CN1061080A

CN1061080A - 厚叶片离心叶轮

Info

Publication number: CN1061080A
Application number: CN 90108791
Authority: CN
Inventors: 泮华辰; 盛敬超
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 1990-10-27
Filing date: 1990-10-27
Publication date: 1992-05-13
Anticipated expiration: 2005-10-27
Also published as: CN1022584C

Abstract

一种厚叶片离心叶轮，至少由二片以上的叶片组成，叶片厚度增加到使不同半径r处的堵塞函数K (r)必须在r₁≤r≤0.8(r₂-r₁)+r₁的半径范围内，并要求r₂/r₁＞1.7，流道的前半段应满足r₁≤r≤r_m。式中的r₁、r₂、r_m分别为叶片前缘、叶片后缘及叶片的平均半径。本发明可减少和消除叶片压力面附近的流动分离区和回流区，从而明显提高效率。

Description

本发明涉及离心式流体机械的叶轮，尤其是厚叶片离心叶轮。

在现有技术领域中，离心泵、离心式压缩机及离心式鼓风机等离心式流体机械，其叶轮效率较低，其原因是：首先从附在旋转叶轮上的相对坐标上观察，流经叶轮流道内的流场是强烈有旋的;其次是由于常规设计的叶片较薄，叶片间的流道从进口处开始在大部流道区域内都是扩张的，因此叶片压力面一侧必然会出现大片的流动分离区或回流区，这些流动区域消耗了许多能量，它是叶轮效率低的关键所在。以离心水泵为例，叶轮效率一般不超过80%，从而使泵整体效率难以超过70%。

为了克服现有技术领域中的不足，提高叶轮效率，现设计出一种厚叶片离心叶轮，特出本发明。

为了说明本设计的方法，首先提出堵塞函数的概念，如图1所示，堵塞函数K_（r）定义如下：

K_(r)= (l(r)·m)/((r-r₁)·2π) （1）

式中：

l_（r）-叶片在不同半径r处的周向宽度;

m-叶片数;

r₁-叶片前缘处的极座标半径。

流道在半径r处的周向宽度S_（r）定义为：

S_（r）＝ (2πr)/(m) -l_（r）（2）

所以堵塞函数也可表示为：

K_(r)= (2πr-s(r)m)/(2πr-2πr₁) （3）

若K_（r）恒为1，则由（3）式可看出

S_（r）≡r₁(2π)/(m) （4）

即流道的周向宽度不变，也就是说流道不会是扩张形的。

而传统的离心叶轮设计的出发点是叶片的厚度与流道宽度相比很小，即l_（r）远小于S_（r），由（2）式得出：

S_（r）≈ (2πr)/(m) （5）

再由（3）式得出：

K_（r）≈0 （6）

从（5）式看出，传统离心叶轮的流道基本上是随半径增大而呈扩张形的。

本发明的厚叶片离心叶轮，至少由二片以上的叶片组成，叶轮上的叶片厚度增加到使堵塞函数K_（r）在 r₁≤r≤0.8(r₂-r₁)+r₁

（7）

的范围内为 K_(r)≥min[1, (r)/(2(r-r₁)) ] （8）

在作以上定义时，要求r₂/r₁＞1.7 （9）

（8）式中min的含义为取最小值。r₂-叶片后缘处极座标半径。

在流道的前半段即满足： rl≤r≤r_m（10）

时，适当选取K_（r）使流道不为扩张形状。比如对常用的后弯形叶轮，只要让K_（r）＝1时就可以保证这一点。式中r_m＝0.5（r₁+r₂）

附图说明：

图1、厚叶片离心叶轮中叶片的设计原理图;

图2、流体机械离心叶轮的轴面投影图。

本发明的叶轮设计步骤：（如图1所示）

（1）用常规的设计方法确定r₁、r₂及叶轮流道轴向高度变化规律，并要求r₂/r₁＞1.7。

（2）确定叶轮堵塞函数K_（r），一般可用下式确定：

式中K₂＝K_(r2)为出口处的堵塞函数，选取时一般要求其足够大以保证由（7）、（8）式所表示的条件得到满足，但K₂不宜大于1。

（3）有了堵塞函数，加上选定的流道轴向高度及设计流量，设计扬程或出口能量头，就可得出进出口的相对速度三角形和相对流动角β₁和β₂。

（4）由相对流动角β₁和β₂，用常规的设计方法得出叶型参考线AB，使A、B两点的切线大致等于β₁、β₂。

（5）定义吸力面 AE与设计叶型参考线 AB在不同半径处的周向距离为吸力面增厚量△l（r），它是r的函数，一般可取：

△l_(r)= (r·l₂(r-r₁))/(2r₂(r₂-r₁))

式中：l₂-半径为r₂处叶片周向宽度，即

l₂＝K₂（r₂-r₁） (2π)/(m)

从而由设计叶型参考线AB为基准得出吸力面型线 AE。

（6）不同半径处的叶片周向宽度：

l_（r）＝K_（r）（r-r₁） (2π)/(m)

由此可以由吸力面型线

为基准，得出压力面型线

（7）由于

在F点以及

在A点均为折线，必须在F及A点处作为适当光滑，即可得出最后叶片型线。

上述设计方法中的叶型是用极座标描述的二维几何形状。对因轴向进水（或进气）等原因而造成的非二维叶型的离心叶轮而言，如图2所示，本设计方法中的叶型是指轴面设计流线

旋成面上的叶型在以转轴中心线

为中心的极座标平面上的投影。同理，本设计方法中提及的叶片前缘处半径r₁，一般是指任一轴面设计流线旋成面上的叶片前缘处A点的极座标半径值。但当该轴面设计流线在叶片前缘A点处与转轴中心线

的轴面夹角γ₁小于45°时，则把该轴设计流线与转轴中心线的轴面夹角γ等于45°处的极座标半径定义为r₁，在这种情况下，本设计只用于半径≥r₁的叶型部份。

本发明与现有技术领域中的离心式流体机械的叶轮相比，其优点如下：

（1）效率高。由于流道在前半段基本上是不扩张的，后半段减少了扩张量，可以减少和消除叶片压力面附近的流动分离区和回流区，从而减少能量的内部消耗，使效率明显提高，叶轮的设计效率可达90%以上。

（2）由于叶轮的叶片从前缘开始迅速增厚，以及流道在入口处无扩张，并有收敛段。叶轮对进口处由于流量改变而造成的速度三角区的变化较为适应，所以在偏离设计点时仍能维持较宽广的高效工作区。

（3）对水泵来说汽蚀状况得到改善。由于本设计通过加厚叶片，而不是通过减少r₂/r₁的比值来降低流道的扩张，所以可以在维持由设计扬程决定的r₂时，适当减少r₁，使叶片前缘工作在较低的周向速度环境中，这将有利于汽蚀的改善。

Claims

1、一种厚叶片离心叶轮，至少由二片以上的叶片组成，本发明的特征是：使叶片厚度增加到使不同半径的堵塞函数K(r)必须在r₁≤r≤0.8(r₂-r₁)+r₁的半径范围内为K(r)≥min[1，r/2(r-r₁)]，并要求r₂/r₁＞1.7，流道的前半段应满足r₁≤r≤rm，选取K(r)使流道不为扩张形状，流道在不同半径r处的周向宽度S(r)=2πr/m-l(r)，叶片在不同半径r处的周向宽度l(r)=K(r)·2π(r-r₁)/m，式中r₁-叶片前缘处的极座标半径，r₂-叶片后缘处的极座标半径，m-叶片数，rm-为r₁、r₂的平均半径。

2、根据权利要求1所述的厚叶片离心叶轮，其特征是：对非二维叶型的离心叶轮，其叶型是指轴面设计流线

旋成面上的叶型在以转轴中心线为中心的极座标平面上的投影，叶片前缘处半径r₁是指某一轴面设计流线旋成面上的叶片前缘A点处的极座标半径值。

3、根据权利要求1或2所述的厚叶片离心叶轮，其特征是：当轴面设计流线

在叶片前缘A点处与转轴中心线

的轴面夹角γ₁小于45°时，则把该轴设计流线

与转轴中心线

的轴面夹角γ等于45°处的极座标半径定义为r₁，且只用于半径r≥r₁的叶型部份。