CN109162960A - 一种2k冷压缩机叶轮 - Google Patents

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徐妙富
孙良瑞
张祥镇
马长城
赵同宪
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Abstract

本发明公开了一种2K冷压缩机叶轮，其特征在于，包括轮后盖板(6)、多个主叶片(2)、多个分流叶片(3)；其中，所述轮后盖板(6)的上表面为中心向上凸起的凹形弧形表面且中心设有旋转轴连接口(1)，所述主叶片(2)的外侧下边缘延至上边缘为向下凸的弧形且与所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面匹配，所述分流叶片(3)的外侧下边缘延至上边缘为向下凸的弧形且与所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面匹配；所述主叶片(2)与所述分流叶片(3)交错分布于所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面上；相邻两所述主叶片(2)的内侧形成一氦气出口(5)，所述主叶片(2)的外侧与相邻所述分流叶片(3)的外侧形成一氦气入口(4)。

Description

一种2K冷压缩机叶轮
技术领域
本发明属于负压低温流体领域，涉及一种2K冷压缩机叶轮，具体应用于大型2K低温系统中，能够使低温负压氦气进行增压与输送。
背景技术
大型低温超导技术投入应用以来，为确保大型超导导体的稳定高效工作，利用超流氦温区的特点，超导体工作温度温区不断下探到1.8K的温度左右。
目前常用获得1.8K低温系统的方法是直接采用常温真空泵组，进行减压降温。减压后的负压低温氦气通过加热器升温到常压，再通过泵组送到螺杆压缩机吸气口。此种方法的效率很低，大量高品质的低温氦气显然全都都过电加热器直接加热而浪费。同时由于同等质量下常温氦气相对于低温氦气数百倍的体积比，需要配置庞大的常温泵机组才能达到低温超导导体的工作要求。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种2K冷压缩机叶轮。可用于负压、低温、氦气介质、高转数、高压比的叶轮，使负压2K氦气能在该条件下增压数倍。
本叶轮包括旋转轴连接口1、主叶片2、分流叶片3、氦气入口4、氦气出口5、轮后盖板6、分流叶片外沿线7、主叶片外沿线8。
叶轮采用后弯、半开、扭曲并长短交错的主叶片2、分流叶片33为叶轮的基本形式，使叶轮中的流体能获得更高的静压能、叶轮获得较高强度、叶轮的传动效率更高。
叶轮的叶片子午面参数设与叶轮叶片气动参数结合，使叶轮在做工时，在2K状态下的低温氦气获得较高的静压能和动压能，最终通过CFD的仿真模拟和参数修改，生成叶轮的三维几何模型。
本发明的技术方案为：
一种2K冷压缩机叶轮，其特征在于，包括轮后盖板6、多个主叶片2、多个分流叶片3；其中，所述轮后盖板6的上表面为中心向上凸起的凹形弧形表面且中心设有旋转轴连接口1，所述主叶片2的外侧下边缘延至上边缘为向下凸的弧形且与所述轮后盖板6的凹形弧形表面匹配，所述分流叶片3的外侧下边缘延至上边缘为向下凸的弧形且与所述轮后盖板6的凹形弧形表面匹配；所述主叶片2与所述分流叶片3交错分布于所述轮后盖板6的凹形弧形表面上；所述主叶片2位于所述轮后盖板6外边缘的一侧称为所述主叶片2的外侧、另一侧称为内侧，所述分流叶片3位于所述轮后盖板6外边缘的一侧称为所述分流叶片3的外侧、另一侧称为内侧；相邻两所述主叶片2的内侧形成一氦气出口5，所述主叶片2的外侧与相邻所述分流叶片3的外侧形成一氦气入口4。
进一步的，所述主叶片2的内侧上边缘为向后弯曲且所述主叶片2的内侧与所述主叶片2的外侧扭曲，所述分流叶片3的内侧上边缘为向后弯曲且所述分流叶片3的内侧与所述分流叶片3的外侧扭曲。
进一步的，所述主叶片2比所述分流叶片3长，且在所述轮后盖板6上所述主叶片2的内侧高于所述分流叶片3的内侧。
进一步的，在所述轮后盖板6上所述主叶片2的内侧高于所述主叶片2的外侧、所述分流叶片3的内侧高于所述分流叶片3的外侧。
进一步的，所述主叶片2的外侧高度与所述分流叶片3的外侧高度等高。
进一步的，所述主叶片2的内侧上边缘到外侧上边缘的外沿线7为通过贝塞尔曲线拟合处理设计的边缘；所述分流叶片3的内侧上边缘到外侧上边缘的外沿线8为通过贝塞尔曲线拟合处理设计的边缘。
进一步的，所述外沿线7为经过削角、磨圆的边缘；所述外沿线8为经过削角、磨圆的边缘。
进一步的，所述主叶片2的内侧上边缘为向后弯曲角度与所述分流叶片3的内侧上边缘为向后弯曲角度相同；所述分流叶片3的内侧与所述分流叶片3的外侧扭曲程度与所述主叶片2的内侧与所述主叶片2的外侧扭曲程度相同。
进一步的，所述主叶片2与所述分流叶片3交错均匀分布于所述轮后盖板6的凹形弧形表面上。
进一步的，所述主叶片2为一变形的矩形，该变形的矩形下边缘变形为向下凸的弧形且与所述轮后盖板6的凹形弧形表面匹配，所述主叶片2的内侧上边缘为该变形的矩形侧边且向后弯曲，所述主叶片2的外侧为该变形的矩形另一侧边，所述主叶片2的内侧与外侧扭曲；所述分流叶片3为一变形的矩形，该变形的矩形下边缘变形为向下凸的弧形且与所述轮后盖板6的凹形弧形表面匹配，所述分流叶片3的内侧上边缘为该变形的矩形侧边且向后弯曲，所述分流叶片3的外侧为该变形的矩形另一侧边，所述分流叶片3的内侧与外侧扭曲。
与现有技术相比，本发明的积极效果
低温负压气体压缩机可在低温条件下，给负压低温氦气进行增压，具有体积小、功耗低的特点。同时增压后的低温氦气可通过换热器进行换热，充分利用其显热，极大提高低温系统的效率。所以低温负压气体压缩机是大型负压低温系统中的关键设备，而叶轮作为压缩机中唯一对负压低温氦气做功的核心部件，其性能的好坏将直接影响到超导体的工作状态参数和工作稳定性。
由于叶轮用于负压状态。气体体积流量较大，要获得较大的压比就要求叶轮工作在高转数下。
由于叶轮用于低温状态。叶轮的材质必须能在高转数低温条件下保证一定的强度性能。
由于叶轮用于气介质。叶轮的叶形、结构形式必须符合负压、2k氦气的所有物性参数条件。
氦低温负压气体压缩机的叶轮，是其“心脏”部位的关键结构，它的尺寸和几何形状对压缩机的特性有着重大影响。本叶轮选用后弯、半开、扭曲并长短交错分流叶片为叶轮的设计形式，通过叶轮的叶片子午面设计、叶轮叶片气动参数设计、叶轮的CFD分析，对叶轮流动区域进行网格划分、施加边界条件进行流场仿真分析。并根据仿真结果查看流量特性和流场参数分布情况，对叶轮局部几何参数进行了优化，使得压比>2.5，得到了叶轮叶片线型参数和三维尺寸图。该叶轮的使用，将使高压比低温氦气压缩机在负压低温系统中发挥重要作用，提高系统的制冷能力、大幅减少前期固定设备投资、显著降低系统的运行功耗费用。
附图说明
图1为本发明的3D图；
图2为本发明的主视面；
图3为本发明的中心剖面图。
其中，1-旋转轴连接口，2-主叶片，3-分流叶片，4-氦气入口，5-氦气出口，6-轮后盖板，7-分流叶片外沿线，8-主叶片外沿线。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明的叶轮结构如图1所示，其中叶轮通过旋转轴连接口1和主轴连接，主轴高速转动后，带动叶轮，叶轮随轴进行高速旋转。主叶片2中的负压氦气从内径向外径流动，同时负压氦气在旋转过程中也有随着轴向旋涡流动，此时氦气受到离心力的作用，经过叶片间的出口被甩出叶轮，同时获得静压能和动压能。同时由于氦气的惯性作用，且氦气的粘性非常小，所以气体会出现一个与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡。通过设置分流叶片3，将有效的破坏反向旋涡，使气体获得更大的能量。氦气从氦气出口5沿切线方向甩出后，主叶片2、分流叶片3之间的压力减小，外界的氦气由于压差作用下，会从氦气入口4吸入，吸入叶轮中心。叶轮中的氦气在高速旋转过程中获得动能，由于盖板6、主叶片2、分流叶片3的作用，同时将部分动能转化为势能，负压氦气得到增压。通过对主叶片2、分流叶片3的外沿线7、8进行削角、磨圆及贝塞尔曲线拟合处理，使得负压氦气得到压比为3的势能能量。
本发明的叶轮主视图如图2所示，中心剖面视图如图3所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种2K冷压缩机叶轮，其特征在于，包括轮后盖板(6)、多个主叶片(2)、多个分流叶片(3)；其中，所述轮后盖板(6)的上表面为中心向上凸起的凹形弧形表面且中心设有旋转轴连接口(1)，所述主叶片(2)的外侧下边缘延至上边缘为向下凸的弧形且与所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面匹配，所述分流叶片(3)的外侧下边缘延至上边缘为向下凸的弧形且与所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面匹配；所述主叶片(2)与所述分流叶片(3)交错分布于所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面上；所述主叶片(2)位于所述轮后盖板(6)外边缘的一侧称为所述主叶片(2)的外侧、另一侧称为内侧，所述分流叶片(3)位于所述轮后盖板(6)外边缘的一侧称为所述分流叶片(3)的外侧、另一侧称为内侧；相邻两所述主叶片(2)的内侧形成一氦气出口(5)，所述主叶片(2)的外侧与相邻所述分流叶片(3)的外侧形成一氦气入口(4)。
2.如权利要求1所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，所述主叶片(2)的内侧上边缘为向后弯曲且所述主叶片(2)的内侧与所述主叶片(2)的外侧扭曲，所述分流叶片(3)的内侧上边缘为向后弯曲且所述分流叶片(3)的内侧与所述分流叶片(3)的外侧扭曲。
3.如权利要求2所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，所述主叶片(2)比所述分流叶片(3)长，且在所述轮后盖板(6)上所述主叶片(2)的内侧高于所述分流叶片(3)的内侧。
4.如权利要求3所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，在所述轮后盖板(6)上所述主叶片(2)的内侧高于所述主叶片(2)的外侧、所述分流叶片(3)的内侧高于所述分流叶片(3)的外侧。
5.如权利要求3所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，所述主叶片(2)的外侧高度与所述分流叶片(3)的外侧高度等高。
6.如权利要求3所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，所述主叶片(2)的内侧上边缘到外侧上边缘的外沿线(7)为通过贝塞尔曲线拟合处理设计的边缘；所述分流叶片(3)的内侧上边缘到外侧上边缘的外沿线(8)为通过贝塞尔曲线拟合处理设计的边缘。
7.如权利要求6所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，所述外沿线(7)为经过削角、磨圆的边缘；所述外沿线(8)为经过削角、磨圆的边缘。
8.如权利要求2所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，所述主叶片(2)的内侧上边缘为向后弯曲角度与所述分流叶片(3)的内侧上边缘为向后弯曲角度相同；所述分流叶片(3)的内侧与所述分流叶片(3)的外侧扭曲程度与所述主叶片(2)的内侧与所述主叶片(2)的外侧扭曲程度相同。
9.如权利要求1所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，所述主叶片(2)与所述分流叶片(3)交错均匀分布于所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面上。
10.如权利要求1所述的2K冷压缩机叶轮，其特征在于，所述主叶片(2)为一变形的矩形，该变形的矩形下边缘变形为向下凸的弧形且与所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面匹配，所述主叶片(2)的内侧上边缘为该变形的矩形侧边且向后弯曲，所述主叶片(2)的外侧为该变形的矩形另一侧边，所述主叶片(2)的内侧与外侧扭曲；所述分流叶片(3)为一变形的矩形，该变形的矩形下边缘变形为向下凸的弧形且与所述轮后盖板(6)的凹形弧形表面匹配，所述分流叶片(3)的内侧上边缘为该变形的矩形侧边且向后弯曲，所述分流叶片(3)的外侧为该变形的矩形另一侧边，所述分流叶片(3)的内侧与外侧扭曲。
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