一种复合混流式叶轮
技术领域
本发明涉及一种叶轮，它是在一条流道内,由一个离心或混流式叶轮和至少一个的轴流式叶轮共轴或联轴串联所构成的复合混流式叶轮，属于流体机械转子动力学领域，主要应用于液体或气体的透平或引流和增压，还可用于采用气液两相工质交相混合的水洗式空气净化器。
背景技术
叶轮是流体动力机械实现流体与机械进行能量转换和传递的核心部件，通过它可以将流体的动能经过叶轮转换为转矩输出，实现透平功能，如水轮机、汽轮机和涡轮机等；也可以通过它将原动机传输给叶轮轴的转矩经过叶轮的叶片转换为流体的动能，实现对流体的引流和增压的目的，如水泵、风机和气体压缩机等。叶轮的型式主要有轴流式、离心式、混流式和涡轮式等。
轴流式叶轮主要由叶轮轴、轮毂和叶片构成，轴流式的水轮机和水泵、电风扇、空调外机风扇等都是采用轴流式的叶轮，相比离心式和混流式叶轮，除汽轮机和燃气轮机的叶轮相当于是采用多级轴流式的叶轮串联构成因而其总叶片数较多外，一般采用轴流式叶轮的水轮机、水泵和电风扇的叶片数相对较少，每片叶片的面积和叶片间的间歇较大，因此适合在流量较大和压强较低的流体动力参数下采用。流体通过轴流式叶轮时保持沿叶轮轴线的方向不变，因此轴流式叶轮能够作多级的同轴串联组合，也可以与一个离心或混流式的叶轮构成本发明所述的一种复合混流式的叶轮。
离心式叶轮主要由叶片、曲线型前盘和平板后盘构成，作轮机工况运行时，流体从叶轮的径向进入从轴向流出，与作轮机工况运行时相反，作泵工况运行时，流体从叶轮的轴向进入从径向流出。无论作哪种工况运行，流体的流向都发生了改变。相对一般轴流式叶轮而言，离心式叶轮的叶片数较多，叶片的间歇较小，因此过流量较小，在高压强的流体动力参数下比轴流和混流式叶轮具有较高效率的运转特性，当输入或要求输出的流体压强较高和流量较小时，适合采用离心式叶轮。
传统的混流式叶轮是采用一种有子午加速特点的扭曲翼形叶片，其高效运转特性区所对应的流体动力参数介于离心和轴流式叶轮之间，流体经过混流式叶轮时其流向也要发生与离心式叶轮同样的改变。
由于流体通过离心或混流式叶轮时从流入到流出其方向发生了90°的改变，因此不适合用于同流道共轴或联轴组成包括两级及以上的串联组合。
现有流体动力机械的叶轮都是单一型式的，它们只在相对窄小的流体动能参数区间内运行时具有较高的效率，偏离该区间后其运转效率则大大降低，使其适用的流量和压强范围受到一定的局限；离心或混流式叶轮不适合在一条流道作两级及以上的同轴串联，流体通过叶轮时只经过一次的能量转换，作轮机工况运行时，尤其是在流体压强越高时，难以使流体的动能得到充分的转换，导致能源的浪费；作泵工况运行时，其吸出高度完全受大气压强的控制，导致机组的安装高程因受叶轮吸出高度的控制而影响机组安装场址的选择。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有叶轮存在的不足，提出一种由一个离心或混流式叶轮和至少一个的轴流式叶轮在一条流道内共轴或联轴串联所构成的复合混流式叶轮，通过增加流体与叶轮的能量转换次数，以及结合利用离心或混流式叶轮和轴流式叶轮不同的最优工况特性，使复合混流式叶轮具有比各种单一型式的叶轮宽阔的高效运转特性区间、高的综合运转效率、宽广的流量压和强适用范围；以及提高作液体泵运行时离心或混流式叶轮的安装高程；还可用于实现气液两相工质的交相混合。
本发明的技术方案是，所述的复合混流式叶轮包括一个离心或混流式的叶轮和至少一个的轴流式叶轮以及一根公共的叶轮轴，其结构特点是，在同一条流道内，将一个离心或混流式的叶轮和至少一个的轴流式的叶轮用一根公共的叶轮轴串联安装而构成，一根公共的叶轮轴包括是整体的，还包括是由各叶轮彼此单独的轴作同轴线的串联联接而构成的，且轴流式叶轮位于离心或混流式叶轮的前盘口外一侧，离心或混流式叶轮的叶片和轴流式叶轮的叶片的倾角方向保证其所产生的转矩是同向的；作液体泵使用时，靠近离心或混流式叶轮的一级轴流式叶轮与离心或混流式叶轮间的最大距离小于但接近轴流式叶轮的扬程与离心或混流式叶轮的吸出高度值之和，作轮机运行时的最小距离为靠近离心或混流式叶轮的一级轴流式叶轮紧贴于离心或混流式叶轮前盘口的外侧；复合混流式叶轮轴可采用共轴或齿轮或皮带等方式与原动或从动设备联接。
以下对本发明做进一步的说明。
本发明的工作过程是（参见图1、图2和图3），复合混流式叶轮作轮机工况运行时，由于流体在第一次能量转换前的压强最大，根据离心或混流式叶轮主要在高压强时具有较高效率的运转特性，所以将离心或混流式的叶轮作为前级，流体首先从其径向通过叶片7，完成流体与叶轮的第一次能量转换，将流体以压强为主的部分动能转换为叶轮轴1的转矩，流体经过第一次能量转换后，其压强大大降低，然后流体携带主要以流量体现的动能沿叶轮的轴线流向轴流式叶轮，而轴流式叶轮又具有低压强大流量运转效率较高的特性，二者配合使流体具有的能量得以充分的转换，且两种叶轮叶片的偏转方向保证其在叶轮轴1上产生的转矩是同向叠加的，叶轮轴1通过直联或齿轮、皮带和电磁等方式将转矩输出给从动机；复合混流式叶轮作泵工况运行时，轴流式叶轮作为前级，原动机传输给叶轮轴1的转矩带动轴流式叶轮和离心或混流式叶轮转动，流体首先在轴流式叶轮的作用下获得动能而沿轴向经离心或混流式叶轮的前盘入口9进入离心或混流式叶轮内，通过离心增压使流体达到输出的压强要求，同样，由轴流式叶轮和离心或混流式叶轮所转换为流体的动能也是叠加的，因此将轴流式叶轮的扬程和离心或混流式叶轮的吸入高度两者相加，即为复合混流式叶轮泵的离心或混流式叶轮的最大安装高程。综合上述两种运行工况，即为复合混流式叶轮作为可逆式抽水蓄能电站的水轮机和水轮泵的运行工况；此外复合混流式叶轮还可用作气液两种相态工质交相混合，类似于泵的运行工况，方法是在轴流式叶轮的底部设有液槽并使槽内的液体部分没过轴流式叶轮的叶片12，在液面与离心或混流式叶轮的前盘8之间留有满足流量要求的气流通道，原动机通过叶轮轴1带动轴流式叶轮和离心或混流式叶轮同步转动，在离心或混流式叶轮的抽吸下，被轴流式叶轮向上打起的液体与沿进气道进入的气流一同，经离心或混流式叶轮的前盘8的入口9轴向进入离心或混流式叶轮内，在高速旋转的离心或混流式叶轮的作用下，在离心或混流式叶轮及其机壳内形成液雾和液膜，使气体和液体之间发生交相碰撞和形成交相混合体，实现对气体的液洗式净化，使气体中的污秽物被液体所吸附、溶解和分化，净化后的气体从出风口排出，污秽物随液雾被机壳和流道内壁吸附汇成液流返回液槽。
本发明的技术原理和有用效果是，在一条流道内，采用一个离心或混流式叶轮和至少一个的轴流式叶轮共轴或同轴线串联构成一种复合混流式叶轮，使流体在一次通过复合混流式叶轮时至少经过两次的能量转换过程，且其转换后的转矩或流体动能是同向叠加的，结合利用离心或混流式叶轮在高压强和轴流式叶轮在大流量工况下具有的高效率运转特性，使复合混流式叶轮具有比单一式叶轮较宽的高效区间和较高的综合效率，从而具有较宽的流量和压强适用范围；在作液体泵工况运行时，可在轴流式叶轮的扬程和离心或混流式叶轮的吸入高度之和的范围内选择轴流式叶轮和离心或混流式叶轮间的距离，在特殊的地形条件下提高离心或混流式叶轮的安装高程，方便主厂房布置的场地选择和节省投资；复合混流式叶轮还拓展了一种一机完成气液交相混合的应用功能，产生一种新的运行工况和开辟了一种新的应用领域。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图。
图2是图1作液体轮机或泵应用的结构示意图。
图3是图1作液洗式空气净化器的结构示意图。
在图中：
1—复合混流式叶轮的轴，2—叶轮轴的轴肩，
3—离心或混流式叶轮的轴套，4—离心或混流式叶轮的轮辐，
5—离心或混流式叶轮的后盘，6—离心或混流式叶轮的支承盘，
7—离心或混流式叶轮的叶片，8—离心或混流式叶轮的前盘，
9—离心或混流式叶轮的前盘口，10—叶轮与轴肩的锁定螺栓，
11—轴流式叶轮的轮毂，12—轴流式叶轮的叶片，
13—从动机或原动机，14—上机架，
15—复合混流式叶轮的上导轴承，16—离心或混流式叶轮，
17—轴流式叶轮，18—下导轴承及其支架，
19—空气净化器的箱体，20—空气净化器的气道隔板，
21—空气净化器的进气口，22—空气净化器的垂直排气口，
23—空气净化器的水平排气口，24—空气净化器的净化液。
具体实施方式
如图1所示，所述复合混流式叶轮包括轴1，轴1上设有支承固定离心或混流式叶轮的轴肩2；一个包括轴套3、轮辐4、后盘5、支承盘6、叶片7和前盘8构成的离心或混流式叶轮安装在轴1的上端并通过螺栓10与轴肩2锁定；至少一个的包括轮毂11和叶片12的轴流式叶轮与离心或混流式叶轮共轴1串联安装在离心或混流式叶轮前盘口9的外侧；离心或混流式叶轮的叶片7和轴流式叶轮叶片12的倾角方向为保证其所产生的转矩是同向施加在复合混流式叶轮轴1上的，轴流式叶轮与离心或混流式叶轮间的最大距离为轴流式叶轮的扬程与离心或混流式叶轮的吸出高度之和，最小距离为靠近离心或混流式叶轮的一级轴流式叶轮紧贴于离心或混流式叶轮前盘口9的外侧；复合混流式叶轮轴1可采用共轴直联或齿轮或皮带等方式与原动机或从动机联接。
图2所示为图1结构作为液体轮机或泵应用的具体实施方式，它主要包括复合混流式叶轮的轴1，从动机或原动机13，上机架14，复合混流式叶轮的上导轴承15，离心或混流式叶轮16，轴流式叶轮17和复合混流式叶轮的下导轴承及其支架18所构成。作液体轮机工况运行时，离心或混流式的叶轮16作为前级，流体首先通过其完成与叶轮的第一次能量转换，然后流体沿叶轮的轴线流向轴流式叶轮17，流体在完成第二次能量转换后进入尾流道排出，叶轮轴1通过直联或齿轮、皮带和电磁等方式将转矩输出给从动机13；作液体泵工况运行时，轴流式叶轮17作为前级，原动机13传输给叶轮轴1的转矩带动轴流式叶轮17和离心或混流式叶轮16转动，流体首先在轴流式叶轮17的作用下获得动能而沿叶轮轴1的轴线方向流向离心或混流式叶轮16内，通过离心或混流式叶轮16增压后从机壳向外输出。由于流体从轴流式叶轮17和离心或混流式叶轮16转换得到的动能是叠加的，因此可以将轴流式叶轮17的扬程和离心或混流式叶轮16的吸入高度两者相加，作为复合混流式叶轮泵的离心或混流式叶轮16的最大安装高程。上述两种运行工况的综合，即为复合混流式叶轮作为可逆式抽水蓄能电站的水轮机和水轮泵的运行工况。
图3所示为图1结构作为气液两种相态工质交相混合的液洗式空气净化器应用的具体实施方式，它主要包括复合混流式叶轮的轴1，从动机或原动机13，上机架14，离心或混流式叶轮16，轴流式叶轮17，液洗式空气净化器的箱体19，液洗式空气净化器的气道隔板20，液洗式空气净化器的进气口21，液洗式空气净化器的垂直排气口22，液洗式空气净化器的水平排气口23和液洗式空气净化器的净化液24所构成。在轴流式叶轮17底部设有液槽并使槽内的液体24部分没过轴流式叶轮17的叶片，在净化液24的液面与离心或混流式叶轮16的前盘之间留有满足流量要求的气流通道，原动机13通过叶轮轴1带动轴流式叶轮17和离心或混流式叶轮16同步转动，在离心或混流式叶轮16的抽吸下，被轴流式叶轮17向上打起的净化液体与沿进气道进入的气流一同，沿叶轮轴1的轴线方向经离心或混流式叶轮16的前盘的入口进入离心或混流式叶轮16内，在高速旋转的离心或混流式叶轮16的作用下，在离心或混流式叶轮16及其机壳内形成液雾和液膜，使气体和液体之间发生交相碰撞和形成交相混合体，实现对气体的液洗式净化，使气体中的污秽物被液体所吸附、溶解和分化，净化后的气体从出风口22或23排出，污秽物随液雾被机壳和流道内壁吸附汇成液流返回液槽。