CN1302356A - 涡轮机叶轮 - Google Patents

Abstract

一种带分流叶片(5)的叶轮(2)具有较宽的工作范围而又不影响涡轮机的性能。涡轮机叶轮(2)包括一组安置在相邻足尺叶片(4)之间的分流叶片(5)。每个分流叶片(5)以这样的方式成形,即分流叶片前缘的节距方向位置在跨度方向上的分布模式是根据流入分流叶片(5)中的流体沿跨度方向和节距方向的流体速度不均匀性而确定的。

Description

涡轮机叶轮

本发明涉及涡轮机，诸如用于输送液体的泵或用于压缩气体的压气机，特别是涉及包含这样叶轮的涡轮机，即在足尺叶片之间的用于改进性能的短分流叶片。

相关技术叙述

图1表示一种只包括足尺叶片的常规叶轮。这种类型的叶轮具有一组位于截头圆锥形叶毂2的弯曲外表面上的叶片3，它们环绕着轴1沿圆周方向等距布置。流道由一个护罩(未示出)、两个相邻叶片以及弯曲叶毂表面之间的空间构成。流体通过一个毗邻轴的入口进入叶轮空间并通过叶轮外周边上的出口流出。通过叶轮绕着轴的旋转运动，流体被压缩并获得动能，从而可以通过涡轮机而增压输送流体。

虽然有些叶轮不带护罩，但壳体与叶尖之间的间隙被设置的足够小，从而可防止泄流。因此不带护罩的叶轮中的流动与带护罩的叶轮中的流动基本相同。所以，以下在本说明书中解释带护罩的叶轮时，术语“护罩侧”对于不带护罩的叶轮而言应解释为“壳体侧”或“叶尖侧”。

这种传统涡轮机中需要解决的一个重要问题是，不但要提高它们在设计流率方面的性能，还要实现较宽的工作范围。例如，当泵在超过了设计流率的流率下工作时，流体速度的局部上升将导致叶轮入口处局部压力下降。而且特别是在抽吸压力低时，在某些区域流体压力将低于流体的蒸气压力。这将导致产生所谓的“气穴”，气穴中的流体被蒸发，而且众所周知的是泵的增压功能会因为气泡的阻塞作用而受损。

另一方面，如果用于压缩气体的压气机在高于设计流率的流率下工作时，在流道的最小横截面区域内的速度将高于声速，从而引起所谓的“堵塞”，而且众所周知的是，由于气道的阻塞，压气机的压缩功能会迅速消失。

这种因气穴和堵塞现象而导致装置性能下降的问题是由这样的事实引起的，即叶轮的增压作用会因有效流道面积的减小而被打断，而这种面积减小是由液体蒸发区域或气体超声速区域的扩大导致的。因此提高涡轮抽吸性能的一种有效解决方式是扩大叶轮入口区域的流道面积。其中一个措施是每隔一个叶片去掉前部。在这种情况下，具有原始叶片长度的叶片被称作“足尺叶片”，而具有较短叶片长度的叶片被称作“分流叶片”。这种带分流叶片的叶轮旨在通过减少叶片的有效数量以扩大叶轮入口区域的流道面积，从而提高抽吸能力，与此同时，在流道后半部分可以通过安置在足尺叶片中的分流叶片保持叶片的增压效果。

图2表示带分流叶片的传统叶轮。叶轮包括交替分布在叶毂2上的足尺叶片4和分流叶片5，以确保入口处的流道较宽，而在后半部分装有足够数量的叶片以确保足够的增压效果。如前所述，为了便于制造，这种带分流叶片的叶轮是通过机加工将等距分布于叶毂上的足尺叶片每隔一个去掉前部而制成的。分流叶片的形状除了去掉部分以外与足尺叶片完全相同，并被安置在足尺叶片之间的节距中央位置上。

然而在带有这种通过将均匀分布的足尺叶片中的每隔一个去掉前部而制成的分流叶片的叶轮中，面对着入口的足尺叶片4上的抽吸表面4s处的流体速度将增大，而足尺叶片4相反方向上的压力表面4p处的流体速度将减小。在这种状况下，在流道前部，即足尺叶片被去掉了前半部分处，流体不能沿着叶片表面按正确方向流动动。这种结果是因分流叶片入口处的流道角度与叶片角度差异而导致的，这将引起分流叶片处的流动分离问题。

图3A表示带图2所示分流叶片且固有转速为400(m³/min,m,rpm)的叶轮的子午线方向几何形状，而图3B是由三维粘滞流动算法求出的形成在图3A中的A-A剖面上的环形流道子午线方向流速等高线图。图4表示固有转速为800(m³/min,m,rpm)的叶轮的类似图形。从这些图中可以理解，在从叶毂至护罩的区域内，足尺叶片在抽吸侧的流速显著高于压力侧，因而流过叶轮的流体更多地集中在足尺叶片的抽吸侧。

在这种流动状态下，当分流叶片位于足尺叶片间的节距中央位置上时，会产生一种流动失衡现象，从而使流动于抽吸表面4s与压力表面5p之间的流道中的流体量不同于压力表面4p与抽吸表面5s之间的流体量。这使得每个分流叶片两侧的流出速度和流出角度等流体动态参数出现不均衡。现已知这种不均衡将引起多种不良效果，例如因叶轮出口处流体混合而导致的损耗增大，以及因叶轮流出不稳定性上升而导致的出口处扩散段性能下降。

为了解决这种流场中的失调和流道中的不均匀性问题以提高叶轮性能，通常会考虑应当将分流叶片的前缘从节距中央位置移向相邻足尺叶片的抽吸侧。例如，一些流率失调补救措施包括：使分流叶片前缘两侧的流道宽度相等而减小流体入口处的失调；使分流叶片后缘与前缘位于足尺叶片间相同距离比例的位置上而降低流率不均匀性的负作用；以及将分流叶片沿圆周方向移位而使流率最优化。

然而，这些已知的补救措施不能令人足够满意地使分流叶片的位置最优化。具体地讲，如图3和4所示，高速区域在节距方向或圆周方向的扩大是沿跨度方向或从叶毂至护罩方向变化的，而且流率的圆周方向不均匀程度在流道的叶毂侧与护罩侧之间变化很大。此外，在足尺叶片抽吸表面的护罩侧流体速度特别高，从而也会沿跨度方向产生流率不均匀性。这样，由于传统技术未考虑流率分布模式的三维性质所造成的影响，因此不能完全消除流率不均匀性对装置性能的负面影响。

本发明的目的是解决因分流叶片的不合适形状而引起的性能下降问题并且提供一种清晰的适宜分流叶片结构，从而提供出一种工作范围宽而且不影响涡轮机性能的带分流叶片的叶轮。

这个目的已经通过这样一种涡轮机叶轮实现，该叶轮包括：一个叶毂；一组足尺叶片，它们沿圆周方向等距布置在叶毂上；以及一组分流叶片，它们分别安置在每两个相邻足尺叶片之间，其中每个分流叶片以这样的方式成形，即分流叶片的前缘的节距方向位置在跨度方向上的分布模式是根据流入分流叶片中的流体沿跨度方向和节距方向的流率不均匀性而确定的，如图5所示。这里，术语“跨度方向”用于指叶轮的“厚度”方向，即如图3A或4A所示连接子午线截面上的分别位于叶毂和护罩(叶尖)上的两个相应点的直线方向。此外，术语“节距方向”用于指如图5A和5B中所示两个相邻足尺叶片之间的节距内的圆周方向。

通过调节分流叶片前缘在叶毂-护罩空间中的位置，本发明的带分流叶片的叶轮能够避免流道中的流场失调或流率不均匀，并且防止或延迟局部流动区域内的叶轮阻塞的发生。从而，可以缓和叶轮的叶毂-护罩空间中的流场不均匀性带来的负面影响，使涡轮机高效工作。

形成在足尺叶片与分流叶片之间的每个流道可以以这样的方式成形，即可以避免足尺叶片和分流叶片的抽吸表面后半部分上出现流动分离。

此外，每个分流叶片可以以这样的方式成形，即分流叶片的前缘在叶尖处的位置从相邻足尺叶片间的节距中央位置偏移开，而且分流叶片的前缘具有特定的节距方向位置分布模式，该节距方向位置沿着跨度方向变化。

圆周方向位置的分布模式可以根据流入分流叶片中的流体的不均匀分布而确定。

最好是使前缘的任何位置均位于由以下不等式表示的无量纲参数P的范围内：0.42＜P＜0.77，其中P是某位置与毗邻分流叶片抽吸侧的足尺叶片上的一条叶片弧线上圆周方向相应位置之间的节距方向距离，并按相邻足尺叶片间的节距距离进行校正(参照图6)。

此外，如图7所示，分流叶片的后缘可以沿圆周方向从相邻足尺叶片间的节距中央位置偏移开，只要节距方向位置不超出分流叶片前缘的节距方向位置即可。

附图包括：

图1A～1C是一种带足尺叶片的传统叶轮的透视图；

图2A～2C是一种带分流叶片的传统叶轮的透视图；

图3A是带分流叶片且固有速度为Ns=400的传统叶轮的子午线方向轮廓图；

图3B是叶轮在图3A中的A-A剖面上的子午线方向速度分布模式图；

图4A是带分流叶片且固有速度为Ns=800的传统叶轮的子午线方向轮廓图；

图4B是叶轮在图4A中的A-A剖面上的子午线方向速度分布模式图；

图5A、5B是本发明的带分流叶片的叶轮的示意图；

图6是用于解释本发明所用坐标系统的示图；

图7是本发明的带分流叶片的压气机叶轮的另一个实施例的示图；

图8是根据本发明另一个实施例的带分流叶片的叶轮的子午线方向轮廓图；

图9是固有速度为Ns=300的带分流叶片的叶轮的透视图；

图10A、10B分别是图9中所示本发明叶轮和传统叶轮在设计流率下的流场分析结果比较图；

图11A、11B分别是图9中所示本发明叶轮和传统叶轮在110％的设计流率下的流场分析结果比较图；

图12A、12B分别是图9中所示本发明叶轮和传统叶轮在85％的设计流率下的流场分析结果比较图；

图13A～13C是一种固有速度为Ns=800的带分流叶片的泵叶轮的透视图；

图14是图13A～13C所示泵叶轮相对于分流叶片前缘的三个不同位置的增压特性曲线图；

图15是图13A～13C所示泵叶轮相对于分流叶片前缘的三个不同位置的叶轮效率曲线图；

图16A～16C是分流叶片前缘位置变化时的效果示意图；

图17A～17C是图13A～13C所示叶轮在分流叶片位于一个固定位置时产生的各种流场图；

图18A～18C是图13A～13C所示叶轮在分流叶片位于另一个位置时产生的各种流场图；

图19A～19C是图13A～13C所示叶轮在分流叶片位于另一个位置时产生的各种流场图；

图20是相对于分流叶片后缘位置变化的叶轮效率变化曲线图。

下面将通过压气机和泵解释带叶轮的涡轮机的优选实施例。在全文中，固有速度这样确定：Ns=NQ^0.5/H^0.75，其中N是叶轮的转速，单位为rpm(转/分钟)，Q是流率，单位为m³/min(立方米/分钟)，而H是压力，单位为米。

图8～12是用在离心式压气机中的固有速度大约为Ns=300的叶轮的实施例。如图8中的子午线方向轮廓图所示，分流叶片前缘在子午线截面上的位置在叶毂表面上足尺叶片长度的31％处，及护罩表面上足尺叶片长度的40％处。本实施例的三维透视图如图9所示。分流叶片前缘在叶毂表面上的节距方向位置为Phub=0.43(参照图5A)，在护罩侧的位置为Pshr=0.55，而在跨度中点的位置为Pm=0.49。后缘在叶毂侧和护罩侧均位于足尺叶片中央，即Phub(P_叶毂)，TE=Pshr(P_护罩)，TE=0.5。叶片沿子午线方向在近乎流道中点处对中于跨度中央位置上。在这里，分流叶片在节距方向上的位置是以一个无量纲圆周方向长度P(参照图6)表示的，该长度P是通过将该位置与毗邻分流叶片抽吸侧的足尺叶片上的圆周方向相应位置之间的距离被相邻足尺叶片间的节距距离规一化处理后所得到的。该无量纲圆周方向长度P向着相邻足尺叶片的抽吸表面方向增大。

前缘在叶毂与护罩之间沿跨度方向的圆周方向位置变化优选根据流入分流叶片区域的流体的分布不均匀性而确定。例如，当叶毂与护罩之间的进流分布不均匀性是线性时，前缘的位置应该在叶毂与护罩之间线呈性变化。如果进流的不均匀性集中在护罩侧区域中，则优选采用二阶或更高阶曲线，该曲线在叶毂与跨度中央之间缓慢变化，之后向着护罩方向相对强烈地变化。

如上所述，本实施例中的分流叶片前缘是以这样的方式成形的，即相对于足尺叶片之间的节距中点，分流叶片的护罩侧前缘接近于相邻足尺叶片的抽吸表面定位，而叶毂侧前缘接近于另一相邻足尺叶片的压力侧表面定位。这种结构用于修正叶轮分流叶片入口处的流场沿跨度方向的不均匀性。

图10A、10B对比显示出了根据三维粘滞流动算法求出的本发明结构与在节距中央位置带有分流叶片的传统结构在设计流率下的分流叶片抽吸侧附近速度矢量分布。图10A中所示传统叶轮会在分流叶片前缘的护罩表面附近产生流场失调，从而形成了一个沿着护罩表面的宽阔流动分离区域。与此相反，本发明的叶轮能够完全抑制流动分离区域的产生，从而产生极好的流动状态。

图11A、11B表示流率为设计流率的110％时的流场的类似对比结果，其中传统叶轮仍会产生流动分离，而本发明的叶轮没有产生流动分离。图12A、12B中是流率为设计流率的85％时的另一种对比结果。可以看到在传统叶轮中，流体入射角的增大以及流率的降低将导致较大的流动分离，而在本发明的叶轮中，只在毗邻分流叶片前缘的非常小的区域中出现流动分离。因此本实施例说明不但在设计流率下的性能得到改进，而且涡轮机的工作范围可以扩展到从低流率至高流率的宽阔范围内。

接下来将描述具有图4A所示子午线轮廓并且固有速度为Ns=800的用于泵中的叶轮的特性。分流叶片前缘的叶毂端和护罩端在子午线截面上的位置均为子午线长度的40％。图13A～13C表示该叶轮的三维形状。工作特性是基于分流叶片前缘的三种不同圆周方向偏移配置而作出的。

参照图14，在案例Z08中，Phub=0.536，Pshr=0.656；在案例Z12中，Phub=0.454，Pshr=0.588；而在案例Z19中，Phub=0.665，Pshr=0.594。这样，同案例Z12相比，案例Z08中的分流叶片前缘在护罩侧的位置向着足尺叶片的抽吸侧偏移更多一些。在案例Z19中，前缘在叶毂侧比护罩侧向着相邻足尺叶片的抽吸表面偏移更多一些。

图14表示叶轮的增压系数相对于泵的流体流率的变化，而图15表示叶轮效率的变化。本发明的叶轮在设计流率区域可以获得几乎同样高的效率，但在远离设计流率的区域，将如传统结构的叶轮那样效率下降。图17～19表示流率为设计流率的60％时的预期流场，该流场位于部分功率范围内。

如图14所示，在案例Z12中，当流率低于80％时增压系数的增加开始减缓，在流率低于60％时，压力/流率特性显示为正向曲线，这意味着可能出现流场不稳定性。在案例Z08中，通过增加分流叶片前缘的偏移程度，其增压系数在80％流率之前一直保持高于Z12中的值。如图16A示意图显示，导致这种情况的原因是，随着分流叶片向足尺叶片的抽吸表面侧偏移分流叶片的有效长度将增加，因而分流叶片上每单位面积上的负载将减小。将图17C和18C中的流场作比较可以看出，Z08中的分流叶片的抽吸表面上的流动分离低于Z12。

然而，当分流叶片前缘偏移得距足尺叶片的抽吸表面太近时，如案例Z08中那样，沿着足尺叶片抽吸表面后半部分的流道将强烈扩大，因而在部分功率范围内会有大规模的流动分离产生于足尺叶片的抽吸表面上。其结果是，在案例Z08中，增压系数和叶轮效率会因叶轮阻塞而快速下降。图17A～17C表示在这种流动状况下叶轮中的流场，可以证实，在足尺叶片的抽吸表面上将产生大规模的流动分离和逆流。

当分流叶片前缘向着相邻足尺叶片的抽吸表面偏移程度过大时，如图16C所示，即使是在设计流率下也会有大规模的流动分离产生于足尺叶片的抽吸表面的后半部分，这将阻碍高效率的获得。从这一点来看，我们考察了分流叶片前缘向着相邻足尺叶片的抽吸表面的最大圆周方向偏移距离，发现对于叶毂侧和护罩侧，临界极限均保持在P=0.77。

根据进流状态，可以使分流叶片前缘向着相邻足尺叶片的压力表面适当地偏移。然而，当偏移程度过大时，沿着分流叶片抽吸表面的流道将强烈扩大，如图16B所示，因而即使是在设计流率下也会有大规模的流动分离产生于分流叶片的抽吸表面上，这同样会阻碍高效率的获得。从这一点来看，我们考察了分流叶片前缘的最小圆周方向偏移距离，发现对于叶毂侧和护罩侧，临界极限均保持在P=0.42。

如前所示，尽管在案例Z12中足尺叶片中没有阻塞现象产生，但在图18C中仍观察到分流叶片抽吸表面的护罩侧有流动分离，因而在流率低于80％会引起增压损失。在本发明中，可以在多种工作状态下，包括部分功率范围内，通过使分流叶片的三维形状最优化而进一步改进这种工作特性。

在案例Z19中，护罩侧分流叶片的偏移程度与案例Z12中相同，但在叶毂侧，分流叶片前缘同Z12相比向着足尺叶片的抽吸表面偏移更多一些。通过采用这种分流叶片三维形状，叶毂侧分流叶片有效长度增加了，从而减小了分流叶片单位面积上的负载，以避免流动分离。尽管流道沿着叶毂侧足尺叶片抽吸表面的后半部分出现强烈扩大，类似于图16C中所示情况，但只要偏移未超出根据图16C所描述的临界极限，就几乎不会有任何产生流动分离的可能性。图19表示叶轮在这种状况下的流场，可以看到，在分流叶片的护罩侧流动分离显著减轻了，而且如图14所示，直至流率低至60％时仍能达到高性能。

当大规模的流动分离产生于分流叶片或足尺叶片上时，出流将变得极其不均匀，而且因出流混合造成的损耗将导致叶轮效率下降，而且流入出口处扩散段的流体流场状态恶化将导致涡轮机总体性能的显著下降。即使在设计流率下流动失调和不均匀流场很小，如图14所示，但在偏离设计流率的区域内负面作用也有可能增大。因此重要的一点是，根据本发明所需的特定性质而详细地构造分流叶片的形状，以使叶轮中的流场最优化。

在上面给出的所有实施例中，分流叶片后缘在叶轮出口段处的节距方向位置被选择为相邻足尺叶片的中央，而且并未介绍叶片沿跨度方向偏移的情况。然而如参照图13C所作描述，并不希望分流叶片前缘偏移程度过大，这是因为流道将沿着足尺叶片抽吸表面的后半部分强烈扩大，请参照案例Z08中的情况。在下面的实施例中，通过使分流叶片后缘在节距方向的移动与同一个分流叶片的前缘相对应，从而解决了这个问题。

图20表示一种泵中的根据三维粘滞流动算法求出的分流叶片后缘节距方向位置与叶轮效率之间的关系，该泵的固有速度为Ns=800。分流叶片前缘在叶片跨度中央的位置为Pm=0.57。

从图20中的结果可以理解，当分流叶片后缘的位置低于Pm=0.5而流道沿着足尺叶片抽吸表面的后半部分的扩大程度加大时，会因足尺叶片抽吸表面上出现流动分离而导致叶轮效率快速下降。此外，随着分流叶片后缘的位置变得比相应前缘位置更接近足尺叶片抽吸表面，流道沿着分流叶片抽吸表面的扩大程度将加大，分流叶片抽吸表面将出现流动分离。因此可以理解，通过将分流叶片后缘从相邻足尺叶片间的节距中点开始偏移，偏移范围不超出分流叶片前缘在相同跨度位置上的相应节距方向位置，可以提高叶轮效率。

Claims (10)

1．一种涡轮机叶轮，其包括：

一个叶毂；

一组足尺叶片，它们沿圆周方向等距布置在上述叶毂上；以及

一组分流叶片，它们分别安置在每两个相邻上述足尺叶片之间，

其中，每个上述分流叶片以这样的方式成形，即上述分流叶片的前缘的节距方向位置在跨度方向上的分布模式是根据流入上述分流叶片中的流体沿跨度方向和节距方向的流体速度不均匀性而确定的。

2．根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，形成在上述足尺叶片与上述分流叶片之间的每个流道以这样的方式成形，即可以避免上述足尺叶片和上述分流叶片的抽吸表面后半部分上出现流动分离。

3．根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，每个上述分流叶片以这样的方式成形，即上述分流叶片的前缘在叶尖处的位置从相邻足尺叶片间的节距中央位置偏移开，而且上述分流叶片的上述前缘具有特定的节距方向位置分布模式，该节距方向位置沿着跨度方向变化。

4．根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，上述圆周方向位置分布模式相对于距上述叶毂的一个表面的距离呈线性。

5．根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，上述圆周方向位置分布模式相对于距上述叶毂的一个表面的距离沿二阶或更高阶曲线弯曲。

6．根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，上述前缘的任何位置均位于由下面不等式表示的无量纲参数P的范围内：

0.42＜P＜0.77，

其中P是上述位置与毗邻上述分流叶片抽吸侧的足尺叶片上的一条叶片弧线上圆周方向相应位置之间的节距方向距离，并按相邻足尺叶片间的节距距离进行校正。

7．根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，上述前缘的叶尖侧位置距一个相邻足尺叶片的抽吸表面比距另一个相邻足尺叶片的压力表面近。

8．根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，上述前缘的叶毂侧位置距一个相邻足尺叶片上的对置抽吸表面比距上述前缘的叶尖侧位置近。

9．根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，上述分流叶片的后缘沿圆周方向从相邻足尺叶片间的节距中央位置偏移开。

10．根据权利要求9所述的叶轮，其特征在于，上述分流叶片后缘位于相邻足尺叶片间的节距中央位置及相同跨度方向位置上的上述分流叶片前缘的相应节距方向位置之间。

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