CN110608068A - 一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构 - Google Patents

Abstract

为解决低展弦比径流导叶端壁二次流明显、通道涡尺寸相对较大、出口气流均匀性差等技术问题，本发明涉及一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，通过在径流涡轮导叶前端壁和后端壁采用非轴对称凹凸端壁结构，并可与具有三维构型的径流涡轮导叶形成更加有效控制流道二次流损失。本发明通过对叶栅进行改造，具体是通过将所述前端壁、后端壁的内表面分别设置为非轴对称的凹凸端壁结构，使得每一所述流动通道的流通面积变化，并使得每一所述流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低，进而影响二次流速度分布，延迟通道涡的形成和发展，降低通道涡强度，最终实现二次流损失的降低。

Description

一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构

技术领域

本发明属于流体机械中的径流涡轮领域，涉及一种径流涡轮导叶结构，具体地说是一种耦合非轴对称端壁的高效低展弦比三维径流涡轮导叶结构。

背景技术

近年来，利用气体工质压力能和热能的径流涡轮应用十分广泛，结构型式也多种多样，为工业生产、民众生活提供电力和动力。为了使单位体积的设备在同等热力参数下尽可能多的输出机械能，就需要提高径流涡轮的效率。作为旋转机械的一种，为了实现工质气体的能量转换和做功，径流涡轮大多采用导叶结构形式，在导叶压力面和吸力面势必会形成压差，而这种压差会使流动通道内产生由叶片压力面向相邻叶片吸力面方向的二次流动，并进一步形成通道涡，在造成二次流损失的同时，也会改变导叶出口气流角，影响了出口气流的均匀性。由于径流涡轮流量相对较小，径流导叶展弦比较低，相对叶高减小，因此二次流和通道涡在流道内的影响范围相对增大，构成了该类导叶流动损失的重要造成部分，因此采用合适的技术手段控制低展弦比径流顶间隙流损失是提高径流涡轮效率的重要途径。

控制二次流损失的方法很多，非轴对称端壁结构是其中一个重要手段，该方法的基本原理是：在导叶流道端壁上施加凹/凸曲面，实现流道的通流面积的局部变化，改善导叶压力面和吸力面附近流场压力梯度的分布，实现导叶压力面向吸力面横向压力有效控制，最终达到抑制二次流发展的目的；导叶的三维结构主要包括弯、扭、掠等方式，该方法通过改善导叶由叶根到叶顶方向上的压力分布实现流道内通道涡和分离等二次流结构的有效控制。目前上述方法多在轴流涡轮和压气机上应用较多，并获得明显效果，而在径流涡轮上几乎未见。

与轴流涡轮相比，径流涡轮的膨胀比高，相对流量较小，导叶的展弦比相对于轴流涡轮更低，二次流结构在通道内所占比例更高，引起的损失更为显著；二次流结构还会引起导叶出口流场畸变，使导叶出口气流角偏离设计值，引起出口流场的不均匀性，并对下游叶轮进口流场造成影响。因此相对于轴流涡轮导叶，径流涡轮导叶对二次流控制方法更为需要。

发明内容

为解决现有技术中低展弦比径流导叶端壁二次流明显、通道涡尺寸相对较大、出口气流均匀性差等技术问题，本发明提出了一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，可有效控制低展弦比径流涡轮导叶端壁的二次流损失，降低通道涡尺寸，提高出口气流均匀性，从而提高径流涡轮的气动效率和做功能力，增加径流涡轮对能量的利用效率，满足了径流涡轮高效运行的需求，促进了径流涡轮在高效运行***上的应用，该技术使径流涡轮运行效率更高，同时具有加工可行性，具有广阔的应用前景。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案如下：

一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，包括前端壁、后端壁以及设置在所述前端壁与后端壁之间并在周向上均匀布置的多个径流涡轮导叶，其特征在于，

相邻两所述径流涡轮导叶之间形成一流动通道，所述流动通道的一侧为一所述径流涡轮导叶的压力面，所述流动通道的另一侧为另一所述径流涡轮导叶的吸力面，

所述前端壁、后端壁基本呈圆盘状结构，且所述前端壁、后端壁的内表面分别形成为非轴对称的凹凸端壁结构，使得每一所述流动通道的流通面积增大，并使得每一所述流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低。

本发明的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构中，其端壁二次流损失的控制原理为：由于现有径流涡轮导叶具有流量小、膨胀比高的运行特征，该特征使径流涡轮导叶的流通面积小，导叶相对叶高较低，负荷较大，并导致导叶前后端壁之间的二次流动特征十分明显，通道涡尺寸相对较大，二次流损失成为影响导叶气动效率的主要因素。本发明通过对叶栅进行改造，具体是通过将所述前端壁、后端壁的内表面分别设置为非轴对称的凹凸端壁结构，使得每一所述流动通道的流通面积变化，并使得每一所述流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低，进而影响二次流速度分布，延迟通道涡的形成和发展，降低通道涡强度，最终实现二次流损失的降低。

优选地，所述非轴对称的凹凸端壁结构，其几何构型曲线为有理B样条曲面、三角函数、多项式函数、傅里叶级数、衰减函数等。

优选地，所述非轴对称的凹凸端壁结构，其结构形状为前端壁凸起后端壁凹陷、前端壁凹陷后端壁凸起、一侧吸力面附近凸起另一侧压力面附近凹陷、一侧吸力面附近凹陷另一侧压力面附近凸起等。

优选地，所述非轴对称的凹凸端壁结构，其数量、间隔距离、形状、长度根据实际几何尺寸和运行工况确定。

进一步地，各所述径流涡轮导叶采用三维构型结构。

优选地，所述三维构型结构为叶片由压力面向吸力面方向弯曲、叶片由吸力面向压力面方向弯曲、叶片由叶根向叶顶方向扭转一定角度、叶片由叶顶向叶根方向扭转一定角度、叶片中部扭转一定角度、叶根和叶顶扭转一定角度等。

优选地，各所述径流涡轮导叶的弯曲幅度、扭转角度根据实际径流涡轮几何参数、运行工况确定。

根据本发明的另一方面，还提供了一种径流涡轮，其特征在于，所述径流涡轮包括上述耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构。

优选地，所述径流涡轮的类型为向心式、混流式、单级或多级结构，涡轮个数及几何外形和结构尺寸、转速随总体热力学设计参数确定。

优选地，所述径流涡轮的工作介质是空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂或水蒸气等。

同现有技术相比，本发明的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，其优点与有益效果为：(1)通过对叶栅进行改造，具体是通过将所述前端壁、后端壁的内表面分别设置为非轴对称的凹凸端壁结构，使得每一所述流动通道的流通面积变化，并使得每一所述流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低，进而影响二次流速度分布，延迟通道涡的形成和发展，降低通道涡强度，最终实现二次流损失的降低。(2)非轴对称端壁几何构型，径流涡轮导叶的三维几何构型尺寸可根据径流涡轮实际运行工况和条件优化设计，因此可适用于运行在不同工况下的径流涡轮。(3)将非轴对称端壁结构和径流导叶的三维构型进行整体优化设计，能够使径流导叶内的二次流通道涡结构获得最大程度的控制，使二次流损失得到最大限度的降低，还可以改善导叶出口气流均匀性，使径流涡轮对能量的利用效率更高，做功能力提高，适用于各类径流涡轮。

附图说明

图1为径流涡轮内气流工作过程图；

图2为耦合非轴对称端壁的高效低展弦比三维径流涡轮导叶示意图；

图3为径流涡轮导叶非轴对称端壁结构示意图；

图4为径流涡轮导叶三维造型结构示意图；

其中：

(a)——样条曲线

(b)——余弦函数曲线

(c)——上凸曲线

(d)——下凹曲线

(e)——直线型积叠方式

(f)——L型积叠方式

(g)——C型积叠方式

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，径流涡轮包括叶轮10以及设置在叶轮10周向***的径流涡轮导叶结构20，径流涡轮导叶结构20包括前端壁21、后端壁22以及设置在前端壁21与后端壁22之间并在周向上均匀布置的多个径流涡轮导叶23，前端壁21、后端壁22基本呈圆盘状结构，相邻两径流涡轮导叶23之间形成流动通道，流动通道的一侧为一径流涡轮导叶的压力面，流动通道的另一侧为另一径流涡轮导叶的吸力面。

径流涡轮的应用领域包括但不限于压缩空气储能***、交通工具引擎涡轮增压器、中低温余热发电装置、可再生能源发电装置、化工过程膨胀机、火箭发动机涡轮泵等。径流涡轮的类型为向心式、混流式、单级或多级结构，涡轮个数及几何外形和结构尺寸、转速随总体热力学设计参数确定。径流涡轮的工质气体来源包括大气环境、发动机尾气、锅炉蒸汽、燃气、工业排放烟气、压缩空气、太阳能集热器蒸汽、蓄热器蒸汽、化工过程气体等。工质气体为空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂等。

径流涡轮的工作过程是：工作介质首先进入径流涡轮导叶结构20，在径流涡轮导叶23之间的流动通道中加速，随后进入叶轮10推动叶轮转动做功。气流在叶轮10内推动叶轮做功的同时，流动方向也发生变化。

如图2所示，通过将前端壁21、后端壁22的内表面分别形成为非轴对称的凹凸端壁结构24。使得每一流动通道的流通面积增大，并使得每一流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低。本发明的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构中，其端壁二次流损失的控制原理为：由于现有径流涡轮导叶具有流量小、膨胀比高的运行特征，该特征使径流涡轮导叶的流通面积小，导叶相对叶高较低，负荷较大，并导致导叶前后端壁之间的二次流动特征十分明显，通道涡尺寸相对较大，二次流损失成为影响导叶气动效率的主要因素。本发明通过对叶栅进行改造，具体是通过将所述前端壁、后端壁的内表面分别设置为非轴对称的凹凸端壁结构24，使得每一所述流动通道的流通面积增大，并使得每一所述流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低，进而影响二次流速度分布，延迟通道涡的形成和发展，降低通道涡强度，最终实现二次流损失的降低。

如图3所示，非轴对称的凹凸端壁表面可以是单一凸包、单一凹坑、导叶压力面附近采用凹坑而吸力面附近采用凸起、导叶压力面附近采用凸起而吸力面附近采用凹坑等结构。非轴对称端壁凹坑/凸起的数量、影响范围、深度/高度、变化函数曲线根据具体径流涡轮的几何尺寸、运行参数确定。非轴对称端壁几何结构直接通过数控机床、3D打印技术完成加工，具有可实现性。非轴对称端壁几何构型曲线包括但不限于：有理B样条曲面、三角函数、多项式函数、傅里叶级数、衰减函数等。结构形状包括但不限于：前端壁凸起/凹陷、后端壁凸起/凹陷、导叶吸力面附近凸起/凹陷、导叶压力面附近凸起/凹陷等。非轴对称端壁结构的的数量、间隔距离、形状、长度根据实际几何尺寸和运行工况确定。如图3所示，非轴对称端壁型面由压力面向吸力面方向的变化采用正弦曲线(b)描述，正弦曲线的波峰、波谷、长度等参数根据径流涡轮进口气流速度、粘度等参数确定。

如图4所示，径流涡轮导叶23采用弯、扭、掠等形式进行三维构型，可与非轴对称端壁匹配，能够进一步控制通道涡尺寸，并改善导叶出口流场均匀性和下游叶轮进气流场。各径流涡轮导叶23的弯曲幅度、扭转角度根据实际径流涡轮几何参数、运行工况确定。如图4所示，径流涡轮导叶23的三维构型由叶根向叶高积叠方式采用C型曲线(g)描述。C型曲线与端壁的夹角，最高点偏移距离参数根据径流涡轮工况确定。

通过将非轴对称端壁结构、径流涡轮导叶采用三维方式进行积叠，通过二次流结构和损失的综合控制，实现提高气动效率损失的目的。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，包括前端壁、后端壁以及设置在所述前端壁与后端壁之间并在周向上均匀布置的多个径流涡轮导叶，其特征在于，

相邻两所述径流涡轮导叶之间形成一流动通道，所述流动通道的一侧为一所述径流涡轮导叶的压力面，所述流动通道的另一侧为另一所述径流涡轮导叶的吸力面，

所述前端壁、后端壁基本呈圆盘状结构，且所述前端壁、后端壁的内表面分别形成为非轴对称的凹凸端壁结构，使得每一所述流动通道的流通面积变化，并使得每一所述流动通道一侧的压力面与另一侧的吸力面之间的气流压差降低。

2.根据上述权利要求所述的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，其特征在于，所述非轴对称的凹凸端壁结构，其几何构型曲线为有理B样条曲面、三角函数、多项式函数、傅里叶级数、衰减函数等。

3.根据上述权利要求所述的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，其特征在于，所述非轴对称的凹凸端壁结构，其结构形状为前端壁凸起后端壁凹陷、前端壁凹陷后端壁凸起、一侧吸力面附近凸起另一侧压力面附近凹陷、一侧吸力面附近凹陷另一侧压力面附近凸起等。

4.根据上述权利要求所述的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，其特征在于，所述非轴对称的凹凸端壁结构，其数量、间隔距离、形状、长度根据实际几何尺寸和运行工况确定。

5.根据上述权利要求所述的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，其特征在于，各所述径流涡轮导叶采用三维构型结构。

6.根据上述权利要求所述的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，其特征在于，所述三维构型结构为叶片由压力面向吸力面方向弯曲、叶片由吸力面向压力面方向弯曲、叶片由叶根向叶顶方向扭转一定角度、叶片由叶顶向叶根方向扭转一定角度、叶片中部扭转一定角度、叶根和叶顶扭转一定角度等。

7.根据上述权利要求所述的耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构，其特征在于，各所述径流涡轮导叶的弯曲幅度、扭转角度根据实际径流涡轮几何参数、运行工况确定。

8.一种径流涡轮，其特征在于，所述径流涡轮包括上述耦合非轴对称端壁的径流涡轮导叶结构。

9.根据上述权利要求所述的径流涡轮，其特征在于，所述径流涡轮的类型为向心式、混流式、单级或多级结构，涡轮个数及几何外形和结构尺寸、转速随总体热力学设计参数确定。

10.根据上述权利要求所述的径流涡轮，其特征在于，所述径流涡轮的工作介质是空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气、氨气、氟利昂或水蒸气等。