CN1434894A - 用于弹性流体的轴流式涡轮型转子机械装置 - Google Patents

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Abstract

一种弹性流体的轴流式涡轮机，其包括：一个转子(11)，其具有一个或多个区段(26、27)，每一区段都包括一排径向的传动叶片(24、64)；以及一个定子(10)，其具有若干流体进入喷嘴(12)和两个或多个区段(15)，每一区段都包括一圈环形排列的导流叶片(14、54)，用于将工作流体导向传动叶片(24、64)；其中在每个转子区段(26、27)中所有的两个相邻传动叶片(24、64)之间都形成有流动路径(30、60)，并且在每个定子区段(15)中所有的两个相邻导流叶片(14、54)之间都形成有流动路径(29、59)，并且在每一个转子区段流动路径(30、60)与定子区段流动路径(29、59)的入口区域(A、C)与出口区域(B、D)之间设置加宽区域(F、E)，因此在加宽区域(F、E)的内流动路径限定表面(28)与外流动路径限定表面(18)之间的径向距离要大于在出口区域(B、D)的。

Description

用于弹性流体的轴流式涡轮型转子机械装置
本发明涉及一种用于弹性流体的轴流式涡轮型转子机械装置，其包括转子与定子，所述转子具有一个或多个轴向隔开的区段，每一区段都包括一圈环形排列的径向伸出的传动叶片；所述定子具有两个或多个轴向隔开的区段，每一区段都包括一圈环形排列的径向伸出的导流叶片；其中每一定子区段都位于转子区段的相对侧，在每个转子区段中所有的两个相邻传动叶片之间、以及在每个定子区段中所有的两个相邻导流叶片之间都形成有流动路径，每一个流动路径都具有一定的长度且在入口区域与出口区域之间延伸。
这种类型的涡轮型机械，例如前面所提到的类型的燃气涡轮机通常由于转子与定子流动路径中的流动损耗而使效率受限制。具有数千千瓦功率输出的大型燃气涡轮机的最大效率通常能达到约90％。但是，功率输出可达几百千瓦中型大小的燃气涡轮机所能达到的最大效率不超过85％。人们认为，由于特定应用需求而制造的这种大小的燃气涡轮机的效率太低。
本发明的主要发明目的是实现一种用于弹性流体的轴流式涡轮型转子机械装置，其中通过转子与定子流动路径的流动损耗的明显降低使涡轮机效率显著提高。
本发明的性能特征以及进一步的优点通过下面对本发明优选实施例详细描述与附图将变得清楚易懂。
在附图中：
图1所示为本发明涡轮机的纵向截面。
图2示意性地示出了图1涡轮机的一个转子区段的若干传动叶片以及一个定子区段的若干导流叶片的展开图。
图3示出了本发明一个实施例的涡轮机的一个导流叶片与一个传动叶片的放大了的视图。
图4示出了本发明另一个实施例的涡轮机中传动叶片/导流叶片装置的详细视图。
图5示出了图4中所示传动叶片/导流叶片装置的展开图。
图6示出了本发明再一个实施例的传动叶片/导流叶片装置。
下面详细描述的涡轮机实施例主要适用于燃气涡轮发动机。首先来看图1所示实施例，该涡轮机包括定子外壳10与转子11。定子外壳10大体上为圆柱形，且一端设置有若干与进气口16连通的进气喷嘴12，相对的另一端设置有漏斗形扩散出口13。定子外壳10还设置有若干导流叶片14，其配置在环状区域15中，并构成环形阵列。导流叶片14安装在内环状结构17上且通过它们的外端支撑抵靠在定子外壳10的大体为圆柱形的表面18上。环状结构17容纳在转子11的外周空间19中且与转子11的圆柱形腰部部分20密封配合。
转子11包括前部22与后部23，且通过两个轴承(未示出)与定子外壳10枢轴配合。转子11包括两个轴向隔开设置的工作区段26、27，它们每一个都带有一圈环形排列的传动叶片24。这两个区段26、27由定子区段15分隔开。由转子区段26、27以及定子环状结构17形成的内表面28朝着扩散出口13平缓地逐渐变细，以便气流流经涡轮机时膨胀。
在每一组中，两个相邻的导流叶片14之间都形成定子流动路径29，该路径具有入口区域A与出口区域B，入口区域A相邻导流叶片14之间的距离为SA，出口区域B相邻导流叶片14之间的距离为SB。参见附图2。距离SA与SB两者都是沿流动路径29的横向测得。图2中清楚地表示出，距离SA显著地大于距离SB，这意味着流动路径29的截面积从入口区域A到出口区域B一般是减小的。
在每一组中两个相邻传动叶片24以类似的方式限定一个流动路径30，其中入口区域C的宽度SC大于出口区域D的宽度SD，这意味着每个转子流动路径30的截面积朝着出口区域D的方向减小。
如附图3所示，转子流动路径30包括位于入口区域C与出口区域D之间的径向加宽的区域F。在所述的实施例中，这个加宽区域F是由内表面28的凹面区域31形成的。在这个加宽区域F中，传动叶片24径向宽度RF大于出口区域D传动叶片24的径向宽度RD。这意味着流动路径29的横截面面积尺寸大小接近于出口区域D，其导致出口区域D的上游气体流速降低，且因此降低了流动路径30的流动损耗。
在每个定子流动路径29中具有一个类似的配置，其中的凹面区域32位于入口区域A与出口区域B之间的环状结构17中且构成了一个加宽区域E。在加宽区域E中，导流叶片14的径向宽度大于出口区域B中的径向宽度。可以明显地看到环状结构17容纳在转子11的腰部部分20中。
在附图3中，清楚地示出转子11内的凹面区域31形成了一个径向加宽的区域F，其中传动叶片24径向宽度RF大于出口区域D传动叶片24的径向宽度RD。入口区域C的径向宽度RC甚至还小于出口区域D的径向宽度RD。
在定子流动路径29与转子流动路径30中分别设置径向加宽的区域E与F，这种设计可有效地降低流体通过流动路径29、30的流速，从而降低流动损耗。为了得到有益效果，在流动路径29、30加宽区域E、F的传动叶片24与导流叶片14的径向宽度至少应比在流动路径29、30出口区域B、D的大5％。然而为了显著提高涡轮机效率，径向宽度差值还应更大。
但是，传动叶片/导流叶片的径向宽度在加宽区域增大的百分比取决于各个传动叶片或导流叶片的径向宽度与长度之间的关系，因此长度较短但径向宽度较大的传动叶片或导流叶片必须匹配相对较小的凹面区域，从而避免流动路径面积变化过大而过于突然。
本发明径向加宽的流动路径尤其适用于径向宽度小而长度相对较大的传动叶片和导流叶片的涡轮机。在这样的涡轮机中，传动叶片与导流叶片在加宽区域的径向宽度比其出口区域的径向宽度要大10-20％。
依照本发明，通过转子区段以及定子区段的流动路径的径向加宽区域至少应超过流动路径长度的60％，优选为超过80％，因此在流动路径流程的主要部分，其流体流速得到降低。流速降低从而使内部流动损耗降低。在流动路径的最端部，其横截面面积减小，从而使流体流动快速增加。
为了进一步降低内部流动损耗并提高涡轮机效率，图4、5与6中所示的本发明实施例包括传动叶片/导流叶片的配置，其不仅在流动路径的入口区域与出口区域之间设置有径向加宽区域，而且还在定子区段与转子区段之间进行搭接，从而构成了流动损耗降低的主要因素。
在附图4与5中所示的本发明实施例中，示出了两个具有导流叶片54组的定子区段，以及一个具有传动叶片64组的转子区段。在两个相邻导流叶片54之间的流体流动路径59具有入口区域A与出口区域B，并且在相邻传动叶片64之间的每个流动路径60都具有入口区域C与出口区域D。在每个定子流动路径59的入口区域A与出口区域B之间设置有径向加宽区域E，并且在每个转子流动路径60的入口区域C与出口区域D之间设置有径向加宽区域F。
正如前面实施例描述的那样，相邻导流叶片54之间的距离具有如下特征，入口区域A的距离SA相对较大，而出口区域B的距离SB相对较小。导流叶片54之间的距离沿着流动路径59逐步减小，但是由于导流叶片54在加宽区域E的径向宽度增大，流动路径的横截面面积在尺寸上接近于出口区域B。因此，每个导流叶片54在加宽区域E都具有径向宽度RE，其大于出口区域B的径向宽度RB。
与此相似，相邻传动叶片64之间的距离由入口区域C的较大距离SC逐渐减小到出口区域D的较小距离SD。但是，加宽区域F的径向距离RF大于出口区域D的径向距离RD，这意味着流动路径60的横截面面积尺寸沿流动方向不低于出口区域D附近一点的大小。反过来这意味着流速在流动路径60的主要部分保持较低，且在出口区域D非常短的一段距离内加速。
如上面结合本发明实施例描述的那样，穿过定子与转子区段的流动路径的内部边界由内表面28确定。这个内表面28由转子区段26、27和定子区段15一起构成。
依照本发明这个实施例的定子与转子区段的性能特征是，传动叶片64的尾端部分62和导流叶片54的尾端部分52都沿着流动方向延伸到那些构成内部流动路径限定表面28的定子与转子区段之外。而且，传动叶片64的叶片前缘63以及导流叶片54的叶片前缘53都是沿着流动方向分别从定子与转子区段的边缘缩进一定轴向距离，由此在每个转子区段形成一个环形颈部(neck portion)65并在每个定子区段形成一个环形颈部55。这些定子区段与转子区段的颈部65、55分别沿着与流动方向相反的方向轴向延伸，并且传动叶片64与导流叶片54的尾端部分62与52分别延伸到下游定子或转子区段的颈部55、65之外。
传动叶片64与导流叶片54伸出的尾端部分分别和定子与转子区段的环形颈部65、55组合在一起的这种配置，可用以进一步降低通过流动路径的流阻，且提高涡轮机的效率。
由附图4清楚可见，由转子区段形成的部分内表面28包括凸起部分68以及沿流动方向紧接在后面的凹曲部分69，其凸起部分68部分地由环形颈部65形成。与之类似，内表面28的每一个定子区段部分都包括凸起部分58与凹曲部分59，其凸起部分58部分地由环形颈部55形成。
由附图4还可以清楚地看到，在本发明这个实施例中用来限定流动路径29、30的外表面18基本上上是圆柱形的，其意味着所有流动路径横截面面积的变化都由内表面28的定子与转子区段部分上的凸起与凹曲部分实现。
附图6中示出了一个内、外流动路径限定表面18、28的替代设计方案。与所有的凸起与凹曲部分都设置在内表面28上不同，这个替代设计方案的外表面18由那些与内表面28上凸起与凹曲部分58、57、68、69正对着的凸起与凹曲部分构成。通过这种配置可进一步优化流动路径形状，以提高通过涡轮机的流体流动特性。
还有一个替代设计方案，其中内表面28为圆柱形并且将所有的凸起与凹曲部分58、57、68、69都设置在外表面18上。

Claims (12)

1.用于弹性流体的轴流式涡轮型转子机械装置，其包括：
转子(11)，其具有一个或多个轴向隔开的区段(26、27)，每一区段都包括一圈环形排列的径向延伸的传动叶片(24、64)；
定子(10)，其具有两个或多个轴向隔开的区段(15)，每一区段都包括一圈环形排列的径向延伸的导流叶片(14、54)；
所述每一个定子区段(15)都位于所述一个或多个转子区段(26、27)的相对侧；
在每个转子区段(26、27)中，所有的两个相邻传动叶片(24)之间都形成有转子区段流动路径(30、60)，所述转子流动路径(30、60)具有一定的长度(H)，并具有转子区段入口区域(C)与转子区段出口区域(D)；
在每个定子区段(15)中，所有的两个相邻导流叶片(14、54)之间都形成有定子区段流动路径(29、59)，所述定子流动路径(29、59)具有一定的长度(G)，并具有定子区段入口区域(A)与定子区段出口区域(B)；
其特征在于，在每个转子区段流动路径(30、60)中，所述转子区段入口区域(C)与所述转子区段出口区域(D)相比具有较大的横截面面积；以及
在每个定子流动路径(29、59)中，所述定子区段入口区域(A)与所述定子区段出口区域(B)相比具有较大的横截面面积；
每个转子区段流动路径(30、60)中，从所述转子区段入口区域(C)起顺流而下至少超过所述转子区段流动路径长度(H)75％的范围内都具有基本上恒定的横截面面积；以及
每个定子区段流动路径(29、59)中，从所述定子区段入口区域(A)起顺流而下至少超过所述定子区段流动路径长度(G)75％的范围内都具有基本上恒定的横截面面积。
2.依照权利要求1的涡轮机，其中所述每个定子区段流动路径(29、59)的恒定横截面面积延伸至少超过所述定子区段流动路径长度(G)的60％，并且所述每个转子区段流动路径(30、60)的恒定横截面面积延伸至少超过所述转子区段流动路径长度(H)的60％。
3.依照权利要求2的涡轮机，其中所述每个定子区段流动路径(29、59)的恒定横截面面积延伸至少超过所述定子区段流动路径长度(G)的80％，并且所述每个转子区段流动路径(30、60)的恒定横截面面积延伸至少超过所述转子区段流动路径长度(H)的80％。
4.依照权利要求1的涡轮机，其中所述传动叶片(24、64)与所述导流叶片(14、54)在基本上回转对称的内表面(28)与基本上回转对称的外表面(18)之间径向延伸，
每一个所述转子区段流动路径(30、60)在所述入口区域(C)与所述出口区域(D)之间都具有径向加宽区域(F)，每一个所述传动叶片(24、64)在所述加宽区域(F)都具有一个径向宽度(RF)，其大于所述传动叶片(24、64)在所述出口区域(D)的径向宽度(RD)，并且每一个所述定子区段流动路径(29、59)在所述入口区域(A)与所述出口区域(B)之间都具有径向加宽区域(E)，每一个所述导流叶片(14、54)在所述加宽区域(E)都具有一个径向宽度(RE)，其大于所述导流叶片(14、54)在所述出口区域(B)的径向宽度(RB)。
5.依照权利要求4的涡轮机，其中所述内表面(28)部分地由所述转子区段(26、27)和部分地由所述定子区段(15)形成，在每一个所述转子区段(26、27)中，所述每个传动叶片(64)的尾端部分(62)都沿着流动方向延伸到由相应转子区段(26、27)形成的部分所述内表面(28)之外，所述由每个定子区段(15)形成的部分所述内表面(28)沿着与流体流动方向相反的方向延伸到所述导流叶片(54)之外，由此在相应的定子区段(15)上形成环形的定子区段颈部(55)，其中
在一个所述转子区段(26、27)上的所述每个传动叶片(64)的尾端部分(62)沿流体流动方向都延伸到下面的所述定子区段(15)的所述定子区段颈部(55)之外，
在每一个所述定子区段(15)中，所述每个导流叶片(54)的尾端部分(52)都沿流体流动方向轴向延伸到由相应定子区段(15)形成的部分所述内表面(28)之外，
所述由每个转子区段(26、27)形成的部分所述内表面(28)都沿着与流体流动方向相反的方向延伸到所述传动叶片(64)之外，由此在相应转子区段(26、27)上形成环形的颈部(65)，由此
在一个所述定子区段(15)上，所述导流叶片(54)的所述尾端部分(52)都沿流体流动方向延伸到下面述转子区段(26，27)的所述转子区段颈部(65)。
6.依照权利要求5的涡轮机，其中每一个所述转子流动路径(60)的所述出口区域(D)都由所述两个相邻传动叶片(64)的尾端部分(62)形成，并且每一个所述定子流动路径(59)的所述出口区域(B)都由所述两个相邻导流叶片(54)的尾端部分(52)形成。
7.依照权利要求5的涡轮机，其中在每个转子区段(26、27)上所述内表面(28)都包括一个凸起部分(68)，其后沿着流动方向跟着一个凹曲部分(69)，所述凸起部分(68)沿着与流体流动方向相反的方向延伸到所述传动叶片(64)之外，由此形成所述转子区段的颈部(65)。
8.依照权利要求5的涡轮机，其中在每个定子区段(15)上，所述内表面(28)都包括一个凸起部分(58)，其后沿着流动方向跟着一个凹曲部分(57)，所述凸起部分(58)沿着与流体流动方向相反的方向延伸到所述导流叶片(54)之外，由此形成所述定子区段的颈部(55)。
9.依照权利要求4-8中任意一项的涡轮机，其中所述外表面(18)由两个或多个与一个所述转子区段(26，27)同轴的环形转子流动区域形成，并且每一个所述转子流动区域都包括凸起部分(88)，其后沿着流体流动方向跟着一个凹曲部分(89)。
10.依照权利要求4-8中任意一项的涡轮机，其中所述外表面(18)由一个或多个与一个所述定子区段(15)重合的环形定子流动区域形成，并且每一个所述定子流动区域都包括一个凸起部分(86)，其后沿着流体流动方向跟着一个凹曲部分(87)。
11.依照权利要求1-10中任意一项的涡轮机，其中每个传动叶片(24、64)都具有一个最大径向宽度(RF)，其等于或小于每个传动叶片(24、64)在流体流动方向上的长度(H)。
12.依照权利要求1-10中任意一项的涡轮机，其中每个导流叶片(14、54)都具有一个最大径向宽度(RE)，其等于或小于每个导流叶片(14、54)在流体流动方向上的长度(G)。
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