CN108757559A - 一种单级分段式离心压气机叶轮结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单级分段式离心压气机叶轮结构，包括依次布置在转子轴上的第一叶轮段、第二叶轮段和第三叶轮段，各叶轮盘上均设有台阶形装配面并径向过盈配合装配成一体，锥套在径向上过盈配合安装在第一叶轮段的外侧台阶形装配面上，轴封通过螺纹紧固在转子轴上，并在轴向上压紧锥套，且轴封与转子轴之间安装有限位销，第二叶轮段、第三叶轮段的叶片数量相等且在周向位置上一一对应连接，第一叶轮段的叶片在周向上与第二叶轮段的叶片错位布置，且第一叶轮段的叶片进口型线采用折弯型线。本发明的单级分段式离心压气机叶轮结构，具有高压比且设计简单、装配方便，可满足单级压气机燃机结构的所有优点及需求。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机领域，涉及一种离心式压气机叶轮结构，具体地说，是指一种单级分段式高压比离心式压气机叶轮结构。
背景技术
单级离心式压气机在小型燃机结构设计中应用较广，一般100kW～5MW功率的燃机均可采用这种结构。尤其对于兆瓦级功率段的应用，单级压气机具有结构简单、尺度小、维护方便、故障率低、寿命长、可靠性高等特点。但同时为了保证燃机设计功率指标的实现，需要压气机具有高压比参数。
对于国内自主开发的同功率段燃机压气机叶轮而言，最高设计压比只能达到4.3，而国外单级离心压气机的压比最高可做到9，无法适应兆瓦级燃机对高压比的需求。现有技术中CN201810032428.2公开了一种单级离心式高压比压气机，其中的叶片由导流片Ⅰ、导流片Ⅱ和一个叶轮组合而成，通过设置三段式叶片组合一定程度上增加了轴向的长度，使得整体流道轴向长度比同类型叶片更长，导流片可以迫使气流发生转折，以减少叶轮进口处气流冲角的影响。上述单级离心式高压比压气机的叶片设计方式，一定程度上提高了单级离心压气机的压比，但是一方面，导流片和叶轮上的叶片数量上没有得到优化，基本按照等同数量设置，且在周向上基本一一对应，以期所有流道在轴向上连续布置，导致尤其在导流片Ⅰ所在轴向位置叶片数量过多，入口通流面积和流体流量较小，影响了压气机的功率；其次，各叶片段，尤其是导流片Ⅱ和叶轮之间的加工、装备误差较大，周向传力性能不佳，且叶片由于热态变形等因素的影响结构刚度变差。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种具有高压比的单级分段式离心压气机叶轮结构，通过优化进口叶轮段的叶片数量，使之与下游的叶片错位布置，增强了进口叶轮段的整流、预压缩作用，增加了入口通流面积，提高流体流量，并降低了气流损失，利于在进口叶轮段获得较高初压的气流；此外，通过在第二、第三叶轮段使用不同的材质，可以在第三叶轮段使用高强度轻质材料，从而在温度场、转速、增压能力上获得提高，释放提高压力对叶片扭曲度、倾斜度等的限制条件，可向提高增压效果的方向设计，从而获得更高的压比；通过在第二、第三叶轮段周向传力结构的优化，利用刚性棒提供周向传力，利用柔性棒来减振和调节两V型槽和刚性棒间的加工、装备误差，将刚性棒靠外侧放置，工作时也可起到加固叶片，防止热态变形，提高结构刚度，该结构设计简单、装配方便，可满足单级压气机燃机结构的所有优点及需求。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种单级分段式离心压气机叶轮结构，包括转子轴以及依次布置在所述转子轴上的第一叶轮段、第二叶轮段和第三叶轮段，所述第一叶轮段靠近压气机的进口布置，所述第三叶轮段靠近压气机的出口布置，其特征在于，
所述第一叶轮段、第二叶轮段和第三叶轮段均包括叶轮盘以及沿周向均布在所述叶轮盘上的多个叶片，各所述叶轮盘上均设有台阶形装配面，所述第一叶轮段、第二叶轮段和第三叶轮段利用其叶轮盘上的台阶形装配面径向过盈配合装配成一体，所述第三叶轮段的叶轮盘与所述转子轴径向过盈配合并采用花键结构进行周向传力；
所述第一叶轮段的外侧设置一套设在所述转子轴上的锥套，所述锥套在径向上过盈配合安装在所述第一叶轮段的外侧台阶形装配面上；
所述锥套的外侧设置一套设在所述转子轴上的轴封，所述轴封通过螺纹紧固在所述转子轴上，并在轴向上压紧所述锥套，且所述轴封与转子轴之间沿径向安装有至少两个用以防止轴封螺纹松动的限位销；
所述第二叶轮段、第三叶轮段的叶片数量相等且在周向位置上一一对应连接，且所述第二叶轮段、第三叶轮段的叶片流道在轴向上是连续布置的，所述第二叶轮段、第三叶轮段在其叶片连接处，在叶片的轴向外侧边缘上均开设有一从叶片顶部向下延伸至少半叶高长度的的V型槽，所述第二叶轮段、第三叶轮段叶片连接处的V型槽相互配合形成一封闭的沿叶片高度方向延伸的安装槽，所述安装槽的上部放置一刚性棒，下部放置一柔性棒，所述刚性棒用以提供所述第二叶轮段、第三叶轮段叶片之间的周向传力，所述柔性棒用以减振和调节两V型槽与刚性棒间的加工、装备误差，
所述第一叶轮段的叶片数量小于所述第二叶轮段、第三叶轮段的叶片数量，且所述第一叶轮段的叶片在周向上与所述第二叶轮段的叶片错位布置，且所述第一叶轮段的叶片进口型线采用折弯型线。
优选地，所述限位销沿周向均布或非均布，数量为偶数或奇数。
优选地，所述第一叶轮段、第二叶轮段均采用不锈钢材料制备，且表面均喷涂有防腐涂层。
优选地，所述第三叶轮段采用钛合金材料制备。
优选地，所述第一叶轮段叶片数量为16个，所述第二叶轮段、第三叶轮段的叶片数量均为32个。
优选地，所述V型槽的底角开度为30～120°优选90°。
优选地，所述刚性棒为不锈钢棒，所述柔性棒为硅橡胶棒。
优选地，所述不锈钢棒直径2mm，高度16mm；硅橡胶棒直径2mm，高度20mm。
优选地，所述第一叶轮段的叶片进口型线与竖直方向的夹角为锐角，优选地，该锐角为14.5°。
优选地，所述第一叶轮段的叶片采用变扭转角和倾角结构，以加速进气流的整流、增压过程。
本发明的单级分段式离心压气机叶轮结构中，第一叶轮段起整流、预压缩的作用，增加入口通流面积，提高流体流量，第一叶轮段叶片数量小于后两段，优选半数于后两段，气流损失小，利于在第一叶轮段获得较高初压的气流；进入第二叶轮段后，第二、第三叶轮段流道连续，避免流道过渡段的损失，且二者材质可以不同，可以在第三叶轮段使用高强度轻质材料，从而在温度场、转速、增压能力上获得提高，释放提高压力对叶片扭曲度、倾斜度等的限制条件，可向提高增压效果的方向设计，从而获得更高的压比；此外，第一叶轮段和第二段外径尺寸小于叶轮第三段，若使用同样的材质，在第三叶轮段就受限于离心载荷等的限制，无法获得高压比。分段设计就可以在前两段或前一段使用普通材质，后面各段使用钛合金这类高强度轻质材料，从而提高压气机整体压比数值。分段设计的理念，将传统的“级”的概念进行了浓缩，摒弃了静叶整流、动叶做功的做法，通过装配工艺，将不同材质的叶轮段组合使用，在各叶轮段叶型设计上，可以使用利于高压比的形状设计，从而获得整体叶轮气动性能的提升。
同现有技术相比，本发明的单级分段式离心压气机叶轮结构中，在自由状态时，刚性棒中心线位于V型槽顶面以下，柔性棒中心线略高于V型槽顶面。刚性棒用以提供周向传力，柔性棒用以减振和调节两V型槽和刚性棒间的加工、装备误差；由于叶轮越靠近外径结构刚度变小，因此将刚性棒靠外侧放置，工作时也可起到加固叶片，防止热态变形，提高结构刚度。第三叶轮段靠近压气机出口布置，温度较高，材质采用钛合金，以保证局部刚强度，且利于减轻叶轮整体的重量。第一叶轮段进口处型线采用折弯型线，而传统设计采用直边型线，折弯型线利于增大进气口截面积，可使更多的气体通流进入内流道。
附图说明
图1为本发明的单级分段式离心压气机叶轮结构示意图；
图2为第一叶轮段的叶型正视图；
图3为第二、三叶轮段叶片的V型槽结构示意图；
图4为第一叶轮段的叶片结构示意图；
图5为各叶轮段叶片的周向位置关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明的单级分段式离心压气机叶轮结构，包括转子轴4以及依次布置在转子轴4上的第一叶轮段1、第二叶轮段2和第三叶轮段3，第一叶轮段1靠近压气机的进口布置，第三叶轮段3靠近压气机的出口布置，第一叶轮段1、第二叶轮段2和第三叶轮段3均包括叶轮盘以及沿周向均布在叶轮盘上的多个叶片，各叶轮盘上均设有台阶形装配面，第一叶轮段1、第二叶轮段2和第三叶轮段3利用其叶轮盘上的台阶形装配面径向过盈配合装配成一体，第三叶轮段3的叶轮盘与转子轴4径向过盈配合并采用花键8结构进行周向传力；第一叶轮段1的外侧设置一套设在转子轴4上的锥套5，锥套5在径向上过盈配合安装在第一叶轮段1的外侧台阶形装配面上；锥套5的外侧设置一套设在转子轴4上的轴封6，轴封6通过螺纹紧固在转子轴4上，并在轴向上压紧锥套5，且轴封6与转子轴4之间沿径向安装有至少两个用以防止轴封6螺纹松动的限位销7，限位销7沿周向均布或非均布，数量为偶数或奇数。如图1、3所示，第二叶轮段2、第三叶轮段3的叶片数量相等且在周向位置上一一对应连接，且第二叶轮段2、第三叶轮段3的叶片流道在轴向上是连续布置的，第二叶轮段2、第三叶轮段3在其叶片连接处，在叶片的轴向外侧边缘上均开设有一从叶片顶部向下延伸至少半叶高长度的的V型槽，V型槽的底角开度为30～120°，优选90°，第二叶轮段2、第三叶轮段3叶片连接处的V型槽相互配合形成一封闭的沿叶片高度方向延伸的安装槽，安装槽的上部放置一刚性棒9，下部放置一柔性棒10，刚性棒9例如为不锈钢棒，柔性棒10为硅橡胶棒，不锈钢棒直径2mm，高度16mm；硅橡胶棒直径2mm，高度20mm，
刚性棒9用以提供第二叶轮段2、第三叶轮段3叶片之间的周向传力，柔性棒10用以减振和调节两V型槽与刚性棒9间的加工、装备误差。如图2、5所示，第一叶轮段1的叶片数量小于第二叶轮段2、第三叶轮段3的叶片数量，例如，第一叶轮段1叶片数量为16个，第二叶轮段2、第三叶轮段3的叶片数量均为32个，且第一叶轮段1的叶片在周向上与第二叶轮段2的叶片错位布置，且第一叶轮段1的叶片进口型线采用折弯型线，如图4所示，第一叶轮段1的叶片进口型线与竖直方向的夹角为锐角，优选地，该锐角为14.5°，第一叶轮段1的叶片进一步采用变扭转角和倾角结构，以加速进气流的整流、增压过程。
本发明的单级分段式离心压气机叶轮结构中，在自由状态时，刚性棒9中心线位于V型槽顶面以下，柔性棒10中心线略高于V型槽顶面。刚性棒9用以提供周向传力，柔性棒10用以减振和调节两V型槽和刚性棒9间的加工、装备误差；由于叶轮越靠近外径结构刚度变小，因此将刚性棒9靠外侧放置，工作时也可起到加固叶片，防止热态变形，提高结构刚度。第一叶轮段1、第二叶轮段2均采用不锈钢材料制备，且表面均喷涂有防腐涂层，第三叶轮段3采用钛合金材料制备，第三叶轮段3靠近压气机出口布置，温度较高，材质采用钛合金，以保证局部刚强度，且利于减轻叶轮整体的重量。第一叶轮段1进口处型线采用折弯型线，而传统设计采用直边型线，折弯型线利于增大进气口截面积，可使更多的气体通流进入内流道。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种单级分段式离心压气机叶轮结构，包括转子轴以及依次布置在所述转子轴上的第一叶轮段、第二叶轮段和第三叶轮段，所述第一叶轮段靠近压气机的进口布置，所述第三叶轮段靠近压气机的出口布置，其特征在于，
所述第一叶轮段、第二叶轮段和第三叶轮段均包括叶轮盘以及沿周向均布在所述叶轮盘上的多个叶片，各所述叶轮盘上均设有台阶形装配面，所述第一叶轮段、第二叶轮段和第三叶轮段利用其叶轮盘上的台阶形装配面径向过盈配合装配成一体，所述第三叶轮段的叶轮盘与所述转子轴径向过盈配合并采用花键结构进行周向传力；
所述第一叶轮段的外侧设置一套设在所述转子轴上的锥套，所述锥套在径向上过盈配合安装在所述第一叶轮段的外侧台阶形装配面上；
所述锥套的外侧设置一套设在所述转子轴上的轴封，所述轴封通过螺纹紧固在所述转子轴上，并在轴向上压紧所述锥套，且所述轴封与转子轴之间沿径向安装有至少两个用以防止轴封螺纹松动的限位销；
所述第二叶轮段、第三叶轮段的叶片数量相等且在周向位置上一一对应连接，且所述第二叶轮段、第三叶轮段的叶片流道在轴向上是连续布置的，所述第二叶轮段、第三叶轮段在其叶片连接处，在叶片的轴向外侧边缘上均开设有一从叶片顶部向下延伸至少半叶高长度的的V型槽，所述第二叶轮段、第三叶轮段叶片连接处的V型槽相互配合形成一封闭的沿叶片高度方向延伸的安装槽，所述安装槽的上部放置一刚性棒，下部放置一柔性棒，所述刚性棒用以提供所述第二叶轮段、第三叶轮段叶片之间的周向传力，所述柔性棒用以减振和调节两V型槽与刚性棒间的加工、装备误差，
所述第一叶轮段的叶片数量小于所述第二叶轮段、第三叶轮段的叶片数量，且所述第一叶轮段的叶片在周向上与所述第二叶轮段的叶片错位布置，且所述第一叶轮段的叶片进口型线采用折弯型线。
2.根据上述权利要求所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述限位销沿周向均布或非均布，数量为偶数或奇数。
3.根据上述权利要求所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述第一叶轮段、第二叶轮段均采用不锈钢材料制备，且表面均喷涂有防腐涂层。
4.根据上述权利要求所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述第三叶轮段采用钛合金材料制备。
5.根据上述权利要求所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述第一叶轮段叶片数量为16个，所述第二叶轮段、第三叶轮段的叶片数量均为32个。
6.根据上述权利要求所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述V型槽的底角开度为30～120°，优选为90°。
7.根据上述权利要求所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述刚性棒为不锈钢棒，所述柔性棒为硅橡胶棒。
8.根据权利要求7所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述不锈钢棒直径2mm，高度16mm；硅橡胶棒直径2mm，高度20mm。
9.根据上述权利要求所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述第一叶轮段的叶片进口型线与竖直方向的夹角为锐角，优选地，该锐角为14.5°。
10.根据上述权利要求所述的单级分段式离心压气机叶轮结构，其特征在于，所述第一叶轮段的叶片采用变扭转角和倾角结构，以加速进气流的整流、增压过程。
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