CN1022584C - 厚叶片离心叶轮 - Google Patents

Abstract

一种厚叶片离心叶轮，至少由二片以上的叶片组成，叶片厚度增加到使不同半径r处的堵塞函数K_(r)必须在r₁≤r≤0.8(r₂-r₁)+r₁的半径范围内为K_(r)≥min[1，r/2(r-r₁)]，并要求r₂/r₁＞1.7，流道的前半段应满足r₁≤r≤r_m，适当选取K_(r)使流道不为扩张形状，后半段应满足r_m＜r≤r，并允许流道稍有扩散。式中的r₁、r₂、r_m分别为叶片前缘、叶片后缘及叶片的平均半径。本发明可减少和消除叶片压力面附近的流动分离区和回流区，从而明显提高效率，由于叶片从前缘处开始迅速增厚及流道入口处无扩张，叶轮的高效率工作区也较为宽广。

Description

本发明涉及离心式流体机械的叶轮，尤其是厚叶片离心叶轮。

在现有技术领域中，离心泵、离心式压缩机及离心式鼓风机等离心式流体机械，其叶轮效率较低，其原因是：首先从附在旋转叶轮上的相对坐标上观察，流经叶轮流道内的流场是强烈有旋的;其次是由于常规设计的叶片较薄，叶片间的流道从进口处开始在大部流道区域内都是扩张的，因此叶片压力面一侧必然会出现大片的流动分离区或回流区，这些流动区域消耗了许多能量，它是叶轮效率低的关键所在。以离心水泵为例，叶轮效率一般不超过80%，从而使泵整体效率难以超过70%。

1981年Eiichi    Sugiura为消除相邻叶片所形成的流道内旋涡，对轴向等厚的多叶片离心泵叶轮提出增厚叶片使流道宽度自进口至出口逐渐变狭的设想，并在美国申请了专利，专利号4，253，798。

本发明的目的是，则不论轴向是否等厚，要减少或消除相邻叶片所形成的流道内回流涡区必须控制流道的扩散度，在流道前半段应保持流道不扩散。为了使液（气）流入涡壳时较平缓，有利于恢复压力，允许流道稍有扩散。

为了说明本发明的厚叶片叶轮的型线，首先提出堵塞函数的概念，如图1所示，堵塞函数K_（r）定义如下：

$K_{\mathrm{(\; r\; )}}=\frac{L_{\mathrm{(\; r\; )}}\mathrm{·\; m}}{{\mathrm{(r\; -\; r}}_1\mathrm{)\; ·\; 2\; \pi }}$

式中：

L_（r）-叶片在不同半径r处的周向宽度;

m-叶片数;

r₁-叶片前缘处的极座标半径。

叶片的周向宽度L_（r）越大，堵塞函数K_（r）也越大，因为相邻叶片间流道周向宽度S_（r）为：

S_（r）＝ (2πr)/(m) -L_（r）

所以当K_（r）恒为1时，流道的周向宽度不变，也就是说流道不会是扩散形的。当K_（r）＜1时，流道呈扩散形，它的数值越小，扩散度越大。

本发明的技术方案是：它至少由二片以上的叶片组成，叶轮上的叶片厚度增加到使堵塞函数K_（r）在r₁≤r≤0.8（r₂-r₁）+r₁的范围内为K_（r）≥min〔1, (r)/(2(r-r₁)) 〕在作以上定义时，要求r₂/r₁＞1.7，（3）式中min的含义为取最小值。r₂-叶片后缘处极座标半径。

在流道的前半段即满足：r₁≤r≤r_m时，适当选取K_（r）使流道不为扩散形状。比如对常用的后弯形叶轮，只要让K_（r）＝1时就可以保证这一点。式中r_m＝0.5（r₁+r₂）。

在流道的后半段，即r_m＜r≤r₂的范围内K_（r）取为：

K_（r）＝ (K₂－1)/(（r₂-r_m)) （r-r_m）+1

式中K₂＝K_(r2)为出口处的堵塞函数，选取时一般要求其足够大以保证由（3）式所表示的条件得到满足，但K₂不大于1。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1.厚叶片离心叶轮叶片剖视图;

图2.流体机械离心叶轮的轴面流道图;

图3.流体机械离心叶轮轴面结构图。

本发明的叶轮由中心带轮壳1的圆盘，在圆盘的一侧或二侧（一侧为单吸式，两侧为双吸式，图1至图3所示为单吸式）均布有特殊设计的厚叶片，连同有中心孔的盖板2组成，叶轮中心有通孔，可将叶轮安装在转轴上。

厚叶片的型线必须满足：

用常规设计获得的叶片参考线AB（图1），在不同半径处周向增厚△L_（r）以得到叶片吸力面型线

${\mathrm{△\; L}}_{\mathrm{(r\; )}}=\frac{{\mathrm{r\; ·\; L}}_{{\mathrm{2\; (r\; -\; r}}_1)}}{{\mathrm{2r}}_2{\mathrm{(r}}_2{\mathrm{-\; r}}_1)}$

式中：L₂-半径为r₂处叶片周向宽度，即

L₂＝K₂（r₂-r₁） (2π)/(m)

不同半径处的叶片周向宽度：

L_（r）＝K_（r）（r-r₁） (2π)/(m)

由此可以由吸力面型线

为基准得出压力面型线

。

由于

在F点以及

在A点均为折线，必须在F及A点处作成适当光滑，即可得出最后叶片型线。

上述的叶型是用极座标描述的二维几何形状（即轴向等厚叶轮）。对因轴向进水（或进气）等原因而造成的非二维叶型的离心叶轮（即轴向不等厚叶轮）而言，如图2所示，则叶型是指轴面设计流线

为旋成面上的叶型在以转轴中心线

为中心的极座标平面上的投影。同理，本发明中提及的叶片前缘处半径r₁，一般是指任一轴面设计流 线旋成面上的叶片前缘处A点的极座标半径值。但当该轴面设计线在叶片前缘A点处与转轴中心线 的轴面夹角γ₁小于45°时，则把该轴设计流线与转轴中心线

的轴面夹角γ等于45°处的极座标半径定义为r₁，在这种情况下，本设计只用于半径r≥r₁的叶型部份。

本发明与现有技术领域中的离心式流体机械的叶轮相比，其优点如下：

（1）效率高。由于流道在前半段基本上是不扩张的，后半段减少了扩散量，可以减少和消除叶片压力面附近的流动分离区和回流区，从而减少能量的内部消耗，使效率明显提高，叶轮的设计效率可达90%以上。

（2）由于叶轮的叶片从前缘开始迅速增厚，以及流道在入口处无扩张，并有收敛段。叶轮对进口处由于流量改变而造成的速度三角区的变化较为适应，所以在偏离设计点时仍能维持较宽广的高效工作区。

（3）对水泵来说汽蚀状况得到改善。由于本设计通过加厚叶片，而不是通过减少r₂/r₁的比值来降低流道的扩张，所以可以在维持由设计扬程决定的r₂时，适当减少r₁，使叶片前缘工作在较低的周向速度环境中，这将有利于汽蚀的改善。

Claims (3)

1、一种厚叶片离心叶轮，至少由二片以上的叶片组成，本发明的特征是：使叶片厚度增加到使不同半径的堵塞函数K_(r)必须在r₁≤r≤0.8(r₂-r₁)+r₁的半径范围为K_(r)≥min[1，r/2(r-r₁)]，并要求r₂/r₁≥1.7，相邻叶片间所形成的流道的前半段应满足r₁≤r≤r_m，选取K_(r)使流道不为扩张形状，后半段r_m＜r≤r₂，选取K_(r)= (K₂－1)/(（r₂-r_m)) (r-r_m)+1，并允许流道稍有扩散，式中K₂为出口处堵塞函数，可由r=0.8(r₂-r₁)+r₁处的K_(r)值求得K₂，且K₂不大于1，相邻叶片间的流道在不同半径r处的周向宽度S_(r)=2πr/m-L_(r)，叶片在不同半径r处的周向宽度L_(r)=K_(r)·2π(r-r₁)/m，式中r₁-叶片前缘处的极座标半径，r₂-叶片后缘处的极座标半径，m-叶片数，r_m-为r₁、r₂的平均半径。

2、根据权利要求1所述的厚叶片离心叶轮，其特征是：对非二维叶型的离心叶轮，其叶型是指轴面设计流线

旋成面上的叶型在以转轴中心线

为中心的极座标平面上的投影，叶片前缘处半径r₁是指某一轴面设计流线旋成面上的叶片前缘A点处的极座标半径值。

3、根据权利要求1或2所述的厚叶片离心叶轮，其特征是：当轴面设计流线

在叶片前缘A点处与转轴中心线

的轴面夹角γ₁小于45°时，则把该轴设计流线

与转轴中心线

的轴面夹角γ等于45°处的极座标半径定义为r₁，且只用于半径r≥r₁的叶型部份。

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