[發(fā)明專利]一種抑制徑流渦輪葉頂間隙流損失的多元耦合被動(dòng)控制技術(shù)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811069103.8
• 申請(qǐng)日: 2018-09-13
• 公開（公告）號(hào): CN109026186B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王星;陳海生;李文;張雪輝;朱陽歷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院工程熱物理研究所
• 主分類號(hào): F01D11/08
• 分類號(hào): F01D11/08;F01D25/24
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• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明涉及一種抑制徑流渦輪葉頂間隙流損失的多元耦合被動(dòng)控制技術(shù)，仿生減阻結(jié)構(gòu)布置在徑流渦輪進(jìn)口區(qū)域的機(jī)匣表面上；渦輪葉頂間隙尺寸沿渦輪進(jìn)口到出口具有變化特征；葉片葉頂厚度分布沿渦輪進(jìn)口到出口具有變化特征。仿生減阻結(jié)構(gòu)用以減少由于徑流葉片的頂部與機(jī)匣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的刮削流所導(dǎo)致的壁面摩擦損失，葉頂間隙尺寸分布以及葉頂厚度分布沿所述徑流渦輪進(jìn)口至出口的方向均可變化，以使得由于所述徑流葉片葉頂?shù)膲毫γ媾c吸力面之間的壓差引起的泄漏流得到抑制。本發(fā)明能有效控制徑流渦輪葉頂間隙流及相應(yīng)損失，使氣動(dòng)效率增加，有效提高徑流渦輪的能量的利用效率，可廣泛用于航空航天、交通運(yùn)輸、壓縮空氣儲(chǔ)能等多個(gè)領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于流體機(jī)械中的徑流渦輪技術(shù)領(lǐng)域，涉及徑流渦輪葉頂間隙流損失的控制，具體地說是一種抑制徑流渦輪葉頂間隙流損失的多元耦合控制結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

近年來，徑流渦輪應(yīng)用十分廣泛，結(jié)構(gòu)型式也多種多樣，為工業(yè)生產(chǎn)、民眾生活提供電力和動(dòng)力。為了使單位體積的設(shè)備在同等熱力參數(shù)下盡可能多的輸出機(jī)械能，就需要提高徑流渦輪的效率。作為流體機(jī)械的一種，徑流渦輪的葉輪與機(jī)匣存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，二者之間勢必存在間隙，而這種間隙結(jié)構(gòu)使徑流渦輪中的工質(zhì)產(chǎn)生葉頂間隙流動(dòng)損失，并且這種損失是徑流渦輪流動(dòng)損失的重要組成部分，因此采用合適的技術(shù)手段控制徑流渦輪葉頂間隙流損失是提高徑流渦輪效率的重要途徑。

目前，控制徑流渦輪間隙流損失的主要技術(shù)手段是減小間隙尺寸，但這種方法受葉輪與機(jī)匣的幾何形狀、加工以及安裝精度、振動(dòng)位移等因素影響，為防止葉輪與機(jī)匣碰撞摩擦，在實(shí)際應(yīng)用中間隙尺寸不可能太小，應(yīng)用受到限制。針對(duì)軸流式渦輪的間隙流損失控制技術(shù)雖然很多，諸如葉頂射流、葉頂?shù)入x子體控制、葉尖小翼結(jié)構(gòu)、葉頂溝槽結(jié)構(gòu)等。但應(yīng)用在徑流式渦輪上還存在如下問題：一、徑流式渦輪葉頂間隙流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用單一控制手段難以有效控制間隙流損失。徑流渦輪的間隙流主要可分為由機(jī)匣和葉輪頂部間相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的“刮削流”以及葉片頂部壓力面和吸力面兩側(cè)壓差產(chǎn)生的“泄漏流”兩種，并且這兩種流動(dòng)的主導(dǎo)作用隨葉輪進(jìn)口段、中間段和出口段位置的不同而存在差異：(1)進(jìn)口段區(qū)域葉輪葉片與機(jī)匣間相對(duì)速度高，機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的刮削流對(duì)間隙流損失較大；(2)中間段區(qū)域工質(zhì)所處半徑減小，相對(duì)流動(dòng)速度較低，刮削作用減弱，泄漏流影響開始增加；(3)出口段區(qū)域工質(zhì)基本沿軸向方向運(yùn)動(dòng)，半徑進(jìn)一步減小，泄漏流起主要影響；二、徑流葉輪結(jié)構(gòu)特殊，與軸流渦輪差異較大。常規(guī)軸流渦輪的葉片厚度大，因此在常規(guī)軸流葉頂位置加工溝槽、射流/抽吸孔等較為容易。但徑流渦輪葉片厚度相對(duì)較小，因此在葉頂位置加工溝槽、鉆取射流/抽吸孔等結(jié)構(gòu)存在困難。綜上所述，需要針對(duì)徑流渦輪結(jié)構(gòu)和加工特點(diǎn)，采用多種間隙流損失控制手段相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)徑流渦輪效率的提高。

發(fā)明內(nèi)容

為解決徑流式渦輪葉頂間隙流動(dòng)結(jié)構(gòu)種類多、損失大、運(yùn)行效率低的問題，本發(fā)明公開了一種抑制徑流渦輪葉頂間隙流損失的多元耦合被動(dòng)控制技術(shù)，涉及徑流式渦輪中的向心、混流等型式，該技術(shù)解決了徑流渦輪間隙流損失大的問題，滿足了徑流渦輪高效運(yùn)行的需求，促進(jìn)了徑流渦輪在高效運(yùn)行系統(tǒng)上的應(yīng)用，該技術(shù)同時(shí)具有加工方便、造價(jià)低等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種抑制徑流渦輪葉頂間隙流損失的多元耦合被動(dòng)控制技術(shù)，所述徑流渦輪包括徑流葉輪和機(jī)匣，所述徑流葉輪同軸布置在所述機(jī)匣中，所述徑流葉輪沿其周向均勻分布多個(gè)徑流葉片，所述徑流葉片的頂部與所述機(jī)匣之間存在葉頂間隙，其特征在于，

所述徑流渦輪進(jìn)口處的機(jī)匣內(nèi)表面沿其周向布置有仿生減阻結(jié)構(gòu)，所述仿生減阻結(jié)構(gòu)用以減少由于所述徑流葉片的頂部與所述機(jī)匣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的刮削流所導(dǎo)致的壁面摩擦損失；

葉頂間隙尺寸分布以及葉頂厚度分布沿所述徑流渦輪進(jìn)口至出口的方向均具有變化特征，該變化特征應(yīng)滿足使得由于所述徑流葉片的壓力面與吸力面之間的壓差引起的泄漏流得到抑制。