一种多级液力透平导出轮装置及其设计方法与流程

本发明属于流体机械及能量回收领域，具体是一种多级液力透平导出轮装置及其设计方法。

背景技术：

在石油化工、炼油、海水淡化等行业中存在大量高压流体，通常采用多级泵反转作透平使用完成能量回收，从而替代减压阀完成减压功能。多级透平的工作原理是将高压来流由多级透平的吸入段引入，高压来流驱动各级叶轮旋转，使来流的压能转换成为各级叶轮的动能，各级叶轮通过平键固定在多级透平轴上，各级叶轮带动透平轴旋转，多级透平轴通过联轴器与发电机组或负载相连，将高压来流的内能转换为电能或动能，最后高压来流从多级透平的吐出段流出，完成余能的回收，实现多级泵反转作液力透平的功能。由于多级透平结构这种方式可以大幅度地降低生产成本，所以在实际生产实践中应用广泛。

但在实际使用情况中，高压流体通过各级叶轮完成能量转换后，在末级叶轮出口处流体能量最低。当高压来流为热敏流体或含气多相流，此时在多级透平末级叶轮出口处极易发生液体空化现象，发生空化现象后，该部位处的大量气体凝聚及破裂会使多级透平产生噪音及振动等异常现象，导致透平回收效率降低、零件气蚀及疲劳失效。

因此，需要对多级透平进行进一步的改进和完善，设计一种应用场合更广的多级液力透平，使多级液力透平能够稳定、高效地运行。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种能够对多级液力透平末级叶轮流出的流质进行增压的导出轮装置及其设计方法，以解决多级透平在高压流动介质能量回收过程中存在末级叶轮出口部位空化的问题，使多级液力透平能够稳定、高效地回收高压流动介质中的能量。

本发明提供的技术方案是：

一种多级液力透平导出轮装置，所述多级液力透平包括吸入段、泵体、吐出段、固定在透平轴上并与吸入段密封连接的平衡盘以及设置在泵体内且固定在透平轴上的各级叶轮；其特征在于：所述多级液力透平中还设置延伸段；所述吸入段、泵体、延伸段和吐出段沿流动介质的流动方向依次密封连接；所述延伸段内壁光滑并且沿流动介质的流动方向逐渐扩张形成圆锥状，延伸段外壁为圆柱状；延伸段内部还设置一导出轮，所述导出轮包括同轴套设固定在透平轴上的轮毂以及等间距且呈螺旋状固定在轮毂外周的若干导出轮叶片；所述导出轮叶片的半径沿流动介质的流动方向逐渐增大；所述导出轮叶片设置成沿流动介质的流动方向透平轴轴线方向逐渐收缩的翼型。

所述导出轮叶片的厚度略大于多级透平末级叶轮叶片的厚度，以保证导出轮叶片具有足够的强度。

所述导出轮叶片数为奇数，以避免导出轮叶片发生交替叶片汽蚀；所述导出轮叶片数大于3片且小于多级透平末级叶轮叶片数，以避免导出轮叶片对流动介质的流动造成堵塞。

所述导出轮的进口直径等于多级透平末级叶轮的出口直径，以减少流动介质的流动损失；所述导出轮的出口直径为导出轮的进口直径的1.8倍，以提高导出轮的抗汽蚀性能。

所述导出轮叶片的进口角等于多级透平末级叶轮的叶片出口角，以减小流动损失。

上述多级液力透平导出轮装置的设计方法，按照如下步骤进行：

1)由公式(1.1)确定导出轮叶片的进口直径d1：

d1＝d3(1.1)

式中：d3为多级透平末级叶轮叶片的出口直径；

2)由公式(1.2)确定导出轮叶片的出口直径d2：

d2＝(1.5～2)d1(1.2)

3)由公式(1.3)、(1.4)确定导出轮叶片的进口角β1和导出轮叶片的出口角β2：

β1＝β3(1.3)

vu2＝vm2*tanβ2(1.7)

式中：β3为多级透平末级叶轮叶片的出口角；vm2、vu2、u2分别为导出轮出口轴面速度、圆周分速度、圆周速度；q为多级泵的流量，单位是m³/s；为叶片排挤系数；n为多级透平转速；

4)由公式(1.8)、(1.9)、(1.10)确定导出轮叶片的翼型安放角βc、导出轮叶片的轮缘包角印导出轮的轮毂包角

式中：l为叶片翼型的展长；t为导出轮叶片的螺距；l/t为翼型叶栅稠密度；z为导出轮叶片数；为导出轮进口后掠角；

5)由公式(1.11)确定导出轮叶片翼型的型线半径r：

式中：l为叶片型线的展长，l的长度从导出轮叶片进口到出口沿ly方向以的规律线性变化；

6)由公式(1.12)、(1.13)确定导出轮轮缘的轴向长度ly和导出轮轮毂的轴向长度lh；

7)由公式(1.14)确定导出轮叶片的厚度d1；

d1＝(1.1～1.5)d2(1.14)

式中：d2为多级透平末级叶轮叶片厚度。

所述步骤2)中，d2＝1.8d1。

所述步骤4)中，翼型叶栅稠密度l/t的取值范围为1.5～3，优选地，导出轮翼型叶栅稠密度等于多级透平末级叶轮的翼型叶栅稠密度；导出轮进口后掠角范围为60°～180°，优选地，导出轮后掠角等于多级透平末级叶轮叶片包角；导出轮叶片个数取值范围为4～8片，优选地，导出轮叶片个数比多级透平末级叶轮叶片数少1～2片。

所述步骤7)中，d1＝1.3d2。

本发明的有益效果是：

1、导出轮采用基圆逐渐增大的螺旋叶片，具有很好的抗汽蚀性能，其流道为扩张型流道，结构简单，导出轮加工及安装方便；导出轮叶片的进口角等于多级透平末级叶轮出口叶片出口角，可以减小流动损失。

2、在多级透平末级叶轮与吐出段之间安装导出轮，当流动介质从多级透平末级叶轮出口流出后，导出轮对其进行增压，改善多级透平末级叶轮出口段的空化现象，使多级透平能够在稳定、高效的状态下持续运行。

附图说明

图1为包含本发明所述导出轮的多级液力透平的结构示意图。

图2为本发明所述导出轮的导出轮叶片型线图。

图3为本发明所述导出轮的平行于轴线方向的投影图。

图4为本发明所述导出轮的轴向投影图。

附图标记：

1、透平轴；2、填料；3、吐出段；4、密封圈；5、导出轮；6、末级叶轮；7、轴套；8、吸入段；9、平衡盘；10、导出轮叶片；11、轮毂；12、延伸段；13、平键；14、泵体。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

传统的多级液力透平，包括透平轴1、吸入段8、泵体14、吐出段3、平衡盘9和各级叶轮。所述吸入段、泵体和吐出段沿流动介质的流动方向依次通过密封圈4进行密封连接。所述平衡盘套设在透平轴上并与吸入段通过螺纹件(优选螺栓)固定连接，以平衡透平轴上的轴向力；平衡盘与吸入段的连接处采用填料2密封。各级叶轮设置在泵体内且通过平键13固定安装在透平轴上，以便与透平轴一体转动。传统的多级液力透平工作原理是：高压流动介质从吸入段流入后，流动介质通过各级叶轮，其压力能转换为动能驱使各级叶轮和透平轴转动，最终从吐出段流出；透平轴左端通过联轴器与发电机组或负载相连对外做功，完成高压流动介质的能量回收利用。

如图1所示，为了改善多级透平末级叶轮6出口处的空化现象，本发明在泵体与吐出段之间增设了延伸段12，延伸段与泵体、吐出段之间均通过密封圈4进行密封，并且延伸段内设置有导出轮5，以便对多级透平末级叶轮出口处的流动介质进行增压。

所述延伸段内壁光滑并且沿流动介质的流动方向逐渐扩张形成圆锥状；延伸段外壁为圆柱状。所述导出轮设置在延伸段内部且固定在透平轴上；导出轮包括轮毂11和若干导出轮叶片10。所述轮毂通过平键固定套设在透平轴上，以约束导出轮的周向运动，使得导出轮与透平轴一体转动；导出轮轮毂的轴向由末级叶轮及吐出段的轴套7进行限位。所述导出轮叶片数为奇数，以避免导出轮叶片发生交替叶片汽蚀；所述导出轮叶片数大于3片且小于多级透平末级叶轮叶片数，以避免导出轮叶片对流动介质的流动造成堵塞；本实施例中导出轮叶片采用五个(见图4)。

五个导出轮叶片等间距且呈螺旋状固定(优选焊接方式)在轮毂上，并且导出轮叶片的半径沿流动介质的流动方向逐渐增大，以提高流动介质在末级透平叶轮出口部位的压能，改善该部位的空化现象。所述导出轮叶片设置成沿流动介质的流动方向透平轴轴线方向逐渐收缩的翼型，以减少能量损耗。所述导出轮叶片的厚度略大于多级透平末级叶轮的叶片厚度，以保证导出轮叶片具有足够的强度。所述导出轮叶片的进口角等于多级透平末级叶轮的叶片出口角，以减小流动损失。

所述导出轮采用轴流式结构，具有高抗汽蚀能力，其工作原理是：导出轮中导出轮叶片的外缘处速度最大，该位置产生的气泡沿着轴线向前运动，由于导出轮轮毂侧的液体在离心力的作用下，向外挤压，使得气泡被压控在导出轮叶片的外缘并发生凝结，因此不会造成流道的堵塞，可以使多级透平在稳定、高效的状态下连续运行。所述导出轮的进口直径等于多级透平末级叶轮的出口直径，以减少流质流动损失；所述导出轮的进口直径为导出轮的进口直径的1.8倍，以提高导出轮的抗汽蚀性能。

本实施例所述导出轮的设计步骤如下：

1)由公式(1.1)确定导出轮叶片的进口直径d1，为减少流质流动损失且使导出轮叶片不堵塞流道，导出轮进口直径等于多级透平末级叶轮出口直径，即：

d1＝d3(1.1)

式中：d3为多级透平末级叶轮叶片的出口直径；

2)由公式(1.2)确定导出轮叶片的出口直径d2：

d2＝(1.5～2)d1(1.2)

为使导出轮有更好的抗汽蚀性能，优选地，d2＝1.8d1；

3)由公式(1.3)、(1.4)确定导出轮叶片的进口角β1和导出轮叶片的出口角β2：

β1＝β3(1.3)

vu2＝vm2*tanβ2(1.7)

式中：β3为多级透平末级叶轮叶片的出口角；vm2、vu2、u2分别为导出轮出口轴面速度、圆周分速度、圆周速度；q为多级泵的流量，单位是m³/s；为叶片排挤系数；n为多级透平转速。为使得导出轮出口流动均匀，优选地，β2为16°～20°。

4)由公式(1.8)、(1.9)、(1.10)确定导出轮叶片的翼型安放角βc、导出轮叶片的轮缘包角和导出轮的轮毂包角

式中：l为叶片翼型的展长；t为导出轮叶片的螺距；l/t为翼型叶栅稠密度；z为导出轮叶片的叶片数；为导出轮进口后掠角；其中，翼型叶栅稠密度l/t的取值范围为1.5～3；导出轮进口后掠角范围为60°～180°；导出轮叶片数z取值范围为4～8片，图中z＝5。

为保证导出轮的通过性及抗气蚀性，优选地，导出轮翼型叶栅稠密度等于多级透平末级叶轮的翼型叶栅稠密度；导出轮后掠角等于多级透平末级叶轮叶片包角；导出轮叶片比多级透平末级叶轮叶片少1～2片。

5)由公式(1.11)确定导出轮叶片翼型的型线半径r：

式中：l为叶片型线的展长，为保证型线过渡平缓，优选地，l的长度从导出轮叶片进口到出口沿ly方向以的规律线性变化。

6)由公式(1.12)、(1.13)确定导出轮轮缘的轴向长度ly和导出轮轮毂的轴向长度lh；

7)由公式(1.14)确定导出轮叶片的厚度d1；

d1＝(1.1～1.5)d2(1.14)

式中：d2为多级透平末级叶轮叶片厚度；优选地，d1＝1.3d2，以保证导出轮叶片具有足够的强度。

以上是列举的仅是本发明的具体实施案例，显然，本发明不仅仅局限于以上实施案例，还可以有许多相似变化或变动，本领域的普通技术人员可以简单地从本发明公开的内容中直接或间接联想到相似变化或变动，因此这些变化或变动仍是本发明创造的保护范围。