐结构较低。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种开式向心涡轮，其特征在于，包括：转子和蜗壳，所述蜗壳具有蜗壳出口(1)，所述蜗壳出口(1)与压缩腔连通，所述转子在所述压缩腔内转动，所述压缩腔前端敞开，后端设有封闭件(2)，所述封闭件(2)的内壁面为所述压缩腔的后端面，所述蜗壳出口(1)的后侧面与所述封闭件(2)的内壁面平滑连接。
2.根据权利要求1所述的一种开式向心涡轮，其特征在于，所述蜗壳出口(1)的后侧面与所述封闭件(2)的内壁面在同一平面内。
3.根据权利要求1所述的一种开式向心涡轮，其特征在于，所述转子包括叶片和轮盘，所述叶片的叶尖旋转半径大于所述轮盘的半径。
4.根据权利要求1所述的一种开式向心涡轮，其特征在于，所述叶片的背部与所述封闭件(2)的内壁面之间存在第一间隙(3)，所述轮盘的背部与所述封闭件(2)的内壁面之间存在第二间隙(4)，所述第一间隙(3)与第二间隙(4)相等。
5.根据权利要求1所述的一种开式向心涡轮，其特征在于，所述封闭件(2)为隔热板。
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