專利名稱：1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離心葉輪，特別涉及一種前后排葉片數(shù)目比為1∶2的串列葉片式跨音速離心葉輪。

背景技術(shù)：
離心式壓縮機(jī)是一種旋轉(zhuǎn)式葉輪機(jī)械，廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金電力、石油化工、能源動(dòng)力等領(lǐng)域，其主要功能是為上述工業(yè)領(lǐng)域中的大型動(dòng)力及過程裝備提供持續(xù)、穩(wěn)定、流動(dòng)的高壓氣體環(huán)境，滿足工藝流程、化學(xué)反應(yīng)對(duì)氣體壓力、流量的需要。離心壓縮機(jī)提高氣體壓力的基本原理是旋轉(zhuǎn)離心葉輪通過離心力作用，將旋轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能及動(dòng)能；擴(kuò)壓器又進(jìn)一步將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能；氣流或者經(jīng)蝸殼導(dǎo)出離心壓縮機(jī)，或者經(jīng)彎道、回流器進(jìn)入下一級(jí)繼續(xù)提高壓力。由于氣流受到逆壓梯度及粘性的雙重影響，不可避免地出現(xiàn)流動(dòng)損失，有時(shí)還伴隨著流動(dòng)分離、喘振、堵塞等不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象。離心葉輪上安裝葉片。離心葉輪及其葉片結(jié)構(gòu)型式對(duì)離心壓縮機(jī)的增壓能力、流動(dòng)效率、穩(wěn)定運(yùn)行范圍影響極大。
目前，先進(jìn)離心壓縮機(jī)技術(shù)正在朝高轉(zhuǎn)速、高壓比、高效率的方向發(fā)展，采用跨音速離心葉輪是上述發(fā)展趨勢(shì)的必然結(jié)果。
現(xiàn)有的跨音速離心葉輪結(jié)構(gòu)型式主要有兩類(1)帶分流葉片的離心葉輪(圖1)，由沿圓周方向上交替排列的長(zhǎng)短葉片組成。這種葉片排列型式只有長(zhǎng)葉片延伸到葉輪進(jìn)口，因而能夠降低流動(dòng)堵塞效應(yīng)，對(duì)提高大流量下的氣動(dòng)性能及堵塞流量有利。但長(zhǎng)短葉片離心葉輪的主要缺陷在于長(zhǎng)葉片后緣的邊界層較厚，尤其在跨音速、強(qiáng)逆壓、小流量情況下，長(zhǎng)葉片吸力面的邊界層內(nèi)低速流體容易發(fā)生分離流動(dòng)，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)失速、喘振等不穩(wěn)定流動(dòng)現(xiàn)象，使得離心葉輪及離心壓縮機(jī)的喘振裕度降低；(2)前后葉片數(shù)相等的串列離心葉輪(圖2)，這種葉輪由前后兩排相互分割、交錯(cuò)、重疊的葉片排組成。在低轉(zhuǎn)速吸塵器、通風(fēng)機(jī)中，該類葉輪具有氣流轉(zhuǎn)折角度大、增壓能力強(qiáng)、穩(wěn)定運(yùn)行范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，但在跨音速情況下，前后排葉片數(shù)相等的串列離心葉輪的主要缺點(diǎn)在于前排葉片數(shù)太稠，流動(dòng)阻塞效應(yīng)及激波損失明顯，對(duì)大流量下的氣動(dòng)性能不利；后排葉片數(shù)太稀，葉片載荷較大，加大了流動(dòng)損失，尤其是小流量下的二次流損失、分離流損失，對(duì)小流量下的氣動(dòng)性能不利。
在跨音速條件下，上述離心葉輪出現(xiàn)如下兩個(gè)困難一是穩(wěn)定運(yùn)行范圍變窄，小流量下邊界層容易發(fā)生流動(dòng)分離，大流量下葉道喉部容易發(fā)生流動(dòng)堵塞；二是整級(jí)效率低，激波損失、二次流損失、分離流損失對(duì)提高葉輪增壓能力不利。為此，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)葉輪機(jī)械廠家與研究機(jī)構(gòu)對(duì)跨音速離心葉輪及其葉片結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了積極的探索及研究。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有離心葉輪在跨音速流動(dòng)中存在的穩(wěn)定運(yùn)行范圍窄和整級(jí)效率低的問題，提供了1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪。該離心葉輪既能減弱前排葉片進(jìn)口附近的流動(dòng)阻塞，降低激波強(qiáng)度，又能控制后排葉片出口附近的二次流，改善葉輪出口的流動(dòng)均勻性，得到整級(jí)擴(kuò)穩(wěn)增效的效果。
為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪，包括由前排葉片組成的誘導(dǎo)輪和由后排葉片組成的導(dǎo)出輪，所述前、后排葉片為三維空間扭曲形狀，并相互分割、交錯(cuò)、重疊，其特征在于，所述前、后排葉片數(shù)目比為1∶2，前、后排葉片重疊度Δm＝Δm/m，其中Δm＝m12-m21；m＝m22-m11；前、后排葉片交錯(cuò)度Δθ＝Δθ/2π/N，其中Δθ為前、后排葉片的交錯(cuò)角；N為前排葉片數(shù)；前、后排葉片相對(duì)分割位置m＝(m21-m11)/m，以上mij為葉片子午長(zhǎng)度，第一個(gè)下標(biāo)表示前、后排葉片，第二個(gè)下標(biāo)表示葉片的進(jìn)、出口；i＝1，2；j＝1，2。
上述方案中，所述前、后排葉片的重疊度Δm在-5％-30％范圍內(nèi)變化。所述前、后排葉片的交錯(cuò)度Δθ在5％-45％范圍內(nèi)變化。所述前、后排葉片的相對(duì)分割位置m在20％-80％范圍內(nèi)變化。所述誘導(dǎo)輪和導(dǎo)出輪構(gòu)成開式或閉式離心葉輪。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪的優(yōu)點(diǎn)在于 1)前排誘導(dǎo)輪采用的低稠度葉片布置方案可以有效地降低葉片幾何厚度、葉片邊界層厚度、激波誘導(dǎo)邊界層分離所引起的阻塞效應(yīng)，從而擴(kuò)大有效通流面積，增大堵塞流量； 2)后排導(dǎo)出輪采用的高稠度葉片布置方案可以通過合理地分配主流區(qū)及邊界層內(nèi)的能量分布、合理地分配葉片的氣動(dòng)載荷、合理地布局縫道區(qū)內(nèi)的加速流動(dòng)，有效地控制高逆壓梯度所引起的葉片邊界層分離、射流尾流、二次流等三維效應(yīng)，改善葉輪出口流動(dòng)的均勻性，從而降低葉輪-擴(kuò)壓器間的尾流損失、沖擊損失，提高整級(jí)效率，擴(kuò)大喘振裕度。
此外，本發(fā)明能夠延長(zhǎng)葉輪使用壽命。前排葉片的低稠度布置和后排葉片的高稠度布置，使得葉片載荷分布均勻。



圖1為帶分流葉片的離心葉輪的回轉(zhuǎn)剖面圖。圖中ω為葉輪旋轉(zhuǎn)角速度。
圖2為前后葉片數(shù)相等的串列離心葉輪的回轉(zhuǎn)剖面圖。
圖3為本發(fā)明離心葉輪的回轉(zhuǎn)剖面圖。圖中，1.-前排葉片；2.-后排葉片。
圖4為本發(fā)明前后葉片相對(duì)排列方式及子午面圖。圖中，Δθ前后排葉片的交錯(cuò)角；Δm前后排葉片重疊的子午長(zhǎng)度，Δm＝m12-m21；mij(i＝1，2；j＝1，2)葉片子午長(zhǎng)度(第一個(gè)下標(biāo)表示前后排葉片，第個(gè)下標(biāo)表示進(jìn)、出口)。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
如圖3、4所示，本發(fā)明主要包括由前排葉片1組成的誘導(dǎo)輪和后排葉片2組成的導(dǎo)出輪，前后排葉片數(shù)目比為1∶2，且前后兩排葉片相互分割、交錯(cuò)、重疊。重疊度Δm＝Δm/m，其中m＝m22-m11；交錯(cuò)度Δθ＝Δθ/2π/N，其中N為前排葉片數(shù)；相對(duì)分割位置m＝(m21-m11)/m，其中mij(i＝1，2；j＝1，2)葉片子午長(zhǎng)度(第一個(gè)下標(biāo)表示前后排葉片，第二個(gè)下標(biāo)表示進(jìn)、出口)。
前后兩排葉片的葉片中型線、葉片厚度、子午型線分別按照不同的Bezier函數(shù)非均勻有理B樣條Nurbs數(shù)學(xué)表達(dá)式來形成，從而生成葉片的空間扭曲形狀，葉輪為開式或閉式離心葉輪。
后排葉片進(jìn)口距前排葉片出口的距離等于前排葉片進(jìn)口到后排葉片出口間距離的-5％-30％，即在圖4中-5％≤Δm/(m22-m11)≤30％(前后排葉片無重疊時(shí)，Δm/(m22-m11)為負(fù)；有重疊時(shí)，Δm/(m22-m11)為正)。
后排葉片的出口位于所述前排葉片出口的后面，即在圖4中m22＞m12。
后排葉片的進(jìn)口與相鄰前排葉片的出口之間的夾角與前排兩相鄰葉片間夾角之比為5％-45％，即在圖4中Δθ/2π/N的變化范圍為5％-45％。
后排葉片的進(jìn)口距前排葉片進(jìn)口的距離與前排葉片進(jìn)口到后排葉片出口的距離之比的變化范圍為20％-80％，即在圖4中(m21-m11)/(m22-m11)的變化范圍為20％-80％。
以下列舉了三種不同參數(shù)的葉輪 實(shí)施例一，后排葉片2與前排葉片1重疊，重疊度Δm＝30％時(shí)，后排葉片與前排葉片的交錯(cuò)度Δθ為5％，后排葉片與前排葉片的相對(duì)分割位置m為20％。
實(shí)施例二，后排葉片2的進(jìn)口與前排葉片1的出口平齊，即Δm＝0％時(shí)，后排葉片與前排葉片的交錯(cuò)度Δθ為25％，后排葉片與前排葉片的相對(duì)分割位置m為50％。
實(shí)施例三，后排葉片2與前排葉片1重疊度Δm＝-5％(未重疊)時(shí)，后排葉片與前排葉片的交錯(cuò)度Δθ為45％，后排葉片與前排葉片的相對(duì)分割位置m為80％。
權(quán)利要求
1、一種1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪，包括由前排葉片組成的誘導(dǎo)輪和由后排葉片組成的導(dǎo)出輪，所述前排、后排葉片為三維空間扭曲形狀，并相互分割、交錯(cuò)、重疊，其特征在于，所述前排、后排葉片數(shù)目比為1∶2，前排、后排葉片重疊度Δm＝Δm/m，其中Δm＝m12-m21；m＝m22-m11；前排、后排葉片交錯(cuò)度Δθ＝Δθ/2π/N，其中Δθ為前排、后排葉片的交錯(cuò)角；N為前排葉片數(shù)；前排、后排葉片相對(duì)分割位置m＝(m21-m11)/m，以上mij為葉片子午長(zhǎng)度，第一個(gè)下標(biāo)表示前排、后排葉片，第二個(gè)下標(biāo)表示葉片的進(jìn)、出口；i＝1，2；j＝1，2。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪，其特征在于所述前排、后排葉片的重疊度Δm在-5％-30％范圍內(nèi)變化。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪，其特征在于所述前排、后排葉片的交錯(cuò)度Δθ在5％-45％范圍內(nèi)變化。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪，其特征在于所述前排、后排葉片的相對(duì)分割位置m在20％-80％范圍內(nèi)變化。
5、根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪，其特征在于所述誘導(dǎo)輪和導(dǎo)出輪構(gòu)成開式或閉式離心葉輪。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種1/2型串列葉片式跨音速離心葉輪，包括由前排葉片組成的誘導(dǎo)輪和由后排葉片組成的導(dǎo)出輪，所述前、后排葉片為三維空間扭曲形狀，并相互分割、交錯(cuò)、重疊，其特征在于，所述前、后排葉片數(shù)目比為1∶2。本發(fā)明采用前排葉片低稠度布置和后排葉片高稠度布置，使得葉片載荷分布均勻，可以有效地降低葉片幾何厚度、葉片邊界層厚度、激波誘導(dǎo)邊界層分離所引起的阻塞效應(yīng)，從而擴(kuò)大有效通流面積，增大堵塞流量；改善葉輪出口流動(dòng)的均勻性，從而降低葉輪—擴(kuò)壓器間的尾流損失、沖擊損失，提高整級(jí)效率，擴(kuò)大喘振裕度。
文檔編號(hào)F04D29/30GK101576091SQ200910022880
公開日2009年11月11日 申請(qǐng)日期2009年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月8日
發(fā)明者張楚華, 袁丹妮 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)