一种具有缘板台阶机匣的带冠涡轮

技术领域

本发明属于涡轮技术领域，具体涉及一种具有缘板台阶机匣的带冠涡轮。

背景技术

涡轮叶尖泄漏流动引起的损失是涡轮级总涡轮级损失的重要组成部分。低压涡轮的叶冠封严结构可以抑制泄漏流动，减小泄漏损失，但泄漏流动仍对涡轮级性能有着重要的影响。因此，采用几何控制方法尽量减小带冠低压涡轮泄漏流动的负面影响是近年来低压涡轮叶冠泄漏流动研究的热点和难点问题之一。

控制泄漏量是提升涡轮性能的直接途径，为了减小泄漏量从而降低泄漏损失，最常用的做法是增加篦齿齿数来增大泄漏流的流动阻力。篦齿齿数越多，流动阻力越大，泄漏量越小。泄漏流与主流的掺混损失是泄漏损失的重要组成部分。泄漏流汇入主流的速度方向是这部分掺混损失的重要影响因素，对出口腔下游机匣倒圆角可以调节泄漏流的出射方向，从而控制掺混损失。

而研究表明篦齿齿数对泄漏量的控制作用符合边际效益递减规律，即当篦齿齿数大于3时，再增加篦齿齿数对泄漏量的影响较小。同时，增大篦齿齿数可能会增加叶冠结构的质量，从而增大叶片的应力，影响到叶片的寿命。其次，仅凭出口腔下游机匣倒圆角对掺混损失的控制效果以及涡轮级性能的收益甚微。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种具有缘板台阶机匣的带冠涡轮。

本发明采用的技术方案为：

一种具有缘板台阶机匣的带冠涡轮，包括机匣和轮毂，所述轮毂上沿圆周均匀安装有叶片，所述轮毂和叶片均安装在机匣里，所述叶片端部的圆周上安装有叶冠，所述叶冠外壁上安装篦齿，所述叶冠、篦齿与其顶部的机匣壁面之间形成间隙，所述篦齿将叶冠容腔分为进口腔、篦齿齿腔以及出口腔，所述进口腔和出口腔顶部的机匣壁面均设置有缘板台阶。

优选的，所述出口腔顶部的缘板台阶后接有光滑曲线过渡。

优选的，所述光滑曲线有两个弯曲方向相反的圆弧衔接构成。

优选的，所述进口腔顶部的缘板台阶相对长度为进口腔顶部的缘板台阶长度与叶片轴向弦长的比值；所述进口腔顶部的缘板台阶相对宽度为进口腔顶部的缘板台阶长度与篦齿齿顶和机匣之间间隙宽度的比值；所述出口腔顶部的缘板台阶相对长度为出口腔顶部的缘板台阶长度与叶片轴向弦长的比值；所述出口腔顶部的缘板台阶相对宽度为出口腔顶部的缘板台阶长度与篦齿齿顶和机匣之间间隙宽度的比值。

优选的，所述光滑曲线圆弧相对半径为光滑曲线圆弧半径与叶片轴向弦长的比值。

本发明的有益效果：

1、本发明在进口腔和出口腔的典故各设置一个缘板台阶，从而使得泄漏流在叶冠容腔内多次折转，增大了流动阻力，可有效减小了泄漏量。

2、本发明在出口腔顶部的缘板台阶后接有光滑曲线过渡，能够改变泄漏流流入主流时的速度方向，从而减小泄漏流与主流的掺混损失大小，并改善泄漏流动都下游的负面影响。

3、本发明对机匣的优化不会增加叶片顶端叶冠结构的质量总而增大叶片应力影响到叶片的寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为子午截面上叶冠结构的几何示意图。

图2为本发明的一种具有缘板台阶机匣的带冠涡轮的剖视图；

图3为本发明的一种具有缘板台阶机匣的带冠涡轮的尺寸图；

附图标记如下：

1、叶冠；2、叶冠外壁；3、篦齿；4、缘板台阶；5、机匣壁面；6、光滑曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明研究对象为单级高展弦比低压带冠涡轮。转子叶片设有双篦齿叶冠结构，与机匣的径向齿尖间隙为0.5mm。图1给出了子午截面上叶冠结构的几何示意图，该几何在下文中被称为“原型”叶冠几何。

从减小泄漏量和调整泄漏流的动量分配出发，本发明对机匣的结构进行了改型。如图2所示，本发明包括机匣和轮毂，所述轮毂上沿圆周均匀安装有叶片，所述轮毂和叶片均安装在机匣里，所述叶片端部的圆周上安装有叶冠1，所述叶冠外壁2上安装篦齿3，所述叶冠1、篦齿3与其顶部的机匣壁面5之间形成间隙，所述篦齿3将叶冠容腔分为进口腔、篦齿齿腔以及出口腔，所述进口腔和出口腔顶部的机匣壁面5均设置有缘板台阶4，所述出口腔顶部的缘板台阶4后接有光滑曲线6过渡。

在本实施例中，所述光滑曲线6有两个弯曲方向相反的第一圆弧和第二圆弧衔接构成。

如图2所示，L

则缘板台阶的机匣型线由如下方式确定：首先根据缘板台阶机匣的结构特点，定义进口腔缘板台阶相对长度，相对高度，出口腔缘板机匣相对长度、相对高度，进口腔缘板台阶与叶冠缘板之间通道的相对宽度以及进口腔缘板台阶与叶冠缘板之间通道的相对宽度、光滑曲线圆弧相对半径七个影响叶冠封严性能的关键几何参数：所述进口腔顶部的缘板台阶4相对长度为进口腔顶部的缘板台阶4长度与叶片轴向弦长的比值L

本发明通过一种具有缘板台阶机匣型线设计，在进口腔和出口腔内各增设一个台阶，该台阶位于叶冠缘板上方，与缘板上壁面形成一个流动通道，称其为缘板台阶。在缘板台阶壁面的阻碍作用下，泄漏流多经历了数次折转，使得叶冠容腔内的流动阻力增大，从而抑制泄漏流动。因此缘板台阶的作用相当于是在进出口腔内额外增加了一道篦齿；于此同时，将上游的泄漏射流限制在环形通道内可以改善出口腔内下游的周向不均匀性，减小下游的掺混损失。进出口腔内环形通道的宽度均设置为0.8mm，大于篦齿齿尖间隙。

出口腔下游机匣光滑曲线的设计能够改变泄漏流流入主流时的速度方向，从而减小泄漏流与主流的掺混损失大小，并改善泄漏流动都下游的负面影响。

针对机匣型线的优化不会增加叶片顶端叶冠结构的质量总而增大叶片应力影响到叶片的寿命。

本发明优化设计所采用的机匣结构其相关的几何参数列于下表1中。

Table 1.Geometrical parameters of casing and shroud(unit：mm)

定义进口腔缘板台阶相对长度，相对高度，出口腔缘板机匣相对长度、相对高度，进口腔缘板台阶与叶冠缘板之间通道的相对宽度以及进口腔缘板台阶与叶冠缘板之间通道的相对宽度、光滑曲线圆弧相对半径七个影响叶冠封严性能的关键几何参数：进/出口腔缘板台阶相对长度为进/出口腔缘板台阶与叶片轴向弦长的比值(L

Table 2.Normalized geometrical parameters of casing and shroud

表3中列举了两个算例的封严效果以及涡轮级效率。改型后泄漏量相比原型减小了13.3％，效率提升了0.15％。

Table 3.Sealing performance parameters and the stage efficiency oftwo cases

用下式可以计算出本发明中原型算例各个方向掺混引起的损失大小。

表4不同算例各个方向无量纲掺混损失的大小

从表中可以看出，出口腔缘板台阶后的光滑曲线造型能够有效调整泄漏流的出射方向，改型后由于泄漏量的降低以及泄漏流与主流速度差的减小，最终有效减小约30％的掺混损失，其中轴向掺混损失的降低超过50％。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。