离心叶轮和具有其的离心压缩机的制作方法

1.本实用新型属于压缩机技术领域，特别是涉及一种离心叶轮和具有其的离心压缩机。


背景技术：

2.离心压缩机具有节能高效、运行稳定和寿命长的显著优点。但是在制冷领域，离心压缩机适合于大流量、低压比工作场合，难以实现高效率地小流量、高压比运行。因此，离心压缩机均应用于大冷量冷水机组。中小型制冷系统则更多使用螺杆压缩机、涡旋压缩机(如小型中央空调，包括多联机)和滚动转子压缩机。但这些种类的压缩机的运行效率远不如离心压缩机。而且，这些种类的压缩机大多采用润滑油润滑。非常容易产生因润滑油积存于换热器中，导致向压缩机回油不利，使压缩相关部件润滑变差、换热器换热热阻变大等问题。
3.而且，小冷量高速离心机的叶轮加工成为行业难题，尤其对于微小型的离心叶轮。虽然铸造可以一体成型，但小型叶轮表面粗糙度等要求较高，铸造工艺难以直接满足精度要求，并且小型叶轮由于尺寸过小，也难以使用其他措施对其内部进行精度处理。
4.因此，如何能够解决离心压缩机小型化产生的各种难题，使其能够使其应用于中小型制冷系统，以代替螺杆压缩机、涡旋压缩机甚至滚动转子压缩机，将使这些制冷系统的能效更高，对制冷行业产生深远影响。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的旨在克服现有技术中的至少一个缺陷，提供一种便于对叶片表面进行精加工处理的离心叶轮。
6.本实用新型的进一步的目的是要提升第一轮盘和第二轮盘的配合的精准度。
7.本实用新型的另一目的是要提供一种具有上述离心叶轮的离心压缩机。
8.一方面，本实用新型提供了一种用于离心压缩机的离心叶轮，其包括：
9.第一轮盘，其一侧表面上凸出形成有沿第一轮盘的周向排列的多个第一叶片；
10.第二轮盘，与第一轮盘可拆卸地连接，并且第二轮盘朝向第一轮盘的一侧表面凸出形成有多个第二叶片，多个第一叶片与多个第二叶片一一对接，以构成离心叶轮的叶片；
11.至少部分第一叶片上形成有定位柱，其插入相应的第二叶片开设的定位孔；且/或
12.至少部分第二叶片上形成有定位柱，其插入相应的第一叶片开设的定位孔，以对第一轮盘和第二轮盘进行约束定位。
13.可选地，至少部分第一叶片和相应的第二叶片上均开设有安装孔，以利用螺接或铆接方式使第一轮盘和第二轮盘相互固定。
14.可选地，每个安装孔贯穿定位柱或定位孔。
15.可选地，安装孔与定位柱或定位孔的轴线不共线设置。
16.可选地，每个第一叶片形成有一个定位柱，每个第二叶片形成有一个定位孔；或每个第二叶片形成有一个定位柱，每个第一叶片形成有一个定位孔。
17.可选地，定位柱和定位孔为圆形或椭圆形。
18.可选地，第一叶片与第一轮盘的其余部分的连接处形成有第一圆角；第二叶片与第二轮盘的其余部分的连接处形成有第二圆角。
19.可选地，每个第一圆角的半径为第一叶片高度的1/8至1之间；且每个第二圆角的半径为第二叶片高度的1/8至1之间。
20.另一方面，本实用新型还提供了一种离心压缩机，其包括如以上任一项所述的离心叶轮。
21.可选地，离心压缩机还包括：机壳；电机，安装于机壳内；和至少一个压缩单元，每个压缩单元包括一个蜗壳和一个离心叶轮，蜗壳安装于机壳，离心叶轮安装于蜗壳内，离心叶轮配置成在电机驱动下转动，以对进入蜗壳的气流进行压缩并将其经蜗壳的出口排出。
22.本实用新型的离心叶轮中，由于第一轮盘的一侧表面上形成有沿其周向排列的多个第一叶片，第二轮盘与第一轮盘可拆卸连接，并且第二轮盘朝向第一轮盘的一侧表面形成有多个第二叶片，多个第一叶片与多个第二叶片一一对接，构成了离心叶轮的叶片。第一轮盘和第二轮盘采用分体式，当第一轮盘和第二轮盘各自成型后，缩短了离心叶轮的叶片整体高度，便于对第一叶片和第二叶片的表面进行精加工处理，使得叶片表面精度更高，更加光滑，提升叶轮的性能。并且，这种方式还能够使得刀具等伸入相邻的第一叶片或者相邻的第二叶片之间，便于在第一叶片和第二叶片加工出圆角，实现圆滑过渡，避免气体在气流流道内流通时产生角涡。
23.本实用新型的离心叶轮中，至少部分第一叶片和第二叶片上设置定位柱和定位孔，使定位柱插入定位孔，实现第一叶片和第二叶片的精准定位，使第一叶片和第二叶片实现更加精准的衔接，避免出现错位形成小台阶，影响离心叶轮内流道的光滑度，引起流场流动紊乱，造成气动性能低下和损耗的增加。
24.根据下文结合附图对本实用新型具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本实用新型的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
25.后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本实用新型的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
26.图1是根据本实用新型一个实施例的离心叶轮的结构示意图；
27.图2是图1所示离心叶轮的分解示意图；
28.图3是图2中的第二轮盘的另一角度示意图；
29.图4是离心叶轮中第一圆角、第二圆角的结构示意图；
30.图5是根据本实用新型一个实施例的离心压缩机的整机结构示意图；
31.图6是对图5所示离心压缩机沿离心叶轮的轴线方向剖切后得到的示意性剖视图；
32.图7是图6的a处放大图；
33.图8是图1中的一个压缩单元的结构示意图；
34.图9是图8所示压缩单元的另一角度示意图；
35.图10是图8所示压缩单元的分解示意图。
具体实施方式
36.下面参照图1至图10来描述本实用新型实施例的离心叶轮及具有其的离心压缩机。其中，“前”、“后”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“横向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
37.图1是根据本实用新型一个实施例的离心叶轮的结构示意图；图2是图1 所示离心叶轮的分解示意图；图3是图2中的第二轮盘的另一角度示意图。
38.如图1至图3所示，本实用新型实施例提供了一种用于离心压缩机的离心叶轮200。离心叶轮200一般性地可包括第一轮盘210和第二轮盘220。其中，第一轮盘210的一侧表面上凸出形成有沿第一轮盘210的周向排列的多个第一叶片212。第二轮盘220与第一轮盘210可拆卸地连接，并且第二轮盘220朝向第一轮盘210的一侧表面凸出形成有多个第二叶片222，多个第一叶片212 与多个第二叶片222一一对接，以构成离心叶轮200的叶片。即，第二叶片222 的数量与第一叶片212相同，且位置一一相对。每相邻的两个叶片之间形成离心叶轮200的气流流道。
39.具体地，第一轮盘210和第二轮盘220整体为圆形，且同轴设置。第一轮盘210中央形成有进口201，以用于吸入低压制冷剂气流，第一轮盘210与第二轮盘220相接后，周向形成有出口202，以用于将叶片(由第一叶片212和第二叶片222相接形成)压缩的高压制冷剂气流排出。
40.并且，至少部分(指的是部分或者全部)第一叶片212上形成有定位柱214，其插入相应的第二叶片222开设的定位孔224；且/或
41.至少部分第二叶片222上形成有定位柱214，其插入相应的第一叶片212 开设的定位孔224，以对第一轮盘210和第二轮盘220进行约束定位。
42.例如，可使一个或多个第一叶片212上形成有定位柱214，相应位置的各第二叶片222形成有定位孔224。或者，一个或多个第一叶片212上形成有定位孔224，相应位置的各第二叶片222上形成有定位柱214。或者，部分第一叶片212上形成有定位柱214，另有部分第一叶片212上形成有定位孔224，相应的第二叶片222对应设置定位孔224和定位柱214。
43.定位孔224和定位柱214的形状一致，以实现定位。定位孔224和定位柱 214可为圆形或椭圆形，优选为圆形。
44.对于设置多组定位孔224和定位柱214的方案，可使多组定位孔224和定位柱214的形状不完全相同或各不相同。例如，使部分定位孔和定位柱为圆形，使其余部分定位孔和定位柱为多边形。
45.目前，对于小冷量高速离心机的叶轮加工成为行业难题，尤其对于微小型的离心叶轮。虽然铸造可以一体成型，但小型叶轮表面粗糙度等要求较高，铸造工艺难以直接满足精度要求，并且小型叶轮由于尺寸过小，也难以使用其他措施对其内部进行精度处理。
46.为了克服上述现有技术中的缺陷，本实施例中的离心叶轮200采用将叶片分拆设置在第一轮盘210和第二轮盘220上，并且第一轮盘210和第二轮盘220 采用分体式，这样可以实现当第一轮盘210和第二轮盘220各自成型后，缩短了离心叶轮200的叶片整体高度，便于对第一叶片212和第二叶片222的表面进行精加工处理，使得叶片表面精度更高，更加光
滑。并且，这种方式还能够方便刀具伸入相邻的第一叶片212或者相邻的第二叶片222之间，便于在第一叶片212和第二叶片222加工出圆角240，进一步使得离心叶轮200的气流流道更加光滑，实现圆滑过渡，避免气体在气流流道2102内流通时产生角涡。
47.并且，本实用新型实施例中，使至少部分第一叶片212和第二叶片222上设置定位柱214和定位孔224，使定位柱214插入定位孔224，实现第一叶片 212和第二叶片222的精准定位，使第一叶片212和第二叶片222实现更加精准的衔接，避免出现错位形成小台阶，影响叶轮内流道的光滑度，引起流场流动紊乱，造成气动性能低下和损耗的增加。
48.例如图1至图4所示，可使每个第一叶片212形成有一个定位柱214，每个第二叶片222形成有一个定位孔224，以使每个第一叶片212与相应的第二叶片222之间均得到精准地定位。为了使离心叶轮200的整体更加平衡，可使第一轮盘210上的各定位柱214均位于与第一轮盘210同心的圆周上。使第二轮盘220的各定位孔224位于与第二轮盘220同心的圆周上。
49.在一些附图未示意的替代性实施例中，也可使每个第二叶片形成有一个定位柱，每个第一叶片形成有一个定位孔。
50.在本实用新型的一些实施例中，使至少部分第一叶片212和相应的第二叶片222上均开设有安装孔216和安装孔226，以利用螺接或铆接方式使第一轮盘210和第二轮盘220相互固定。
51.进一步地，可使每个安装孔216和安装孔226贯穿定位柱214或定位孔224。例如，对于图1至图4所示的实施例中，使第一叶片212的各安装孔216、226贯穿定位柱214，使第二叶片222的安装孔216和安装孔226贯穿定位孔224。如此一来，可减少第二轮盘220的开孔量，提升第二轮盘220特别是第二叶片222处的结构强度。
52.请参见图1至图3，在一些实施例中，可使第二叶片222上开设的安装孔 226设置有螺纹，螺钉230穿过第一叶片212的安装孔216后，旋拧在第二叶片222的安装孔226上。当然，在一些附图未示意的实施例中，也可使各安装孔216和安装孔226均不开设螺纹，利用铆钉将第一轮盘210和第二轮盘220连接紧固。
53.在一些具体的实施例中，可使各安装孔216和安装孔226与定位柱214或定位孔224的轴线不共线设置，不仅能够降低加工难度，还可以提高第一轮盘210和第二轮盘220的定位精度。
54.图4是离心叶轮中第一圆角、第二圆角的结构示意图。如图4所示，在一些实施例中，第一叶片212与第一轮盘210的其余部分的连接处形成有第一圆角242，第二叶片222与第二轮盘220的其余部分的连接处形成有第二圆角244。通过设置第一圆角242和第二圆角244，不仅可以提高第一叶片212和第二叶片222根部的强度，缓解该局部应力集中，而且可以使得每个气流流道更加光滑、消除了气流的角涡现象，保证了流场的均匀性。
55.请参见图4，图4中h1表示第一叶片212的高度，h2表示第二叶片222 的高度，r1表示第一圆角242的半径，r2表示第二圆角244的半径；进一步地，第一圆角242的半径r1还可以配置成为第一叶片212的高度h1的1/8至 1之间，第二圆角244的半径r2还可以配置成第二叶片222高度h2的1/8至 1之间，例如，1/8、1/5或者1等等。发明人通过多次试验发现，通过上述限定可以保证在不影响气流流道2102面积的前提下获得更佳的气流场，以进一步提高气流压缩效果。
56.本实用新型还提供了一种离心压缩机，其包括如以上任一实施例所述的离心叶轮200。
57.图5是根据本实用新型一个实施例的离心压缩机的整机结构示意图；图6 是对图5所示离心压缩机沿离心叶轮200的轴线方向剖切后得到的示意性剖视图；图7是图6的a处放大图。
58.在一些实施例中，如图5至图7所示，在一些实施例中，离心压缩机包括机壳10、电机40和至少一个压缩单元20、30。机壳10限定有容纳空间，电机 40安装于机壳10内。电机40包括定子41和转子42，定子41固定于机壳10，转子42可相对定子41转动。压缩单元20、30的数量可为一个或多个。例如，可使离心压缩机为单级压缩式，仅设置一个压缩单元。也可使离心压缩机为多级压缩式，其设置多个压缩单元20、30。每个压缩单元20、30包括一个蜗壳 100和一个离心叶轮200。蜗壳100安装于机壳10，离心叶轮200安装于蜗壳 100内，离心叶轮200配置成在电机40驱动下转动，以对进入蜗壳100的气流进行压缩并将其经蜗壳100的出口排出。
59.传统的离心压缩机基本在每一级的离心叶轮的下游设置一扩压器，离心叶轮将气流排入扩压器，气流被扩压器扩压后再进入蜗壳。
60.本实用新型的离心压缩机相比于传统的离心压缩机，省略了扩压器，将离心叶轮200直接安装于蜗壳100内，以避免气流在扩压器内旋度较大引发比较大的扩压损失，使离心压缩机的整机效率得以提升，并且也使离心压缩机的结构更加紧凑。因此，这种结构有利于实现离心压缩机的小型化，且使其保持较高效率，以适于应用与小型的冷水机组或多联机等小型中央空调。
61.在一些实施例中，例如图5和图7所示，离心压缩机可为双级压缩式，压缩单元的数量为两个。可知，两个压缩单元20、30中必然有一个为低压级，另一个为高压级，如图5和图6中，位于图面左侧的压缩单元20为低压级，右侧的压缩单元30为高压级。低压级的压缩单元20的蜗壳100的出口通过连接管 90与高压级的压缩单元30的蜗壳100的进口连通。具体地，连接管90的进口端设置法兰91以与低压级的压缩单元20的蜗壳100出口的法兰130相接，连接管90出口端设置法兰92以与高压级压缩单元30的蜗壳100连接。优选使低压级的压缩单元20与高压级的压缩单元20分别位于电机40的轴向两侧，以便两个压缩单元20、30的离心叶轮200分别直接连接于电机40，且利于使两个离心叶轮200的轴向力进行部分抵消。
62.在一些实施例中，离心压缩机还包括至少一个径向磁悬浮轴承60和/或至少一个轴向磁悬浮轴承80，其安装于机壳10内，以支撑电机40的转子42。如图6所示，离心压缩机包括两个径向磁悬浮轴承60，以在径向方向支撑转子42。离心压缩机还包括一个轴向磁悬浮轴承80，以抵消离心叶轮200运动给转子42 产生的轴向力。磁悬浮轴承采用磁悬浮原理制成，为无油化轴承。因此无需再在离心压缩机内加入润滑油，从而彻底避免了中小型制冷系统的压缩机回油问题(传统惯常采用的螺杆式压缩机、涡旋压缩机和滚动转子压缩机基本均为有油润滑)，提升了换热器的换热效率。而且采用磁悬浮轴承使得离心压缩机的机械磨损小、能耗低、噪声小、稳定性增强、寿命更长。
63.进一步地，如图7所示，在设置上述磁悬浮轴承的基础上，还可在转子42 的轴向端部另设普通的径向轴承70，以对转子42端部进行重点支撑，使其更加稳定，提升离心压缩机的运行可靠性。
64.图8是图1中的一个压缩单元20的结构示意图；图9是图8所示压缩单元 20的另一角度示意图；图10是图8所示压缩单元20的分解示意图。
65.在本实用新型实施例中，气流从蜗壳100的进口进入蜗壳100限定的流道，然后进入处于蜗壳100流道内的离心叶轮200，最后从蜗壳100的出口流出，进入下一级压缩单元30或排出压缩机。
66.在一些实施例中，如图8至图10所示，蜗壳100限定出沿气流方向依次相连的进气流道101、蜗形流道102和出气流道103，即蜗壳100流道分为三个区段。进气流道101的进口即构成本文所述的蜗壳100的进口，出气流道103的出口构成蜗壳100的出口。进气流道101沿离心叶轮200的轴线方向(x轴方向)延伸。蜗形流道102为厚度方向平行于离心叶轮200的轴线方向的扁平状。出气流道103从与蜗形流道102相接处至蜗壳100的出口处逐渐从扁平状过渡为圆柱状。离心叶轮200的进口201朝向进气流道101，出口202朝向蜗形流道102，以从进气流道101进气，将气流压缩后将其排向蜗形流道102。
67.本实施例中，扁平状的蜗形流道102使得蜗壳100的整体扁平化，利于减小离心压缩机的轴向尺寸，实现压缩机小型化。更重要的是，由于出气流道103 从与蜗形流道102相接处至蜗壳100的出口处逐渐从扁平状过渡为圆柱状，使气流从较薄的、扁平状的蜗形流道102进入圆柱状、较宽敞的出气流道103的过程中，能够有非常好的扩压效果。而且，由于出气流道103从与蜗形流道102 相接处至蜗壳100的出口处逐渐从扁平状过渡为圆柱状，过渡非常平顺，也减少了气流的不必要的阻力损失，同时圆柱状也适于与下游管道进行连接。
68.在一些实施例中，如图7所示，可使进气流道101包括沿气流方向截面逐渐变小的渐缩段1011，以提升吸气效率。具体地，可使渐缩段1011整体为截锥形，其母线为凹侧朝向进气流道101中心轴线方向的弧形。此外，也可使渐缩段1011的母线为直线或多种形状的组合。可使进气流道101整体为渐缩状，也可使部分区段为渐缩段，部分区段为截面不随轴向位置改变而改变的平直段。
69.在一些实施例中，如图10所示，可使蜗壳100为分体式结构，其包括沿进气流道101的轴线方向拼合而成的蜗壳本体110和盖板120。蜗壳本体110限定有前述的进气流道101、蜗形流道102的第一半部和出气流道103，其中蜗形流道102朝向盖板120的一侧敞开。盖板120盖设在蜗壳本体110的轴向一侧，以封盖蜗形流道102的第一半部的敞开侧，且限定有蜗形流道102的第二半部，蜗形流道102的第一半部和蜗形流道102的第二半部相对构成完成的蜗形流道 102。离心叶轮200的转轴228穿过盖板120的中心孔连接至电机40的转子42。本实施例通过将蜗壳100设置为分体结构，使蜗壳本体110和盖板120分别加工，以便通过机加工方式形成进气流道101、蜗形流道102和出气流道103。相比于现有的一体铸造式的蜗壳，本实施例中，进气流道101、蜗形流道102和出气流道103的表面更加光滑，能更好地满足内部流场的均匀性，减少因流道表面过于粗糙带来的流动损失，提升离心压缩机的运行效率。
70.进一步地，如图7所示，可使蜗形流道102的厚度方向上的两个平面与周向蜗形侧面之间以圆角过渡(图7中的r角)，以便增大蜗壳强度，缓解该局部应力集中，消除角涡，保证流场的均匀性。r的大小可根据蜗形流道102的厚度进行选定。蜗壳100的分体式结构方便了上述圆角的加工。
71.在一些实施例中，使蜗形流道102的厚度大于离心叶轮200的出口宽度b。其中，蜗形流道102的厚度指的是其在离心叶轮200轴线(x轴)方向上的尺寸，离心叶轮200的出口宽
度b指的是离心叶轮200的出口202在离心叶轮200 轴线方向上的尺寸，具体标注在图7中。具体地，经发明人多次试验确认，将蜗形流道102的厚度与离心叶轮200的出口宽度之比在1.5至2之间，可取得最优效果。
72.发明人认识到使离心叶轮200直接向蜗壳100排气将导致气流马赫数增加，气流离心效应大而向径向外侧聚积，导致流场不均匀，引起较大的流动损失。为消除或至少缓解上述不利影响，本实用新型实施例特别使蜗形流道102的厚度大于离心叶轮200的出口宽度b，使得气流进入蜗壳100(的蜗形流道102) 后扩压降速，使其马赫数下降，离心效应降低，最终使蜗壳100出口的流场均匀性显著增加，最终提升了压缩机效率。
73.在一些实施例中，离心叶轮200为强后弯式闭式叶轮。如图2用箭头示意了离心叶轮200的转动方向。离心叶轮200的各叶片为后弯式结构，且叶片末端(临近离心叶轮200径向外边缘的一端)相比其余区段向后弯折，以使离心叶轮200的各叶片形成强后弯式结构。
74.本实用新型实施例使离心叶轮200为强后弯式，以使离心叶轮200对气流做功更多转化为静压提升，更少转化为速度增加。由于强后弯式离心叶轮的出口绝对气流角度较大，若采用传统的扩压器形式将导致气流旋度更大，扩压损失更大。本实用新型实施例采用上述特别设计的蜗壳100直接连接离心叶轮 200，可有效避免这一问题。由此可见，本实用新型实施例各改进点并非相互孤立，而是相结合地发挥作用。具体地，本实用新型实施例综合性地把离心叶轮 200直接安装于蜗壳100内，对蜗壳100流道进行特别设计，以及采用强后弯式离心叶轮200这些改进结合在一起，不仅获得了各项结构改进的有益效果，而且还极大避免了各自的不利影响，使得离心压缩机整体的效率较高，而且结构更加紧凑，利于实现小型化。
75.第二轮盘220上设置有转轴228，其中央形成有安装孔2281，以便通过一螺钉300连接在转子42上。第一轮盘210上设置有离心叶轮200的进口201。
76.至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。