[发明专利]一种离心压缩机的闭式叶轮

说明书

技术领域

本发明属于离心压缩机部件的技术领域，具体涉及到一种新型的离心压缩机的闭式叶轮。

背景技术

叶轮是离心压缩机的一个主要部件，它对压缩机的效率有着决定性的影响。叶轮按结构形式可分为：开式、半开式和闭式三种；按进气方式则可分为：单面进气和双面进气两种；而按叶片弯曲的形式则又可分为：前弯、径向和后弯三种。

中国专利CN90224589.9公开了一种《离心式三元叶轮》，该叶轮具有轴向跨距短的三元扭曲叶片，叶片型面由特定载荷分布规律确定其轮盖型线和轮盘型线，再由直线元素光滑连接构成。然而，其设计公式中所引用的系数并未说明来源，所得出的数值明显带有极大的经验性质，并不具有推广应用的价值。

中国专利CN202531482U公开了《一种离心风机叶轮》，它在后盘上且垂直于后盘设置有反推力叶片，这仅仅相当于增加了一个小推力盘。

中国专利CN203214413U则公开了一种《离心风机叶轮》，它在叶轮的前、后盘的出口处均设有加强圈，加强圈通过其上开有的塞焊孔同前、后盘的出口处焊接在一起。它仅仅是以此加强圈来提高叶轮的整体刚度。

实际上叶轮的主要问题并不在于并不在于上述专利所考虑的方面，首先，我们认为：叶轮包含的若干个叶片，当离心压缩机工作时，一方面要求叶轮叶片要有足够的强度承受很高的离心应力；另一方面，为了保证气动性能和减小转动惯量，则要求叶片厚度在满足其强度的条件下，要尽可能的薄。如此应该考虑叶轮的叶片的厚度从叶尖到叶根有一个合理的分布。

其次，目前对于离心压缩机叶片的设计，通常采用径向元素造型，即叶片垂直于转动轴的任意截面的型面中心线必须通过轴线，以保证叶片在高速旋转过程中不会产生附加弯矩。设计时，首先构造叶片的中弧面，再确定叶片周向的厚度分布。他们通常使用圆弧或椭圆构造叶片的弧面造型，这样既难于对沿流向的叶片负荷进行调整；又无法保证在叶轮出气边沿径向得到合理的出气角分布。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种离心压缩机的闭式叶轮，它包括叶片、轮毂和轮盘，其特征在于：

（1）叶片采用后弯式、等强度结构；

（2）叶片与轮毂为一体，它们与轮盘之间的连接采用焊接结构。

本发明的本发明的离心压缩机的闭式叶轮，所说的叶片等强度结构其叶片周向厚度从叶尖到叶根是逐渐增加的，这是通过基于性能预测的流体动力学设计思想出发，利用专业设计软件完成的。

本发明的本发明的离心压缩机的闭式叶轮，所说的轮毂与轮盘之间的连接采用焊接结构是采用氩弧焊工艺完成的。

考虑到叶片通道中环流对出口速度的影响，在有限叶片数时，由于环流的影响，在叶轮出口处存在着一个与周速相反的环流速度（即轴向涡），使气流的相对速度在出口处朝着反旋转方向偏转一定的角度，即气流出现了滞后现象。本发明的离心压缩机的闭式叶轮在多级离心压缩机中，前、后两个叶轮相应的叶片之间其叶面间偏转的角度为-5～-15°。

由于离心压缩机，其气流是轴对称的，所以，其压力和速度只是（R；Z）的函数，对于叶轮内部来说，由流体动力学的连续性方程、运动方程和能量方程组成的不可压缩理想流体流动的方程组可以大为简化，即可将复杂的三元流动简化为多个以周勉流线为母线的变厚度回转面的叶栅来研究。

不过，在设计过程中不仅是要考虑也轮到动力学性能，还必须考虑其它过流不见的相互作用和匹配关系，以及是否满足结构刚度、强度和制造工艺的要求等因素。发明人采用NUMECA公司的FINE^TM/Design3D叶轮设计软件，结合本申请人制造的离心压缩机的设计参数，实现了离心压缩机闭式叶轮的优化设计和数字化制造。

离心压缩机闭式叶轮的优化设计过程可分为叶轮的流体动力学数字化的初步设计；三维几何建模；三维流畅数值模拟；性能测试；结构分析和数字化制造及仿真验证诸多环节，其大致步骤如下：

步骤1根据用户要求制定叶轮设计参数；

步骤2给出叶轮轴面流道数字化定义；

步骤3用软件进行叶轮轴面流场数字计算和流线设计；

步骤4进行叶轮进、出口修正参数确定、叶片进、出边轴、面投影形状设计；

步骤5叶片进口边轴向位置设计

步骤6在各流面叶栅的数字化设计；

步骤7将各流面上按一定的规律积叠成叶片，进行几何学分析；

步骤8进行叶片和叶轮的三维几何数字化设计；

步骤8之1对叶片和叶轮的强度和刚度进行计算、分析和可制造性评估；满足结构要求则进入步骤13；否则返回步骤6；