[发明专利]半开式向心涡轮及燃气轮机

说明书

本发明公开了一种半开式向心涡轮和燃气轮机，包括轮毂、轮盘以及叶片，轮盘设于轮毂的一端，叶片设于轮毂和轮盘之间，相邻的两个叶片之间形成涡轮气流通道，轮盘包括沿轮毂的径向设于轮毂上的轮背，轮背沿其中轴线对称地设置，多个轮背沿轮毂的周向间隔排布，轮背与叶片一一对应布设，轮背包括沿轮盘的径向依次排布并连接的截面渐扩段、等截面段以及截面渐缩段，截面渐缩段设于等截面段远离轮毂的一侧，减少截面渐缩段末端粘性力主导的刮削面积，通过等截面段阻挡压差力主导的泄漏流，进而减少了轮背的泄漏损失。本发明的半开式向心涡轮，泄漏流动损失小，提高了半开式向心涡轮的性能及可靠性。

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机燃烧室技术领域，特别地，涉及一种半开式向心涡轮。此外，本发明还涉及一种燃气轮机。

背景技术

燃气轮机按照功率大小一般分为重型、中型及小型燃气轮机。小型燃气轮机具有结构紧凑、可靠性高、维修成本低及运用灵活等特点，被广泛应用于车载及舰船动力、分布式供能系统及各种用途的航空辅助动力装置中。

涡轮是航空发动机的核心部件之一，将燃气的热能和势能转化为机械能而驱动其它装置设备，涡轮部件须满足气动效率、气动载荷、机械载荷等要求。

按照气流方向，涡轮可分为轴流式涡轮和向心式涡轮。向心式涡轮适用于航空航天和其他需要紧凑动力源等小型燃气轮机中，向心涡轮的气流由径向进气，轴向出气。

向心涡轮按照流道的结构形式可分为闭式、开式和半开式三种。向心涡轮级由静止的导向器、旋转的叶轮及排气组成。工作时，高温、高压气体在导向器中膨胀加速后，径向进入向心叶轮中，气流在相对狭长的转子通道中转弯继续膨胀并做功，最后气流通过排气扩压器轴向排入大气。

现有技术中，如专利号为CN101178011A和CN 203067036 U。采用开式向心涡轮结构时，通过降低轮盘重量来来达到降低转动惯量、减轻叶轮重量、强化叶轮强度及调整涡轮轴向力的目的，但是采用开式向心叶轮带来了以下问题，需要从离心压气机出口引入一股封严气对该部位进行封严，另外，由于开式向心叶轮的相邻叶片之间存在缺口，且轮背存在间隙，在轴向压差的作用，使得叶轮通道内部必然存在着从叶轮压力面流经轮背，从吸力面流出的泄漏流，因为轮背泄漏流的速度大小和方向均不同于主流速度，在两股气流的交接处形成涡面，并随着泄漏流向下游的移动逐渐卷起形成泄漏涡，尤其是在高负荷向心叶轮通道内，由于叶轮叶身负荷更高，周向压力梯度更大，泄漏涡与主流的相互作用更为明显，流动损失急剧增加，封严气、泄漏流和主流这三股气流的相互作用不但会严重影响涡轮的气动性能，而且还会对转子寿命造成不利影响；采用半开式向心叶轮结构时，即相邻叶片缺口区域不如开式叶轮那么大，能一定程度降低叶轮重量，对降低轮盘应力有益，且轮背泄漏量不如开式叶轮那么大，但由于相邻叶片之间缺口仍然存在，转子背部间隙内仍会有泄漏流，造成一定的泄漏损失，且该损失占整个间隙损失的比例较大。

请参考图1和图2，现有的半开式向心叶轮的轮背的横截面为表面积逐渐缩小的扇贝形。半开式向心叶轮的轮背与轮背机匣之间留有轮背间隙，在轮背间隙处产生有轮背泄漏流。现有半开式向心叶轮虽然能一定程度减小叶轮重量，且其轮背泄漏流动比开式向心叶轮有所减小，但在半开式叶轮轮背处仍然存在较大的泄漏流动，该泄漏流与封严气和主流掺混，造成大量的流动损失，降低了涡轮性能。此外，主流中的高温气流泄漏到轮背中，会对轮背机匣产生极大的热负荷冲击，从而缩短叶轮的寿命，降低涡轮的可靠性。

发明内容

本发明提供的半开式向心涡轮，以解决现有的半开式向心叶轮泄漏流动损失大的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：