一种离心压缩机的闭式叶轮的制作方法
【专利摘要】一种离心压缩机的闭式叶轮，它包括叶片、轮毂和轮盘，其特征在于：（1）叶片采用后弯式、等强度结构；（2）叶片与轮毂为一体，它们与轮盘之间的连接采用焊接结构。叶片等强度结构其叶片周向厚度从叶尖到叶根是逐渐增加的；而轮毂与轮盘之间的连接采用焊接结构是采用机器人自控氩弧焊工艺完成的。在设计多级压缩机时，其前、后两个叶轮相应的的叶片叶面间偏转的角度为-5～-15°。本发明还提供了设计上述离心压缩机的闭式叶轮的优化设计方法，采用该方法可用计算机自动生成和控制叶轮的制造过程。本发明的闭式叶轮，使压缩机内部的气流实现了高压力比、高效率化并减少了通道中的涡流损失，显著地改善了离心压缩机的性能指标。
【专利说明】一种离心压缩机的闭式叶轮
【技术领域】
[0001]本发明属于离心压缩机部件的【技术领域】，具体涉及到一种新型的离心压缩机的闭式叶轮。
【背景技术】
[0002]叶轮是离心压缩机的一个主要部件，它对压缩机的效率有着决定性的影响。叶轮按结构形式可分为:开式、半开式和闭式三种；按进气方式则可分为:单面进气和双面进气两种；而按叶片弯曲的形式则又可分为:前弯、径向和后弯三种。
[0003]中国专利CN90224589.9公开了一种《离心式三元叶轮》，该叶轮具有轴向跨距短的三元扭曲叶片，叶片型面由特定载荷分布规律确定其轮盖型线和轮盘型线，再由直线元素光滑连接构成。然而，其设计公式中所引用的系数并未说明来源，所得出的数值明显带有极大的经验性质，并不具有推广应用的价值。
[0004]中国专利CN202531482U公开了《一种离心风机叶轮》，它在后盘上且垂直于后盘设置有反推力叶片，这仅仅相当于增加了 一个小推力盘。
[0005]中国专利CN203214413U则公开了一种《离心风机叶轮》，它在叶轮的前、后盘的出口处均设有加强圈，加强圈通过其上开有的塞焊孔同前、后盘的出口处焊接在一起。它仅仅是以此加强圈来提高叶轮的整体刚度。
[0006]实际上叶轮的主要问题并不在于并不在于上述专利所考虑的方面，首先，我们认为:叶轮包含的若干个叶片，当离心压缩机工作时，一方面要求叶轮叶片要有足够的强度承受很高的离心应力；另一方面，为了保证气动性能和减小转动惯量，则要求叶片厚度在满足其强度的条件下，要尽可能的薄。如此应该考虑叶轮的叶片的厚度从叶尖到叶根有一个合理的分布。
[0007]其次，目前对于离心压缩机叶片的设计，通常采用径向元素造型，即叶片垂直于转动轴的任意截面的型面中心线必须通过轴线，以保证叶片在高速旋转过程中不会产生附加弯矩。设计时，首先构造叶片的中弧面，再确定叶片周向的厚度分布。他们通常使用圆弧或椭圆构造叶片的弧面造型，这样既难于对沿流向的叶片负荷进行调整；又无法保证在叶轮出气边沿径向得到合理的出气角分布。
【发明内容】
[0008]针对上述问题，本发明提出了一种离心压缩机的闭式叶轮，它包括叶片、轮毂和轮盘，其特征在于:
[0009](I)叶片采用后弯式、等强度结构；
[0010](2)叶片与轮毂为一体，它们与轮盘之间的连接采用焊接结构。
[0011]本发明的本发明的离心压缩机的闭式叶轮，所说的叶片等强度结构其叶片周向厚度从叶尖到叶根是逐渐增加的，这是通过基于性能预测的流体动力学设计思想出发，利用专业设计软件完成的。[0012]本发明的本发明的离心压缩机的闭式叶轮，所说的轮毂与轮盘之间的连接采用焊接结构是采用氩弧焊工艺完成的。
[0013]考虑到叶片通道中环流对出口速度的影响，在有限叶片数时，由于环流的影响，在叶轮出口处存在着一个与周速相反的环流速度(即轴向涡)，使气流的相对速度在出口处朝着反旋转方向偏转一定的角度，即气流出现了滞后现象。本发明的离心压缩机的闭式叶轮在多级离心压缩机中，前、后两个叶轮相应的叶片之间其叶面间偏转的角度为-5?-15°。
[0014]由于离心压缩机，其气流是轴对称的，所以，其压力和速度只是(R;Z)的函数，对于叶轮内部来说，由流体动力学的连续性方程、运动方程和能量方程组成的不可压缩理想流体流动的方程组可以大为简化，即可将复杂的三元流动简化为多个以周勉流线为母线的变厚度回转面的叶栅来研究。
[0015]不过，在设计过程中不仅是要考虑也轮到动力学性能，还必须考虑其它过流不见的相互作用和匹配关系，以及是否满足结构刚度、强度和制造工艺的要求等因素。发明人采用NUMECA公司的FINETM/DeSign3D叶轮设计软件，结合本 申请人:制造的离心压缩机的设计参数，实现了离心压缩机闭式叶轮的优化设计和数字化制造。
[0016]离心压缩机闭式叶轮的优化设计过程可分为叶轮的流体动力学数字化的初步设计；三维几何建模；三维流畅数值模拟；性能测试；结构分析和数字化制造及仿真验证诸多环节，其大致步骤如下:
[0017]步骤I根据用户要求制定叶轮设计参数；
[0018]步骤2给出叶轮轴面流道数字化定义；
[0019]步骤3用软件进行叶轮轴面流场数字计算和流线设计；
[0020]步骤4进行叶轮进、出口修正参数确定、叶片进、出边轴、面投影形状设计；
[0021]步骤5叶片进口边轴向位置设计
[0022]步骤6在各流面叶栅的数字化设计；
[0023]步骤7将各流面上按一定的规律积叠成叶片，进行几何学分析；
[0024]步骤8进行叶片和叶轮的三维几何数字化设计；
[0025]步骤8之I对叶片和叶轮的强度和刚度进行计算、分析和可制造性评估；满足结构要求则进入步骤13 ;否则返回步骤6 ；
[0026]步骤9 (步骤8之2)叶轮的流道离散、网络生成、边界条件分析；
[0027]步骤10进行叶轮流场模拟；
[0028]步骤11基于流场数值模拟对叶轮性能进行评估；
[0029]步骤12检验叶轮是否满足流体动力学性能要求；满足可进入步骤13 ;否则返回步骤3 ;
[0030]步骤13进行叶轮模型数字化制造及试验验证；
[0031]步骤14检查叶轮模型是否满足设计性能要求，满足则上数控铣进行式加工；否则返回步骤6;
[0032]步骤15将正式加工好的叶轮再进行流体动力学检验，符合性能指标的按此规范进行批量生产；否则返回步骤12.。
[0033]上述步骤均是在电子计算机上按专用软件自动进行的。而步骤2、3、4、5的数据需要同时备份并输入到叶轮叶片设计数据库中，以备今后进行叶轮数字设计时应用。[0034]本发明的离心压缩机的闭式叶轮，在 申请人:在采取必要的保密措施的前提下，安装所生产各种型号的离心压缩机中实验，取得很好的效果，使压缩机内部的气流实现了高压力比、高效率化并减少了通道中的涡流损失，显著地改善了离心压缩机的性能指标。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1是本发明的叶轮主要部分的立体图；图2该叶轮部分的主剖视示意图；图3是该叶轮的局部结构示意图，上述各图中，I为轮毂；2叶片；3轮盘。图4是本发明的叶轮设计流程框图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合说明书附图对本发明的内容作进一步的说明与补充。
[0037]如图4所示，采用采用NUMECA公司的FINETM/DeSign3D叶轮设计软件，结合本 申请人:制造的离心压缩机的设计参数，实现了离心压缩机闭式叶轮的优化设计和数字化制造。
[0038]离心压缩机闭式叶轮的优化设计过程可分为叶轮的流体动力学数字化的初步设计；三维几何建模；三维流畅数值模拟；性能测试；结构分析和数字化制造及仿真验证诸多环节，其大致步骤如下:
[0039]步骤I根据用户要求制定叶轮设计参数；
[0040]步骤2给出叶轮轴面流道数字化定义；
[0041]步骤3用软件进行叶轮轴面流场数字计算和流线设计；
[0042]步骤4进行叶轮进、出口修正参数确定、叶片进、出边轴、面投影形状设计；
[0043]步骤5叶片进口边轴向位置设计
[0044]步骤6在各流面叶栅的数字化设计；
[0045]步骤7将各流面上按一定的规律积叠成叶片，进行几何学分析；
[0046]步骤8进行叶片和叶轮的三维几何数字化设计；
[0047]步骤8之I对叶片和叶轮的强度和刚度进行计算、分析和可制造性评估；满足结构要求则进入步骤13 ;否则返回步骤6 ；
[0048]步骤9 (步骤8之2)叶轮的流道离散、网络生成、边界条件分析；
[0049]步骤10进行叶轮流场模拟；
[0050]步骤11基于流场数值模拟对叶轮性能进行评估；
[0051]步骤12检验叶轮是否满足流体动力学性能要求；满足可进入步骤13 ;否则返回步骤3 ;
[0052]步骤13进行叶轮模型数字化制造及试验验证；
[0053]步骤14检查叶轮模型是否满足设计性能要求，满足则上数控铣进行式加工；否则返回步骤6;
[0054]步骤15将正式加工好的叶轮再进行流体动力学检验，符合性能指标的按此规范进行批量生产；否则返回步骤12.。
[0055]上述步骤均是在电子计算机上按专用软件自动进行的。而步骤2、3、4、5的数据需要同时备份并输入到叶轮叶片设计数据库中，以备叶轮数字设计应用。
[0056]采用低合金钢锻件作坯料，如图1、2、3所示，分别按照数控程序采用数控车床车出轮毂I外形，并再用铣床在轮毂上铣出叶片2 ;再按照数控程序采用数控车床加工出轮盘3，最后，自动氩弧焊机将带叶片的轮毂与轮盘焊接为一体。下面列举出几个具体的实施例。
[0057]实施例1
[0058]采用15Cr2Mol珠光体低合金耐热钢锻件作坯料，先用数控车床加工出轮毂，其外经为600毫米，再在其上用数控铣床加工出叶片，叶片的平均厚度为4毫米；再用数控车床加工轮盘，轮盘的尺寸为450毫米，在轮盘相应于叶片端部的位置用铣床铣出焊接槽，焊接时先将叶片插入相应的槽内，再用焊接机器人氩弧焊将带叶片的轮毂与轮盘焊接为一体。
[0059]实施例2
[0060]采用FV520B高强高韧性马氏体时效钢锻件作坯料，先用数控车床加工出轮毂，其外经为800毫米，再在其上用数控铣床加工出叶片，叶片的平均厚度为8毫米；再用数控车床加工轮盘，轮盘的尺寸为570毫米，在轮盘相应于叶片端部的位置用铣床铣出焊接槽，焊接时先将叶片插入相应的槽内，再用焊接机器人氩弧焊将带叶片的轮毂与轮盘焊接为一体。
[0061]实施例3
[0062]采用15Cr2Mol珠光体低合金耐热钢锻件作坯料，先用数控车床加工出轮毂，其外经为700毫米，再在其上用数控铣床加工出叶片，叶片的平均厚度为6毫米；再用数控车床加工轮盘，轮盘的尺寸为498毫米，在轮盘相应于叶片端部的位置用铣床铣出焊接槽，焊接时先将叶片插入相应的槽内，再用焊接机器人氩弧焊将带叶片的轮毂与轮盘焊接为一体。
[0063]实施例4
[0064]用FV520B高强高韧性马氏体时效钢锻件作坯料，先用数控车床加工出轮毂，其外经为900毫米，再在其上用数控铣床加工出叶片，叶片的平均厚度为8毫米；再用数控车床加工轮盘，轮盘的尺寸610毫米，在轮盘相应于叶片端部的位置用铣床铣出焊接槽，焊接时先将叶片插入相应的槽内，再用焊接机器人氩弧焊将带叶片的轮毂与轮盘焊接为一体。
[0065]实施例5
[0066]同实施例1，多级离心压缩机叶轮，该压缩机具有两个以上的叶轮，其前后两叶轮的相应的叶片之间偏移-5°角。
[0067]实施例6
[0068]同实施例2，多级离心压缩机机叶轮，该压缩机具有两个以上的叶轮，其前后两叶轮的相应的叶片之间偏移-10°角。
[0069]实施例7
[0070]同实施例3，多级离心压缩机叶轮，该压缩机具有两个以上的叶轮，其前后两叶轮的相应的叶片之间偏移-15°角。
[0071]上述各实施例仅仅是根据不同用户的不同使用条件而提出的设计方案，这些方案在同用户签订相应的保密协议后，将样机提供给用户试用取得较为满意的效果的特例，因此还可以还可以列举出更多实施例来
[0072]本发明并不局限上述个实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明的形式可做相应的变更和修改，凡是在本发明的精神和原则之内的变更和修改，均应视为包含本发明的权限之内。
【权利要求】
1.一种离心压缩机的闭式叶轮，它包括叶片、轮毂和轮盘，其特征在于: (1)叶片采用后弯式、等强度结构； (2)叶片与轮毂为一体，它们与轮盘之间的连接采用焊接结构。
2.按权利要求1所述的离心压缩机的闭式叶轮，其特征在于所说的叶片等强度结构其叶片周向厚度从叶尖到叶根是逐渐增加的。
3.按权利要求1所述的离心压缩机的闭式叶轮，其特征在于所说的轮毂与轮盘之间的连接采用焊接结构是采用机器人自控氩弧焊工艺完成的。
4.按权利要求1所述的离心压缩机的闭式叶轮，其特征在于所说的在多级压缩机中，前、后两个叶轮相应的的叶片叶面间偏转的角度为-5?-15°。
5.一种设计权利要求1的离心压缩机的闭式叶轮的优化设计方法，其步骤如下: 步骤I根据用户要求制定叶轮设计参数； 步骤2给出叶轮轴面流道数字化定义； 步骤3用软件进行叶轮轴面流场数字计算和流线设计； 步骤4进行叶轮进、 出口修正参数确定、叶片进、出边轴、面投影形状设计； 步骤5叶片进口边轴向位置设计 步骤6在各流面叶栅的数字化设计； 步骤7将各流面上按一定的规律积叠成叶片，进行几何学分析； 步骤8进行叶片和叶轮的三维几何数字化设计； 步骤8之I对叶片和叶轮的强度和刚度进行计算、分析和可制造性评估；满足结构要求则进入步骤13 ;否则返回步骤6 ； 步骤9 (步骤8之2)叶轮的流道离散、网络生成、边界条件分析； 步骤10进行叶轮流场模拟； 步骤11基于流场数值模拟对叶轮性能进行评估； 步骤12检验叶轮是否满足流体动力学性能要求；满足可进入步骤13 ;否则返回步骤·3 ； 步骤13进行叶轮模型数字化制造及试验验证； 步骤14检查叶轮模型是否满足设计性能要求，满足则上数控铣进行式加工；否则返回步骤6 ; 步骤15将正式加工好的叶轮再进行流体动力学检验，符合性能指标的按此规范进行批量生产；否则返回步骤12.。
【文档编号】F04D29/28GK103807209SQ201410052615
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2014年2月13日
【发明者】石雪松 申请人:沈阳斯特机械制造有限公司