CN105917123B - 带有具有s形后缘的叶片的离心式压缩机叶轮 - Google Patents

Abstract

一种离心式压缩机叶轮(9)包括入口、出口和从入口延伸至出口的盘(23)。多个叶片(25)从盘(23)延伸，每个叶片具有入口处的前缘(25L)、出口处的后缘(25T)、在前缘与后缘之间沿着盘延伸的叶片基部(25B)以及与盘相对的在前缘与后缘之间延伸的叶片尖端(25A)。后缘是具有中间拐点的S形。

Description

带有具有S形后缘的叶片的离心式压缩机叶轮

技术领域

本文中所公开的主题涉及对压缩机的改进，且更具体地，对离心式压缩机的改进。

背景技术

离心式压缩机将诸如电动机、燃气涡轮、蒸汽涡轮等原动机所提供的机械能转化成用于提高流过压缩机的气体的压力的压力能。压缩机实质上包括旋转地容纳转子和隔膜束的壳体。转子能够由一个或更多个叶轮组成，由原动机将这些叶轮驱动成旋转。叶轮设置有叶片，这些叶片具有大体上轴向的入口区段和大体上径向的出口区段。流动通道由叶片和叶轮的后板或盘划界。在一些压缩机中，叶轮设置有与后板或盘相对的护罩，叶片在后板或盘与护罩之间延伸。轴向地进入每个叶轮的流动通道的气体通过叶轮的叶片而加速，并且，在子午面上径向地或以混合的径向和轴向的方式退出叶轮。由每个叶轮将加速后的气体穿过周向地布置的扩压器(diffuser)而运送，在扩压器中，气体的动能至少部分地转化成压力能，从而增大气压。

由于涉及作为整体的压缩机的各种耗散现象，因而由原动机提供且被压缩机吸收的能量的量不能够全部地转化成有用的压力能，即流体的压力增量。由二次涡度引起一些损失，二次涡度在整个叶片流道中生成，在叶轮的出口处的叶片的后缘附近累积。

发明内容

根据第一方面，本公开涉及离心式压缩机叶轮，该离心式压缩机叶轮包括入口、出口和从入口延伸至出口的盘。多个叶片从盘延伸，每个叶片具有前缘、后缘、叶片基部以及叶片尖端。叶片基部和叶片尖端在相应的叶片的前缘与后缘之间延伸。每个叶片还具有压力侧和吸力侧。每个叶片的后缘是S形，使得在压力侧和吸力侧两者上，后缘都具有凹形后缘部分和凸形后缘部分，带有在两个后缘部分之间存在拐点。

因而，由非直纹面限定的每个叶片的吸力侧和压力侧，即每个叶片的两侧都具有三维弯曲形状。实现改进的压缩机效率。

根据一些实施例，每个叶片的后缘的凹形部分和凸形部分布置成使得后缘的更接近叶片基部的第一部分具有面向叶片的压力侧的凸面，并且，后缘的更远离叶片基部的第二部分具有面向叶片的吸力侧的凸面。

根据另一方面，本公开涉及离心式压缩机，该离心式压缩机包括至少一个如上所述的叶轮和围绕该叶轮的出口布置的扩压器。在优选的实施例中，压缩机是多级压缩机，其中，至少一个叶轮，优选，一些叶轮或全部的叶轮如上所述地设计有S形后缘。

根据又一方面，本公开涉及用于设计压缩机叶轮的方法，该方法包括以下的步骤：

在子午面上限定沿着叶轮盘的叶片基部型面和叶片尖端型面；

将叶片的压力侧表面和吸力侧表面限定为在叶片基部型面与叶片尖端型面之间延伸的直纹面，上述压力侧表面和上述吸力侧表面在上述叶片的直线后缘与直线前缘之间延伸；

通过使后缘的点沿着切线方向位移而将直纹面转变成非直纹面，因而对具有凹形部分、凸形部分和其间的拐点的上述后缘赋予S形状。

在下文中公开特征和实施例，并且，在所附权利要求中进一步阐述这些特征和实施例，所附权利要求形成本描述的构成整体所需的部分。上文的简述阐述本发明的各种实施例的特征，以便可以更清楚地理解随后的详述，并且，以便可以更清楚地意识到本发明对本领域的贡献。当然，存在本发明的其他特征，将在下文中描述这些特征，并且，将在所附权利要求中阐述这些特征。在这点上，在详细地解释本发明的若干实施例之前，理解到，本发明的各种实施例在其应用上不限于构造的细节和在下文的描述中阐述或在附图中图示的构件的布置。本发明能够是其他实施例，并且，能够以各种方式实践并执行。同样地，将理解到，本文中所采用的用语和术语是为了描述的目的，不应当被认为是限制的。

正因如此，本领域技术人员将意识到，本公开所基于的概念可以容易被用作设计用于执行本发明的若干目的的其他结构、方法和/或***的基础。因此，重要的是，只要这样的等效的构造不背离本发明的实质和范围，权利要求就被认为是包括这些构造。

附图说明

由于在结合附图而考虑时，通过参考下文的详述而更清楚地理解本发明的所公开的实施例及其许多附随的优点，因而将容易更充分地意识到这些实施例及优点，其中：

图1图示多级离心式压缩机的纵截面，其中能够使用根据本公开的叶轮；

图1A图示图1的压缩机的叶轮叶片的放大图；

图2图示图1的离心式压缩机的叶轮的透视图；

图3图示叶片在子午面上的投影的示意图；

图4图示限定叶轮叶片的金属角的图；

图5和图6图示表示沿着轴向方向的图3的叶片的叶片厚度和金属叶片的图；

图7图示根据本公开的三维叶片的透视图；

图8图示根据本公开的叶轮的后缘的径向方向上的示意图；

图9图示多变效率与现有技术的叶轮的流量系数和根据本公开的叶轮的流量系数比较的结果的图。

具体实施方式

下文的对示范性的实施例的详述参照附图。不同的附图中的相同的参考编号识别相同的元件或相似的元件。另外，附图不一定按比例绘制。同样地，下文的详述不限制本发明。反而，本发明的范围由所附权利要求限定。

整个说明书中的对“一个实施例”或“一实施例”或“一些实施例”的引用意味着，结合实施例而描述的具体的特征、结构或特性被包括在所公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”或“在一些实施例中”在整个说明书中的各处的出现不一定是指相同的(多个)实施例。而且，可以将具体的特征、结构或特性以任何合适的方式在一个或更多个实施例中组合。

图1和图1A图示整体地标记为100的多级离心式压缩机的示范性的实施例，其中，能够体现本文中所公开的主题。图1图示根据包含压缩机的旋转轴线A-A的平面的截面图，并且，图1A图示一个压缩机级的放大图。

压缩机100具有外壳1，外壳1设置有入口歧管2和出口歧管3。在壳体1内侧，布置有若干构件，这些构件限定多个压缩机级。

更具体地，壳体1容纳压缩机转子。压缩机转子由转子轴5组成。能够由两个端部轴承6、7支撑转子轴5。压缩机转子还包括至少一个叶轮。在一些实施例中，如图1中所示，压缩机转子包括多个叶轮9，针对每个压缩机级而设置一个叶轮。上述的叶轮9布置于两个轴承6、7之间。

第一叶轮9的入口9A与入口集气室11流体连通，其中，将被压缩的气体通过入口歧管2而运送。在一些实施例中，气流径向地进入入口集气室11，然后，通过一组可移动的入口导叶13而运送，沿基本轴向方向进入第一叶轮9。

根据图1的示范性的实施例，最后的叶轮9的出口9B与蜗壳15流体连通，蜗壳15收集压缩后的气体，并且，将该气体朝向出口歧管3运送。

固定隔膜17布置于每对按顺序布置的叶轮9之间。隔膜17能够形成为单独的轴向地布置的构件。在其他实施例中，隔膜17能够形成为基本对称的两半。每个隔膜17限定扩压器18和返回通道19，扩压器18和返回通道19从相应的上游叶轮9的径向出口延伸至相应的下游叶轮9的入口。在扩压器18中，使气流减速，从叶轮传递至气体的动能转化成压力能，因而增大气压。

返回通道19使压缩后的气流从上游叶轮的出口朝向下游叶轮的入口返回。在一些实施例中，固定式叶片20能够布置于扩压器18中。在一些实施例中，固定式叶片21能够设置于返回通道19中，以用于在使压缩后的气体从上游叶轮改方向到下游叶轮的同时，去除气流的切向分量。

如图1A和图2中最清楚地示出的，每个叶轮9由盘23组成，盘23限定轮毂部分23A，其中，在图1A中，示出压缩机100的若干压缩机级中的一个的放大图，并且，在图2中，在轴测图中图示示范性的叶轮。上述的轮毂部分23A具有钻孔23B，转子轴5延伸穿过钻孔23B。盘23有时也作为整体而被称为轮毂。多个叶片25从盘23延伸，且限定流动通道，气体流过流动通道，并且，由叶片25使气体加速。每个叶片具有前缘25L和后缘25T，前缘25L和后缘25T分别布置于叶片的入口和出口。在一些实施例中，叶轮9能够是开式的。在其他实施例中，叶轮能够由布置成与盘23相对的护罩27封闭，叶片25在盘23与护罩27之间延伸。

每个叶片25设置有叶片尖端25A，叶片尖端25A在前缘25L与后缘25T之间沿着护罩27延伸。每个叶片25还设置有叶片基部或叶片根部25B，叶片基部或叶片根部25B在前缘25L与后缘25T之间沿着盘23延伸。

每个叶片25具有吸力侧和压力侧，并且，叶片的形状以在下文中描述的方式限定为，分别起始于叶片25的中心线或中弧线与盘23和护罩27的交叉点。图3示出通用叶片25在子午面，即平面R-Z上的投影，在平面R-Z上，R是径向，Z是轴向。L1是盘23处的中弧线的子午面R-Z上的投影，即叶片型面的中心线。L2是护罩27处的中弧线的相同的子午面R-Z上的投影，即叶片型面的中心线。

因此，线L1和线L2分别是盘和护罩处，即叶片基部和叶片尖端处的R-Z平面(子午面)上的叶片型面的投影。在图3中，还表示叶片的后缘25T和前缘25L的投影。

如在上文中所注意到的，如附图中所图示的示范性的实施例中所示，能够覆盖叶轮9。然而，在其他实施例中，未示出，叶轮9是开式的，且未设置护罩27。在这种情况下，线L2只是叶片尖端25A处的中弧线或中心线在子午面R-Z上的投影。

这些线L1和线L2是如下的用于设计叶片的吸力侧和压力侧的三维表面的起点。

起始于两条线L1和线L2，借助于两个另外的参数，即叶片厚度和叶片金属角，确定限定叶片的吸力侧和压力侧的叶片25的相对的表面的实际形状。两个参数都是沿着每条线L1和线L2针对多个位置而限定的。在一些实施例中，对于线L1和线L2，叶片金属角和叶片厚度可能具有不同的值。

如图4中所示，所考虑的线L1或L2的每个点的叶片金属角β限定为线L1或L2的切线与子午方向(M)之间的角，并且，L是所考虑的通用中心线，其中，图4图示叶轮的示意正视图。箭头F指示叶轮的旋转方向。常规地，角β的符号与叶轮的旋转方向一致。因而，在图4的示例中，由于角β起始于子午方向M而测量，并且，与叶轮的旋转方向(箭头F)相对，因而角β为负。

叶片的厚度(th)限定为叶片的吸力侧表面和压力侧表面与所考虑的曲线L1或L2的每个点处的叶片的中弧线(即中心线)之间的距离。图5和图6示意地图示示范性的叶片的金属角(β)和厚度(th)的分布。在图5和图6的图的水平轴线上，示出沿着子午方向的规范化坐标。坐标“0”指示前缘处的位置，坐标“1”指示叶片的后缘处的位置。

在上文中限定的参数的组合表示叶片尖端25A处的叶片型面和叶片基部25B处的叶片型面。接下来的限定叶片的压力侧和吸力侧的表面的步骤是，现在，起始于如上文中所限定的叶片尖端25A处的叶片型面和叶片基部25B处的叶片型面两者，生成两个相对的直纹面。通过以直线(笔直的线)将叶片尖端型面的每个点与叶片基部型面的对应的点连接而生成直纹面。

尚未完全地限定叶片的几何结构，因为曲线L1和曲线L2以及对应的叶片尖端型面和叶片基部型面通常相对于彼此而沿切线方向移位，即位移，使叶片尖端型面和叶片基部型面围绕叶轮的旋转轴线相对于彼此而旋转。因此，对于叶片几何结构的完整限定，可获得曲线L1和曲线L2两者的可能的切线位移所赋予的另一自由度。在现有技术的叶轮中，曲线L1和曲线L2两者切线地移位，即围绕叶轮轴线相对于彼此而旋转，因而使后缘25T相对于轴向方向而倾斜(对于仅仅具有径向出口的叶轮)，从而维持其直线(笔直的)形状。后缘相对于轴向方向的被称为倾斜角的倾斜与上面提到的参数一起限定叶片的整体几何结构。

相反地，根据本文中所公开的主题，叶片尖端型面和叶片基部型面以及叶片尖端与叶片基部之间的中间型面沿切线方向位移，使得如图7中在透视图中所示，并且，如图8中在侧视图中所示，后缘25T成为非直线，更具体地，呈现S型面。更具体地，图7在透视图中图示单个叶片25，其中后缘25T面向观察者。

后缘25T具有第一部分25T_D和第二部分25T_S。第一部分25T_D定位成更接近盘23，并且，第二部分25T_S定位成更接近护罩27(具体地，参见图8)。

在一些示范性的实施例中，后缘的更接近盘23的第一部分25T_D具有面向叶片的压力侧PS的凸面和面向叶片的吸力侧SS的凹面。叶片的压力侧PS是相对于旋转方向F的前侧，并且，叶片的吸力侧SS是相对于旋转方向F的后侧，即与压力侧相对的一侧。后缘25T的第二部分25T_S具有相对的布置：压力侧为凹形，并且，吸力侧为凸形。

不排除相反的布置，其中，凸面面向接近盘的吸力侧和接近护罩的压力侧。

在一些实施例中，后缘的第一部分和第二部分在拐点处彼此合并，使得整个后缘是曲线而无直线部分。

通过提供适合于使后缘的每个点沿切线方向，即围绕叶轮的旋转轴线位移的规则，从而获得后缘的S形配置。实际上，例如，起始于叶片基部型面(或起始于叶片尖端型面)，使多个点沿着后缘切线地移位，并且，通过插值而连接上述的点，由此，能够获得后缘的形状。后缘的各种点沿切线方向的位移导致先前作为起始于根据线L1、L2、叶片厚度以及沿着叶片厚度的金属角分布而获得的叶片基部型面和叶片尖端型面的直纹面而生成的压力侧表面和吸力侧表面的剩余的点的刚***移。

作为最后的结果，叶轮的压力侧和吸力侧两者的整个表面将成为具有双曲面的非直纹面。

叶片的后缘25T的S形双曲面降低损失，从而改进压缩机的多变效率。能够从图9意识到这点，图9图示多变效率与使用具有S形后缘(曲线C1)的叶轮的压缩机级的流量系数和使用具有直线后缘(曲线C2)的叶轮的压缩机级的流量系数比较的结果。在与设计不符的情况下(流量系数低于100或高于100)，具有S形后缘25T的叶轮的多变效率与具有直线后缘的现有技术的设计相比而显著地改进。

虽然本文中所描述的主题的所公开的实施例已在附图中示出，并且，在上文中结合若干示范性的实施例而具体地且详细地全面地描述，但本领域普通技术人员将显而易见，在实质上不背离本文中所阐述的新的教导、原理和概念以及所附权利要求中所叙述的主题的优点的情况下，有可能作出许多修改、改变和省略。因此，所公开的创新的适当的范围应当仅由所附权利要求的最广义的解释确定，以便于包含所有的这样的修改、改变和省略。能够使各种实施例的不同的特征、结构和工具不同地组合。

Claims (6)

1.一种离心式压缩机叶轮，包括：

入口；

出口；

从所述入口延伸至所述出口的盘；

从所述盘延伸的多个叶片，每个叶片由以下组成：所述入口处的前缘；所述出口处的后缘；

在所述前缘与所述后缘之间沿着所述盘延伸的叶片基部；在所述前缘与所述后缘之间延伸的与所述盘相对的叶片尖端；压力侧；以及吸力侧；

其中每个叶片在所述压力侧和所述吸力侧两者上都根据双曲面而全部地弯曲，并且无直纹面；其中，所述后缘是S形，具有凹形部分、凸形部分和其间的拐点。

2.根据权利要求1所述的离心式压缩机叶轮，其特征在于，所述后缘的所述凹形部分和所述凸形部分布置成使得所述后缘的更接近所述叶片基部的第一部分具有面向所述叶片的所述压力侧的凸面，并且，所述后缘的更远离所述叶片基部的第二部分具有面向所述叶片的所述吸力侧的凸面。

3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于，所述后缘在所述叶片基部与所述叶片尖端之间沿着其整个延伸部分全部地弯曲，并且无任何直线区段。

4.一种离心式压缩机，包括根据权利要求1至3中的任一项所述的离心式压缩机叶轮和围绕所述离心式压缩机叶轮的出口布置的扩压器。

5.一种用于设计离心式压缩机叶轮的方法，包括以下的步骤：

在子午面上限定沿着叶轮盘的叶片基部型面和叶片尖端型面；

将叶片的压力侧表面和吸力侧表面限定为在所述叶片基部型面与所述叶片尖端型面之间延伸的直纹面，所述压力侧表面和所述吸力侧表面在所述叶片的直线后缘与直线前缘之间延伸；

通过使所述后缘的点沿着切线方向位移而将所述直纹面转变成非直纹面，因而对具有凹形部分、凸形部分和其间的拐点的所述后缘赋予S形状。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述后缘的所述凹形部分和所述凸形部分布置成使得所述后缘的更接近叶片基部的第一部分具有面向所述叶片的所述压力侧的凸面，并且，所述后缘的更远离所述叶片基部的第二部分具有面向所述叶片的所述吸力侧的凸面。