CN108317092A - 叶轮及包括该叶轮的离心压缩机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种叶轮及包括该叶轮的离心压缩机，属于离心压缩设备技术领域，所述叶轮包括轮毂和沿轮毂的外周曲面向外延伸的多个叶片，叶片为变厚度叶片，且沿叶片长度方向上的任一流道截面上，叶片高度不小于流道的宽度。本发明叶片为从前缘到尾缘逐渐变厚的叶片或叶片尾部的压力面和吸力面均为光滑流线型曲面并在尾缘处形成较狭窄的流线型叶片尾缘，该叶轮具有较大的流道截面高宽比；以及叶片尾部较厚部分采用空心结构，即压力面薄片和吸力面薄片在尾缘处相交且联合在一起或不相交且不联合在一起，该叶轮具有较大的流道截面高宽比以及较轻的质量和更好的机械强度。本发明叶轮可以工作在较低的比转速下，可适用更小流量的流体压缩。
Description
技术领域
本发明属于离心压缩设备技术领域，具体涉及一种能够减少能量损失的具有大高宽比流道截面的叶轮及包括该叶轮的离心压缩机。
背景技术
离心压缩机是将机械能转变为压力能的一种流体机械，在工业领域中有广泛的应用。离心压缩机的主要部件是高速旋转的离心式叶轮和用于容置叶轮的外壳，外壳向外扩展形成通流面积逐渐增加的扩压器，扩压器与叶轮的相临叶片所形成的流道相连通。高速旋转的离心叶轮对进入叶轮的流道内的流体做功，使流体成为高压高速流体，高压高速流体流出叶轮，进入叶轮外的扩压器内降速扩压，流体的机械能转化为压力能。
为了有效地将机械能转变成流体的压力能，离心压缩机叶轮的转速一般都非常高。衡量离心压缩机叶轮性能的一个重要的无量纲量是比转速Ns，其定义为：
其中，N是物理转速，Q1是叶轮流体进口处流体的体积流量，Δhs是叶轮进出气口流体的等熵焓增。仅当Ns的取值在某一范围内时，离心压缩机才可以有效率地工作，特别地，仅当Ns的取值在某一更小的范围时，离心压缩机才具有较高的效率。
从(1)式可以看出，在比转速Ns的取值基本确定时，具有以下结论：
当需要的增压(焓增)一定时，流量越小，压缩机叶轮的物理转速越高；
当流量确定时，需要的增压越大，压缩机叶轮的物理转速越高；
当压缩机叶轮的物理转速受限(例如受结构力学、转子动力学、轴承等限制)时，流量越小，所获得的增压也越小。
当流体进入叶轮的流道内，叶片高速转动时对流道内的流体做功，叶片对流道内的流体的作用面积越大，叶片容易对流体做功，因此，流道截面的高宽比(即叶片高度和流道宽度的比值)越大，流体所获得的增压(焓增)也越大；另外，在流道截面高宽比变小时，叶片高度较小，叶片片梢与外壳的间隙相对于叶片高度的占比将增大，离心压缩机的泄漏损失将增大。流道截面的高宽比较小时，另一个容易出现的现象是流体流道中出现涡流，增大离心压缩机的流体能量损失。因此，为了提高离心压缩机的做功效率，需要增大流道截面的高宽比以减少叶轮间隙泄漏损失和流道涡流损失。图2和图4所示的现有压缩机叶轮(具体结构描述参见下文)，存在流道截面的高宽比较小的缺陷，导致叶片不易对流体做功，且叶片片梢与外壳之间间隙的泄漏损失和流道内的涡流损失较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种能够减少能量损失的具有大高宽比流道截面的叶轮。
本发明的上述目的是由以下技术方案来实现的：
一种叶轮，用于离心压缩机中，包括轮毂(11)和沿轮毂(11)的外周曲面(111)向外延伸的多个叶片(12)，相邻叶片和轮毂之间形成流道(13)，流体从设置在叶轮上部的叶轮流体进口(14)沿着轴向流入经设置在叶轮下部的叶轮流体出口(15)朝向径向周侧流出，叶片(12)与旋转方向一致的侧面为压力面(12a)，与旋转方向相背的一面为吸力面(12b)，所述叶片(12)为变厚度叶片，且沿叶片(12)长度方向上的任一流道截面处的叶片高度ha或hb或hc不小于流道宽度Ba或Bb或Bc，其中，ha对应Ba，hb对应Bb，hc对应Bc。
上述叶轮中，所述叶片(12)从位于叶轮流体进口(14)处的前缘(123)至位于叶轮流体出口(15)处的尾缘(124)逐渐变厚。
上述叶轮中，所述叶片(12)为空心结构。
上述叶轮中，所述叶片(12)是由压力面薄片(12-1)和吸力面薄片(12-2)组成的非闭合式空心结构，压力面薄片(12-1)和吸力面薄片(12-2)在尾缘(124)处不相交且不联合在一起。
上述叶轮中，所述叶片(12)在靠近叶轮流体出口(15)的尾部的压力面(12a)和吸力面(12b)均为光滑流线型曲面，并在位于叶轮流体出口(15)处的尾缘(124)处形成较狭窄的流线型叶片尾缘。
上述叶轮中，所述叶片(12)为空心结构。
上述叶轮中，所述叶片(12)是由压力面薄片(12-1)和吸力面薄片(12-2)组成的闭合式空心结构，压力面薄片(12-1)和吸力面薄片(12-2)在尾缘(124)处相交且联合在一起。
本发明还提供了一种包括上述叶轮的离心压缩机，其技术方案如下：
一种离心压缩机，包括外壳(2)、叶轮(1)和转轴(3)，转轴(3)穿过外壳(2)并伸入叶轮中部设有的通孔中固定，所述叶轮(1)为上述叶轮。
上述离心压缩机中，所述外壳(2)具有用于容置叶轮的主体部(21)、与叶轮的流道相连通并向外延伸放大的扩展部(22)以及与扩展部(22)连接包裹叶轮外侧的护罩部(23)，护罩部(23)与扩展部(22)形成涡卷状的扩压器(24)。
采用以上方案，本发明具有以下技术效果：
本发明通过采用从前缘到尾缘逐渐变厚的叶片，使得叶轮获得较大的流道截面高宽比，降低了流体泄漏损失和涡流损失，从而提高了叶轮的做功效率；
叶片尾部的压力面和吸力面均采用光滑的流线型曲面并在尾缘处缩合，减小叶片在流道出口处的宽度，形成狭窄的尾缘以减小尾迹区域，从而降低尾迹损失；
叶片尾部较厚部分采用空心结构，即叶片尾部的压力面和吸力面之间的部分去除形成尾部闭合或分岔的空心叶片，使叶轮具有较轻的质量和更好的机械强度。
本发明叶轮可以工作在较低的比转速下，具有如下特性：
在增压和流量相同的情况下，具有更低的物理转速；
在流量和物理转速相同的情况下，具有更高的增压；
在转速和增压相同的情况下，可以适用于更小流量的流体压缩。
附图说明
图1是离心压缩机的叶轮与外壳的整体轴向剖视图；
图2是现有离心压缩机叶轮的立体结构示意图；
图3是图2中的叶轮的流道截面形状，其中(a)图为流道进口的截面形状，(b)图为流道中部的截面形状，(c)图为流道出口的截面形状；
图4是采用大小叶片间隔设置的现有叶轮的结构示意图；
图5是本发明叶轮的实施例一的结构示意图；
图6是本发明叶轮的实施例二的结构示意图；
图7是本发明叶轮的实施例三的结构示意图；
图8是本发明叶轮的实施例三的另一结构示意图。
图中附图标记表示为：
10：离心压缩机；
1：叶轮；
11：轮毂，111：外周曲面，112：通孔；
12：叶片，12a：压力面，12b：吸力面，121：内侧，122：外侧，123：前缘，124：尾缘,125：叶片片梢与外壳的间隙；
12-1：压力面薄片，12-2：吸力面薄片；
13：流道，131：流道进口，132：流道中部，133：流道出口，13a：流体切向速度方向；
14：叶轮流体进口；15：叶轮流体出口；
2：外壳，21：主体部，22：扩展部，23：护罩部，24：扩压器；
3：转轴；4：涡流；5：小叶片；
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明叶轮及包括该叶轮的离心压缩机进行详细说明。
参见图1，为本发明离心压缩机的整体结构示例。首先对离心压缩机的主要结构进行说明，如图1所示，离心压缩机10包括外壳2、叶轮1和转轴3。
外壳2具有用于容置叶轮1的主体部21、与叶轮1的流道相连通并向外延伸放大的扩展部22以及与扩展部22连接包裹叶轮1外侧的护罩部23，护罩部23与扩展部22形成涡卷状的扩压器24，用于对流入其中的高压高速流体降速扩压。
转轴3可转动的穿过外壳2的主体部21并伸入叶轮1中部设有的通孔112中固定，转轴3由外部电机或其他动力源驱动旋转，并带动叶轮1旋转。
叶轮1包括外径从上到下逐渐增大的圆盘状轮毂11和沿轮毂11的外周曲面111向外呈间距延伸的多个叶片12，通孔112设置在轮毂11的中部，用于套装转轴3；叶轮1的上部开设有叶轮流体进口14，叶轮1下部设置有叶轮流体出口15，叶轮流体出口15与扩压器24相连通。
叶片12以放射状设置在轮毂11的外周曲面111上，叶片12位于轮毂11的一侧为内侧(轮毂侧)121，叶片12作为自由端的片梢侧为外侧122，靠近叶轮流体进口14的端部为前缘123，靠近叶轮流体出口15的端部为尾缘124。
流体从叶轮1的叶轮流体进口14沿转轴3的轴向流入叶轮1时，在相邻的两个叶片12、轮毂11的外周曲面111和外壳2的护罩部23所形成的空间内流过形成流道(流体通道)13。流道13靠近叶片前缘123的位置为流道进口131，流道13位于叶片12中部的位置为流道中部132，流道13靠近叶片尾缘124的位置为流道出口133，流体在流道13内被高速旋转的叶片12压缩做功，在这一过程中，流体的流动方向由流道进口131处的轴向逐渐转变为流道出口133处的径向，并从叶轮流体出口15流出进入扩压器24中减速扩压，使流体的动能转变为压力能，流体完成增压过程。
图2为现有叶轮1的一个实施例，叶片12为厚度均匀的薄形曲面，在叶轮1的旋转方向上，叶片12与旋转方向一致的侧面为压力面12a，压力面12a受流体的压力相对较高，叶片12与旋转方向相反的侧面为吸力面12b，吸力面12b受流体的压力相对较低。图2中的叶轮1中流道13的流道进口131处、流道中部132处和流道出口133处的流道截面形状分别参见图3中的(a)图、(b)图和(c)图，如图3所示，两相邻叶片12的压力面12a和吸力面12b、轮毂11的外周曲面111和外壳2的护罩部23形成流体的其中一个流道13。叶片12的压力面12a推动流道13中的流体，使流体沿轮毂11的外周曲面111的切向速度方向13a与叶轮1旋转方向一致，将叶轮1的机械能转化为流体的动能。为了使流体在流道13中维持一定的径向流速，叶轮1的流道截面面积需要限定在合适的数值范围内。
在叶轮1的流道进口131处，流体沿叶轮1的轴向流动，结合图1和图3中(a)图所示，流道进口131处的流道截面形状是由叶轮流体进口14的面积、叶轮流体进口14的外径D1以及叶片数n确定的，大致呈扇形，此处的流道13具有较大的叶片高度ha和较窄的流道宽度Ba，则此处的流道截面的高宽比(叶片高度ha与流道宽度Ba的比值)较大，叶片12对流道13内流体的做功面积较大，流道13内的流体厚度较薄，叶片12的负荷较小，从而叶片容易对流体做功。在叶轮1的流道出口133处，流体沿叶轮的径向流动，流道出口133处的流道截面形状是由叶轮流体出口15的面积、叶轮1的外径D2和叶片数n确定的，大致呈矩形，此处的流道13具有较小的叶片高度hc和较宽的流道宽度Bc，则此处的流道截面的高宽比较小，从而叶片12对流道13内流体的做功面积较小，流道13内流体的厚度较厚，叶片12的负荷较大，从而叶片12不易对流体做功。在流道进口131和流道出口133之间，流道13的截面形状均不相同，流道截面的高宽比(叶片高度hb与流道宽度Bb的比值)从流道进口131处的较大值连续过渡到流道出口133处的较小值(参见图3中的(a)图、(b)图和(c)图)。
由于流道出口133处叶片高度较小，叶片片梢与外壳的间隙125相对于叶片高度的占比将增大，导致流体的泄漏损失增大；同时，流道截面的高宽比较小时，流道13内容易产生涡流4(参见图3中的(c)图)，增大流体能量损失。参见图4，为现有叶轮1的另一实施例，如图4所示，该叶轮在两相邻的叶片12之间的流道出口133所在的一段增加小叶片5以增大流道出口段叶片的密度，从而增大流道出口段的流道截面的高宽比。图4所示的叶轮实施例，即使增加了小叶片5，流道出口133处的流道截面的高宽比仍然较小，叶片不易对流体做功，并且叶片片梢与外壳的间隙125处的泄漏损失和流道13内的涡流损失仍然较大。为提高做功效率、减少能量损失，还需要进一步提高流道截面的高宽比。
为了解决上述问题，本发明通过改变叶轮的叶片形状来进一步提高流道截面的高宽比。
图5所示的实施例一中，与现有叶轮1采用的基本等厚的薄形叶片12不同，本发明的叶轮1采用变厚度叶片12，从叶片12的前缘123到尾缘124的厚度逐渐增加，叶片12整体呈楔形。叶片12的尾缘124厚度增加，相邻两叶片之间的流道13的宽度相应减小，为了维持相同的流道面积，同时增加叶片12的高度，从而增加流道截面的高宽比，该高宽比远大于现有叶轮的流道截面的高宽比(参见图2和图4)。同时，由于叶片的相对高度较高，减少了叶片片梢与外壳的间隙15相对叶片12高度的占比，降低了流体泄漏损失；流道13的宽度变窄，还减小了流道13中流体的涡流损失，从而提高了叶轮1的能量转化效率。
图5所示的实施例一中，叶片12尾缘124的厚度较大，流体在流道出口133处尾迹范围大，从而导致流道出口133处尾迹损失较大。为降低叶轮12的尾迹损失，本发明对叶轮1的叶片12进一步改进，如图6所示，实施例二的叶轮1在叶片12的基础上进行改进，采用尾缘124为流线型曲面的叶片12，在叶片12靠近叶轮流体出口15的尾部的压力面12a和吸力面12b均采用光滑流线型曲面并在尾缘124处形成较狭窄的流线型叶片尾缘，该设计在保证流道截面有较大高宽比的前提下，减小叶片12在流道出口133处的宽度，形成狭窄的尾缘124以减小尾迹区域，从而降低尾迹损失。
图5所示的叶轮1和图6所示的叶轮1采用实心叶片，重量较大，对叶轮强度和转子动力学特性均有不利影响。图7和图8示出了空心结构的叶轮，在图7所示的实施例三中，叶轮1是在图5所示的叶轮的基础上的改进，即将叶轮1的叶片12的尾部较厚的部分设置为空心结构，仅在叶片12尾部的压力面12a和吸力面12b侧保留合适厚度的薄形曲面，尾部压力面12a和吸力面12b之间的部分去除，形成的叶片尾缘124为岔开的两部分，分别为压力面薄片12-1和吸力面薄片12-2，即叶片12是由压力面薄,12-1和吸力面薄片12-2组成的非闭合式空心结构，压力面薄片12-1和吸力面薄片12-2在尾缘124处不相交且不联合在一起，该叶轮1具有较轻的质量和更好的机械强度。同样，图8所示的实施例三中，叶轮1是在图6所示的实施例二的基础上对叶轮1的改进，即将叶轮1的叶片12中较厚的部分设置为空心结构，仅在仅在叶片12的压力面12a和吸力面12b侧保留合适厚度的薄形曲面，而压力面12a和吸力面12b之间的部分去除，形成的叶片12为闭合的空心结构，即叶片12是由压力面薄片12-1和吸力面薄片12-2组成的闭合式空心结构，压力面薄片12-1和吸力面薄片12-2在尾缘(124)处相交且联合在一起，该叶轮1具有较轻的质量和更好的机械强度。
需要说明的是，上述实施方式所示的结构、形状、组合只是用于示例，可以在不违背本发明主旨的范围内根据设计要求进行各种变形。
本发明叶轮及包括该叶轮的离心压缩机具有以下技术效果：
本发明通过采用从前缘到尾缘逐渐变厚的叶片12，使得叶轮1获得较大的流道截面高宽比，降低了流体泄漏损失和涡流损失，从而提高了叶轮的做功效率；
实施例二的叶片12尾部的压力面12a和吸力面12b均采用光滑流线型曲面并在尾缘124处联合在一起，减小叶片在流道出口处的宽度，形成狭窄的流线型尾缘以减小尾迹区域，从而降低尾迹损失；
实施例三的叶片为空心结构，即叶片的压力面薄片12-1和吸力面薄片12-2之间的部分去除形成尾部闭合或分岔的空心叶片，使叶轮具有较轻的质量和更好的机械强度。
相对于现有技术，本发明叶轮可以工作在较低的比转速下，具有如下特性：
在增压和流量相同的情况下，具有更低的物理转速；
在流量和物理转速相同的情况下，具有更高的增压；
在转速和增压相同的情况下，可以适用于更小流量的流体压缩。
根据实验表明，本发明叶轮与现有叶轮相比，在增压和流量相同的情况下，在不同工况下，物理转速可降低10％-30％；在流量和物理转速相同的情况下，增压可提高10％-30％；在转速和增压相同的情况下，流量可减少10％-30％。
本领域技术人员应当理解，这些实施例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围，对本发明所做的各种等价变型和修改均属于本发明公开内容。
Claims (9)
1.一种叶轮，用于离心压缩机中，包括轮毂(11)和沿轮毂(11)的外周曲面(111)向外延伸的多个叶片(12)，相邻叶片和轮毂之间形成流道(13)，流体从设置在叶轮上部的叶轮流体进口(14)沿着轴向流入经设置在叶轮下部的叶轮流体出口(15)朝向径向周侧流出，叶片(12)与旋转方向一致的侧面为压力面(12a)，与旋转方向相背的一面为吸力面(12b)，其特征在于，所述叶片(12)为变厚度叶片，且沿叶片(12)长度方向上的任一流道截面处的叶片高度不小于流道宽度。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述叶片(12)从位于叶轮流体进口(14)处的前缘(123)至位于叶轮流体出口(15)处的尾缘(124)逐渐变厚。
3.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于，所述叶片(12)为空心结构。
4.根据权利要求1至3任一项所述的叶轮，其特征在于，所述叶片(12)是由压力面薄片(12-1)和吸力面薄片(12-2)组成的非闭合式空心结构，压力面薄片(12-1)和吸力面薄片(12-2)在尾缘(124)处不相交且不联合在一起。
5.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述叶片(12)在靠近叶轮流体出口(15)的尾部的压力面(12a)和吸力面(12b)均为光滑流线型曲面，并在位于叶轮流体出口(15)处的尾缘(124)处形成较狭窄的流线型叶片尾缘。
6.根据权利要求5所述的叶轮，其特征在于，所述叶片(12)为空心结构。
7.根据权利要求1或5或6所述的叶轮，其特征在于，所述叶片(12)是由压力面薄片(12-1)和吸力面薄片(12-2)组成的闭合式空心结构，压力面薄片(12-1)和吸力面薄片(12-2)在尾缘(124)处相交且联合在一起。
8.一种离心压缩机，包括外壳(2)、叶轮(1)和转轴(3)，转轴(3)穿过外壳(2)并伸入叶轮中部设有的通孔中固定，其特征在于，所述叶轮(1)为权利要求1至7任一项所述的叶轮。
9.根据权利要求8所述的离心压缩机，其特征在于，所述外壳(2)具有用于容置叶轮的主体部(21)、与叶轮的流道相连通并向外延伸放大的扩展部(22)以及与扩展部(22)连接包裹叶轮外侧的护罩部(23)，护罩部(23)与扩展部(22)形成涡卷状的扩压器(24)。
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