具有高出口流場均勻度的葉輪及離心壓縮機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械裝置，尤其涉及一種具有高出口流場均勻度的葉輪及離心壓縮機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]離心壓縮機(jī)的主要部件包括葉輪和擴(kuò)壓器。在葉輪設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用出口后彎的方法來降低葉輪出口附近的載荷，進(jìn)而達(dá)到降低葉輪中的二次流動(dòng)，提高出口流場的均勻度，實(shí)現(xiàn)葉輪效率的提升。低壓比離心壓縮機(jī)由于葉輪出口絕對流動(dòng)較徑向，因此經(jīng)常采用無葉擴(kuò)壓器。然而，由于葉輪出口流動(dòng)的不均勻性，擴(kuò)壓器中的流體會(huì)從一側(cè)遷移到另一偵牝?qū)е聰U(kuò)壓器一側(cè)出現(xiàn)流動(dòng)分離(參見圖1、圖2)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)壓器失速，降低了壓縮機(jī)的喘振裕度，因此，提高葉輪出口流動(dòng)的均勻度，以便流體在擴(kuò)壓器中重新分布，在達(dá)到擴(kuò)壓器出口附近時(shí)實(shí)現(xiàn)流體均勻分布(參見圖3)是提高壓縮機(jī)穩(wěn)定工作范圍的必要措施?，F(xiàn)有的提高無葉擴(kuò)壓器流動(dòng)均勻性的方法是流道收縮，在提高流動(dòng)均勻性的同時(shí)，降低了擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓度。
[0003]為了解釋本專利進(jìn)一步提高葉輪出口的流動(dòng)均勻度，進(jìn)而提高無葉擴(kuò)壓器中流動(dòng)的均勻性的機(jī)理，我們首先分析葉輪出口流場不均勻的原因。葉輪中的流動(dòng)可分為主流和二次流，二次流是所有偏離主流的流動(dòng)的總稱。二次流產(chǎn)生的原因和對出口流場的影響解釋如下:
[0004]1、離心葉輪中二次流產(chǎn)生的原因:在z-r平面，流體從軸向折轉(zhuǎn)為徑向，根據(jù)簡單徑向平衡方程葉輪根部的靜壓大于頂部的靜壓，葉輪表面邊界層中的低能流體在該壓力的作用下從根部遷移到頂部。葉輪回轉(zhuǎn)面(Μ-Θ )由導(dǎo)流段(Inducer)和徑向段組成。在導(dǎo)流段，流體的絕對運(yùn)動(dòng)是從軸向沿旋轉(zhuǎn)方向折轉(zhuǎn)，簡單徑向平衡方程表明壓力面的靜壓大于吸力面。在徑向段，徑向向上流動(dòng)的流體在旋轉(zhuǎn)的流道中產(chǎn)生指向壓力面的哥氏力，造成壓力面的靜壓大于吸力面。在該壓力梯度的作用下，輪蓋內(nèi)表面邊界層中的低能流體將從壓力面遷移到吸力面。這兩種低能流體遷移的共同結(jié)果是低能流體被集中到葉片吸力面和輪蓋內(nèi)表面構(gòu)成的角落區(qū)域，造成了流動(dòng)的不均勻性。葉輪流道中的低能流體遷移是二次流的特征。
[0005]2、減弱二次流動(dòng)的措施:降低二次流的根本在于降低葉片表面邊界層的產(chǎn)生，而減小流向壓力度是減弱邊界層生成的最有效措施。出口后彎的葉輪造成了與旋轉(zhuǎn)方向相反的周向速度分量，它使流體受到了指向軸心的哥氏力，該哥氏力減弱了徑向壓力梯度，因此，邊界層生長得到抑制。采用出口后彎葉輪的另一個(gè)效果是增加了葉片的長度，因而減弱了沿流向的單位長度的壓力變化。
[0006]3、葉輪根部和頂部的主流流動(dòng):根部沿流向的葉片長度大于頂部，并且根部的低能流體被遷移到頂部，這是根部流動(dòng)的優(yōu)勢。根部的劣勢是進(jìn)口根部半徑小于頂部，葉輪的旋轉(zhuǎn)造成進(jìn)口根部壓力大于頂部，所以小部分流體從根部進(jìn)入流道，造成葉輪出口處根部流體較少。另一方面，頂部流體有時(shí)不能沿著頂部子午面型線折轉(zhuǎn)，一部分流體由于慣性力作用流向根部。因此，葉輪出口流動(dòng)的均勻性取決于兩個(gè)因素:1)有多少低能流體被遷移到輪蓋和吸力面組成的角區(qū)，和2)有多少高能流體從頂部運(yùn)動(dòng)到根部。
[0007]從上述分析我們可以看到葉輪出口后彎減弱二次流動(dòng)是提高葉輪出口均勻度的有效措施。本發(fā)明通過采用不同的根部和頂部后彎角進(jìn)一步提高擴(kuò)壓器中流動(dòng)的均勻性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種能夠有效提高葉輪流體出口流場均勻度的葉輪。
[0009]本發(fā)明的具有高出口流場均勻度的葉輪，包括輪轂、輪蓋和葉片，所述葉片設(shè)置于所述輪轂和輪蓋之間，所述葉輪的相鄰兩個(gè)葉片、相鄰兩個(gè)葉片根部之間的輪轂及相鄰兩個(gè)葉片頂部之間的輪蓋圍成氣體通道，每個(gè)氣體通道出口處葉片頂部與葉片根部的后彎角不同。
[0010]可選的，每個(gè)氣體通道出口處，葉片頂部的后彎角大于葉片根部的后彎角。
[0011]可選的，每個(gè)氣體通道出口處，葉片頂部的后彎角比葉片根部的后彎角大3?10度。
[0012]可選的，每個(gè)氣體通道出口處，葉片根部的后彎角大于葉片頂部的后彎角。
[0013]可選的，每個(gè)氣體通道出口處，葉片根部的后彎角為比葉片頂部的后彎角大5?15度。
[0014]可選的，每個(gè)氣體通道出口處，所述葉片頂部的后彎角為35?55度。
[0015]本發(fā)明還提供了一種離心壓縮機(jī)，包括前述的葉輪，在所述葉輪的每個(gè)氣體通道出口處均設(shè)置有無葉擴(kuò)壓器。
[0016]本發(fā)明的具有高出口流場均勻度的葉輪由于采用不同的根部和頂部后彎角來改變根部和頂部載荷相對大小，因此提高了葉輪的出口流場均勻度。
【附圖說明】
[0017]圖1為無葉擴(kuò)壓器葉輪輪盤側(cè)流體偏少時(shí)出現(xiàn)流體分離現(xiàn)象的示意圖；
[0018]圖2為無葉擴(kuò)壓器葉輪輪轂側(cè)流體偏少時(shí)出現(xiàn)流體分離現(xiàn)象的示意圖；
[0019]圖3為無葉擴(kuò)壓器在理想情況下的流體分布情況示意圖；
[0020]圖4為本發(fā)明的離心壓縮機(jī)子午流道的示意圖，用于比較擴(kuò)壓器流動(dòng)均勻度的三個(gè)位置(A-A，B-B和C-C)也標(biāo)于圖中；
[0021]圖5為本發(fā)明葉輪的葉片頂部后彎角大于葉片根部彎角時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖，葉輪葉片的后彎角標(biāo)于圖中，其中0 21為葉片根部后彎角，0 為葉片頂部后彎角；
[0022]圖6為實(shí)施例1及實(shí)施例2中葉輪的子午型線，其中實(shí)線所示為實(shí)施例1中葉輪的子午型線，虛線所示為實(shí)施例2中葉輪的子午型線；
[0023]圖7為實(shí)施例1葉片從前緣到尾緣的葉片后彎角分布及現(xiàn)有技術(shù)中的葉片從前緣到尾緣的葉片后彎角分布比較圖，其中，橫坐標(biāo)為葉片從前緣到尾緣的子午長度，縱坐標(biāo)為葉片的后彎角，其中，實(shí)線為現(xiàn)有技術(shù)中的葉片后彎角分布，頂部與根部具有相同的后彎角，虛線為本實(shí)施例的葉片后彎角分布，頂部比根部的后彎角小10度；
[0024]圖8為采用現(xiàn)有技術(shù)(即采用圖7中實(shí)線所示的后彎角安裝方式)的葉片后彎角分布得到擴(kuò)壓器中三個(gè)位置的徑向速度分布，它表明頂部流量偏少；
[0025]圖9為采用實(shí)施例1中的葉片后彎角分布得到擴(kuò)壓器中三個(gè)位置的徑向速度分布，它表明根部后彎角的增加減少了根部載荷，使葉輪出口根部流量減少，作為一個(gè)結(jié)果，擴(kuò)壓器出口實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)的均勻?qū)ΨQ；
[0026]圖10為實(shí)施例2葉片從前緣到尾緣的葉片后彎角分布及現(xiàn)有技術(shù)中的葉片從前緣到尾緣的葉片后彎角分布比較圖，其中，橫坐標(biāo)為葉片從前緣到尾緣的子午長度，縱坐標(biāo)為葉片的后彎角，其中，實(shí)線為現(xiàn)有技術(shù)中的葉片后彎角分布，頂部與根部具有相同的后彎角，虛線為本實(shí)施例中的葉片后彎角分布，頂部比根部的后彎角大6度；
[0