[发明专利]一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构

说明书

为解决低展弦比径流导叶端壁二次流明显、通道涡尺寸相对较大、出口气流均匀性差等技术问题，本发明涉及一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，通过在径流涡轮导叶前端壁和后端壁采用非轴对称凹凸端壁结构，并可与具有三维构型的径流涡轮导叶形成更加有效控制流道二次流损失。本发明通过对叶栅进行改造，具体是通过将所述前端壁、后端壁的内表面分别设置为非轴对称的凹凸端壁结构，使得每一所述流动通道的流通面积变化，并使得每一所述流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低，进而影响二次流速度分布，延迟通道涡的形成和发展，降低通道涡强度，最终实现二次流损失的降低。

技术领域

本发明属于流体机械中的径流涡轮领域，涉及一种径流涡轮导叶结构，具体地说是一种耦合非轴对称端壁的高效低展弦比三维径流涡轮导叶结构。

背景技术

近年来，利用气体工质压力能和热能的径流涡轮应用十分广泛，结构型式也多种多样，为工业生产、民众生活提供电力和动力。为了使单位体积的设备在同等热力参数下尽可能多的输出机械能，就需要提高径流涡轮的效率。作为旋转机械的一种，为了实现工质气体的能量转换和做功，径流涡轮大多采用导叶结构形式，在导叶压力面和吸力面势必会形成压差，而这种压差会使流动通道内产生由叶片压力面向相邻叶片吸力面方向的二次流动，并进一步形成通道涡，在造成二次流损失的同时，也会改变导叶出口气流角，影响了出口气流的均匀性。由于径流涡轮流量相对较小，径流导叶展弦比较低，相对叶高减小，因此二次流和通道涡在流道内的影响范围相对增大，构成了该类导叶流动损失的重要造成部分，因此采用合适的技术手段控制低展弦比径流顶间隙流损失是提高径流涡轮效率的重要途径。

控制二次流损失的方法很多，非轴对称端壁结构是其中一个重要手段，该方法的基本原理是：在导叶流道端壁上施加凹/凸曲面，实现流道的通流面积的局部变化，改善导叶压力面和吸力面附近流场压力梯度的分布，实现导叶压力面向吸力面横向压力有效控制，最终达到抑制二次流发展的目的；导叶的三维结构主要包括弯、扭、掠等方式，该方法通过改善导叶由叶根到叶顶方向上的压力分布实现流道内通道涡和分离等二次流结构的有效控制。目前上述方法多在轴流涡轮和压气机上应用较多，并获得明显效果，而在径流涡轮上几乎未见。

与轴流涡轮相比，径流涡轮的膨胀比高，相对流量较小，导叶的展弦比相对于轴流涡轮更低，二次流结构在通道内所占比例更高，引起的损失更为显著；二次流结构还会引起导叶出口流场畸变，使导叶出口气流角偏离设计值，引起出口流场的不均匀性，并对下游叶轮进口流场造成影响。因此相对于轴流涡轮导叶，径流涡轮导叶对二次流控制方法更为需要。

发明内容

为解决现有技术中低展弦比径流导叶端壁二次流明显、通道涡尺寸相对较大、出口气流均匀性差等技术问题，本发明提出了一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，可有效控制低展弦比径流涡轮导叶端壁的二次流损失，降低通道涡尺寸，提高出口气流均匀性，从而提高径流涡轮的气动效率和做功能力，增加径流涡轮对能量的利用效率，满足了径流涡轮高效运行的需求，促进了径流涡轮在高效运行系统上的应用，该技术使径流涡轮运行效率更高，同时具有加工可行性，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，包括前端壁、后端壁以及设置在所述前端壁与后端壁之间并在周向上均匀布置的多个径流涡轮导叶，其特征在于，

相邻两所述径流涡轮导叶之间形成一流动通道，所述流动通道的一侧为一所述径流涡轮导叶的压力面，所述流动通道的另一侧为另一所述径流涡轮导叶的吸力面，

所述前端壁、后端壁基本呈圆盘状结构，且所述前端壁、后端壁的内表面分别形成为非轴对称的凹凸端壁结构，使得每一所述流动通道的流通面积增大，并使得每一所述流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低。