专利名称：一种应用带尖角前缘的大小叶片叶轮及压气机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于流体机械领域的叶轮机械气动、结构设计，涉及一种叶片式叶轮机械装置，尤其涉及一种应用带尖角前缘的大小叶片叶轮及其压气机。
背景技术：
微型燃气轮机是小型热力发动机，其单机功率范围为25 500kW，它的基本原理与常规燃气轮机相同，基本技术特征是采用径流式叶轮机械(离心式压气机和向心式透平)以及回热循环。现代微型燃气轮机作为分布式供能系统的主要动力机，与其它动力设备相
比具有许多的优势。现代先进的微型燃机具有结构简单、可以单台使用或者多台集成、适合多种燃料、热效率高、低排放、低噪音、低振动、低维修率、自动化程度高等一系列先进技术特征，是提供清洁、安全、可靠和高质量能源供应的最佳方式。在确保微型燃气轮机稳定有效工作的基础上，提高燃气轮机的效率成为燃气轮机研究关注的重点。在燃气轮机几大部件中，压气机的效率相对较低，也是影响整机效率的一个关键因素。压气机部件通常存在间隙泄漏损失，二次流损失等，由于压气机内部流动相对比较复杂，如何提高压气机的效率是设计者面临的一大难题。目前，微型燃气轮机的工作转速相对较高，使得压气机叶片承受着气动冲击的同时受到离心力引起的强度问题，叶片根部与轮盘交接处该问题尤其突出。压气机中存在的二次流损失通常由马蹄涡、通道涡等引起的。由于主流场与近壁面边界层处，存在一定的沿径向的压力梯度，在该压力梯度的作用下一部分气流沿径向朝壁面流动，形成马蹄涡，造成二次流损失，马蹄涡通常在叶片与壁面的交接处产生。由于压气机中压力面的压力大于吸力面的压力，造成了沿周向的压力梯度。气流沿通道运动时产生一定的离心力，当气流流速比较大时，该离心力可以平衡压力梯度，而在近壁面处由于边界层的影响，气流速度相对较低，产生的离心力无法平衡压力梯度，因而引起气流的沿周向的横向流动，即形成了通道涡，造成了二次流损失。综上可见，减少二次流损失，提高流通效率，提高叶片强度是压气机气动及结构设计主要考虑的问题。本实用新型提出了一个对叶片前缘与壁面连接处合理设计的叶轮，在叶片前缘设置一个尖角。该尖角的存在提高了在叶片与壁面交接处的气流速度，叶片与壁面交接处的气流速度的提高抑制了沿叶片表面压力梯度的形成，而该压力梯度即是造成马蹄涡和通道涡的主要原因。因而，该发明可以降低叶型前缘的马蹄涡的强度和尺寸，同时可以降低通道涡的强度，提高通流效率，减少二次流损失，从而使得由于通道涡造成的总压损失可以相应的减小。
发明内容本实用新型的目的为针对国内微型燃气轮机径流式机械设计经验缺乏，为提高叶轮通流效率，减少气动损失，增加叶片强度，有效延长使用寿命提供一种叶轮设计方案。本实用新型设计了一种带尖角前缘的叶轮，在所述压气机叶片前缘设置一种尖角结构。由于该尖角结构的存在，一方面提高了叶片与壁面交接处的气流速度，减小了马蹄涡的强度和尺寸，同时可以降低通道涡的强度，从而使得由于通道涡造成的总压损失可以相应的减小；另一方面叶片前缘与壁面的交接处也是强度设计的薄弱区域，该结构的存在加强了叶片前缘与壁面交接处的强度，应力集中现象得以改善。为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术解决方案一种应用带尖角前缘的大小叶片叶轮,包括多个大、小叶片和轮盘,所述大叶片和小叶片相互间隔布置，其特征在于，在所述大叶片和/或小叶片的前缘与轮盘的交接处延伸出一尖角，所述尖角包括压力面和吸力面，所述尖角的压力面和吸力面均呈弓形所述尖角的压力面起始于所述尖角与轮盘的交接处延伸一段距离到叶片的压力面处相交，所述尖角的吸力面起始于所述尖角与轮盘的交接处延伸一段距离到叶片的吸力·所述尖角的长度大于其高度。优选地，其高度为叶片的叶高的5% 10%。优选地，当只有小叶片的前缘设置尖角时，所述大叶片的前缘可以为普通倒圆。或，当只有大叶片的前缘设置尖角时，所述小叶片的前缘可以为普通倒圆。优选地，所述尖角的压力面和吸力面在轮盘面上的投影面均呈不完整的椭圆形，即压力面和吸力面在轮盘面上的投影面都是椭圆形的一部分。进一步地，所述尖角的压力面和吸力面之间的分界面设置在叶片发生滞止处，SP所述分界面过叶片的滞止线。进一步地，所述尖角的吸力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形的长轴比压力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形的长轴长，所述尖角的吸力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形的短轴比压力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形的短轴长。进一步地，所述尖角的压力面和吸力面在尖角的前缘处光滑过渡连接。进一步地，所述尖角的压力面和吸力面，在二者之间的分界面处光滑过渡连接。进一步地，所述尖角的压力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形和吸力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形，两个椭圆形的椭圆中心点是不重合的。优选地，所述应用带尖角前缘的大小叶片叶轮为轴流式或径流式叶轮。本实用新型还要求保护一种压气机，其包括上述应用带尖角前缘的大小叶片叶轮。本实用新型的优点(I)本实用新型所述的叶片前缘尖角设计结构简单，设计方便，适合工程应用。(2)本实用新型抑制二次流效果显著、对叶片根部应力状况改善明显。通过在叶轮中应用带尖角前缘的叶片，一方面降低了马蹄涡、通道涡的尺寸和强度，减少了二次流，提闻了叶轮的通流效率；另一方面减小了叶片根部的应力集中，提闻了叶片根部的强度，提闻了叶片的有效工作寿命。
图I为离心压气机子午截面示意图；图2 Ca)为离心压气机等轴测视图，图2 (b)为带尖角前缘叶片的结构细节图；[0027]图3为尖角处细节放大图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本实用新型进一步详细说明。本实用新型提供了一种应用带尖角前缘的大小叶片叶轮及压气机，所述离心压气机转子的子午截面示意图，如图I所示。所述压气机由主要由叶片1、叶轮2组成。所述压气机在工作时与机匣3形成一定叶顶间隙。所述压气机叶片1分为大叶片101和小叶片102，大叶片101和小叶片102相互间隔布置，在所述的小叶片102的叶片前缘与轮盘的交接处延伸出一尖角7。所述小叶片102被滞止线42分为压力面11和吸力面12。所述尖角7被分界面76分为尖角压力面72和尖角吸力面74。在实际应用中，可以采用尖角7在小叶片102的前缘沿纵向延展，同样在小叶片102的前缘沿高度方向延展。分界面76通常设计在叶片发生滞止处，即分界面通常过小叶片的滞止线42。尖角7的压力面72是弓形的，起始于尖角7的外边处延伸一段距离到小叶片102的压力面11处相交。尖角7的吸力面74也是弓形的，起始于尖角7的外边处延伸一段距离到小叶片10的吸力面12处相交。尖角7的长度要大于它的高度，尖角7的高度可以在叶高的5% 10%取值。图3所示，尖角7的压力面72和吸力面74在轮盘面上的投影实质上都是不完整的椭圆形，都是椭圆形的一部分。吸力面74投影的椭圆中心点(Css),短轴长度(Sss),长轴长度(Lss)。压力面72投影的椭圆中心点(Cps)，短轴长度(Sps)，长轴长度(Lps)。尖角的吸力面74和压力面72的主轴线在分界面76上。吸力面74的长轴比压力面72的长轴要长(Lss>Lps)。吸力面74的投影面的短轴比压力面72的投影面的短轴长(Sss>Sps)。椭圆形的压力面72和吸力面74在尖角7的外边处，即前缘处，光滑过渡连接。在实际操作过程中，分别以Css和Cps做中点作椭圆弧，在两椭圆交接处采用相同的曲率，以保证他们的相切即可。以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的范围之内。
权利要求1.一种应用带尖角前缘的大小叶片叶轮,包括多个大、小叶片和轮盘,所述大叶片和小叶片相互间隔布置，其特征在于， 在所述大叶片和/或小叶片的前缘与轮盘的交接处延伸出一尖角，所述尖角包括压力面和吸力面，所述尖角的压力面和吸力面均呈弓形 所述尖角的压力面起始于所述尖角与轮盘的交接处延伸一段距离到叶片的压力面处相交，所述尖角的吸力面起始于所述尖角与轮盘的交接处延伸一段距离到叶片的吸力面处相交； 所述尖角的长度大于其高度。
2.根据权利要求I所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮，其特征在于，当只有小叶片的前缘设置尖角时，所述大叶片的前缘为倒圆。
3.根据权利要求I所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮，其特征在于，当只有大叶片的前缘设置尖角时，所述小叶片的前缘为倒圆。
4.根据权利要求I至3任一项所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮，其特征在于，所述尖角的压力面和吸力面在轮盘面上的投影面均呈不完整的椭圆形，即压力面和吸力面在轮盘面上的投影面都是椭圆形的一部分。
5.根据权利要求I至3任一项所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮，其特征在于，所述尖角的压力面和吸力面之间的分界面设置在叶片发生滞止处，即所述分界面过叶片的滞止线。
6.根据权利要求4所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮，其特征在于，所述尖角的吸力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形的长轴比压力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形的长轴长，所述尖角的吸力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形的短轴比压力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形的短轴长。
7.根据权利要求4所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮，其特征在于，所述尖角的压力面和吸力面在尖角的前缘处光滑过渡连接。
8.根据权利要求4所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮，其特征在于，所述尖角的压力面和吸力面，在二者之间的分界面处光滑过渡连接。
9.根据权利要求4所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮，其特征在于，所述尖角的压力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形和吸力面在轮盘面上的投影面其所在的椭圆形，两个椭圆形的椭圆中心点是不重合的。
10.一种压气机，其特征在于，包括权利要求I至9任一项所述的应用带尖角前缘的大小叶片叶轮。
专利摘要本实用新型公开了一种应用带尖角前缘的大小叶片叶轮及压气机，包括大、小叶片，叶片的前缘为尖角结构，具体的叶轮形式可以是轴流式、径流式。叶片可以包括大叶片、小叶片，可以将大叶片的前缘设计为尖角；也可以将小叶片设计为尖角；也可以将大叶片和小叶片的前缘均设计为尖角。在叶片的前缘设置尖角可以减少马蹄涡、通道涡的尺寸和强度，减少二次流损失，减少总压损失，提高通流效率，同时减小了叶片前缘处的应力集中。
文档编号F04D29/28GK202673771SQ201220276820
公开日2013年1月16日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者郭宝亭, 陶海亮, 陈巍 申请人:中国科学院工程热物理研究所