CN1386983A - 离心式叶轮机械中的一种高效率后弯叶片叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开了泵、涡轮增压器压气机、风机及气体压缩机用的一种闭式或半开式高效率离心式后弯叶片叶轮。叶轮的后弯叶片在叶轮外径附近的圆柱面剖面叶型,其叶型中弧线是曲线。叶型面由简单形状的光滑曲线或小波纹曲线组成,且叶型近轮盘壁的部分倒向与叶轮转向相反的一侧,使叶片吸力面与轮盘壁的交接处形成一个锐角夹角为30°≤δ≤65°的凹槽,有效地限制与约束了轮内低速流体和流动分离流体的逸散和扩展。同时这种构形的叶片还能对近叶轮出口的流体起推挤作用产生附加动能提高轮盖侧的流速值,降低了叶轮出口的流场的不匀度,进一步提高了叶轮、静止扩压元件和整个级的效率并扩大了高效率区及稳定工况区的流量范围。

Description

离心式叶轮机械中的一种高效率后弯叶片叶轮

本发明涉及压缩流体用的离心式叶轮机械(泵、风机、气体压缩机及涡轮增压器中的离心压气机等)领域内的一种闭式或半开式后弯叶片叶轮。

近代对离心叶轮内流场的实测结果分析表明，由于流体粘性影响的存在及离心叶轮内流程长与横向压力梯度大的特点，为轮内二次流的生长与充分发展提供了有利的条件。叶轮内二次流现象的主要表现：一个是由于轮盘(轮毂)与轮盖(轮缘)之间存在压力差(由自轴向转弯至径向的子午流线曲率产生的法向惯性力和叶轮高速旋转而生的离心惯性力所致)引起的附着在叶片表面上的边界层流体沿叶片表面自轮盘面往轮盖面方向的迁移流动；另一个是在每个叶片通道(由一个叶片的压力面及相邻叶片的吸力面组成)的叶片压力面与吸力面之间，由于在主流运动方向的法线方向存在压力差(由叶片通道曲率产生的法向惯性力、叶轮高速旋转而生的离心惯性力及Coriolis惯性力所致)引起的附着在轮盘(轮毂)表面和轮盖(闭式叶轮)表面上的边界层流体分别各沿盘、盖表面自压力面往吸力面方向的迁移流动。在二次流的直接作用及二次流与主流的相互影响下，离心叶轮出口部分的流场分布变得很不均匀。迁移、堆垒的边界层流体与流动分离的低速流体聚集在叶轮出口部分由轮盖和叶片吸力面构成的角区内，形成了叶轮出口流场的“尾迹区”(低速区)。由于“尾迹区”缩减了叶轮出口部分的有效通流面积以及Coriolis惯性力作用产生的使高速流体向叶片压力面集拢的“流动分层效应”，都令主流与压力面附近流体的流速明显提高，形成了叶轮出口流场的“射流区”(高速区)，导致离心叶轮出口流场“射流—尾迹”现象的形成。离心叶轮内部流场决定的“射流—尾迹结构”(jet-wake stracture)与叶轮流道的几何构造(叶片曲面、叶片数、有无轮盖、盘面与盖面的形状)和运转工况(转速、流量)密切相关。几乎在所有型式构造的叶轮(后弯叶片、前弯叶片、径向叶片、闭式、半开式)与所有运转工况(有攻角流入和无攻角流入)，离心叶轮的出口流场都存在“射流—尾迹结构”，但结构的强弱程度差异很大。凡“射流—尾迹结构”，强化明显————“射流区”占据空间范围小而“尾迹区”占据空间范围大的叶轮出口流场，其叶轮效率与级效率就低；反之，则高。因此，为了提高叶轮与级的效率，就必须尽力弱化“射流——尾迹结构”，缩小“尾迹区”避免或尽可能推迟流动分离。

在由本发明提出人申请的专利(ZL94239408.9，《一种后弯叶轮》)中，公开了一种改进现有离心式后弯叶片出口部分通用结构以提高叶轮与级效率的方法。该法的创意来源清晰、直观，采用的措施也简单。也即，仅改变叶轮出口部分的叶片结构形状，令叶片吸力面与轮盘面的交接处形成一个夹角小于90°的锐角凹槽。这一凹槽将使原本往这一角区聚集的低速流体团挤拢在一起而不致逸散、扩展，从而有效地限制、约束了流道内低速与流动分离区的扩展与发展，缩小了“尾迹区”，弱化了“射流——尾迹结构”。另外，这种结构形状的叶片，能使流至近叶轮出口部分的流体受到叶片压力面往该面外法线方向的推挤作用而获得附加动能，提高了叶轮出口处轮盖侧的流速值，进一步降低了叶轮出口的不匀度，改善了静止扩压元件(扩压器、蜗壳)的进口流动条件，提高了流动效率与流动稳定性。其综合效果是使叶轮、静止扩压元件与整个级的效率提高，并扩大了级高效率区与稳定工作区占据的流量范围。图l示出了构成专利ZL94239408.9高效率后弯叶片叶轮出口部分结构的创意形成示意图。图和

示出的是用直径D的圆柱面剖截叶片而得的现有技术的两种通用结构的圆柱剖面叶型；是要在 和 相应部位置换镶嵌的锐角凹槽：

和

分别是

和

经 换嵌并光滑连接后形成的新叶型结构形状。图中符号：1——叶片；2——叶片压力面；3——叶片吸力面；4——轮盘(轮毂)面；5——轮盖(轮缘)面。

本发明是专利ZL94239408.9的改进。在本发明中，指出锐角凹槽的锐角夹角的最佳范围为30°～65°，其取值与叶片出口角(后弯角)及长期运转工况的转速或增压压力(增压比)有关。对于叶片出口角值小(大后弯叶片的叶轮，由于叶片通道的槽道扩压度小(轮内压力梯度小)，分离流动不易产生与发展，锐角凹槽的夹角取值宜大；反之，对于叶片出口角大(譬如接近径向的后弯叶片)的叶轮，凹槽锐角取值则宜小，以限制与约束低速流动和分离流动的扩展。另外，对于转速或级增压压力(增压比)高的叶轮，轮内压力梯度(包括横向压力梯度)大，分离流动与二次流强显，为弱化“射流——尾迹结构”，锐角凹槽的夹角取值宜小；反之，取值应大。

已对涡轮增压器用的三种不同轮径尺寸半开式后弯叶片叶轮离心压气机级做过的性能测定实验表明：对于每种轮径尺寸，按本发明技术构造的叶轮所达到的级最高等熵效率值均属世界领先水平，且高效率区在压气机“压比～流量特性”图上占据的流量范围宽广。

为了更好地限制、约束锐角凹槽区域聚集的低速与流动分离流体的逸散与扩展，宜对叶轮出口部位的叶片(或仅在凹槽的叶片吸力面壁上)采用小波纹结构形状，为流体沿凹槽的叶片吸力面壁由盘面向盖面的迁移形成的轴向逸散与扩展设置障碍。图2示出了叶轮外径圆柱剖面叶型的小波纹形状构造。这种结构对大轮径叶轮收效更好，在加工制造工艺允许的情况下，应比光滑叶型面优先选择采用。

图3示出了确定按本发明技术构造的叶轮在出口直径位置处锐角凹槽夹角δ值的示意图。图中的叶型是由叶轮出口直径D₂圆柱面剖截叶片所得的圆柱剖面叶型。叶型的轴向长度为b₂，与叶轮出口直径处的叶片轴向长度相同。锐角凹槽夹角δ在本发明技术中定义为由距离轮盘壁面b₂/4位置处的叶型中弧线的切线与轮盘壁面形成的夹角。对于波纹状叶型面部分，可用简单光滑的“波纹平均曲线”(波峰与波谷的中值曲线)代替它来形成叶型中弧线。

本发明技术构造的高效率离心式后弯叶片叶轮，其技术特征为：后弯叶片在叶轮出口直径附近(其直径范围应大于0.8D₂～D₂所覆盖的范围)处的圆柱面剖面叶型(叶片在相应直径圆柱面上的轴向分布形状，叶型面由简单形状的光滑曲线或小波纹曲线组成)呈弯曲形，即叶型的中弧线为曲线，且近轮盘壁的叶型部分向叶轮转向相反的一侧倾倒，使叶片吸力面与轮盘面的交接处形成一个锐角夹角的凹槽。锐角凹槽的夹角δ值的择取由后弯叶片的叶片出口角和叶轮转速(级增压压力)的大小决定，获得高效率的最佳范围为30°≤δ≤65°。

以下，通过实施例与结合附图对本发明的技术内容作进一步的描述。

图4是本发明技术构造的轴—径型离心式后弯叶片叶轮结构视图。轴—径型离心式叶轮是一种流体由轴向流入在径向流出的离心式叶轮，在涡轮增压器、透平膨胀机及鼓风机中颇多应用。图4示出的是一闭式叶轮结构，它由轮盖5，后弯叶片1和轮盘4三部分通过精密铸造结合成一体的整体结构叶轮。若去掉轮盖5，则该叶轮就成一个半开式叶轮。图中清楚地示出了叶轮外径圆柱面剖面叶型具有的弯曲中弧线和锐角夹角凹槽特征。与图1～3采用的符号相同，叶片吸力面和压力面分别用3和2标示。在本实施例中，叶片吸力面3由光滑曲面组成(末采用小波纹结构)。

图5是本发明构造的常用的径向流入叶片再在径向流出的离心式后弯叶片叶轮结构视图。这种叶轮在风机，压缩机和泵中应用非常广泛。图5示出的是一闭式叶轮结构，它由轮盖5，后弯叶片1和轮盘4三部分焊接或铆接而成。它与图4所示的结构的差异是叶片形状较简单，可模锻或机加工成型。

Claims (2)

1.一种高效率离心式后弯叶片叶轮(闭式叶轮由叶片1、轮盘4和轮盖5三部分构成：半开式叶轮由叶片1和轮盘4构成)，其特征在于：后弯叶片1在叶轮出口直径附近范围的圆柱面剖面叶型(叶片1在相应直径圆柱面上的轴向分布形状，叶型面2和3由简单形状的光滑曲线组成)呈弯曲形，即叶型的中弧线是曲线，且叶型近轮盘4壁面的部分向叶轮转向相反的一侧倾倒，使叶片吸力面3与轮盘4壁面的交接处形成一个锐角夹角的凹槽。锐角凹槽的夹角δ值的择取由后弯叶片的后弯角(叶片出口角)和叶轮转速(级增压压力)的大小决定，获得高效率的最佳范围为30°≤δ≤65°。

2.按权利要求(1)所述的叶轮，其特征在于：锐角凹槽或小波纹叶型面存在、占据的圆柱面直径的分布范围应大于(0.8～1)倍叶轮外径覆盖的直径范围。

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