CN102410250B - 适用于低分子量气体的离心压缩机叶片及压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于低分子量气体的离心压缩机叶片及使用该类叶片的离心式压缩机。针对分子量在10以下的低密度气体，为了达到工艺系统所需要的压力，压缩机具有多段多缸多级特点，故往往称之为小流量高压头压缩机。在高压缸中，由于合成气压力的增加，体积流量相对很小，难以通过常规设计达到设计要求。本发明提出了一种适用于实际气体工质小流量的离心叶轮叶片形式，该叶片在构造叶轮后，针对合成气工质，离心叶轮流量系数在0.008-0.024之间，全压比最高可以达到1.15以上，绝热效率最高约73％。该叶片可用于出口宽度与叶轮出口半径之比在0.035-0.04之间的离心压缩机。

Description

适用于低分子量气体的离心压缩机叶片及压缩机

技术领域

高压小流量离心叶轮属于流体机械领域，用于提高实际气体工质的压力。在实际工艺系统中，尤其是针对合成气、氦气等低分子量气体，气体工质为了达到系统所需要的压力，往往需要多段多缸多级压缩。而在后续级的压缩过程中，随着气体工质压力的提高，气体工质的体积不断减少。在高压下，离心叶轮的宽度很窄导致粘性效应加剧，因此对于高压小流量离心叶轮而言，其叶片型线参数对其性能有着至关重要的作用。

背景技术

在低分子量气体（如氢气、合成气等）工艺系统中，工艺气体工质为了达到工艺系统所需要的压力，往往需要多段多缸多级压缩。在后续级的压缩过程中，随着气体工质压力的提高，气体工质的体积不断减少。在高压下，离心叶轮的宽度很窄导致粘性效应加剧，因此对于高压小流量的合成气离心叶轮而言，其叶片型线参数对其性能有着至关重要的作用。

如中国发明专利“多叶片离心式鼓风机”（申请号：200780000513.0），针对空气工质，提出一种弯曲的长方形板状叶片，希望在不降低鼓风性能的前提下，降低噪音。另外如中国实用新型专利“一种高效直板式叶片离心风机模型”（申请号：200320109618.9），同样是对于空气，提出的是直叶片形式，结构上采用锥形前盘，通过添加叶片衬板，增强叶片的耐磨性，提高叶轮使用寿命。在上述现有技术中，均针对空气鼓风机，直接将板材弯曲成叶片，叶片厚度不变，叶轮出口宽度过宽，无法达到合成气压缩高压比的要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种新的离心叶轮的叶片形式。由该叶片所形成的离心叶轮，流道宽度窄，适宜于小流量流动情况。一种用于合成气的高压小流量离心叶轮，能够完全适应气体工质的体积流量小的特性。通过叶片型线参数设计，尽量减小工质流入叶轮的入口冲角，保证其气动性能。叶片型线参数可以直接输入自动加工机床，进行加工。叶轮进口宽度为B₁，叶轮进口半径为R₁。叶轮出口宽度为B₂，叶轮出口半径为R₂。本发明特别针对B₂/R₂属于0.035~0.04的叶片做出发明设计。

根据本发明的一个方面，提供适用于低分子量气体的离心压缩机叶片，所述叶片为后弯等厚度叶片，由前缘、压力面、吸力面、后缘、前盖面和后盘面围成，其中：前缘为圆弧，分别与压力面和吸力面在叶片进口处相切；后缘为叶轮出口边，位于离心叶轮的外径上；前盖面和后盘面分别由前盖边和后盘边绕Z轴旋转而成，其特征在于：B₂:R₂=0.035~0.04，其中B₂为叶轮出口宽度，R₂为叶轮出口半径；叶片后盘边由一条线段和一段圆弧组成，两者在其连接处相切，组成所述叶片后盘边的所述线段的起点的(Y，Z)坐标为(R₂,0)，与Y轴的夹角小于6度，所述线段从叶轮外径位置向轴线方向延伸，在Y轴方向延伸距离在0.4R₂和0.6R₂之间；所述圆弧的半径不超过0.3R₂，所述圆弧的展角在25度到45度之间；叶片前盖边由一条线段和一段圆弧组成，两者在其连接处相切，组成所述叶片前盖边的所述线段的起点的(Y，Z)坐标为(R₂,B₂)，与Y轴的夹角比组成所述后盘面的所述线段与Y轴的夹角大1~5度，所述线段从叶轮外径位置向轴线方向延伸，在Y轴方向延伸距离在0.4R₂和0.6R₂之间；所述圆弧的半径不超过0.3R₂；所述圆弧的展角在25度到45度之间；叶片的压力面与吸力面由叶片中轴线和叶片厚度决定，所述叶片中轴线为由入口截面向出口截面延伸的连续、光滑、无拐点的曲线；所述曲线为在二次函数：

叶轮入口圆弧和叶轮出口圆弧的包络范围内，叶片厚度不超过0.03R₂。根据本发明的另一个方面，提供适用于低分子量气体的离心压缩机，其包括根据本发明提供的适用于低分子量气体的离心压缩机叶片。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的叶片包括：前缘、压力面、吸力面、后缘、前盖面和后盘面，其中：前缘为圆弧，分别与压力面和吸力面在叶片进口处相切；后缘为叶轮出口边，位于离心叶轮的外径上；前盖面决定了离心叶轮制造时的前盖的加工曲线，后盘面决定了离心叶轮制造时后盘的加工曲线。前缘、压力面、吸力面、后缘、前盖面和后盘面围成的区域构成了三维叶片。由于叶轮流道相对较长，宽度窄，粘性效应加剧，故针对工质气体流量小的特点，为避免入口较大的气流冲角，尽量减小叶片前端的压力面曲率，以争取气流进入离心叶轮时，有较小的流动分离损失。

叶片后盘边8的型线由一条线段和一段圆弧组成，两者在其连接处相切。所述线段的起点的(Y，Z)坐标为(R₂,0)，其与Y轴的夹角小于6度，优选小于4度；所述线段从叶轮外径位置向轴线方向延伸，在Y轴方向延伸距离在0.4R₂和0.6R₂之间。所述圆弧的半径不超过0.3R₂，优选不超过0.2R₂；所述圆弧的展角在25度到45度之间。

叶片前盖边7由一条线段和一段圆弧组成，两者在其连接处相切。所述线段的起点的(Y，Z)坐标为(R₂,B₂)。其与Y轴的夹角比后盘面与Y轴的夹角大1~5度。所述线段从叶轮外径位置向轴线方向延伸，在Y轴方向延伸距离在0.4R₂和0.6R₂之间。所述圆弧的半径不超过0.3R₂，优选不超过0.2R₂；所述圆弧的展角在25度到45度之间。

本发明中采用后弯叶片、等厚度叶片，叶片中轴线为由入口截面向出口截面延伸的连续、光滑、无拐点的曲线。该曲线在二次函数： $X=-\frac{0.96}{R_2}{Y}^2+0.6Y+0.35R_2,$ $X=-\frac{0.99}{R_2}{Y}^2+0.66Y+0.37R_2,$ 叶轮入口圆弧和叶轮出口圆弧的包络范围内，可采取二次以上多项式曲线、指数函数曲线、贝塞尔函数曲线等工业中常用的曲线。叶片厚度不超过0.03R₂。压力面和吸力面曲线在确定叶片中轴线和叶片厚度后自然取得。采用等厚度叶片可简化叶片成型工艺，降低加工成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的一个具体实施方式的离心压缩机叶片的轴截面。

图2是本发明的一个具体实施方式的离心压缩机叶片的子午面。

图3是本发明的一个具体实施方式的离心叶轮的流量系数和全压比曲线，其中横坐标是流量系数，纵坐标是全压比。

图4是本发明的一个具体实施方式的流量系数和绝热效率曲线，其中横坐标是流量系数，纵坐标是绝热效率。

具体实施方式

以下以R₂=100mm，B₂:R₂=0.038为例，对本发明的具体实施方式作进一步的描述。

本发明的一个具体实施方式的叶片形状如图1和图2所示。图1中，1表示离心叶轮叶片型线的进口边，2表示离心叶轮出口边，3为叶片的压力边，4为叶片的吸力边，5是叶片的前缘，6是叶片的后缘。

图2中，5是叶片的前缘，6是叶片的后缘，7是叶片的前盖边，8是叶片的后盘边。离心叶轮的前盖面由叶片的前盖边7绕离心叶轮轴心线（图2中z轴）回转360度得到，离心叶轮的后盘面由叶片的后盘边8绕轴线（图2中z轴）回转360度得到。

所述的叶片是后弯式叶片，如图1所示。所述的叶片后缘6宽度，即离心叶轮出口边2的位置处的叶片轴向宽度，与叶轮出口半径比是0.038，如图2所示。

所述的前缘的半径是前缘厚度的一半，后缘位置为离心叶轮出口边位置，后缘的厚度约1.5mm～5mm。叶片后缘位置的半径为100，则离心叶轮的叶片进口前缘位置处的半径为45，离心叶轮出口宽度为3.8，因此离心叶轮出口宽度与叶轮出口半径的比值是0.038。叶片的轴截面坐标如下所列。

叶片子午面的坐标如下表所列。

上述叶片的坐标输入自动加工机床后，可以自动加工出叶片形状。

以合成气工质分子量为8.4得到上述叶片所构造出的离心叶轮的性能，图3是该叶片构成的离心叶轮的流量系数和全压比曲线，横坐标是流量系数，纵坐标是全压比。

图4是该叶片构成的离心叶轮的流量系数和绝热效率曲线，横坐标是流量系数，纵坐标是绝热效率。

由图3和图4可见，以合成气为工质，该离心叶轮的流量工况范围在0.008至0.024之间，远小于现有的叶轮流量系数，全压比最高可达到1.15；叶轮绝热效率最好约73%。

虽然本文已经详细地说明了本发明的实施方式，但应当理解的是，对本领域的技术人员，本发明可以根据工程需求产生不同的具体形式实施，而不偏离本发明的精神或范围。本发明的实施方式虽然以合成气为工质进行描述，但应当理解的是，本发明中的压缩机叶片及使用了该叶片的压缩机适用于所有分子量10以下的气体。因此，本说明书中的说明和实施方式应当被理解为是说明性的而不是限制性的，本发明不限于文中提供的细节，而可以在所附的权利要求的范围内进行修改和实施。

Claims (6)

1.一种适用于低分子量气体的离心压缩机叶片，所述叶片为后弯等厚度叶片，由前缘、压力面、吸力面、后缘、前盖面和后盘面围成，其中：前缘为圆弧，分别与压力面和吸力面在叶片进口处相切；后缘为叶轮出口边，位于离心叶轮的外径上；前盖面和后盘面分别由前盖边和后盘边绕Z轴旋转而成，其特征在于：

B₂:R₂=0.035~0.04，其中B2为叶轮出口宽度，R₂为叶轮出口半径；

叶片后盘边由一条线段和一段圆弧组成，两者在其连接处相切，组成所述叶片后盘边的所述线段的起点的(Y，Z)坐标为(R₂,0)，与Y轴的夹角小于6度，所述线段从叶轮外径位置向轴线方向延伸，在Y轴方向延伸距离在0.4R₂和0.6R₂之间；所述圆弧的半径不超过0.3R₂，所述圆弧的展角在25度到45度之间；

叶片前盖边由一条线段和一段圆弧组成，两者在其连接处相切，组成所述叶片前盖边的所述线段的起点的(Y，Z)坐标为(R₂,B₂)，与Y轴的夹角比组成所述后盘面的所述线段与Y轴的夹角大1度~5度，所述线段从叶轮外径位置向轴线方向延伸，在Y轴方向延伸距离在0.4R₂和0.6R₂之间；所述圆弧的半径不超过0.3R₂；所述圆弧的展角在25度到45度之间；

叶片的压力面与吸力面由叶片中轴线和叶片厚度决定，所述叶片中轴线为由入口截面向出口截面延伸的连续、光滑、无拐点的曲线；所述曲线为在二次函数： $X=-\frac{0.96}{R_2}{Y}^2+0.6Y+0.35R_2,$ $X=-\frac{0.99}{R_2}{Y}^2+0.66Y+0.37R_2,$ 叶轮入口圆弧和叶轮出口圆弧的包络范围内，叶片厚度不超过0.03R₂。

2.如权利要求1所述的适用于低分子量气体的离心压缩机叶片，其特征在于，其中组成所述叶片后盘边的所述线段与Y轴的夹角小于4度。

3.如权利要求1所述的适用于低分子量气体的离心压缩机叶片，其特征在于，其中组成所述叶片后盘边的所述圆弧的半径不超过0.2R₂。

4.如权利要求1所述的适用于低分子量气体的离心压缩机叶片，其特征在于，其中组成所述叶片前盖边的所述圆弧的半径不超过0.2R₂。

5.如权利要求1所述的适用于低分子量气体的离心压缩机叶片，其特征在于，其中所述叶片中轴线采取二次以上多项式曲线、指数函数曲线或贝塞尔函数曲线。

6.一种适用于低分子量气体的离心压缩机，其特征在于包括如权利要求1至5中任一项所述的适用于低分子量气体的离心压缩机叶片。

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