CN220566287U - 叶轮结构及压缩机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种叶轮结构及压缩机。叶轮结构包括前端叶轮；后端叶轮，所述前端叶轮设置于所述后端叶轮上，且所述前端叶轮和所述后端叶轮共同构成至少一条气体压缩流道；所述前端叶轮的宽度h1与所述后端叶轮的宽度h2的比值范围为0.6＜h1/h2≤0.8。本实用新型提供的叶轮结构及压缩机，利用前端叶轮和后端叶轮的分体式设计，单独对前端叶轮和后端叶轮进行加工，减少叶轮结构的加工难度，从而提高生产效率。

Description

叶轮结构及压缩机

技术领域

本实用新型涉及空气处理设备技术领域，特别是一种叶轮结构及压缩机。

背景技术

由于水分子量小，压缩难度大，为了使水蒸气压缩机能够进行正常工作，需要叶轮的尺寸较大且工作转速高，其中，叶轮结构的线速度可达400m/s，使得水蒸气压缩机的叶轮结构的结构要求对整个轴系转子动力学特性是巨大挑战，现有技术中为了保证叶轮结构的结构强度一般采用高强度材料，并采用一体成型的加工方式制作叶轮结构，然而高强度材料支撑的叶轮结构的重量较大，使得叶轮结构的临界转速较低，造成水蒸气压缩机的工作效率低的问题。

实用新型内容

为了解决叶轮结构的临界转速低技术问题，而提供一种前端叶轮和后端叶轮组合以提高临界转速的叶轮结构及压缩机。

一种叶轮结构，包括：

前端叶轮；

后端叶轮，所述前端叶轮设置于所述后端叶轮上，且所述前端叶轮和所述后端叶轮共同构成至少一条气体压缩流道；

所述前端叶轮的宽度h1与所述后端叶轮的宽度h2的比值范围为0.6＜h1/h2≤0.8。

所述前端叶轮的宽度h1与所述后端叶轮的宽度h2的比值h1/h2为0.7。

所述前端叶轮的材料强度小于所述后端叶轮的材料强度。

所述前端叶轮的材料包括铝合金；和/或，所述后端叶轮的材料包括钛合金或双相不锈钢。

所述前端叶轮上设置有第一端面齿，所述后端叶轮上设置有第二端面齿，所述第一端面齿和所述第二端面齿相互啮合。

所述叶轮结构连接于转轴上，所述前端叶轮位于所述后端叶轮的一侧。

所述叶轮结构还包括锁紧机构，所述前端叶轮和所述后端叶轮通过所述锁紧机构设置于所述转轴上。

所述锁紧机构包括锁紧螺杆和锁紧头，所述锁紧螺杆连接于所述转轴上，所述前端叶轮、所述后端叶轮和所述锁紧头均设置于所述锁紧螺杆上，且所述锁紧头位于所述前端叶轮远离所述后端叶轮的一侧。

一种压缩机，包括上述的叶轮结构。

所述压缩机还包括转轴，所述转轴的两端分别设置有一个叶轮，且至少一个所述叶轮为所述叶轮结构。

本实用新型提供的叶轮结构及压缩机，利用前端叶轮和后端叶轮的分体式设计，单独对前端叶轮和后端叶轮进行加工，在满足叶轮结构的强度要求的前提下，有效的提高叶轮结构的临界转速，从而提高压缩机的工作效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的叶轮结构的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的压缩机的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的轴系组件的结构示意图；

图中：

1、转轴；2、第一径向轴承；3、第二径向轴承；4、止推轴承；11、第一支撑段；12、止推段；13、第二支撑段；14、转子段；15、减重空腔；5、叶轮结构；51、前端叶轮；52、后端叶轮。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

由于水分子量小，压缩难度大，导致水蒸气压缩机叶轮尺寸大而工作转速高，叶轮结构的线速度达400m/s，叶轮结构需采用高强度材料，使得水蒸气压缩机的叶轮结构的材料特殊性对整个轴系转子动力学特性是巨大挑战。为此，如图1至图3所示，所述叶轮结构包括前端叶轮51、后端叶轮52，所述前端叶轮51设置于所述后端叶轮52上，且所述前端叶轮51和所述后端叶轮52共同构成至少一条气体压缩流道。将叶轮结构设置为剖分式结构，可以根据需要分别对前端叶轮51和后端叶轮52进行设置，从而在保证叶轮结构满足要求的同时，有效的提高叶轮结构的临界转速，从而提高压缩机的工作效率。叶轮结构在对气体进行压缩时，气流可以沿对应的气体压缩流道进行流动，完成对气体的压缩过程。

所述前端叶轮51的宽度h1与所述后端叶轮52的宽度h2的比值范围为0.6＜h1/h2≤0.8。以前端叶轮51的材料为铝合金材料为例，由于铝合金材料的前端叶轮51所占比例越大，叶轮整体重量越轻，但是铝合金强度有限，最大外径部分工作时的应力需满足材料许用应力的安全余量要求，因此，在尽可能减轻叶轮结构的质量的同时，保证叶轮结构的结构强度。其中前端叶轮51的宽度h1和后端叶轮52的宽度h2是指在轴线方向上的最大尺寸。

当h1/h2＜0.6时，前端叶轮51的宽度较小，对叶轮结构的整体质量减轻效果差，而叶轮结构的临界转速增加不明显，仍然无法满足水蒸气压缩机的要求。而当h1/h2＞0.8时，前端叶轮51的宽度较大，虽然叶轮结构的整体质量较轻，但是前端叶轮51的结构强度无法达到压缩要求，无法应用到水蒸气压缩机上。只有当h1/h2处于0.6至0.8的范围内时，才能够在保证叶轮结构满足要求的同时，有效的提高叶轮结构的临界转速，从而提高压缩机的工作效率。

优选的，h1/h2的数值为0.7。此时前端叶轮51对叶轮结构的质量有适当的减轻，同时叶轮结构的强度可以满足水蒸气压缩机的需求。

在结构强度方面，要求材料的屈服强度与叶轮ansys仿真分析的应力值的比值n1大于等于2.5，以一台2t/h流量的水蒸汽压缩机为例，对h1/h2从0.5到0.9分别计算n1，具体结果如下：

从结果中可知，当h1/h2为0.7时，n1可以满足要求，当h1/h2减小到0.6时，n1开始增大，虽然n1也可以满足要求，但是其余量也开始增加，当h1/h2继续减小到0.5时，n1继续增大；当h1/h2增大到0.8时，n1也开始减小，但是基本上达到n1的最小极限值；当h1/h2继续增大到0.9时，n1继续减小，已经无法满足结构强度的要求，只有当h1/h2≤0.8，叶轮的结构强度才可以满足要求。

在可靠性方面，要求轴系弯曲模态的临界转速与工作转速的比值n2大于等于1.25，以一台2t/h流量的水蒸汽压缩机为例，对h1/h2从0.5到0.9分别计算n2，具体结果如下，

从结果中可知，当h1/h2为0.7时，n2可以满足要求，并且存在适当的余量；当h1/h2减小到0.6时，n2开始减小，但是n2基本上达到n2的最小极限值；当h1/h2继续减小到0.5时，n2继续减小，临界转速安全余量已经无法满足工作要求；当h1/h2增大到0.8时，n2也开始增大，n2的余量也开始增加；当h1/h2继续增大到0.9时，n2继续增大；只有当h1/h2≥0.6，轴系的临界转速安全余量才满足要求；综上所述，只有当h1/h2处于0.6至0.8的范围内时，叶轮的结构强度和临界转速安全余量均满足要求，即n1和n2都在允许的范围内。

叶轮前半部分外径尺寸小，线速度低，在叶轮工作高速旋转时产生的离心力小，因此对材料强度要求低，而叶轮后半部分外径尺寸大，线速度大，对材料强度要求高。因此，所述前端叶轮51的材料强度小于所述后端叶轮52的材料强度。在保证叶轮结构满足需求的前提下，有效的降低叶轮结构的成本。

优选的，所述前端叶轮51的材料包括铝合金；和/或，所述后端叶轮52的材料包括钛合金或双相不锈钢。钛合金密度为4.5g/mm，而铝合金密度为2.7g/mm，在保证叶轮结构结构强度的同时，还能够减轻叶轮结构的质量，从而减少轴系组件的端部的载荷，可以进一步减小转轴1的长度，保证轴系组件的可靠性。

为了保证叶轮结构在转动过程中的可靠性，所述前端叶轮51上设置有第一端面齿，所述后端叶轮52上设置有第二端面齿，所述第一端面齿和所述第二端面齿相互啮合。利用端面齿的相互啮合限制前端叶轮51和后端叶轮52之间的相对转动，保证前端叶轮51和后端叶轮52之间传递扭矩可靠，又能使叶轮结构的型线对接准确，保证气动能效，保证叶轮结构的可靠性。

所述叶轮结构连接于转轴1上，所述前端叶轮51位于所述后端叶轮52远离所述转轴的一侧。后端叶轮52连接在转轴1上，前端叶轮51设置在后端叶轮52上，实现与转轴1的连接。

具体的，所述叶轮结构还包括锁紧机构，所述前端叶轮51和所述后端叶轮52通过所述锁紧机构设置于所述转轴1上。为了减少对前端叶轮51和后端叶轮52的加工复杂度，采用锁紧机构对前端叶轮51和后端叶轮进行连接并锁紧在转轴1上，实现叶轮结构与转轴1的连接。

所述锁紧机构包括锁紧螺杆和锁紧头，所述锁紧螺杆连接于所述转轴1上，所述前端叶轮51、所述后端叶轮52和所述锁紧头均设置于所述锁紧螺杆上，且所述锁紧头位于所述前端叶轮51远离所述后端叶轮52的一侧。在前端叶轮51和后端叶轮52上均加工通孔，使锁紧螺杆可以设置在通孔内以实现与前端叶轮51和后端叶轮52的连接，同时锁紧螺杆的端部与转轴1连接，而锁紧头设置在锁紧螺杆的另一端，将前端叶轮51和后端叶轮52压紧在转轴1上，从而实现叶轮结构与转轴1的可靠连接。

一种压缩机，包括上述的叶轮结构。

所述压缩机还包括转轴1，所述转轴1的两端分别设置有一个叶轮，且至少一个所述叶轮为所述叶轮结构。也即将压缩机设置为两端悬挂的方式，在减少压缩机转轴长度的同时，提高压缩机的压缩效果。

在设计压缩机转轴的过程中，要尽可能提升转轴的临界转速，以提高轴系运行的稳定性。转轴的临界转速主要取决于轴系的内部因素——质量m和刚性系数K，其中质量可用转子的重量来度量。而决定刚性系数的因素有：材料的弹性模量E、轴断面惯性矩J、转轴长度、轴承特性和载荷分布等。因此，要改变转轴的临界转速，可以选择改变转轴的长度。

为此，本申请提供如图2和图3所示的轴系组件，包括：转轴1；第一径向轴承2，所述第一径向轴承2设置于所述转轴1上；第二径向轴承3，所述第二径向轴承3设置于所述转轴1上，且所述第二径向轴承3位于所述第一径向轴承2的一侧；止推轴承4，所述止推轴承4设置于所述转轴1上，且所述止推轴承4位于所述第一径向轴承2所述第二径向轴承3之间。将止推轴承4设置在第一径向轴承2和第二径向轴承3之间，在保证止推作用的前提下，减少止推轴承4对转轴1的悬臂长度的占用，从而有效的克服了现有技术中转轴1悬臂过长而影响转轴1可靠性的问题，避免了不平衡离心力造成失稳的问题，提高轴系组件的可靠性和稳定性。

具体的，所述转轴1包括沿轴线方向依次设置的第一支撑段11、止推段12和第二支撑段13，所述第一径向轴承2设置于所述第一支撑段11上，所述止推轴承4设置于所述止推段12上，所述第二径向轴承3设置于所述第二支撑段13上。

所述转轴1还包括转子段14，所述转子段14位于所述第一支撑段11和所述止推段12之间。将止推轴承4尽可能的靠近转子结构设置，以减少止推段12在转轴1上的长度，从而减少转轴1尺寸。其中，转子段14用于安装转子结构。

可选的，所述第一径向轴承2的内径与所述转子段14的外径的比值范围为0.7:1至0.8:1。当第一径向轴承2的内径与转子段14的外径的比值处于0.7:1至0.8:1的范围内时，转轴组件的结构更好布置，而且不会存在应力集中情况。而当第一径向轴承2的内径与转子段14的外径的比值小于0.7:1或者第一径向轴承2的内径与转子段14的外径的比值大于0.8：1时，此时转轴1的直径落差较大，造成转轴1上应力集中的问题，使得转轴1在转动过程中存在断裂的问题。优选的，第一径向轴承2的内径与转子段14的外径的比值为0.75:1。

同理的，所述第二径向轴承3的内径与所述转子段14的外径的比值范围为0.7:1至0.8:1。当第二径向轴承3的内径与转子段14的外径的比值处于0.7:1至0.8:1的范围内时，转轴组件的结构更好布置，而且不会存在应力集中情况。而当第二径向轴承3的内径与转子段14的外径的比值小于0.7:1或者第二径向轴承3的内径与转子段14的外径的比值大于0.8：1时，均会造成转轴1上应力集中的问题。优选的，第二径向轴承3的内径与转子段14的外径的比值为0.75:1。

根据前述可知，要改变转轴1的临界转速，可以选择改变转轴1的质量，为此，所述转轴1内设置有减重空腔15。利用减重空腔15减少转轴1的质量，从而可以提高转轴1的临界转速。

为了保证转轴1的结构强度，在所述减重空腔15处的所述转轴1的壁厚d的数值范围为15mm至20mm。如果d＜15mm，设置减重空腔15处的转轴1的结构强度无法满足转轴1的需求，而当d＞20mm时，转轴1与相邻结构之间形成的空腔较小，导致质量比较重，无法达到减轻转轴1质量的目的，此时转轴1的临界转速无法满足需求。

为了进一步提高轴系组件的可靠性，所述第一径向轴承2的宽度与所述第一径向轴承2的内径比值范围为0.4:1至1:1。如果所述第一径向轴承2的宽度与所述第一径向轴承2的内径比值小于0.4:1时，第一径向轴承2的宽度较小，造成第一径向轴承2无法提供可靠的支撑力，稳定性较差，而当第一径向轴承2的宽度与所述第一径向轴承2的内径比值大于1:1时，占用转轴1的轴向尺寸较大，使得转轴1的轴向尺寸增加，无法提高转轴1的临界转速。

同理的，所述第二径向轴承3的宽度与所述第二径向轴承3的内径比值范围为0.4:1至1:1。如果所述第二径向轴承3的宽度与所述第二径向轴承3的内径比值处于0.4:1至1:1的范围之外，止推轴承4的稳定性较差，无法满足对轴系组件的止推作用。

所述轴系组件还包括两个叶轮结构5，为了进一步减小转轴1的长度，一个所述叶轮结构5设置于所述转轴1的第一端处，另一所述叶轮结构5设置于所述转轴1的第二端处。也即将现有技术中的单端悬挂两个叶轮设置成两端悬挂，避免在转轴1的一端处设置两个叶轮结构，从而减少转轴1用于对叶轮结构进行支撑的悬臂尺寸。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种叶轮结构，其特征在于：包括：

前端叶轮(51)；

后端叶轮(52)，所述前端叶轮(51)设置于所述后端叶轮(52)上，且所述前端叶轮(51)和所述后端叶轮(52)共同构成至少一条气体压缩流道；

所述前端叶轮(51)的宽度h1与所述后端叶轮(52)的宽度h2的比值范围为0.6＜h1/h2≤0.8。

2.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于：所述前端叶轮(51)的宽度h1与所述后端叶轮(52)的宽度h2的比值h1/h2为0.7。

3.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于：所述前端叶轮(51)的材料强度小于所述后端叶轮(52)的材料强度。

4.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于：所述前端叶轮(51)的材料包括铝合金；和/或，所述后端叶轮(52)的材料包括钛合金或双相不锈钢。

5.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于：所述前端叶轮(51)上设置有第一端面齿，所述后端叶轮(52)上设置有第二端面齿，所述第一端面齿和所述第二端面齿相互啮合。

6.根据权利要求1所述的叶轮结构，其特征在于：所述叶轮结构连接于转轴上，所述前端叶轮(51)位于所述后端叶轮(52)远离所述转轴的一侧。

7.根据权利要求6所述的叶轮结构，其特征在于：所述叶轮结构还包括锁紧机构，所述前端叶轮(51)和所述后端叶轮(52)通过所述锁紧机构设置于所述转轴(1)上。

8.根据权利要求7所述的叶轮结构，其特征在于：所述锁紧机构包括锁紧螺杆和锁紧头，所述锁紧螺杆连接于所述转轴(1)上，所述前端叶轮(51)、所述后端叶轮(52)和所述锁紧头均设置于所述锁紧螺杆上，且所述锁紧头位于所述前端叶轮(51)远离所述后端叶轮(52)的一侧。

9.一种压缩机，其特征在于：包括权利要求1至8中任一项所述的叶轮结构。

10.根据权利要求9所述的压缩机，其特征在于：所述压缩机还包括转轴(1)，所述转轴(1)的两端分别设置有一个叶轮，且至少一个所述叶轮为所述叶轮结构。