[发明专利]一种向心涡轮的叶轮结构

说明书

技术领域

本发明属于流体机械技术领域的向心涡轮叶轮气动及结构设计，涉及一种提高向心涡轮性能的叶轮结构，通过在常规的向心涡轮叶轮叶片顶部区域布置凹缝，使叶轮叶片顶部区域的小部分工质能够在流场自身作用下由叶片压力面侧向吸力面侧流动，削弱泄漏涡强度，减小顶部间隙泄漏量，降低间隙损失，能够提高向心涡轮效率，增加输出功率，并节能降耗。

背景技术

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。闭式叶轮因为其叶轮进口许用线速度低，应用范围受到了严格限制。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，其叶轮进口线速度可高达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。

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通道主流发生掺混，形成叶顶间隙泄漏损失，给涡轮造成通流效率的降低。

目前半开式或开式叶轮叶片顶部表面一般是通过数控磨削或车削叶轮毛胚得到，不做任何结构处理，而叶轮轮盖是实壁形式，即不做任何结构处理，具有光滑的内表面。轮盖的内表面与叶轮叶片顶部表面之间的间隙，即叶顶间隙，一般为当地叶高的1％～3％左右。虽然这种结构形式叶轮的受力状况得到了改善，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，如附图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，申请人及国外学者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主要结论如下：

(1)叶轮顶部径向间隙与轴向间隙对向心涡轮级效率的影响程度不同，径向间隙相对出口叶高增大1％，级效率降低1.5％，而轴向间隙相对叶轮进口宽度增大1％，级效率约降低0.15％；

(2)叶轮顶部径向间隙与轴向间隙对向心涡轮通流能力的影响程度不同，径向间隙相对出口叶高增大1％，级通流能力提高0.24％，而轴向间隙相对叶轮进口宽度增大1％，级通流能力降低0.06％。

目前，对该问题研究的国内外学者普遍认为：

(1)在叶轮顶部间隙中，叶片顶部压力面与吸力面之间的压差以及叶片顶部与轮盖之间的相对运动引起的“刮削”流对间隙流场起着主要的影响作用，联合控制着叶轮顶部间隙流场；

(2)在工作轮顶部区域，工质在“刮削”的作用下从间隙的吸力面侧流入间隙，从压力面侧流出，相对压力面侧到吸力面侧的压差来说，“刮削”作用在该区域占绝对优势；

(3)在叶轮顶部间隙弦向中部区域，由于轮盖相对运动速度减小，“刮削”作用减弱，叶片负荷逐渐增强，压力面侧到吸力面侧的压差增大，在间隙中有“刮削”作用引起的吸力面到压力面侧的流动，也同样有压差引起的压力面侧到吸力面侧的流动；

(4)在导风轮顶部区域，叶轮叶片两侧压差较大，“刮削”作用变得更弱，顶部间隙中几乎全部是从压力面侧向吸力面侧的泄漏气流。

附图2为申请人通过研究某向心涡轮叶轮顶部间隙流场获得的三种间隙尺寸下的间隙泄漏流量沿子午弦向位置的变化关系曲线，其中泄漏量是在间隙中弧面不同弦向位置通过积分得到，规定从压力面到吸力面的泄漏量为正值。从图中可以明显看出：

(1)叶轮顶部间隙越小，工作轮顶部区域的“刮削”作用越强，在间隙为1％时，间隙中由压差引起的从压力面侧到吸力面侧的泄漏流量在45％弦向位置与“刮削”引起的吸力面侧到压力面侧的泄漏流量相平衡，其后泄漏量基本上是沿弦向线性增加；而在间隙为2％时，泄漏量的平衡点前移到了20％弦向位置，在间隙为3％时，则该点更加靠前；

(2)间隙泄漏量主要发生在子午弦长的中后段，在该区域泄漏量几乎沿子午弦长线性增加；

(3)在间隙尺寸为2％时，间隙泄漏量相对级质量流量为6.5％，占了相当大的比例。