CN115387856A - 可变进气轴流式涡轮机 - Google Patents

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诸葛伟林
应祺煜
张扬军
扈卓
钱煜平
江泓升
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Abstract

提供了一种可变进气轴流式涡轮机。该可变进气轴流式涡轮机包括叶轮、第一部分进气盘以及第二部分进气盘。第一部分进气盘包括第一进气部。第一进气部连通第一部分进气盘的轴向一侧和第一部分进气盘的轴向另一侧，在第一部分进气盘的周向上非整周地延伸。第二部分进气盘包括第二进气部。第二进气部连通第二部分进气盘的轴向一侧和第二部分进气盘的轴向另一侧，在第二部分进气盘的周向上非整周地延伸。第二部分进气盘与第一部分进气盘能够相对转动，使得第二进气部与第一进气部能够在轴向上重叠。这样，通过使第一部分进气盘与第二部分进气盘相互配合，可变进气轴流式涡轮机能够适应不同的流量下的工况，进而改善不同工况下涡轮机的性能和效率。

Description

可变进气轴流式涡轮机
技术领域
本申请涉及涡轮机领域，更具体地涉及一种可变进气轴流式涡轮机。
背景技术
轴流式涡轮机广泛应用于燃气轮机、蒸汽轮机和航空发动机等能源动力装置，具有功率密度大、效率高等优点。部分进气轴流式涡轮机可用于超临界二氧化碳循环发电系统、有机工质朗肯循环发电系统、微型燃气轮机和制冷循环系统等热力循环系统和装置。通过采用部分进气设计，叶轮叶片可以具有较高的高度，从而显著提升微小型轴流式涡轮机的效率。
进气度对部分进气轴流式涡轮机的性能影响很大。然而，由于结构限制，现有的部分进气轴流式涡轮机一般采用固定进气度设计，导致涡轮机在变流量工况条件下性能显著下降。
发明内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种可变进气轴流式涡轮机，其能够克服上述背景技术中说明的缺点中的至少一个缺点。
为了实现上述目的，本申请采用如下的技术方案。
本申请提供了一种如下的可变进气轴流式涡轮机，该可变进气轴流式涡轮机包括：叶轮；第一部分进气盘，其包括第一进气部，所述第一进气部连通所述第一部分进气盘的轴向一侧和所述第一部分进气盘的轴向另一侧，所述第一进气部在所述第一部分进气盘的周向上非整周地延伸，所述第一部分进气盘位于所述叶轮的轴向一侧并且与所述叶轮同轴地布置；以及第二部分进气盘，其包括第二进气部，所述第二进气部连通所述第二部分进气盘的轴向一侧和所述第二部分进气盘的轴向另一侧，所述第二进气部在所述第二部分进气盘的周向上非整周地延伸，所述第二部分进气盘位于所述叶轮的轴向一侧并且与所述叶轮同轴地布置，所述第一部分进气盘位于所述第二部分进气盘与所述叶轮之间，所述第二部分进气盘与所述第一部分进气盘能够相对转动，使得所述第二进气部与所述第一进气部能够在轴向上重叠。
在一个可选的方案中，所述第一进气部在所述第一部分进气盘的周向上连续地延伸，所述第二进气部在所述第二部分进气盘的周向上连续地延伸。
在另一个可选的方案中，所述第一进气部在所述第一部分进气盘的周向上的延伸角度与所述第二进气部在所述第二部分进气盘的周向上的延伸角度之和小于或等于360°。
在另一个可选的方案中，所述第一进气部在所述第一部分进气盘的周向上的延伸角度为180°至270°，并且/或者所述第二进气部在所述第二部分进气盘的周向上的延伸角度为180°至270°。
在另一个可选的方案中，还包括喷嘴，所述喷嘴包括喷嘴盘和多个喷嘴叶片，所述多个喷嘴叶片设置于所述喷嘴盘的外周面并且在所述喷嘴盘的周向上间隔开，相邻的所述喷嘴叶片之间形成喷嘴流道，所述喷嘴与所述叶轮同轴地布置，所述喷嘴位于所述叶轮与所述第一部分进气盘之间，多个所述喷嘴流道中的至少一部分连通所述第一进气部与所述叶轮。
在另一个可选的方案中，多个所述喷嘴流道包括第一喷嘴流道和第二喷嘴流道，所述第一喷嘴流道和所述第二喷嘴流道具有不同的喉部面积，所述第一部分进气盘与所述喷嘴能够相对转动。
在另一个可选的方案中，所述多个喷嘴叶片中的至少两个具有不同的叶片出口角。
在另一个可选的方案中，所述多个喷嘴叶片中的至少两个具有不同的叶片进口角。
在另一个可选的方案中，所述多个喷嘴叶片中的至少两个具有不同的叶栅稠度。
在另一个可选的方案中，所述多个喷嘴叶片中的至少两个具有不同的叶片型线。
采用上述技术方案，在本申请的可变进气轴流式涡轮机中，通过使第一部分进气盘与第二部分进气盘相互配合，进气流道的截面积可以通过第一进气部和第二进气部的重叠部分的大小来调节，从而与工质的流量相匹配，使得可变进气轴流式涡轮机能够适应不同的流量下的工况，进而改善不同工况下涡轮机的性能和效率。
附图说明
图1示出了根据本申请的一个实施例的可变进气轴流式涡轮机的立体图。
图2示出了图1中的可变进气轴流式涡轮机的立体图，其中壳体以剖视的方式示出且省略了剖面线。
图3示出了图1中的可变进气轴流式涡轮机的爆炸图，其中壳体以剖视的方式示出且省略了剖面线。
图4示出了图1中的可变进气轴流式涡轮机的第一部分进气盘的主视图。
图5示出了图1中的可变进气轴流式涡轮机的第二部分进气盘的主视图。
图6示出了图1中的可变进气轴流式涡轮机的进气流道的示意图。
附图标记说明
1壳体；1a工作腔；1b进气腔；1c排气流道；
2叶轮；2a叶轮叶片；
3喷嘴；3a喷嘴盘；3b喷嘴叶片；3c喷嘴流道；
4第一部分进气盘；4a第一进气部；
5第二部分进气盘；5a第二进气部；
A进气流道。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施例。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
在本申请中，两者在某个方向上“错开”表示沿着该方向观察时两者不存在彼此重合的部分，否则这两者在该方向上“重叠”。
图1至图6示出了根据本申请的一个实施例的可变进气轴流式涡轮机，该可变进气轴流式涡轮机可以包括壳体1、叶轮2、喷嘴3、第一部分进气盘4以及第二部分进气盘5。
壳体1可以限定工作腔1a、进气腔1b以及排气流道1c。其中，工作腔1a可以为柱状。进气腔1b可以位于工作腔1a的一侧端部并且沿工作腔1a的中心轴线延伸。排气流道1c可以位于工作腔1a的另一侧端部并且沿工作腔1a的径向延伸。进气腔1b和排气流道1c可以连通工作腔1a和壳体1的外部。
叶轮2可以包括多个叶轮叶片2a，多个叶轮叶片2a可以设置于叶轮2的外周面并且在叶轮2的周向上均匀地布置。叶轮2可以设置于工作腔1a内并且与工作腔1a同轴地布置。
喷嘴3可以包括喷嘴盘3a和多个喷嘴叶片3b，多个喷嘴叶片3b可以设置于喷嘴盘3a的外周面并且在喷嘴盘3a的周向上均匀地布置。喷嘴叶片3b可以在沿喷嘴盘3a的轴向延伸的同时沿喷嘴盘3a的周向延伸，相邻的喷嘴叶片3b之间可以形成喷嘴流道3c。喷嘴流道3c可以从喷嘴盘3a的轴向一侧(第一部分进气盘4所在的那侧)向喷嘴盘3a的轴向另一侧(叶轮2所在那侧)渐缩，使得喷嘴流道3c的截面积自工质流动方向的上游向工质流动方向的下游逐渐减小。喷嘴3可以与叶轮2同轴地布置并且与壳体1固定，喷嘴流道3c的出口可以对准叶轮叶片2a。
进一步地，多个喷嘴流道3c可以包括第一喷嘴流道和第二喷嘴流道，第一喷嘴流道和第二喷嘴流道可以具有不同的喉部面积。多个喷嘴叶片3b中的至少两个可以具有不同的叶片出口角。例如，限定第一喷嘴流道的至少一个喷嘴叶片3b和限定第二喷嘴流道的至少一个喷嘴叶片3b可以具有不同的叶片出口角。
第一部分进气盘4可以开设有第一进气部4a，第一进气部4a可以连通第一部分进气盘4的轴向一侧和轴向另一侧。第一进气部4a可以在第一部分进气盘4的周向上连续且非整周地延伸。例如，第一进气部4a的延伸角度(延伸范围对应的圆心角)可以为180°至270°。第一部分进气盘4可以位于叶轮2的轴向一侧并且与叶轮2同轴地布置，喷嘴3可以位于第一部分进气盘4与叶轮2之间。第一部分进气盘4可以与壳体1枢转连接，使得第一部分进气盘4能够相对喷嘴3转动。
第二部分进气盘5可以开设有第二进气部5a，第二进气部5a可以连通第二部分进气盘5的轴向一侧和轴向另一侧。第二进气部5a可以在第二部分进气盘5的周向上连续且非整周地延伸。例如，第二进气部5a的延伸角度可以为180°至270°。第二部分进气盘5可以位于叶轮2的轴向一侧并且与叶轮2同轴地布置，第一部分进气盘4可以位于第二部分进气盘5与喷嘴3之间。第二部分进气盘5可以与壳体1枢转连接，使得第二部分进气盘5能够相对第一部分进气盘4转动。
下面参照图4至图6介绍可变进气轴流式涡轮机的工作原理。
在执行机构(图中未示出)的驱动下，第一部分进气盘4可以相对第二部分进气盘5转动，使得第一进气部4a和第二进气部5a在轴向上重叠。第一进气部4a和第二进气部5a彼此重叠的部分可以共同形成为进气流道A，工质可以依次经由进气腔1b和进气流道A进入喷嘴流道3c。喷嘴流道3c可以将工质的压力能转换为动能，使得从喷嘴流道3c离开的工质能够以较高的速度冲击叶轮叶片2a，进而驱动叶轮2转动。之后，工质可以从排气流道1c离开壳体1。
当工质的流量较大时，可以使第一部分进气盘4相对第二部分进气盘5转动，使得进气流道A的截面积增大。当工质的流量较小时，可以使第一部分进气盘4相对第二部分进气盘5转动，使得进气流道A的截面积减小。这样，通过使第一部分进气盘4与第二部分进气盘5相互配合，进气流道A的截面积可以通过第一进气部4a和第二进气部5a的重叠部分的大小来调节，从而与工质的流量相匹配，使得可变进气轴流式涡轮机能够适应不同的流量下的工况，进而改善不同工况下涡轮机的性能和效率。
进一步地，可以转动第一部分进气盘4和第二部分进气盘5，使得进气流道A对准一个或多个特定的喷嘴流道3c。当工质的流量较大时，可以使进气流道A对准喉部面积较大的喷嘴流道3c。当工质的流量较小时，可以使进气流道A对准喉部面积较小的喷嘴流道3c。这样，通过使第一部分进气盘4和第二部分进气盘5与喷嘴3配合，喷嘴流道3c的喉部面积可以与工质的流量相匹配，使得可变进气轴流式涡轮机能够适应不同的流量下的工况。
本申请至少具有以下优点：
(i)通过使第一部分进气盘4与第二部分进气盘5相互配合，进气流道A的截面积可以通过第一进气部4a和第二进气部5a的重叠部分的大小来调节，从而与工质的流量相匹配，使得可变进气轴流式涡轮机能够适应不同的流量下的工况。
(ii)通过使第一部分进气盘4和第二部分进气盘5与喷嘴3配合，进气通道A可以对准具有特定喉部面积的喷嘴流道3c，从而喷嘴流道3c的喉部面积可以与工质的流量相匹配，使得可变进气轴流式涡轮机能够适应不同的流量下的工况。
应当理解，上述实施例仅是示例性的，不用于限制本申请。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施例做出各种变型和改变，而不脱离本申请的范围。
应当理解，第一部分进气盘4和第二部分进气盘5不限于均与壳体1枢转连接。例如，第一部分进气盘4和和第二部分进气盘5中的一者可以与壳体1固定，第一部分进气盘4和第二部分进气盘5中的另一者可以与壳体1枢转连接。
应当理解，第一进气部4a不限于在第一部分进气盘4的周向上连续地延伸，第二进气部5a不限于在第二部分进气盘5的周向上连续地延伸。例如，第一进气部4a可以在第一部分进气盘4的周向上间断地延伸，使得第一进气部4a被分隔为多个第一子进气部。第二进气部5a可以在第二部分进气盘5的周向上间断地延伸，使得第二进气部5a被分隔为多个第二子进气部。进一步地，第一子进气部和第二子进气部的数量可以与喷嘴流道3c的数量相同。第一部分进气盘4可以与喷嘴3固定，一个第一子进气部可以对准一个喷嘴流道3c。或者，第二部分进气盘5可以与喷嘴3固定，一个第二子进气部可以对准一个喷嘴流道3c。
应当理解，第一进气部4a和第二进气部5a不限于实施例所示出的方式。例如，第一进气部4a和第二进气部5a可以为贯通的通孔。
应当理解，多个喷嘴叶片3b中的至少两个不限于具有不同的叶片出口角。例如，多个喷嘴叶片3b中的至少两个可以具有不同的叶片进口角、叶栅稠度或叶片型线。
应当理解，第一进气部4a在第一部分进气盘4的周向上的延伸角度和第二进气部5a在第二部分进气盘5的周向上的延伸角度不限于实施例示出的角度。例如，第一进气部4a在第一部分进气盘4的周向上的延伸角度与第二进气部5a在第二部分进气盘5的周向上的延伸角度之和可以小于或等于360°。可以使第一部分进气盘4相对第二部分进气盘5转动，使得第一进气部4a和第二进气部5a在叶轮2的轴向上错开。这样，进气腔1b与工作腔1a可以被第一部分进气盘4和第二部分进气盘5分隔开，使得进气腔1b内的工质不会进入喷嘴流道3c。

Claims (10)

1.一种可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，包括：
叶轮(2)；
第一部分进气盘(4)，其包括第一进气部(4a)，所述第一进气部(4a)连通所述第一部分进气盘(4)的轴向一侧和所述第一部分进气盘(4)的轴向另一侧，所述第一进气部(4a)在所述第一部分进气盘(4)的周向上非整周地延伸，所述第一部分进气盘(4)位于所述叶轮(2)的轴向一侧并且与所述叶轮(2)同轴地布置；以及
第二部分进气盘(5)，其包括第二进气部(5a)，所述第二进气部(5a)连通所述第二部分进气盘(5)的轴向一侧和所述第二部分进气盘(5)的轴向另一侧，所述第二进气部(5a)在所述第二部分进气盘(5)的周向上非整周地延伸，所述第二部分进气盘(5)位于所述叶轮(2)的轴向一侧并且与所述叶轮(2)同轴地布置，所述第一部分进气盘(4)位于所述第二部分进气盘(5)与所述叶轮(2)之间，所述第二部分进气盘(5)与所述第一部分进气盘(4)能够相对转动，使得所述第二进气部(5a)与所述第一进气部(4a)能够在轴向上重叠。
2.根据权利要求1所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，所述第一进气部(4a)在所述第一部分进气盘(4)的周向上连续地延伸，所述第二进气部(5a)在所述第二部分进气盘(5)的周向上连续地延伸。
3.根据权利要求2所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，所述第一进气部(4a)在所述第一部分进气盘(4)的周向上的延伸角度与所述第二进气部(5a)在所述第二部分进气盘(5)的周向上的延伸角度之和小于或等于360°。
4.根据权利要求2所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，
所述第一进气部(4a)在所述第一部分进气盘(4)的周向上的延伸角度为180°至270°，并且/或者
所述第二进气部(5a)在所述第二部分进气盘(5)的周向上的延伸角度为180°至270°。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，还包括喷嘴(3)，所述喷嘴(3)包括喷嘴盘(3a)和多个喷嘴叶片(3b)，所述多个喷嘴叶片(3b)设置于所述喷嘴盘(3a)的外周面并且在所述喷嘴盘(3a)的周向上间隔开，相邻的所述喷嘴叶片(3b)之间形成喷嘴流道(3c)，所述喷嘴(3)与所述叶轮(2)同轴地布置，所述喷嘴(3)位于所述叶轮(2)与所述第一部分进气盘(4)之间，多个所述喷嘴流道(3c)中的至少一部分连通所述第一进气部(4a)与所述叶轮(2)。
6.根据权利要求5所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，多个所述喷嘴流道(3c)包括第一喷嘴流道和第二喷嘴流道，所述第一喷嘴流道和所述第二喷嘴流道具有不同的喉部面积，所述第一部分进气盘(4)与所述喷嘴(3)能够相对转动。
7.根据权利要求5所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，所述多个喷嘴叶片(3b)中的至少两个具有不同的叶片出口角。
8.根据权利要求5所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，所述多个喷嘴叶片(3b)中的至少两个具有不同的叶片进口角。
9.根据权利要求6所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，所述多个喷嘴叶片(3b)中的至少两个具有不同的叶栅稠度。
10.根据权利要求6所述的可变进气轴流式涡轮机，其特征在于，所述多个喷嘴叶片(3b)中的至少两个具有不同的叶片型线。
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