[發明專利]徑向流動渦輪及其制造方法

無效

• 申請號: 94100672.7
• 申請日: 1994-01-12
• 公開（公告）號: CN1056665C
• 公開（公告）日: 2000-09-20
• 發明（設計）人: Ｊ·Ｂ·伍爾夫
• 申請（專利權）人: 普拉塞爾技術有限公司
• 主分類號: F02C7/04
• 分類號: F02C7/04
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 蔡民軍

本發明涉及一種徑向流動渦輪及其制造方法。

二次大戰后，徑向流動式渦輪由于其高效率、成本低及制造容易從而得到愈益廣泛的應用，例如用于航空飛行器的輔助動力裝置的燃氣輪機、汽車渦輪增壓用的膨脹渦輪(透平式膨脹機)以及低溫空氣分離裝置和氣體液化器中的膨脹渦輪。在低溫裝置中的膨脹渦輪通常是連續工作且處理大流量流體的。輸給低溫裝置的能量消耗是成本中的主要部份，因此對于低溫裝置的膨脹渦輪，其效率略有提高就會在經濟上產生很大的效益。

在徑向渦輪中的主要損失可分為：噴管通道損失；轉子沖角損失；轉子通道損失；轉子排氣損失；輪盤摩擦損失。徑向渦輪各部份的損失可以通過在三個主要部件間(進口導向噴管、葉輪及出口擴散器)的渦輪氣體通道內布置壁面靜壓孔來測量其靜壓而測定。現場試驗數據的分析業已表明：噴管損失是渦輪各項損失中的一個重要部份。因此，組成徑向流動式渦輪噴管的導葉的氣動力結構在改善渦輪效率方面具有很大的潛力。

Kirschner、Robertson及Carter在1971年7月美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的Lewis研究中心研究報告CR-7288中提出了一種徑向噴管導葉的界定方法，報告的名稱為“應用于布雷頓旋轉裝置中的先進渦輪的設計”(The?Design?of?an?Advanced?Turbine?forBrayton?Rotating?Unit?Application)。在該報告中，導葉的中弧線是根據指定了該導葉上的載荷分布而形成的，再把6％厚的NACA-63翼型的厚度分布疊加于該中弧線上，該導葉幾何面上的速度就可算出來，依此該導葉在幾何尺寸上再稍作調整，直至得到可以接受的速度分布為止。

1983年2月28日美國“北方研究及工程公司”給能源部遞交的標號為DOE/ET/15426/T25的報告中敘述了設計徑向噴管導葉的另一種方法，該報告的名稱為“改進的高效小型蒸汽渦輪的研制”。按該設計過程的要求，壓力及溫度、對著徑向噴管的流動角度這些進口流動條件以及出口流動角及速度這些下游流動條件是經選擇的。氣動力的理想表面速度分布也是經選擇的，依此用名叫BLADE的計算機程序來計算能產生預定速度分布的，在軸座標下的導葉幾何尺寸，再用數學方法把軸座標轉換成徑向座標(極座標)。

本發明提供了另一種設計并制造具有創新特點的徑向噴管導葉及徑向噴管的方法，本發明還提供了一種具有新穎的徑向噴管組件并具有比以往的徑向流動渦輪的效率要高的徑向流動渦輪。

本發明是針對一種裝有繞軸旋轉的葉輪的徑向流動式渦輪的，該葉輪是被徑向噴管組件所環繞，而該噴管組件包括了一族導葉，這些導葉的尾緣是以均勻的間距安排在同一圓周上，并且在相鄰導葉間形成了一個最小寬度或稱喉道。每個導葉在其喉道下游大約一個喉道寬度處有一吸力表面，該吸力表面相對于上述圓的半徑的角度α比β角要小2至7度，β角的定義是cosβ＝喉道寬度/上述間距。從喉道的下游到尾緣處，吸力表面的角度(不超過1.5度)要比角β大。

該導葉吸力表面亦可由具有以下特征的光滑曲線來說明：該光滑曲線的曲率半徑從喉道到尾緣處減至原曲率半徑的約1/4到1/12，更為理想的是該曲率半徑從喉道到尾緣的20％距離的下游處減至原曲率半徑的約1/1.5至1/4，而在喉道到尾緣的其余的80％距離再繼續減少至20％距離處的曲率半徑的1/K，這里1＜K＜1.5。

根據本發明還提供一種加工制造徑向渦輪的方法，該徑向渦輪包括了一繞軸旋轉的轉子及圍繞該轉子的一個徑向噴管，該噴管具有一族導葉，每一導葉有一尾緣及一吸力表面，所述的方法包括有：

(a)把上述各導葉安排成其尾緣落在同一圓上，且各尾緣間具有相同的圓周間距，并且相鄰兩導葉之間的最小寬度構成了一個喉道；以及

(b)把每個導葉的吸力表面做成在喉道開始的下游約一個喉道寬度的距離內，其吸力表面相對于上述圓半徑的角度要比β角小約2°到7°，其中cosβ＝喉道寬度/尾緣圓周間距，而在其后到尾緣的距離之內的吸力表面角度比β角大，但約大1.5°以內的范圍。

根據本發明還提供另外一種加工制造徑向渦輪的方法，該徑向渦輪包括了一繞軸旋轉的轉子及圍繞該轉子的一個徑向噴管，該噴管具有一族導葉，每一導葉有一尾緣及一吸力表面，所述的方法包括有：

(a)把上述各導葉的尾緣安排成落在同一圓上，各尾緣間具有相同的圓周間距，且相鄰兩導葉間的最小寬度構成一喉道；以及