CN101576091A - 1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮，包括由前排叶片组成的诱导轮和由后排叶片组成的导出轮，所述前、后排叶片为三维空间扭曲形状，并相互分割、交错、重叠，其特征在于，所述前、后排叶片数目比为1∶2。本发明采用前排叶片低稠度布置和后排叶片高稠度布置，使得叶片载荷分布均匀，可以有效地降低叶片几何厚度、叶片边界层厚度、激波诱导边界层分离所引起的阻塞效应，从而扩大有效通流面积，增大堵塞流量；改善叶轮出口流动的均匀性，从而降低叶轮—扩压器间的尾流损失、冲击损失，提高整级效率，扩大喘振裕度。

Description

1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮

技术领域

本发明涉及一种离心叶轮，特别涉及一种前后排叶片数目比为1∶2的串列叶片式跨音速离心叶轮。

背景技术

离心式压缩机是一种旋转式叶轮机械，广泛应用于航空航天、冶金电力、石油化工、能源动力等领域，其主要功能是为上述工业领域中的大型动力及过程装备提供持续、稳定、流动的高压气体环境，满足工艺流程、化学反应对气体压力、流量的需要。离心压缩机提高气体压力的基本原理是：旋转离心叶轮通过离心力作用，将旋转轴的机械能转换为气体的压力能及动能；扩压器又进一步将部分动能转化为压力能；气流或者经蜗壳导出离心压缩机，或者经弯道、回流器进入下一级继续提高压力。由于气流受到逆压梯度及粘性的双重影响，不可避免地出现流动损失，有时还伴随着流动分离、喘振、堵塞等不稳定流动现象。离心叶轮上安装叶片。离心叶轮及其叶片结构型式对离心压缩机的增压能力、流动效率、稳定运行范围影响极大。

目前，先进离心压缩机技术正在朝高转速、高压比、高效率的方向发展，采用跨音速离心叶轮是上述发展趋势的必然结果。

现有的跨音速离心叶轮结构型式主要有两类：(1)带分流叶片的离心叶轮(图1)，由沿圆周方向上交替排列的长短叶片组成。这种叶片排列型式只有长叶片延伸到叶轮进口，因而能够降低流动堵塞效应，对提高大流量下的气动性能及堵塞流量有利。但长短叶片离心叶轮的主要缺陷在于：长叶片后缘的边界层较厚，尤其在跨音速、强逆压、小流量情况下，长叶片吸力面的边界层内低速流体容易发生分离流动，从而导致旋转失速、喘振等不稳定流动现象，使得离心叶轮及离心压缩机的喘振裕度降低；(2)前后叶片数相等的串列离心叶轮(图2)，这种叶轮由前后两排相互分割、交错、重叠的叶片排组成。在低转速吸尘器、通风机中，该类叶轮具有气流转折角度大、增压能力强、稳定运行范围宽的优点，但在跨音速情况下，前后排叶片数相等的串列离心叶轮的主要缺点在于：前排叶片数太稠，流动阻塞效应及激波损失明显，对大流量下的气动性能不利；后排叶片数太稀，叶片载荷较大，加大了流动损失，尤其是小流量下的二次流损失、分离流损失，对小流量下的气动性能不利。

在跨音速条件下，上述离心叶轮出现如下两个困难：一是稳定运行范围变窄，小流量下边界层容易发生流动分离，大流量下叶道喉部容易发生流动堵塞；二是整级效率低，激波损失、二次流损失、分离流损失对提高叶轮增压能力不利。为此，国内外先进叶轮机械厂家与研究机构对跨音速离心叶轮及其叶片结构型式进行了积极的探索及研究。

发明内容

本发明为了解决现有离心叶轮在跨音速流动中存在的稳定运行范围窄和整级效率低的问题，提供了1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮。该离心叶轮既能减弱前排叶片进口附近的流动阻塞，降低激波强度，又能控制后排叶片出口附近的二次流，改善叶轮出口的流动均匀性，得到整级扩稳增效的效果。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮，包括由前排叶片组成的诱导轮和由后排叶片组成的导出轮，所述前、后排叶片为三维空间扭曲形状，并相互分割、交错、重叠，其特征在于，所述前、后排叶片数目比为1∶2，前、后排叶片重叠度：Δm＝Δm/m，其中Δm＝m₁₂-m₂₁；m＝m₂₂-m₁₁；前、后排叶片交错度：Δθ＝Δθ/2π/N，其中Δθ为前、后排叶片的交错角；N为前排叶片数；前、后排叶片相对分割位置：m＝(m₂₁-m₁₁)/m，以上m_ij为叶片子午长度，第一个下标表示前、后排叶片，第二个下标表示叶片的进、出口；i＝1，2；j＝1，2。

上述方案中，所述前、后排叶片的重叠度Δm在-5％-30％范围内变化。所述前、后排叶片的交错度Δθ在5％-45％范围内变化。所述前、后排叶片的相对分割位置m在20％-80％范围内变化。所述诱导轮和导出轮构成开式或闭式离心叶轮。

与现有技术相比，本发明的1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮的优点在于：

1)前排诱导轮采用的低稠度叶片布置方案可以有效地降低叶片几何厚度、叶片边界层厚度、激波诱导边界层分离所引起的阻塞效应，从而扩大有效通流面积，增大堵塞流量；

2)后排导出轮采用的高稠度叶片布置方案可以通过合理地分配主流区及边界层内的能量分布、合理地分配叶片的气动载荷、合理地布局缝道区内的加速流动，有效地控制高逆压梯度所引起的叶片边界层分离、射流尾流、二次流等三维效应，改善叶轮出口流动的均匀性，从而降低叶轮-扩压器间的尾流损失、冲击损失，提高整级效率，扩大喘振裕度。

此外，本发明能够延长叶轮使用寿命。前排叶片的低稠度布置和后排叶片的高稠度布置，使得叶片载荷分布均匀。

附图说明

图1为带分流叶片的离心叶轮的回转剖面图。图中ω为叶轮旋转角速度。

图2为前后叶片数相等的串列离心叶轮的回转剖面图。

图3为本发明离心叶轮的回转剖面图。图中，1.-前排叶片；2.-后排叶片。

图4为本发明前后叶片相对排列方式及子午面图。图中，Δθ：前后排叶片的交错角；Δm：前后排叶片重叠的子午长度，Δm＝m₁₂-m₂₁；m_ij(i＝1，2；j＝1，2)：叶片子午长度(第一个下标表示前后排叶片，第个下标表示进、出口)。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的结构和工作原理作进一步的详细说明。

如图3、4所示，本发明主要包括由前排叶片1组成的诱导轮和后排叶片2组成的导出轮，前后排叶片数目比为1∶2，且前后两排叶片相互分割、交错、重叠。重叠度：Δm＝Δm/m，其中m＝m₂₂-m₁₁；交错度：Δθ＝Δθ/2π/N，其中N为前排叶片数；相对分割位置：m＝(m₂₁-m₁₁)/m，其中m_ij(i＝1，2；j＝1，2)：叶片子午长度(第一个下标表示前后排叶片，第二个下标表示进、出口)。

前后两排叶片的叶片中型线、叶片厚度、子午型线分别按照不同的Bezier函数非均匀有理B样条Nurbs数学表达式来形成，从而生成叶片的空间扭曲形状，叶轮为开式或闭式离心叶轮。

后排叶片进口距前排叶片出口的距离等于前排叶片进口到后排叶片出口间距离的-5％-30％，即在图4中-5％≤Δm/(m₂₂-m₁₁)≤30％(前后排叶片无重叠时，Δm/(m₂₂-m₁₁)为负；有重叠时，Δm/(m₂₂-m₁₁)为正)。

后排叶片的出口位于所述前排叶片出口的后面，即在图4中m₂₂＞m₁₂。

后排叶片的进口与相邻前排叶片的出口之间的夹角与前排两相邻叶片间夹角之比为5％-45％，即在图4中Δθ/2π/N的变化范围为5％-45％。

后排叶片的进口距前排叶片进口的距离与前排叶片进口到后排叶片出口的距离之比的变化范围为20％-80％，即在图4中(m₂₁-m₁₁)/(m₂₂-m₁₁)的变化范围为20％-80％。

以下列举了三种不同参数的叶轮：

实施例一，后排叶片2与前排叶片1重叠，重叠度Δm＝30％时，后排叶片与前排叶片的交错度Δθ为5％，后排叶片与前排叶片的相对分割位置m为20％。

实施例二，后排叶片2的进口与前排叶片1的出口平齐，即Δm＝0％时，后排叶片与前排叶片的交错度Δθ为25％，后排叶片与前排叶片的相对分割位置m为50％。

实施例三，后排叶片2与前排叶片1重叠度Δm＝-5％(未重叠)时，后排叶片与前排叶片的交错度Δθ为45％，后排叶片与前排叶片的相对分割位置m为80％。

Claims (5)

1、一种1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮，包括由前排叶片组成的诱导轮和由后排叶片组成的导出轮，所述前排、后排叶片为三维空间扭曲形状，并相互分割、交错、重叠，其特征在于，所述前排、后排叶片数目比为1∶2，前排、后排叶片重叠度：Δm＝Δm/m，其中Δm＝m₁₂-m₂₁；m＝m₂₂-m₁₁；前排、后排叶片交错度：Δθ＝Δθ/2π/N，其中Δθ为前排、后排叶片的交错角；N为前排叶片数；前排、后排叶片相对分割位置：m＝(m₂₁-m₁₁)/m，以上m_ij为叶片子午长度，第一个下标表示前排、后排叶片，第二个下标表示叶片的进、出口；i＝1，2；j＝1，2。

2、根据权利要求1所述的1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮，其特征在于：所述前排、后排叶片的重叠度Δm在-5％-30％范围内变化。

3、根据权利要求1所述的1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮，其特征在于：所述前排、后排叶片的交错度Δθ在5％-45％范围内变化。

4、根据权利要求1所述的1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮，其特征在于：所述前排、后排叶片的相对分割位置m在20％-80％范围内变化。

5、根据权利要求1-4任一所述的1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮，其特征在于：所述诱导轮和导出轮构成开式或闭式离心叶轮。

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