[发明专利]1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮

说明书

技术领域

本发明涉及一种离心叶轮，特别涉及一种前后排叶片数目比为1∶2的串列叶片式跨音速离心叶轮。

背景技术

离心式压缩机是一种旋转式叶轮机械，广泛应用于航空航天、冶金电力、石油化工、能源动力等领域，其主要功能是为上述工业领域中的大型动力及过程装备提供持续、稳定、流动的高压气体环境，满足工艺流程、化学反应对气体压力、流量的需要。离心压缩机提高气体压力的基本原理是：旋转离心叶轮通过离心力作用，将旋转轴的机械能转换为气体的压力能及动能；扩压器又进一步将部分动能转化为压力能；气流或者经蜗壳导出离心压缩机，或者经弯道、回流器进入下一级继续提高压力。由于气流受到逆压梯度及粘性的双重影响，不可避免地出现流动损失，有时还伴随着流动分离、喘振、堵塞等不稳定流动现象。离心叶轮上安装叶片。离心叶轮及其叶片结构型式对离心压缩机的增压能力、流动效率、稳定运行范围影响极大。

目前，先进离心压缩机技术正在朝高转速、高压比、高效率的方向发展，采用跨音速离心叶轮是上述发展趋势的必然结果。

现有的跨音速离心叶轮结构型式主要有两类：(1)带分流叶片的离心叶轮(图1)，由沿圆周方向上交替排列的长短叶片组成。这种叶片排列型式只有长叶片延伸到叶轮进口，因而能够降低流动堵塞效应，对提高大流量下的气动性能及堵塞流量有利。但长短叶片离心叶轮的主要缺陷在于：长叶片后缘的边界层较厚，尤其在跨音速、强逆压、小流量情况下，长叶片吸力面的边界层内低速流体容易发生分离流动，从而导致旋转失速、喘振等不稳定流动现象，使得离心叶轮及离心压缩机的喘振裕度降低；(2)前后叶片数相等的串列离心叶轮(图2)，这种叶轮由前后两排相互分割、交错、重叠的叶片排组成。在低转速吸尘器、通风机中，该类叶轮具有气流转折角度大、增压能力强、稳定运行范围宽的优点，但在跨音速情况下，前后排叶片数相等的串列离心叶轮的主要缺点在于：前排叶片数太稠，流动阻塞效应及激波损失明显，对大流量下的气动性能不利；后排叶片数太稀，叶片载荷较大，加大了流动损失，尤其是小流量下的二次流损失、分离流损失，对小流量下的气动性能不利。

在跨音速条件下，上述离心叶轮出现如下两个困难：一是稳定运行范围变窄，小流量下边界层容易发生流动分离，大流量下叶道喉部容易发生流动堵塞；二是整级效率低，激波损失、二次流损失、分离流损失对提高叶轮增压能力不利。为此，国内外先进叶轮机械厂家与研究机构对跨音速离心叶轮及其叶片结构型式进行了积极的探索及研究。

发明内容

本发明为了解决现有离心叶轮在跨音速流动中存在的稳定运行范围窄和整级效率低的问题，提供了1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮。该离心叶轮既能减弱前排叶片进口附近的流动阻塞，降低激波强度，又能控制后排叶片出口附近的二次流，改善叶轮出口的流动均匀性，得到整级扩稳增效的效果。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮，包括由前排叶片组成的诱导轮和由后排叶片组成的导出轮，所述前、后排叶片为三维空间扭曲形状，并相互分割、交错、重叠，其特征在于，所述前、后排叶片数目比为1∶2，前、后排叶片重叠度：Δm＝Δm/m，其中Δm＝m₁₂-m₂₁；m＝m₂₂-m₁₁；前、后排叶片交错度：Δθ＝Δθ/2π/N，其中Δθ为前、后排叶片的交错角；N为前排叶片数；前、后排叶片相对分割位置：m＝(m₂₁-m₁₁)/m，以上m_ij为叶片子午长度，第一个下标表示前、后排叶片，第二个下标表示叶片的进、出口；i＝1，2；j＝1，2。

上述方案中，所述前、后排叶片的重叠度Δm在-5％-30％范围内变化。所述前、后排叶片的交错度Δθ在5％-45％范围内变化。所述前、后排叶片的相对分割位置m在20％-80％范围内变化。所述诱导轮和导出轮构成开式或闭式离心叶轮。

与现有技术相比，本发明的1/2型串列叶片式跨音速离心叶轮的优点在于：

1)前排诱导轮采用的低稠度叶片布置方案可以有效地降低叶片几何厚度、叶片边界层厚度、激波诱导边界层分离所引起的阻塞效应，从而扩大有效通流面积，增大堵塞流量；