CN106762819B - 一种适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮，属于离心式风机叶轮叶片制造技术领域。该叶轮采用的叶片具有局部柔性结构，该局部柔性结构位于叶片的非工作面，不平行于叶片前缘，且由叶片尾部开始，随着叶高的增大位置向叶片中部倾斜。本发明在传统离心压缩机叶轮叶片的基础上，通过新型叶片的局部柔性结构与叶轮流道内流体相互作用来延迟流道内流动分离；尤其是在非稳定工况以及流量偏离高效工况时，这时柔性结构的自适应特性可以使得流体能量损失减少，从而达到离心压缩机的扩稳增效的目的。采用具有局部柔性结构叶片的叶轮可为广泛应用离心压缩机的冶金、电力、石油、化工、环境工程等工业部门节约能源消耗，降低成本。

Description

一种适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮

技术领域

本发明属于离心式风机叶轮叶片制造技术领域，具体涉及一种适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮。

背景技术

离心压缩机在冶金、电力、石油、化工、环境工程等工业部门应用广泛，但其耗电量大、稳定高效工况范围窄的缺点亟待改善，以降低各工业部门的生产成本。

研究证明，传统的通过优化压缩机叶轮叶片的形状来提高压缩机性能的方法已经远远不能满足现代工程技术的需要。近几十年来，随着计算机技术的发展和计算流体动力学技术的普及，科研人员通过大量的实验和数值模拟对压缩机叶轮进行了大量的研究和探索，已经充分挖掘了传统设计方法的提升潜力。传统方法设计出的离心压缩机只能在设计工况下高效运行，压缩机变工况后，流动便偏离设计，引起较大的分离损失，效率将极大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮，该离心压缩机叶轮的叶片结构简单、加工方便、安全性高，具有抑制、延迟边界层分离效果明显的优势，能够使叶轮以及压缩机整机获得更高效率，同时扩大离心叶轮稳定高效工况范围。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮，该叶轮采用的叶片具有局部柔性结构，该局部柔性结构位于叶片的非工作面，不平行于叶片前缘，且由叶片尾部开始，随着叶高的增大位置向叶片中部倾斜。

所述局部柔性结构与叶片中间具有空腔，满足局部柔性结构的自适应变形或自激振动的需要。

所述局部柔性结构对于叶轮流道内流体具有自适应特性，能够在来流作用下自适应地产生形变或自激振动。

通过局部柔性结构与叶轮流道内流体相互作用实现动量向边界层的输运，延迟流道内流动分离。

在非稳定工况及流量偏离高效工况时，局部柔性结构的自适应性使流体能量或动量向叶轮流道尾部传递，使离心叶轮具有平坦的性能曲线及较宽的稳定工况范围。

所述局部柔性结构的材料采用金属箔、皮革或PET板。

所述局部柔性结构的厚度为1mm～5mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的适用于宽工况运行的离心叶轮，该叶轮采用的叶片具有局部柔性结构，离心压缩机叶轮流道内的流动分离发生在叶片的吸力面后部，并且随着叶高的增高，分离区域向叶片中部移动，所以局部柔性结构不平行于叶片前缘，且随叶高的增大，位置向叶片中部移动。这样使得柔性结构位于分离区域的前边界，利用柔性结构与流体的相互作用发生形变或自激振动减小分离区，从而减少流道内流体的能量或动量损失。离心叶轮叶片具有抑制、延迟边界层分离效果明显，结构简单，加工方便，安全性较高等技术优势；能够使叶轮以及压缩机整机获得更高效率，同时扩大离心叶轮稳定高效工况范围。本发明不仅能使离心压缩机更加高效、节能，为广泛应用离心压缩机的冶金、电力、石油、化工、环境工程等工业部门节约能源消耗、降低成本，同时也能够使离心压缩机具有更宽广的工况范围、变工况工作能力强，减少喘振的危害。因此，本发明具有很大的实际应用价值和广阔的发展前景。

进一步地，叶片局部柔性结构的材料以及厚度对于叶轮的扩稳增效同样具有较大影响。因为当柔性结构的材料以及厚度发生变化时，在来流的作用下，柔性结构发生振动的频率与幅度均会改变，这对柔性结构改善流道内流动情况的效果产生影响，进而影响叶轮效率，所以，对于离心叶轮在不同的工作介质、不同的工作环境时需要选择合适的柔性结构材料及其厚度。

附图说明

图1为本发明的离心压缩机叶轮结构示意图；

图2为具有局部柔性结构的单叶片结构示意图；

图3为原始叶轮与具有不同材料与厚度的局部柔性结构叶轮的效率曲线。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明公开了一种具有局部柔性结构叶片的离心压缩机叶轮，离心压缩机叶轮在设计转速下，当流量为设计流量时，叶轮具有最高效率，当流量大于或小于此值时，效率均会下降。离心压缩机在流量过大或过小时，分别受堵塞工况限制或喘振工况的限制，而稳定工况范围的大小是衡量压缩机性能的一个重要指标。由于离心压缩机实际运行中有各种各样的非定常因素影响，内流场是处于不断变化的过程中的，一种几何形状不变的流道是很难适应这种不断变化的流场的。本发明在传统离心压缩机叶轮叶片的基础上，利用在压缩机运行中，叶片与流体发生强烈的流-固耦合所产生的变形或自激振动，通过新型叶片的局部柔性结构与叶轮流道内流体相互作用来实现动量向边界层的输运，从而延迟流道内流动分离；尤其是在非稳定工况以及流量偏离高效工况时，柔性结构的自适应特性可以使得流体能量或动量更多地向流道尾部传递，对流道中出现的分离等不利于压缩机高效运行的流动现象进行专门的、有效的控制，使得离心压缩机具有较平坦的性能曲线，较宽的稳定工况范围。

参见图1，为离心压缩机叶轮的整体结构示意图，图2为具有局部柔性结构的单叶片结构示意图，将离心压缩机叶轮的所有叶片上某一位置加工成空腔，并在其上面安置一柔性结构代替原叶轮部分。局部柔性结构放置于叶片的非工作面，且不平行于叶片前缘，而是由叶片尾部开始，随叶高的增大位置向叶片中部倾斜，且局部柔性结构与叶片中间具有空腔，以满足局部柔性结构的自适应变形或自激振动的需要。

局部柔性结构的厚度与材料可以根据不同的应用环境而改变，局部柔性结构的材料采用金属箔、皮革或PET板等等，局部柔性结构的厚度为1mm～5mm。

本发明具体实验以原始叶轮与柔性结构采用铜箔0.04mm厚度、铜箔0.05mm厚度和铝箔0.1mm厚度的叶轮的效率相比较。结果表明，具有局部柔性结构的叶轮相比原始叶轮效率有提升，尤其是在小流量工况下，效率提升明显，表明具有局部柔性结构的叶轮具有扩稳增效的作用，对工程实际具有重要意义。原始叶轮与具有不同材料与厚度的柔性结构叶轮的效率曲线见附图3。

综上所述，本发明提出的具有局部柔性结构叶片的离心叶轮，不同于传统的优化设计方法，新型离心叶轮通过叶片的自适应形变或自激振动来对流动进行控制而非改变叶片的几何形状，是一种建立在全新的流动控制思路上的设计方法。

本发明提出的离心压缩机叶轮，对新一代离心式压缩机的叶轮设计制造具有重要意义，能够有效地解决流道内部流动分离进而导致压缩机效率下降乃至诱发喘振的问题。本发明的应用将对流体机械相关领域的工业部门诸如：冶金、建材、电力、石油、化工、环境工程等产生重大影响，提高相关领域的生产效率，降低生产成本，对国民经济产生极大地促进作用。使用本发明的具有局部柔性结构叶片的离心叶轮的离心压缩机在高效性、安全性上会有很大程度的提高，从而在市场上更具有竞争力。

Claims (3)

1.一种适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮，其特征在于，该叶轮采用的叶片具有局部柔性结构，该局部柔性结构位于叶片的非工作面，不平行于叶片前缘，且由叶片尾部开始，随着叶高的增大位置向叶片中部倾斜；

所述局部柔性结构与叶片中间具有空腔，满足局部柔性结构的自适应变形或自激振动的需要；

所述局部柔性结构对于叶轮流道内流体具有自适应特性，能够在来流作用下自适应地产生形变或自激振动；通过局部柔性结构与叶轮流道内流体相互作用实现动量向边界层的输运，延迟流道内流动分离，在非稳定工况及流量偏离高效工况时，局部柔性结构的自适应性使流体能量或动量向叶轮流道尾部传递，使离心叶轮具有平坦的性能曲线及较宽的稳定工况范围。

2.根据权利要求1所述的适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮，其特征在于，所述局部柔性结构的材料采用金属箔、皮革或PET板。

3.根据权利要求1所述的适用于宽工况运行的离心压缩机叶轮，其特征在于，所述局部柔性结构的厚度为1mm～5mm。