專利名稱：離心式壓氣機的工作輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪空氣壓縮機領(lǐng)域，更確切地說，是關(guān)于離心式壓氣機的工作輪。本發(fā)明可以最成功地用于工業(yè)企業(yè)、道路工程、采礦工業(yè)的壓縮空氣管路，以及氣體沿氣體導(dǎo)管的運輸、熔化爐的供氣裝置、制氨裝置、制造聚乙烯和離析氣體的裝置。
在壓氣機的工作過程中，氣體的壓縮和移動是借助于安裝在工作輪上的葉片來保證的，而且壓氣機的效率在很大程度上取決于葉片工作面的形狀，在各種不同的工作輪結(jié)構(gòu)中，葉片是用各種不同的方法制成的。
我們已經(jīng)知道一種離心式壓氣機的工作輪(1981年“機器制造”(列寧格勒)15頁Β·φ·里斯“離心式壓氣機”)，它包括支承圓盤和安裝在上面的葉片。葉片的進口邊排列在圓柱形或圓錐形表面上，該表面的軸與工作輪的輪相重合。葉片的出口邊安裝于圓柱形表面上，此表面的軸與工作輪的輪也相重合。平行于輪軸的直線成形線的位移形成葉片的工作面，成形線形成某個與輪軸不對稱的圓柱形表面。
在這種情況下，葉片的整個表面都排列在工作輪的徑向部分。
在所述的工作輪上，葉片的出口角可以實現(xiàn)小于90°。在這種情況下，在有效系數(shù)最大值時的工作效率比喘振點對應(yīng)的效率高得多。生產(chǎn)量在足夠大的范圍內(nèi)變化而又不使有效系數(shù)降低很多，這就可以保證在固定式壓氣機上使用上述工作輪的可能性。
但是，上述形狀的工作輪在輪軸部分由于沒有葉片，在氣流由軸向轉(zhuǎn)向徑向時，產(chǎn)生急劇的方向變化。這造成氣體以一個沖角進入排列在輪的徑向部分的葉片進口邊，沖角沿著進口邊氣流線而變化。特別是輪寬與輪的外徑的比值偏離某一最佳值(約為0.05)時，這樣會大大降低有效系數(shù)。
此外，在輪軸部分沒有葉片，會明顯降低工作輪的強度。
我們還知道另一種離心式壓氣機的工作輪(SU、A、NO 691606)，它也包括支承圓盤和安裝在上面的葉片。葉片的進口邊排列在垂直于輪軸的平面，而出口邊排列在圓柱形表面，圓柱形表面的軸與輪軸相重合。葉片工作面的成形線是直線，它通過垂直于輪軸的平面，因此，它不與輪軸相交。該成形線即沿著輪軸又繞輪軸成螺旋形移動，形成工作面，而且由成形線至輪軸間的距離是變化的，以保持成形線與輪半徑間傾角的正弦與Sinr·Xn成比例，該半徑通過成形線與葉片外邊緣的交點，其中r-常量，X-成形線位移值與工作輪沿其軸的長度之比，n-指數(shù)。
在所述工作輪上葉片的出口角應(yīng)該等于90°，因為，出口角只有達到這個值才能保證它沿著葉片出口邊全長內(nèi)保持恒定的條件，為此必須使成形線在葉片的出口邊保持沿半徑的方向。但是裝用這種葉片的壓氣機在工作中，只有生產(chǎn)量在一個很小的范圍內(nèi)變化時，有效系數(shù)才能達到足夠大的值，因為葉片出口角等于90°時，有效系數(shù)的最大值與喘振點相吻合。在生產(chǎn)量變化范圍很大的固定式壓氣機中不允許使用上述工作輪，因為生產(chǎn)量變化幅度大會導(dǎo)致有效系數(shù)的急劇降低。
除此而外，上述表達式Sinr·Xn中的“n”值不能夠小于2，不然的話，形成的表面不能保證滿足氣流進入葉片進口邊的條件。但是，當(dāng)“n”值等于或大于2時，葉片的工作面將具有在葉片全長范圍內(nèi)表面曲率變化顯著的特點。這將使在環(huán)繞工作表面的氣流中，斷流區(qū)出現(xiàn)的概率增大，導(dǎo)致有效系數(shù)的降低。
同時，在輪軸部分，葉片進口邊的排列可以保證減小沿葉片進口邊沖擊角的變化，以及提高工作輪的強度。
可以借助直線成形線沿著和環(huán)繞軸的螺旋形移動得到沿葉片進口邊工作表面曲率很平緩的變化和比較穩(wěn)定的沖擊角，同時，使成形線任何時間都通過輪軸。此外，在這種情況下，還可以保證工作輪有較高的強度，因為葉片進口邊沿徑向排列，而不與半徑形成夾角，就象NO691606著作證書提供的工作輪一樣。
但是，在采用通過輪軸的直線型成形線的情況下，葉片的出口角總是等于90°。
本發(fā)明的目的是要提出制造裝有一種新型葉片的離心式壓氣機工作輪。這種葉片在保證工作輪足夠高的強度和沿葉片進口邊沖擊角最小的條件下，在葉片工作面曲率平緩變化時，通過得到小于90°的葉片出口角而提高工作輪的有效系數(shù)。
為此本發(fā)明提出了一種包括支承圓盤和在其上安裝葉片的離心式壓氣機的工作輪，其葉片進口邊排列在垂直于輪軸的平面上，而出口邊排列在圓柱形表面上，圓柱形表面的軸與輪軸相重合，而且，每個葉片的工作面是由成形線沿著和環(huán)繞輪軸成螺旋形位移而形成的。按照本發(fā)明，在這個工作輪上，成形線的始端通過輪軸，至少它的一部分應(yīng)該是雙紐線的交匯點，而如果雙紐線截段僅僅是成形線的一部分，那么，成形線的其它部分是直線截段，直線截段的一端與雙紐線截段在它的上述交匯點共軛，而另一端是成形線的始端。
采用通過輪軸的上述成形線可以保證葉片在它的軸部有高強度。這是因為，如果成形線是由兩部分組成的，而構(gòu)成葉片軸部的直線截段的方向是接近徑向的。與雙紐線的交匯點相銜接的雙紐線截段同樣接近通過徑向的直線。如果成形線的全部都是雙紐線，同樣可以保證葉片軸部的強度。同時，成形線具有向雙紐線曲線段可以得到小于90°的葉片出口角，從而在生產(chǎn)量變化范圍較大的情況下，提高有效系數(shù)。因此，可以保證葉片工作面曲率的平緩變化，減小在環(huán)繞表面氣流中產(chǎn)生斷流區(qū)的概率，從而有助于得到高效率。
由于成形線與輪軸相交，可以使葉片進口邊的沖角接近于零，這樣，有助于得到高的有效系數(shù)。
在上述成形線呈螺旋形位移時，圍繞輪軸的轉(zhuǎn)角要與一個數(shù)值雙曲正切值成比例地變化，而這個值是與成形線沿輪軸的平移值成比例的。
成形線位移的上述特性有助于建立葉片氣流環(huán)流的最理想條件，從而提高有效系數(shù)。
在從葉片進口邊到葉片表面點的螺旋形位移時，適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)角φ，應(yīng)該在10°～45°范圍內(nèi)，葉片表面點指的是由進口邊到輪軸方向的最遠的點。4角的上述范圍是試驗確定的。在φ角小于10°和大于45°時不能保證進口處氣流進入葉片柵的最低的相對速度，從而造成有效系數(shù)的降低。
看了采用離心式壓氣機工作輪的下列詳細敘述后，可以更清楚地了解這個發(fā)明。其中

圖1.離心式壓氣機工作輪的子午線斷面圖(一半);
圖2.從進口邊的方向描繪帶有可拆式復(fù)蓋圓盤的工作輪的形狀;
圖3.位移時形成葉片工作面的成形線形式圖;
圖4.葉片表面軸測投影圖。
離心式壓氣機工作輪包括支承圓盤1(圖1，2)和復(fù)蓋圓盤2。圓盤1，2的內(nèi)表面1a和2a之間安裝工作葉片3。葉片邊3的進口邊4排列在工作輪進口面垂直于輪軸的平面上，輪軸與坐標(biāo)系統(tǒng)的Z軸重合。
葉片3的出口邊5(圖1，4)排列在圓柱形表面上。圓柱形表面的軸與工作輪的Z軸重合，它的直徑等于工作輪的外徑D2。
葉片3的工作面是成形線ABC沿著和環(huán)繞輪的Z軸呈螺旋形位移形成的，成形線ABC通過輪的Z軸并處在垂直于該軸的平面上，即圖3中直角坐標(biāo)系x-y表示的平面。
成形線ABC的AB段是直線截段，它和雙紐線BC截段在B點共軛，B點是雙紐線的交匯點。所謂“共軛”是指AB截段在B點的傾角等于雙紐線在該點切線的傾角。雙紐線截段BC的另一端點C處于雙紐線與以A為圓心，D2為直徑的圓周的交點上。A點是成形線的始端并處于輪的Z軸上，Z軸通過A點并與圖面垂直。雙紐線的其余部分在圖3中用虛線表示。大家知道，在極坐標(biāo)系統(tǒng)中，雙紐線是用下式表達的ρ＝a·2COS2X]]>……(1)其中ρ-雙紐線的失徑a-BF的長度，BF是雙紐線的焦點到它的交匯點B的距離X-雙紐線的矢徑的極角“a”值根據(jù)葉片出口角β2和工作輪的外徑D2的大小選擇。直徑D2愈大，B2角愈小，那么“a”值愈大。雙紐線中點C符合于α角不小于
。圖3中，雙紐線用x1-y1直角坐標(biāo)系統(tǒng)表示，該坐標(biāo)系統(tǒng)的原點與B點重合。
全部成形線都是雙紐線截段的方案也是可能的。在這種情況下，沒有AB截段，B點處于輪軸上并與A點重合。
大家知道，雙紐線的特點是從交匯點開始的一段非常接近于直線。
葉片工作面的形成可用圖2和圖4說明，圖中虛線標(biāo)明成形線ABC在它螺旋形位移中的三種位置A1、B1、C1、A2B2C2、A3B3C3，圖2中A1、A2、A3點與A點相重合。
位置A1B1C1(圖4)與葉片3的進口邊4的形成相合，進口4的邊緣分別為支承圓盤1和復(fù)蓋圓盤2的內(nèi)表面1a和2a。
成形線沿著和環(huán)繞輪軸由進口邊4向出口邊5即在Z軸指示的方向上(圖1，4)繼續(xù)移動時，葉片的工作面以支承圓盤1和復(fù)蓋圓盤2的內(nèi)表面1a和2a為界的一段成形線就形成了。在這種情況下，距Z軸最遠的成形線的終端(圖3中的C點和圖2、4中的點C1、C2、C3)處在直徑為D2的上面提到的圓柱形面上。
當(dāng)落入距輪軸最遠處成形線的上述終端時，復(fù)蓋圓盤2(圖1)的內(nèi)表面2a的邊緣開始構(gòu)成葉片(圖3)出口邊5。出口邊是移動的成形線與半徑為D2的圓柱形表面的交點形成的一條線，圓柱形表面的軸與工作輪的Z軸重合。在垂直于工作輪的Z軸的平面上，通過葉片出口邊的下述兩直線間的夾角是葉片出口角β2，一條直線是葉片表面的切線，另一條直線是上述的直徑為D2的圓柱形面的切線。因為成形線總是處于垂直于工作輪Z軸的平面上，所以在出口邊的全長范圍內(nèi)，β2角都是一樣大。
正如上面所指出的，在雙紐線的始端具有接近直線段的一段，這可以保證在工作輪的軸部獲得葉片的高強度，這一段葉片是徑向的剛性平面肋條。(因為成形線通過輪軸)
又如上面所指出的，雙紐線截段是成形線的一部分，它的終端有較大的曲率。這使得到小于90°的出口角β2成為可能，從提高有效系數(shù)的觀點看這是很重要的，這一點在下面還要敘及。
同樣必須指出，雙紐線與直線截段在交匯點的共軛保證了成形線的平滑度。這說明，雙紐線在交匯點的曲率就象直線截段一樣，等于零。
為了獲得葉片表面氣流環(huán)流的最有利條件，要使成形線沿著和環(huán)繞輪軸適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生螺旋形位移，以使成形線在螺旋形位移時，環(huán)繞Z軸的成形線的轉(zhuǎn)角與一個數(shù)值的雙曲正切成比例地變化，這個數(shù)值的大小與成形線沿輪軸平衡量成比例，即φ＝A.th「BZ」……(2)其中.φ-成形線環(huán)繞輪軸的轉(zhuǎn)角Z-成形線環(huán)繞輪軸的平移值A(chǔ)和B-系數(shù)，取決于工作輪幾何尺寸、葉片入口角、出口邊相對于下述平面的傾角(圖4)γ的相互關(guān)系，這個平面經(jīng)過出口邊離葉片入口邊距離最遠的點并垂直于輪軸。
最好在成形線從葉片進口邊4到出口邊5與支承圓盤1的內(nèi)表面1a距Z軸最遠的邊緣的交點螺旋形移動時，成形線的轉(zhuǎn)角φ(圖2)在10°～45°范圍內(nèi)。φ角的上述范圍是試驗確定的，它應(yīng)使氣流進入葉片柵時的相對速度最小。氣流最小的相對速度可以降湍Σ亮Φ乃鷙?，因而可姨N岣哂行凳５寶戰(zhàn)切∮ 0°時，由于工作輪入口的面積大大減小而使絕對速度提高，氣流的相對速度將比最小值有很大的增加。在φ角大于45°時，氣流的相對速度同樣會由于圓周速度的很大提高而急劇增大。當(dāng)φ角在上述范圍以外時，所有這些都會導(dǎo)致有效系數(shù)的急劇降低。
根據(jù)本發(fā)明，離心式壓氣機的工作輪按如下方式工作。
氣體進入葉片3的進口邊4時，產(chǎn)生葉片與氣流的相互作用，工作輪傳動裝置的機械能傳給氣體，并把它轉(zhuǎn)換為氣體運動的動能，部分轉(zhuǎn)化為氣體壓力的勢能。
當(dāng)氣流進入工作輪葉片柵時，氣流環(huán)繞葉片的進口邊流過。當(dāng)采用上面提供的結(jié)構(gòu)的工作輪時，可以得到工作輪入口的沖角i，在葉片進口邊的全部高度內(nèi)，它都接近于零，即可以保證氣流無振蕩地流入工作輪的葉片柵，從而提高壓氣機的有效系數(shù)。
大家知道，沖角i＝β-β1，其中，β-氣體進入葉片柵時相對速度失量與該點葉片圓周速度失量之間的夾角。β角根據(jù)圓周速度值確定，這個速度決定于由輪軸到葉片進口邊上該點間的距離。由速度三角形得到，tgβ與由輪軸到葉片進口邊上該點間的距離成反比。夾角β1所指的是在葉片進口邊上該點的圓周速度矢量與在這一點上葉片表面的切線間的夾角，該切線垂直于輪徑?？梢宰C明，如果在葉片工作面形成的過程中成形線總是通過輪軸，并處于輪軸的垂直位置，那么tgβ1同樣與從輪軸到葉片進口邊上該點的距離成反比例變化。在形成線形成進口邊附近葉片表面的過程中，通過選擇成形線的放置速度可以保證β和β1角相等，從而使葉片進口邊全長上的沖角都等于零。
氣流沿葉片柵通過時，在葉片3的工作面上形成平穩(wěn)的環(huán)流。正如上面所指出的，這是以形成繞曲率平緩的變化為條件的，成形線或者是雙紐線截段，或者是雙紐線與直線截段平滑的連接。氣流沿著葉片表面的切線方向從葉片柵流出。由于葉片出口角β2小于90°，壓氣機的工作效率將從實質(zhì)上符合于有效系數(shù)的最大值，并極大地提高相應(yīng)于喘振點的生產(chǎn)率。這使得在生產(chǎn)量變化范圍很廣的情況下有可能在固定式離心壓氣機上采用上述工作輪。
對于氣流沿葉片表面通過的最良好條件，將保證在成形線轉(zhuǎn)角變化的情況下符合于上述表達式(2)。這個表達式表達的雙曲正切是一個函數(shù)，在起始段按接近直線的規(guī)律變化，即在這一段成形線圍繞輪軸的旋轉(zhuǎn)速度是一個常量，這可以使在輪軸部分環(huán)繞葉片流過的氣流壓力梯度均勻增長。在如試驗所指出的，氣體在軸向移動時，壓力梯度的均勻增長可以使通過葉片表面的氣體斷流概率縮減到最小，從而提高有效系數(shù)。下一段，雙曲正切函數(shù)偏離直線關(guān)系，然后逐漸接近常量。這可以適應(yīng)接近葉片出口邊時成形線圍繞輪軸旋轉(zhuǎn)的最低速度。由于這個原因，在工作輪的徑向部分的葉片表面將與支承圓盤1a的內(nèi)表面以接近90°的夾角相交，從而減小了氣體與葉片的摩擦力，提高有效系數(shù)。因此，成形線按上述規(guī)律位移時，可以創(chuàng)造氣體沿葉片表面流動的最良好條件，還可以大大提高有效系數(shù)。
上面提供的工作輪可以用大家已經(jīng)知道的精密鑄造的方法制造，或者沖壓出葉片隨后將葉片鑲焊或釬焊在支承圓盤和復(fù)蓋圓盤上?？赡艿脑?，也可用電侵蝕的方法制造上面建議的工作輪。
權(quán)利要求
1.包括支承圓盤(1)和安裝在上面的葉片(3)的離心式壓氣機的工作輪，葉片進口邊(4)排列在垂直于輪軸的平面上，葉片出口邊(5)排列在軸線與輪軸(Z)重合的圓柱形表面上，并且每個葉片工作面是成形線(ABC)沿著并環(huán)繞輪軸(Z)成螺旋形位移所形成，該工作輪的特征在于，成形線(ABC)的始端通過輪軸(Z)，它的最低限度一部分是雙紐線截段(BC)，其輪軸(Z)方的端點(B)是雙紐線的交匯點(B)，如果雙紐線的截段(BC)僅僅是成形線的一部分的話，成形線(ABC)的另一部分是直線截段(AB)其一端(B)在上述雙紐線的交匯點(B)與雙紐線截段(BC)共軛，而且線截段(AB)的另一端(A)是成形線的始點點。
2.按照權(quán)利要求1的工作輪，其特征在于，成形線(ABC)產(chǎn)生螺旋形位移時，它環(huán)繞輪軸(Z)的轉(zhuǎn)角與一個數(shù)的雙曲正切按比例變化，這個數(shù)的大小與成形線(ABC)沿輪軸(Z)的平移值成比例。
3.按照權(quán)利要求1或2的工作輪，其特征在于，成形線(ABC)螺旋形位移時，從葉片(3)的進口邊(4)至葉片(3)表面上，在輪軸(Z)的方向距進口邊(4)最遠的點，成形線(ABC)的轉(zhuǎn)角都在10°～45°的范圍內(nèi)。
全文摘要
離心式壓氣機工作輪的葉片進口邊位于工作輪進口邊的平面上，該平面與輪軸(Z)垂直。葉片的出口邊位于工作輪出口的直徑為D2圓柱形表面上。葉片的工作表面是曲線(ABC)沿著和環(huán)繞輪軸螺旋形位移所形成。曲線通過輪軸并處于與輪軸垂直的平面上。該曲線至少有一部分是雙紐線截段(BC)，在有雙紐線截段(BC)的情況下，另一部分是直線截段(AB)，其一端(B)在雙紐線的交匯點(B)與雙紐線截段(BC)共軛，而直線截段(AB)的另一端(A)是曲線的始端。
文檔編號F04D29/28GK1035166SQ8810069
公開日1989年8月30日 申請日期1988年2月8日 優(yōu)先權(quán)日1988年2月8日
發(fā)明者簡納迪·弗多羅維奇·維利卡諾夫, 克哈納費·艾布拉吉莫維奇·穆拉托夫, 瓦蘭丁·阿萊克希維奇·里亞伯夫, 基爾·伯里索維奇·薩拉特斯夫, 瓦蘭丁·簡納迪維奇·索洛維夫 申請人:費·依·列寧生產(chǎn)聯(lián)合企業(yè)-“涅復(fù)斯基工廠”