压缩机叶轮及压缩机的制作方法

1.本发明属于增压设备技术领域，具体提供一种压缩机叶轮及压缩机。


背景技术：

2.压缩机通常包括壳体和以转动方式设置于壳体内的叶轮。叶轮能够通过快速转动的方式对进入壳体内的气流做功，使气体获得能量，从而达到增压气体的目的。
3.在现有叶轮中，其叶片通常包括前向叶片、径向叶片与后向叶片三种。其中，设置有前向叶片的叶轮工作时输出气流的流动损失较大，配置有该种叶轮的压缩机在很大程度上需要依靠功能性较高的增压元件才能够实现使气流降速扩压的工作目的。设置有后向叶片的叶轮的做功性能较弱，配置有该种叶轮的压缩机在增加气流时工作效果较差。设置有径向叶片的叶轮的功能弊端介于前述两种叶轮之间，虽然配置有该种叶轮的压缩机的性能缺点不明显，但是该类配置径向叶片的压缩机的工作性能也不突出。
4.相应地，本领域需要一种新的压缩机叶轮及压缩机来解决上述问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的压缩机叶轮不能在保证做功效果的同时降低气流的流动损失的问题，本发明提供了一种压缩机叶轮，所述压缩机叶轮包括叶轮本体和呈环形设置在所述叶轮本体上的多个叶片，每个所述叶片均包括由内至外依次设置的入流部分、做功部分和出流部分，所述入流部分通过所述做功部分连接至所述出流部分，以使每相邻两个所述叶片之间能够形成由内至外依次连通的入流通道、连接通道和出流通道，所述入流通道相对于所述连接通道沿所述叶轮本体的转动方向的顺向倾斜设置，所述出流通道相对于所述连接通道沿所述叶轮本体的转动方向的逆向倾斜设置，所述连接通道相对于所述叶轮本体的径向子午线的倾斜角度为0至10度范围内的任意角度。
6.在上述压缩机叶轮的优选技术方案中，所述入流部分的进口安装角β
1a
由下述公式计算：β
1a
＝β1 i
7.其中，所述β1为进气气流相对速度的方向角，所述i为所述进气气流相对速度的方向角β1和所述入流部分的进口安装角β
1a
构成的冲角。
8.在上述压缩机叶轮的优选技术方案中，所述冲角i为-4度至2度范围内的任意角度。
9.在上述压缩机叶轮的优选技术方案中，所述出流部分的出口安装角为20度至50度范围内的任意角度。
10.在上述压缩机叶轮的优选技术方案中，所述出流部分的出口安装角为40度。
11.在上述压缩机叶轮的优选技术方案中，所述连接通道相对于所述叶轮本体的径向子午线的倾斜角度为10度。
12.在上述压缩机叶轮的优选技术方案中，所述入流通道、所述连接通道和所述出流
通道中的至少一个等宽设置。
13.在上述压缩机叶轮的优选技术方案中，所述入流通道、所述连接通道和所述出流通道均等宽设置，并且所述入流通道、所述连接通道和所述出流通道的宽度尺寸相同。
14.在上述压缩机叶轮的优选技术方案中，所述出流部分的外端平滑过渡至所述叶轮本体的外缘。
15.另外，本发明还提供一种压缩机，所述压缩机包括上述任一种压缩机叶轮。
16.本领域技术人员能够理解的是，本发明的压缩机叶轮的叶片包括由内向外依次设置的入流部分、做功部分和出流部分，以便每相邻两个叶片之间能够形成由内向外依次连通的入流通道、连接通道和出流通道。其中，入流通道相对于连接通道沿叶轮本体的转动方向的顺向倾斜设置，以便增大气流的圆周速度，保证压缩机叶轮的增压效果。出流通道相对于连接通道沿叶轮本体的转动方向的逆向倾斜设置，以便降低气流输出时的绝对速度，减少流动损失。连接通道相对于叶轮本体的径向子午线的倾斜角度为0至10度范围内的任意角度，以便提升压缩机叶轮搅动气流时的做功效果，使得压缩机叶轮的增压性能得到进一步优化。
17.优选地，上述入流通道和/或连接通道和/或出流通道等宽设置，以便保证气流流经入流通道和/或连接通道和/或出流通道时的流畅性，避免压缩机叶轮搅动气流时出现尖锐噪音。
18.进一步地，入流通道、连接通道和出流通道的宽度尺寸相同，以使压缩机叶轮上的各条气流通道均能形成为等宽的蛇形通道，在保证压缩机叶轮的降速增压的性能的同时避免进一步提升了气流的流动顺畅程度，防止增大气流的流动损失。
19.另外，本发明还提供一种压缩机，该压缩机包括上述任一种压缩机叶轮，因此其具备上述压缩机叶轮的所有有益效果，极大程度地优化了压缩机功率。
附图说明
20.下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。附图中：
21.图1是本发明的压缩机叶轮的侧向结构示意图；
22.图2是本发明的压缩机叶轮沿图1的a-a方向剖切后的剖视图；
23.图3是本发明的压缩机叶轮的叶片和叶轮本体的装配示意图；
24.图4是现有的具有前向叶片的压缩机叶轮基于绝对马赫数的仿真云图；
25.图5是现有的具有前向叶片的压缩机叶轮基于相对马赫数的仿真云图；
26.图6是现有的具有前向叶片的压缩机叶轮基于绝对总压的仿真云图；
27.图7是现有的具有前向叶片的压缩机叶轮基于相对总压的仿真云图；
28.图8是本发明的压缩机叶轮基于绝对马赫数的仿真云图；
29.图9是本发明的压缩机叶轮基于相对马赫数的仿真云图；
30.图10是本发明的压缩机叶轮基于绝对总压的仿真云图；
31.图11是本发明的压缩机叶轮基于相对总压的仿真云图。
32.附图中：1、叶轮本体；2、叶片；21、入流部分；22、做功部分；23、出流部分；3、入流通道；4、连接通道；5、出流通道。
具体实施方式
33.首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
34.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“左”、“右”、“中心”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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。
35.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.首先参阅图1和图2，图1是本发明的压缩机叶轮的侧向结构示意图，图2是本发明的压缩机叶轮沿图1的a-a方向剖切后的剖视图。如图1和图2所示，本发明的压缩机叶轮包括盘形的叶轮本体1和设置于叶轮本体1上的多个叶片2。多个叶片2呈环形均匀设置于叶轮本体1的盘面上，以便在叶轮本体1上形成多条以叶轮本体1的中部为起点、呈放射状分布的气流通道。具体而言，每个叶片2均包括由内向外依次设置的入流部分21、做功部分22和出流部分23，入流部分21通过做功部分22连接至出流部分23，以使每相邻两个叶片2的入流部分21之间能够形成入流通道3，每相邻两个叶片2的做功部分22之间能够形成连接通道4，每相邻两个叶片2的出流部分23之间能够形成出流通道5。入流通道3、连接通道4和出流通道5由内向外依次连通，从而形成一整条上述气流通道。按照图2方位，在压缩机叶轮按照图2中示出的箭头方向转动时，入流通道3相对于连接通道4沿叶轮本体1的转动方向的顺时针倾斜设置。在此情形下，仅参照图2中的叶轮本体1的上半个圆部分上的叶片，该部分叶片的入流通道3相对于连接通道4向右倾斜。出流通道5相对于连接通道4沿叶轮本体1的转动方向的逆时针倾斜设置。在此情形下，仅继续参照图2中的叶轮本体1的上半个圆部分上的叶片，该部分叶片的出流通道5相对于连接通道4向左倾斜。连接通道4相对于叶轮本体1的径向子午线(即叶轮本体1的半径所在的直线)的倾斜角度为0至10度范围内的任意角度。通过上述设置，使得入流通道3和出流通道5分别相对于连接通道4朝向不同的方向倾斜，从而使入流通道3、连接通道4和出流通道5共同连成一条近似于蛇形的气流通道。
37.在上述实施方式中，“由内至外”具体是指由叶轮本体1的中心至叶轮本体1的外缘的方向。在压缩机叶轮转动时，气流从叶轮本体1的中部进入入流通道3，然后流经连接通道4后从出流通道5流出，在压缩机叶轮的转动动作下沿叶轮本体1的圆周方向形成涡流。
38.通过将入流通道3设置为相对于连接通道4沿叶轮本体1的转动方向顺向倾斜，能够在气流流经入流通道3时提升叶片2的入流部分21的压力面对气流的推动效果，从而使气流的圆周速度得到提升，提升压缩机叶轮对气流的增压效果，极大地增加了气流的静态压力。
39.通过将连接通道4设置为相对于叶轮本体1的径向子午线的倾斜角度不超过10度，能够使连接通道4尽量接近平行于径向子午线的方向，以便在顺畅连接入流通道3和出流通
道5的基础上最大程度地保证叶片2的做功部分22的压力面对气流的推压效果，使得压缩机叶轮的做功变多，从而使压缩机叶轮的气流增压效果得到进一步提升，进一步优化了压缩机叶轮的增压效果。
40.再参阅图3并继续参阅图2，图3是本发明的压缩机叶轮的叶片2和叶轮本体1的装配示意图。如图2和图3所示，d2为压缩机叶轮的出口直径。从图3对出口安装角β
2a
的示意中能够看出，出流部分23的出口安装角β
2a
为出流部分23的压力面的出流端的切线与出流端在出口直径d2的圆上的交点的圆切线所构成的夹角。通过将出流通道5设置为相对于连接通道4沿叶轮本体1的转动方向逆向倾斜，能够减小上述出口安装角β
2a
，以便使气流在流出出流通道5时能够逆向压缩机叶轮的转动方向。在此情形下，能够使流出出流通道5的气流以逆向叶轮本体1的转动方向的方向喷出，从而使喷出气流的初始流动方向与叶轮本体1外围的涡流的转动方向相逆，使得喷出气流的初始流动速度被涡流削弱后、流动方向被涡流同化后才能够与涡流汇合在一起。减小了流出气流的绝对速度，弱化了叶片2的出流部分23对流出的气流的加速推动效果，使得气流的动态压力减小，减少了气流的流动损失。
41.继续参阅图3，如图3所示，在一种优选的实施方式中，上述入流部分21的进口安装角β
1a
的确定方式为：β
1a
＝β1 i
42.其中，从图3对进口安装角β
1a
的示意中能够看出，d1为压缩机叶轮的进口直径。入流部分21的进口安装角β
1a
为入流部分21的压力面的入流端的切线与入流端在进口直径d1的圆上的交点的圆切线所构成的夹角。
43.上述公式中的β1为进入入流通道3的气流相对速度的方向角。上述公式中的i为进入入流通道3的气流相对速度的方向角β1和入流部分21的进口安装角β
1a
所构成的冲角。
44.在上述实施方式中，上述冲角i的数值不是不可调整的固定值，该冲角i既可以是正角度，也可以是负角度，还可以为0度。当进口安装角β
1a
大于气流的方向角β1时，冲角i则为正冲角(图3示例中的冲角i即为正冲角)。当进口安装角β
1a
与气流的方向角β1一致时，冲角i则为0度，当进口安装角β
1a
小于气流的方向角β1时，冲角i则为负冲角。经过反复试验和多次试验研究证实，虽然通常将冲角i设置为0度、使进口安装角β
1a
和气流的方向角β1相等，以便保证压缩机内的气体流量，但是，为了气流流量足够大的前提下提升压缩机叶轮的工作性能，上述冲角i优选在-4度至2度的范围内取值，使得冲角i在-4度至2度时所确定的进口安装角β
1a
还能够对增大气流的圆周速度这一技术效果进行强化。
45.上述进入入流通道3的气流相对速度的方向角β1通常根据叶轮本体1的进口直径d1来确定。具体地，上述进入入流通道3的气流相对速度的方向角β1是根据压缩机叶轮的切向气流速度c
1r
和压缩机叶轮的轴向气流速度u1进行确定的，而压缩机叶轮的切向气流速度c
1r
和压缩机叶轮的轴向气流速度u1均与进口直径d1密切相关。
46.具体地，在确定气流相对速度的方向角β1时，β1的计算公式为：β1＝arctan(c
1r
/u1)
47.其中，压缩机叶轮的切向气流速度c
1r
可以通过下述公式求得：c1r＝q
t
/(π*d1*b1*τ1)
48.在上述公式中，qt代表压缩机内的流体流量；b1代表压缩机叶轮的宽度，该宽度具体为压缩机叶轮在轴向上的厚度；τ1为阻塞系数。作为示例，该阻塞系数可取0.9。
49.压缩机叶轮的轴向气流速度u1可以通过下述公式求得：u1＝(π*d1*n)/60
50.在上述公式中，n代表压缩机叶轮的转速。
51.优选地，通过设置上述进口直径d1、冲角i等参数，使进口安装角β
1a
接近或等于30
°
，以保证压缩机叶轮的进气量良好。
52.进一步地，作为示例，上述连接通道4相对于叶轮本体1的径向子午线的倾斜角度为10度。通过设置该倾斜角度，能够在保证叶片2的做工效果的同时避免连接通道4在衔接入流通道3和出流通道5时路径发生突变，降低气流在气流通道内流动时的流动损失。
53.经过多次试验和反复研究，设定出流部分23的出口安装角β
2a
优选为20度至50度范围内的任意角度，以便优化配置有该压缩机叶轮的压缩机的极效率参数和级压比参数，增大出口安装角β
2a
的稳定工作区。最优选地，将出流部分23的出口安装角β
2a
设定为40度。
54.在一种更优选的实施方式中，所述入流通道3、所述连接通道4和所述出流通道5中的至少一个等宽设置，以便进一步降低气流通道的结构突变程度，保证气流的流动顺畅性，减小流动损失。
55.作为一种最优示例，入流通道3、连接通道4和出流通道5设置为：沿长度方向上，入流通道3/连接通道4/出流通道5的宽度尺寸均处处相等。并且，入流通道3、连接通道4和出流通道5这三段通道的宽度尺寸相同，使得整条气流通道能够形成一条近似于蛇形的等宽通道，使气流通道的流畅度达到最优。
56.如图2或图3所示，更进一步地，为了深度优化气流通道的流畅度，最大程度地降低气流在气流通道内流动时的流动损失，上述出流部分23的外端(即靠近叶轮本体1的外缘的一端)平滑过渡至叶轮本体1的外缘。
57.作为示例，连接通道4的两端分别进行平缓过渡处理，使得连接通道4能够分别与入流通道3和出流通道5平滑连接，从而保证气流在气流通道内流动时的整体流畅度。
58.接下来再参阅图4-图11，图4是现有的具有前向叶片的压缩机叶轮基于绝对马赫数的仿真云图，图5是现有的具有前向叶片的压缩机叶轮基于相对马赫数的仿真云图，图6是现有的具有前向叶片的压缩机叶轮基于绝对总压的仿真云图，图7是现有的具有前向叶片的压缩机叶轮基于相对总压的仿真云图，图8是本发明的压缩机叶轮基于绝对马赫数的仿真云图，图9是本发明的压缩机叶轮基于相对马赫数的仿真云图，图10是本发明的压缩机叶轮基于绝对总压的仿真云图，图11是本发明的压缩机叶轮基于相对总压的仿真云图。从图4-11的仿真分析结果中能够看出，相比于现有的具有前向叶片的压缩机叶轮，本发明的压缩机叶轮输出的气流的绝对马赫数明显变小，由此表明，本发明的压缩机叶轮输出的气流的动态压力更小，流动损失更少。
59.从图5圈出的位置能够看出，现有的具有前向叶片的压缩机叶轮的输出的气流在同一输出方向上的相对马赫数差异明显，输出气流时具有很明显的气流分离现象，分离损失较大，进而出现气流输出波动的问题，压缩机叶轮的工作效率低。而从图9中能够看出，本发明的压缩机叶轮输出的气流在同一输出方向上的相对马赫数相同，沿气流的流出方向逐渐同步而均匀变化，不存在气流分离现象。
60.从图6-7以及图10-11中能够看出，现有的具有前向叶片的压缩机叶轮输出气流时的相对总压仿真分析云图和绝对总压仿真分析云图上的压力分布均匀程度均小于本发明
的压缩机叶轮。与现有的具有前向叶片的压缩机叶轮相比，本发明的压缩机叶轮输入气流的压力分布更加均匀，因此进气稳定性更好。
61.另外，本发明还提供一种配置有上述压缩机叶轮的压缩机。该压缩机具备上述压缩机叶轮的所有优化性能，使得压缩机具有良好的功率参数。
62.综上所述，本发明的压缩机叶轮的叶片2包括由内向外依次设置的入流部分21、做功部分22和出流部分23，以便每相邻两个叶片2之间能够形成由内向外依次连通的入流通道3、连接通道4和出流通道5。其中，入流通道3相对于连接通道4沿叶轮本体1的转动方向的顺向倾斜设置，以便增大气流的圆周速度，保证压缩机叶轮的增压效果。出流通道5相对于连接通道4沿叶轮本体1的转动方向的逆向倾斜设置，以便降低气流输出时的绝对速度，减少流动损失。连接通道4相对于叶轮本体1的径向子午线的倾斜角度为0至10度范围内的任意角度，以便提升压缩机叶轮搅动气流时的做功效果，使得压缩机叶轮的增压性能得到进一步优化。
63.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。