CN111550440A - 一种径流式多级对转离心叶轮及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径流式多级对转离心叶轮及其使用方法，涉及流体机械转子动力学技术领域，叶轮包括动力输入轴、正转叶轮盘和反转叶轮盘，正转叶轮盘通过叶轮毂安装在动力输入轴上，反转叶轮盘通过反转齿轮组件与动力输入轴传动连接且与正转叶轮盘形成对扣；正转叶轮盘和反转叶轮盘均为凹面盘；正转叶轮盘的凹面侧设有多级沿径向排列的正转叶片组；反转叶轮盘的凹面侧设有多级沿径向排列的反转叶片组；多级正转叶片组和多级反转叶片组依次相互交错排布形成多级工质通道。本发明的叶轮充分利用工质的运动惯性，增大了径流式叶轮的输出功率，其充分融合了轴流式叶轮多级压缩与径流式叶轮高效离心的特点，具有高效的能量转化效率。

Description

一种径流式多级对转离心叶轮及其使用方法

技术领域

本发明实施例涉及流体机械转子动力学技术领域，具体涉及一种径流式多级对转离心叶轮及其使用方法。

背景技术

叶轮按形状及流体在泵壳内流动的方向可分为径流式、轴流式、混流式。径流式叶轮广泛应用于发动机辅助动力装置、微型燃气涡轮发动机、中小型航空涡轴发动机、乙烯压缩机、水泵中，其工作原理是流体沿着轴向进入叶轮，被沿着径向甩出去，流体获得动能主要来源于叶轮旋转时候产生的离心力。

现有径流式叶轮存在以下缺点：一是径流式叶轮主要用离心作用在压缩，叶片直接推动工质压缩的效果很有限；二是目前径流式叶轮只适用于小功率输出，使得其应用受限；三是径流式叶轮没有充分融合多级压缩的优点。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种径流式多级对转离心叶轮及其使用方法，以解决现有技术中径流式叶轮存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，一种径流式多级对转离心叶轮，所述叶轮包括动力输入轴、正转叶轮盘和反转叶轮盘，所述正转叶轮盘通过叶轮毂安装在所述动力输入轴上，所述反转叶轮盘通过反转齿轮组件与所述动力输入轴传动连接且与所述正转叶轮盘形成对扣；

所述正转叶轮盘和所述反转叶轮盘均为凹面盘；所述正转叶轮盘的凹面侧设有多级沿径向排列的正转叶片组；所述反转叶轮盘的凹面侧设有多级沿径向排列的反转叶片组；多级所述正转叶片组和多级所述反转叶片组依次相互交错排布形成多级工质通道。

进一步地，每级所述正转叶片组是由同轴同半径且形状相同的正转叶片组成，各级所述正转叶片组的正转叶片的宽度从所述正转叶轮盘的轴心向外沿径向逐渐减小；每级所述反转叶片组是由同轴同半径且形状相同的反转叶片组成，各级所述反转叶片组的反转叶片的宽度从所述反转叶轮盘的轴心向外沿径向逐渐减小。

进一步地，每级所述正转叶片组的正转叶片和对应的所述反转叶片组的反转叶片的安装角相反且沿径向错位布置。

进一步地，每级所述正转叶片组的正转叶片通过至少两个正转固定环连接成一体；每级所述反转叶片组的反转叶片通过至少两个反转固定环连接成一体。

进一步地，所述叶轮设置有轴向进气口和径向出气口。

进一步地，所述叶轮还包括离心导流叶轮，所述离心导流叶轮与所述反转叶轮盘固定安装并与反转叶轮盘一起套装在所述动力输入轴上且靠近进气口端。

进一步地，所述反转齿轮组件包括第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，所述第一齿轮套设在所述动力输入轴外且与所述反转叶轮盘连接，所述第二齿轮安装在所述动力输入轴上，所述第一齿轮与第二齿轮相对设置且通过水平设置的所述第三齿轮啮合。

进一步地，所述第一齿轮和所述第二齿轮的形状相同；第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮的齿与齿盘所成角度均为倾斜角，且第一齿轮的齿与齿盘所成角度与第三齿轮的齿与齿盘所成角度之和为90°。

进一步地，所述正转叶轮盘和反转叶轮盘的厚度均从盘中心向外沿径向逐渐变薄。

根据本发明实施例的第二方面，上述的叶轮的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：

所述动力输入轴正转，所述正转叶轮盘在所述叶轮毂的作用下正转同时带动所有所述正转叶片组的正转叶片正转，所述反转叶轮盘和所述叶轮的离心导流叶轮在所述反转齿轮组件作用下反转同时带动所有所述反转叶片组的反转叶片反转，所述正转叶轮盘、所述叶轮的离心导流叶轮和所述反转叶轮盘之间形成多级工质通道；

工质经叶轮的进气口沿轴向进入，在所述叶轮的离心导流叶轮作用下推进并离心沿径向输出；再依次经多级工质通道从所述叶轮的出气口输出。

本发明具有如下优点：

本发明一种径流式多级对转离心叶轮通过设计合理的对转正转叶片组和反转叶片组形成多级工质通道，充分利用工质的运动惯性，增大了径流式叶轮的输出功率，其充分融合了轴流式叶轮多级压缩与径流式叶轮高效离心的特点，具有高效的能量转化效率。可直接应用于空压机、乙烯压缩机、航空发动机的压气机部分，也可轻易改造成势能转机械能的透平，并与其结合使用，更能发挥本发明一种径流式多级对转离心叶轮的独特优势，应用领域涉及航空、船舶、发电、汽车等多个方面。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例1提供的一种径流式多级对转离心叶轮的内部结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种径流式多级对转离心叶轮的立体结构示意图；

图3为本发明实施例1提供的工质通道的形成示意图；

图4为本发明实施例1提供的单级正转叶片组的立体结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的多级正转叶片组的立体结构示意图；

图6为本发明实施例1提供的反转齿轮组件的立体结构示意图；

图中：动力输入轴1，正转叶轮盘2，反转叶轮盘3，叶轮毂4，反转齿轮组件5，第一齿轮51，第二齿轮52，第三齿轮53，工质通道6，正转叶片7，反转叶片8，正转固定环9，进气口11，出气口12，离心导流叶轮13。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1-5所示的一种径流式多级对转离心叶轮包括动力输入轴1、正转叶轮盘2、反转叶轮盘3和离心导流叶轮13，所述叶轮设置有轴向进气口11和径向出气口12，所述正转叶轮盘2通过叶轮毂4安装在所述动力输入轴1上，所述反转叶轮盘3通过反转齿轮组件5与所述动力输入轴1传动连接且与所述正转叶轮盘2形成对扣，所述离心导流叶轮13套装在所述动力输入轴1上且靠近进气口11端；本发明的叶轮动力由动力输入轴1正转输入，部分动力通过叶轮毂4直接作用到正转叶轮盘2上，部分动力通过反转齿轮组件5传递到反转叶轮盘3上，使正转叶轮盘2和反转叶轮盘3发生等速对转，离心导流叶轮13靠叶轮的离心作用和叶片的倾斜角度实现工质从轴流转向径流。

所述正转叶轮盘2和所述反转叶轮盘3均为凹面盘，方便设置宽度梯度渐进变化的叶片，正转叶轮盘2和反转叶轮盘3自身的厚度也有适宜于气体压力、离心力、支撑力变化的梯度渐进结构，其均从中心向外沿径向逐渐变薄。

所述正转叶轮盘2的凹面侧设有多级沿径向排列的正转叶片组，每级所述正转叶片组是由同轴同半径且形状相同的正转叶片7组成，各级所述正转叶片组的正转叶片7的宽度从所述正转叶轮盘2的轴心向外沿径向逐渐减小；所述反转叶轮盘3的凹面侧设有多级沿径向排列的反转叶片组，每级所述反转叶片组是由同轴同半径且形状相同的反转叶片8组成，各级所述反转叶片组的反转叶片8的宽度从所述反转叶轮盘3的轴心向外沿径向逐渐减小；多级所述正转叶片组和多级所述反转叶片组依次相互交错排布形成多级工质通道6。每级所述正转叶片组的正转叶片7和对应的所述反转叶片组的反转叶片8的安装角相反且沿径向错位布置。工质从进气口11吸进，经过叶轮毂4、离心导流叶轮13，再在叶片的推动下经工质通道6，最终从出气口12排出；工质在运动过程中依次作用到每一级叶片上，再在叶片的推动下经该级的工质通道6作用到下一级叶片上，最后作用到蜗壳或机匣上。

正转叶片组和反转叶片组从最内环到最外环依次交错排列；每个叶片组的叶片倾斜角度与叶片旋转的方向相适应，并且能够满足相应级别的叶片组的工质压力和离心力变化的需求，每个叶片的长度、宽度、厚度、密度也能够满足相应级别的叶片组的工质压力和离心力变化的需求；离动力输入轴1最近的叶片最宽、所处的位置直径最小、密度最小、压力最小、线速度最小，离动力输入轴1最远的叶片最窄、所处的位置直径最大、密度最大、压力最大、线速度最大。输入的动力做功于工质的过程是：叶轮毂4叶片正旋转推进气体→离心导流叶轮13叶片反旋转推进并离心甩出→第一级正转叶片组叶片正旋转推进并离心甩出→第二级反转叶片组叶片反旋转推进并离心甩出→……直至最后一级反转叶片组叶片反旋转推进并离心甩出去，达到最高压缩值。

每级所述正转叶片组的正转叶片7通过至少两个正转固定环9连接成一体；每级所述反转叶片组的反转叶片8通过至少两个反转固定环连接成一体。通过该技术方案，若干相同条状叶片平行且同一角度圆形排列并垂直固定于两端的固定环上，实现叶片的稳定，防止工质的冲击力太大使叶片变形，影响其使用效率；为防止产生叶片发生扭曲，较宽的叶片中间再加一个或一个以上的固定环。

如图6所示，所述反转齿轮组件5包括第一齿轮51、第二齿轮52和第三齿轮53，所述第一齿轮51套设在所述动力输入轴1外且与所述反转叶轮盘3的中心孔套固定连接，所述第二齿轮52安装在所述动力输入轴1上，所述第一齿轮51与第二齿轮52相对设置且通过水平设置的所述第三齿轮53啮合。所述第一齿轮51和所述第二齿轮52的形状相同；所述第一齿轮51、第二齿轮52和第三齿轮53的齿与齿盘均成45°角。所述第一齿轮51、第二齿轮52和第三齿轮53的齿与齿盘不仅限于本实施例的角度，能保证第一齿轮51的齿与齿盘所成角度与第三齿轮53的齿与齿盘所成角度之和为90°都可。第二齿轮52在动力输入轴1的作用下发生转动，再通过第三齿轮53的作用带动第一齿轮51朝着相反方向转动，进而实现反转叶轮盘3的反转。进一步地所述反转齿轮组件5安装在齿轮盒内，齿轮盒再固定安装在蜗壳或机匣上。

本发明的叶轮相邻的正转叶片组和反转叶片组都是对转的，一级叶片组的叶片不仅是工作叶片，对下一级的叶片来说还起着导向作用，这样既少了一半的总叶片数，又没减少导向叶轮的作用与功能；本发明的多级叶片组，可根据功率与效率的需要合理设计级数，且单独的一层叶片组就能构成一级或一个工作单元；本发明的叶轮具备了轴流式叶轮多级串联增效的优点，又具有径流式结构，具备了高效离心作用的优点；本发明的叶轮能量转化效率高，将其应用于压气机和涡轮上，不管是压气机的机械能转势能还是涡轮的势能、热能转机械能，效率都比现有常规结构高很多；本发明的叶轮结构简单，叶片结构规则，制造工艺简单，叶片的冷却气流通道设计简单；本发明的叶轮摒弃了现有常规技术中的导向叶轮和轴流式结构设计，使得体积大幅的缩小；本发明的叶轮应用广泛，应用领域涉及航空、船舶、发电、汽车等多个方面。

实施例2

实施例1所述的叶轮的使用方法包括如下步骤：

所述动力输入轴1正转，所述正转叶轮盘2在所述叶轮毂4的作用下正转同时带动所有所述正转叶片组的正转叶片7正转，所述反转齿轮组件5的第二齿轮52正转带动第三齿轮53旋转，进而带动第一齿轮51反转，所述反转叶轮盘3在第一齿轮51下反转同时带动所有所述反转叶片组的反转叶片8反转，所述正转叶轮盘2与所述反转叶轮盘3之间形成多级工质通道6；

工质经叶轮的进气口11沿轴向进入，在所述叶轮的离心导流叶轮13作用下推进并离心沿径向输出，在第一级正转叶片组叶片正旋转推进并离心输出经一级工质通道6作用于第二级反转叶片组叶片上，第二级反转叶片组叶片反旋转推进并离心输出，……直至最后一级反转叶片组叶片反旋转推进并离心从所述叶轮的出气口12输出。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，所述叶轮包括动力输入轴(1)、正转叶轮盘(2)和反转叶轮盘(3)，所述正转叶轮盘(2)通过叶轮毂(4)安装在所述动力输入轴(1)上，所述反转叶轮盘(3)通过反转齿轮组件(5)与所述动力输入轴(1)传动连接且与所述正转叶轮盘(2)形成对扣；

所述正转叶轮盘(2)和所述反转叶轮盘(3)均为凹面盘；所述正转叶轮盘(2)的凹面侧设有多级沿径向排列的正转叶片组；所述反转叶轮盘(3)的凹面侧设有多级沿径向排列的反转叶片组；多级所述正转叶片组和多级所述反转叶片组依次相互交错排布形成多级工质通道(6)。

2.如权利要求1所述的一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，每级所述正转叶片组是由同轴同半径且形状相同的正转叶片(7)组成，各级所述正转叶片组的正转叶片(7)的宽度从所述正转叶轮盘(2)的轴心向外沿径向逐渐减小；每级所述反转叶片组是由同轴同半径且形状相同的反转叶片(8)组成，各级所述反转叶片组的反转叶片(8)的宽度从所述反转叶轮盘(3)的轴心向外沿径向逐渐减小。

3.如权利要求1所述的一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，每级所述正转叶片组的正转叶片(7)和对应的所述反转叶片组的反转叶片(8)的安装角相反且沿径向错位布置。

4.如权利要求1所述的一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，每级所述正转叶片组的正转叶片(7)通过至少两个正转固定环(9)连接成一体；每级所述反转叶片组的反转叶片(8)通过至少两个反转固定环连接成一体。

5.如权利要求1所述的一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，所述叶轮设置有轴向进气口(11)和径向出气口(12)。

6.如权利要求5所述的一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，所述叶轮还包括离心导流叶轮(13)，所述离心导流叶轮(13)与所述反转叶轮盘(3)固定安装并与反转叶轮盘(3)一起套装在所述动力输入轴(1)上且靠近进气口(11)端。

7.如权利要求1所述的一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，所述反转齿轮组件(5)包括第一齿轮(51)、第二齿轮(52)和第三齿轮(53)，所述第一齿轮(51)套设在所述动力输入轴(1)外且与所述反转叶轮盘(3)连接，所述第二齿轮(52)安装在所述动力输入轴(1)上，所述第一齿轮(51)与第二齿轮(52)相对设置且通过水平设置的所述第三齿轮(53)啮合。

8.如权利要求7所述的一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，所述第一齿轮(51)和所述第二齿轮(52)的形状相同；第一齿轮(51)、第二齿轮(52)和第三齿轮(53)的齿与齿盘所成角度均为倾斜角，且第一齿轮(51)的齿与齿盘所成角度与第三齿轮(53)的齿与齿盘所成角度之和为90°。

9.如权利要求1所述的一种径流式多级对转离心叶轮，其特征在于，所述正转叶轮盘(2)和反转叶轮盘(3)的厚度均从盘中心向外沿径向逐渐变薄。

10.如权利要求1-9任一项所述的叶轮的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括如下步骤：

所述动力输入轴(1)正转，所述正转叶轮盘(2)在所述叶轮毂(4)的作用下正转同时带动所有所述正转叶片组的正转叶片(7)正转，所述反转叶轮盘(3)和所述叶轮的离心导流叶轮(13)在所述反转齿轮组件(5)作用下反转同时带动所有所述反转叶片组的反转叶片(8)反转，所述正转叶轮盘(2)、所述叶轮的离心导流叶轮(13)和所述反转叶轮盘(3)之间形成多级工质通道(6)；

工质经叶轮的进气口(11)沿轴向进入，在所述叶轮的离心导流叶轮(13)作用下推进并离心沿径向输出；再依次经多级工质通道(6)从所述叶轮的出气口(12)输出。

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