CN1112519C - 叶轮和离心式透平机械 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种不会引起制造费用过度地上升，可有效地减少叶轮流道内的2次流，并将由该2次流引起的损失抑制到最小程度的效率高的离心式透平机械，其叶轮是，在中央侧的入口6a与外周侧的出口6b之间，设有数个叶片3，在这些叶片之间形成通过叶轮的旋转从入口向出口输送流体的流道，叶片3具有使轮毂2侧相对于叶片的护罩4侧、处在叶轮旋转方向前面的圆周方向上的叶片倾斜结构，并且，使叶片的倾斜角呈从入口向出口逐渐减少的倾向，该叶片的倾斜角度定义为，在从上述流道的出口侧看到的面上，叶片相对于和轮毂面垂直的面所成的角度。由此，从叶片入口正面看时的护罩侧与轮毂侧的叶片中心线，在用叶轮出口半径之比所表示的无因次半径位置的0.8～0.95的范围内相交。
Description
技术领域
本发明涉及适用于压送液体的离心式液体泵或压送气体的鼓风机及压缩机等的一般称作“透平机械”的机械叶轮。
背景技术
图9A至图10B示出了典型的透平机械，该透平机械的结构是，在带有所需要的配管的壳体(图中省略)中，容纳有由轮毂2、护罩4及位于两者之间的数个叶片3所构成的叶轮6，该叶轮6与旋转轴1相连，旋转轴1与驱动源连接。在这样的叶轮中，叶片3的上端3a由护罩面4a覆盖，相邻的两枚叶片3、轮毂面2a及护罩面4a所围成的空间构成了流道。
由此，叶轮6以旋转轴1为中心按照旋转角速度ω进行旋转时，这样，把经过吸入管等从叶轮入口6a流入流道中的流体向叶轮出口6b输送，并经过排出管等排到机器外。朝向叶片3旋转方向的面为压力面3b，与之相反的面为负压面3c。
在该图中，示出了作为叶片的一个例子的密闭式叶轮的3元形状，以护罩面的大部分剖开的状态下的模式示意图。在开式叶轮的场合，不设有用于形成护罩面4a的独立的部件，围绕叶轮6的图外的壳体机械地兼作护罩面4a，而流体力学的基本构成与密闭式叶轮没有差别。因而，以下的说明以密闭式叶轮为例进行说明。
这样的离心式透平机械的叶轮流道内的流动，除了基本沿流道流动的主流外，还会生成流道内的压力梯度等引起的使壁面边界层内低能量流体移动而产生的2次流(具有与主流垂直的速度分量的流动)。该2次流对主流构成复杂的影响，在流道内形成涡流或速度的不均匀，这不仅在叶轮内会引起大的损失，而且在其下游部(扩散器、导叶)也会引起大的损失。由该2次流引起的整体损失称作2次流损失。另外，由该2次流作用的聚集在流道的特定区域的边界层内的低能量流体，会引起大规模的流动剥离现象，产生朝右上升的扬程特性，带来了妨碍透平机械稳定运转等负面影响，这已是公知技术。
叶轮内的2次流大致分为沿着护罩面或轮毂面所产生的叶片间的2次流、和沿着叶片压力面或负压面所产生的子午面2次流。叶片间的2次流通过把叶片形状向后方弯曲可以得到抑制，这是公知的技术。而另一子午面2次流必须对流道的3元形状进行详细的优化设计，既不容易削弱也不会消除。
下面，说明子午面2次流的产生机理。如图9B所示，关于叶片流道内的相对流，根据相对于主流的流线曲率所产生的离心力W2/R的作用和叶轮旋转所产生的哥氏力2ωWθ的作用，确定相对压力场(reduced static pressure所产生的静压)p*(＝p-0.5ρu2)。这里，W是流动的相对速度，R是流线的曲率半径，ω是叶轮的旋转角速度，Wθ是相对于W的旋转轴1的圆周方向的速度分量。并且，p是静压，ρ是流体的密度，u是从旋转轴1到给定半径位置的圆周速度。
相对压力场p*的分布，按照图9B中的使朝向轮毂侧的离心力W2/R和哥氏力2ωWθ相对平衡的方式，以轮毂侧高、护罩侧低的形式分布。在沿着叶片面的边界层内部，由于相对速度W受壁面的影响得以减少，因而作用在边界层内部的流体上的离心力W2/R和哥氏力2ωWθ变小，内部与上述的主流压力场p*平衡。结果，边界层内的低能量流体，朝向相对压力p*小的区域、在叶片3的压力面3b乃至负压面3c上，产生沿叶片面从轮毂侧朝向护罩侧的子午面2次流。这些在图9A中用叶片3的压力面3b上的虚线箭头和负压面3c上的实线箭头表示。
众所周知，虽然子午面2次流在叶片3的负压面3c和压力面3b的两壁面上产生，但是，一般来说，由于负压面3c上的边界层一方比较厚，所以负压面3c上的2次流的产生，对透平机械的性能特性带来了很大的影响。
这样，边界层内的低能量流体从轮毂侧向护罩侧移动时，与之相应，为了补充该移动所产生的流量，叶片之间的中央部会发生相反的从护罩侧向轮毂侧的流动。结果，如图10A模式所示的那样，在叶片间的流道内形成称作2次涡流的旋转方向不同的一对涡流。该涡流使流道内的低能量流体聚集在叶轮内的特定场所(相对压力P*低的区域)，并与流道内的正常流动的流体混合造成大的损失。
另外，相对速度低且能量低的流体和相对速度高且能量高的流体因不能充分混合所产生的不均匀流，在叶片的下游流道排出时，在彼此相混合的过程中会引起大的损失。这种不均匀的叶轮出口的流动对于扩散器入口部的速度三角形是不合适的，产生位于下游位置的带叶片的扩散器的适配或不带叶片的扩散器中的逆流现象，这是引起透平机械整体性能显著下降的一个原因。
因此，如图11A及图11B所示，为了使叶轮内部的相对压力P*的分布正常化，在无因次子午面长度m＝0的叶片位置(叶片入口)与无因次子午面长度m＝1.0的叶片位置(叶片出口)之间，叶片的轮毂侧做成相对叶片的护罩侧处，在叶轮旋转方向的前面的圆周方向上的叶片倾斜结构，并且采用了随着无因次子午面长度m的增加，使叶片倾斜角度呈减小倾向的结构，该叶片倾斜角度定义为在叶轮的流道断面上，叶片的叶片断面的中心线相对垂直于轮毂面的面所成的角度。
在这样构成的叶轮中，由于形成了处在叶轮旋转方向的前面的圆周方向上的叶片倾斜结构，因而，具有朝向护罩面4的分量的力作用在流体上，流道内的相对压力场为了平衡朝向该护罩面的力的分量，而在护罩面侧产生比较高的相对压力p*，在轮毂面2侧产生比较低的相对压力p*。另外，由于采用了随着无因次子午面长度m的增加使叶片倾斜角度呈减小倾向的结构，因此，与仅采用使护罩侧的叶片朝圆周方向错开的叶片倾斜结构的情况相比较，可以提高叶片的倾斜效果。
但是，这种构成的已往技术，如图11A所示，从叶片出口方向看，连接护罩侧与轮毂侧的叶片中心的线与垂直于轮毂面的面所成的角度(倾斜角γ)非常大，在叶轮转动的场合，该旋转引起使叶片向上竖起的变形，结果，在叶片的根部产生大的弯曲应力。
此外，如该图所示，在叶轮入口部，在叶片尖端，由于连接护罩侧与轮毂侧的叶片中心的线和连接轮毂侧的叶片中心与叶轮中心的线构成角度(偏斜角δ)，因而上述旋转会在入口引起叶片向上竖起来，结果，在叶片根部也会产生大的弯曲应力。另外，当是在叶轮的护罩侧安装有盖的密闭式叶轮的情况下，由偏斜角和倾斜角，在叶片的各部分产生复杂的应力。
这种叶片的叶片根部，在通过焊接叶轮制成的场合，存在着焊接结构部，当叶片倾斜时，焊接部位很容易产生变形，如果焊接不足时，由旋转会从该部分发生断裂，自然也存在着损坏的情况。另外，由于在这一部分产生高的应力，对叶轮的耐用性造成很大的影响，因而，对焊接技术或材料的要求很高，结果，使制造费用上升。再者，即使在通过机械切削进行制造的场合，由于必须进行复杂的加工，结果，同样也提高了制造费用。
发明概述
本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的是提供一种不会引起制造费用过度地上升，可有效地减少叶轮流道内的2次流，并将由该2次流引起的损失抑制到最小的程度的效率高的离心式透平机械。
本发明的叶轮，在中央侧的入口与外周侧的出口之间设有数个叶片，在这些叶片之间形成通过叶轮的旋转从入口向出口输送流体的流道，
所述叶片具有使轮毂侧相对于叶片的护罩侧处在叶轮旋转方向的前面的圆周方向上的叶片倾斜结构，
并且，在从所述流道的出口侧看到的面上，以叶片相对于和轮毂面垂直的面所成的角度而定义的叶片倾斜角度，呈从入口向出口逐渐减少的倾向，由此，从叶片入口正面看时的护罩侧与轮毂侧的叶片中心线，是在由与叶轮出口半径之比所表示的无因次半径位置的0.8～0.95的范围内相交，
由在叶片入口部的叶片前端连接护罩侧与轮毂侧的叶片中心的线、和连接轮毂侧的叶片中心和叶轮的中心的线形成的角度所定义的偏斜角小于25度。
本发明的离心式透平机械，其具有可自由转动地容纳在壳体中的叶轮，在该叶轮的中央侧的入口与外周侧的出口之间，设有数个叶片，在这些叶片之间形成通过叶轮的旋转从入口向出口输送流体的流道，
所述叶片具有在所述出口使轮毂侧相对于叶片的护罩侧处在叶轮旋转方向的前面的圆周方向上的叶片倾斜结构，
并且，在从所述流道的出口侧看到的面上，使叶片的倾斜角呈从入口向出口逐渐减少的倾向，该叶片的倾斜角度定义为，叶片相对于和轮毂面垂直的面所成的角度，由此，从叶片入口正面看时的护罩侧与轮毂侧的叶片中心线，在由与叶轮出口半径之比所表示的无因次半径位置的0.8～0.95的范围内相交，
由在叶片入口部的叶片前端连接护罩侧与轮毂侧的叶片中心的线、和连接轮毂侧的叶片中心和叶轮的中心的线形成的角度所定义的偏斜角小于25度。
轮毂、护罩和叶片由金属一体形成也可以。
附图的简单说明
图1A及图1B是本发明实施形式的透平机械的叶片形状的模式示意图，图1A是子午面图，图1B是正面图。
图2A及图2B是本发明另一实施形式的透平机械的叶片形状的模式示意图，图2A是子午面图，图2B是正面图。
图3A及图3B是同样的本发明再一实施形式的透平机械的叶片形状的模式示意图，图3A是子午面图，图3B是正面图。
图4A及图4B是同样的本发明再一实施形式的透平机械的叶片形状的模式示意图，图4A是子午面图，图4B是正面图。
图5是表示密闭式叶轮入口部的叶片尖端的偏斜角δ和叶轮出口侧的叶片根部所产生的应力的关系的示意图。
图6是表示密闭式叶轮的倾斜角γ和叶轮入口部的叶片根部的应力的关系的示意图。
图7A及图7B是进行解析用的模拟模型的叶轮形状的示意图，图7A是子午面图，图7B是正面图。
图8是表示本发明形状的叶轮安装在压缩机的末极的试验结果的曲线图。
图9A及图9B是表示以往的离心式透平机械的叶轮形状的示意图，图9A是透视图，图9B是子午面图。
图10A及图10B是表示以往的离心式透平机械的叶轮的叶片形状的示意图，图10A是断面图，图10B是正面图。
图11A及图11B是表示同样的以往的离心式透平机械的另一叶轮的叶片形状的示意图，图11A是断面图，图11B是正面图。
图12A及图12B是表示同样的以往的离心式透平机械的再一叶轮的叶片形状的示意图，图12A是断面图，图12B是正面图。
实施发明的最佳形式
图1A至图4B示出了这种形状的叶轮的实施形式。在这些图中，图1A及图1B的比转速为500，图2A及图2B的比转速为400，图3A及图3B的比转速为350，图4A及图4B的比转速为250。这些叶轮基于以下考虑的方案来设计。
本发明者以下述形状的叶轮为基础，以抑制过度的倾斜为目的，改变几种参数进行模拟，该叶轮的形状为：使叶片的轮毂侧具有相对于叶片的护罩侧处在叶轮旋转方向的前面的圆周方向上的叶片倾斜结构，而且，随着无因次子午面长度m的增加，在叶轮流道断面上、以叶片的叶片断面中心线相对于和轮毂面垂直的面所成的角度，而被定义的叶片倾斜角呈减少的倾向。此外，这种倾斜角的最大值的大致目标为，考虑到取无倾斜场合所作用的应力的110％比较妥当。
图5示出了在密闭式叶轮入口部的叶片尖端，以连接护罩侧与轮毂侧的叶片中心的线和连接轮毂侧的叶片中心与叶轮中心的线所成的角度(偏斜角δ)为横轴，以偏斜角为0度时的情况为基准，根据计算求出的叶轮出口侧的叶片根部所产生的应力的结果。从该图可以看出，偏斜角变大时应力增加。在该图中，叶片板的允许应力限制成偏斜角为0度时的应力的110％，此时的临界角度为25度。
图6示出了以连接密闭式的护罩侧与轮毂侧的叶片中心的线、和垂直于轮毂面的面所成的角度(倾斜角γ)为横轴，以叶轮入口部的叶片根部的应力为纵轴的结果。可以看出，随着倾斜角的变大，应力会增加。在该图中，把叶片板的允许应力限制成倾斜角为0度时的应力的110％，此时的临界角度为20度。
这样，确定叶片的倾斜角与偏斜角时，就决定了叶片的大致形状。图7A及图7B示出了进行解析所用的模拟模型的叶轮形状，图7A是子午面图，图7B是正面图。在正面图中，为了简单起见，叶轮的轮毂侧与护罩侧的入口与出口之间用直线连接。实际上由于叶片是用曲线构成的，其形状与此多少有些差异。
从图中可以看出，采用了具有叶片在叶轮的出口处，使轮毂侧较护罩侧处在旋转方向的前面的形状的叶轮，在该叶轮中，连接轮毂侧与护罩侧的入口与出口的叶片中心线的线在一个位置相交。
该交点的位置从上述说明可以推断为角度变大时从叶轮的出口接近入口的位置。本发明者以
δ＜25，γ＜20
为前提条件，制成几种各自比转速不同的叶轮，对其中的效率高的形状、尺寸进行测定并解析。
图1A至图4B示出了本发明者开发的各种比转速不同的叶轮的正面图及子午面图。从这些图可以看出，在叶轮的正面图中，护罩侧与轮毂侧的叶片中心线在叶轮出口附近的位置相交，该交点处在用叶轮的出口半径之比所表示的无因次半径位置的0.8～0.95的范围。图8示出了本发明形状的叶轮安装在压缩机末极的试验结果的一个例子。与具有以往形状的叶轮的末极性能相比较，能得到非常良好的性能。
从以上的说明可以看出，根据本发明，可以提供一种不会引起制造费用过度地上升，可有效地减少叶轮流道内的2次流并将由该2次流引起的损失抑制到最小程度的效率高的离心式透平机械。
工业上的可应用性
本发明适用于离心式液体泵或压送气体的鼓风机及压缩机等的一般称作“透平机械”的机械叶轮，由此，可以在工业上得以利用。
Claims (4)
1、一种叶轮，在中央侧的入口与外周侧的出口之间设有数个叶片，在这些叶片之间形成通过叶轮的旋转从入口向出口输送流体的流道，其特征在于：
所述叶片具有使轮毂侧相对于叶片的护罩侧处在叶轮旋转方向的前面的圆周方向上的叶片倾斜结构，
并且，在从所述流道的出口侧看到的面上，以叶片相对于和轮毂面垂直的面所成的角度而定义的叶片倾斜角度，呈从入口向出口逐渐减少的倾向，由此，从叶片入口正面看时的护罩侧与轮毂侧的叶片中心线，是在由与叶轮出口半径之比所表示的无因次半径位置的0.8～0.95的范围内相交，
由在叶片入口部的叶片前端连接护罩侧与轮毂侧的叶片中心的线、和连接轮毂侧的叶片中心和叶轮的中心的线形成的角度所定义的偏斜角小于25度。
2、一种离心式透平机械，其具有可自由转动地容纳在壳体中的叶轮，在该叶轮的中央侧的入口与外周侧的出口之间，设有数个叶片，在这些叶片之间形成通过叶轮的旋转从入口向出口输送流体的流道，其特征在于：
所述叶片具有在所述出口使轮毂侧相对于叶片的护罩侧处在叶轮旋转方向的前面的圆周方向上的叶片倾斜结构，
并且，在从所述流道的出口侧看到的面上，使叶片的倾斜角呈从入口向出口逐渐减少的倾向，该叶片的倾斜角度定义为，叶片相对于和轮毂面垂直的面所成的角度，由此，从叶片入口正面看时的护罩侧与轮毂侧的叶片中心线，在由与叶轮出口半径之比所表示的无因次半径位置的0.8～0.95的范围内相交，
由在叶片入口部的叶片前端连接护罩侧与轮毂侧的叶片中心的线、和连接轮毂侧的叶片中心和叶轮的中心的线形成的角度所定义的偏斜角小于25度。
3、如权利要求1所述的叶轮，其特征在于：轮毂、护罩和叶片由金属一体形成。
4、如权利要求2所述的离心式透平机械，其特征在于：轮毂、护罩和叶片由金属一体形成。
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