一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置的制作方法

本发明涉及一种叶轮机械装置，具体涉及一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置。

背景技术：

叶轮机械是一种以连续旋转叶片为主体的动力设备，能够实现流体工质与轴动力之间的能量转换，包括蒸汽透平、燃气透平和透平压缩机等，其生产水平是衡量一个国家整体工业实力的最重要标志之一。按工质流动方向可以将叶轮机械分为径流式、径-轴流式及轴流式透平，其中工质流动方向从外周向中心的径流式和径-轴流式透平称作向心透平。相比径流式透平，向心透平具有尺寸小、重量轻、寿命长、结构简单、操作维护方便、造价低廉等优点。尤其针对流量较小的设计工况，向心透平的效率较高。随着工程技术的日益发展，向心透平近年来应用广泛，不仅可以使用于中、小功率燃气轮机装置和柴油机的涡轮增压器，而且还可以用作空分设备和天然气液化装置中的透平膨胀机。

围带结构常用于大功率轴流式透平中，如汽轮机、燃气轮机、航空发动机等，其作用是降低叶片振动响应，利用相邻叶片间的摩擦作用来耗散叶片的振动能量，从而达到减振的效果。围带结构位于叶片顶部，在静态时，叶片的相邻围带间存在初始间隙，作业时在离心力的作用下，叶片发生扭转恢复，使得相邻叶片围带接触面相互贴紧，当叶片振动时，围带接触面间的发生的相对滑移作用耗散叶片的振动能量，降低叶片振动应力，从而提高叶片的寿命和运行的安全可靠性。刷式密封是近年发展起来的一种高效阻尼密封，其泄漏量是梳齿迷宫密封的五分之一至十分之一，并允许动静之间瞬态严重不同心而保持密封能力不变，既提高了机组效率又改善了转子的稳定性，是现代先进透平机械发展的关键技术之一，已经应用于航空发动机、工业燃气轮机和汽轮机等叶轮机械。

向心透平通常尺寸较小，转速较高。闭式叶轮轮盖附着在叶片上，质量大，离心力大，且具有不易清洗的弊端，难以作业在具有杂质的流体工质中，而在半开式叶轮中，轮盖与叶片之间的叶顶间隙则会大大影响透平的气动效率。为了提高效率，需要尽量减少叶顶间隙，因此，透平叶轮在作业中出现的叶片颤振导致叶轮进出口的叶顶处极易发生磨损，对向心透平的气动效率、叶轮寿命和安全运行极为不利。综上，目前的向心透平装置需要进一步改善，以减小向心透平叶轮叶片的振动响应以及泄漏量，提高机组效率、保障运行安全性。因此，本发明提出的一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置具有重要的工程意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置，主要应用于低转速、大功率的向心透平装置，可减小向心透平叶轮叶片的振动响应以及泄漏量，提高机组效率、保障运行安全性，具有重要的工程意义及广阔的应用前景。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置，包括蜗壳，设置在蜗壳中心处的轮毂和轮盖，设置在轮毂周向上的若干喷嘴环以及中心处的向心透平叶轮叶片，以及向心透平叶轮叶片出口连通的出口流道；其中，

轮毂与向心透平叶轮叶片共同组成叶轮，向心透平叶轮叶片的进口和出口处分别设置有叶片进口围带和叶片出口围带，且在叶轮流道中，轮盖与向心透平叶轮叶片之间采用刷式密封；

工作时，工质首先由进气蜗壳进入向心透平装置中，随后进入喷嘴环中，其中高温高压的工质压力逐渐下降，流速逐渐增大，喷嘴环出口的工质从叶轮进口进入，在叶轮中膨胀做功，压力和温度逐渐下降，工质在叶轮中首先经过叶片进口围带与轮毂形成的封闭流道的导流，随后到达向心透平叶轮叶片中部继续膨胀做功，最终经过叶片出口围带与轮毂形成的封闭流道，低压低温的工质由出口流道从向心透平装置中排出。

本发明进一步的改进在于，若干喷嘴环布置在蜗壳内径与叶轮外径之间，稠度即弦长与节距的比值为1.5，喷嘴环内径与叶轮外径之间的间隙为10mm；且蜗壳内径dv、喷嘴环外径dn与叶轮外径dr的几何关系表示如下：

dv＝dn＝1.5dr。

本发明进一步的改进在于，叶片进口围带和叶片出口围带设置在向心透平叶轮叶片顶部，叶片进口围带从叶片进口流道开始布置，叶片出口围带与叶片出口流道平齐，其厚度均为向心透平叶轮叶片进口叶高的20％，两个围带沿圆周整圈布置，叶片进口围带沿流向方向的长度lin与叶片径向长度lr，叶片出口围带沿流向方向的长度lout与叶片轴向长度la的几何关系分别为：

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

本发明通过成功整合多种现有技术的优势，针对向心透平装置进行了改进创新，提出了一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置，能够在提高叶轮刚性，减小叶轮叶片的振动响应，保障运行安全性的同时，改善泄漏状况，提高气动效率。其中，工质首先由进气蜗壳进入向心透平装置中，随后进入喷嘴环中，其中高温高压的工质压力逐渐下降，流速逐渐增大。喷嘴环出口的工质从向心透平叶轮进口进入，在叶轮中膨胀做功，压力和温度逐渐下降。工质在叶轮中首先经过叶片进口围带与轮毂形成的封闭流道的导流，随后到达叶片中部继续膨胀做功，最终经过叶片出口围带与轮毂形成的封闭流道，低压低温的工质由出口流道从向心透平装置中排出。在叶轮流道中，轮盖与叶轮叶片间采用刷式密封。本发明的技术方案可以简单地实现向心透平的高效安全运行。

闭式叶轮在转子叶顶附着轮盖，质量较大，因此离心力大，对叶轮安全运行不利。本发明在向心透平叶轮叶片的进出口处设置围带结构，可以使叶轮的质量更小，因此具有更小的离心力，有利于高速旋转的向心透平叶轮的安全运行，更适用于大负荷工况。针对向心透平进出口处叶片易磨损的情况，增设围带结构可以大幅降低振动响应，增大刚性，尤其适用于以超临界二氧化碳等为工质的气流力大、激振力大的向心透平。同时，叶片进出口处的围带结构还能够起到导流作用，防止叶轮进口因动静叶交界导致的流动紊乱，且使叶轮出口流道中的工质流动更为顺畅。

其中，刷式密封的刷丝主要采用钴基高温合金，具有低脆性、高韧性，能够保证运行过程中不折断，而高性能的焊接工艺保证刷丝的不脱落，优化的刷毛束厚度及高度保证封严性，刷丝材料和涂层材料的合理组合保证密封稳定、安全的运行。轮盖与叶轮之间的气封采用刷式密封，其优势主要体现在良好的动密封性能，由于刷式密封的刷丝与密封部件有一定的倾斜角度，有效地避免了因直接长时间高频率与密封部件碰磨后而导致与密封件之间密封间隙永久性增大。

综上所述，本发明采用叶片进出口处的围带结构，配合轮盖与叶轮叶片之间的刷式密封，在大幅提高刚性、降低振动响应、保证运行安全性的同时，提高了向心透平装置的气动效率，具有重要的工程意义及广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置的三维模型。

图2为本发明一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置的叶轮子午截面图。

图中，1-蜗壳，2-喷嘴环，3-轮毂，4-向心透平叶轮叶片，5-叶片进口围带，6-叶片出口围带，7-轮盖，8-刷式密封，9-出口流道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1及图2，本发明提供的一种具有减振阻尼及密封结构的向心透平装置，包括蜗壳1，设置在蜗壳1中心处的轮毂3和轮盖7，设置在轮毂3周向上的若干喷嘴环2以及中心处的向心透平叶轮叶片4，以及向心透平叶轮叶片4出口连通的出口流道9；其中，向心透平叶轮叶片4的进口和出口处分别设置有叶片进口围带5和叶片出口围带6，且在叶轮流道中，轮盖7与向心透平叶轮叶片4之间采用刷式密封8；其中，轮毂3与向心透平叶轮叶片4共同组成叶轮。工质首先由蜗壳1进入向心透平装置中，随后进入喷嘴环2中，其中高温高压的工质压力逐渐下降，流速逐渐增大。喷嘴环2出口的工质从向心透平叶轮3进口进入，在轮毂3与向心透平叶轮叶片4形成的流道中膨胀做功，压力和温度逐渐下降。这一过程中，工质首先经过叶片进口围带5与轮毂3形成的封闭流道的导流，随后到达叶片中部继续膨胀做功，最终经过叶片出口围带6与轮毂3形成的封闭流道，低压低温的工质由出口流道9从向心透平装置中排出。

其中，喷嘴环布置在蜗壳内径与叶轮外径之间，稠度即弦长与节距的比值为1.5，喷嘴环内径与叶轮外径之间的间隙为10mm。蜗壳内径dv、喷嘴环外径dn与叶轮外径dr的几何关系表示如下：

dv＝dn＝1.5dr

其中，叶片进口和出口围带位于叶顶，进口围带从叶片进口流道开始布置，出口围带与叶片出口流道平齐，其厚度均为叶轮叶片进口叶高的20％。围带沿圆周整圈布置，进口围带沿流向方向的长度lin与叶片径向长度lr，出口围带沿流向方向的长度lout与叶片轴向长度la的几何关系分别为：

lin＝0.05lr

lout＝0.05la

闭式叶轮质量较大，因此离心力大，对叶轮安全运行不利。在向心透平叶轮叶片的进出口处设置围带结构，可以使叶轮的质量更小，更适用于大负荷工况。针对向心透平进出口处叶片易磨损的情况，增设围带结构可以大幅降低振动响应，增大刚性。同时，叶片进出口处的围带结构还能够起到导流作用。在轮盖与叶轮之间的气封采用刷式密封，可以进一步提升气动效率。因此，本发明通过采用叶片进出口处的围带结构，配合轮盖与叶轮叶片之间的刷式密封，在保证运行安全性的同时，提高了效率，具有重要的工程意义及广阔的应用前景。