专利名称：：向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构的制作方法
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13%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<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>申请人对某向心涡轮叶轮顶部间隙通过数值模拟方法获得的研究结果如表2所示，显然，与表l所示结果是一致的(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影响不同，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%。表2叶轮顶部轴向与径向间隙对级总体性能影响的数值模拟结果<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>间隙31291.455-l.2661.0288+0.244间隙42291.166-l.5551.0284+0.205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的中部区域，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泄漏的气流。图2为发明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，在该部分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。相对于向心涡轮叶轮顶部间隙流动特性，不带冠轴流涡轮叶轮顶部间隙增加1%，级效率将会降低2%左右，比向心涡轮径向间隙对级性能的影响程度要来得大，并且轴流式是大型原动力机械所采取的主要形式，其叶顶间隙流动特性及泄漏抑制结构也一直是研究热点之一。然而，对于一般处于辅助原动力机械地位的向心涡轮来说，随着能源问题的日趋紧张以及采用向心涡轮作为核心动力部件的微型燃气轮机逐步广泛应用，向心涡轮相关部件的气动性能研究近年来也逐渐受到了国内外学者的关注，叶轮顶部间隙泄漏抑制结构研究是热点研究内容之一。向心涡轮与轴流涡轮在叶轮顶部间隙结构的不同，致使向心涡轮叶轮顶部间隙的流动特性完全不同于轴流涡轮，因此需要针对其特有的泄漏特性构造向心涡轮叶轮顶部间隙的泄漏抑制结构。
发明内容针对半开式或开式向心涡轮叶轮顶部间隙中工质横向串流引起输出功率亏损与间隙能量损失的问题，本发明提出了一种向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，该结构能有效抑制半开式或开式叶轮顶部间隙中工质的泄漏流量，降低间隙损失，增加向心涡轮输出功率，提高其气动效率，达到节能降耗。为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案一种向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述的泄漏抑制结构是一系列周向槽或一系列轴向槽或一系列螺旋槽或蜂窝密封；该泄漏拟制结构布置在叶轮顶部实壁轮盖的内壁面，且位于叶轮顶部子午弦长30%120%范围内。本发明的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，能有效地减小间隙中的横向泄漏量，降低间隙损失，增加涡轮输出功率，提高涡轮效率，达到了节能降耗的目的。目前该密封结构有效性的数值模拟验证已经基本完成，能在保证向心涡轮效率略有提高的情况下，增加向心涡轮输出功率2%左右。图1是向心涡轮叶轮顶部轴向与径向间隙位置示意图2是某向心涡轮叶轮设计工况三种间隙尺寸下顶部间隙泄漏量沿子午弦长分布；图3是向心涡轮叶轮顶部周向槽密封结构；图4是向心涡轮叶轮顶部轴向槽密封结构；图5是图4中A-A剖视图6是向心涡轮叶轮顶部螺旋槽密封结构；图7是向心涡轮叶轮顶部蜂窝密封结构；图8是图7中的B向视以下结合附图和技术原理对本发明作进一步的详细说明。具体实施例方式本发明的具体结构参见附图38，本发明的技术思路是，在常规的半开式或开式向心涡轮的实壁轮盖内壁布置密封结构，对叶轮叶片顶部间隙中的横向串流进行抑制，并在保证叶轮顶部间隙总体尺寸不发生变化的前提下，增加向心涡轮输出功率，提高向心涡轮效率，达到节能降耗的目的。根据发明人对向心涡轮叶轮顶部间隙流场研究所得结论，叶轮间隙中的横向串流主要发生在子午弦长的中后部，因此布置在实壁轮盖内壁的密封结构须位于子午弦长的中后部。所述的子午弦长中后部是指300%120%的弦向位置。所述的密封结构有两类，一类是通过直接在常规的实壁轮盖内壁去除部分材料得到一定的密封结构，另一类是通过改造现有实壁轮盖并加入蜂窝结构。所述的通过去除部分常规实壁轮盖内壁材料所获得的密封结构有三种，一种是在实壁轮盖内壁沿周向去除部分材料形成一系列的周向槽道，第二种是在实壁轮盖内壁沿轴向去除部分材料形成一系列的轴向槽道，第三种是在实壁轮盖内壁去除部分材料形成一系列的螺旋槽道。参见图l，向心涡轮在正常工作时，工质经过导向器(附图中未示出)膨胀加速后，大部分在涡轮叶轮叶片形成的通道中再次膨胀并将工质的热能转换成机械能，其余工质中的一小部分通过叶轮背面与隔热罩之间形成的间隙泄漏出向心涡轮，另一大部分则通过叶轮叶片与轮盖之间形成的叶轮顶部间隙中"串流"，没有参加热能向机械能的转换并且与通道中的做功工质相互影响，给向心涡轮造成了功率的亏损和效率的降低，本发明旨在保证向心涡轮级效率不降低的条件下，减少叶轮顶部间隙中的横向串流量，增加向心涡轮的输出功率。根据国内外学者对向心涡轮叶轮顶部关于轴向间隙与径向间隙对其总体性能影响程度的结论，以及发明人对叶轮顶部间隙中泄漏量等的研究结果，泄漏主要发生在叶轮子午弦长的中后部，因此在常规的实壁轮盖内壁叶轮子午弦长的中后部布置密封结构是最有效的。在向心涡轮叶轮顶部间隙中，流动异常复杂，而在叶轮子午弦长中后部区域则主要是间隙压力面侧与吸力面侧的压差对间隙流动起决定作用，即主要是从间隙压力面侧到吸力面侧的泄漏流动，该流动在叶轮通道主流的影响下，其流动方向与周向成一定的夹角，并且偏向叶轮出口位置。为抑制上述泄漏流动的发生，需要将泄漏流动的动能耗散掉，于是提出了一些新颖的密封结构来耗散泄漏气流的动能，使其变成热能，减少泄漏量，增加向心涡轮输出功率，提高向心涡轮效率。基于以上研究结果，一种解决方案是在常规的实壁轮盖内壁叶轮子午弦长的中后部布置一定数量的周向槽、轴向槽、螺旋槽或蜂窝，对经过叶轮顶部间隙中的泄漏气流进行抑制。周向槽密封结构如图3所示，轴向槽密封结果如图4和图5所示，螺旋槽密封结构如图6所示，以及蜂窝密封结构如图7和图8所示。本发明的技术原理如下向心涡轮工作时，经过静子部件流出的工质流入叶轮通道，其中绝大部分工质膨胀做功后沿轴向排出，另一小部分工质从叶轮叶片顶部区域附近经顶部间隙泄漏到相邻的叶片通道中，没有参加热功转换，且这部分从顶部间隙泄漏出的工质与通道主流发生交汇，形成间隙泄漏损失。利用泄漏流动方向与周向成一定夹角的特性，通过在实壁轮盖内壁按照一定规则布置一系列的周向槽道、轴向槽道或螺旋槽道，使得泄漏气流的一大部分在间隙的压力面侧附近流入槽道形成的空腔，一方面由于通流面积的突扩造成泄漏气流的减速，另一方面与周向槽道壁面发生碰撞，流动方向发生改变且在空腔中形成漩涡结构，将泄漏气流的动能耗散转变成热能，抑制了泄漏的发生，使泄漏量减少，提高了向心涡轮输出功率，降低了泄漏损失，提高了向心涡轮效率。蜂窝密封是一种在轴向与周向两个方向上均布有一系列正六边形蜂窝孔的密封结构，如图8所示，该结构对泄漏气流方向的适应性很强，是一种高效的密封结构，其技术原理与上述槽道密封原理相同，因此就不再赘述了。申请人对国内外相关的向心涡轮顶部间隙泄漏抑制结构的专利检索结果显示，未发现与本发明结构特征相近的密封装置。权利要求1、一种向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述的泄漏抑制结构是一系列周向槽或一系列轴向槽或一系列螺旋槽或蜂窝密封；该泄漏拟制结构布置在叶轮顶部实壁轮盖的内壁面，且位于叶轮顶部子午弦长30％～120％范围内。2、如权利要求1所述的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述的周向槽的槽深与槽宽比值为1.06.0，槽间距与槽宽比值为1.06.0。3、如权利要求1所述的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述的轴向槽的槽深与槽宽之比为1.05.0，槽间距与槽宽之比为1.05.0。4、如权利要求1所述的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述螺旋槽的数量为18条，旋向与叶轮旋转方向相同或相反，槽深与槽宽比值为0.55.0，槽间距与槽宽比值为0.55.0。5、如权利要求1所述的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述蜂窝密封的蜂窝深度与正六边形蜂窝对边距离比值为0.55.0。6、如权利要求2所述的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述的周向槽的槽道横截面是半圆形，三角形，梯形，锯齿形或矩形。7、如权利要求3所述的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述的轴向槽的槽道横截面是半圆形，三角形，梯形，锯齿形或矩形。8、如权利要求4所述的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，其特征在于，所述的螺旋槽的槽道横截面是半圆形，三角形，梯形，锯齿形或矩形。全文摘要本发明公开了一种向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，所述的泄漏抑制结构是一系列周向槽或一系列轴向槽或一系列螺旋槽或蜂窝密封结构；该泄漏拟制结构布置在叶轮顶部实壁轮盖的内壁面，且位于叶轮顶部子午弦长30％～120％范围内。本发明的向心涡轮叶轮顶部间隙泄漏抑制结构，能有效地减小间隙中的横向泄漏量，增加涡轮输出功率，提高涡轮效率，达到了节能降耗的目的。根据目前数值模拟验证结果，能在保证向心涡轮效率略有提高的情况下，增加向心涡轮输出功率2％左右。文档编号F01D11/08GK101173613SQ20071001888公开日2008年5月7日申请日期2007年10月16日优先权日2007年10月16日发明者丰镇平,军李,邓清华申请人:西安交通大学