CN101310112A - 离心式压缩机叶轮 - Google Patents
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Abstract
为了稳定输送气体的流动性能设有离心式压缩机叶轮(4),该叶轮由轮盘(12)和均匀地布置在圆周方向上的叶片(14)构成,其中叶片(14)的表面的母线(24a)至少在弯曲的部分区域(26)中是曲线,从而在这个部分区域(26)中,所述表面在两个方向上是弯曲的。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心式压缩机叶轮,它由轮盘和均匀地布置在圆周方向上的具有入口棱和出口棱的叶片构成。
背景技术
离心式压缩机将机械能转变为压缩能,方法是它使用离心加速度。离心式压缩机基本上由固定在驱动轴上的叶轮、扩散器和壳体组成。该叶轮具有多个弯曲的叶片。根据应用目的,叶轮的机械规格按照封闭的或者半开放的叶轮类型实现。在封闭的叶轮的情况下叶片设有盖盘,在半开放的叶轮的情况下叶片具有露出的外棱。
输送气体大约在压缩机的中心轴向吸入并且通过离心力,也通过叶片的弧形形状支持,压缩并向外加速。布置在圆周侧的扩散器将该动力学能量大部分转换为附加的压力并且输送气体被进一步压缩。
离心式压缩机的能量转换与相应的流动损失、摩擦损失以及间隙损失有关,因此离心式压缩机具有拱形的特性曲线。因此除了高的效率,还要力求达到稳定的特性曲线,它通过在下降的输送流量时升高的输送压力而出色。不过离心式压缩机的工作范围通过所谓的泵极限限制。它一般是具有最小输送量的特性曲线点。超出了这个泵极限离心式压缩机不能再使用,因为流体从叶片上脱离并不能再保证稳定的工作。
离心式压缩机的特性曲线的稳定问题例如在DE 42 14 753 A1中涉及。由这个文献公开了一种根据前叙部分所述的离心式压缩机叶轮。该叶轮的叶片设有通孔,输送气体通过该通孔从凸出的叶片压力侧输送到凹陷的叶片吸气侧,这样在小的体积流量和高的压力比的情况下在叶片吸气侧上形成的涡流被运走。
发明内容
本发明的任务在于,提供一种离心式压缩机叶轮,它可以在同时高的效率的情况下获得扩大的稳定工作范围。此外本发明的任务在于,提供一种这种离心式压缩机叶轮生产方法。
首先提到的任务根据本发明通过由轮盘和均匀地布置在圆周方向上的叶片组成的离心式压缩机叶轮解决。该叶片具有入口棱和出口棱,其中叶片的表面的至少一个部分区域是两次弯曲的部分区域,它的母线是曲线并且该弯曲的部分区域垂直于母线同样是弯曲的。
在弯曲的部分区域中的表面设计成两次弯曲的,也就是说,从该弯曲的部分区域的表面上的点出发,该表面在两个撑开该表面的方向上弯曲。因此所有通过该点延伸的线是弯曲的并且不是直的。该弯曲的部分区域总体由此描述特性,即在这个部分区域中的表面上的所有的线,包括母线都是弯曲的。这个区域由此形成所谓的自由形状表面(雕塑曲面)。
对于母线要理解为当前的一条线,它在撑开表面的方向上(例如X向)是该表面的一部分,即具有并定义了该表面在这个方向的走向。该表面通过母线在第二个不与母线平行延伸的方向上(例如Y向,垂直于X向)上的运动或者移动而构成或者定义。母线在这种情况下必须不是强制静态的,而是它可以根据母线在第二方向上的位置改变。
本发明的优点特别在于,两次弯曲的表面能更好地匹配流动的三维发展并且由此得到改善的流动性能。稳定的流动性能就它那方面来说导致压缩机特性曲线的稳定并导致离心式压缩机的效率的提高。
相反地,目前的离心式压缩机叶轮的叶片表面更多借助直线的母线定义。关于此方面涉及常规表面(通常的表面)或者说常规表面直线。为了生产这种表面通常在借助于圆柱形或者圆锥形的滚铣刀的侧铣工艺中进行切削加工。在这种情况下铣刀这样切入,即它的理论母线在切削区域中平行于叶片表面相应的常规表面直线。
在一种优选的设计方案中,叶片的表面的另一部分区域是常规表面部分区域,它的母线是直线。这个部分区域由此形成常规表面,这样通过这个部分区域的每个点延伸至少一条直线。
此外优选从两次弯曲的部分区域到常规表面部分区域的过渡是连续的。即在这两个部分区域之间不存在折弯位置或者棱。这两个部分区域之间的过渡是导圆的。由此保证,不会由于表面上的不平度产生由于流体的脱离造成的涡流。
优选叶片具有轮毂棱和大约位于对面的外棱,其中两次弯曲的部分区域邻接于外棱,并且常规表面部分区域邻接于轮毂棱。轮毂棱是一条邻接于轮盘的轮毂上的棱,它位于叶片的下部区域。外棱大约位于轮毂棱的对面。它在半开放的叶轮的情况下是露出的棱边。在封闭的叶轮的情况下它邻接于盖盘。外棱、轮毂棱、入口棱以及出口棱形成叶片的边界,其中外棱和轮毂棱分别和入口棱和出口棱连接。
两次弯曲的部分区域和/或常规表面部分区域从入口棱延伸至出口棱是合乎目的的。
根据一种另外的合乎目的的改进方案,两次弯曲的部分区域和常规表面部分区域大约一样大。
在一种优选的实施方式中,叶片的表面具有多个两次弯曲的部分区域。特别地,该表面由多个交替布置的两次弯曲的部分区域和常规表面部分区域组成,由此改善叶片的空气动力学特性。
实现一种另外有利的实施方案的措施是,邻接于轮毂棱和外棱分别设置有两次弯曲的部分区域,在它们之间布置常规表面部分区域。
具有降低的脱离危险的有效流动换向根据一种特别优选的实施方式由此实现,即叶片的整个表面是两次弯曲的,即完全通过弯曲的母线形成。
叶片的几何形状在稳定的流动性能上的积极作用有利地通过弯曲的入口棱加强。
因为流动性能在叶片的纵向是变化的,叶片优选这样设计,即母线的曲率从入口棱朝着出口棱的方向变化。这意味着,在叶片的横向上延伸的两次弯曲的部分区域的母线具有在叶片的纵向上变化的曲率。
轮盘、叶片以及或许盖盘形成分开的单元。叶轮的这些单个元件可以单独生产并且以后组装,这样特别对叶片的形状保证大量的灵活性。
该任务根据本发明此外通过一种用于生产离心式压缩机叶轮的方法解决,该叶轮由轮盘和均匀地布置在圆周方向上的叶片组成,其中该叶片的表面至少局部地通过点铣借助球头铣刀或者半径铣刀加工。由于叶片的几何特征,不能如在通常的滚铣的应用情况那样使用铣刀线性接触叶片表面的加工过程。两次弯曲的部分区域的形状要求铣刀与叶片表面的逐点接触,它保证在生产叶片时的附加的灵活性。这种逐点的接触在端铣中实现。相应地设置大数量的铣削线路,以达到足够高的表面质量。通过端铣可以例如构造整个叶片表面,也包括常规表面部分区域。
附图说明
本发明的实施例借助附图详细说明。在此示意示出:
图1示出了轴向穿过单级离心式压缩机的剖面,
图2a是具有两次弯曲的部分区域和常规表面部分区域的叶片的侧视图,
图2b是按照图2a的叶片的俯视图,
图3a是具有在流动方向上凸出地弯曲的入口棱的叶片的侧视图,
图3b是按照图3a的叶片的俯视图,
图4a是具有在流动方向上凹陷地弯曲的入口棱的叶片的侧视图,
图4b是按照图4a的叶片的俯视图,
图5a是具有两个两次弯曲的部分区域,它们之间布置有常规表面部分区域的叶片的侧视图,
图5b是按照图5a的叶片的俯视图,
图6a是具有多次弯曲的入口棱的叶片的侧视图,
图6b是按照图6a的叶片的俯视图,以及,
图7示出了离心式压缩机的压缩机特性曲线。
相同的标记在不同的图中具有相同的意义。
具体实施方式
在图1中示出了一种单向流式(只从一侧供应输送气体)并且单级工作的离心式压缩机2。离心式压缩机2包括叶轮4、轴6以及扩散器8和盖盘10,其中轴6可在旋转方向D上转动,并且在该轴6上面安装着叶轮4,并且轴6定义了轴向A。该叶轮4由轮盘12和多个布置在圆周上的叶片14组成。
输送气体轴向在轴6的区域吸入并经过在叶片之间生成的通道通过离心力径向向外加速。这通过箭头F标明,它给出输送气体的流动方向。在这种情况下不仅输送气体的速度,而且它的压力都增加。在扩散器8中该流动被减速,这导致输送气体的压力的进一步提高。在压缩后输送气体重新在轴向离开离心式压缩机。
为了完美地进行能量转换,叶片14首先要具有空气动力学的几何形状。该几何形状例如在图2a和图2b中示出,它们示出了叶片14的第一实施方式的侧视图和俯视图。叶片14具有入口棱16。在叶片14的纵向的另一端是出口棱18,它在装配好的状态下朝向扩散器8。在封闭的叶轮2的情况下叶片14设有盖盘10,在半开放的叶轮的情况下叶片14具有露出的出口棱18。叶片14的轮毂棱20在轮盘12的表面上延伸并直接与它在轮毂部位中接界。大约在对面,叶片14具有外棱22。基于旋转方向D导引的叶片表面的母线24凸出地弯曲。
叶片14的表面通过相应的母线24定义。该母线分别在叶片14的横向,也就是说,从轮毂棱20到外棱22延伸。母线24在叶片14的纵向,即在从入口棱16到出口棱18的方向变化。不同地观察,整个表面由大量无限小的部分表面组成,它们分别通过不同的静态母线定义。
在叶片14的横向,也就是说,在轮毂棱20和外棱22之间,该表面被划分成两次弯曲的部分区域26和常规表面部分区域28。两次弯曲的部分区域26邻接于外棱22,并且在纵向从入口棱16延伸至出口棱18。常规表面部分区域28邻接于轮毂棱20,并且如两次弯曲的部分区域26一样沿着整个叶片14延伸。这两个部分区域26、28形成它们之间的连续过渡,这样叶片14的表面没有可能对流动的生成有负面影响的棱、槽或者隆起。
由于这两个部分区域26、28,母线24也被划分成弯曲的区域24a和常规表面区域24b,它们互相连续地过渡。特别通过在两次弯曲的部分区域26中的三维弯曲,叶片14的形状在流动的稳定性方面匹配于流动要求。
叶片14的复杂的几何形状要求一种在加工两次弯曲的部分区域26时保证在所有三个空间方向的自由度的制造方法。在这种情况下特别适合应用端铣,它可以通过与叶片14的表面的逐点接触产生具有不同的弯曲方向和弯曲半径的弯曲的面。
叶片14的另一种实施方式在图3a和图3b中示出。叶片14对它的整个表面具有弯曲的母线24a,它从入口棱16延伸至出口棱18并且朝着输送气体的流动方向F凹陷。由图3a和3b此外得知,母线24a的曲率在流动方向F上从入口棱16到出口棱18变化。在图3a中的侧视图中,该叶片具有凸出地弯曲的入口棱16。
在图4a和图4b的实施例中,基于旋转方向D导引的叶片表面的母线24凹陷地弯曲。这里如在图2a和2b的实施例中一样也设有两次弯曲的部分区域26和常规表面部分区域28。两次弯曲的部分区域26在这里构成大约整个表面的1/3。在图4a、4b的实施例中阐明了叶片14的另外一种优选的结构,即在图4a中的侧视图中凹陷地弯曲的入口棱16,它改善了叶片14的空气动力学特性。
根据一种另外的实施例,叶片14具有两个两次弯曲的部分区域26,它们邻接于轮毂棱20和外棱22并且在它们之间布置有常规表面部分区域28。这在图5a和图5b中示出。在这种情况下入口棱16又设计成弯曲的。单个的部分区域26、28大约一样大。
根据图6a和图6b的实施例基本上是按照图4a,4b和图5a,5b的实施例的结合。对于按照图6a、6b的实施例,母线24由两个相反地弯曲的区域24a组成,它们通过常规表面区域24b互相连接。因此这里也设有两个边缘侧的两次弯曲的部分区域26以及布置在它们之间的常规表面部分区域28。
在图中示出的两次弯曲的部分区域26分布遮盖叶片表面的大的表面区域,按照实施例从整个表面的20%到60%。只是在按照图3a、3b的实施例中弯曲的部分区域26构成整个表面的100%或者接近100%。
部分区域26、28在图中只粗略地通过虚线标明。因为曲率在叶片14的纵向变化,存在这种可能性,即在所示部分区域26的内部在有限的部分块中母线不是弯曲的,而是直线。当曲率在部分区域26内部从凸出变化到凹陷时,可能出现这种情况。
离心式压缩机2的工作性能对一定的转速在质量上借助图7中的图表通过压缩机特性曲线VK描述。在这个图表中,压力比在体积流量上示出,其中P是在压缩机2的出口上的输送压力并且P0是在入口棱16上的吸气压力。特性曲线VK在左侧通过泵极限S限制。在那里在过小的体积流量和过高的压力比的情况下,流体从叶片14上脱离。发生这种脱离的那个在特性曲线VK上的点是分离点W。离心式压缩机2的工作点B是压缩机特性曲线VK与设备特性曲线AK的交点。B在压缩机特性曲线VK上一般根据设备参数变化。
Claims (13)
1.离心式压缩机叶轮(4),它由轮盘(12)和均匀地在圆周方向上布置的叶片(14)构成,该叶片(14)具有入口棱(16)和出口棱(18),其特征在于,所述叶片(14)的表面的至少一个部分区域是两次弯曲的部分区域(26),其母线(24a)是曲线,并且上述弯曲的部分区域(26)垂直于母线(24a)同样是弯曲的。
2.根据权利要求1所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述叶片(14)的表面的另一部分区域是常规表面部分区域(28),它的母线(24b)是直线。
3.根据权利要求2所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,从所述两次弯曲的部分区域(26)到常规表面部分区域(26,28)的过渡是连续的。
4.根据权利要求2或3所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述叶片(14)具有轮毂棱(20)和大约位于对面的外棱(22),其中两次弯曲的部分区域(26)邻接于外棱(22),而常规表面部分区域(28)邻接于轮毂棱(20)。
5.根据权利要求2至4中任意一项所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述两次弯曲的部分区域(26)和/或常规表面部分区域(28)从入口棱(16)延伸至出口棱(18)。
6.根据权利要求2至5中任意一项所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述两次弯曲的部分区域(26)和常规表面部分区域(28)大约一样大。
7.根据权利要求2至6中任意一项所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述叶片(14)的表面具有多个通过常规表面部分区域(28)互相分开的两次弯曲的部分区域(26)。
8.根据权利要求7所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,邻接于所述轮毂棱(20)和外棱(22)设置有两个两次弯曲的部分区域(26),在它们之间布置有常规表面部分区域(28)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述叶片(14)的整个表面是弯曲的,并且具有曲线作为母线(24a)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述入口棱(16)是弯曲的。
11.根据前述权利要求中任一项所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述母线(24)的曲率从入口棱(16)朝着出口棱(18)的方向变化。
12.根据前述权利要求中任一项所述的离心式压缩机叶轮(4),其特征在于,所述轮盘(12)、叶片(14)和/或盖盘形成分开的单元。
13.制造离心式压缩机叶轮(4)的方法,该叶轮由轮盘(12)和均匀地在圆周方向上布置的叶片(14)构成,其特征在于,所述叶片(14)的表面至少局部地通过端铣加工,使得叶片(14)的表面的至少一个部分区域是弯曲的部分区域(26),其母线(24a)是曲线,并且上述弯曲的部分区域(26)垂直于母线(24a)同样是弯曲的。
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