涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构的制作方法

1.本发明涉及流体阻塞技术领域，具体而言，涉及一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构。


背景技术：

2.旋转机械经常伴随着要求对某些介质进行不同程度的隔离，其中完全隔离的技术称为密封技术，部分隔离的技术一般称为节流技术。流体隔离技术在广泛的领域中具有非常重要的意义。其中，旋转机构通过介质的情况又是最为广泛的一种类型。
3.现有的隔离技术在面对介质不清洁、介质高参数(高温或深低温、高压、强腐蚀性)、高机械转速等情况下受技术原理限制具有显著的局限性，甚至出现不能实现隔离或寿命短促的情况。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出一种基于旋转机械的结构共性，通过结构设计实现流体分流、导流，并通过导流与涡轮增压技术的协同作用，在流体流动路径上建立势垒，高效阻塞流体的流动，并通过同构梯度分级的技术方案实现逐级递进节流的结构。
5.为此，本发明提供了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构。
6.本发明提供了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，包括定子部和转子部，还包括：
7.导流流道，所述导流流道形成在所述定子部和所述转子部之间，阻塞介质沿着所述导流流道的路径流动以形成所述定子部和所述转子部之间的开放式阻塞结构；
8.所述导流流道至少包括主路流道以及分支流道，所述分支流道形成在所述定子部和所述转子部并沿着所述主路流道的路径交错布置，其中，所述阻塞介质在所述分支流道与所述主路流道的交汇处构成流动路径的冲突并形成两股阻塞介质的势垒。
9.本发明提出的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，导流流道的主路流道由定子部和转子部之间的间隙形成，阻塞介质由导流流道的一端进入，并经过主路流道和分支流道后排出，构成了阻塞介质的开放式阻塞结构。
10.现有技术中的旋转机械的运动部件(即转子部)与静止部件(即定子部)存在连接关联，例如通常会在两者之间增设密封胶圈(或类似结构)以保证阻塞介质的密封性，避免阻塞介质泄露。但由此导致以下缺点：1.对阻塞介质的清洁裕度具有较高的要求，当阻塞介质内存在颗粒时，会造成连接结构的损耗或阻塞介质流经路径的堵塞，进而导致机械密封失效；2.当具有高参数的阻塞介质在对应的高要求工况(例如高温或深低温工况、高压或超高压工况、强腐蚀性工况等)参与阻塞时，对旋转机械的各个部件的要求对应提升，尤其是参与介质阻塞或介质隔离的关联部件，由此导致介质阻塞或介质隔离的失效和关联部件的寿命缩减。
11.因此，本技术方案中的开放式阻塞结构允许定子部和转子部为非接触结构，由此使得导流流道的尺寸(即定子部和转子部的间隙)可调，即可根据阻塞介质的流体参数采用较大的设计间隙，进而允许阻塞介质存在更大的清洁裕度，甚至允许带有颗粒或杂质。此外，由于摒弃定子部和转子部的连接结构或参与介质阻塞或隔离的关联部件，使得本技术方案在高工况下使用运行时减少受限因素带来的局限性，从而提高阻塞介质和工况的多样选择性。
12.在上述基础上，本技术方案将导流流道分为主路流道和分支流道，且阻塞介质在主路流道和分支流道被分配为两股流动路径不同的流量，一部分流量继续沿主路流道由高总压方向向低总压方向流动，另一部流量则通过分支流道改变流动方向并最终与主路流道的流量形成流动路径的冲突(两股流量的流动方向相反或趋近于相反)。由于两股流量的总压相近、而流动方向冲突(相反或趋近于相反)，进而造成了显著的动能损失，对来流而言造成了总压损失，流道上造成压力栓塞，形成势垒，实现有效节流。
13.此外，当转子旋转时，转子环上的流道是涡轮结构，其入口流量由上游来流挤压强迫推入，转子环上的叶轮流道按流体力学进行设计，具有较高的效率，通过叶轮将入口流动换向，并将部分转子旋转的机械能通过叶片施加到流体上，实现对流体的增压，涡轮出口流动方向也与来流方向相反，根据伯努利定理，这样造成了更强大的势垒，该势垒的强度跟转速成正比趋势，也就是说转速越高，势垒强度越大，节流越显著。
14.根据本发明上述技术方案的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，还可以具有以下附加技术特征：
15.在上述技术方案中，所述分支流道具有与所述主路流道连通的分支进口和汇集出口，且所述分支流道的路径呈现为环形构造的一部分，所述阻塞介质由所述分支进口进入并沿着分支流道流动后由所述汇集出口流出，并在此位置与流通在所述主路流道的阻塞介质形成流动路径的冲突。
16.在本技术方案中，对分支流道的形状构造做了具体限定。其中，分支流道呈现为环形构造的一部分，因此，当阻塞介质进入到分支流道时，便会沿着环形构造的路径进行流动方向的改变，进而在汇集出口与流通在主路流道的阻塞介质形成流动冲突，即两者的流动方向相反或趋近于相反，进而形成前述的势垒效应。
17.在上述技术方案中，所述主路流道具有主路入口和主路出口，所述主路入口位于阻塞介质相对高总压的一侧，所述主路出口位于阻塞介质相对低总压的一侧，以满足阻塞介质由主路流道的高总压侧向低总压侧流动的需求。
18.在本技术方案中，对主路流道的形状构造做出了具体限定。其中，由于阻塞介质满足主路流道的高总压侧向低总压侧流动的特性，因此主路入口和主路出口对应设置在相对高总压和相对低总压的一侧，当然，当相对高总压和相对低总压发生变化时，主路入口和主路出口对应变化。
19.在上述技术方案中，阻塞介质由主路流道的高总压侧向低总压侧流动的需求方程为：
20.21.其中，p
总
为总压、p
静
为静压、p
位
为位压、ρ为密度，v为速度。
22.在本技术方案中，通过伯努利总压方程对流体只能从总压高的方向向总压低的方向流动进行了定理说明。当然在技术应用环境中，位压一般可忽略不计。
23.在上述技术方案中，所述主路流道的路径呈现为连续的阶梯构造，其中，每个阶梯构造均由第一流段和第二流段构成，所述阻塞介质在所述第一流段的流向呈攀升趋势，以及所述阻塞介质在所述第二流段的流向呈俯落趋势。
24.在本技术方案中，主路流道呈现为连续的阶梯构造，但需要说明的是，连续的阶梯构造均处于同一平级，即阶梯走向保持直线，既不出现明显的上升趋势，也未出现明显的下降趋势，以保证阻塞介质在每一段阶梯构造的路径相同，行程接近，避免出现明显消耗阻塞介质动能的情况。具体地，每一段的阶梯构造由第一流段和第二流段构成，且阻塞介质在第一流段和第二流段的流动趋势不同，上述结构用于确保在有限的长度(取决于转子部和定子部的轴向长度)内尽量增加阻塞介质的行程，从而在每一流段均形成两股介质的流动冲突，从而保证势垒区域的数量足够多，进而提高节流效果的显著性。
25.在上述技术方案中，每个所述第一流段和所述第二流段均设置有至少一路所述分支流道。
26.在本技术方案中，如前所述，每一流段均形成两股介质的流动冲突，从而保证势垒区域的数量足够多，进而提高节流阻塞效果的显著性。
27.在上述技术方案中，所述主路流道和所述分支流道沿着所述定子部或所述转子部的周向构成闭环结构，以在所述转子部相对于所述定子部转动时，所述主路流道和所述分支流道始终保持相对构造一致。
28.在本技术方案中，由于转子部相对于定子部发生转动运动，因此主流流道和分支流道必须为沿着转子周向或定子周向开设的闭环结构，当转动发生时，主路流道和分支流道的构造不发生任何改变，以此实现构造的一致性。
29.在上述技术方案中，所述阻塞介质在入口处的动能满足公式：
30.p
总(入)
＝p
静
31.所述阻塞介质在出口处的动能满足公式：
[0032][0033]
其中，p
总(出)
＞p
总（入)
，以满足形成势垒要求。
[0034]
在本技术方案中，通过以公式的形式对势垒的形成原因进行了说明，以方便和理解。也就是说由于在液体流动方向下游建立了更高的总压，以形成势垒，并最终阻碍了入口方向的液体流动。
[0035]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0036]
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0037]
图1是本发明的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构的立体图之一；
[0038]
图2是本发明的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构的立体图之二；
[0039]
图3是本发明的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构的主视剖视图；
[0040]
图4是本发明的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构中转子部的立体图；
[0041]
图5是本发明的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构中转子部的主视图；
[0042]
图6是本发明的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构的节流效果示意图。
[0043]
其中，图1至图6中附图标记与部件名称之间的对应关系为：
[0044]
1、定子部；2、转子部；3、导流流道；301、主路流道；3011、主路入口；3012、主路出口；3013、第一流段；3014、第二流段；302、分支流道；3021、分支进口；3022、汇集出口。
具体实施方式
[0045]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0046]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其它不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0047]
下面参照图1至图6来描述根据本发明一些实施例提供的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构。
[0048]
本技术的一些实施例提供了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构。
[0049]
如图1至图5所示，本发明第一个实施例提出了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，包括定子部1和转子部2，还包括：
[0050]
导流流道3，所述导流流道3形成在所述定子部1和所述转子部2之间，阻塞介质沿着所述导流流道3的路径流动以形成所述定子部1和所述转子部2之间的开放式阻塞结构；
[0051]
所述导流流道3至少包括主路流道301以及分支流道302，所述分支流道302形成在所述定子部1和所述转子部2并沿着所述主路流道301的路径交错布置，其中，所述阻塞介质在所述分支流道302与所述主路流道301的交汇处构成流动路径的冲突并形成两股阻塞介质的势垒。
[0052]
本发明提出的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，导流流道3的主路流道301由定子部1和转子部2之间的间隙形成，阻塞介质由导流流道3的一端进入，并经过主路流道301和分支流道302后排出，构成了阻塞介质的开放式阻塞结构。
[0053]
现有技术中的旋转机械的运动部件(即转子部2)与静止部件(即定子部1)存在连接关联，例如通常会在两者之间增设密封胶圈(或类似结构)以保证阻塞介质的密封性，避免阻塞介质泄露。但由此导致以下缺点：1.对阻塞介质的清洁裕度具有较高的要求，当阻塞介质内存在颗粒时，会造成连接结构的损耗或阻塞介质流经路径的堵塞，进而导致机械密封失效；2.当具有高参数的阻塞介质在对应的高要求工况(例如高温或深低温工况、高压或超高压工况、强腐蚀性工况等)参与阻塞时，对旋转机械的各个部件的要求对应提升，尤其是参与介质阻塞或介质隔离的关联部件，由此导致介质阻塞或介质隔离的失效和关联部件的寿命缩减。
[0054]
因此，本技术方案中的开放式阻塞结构允许定子部1和转子部2为非接触结构，由此使得导流流道3的尺寸(即定子部1和转子部2的间隙)可调，即可根据阻塞介质的流体参数采用较大的设计间隙，进而允许阻塞介质存在更大的清洁裕度，甚至允许带有颗粒或杂质。此外，由于摒弃定子部1和转子部2的连接结构或参与介质阻塞或隔离的关联部件，使得本技术方案在高工况下使用运行时减少受限因素带来的局限性，从而提高阻塞介质和工况的多样选择性。
[0055]
在上述基础上，本技术方案将导流流道3分为主路流道301和分支流道302，且阻塞介质在主路流道301和分支流道302被分配为两股流动路径不同的流量，一部分流量继续沿主路流道301由高总压方向向低总压方向流动，另一部流量则通过分支流道302改变流动方向并最终与主路流道301的流量形成流动路径的冲突(两股流量的流动方向相反或趋近于相反)。由于两股流量的总压相近、而流动方向冲突(相反或趋近于相反)，进而造成了显著的动能损失，对来流而言造成了总压损失，流道上造成压力栓塞，形成势垒，实现有效节流。
[0056]
此外，当转子旋转时，转子环上的流道是涡轮结构，其入口流量由上游来流挤压强迫推入，转子环上的叶轮流道按流体力学进行设计，具有较高的效率，通过叶轮将入口流动换向，并将部分转子旋转的机械能通过叶片施加到流体上，实现对流体的增压，涡轮出口流动方向也与来流方向相反，根据伯努利定理，这样造成了更强大的势垒，该势垒的强度跟转速成正比趋势，也就是说转速越高，势垒强度越大，节流越显著。
[0057]
本发明第二个实施例提出了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，且在第一个实施例的基础上，所述分支流道302具有与所述主路流道301连通的分支进口3021和汇集出口3022，且所述分支流道302的路径呈现为环形构造的一部分，所述阻塞介质由所述分支进口3021进入并沿着分支流道302流动后由所述汇集出口3022流出，并在此位置与流通在所述主路流道301的阻塞介质形成流动路径的冲突。
[0058]
在本实施例中，对分支流道302的形状构造做了具体限定。其中，分支流道302呈现为环形构造的一部分，因此，当阻塞介质进入到分支流道302时，便会沿着环形构造的路径进行流动方向的改变，进而在汇集出口3022与流通在主路流道301的阻塞介质形成流动冲突，即两者的流动方向相反或趋近于相反，进而形成前述的势垒效应。
[0059]
本发明第三个实施例提出了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，且在上述任一实施例的基础上，所述主路流道301具有主路入口3011和主路出口3012，所述主路入口3011位于阻塞介质相对高总压的一侧，所述主路出口3012位于阻塞介质相对低总压的一侧，以满足阻塞介质由主路流道301的高总压侧向低总压侧流动的需求。
[0060]
在本实施例中，对主路流道301的形状构造做出了具体限定。其中，由于阻塞介质满足主路流道301的高总压侧向低总压侧流动的特性，因此主路入口3011和主路出口3012对应设置在相对高总压和相对低总压的一侧，当然，当相对高总压和相对低总压发生变化时，主路入口3011和主路出口3012对应变化。
[0061]
本发明第四个实施例提出了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，且在上述任一实施例的基础上，阻塞介质由主路流道的高总压侧向低总压侧流动的需求方程为：
[0062]
[0063]
其中，p
总
为总压、p
静
为静压、p
位
为位压、ρ为密度，v为速度。
[0064]
在本实施例中，通过伯努利总压方程对流体只能从总压高的方向向总压低的方向流动进行了定理说明。当然在技术应用环境中，位压一般可忽略不计。
[0065]
本发明第五个实施例提出了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，且在上述任一实施例的基础上，所述主路流道301的路径呈现为连续的阶梯构造，其中，每个阶梯构造均由第一流段3013和第二流段3014构成，所述阻塞介质在所述第一流段3013的流向呈攀升趋势，以及所述阻塞介质在所述第二流段3014的流向呈俯落趋势。
[0066]
在本实施例中，主路流道301呈现为连续的阶梯构造，，但需要说明的是，连续的阶梯构造均处于同一平级，即阶梯走向保持直线，既不出现明显的上升趋势，也未出现明显的下降趋势，以保证阻塞介质在每一段阶梯构造的路径相同，行程接近，避免出现明显消耗阻塞介质动能的情况。具体地，每一段的阶梯构造由第一流段3013和第二流段3014构成，且阻塞介质在第一流段3013和第二流段3014的流动趋势不同，上述结构用于确保在有限的长度(取决于转子部2和定子部1的轴向长度)内尽量增加阻塞介质的行程，从而在每一流段均形成两股介质的流动冲突，从而保证势垒区域的数量足够多，进而提高节流效果的显著性。
[0067]
本发明第六个实施例提出了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，且在上述任一实施例的基础上，每个所述第一流段3013和所述第二流段3014均设置有至少一路所述分支流道302。
[0068]
在本实施例中，如前所述，每一流段均形成两股介质的流动冲突，从而保证势垒区域的数量足够多，进而提高节流效果的显著性。
[0069]
本发明第七个实施例提出了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，且在上述任一实施例的基础上，所述主路流道301和所述分支流道302沿着所述定子部1或所述转子部2的周向构成闭环结构，以在所述转子部2相对于所述定子部1转动时，所述主路流道301和所述分支流道302始终保持相对构造一致。
[0070]
在本实施例中，由于转子部2相对于定子部1发生转动运动，因此主流流道和分支流道302必须为沿着转子周向或定子周向开设的闭环结构，当转动发生时，主路流道301和分支流道302的构造不发生任何改变，以此实现构造的一致性。
[0071]
本发明第八个实施例提出了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，且在上述任一实施例的基础上，所述阻塞介质在入口处的动能满足公式：
[0072]
p
总(入)
＝p
静
[0073]
所述阻塞介质在出口处的动能满足公式：
[0074][0075]
其中，p
总(出)
＞p
总(入)
，以满足形成势垒要求。
[0076]
在本技术方案中，通过以公式的形式对势垒的形成原因进行了说明，以方便和理解。也就是说由于在液体流动方向下游建立了更高的总压，以形成势垒，并最终阻碍了入口方向的液体流动。
[0077]
需要说明的是，由于这套系统运转时是要消耗机械功的，但考虑到受转子直径和转速限制，叶轮增压的能力不大，根据功率方程:
[0078]
g＝q
×
ρ
×
δp
[0079]
其中q是体积流量，ρ为密度，δp是增压压力。
[0080]
尽管δp的数值小，但也够抵消入口流沿程损失等，从而建立更加强大、可靠的势垒。
[0081]
当然，实际流体流动十分复杂，影响的因素很多，比如壁面粗糙度、流道几何形状等，因此可以通过对流道和叶轮进行设计优化，通过试验获取比较好的性能。
[0082]
在上述任何一项技术方案中，较为优选的对阻塞介质的出口端进行了补充说明，其中：
[0083]
1.当介质完全隔离时，出口端有两种基本方法：
[0084]
1.1采用扩散减压室结构，将余量介质抽出回流，结构特点是全系统非接触；
[0085]
1.2出口端布置常规的低压阻塞结构。
[0086]
2.当介质无需完全隔离时，出口端设置引流装置即可。
[0087]
3.当介质需要受控完全隔离和不完全隔离时，则结合上述两种方案，增加一组切换阀即可实现。
[0088]
本发明还提出了关于上述八个实施例中任一项所述的一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构具体实施例，如图6所示，通过将阻塞介质在主路流道和分支流道以流量比例为50：50分流方案，通过导流设置阻塞势垒，由此发现，即使在静态条件下，单级势垒易实现50％以上的节流效应，那么按照同构5级梯度节流考虑，那么出口端节流率将达到96.8％；在旋转的条件下，由于涡轮增压的介入，随转速提高，节流率将提高，直至近完全阻塞。
[0089]
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0090]
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，包括定子部(1)和转子部(2)，其特征在于，还包括：导流流道(3)，所述导流流道(3)形成在所述定子部(1)和所述转子部(2)之间，阻塞介质沿着所述导流流道(3)的路径流动以形成所述定子部(1)和所述转子部(2)之间的开放式阻塞结构；所述导流流道(3)至少包括主路流道(301)以及分支流道(302)，所述分支流道(302)形成在所述定子部(1)和所述转子部(2)并沿着所述主路流道(301)的路径交错布置，其中，所述阻塞介质在所述分支流道(302)与所述主路流道(301)的交汇处构成流动路径的冲突并形成两股阻塞介质的势垒。2.根据权利要求1所述的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，其特征在于，所述分支流道(302)具有与所述主路流道(301)连通的分支进口(3021)和汇集出口(3022)，且所述分支流道(302)的路径呈现为环形构造的一部分，所述阻塞介质由所述分支进口(3021)进入并沿着分支流道(302)流动后由所述汇集出口(3022)流出，并在此位置与流通在所述主路流道(301)的阻塞介质形成流动路径的冲突。3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，其特征在于，所述主路流道(301)具有主路入口(3011)和主路出口(3012)，所述主路入口(3011)位于阻塞介质相对高总压的一侧，所述主路出口(3012)位于阻塞介质相对低总压的一侧，以满足阻塞介质由主路流道(301)的高总压侧向低总压侧流动的需求。4.根据权利要求3所述的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，其特征在于，阻塞介质由主路流道(301)的高总压侧向低总压侧流动的需求方程为：其中，p
总
为总压、p
静
为静压、p
位
为位压、ρ为密度，v为速度。5.根据权利要求1或2所述的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，其特征在于，所述主路流道(301)的路径呈现为连续的阶梯构造，其中，每个阶梯构造均由第一流段(3013)和第二流段(3014)构成，所述阻塞介质在所述第一流段(3013)的流向呈攀升趋势，以及所述阻塞介质在所述第二流段(3014)的流向呈俯落趋势。6.根据权利要求5所述的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，其特征在于，每个所述第一流段(3013)和所述第二流段(3014)均设置有至少一路所述分支流道(302)。7.根据权利要求1或2所述的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，其特征在于，所述主路流道(301)和所述分支流道(302)沿着所述定子部(1)或所述转子部(2)的周向构成闭环结构，以在所述转子部(2)相对于所述定子部(1)转动时，所述主路流道(301)和所述分支流道(302)始终保持相对构造一致。8.根据权利要求1或2所述的涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，其特征在于，所述阻塞介质在入口处的动能满足公式：p
总(入)
＝p
静
所述阻塞介质在出口处的动能满足公式：
其中，p
总(出)
＞p
总(入)
，以满足形成势垒要求。

技术总结
本发明提供了一种涡轮增压并形成势垒的流体阻塞结构，包括定子部和转子部，还包括导流流道，阻塞介质沿着所述导流流道的路径流动以形成所述定子部和所述转子部之间的开放式阻塞结构；所述导流流道至少包括主路流道以及分支流道，所述阻塞介质在所述分支流道与所述主路流道的交汇处构成流动路径的冲突并形成两股阻塞介质的势垒。允许定子部和转子部为非接触结构，允许阻塞介质存在更大的清洁裕度；本技术方案在高工况下使用运行时减少受限因素带来的局限性，提高阻塞介质和工况的多样选择性；两股流量的总压相近、而流动方向冲突(相反或趋近于相反)，进而造成了显著的动能损失，流道上造成压力栓塞，形成势垒，实现有效节流。实现有效节流。实现有效节流。


技术研发人员：李志伟
受保护的技术使用者：四川省机械技术服务中心有限责任公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/18