[发明专利]节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮及采用该叶轮的离心式风机

说明书

一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，包括前盘、叶片、后盘及轴盘，前盘和后盘均为直壁构造，叶片为变曲率曲线元素三元扭曲叶片，即：风机叶轮的前、后盘仍采用传统风机直壁结构，而原二元叶片被变曲率曲线元素三元叶片取代，通过调整叶片在叶轮进口叶高方向的曲率，使得当叶轮旋转时叶片对气流施加的叶片力能够适当平衡气流由轴向转为径向时离心惯性力，从而弱化气流在进口处速度的剧烈变化；本发明还要求保护采用所述三元叶轮的离心式风机；本发明通过变曲率曲线元素三元叶轮叶片力消除了小半径拐弯惯性力的不利影响，采用直壁前、后盘传统结构，设计出直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，实现了上述风机三元叶轮的节能效果。

技术领域

本发明属于径、混流式透平机械技术领域，涉及离心式通风机、鼓风机及压缩机等设备，特别涉及一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮及采用该叶轮的离心式风机(通风机、鼓风机、压缩机)。

背景技术

自从我国吴仲华教授上世纪五十年代在美国发表了“轴流、径流及混流式透平机械亚音速、超音速三元流动普遍理论”后，随着计算机技术飞速发展，在高端能源装备领域三元流动透平机械获得广泛应用。目前国内外在径、混式透平机械领域广泛采用美国NREC的直线元素三元叶轮，主要包括前盘1、叶片2、后盘3、蜗壳4、吸风管5等，叶片2为直线元素三元叶片。所谓直线元素三元叶轮，特指叶轮的三元扭曲叶片中心面的构成是按如下规律形成的：制造图纸只给出叶片顶端及根部二条空间曲线的x、y、z坐标，由这二根空间曲线的等参数对应点得到一组空间直线，这一组空间直线所形成的空间曲面即为直线元素三元叶轮的叶片中心面，美国NREC称其为“任意空间直线元素三元叶轮”。显然这一组空间直线的方向与叶轮子午通道二侧边界——前、后盘曲线基本垂直(由于前、后盘不可能是同心圆弧，不存在公法线，不可能严格与前、后盘垂直)，正因为如此，当叶轮旋转时，在叶轮进口区域叶片2对气流产生的叶片力也基本上与气流由轴向转为径向时所产生的法向惯性力垂直(图2)，该惯性力正是产生叶片高度方向上速度剧烈变化的原因。为克服叶轮入口气流由轴向转为径向时法向惯性力引起速度剧烈变化的不利影响，须采用大拐弯半径子午(Meridional)流道，叶轮前盘(Shroud)1、后盘(Hub)3必须是弯曲的(图1)，这种直线元素三元叶轮较常规二元叶轮的能耗下降了5～10个百分点。

上述直线元素三元叶轮必须采用大拐弯半径的子午流道，弯曲的前、后盘大大提高了制造成本。对于大中型、中低速风机领域，如烧结、除尘、锅炉鼓、引风机等，出于成本考虑，其机壳、叶轮前、后盘均为钣材结构，仍习惯采用直壁前、后盘的传统结构(图3)，包括前盘1、叶片2、后盘3、轴盘4等，叶片2为二元叶片。这种直壁前、后盘结构大大限制了直线元素三元叶轮在低端风机领域的应用，只能采用传统的叶片流动方向弯曲，高度方向不扭的二元叶片(图4)。由于这类低端风机量大面广，造成了国家大量的能源浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮及采用该叶轮的离心式风机，大大弱化了气流在进口处速度的剧烈变化，实现了三元叶轮节能降耗的效果；同时克服了美国NREC直线元素三元叶轮必须有足够大的子午通道的拐弯半径，才能设计出三元叶轮的限制条件。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，包括前盘、叶片、后盘及轴盘，所述前盘和后盘均为直壁构造，所述叶片为变曲率曲线元素三元扭曲叶片。即：风机叶轮的前、后盘仍采用传统风机直壁结构，而原二元叶片被变曲率曲线元素三元叶片取代。

所述变曲率曲线元素三元扭曲叶片是叶片在高度以及流向方向均具有扭曲，且叶片在叶轮进口叶高方向的曲率与其余位置的曲率不同。

通过调整叶片在叶轮进口叶高方向的曲率，使得当叶轮旋转时叶片对气流施加的叶片力F_b能够适当平衡气流由轴向转为径向时离心惯性力F_i，从而弱化气流在进口处速度的剧烈变化。

所述叶片的设计方法如下：