CN109578326A - 离心叶轮及离心压气机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种离心叶轮及离心压气机。离心叶轮包括用于形成气流通道以使气流通过并主要利用气流通道减速扩压对气流做功的导风轮叶片和处于导风轮叶片的气流出口用于形成气流通道以使气流通过并主要利用离心力对气流做功的径向段叶片，导风轮叶片的旋转方向和径向段叶片的旋转方向相同，导风轮叶片和径向段叶片之间设有用于为径向段叶片提供预旋量的导流叶片。导流叶片采用弯曲叶片，气流通过导风轮叶片进入导流叶片后，气流沿导流叶片流动，导流叶片弯曲可以改变进入径向段叶片的气流的角度，为径向段叶片提供预旋量。当导流叶片提供负预旋时，可以提升径向段叶片的做功能力。当导流叶片提供正预旋时，可以提升离心压气机的效率。

Description

离心叶轮及离心压气机
技术领域
本发明涉及离心压气机技术领域，特别地，涉及一种离心叶轮。此外，本发明还涉及一种包括上述的离心叶轮的离心压气机。
背景技术
常规的单级离心压气机，气流在离心叶轮的气流通道中连续增压，提高离心压气机的压比主要依赖于提高离心叶轮的出口切线速度，单级超高压比(>10:1)离心压气机的离心叶轮的出口切线速度基本已达到材料的许用强度极限。当要实现更高压比时，常规的单级离心压气机内部流动组织困难，而高的出口切线速度与强的沿程逆压力梯度的耦合作用，使得叶尖间隙泄漏流和主流掺混严重，离心压气机的效率和裕度随之降低。若采用双级离心压气机实现同等超高压比，则轴向长度增加，又会带来强度振动方面的难度。
发明内容
本发明提供了一种离心叶轮及离心压气机，以解决如何使离心压气机实现超高压比和高效率的问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供了一种离心叶轮，包括用于形成气流通道以使气流通过并主要利用气流通道减速扩压对气流做功的导风轮叶片和处于导风轮叶片的气流出口用于形成气流通道以使气流通过并主要利用离心力对气流做功的径向段叶片，导风轮叶片的旋转方向和径向段叶片的旋转方向相同，导风轮叶片和径向段叶片之间设有用于为径向段叶片提供预旋量的导流叶片。
进一步地，导流叶片的出口叶片角为-5度至55度。
进一步地，径向段叶片的进口叶片角为30度至75度。
进一步地，径向段叶片的出口后弯角为-10度至-45度。
进一步地，导流叶片设置为多个，多个导流叶片沿离心叶轮的周向均匀间隔布设。
本发明另一方面提供了一种离心压气机，包括上述的离心叶轮和处于离心叶轮的气流出口并用于对气流减速扩压的扩压器。
进一步地，扩压器包括处于离心叶轮的气流出口并用于对气流减速扩压的径向扩压器和处于径向扩压器的气流出口用于对气流减速扩压并使气流由径向转为轴向的轴向扩压器。
进一步地，离心压气机还包括用于轴向旋转的离心叶轮盘体和用于形成气流通道和外部防护的离心叶轮外罩，离心叶轮的导风轮叶片和径向段叶片设置于离心叶轮盘体上，离心叶轮的导流叶片设置于离心叶轮外罩上。
进一步地，离心叶轮外罩采用对半式外罩。
进一步地，导风轮叶片、径向段叶片以及离心叶轮盘体为一体成型的整体结构。
本发明具有以下有益效果：
本发明的离心叶轮，包括导风轮叶片和径向段叶片。导风轮叶片和径向段叶片共同形成气流通道以便气流通过，导风轮叶片主要利用气流通道减速扩压对气流做功，径向段叶片主要通过旋转产生离心力对气流做功以进一步提高气流的压力。导风轮叶片的旋转方向和径向段叶片的旋转方向相同，导风轮叶片和径向段叶片之间设有导流叶片，导流叶片采用弯曲叶片，气流通过导风轮叶片进入导流叶片后，气流沿导流叶片流动，导流叶片弯曲可以改变进入径向段叶片的气流的角度，为径向段叶片提供预旋量。当导流叶片为径向段叶片提供负预旋时，气流偏向与径向段叶片的旋转方向相反的方向，使气流与径向段叶片的相对速度增大，可以显著提升径向段叶片的做功能力。由于径向段叶片的做功能力增加，使得离心叶轮的转速可以显著降低，可以使离心叶轮的出口切线速度降低。离心叶轮的出口切线速度降低，可以抑制叶尖间隙泄漏流，并降低跨间隙泄漏流和主流掺混，减少间隙泄漏流带来的损失，可有效提高离心压气机的效率和裕度，并为结构强度设计留有足够的裕度。同时，离心叶轮的出口切线速度降低，使扩压器的进口马赫数降低，可以降低扩压器的损失，从而提升离心压气机的效率。当导流叶片为径向段叶片提供正预旋时，气流偏向与径向段叶片的旋转方向相同的方向，使气流与径向段叶片的相对速度减小，为流场的组织提供良好的进气条件，可以显著提升离心压气机的效率。本发明的离心叶轮轴向长度短，结构紧凑，可显著改善转子的动力学特性，结构设计简单，可靠性高。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的离心叶轮的示意图之一；
图2是本发明优选实施例的离心叶轮的示意图之二；
图3是本发明优选实施例的导流叶片的出口叶片角的示意图；
图4是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之一；
图5是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之二。
附图标记说明：
1、导风轮叶片；2、径向段叶片；3、导流叶片；4、径向扩压器；5、轴向扩压器；6、离心叶轮盘体；7、离心叶轮外罩。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明优选实施例的离心叶轮的示意图之一；图2是本发明优选实施例的离心叶轮的示意图之二；图3是本发明优选实施例的导流叶片的出口叶片角的示意图；图4是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之一；图5是本发明优选实施例的离心压气机的示意图之二。
如图1所示，本实施例的离心叶轮，包括用于形成气流通道以使气流通过并主要利用气流通道减速扩压对气流做功的导风轮叶片1和处于导风轮叶片1的气流出口用于形成气流通道以使气流通过并主要利用离心力对气流做功的径向段叶片2，导风轮叶片1的旋转方向和径向段叶片2的旋转方向相同，导风轮叶片1和径向段叶片2之间设有用于为径向段叶片2提供预旋量的导流叶片3。本发明的离心叶轮，包括导风轮叶片1和径向段叶片2。导风轮叶片1和径向段叶片2共同形成气流通道以便气流通过，导风轮叶片1主要利用气流通道减速扩压对气流做功，径向段叶片2主要通过旋转产生离心力对气流做功以进一步提高气流的压力。导风轮叶片1的旋转方向和径向段叶片2的旋转方向相同，导风轮叶片1和径向段叶片2之间设有导流叶片3，导流叶片3采用弯曲叶片，气流通过导风轮叶片1进入导流叶片3后，气流沿导流叶片3流动，导流叶片3弯曲可以改变进入径向段叶片2的气流的角度，为径向段叶片2提供预旋量。当导流叶片3为径向段叶片2提供负预旋时，气流偏向与径向段叶片2的旋转方向相反的方向，使气流与径向段叶片2的相对速度增大，可以显著提升径向段叶片2的做功能力。由于径向段叶片2的做功能力增加，使得离心叶轮的转速可以显著降低，可以使离心叶轮的出口切线速度降低。离心叶轮的出口切线速度降低，可以抑制叶尖间隙泄漏流，并降低跨间隙泄漏流和主流掺混，减少间隙泄漏流带来的损失，可有效提高离心压气机的效率和裕度，并为结构强度设计留有足够的裕度。同时，离心叶轮的出口切线速度降低，使扩压器的进口马赫数降低，可以降低扩压器的损失，从而提升离心压气机的效率。当导流叶片3为径向段叶片2提供正预旋时，气流偏向与径向段叶片2的旋转方向相同的方向，使气流与径向段叶片2的相对速度减小，为流场的组织提供良好的进气条件，可以显著提升离心压气机的效率。本发明的离心叶轮轴向长度短，结构紧凑，可显著改善转子的动力学特性，结构设计简单，可靠性高。可选地，导风轮叶片1的数量为8片～15片。可选地，径向段叶片2的数量为15片～20片。可选地，导流叶片3的数量为15片～80片。
如图2和图3所示，本实施例中，导流叶片3的出口叶片角为-5度至55度。通过控制导流叶片3的出口叶片角(导流叶片3的中弧线出口切线与离心叶轮的轴线方向之间的夹角，即图3中所示的β2角)可以控制导流叶片3为径向段叶片2提供的预旋量。当导流叶片3的出口叶片角逐渐变大，导流叶片3为径向段叶片2提供的预旋量逐渐从负预旋变为正预旋。
如图2所示，本实施例中，径向段叶片2的进口叶片角为30度至75度。径向段叶片2的进口叶片角过大，进入径向段叶片2的气流的流量过小，达不到设计要求；径向段叶片2的进口叶片角过小，进入径向段叶片2的气流容易在叶背分离，导致离心压气机的喘振裕度差。
如图2所示，本实施例中，径向段叶片2的出口后弯角为-10度至-45度。径向段叶片2的出口后弯角的绝对值过大，径向段叶片2的做功能力差，离心压气机的压比小；径向段叶片2的出口后弯角的绝对值过小，离心压气机的效率低。
如图1所示，本实施例中，导流叶片3设置为多个，多个导流叶片3沿离心叶轮的周向均匀间隔布设。多个导流叶片3沿离心叶轮的周向均匀间隔布设，使得导流叶片3可以为径向段叶片2提供足够且均匀的预旋量。
如图4和图5所示，本发明的优选实施例还提供了一种离心压气机，包括上述的离心叶轮和处于离心叶轮的气流出口并用于对气流减速扩压的扩压器。离心叶轮的导风轮叶片1和径向段叶片2旋转产生离心力对气流做功以提高气流的压力，气流通过离心叶轮进入扩压器后，扩压器可以降低气流的流速，进一步提高气流的压力。
如图4所示，本实施例中，扩压器包括处于离心叶轮的气流出口并用于对气流减速扩压的径向扩压器4和处于径向扩压器4的气流出口用于对气流减速扩压并使气流由径向转为轴向的轴向扩压器5。气流通过离心叶轮进入径向扩压器4后，径向扩压器4可以降低气流的流速，提高气流的压力。气流通过径向扩压器4进入轴向扩压器5后，轴向扩压器5可以进一步降低气流的流速，进一步提高气流的压力，同时使气流由径向转为轴向，以便气流进入燃烧室内。
如图5所示，本实施例中，离心压气机还包括用于轴向旋转的离心叶轮盘体6和用于形成气流通道和外部防护的离心叶轮外罩7，离心叶轮的导风轮叶片1和径向段叶片2设置于离心叶轮盘体6上，离心叶轮的导流叶片3设置于离心叶轮外罩7上。离心叶轮盘体6在涡轮轴的带动下轴向旋转，并带动导风轮叶片1和径向段叶片2同向旋转。离心叶轮外罩7设置于离心叶轮外部，可以形成外部防护，并与离心叶轮上的叶片形成气流通道。导流叶片3设置于离心叶轮外罩7上，使导流叶片3保持静止不动。
本实施例中，离心叶轮外罩7采用对半式外罩。对半式外罩将离心叶轮外罩7分为两半，便于安装导流叶片3。可选地，导流叶片3通过燕尾槽安装在离心叶轮外罩7上。
如图4和图5所示，本实施例中，导风轮叶片1、径向段叶片2以及离心叶轮盘体6为一体成型的整体结构。使得离心压气机的结构整体性更好，强度更高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离心叶轮，其特征在于，
包括用于形成气流通道以使气流通过并主要利用气流通道减速扩压对气流做功的导风轮叶片(1)和处于所述导风轮叶片(1)的气流出口用于形成气流通道以使气流通过并主要利用离心力对气流做功的径向段叶片(2)，
所述导风轮叶片(1)的旋转方向和所述径向段叶片(2)的旋转方向相同，所述导风轮叶片(1)和所述径向段叶片(2)之间设有用于为所述径向段叶片(2)提供预旋量的导流叶片(3)。
2.根据权利要求1所述的离心叶轮，其特征在于，
所述导流叶片(3)的出口叶片角为-5度至55度。
3.根据权利要求1所述的离心叶轮，其特征在于，
所述径向段叶片(2)的进口叶片角为30度至75度。
4.根据权利要求1所述的离心叶轮，其特征在于，
所述径向段叶片(2)的出口后弯角为-10度至-45度。
5.根据权利要求1所述的离心叶轮，其特征在于，
所述导流叶片(3)设置为多个，多个所述导流叶片(3)沿所述离心叶轮的周向均匀间隔布设。
6.一种离心压气机，其特征在于，
包括权利要求1～5任一项所述的离心叶轮和处于所述离心叶轮的气流出口并用于对气流减速扩压的扩压器。
7.根据权利要求6所述的离心压气机，其特征在于，
所述扩压器包括处于所述离心叶轮的气流出口并用于对气流减速扩压的径向扩压器(4)和处于所述径向扩压器(4)的气流出口用于对气流减速扩压并使气流由径向转为轴向的轴向扩压器(5)。
8.根据权利要求6所述的离心压气机，其特征在于，
所述离心压气机还包括用于轴向旋转的离心叶轮盘体(6)和用于形成气流通道和外部防护的离心叶轮外罩(7)，所述离心叶轮的导风轮叶片(1)和径向段叶片(2)设置于所述离心叶轮盘体(6)上，所述离心叶轮的导流叶片(3)设置于所述离心叶轮外罩(7)上。
9.根据权利要求8所述的离心压气机，其特征在于，
所述离心叶轮外罩(7)采用对半式外罩。
10.根据权利要求8所述的离心压气机，其特征在于，
所述导风轮叶片(1)、所述径向段叶片(2)以及所述离心叶轮盘体(6)为一体成型的整体结构。
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