CN104863892A

CN104863892A - 具有高出口流场均匀度的叶轮及离心压缩机

Info

Publication number: CN104863892A
Application number: CN201410057402.5A
Authority: CN
Inventors: 顾发华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2015-08-26

Abstract

本发明公开了一种具有高出口流场均匀度的叶轮及离心压缩机，所述叶轮包括轮毂、轮盖和叶片，所述叶片设置于所述轮毂和轮盖之间，所述叶轮的相邻两个叶片、相邻两个叶片根部之间的轮毂及相邻两个叶片顶部之间的轮盖围成气体通道，每个气体通道出口处叶片顶部与叶片根部的后弯角不同。本发明的具有高出口流场均匀度的叶轮由于采用不同的根部和顶部后弯角来改变根部和顶部载荷相对大小，提高了叶轮的出口流场均匀度,因此避免了无叶扩压器的过早分离，增加了压缩机的稳定工作范围。

Description

具有高出口流场均匀度的叶轮及离心压缩机

技术领域

本发明涉及机械装置，尤其涉及一种具有高出口流场均匀度的叶轮及离心压缩机。

背景技术

离心压缩机的主要部件包括叶轮和扩压器。在叶轮设计中，经常采用出口后弯的方法来降低叶轮出口附近的载荷，进而达到降低叶轮中的二次流动，提高出口流场的均匀度，实现叶轮效率的提升。低压比离心压缩机由于叶轮出口绝对流动较径向，因此经常采用无叶扩压器。然而，由于叶轮出口流动的不均匀性，扩压器中的流体会从一侧迁移到另一侧，导致扩压器一侧出现流动分离（参见图1、图2），严重时会出现扩压器失速，降低了压缩机的喘振裕度，因此，提高叶轮出口流动的均匀度，以便流体在扩压器中重新分布，在达到扩压器出口附近时实现流体均匀分布（参见图3）是提高压缩机稳定工作范围的必要措施。现有的提高无叶扩压器流动均匀性的方法是流道收缩，在提高流动均匀性的同时，降低了扩压器的扩压度。

为了解释本专利进一步提高叶轮出口的流动均匀度，进而提高无叶扩压器中流动的均匀性的机理，我们首先分析叶轮出口流场不均匀的原因。叶轮中的流动可分为主流和二次流，二次流是所有偏离主流的流动的总称。二次流产生的原因和对出口流场的影响解释如下：

1、离心叶轮中二次流产生的原因：在z-r平面，流体从轴向折转为径向，根据简单径向平衡方程叶轮根部的静压大于顶部的静压，叶轮表面边界层中的低能流体在该压力的作用下从根部迁移到顶部。叶轮回转面（M-θ）由导流段（Inducer）和径向段组成。在导流段，流体的绝对运动是从轴向沿旋转方向折转，简单径向平衡方程表明压力面的静压大于吸力面。在径向段，径向向上流动的流体在旋转的流道中产生指向压力面的哥氏力，造成压力面的静压大于吸力面。在该压力梯度的作用下，轮盖内表面边界层中的低能流体将从压力面迁移到吸力面。这两种低能流体迁移的共同结果是低能流体被集中到叶片吸力面和轮盖内表面构成的角落区域，造成了流动的不均匀性。叶轮流道中的低能流体迁移是二次流的特征。

2、减弱二次流动的措施：降低二次流的根本在于降低叶片表面边界层的产生，而减小流向压力度是减弱边界层生成的最有效措施。出口后弯的叶轮造成了与旋转方向相反的周向速度分量，它使流体受到了指向轴心的哥氏力，该哥氏力减弱了径向压力梯度，因此，边界层生长得到抑制。采用出口后弯叶轮的另一个效果是增加了叶片的长度，因而减弱了沿流向的单位长度的压力变化。

3、叶轮根部和顶部的主流流动：根部沿流向的叶片长度大于顶部，并且根部的低能流体被迁移到顶部，这是根部流动的优势。根部的劣势是进口根部半径小于顶部，叶轮的旋转造成进口根部压力大于顶部，所以小部分流体从根部进入流道，造成叶轮出口处根部流体较少。另一方面，顶部流体有时不能沿着顶部子午面型线折转，一部分流体由于惯性力作用流向根部。因此，叶轮出口流动的均匀性取决于两个因素：1）有多少低能流体被迁移到轮盖和吸力面组成的角区，和2）有多少高能流体从顶部运动到根部。

从上述分析我们可以看到叶轮出口后弯减弱二次流动是提高叶轮出口均匀度的有效措施。本发明通过采用不同的根部和顶部后弯角进一步提高扩压器中流动的均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够有效提高叶轮流体出口流场均匀度的叶轮。

本发明的具有高出口流场均匀度的叶轮,包括轮毂、轮盖和叶片，所述叶片设置于所述轮毂和轮盖之间，所述叶轮的相邻两个叶片、相邻两个叶片根部之间的轮毂及相邻两个叶片顶部之间的轮盖围成气体通道，每个气体通道出口处叶片顶部与叶片根部的后弯角不同。

可选的，每个气体通道出口处，叶片顶部的后弯角大于叶片根部的后弯角。

可选的，每个气体通道出口处，叶片顶部的后弯角比叶片根部的后弯角大3～10度。

可选的，每个气体通道出口处，叶片根部的后弯角大于叶片顶部的后弯角。

可选的，每个气体通道出口处，叶片根部的后弯角为比叶片顶部的后弯角大5～15度。

可选的，每个气体通道出口处，所述叶片顶部的后弯角为35～55度。

本发明还提供了一种离心压缩机，包括前述的叶轮，在所述叶轮的每个气体通道出口处均设置有无叶扩压器。

本发明的具有高出口流场均匀度的叶轮由于采用不同的根部和顶部后弯角来改变根部和顶部载荷相对大小，因此提高了叶轮的出口流场均匀度。

附图说明

图1为无叶扩压器叶轮轮盘侧流体偏少时出现流体分离现象的示意图；

图2为无叶扩压器叶轮轮毂侧流体偏少时出现流体分离现象的示意图；

图3为无叶扩压器在理想情况下的流体分布情况示意图；

图4为本发明的离心压缩机子午流道的示意图，用于比较扩压器流动均匀度的三个位置（A-A,B-B和C-C）也标于图中；

图5为本发明叶轮的叶片顶部后弯角大于叶片根部弯角时的结构示意图，叶轮叶片的后弯角标于图中，其中β_2h为叶片根部后弯角，β_2s为叶片顶部后弯角；

图6为实施例1及实施例2中叶轮的子午型线，其中实线所示为实施例1中叶轮的子午型线，虚线所示为实施例2中叶轮的子午型线；

图7为实施例1叶片从前缘到尾缘的叶片后弯角分布及现有技术中的叶片从前缘到尾缘的叶片后弯角分布比较图，其中，横坐标为叶片从前缘到尾缘的子午长度，纵坐标为叶片的后弯角，其中，实线为现有技术中的叶片后弯角分布，顶部与根部具有相同的后弯角，虚线为本实施例的叶片后弯角分布，顶部比根部的后弯角小10度；

图8为采用现有技术（即采用图7中实线所示的后弯角安装方式）的叶片后弯角分布得到扩压器中三个位置的径向速度分布，它表明顶部流量偏少；

图9为采用实施例1中的叶片后弯角分布得到扩压器中三个位置的径向速度分布，它表明根部后弯角的增加减少了根部载荷，使叶轮出口根部流量减少，作为一个结果，扩压器出口实现了流动的均匀对称；

图10为实施例2叶片从前缘到尾缘的叶片后弯角分布及现有技术中的叶片从前缘到尾缘的叶片后弯角分布比较图，其中，横坐标为叶片从前缘到尾缘的子午长度，纵坐标为叶片的后弯角，其中，实线为现有技术中的叶片后弯角分布，顶部与根部具有相同的后弯角，虚线为本实施例中的叶片后弯角分布，顶部比根部的后弯角大6度；

图11为采用现有技术（即采用图10中实线所示的后弯角安装方式）的后弯角分布得到扩压器中三个位置的径向速度分布，它表明根部流量偏少；

图12为采用实施例2中的叶片后弯角分布得到扩压器中三个位置的径向速度分布，它表明顶部后弯角的增加减少了顶部载荷，使叶轮出口顶部流量减少，作为一个结果，扩压器出口实现了流动的均匀对称。

图中标记示意为：1－叶轮；2－扩压器；3－轮毂；4－叶片；5－气体通道；6－叶片根部；7－叶片顶部。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步阐述。

参见图4和图5，本实施例的具有高出口流场均匀度的叶轮1，包括轮毂3、轮盖（图中未示出）和叶片4，所述叶片4设置于所述轮毂3和轮盖之间，所述叶轮的相邻两个叶片4、相邻两个叶片根部之间的轮毂及相邻两个叶片顶部之间的轮盖围成气体通道，每个气体通道出口处叶片顶部7与叶片根部6的后弯角不同

本实施例的具有高出口流场均匀度的叶轮采用不同的根部后弯角和顶部后弯角，与相同后弯角的叶轮相比，增加了改善流场均匀度的自由度。叶轮出口流场均匀度的提高有助于提高无叶扩压器稳定工作范围。

本实施例中，可选的，每个气体通道出口处，在叶片顶部的后弯角小于叶片根部的后弯角。这适用于扩压器顶部出现流动分离或流量偏少时。

本实施例中，可选的，每个气体通道出口处，在所述叶轮出口叶片顶部的后弯角比叶片根部的后弯角小0～5度，所述叶片顶部的后弯角优选为35～55度。

本实施例中，可选的，每个气体通道出口处，在所述叶轮出口叶片顶部的后弯角大于叶片根部的后弯角8。这适用于扩压器根部出现流动分离或流量偏少时。

本实施例中，可选的，每个气体通道出口处，在所述叶轮出口叶片顶部的后弯角比叶片根部的后弯角大0～5度，所述叶片顶部的后弯角优选为35～55度。

本实施例还提供了一种离心压缩机，包括前述的叶轮，在所述叶轮的每个气体通道出口处均设置有无叶扩压器。所述的离心压缩机由于叶轮具有高出口流场均匀度，因此提高了无叶扩压器中流动的均匀性，使得离心压缩机的稳定工作范围得以提高。

下面提供两个具体的实施例，如图6所示，它们具有不同的子午流道形状。

实施例1

实施例1的叶轮主要无量纲设计参数为：流量系数0.1020，等熵压力系数0.5652和比转速0.1384。参见图7，其中实线所示为现有技术中叶轮后弯角的安装方式，此种安装方式叶片根部和叶片顶部具有相同的后弯角，尾缘处叶片平均后弯角为45度，示意在本图中是为了为本实施例中的叶轮提供参照。虚线为本实施例中的设计，在尾缘处叶片顶部的后弯角为40度，比叶片根部5的后弯角小10度，但平均后弯角仍为45度。

我们对这两种设计进行了CFD计算，图8和图9比较了扩压器中三个位置的径向流动速度。它们表明根部后弯角增加减少了叶轮出口根部的流量，使扩压器中的流动更加均匀。

实施例2

实施例2的叶轮主要无量纲设计参数与实施例1相同。参见图10，叶轮后弯角角安装有两种方式变化，其中实线所示为现有技术中叶轮后弯角的安装方式，此种安装方式叶片根部和叶片顶部具有相同的后弯角，尾缘处叶片平均后弯角为45度，示意在本图中是为了为本实施例中的叶轮提供参照。虚线为本实施例中的设计，在尾缘处叶片顶部的后弯角为48度，比叶片根部5的后弯角大6度，但平均后弯角仍为45度。

我们对这两种设计进行了CFD计算，图11和图12比较了扩压器中三个位置的径向流动速度。它们表明顶部后弯角增加减少了叶轮出口顶部的流量，使扩压器中的流动更加均匀。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种具有高出口流场均匀度的叶轮,包括轮毂、轮盖和叶片，所述叶片设置于所述轮毂和轮盖之间，其特征在于，所述叶轮的相邻两个叶片、相邻两个叶片根部之间的轮毂及相邻两个叶片顶部之间的轮盖围成气体通道，每个气体通道出口处叶片顶部与叶片根部的后弯角不同。

2.根据权利要求1所述的具有高出口流场均匀度的叶轮，其特征在于，每个气体通道出口处，叶片顶部的后弯角大于叶片根部的后弯角。

3.根据权利要求2所述的具有高出口流场均匀度的叶轮，每个气体通道出口处，叶片顶部的后弯角比叶片根部的后弯角大3～10度。

4.根据权利要求1所述的具有高出口流场均匀度的叶轮，每个气体通道出口处，叶片根部的后弯角大于叶片顶部的后弯角。

5.根据权利要求4所述的具有高出口流场均匀度的叶轮，每个气体通道出口处，叶片根部的后弯角为比叶片顶部的后弯角大5～15度。

6.根据权利要求3所述的具有高出口流场均匀度的叶轮，其特征在于，每个气体通道出口，处所述叶片顶部的后弯角为35～55度。

7.根据权利要求5所述的具有高出口流场均匀度的叶轮，其特征在于，每个气体通道出口处，所述叶片根部的后弯角为35～55度。

8.一种离心压缩机，其特征在于，包括权利要求1－7任一项所述的叶轮，在所述叶轮的每个气体通道出口处均设置有无叶扩压器。