一種離心壓縮機(jī)的閉式葉輪的制作方法
【專利摘要】一種離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，它包括葉片、輪轂和輪盤，其特征在于：（1）葉片采用后彎式、等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)；（2）葉片與輪轂為一體，它們與輪盤之間的連接采用焊接結(jié)構(gòu)。葉片等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)其葉片周向厚度從葉尖到葉根是逐漸增加的；而輪轂與輪盤之間的連接采用焊接結(jié)構(gòu)是采用機(jī)器人自控氬弧焊工藝完成的。在設(shè)計(jì)多級(jí)壓縮機(jī)時(shí)，其前、后兩個(gè)葉輪相應(yīng)的的葉片葉面間偏轉(zhuǎn)的角度為-5～-15°。本發(fā)明還提供了設(shè)計(jì)上述離心壓縮機(jī)的閉式葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用該方法可用計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成和控制葉輪的制造過程。本發(fā)明的閉式葉輪，使壓縮機(jī)內(nèi)部的氣流實(shí)現(xiàn)了高壓力比、高效率化并減少了通道中的渦流損失，顯著地改善了離心壓縮機(jī)的性能指標(biāo)。
【專利說明】一種離心壓縮機(jī)的閉式葉輪
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于離心壓縮機(jī)部件的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及到一種新型的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪。
【背景技術(shù)】
[0002]葉輪是離心壓縮機(jī)的一個(gè)主要部件，它對(duì)壓縮機(jī)的效率有著決定性的影響。葉輪按結(jié)構(gòu)形式可分為:開式、半開式和閉式三種；按進(jìn)氣方式則可分為:單面進(jìn)氣和雙面進(jìn)氣兩種；而按葉片彎曲的形式則又可分為:前彎、徑向和后彎三種。
[0003]中國專利CN90224589.9公開了一種《離心式三元葉輪》，該葉輪具有軸向跨距短的三元扭曲葉片，葉片型面由特定載荷分布規(guī)律確定其輪蓋型線和輪盤型線，再由直線元素光滑連接構(gòu)成。然而，其設(shè)計(jì)公式中所引用的系數(shù)并未說明來源，所得出的數(shù)值明顯帶有極大的經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，并不具有推廣應(yīng)用的價(jià)值。
[0004]中國專利CN202531482U公開了《一種離心風(fēng)機(jī)葉輪》，它在后盤上且垂直于后盤設(shè)置有反推力葉片，這僅僅相當(dāng)于增加了 一個(gè)小推力盤。
[0005]中國專利CN203214413U則公開了一種《離心風(fēng)機(jī)葉輪》，它在葉輪的前、后盤的出口處均設(shè)有加強(qiáng)圈，加強(qiáng)圈通過其上開有的塞焊孔同前、后盤的出口處焊接在一起。它僅僅是以此加強(qiáng)圈來提高葉輪的整體剛度。
[0006]實(shí)際上葉輪的主要問題并不在于并不在于上述專利所考慮的方面，首先，我們認(rèn)為:葉輪包含的若干個(gè)葉片，當(dāng)離心壓縮機(jī)工作時(shí)，一方面要求葉輪葉片要有足夠的強(qiáng)度承受很高的離心應(yīng)力；另一方面，為了保證氣動(dòng)性能和減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，則要求葉片厚度在滿足其強(qiáng)度的條件下，要盡可能的薄。如此應(yīng)該考慮葉輪的葉片的厚度從葉尖到葉根有一個(gè)合理的分布。
[0007]其次，目前對(duì)于離心壓縮機(jī)葉片的設(shè)計(jì)，通常采用徑向元素造型，即葉片垂直于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的任意截面的型面中心線必須通過軸線，以保證葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中不會(huì)產(chǎn)生附加彎矩。設(shè)計(jì)時(shí)，首先構(gòu)造葉片的中弧面，再確定葉片周向的厚度分布。他們通常使用圓弧或橢圓構(gòu)造葉片的弧面造型，這樣既難于對(duì)沿流向的葉片負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整；又無法保證在葉輪出氣邊沿徑向得到合理的出氣角分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出了一種離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，它包括葉片、輪轂和輪盤，其特征在于:
[0009](I)葉片采用后彎式、等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)；
[0010](2)葉片與輪轂為一體，它們與輪盤之間的連接采用焊接結(jié)構(gòu)。
[0011]本發(fā)明的本發(fā)明的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，所說的葉片等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)其葉片周向厚度從葉尖到葉根是逐漸增加的，這是通過基于性能預(yù)測的流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)思想出發(fā)，利用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件完成的。[0012]本發(fā)明的本發(fā)明的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，所說的輪轂與輪盤之間的連接采用焊接結(jié)構(gòu)是采用氬弧焊工藝完成的。
[0013]考慮到葉片通道中環(huán)流對(duì)出口速度的影響，在有限葉片數(shù)時(shí)，由于環(huán)流的影響，在葉輪出口處存在著一個(gè)與周速相反的環(huán)流速度(即軸向渦)，使氣流的相對(duì)速度在出口處朝著反旋轉(zhuǎn)方向偏轉(zhuǎn)一定的角度，即氣流出現(xiàn)了滯后現(xiàn)象。本發(fā)明的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪在多級(jí)離心壓縮機(jī)中，前、后兩個(gè)葉輪相應(yīng)的葉片之間其葉面間偏轉(zhuǎn)的角度為-5?-15°。
[0014]由于離心壓縮機(jī)，其氣流是軸對(duì)稱的，所以，其壓力和速度只是(R;Z)的函數(shù)，對(duì)于葉輪內(nèi)部來說，由流體動(dòng)力學(xué)的連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和能量方程組成的不可壓縮理想流體流動(dòng)的方程組可以大為簡化，即可將復(fù)雜的三元流動(dòng)簡化為多個(gè)以周勉流線為母線的變厚度回轉(zhuǎn)面的葉柵來研究。
[0015]不過，在設(shè)計(jì)過程中不僅是要考慮也輪到動(dòng)力學(xué)性能，還必須考慮其它過流不見的相互作用和匹配關(guān)系，以及是否滿足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和制造工藝的要求等因素。發(fā)明人采用NUMECA公司的FINETM/DeSign3D葉輪設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合本 申請(qǐng)人:制造的離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了離心壓縮機(jī)閉式葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造。
[0016]離心壓縮機(jī)閉式葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程可分為葉輪的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化的初步設(shè)計(jì)；三維幾何建模；三維流暢數(shù)值模擬；性能測試；結(jié)構(gòu)分析和數(shù)字化制造及仿真驗(yàn)證諸多環(huán)節(jié)，其大致步驟如下:
[0017]步驟I根據(jù)用戶要求制定葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)；
[0018]步驟2給出葉輪軸面流道數(shù)字化定義；
[0019]步驟3用軟件進(jìn)行葉輪軸面流場數(shù)字計(jì)算和流線設(shè)計(jì)；
[0020]步驟4進(jìn)行葉輪進(jìn)、出口修正參數(shù)確定、葉片進(jìn)、出邊軸、面投影形狀設(shè)計(jì)；
[0021]步驟5葉片進(jìn)口邊軸向位置設(shè)計(jì)
[0022]步驟6在各流面葉柵的數(shù)字化設(shè)計(jì)；
[0023]步驟7將各流面上按一定的規(guī)律積疊成葉片，進(jìn)行幾何學(xué)分析；
[0024]步驟8進(jìn)行葉片和葉輪的三維幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)；
[0025]步驟8之I對(duì)葉片和葉輪的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算、分析和可制造性評(píng)估；滿足結(jié)構(gòu)要求則進(jìn)入步驟13 ;否則返回步驟6 ；
[0026]步驟9 (步驟8之2)葉輪的流道離散、網(wǎng)絡(luò)生成、邊界條件分析；
[0027]步驟10進(jìn)行葉輪流場模擬；
[0028]步驟11基于流場數(shù)值模擬對(duì)葉輪性能進(jìn)行評(píng)估；
[0029]步驟12檢驗(yàn)葉輪是否滿足流體動(dòng)力學(xué)性能要求；滿足可進(jìn)入步驟13 ;否則返回步驟3 ;
[0030]步驟13進(jìn)行葉輪模型數(shù)字化制造及試驗(yàn)驗(yàn)證；
[0031]步驟14檢查葉輪模型是否滿足設(shè)計(jì)性能要求，滿足則上數(shù)控銑進(jìn)行式加工；否則返回步驟6;
[0032]步驟15將正式加工好的葉輪再進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)檢驗(yàn)，符合性能指標(biāo)的按此規(guī)范進(jìn)行批量生產(chǎn)；否則返回步驟12.。
[0033]上述步驟均是在電子計(jì)算機(jī)上按專用軟件自動(dòng)進(jìn)行的。而步驟2、3、4、5的數(shù)據(jù)需要同時(shí)備份并輸入到葉輪葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中，以備今后進(jìn)行葉輪數(shù)字設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用。[0034]本發(fā)明的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，在 申請(qǐng)人:在采取必要的保密措施的前提下，安裝所生產(chǎn)各種型號(hào)的離心壓縮機(jī)中實(shí)驗(yàn)，取得很好的效果，使壓縮機(jī)內(nèi)部的氣流實(shí)現(xiàn)了高壓力比、高效率化并減少了通道中的渦流損失，顯著地改善了離心壓縮機(jī)的性能指標(biāo)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明的葉輪主要部分的立體圖；圖2該葉輪部分的主剖視示意圖；圖3是該葉輪的局部結(jié)構(gòu)示意圖，上述各圖中，I為輪轂；2葉片；3輪盤。圖4是本發(fā)明的葉輪設(shè)計(jì)流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步的說明與補(bǔ)充。
[0037]如圖4所示，采用采用NUMECA公司的FINETM/DeSign3D葉輪設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合本 申請(qǐng)人:制造的離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了離心壓縮機(jī)閉式葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造。
[0038]離心壓縮機(jī)閉式葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程可分為葉輪的流體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化的初步設(shè)計(jì)；三維幾何建模；三維流暢數(shù)值模擬；性能測試；結(jié)構(gòu)分析和數(shù)字化制造及仿真驗(yàn)證諸多環(huán)節(jié)，其大致步驟如下:
[0039]步驟I根據(jù)用戶要求制定葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)；
[0040]步驟2給出葉輪軸面流道數(shù)字化定義；
[0041]步驟3用軟件進(jìn)行葉輪軸面流場數(shù)字計(jì)算和流線設(shè)計(jì)；
[0042]步驟4進(jìn)行葉輪進(jìn)、出口修正參數(shù)確定、葉片進(jìn)、出邊軸、面投影形狀設(shè)計(jì)；
[0043]步驟5葉片進(jìn)口邊軸向位置設(shè)計(jì)
[0044]步驟6在各流面葉柵的數(shù)字化設(shè)計(jì)；
[0045]步驟7將各流面上按一定的規(guī)律積疊成葉片，進(jìn)行幾何學(xué)分析；
[0046]步驟8進(jìn)行葉片和葉輪的三維幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)；
[0047]步驟8之I對(duì)葉片和葉輪的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算、分析和可制造性評(píng)估；滿足結(jié)構(gòu)要求則進(jìn)入步驟13 ;否則返回步驟6 ；
[0048]步驟9 (步驟8之2)葉輪的流道離散、網(wǎng)絡(luò)生成、邊界條件分析；
[0049]步驟10進(jìn)行葉輪流場模擬；
[0050]步驟11基于流場數(shù)值模擬對(duì)葉輪性能進(jìn)行評(píng)估；
[0051]步驟12檢驗(yàn)葉輪是否滿足流體動(dòng)力學(xué)性能要求；滿足可進(jìn)入步驟13 ;否則返回步驟3 ;
[0052]步驟13進(jìn)行葉輪模型數(shù)字化制造及試驗(yàn)驗(yàn)證；
[0053]步驟14檢查葉輪模型是否滿足設(shè)計(jì)性能要求，滿足則上數(shù)控銑進(jìn)行式加工；否則返回步驟6;
[0054]步驟15將正式加工好的葉輪再進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)檢驗(yàn)，符合性能指標(biāo)的按此規(guī)范進(jìn)行批量生產(chǎn)；否則返回步驟12.。
[0055]上述步驟均是在電子計(jì)算機(jī)上按專用軟件自動(dòng)進(jìn)行的。而步驟2、3、4、5的數(shù)據(jù)需要同時(shí)備份并輸入到葉輪葉片設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中，以備葉輪數(shù)字設(shè)計(jì)應(yīng)用。
[0056]采用低合金鋼鍛件作坯料，如圖1、2、3所示，分別按照數(shù)控程序采用數(shù)控車床車出輪轂I外形，并再用銑床在輪轂上銑出葉片2 ;再按照數(shù)控程序采用數(shù)控車床加工出輪盤3，最后，自動(dòng)氬弧焊機(jī)將帶葉片的輪轂與輪盤焊接為一體。下面列舉出幾個(gè)具體的實(shí)施例。
[0057]實(shí)施例1
[0058]采用15Cr2Mol珠光體低合金耐熱鋼鍛件作坯料，先用數(shù)控車床加工出輪轂，其外經(jīng)為600毫米，再在其上用數(shù)控銑床加工出葉片，葉片的平均厚度為4毫米；再用數(shù)控車床加工輪盤，輪盤的尺寸為450毫米，在輪盤相應(yīng)于葉片端部的位置用銑床銑出焊接槽，焊接時(shí)先將葉片插入相應(yīng)的槽內(nèi)，再用焊接機(jī)器人氬弧焊將帶葉片的輪轂與輪盤焊接為一體。
[0059]實(shí)施例2
[0060]采用FV520B高強(qiáng)高韌性馬氏體時(shí)效鋼鍛件作坯料，先用數(shù)控車床加工出輪轂，其外經(jīng)為800毫米，再在其上用數(shù)控銑床加工出葉片，葉片的平均厚度為8毫米；再用數(shù)控車床加工輪盤，輪盤的尺寸為570毫米，在輪盤相應(yīng)于葉片端部的位置用銑床銑出焊接槽，焊接時(shí)先將葉片插入相應(yīng)的槽內(nèi)，再用焊接機(jī)器人氬弧焊將帶葉片的輪轂與輪盤焊接為一體。
[0061]實(shí)施例3
[0062]采用15Cr2Mol珠光體低合金耐熱鋼鍛件作坯料，先用數(shù)控車床加工出輪轂，其外經(jīng)為700毫米，再在其上用數(shù)控銑床加工出葉片，葉片的平均厚度為6毫米；再用數(shù)控車床加工輪盤，輪盤的尺寸為498毫米，在輪盤相應(yīng)于葉片端部的位置用銑床銑出焊接槽，焊接時(shí)先將葉片插入相應(yīng)的槽內(nèi)，再用焊接機(jī)器人氬弧焊將帶葉片的輪轂與輪盤焊接為一體。
[0063]實(shí)施例4
[0064]用FV520B高強(qiáng)高韌性馬氏體時(shí)效鋼鍛件作坯料，先用數(shù)控車床加工出輪轂，其外經(jīng)為900毫米，再在其上用數(shù)控銑床加工出葉片，葉片的平均厚度為8毫米；再用數(shù)控車床加工輪盤，輪盤的尺寸610毫米，在輪盤相應(yīng)于葉片端部的位置用銑床銑出焊接槽，焊接時(shí)先將葉片插入相應(yīng)的槽內(nèi)，再用焊接機(jī)器人氬弧焊將帶葉片的輪轂與輪盤焊接為一體。
[0065]實(shí)施例5
[0066]同實(shí)施例1，多級(jí)離心壓縮機(jī)葉輪，該壓縮機(jī)具有兩個(gè)以上的葉輪，其前后兩葉輪的相應(yīng)的葉片之間偏移-5°角。
[0067]實(shí)施例6
[0068]同實(shí)施例2，多級(jí)離心壓縮機(jī)機(jī)葉輪，該壓縮機(jī)具有兩個(gè)以上的葉輪，其前后兩葉輪的相應(yīng)的葉片之間偏移-10°角。
[0069]實(shí)施例7
[0070]同實(shí)施例3，多級(jí)離心壓縮機(jī)葉輪，該壓縮機(jī)具有兩個(gè)以上的葉輪，其前后兩葉輪的相應(yīng)的葉片之間偏移-15°角。
[0071]上述各實(shí)施例僅僅是根據(jù)不同用戶的不同使用條件而提出的設(shè)計(jì)方案，這些方案在同用戶簽訂相應(yīng)的保密協(xié)議后，將樣機(jī)提供給用戶試用取得較為滿意的效果的特例，因此還可以還可以列舉出更多實(shí)施例來
[0072]本發(fā)明并不局限上述個(gè)實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明的形式可做相應(yīng)的變更和修改，凡是在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)的變更和修改，均應(yīng)視為包含本發(fā)明的權(quán)限之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，它包括葉片、輪轂和輪盤，其特征在于: (1)葉片采用后彎式、等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)； (2)葉片與輪轂為一體，它們與輪盤之間的連接采用焊接結(jié)構(gòu)。
2.按權(quán)利要求1所述的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，其特征在于所說的葉片等強(qiáng)度結(jié)構(gòu)其葉片周向厚度從葉尖到葉根是逐漸增加的。
3.按權(quán)利要求1所述的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，其特征在于所說的輪轂與輪盤之間的連接采用焊接結(jié)構(gòu)是采用機(jī)器人自控氬弧焊工藝完成的。
4.按權(quán)利要求1所述的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪，其特征在于所說的在多級(jí)壓縮機(jī)中，前、后兩個(gè)葉輪相應(yīng)的的葉片葉面間偏轉(zhuǎn)的角度為-5?-15°。
5.一種設(shè)計(jì)權(quán)利要求1的離心壓縮機(jī)的閉式葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其步驟如下: 步驟I根據(jù)用戶要求制定葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)； 步驟2給出葉輪軸面流道數(shù)字化定義； 步驟3用軟件進(jìn)行葉輪軸面流場數(shù)字計(jì)算和流線設(shè)計(jì)； 步驟4進(jìn)行葉輪進(jìn)、 出口修正參數(shù)確定、葉片進(jìn)、出邊軸、面投影形狀設(shè)計(jì)； 步驟5葉片進(jìn)口邊軸向位置設(shè)計(jì) 步驟6在各流面葉柵的數(shù)字化設(shè)計(jì)； 步驟7將各流面上按一定的規(guī)律積疊成葉片，進(jìn)行幾何學(xué)分析； 步驟8進(jìn)行葉片和葉輪的三維幾何數(shù)字化設(shè)計(jì)； 步驟8之I對(duì)葉片和葉輪的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算、分析和可制造性評(píng)估；滿足結(jié)構(gòu)要求則進(jìn)入步驟13 ;否則返回步驟6 ； 步驟9 (步驟8之2)葉輪的流道離散、網(wǎng)絡(luò)生成、邊界條件分析； 步驟10進(jìn)行葉輪流場模擬； 步驟11基于流場數(shù)值模擬對(duì)葉輪性能進(jìn)行評(píng)估； 步驟12檢驗(yàn)葉輪是否滿足流體動(dòng)力學(xué)性能要求；滿足可進(jìn)入步驟13 ;否則返回步驟·3 ； 步驟13進(jìn)行葉輪模型數(shù)字化制造及試驗(yàn)驗(yàn)證； 步驟14檢查葉輪模型是否滿足設(shè)計(jì)性能要求，滿足則上數(shù)控銑進(jìn)行式加工；否則返回步驟6 ; 步驟15將正式加工好的葉輪再進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)檢驗(yàn)，符合性能指標(biāo)的按此規(guī)范進(jìn)行批量生產(chǎn)；否則返回步驟12.。
【文檔編號(hào)】F04D29/28GK103807209SQ201410052615
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2014年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月13日
【發(fā)明者】石雪松 申請(qǐng)人:沈陽斯特機(jī)械制造有限公司