CN101893003A - 高载荷离心压缩机三元叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高载荷离心压缩机三元叶轮，该叶轮包括背板及其表面围绕叶轮中心呈放射状分布的叶片，其中，叶片包括主叶片和副叶片，若干个主叶片围绕叶轮中心均布，若干个副叶片一一位于两两主叶片之间，并且各副叶片均以两两主叶片周向中心为基准沿叶轮旋转方向偏移2～6°，副叶片前缘位于主叶片流线方向的18-25％位置处，主、副叶片前缘均为弧形，并且主、副叶片相对应部分的空间形状适配。本发明采取全三维气动设计分析技术路线设计，并经过流道优化、整机气动性能相干性优化得到的三元叶片经实际检验，保证了气体流动在通道里逐渐加载的过程均匀，避免了流动产生大的旋涡，有效控制边界层的发展和分离及激波损失，从而实现了气体的高效流动，达到了世界先进水平的性能指标。

Description

高载荷离心压缩机三元叶轮

技术领域

本发明涉及离心压缩机的三元叶轮，尤其是一种高载荷离心压缩机三元叶轮。

背景技术

作为必需的工业重要装备，离心压缩机在国民经济持续发展中一直占有重要的一席之地，是现代经济循环发展不可或缺的一个重要技术领域和产业。

离心机的研发和制造具有很高的专业技术挑战性，学科涉及气动力学、热力学、流体力学、传热学、固体力学、材料力学、转子动力学等，而且还依赖于其他行业和配套设备的发展水平，如材料、铸造、机加、装配、测试，电气电子、控制、系统优化设计、工程系统管理等，因此设计制造技术难度很大。尤其是作为离心压缩机核心部件之一的三元叶轮，其设计包括流道设计、理论计算、经验评估等，设计过程中既要使流体流动的损失尽可能小，又要使机器的气动热力学效率尽可能高，同时还要做到使高效率的工况范围尽可能宽，这一过程极其复杂，也由此导致现有三元叶轮普遍存在如下不足：

(1)很难达到理想的设计效率，即峰值效率距离设计极限理想水平有较大差距；

(2)即使接近理想峰值效率，但叶轮的有效工作范围又不够宽，使压缩机的性能美中不足；

(3)在结构强度方面设计的限制因素进一步制约了追求气动性能的先进性，即使提高了气动性能的优化，但结构设计不得不加大保险系数而增重，降低了叶轮的转子动力学性能。

尤其是对于多级高速多轴离心压缩机，既要转子尽可能的轻，又要满足结构强度要求，同时还能达到预期的压力和流量，因而必须将叶轮设计为很高的载荷，做到同等大小的叶轮在相同的转速下达到更高的压力。而一旦达到这种高载荷状态，叶轮内的气体流动将被推到跨音范围，流动的组织和控制就更加困难，因为这时流动的损失不仅来自常规亚音速设计的流道壁面摩擦损失、边界层分离损失、流动旋涡损失、流动不均匀带来的剪切混合损失，还有激波损失。

因此，高负荷跨音三元叶轮的设计如何实现效率高、工作范围宽广，同时满足结构强度要求和加工制造工艺要求，成为摆在当前三元叶轮研发设计工作者面前的课题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高载荷离心压缩机三元叶轮。

为实现上述目的，本发明高载荷离心压缩机三元叶轮包括背板及其表面围绕叶轮中心呈放射状分布的三维弯拧形状叶片，其中，叶片包括主叶片和副叶片，若干个主叶片围绕叶轮中心均布，若干个副叶片一一位于两两主叶片之间，并且各副叶片均以两两主叶片周向中心为基准沿叶轮旋转方向偏移2～6°，副叶片前缘位于主叶片流线方向的18-25％位置处，主、副叶片前缘均为弧形，并且主、副叶片相对应部分的空间形状适配。

进一步，所述主、副叶片的空间形状分别由下列坐标来限定：

X、Y轴为叶轮直径方向，Z为叶轮从叶片指向背板的高度方向，表中D为叶轮直径，TN为叶片厚度，主、副叶片前缘均为弧形，叶尖和叶根的轮廓包络线为光滑曲线，叶片上位于叶根与叶尖之间部分以叶片堆积线堆积而成。

进一步，所述主、副叶片各为10片。

进一步，所述背板从叶轮径向边缘到叶轮中心逐渐加厚，并且通过使背板背面逐渐向内凹进来调整背板的厚度，以使其强度与叶片产生的应力相适配。

作为离心压缩机核心部件之一的三元叶轮的性能直接关系到整个压缩机的性能，本发明采取全三维气动设计分析技术路线设计，并经过流道优化、整机气动性能相干性优化得到的三元叶片经实际检验，保证了气体流动在通道里逐渐加载的过程均匀，沿流线的逆压梯度分布优化控制，有效抑制了边界层的发展增厚，在非设计点工况控制边界层分离程度在最小，避免了流动产生大的旋涡，流道内的激波的位置、形状、强度也通过实施优化设计达到最佳的综合控制，从而实现了气体的高效流动，损失低，达到了世界先进水平的性能指标，其效率高达92％，安装该三元叶轮的压缩基元级的效率高达85％，为压缩机同时覆盖宽广的工艺技术要求和工作范围，即：流量范围5000-20000m³/h，压力范围150-2300kPa，创造了条件。

特别是将其副叶片周向偏移2～6°，有利于跨音的叶片流道内的气体流动更合理地组织，有利于主叶片吸力面的流动边界层控制和气流的转向。

本发明三元叶轮采用的背板形状保证了应力的合力分布，既满足结构强度要求，又控制了质量，保证了压缩机转子的动力学性能。

附图说明

图1为本发明三元叶轮主视图；

图2为图1三元叶轮剖视图；

图3为图1三元叶轮侧视图；

图4为本发明三元叶轮在工作状态下的应力分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明三元叶轮做详细说明。

如图1-3所示，本发明高载荷离心压缩机三元叶轮包括背板1及其表面围绕叶轮中心呈放射状分布的三维弯拧形状主叶片2和副叶片3，10片主叶片围绕叶轮中心均布，10副叶片一一位于两两主叶片2之间，各副叶片3均以两两主叶片2周向中心为基准沿叶轮旋转方向偏移2～6°，副叶片3前缘位于主叶片2流线方向的18-25％位置处，主、副叶前缘均为弧形，并且主、副叶片相对应部分的空间形状适配。

下面通过坐标所限定的为主、副叶片的一种具体的空间形状。坐标单位为D/100，D为叶轮直径。

将主叶片叶尖和叶根的各个坐标点分别平滑连接后，即形成一条平滑的叶尖三维曲线和一条平滑的叶根三维曲线，以此三维曲线为中心线，按照表中TN数加入各对应坐标点的叶片厚度值向两侧平滑延展半个厚度值，即得到两个三维曲面，最后以叶片堆积线进行堆积即得到三维形状的主叶片。

按同样方式进行处理，同时得到三维形状的副叶片。

所谓以叶片堆积线进行堆积为常规采用的方式，即通过最短直线将叶尖与叶根进行连接，即得到平滑连续的三维形状的叶片片身。

当然，在满足副叶片3以两两主叶片2周向中心为基准沿叶轮旋转方向偏移2～6°，并且副叶片3前缘位于主叶片2流线方向的18-25％位置处的范围内，可得到一系列具有不同三维形状的主叶片和副叶片。

从图中可看出，本发明叶轮的背板从叶轮径向边缘到叶轮中心逐渐加厚，并且背面逐渐向内凹进以使其强度与叶片产生的应力相适配。

图4为本发明三元叶轮在工作状态下的应力分布图，可以看出，在高速旋转工作状态下，叶轮背板和中心轴孔的高应力区的应力分布状态均匀，且最大等效应力不超过500兆帕，一般的高强度钢制叶轮即可满足强度要求。

Claims (4)

1.一种高载荷离心压缩机三元叶轮，其特征在于，该叶轮包括背板及其表面围绕叶轮中心呈放射状分布的三维弯拧形状叶片，其中，叶片包括主叶片和副叶片，若干个主叶片围绕叶轮中心均布，若干个副叶片一一位于两两主叶片之间，并且各副叶片均以两两主叶片周向中心为基准沿叶轮旋转方向偏移2～6°，副叶片前缘位于主叶片流线方向的18-25％位置处，主、副叶片前缘均为弧形，并且主、副叶片相对应部分的空间形状适配。

2.如权利要求1所述的三元叶片，其特征在于，所述主、副叶片的空间形状分别由下列坐标来限定：

X、Y轴为叶轮直径方向，Z为叶轮从叶片指向背板的高度方向，表中D为叶轮直径，TN为叶片厚度，主、副叶片前缘均为弧形，叶尖和叶根的轮廓包络线为光滑曲线，叶片上位于叶根与叶尖之间部分以叶片堆积线堆积而成。

3.如权利要求1所述的三元叶片，其特征在于，所述主、副叶片各为10片。

4.如权利要求1所述的三元叶片，其特征在于，所述背板从叶轮径向边缘到叶轮中心逐渐加厚，并且通过使背板背面逐渐向内凹进来调整背板的厚度，以使其强度与叶片产生的应力相适配。

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