CN112503022A - 一种闭式叶轮及压气机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种闭式叶轮，包括后盖、叶片、套体和前盖，前盖罩设于叶片上，前盖呈圆台环状，进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片、后盖和前盖之间形成流道；前盖尾部和后盖之间由叶片隔成间隔的出风口，气体由叶片前部经流道从出风口流出。本发明还公开了一种含该闭式叶轮结构的压气机。本发明的闭式叶轮设置前盖，工作时气体泄露少，摩擦损失小，流动阻力小，效率高。前盖由碳纤维复合材料制成，叶轮整体质量轻且具有高强度。设有分流叶片，既可以减少进口气流的堵塞，又可以提高叶轮出口的滑移系数，不仅使叶轮效率提高，而且可提高压气机的整机效率。

Description

一种闭式叶轮及压气机
技术领域
本发明涉及一种闭式叶轮，及压气机，属于压气机技术领域。
背景技术
工业燃气轮机主要包括压气机、燃烧室及透平三大部件。压气机是利用高速旋转的叶片给气体(多为空气)做功以提高气体压力的部件，其将空气压缩成高温高压的空气，然后供给燃烧室燃料燃烧，产生的高温高压燃气在透平中膨胀做功。压气机所用叶轮分为开式、半开式和闭式，三种叶轮的特点如下：
开式叶轮：摩擦损失和流动阻力很大，叶轮效率最低，易产生振动，不宜在高转速下工作。
半开式叶轮：摩擦损失和流动阻力较开式的小，效率较高，有一定的刚度和强度，允许在较高的圆周速度下工作。
闭式叶轮：摩擦损失和流动阻力均最小，效率最高，但是由于结构复杂，笨重，以及轮盖在旋转时会对叶片产生巨大的应力，其强度较差，不宜于高转速工况下使用。
目前的压气机采用的叶轮多为半开式叶轮。研发压气机需要克服的难题在于：如何获得较小的摩擦损失和流动阻力、较高的效率、轻巧并具有高强度。
另外，目前的压气机普遍采用多个径向轴承和推力轴承组成的轴承组，往往需要足够长的转轴来进行安装，带来的问题是压气机轴向尺寸增加，若将该类型的压气机用在微型燃气轮机发电机组等设备中，会增大设备所占用的空间，同时增加整体重量，不利于集成化设计；且布置多个轴承所带来的加工及装配误差会增大，加工及装配难度高。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供了一种闭式叶轮，其摩擦损失小，流动阻力小，效率高，轻巧并具有高强度。本发明还提供了一种含该闭式叶轮结构的压气机。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种闭式叶轮，包括后盖、叶片、套体和前盖，其中，后盖设置在套体尾端，且后盖与套体中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴上；叶片环绕套体设置且朝同一方向旋转，叶片的一端与套体外壁连接，另一端与后盖端面连接；前盖罩设于叶片上，前盖呈圆台环状；前盖的进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片、后盖和前盖之间形成流道；前盖尾部和后盖之间由叶片隔成间隔的出风口，气体由叶片前部经流道从出风口流出。
进一步的，所述后盖、叶片和套体一体成型。
进一步的，所述叶片外缘在轴向上凸出于后盖端面。
进一步的，所述叶片包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置。所述前盖凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置。
进一步的，所述前盖的前沿凸出于叶片前沿，或平于叶片前沿，或短于叶片前沿。
进一步的，所述前盖由碳纤维复合材料制成。具体的制备方法为：
步骤A，将设定体积的碳纤维投入油床中，利用该油床中的液态胶合剂对碳纤维进行浸润；
步骤B，将经过充分浸润的碳纤维提取出，并挤压以去除其中的多余胶合剂；
步骤C，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行缠绕处理形成沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维；
步骤D，将沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维进行抽真空处理，使碳纤维三维结构中的气体被抽出；
步骤E，将液态钢基材料通过微注射器注射入到碳纤维三维结构中，并在注射过程中对该碳纤维三维结构进行微震动，得到钢基材料与沾满胶合剂碳纤维的复合材料；
步骤F，将钢基材料与沾满胶合剂碳纤维的复合材料放入模具中加压冷却成型，得到成型的通过化学键连接的钢基碳纤维复合前盖。
一种压气机，包括转轴，转轴上套设叶轮和电机，所述叶轮的结构如上所述。
进一步的，所述闭式叶轮外罩设静子，静子上正对前盖的部分均匀开设一圈或多圈气孔，该处进气后可分解为轴向和径向的气流，径向气流将使叶轮悬浮于静子内稳定转动，轴向气流将叶轮向后推，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用。
进一步的，所述电机的一侧或/和两侧设置套设于转轴的径向轴承，或不设径向轴承。设有两个径向轴承时，相当于共有三个径向轴承支撑，整体振动小，运行稳定。不设径向轴承或者只含有其中一个时，转轴长度缩短，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。
进一步的，所述径向轴承为空气轴承。
进一步的，所述转轴上可设或者不设推力轴承，具体根据轴向力计算结果确定，如果轴向力过大、难以抵消，则需要设置推力轴承。
本发明的闭式叶轮及压气机，设置可拆卸的前盖，前盖呈圆台环状，进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，工作时摩擦损失小，流动阻力小，效率高；工作时前盖与叶片之间紧密咬合，气体由叶片前部经流道从出风口流出，气体泄露极少。前盖由碳纤维复合材料制成，叶轮整体质量轻且具有高强度，转动时叶片(金属材质)会膨胀，而前盖不膨胀，因此随着转动的增快、时间的增长，叶片和前盖的凹槽之间的咬合会越来越紧(设置有静子作为空气轴承时，其进气也会施加在前盖上，进一步防止叶片和前盖的凹槽分离)，适合高速旋转工况。设有分流叶片，既可以减少进口气流的堵塞，又可以提高叶轮出口的滑移系数，不仅使叶轮效率提高，而且由于改善了叶轮出口的流场，从而可以提高压气机的整机效率。
本发明的前盖由碳纤维复合材料制成，通过钢材基体、碳纤维和胶合剂的加入，所形成的复合材料远远突破常规各类钢材基体材料自身的模量上限，刚度大幅增加，同时，增强了钢材的抗拉强度和断裂力，剪切强度也得到了很大提高，其各项性能远高于普通钢材；同时生产成本、工艺门槛和批量化流程及通用性等方面都控制在金属材料体系内，使得有高性能材料需求的行业普遍受益。
本发明的压气机，设有斜向推力结构，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用(从气孔内向静子和叶轮之间的间隙内通入气体，使间隙内形成均匀稳定的气膜，使叶轮在静子内稳定旋转，从而起到空气轴承的作用)，可以减少甚至取代原有的径向轴承及推力轴承。静子兼做推力轴承时，若转轴上还设置其他径向轴承，相当于有多个径向轴承支撑，整体振动小，运行稳定。若转轴上没有其他径向轴承或者只含有少量径向轴承，则缩短转轴长度，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。提及的术语和短语如有与公知含义不一致的，以本发明所表述的含义为准。
附图说明
图1：本发明的闭式叶轮的结构示意图。
图2：后盖、叶片和套体的结构示意图。
图3：图2的主视图。
图4：图2的侧视图。
图5：图4中A-A位置的剖视图。
图6：本发明的闭式叶轮与静子的装配关系示意图。
图7：前盖的制作流程图。
图8：静子兼做空气轴承的斜向推力结构示意图。
图9：电机两侧设置套设于转轴的径向轴承的结构示意图。
图10：电机一侧设置套设于转轴的径向轴承的结构示意图。
图11：电机两侧均不设径向轴承的结构示意图。
其中，1-转轴，2-叶轮，201-后盖，202-叶片，203-套体，204-前盖，205-流道，206-出风口,3-静子，301-气孔，4-电机。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域的专业人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
实施例1
一种闭式叶轮，包括后盖201、叶片202、套体203和前盖204，如图1～5所示，其中，后盖201设置在套体203尾端，且后盖201与套体203中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴1上；叶片202环绕套体203设置且朝同一方向旋转，叶片202的一端与套体203外壁连接，另一端与后盖201端面连接；前盖204罩设于叶片202上，前盖204呈圆台环状；前盖204的进气面为沿叶片202脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片202端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片202端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片202、后盖201和前盖204之间形成流道205；前盖204尾部和后盖201之间由叶片202隔成间隔的出风口206，气体由叶片202前部经流道205从出风口206流出。
所述后盖201、叶片202和套体203一体成型，如图2～5所示。
所述叶片202外缘在轴向上凸出于后盖201端面。
所述叶片202包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置。所述前盖204凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置。
所述前盖204的前沿凸出于叶片202前沿，或平于叶片202前沿，或短于叶片202前沿。
所述前盖204由碳纤维复合材料制成，具体的制备方法为(流程图如图7所示)：
步骤A，将设定体积的碳纤维投入油床中，利用该油床中的液态胶合剂对碳纤维进行浸润；
步骤B，将经过充分浸润的碳纤维提取出，并挤压以去除其中的多余胶合剂；
步骤C，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行缠绕处理形成沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维；
步骤D，将沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维进行抽真空处理，使碳纤维三维结构中的气体被抽出；
步骤E，将液态钢基材料通过微注射器注射入到碳纤维三维结构中，并在注射过程中对该碳纤维三维结构进行微震动，得到钢基材料与沾满胶合剂碳纤维的复合材料；
步骤F，将钢基材料与沾满胶合剂碳纤维的复合材料放入模具中加压冷却成型，得到成型的通过化学键连接的钢基碳纤维复合前盖。
一种压气机，包括转轴1，如图6所示，转轴1上套设叶轮2和电机4，叶轮2外罩设静子3，所述叶轮的结构如上所述。
一种燃气轮机，采用上述的压气机。
上述闭式叶轮及压气机，设置可拆卸的前盖，前盖呈圆台环状，进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，工作时摩擦损失小，流动阻力小，效率高；工作时前盖与叶片之间紧密咬合，气体由叶片前部经流道从出风口流出，气体泄露极少。前盖由碳纤维复合材料制成，叶轮整体质量轻且具有高强度，转动时叶片(金属材质)会膨胀，而前盖不膨胀，因此随着转动的增快、时间的增长，叶片和前盖的凹槽之间的咬合会越来越紧，适合高速旋转工况。设有分流叶片，既可以减少进口气流的堵塞，又可以提高叶轮出口的滑移系数，不仅使叶轮效率提高，而且由于改善了叶轮出口的流场，从而可以提高压气机的整机效率。
前盖由碳纤维复合材料制成，通过钢材基体、碳纤维和胶合剂的加入，所形成的复合材料远远突破常规各类钢材基体材料自身的模量上限，刚度大幅增加，同时，增强了钢材的抗拉强度和断裂力，剪切强度也得到了很大提高，其各项性能远高于普通钢材；同时生产成本、工艺门槛和批量化流程及通用性等方面都控制在金属材料体系内，使得有高性能材料需求的行业普遍受益。
实施例2
一种压气机，包括转轴1，转轴1上套设叶轮2和电机4；其中，叶轮的结构为；包括后盖201、叶片202、套体203和前盖204，如图1～5所示，其中，后盖201设置在套体203尾端，且后盖201与套体203中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴1上；叶片202环绕套体203设置且朝同一方向旋转，叶片202的一端与套体203外壁连接，另一端与后盖201端面连接；前盖204罩设于叶片202上，前盖204呈圆台环状；前盖204的进气面为沿叶片202脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片202端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片202端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片202、后盖201和前盖204之间形成流道205；叶片202外缘在轴向上凸出于后盖201端面；前盖204尾部和后盖201之间由叶片202隔成间隔的出风口206，气体由叶片202前部经流道205从出风口206流出。
所述前盖204由碳纤维复合材料制成。
所述闭式叶轮外罩设静子3，如图8所示，静子3上正对前盖204的部分均匀开设一圈或多圈气孔301，该处进气后可分解为轴向和径向的气流，径向气流将使叶轮悬浮于静子3内稳定转动，轴向气流将叶轮向后推，静子3用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用。
所述电机的两侧设置套设于转轴的径向轴承(图9)，或一侧设置套设于转轴的径向轴承(图10)，或不设径向轴承(图11)。设有两个径向轴承时，相当于共有三个径向轴承支撑，整体振动小，运行稳定。不设径向轴承或者只含有其中一个时，转轴长度缩短(图9～11中，轴长是依次缩短的)，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。
所述径向轴承为空气轴承。
所述转轴上可设或者不设推力轴承，具体根据轴向力计算结果确定，如果轴向力过大、难以抵消，则需要设置推力轴承。
上述压气机，设有斜向推力结构，静子用作空气轴承同时起到了径向轴承和推力轴承的作用(从气孔内向静子和叶轮之间的间隙内通入气体，使间隙内形成均匀稳定的气膜，使叶轮在静子内稳定旋转，从而起到空气轴承的作用)，可以减少甚至取代原有的径向轴承及推力轴承。静子兼做推力轴承时，若转轴上还设置其他径向轴承，相当于有多个径向轴承支撑，整体振动小，运行稳定。若转轴上没有其他径向轴承或者只含有少量径向轴承，则缩短转轴长度，容易保障轴上零件同轴度，加工更容易，集成度高，整机可靠性高。另外，气孔的进气会施加在前盖上，可更好地防止叶片和前盖的凹槽分离，更适合于高速旋转工况。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种闭式叶轮，其特征在于：包括后盖、叶片、套体和前盖，其中，后盖设置在套体尾端，且后盖与套体中心设置一体的通孔用于套设并固定于转轴上；叶片环绕套体设置且朝同一方向旋转，叶片的一端与套体外壁连接，另一端与后盖端面连接；前盖罩设于叶片上，前盖呈圆台环状；前盖的进气面为沿叶片脊线轮廓光滑过渡的曲面，背气面设有与叶片端部相吻合的凹槽，各凹槽对应的叶片端部嵌入凹槽内紧配合连接；叶片、后盖和前盖之间形成流道；前盖尾部和后盖之间由叶片隔成间隔的出风口，气体由叶片前部经流道从出风口流出。
2.根据权利要求1所述的闭式叶轮，其特征在于：所述后盖、叶片和套体一体成型；或/和：所述叶片外缘在轴向上凸出于后盖端面。
3.根据权利要求1所述的闭式叶轮，其特征在于：所述叶片包括较长的主叶片和较短的分流叶片，主叶片和分流叶片依次间隔设置；所述前盖凹槽分为主叶片槽和分流叶片槽，分别对应主叶片和分流叶片端部设置。
4.根据权利要求1所述的闭式叶轮，其特征在于：所述前盖的前沿凸出于叶片前沿，或平于叶片前沿，或短于叶片前沿。
5.根据权利要求1所述的闭式叶轮，其特征在于：所述前盖由碳纤维复合材料制成。
6.根据权利要求5所述的闭式叶轮，其特征在于：所述前盖是由以下方法制备得到的：
步骤A，将设定体积的碳纤维投入油床中，利用该油床中的液态胶合剂对碳纤维进行浸润；
步骤B，将经过充分浸润的碳纤维提取出，并挤压以去除其中的多余胶合剂；
步骤C，对挤压掉多余胶合剂后的碳纤维进行缠绕处理形成沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维；
步骤D，将沾满胶合剂且具有三维结构的海绵状碳纤维进行抽真空处理，使碳纤维三维结构中的气体被抽出；
步骤E，将液态钢基材料通过微注射器注射入到碳纤维三维结构中，并在注射过程中对该碳纤维三维结构进行微震动，得到钢基材料与沾满胶合剂碳纤维的复合材料；
步骤F，将钢基材料与沾满胶合剂碳纤维的复合材料放入模具中加压冷却成型，得到成型的通过化学键连接的钢基碳纤维复合前盖。
7.一种压气机，包括转轴，转轴上套设叶轮和电机，其特征在于：所述叶轮为权利要求1～6中任一项所述的闭式叶轮。
8.根据权利要求7所述的压气机，其特征在于：所述闭式叶轮外罩设静子，静子上正对前盖的部分均匀开设一圈或多圈气孔。
9.根据权利要求7或8所述的压气机，其特征在于：所述电机的一侧或/和两侧设置套设于转轴的径向轴承，或不设径向轴承；
或/和：所述转轴上可设或者不设推力轴承。
10.一种燃气轮机，采用权利要求7～9中任一项所述的压气机。
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