CN1485528A - 混流式涡轮机和混流式涡轮机转子叶片 - Google Patents

Abstract

一种混流式涡轮机，包括连接到转轴上的毂(4)和多个转子叶片。转子叶片中的每一个沿径向方向连接到所述毂上，并且毂基于供给多个转子叶片的转动区域的流体而转动。多个转子叶片中的每一个具有在所述流体的供给侧中凸地隆起的曲线形状。

Description

混流式涡轮机和混流式涡轮机转子叶片

技术领域

本发明涉及一种混流式涡轮机(mixed flow turbine)和混流式涡轮机转子叶片。

背景技术

作为将燃烧气体能有效地转换成机械转动能的机器，人们知道径流式涡轮机。图1A是径流式涡轮机的转子叶片103的水平剖视图，而图1B是径流式涡轮机的转子叶片单元100的垂直剖视图。

如图1B所示，径流式涡轮机设有连接到旋转轴上的转子叶片单元100和具有类似蜗牛形状的涡壳102。转子叶片单元100具有毂部101和多个沿径向方向布置在毂部101上的叶片103。喷嘴104介于涡壳102和叶片103的转动区域之间。

气体从涡壳102流入喷嘴104中，并且由喷嘴104加速和给予转动力，以便产生高速流105，高速流105流入转子轴的方向。布置在毂部101上的叶片103将高速流105的流动能转换成转动能。叶片103将已经失去能量的气体107排出到转轴的方向中。

如图1A所示，叶片103的横截面具有如下形状，即叶片103在气体入口附近从毂部101的表面沿转轴方向近似线性地延伸，然后，沿垂直于转轴的方向弯曲。由此，形成叶片103，以便从毂部一侧到排气侧平滑地扭曲到垂直于转动方向的方向。并且，喷嘴104一侧的叶片103的上边缘是平的并且平行于转轴。

图2示出了从转轴方向观看时叶片103的叶片轮廓和其径流式涡轮机的入口速度三角形之间的关系。如图2所示，U表示在气体入口处叶片103的转动速度，C表示绝对流速，并且W表示相对流速。涡轮机效率以与理论速度比率(＝U/C0)的关系表示。其中，C0表示在给定的涡轮机入口温度和给定的压力比率的条件下作为流体的加速气体的最大流速。如图3所示，当理论速度比率大约为0.7时，涡轮机效率η最大，并且在理论速度比率U/C0大于0.7的区域和理论速度比率U/C0小于0.7的区域涡轮机效率η以抛物线方式减小。如图2所示，在最大效率点A的邻近区域中速度三角形由U，C1和W1描绘。流入径流式涡轮机的气体沿与径向或辐射方向相反的方向(即在最大效率点的邻近区域A中朝向中心)具有相对流度W1，并且入射角大约是零。

当这种涡轮机用作涡轮增压机(turbo charger)时，通过增加供给发动机用于加速的燃料，涡轮机入口温度升高。而且，如图2中的C2所示，喷嘴出口处的绝对流速增加，并且相对流速W2变得倾斜于叶片103。结果，引起非零入射角i2。理论速度C0随着涡轮机入口温度升高而升高，并且理论速度比率U/C0降低到B点。同样，如图3中所示，涡轮机效率η由于入射角i2的产生从最大效率点A减小到较低的效率点B。通过增加燃料供给，尽管人们期望转速升高，涡轮机效率实际降低并且涡轮机加速能力变弱，并且加速的反应能力恶化。

当这种涡轮机用作燃气轮机时，涡轮机入口处的高温引起C0的增加。在这种情况下，燃气轮机需要耐高温材料。当使用传统的材料时，材料强度的限制导致了对叶片103的转速U的限制，以至理论速度比率U/C0降低。结果，涡轮机必须在低效率点B操作。

为了解决这种技术问题，设计了混流式涡轮机。图4A至4C示出了传统的混流式涡轮机。在图4A至4C中，同样或类似的标号表示与图1A和1B中相同的元件。

如图4B所示，在传统的混流式涡轮机中，叶片103′的气体入口侧边缘是相对于转轴方向具有预定角度的线性部分。在气体入口侧的毂102的表面上的叶片103′的端点106′和径向方向的直线之间的叶片连接角度δ设定为非零值，并且通常设定为10o-40o。在径流式涡轮机中，叶片连接角度δ设定为零值。在混流式涡轮机中，沿图4B中所示的I-I线获取的叶片103′的截面轮廓整体(包括气体入口附近)呈曲线(抛物线)状，如图4A所示。

下面将描述在理论速度比值U/C0减小的条件下在点B处典型混流式涡轮机中的流动问题。图5示出了叶片角(blade angle)βk和流动角(flowangle)β之间的关系。请参见图5，流动角β₁₀₇大约20°并且在混流式涡轮机中在B点恒定。在该例子中，入射角i2大约20°并且与最大效率相比，效率由于该入射角i2而降低。另一方面，在混流式涡轮机中，流动角β₁₀₉在罩一侧大约是20°，但是在毂一侧增加到大约40°。这种流动角β₁₀₉的分布的是由于混流式涡轮机的特性引起的，即，旋转半径R₁₀₆小于旋转半径R₁₁₁，如图4C所示。如图4C所示，旋转半径R₁₀₆是作为入口侧叶片边缘线上毂一侧的叶片103′的端点106′和转动轴L之间的距离的旋转半径。同样，旋转半径R₁₁₁是作为入口侧叶片边缘线上罩一侧的叶片103′的端点111′和转动轴L之间的距离的旋转半径。当旋转半径R₁₀₆变得小于旋转半径R₁₁₁时，如图6中所示，转动速度U降低。另一方面，根据角动量守恒定律，绝对流速的圆周分量C的增加与半径成反比，从而流动角β₁₀₉在毂一侧增加到大约40°，如图5所示。以这种方式，在传统的混流式涡轮机中，在毂表面侧能够减小入射角i2₁₀₆。为了测量流动角增加引起的入射角增加，在混流式涡轮机中的叶片角β_k110在毂一侧设定为大约40°，以便与流动角大约吻合。此时，入射角如i2₁₁₃所示。

以这种方式，混流式涡轮机能够设计得流动角β和叶片角β_k在毂一侧彼此接近，并且能够使在毂一侧的入射角i2₁₀₆接近于零。混流式涡轮机具有这种优点。然而，流动角β₁₀₉从毂一侧到罩一侧线性减小，叶片角β_k110从毂一侧和罩一侧抛物线式减小。从而，入射角i2₁₁₂在气体入口侧叶片边缘线的中点112增加到最大值。混流式涡轮机中的损失由于流动角的分布和叶片角的分布不同而增加并且由于入射角的增加引起混流式涡轮机的效率降低。

需要建立使在较低理论速度比率U/C0运行的混流式涡轮机的效率更高的技术。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种混流式涡轮机和混流式涡轮机转子叶片，该混流式涡轮机能够在较低理论速度比率的条件下以高效率运行。

在本发明的一方面中，一种混流式涡轮机包括连接到转轴上的毂和多个转子叶片。所述多个转子叶片中的每一个沿径向方向连接到所述毂上，并且所述毂基于供给所述多个转子叶片的转动区域的流体而转动。所述多个转子叶片中的每一个具有在所述流体的供给侧中凸地隆起的曲线形状。

在这种情况下，所述多个转子叶片中的每一个在所述流体的供给侧的曲线形状中具有第一至第三点。当所述第一点是所述转子叶片连接到所述毂上的点，所述第三点是更远离所述第一点的点；并且所述第二点是在所述第一点和所述第二点之间的中点时，所述第二点从所述转轴的旋转半径可以大于所述第一点从所述转轴的旋转半径，并且所述第三点从所述转轴的旋转半径可以大于所述第二点从所述转轴的旋转半径。

同样，所述多个转子叶片中的每一个在所述流体的供给侧的曲线形状中具有第一至第三点。当所述第一点是所述转子叶片连接到所述毂上的点，所述第三点是更远离所述第一点的点；并且所述第二点是在所述第一点和所述第三点之间的中点时，所述第二点从所述转轴的旋转半径可以大于所述第一点从所述转轴的旋转半径，并且所述第二点的旋转半径可以大于所述第三点从所述转轴的旋转半径。

而且，优选方式是，所述流体的流动角从所述毂一侧到所述罩一侧减小以向下凸出。

附图说明

图1A和1B是传统的叶片和其形状轮廓的平面剖视图和截面前视图；

图2是描述速度三角形的前视图；

图3是传统涡轮机的效率曲线图；

图4A至4C是传统的转子叶片，其形状轮廓和其旋转半径的平面剖视图、前剖视图以及侧剖视图；

图5是描述传统的转子叶片的入射角分布的曲线；

图6是描述传统的转子叶片中的每一个的旋转半径的侧剖视图；

图7A至7C是描述根据本发明实施例的混流式涡轮机的平面剖视图、前剖视图以及侧剖视图；

图8是描述实施例的混流式涡轮机的入射角分布的曲线；以及

图9是描述本发明的混流式涡轮机的涡轮机效率曲线图。

具体实施方式

现在结合附图详细说明本发明的混流式涡轮机。

请参见图7A至7C，根据本发明实施例的混流式涡轮机包括转动叶片单元10、喷嘴4和涡壳2。

涡壳2固定到固定罩20上。喷嘴4介于涡壳2和转子叶片3的转动区域之间。

喷嘴11将上述图2中所示的速度三角形中示出的绝对速度给予从涡壳2供给的流体，并且将该流体供给到转子叶片3的转动区域。

转子叶片单元10包括多个叶片3，叶片3围绕毂1布置并且固定到毂1上。转子叶片3具有内侧边缘206、外侧边缘211、气体入口侧边缘208和出口侧边缘209。内侧边缘206固定到毂1的表面上。外侧边缘211沿罩20的内部曲面围绕转轴转动。

如图7B所示，转子叶片5具有沿垂直于转轴L方向的方向延伸的部分和在平面图中沿气体流动路径从上游侧到下右侧沿轴向延伸的部分。如图7A所示，转子叶片5呈沿转动方向抛物线状突出的形状。

叶片3的气体入口侧边缘208从毂一侧的端点6延伸到罩20一侧的端点11，并且形成为具有在上游侧突出的曲线。入口侧边缘208在整个区域朝向上游侧中凸地隆起，并且诸如抛物线曲线等的二次曲线优选作为入口侧边缘208的曲线的例子。然而，曲线可以是三次曲线、二次的曲线或更高次的曲线。在传统的混流式涡轮机中转子叶片103的入口侧边缘是线性的。

在叶片3的入口侧边缘208的毂一侧的端点6处的旋转半径R₆是RH(＝R₆)，在叶片3的入口侧边缘208的罩一侧的端点11处的旋转半径R₁₁是RS(＝R₁₁)，并且在叶片3的入口侧边缘208的中点123处的旋转半径R₁₂₃是RM(＝R₁₂₃)。连接在入口侧边缘208的毂一侧和入口侧边缘208的罩一侧之间的直线上的中点的旋转半径是RM^*。端点11位于罩一侧并且具有如下关系。

RS＞RM＞RM^*＞RH

然而，该关系可以设定为如下关系：

RM＞RS＞RM^*＞RH

在这种情况下，可以进一步增加入射角差值ΔIn并且进一步减小入射角Ina，如图8所示。

在本发明的混流式涡轮机中，在毂一侧和罩一侧的流动角β₁₅都大约等于传统的混流式涡轮机中的流动角β₁₀₉。然而，本发明的混流式涡轮机中的流动角β₁₅的分布从毂一侧到罩一侧单调减小并且沿向下的方向中凸地隆起。本发明的混流式涡轮机中的流动角β₁₅比传统的混流式涡轮机中的流动角β₁₀₉小。

如图9所示，由于朝向上游侧中凸地隆起的入口侧边缘208，当运行点是理论速度比率B点时，入口侧边缘208的中点123处的流动角β₁₅增加了下述特征。

本发明的混流式涡轮机中的入射角Ina比图5所示的传统的混流式涡轮机中的入射角In₁₁₂小，其等式如下。

Ina＝In₁₁₂-ΔIn

其中ΔIn为：(传统混流式涡轮机的流动角)-(本发明的混流式涡轮机的流动角)。

本发明的混流式涡轮机中的入射角比传统的混流式涡轮机中的入射角更小，改进了传统的径流式涡轮机。如图9所示，通过入射角的改进，本发明的混流式涡轮机最大效率点处的理论速度比率U/C0比传统的混流式涡轮机最大效率点处的理论速度比率U/C0小。结果，本发明的混流式涡轮机可以在理论速度比率点B在更高的效率点B′运行。

在本发明中的混流式涡轮机和混流式涡轮机的转子叶片可以通过降低入射损失改进混流式涡轮机的效率。

Claims (5)

1.一种混流式涡轮机，包括：

连接到转轴上的毂；

多个转子叶片，转子叶片中的每一个沿径向方向连接到所述毂上，

其中所述毂基于供给所述多个转子叶片的转动区域的流体而转动，以及

所述多个转子叶片中的每一个具有在所述流体的供给侧中凸地隆起的曲线形状。

2.根据权利要求1所述的混流式涡轮机，其中所述多个转子叶片的每一个边缘在所述流体的供给侧的曲线形状中具有第一至第三点，

所述第一点是所述转子叶片连接到所述毂上的点，

所述第三点是更远离所述第一点的点；

所述第二点是在所述第一点和所述第三点之间的中点，

所述第三点从所述转轴的旋转半径大于所述第二点从所述转轴的旋转半径，并且

所述第二点从所述转轴的旋转半径大于连接在所述第一点和所述第三点之间的直线上的中点从所述转轴的旋转半径，以及

所述中点从所述转轴的旋转半径大于所述第一点从所述转轴的旋转半径。

3.根据权利要求1所述的混流式涡轮机，其中所述多个转子叶片的每一个边缘在所述流体的供给侧的曲线形状中具有第一至第三点，

所述第一点是所述转子叶片连接到所述毂上的点，

所述第三点是更远离所述第一点的点；

所述第二点是在所述第一点和所述第三点之间的中点，

所述第二点从所述转轴的旋转半径大于所述第三点从所述转轴的旋转半径，并且

所述第三点从所述转轴的旋转半径大于连接在所述第一点和所述第三点之间的直线上的中点从所述转轴的旋转半径，以及

所述中点从所述转轴的旋转半径大于所述第一点从所述转轴的旋转半径。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的混流式涡轮机，其中所述流体的流动角从所述毂一侧到所述罩一侧减小以向下凸出。

5.一种转子叶片，用于根据权利要求1至4中的任一项所述的混流式涡轮机中。

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