流线隧道式涡轮制造技术

本发明专利技术公开了流线隧道式涡轮，属于涡轮领域，涡轮采用封闭式结构，其内部包括多个流道，且所述流道的中心线为三维曲线。涡轮在结构上采用流线隧道式，流道内的气体以高雷诺数流动；并应用三次埃尔米特曲线的流道中心线成形方法可准确控制流道构造角，且曲线的曲率平缓过渡。本发明专利技术公开的流线隧道式涡轮具有很好的密封效果且能够大幅降低间隙泄漏损失，同时具有更大的强度以及更小的流动损失的优点。

【技术实现步骤摘要】
流线隧道式涡轮
本专利技术涉及涡轮领域，尤其涉及流线隧道式涡轮。
技术介绍
涡轮是应用于燃气轮机、涡轮增压器等机械中的核心零件，通常长期与高温废气接触，处于高温、腐蚀气流的持续冲刷下，工作条件极为恶劣。又因工况变化频繁，叶片往往承受着冲击载荷。然而在结构上，传统的开式涡轮叶轮叶片单薄，强度较差，且存在间隙泄漏损失，影响着涡轮效率及寿命。在工艺上，由于涡轮结构截面变化大、叶片流线复杂且薄，传统的精密铸造方法不可避免存在铸造缺陷，难以进一步提高其机械与力学性能。因此，无法满足既要涡轮具有较高的高温持久强度极限以及良好的抗疲劳和抗蠕变性能的同时，又要材料具有良好的铸造性能和高温下组织的稳定性的要求。
技术实现思路
为了克服现有技术中涡轮存在的缺陷，本专利技术所需解决的问题在于提出流线隧道式涡轮，使得涡轮具有较高的高温持久强度极限以及良好的抗疲劳和抗蠕变性能的同时，又要材料具有良好的铸造性能和高温下组织的稳定性。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供的流线隧道式涡轮：涡轮采用封闭式结构，其内部包括多个流道，且所述流道的中心线为三维曲线。优选地，所述三维曲线的方程构造为柱面埃尔米特曲线向中心线所在环曲面做柱面投影所得的投影曲线，所述三维曲线的方程为柱面埃尔米特曲线与中心线所在环曲面的组合。优选地，所述流道的各处法向截面为圆或者椭圆中的任意一种，所述流道的各处法向截面为椭圆时，其长轴向xy平面的投影与该点半径线垂直，截面椭圆长短轴之比保持不变；根据旋转机械流通特性和速度条件得出流道进出口面积，截面面积沿流道中心线均匀变化，由此构成完整流道。优选地，所述流道可分为多组，各组之间的流道进出口可分布在不同的半径上，多个流道周向均布且关于转子轴线中心对称。优选地，所述涡轮材料包括陶瓷复合材料或者高温合金材料中的任意一种，制造工艺采用3D打印或注射成型中的任意一种。优选地，涡轮的外表面设置有篦齿结构，与特殊设计的机匣形成阶梯式密封结构。优选地，所述柱面埃尔米特曲线为平面埃尔米特曲线弯曲为柱面所得，该柱面半径为流道出口所在半径，轴为涡轮轴线。优选地，所述流道的中心线所在环曲面为流道中心子午线绕涡轮轴线旋转一周所得曲面。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的流线隧道式涡轮，在结构上采用流线隧道式，流道内的气体以高雷诺数流动，因此水力阻力较低，有利于提高增压器效率，并且相比于叶片式结构，其工作轮强度更大，遇到研磨颗粒、焊粒、砂砾等不易损坏；应用三次埃尔米特曲线的流道中心线成形方法可准确控制流道构造角，且曲线的曲率平缓过渡，可保证流道内较小的流动损失；阶梯式迷宫密封结构充分利用了流线孔道式涡轮外侧圆锥面，且具有很好的密封效果，大大降低了间隙泄漏损失。综上，涡轮具有很好的密封效果且能够大幅降低间隙泄漏损失，同时具有更大的强度以及更小的流动损失的优点。附图说明图1为单组流道的流线隧道式向心涡轮子午面示意图；图2为完整流道及流道法向截面示意图；图3为某三组流道向心涡轮示意图。图中：1、流道中心子午线；2、篦齿结构；3、实际流道中心线；4、流道法向截面；5、完整流道。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案。实施例一如图1至图3所示，本实施例中提供的流线隧道式涡轮，由一维设计所得约束参数示于图1，流道入口所在半径为R1，流道出口所在半径为R2，并假设流道包络角γ，中心线进出口间轴向(z轴方向)距离H。若出口构造角与出口相对气流角相等，为β2，则流道中心线的方程可根据“流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法”提供的方法构造为柱面埃尔米特曲线向中心线所在环曲面所做柱面投影，其在柱坐标系的方程为：式①表示柱面埃尔米特曲线，为平面埃尔米特曲线弯曲为柱面所得，该柱面半径为流道出口所在半径R2，轴为涡轮轴线(z轴)。式②表示流道中心线所在环曲面，为流道中心子午线1绕涡轮轴线旋转一周所得。流道中心线相垂直的各处流道法向截面4为圆或椭圆，为椭圆时，其长轴向xy平面的投影与该点半径线垂直，截面椭圆长短轴之比保持不变，根据旋转机械流通特性和速度条件得出流道进出口面积，截面面积沿实际流道中心线3均匀变化，由此构成完整流道5。流道可分为多组，各组之间流道进出口可分布在不同的半径上，多个流道周向均布且关于转子轴线中心对称。对于向心涡轮，主要是流道出口分布在不同半径，图3所示为某三组流道向心涡轮。涡轮材料可以采用陶瓷复合材料或者高温合金材料(镍基高温合金材料、铁基高温合金材料等)或等制成，高温合金以及陶瓷复合材料在高温的环境下任然可以保持一定高的机械性能，确保涡轮在高温状态下具有较高的强度，并且可以采用单晶的高温合金作为制作涡轮的材料，单晶高温合金以单个晶体为单位，因其合金化程度高，弥补了传统的铸锻高温合金铸锭偏析严重、热加工性能差、成形困难等难点，故而采用单晶材料制作涡轮可以进一步提高涡轮的性能。制造工艺采用3D打印(通将涡轮的数字模型数据输入至3D打印机内部，通过3D打印机运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造涡轮)、注射成型等先进制造技术；所述涡轮外表面可设置篦齿结构2，与特殊设计的机匣形成阶梯式密封结构。实施例二流线隧道式涡轮作为一种闭式旋转机械，其强度更高，泄漏损失更小，且具有流线设计优化空间大、泄漏损失小、适应更高转速、应用材料范围宽广等优点，从而可以提高动力机械的功率密度、减小尺寸、降低重量，进一步提高涡轮效率。涡轮的耐高温、高强度、轻量化等需求尤其适应于陶瓷材料的应用，而且对陶瓷高温下断裂韧性要求不高，配合逐渐发展成熟的三维打印、注射成形等先进制造技术，可以大批量生产这种新型涡轮。本专利技术是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本专利技术的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本专利技术不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本专利技术保护的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.流线隧道式涡轮，其特征在于：/n涡轮采用封闭式结构，其内部包括多个流道，且所述流道的中心线为三维曲线。/n

【技术特征摘要】
1.流线隧道式涡轮，其特征在于：
涡轮采用封闭式结构，其内部包括多个流道，且所述流道的中心线为三维曲线。


2.根据权利要求1所述的流线隧道式涡轮，其特征在于：
所述三维曲线的方程构造为柱面埃尔米特曲线向中心线所在环曲面做柱面投影所得的投影曲线，所述三维曲线的方程为柱面埃尔米特曲线与中心线所在环曲面的组合。


3.根据权利要求1所述的流线隧道式涡轮，其特征在于：
所述流道的各处法向截面为圆或者椭圆中的任意一种，所述流道的各处法向截面为椭圆时，其长轴向xy平面的投影与该点半径线垂直，截面椭圆长短轴之比保持不变；根据旋转机械流通特性和速度条件得出流道进出口面积，截面面积沿流道中心线均匀变化，由此构成完整流道5。


4.根据权利要求1所述的流线隧道式涡轮，其特征在于：
所述流道可...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄若，郭文杰，
申请(专利权)人：萍乡北京理工大学高新技术研究院，
类型：发明
国别省市：江西;36