叶轮及压缩机及空调机组的制作方法

1.本发明涉及压缩机技术领域，具体而言，涉及一种叶轮及压缩机及空调机组。


背景技术：

2.压缩机作为一般动力源，广泛应用于机械、汽车、医疗、食品、电力、建材、石油、化工及军工等行业。按压缩机方式的不同，常见的有离心式压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机等。
3.离心式冷水机组是公共建筑尤其是大型公共建筑空调系统的主力机型，广泛应用于舒适性空调、数据中心、区域能源和热泵等领域，其能效水平对公共建筑能耗具有重大影响。而叶轮是离心式压缩机中功能转化的核心部件，叶轮设计的好坏直接影响着离心式压缩机的性能。
4.在传统的离心压缩机设计中，叶轮是根据额定工况点进行单点设计，将额定工况点性能作为唯一考核指标，使压缩机在额定工况附近，性能达到最佳，效率达到最高。而对于不同需求的离心机式机组，压缩机的设计点不同将会导致压缩机库数量庞大，系统维护困难。
5.目前，还是缺少一款可以满足不同制冷需求的叶轮，以降低压缩机的数据库。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供了一种叶轮及压缩机及空调机组，以解决现有技术中离心式压缩机的叶轮存在的不能满足不同制冷需求的技术问题。
7.本发明实施方式提供了一种叶轮，包括轮盘和设置在轮盘上的叶片，轮盘的轴心朝向叶片的前缘的叶根形成第一射线，轮盘的轴心到叶片的前缘的叶顶形成第二射线，叶片的前缘的叶尖形成预弯角e，预弯角e为第一射线和第二射线之间的夹角。
8.在一个实施方式中，预弯角e为3～17
°
。
9.在一个实施方式中，预弯角e为5～15
°
。
10.在一个实施方式中，叶片的前缘的叶根到轮盘所在平面形成垂线，叶片的前缘与垂线之间形成前倾角f。
11.在一个实施方式中，前倾角f为62～88
°
。
12.在一个实施方式中，前倾角f为65～85
°
。
13.在一个实施方式中，叶轮为离心压缩机叶轮。
14.本发明还提供了一种离心式压缩机，包括叶轮，叶轮为上述的叶轮。
15.本发明还提供了一种空调机组，包括离心式压缩机，离心式压缩机为上述的离心式压缩机。
16.在上述实施例中，在使用的过程中，由于工况变化，叶轮的入口的流动状态必然引起叶轮内部的流动的改变，由于气流来流需要保证与叶片的前缘的角度保证相同，才能降低由于在非设计工况下冲击损失。压缩机在运行过程时，需要包络运行两种工况，导致叶轮
入口气流角发生改变，因此在设计时，通过增加叶片的前缘的叶尖的预弯角，即在叶片的前缘入口位置，使叶片叶根位置向后倾斜。当压缩机在非设计点运行时，由于增加预弯角，气流首先接触叶顶位置，在应力强度左右下，叶片向后弯曲与叶根位置保持相同，不会产生过大的冲击，满足压缩机包络设计，让叶轮存在的满足不同制冷需求。
附图说明
17.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1是根据本发明的叶轮的实施例的正面结构示意图；
19.图2是图1的叶轮的侧面结构示意图；
20.图3是根据本发明的叶轮相关的压缩机特性工况需求设计的压比-流量图；
21.图4是根据本发明的叶轮相关的导叶正预旋时速度三角形图；
22.图5是根据本发明的叶轮相关的导叶负预旋时速度三角形图；
23.图6是根据本发明的叶轮的入口正冲角速度三角形图；
24.图7是根据本发明的叶轮的入口负冲角速度三角形图。
具体实施方式
25.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
26.如图1和图2所示，本发明提供了一种叶轮，该叶轮包括轮盘10和设置在轮盘10上的叶片20。轮盘10的轴心朝向叶片20的前缘21的叶根21a形成第一射线x，轮盘10的轴心到叶片20的前缘21的叶顶21b形成第二射线y，叶片20的前缘21的叶尖形成预弯角e，预弯角e为第一射线x和第二射线y之间的夹角。
27.在使用的过程中，由于工况变化，叶轮的入口的流动状态必然引起叶轮内部的流动的改变，由于气流来流需要保证与叶片20的前缘21的角度保证相同，才能降低由于在非设计工况下冲击损失。压缩机在运行过程时，需要包络运行两种工况，导致叶轮入口气流角发生改变，因此在设计时，通过增加叶片20的前缘21的叶尖的预弯角e，即在叶片20的前缘21入口位置，使叶片20叶根21a位置向后倾斜。当压缩机在非设计点运行时，由于增加预弯角e，气流首先接触叶顶21b位置，在应力强度左右下，叶片20向后弯曲与叶根21a位置保持相同，不会产生过大的冲击，满足压缩机包络设计，让叶轮存在的满足不同制冷需求。
28.可选的，预弯角e为3～17
°
。更为优选的，在本实施例的技术方案中，预弯角e为5～15
°
。为了压缩机在不同工况的适应能力增强，保证叶轮在高效区域运行。预弯角e设置范围需要进行合理控制，经过实验来看，根据材料强度控制在5～15
°
比较合理。
29.如图2所示，作为一种更为优选的实施方式，叶片20的前缘21的叶根21a到轮盘10所在平面形成垂线z，叶片20的前缘21与垂线z之间形成前倾角f。在使用时的过程中，叶轮入口位置流体速度超过音速后会在叶片20位置产生激波，引起叶轮的入口流动损失。为减低叶轮入口位置的流动速度，在叶片20的前缘21设置前倾角f，保证叶轮入口位置能够快速的接触流体，增大了叶轮进口面积，降低叶轮入口流速。
30.可选的，前倾角f为62～88
°
。更为优选的，在本实施例的技术方案中，前倾角f为65～85
°
。经过实验，如果该前倾角f太大将会导致叶片20顶部的强度降低，需要合理设计前倾，前倾角最佳设计范围需要设置在65-85
°
之间。
31.需要说明的是，上述的技术方案中的叶轮尤其适用于离心压缩机叶轮。
32.本方案的主要设计构思为，压缩机设计时压比遵循欧拉方程：h＝c2u*u2-c1u*u1。如图3至图7所示，根据压缩机叶轮设计需要，在工况a点和工况b点进行合理选择叶轮的最佳设计点。其中，i是冲角，即叶片进口安装角与气流角度的差值，i＝a10-a1，c1为叶轮入口绝对速度，c1u为入口绝对速度在圆周速度分量，u1为叶轮入口圆周速度，w10、c1r0为冲角为0时的相对速度和进入叶轮径向速度，w1、c1r是冲角不为0时的相对速度和进入叶轮径向速度，w0、w1sh是冲角不为0时的相对速度在叶片安装角方向和叶轮内径切向方向的分速度。由于a点需求工况压缩机为大压比，小流量的设计工况，当压缩机设计转速确定后，达到需求压缩比需要增大叶轮半径，由于流量较少，需要减少叶轮出口宽度；而压缩机b点的需求为小压比、大流量的工况设计，在相同转速下，叶轮设计半径需要降低，叶轮出口宽度需要增大，两台压缩机之间存在相互矛盾，两种工况之间的相互调节需要通过在压缩机入口增加导叶调节机构。
33.因此需要在两种工况之间进行合理选择压比、流量的设计需求，满足在工况点a的情况下，压缩机能够达到需求压比；当压缩机在工况点b运行时，又能够满足流量需求。
34.压缩机设计时，需要在工况a和工况b之间选择设计压比和流量。由于两工况之间的特性线非等比例变化，压比和流量不能简单的设计在两工况的中点，需要设计压比靠近a工况，流量需求靠近b点，用来保证压缩机在工况点a运行时，能够达到需求压比，适当增加半径。当压缩机在b工况点运行时，由于压缩机转速和叶轮出口半径保持不变，将会达到a点压比，偏离工况b，需要通过增加导叶开度，增大叶轮入口的流量，降低压缩机压比,增加导叶开度，相当于改变叶轮入口冲角，是其变成负冲角，此时c1u大于0，能量头h降低，使压缩机运行在工况点。
35.进一步，由于两种工况之间压比和流量不能相差太大，否则压缩机单独设计压缩机是不能同时满足的。因此工况a和工况b之间最好满足一下比例关系，进行压缩机包络设计，即工况a点压比为b点的1.05～1.15倍之间，工况a的流量为b点的0.85～0.95倍，在此范围时，可以设计出具有包络设计的压缩机叶轮，并且满足性能要求。
36.进一步，当工况满足压比和流量比例范围时，根据压缩机设计准则，此时压缩机在设计点时叶轮进口直径为0.92～1.06倍的a点设计或者b点设计叶轮入口直径。
37.进一步，压缩机叶轮的出口宽度受到流量的影响很大，通过合理选取设计点后，能够同时满足两种工况的叶轮出口宽度为0.9～1.08倍的a点设计或者b点设计叶轮出口宽度。
38.进一步，在选取设计点时的叶轮出口半径为0.93～1.07倍a点设计或者b点设计的叶轮出口半径直径。
39.进一步，由于压缩机的设计点并非在工况需求点，因此需要增加入口导叶进行压缩机制冷量和压比的调节。
40.当压缩机运行a工况点时，导叶进行负预旋，即导叶反方向旋转，增加压缩机压比，同时冷量随着导叶关小冷量逐渐满足工况需求。由于两种工况均是运行在非设计点，必然
到至叶轮入口的冲角度比较大，形成入口冲击损失。为调整降低入口冲击角，需要将压缩机叶轮在设计时入口进行角度调整，使设计工况时的入口气流角与叶片20安装角度处于正冲角。
41.当压缩机运行工况点b时，由于压比降低，制冷工质的单位制冷量逐渐增大，由于压缩机导叶进行正预旋调整，会降低压缩机的运行压比，同时流量增大会导致冲角逐渐偏移向零冲角，此时压缩机在工况点b运行时，性能得到提升。通过该包络设计，可以使压缩机能够很好的适应两种工况的需求。
42.进一步，为了保证压缩机能够在高效区域运行，需要将叶轮叶片20的安装角度进行合理设计。当压缩机运行在a工况或者b工况时，冲角范围在-5
°
～5
°
之间。即设计点的叶片20安装角与需求工况下的气流夹角在此范围内。
43.基于此，采用上述的预弯角e结构设置就可以让压缩机在非设计点运行时，气流首先接触叶顶21b位置，在应力强度左右下，叶片20向后弯曲与叶根21a位置保持相同，不会产生过大的冲击，满足压缩机包络设计。采用上述的前倾角f结构设置，就可以保证叶轮入口位置能够快速的接触流体，增大了叶轮进口面积，降低叶轮入口流速。
44.由上述内容可知，对于定频压缩机，由于压缩机转速固定，不可调节。压缩机要进行工况兼顾，必须通过流量、压比等参数调整，确定压缩机设计最佳的设计点，能够同时满足两种工况的制冷需求。本发明的技术方案，通过对多种不同需求进行分析，确定压缩机的最佳设计点，对压缩机入口叶片20曲率进行造型设计，适应不同工况下的速度三角形。确保一台压缩机通过降低叶轮入口冲击损失，更宽的适应不同流量、压比的工作范围，降低叶轮入口冲击损失，提高整机效率。通过叶轮叶片20曲率造型，改变不同压比、不同流量下的气流对叶轮前端的冲击，降低叶轮前端的流动损失，提高叶轮叶片20做功效率，提升压缩机效率。
45.本发明还提供了一种离心式压缩机，包括上述的叶轮。采用上述的叶轮的离心式压缩机，可以适用于更多的工况，并且提升压缩机效率。
46.本发明还提供了一种空调机组，包括上述的离心式压缩机，采用上述的离心式压缩机的空调机组可以具有更多的工况，以满足用户多种使用需要。
47.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。