一种带有改进围带结构的透平叶轮
技术领域
本发明属于涡轮领域，尤其涉及一种带有改进围带结构的透平叶轮。
背景技术
透平是将流体介质中蕴有的能量转换成机械功的机器，又称涡轮。按所用的流体介质不同透平可分为水轮机、汽轮机、燃气透平和空气透平等。其工作原理是流体将所具有的能量在流动中经过喷管时转换成动能，流过转子时冲击叶片，推动转子转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接或经传动机构带动其他机械，输出机械功。透平是现代水电站、火力发电厂的主要设备，也用于冶金工业、化学工业、舰船及喷气式飞机的动力装置中。
叶轮是透平的核心部件，承担着对外做功的重要作用，叶轮性能的好坏，使用周期的长短，直接关系到透平的使用与维护。现有结构上，蒸汽透平顶部的围带均为分段式结构，且将叶轮叶片全部覆盖，再利用铆销与每只叶片连接并固定；每只叶片都是单独加工制造并通过榫槽嵌入轮盘中，再用销钉固定；而透平叶片数量多，几十甚至上百只，使得这种传统结构存在：
1)由于现有的叶轮的围带宽度与叶片沿叶轮的轴向长度相同，将叶轮叶片全部覆盖，使得气流流出叶轮时的轨迹只能为直线，而透平装置内气流的流出叶轮后的路径均为非直线型，因此易造成气流的能量损耗；
2)围带采用分段式结构与叶片铆接，这样使得叶片与围带之间必然会存在一定的间隙，该间隙会增加二次流量损失，降低叶轮的做功性能，从而降低叶轮效率；
2)该种结构复杂，加工量大，造价高，装配零件多，配合要求高，运行风险相对较高，失效点多且分散，可靠性及可维修性相对较差。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，为此，本发明提供一种带有改进围带结构的透平叶轮。本发明具有提高透平叶轮的效率的优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种带有改进围带结构的透平叶轮，包括轮盘、若干叶片和环形的围带，若干叶片沿轮盘圆周方向铣制分布，且相邻叶片之间构成气流通道；围带覆设在若干叶片的进口端上。
优选的，围带的顶端与叶片的顶端位于同一圆弧面。
优选的，轮盘、若干叶片和围带采用钛合金一体化整体铣制而成。
优选的，围带沿气体流动方向的宽度L为叶片沿叶轮的轴向长度的50％-80％。
优选的，围带沿气体流动方向的宽度L为叶片沿叶轮的轴向长度的60％。
优选的，围带出口的内外缘分别设有倒角a和倒角b。
优选的，倒角a和倒角b的半径均为2mm。
优选的，若干叶片的横截面均呈月牙状。
本发明的优点在于：
(1)本发明围带采用整体环状且部分覆设在叶片上，不仅使得气流流出时能量损耗较少，透平叶轮的效率较高，且整体铣制加工成型的叶轮为一个整体无缝零件，无外接连接紧固件，较于传统的采用较多配件连接的透平，大大减少气流流出损耗，降低加工及装配风险，进一步提高了透平叶轮的效率和设备的可靠性。
(2)本发明采用钛合金材质的轮盘、叶片、围带通过铣制加工为一体化整体成型，结构简单，加工简便；且钛合金强度高，抗腐蚀性好，能有效降低水蚀影响，提高叶轮的整体刚性、承受冲击载荷和抗变形能力，降低叶片和围带的振动幅度；且无需进行多次装配，降低装配难度及工作量；同时一体化整体铣制的透平叶轮改变了传统透平叶轮设计及装配，与传统蒸汽透平叶轮相比，可靠性高，能有效延长维护周期、提高设备的利用率、降低用户的人工维护成本；本发明在使用过程中，若叶片或围带出现腐蚀、无法满足使用需求时，可将一体化整体铣制的透平叶轮从设备上拆卸下来，对腐蚀部位进行处理后，再用3D修复技术对其直接进行局部修复，使其回复到腐蚀前的叶轮状态并继续使用，实现使用-维护-再利用的再制造循环。
(3)本发明围带位于叶片叶顶的进口端，且围带宽度不覆盖整个叶片沿叶轮的轴向长度，围带出口内外缘均采用圆角设计，围带的顶端与叶片的顶端位于同一圆弧面，经CFD数值模拟分析，当围带宽度为叶片沿叶轮的轴向长度的60％时，叶轮的效率最高，且与现有围带覆盖整个叶轮叶顶的传统设计相比，本发明透平叶轮效率提高约2.7％，性能明显得到明显。
附图说明
图1为本发明立体结构示意图。
图2为图1的局部放大示意图。
图3为本发明正面结构示意图。
图4为本发明侧面局部放大示意图。
图5为本发明A-A局部结构示意图。
图6为图5局部放大结构示意图。
图7为本发明B-B结构示意图。
图8为本发明60％围带宽度条件下的透平叶轮CFD模拟流线示意图。
图9为本发明围带覆盖整个叶顶的传统设计透平叶轮CFD模拟流线示意图。
图10为本发明装配结构示意图。
图11为图10中叶片与喷嘴装配放大图。
图中标注符号的含义如下：
1-轮盘、2-叶片、3-围带、4-透平膨胀机、41-主轴、42-喷嘴。
具体实施方式
如图1-7所示，一种带有改进围带结构的透平叶轮，包括轮盘1、若干叶片2和环形的围带3，若干叶片2沿轮盘1圆周方向铣制分布，且相邻叶片2之间构成气流通道；围带3覆设在若干叶片2的进口端上。围带3的顶端与叶片2的顶端位于同一圆弧面。若干叶片2均呈月牙状。轮盘1、若干叶片2和围带3采用钛合金一体化整体铣制而成，改变了传统透平叶轮的设计及装配，与传统蒸汽透平叶轮相比，可靠性高，能有效延长维护周期、提高设备的利用率、降低用户的人工维护成本。围带3的外径与叶轮出口叶尖的直径相等，且围带3远离气流通道出口的一侧与叶片2的进口端面位于同一平面。
实施例1
分别制造不同围带条件下的透平叶轮模型，其性能计算结果如下表1(围带3沿气体流动方向的宽度L1即为围带3沿气体流动方向的宽度L1；叶片2弦长即为叶片2沿叶轮的轴向长度)：
表1
从表1中可以看出：
1)对比模型1、2、6和对比例1可以发现，围带宽度对透平叶轮效率有明显的影响，且当围带宽度为叶片沿叶轮的轴向长度的60％时，透平叶轮的效率最高；且与对比例1(围带覆盖整个叶轮叶顶的传统设计)相比，当围带宽度为叶片沿叶轮的轴向长度的60％时，本发明的透平叶轮效率比对比例1的叶轮效率提高了2.7％；
2)对比模型2、3、4和5可以发现，当围带出口内外缘均倒圆角时，透平叶轮效率最高，多变效率达97.93％。
图8为本发明60％围带宽度条件下的透平叶轮气流直线流动的CFD模拟流线示意图，图9为现有围带覆盖整个叶顶的传统设计透平叶轮气流直线流动的CFD模拟流线示意图，由图8可以看出，在60％围带3宽度条件下气流呈直线流动状态下的透平叶轮，图中出口气流形成了两个旋涡，分别为围带3顶部的旋涡和叶尖出口的旋涡，区域相对较小，表明内部低能团较少，即气流流出时能量损耗较少，透平叶轮的效率较高，更为具体的，本发明的围带3出口的内外缘分别设有倒角a和倒角b(半径为2mm时最佳)，即扩大了气流的流出范围，使得气流更易流动，有利于进一步提高透平叶轮的效率较高；而图9中100％围带宽度条件下气流呈直线流动状态下的传统透平叶轮，整个出口外圈形成一个整体的大旋涡，表明内部低能团较多，气流流出时能量损耗较大，即传统透平叶轮不利于气流流动，并会明显增加流动损失，导致透平叶轮的效率较低。
如图10-11所示，将本发明制得的一体化透平叶轮运用于透平膨胀机4中，即将透平叶轮的轮盘1安装于透平膨胀机4的主轴41上，具体工作时，气流沿轴向进入喷嘴42，在喷嘴42里转向并加速，出喷嘴42后，高速的气流冲击到透平叶轮的叶片2上，推动叶轮使其高速旋转并对外输出机械功，气流流出相邻叶片2之间的气流通道后进入透平膨胀机4的机壳，最后经膨胀机机壳出口排出。喷嘴的出口角α设计为15°，使气流正好沿叶轮叶片的进口切线方向进入叶片通道，减小流动损失。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
