用于空气压缩机的叶片、叶轮及空气压缩机的制作方法

1.本技术涉及空气压缩机领域，尤其涉及用于空气压缩机的叶片、叶轮以及空气压缩机。


背景技术：

2.空气压缩机作为气源装置已被广泛应用于各行业中。例如，电动空气压缩机在车辆中被用作制动用的气源、涡轮增压器的气源或燃料电池的气源等。
3.空气压缩机通常包括壳体、叶轮和驱动装置(例如，电机)，叶轮在驱动装置的带动下高速旋转，使进入壳体内空气随着叶轮的旋转而被压缩。由于叶轮的转速较高，每分钟可高达十几万转，因此叶轮的高速运动会导致在叶片附近产生复杂的空气运动模式。具体地，在叶片表面处，接触叶片光滑表面的空气由于粘滞效应而容易形成湍流，从而造成能量损失，而降低空气压缩机的效率。
4.现有技术中已存在对空气压缩机的部件进行改进的各种方案，例如，改变叶片的曲线形状和角度分布、改变叶片正压面和负压面的结构等，但仍未能完全解决降低湍流损失的问题。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种改进的用于空气压缩机的叶片、包括前述叶片的叶轮和包括前述叶轮的空气压缩机，以降低能量损失，提高效率。
6.本技术的构思主要来源于对现有空气压缩机的叶片处的湍流损耗的数值仿真和模拟计算以及对鞘翅类昆虫(例如，蜣螂等)的鞘翅外表面的形貌结构的观察。
7.通常情况下，生产商或设计人员会设法降低叶片的正压面(即，在叶片旋转时承受空气的正压力的表面)和负压面(即，在叶片旋转时承受空气的负压力的表面，负压面设置在正压面的相反一侧)产生的湍流损耗，因此设计也大多集中在叶片的正压面和负压面。然而，申请人在对叶片进行数值仿真和模拟计算后，发现不仅叶片的正压面和负压面会产生湍流损耗，而且连接正压面和负压面的侧面(即，在叶片厚度方向上的一侧的表面，其大致垂直于正压面和负压面)也会产生大量的湍流损耗。因此，减少叶片侧面的湍流损耗可以进一步提高空气压缩机的效率。为减轻叶片侧面的湍流损耗，申请人研究了鞘翅类昆虫(例如，蜣螂)的鞘翅外表面的形貌，发现鞘翅外表面的非平滑的表面结构可以在叶片发生高速运动时有效降低叶片侧面的粘滞效应，从而降低湍流损耗，提高空气压缩机的效率。
8.为此，根据本技术的一方面，提供了一种用于空气压缩机的叶片，所述叶片包括：正压面，其被配置成在所述叶片旋转时承受空气的正压力；负压面，其被配置成在所述叶片旋转时承受空气的负压力，且所述负压面被设置在所述正压面的相反侧；和侧面，其被配置成连接所述正压面和所述负压面；其中，至少所述侧面包括非平滑的表面结构。
9.根据本技术的一实施例，所述叶片包括主叶片和副叶片，所述主叶片的非平滑的表面结构在径向方向上的长度大于所述副叶片的非平滑的表面结构在径向方向上的长度。
10.根据本技术的一实施例，所述叶片还包括外缘表面，所述外缘表面为所述叶片的径向最外侧的表面，所述叶片的非平滑的表面结构被设置在所述侧面的靠近所述外缘表面的一部分中。
11.根据本技术的一实施例，所述非平滑的表面结构包括凹坑结构、沟槽结构或其组合。
12.根据本技术的一实施例，当所述非平滑的表面结构包括凹坑结构时，所述凹坑结构为多个凹坑形成的阵列，且相邻凹坑之间的间距沿径向方向向外逐渐减小；且当所述非平滑的表面结构包括沟槽结构时，所述沟槽结构包括多个沟槽，且相邻沟槽之间的间距沿径向方向向外逐渐减小。
13.根据本技术的一实施例，所述凹坑的横截面形状为部分圆形或部分椭圆形；且所述沟槽的横截面形状为部分圆形或部分椭圆形。
14.根据本技术的一实施例，所述凹坑的深度为5-100微米，长度和/或宽度为10-400微米；且所述沟槽的深度为5-100微米，宽度为10-400微米。
15.根据本技术的另一方面，提供了一种用于空气压缩机的叶轮，其中所述叶轮包括：轮毂，其被配置成能够与驱动装置联接；和如上所述的叶片，其中所述叶片与所述轮毂固定联接或成为一体。
16.根据本技术的一实施例，所述叶轮还包括端板，所述端板垂直于所述叶轮的旋转轴线方向设置，且与所述轮毂固定联接或成为一体，其中所述叶片与所述端板固定联接或成为一体。
17.根据本技术的又一方面，提供了一种空气压缩机，其中，所述空气压缩机包括：驱动装置；和如上所述的叶轮，其中，所述驱动装置被配置成带动所述叶轮旋转。
18.由于叶片侧面的非平滑结构，本技术提供的叶片、叶轮和空气压缩机可以降低由于叶片侧面附近的湍流造成的能量损失，从而可以进一步提高空气压缩机的效率。
附图说明
19.下面将参照附图对本技术的示例性实施例进行详细描述，应当理解，下面描述的实施例仅用于解释本技术，而不是对本技术范围的限制，在附图中：
20.图1是示出根据本技术的实施例的用于空气压缩机的叶轮的示意性透视图；
21.图2是示出图1中的区域a的示意性放大图；
22.图3是示出根据本技术的实施例的用于空气压缩机的叶片的示意性透视图。
具体实施方式
23.下面结合示例详细描述本技术的优选实施例。在本技术的实施例中，以离心式空气压缩机及其叶片、叶轮为例对本技术进行描述。但是，本领域技术人员应当理解，这些示例性实施例并不意味着对本技术形成任何限制。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例中的特征可以相互组合。在不同的附图中，相同的部件用相同的附图标记表示，且为简要起见，省略了其它的部件，但这并不表明本技术的叶片、叶轮和空气压缩机不可包括其它部件。应当理解，附图中各部件的尺寸、比例关系以及部件的数目均不作为对本技术的限制。
24.在本文中，除非另有说明，否则“轴向”表示空气压缩机的叶片或叶轮围绕其旋转
的旋转轴线的延伸方向，“径向”表示相对于旋转轴线而言的径向方向，“周向”表示相对于旋转轴线而言的周向方向，即环绕旋转轴线的方向。
25.在本文中，除非另有说明，否则“正压力”表示大于常压的压力，而“负压力”表示低于常压的压力。
26.下面参照图1-3来描述根据本技术的实施例的用于空气压缩机的叶片和叶轮。图1示意性地示出了根据申请的实施例的用于空气压缩机的叶轮，图2是示出图1中的区域a的示意性放大图，图3示意性地示出了根据本技术的实施例的用于空气压缩机的叶片。
27.应指出的是，空气压缩机可以是任意类型，在此以离心式空气压缩机为例来说明。尽管在附图中未示出，但已知的是，空气压缩机通常包括壳体、叶轮和驱动装置，叶轮容纳在壳体内且与驱动装置固定联接。当驱动装置带动叶轮旋转时，进入壳体内的空气在高速旋转的叶片推动下一方面做周向运动，另一方面做径向运动。在叶轮的作用下，空气的压力和动能得到提高。当空气流出叶轮后进入扩压器后，空气速度逐渐降低，压力不断上升，然后流出压缩机进入储存容器或管网。在图1所示的离心式空气压缩机的叶轮100的情况下，空气沿着轴向进入，并沿着径向离开。
28.如图1-3所示，本技术的用于空气压缩机的叶轮100包括轮毂60、叶片10，其中轮毂60被配置成能够与驱动装置(未示出)联接，且叶片10与轮毂60固定联接(例如，通过焊接)或成为一体，例如，通过叶片10的根部17。另外，在图1所示的离心式空气压缩机的叶轮100中，还包括端板50，其垂直于叶轮100的旋转轴线方向设置，且与轮毂60固定联接或成为一体，其中叶片10也与端板50固定联接或成为一体，例如，通过叶片10的根部17。
29.本技术的用于空气压缩机的叶片10包括主叶片11和副叶片12，两者具有类似的结构，但尺寸和形状可以不同。主叶片11和副叶片12沿叶轮100的周向方向均匀地排布，且副叶片12位于两个相邻的主叶片11之间。当然，叶轮100也可以只具有主叶片11，而不具有副叶片12。下面以主叶片11为例来描述叶片10的具体结构，而省略对副叶片12的类似结构的重复描述。参考图3，主叶片11包括：正压面13，其被配置成在主叶片11旋转时承受空气的正压力；负压面14，其被配置成在主叶片11旋转时承受空气的负压力，且负压面14被设置在正压面13的相反侧；和侧面15，其被配置成连接正压面13和负压面14。换句话说，侧面15是主叶片11的在厚度方向上的一侧的表面。根据本技术的实施例，在主叶片11中，至少侧面15包括非平滑的表面结构16。这样，在主叶片11高速运转时，可以降低主叶片11的侧面15处的粘滞效应，从而可以降低湍流损耗，提高空气压缩机的效率。
30.根据本技术的实施例，除主叶片11的侧面15设有非平滑的表面结构16之外，主叶片11的正压面13和/或负压面14也可以设有非平滑的表面结构16，以进一步降低湍流损耗。
31.应指出的是，副叶片12也具有如上所述的正压面、负压面和侧面，且至少侧面设有非平滑的表面结构。尤其是，如图3所示，考虑到主叶片11和副叶片12承受的气流差别，主叶片11的非平滑的表面结构在径向方向上的长度l1大于副叶片12的非平滑的表面结构在径向方向上的长度l2，以重点降低主叶片11上的湍流损耗。
32.主叶片11还包括外缘表面18，该外缘表面18为主叶片11的径向最外侧的表面，主叶片11的非平滑的表面结构16被设置在侧面15的靠近外缘表面18的一部分中。在数值模拟过程中发现，在侧面15的靠近外缘表面18的一部分中出现较大湍流损耗的可能性较大，因此可以将非平滑的表面结构16设置在靠近外缘表面18的位置。当然，外缘表面18也可以设
有如前所述的非平滑的表面结构，以进一步改善气流的流场结构。
33.非平滑的表面结构16为参照蜣螂的鞘翅外表面进行仿生设计而得到的结构。凹坑结构和沟槽结构为蜣螂的鞘翅外表面上不同部位的形貌结构，其可以改变流经该结构附近的气体流场。
34.根据本技术的一实施例，如图2和3所示，非平滑的表面结构16为凹坑结构，其中该凹坑结构为多个凹坑形成的阵列，且相邻凹坑之间的间距沿径向方向向外逐渐减小。即，沿径向方向向外，凹坑的排列越来越密，以与叶片侧面15上的湍流损耗分布相对应。
35.根据本技术的另一实施例，非平滑的表面结构16也可以是沟槽结构(未示出)，其中该沟槽结构包括多个沟槽，且相邻沟槽之间的间距沿径向方向向外逐渐减小。类似地，沿径向方向向外，沟槽的排列越来越密，以与叶片侧面15上的湍流损耗分布相对应。
36.替代性地，非平滑的表面结构16也可以是凹坑结构和沟槽结构的组合。
37.根据叶片的工作参数，凹坑结构和沟槽结构也可以有不同的排布，例如沿径向方向均匀排布、沿径向方向随机排布或沿径向方向向外越来越稀疏。还应指出的是，沟槽结构中的沟槽可以彼此平行排布，也可以相互交叉或会聚。
38.前述凹坑的横截面形状可以是部分圆形或部分椭圆形，且前述沟槽的横截面形状也可以是部分圆形或部分椭圆形，以利于边界层的气流流动。应理解的是，凹坑和沟槽也可以有其它的横截面形状，例如，三角形、矩形、梯形等。
39.经过ansys模拟和有限元计算，凹坑的深度可以为5-100微米，长度和/或宽度可以为10-400微米，且沟槽的深度可以为5-100微米，宽度可以为10-400微米。当然，根据不同的叶片尺寸和转速等，也可以对凹坑和沟槽的参数进行调整。
40.在本技术的另外的实施例中，副叶片12的非平滑的表面结构的长度也可以大于或等于主叶片11的非平滑的表面结构的长度，或者甚至可以不具有非平滑的表面结构。
41.根据本技术的实施例，叶片的非平滑的表面结构可以通过机械加工(例如，激光加工)、化学腐蚀等方法形成。
42.以上结合具体实施例对本技术进行了详细描述。显然，以上描述以及在附图中示出的实施例均应被理解为是示例性的，而不构成对本技术的限制。例如，在优选实施例中以用于离心式空气压缩机的叶片和叶轮为例对本技术进行了描述，但是，不仅在离心式空气压缩机上，而且在轴流式空气压缩机或具有高速旋转的叶片的其他流体机械上，本技术都可获得应用。对于本领域技术人员而言，可以在不脱离本技术的精神的情况下对其进行各种变型或修改，这些变型或修改均不脱离本技术的范围。