[發明專利]具有高出口流場均勻度的葉輪及離心壓縮機

在審

• 申請號: 201410057402.5
• 申請日: 2014-02-20
• 公開（公告）號: CN104863892A
• 公開（公告）日: 2015-08-26
• 發明（設計）人: 顧發華
• 申請（專利權）人: 顧發華
• 主分類號: F04D29/28
• 分類號: F04D29/28;F04D29/30
• 代理公司: 北京東方匯眾知識產權代理事務所(普通合伙) 11296
• 代理人: 張淑賢

技術領域

本發明涉及機械裝置，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。

背景技術

離心壓縮機的主要部件包括葉輪和擴壓器。在葉輪設計中，經常采用出口后彎的方法來降低葉輪出口附近的載荷，進而達到降低葉輪中的二次流動，提高出口流場的均勻度，實現葉輪效率的提升。低壓比離心壓縮機由于葉輪出口絕對流動較徑向，因此經常采用無葉擴壓器。然而，由于葉輪出口流動的不均勻性，擴壓器中的流體會從一側遷移到另一側，導致擴壓器一側出現流動分離（參見圖1、圖2），嚴重時會出現擴壓器失速，降低了壓縮機的喘振裕度，因此，提高葉輪出口流動的均勻度，以便流體在擴壓器中重新分布，在達到擴壓器出口附近時實現流體均勻分布（參見圖3）是提高壓縮機穩定工作范圍的必要措施。現有的提高無葉擴壓器流動均勻性的方法是流道收縮，在提高流動均勻性的同時，降低了擴壓器的擴壓度。

為了解釋本專利進一步提高葉輪出口的流動均勻度，進而提高無葉擴壓器中流動的均勻性的機理，我們首先分析葉輪出口流場不均勻的原因。葉輪中的流動可分為主流和二次流，二次流是所有偏離主流的流動的總稱。二次流產生的原因和對出口流場的影響解釋如下：

1、離心葉輪中二次流產生的原因：在z-r平面，流體從軸向折轉為徑向，根據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。葉輪回轉面（M-θ）由導流段（Inducer）和徑向段組成。在導流段，流體的絕對運動是從軸向沿旋轉方向折轉，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，徑向向上流動的流體在旋轉的流道中產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果是低能流體被集中到葉片吸力面和輪蓋內表面構成的角落區域，造成了流動的不均勻性。葉輪流道中的低能流體遷移是二次流的特征。

2、減弱二次流動的措施：降低二次流的根本在于降低葉片表面邊界層的產生，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。

3、葉輪根部和頂部的主流流動：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，這是根部流動的優勢。根部的劣勢是進口根部半徑小于頂部，葉輪的旋轉造成進口根部壓力大于頂部，所以小部分流體從根部進入流道，造成葉輪出口處根部流體較少。另一方面，頂部流體有時不能沿著頂部子午面型線折轉，一部分流體由于慣性力作用流向根部。因此，葉輪出口流動的均勻性取決于兩個因素：1）有多少低能流體被遷移到輪蓋和吸力面組成的角區，和2）有多少高能流體從頂部運動到根部。

從上述分析我們可以看到葉輪出口后彎減弱二次流動是提高葉輪出口均勻度的有效措施。本發明通過采用不同的根部和頂部后彎角進一步提高擴壓器中流動的均勻性。

發明內容

本發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。

本發明的具有高出口流場均勻度的葉輪,包括輪轂、輪蓋和葉片，所述葉片設置于所述輪轂和輪蓋之間，所述葉輪的相鄰兩個葉片、相鄰兩個葉片根部之間的輪轂及相鄰兩個葉片頂部之間的輪蓋圍成氣體通道，每個氣體通道出口處葉片頂部與葉片根部的后彎角不同。

可選的，每個氣體通道出口處，葉片頂部的后彎角大于葉片根部的后彎角。

可選的，每個氣體通道出口處，葉片頂部的后彎角比葉片根部的后彎角大3～10度。

可選的，每個氣體通道出口處，葉片根部的后彎角大于葉片頂部的后彎角。

可選的，每個氣體通道出口處，葉片根部的后彎角為比葉片頂部的后彎角大5～15度。

可選的，每個氣體通道出口處，所述葉片頂部的后彎角為35～55度。

本發明還提供了一種離心壓縮機，包括前述的葉輪，在所述葉輪的每個氣體通道出口處均設置有無葉擴壓器。

本發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

圖1為無葉擴壓器葉輪輪盤側流體偏少時出現流體分離現象的示意圖；

圖2為無葉擴壓器葉輪輪轂側流體偏少時出現流體分離現象的示意圖；

圖3為無葉擴壓器在理想情況下的流體分布情況示意圖；