[发明专利]向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构

说明书

技术领域

本发明涉及向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，特别涉及几种在常规向心涡轮实壁轮盖内壁布置周向槽、轴向槽、螺旋槽或蜂窝等密封结构，通过减小叶轮顶部间隙中工质的横向泄漏量，降低间隙损失，增加涡轮输出功率，提高涡轮效率，达到节能降耗的目的。

背景技术

叶轮顶部间隙的存在，使得通过间隙的泄漏流动以及由此带来的间隙损失不可避免，无论是对轴流式，还是向心式涡轮来说都是如此。涡轮叶轮在工作时，叶片压力面与吸力面之间存在一定的压差，在这种压差的作用下，叶片压力面侧的部分工质就会通过叶片顶部间隙向叶片吸力面侧泄漏，泄漏出的工质一方面没有推动叶片做功，给涡轮造成了一定的功率亏损，另一方面泄漏出的这部分工质会与主流发生掺混，形成叶顶间隙泄漏损失，给涡轮造成通流效率的降低。

向心涡轮叶轮按其流道的结构形式可分为闭式、半开式和开式三种。闭式叶轮因为其许用叶轮进口线速度低，应用范围受到严重限制。半开式和开式叶轮由于叶片顶部没有与叶片一起旋转的轮盖，其受力状况得到了改善，其叶轮进口许用线速度可以很高，目前采用铸造高温合金精密铸造出的叶轮，其叶轮进口线速度甚至高达600m/s左右。众所周知，高叶轮旋转速度能够带来功率密度的增加及尺寸的减小。因此，半开式与开式这两种流道形式的叶轮，在涡轮增压器、航空发动机辅机与微型燃气轮机等设备上均有相当广泛的应用。

目前在半开式和开式叶轮顶部均采用的是实壁轮盖形式，即不做任何结构处理，具有光滑的内表面，这种轮盖的内表面与叶轮叶片顶部之间的间隙一般为当地叶高的1～3％左右。这种结构形式叶轮的受力状况虽然得到了改善，但是使叶片顶部间隙中更多工质的横向串流成为可能，给向心涡轮带来功率亏损与间隙损失。

与不带冠的轴流涡轮叶轮顶部只有径向间隙不同，向心涡轮叶轮顶部间隙同时具有轴向和径向两种间隙，如图1所示。

鉴于间隙结构的不同，向心涡轮叶轮轴向间隙与径向间隙对其整机总体性能的影响是不一致的，国外学者通过试验方法获得的叶轮顶部轴向与径向间隙对总-总效率和质量流量影响程度的试验结果如表1所示。

表1  叶轮顶部轴向与径向间隙对级总体性能影响试验结果

  -          总-总效率               流量/％  +1％轴向间隙  +1％径向间隙  +1％轴向间隙  +1％径向间隙 Futral and Holeski  -0.15  -1.6  -0.1  +0.3 Ricardo  -0.2  -0.5  -0.1  +0.5 Ishimo et al  -0.2  -1.2  -  +0.6 Krylov and Spunde  -0.1  -0.6  -0.1  -0.2