CN106939902B - 节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮及采用该叶轮的离心式风机 - Google Patents

Abstract

一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，包括前盘、叶片、后盘及轴盘，前盘和后盘均为直壁构造，叶片为变曲率曲线元素三元扭曲叶片，即：风机叶轮的前、后盘仍采用传统风机直壁结构，而原二元叶片被变曲率曲线元素三元叶片取代，通过调整叶片在叶轮进口叶高方向的曲率，使得当叶轮旋转时叶片对气流施加的叶片力能够适当平衡气流由轴向转为径向时离心惯性力，从而弱化气流在进口处速度的剧烈变化；本发明还要求保护采用所述三元叶轮的离心式风机；本发明通过变曲率曲线元素三元叶轮叶片力消除了小半径拐弯惯性力的不利影响，采用直壁前、后盘传统结构，设计出直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，实现了上述风机三元叶轮的节能效果。

Description

节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮及采用该叶轮 的离心式风机

技术领域

本发明属于径、混流式透平机械技术领域，涉及离心式通风机、鼓风机及压缩机等设备，特别涉及一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮及采用该叶轮的离心式风机(通风机、鼓风机、压缩机)。

背景技术

自从我国吴仲华教授上世纪五十年代在美国发表了“轴流、径流及混流式透平机械亚音速、超音速三元流动普遍理论”后，随着计算机技术飞速发展，在高端能源装备领域三元流动透平机械获得广泛应用。目前国内外在径、混式透平机械领域广泛采用美国NREC的直线元素三元叶轮，主要包括前盘1、叶片2、后盘3、蜗壳4、吸风管5等，叶片2为直线元素三元叶片。所谓直线元素三元叶轮，特指叶轮的三元扭曲叶片中心面的构成是按如下规律形成的：制造图纸只给出叶片顶端及根部二条空间曲线的x、y、z坐标，由这二根空间曲线的等参数对应点得到一组空间直线，这一组空间直线所形成的空间曲面即为直线元素三元叶轮的叶片中心面，美国NREC称其为“任意空间直线元素三元叶轮”。显然这一组空间直线的方向与叶轮子午通道二侧边界——前、后盘曲线基本垂直(由于前、后盘不可能是同心圆弧，不存在公法线，不可能严格与前、后盘垂直)，正因为如此，当叶轮旋转时，在叶轮进口区域叶片2对气流产生的叶片力也基本上与气流由轴向转为径向时所产生的法向惯性力垂直(图2)，该惯性力正是产生叶片高度方向上速度剧烈变化的原因。为克服叶轮入口气流由轴向转为径向时法向惯性力引起速度剧烈变化的不利影响，须采用大拐弯半径子午(Meridional)流道，叶轮前盘(Shroud)1、后盘(Hub)3必须是弯曲的(图1)，这种直线元素三元叶轮较常规二元叶轮的能耗下降了5～10个百分点。

上述直线元素三元叶轮必须采用大拐弯半径的子午流道，弯曲的前、后盘大大提高了制造成本。对于大中型、中低速风机领域，如烧结、除尘、锅炉鼓、引风机等，出于成本考虑，其机壳、叶轮前、后盘均为钣材结构，仍习惯采用直壁前、后盘的传统结构(图3)，包括前盘1、叶片2、后盘3、轴盘4等，叶片2为二元叶片。这种直壁前、后盘结构大大限制了直线元素三元叶轮在低端风机领域的应用，只能采用传统的叶片流动方向弯曲，高度方向不扭的二元叶片(图4)。由于这类低端风机量大面广，造成了国家大量的能源浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮及采用该叶轮的离心式风机，大大弱化了气流在进口处速度的剧烈变化，实现了三元叶轮节能降耗的效果；同时克服了美国NREC直线元素三元叶轮必须有足够大的子午通道的拐弯半径，才能设计出三元叶轮的限制条件。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，包括前盘、叶片、后盘及轴盘，所述前盘和后盘均为直壁构造，所述叶片为变曲率曲线元素三元扭曲叶片。即：风机叶轮的前、后盘仍采用传统风机直壁结构，而原二元叶片被变曲率曲线元素三元叶片取代。

所述变曲率曲线元素三元扭曲叶片是叶片在高度以及流向方向均具有扭曲，且叶片在叶轮进口叶高方向的曲率与其余位置的曲率不同。

通过调整叶片在叶轮进口叶高方向的曲率，使得当叶轮旋转时叶片对气流施加的叶片力F_b能够适当平衡气流由轴向转为径向时离心惯性力F_i，从而弱化气流在进口处速度的剧烈变化。

所述叶片的设计方法如下：

给定叶片顶端、根部所期望的沿子午流线m的速度分布

即叶轮内气流相对速度

与气流流动角即叶片安装角β满足以下关系式：

其中，W_θ表示切向分速度，W表示气流相对速度，则β的取值为：

又因为：

其中，r是圆弧叶片至回转轴的半径，则叶片角坐标值θ由以下积分式得知：

叶顶、叶根空间流线s在子午面的投影即子午流线m即为前、后盘型线m＝f(r,z)，从而获取叶顶空间流线θ_s及叶根θ_h的空间流线公式如下：

θ_s＝f(r_s,z_s)

θ_h＝f(r_h,z_h)

以叶顶及叶根空间流线各等参数点作为空间扭曲叶片的变曲率曲线元素的二个端点，并给出各曲线元素曲率沿准正交线q期望的分布值，从而得到整个空间曲面。

根据所得到的叶片曲面，采用离心式或混流式压缩机跨盘盖相对流面上流动分析方法，进行直壁前、后盘变曲率曲线元素离心式风机的三元流动设计。

本发明还要求保护采用所述节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮的离心式风机。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1)大大弱化了气流在进口处速度的剧烈变化，实现了三元叶轮节能降耗的效果。变曲率的曲线元素三元叶片，当叶轮旋转时叶片对气流施加的叶片力F_b可以适当平衡气流由轴向转为径向时离心惯性力F_i(如图7和图8所示)，大大弱化了气流在进口处速度的剧烈变化，实现了三元叶轮节能降耗的效果。

2)克服了美国NREC直线元素三元叶轮必须有足够大的子午通道拐弯半径，才能设计出三元叶轮的限制条件。可以想象，若不摒弃三元叶轮叶片型面必须是直纹面的设计条件，是难以达到本发明效果的。

3)避免了只能依靠将叶轮前盘(Shroud)、后盘(Hub)拐弯半径增大到足够程度时，才能使用直线元素三元叶轮的局限，仅需通过变曲率曲线元素三元扭曲叶片，使得在直壁(非弯曲)前、后盘的传统二元离心风机的结构条件下，使用高效节能的三元叶轮成为可能。

采用上述直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮离心式风机，实现了离心式三元叶轮节能降耗效果，可望能耗较传统离心式通风机、鼓风机降低了5～10个百分点，成本较曲壁直线元素三元叶轮降低50％以上。

附图说明

图1是现有技术中直线元素三元叶轮结构示意图(周向视图，也即子午面视图)。

图2是现有技术中直线元素三元叶轮结构示意图(轴向视图，也即回转面视图)。

图3是传统技术中直壁前、后盘二元叶轮结构示意图(周向视图，也即子午面视图)。

图4是传统技术中直壁前、后盘二元叶轮结构示意图(轴向视图，也即回转面视图)。

图5是本发明直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮结构示意图(周向视图，也即子午面视图)。

图6是本发明直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮结构示意图(轴向视图，也即回转面视图)。

图7是本发明直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮叶轮进口区域气流受力示意图(子午面)。

图8是本发明直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮叶轮进口区域气流受力示意图(回转面)。Fb——叶片力；Fi——法向惯性力；W——气流相对速度；ω——叶轮旋转角速度。

图9是叶片气动部分设计示意图。

图10是单吸钣材机壳及转子结构示意图。

图11是双吸钣材机壳及转子结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明提供一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮离心式风机，在直壁前、后盘传统低端风机的结构限制条件下，利用本发明人长期自主研发的“径、混流式透平机械正命题气动设计方法”，摒弃了美国NREC三元叶轮直线元素叶片的限制条件，设计出了变曲率曲线元素三元叶轮(如图5和图6所示)，包括前盘1、叶片2、后盘3、轴盘4等，其中叶片2为变曲率曲线元素三元叶片。

本发明变曲率曲线元素三元扭曲叶片是叶片在高度以及流向方向均具有扭曲，且叶片在叶轮进口叶高方向的曲率与其余位置的曲率不同。通过调整叶片在叶轮进口叶高方向的曲率，使得当叶轮旋转时叶片对气流施加的叶片力F_b能够适当平衡气流由轴向转为径向时离心惯性力F_i，从而弱化气流在进口处速度的剧烈变化。叶片的具体设计方法如下：

1、给定叶片顶端、根部所期望的沿子午流线m的速度分布

如图9所示，叶轮内气流相对速度

与气流流动角即叶片安装角β满足以下关系式：

图9中，W_θ表示切向分速度，W表示气流相对速度，W_r表示半径r方向分速度，W_m为相对速度W在子午面上的投影，ω为叶轮旋转角速度；

故而可得知叶片安装角β沿空间流线s的分布，即β的取值为：

又因为：

其中，r是圆弧叶片至回转轴半径；

从而叶片角坐标值θ可由以下积分式获取：

叶顶、叶根空间流线s在子午面投影——子午流线m即为前、后盘型线m＝f(r,z)，最后得知：叶顶及叶根的空间流线分别为：

θ_s＝f(r_s,z_s)

θ_h＝f(r_h,z_h)

2、以叶顶及叶根空间流线各等参数点作为空间扭曲叶片的变曲率曲线元素的二个端点，并给出各曲线元素曲率沿准正交线q期望的分布值

从而得知整个空间曲面θ＝f(m,q)。

3、有了叶片曲面的坐标值后，采用Katsanis,T由吴仲华三元流动理论发展成的平均跨盘盖S_2m流面分析(参考文献：[Katsanis,T“任意准正交线法在计算透平机械子午面流动分析中的应用”TN D2546,NASA,Cleveland,Ohio,1964])，就可解决三元叶轮的叶片型线与气动设计的分析问题了。本发明采用由Katsanis,T进一步发展成的“离心式或混流式压缩机跨盘盖相对流面上流动分析(正命题)”(参考文献：透平压缩机专业、计算数学专业，“离心式或混流式压缩机跨盘盖相对流面上流动分析(正命题)”，《西安交通大学学报》第3期，1976年)进行直壁前、后盘变曲率曲线元素离心式风机的三元流动分析和设计。

本发明中，较小的小拐弯半径可由叶轮前的静止导风管实现。

参考图10和图11，本发明实施包括：

一种高效节能直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮离心式风机，在原有低中速、中低压离心式风机传统的单吸(图10)和双吸(图11)钣材机壳内，沿用主轴套装轴盘加前、后直盘二元(圆弧)叶片焊接叶轮转子的传统结构，仅需把二元圆弧叶片换成变曲率曲线元素三元叶片，从而解决了传统低端风机结构和用材条件下，二元叶轮浪费大量能源，不利节能环保的问题。此时，除变曲率曲线元素三元叶片须采用与传统低端风机不同的设计与制造工艺外，其余所有进气室、机壳、转子的其它零部件结构、用材及制造工艺均维持不变。变曲率曲线元素三元叶片的型线设计按上述实施方案中关于气动设计方法中1、2部分实施，三元叶轮内流场分析按其第3部分的方法进行。叶片展开及热压成型模具由计算机编程后，由数控切割机及三坐标数控铣完成后，热压成型扭曲叶片与直壁前、后盘焊接成直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶片叶轮。风机余下工序与传统离心式二元风机全同。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，包括前盘、叶片、后盘及轴盘，所述前盘和后盘均为直壁构造，其特征在于，所述叶片为变曲率曲线元素三元扭曲叶片，所述变曲率曲线元素三元扭曲叶片是叶片在高度以及流向方向均具有扭曲，且叶片在叶轮进口叶高方向的曲率与其余位置的曲率不同。

2.根据权利要求1所述节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，其特征在于，通过调整叶片在叶轮进口叶高方向的曲率，使得当叶轮旋转时叶片对气流施加的叶片力F_b能够适当平衡气流由轴向转为径向时离心惯性力F_i，从而弱化气流在进口处速度的剧烈变化。

3.根据权利要求1所述节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，其特征在于，所述叶片的设计方法如下：

给定叶片顶端、根部所期望的沿子午流线m的速度分布

即叶轮内气流相对速度

与气流流动角即叶片安装角β满足以下关系式：

其中，W_θ表示切向分速度，W表示气流相对速度，则β的取值为：

又因为：

其中，r是圆弧叶片至回转轴的半径，则叶片角坐标值θ由以下积分式得知：

叶顶、叶根空间流线s在子午面的投影即子午流线m即为前、后盘型线m＝f(r,z)，从而获取叶顶空间流线θ_s及叶根θ_h的空间流线公式如下：

θ_s＝f(r_s,z_s)

θ_h＝f(r_h,z_h)

以叶顶及叶根空间流线各等参数点作为空间扭曲叶片的变曲率曲线元素的二个端点，并给出各曲线元素曲率沿准正交线q期望的分布值，从而得到整个空间曲面。

4.根据权利要求3所述节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮，其特征在于，根据所得到的叶片曲面，采用离心式或混流式压缩机跨盘盖相对流面上流动分析方法，进行直壁前、后盘变曲率曲线元素离心式风机的三元流动设计。

5.采用权利要求1所述节能型直壁前、后盘变曲率曲线元素三元叶轮的离心式风机。

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