CN103256248B - 叶轮及包括该叶轮的离心压缩机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种叶轮及包括该叶轮的离心压缩机。其中，叶轮包括：轮毂和叶片，叶片的表面为叶片曲面，叶片上的控制线组合形成叶片曲面的形状，在叶片曲面上，至少一部分表面区域上的控制线为曲线。本发明的叶轮及包括该叶轮的离心压缩机中，通过叶轮三维设计，将叶轮叶片控制线形式从直线形改为曲线形，使离心叶轮叶片中部呈现一定的弯曲度，进而减小或消除了叶轮进口的冲击及分离损失，改善了叶轮内部流体流动结构，进一步地提高了叶轮效率、拓宽了高效区范围并降低了喘振流量。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械领域，具体而言，涉及一种叶轮及包括该叶轮的离心压缩机。
背景技术
叶轮作为离心压缩机中最核心的运动件，起着对气体做功，使气体获得能量的作用，从而达到压缩气体的目的，因此，叶轮设计的好坏对离心压缩机性能起着决定性作用。由于，叶轮性能的优劣主要体现在其气动性能上，因而，叶轮内部流道的设计尤为关键。
其中，叶轮的气动性能主要体现在以下两方面：
一、叶轮将轴功率传递到流体的有效功率，即，叶轮效率。叶轮内能量损失由多方面因素组成，其中最关键也最难以解决的是如何设计叶轮流道，从而避免气流冲击损失、分离损失、二次流损失、尾迹损失等损失的产生；
二、叶轮稳定工作范围。离心压缩机具有喘振的特性，当调节流量降低到一定程度，压缩机就会发生喘振，这对于离心压缩机是极为不利的，必须避免正常运行过程中喘振现象的发生。因此要通过叶轮流道气动设计尽可能拓宽叶轮稳定工作范围，降低喘振流量。
目前使用的离心压缩机叶轮均为直纹面叶轮，如图1所示，直纹面叶轮的特点是具有周向和轴向的扭曲，叶片曲面仅由分别与轮毂和轮盖相交的轮毂侧流线12和轮盖侧流线13确定。叶片控制线11均为直线段，叶片曲面由无数条直线段组合得到。
由于流体在实际流动过程中其流线必定是三维的，直纹面叶轮叶片控制线11由于采用直线型线通常在叶片进口等位置存在流动分离，产生分离损失，使得叶轮效率无法得到进一步提升。
发明内容
本发明旨在提供一种叶轮及包括该叶轮的离心压缩机，以解决现有技术中的叶轮在叶片进口等位置存在流动分离，产生分离损失，使得叶轮效率无法得到进一步提升的技术问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种叶轮，包括：轮毂；叶片，表面为叶片曲面，叶片上的控制线组合形成叶片曲面的形状，其中，在叶片曲面上，至少一部分表面区域上的控制线为曲线。
进一步地，还包括轮盖，叶片位于轮毂一侧的端线形成叶片的轮毂侧流线，叶片位于轮盖一侧的端线形成叶片的轮盖侧流线，轮毂侧流线与轮盖侧流线之间具有一条或多条中间流线，控制线由轮毂侧流线、轮盖侧流线以及中间流线通过最小二乘法拟合确定。
进一步地，叶片呈由压力面向吸力面凹陷的凹形。
进一步地，控制线包括进口控制线和出口控制线，进口控制线的曲率大于出口控制线的曲率。
进一步地，叶片曲面的曲率自进口控制线至出口控制线依次降低。
进一步地，进口控制线的曲率为出口控制线的两倍。
进一步地，叶片曲面的曲率自进口控制线至出口控制线先升高再降低。
进一步地，控制线上具有至少一个直线段，直线段构成叶片曲面上的常规区域，常规区域与叶片曲面上的相邻区域之间圆滑过渡。
进一步地，控制线具有两个直线段和位于两个直线段之间的一个曲线段。
进一步地，曲线段呈圆弧形或抛物线形。
进一步地，每个控制线均呈抛物线形。
根据本发明的另一方面，提供了一种离心压缩机，具有叶轮，其中，叶轮为上述的叶轮。
本发明的叶轮及包括该叶轮的离心压缩机中，通过叶轮三维设计，将叶轮叶片控制线的形式从直线形改为曲线形，使离心叶轮叶片的中部呈现一定的弯曲度，进而减小或消除了叶轮进口的冲击及分离损失，改善了叶轮内部流体流动结构，进一步地提高了叶轮效率、拓宽了高效区范围并降低了喘振流量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1a示出了现有技术中的叶轮叶片的主视图；
图1b示出了现有技术中的叶轮叶片的俯视图；
图2示出了本发明的叶轮的立体结构示意图；
图3示出了本发明的叶轮结构的侧视图；以及
图4示出了本发明的叶轮叶片的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图2和图3所示，本发明提供的叶轮，包括：叶片21以及与叶片21的一侧相连的轮毂22，其中，叶片21的表面为叶片曲面，叶片曲面上具有控制线211(如图4所示)，控制线211组合形成叶片曲面，其中，控制线211为曲线。优选地，本发明还包括靠近叶片21的另一侧的轮盖23。
本发明在使用时，由轮毂22的结构来完成从转轴向叶轮传递力矩的功能，叶轮在该力矩作用下，与转轴同步高速旋转，对流经其中流道的气流做功，实现对气流的压缩功能。
本发明的叶轮通过三维设计，将叶轮叶片21的控制线211的形式从直线形改为曲线形，使离心叶轮叶片21中部呈现一定的弯曲度，进而减小或消除了叶轮进口的冲击及分离损失，改善了叶轮内部流体流动结构，进一步地提高了叶轮效率、拓宽了高效区范围并降低了喘振流量。
为了使得本发明中的叶片21形状更加规则，进一步地改善叶轮内部流体流动结构，提高叶轮效率，如图4所示，本发明中的叶轮叶片21为三维扭曲叶片，其中，叶片曲面包括与轮毂22相交的轮毂侧流线212、靠近轮盖23一端的轮盖侧流线213，以及位于轮毂侧流线212与轮盖侧流线213之间的一条中间流线214(根据实际叶片曲面形状可采用更多的中间流线的条数)，控制线211由轮毂侧流线212、轮盖侧流线213以及中间流线214通过最小二乘法拟合确定。
本发明中的叶轮其叶片21与现有技术中的直纹面叶轮叶片相比增加了在叶轮叶片21中间的中间流线214。控制线211呈现曲线形，控制线211可由与各流线的交点通过最小二乘法(或其他曲线拟合方法)拟合得到，叶片曲面即可由控制线211组合得到。
作为一种优选方案，本发明的叶轮中，叶片21呈由压力面向吸力面凹陷的凹形，例如，由无数条呈圆弧形或抛物线形的控制线211组成的凹形的叶片曲面。
作为一种优选方案，本发明的叶轮中，叶片曲面包括进口控制线21a以及出口控制线21b，其中，进口控制线21a为叶片曲面上靠近叶轮进口端的叶片端部的控制线，出口控制线21b为叶片曲面上靠近叶轮出口端的叶片端部的控制线。进口控制线21a的曲率大于出口控制线21b的曲率。优选地，叶片曲面的曲率自进口控制线21a至出口控制线21b依次降低或先升高再降低。更优选地，进口控制线21a的曲率为出口控制线21b的两倍。
在本发明的某一实施例中，叶片21整体呈由压力面向吸力面凹陷的凹形，如图3所示，以第一直线段A连接叶片21进口控制线21a的两端点，然后以第二直线段B连接该第一直线段A的中点与叶轮轴心O，以第三直线段C通过叶轮轴心O作叶片21进口控制线21a的切线，并以所得第二直线段B位置为准，测得第二直线段B和第三直线段C的夹角α约为4°，即叶片21进口控制线21a向叶片21吸力面方向凹进4°，在叶片21出口控制线21b处同样画线处理，叶片21出口控制线21b向叶片21吸力面凹进约2°。
作为一种优选方案，控制线211上具有两个直线段和位于两个直线段之间的一个曲线段，无数个直线段构成叶片曲面上的两个常规区域，每个常规区域与叶片曲面上的相邻区域之间圆滑过渡。优选地，曲线段呈圆弧形或抛物线形。
根据本发明的另一方面，提供的离心压缩机，具有叶轮，其中，叶轮为上述的叶轮。
从以上的描述中，可以看出，本发明的叶轮及包括该叶轮的离心压缩机中，通过叶轮三维设计，将叶轮叶片21的控制线211的形式从直线形改为曲线形，使离心叶轮叶片21中间呈现一定的弯曲度，进而减小或消除了叶轮进口的冲击及分离损失，改善了叶轮内部流体流动结构，进一步地提高了叶轮效率、拓宽了高效区范围并降低了喘振流量。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种叶轮，包括：
轮毂(22)；
叶片(21)，表面为叶片曲面，所述叶片(21)上的控制线(211)组合形成所述叶片曲面的形状，
其特征在于，在所述叶片曲面上，至少一部分表面区域上的所述控制线(211)为曲线；
所述叶片(21)呈由压力面向吸力面凹陷的凹形；
所述控制线(211)上具有至少一个直线段，所述直线段构成所述叶片曲面上的常规区域，所述常规区域与所述叶片曲面上的相邻区域之间圆滑过渡；
所述控制线(211)具有两个所述直线段和位于两个所述直线段之间的一个曲线段。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，还包括轮盖(23)，所述叶片(21)位于所述轮毂(22)一侧的端线形成所述叶片(21)的轮毂侧流线(212)，所述叶片(21)位于所述轮盖(23)一侧的端线形成所述叶片(21)的轮盖侧流线(213)，所述轮毂侧流线(212)与所述轮盖侧流线(213)之间具有一条或多条中间流线(214)，所述控制线(211)由所述轮毂侧流线(212)、所述轮盖侧流线(213)以及所述中间流线(214)通过最小二乘法拟合确定。
3.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述控制线(211)包括进口控制线(21a)和出口控制线(21b)，所述进口控制线(21a)的曲率大于所述出口控制线(21b)的曲率。
4.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于，所述叶片曲面的曲率自所述进口控制线(21a)至所述出口控制线(21b)依次降低。
5.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于，所述进口控制线(21a)的曲率为所述出口控制线(21b)的两倍。
6.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于，所述叶片曲面的曲率自所述进口控制线(21a)至所述出口控制线(21b)先升高再降低。
7.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，所述曲线段呈圆弧形或抛物线形。
8.一种离心压缩机，具有叶轮，其特征在于，所述叶轮为权利要求1-7中任一项所述的叶轮。
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