CN110360151A - 一种带分流叶片的半开式离心叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明属于燃气轮机技术领域，具体涉及一种带分流叶片的半开式离心叶轮，包括轮毂、主叶片、分流叶片，轮毂呈凸起状，轮毂上设有凹陷的弧状过渡段，主叶片和分流叶片均匀的分布在弧状过渡段上并且通过叶根圆角与轮毂进行加强连接，轮毂的后侧端面为弧状，动平衡配重孔和动平衡去重带分别设置在轮毂的上下端面上，动平衡效果好。本发明采用主叶片与分流叶片交替的均匀分布在弧形的轮毂上，结构强度高，主叶片和分流叶片可以依次的对进入的气体进行增压，气体总压效率高，增压比高，气流增压的均匀性好，保证了叶轮可以高速的稳定的旋转，叶轮的振动减小，叶轮的定心能力增强，噪音降低，耐用性增强，保证了较为长久稳定的使用寿命。

Description

一种带分流叶片的半开式离心叶轮
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，涉及叶轮机械装置，具体涉及一种带分流叶片的半开式离心叶轮。
背景技术
在当代工业领域中，压缩机等旋转机械的应用非常广泛，在化工、矿产、医疗、能源与军事等方面都需要大量高效的压缩机来提供压缩空气或其他压缩气体。压气机是燃气涡轮发动机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。为减小气流冲击损失，气体在叶轮中获得的动能尽可能多地转化为压力。增压比反映了压缩机对流动的压缩程度，提高发动机的增压比可以提高压缩效率和燃烧效率。增压过程将导致发动机的总压损失，总压损失接近0的增压比称为最佳增压比。在最佳增压比下，发动机的推力最大，在最经济增压比下，发动机的耗油率最低。
作为压气机的核心部件，叶轮的设计尤为重要。目前，国际上的离心压缩机单级增压比虽较高，但效率较低，效率仅仅在79%左右，总压损失率较大，而国内增压比在5左右的压缩机仍在设计阶段。通常，得到广泛应用的压缩机增压比普遍低于2.5，效率低于82%。因此设计节能高效的新型离心压缩机叶轮，是国内旋转机械设计的重要突破点，也是国家“两机专项”重大研究中的一项重要课题；另外，现有压气机的叶轮在超高速旋转下使用寿命较低，结构强度低，易发生变形，共振阻尼较差，导致风噪较大，造成叶轮的耐用性及稳定性较差。
发明内容
本发明提供一种带分流叶片的半开式离心叶轮，目的是提高叶轮的增压比和总压效率、加强叶轮的共振阻尼，增强叶轮耐用的稳定性。
为实现本发明的目的，本发明提供一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特点在于，包括轮毂、主叶片、分流叶片、叶根圆角、动平衡配重孔和动平衡去重带；主叶片还包括主平直前缘、主弯折翼、主弧引翼、主边翼和主立直后缘，主叶片用于加大进口通流能力和叶轮的做工能力；分流叶片还包括副平直前缘、小弯折翼、副弧引翼、副边翼和副立直后缘，分流叶片用于增强叶轮的做工能力；轮毂呈凸起状，轮毂上设有凹陷的弧状过渡段，主叶片和分流叶片均匀的分布在弧状过渡段上并且通过叶根圆角与轮毂进行加强连接，轮毂的后侧端面为弧状，动平衡配重孔和动平衡去重带分别设置在轮毂的上下端面上，用于增强结构强度。
进一步的，所述主平直前缘在主弯折翼的最外端并靠近轮毂的上端的进气一侧，主弯折翼与叶轮的旋转方向逆向弯曲，主弯折翼通过主弧引翼与主边翼进行平滑过渡连接，主边翼的外部设置有主立直后缘，主立直后缘和轮毂的柱面在同一弧面上并且与子午流面平行。
进一步的，所述主平直前缘与子午流面水平线夹角α1为81.56度。
进一步的，所述副平直前缘设置在小弯折翼的上末端处，小弯折翼通过副弧引翼与副边翼进行平滑的过渡连接，副边翼的下末端处设有副立直后缘。
进一步的，所述副平直前缘与子午流面水平线夹角α2为74.67度。
进一步的，所述主叶片的主平直前缘与分流叶片的副平直前缘的叶片前缘线攻角β1均为0度。
进一步的，所述主弧引翼、主边翼和主立直后缘相连接后与副弧引翼、副边翼和副立直后缘相连接后的形状完全相同，主立直后缘与副立直后缘同子午流面均平行。
进一步的，所述主边翼和主立直后缘与副边翼和副立直后缘的形状相同并且各自所形成的后弯角β2均为58度。
进一步的，所述分流叶片的副平直前缘起始点位于主叶片的主平直前缘起始点的后方并且在主叶片的沿子午流面长度方向的约12%处，即分流叶片长度约为主叶片长度的88%。
进一步的，所述主叶片与分流叶片的数量均为13片并且相互间隔的均匀的分布在弧状过渡段上，主平直前缘与副平直前缘的厚度均为0.6毫米左右并弧状过渡，主立直后缘与副立直后缘的厚度为6毫米左右，叶根圆角为R5的圆角。
本发明的有益效果是：本发明采用双面动平衡实验，在轮毂前端配重孔内放置额外的配重螺钉来配平前端不平衡量，在轮毂背部去重带采用切削等方式去除材料来消除不平衡量保证了叶轮可以高速的稳定的旋转，同时，主叶片与分流叶片交替的均匀分布在弧形的轮毂上，结构强度高，保证了叶轮极高的结构强度；而且，主叶片和分流叶片可以依次的对进入的气体进行增压，气体总压效率高，实现了超过95%的最高转子效率和超过2.7的增压比，气流增压的均匀性好，使叶轮在超高速旋转下回转的圆度精度高，叶轮的振动减小，叶轮的定心能力增强，噪音降低，耐用性增强，保证了较为长久稳定的使用寿命，本发明的叶轮在世界范围内处于顶尖水平。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的主叶片和分流叶片的局部示意图；
图3是本发明的俯视结构示意图；
图4是本发明的局部半剖示意图；
图中：1轮毂，11弧状过渡段，2主叶片，21主平直前缘，22主弯折翼，23主弧引翼，24主边翼，25主立直后缘，3分流叶片，31副平直前缘，32小弯折翼，33副弧引翼，34副边翼，35副立直后缘，4叶根圆角，5动平衡配重孔，6动平衡去重带，7轴孔。
具体实施方式
以下，将结合附图对本发明作进一步说明:
结合附图所示，本发明所公开的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，包括轮毂1、主叶片2、分流叶片3、叶根圆角4、动平衡配重孔5和动平衡去重带6；其中，轮毂1、主叶片2、分流叶片3、叶根圆角4、动平衡配重孔5和动平衡去重带6一体制成，根据三维实体模型，采用五轴加工一次性加工成型，叶轮材料应选用材料性能不低于34CrNiMo的金属材料，加工整形后再做表面渗碳处理。轮毂1呈凸起状，轮毂1上可以设有凹陷的弧状过渡段11，主叶片2和分流叶片3均匀的分布在弧状过渡段11上并且通过叶根圆角4与轮毂1进行加强连接，叶根圆角4为用于减重的为大圆弧倒角，轮毂1的后侧端面为弧状，轮毂1后方位于叶轮半径的一半以上位置处设置环状的动平衡去重带6，动平衡去重带6设置在轮毂1后侧端面弧状的最高处，如图4所示，环状凸起的动平衡去重带6用于增强结构强度，保证叶轮旋转的动平衡的稳定，平衡去重带的宽度为15~30mm，凸起高度为3~10mm。轮毂1的上端面设置有动平衡配重孔5，动平衡配重孔5为增重配平用的螺纹孔，轮毂1前端的动平衡配重孔5可选靠近外圆某一半径环面处，设置18~36个螺纹孔，孔径M4~M12，孔深20~40mm，用于做动平衡可以放置螺钉配重块。做动平衡时，应采用双面动平衡实验，在轮毂1前端配重孔内放置额外的配重螺钉来配平前端不平衡量，在轮毂1背部去重带采用切削等方式去除材料来消除不平衡量。可根据传动轴的要求，设计为1:50的液压过盈锥轴，或端面拉杆结构等，具体安装结构不属于本专利保护范围。本叶轮转速应在14400转/分钟，沿额定转速负20%以及正10%范围内（11520转/分钟~15840转/分钟）的方案均适用于本专利涉及的叶轮。
主叶片2还包括主平直前缘21、主弯折翼22、主弧引翼23、主边翼24和主立直后缘25，主叶片2用于加大进口通流能力和叶轮的做工能力；主平直前缘21在主弯折翼22的最外端并靠近轮毂1的上端的进气一侧，主弯折翼22与叶轮的旋转方向逆向弯曲，主弯折翼22通过主弧引翼23与主边翼24进行平滑过渡连接，主边翼24的外部设置有主立直后缘25，主立直后缘25和轮毂1的柱面在同一弧面上并且与子午流面平行。主平直前缘21与子午流面水平线夹角α1为81.56度。分流叶片3还包括副平直前缘31、小弯折翼32、副弧引翼33、副边翼34和副立直后缘35，分流叶片3用于增强叶轮的做工能力，与主叶片2一同对进入的气体进行增压并且使增压后的气体均匀的分布在轮毂1的弧状过渡段11的圆周上进行排出；副平直前缘31设置在小弯折翼32的上末端处，小弯折翼2通过副弧引翼33与副边翼34进行平滑的过渡连接，副边翼34的下末端处设有副立直后缘35。副平直前缘31与子午流面水平线夹角α2为74.67度。主叶片2的主平直前缘21与分流叶片3的副平直前缘31的叶片前缘线攻角β1均为0度，使主叶片2与分流叶片3均匀的对增压的过程进行良好的过渡衔接，保证气流可以平稳的过渡进行增压作业。
主叶片2的主弧引翼23、主边翼24和主立直后缘25相连接后可以与分流叶片3的副弧引翼33、副边翼34和副立直后缘35相连接后的形状完全相同，主立直后缘25和副立直后缘35可以与子午流面均平行设置。主边翼24和主立直后缘25与副边翼34和副立直后缘35的形状相同并且各自所形成的后弯角β2均为58度。
作为示例，如图1、图2、图3和图4所示，分流叶片3的副平直前缘31起始点位于主叶片2的主平直前缘21起始点的后方并且在主叶片2的沿子午流面长度方向的约12%处，即分流叶片3长度约为主叶片2长度的88%。在实际应用中，分流叶片3长度可以为主叶片2长度86%~90%范围内。主叶片2与分流叶片3的数量均为13片并且相互间隔的均匀的分布在弧状过渡段上，主平直前缘21与副平直前缘31的厚度均为0.6毫米左右并弧状过渡，主立直后缘25与副立直后缘35的厚度为6毫米左右，叶根圆角4为R5的圆角。
本发明采用双面动平衡实验，在轮毂1前端配重孔内放置额外的配重螺钉来配平前端不平衡量，在轮毂1背部的动平衡去重带6采用切削等方式去除材料来消除不平衡量保证了叶轮可以高速的稳定的旋转，同时，主叶片2与分流叶片3交替的均匀分布在弧形的轮毂1上，结构强度高，保证了叶轮极高的结构强度；而且，主叶片2和分流叶片3可以依次的对进入的气体进行增压，气体总压效率高，实现了超过95%的最高转子效率和超过2.7的增压比，气流增压的均匀性好，使叶轮在超高速旋转下回转的圆度精度高，叶轮的振动减小，叶轮的定心能力增强，噪音降低，耐用性增强，保证了较为长久稳定的使用寿命，本发明的叶轮在世界范围内处于顶尖水平。
叶轮转子效率高于95%（经过实验验证），转子增压比达到2.7以上（经过试验验证）。
在对叶轮安装时，叶轮的较小直径一端属于压气机的进气口一侧，叶轮的较大直径一端属于压气机的出气口一侧。本发明特别涉及的叶轮进口轮毂处直径D11=127.86mm，进口叶片处直径D12=263mm，叶轮的最大直径为D2=486mm。采用全三元流设计方法，叶片型线、形面均经过数值计算优化处理从而获得最佳的气动外形布局，叶片通过整周的贝塞尔曲线拟合出来的曲面型线流畅性极好，实现了超过95%的最高转子效率和超过2.7的增压比，在世界范围内处于顶尖水平。
此外，采用轮毂与叶片分开加工然后焊接成型的，只要气动外形与本专利相同或接近的，也应该在本权利要求保护范围。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：包括轮毂、主叶片、分流叶片、叶根圆角、动平衡配重孔和动平衡去重带；
主叶片还包括主平直前缘、主弯折翼、主弧引翼、主边翼和主立直后缘，主叶片用于加大进口通流能力和叶轮的做工能力；
分流叶片还包括副平直前缘、小弯折翼、副弧引翼、副边翼和副立直后缘，分流叶片用于增强叶轮的做工能力；
轮毂呈凸起状，轮毂上设有凹陷的弧状过渡段，主叶片和分流叶片均匀的分布在弧状过渡段上并且通过叶根圆角与轮毂进行加强连接，轮毂的后侧端面为弧状，动平衡配重孔和动平衡去重带分别设置在轮毂的上下端面上，用于增强结构强度。
2.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述主平直前缘在主弯折翼的最外端并靠近轮毂的上端的进气一侧，主弯折翼与叶轮的旋转方向逆向弯曲，主弯折翼通过主弧引翼与主边翼进行平滑过渡连接，主边翼的外部设置有主立直后缘，主立直后缘和轮毂的柱面在同一弧面上并且与子午流面平行。
3.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述主平直前缘与子午流面水平线夹角α1为81.56度。
4.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述副平直前缘设置在小弯折翼的上末端处，小弯折翼通过副弧引翼与副边翼进行平滑的过渡连接，副边翼的下末端处设有副立直后缘。
5.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述副平直前缘与子午流面水平线夹角α2为74.67度。
6.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述主叶片的主平直前缘与分流叶片的副平直前缘的叶片前缘线攻角β1均为0度。
7.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述主弧引翼、主边翼和主立直后缘相连接后与副弧引翼、副边翼和副立直后缘相连接后的形状完全相同，主立直后缘与副立直后缘同子午流面均平行。
8.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述主边翼和主立直后缘与副边翼和副立直后缘的形状相同并且各自所形成的后弯角β2均为58度。
9.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述分流叶片的副平直前缘起始点位于主叶片的主平直前缘起始点的后方并且在主叶片的沿子午流面长度方向的约12%处，即分流叶片长度约为主叶片长度的88%。
10.根据权利要求1所述的一种带分流叶片的半开式离心叶轮，其特征在于：所述主叶片与分流叶片的数量均为13片并且相互间隔的均匀的分布在弧状过渡段上，主平直前缘与副平直前缘的厚度均为0.6毫米左右并弧状过渡，主立直后缘与副立直后缘的厚度为6毫米左右，叶根圆角为R5的圆角。
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