CN109083864A - 一种径流式旋转机械叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径流式旋转机械叶轮，包括叶轮主体，叶轮主体背面设有多个主叶片和多个边缘叶片，主叶片沿叶轮主体的圆周方向均匀分布在叶轮主体的背面，主叶片凸出设置；边缘叶片沿圆周方向均匀布置在相邻主叶片的进口段之间，边缘叶片凸出设置。本发明，显著增加了叶轮主体背部半径较大区域的叶片稠度，同时避免了半径较小区域叶片稠度的增加，使得泄漏流体进入叶轮主体背部间隙后周向速度迅速增加，在叶轮主体背叶片的带动下泄漏流体周向速度随半径减小而进一步增加，同时压力降低，半径较大区域流体压力的降低更有助于降低叶轮主体背部轴向力，从而平衡叶轮主体轴向力。

Description

一种径流式旋转机械叶轮

技术领域

本发明涉及径流式旋转机械叶轮技术领域，具体涉及一种径流式旋转机械叶轮。

背景技术

径流式旋转机械由于体积紧凑、变工况特性优异，广泛应用于国民生产的各个领域，如石化行业的离心泵、汽车行业的涡轮增压器、航空业的离心压缩机及向心透平等。其运行过程中叶轮背部承受的流体轴向推力通常大于叶轮正面，在旋转机械运行压力较高时叶轮承受较大的指向叶轮正面的轴向力，可能超出推力轴承的承载能力，需要在叶轮上设计一些特殊的结构如平衡孔、背叶片等来平衡轴向力。

目前广泛应用的径流式旋转机械叶轮背叶片结构通常为由复数个均匀布置的相同叶片组成的轮背叶片，通过叶片带动轮背间隙泄漏流体加速，从而降低轮背流体压力，减小叶轮承受的轴向力。现有背叶片结构的基本特点在于相邻叶片中弧线的周向间距随着半径增大而增大，这一布置方式使得在半径较大即叶轮线速度较高的区域，背叶片对轮背间隙泄漏流体的加速降压效果较差，而这一区域接近泄漏流进口且面积较大，从而削弱了整个轮背间隙的流体压降幅度及轴向力平衡效果。如图1所示，叶轮2出口腔室6中的部分流体通过叶轮2背部与壳体1之间的间隙产生少量泄漏，泄漏路径依次为：叶轮2背部与壳体1之间的径向间隙7，叶轮2背部与壳体1之间的轴向间隙8，动密封5结构的动静间隙9。通常叶轮背面泄漏流体压力高于正面主流流体，使得叶轮承受指向正面的轴向力，当运行压力较高时轴向力较大。

为了改善轴向力平衡效果，现有背叶片结构需要采用较大的背叶片高度来提高泄漏流压降，如本专利申请的说明书附图的图2所示，现有技术中应用的叶轮背部叶片典型几何造型：在叶轮10背面沿圆周方向均匀布置造型相同的复数个叶片11，叶片11与叶轮10背面垂直，任意叶片11外端半径相同、内端半径相同，图中叶片11中心线为沿径向的直线，也有实例中心线与径向呈一定角度或为曲线，弯曲方向与叶轮10旋转方向12有关。其几何特征为相邻叶片中弧线的周向间距随着半径增大而增大，半径较大的外端周向间距13明显大于半径较小的内端周向间距14。泄漏流体进入叶轮背部间隙后周向速度方向与叶轮转动方向相同，周向速度大小远小于叶轮转动线速度，在叶轮背叶片的带动下泄漏流体周向速度随半径减小而增加，同时压力降低，由于叶片外端间距较大，叶片进口区域对泄漏流体的加速降压效果较差，需要通过增加叶片高度来弥补，进而导致叶轮功率损失增加、效率降低。

有鉴于此，急需对现有的径流式旋转机械叶轮的结构进行改进，以降低叶轮的功率损失，提高流体压降幅度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的径流式旋转机械叶轮的轴向力平衡结构存在功率损失高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种径流式旋转机械叶轮，包括叶轮主体，所述叶轮主体上设有：

主叶片，为多个，并沿所述叶轮主体的圆周方向均匀分布在所述叶轮主体的背面，所述主叶片凸出设置；

边缘叶片，为多个，沿圆周方向均匀布置在相邻所述主叶片的进口段之间，所述边缘叶片凸出设置。

在另一个优选的实施例中，各所述主叶片的外端半径相同，各所述主叶片的内端半径相同，各所述边缘叶片的外端半径与各所述主叶片的外端半径相同，各所述边缘叶片的内端半径相同。

在另一个优选的实施例中，相邻的所述边缘叶片的中弧线周向间距为外间距，与相邻的所述主叶片与所述边缘叶片中弧线周向间距相等，两相邻的所述主叶片的内端中弧线的周向间距为内间距，且所述外间距小于所述内间距。

在另一个优选的实施例中，所述主叶片为弧形，且出口段过渡为向叶轮旋转方向弯曲。

在另一个优选的实施例中，所述主叶片和所述边缘叶片的凸出方向与所述叶轮主体的背面垂直或成一夹角。

在另一个优选的实施例中，所述边缘叶片数量为所述主叶片的整数倍。

与现有技术相比，本发明，显著增加了叶轮主体背部半径较大区域的叶片稠度，同时避免了半径较小区域叶片稠度的增加，使得泄漏流体进入叶轮主体背部间隙后周向速度迅速增加，在叶轮主体背叶片的带动下泄漏流体周向速度随半径减小而进一步增加，同时压力降低；通过局部增加半径较大区域的叶片稠度，能够显著增强背叶片带动泄漏流体加速的效果，进一步降低该区域流体压力，由于同等半径变化区间半径越大的区域面积越大，半径较大区域流体压力的降低更有助于降低叶轮主体背部轴向力，从而平衡叶轮主体轴向力。

附图说明

图1以离心泵为例给出了本发明应用的径流式叶轮机械剖面图；

图2为现有技术中应用轮背叶片的典型径流式叶轮背面正视图；

图3为本发明的径流式叶轮背面正视图；

图4为本发明的叶轮背部间隙泄漏流流动方向示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种径流式旋转机械叶轮，能够实现。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。

如图3所示，本发明提供的径流式旋转机械叶轮，包括叶轮主体，包括主叶片3和边缘叶片4。主叶片3为多个，并沿叶轮主体的圆周方向均匀分布在叶轮主体的背面，主叶片3凸出设置。边缘叶片4为多个，沿圆周方向均匀布置在相邻主叶片3的进口段之间，边缘叶片4凸出设置。主叶片3和边缘叶片4与叶轮背侧固定壁面之间有很小的轴向间隙。

本发明在叶轮主体背部固定布置了主叶片3和边缘叶片4，用于带动背部间隙内泄漏流体加速，从而降低叶轮主体背部压力，使得叶轮主体承受的轴向力平衡为一较小值。本发明与现有技术相比，显著增加了叶轮主体背部半径较大区域的叶片稠度，同时避免了半径较小区域叶片稠度的增加，这一变化对叶轮主体背部泄漏流动的影响如下：泄漏流体进入叶轮主体背部间隙后周向速度方向与叶轮主体转动方向相同，周向速度大小远小于叶轮主体转动线速度，在叶轮主体背叶片的带动下泄漏流体周向速度随半径减小而增加，同时压力降低。本发明通过局部增加半径较大区域的叶片稠度，能够显著增强背叶片带动泄漏流体加速的效果，进一步降低该区域流体压力；由于同等半径变化区间半径越大的区域面积越大，半径较大区域流体压力的降低更有助于降低叶轮主体背部轴向力，从而平衡叶轮主体轴向力。

叶轮背部半径较大的区域背叶片线速度较大，对泄漏流体的加速降压有较大潜力，且该区域面积较大，泄漏流体的压降对平衡轴向力的贡献较大，且边缘叶片4的布置避免了半径较小区域叶片稠度的增加，该区域叶片稠度过大会对轴向推力平衡起负面作用，能够更有效地带动泄漏流体周向速度增加、压力降低，以更小的叶高和更低的功率损失取得叶轮轴向力的平衡。

如图4所示，主叶片3的外端半径相同，各主叶片3的内端半径相同，各边缘叶片4的外端半径与各主叶片3的外端半径相同，各边缘叶片4的内端半径相同。在叶轮外缘，泄漏流进入叶轮背部间隙时周向速度方向与叶轮转动方向相同，周向速度大小远小于叶轮转动线速度，因此相对周向速度18与叶轮转动方向相反；随着半径减小，泄漏流在背叶片的带动下周向速度增加，而背叶片线速度逐渐减小，两者速度差减小，泄漏流相对周向速度18也逐渐减小，在这一区域边缘叶片4与主叶片3均采用径向布置，该布置方式对泄漏流的加速降压效果较好。

相邻的边缘叶片4的中弧线周向间距为外间距15，与相邻的主叶片3与边缘叶片4中弧线周向间距相等，两相邻的主叶片3的内端中弧线的周向间距为内间距17，且外间距15小于内间距17。这种结构突破了现有技术背叶片外端周向间距必然大于内端周向间距的限制，能够显著增加半径较大区域的叶片稠度，以更小的叶高和更低的功率损失取得叶轮轴向力的平衡，提高旋转机械效率。

如图4所示，主叶片3为弧形，且出口段过渡为向叶轮旋转方向12弯曲。在通过边缘叶片4后某一半径处相对周向速度反向，变为与叶轮转动方向相同，此后随着半径减小，泄漏流相对周向速度逐渐增加，在这一区域主叶片3的中心线逐渐由径向过渡为向叶轮旋转方向12弯曲，以适应泄漏流相对周向速度的变化，回收部分泄漏流动能的同时进一步降低流体压力。

主叶片3和边缘叶片4的凸出方向与叶轮主体的背面垂直或成一夹角，便于对泄漏流体进行导向，夹角角度与泄漏流流量及叶轮设计转速有关，不宜过大或过小。

边缘叶片4数量为主叶片3的整数倍，这种设置方式使得主叶片3和边缘叶片4的数量更易设置，在加工时更方便。

本发明，显著增加了叶轮主体背部半径较大区域的叶片稠度，同时避免了半径较小区域叶片稠度的增加，使得泄漏流体进入叶轮主体背部间隙后周向速度迅速增加，在叶轮主体背叶片的带动下泄漏流体周向速度随半径减小而进一步增加，同时压力降低；通过局部增加半径较大区域的叶片稠度，能够显著增强背叶片带动泄漏流体加速的效果，进一步降低该区域流体压力，由于同等半径变化区间半径越大的区域面积越大，半径较大区域流体压力的降低更有助于降低叶轮主体背部轴向力，从而平衡叶轮主体轴向力。

本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种径流式旋转机械叶轮，其特征在于，包括叶轮主体，所述叶轮主体背面设有：

主叶片，为多个，并沿所述叶轮主体的圆周方向均匀分布在所述叶轮主体的背面，所述主叶片凸出设置；

边缘叶片，为多个，沿圆周方向均匀布置在相邻所述主叶片的进口段之间，所述边缘叶片凸出设置。

2.根据权利要求1所述的径流式旋转机械叶轮，其特征在于，各所述主叶片的外端半径相同，各所述主叶片的内端半径相同，各所述边缘叶片的外端半径与各所述主叶片的外端半径相同，各所述边缘叶片的内端半径相同。

3.根据权利要求1所述的径流式旋转机械叶轮，其特征在于，相邻的所述边缘叶片的中弧线周向间距为外间距，与相邻的所述主叶片与所述边缘叶片中弧线周向间距相等，两相邻的所述主叶片的内端中弧线的周向间距为内间距，且所述外间距小于所述内间距。

4.根据权利要求1所述的径流式旋转机械叶轮，其特征在于，所述主叶片为弧形，且出口段过渡为向叶轮旋转方向弯曲。

5.根据权利要求1所述的径流式旋转机械叶轮，其特征在于，所述主叶片和所述边缘叶片的凸出方向与所述叶轮主体的背面垂直或成一夹角。

6.根据权利要求1所述的径流式旋转机械叶轮，其特征在于，所述边缘叶片数量为所述主叶片的整数倍。