一种离心叶轮及离心压缩机的制作方法

1.本发明属于压缩机技术领域，尤其涉及一种离心叶轮及离心压缩机。


背景技术：

2.随着节能环保的需求逐渐增强以及氢燃料电池技术蓬勃发展，车用燃料电池系统的开发研究工作取得了巨大进步。离心压缩机作为车用燃料电池系统中的“心脏”，也是当前研究的热点。离心压缩机的性能好坏直接决定发电效率与需求者的选择。
3.离心叶轮是离心压缩机的核心部件，通过离心叶轮高速旋转将流体(例如气体)从叶片的进口流向出口。其中，叶片结构、型线直接影响流经叶片出口处的流体状况。相关技术中，通过改变叶片的整体结构以期望改善流体状况，提升叶轮性能，但是效果并不理想，且成本较高。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种离心叶轮及离心压缩机。
5.本发明第一方面提供一种离心叶轮，包括：轮盘；多个叶片，多个所述叶片设置于所述轮盘，且沿着所述轮盘的周向分布，相邻两个所述叶片间隔设置；襟翼，在每个所述叶片的后缘设置所述襟翼，所述襟翼沿着所述轮盘的周向延伸。
6.在一些实施例中，所述襟翼从所述叶片的后缘朝向吸力面侧延伸。
7.在一些实施例中，所述襟翼从所述叶片的后缘朝向压力面侧延伸。
8.在一些实施例中，所述襟翼的高度θ为所述襟翼顶部到所述轮盘轴心连线、与所述襟翼底部到所述轮盘轴心连线之间形成的夹角，其中所述高度θ大于0
°
小于等于2
°
。
9.在一些实施例中，所述高度θ为0.5
°
。
10.在一些实施例中，所述襟翼的厚度δ为所述襟翼在所述轮盘径向方向上的延伸距离，其中所述厚度δ与所述叶片后缘在所述轮盘周向方向上的厚度比值为大于等于40％且小于等于100％。
11.在一些实施例中，所述襟翼在所述轮盘轴向方向上的延伸距离，其中所述宽度h与所述叶片后缘在所述轮盘轴向方向上的长度比值为大于等于50％且小于等于100％。
12.在一些实施例中，所述襟翼朝向所述叶片的压力面侧倾斜，且所述襟翼的倾角γ为所述襟翼与所述轮盘轴心的夹角，其中，所述倾角γ大于等于18
°
且小于等于25
°
。
13.在一些实施例中，所述叶片的前段呈倾斜、后段呈弯曲形状，所述前段与所述后段通过中段连接，其中，所述后段朝向所述叶片的吸力面侧弯曲，所述叶片的前段和后段均朝向所述叶片的压力面侧倾斜，所述叶片的后段与所述襟翼连接处为第一位置，所述后段在所述第一位置处的切线为第一切线，所述襟翼在所述第一位置处的切线为第二切线，其中，所述第一切线与所述第二切线之间的夹角等于所述襟翼的倾角γ，其中，所述中段连接于所述前段和所述后段之间。
14.在一些实施例中，所述叶片包括沿着所述轮盘的周向设置的多个主叶片及多个分流叶片，所述主叶片及所述分流叶片交错布置，其中，在每个所述主叶片的后缘和/或每个所述分流叶片的后缘设置沿着所述轮盘的周向延伸所述襟翼。
15.本公开第二方面还提供一种离心压缩机，包括：如上任一实施例所述的离心叶轮。
16.采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
17.通过在叶片后缘设置朝向轮盘周向延伸的襟翼，无需不改变原有叶片整体结构参数以及叶片型线的基础上，能够有益于使叶轮转动时叶片进口到出口流体能量的增加，且不会影响流体的流向，造成气流紊乱，从而能够有效的改变流体在叶片出口处的流体状况，提升叶轮性能，制造成本也大幅降低。
18.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
附图说明
19.附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
20.图1是本根据发明一示例性实施例示出的一种离心叶轮结构示意图；
21.图2是本根据发明一示例性实施例示出的离心叶轮结构另一角度示意图；
22.图3是本根据发明另一示例性实施例示出的一种离心叶轮结构示意图；
23.图4-图7是根据本发明一些实施例示出的襟翼各参数尺寸示意图；
24.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接触”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.如图1至图3所示，本发明提供一种离心叶轮100，可以应用于离心压缩机，特别是氢燃料电池空压机用高速旋转离心叶轮，能够显著提升空压机性能。
28.本发明的离心叶轮100可以包括轮盘10、多个叶片20及襟翼30。
29.多个叶片20固定在轮盘10上，且沿着轮盘10的周向(圆周方向)均匀布置，相邻两个叶片20在周向上间隔设置，从而形成叶轮流道以供流体(例如气体)流通。
30.如图1所示，每个叶片20可以包括前缘211、后缘212、尖缘213及根缘214。叶片根缘
214是叶片20与轮盘10固定连接的那条边。叶片尖缘213是叶片20远离轮盘10且与根缘214相背向的那条边。叶片前缘211和叶片后缘212均与叶片尖缘213和叶片根缘214连接，其中叶片前缘211位于叶片的进口处，也为流体在叶轮流道中流动方向上的上游；叶片后缘212位于叶片的出口处，也为流体在叶轮流道流动方向上的下游。
31.在每个叶片20的后缘212设置襟翼30，该襟翼30沿着轮盘10的周向延伸。可以自叶片20的后缘212沿着轮盘的周向延伸凸出于叶片20的台阶作为襟翼30，该襟翼30可以与叶片20为一体成型。
32.本发明通过在叶片后缘212设置沿着轮盘周向延伸的襟翼30，无需不改变原有叶片整体结构参数以及叶片型线的基础上，能够有益于使叶轮转动时叶片进口到出口流体能量的增加，且不会影响流体的流向，造成气流紊乱，从而能够有效的改变流体在叶片出口处的流体状况，提升叶轮性能，制造成本也大幅降低。
33.襟翼30可以朝向轮盘周向方向的其中一侧延伸。这样可以避免阻碍叶轮流道，确保叶轮转动时叶片进口到出口流体能量的增加。
34.在一些实施例中，如图3所示，本发明的离心叶轮100可以包括轮盘10、多个叶片20及襟翼30。多个叶片20固定在轮盘10上，且沿着轮盘10的周向(圆周方向)均匀布置，相邻两个叶片20在周向上间隔设置，从而形成叶轮流道以供流体(例如气体)流通。在每个叶片的后缘设置襟翼，襟翼沿着轮盘的周向延伸。其中，襟翼30从叶片20的后缘212朝向吸力面215侧向轮盘的周向延伸。
35.每个叶片20具有吸力面215和压力面216，其中压力面216为叶片20对流体施加压力的那个面，吸力面215为流体冲击叶片且与压力面216相背的那个面。在每个叶片20的后缘212朝向吸力面215侧且朝向轮盘20周向延伸凸出的襟翼30结构形成吸力面襟翼。
36.由于在气体流入叶轮流道并经由叶轮做功后，叶片出口处的尾迹射流及马赫数较大，影响叶轮性能及产生噪音。本发明通过在叶片20的后缘212朝向吸力面215延伸形成吸力面襟翼，能够有效抑制气体尾迹射流和叶片出口马赫数，改善叶轮流道内气体流动环境，提高叶轮性能。同时，由于抑制的尾迹和射流掺混程度降低，叶轮出口处的非定常效应降低，叶轮的噪声能够得到有效抑制。
37.在另一些实施例中，如图1和图2所示，本发明的离心叶轮100可以包括轮盘10、多个叶片20及襟翼30。多个叶片20固定在轮盘10上，且沿着轮盘10的周向(圆周方向)均匀布置，相邻两个叶片20在周向上间隔设置，从而形成叶轮流道以供流体(例如气体)流通。在每个叶片的后缘设置襟翼，襟翼沿着轮盘的周向延伸。其中，襟翼30从叶片的后缘212朝向压力面216侧朝向轮盘的周向延伸。
38.与上述实施例中吸力面襟翼不同的是，在每个叶片20的后缘212朝向压力面216侧且朝向轮盘20周向延伸凸出的襟翼30结构形成压力面襟翼。该压力面襟翼相当于增加叶片20的安装角的效果，基本上无需改变叶轮20主要结构参数以及叶片型线，且能够有效提升叶轮压比，从而提升叶轮性能。
39.在一些实施例中，上述叶片可以包括沿着轮盘10的周向设置的多个主叶片21及多个分流叶片22，主叶片21及分流叶片22交错布置。分流叶片22的结构可以与主叶片21的结构类似，例如，分流叶片22也可以由分流叶片前缘、分流叶片后缘、分流叶片尖缘、分流叶片根缘组成。分流叶片22前段可以短于主叶片21的前段，即分流叶片22的前缘可以在主叶片
21前缘的下游，分流叶片22的后缘与主叶片21的后缘在同一圆周面上。其中，在每个主叶片21的后缘212和/或每个分流叶片22的后缘(图未标)设置沿着轮盘10的周向延伸的襟翼30。
40.在一示例中，可以仅在主叶片21上形成上述襟翼30，例如在主叶片21上形成压力面襟翼或者吸力面襟翼。
41.在另一示例中，可以仅在分流叶片22上形成上述襟翼30，例如在分流叶片22上形成压力面襟翼或者吸力面襟翼。
42.在又一示例中，还可以在主叶片21和分流叶片22上均形成上述襟翼30，例如在主叶片21和分流叶片22均形成压力面襟翼，或者在主叶片21和分流叶片22均形成吸力面襟翼。
43.上述叶片20并不限于包含主叶片21和分流叶片22。在其他可能的实施例中，叶片20也可以仅包含主叶片21，而不包含分流叶片22。这种情况下，只需在主叶片21设置压力面襟翼或者吸力面襟翼。
44.在一些实施例中，上述叶片20(以主叶片21为例进行说明)的前段21a呈倾斜、后段21c呈弯曲形状，其中，后段21c朝向叶片的吸力面215侧弯曲。如图2和图6所示，以主叶片21为例，主叶片21可以包含依次连接的前段21a、中段21b及后段21c。其中，主叶片21的前段21a和后段21c均朝向叶片的压力面216侧倾斜，后段21c的与襟翼30连接点处的切线、和襟翼30的与后段连接点处的切线之间的夹角为襟翼的倾角γ，该倾斜角γ可以为18
°
～30
°
，例如25
°
。换句话说，后段21c与襟翼30的连接点处所在位置为第一位置(图6中标号s的位置)，后段21c在第一位置s处的切线为第一切线l1，襟翼30在第一位置s处的切线为第二切线l2，其中，第一切线l1和第二切线l2之间的夹角α等于襟翼的倾角γ。
45.在叶片20包含主叶片21和分流叶片22的情况下，分流叶片22的结构型线可以与主叶片21类似，也可以倾斜设置，设置的倾斜角度也可以为18
°
～30
°
，例如25
°
。
46.上述各实施例中，无论襟翼30是压力面襟翼还是吸力面襟翼，襟翼30朝向叶片20的压力面216侧倾斜，且襟翼30的倾角(也称为倾斜角)也为γ，其中，该襟翼30倾角为襟翼30与轮盘10轴心o的夹角，其中，襟翼倾角γ大于等于18
°
且小于等于25
°
,例如25
°
。也就是说，襟翼倾角γ与叶片倾角一致。值得注意的是，襟翼倾角γ与叶片倾角一致时，叶片的线型并不限于上述前段21a呈倾斜、后段21c呈弯曲形状，在其他可能的实施例中，叶片线型还可为其他形状。
47.本发明通过设置朝向叶片的压力面侧倾斜的襟翼，在叶片出口处倾斜的襟翼，能够有效抑制叶轮流道内的二次流强度，提高叶轮性能。
48.襟翼30倾斜设置，适用于上述各个实施例，例如在主叶片21上设置倾斜的压力面襟翼或者倾斜的吸力面襟翼，又或者在分流叶片22上的设置倾斜的压力面襟翼或者倾斜的吸力面襟翼。
49.在一些实施例中，如图5和图6所示，无论襟翼30是压力面襟翼还是吸力面襟翼，上述襟翼的高度θ可以表示为襟翼30顶部(自由端部)到轮盘10轴心o连线、与襟翼底部(与叶片后缘212连接的边)与轮盘10轴心连线之间形成的夹角，其中高度θ大于0
°
小于等于2
°
，例如0.5
°
。襟翼位于压力面时(压力面襟翼)可以表示为+θ，襟翼位于吸力面(吸力面襟翼)可以表示为-θ。例如压力面襟翼可以表示为+0.5
°
，吸力面襟翼可以表示为-0.5
°
。上述θ角的正负是为了便于区分压力面襟翼高度还是吸力面襟翼高度而人为设置的。事实上，襟翼30
的延伸长度为沿着轮盘10的圆周方向延伸的一段弧长，该弧长随着θ角的增大而增大，随着θ角的减小而减小。
50.襟翼高度θ可以基于轮盘10的直径选择合适的范围，本发明通过计算实验，通过将襟翼的高度θ设置在大于0
°
小于等于2
°
的范围内，这样的离心叶轮更适合应用于氢燃料电池空压机上，不会阻挡气体流动，还能提高叶轮和空压机性能。
51.在一些实施例中，如图5和图6所示，无论襟翼30是压力面襟翼还是吸力面襟翼，上述襟翼30的厚度δ为襟翼30在轮盘10径向方向上的延伸距离，其中厚度δ与叶片后缘212在轮盘10周向方向上的厚度比值为大于等于40％且小于等于100％的范围，例如，比值可以取值40％。
52.襟翼厚度δ在强度允许范围内越小越好，本发明通过计算实验，通过将襟翼厚度δ与叶片后缘212厚度比值取40％，这样的离心叶轮更适合应用于氢燃料电池空压机上，不仅能够保证襟翼强度，还不会阻挡气体流动，从而襟翼可靠性及空压机性能。
53.在一些实施例中，如图4和图7所示，无论襟翼30是压力面襟翼还是吸力面襟翼，襟翼的宽度h可以表示为襟翼30在轮盘10轴向方向上的延伸距离，其中襟翼宽度h与叶片后缘212在轮盘10轴向方向上的长度(也为叶片出口处的宽度)比值为大于等于50％且小于等于100％，例如比值可以取100％，即襟翼宽度h与叶片出口处的宽度相等。
54.基于同一发明构思，本发明还提供一种离心压缩机，包括如上述任一实施例所述的离心叶轮100。离心压缩机可以是氢燃料电池空压机，由于氢燃料电池空压机的离心叶轮在超高速环境下运行，气流损耗较为严重，空压机效率低，噪音也较大。通过设置本发明提供的离心叶轮，能够使提升叶轮压比，提升空压机性能，同时还能降低噪音。
55.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
56.以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。